canton tower by Karolina Antosiewicz

CANTON TOWER Gdy państwo chce zaprezentować swoją potęgę wznosi monumentalne, wspaniałe i potężne budowle. Jedna z nich wyrosła w Chinach nad Kantonem. Canton Tower znajduje się w centralnej dzielnicy Kantonu – Haizhu, tuż nad rzeką Perłową. Jest to najwyższy obiekt w Chinach. W momencie zakończenia budowy (2010) była również najwyższą wieżą na świecie, przewyższając tym samym o 67m ówczesną rekordzistkę z 1976 roku – wieżę CN w Toronto. Jednak przewyższyła ją o 24m oddana w 2011 roku wieża Sky Tree w Tokio. Canton Tower mieści nadajniki radiowe i telewizyjne oraz funkcje towarzyszące-platformę widokową, lokale gastronomiczne, sklepy i multipleks. Jej wysokość wynosi 610m a średnica w najwęższym miejscu 22m. W części podziemnej zlokalizowane zostały przestrzenie wystawiennicze, handlowe, parking na 600 samochodów oraz stacja autobusowa i metra.

Dane ogólne:

Wieża telewizyjna Canton Tower -

Kanton, Chiny

Autorzy

Information Based Architecture: Mark

Hemel, Barbabra Kuit Konstrukcja

Ove Arups & Partners, Hong Kong

Wspólpraca

Guangzhou Design Institute

Generalny wykonawca

GMC Guangzhou, SCG Shanghai

Inwestor

Guangzhou Construction Investment & Development, Guangzhou TV Station

Powierzchnia terenu

17,4 ha

Powierzchnia całkowita

114 000 m2

Wysokość

610 m

Ilość pięter

Projekt

2004 r.

Realizacja

2010 r.

Koszt

324 mln $

Schemat konstrukcyjny Głównymi zagrożeniami dla wieży Canton są: a) wiatr, tajfun b) trzęsienia ziemi c) wzrost temperatury Możemy więc przedstawić schematycznie wieżę jako wspornik utwierdzony w ziemii, na którego działają 3 rodzaje sił: a) ciężar własny

siły pionowe, mogące spowodować wyboczenie i wygięcie, wzrastają wraz ze zbliżaniem się do podnóża wieży.

b) siły wiatru

siły poziome-działające prostopadle do wspornika, mogą powodować odchylenie go; wartość tych sił zwiększa się wraz z wysokością oraz okresowo może się zmieniać.

c) trzęsienia ziemi

siły uderzające w utwierdzenie wspornika, działające na niego wzdłużnie, poprzecznie oraz skręcające; występują sporadycznie; powodują niestabilność wspornika (fundamentu) co prowadzi do zachwiania, wygięcia, czy też skręcenia całej konstrukcji.

KSZTAŁT CANTON TOWER Podczas projektowania starano się maksymalnie zniwelować działanie sił spowodowanych ciężarem własnym, wiatrem, trzęsieniem ziemi. Projektanci wyszli od formy prostych slupów tworzących walec o okrągłej podstawie i zmieniali stopniowo jej kształt :

1. walec z okrągłą podstawą 2. walec eliptyczny 3. zwężenie ku górze – wynika to z wykresu momentów przy działaniu siły poprzecznej – przy wsporniku musi być szerzej

4. obrót wertykalnych elementów, aby utworzyć efekt skręcenia-efekt skręcenia dający przewężenie na środku i rozchylenie konstrukcji na górze jest głównie aspektem architektonicznym, jednak układ ten wspomaga stabilność konstrukcji poprzez dociążenie jej od góry. Dodatkowo wynika to z wykresu momentów

5. nachylenie górnej podstawy wieży o 10 stopni – również efekt przekształceń konstrukcji lekkiej wynikającej w wykresu momentów. 6. zagęszczenie pierścieni zależnie od sił poprzecznych; im dalej od środka, tym wymagane jest większe wzmocnienie konstrukcji, a więc zagęszczenie pierścieni.

7. obrót pierścieni zależnie od sił poprzecznych; wynika on również z tych samych przekształceń, co w etapie 5. 8. diagonalnie wzmocnienie (usztywnienie) konstrukcji 9. diagonalne wzmocnienie specyficznych obszarów w kierunku przeciwnym do usztywnionych przewężeń 10. materializacja pionowych elementów w zależności od momentów 11. materializacja pierścieni i przekątnych. Kratownica z kolumn i pierścieni utworzyła w ten sposób powierzchnię sztywną przestrzennie.

KONSTRUKCJA CANTON TOWER Konstrukcja wieży składa się z trzech elementów: a) żelbetowego trzonu b) osłaniającej go stalowej kratownicy c) masztu antenowego ad a) Żelbetowy trzon ma wysokość 454m, a w przekroju poziomym ma kształt elipsy o wymiarach 15,6 x 18,6 m. Wykonano go przy pomocy samo wznoszącego się rusztowania[fot. nr 1]. Na nim umieszczono pięć budynków połączonych pionem komunikacyjnym. [fot. nr 2] Z powodu skręcenia wieży każde piętro ma inny kształt. Wszystkie legary i segmenty stropowe są wykonane na zamówienie. Legary stanowią połączenie stropów z trzonem oraz kratownicą konstrukcyjną, przez co przenoszą na nie obciążenia. Stropy są żelbetowe wylewane. Beton musiał być specjalnie dobrany do pompowania w wielopiętrowych strukturach. Użyto samozagęszczalnego betonu SCC, który łatwo się rozpływa i osiada pod własnym ciężarem. Jest idealny do wypełniania ciasnych przestrzeni. Stopy są przymocowane zarówno do trzonu, jak i kratownicy zewnętrznej. [fot. nr 3]

fot. nr 1. Budowa trzonu za pomoca samowznoszącego się rusztowania.

fot. nr 2. Budynki wewnątrz Canton Tower.

fot. nr 3. Montowanie stropu.

W połowie wysokości wieży (173,2 – 334,4 m) mieści się otwarta klatka schodowa[fot. nr 4]. Jest ona wykonana z gotowych elementów przywiezionych na teren budowy. Do wnętrza konstrukcji dostarczane one są za pomocą żurawia. Podnoszenie elementów podniebnej klatki schodowej było długim i żmudnym procesem, ponieważ wewnątrz wieży unikanie kolizji z siecią wzmocnień było nie lada wyzwaniem. Schody są przymocowane wspornikowo do trzonu.

fot. nr 4. Otwarta klatka schodowa

ad b) Kształt kratownicy wynika z wymagań statyki: wyprowadzono go od walca, którego górną podstawę zmniejszono względem dolnej, a następnie przekręcono względem osi pionowej, co spowodowało powstanie przewężenia mniej więcej w połowie wysokości. Dodatkowo górną podstawę nachylono o 10 stopni. Kratownica z 24 kolumn i 46 pierścieni utworzyła w ten sposób powierzchnię sztywną przestrzennie, wzmocnioną jeszcze poprzez zagęszczenie elementów konstrukcyjnych w obszarach zwiększonego występowania sił poprzecznych i wprowadzenie elementów diagonalnych. Przekątne są mniej więcej takie same-średnica 80cm, składają się z prostych rur biegnących między kolumnami ustalając sieć węzłów na sztywnej sieci. Odległości między kolejnymi pierścieniami stopniowo zmniejszają się ku przewężeniu w połowie wysokości wieży, ponieważ właśnie w połowie wieży siły poprzeczne są odczuwalne dla konstrukcji najmocniej. Im cieńsza „talia” tym wrażliwsza konstrukcja. Każdy metr zwężenia wymagał od 2 do 4 tysięcy wzmocnień. Wszystkie kolumny są proste – ich dynamiczny rysunek to efekt skręcenia i przewężenia całej bryły – a dodatkowo lekko zwężają się ku górze, dzięki czemu konstrukcja wraz z wysokością staje się coraz lżejsza. Pierścienie stykają się z kolumnami zewnętrzną stroną swojej powierzchni – przez co od zewnątrz dominuje rysunek kolumn, a od wnętrza – rysunek pierścieni. [fot. nr 5] By zwiększyć stabilność wieży co 40 m dodano jej sieć wzmocnień. Kratownica oraz trzon są połączone trzpieniami i kompensatorami, które niwelują wpływ deformacji stali spowodowanej przez zmianę temperatury i wiatr.

fot. nr 5. Łączniki między trzonem wieży a zewnętrzna konstrukcją.

Kratownica jest stalowa, a stal jest doskonałym materiałem budowlanym, konstrukcyjnym o prawie identycznych parametrach wytrzymałościowych na ściskanie i rozciąganie, czyli na siły występujące w kratownicy. Tworzące konstrukcyjne słupy rury są składane z odcinków. Każdy z nich ma 11 m długości i masę około 25 ton-jak wielka ciężarówka. Słupy mają średnicę 200 cm na dole i 110 cm na górze wieży, a grubości ich ścianek wynoszą odpowiednio 5 i 3 cm. Same rury również się zwężają. Jest to spowodowane przenoszeniem obciążeń, o czym mowa w dalszej części opracowania. Węzły i pręty prefabrykowano. Mimo, że każdy z 1100 węzłów jest inny, projektantom udało się stworzyć jeden ich rodzaj, co ułatwiło masową produkcji i zmniejszyło koszty [fot. nr 6]. Na placu budowy najpierw łączono je za pomocą sworzni, a następnie – po ustawieniu całej konstrukcji – spawano, jednocześnie usuwając sworznie. Po doprowadzeniu konstrukcji na wysokość szóstego pierścienia, profile rurowe tworzące kolumny wypełniono betonem – zwiększyło to ich wytrzymałość konstrukcyjną i odporność ogniową.

fot. nr 6. Standaryzacja elementów tworzących kratownicę.

Ad c) Wieńczący budowle maszt antenowy ma jeszcze 156 m, a jego czubek sięga 610 m i jest drugi pod względem wysokości na świecie. Iglicę będącą kratownicą przestrzenną składano z odcinków, którezaczynając od samego szczytutransportowano na dach [fot. nr 8]. Konstrukcja utrzymująca masz antenowy biegnie już od 3 kondygnacji niżej. Jest ona przedłużeniem rdzenia budynku i łączy się z konstrukcyjnymi kolumnami wieży. Łączniki te stanowią ramy kratownicowe. Ramy te przenoszą obciążenia iglicy na słupy konstrukcyjne Canton Tower. [fot. nr 7] fot. nr 7. Kratownica iglicy Canton Tower

fot. nr 8. Powstawanie masztu antenowego.

ODPORNOŚĆ NA DZIAŁANIE SIŁ WIATRU Canton Tower jako wieża mierząca 610 m jest szczególnie narażona na działanie sił wiatru. Podczas wichury jej szczyt może odchylać się na boki nawet o 1,5m. Ponadto Kanton leży na drodze tajfunów w południowych Chinach. Zwykle każdego roku przechodzą tędy cztery tropikalne burze. Dlatego też wieża ma unikatowy i asymetryczny kształt , który niezmiernie komplikuje opływy wiatru. Właściwie to wiatr uderza w trzon wieży, a nie w kratownicę, która tworzy ażurową osłonę. Jednak osłona ta jest warstwą konstrukcyjną i to ona utrzymuje trzon we właściwej pozycji.

Wszystkie kolumny są proste – ich dynamiczny rysunek to efekt skręcenia i przewężenia całej bryły. Skręcony (nachylony) słup zawsze przeciwnie do kierunku działania sił wiatru hamuje jego działanie i zapewnia stabilność wieży. Wiatr wieje w nachylony slup i powoduje jego wyprostowanie, bądź też skręcenie konstrukcji. W każdym z tych dwóch przypadków wieża zachowa stabilność. Jeżeli słup byłby prosty, siła wiatru powodowałaby większe wychylenie niż w tym przypadku, co mogłoby grozić zawaleniem.

CIĘŻAR WŁASNY Dodatkowo kolumny lekko zwężają się ku górze, (rury mają średnicę 200 cm na dole i 110 cm na górze wieży, a grubości ich ścianek wynoszą odpowiednio 5 i 3 cm) dzięki czemu konstrukcja wraz z wysokością staje się coraz lżejsza. Wynika to również z wymagań statyki, ponieważ im niższa część konstrukcji, tym większe obciążenie musi przenosić. Biorąc pod uwagę chociażby pierścienie występujące w konstrukcji wieży: Na samej górze kolumny muszą przenosić ciężar własny i jednego pierścienia, schodząc nieco niżej ciężar własny wzrasta (gdyż wzrasta też długość) oraz dochodzi kolejny pierścień-słup dźwiga już dwa razy więcej, więc musi być on grubszy i mocniejszy… i tak z każdym kolejnym metrem w dół. Dlatego też wymagany jest wzrost grubości kolumn ku dołowi w celu przeniesienia coraz to większego obciążenia. [rys. nr 1]

rys. nr 1. Schemat wzrastających obciążeń przenoszonych przez słupy.

Po doprowadzeniu konstrukcji na wysokość szóstego pierścienia, profile rurowe tworzące kolumny wypełniono betonem. Stały się przez to prawie tak wytrzymałe, jakby były wykonane z jednolitej stali, ale kosztują znacznie mniej. Dodatkowo zwiększyło to ich odporność ogniową.

POSADOWIENIE Posadowienie konstrukcji nośnej wieży, czyli olbrzymich kolumn zostało rozwiązane za pomocą stalowych pali- segmentów kolumn wchodzących w ziemię. Wewnątrz tych kolumn wlano beton. Pale wchodzą w ziemię pionowo, ponieważ gdyby podążały za kierunkiem nachylenia kolumn ziemia by nie wytrzymała nacisku tak ogromnego ciężaru. [fot. nr 9]

fot. nr 9. Praca przy posadowieniu.

OCHRONA KONSTRUKCJI Chociaż Kanton nie leży w strefie sejsmicznej, eksperci nie wykluczają wstrząsów o sile 6 stopni podczas następnych 20 lat. Trzęsienie ziemi nie stanowi żadnego problemu dla Canton Tower. By wzmocnić słabe punkty i zmniejszyć kołysanie, naukowcy zalecili dodanie tłumików [fot. nr 12]. Strojone tłumiki masowe są stosowane w wielu najwyższych budynkach, zwykle są to olbrzymie betonowe bloki albo stalowe wahadła, które poruszają się w kierunku przeciwnym do wychylenia. Zmniejszają oscylację spowodowaną przez wiatr, albo wstrząsy. Urządzenia te są kosztowne i zajmują dużo miejsca. Konstruktorzy znaleźli kompromisowe rozwiązanie zmniejszające niedogodności. Dwa olbrzymie zbiorniki wody po 600 ton każdy i tak były potrzebne do celów przeciwpożarowych [fot. nr 10]. Zbiorniki umieszczono nad restauracją na 84 i 85 piętrze. W razie kołysania mogą poruszać się na rolkach. Powyżej, w antenowym maszcie są mniejsze 2 tonowe

stalowe tłumiki, działające w analogiczny sposób. Jeżeli maszt zacznie się kołysać, wahadło zmniejszy te wibracje [fot. nr 11].

fot. nr 10. Ruch zbiorników wodnych podczas kołysania wieży.

fot. nr 11. Ruch tłumików umieszczonych w antenowym maszcie.

fot. nr 12. Lokalizacja tłumików.

Razem wszystkie tłumiki zmniejszają odchylenia od wiatru lub trzęsienia ziemi nawet o połowę. Urządzenia są połączone z komputerowym systemem nadzoru budynku – nowatorskim systemem nadzoru budynków wysokościowych. Podczas budowy w stalowych kolumnach i betonowych rdzeniu umieszczono ponad 600 czujników mierzących wszystko: od drgań do temperatury. System pomiarowy sprawia, że to najbardziej wszechstronnie przebadany obiekt wysokościowy na świecie. Nie tylko chroni tę wieżę, ale dostarcza wartościowych danych dla projektantów następnych obiektów. Ochrona konstrukcji oznacza także zapobieganie korozji, na którą stal ma słabą odporność. Malowanie stalowej kratownicy Kantońskiej wieży TV podlega ścisłym wymaganiom, przypomina metody stosowane w przemyśle okrętowym. Każdy spaw musiał być wykończony na miejscu. Najpierw każde połączenie było piaskowane by usunąć ślady rdzy. Następnie wykonywano aluminiową powłokę ochronną: taką samą nakłada się na mosty. W końcu na każde połączenie nałożono 3 warstwy farby. OKNA Szklenie skręconego budynku to niezwykłe wyzwanie. Z powodu kształtu ścian górna krawędź otworu biegnie inaczej niż dolna, więc nigdy nie można w nich umieścić prostokątnych szyb; jednym rozwiązaniem było użycie trójkątów [fot. nr 13]. Nimi można pokryć dowolny kształt. Żadne dwie szyby nie są dokładnie takie same. Każde okno ma wysokość ok. 3 m i masę prawie tony. W wieży Kantońskiej umieszczono około 500 tysięcy okien.

fot. nr 13. Trójkątne okna w Canton Tower.

WINDY Rdzeń budynku jest wyjątkowo cienki i trzeba było pomyśleć jak umieścić w nim odpowiednią ilość szybów windowych. Rozwiązaniem są piętrowe kabiny – mieszczą dwa razy więcej ludzi przy tej samej powierzchni podstawy. Wieża jest wyposażona w dwa piętrowe dźwigi szybkobieżne, które zaledwie w minutę dotrą bezpośrednio na szczyt. Druga para będzie poruszała się wolniej- da gościom lepsze poczucie wysokości budynku i jego konstrukcji. Wykorzystanie w sytuacji zarówno wind jak i schodów skraca czas ewakuacji do połowy. W Canton TV Tower ludzie mają do dyspozycji ogniotrwałe klatki schodowe.

OBSERWATORIUM NA DACHU Na dachu tj. 488m nad ziemią, znajduje się odkryte publicznie obserwatorium. Przyjmuje ono formę eliptycznej przestrzeni, mniej więcej wielkości małego placu miasta. Otwarty w grudniu 2011 roku, jest obecnie największym i najwyższym odkrytym tarasem widokowym na świecie. Po krawędzi elipsy krąży szesnaście przezroczystych kul osobowych, każda o średnicy 3,2m. Każda z nich może pomieścić od czterech do sześciu osób. Instalacja jest nazywana diabelskim młynem, chociaż kule nie są zawieszone na obręczy kołautrzymują się poziomo.

Źródła: 1. 2. 3. 4.

Miesięcznik „Architektura”, nr 04/2012, s. 94-105. Program: Mega Structures, „World’s tallest TV tower”, National Geografic. http://www.iba-bv.com http://www.cantontower.info