Door vuur en staal gingen huizen de hemel in

828 meter gevel van staal en glas torent hoog boven het woestijnzand van Dubai uit. ’s Werelds hoogste gebouw, Burj Khalifa, zou er nooit zijn gekomen zonder vier knappe koppen en een verwoestende brand.

828 meter gevel van staal en glas torent hoog boven het woestijnzand van Dubai uit. ’s Werelds hoogste gebouw, Burj Khalifa, zou er nooit zijn gekomen zonder vier knappe koppen en een verwoestende brand.

Shutterstock

Misschien trapte de koe de lantaarn omver, of was het een van de kaartende mannen? Niemand weet precies wat er gebeurde toen er in 1871 een vuurzee oplaaide in de stal van mevrouw O’Leary op 137 De Koven Street en zich onder de kurkdroge houten gebouwen van Chicago verspreidde.

‘Het sneeuwde stukken van brandende dakplaten, planken, dakfolie en nog veel meer. Rook en vonken waren alom, en de wind wervelde alles steeds op en vormde grote kolken van gloeiende kooltjes. Alle daken en straten van de stad stonden in vuur en vlam,’ schreef een ooggetuige.

300 mensen kwamen om en 18.000 huizen werden verwoest. Maar uit de as herrezen nieuwe woningtypen – het ene nog hoger dan het andere.

Een derde van de inwoners van Chicago, 90.000 mensen, verloren hun huis in de ‘Great Chicago Fire’.

De moderne wolkenkrabbers, met de Burj Khalifa in Dubai als uiterste met zijn duizelingwekkende 828 meter hoogte, danken hun bestaan aan het 19e-eeuwse Chicago – en aan het onvermoeibare werk van vier mannen.

Vogelkooi gaf idee voor stalen skelet

Toen de Great Chicago Fire op 9 oktober 1871 gedoofd was, nam Chicago een spoedwet aan: nieuwe gebouwen moesten bestaan uit brandveilige materialen als baksteen, marmer en kalksteen. Dure grondstoffen, waar de meeste mensen geen geld voor hadden.

De lege percelen in het centrum van Chicago werden daarom overgenomen door banken en bedrijven, zoals de New York Home Insurance Company, die op zoek was naar een nieuw hoofdkantoor.

Het bedrijf vroeg lokale architecten een ontwerp te maken waarbij elke verdieping van het gebouw in natuurlijk licht baadde.

Dat was koren op de molen van William Le Baron Jenney. De 39-jarige architect wilde in plaats van stenen als dragende constructie een skelet van metaal neerzetten, volgens de nieuwste technologieën van die tijd.

Onafhankelijk daarvan deden een monteur en drie ingenieurs uitvindingen die de weg effenen voor gigantische wolkenkrabbers.

© Chicago History Museum/Getty Images

1. Jenney liet draagmuren vallen

De Amerikaanse bouwkundige William Le Baron Jenney (1832-1907) kreeg het idee om te bouwen rond een dragend metalen binnenskelet. De constructie verving dikkere en zwaardere stenen muren en maakte het mogelijk om hoger te bouwen.

© SPL/Ritzau Scanpix

2. Otis omarmde de lift

Zonder liften geen wolkenkrabbers. Dankzij het veiligheidsmechanisme van de Amerikaanse monteur Elisha Graves Otis (1811-1861) werd de lift geschikt voor personenvervoer en konden gebouwen meer verdiepingen krijgen.

© Universal History Archives/Getty Images

3. Bessemer maakte staal goedkoop

De Britse ingenieur Henry Bessemer (1813-1898) ontwikkelde een snelle en goedkope methode om staal te maken. En een bloeiende staalindustrie was een voorwaarde om steeds hogere wolkenkrabbers te kunnen bouwen.

© fazlurrkhan.com

4. Khan maakte de constructie lichter

Bouwkundig ingenieur Fazlur Rahman Khan (1929-1982) bracht de ontwikkeling van wolkenkrabbers naar hele nieuwe hoogten toen hij een binnenbuisconstructie uitvond die bespaarde op bouwmaterialen en de vierkante meters nog beter benutte.

Volgens een populaire anekdote liet Jenney zich inspireren door een vogelkooi in zijn woonkamer, die zijn vorm behield toen zijn vrouw er een groot, zwaar boek bovenop legde.

Of dit waar is of niet, Jenney besefte dat een kooi van staal zo licht, sterk en flexibel kon zijn dat hij wel tien verdiepingen hoog zou kunnen bouwen.

Ook zou het gebouw aan alle kanten grote ramen kunnen krijgen, wat tegemoet zou komen aan de daglichtwens van de verzekeringsmaatschappij.

Jenney won de aanbesteding. ’s Werelds eerste wolkenkrabber, het Home Insurance Building, werd voltooid in 1885.

In 1891 kreeg ’s werelds eerste wolkenkrabber, het Home Insurance Building in Chicago, twee verdiepingen erbij, waarmee de totale hoogte op 54,9 meter kwam.

© Chicago History Museum/Getty Images

In New York keken mensen jaloers naar het sensationeel hoge en lichte gebouw. Van 1840 tot 1870 was de bevolking er verdrievoudigd, en hoger bouwen was een manier om de ruimteproblemen op te lossen.

In 1889 keurden de bouwautoriteiten van New York Jenneys metalen skelet goed, en kort daarna werd het 11 verdiepingen tellende Tower Building in gebruik genomen.

Er ontstond een ware race tussen Chicago en New York. Rond de eeuwwisseling werden de eerste gebouwen met 25-30 verdiepingen opgeleverd. En toen ging het nog maar één kant op: omhoog.

Staal spuit uit reuzenovens

Wolkenkrabbers danken hun succes aan de uitvinding van staal. Met de juiste hoeveelheden koolstof en ijzer ontstond er een ongelooflijk sterke en flexibele legering.

Vóór de industrialisatie verliep de staalproductie omslachtig, tijdrovend en handmatig. Daarom werden treinrails en spoorbruggen gebouwd van gietijzer. Maar ijzer bevatte te veel koolstof, barstte en veroorzaakte ongelukken.

De Britse ingenieur en uitvinder Henry Bessemer vroeg in 1855 patent aan op een nieuwe methode om staal te maken.

Het bessemerprocedé vond plaats in een enorme oven, een converter genaamd, waar een sterke luchtstroom langs het ijzer trok. Onder de hitte reageerde de zuurstof in de lucht met silicium, mangaan en koolstof in het ruwe ijzer, waardoor 5 tot 10 meter hoge koolmonoxidevlammen uit de oven schoten.

Als het ijzer volledig gezuiverd was, werd weer het juiste gehalte koolstof toegevoegd, al naargelang de gewenste kracht van het staal.

In de 19e eeuw kwam de massaproductie van staal op gang door de industrialisatie. Trappen werden overbodig en een flexibel stalen skelet maakte nieuwe hoogten mogelijk.

© AKG/Ritzau Scanpix

1. Hitte maakt staalproductie mogelijk

De staalproductie kwam in een stroomversnelling in 1855, toen de converter werd uitgevonden. De hitte zuiverde het ruwe ijzer, waar koolstof aan werd toegevoegd, zodat er staal ontstond. De sterkste staalsoorten bevatten 0,99 procent koolstof.

© Archive Photos/Getty Images

2. Lift bracht mensen omhoog

Liften waren levensgevaarlijk en alleen geschikt voor goederen. Toen er echter een veiligheidsmechanisme kwam waarbij een metalen staaf in inkepingen aan weerszijden van de lift viel bij een geknapte kabel, konden ook mensen de lift nemen.

© Chicago Archive

3. Stalen skelet verdeelde het gewicht

Hoge gebouwen waren zwaar omdat ze een grote draagconstructie en steeds dikkere muren nodig hadden. Met een licht stalen skelet werd de belasting verdeeld over vele balken en palen, waardoor gebouwen meer dan tien verdiepingen hoog konden worden.

Met het bessemerprocedé kon in een uur tijd 15 ton staal worden geproduceerd – voorheen duurde dit 14 dagen – en rolden spoorrails, staalplaten, balken en ander bouwmateriaal de fabrieken uit.

In 1860 bedroeg de wereldwijde productie van staal 50.000 ton, in 1870 al 500.000 ton en in 1899 werd de 28 miljoen ton bereikt.

Niemand wil traplopen

Naast staal profiteerde William Le Baron Jenney ook van een andere nieuwe uitvinding: hij installeerde een pneumatische lift in het Home Insurance Building.

Midden jaren 1850 hadden woonblokken hooguit zeven verdiepingen, want het aantal trappen dat mensen op moesten vormde een natuurlijke begrenzing voor de hoogte van de gebouwen.

Goederenliften waren er al, maar die waren ongeschikt voor mensen, want als de kabel zou knappen, zouden de passagiers de dood tegemoet vallen. Dat veranderde toen monteur Elisha Graves Otis uit Vermont in 1853 een automatische noodrem uitvond.

Elisha Graves Otis teki hissistä turvallisen keksimällään automaattisella hätäjarrulla. Hän esitteli turvamekanismin New Yorkin maailmannäyttelyssä 1853.

Otis’ lift zat in een metalen kooi met inkepingen, zoals op een tandwiel. Op de lift zat een metalen staaf, die loskwam en in een inkeping viel als de kabel knapte.

Elisha Otis richtte de Otis Elevator Company op, die onder meer liften leverde voor de Eiffeltoren en het Empire State Building. De naam staat ook op de 57 liften die tegenwoordig met 36 km/h geruisloos op en neer zoeven in de 19 liftschachten van de Burj Khalifa.

Jongeman keert gebouw binnenstebuiten

In de jaren 1960 doken wolkenkrabbers met het metalen skelet van William Le Baron Jenney her en der op aarde op, maar omdat de buizen en balken veel ruimte in beslag namen, waren de vierkante meters duur en loonde het niet om hoger te bouwen dan 300 meter. Een jongeman uit Bangladesh zou daar echter verandering in brengen.

Toen ingenieur Fazlur Rahman Khan als 21-jarige in Chicago aankwam om architectuur te studeren, had hij nog nooit een wolkenkrabber gezien, maar in recordtijd voltooide hij zijn opleiding en maakte hij furore met zijn vindingrijkheid.

Khan keerde Jenneys staalconstructie binnenstebuiten en vond de buisconstructie uit, waarbij het massieve stalen binnenframe werd vervangen door een externe structuur die het gebouw stutte, gecombineerd met stalen dwarsbalken die het gewicht verdeelden.

Het John Hancock Center in Chicago was in 1969 de eerste wolkenkrabber die volgens de nieuwe methode werd voltooid. Het gebouw was 344 meter hoog en telde 100 verdiepingen.

Khan werkte een aantal varianten van het buizenontwerp uit. De bekendste is de gebundelde-buisconstructie, die hij toepaste in de 447 meter hoge Willis Tower, ook wel bekend als Sears Tower, uit 1973.

Willis Tower is geïnspireerd op gebundelde bamboebuizen en opgebouwd uit negen pilaren om de belasting te verdelen. Dit was 25 jaar lang het hoogste gebouw ter wereld.

© SOM.com

Geïnspireerd door een bundel bamboebuizen verenigde Khan een aantal deelconstructies om de windbelasting en het gewicht daarover te verdelen. Zo heeft Willis Tower negen vierkante pilaren van verschillende lengtes, die de krachten of – in vaktaal – de belasting dragen.

Recordhouder heeft kathedraalsteun

Het hoogste gebouw ter wereld, de Burj Khalifa, is gebaseerd op Khans ideeën en bestaat uit geschakelde buizen. Maar het gebouw is ook het resultaat van een nieuwe ontwikkeling. Oude uitvindingen zijn namelijk niet altijd rechtstreeks te vertalen naar nieuwe, hogere gebouwen, want de uitdagingen nemen met elke verdieping toe.

Daarom hebben de bouwkundigen voor de Burj Khalifa een zeshoekige kernstructuur ontwikkeld, die door de Y-vorm van het gebouw wordt ondersteund. Het principe doet denken aan de middeleeuwse kathedralen, waar structuren aan de buitenkant helpen om gewelven en ramen te ondersteunen.

Steunpilaren aan de buitenkant van de kathedralen stutten de muren en helpen het gewicht van de gewelven te verdelen.

© Shutterstock

De omstandigheden in Dubai vormden ook een bijzondere uitdaging tijdens de bouw van de Burj Khalifa – vooral in de hoogte. Het kostte 40 minuten en een druk van 206 kilo per vierkante centimeter om beton naar 600 meter hoogte te pompen, en vanwege de woestijnhitte moesten de ingenieurs ijs door het beton mengen om te voorkomen dat bepaalde chemische reacties het kwetsbaar zouden maken.

Wind is de grote uitdaging

Naast warmte is de wind een uitdaging voor de Burj Khalifa. Bij de eerste wolkenkrabbers werd al duidelijk dat hoogbouw daar rekening mee moet houden.

Als de wind tegen grote, rechte vlakken blaast, raast hij naar boven en beneden langs het gebouw. Rondom de scherpe hoeken ontstaan er daardoor windkolken, als kleine tornado’s.

In steden met andere hoge gebouwen, smalle straatjes en een vierkante stadsplattegrond wordt de wind versterkt en vormt hij in de straten windtunnels met zulke hoge windsnelheden dat ze mensen omver kunnen blazen. Dat gebeurde onder meer in Londen en New York.

Hoewel een gebouw behoorlijk kan uitzwenken zonder het risico op instorten, worden mensen in het gebouw vaak zeeziek van het gewiebel. Daarom proberen de bouwkundigen de bewegingen van wolkenkrabbers te beperken.

In feite gaat het om het breken en om de tuin leiden van de wind. De asymmetrische vorm van de Burj Khalifa met verspringende bouwdelen, afgeronde hoeken en verschillende hoogtes van de elementen helpt constant de windbanen te breken en zo te verzwakken.

Dankzij het ontwerp zwenkt het gebouw langzaam uit, dus zelfs met 1,5 meter verschil worden mensen er niet zeeziek van.

Race is verlegd naar het Midden-Oosten

De Burj Khalifa heeft sinds 2010 het hoogterecord, maar Saoedi-Arabië bouwt al aan de volgende recordhouder, Kingdom Tower, die de magische grens van 1000 meter moet bereiken.

Dubai is ook van plan een nog hogere wolkenkrabber te bouwen dan de Burj Khalifa: de 1400 meter hoge Dubai Creek Tower.

De 19e-eeuwse race tussen Chicago en New York is verlegd naar het Arabisch Schiereiland, en volgens sommige onderzoekers is het in principe mogelijk om zo hoog als de Mount Everest te bouwen, zolang de fundering maar sterk genoeg is.

Wat begon met een smeulend vuurtje in Chicago, kan uiteindelijk dus uitmonden in iets wat 9 kilometer de lucht in steekt.

🎬 Volg de bouw van de Burj Khalifa meter voor meter