Så hindrar utriggarna Karlatornet från kollaps

Den som har rest runt i Sydostasien har förmodligen sett kanoter och andra långsmala båtar med långa parallella pontoner en bit ut från båten.

Pontonerna sitter fast i båten med hjälp av stag och kallas för utriggare. Lösningen är särskilt vanlig i Mikronesien och Polynesien, och är till för att stabilisera båtarna mot starka havsvågor. 

Precis samma funktion har våningsplanen mellan våning 12 och 13 samt mellan våning 67 och 68 i det 245 meter höga Karlatornet, som nu håller på att byggas på Hisingen i Göteborg.

Utriggare – som stödben för kärnan

– I Ny Tekniks förra artikel om hur Karlatornet ska klara av vinden kallas utriggarna för husets livrem. Jag skulle snarare beskriva dem som stödben för kärnan. Vinden slår som en horisontell last mot huset och tas upp av kärnan. Utriggarna sticker ut som stödben och man får nytta av pelarna genom att de tar den vertikala lasten som kärnan trycker på dem med hjälp av stödbenen, alltså utriggarväggarna, säger David Salekärr till Ny Teknik.

Hans kollega Nawar Merza från byggprojekteringsföretaget VBK har jobbat sedan 2017 med att göra beräkningar på Karlatornets utriggare – och han ger fler detaljer:

– Tack vare utriggarna minimeras rörelsen i Karlatornets kärna samtidigt som de aktiverar fasadpelarna till att stabilisera tornet. Resultatet innebär maximal styvhet med minsta möjliga materialåtgång, säger Nawar Merza.

Fokus på byggbarheten

David Salekärr arbetar för Serneke och är biträdande produktionschef för stommen på Karlatornet. I praktiken fungerar han som den viktiga länken mellan projektering och produktion, och han fokuserar mycket på byggbarheten.

Han har bland annat tagit fram metoder för att så effektivt som möjligt kunna få utriggarna på plats på ett säkert sätt. En viktig del i det är bygghissar, kranar, formar och övrigt arbete med temporära konstruktioner som används i väntan på det slutliga resultatet.

Att bygga Karlatornet kräver mycket pengar och i början av 2020 meddelade Serneke att amerikanska företaget Oaktree Capital skulle köpa in sig till 80 procent i Karlatornet. Affären sprack dock i mars och Serneke sökte då efter nya finansiärer. Under tiden stod bygget i princip helt still. I slutet av december 2020 köpte fastighetsbolaget Balder in sig till 50 procent och bygget kunde dra igång igen.

Skräddarsydd stålnod för tornet

Nu byggs det för fullt i Karlatornet och i slutet av februari installerades utriggarnas 19 meter höga stålnoder som förankras i husets kärna. En stålnod kopplar alltså utriggarna till kärnan och är vanliga att använda i höghus runtom i världen. I Karlatornets fall är stålnoden skräddarsydd för att armeringsjärnen från utriggare respektive kärna ska kunna gängas till. 

– Detta är troligtvis den häftigaste och mest komplicerade armeringsdetaljen som någon gång har gjorts i Sverige. Vi använder där en skräddarsydd stålkonstruktion som väger totalt 100 ton fördelat på de fyra hörnen av kärnan. Det gör vi dels för att knyta ihop en enorm mängd armering, dels för att ersätta ytterligare en enorm mängd armering genom förankring i precisionstillverkat stål uppåt och nedåt i betongväggarna, säger David Salekärr.

Nawar Merza beräkningar på Karlatornets utriggare har krävt beräkningsmetoder utöver det vanliga. Detta för att säkerställa att så stora krafter som 55 MN säkert kan hanteras och föras ned till grunden. Totalt sett för hela tornets stomsystem har det blivit hela 11 500 olika lastfall.

– Vi har räknat och mätt på när vinden kommer in från 16 olika vinklar. Vanliga vindnormen gäller endast för byggnader som är maximalt 200 meter höga och eftersom den inte tar hänsyn till verkliga förhållanden i så höga byggnader som Karlatornet så har vi genomfört en rad olika vindtunneltest. Efter testerna stod vår superdator och tuggade i sju dygn, för att därefter ge oss 2,5 TB data med lastunderlag, som jag sedan har använt för att dimensionera utriggare, säger Nawar Merza.

Rotationen minskar med hjälp av utriggare

På samma sätt som kanoten i Indonesien stabiliseras med sina pontoner mot att välta när det går stora havsvågor så minskar rotationen av kärnan i Karlatornet när det blåser med hjälp av utriggare.

– Hur mycket kärnan kan avlastas av att minimera dess rotation, beror helt på utriggarnas verkningsgrad, styvhet, samt även fasadpelarnas styvhet. Detta arbete har varit kritiskt och kanske det svåraste att sätta siffror på, säger Nawar Merza.

Varje utriggarvägg efterspänns med 16x12 linor och spännkablar för att uppnå tillräcklig styvhet på utriggarna. Karlatornet skall fungera utan att människorna som vistas i tornet skall känna obehag av alltför stora rörelser. Kablarna gjuts in i betong för att bland annat skydda mot korrosion. Detta ska ge en livslängd på minst 100 år.

– Livslängdsklassen för Karlatornet generellt är 50 år, men för icke inspekterbara system, som ingjutna kablar ju är, räknar man med 100 års livslängd. Det är inte så att konstruktionen är utdömd efter 50 år respektive 100 år men det är inte ekonomiskt försvarbart att använda andra livslängsklasser. Karlatornet kommer säkert att stå kvar på Hisingen om 200 år, men fram tills dess kommer man att ha gjort omfattande renoveringar och kanske även bytt fasaden, säger David Salekärr.

Höga byggnader – inget problem

Komplexiteten i att bygga höga byggnader har inte med höjden i sig att göra, utan beror på hur slank byggnaden är. Slankhetstalet är höjden dividerat med bredden och i Karlatornets fall består byggnadens totala höjd av 245 meter ovan jord och 63 meter under jord. 

– Tack vare utriggarna har Karlatornet en slankhetsfaktor på 8, vilket kan jämföras med One World Trade Center i USA som har en slankhet på 7 och världens högsta byggnad Burj Khalifa som har en slankhet på 9, säger Nawar Merza.

Utriggarvåningarna är sju meter höga och saknar nästan helt fönster. Därmed går våningarna inte att sälja som lägenhetsutrymmen, men däremot kommer de att användas för att placera mekaniska system, kök och omklädningsrum för utsiktsvåningens restaurang. 

Bidrar till minskad mängd betong

De åtta utriggarväggarna väger vardera 200 ton och armeringen i den nedre utriggarväggen väger 800 ton, men trots detta så bidrar de till att minskad mängd betong i det övriga huset, tack vare det effektiva materialutnyttjandet och ökade stabilitet som utriggarna ger.

Utmaningen med höga hus när det blåser är inte att husen i sig rör sig, utan utmaningen är att göra själva accelerationen så mjuk som möjligt. Karlatornets topp kommer att röra sig upp till 40 cm fram och tillbaka, men till skillnaden från exempelvis den drygt 500 meter höga byggnaden Taipei 101 i Taiwan så har Karlatornet ingen aktiv accelerationsdämpning – betongen i bygget tillsammans med utriggarna räcker gott och väl till ändå.

En så slank och hög byggnad som Karlatornet behöver röra sig med vinden för att fungera som den ska. Varje gång vinden slår mot tornet så börjar den svänga åt ett håll, sedan stannar den, och sedan svänger tillbaka åt andra hållet, likt en pendel. Varje gång den stannar och precis skall svänga tillbaka sker en acceleration.

Det är den accelerationen som Nawar Merza och hans kollegor har behövt begränsa så att människor som vistas i tornet inte skall känna obehag, då människor generellt sett är särskilt känsliga för rotationsrörelser. 

– Karlatornets stomsystem är väldigt optimerat just med hänsyn till rotation. En annan viktig faktor som vi behövt ta hänsyn till är att eliminera risken för självsvängning eller resonans. Detta fenomen vill vi helt undvika på tornet, säger Nawar Merza.

Måste undvika självsvängning

Genom avancerade vindtunneltester säkerställer Serneke att tornets egenfrekvens på 0,16 Hz inte kommer att matcha vindens stötfrekvens. På så sätt finns ingen risk för att tornet kommer i självsvängning vilket innebär att kollapsfarliga krafter aldrig byggs upp i stomsystemet. 

Framöver väntar ytterligare utmaningar. Förutom sin utriggarfunktion bär den övre utriggaren också en stor del av tornet. Den lyfter upp viss del av vertikala laster från flertalet våningar under och fördelar om lasten till kärna och andra fasadpelare. Den funktionen har inte den nedre utriggaren.

– Precisionen i armeringen är enorm där väldigt stor andel av armeringen i både nedre och övre utriggaren har toleranskrav på placeringen som annars bara finns på ingjutningsgods så som grundskruvar. Allting byggs också i ett väldigt högt tempo där stommen för en typvåning efter utriggaren i slutet av sommaren kommer att byggas på en vecka. Dessutom har vi väldigt komplexa temporära konstruktioner som kräver samordning i varje infästning, formstag och armeringsjärn för att fungera, säger David Salekärr.