home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HaCKeRz KrOnIcKLeZ 3 / HaCKeRz_KrOnIcKLeZ.iso / anarchy / essays / term / skyscrap.txt < prev    next >
Text File  |  1996-04-27  |  13KB  |  248 lines

  1. =======================================================================
  2. Tall Stories                                                 NEWSCIENCE
  3. -----------------------------------------------------------------------
  4.  
  5. Picture in your mind the skyline of downtown Toronto. There's the CN
  6. Tower, of course, and the 72-floor First Canadian Place, the city's
  7. tallest skyscraper. Cascading from there are the assorted banks and
  8. hotels and insurance towers.
  9.  
  10.     Now, use your imagination to construct some new buildings, these
  11. ones reaching three, four and five times higher than the others. Top it
  12. all off with a skyscraper one mile high (three times as high as the CN
  13. Tower).
  14.  
  15.       Sound fanciful? It did 30 years ago when Frank Lloyd Wright
  16. proposed the first mile-high building. 
  17.  
  18.      But not today. We are now said to be entering the age of the
  19. superskyscraper, with tall buildings poised to take a giant new leap
  20. into the sky.  Skyscrapers approaching the mile mark may still be
  21. awhile off, but there are proposals now for megastructures soaring 900
  22. m -- twice as high as the world's tallest building, the 110-story Sears
  23. Tower in Chicago.
  24.  
  25.       Suppose that you were asked to erect such a building. How would
  26. you do it? What are the obstacles you'd face? What materials would you
  27. use? And where would you put it?
  28.  
  29.     Building a superskyscraper, the first thing you would need is a
  30. considerable slice of real estate. Tall buildings require a large base
  31. to support their load and keep them stable. In general, the height of a
  32. building should be six times its base, so, for a skyscraper 900-m tall,
  33. you'd need a base of 150 square m.
  34.  
  35.      That much space is hard to come by in, say, downtown Toronto,
  36. forcing you to look for an undeveloped area, perhaps the Don Valley
  37. ravine, next to the Science Centre. Bear in mind though that the Don
  38. Valley is overlain by loose sand and silt, and tall buildings must
  39. stand on firm ground, or else risk the fate of edifices like the
  40. Empress Hotel in Victoria. This grand dowager, completed in 1908, long
  41. before the science of soil mechanics, has since found herself slowly
  42. sinking into the soft clay.
  43.  
  44.      Soil analysis is especially critical in facing the threat of
  45. earthquakes. The Japanese have learned many times the hard way what
  46. happens when an earth tremor shakes a high-rise constructed on soft,
  47. wet sand. The quake's enormous energy severs the loose connections
  48. between the individual grains, turning the ground into quicksand in
  49. just seconds and swallowing up the building. . 
  50.  
  51.       Engineers have actually built machines that condense loose
  52. ground.  One machine pounds the earth with huge hammers. Another
  53. plunges a large vibrating probe into the ground, like a blender in a
  54. milk shake, stirring up the sand so that its structure collapses and
  55. the individuals grains fall closer together. 
  56.  
  57.     Anchoring a skyscraper in the Don Valley would best be solved by
  58. driving long steel piles down through the sand and silt into the
  59. underlying hard clay till. Or, if the clay till lies too far
  60. underground, inserting more piles into the sand. The friction between
  61. sand and so much steel would then be sufficient to hold the concrete
  62. foundation above in place. 
  63.  
  64.     The next obstacle in erecting a superskyscraper, and perhaps the
  65. biggest one, is wind. Tall buildings actually sway in the breeze, in
  66. much the same way that a diving board bends under the weight of a
  67. diver.  
  68.  
  69.     Building an edifice that doesn't topple over in the wind is easy
  70. enough. The real challenge is keeping the structure so stiff that it
  71. doesn't swing too far, cracking partitions, shattering windows and
  72. making the upper occupants seasick. As a rule, the top of skyscraper
  73. should never drift more than 1/400 of its height at a wind velocity of
  74. 150 km/h. 
  75.  
  76.     Older buildings, like the Empire State Building, were built so that
  77. their core withstood all bending stresses.  But structural engineers
  78. have since found that by shifting the bracing and support to the
  79. perimeter of a building, it can better resist high winds. The most
  80. advanced buildings are constructed like a hollow tube, with thin, outer
  81. columns spaced tightly together and welded to broad horizontal beams.
  82. Toronto's First Canadian Place and New York's World Trade Center towers
  83. are all giant, framed  tubes. 
  84.  
  85.      A superskyscraper would undoubtedly need extra rigidity, which you
  86. could add by bracing its framework with giant diagonal beams. You'll
  87. see this at Chicago's John Hancock Center where the architect has
  88. incorporated diagonal braces right into the look of the building,
  89. exposing five huge X's on each side to public view. 
  90.  
  91.     Alternatively, you might design your building like a broadcasting
  92. tower, and tie it to the ground with  heavy, sloping guy wires
  93. extending from the four corners of the roof to the ground. A control
  94. mechanism at the end of each cable would act like a fishing reel,
  95. drawing in the cable whenever the sway of the building caused it to
  96. slacken.
  97.  
  98.      Tall buildings also encounter the problem of vortex shedding, a
  99. phenomenon that occurs as the wind swirls around the front corners of
  100. the building, forming a series of eddies or vortices. At certain wind
  101. speeds, these vortices vibrate the building, threatening to shake it
  102. apart.  In New York City's Citicorp Center, engineers have tackled
  103. vortex shedding with a 400-tonne concrete block that slides around in a
  104. special room on one of the upper stories. Connected to a large spring
  105. and a shock absorber, and riding on a thin slick of oil, the big block
  106. responds to oscillations of the building by moving in the opposite
  107. direction. 
  108.  
  109.      Other ways to disrupt vortex shedding include making several large
  110. portals in the upper part of the tower, through which the wind passes
  111. freely. In New York City's World Trade Center, vibrations are dampened 
  112. with special spongelike pads sandwiched in its structure.
  113.  
  114.       The price tag on a superskyscraper is going to be enormous, but
  115. one way to cut costs is with high-strength concretes. Ordinary concrete
  116. is much cheaper than steel, but lacks steel's rigidity, and could not
  117. withstand the huge burdens in a superskyscraper.  But recent
  118. experiments with chemical additives, called superplasticizers, have
  119. whipped up double and triple-strength concretes that could make
  120. superskyscrapers an economic reality. 
  121.  
  122.      Once you've built your superskyscraper, there still remains the
  123. job of servicing it -- providing water, electricity, fire protection,
  124. ventilation and cooling. Servicing also means controlling stack effect.
  125. If you've ever been up in a skyscraper and heard the wind moaning and
  126. whistling by the elevator -- that's stack effect. In any tall building,
  127. the difference in temperature and air pressure between the outside and
  128. inside the structure pushes air up the stairwells and elevators, like
  129. smoke up a chimney. Strong, cold  drafts blowing up the building create
  130. heating problems and make it difficult to open doors into stairwells.
  131. To control stack effect, buildings must be as airtight as possible,
  132. with ventilation ducts extending only part way up the building, and
  133. revolving doors at ground level. 
  134.  
  135.      The one invention that, above all, has enabled buildings to climb
  136. higher is the elevator. As skyscraper populations have grown, elevator
  137. manufacturers have handled larger loads with double-decker  cars -- one
  138. car piggybacking another, with each one stopping at alternative floors.
  139. Another innovation is the sky lobby system, in which passengers take
  140. one car to a floor part way up the building, and then transfer the next
  141. flight up to another car in the same elevator shaft for the rest of the
  142. journey. 
  143.  
  144.      Elevators will probably never move any faster than they do today,
  145. since the human ear can only endure a descent speed of 600 m per
  146. minute. So, an elevator ride in a superskyscraper might be comparable
  147. to a subway trip, with several transfer points and extended waits
  148. between cars.
  149.  
  150.     Which brings designers to the inevitable question: Will office
  151. staffs and tenants stand for such long rides? Indeed, will they
  152. tolerate all the other shortcomings of skyscrapers -- the feelings of
  153. entrapment inside them, the dark, windy canyons between them, and the
  154. congested traffic below -- made worse by higher heights. 
  155.  
  156.      Developers now claim they've worked most design bugs out of the
  157. new megastructures Whether or not people will actually want to occupy
  158. them should prove if the sky is really the limit.
  159.  
  160.     Don Valley -- loose deposits of sand and silt overlying deep
  161. deposits of cllay. Soft deposits. -- or is sand cover on top of clay.  
  162. terms: loose sand, loose silt, soft clay. Increase surface area of
  163. piles.
  164.  
  165.     Perhaps the most critical servicing job is protecting the
  166. building's occupants from fire and smoke. Today's skyscrapers are
  167. equipped with ultra-sophistated  fire-control systems: automatic
  168. sprinklers help douse the fire while exhaust fans suck out the smoke
  169. from burning areas, preventing it from escaping into other floors and
  170. stairwells.
  171.  
  172.     Feeding the sprinkler systems are huge water storage tanks that sit
  173. on the top floor or roof. These are the same tanks that Paul Newman
  174. blew up to douse the rampaging fire in "The Towering Inferno".
  175. Exploding tanks undoubtedly made for exciting climax, but they could
  176. never contain that much water to put out a skyscraper fire.
  177.  
  178. Built in the early Seventies by I.M. Pei,  one of America's foremost
  179. architects, the "John Hancock" towers majestically over the Back Bay
  180. area of Boston.
  181.  
  182. Over time,  it developed the bad habit of letting its windows fall out
  183. on windy days. This problem grew so serious, that police had to cordon
  184. off  the leeward side of the skyscraper to keep unsuspecting
  185. pedestrians from getting beaned  by falling glass. In fact, the
  186. situation became so dangerous that doormen were escorting workers in
  187. and out of the building during the daily invasion and exodus, keeping a
  188. wet  finger  to the wind and an eye peeled for falling glass.
  189.  
  190. And what was the foundation of this perplexing and disturbing
  191. window-popping habit? As it turned out, the foundation was to blame; it 
  192. and what is known as Bernoulli's Principle, ( which states that the
  193. pressure of a gas falls as its velocity increases.)
  194.  
  195. What happens is this:  a light wind comes along and has to get around a
  196. large slab of  building. It pushes against the front of the tower, and
  197. then speeds up to get to the edges of the building so it can keep up
  198. with the rest of the wind, (this is why the areas around tall buildings
  199. and groups of tall buildings become very windy). The back side of the
  200. skyscraper,  because of all the fast air on its sides, develops an area
  201. of low pressure, as predicted by Bernoulli's Principle, and because the
  202. air pressure inside the wall is suddenly higher than that outside,
  203. there is the potential for windows blowing out
  204.  
  205. This is obviously what was happening to Mr. Pei's building; but why was
  206. it happening with such frequency? After all, this building was becoming
  207. a lethal weapon! The search for the solution would have to start from
  208. the ground up, and the design team began with the history of the
  209. site...
  210.  
  211. As is the case with many cities built beside a body of water, Boston's
  212. downtown area expanded rapidly during the last century,  and its bay
  213. was filled in to provide more building space.  Because this land was
  214. built on more or less right away, it didn't have the chance to compact
  215. and provide as much support as land that had been settling for
  216. thousands of years. 
  217.  
  218. The design of the "John Hancock" took into consideration the condition
  219. of the soil on which it was built, and the engineers did their best to
  220. allow for settling. What they couldn't accurately predict was how the
  221. building would settle, so they  planned for a uniform settling of the
  222. building. Instead, they found that  the building had settled unevenly!
  223.  
  224. The result of this settling caused an unequal surface tension on the
  225. curtain wall, which, as all curtain walls are, had been designed only
  226. to serve as an envelope for the building, and to support no weight
  227. other than its own. This meant that it was nearing its maximum strength
  228. limit  even without any wind blowing on it. The suction of the low
  229. pressure area on  the leeward side of the  building caused the  wall to
  230. billow out and pop windows like buttons. 
  231.  
  232. The mechanical engineers, realizing that the negative air pressure was
  233. too much for the wall, decided to fight that negative pressure with
  234. negative air pressure of their own.  Using the fact that all
  235. skyscrapers are completely sealed, the perimeter air supply system of
  236. the whole building was monitored with regards to the exterior air
  237. pressure, and then air was supplied or removed to balance the tension
  238. on the curtain wall.  Quite literally, they would make the building
  239. suck in its billowing stomach to keep from popping buttons.
  240.  
  241. Simple, huh?
  242.  
  243. This tale ends with a moral and with a warning: the moral of the story
  244. is to  look up when you're around  tall buildings on very windy days ;
  245. the warning (for local folks) is that all the land south of Front
  246. Street is infill!
  247.  
  248.