Tháp Sears

• Thời điểm xây dựng: 1970 - 1974
• Địa điểm: Chicago, llinois, Mỹ

Tháp Sears đánh dấu đỉnh cao của sự phát triển nhà chọc trời ở Mỹ trong hơn 20 năm, luôn giữ kỷ lục là tòa nhà cao nhất thế giới, 110 tầng ngất ngưỡng ở độ cao 443m, đây là giới hạn ấn tượng trên nền trời khu kinh doanh Chicago, thành phố mở đầu cho nhiều sáng kiến trong xây dựng nhà cao tầng. Tòa tháp thiết kế cho Sears, Roebuck và Công ty, kinh doanh sách mẫu đặt hàng qua đường bưu điện, hợp nhất 7000 nhân viên của công ty trong cùng một văn phòng. Sears mua lại một khối nhà trong thành phố và đặt hàng Skidmore, Owings & Merrill (SOM), một công ty quốc tế gồm kiến trúc sư, kỹ sư để thiết kế công trình.

Kỹ sư kết cấu Fazlur Khan Kỹ sư kết cấu Fazlur Khan (Ảnh: fazlurrkhan.com)

Ống giằng và ống bó

Tòa nhà càng cao, thì tác động của gió càng lớn. Nhằm trung hòa tải trọng gió, kết cấu quy mô nhỏ hơn thường được tăng cứng bằng các tường giằng chéo góc hay tường cắt quanh các lõi cầu thang hay thang máy. Tuy nhiên, sử dụng phương pháp này để giằng khung thép nhằm có được độ tăng cứng thích hợp trong tòa nhà cao tầng đều rất tốn kém. Do đó, khái niệm kết cấu mới phải được phát triển cho những công trình như thế sử dụng cùng số lượng vật tư kết cấu như các tòa nhà quy ước và do đó không phát sinh chi phí cho độ cao. Năm 1971, Cao ốc John Hancock 100 tầng ở Chicago vận dụng khái niệm "ống giằng" mới của Fazlur Khan với hệ giằng chéo góc ở chu vi khung thay vì lõi trung tâm.

Sears không muốn nhìn thấy hệ giằng chéo góc ở mặt tiền của tòa nhà, ngoài ra còn phải đáp ứng một dải rộng kích thước sàn, cả hai phải thỏa mãn yêu cầu riêng đối với các bản sàn rất lớn và tạo ra những khu vực nhỏ hơn cho người thuê một phần trong tòa nhà. Nhằm đáp ứng những yêu cầu này, Fazlur Khan phát triển khái niệm kết cấu "ống bó". Thay vì làm hệ giằng bên với quy mô nhỏ của lõi hay ở quy mô lớn của chu vi tòa nhà, Tháp Sears là một bó gồm nhiều ống ở quy mô trung bình, theo nghĩa tháp riêng biệt - liên kết với nhau. Cao hơn Cao ốc John Hancock gần 30%, kết cấu của Tháp Sears chỉ nặng hơn 14%.

Ở phần móng, tháp gồm chín ống, mỗi ống có cạnh vuông 22,9m, nâng lên với các chiều cao khác nhau: một điểm dừng ở tầng 50, hai ở tầng 66 và ba ở tầng 90, chỉ còn lại hai ống lên đến 20 tầng sau cùng. Ngoài việc sao cho mảnh khảnh hơn và nhìn thấy nhẹ hơn khi tòa nhà xây lên cao, giải pháp này tạo cho diện tích các tấm sàn thay đổi từ 3800 đến 1100m² (41.000 đến 10.000 bộ vuông).

Mỗi ống đều không có cột bên trong để tạo ra toàn bộ tính linh động trong bố trí mặt bằng văn phòng và định khung bằng các cột thép ở bốn mặt ở các tâm 4,6m liên kết bằng dầm thép chu vi. Thay cho khung bắt bulông bằng hệ giằng chéo góc giảm bớt tính linh động của mặt bằng bên trong, thì khung chỉ có các cấu kiện thẳng đứng và nằm ngang được tăng cứng bằng sự kết nối hoàn toàn bằng mối hàn. Cột và dầm tạo ra cấu kiện gồm các tấm thép hàn lại theo hình dáng mặt cắt có hình chữ W. Độ dày của tấm bản thay đổi từ 25mm ở phần đỉnh tòa nhà đến 100mm ở phần nền, nơi đây tải trọng bản thân lớn nhất. Kết cấu thép thượng tầng gối lên lớp phủ bêtông dày 1,5m đặt trên móng giếng chìm bên dưới. Những móng bêtông chìm này trong các lớp vỏ thép có đường kính thay đổi từ 2,2 đến 3m và độ dài trung bình 20m đến tận lớp đá gốc.

(Ảnh: free.fr))

Vật liệu và thi công

Số liệu thực tế:

• Chiều dài: 443m, 520m thêm phần gắn anten
• Diện tích tổng mặt bằng: 409.000m²
• Trọng lượng: 222.500 tấn
• Nhân lực: 16.500
• Chi phí: 150 triệu$

Kết cấu thép thượng tầng tiền chế thành các module kích thước 7,6 x 4,6m - kích thước tối đa có thể vận chuyển bằng xe tải đến công trường. Mỗi module - gồm một cột hai tầng có các dầm dài một nửa hàn ở xưởng gắn ở hai bên. Sau khi dùng máy trục đặt vào đúng vị trí thi công, các mối hàn liên kết dầm với dầm giữa nhịp được bắt bulông ngay công trường. Bằng cách giảm bớt 95% công đoạn hàn, khung dựng thật nhanh ở tiến độ 8 tầng mỗi tháng, tiết kiệm công lao rất nhiều.

Để tăng độ cứng của tòa nhà, các ống nối với nhau dọc theo các đường cột và dầm liên kết với các module kế cận. Ngoài ra, các ống cũng được nối với nhau bằng các bản nẹp giằng hai tầng quanh chu vi của bó ở các tầng 29 - 31, 64 - 66 và 88 - 90. Sự tăng cứng của ống tăng hơn nữa bằng các sàn của tòa nhà, có tác dụng như vách cứng kết cấu. Các tấm bê tông ở tấm thép lượn sóng được gối lên các giằng sâu 1m. Mỗi giằng được bắt bulông trực tiếp vào cột, tạo cho kết cấu hiệu quả hơn bằng cách tránh sự chuyển gián tiếp tải trọng sàn qua các dầm chính. Hướng của các giằng nhịp xen kẽ trong mỗi sáu sàn (tầng) để quân bình tải trọng trên khung ống chu vi.

Tháp Sears thuộc về thế hệ các tòa nhà rất cao đòi hỏi sự phát triển
khái niệm kết cấu mới để gải quyết tải trọng gió. (Ảnh: Northwestern)

Tháp Sears có 102 thang máy phục vụ nhân viên, chia theo chiều thẳng đứng thành 3 khu vực, mỗi khu vực có từ 30 đến 40 tầng, với hai hành lang ngắm cảnh đặt ở tầng dưới cùng của mỗi khu vực. 16.500 người thuê nhà di chuyển đến hành lang ngắm cảnh thật nhanh bằng 14 thang máy tốc hành hai tầng, tải nhiều người. Từ những điểm này, hành khách chuyển sang các bờ dốc thuộc thang cục bộ để đến tầng mình muốn. Hành lang ngắm cảnh công cộng ở tầng 103 được hai thang máy tốc hành phục vụ, đưa khách từ tầng trệt lên thẳng tầng 103, với vận tốc 9,15m mỗi giây.

Ngoài việc đánh dấu một tiến bộ đáng kể trong tối ưu hóa hệ thống kết cấu đối với nhà cao tầng để tăng độ cao của tòa nhà, Tháp Sears là ví dụ minh họa phương pháp trong đó tính hiện đại mang Phong cách quốc tế thích hợp ở Mỹ phải trở thành một biểu tượng của sức mạnh hợp tác. Tường xây che hoàn hảo có lắp kính lên màu đồng và nhôm đen chưa nói lên hết, không biểu lộ điều gì thuộc kỹ năng kết cấu giúp cho tòa nhà vươn đến một độ cao trước đấy chưa đạt đến.