Maktens torn

Vågar vi bygga höga hus nu, när det värsta som kunde hända har hänt? I dag är det tekniskt möjligt att konstruera hus som är en kilometer höga.I alla tider har människor med makt och pengar önskat visa detta genom att efterlämna monumentala byggnadsverk. Den tragiska katastrofen i New York den 11 september 2001 kan kanske ses mot denna bakgrund: några har velat krossa makten genom att krossa dess symboler.Med attentaten i New York kommer skyskrapornas framtid att förändras för alltid. Åtminstone blir det så i västvärlden där de högsta byggnaderna under en lång följd av år främst har byggts i USA.Numera uppförs dock de allra högsta byggnaderna i Sydostasien, Kina och Japan där skrytbyggen planeras och pågår som aldrig förr. Detta avspeglar sannolikt en viss överflyttning av världsekonomin bort från USA och Europa och över till länder som Kina, Malaysia, Indien, Singapore och Japan. Och motiv som prestige och högt anseende väger även i dag tyngre än rationella skäl för att inte bygga alltför högt.Att bygga högt och stort har alltid varit svårt. Det svåraste är dels att få upp material högt, dels att få byggnadsverket att hålla.Pyramidens gåtaHur egyptierna lyckades bygga pyramiderna har diskuterats och diskuteras fortfarande (se F&F 3/01) och än har ingen slutlig enighet nåtts om hur de bar sig åt. Klart är emellertid att det måste ha krävts stor skicklighet och enorma arbetsinsatser för att lyfta upp flera ton tunga stenar till de mycket höga pyramiderna. Cheopspyramiden, t ex, är hela 146 meter hög, vilket motsvarar en cirka 50 våningar hög byggnad.Att hållfasthetsfrågorna inte var triviala när man byggde pyramiderna visar den s k brutna pyramiden (bild 2) som byggdes under Farao Snofrus tid, kring år 2600 f Kr. Snofru var far till Cheops och pyramidålderns störste byggherre. Hans evighetsboning skulle överträffa alla de andra byggena. Pyramiden i Dashur var den första stora geometriska pyramiden, dvs den typ som vi förknippar just med pyramider och som skiljer sig från de tidigare, trappstegsformade byggnadsverken.Pyramiden byggdes till en början med 60 graders lutning, och om man lyckats fullfölja denna lutning till toppen hade pyramiden blivit högre än den senare Cheopspyramiden. Men marken orkade inte bära pyramidens tyngd, väggarna sprack och radikala åtgärder krävdes för att fullborda verket. Man fick minska lutningen till 43 grader, den lutning som de senare pyramiderna har, och toppen hamnade på 105 meters höjd.Byggarna levde farligtEfter pyramiderna känner vi till bara några få mycket höga byggnadsverk under den tidigaste historien. Ett av dem är Babels torn i Bibeln som skulle byggts av tegel med bruk av asfalt (bild 3). Förebilden var troligen en s k ziqqurat, en trappstegsformad kultanläggning i Babylon, upp till 90 meter hög. Liknade byggnadsverk, kanske ännu mer pyramidliknande och med höjder upp till 70 meter, byggdes av mayakulturen i Mellanamerika omkring 700 e Kr.Ett annat mytologiskt högt byggnadsverk, som i motsats till de tidigare monumentala anläggningarna hade en praktisk användning, var fyrtornet på Faros utanför Alexandria (bild 1). Det stod klart omkring år 280 f Kr och lär ha varit cirka 130 meter högt. Fyrtornet klarade sig under lång tid men förstördes under medeltiden av jordbävningar, den kanske värsta fienden till höga byggnader.Under medeltiden satsade kyrkan, som var en betydande maktfaktor i samhället, på byggandet av kyrkor och katedraler. De högsta tornen hade katedralerna i Rouen och Strasbourg. Bägge uppfördes i mitten av 1400-talet med tornhöjder av 142 meter.Det svåraste problemet med att bygga valven till medeltidens katedraler var att lyfta upp byggnadsdelar och bygga tillfälliga ställningar för att få delarna att nästan bära sig själva. Det finns många beskrivningar av misslyckanden och olyckor med ställningarna när byggarbetarna störtade ner och omkom.Naturkrafterna största utmaningByggde man högt i sten som under tiden ända fram till 1800-talet, var hållfastheten i själva materialet inte det svåra problemet. Däremot kunde stabiliteten i de höga kolonnerna i katedralerna skapa problem som man fick lösa genom tunga strävpelare som hjälpte till att hålla emot de horisontala krafterna från takvalven (bild 4).Men när höga byggnader i stål och betong började byggas på 1800-talet blev hållfastheten hos materialen avgörande för hur högt man kunde bygga. De första höghusen – skyskraporna – i USA hade en stomme i stål. Tillgången på profiler i stål och de förband som höll ihop konstruktionen satte gränser för hur högt man kunde bygga.Vartefter byggnadskonsten och materialen utvecklades blev husen allt högre, samtidigt som de dyra tomterna gjorde det lönsamt att bygga högt. Men med högre höjd uppstår allt svårare problem. Stommen ska i de nedersta våningarna klara av att bära huset, och dessutom måste den förmå stå emot horisontalkrafter från vind och jordbävningar. Har man inte tillräckligt hållfasta material blir stommen så grov att man inte får plats för verksamheten i byggnaden.Horisontella krafter från storm- och orkanvindar utgör den svåra tekniska utmaningen. Blåst förekommer på alla platser på jorden och verkar kraftigare mot stora byggnader. Dessutom är vindkraften mycket större högre upp än på de lägre våningarna.Andra horisontella krafter mot höga hus uppkommer till följd av jordbävningar. Intressant är dock att välbyggda högre hus klarar jordbävningskrafter bättre än lägre byggnader. Tekniskt kan detta förklaras med att egensvängningsfrekvenserna hos höga hus är mycket lägre än de frekvenser som uppkommer i jordskorpan vid jordbävning.Tekniken varierar med hushöjdenFör att stabilisera husen mot blåst måste man åstadkomma någon form av konstruktion i husen som kan ta upp vindkrafterna. Det finns fyra principiellt olika metoder att åstadkomma detta (bild 9). En metod är att knyta ihop pelare och balkar i husen till en struktur som i form av ”ramverkan” tar upp krafterna (bild 9a).En annan metod är att i byggnaden, vanligen kring trapp- och hissschakt, skapa vertikala balkar eller fackverk som i form av ”balk-” eller ”skivverkan” tar upp krafterna (bild 9 a). Så gör man oftast i Sverige, eftersom man då slipper den dyra metoden att svetsa ihop pelare och balkar (bild 11). Den tredje principen är att utforma byggnadens fasader så att de blir bärande och fungerar som vertikala ”rör” runt om en inre kärna. Den senare varianten finns i form av dels tätt placerade horisontella balkar, dels vertikala pelare så att tillräcklig styvhet uppstår (bild 9c). Så byggdes det numera raserade World Trade Center i New York. Ganska små fönster placerades mellan de vertikala stålbalkarna som utgjorde en bärande yttervägg.En annan lösning är att placera stora fackverk i fasaderna (bild 9d). Den tillämpade t ex den berömde arkitekten Ieoh Ming Pei när han ritade den 70 våningar och 369 meter höga Bank of China i Hongkong (bild 10). Förloppstext till bilderBeroende på vilka principer man följer kan husen byggas olika höga (bild 9). Upp till mellan 60 och 80 våningar kan man t ex stabilisera med styva skivor eller fackverk som man ofta placerar inne i byggnadernas mörka kärna kring hissar och andra vertikala system. Högre hus kräver någon av lösningarna i bild 9 c eller d.Naturligtvis har de olika systemen sina för- och nackdelar, och valet ligger mellan kostnader och nytta. I helt kommersiella byggnader, som de flesta höghusen i USA, vill man för det mesta helt enkelt maximera den yta som kan hyras ut. Man strävar efter att våningsplanen ska hållas öppna och fria, men bortser oftast från de krav på ljus och fönster som värderas högt i nordliga länder. Längre söderut skapar däremot fönster problem med för mycket solljus som kräver stora och energikrävande kylanläggningar.Tornen klarade krockenBåda tornen i World Trade Center klarade själva krocken med flygplanen som slog in i byggnaderna. Trots att delar av fasadens sektorer slogs sönder kunde stålkonstruktionen fortfarande bära hela huset. Det var branden som till slut fick stålpelarna att ge vika. Det brinnande flygbränslet fick hettan att nå upp till 600-800 grader, temperaturer som får stålet att tappa sin bärighet.Varmast blev det längst inne i huset, och det var när bärpelarna i den inre kärnan blev som kokt spagetti som kollapsen började i ett s k fortskridande ras. Det innebär att skadan fortplantar sig så att hela byggnaden eller stora delar av den störtar samman. Det är husets mitt som faller och drar med sig våningarna; om vikten i varje våningsplan uppskattas till 2 000 ton blir det omkring 100 000 ton byggmaterial som sätts i rörelse i raset.Det kanske mest kända fallet av denna typ inträffade då en del av ett prefabricerat bostadshus rasade i Ronan Point i Newham, en förstad till London, den 16 maj 1968. En gasexplosion i byggnadens 18e våning blåste ut de bärande väggarna i våningens hörnrum, varpå hela hushörnet rasade ner och dödade fyra och skadade 17 människor. Denna händelse genljöd över hela världen och fick byggmyndigheterna i många länder, däribland Sverige, att införa nya bestämmelser för att förhindra denna typ av ras.Att ett flygplan flyger in i ett höghus tas däremot oftast inte med i planeringen annat än för mycket speciella byggnader. Det är mycket svårt att skydda huset mot en sådan krasch, och dessutom anses sannolikheten att det inträffar mycket liten. Men det har hänt tidigare. År 1945 kolliderade ett mindre bombplan av typ B-25 i tät dimma högt upp med Empire State Building i New York. Trots att planet slog sönder en del av stommen och flygbensinen började brinna klarade sig byggnaden väl. Kanske för att branden inte blev så stor och också för att stommen var uppbyggd så att skador på enskilda byggnadsdelar inte medförde kollaps.Skyskrapor som byggs med modern teknik är inte konstruerade för att klara en så omfattande katastrof som den i World Trade Center. Bara vissa kärnkraftverk utrustas med brand- och annat skydd av sådan omfattning som skulle ha behövts i New York.Branden värsta hotetVanligt är att konstruktioner i skyskrapor ska klara av två timmars brand, förutsatt att stommen i övrigt är intakt. Man delar oftast in huset i sektioner om flera våningsplan som separeras så att branden inte kan spridas snabbare än på ett par timmar. Den tiden ska räcka till att utrymma huset. Kraftiga betongkonstruktioner uppfyller det kravet, medan stålkonstruktioner måste skyddas extra med brandskyddsmaterial som håller nere temperaturen i stålet under 600 grader.Dessutom utrustas alla skyskrapor med sprinkleranläggningar som vid brand automatiskt sprutar vatten över brandhärden. Vanligtvis har man särskilda våningar, var tionde eller var tjugonde våning, där vatten förvaras i stora tankar.I World Trade Center var stålet klätt med ett 3 millimeter tjockt fibermaterial, och tankar med 18 500 liter vatten fanns på tre olika nivåer i varje hus. Trapphus och hissar var särskilt brandskyddade; enligt utrymningsplanen skulle 55 000 personer kunna lämna huset på fem minuter.Varför räckte inte brandskyddet? En orsak var att flygplanet var lastat med så stora mängder extremt brandfarligt bränsle att branden blev mycket häftigare än om den uppstått i vanlig kontorsinredning. Dessutom slets troligen brandskyddet runt stålkonstruktionerna loss när planet slog in i huset och vid den följande explosionen. Troligen var branden också så kraftig att den förstörde det automatiska brandsläckningssystemet.Hur högt kan man bygga?World Trade Center byggdes mellan åren 1966 och 1973 som ett tekniskt underverk med brandsäkrat stål och den modernaste teknik som fanns att tillgå då. Dagens s k högpresterande betong anses tåligare än 1970-talets stålkonstruktion. Betongen tål högre temperaturer, och det tar längre tid för branden att förstöra konstruktionen.Förmodligen hade världens i dag högsta hus, Petronas Towers i Malaysia (452 meter höga med vardera 88 våningar) som är byggda i betong, klarat sig bättre vid en liknande katastrof. Men det är svårt att tänka sig att man skulle bygga ett nytt World Trade Center i betong. Även den nyaste högpresterande betongen är som mest användbar i omkring 50-60 våningar höga hus. Högre höjd kräver pelare som blir alldeles för kraftiga på de lägre våningarna. Visserligen är Petronas Towers byggda i betong, men de smalnar av uppåt, så volymen är rätt mycket mindre.Hur högt kommer vi att bygga i framtiden? I Japan har man funderat över möjligheter att bygga upp till 1 000 meter höga hus. Fast även om det verkar tekniskt möjligt, blir kostnaderna enorma och nyttan med att komma så högt upp i himlen kan starkt ifrågasättas. Att bygga högre än 60-70 våningar är inte lönsamt – stomme, brandskydd, hissar och annan försörjning tar helt enkelt för stor plats.Och nu, efter katastrofen i New York, finns troligen också ett stort psykologiskt motstånd mot att bygga mycket höga hus för kontors- och bostadsändamål. Därför blir förmodligen de högsta byggnadsverken i framtiden TV-torn och liknande som gör nytta däruppe bland molnen.Håkan Sundquist är professor i brobyggnad vid institutionen för byggkonstruktion vid Kungl Tekniska Högskolan i Stockholm. han forskar om konstruktion och utformning av stora byggnader och broar, och hans forskning finansieras av vägverket, banverket, sbuf, vinnova m fl.