Bygg­inga­gerð á sér langa sögu

Byggingargerð (þ.e. bygging húss, samsett á staðnum eða sett saman úr einingum, og önnur sambærileg mannvirki, sjá byggingarreglugerð 1.2.1. gr. Skilgreiningar) hefur lengi verið samofin sögu mannsins.

Í gegnum tíðina hafa ýmis efni úr nærumhverfinu verið notuð til byggingargerðar. Sem dæmi má nefna íslensk torfhús. Húsin samanstóðu að stærstum hluta af torfi, timbri og grjóti.

Á 19. öld urðu ákveðin straumhvörf hvað varða byggingarefni. Mikil auknin varð í notkun á steinsteypu, þ.e. blöndu af sementi, sandi, möl og vatni. Í dag er svo komið að steinsteypa (steypa) er eitt mest notaða byggingarefnið á heimsvísu (horft til heildarmagns). Einungis vatn er notað meira.

Bygg­ing­ar­gerð hófst fyr­ir millj­ón­um ára

Fyrir milljónum ára hóf hinn upprétti maður (Homo erectus) að koma sér upp veðurvörnum sem voru allt frá einföldu skjóli yfir í flóknari skýli þar sem notast var við verkfæri til að móta skipulagða einingu úr trjágreinum, laufum, grjóti og öðru úr nærumhverfinu. Saga byggingagerðar er því löng og oft samofin breytingum í tækni og samfélagsgerðum. Engu síður er eitt meginstefanna notkun á því hráefni sem hægt var og er að finna í nærumhverfinu. Sem dæmi notuðu Egyptar til forna kalk og gifs sem einfalt límefni fyrir byggingarefni og Mesópótamíumenn leir og tjöru. Efnin voru einföld en gáfu byggingunum styrk og festu.

Upp­haf­ið

Upphaf framleiðslu og notkun á steinsteypu til mannvirkjagerðar er rakið til Rómar á Ítalíu. Rómverjar þróuðu steinsteypu sem þeir nefndu Opus caementicium. Hún samanstóð af brenndu kalki (kalkhydrat), vatni, eldfjallaösku (pozzalona) og hnefastórum steinum (t.d. vikri eða mulningi).

Á þriðju öld fyrir Krist hófu Rómverjar markvisst að nota steinsteypu til mannvirkjagerðar. Þar með gátu þeir reist stærri og flóknari byggingar en áður hafði verið mögulegt með steinum eða múrsteinum. Um stórt tækni- og framfaraskref var að ræða sem gerði Rómverjum t.d. kleift að byggja hvelfingar, bogabrýr og stór mannvirki.

Þekktustu mannvirkin frá þessum tíma eru rómversku böðin, Coliseum, hofið Pantheion í Róm og Pont du Gard vatnsleiðslan í Frakklandi.

Sérstaklega má nefna Pantheon og steinsteypt hvolfþakið. Byggingin, sem reist var sem musteri tileinkað öllum guðum, er almennt talið bera af fornum mannvirkjum og hefur staðist veðrun og önnur utanaðkomandi niðubrjótandi áhrif með miklum ágætum.

Mynd: Pantheon í Róm, Ítalíu (heimild: Shutterstock)

Fjölmargar heimildir eru til er varða byggingartækni Rómverja. Sem dæmi eru allar þær byggingar sem enn standa raunverulegar heimildir en einnig eru til bækur eftir vísindamenn frá þeim tíma. Sem dæmi má nefna eitt fyrsta alfræðirit sögunnar, Naturalis Historia eftir Gaius Plinus Secundus (Pliníus eldri) náttúrufræðing. Í ritinu fjallar Gaius meðal annars um náttúru, dýr, plöntur og byggingartækni Rómverja. Gaius fórst í eldgosinu í eldfjallinu Vesuvius 79 e. Kr., að talið er við að reyna að bjarga fólki og rannsaka gosið. Einnig má nefna ritið De Architectura eftir Markus Vitrius Pollio (um 80-70 f. Kr. – um 15. e. Kr.) arkitekt og verkfræðing. Ritið er enn í dag grunnur að skilningi okkar á hönnun, efnum og byggingartæki enda setti Markus fram þrjú sígild grundvallaratriði sem móta góð mannvirki. Þau eru styrkur (firmitas), nytsemi (utiltas) og fegurð (venustas).  

Þekk­ing glat­ast en er end­ur­vakn­ing

Árið 476 e. Kr. var síðasti keisari vestrómverska ríkisins, Rómulus Áugústus, settur af og germanski herforinginn Odocer tók völdin. Atburðurinn markar falls Rómaveldis. Ástæðan fyrir falli eða hnignun Rómaveldis er ein af stærri spurningum sem sagnfræðingar eiga eftir ósvarað. Ein afleiðing fallsins var að þekking á gerð og notkun á steinsteypu fjaraði út. Hugsanlega má rekja orsökina til breyttra byggingarhátta og/eða almennrar samfélagslegrar hnignunar.

Öldum síðar (árið 1824) fær Englendingurinn, múrarinn og uppfinningamaðurinn, Joseph Aspdin (1778-1855) einkaleyfi á efni sem hann kallaði Portlandsement.

Nafnið var tilkomið vegna þess að fullharðnað sementið líktist litnum á byggingarsteini frá Portland á Englandi.

Til að búa til Portlandsement brenndi Joseph kalkstein og leir við háan hita. Úr varð eitt efni sem var malað í fínt duft. Duftið reyndist harðna þegar það var blandað með vatni og þar með var efnið gott bindiefni. Grunnur hafði verði lagður að því sem við köllum steinsteypa eða steypa í dag.

Þó að Aspdin hafi lagt grunninn að því sementi sem við þekkjum í dag þá unnu sonur hans, William Aspdin (1815-1864) og aðrir að þróun tækninnar sem lá að baki sementsgerðinni. Að lokum náðu þeir að framleiða sement sem var gæðameira ef fyrra sement, þ.e. sementið sem notað er í dag.

Meðal annars voru hráefnin sem mynduðu sement brennd við mun hærra hitastig en áður. Við það myndaðist efni sem kallaðis (og kallast enn) klinker. Klinker er grunnefni í nútíma Portland-sementi.

Við hærra hitastig varð sementið sterkara, endingarbetra og áreiðanlegra.

Sam­spil stein­steypu og járns

Á 19. öld urðu þáttaskil í framleiðslu á steinsteypu þegar Joseph Aspdin, og síðar sonur hans William Aspdin, þróuðu svokallað Portlandsement. Það reyndist mun sterkara og áreiðanlegra en eldri efni og lagði grunn að þeirri steinsteypu sem við þekkjum í dag. Um svipað leyti hófst einnig notkun járnbentrar steinsteypu, sem opnaði dyr að nýjum möguleikum í mannvirkjagerð, þar á meðal háreistum byggingum, virkjunum, kjarnorkuverum og flóknum formum sem áður voru óhugsandi.

Járnbent steinsteypa felur í sér að steypt er utan um grind eða möskva úr stáli, járnið er oft nefnt bendistál, steypustyrktarstál eða kambstál. Ástæðan fyrir þessari samsetningu liggur í eðliseiginleikum efnanna. Steinsteypa þolir vel þrýsting en illa tog, á meðan stál þolir tog mjög vel. Með því að sameina þessi efni vinnur hvort um sig gegn veikleikum hins, og úr verður afar sterkt og fjölhæft byggingarefni.

Mynd: Óharnaðri fullblandaðri steypu hellt á járnagrind úr bendistáli/steypustyrktarstáli/kambstáli (plötu)

Þróun járnbentrar steinsteypu er gjarnan rakin til Frakkans Joseph Monier (1823–1906). Monier, sem var bæði garðyrkjumaður og uppfinningamaður, stóð frammi fyrir tilteknu vandamáli. Blómapottar (og önnur ílát) fyrir plöntur voru brothættir og endingarlitlir. Hann hóf því tilraunir með að setja járnnet í fullblandaða og óharnaða steinsteypu. Þannig þróaði hann mjög sterk og endingargóð ílát, sem síðar leiddu til stærri og flóknari byggingareininga.

Framfarirnar í kjölfarið voru hraðar og þekkingaröflunin sömuleiðis. Árið 1867 fékk Monier einkaleyfi á járnstyrktum trogum fyrir garðyrkju, árið 1868 fékk hann einkaleyfi fyrir pípur og vaska úr járnbentri steinsteypu og árið 1869 fékk hann einkaleyfi fyrir steinsteypupalla. Þessi þróun náði ákveðnum hápunkti árið 1875 þegar Chazelet brúin í Frakklandi var reist eftir hönnun hans, fyrsta járnstyrkta steinsteypubrúin. Hún markaði upphaf nýrrar aldar í verkfræði og byggingartækni, þar sem járnbent steinsteypa varð eitt mikilvægasta byggingarefni heims.

Hröð þró­un og fjöl­breytni

Frá árinu 1875 hefur notkun á járnbentri steinsteypu aukist gríðarlega. Steinsteypa varð undir lok 20. aldar mest notaða byggingarefni í heimi á eftir vatni. Kostirnir við notkun efnisins eru margir. Meðal annars er steinsteypa (steypa) ódýrt hráefni borið saman við önnur efni, hún hefur hátt brunaþol og er hljóðeinangrandi og svo er hún er sterk og endingargóð sé henni rétt við haldið. Þar að auki er hægt er að móta hana í nánast hvaða form sem er. Steypa sem byggingarefni má sem dæmi finna í brúm, íbúðarhúsum, háhýsum, stíflum, gangstéttum, vegum o.fl.

Með frekari rannsóknum urðu til fjölbreyttar gerðir steypu. Sem dæmi var hægt að fá léttsteypu og steypu af ýmsum styrktarflokkum. Hraðinn við byggingargerð jókst einnig í kjölfar nýrrar tækni. Sem dæmi voru byggingar byggðar með notkun steypumóta eða úr forsteyptum einingum.

Segja má að 20. öldin hafi markast af gríðarlegri framþróun í þekkingu, tækni og verkfræði, þar sem steinsteypa varð eitt af lykilefnum samtímans. Notkun hennar jókst hratt samhliða vexti borga, uppbyggingu innviða og þróun nýrra byggingaraðferða. Steinsteypan gerði mönnum kleift að reisa stærri, sterkari og fjölbreyttari mannvirki en áður hafði þekkst.

Mynd: Steinsteypt hótel í miðbæ Reykjavíkur

Samhliða aukinni útbreiðslu komu í ljós nýjar áskoranir. Með aukinni framleiðslu og notkun varð ljóst að steinsteypa hafði umtalsverð áhrif á umhverfið. Sérstaklega var bent á kolefnisspor hennar, sem stafar að stórum hluta af framleiðslu sements.

Þannig endurspeglar saga steinsteypunnar á 20. öld bæði ótrúlegar framfarir og vaxandi meðvitund um ábyrgð gagnvart umhverfinu, sem hefur orðið sífellt mikilvægari þáttur í þróun byggingariðnaðarins.

Sjálf­bærni, ný­sköp­un og fram­tíð­in

Eftir aldamótin 2000 hefur notkun steinsteypu haldið áfram að aukast hratt á heimsvísu, samhliða vexti borga og uppbyggingu innviða. Á sama tíma hafa orðið verulegar tækniframfarir sem hafa opnað nýja möguleika í framleiðslu og notkun efnisins. Þar má nefna þrívíddarprentun minni byggingar með steinsteypu, auk snjalltæknilausna sem fylgjast með hörðnun og eiginleikum steypunnar í rauntíma eftir niðurlögn.

Þrátt fyrir hraðar framfarir hefur umræðan í auknum mæli beinst að umhverfisáhrifum steinsteypu. Framleiðsla sements, sem er lykilefni í steypu, veldur verulegri losun koltvísýrings. Þar spila bæði efnaferlið sjálft og notkun orkugjafa stórt hlutverk, sérstaklega í ljósi þess hversu mikið magn er framleitt ár hvert á heimsvísu.

Í dag beinist þróun steinsteypu því í auknum mæli að því að draga úr þessum áhrifum. Lögð er áhersla á endurnýtingu efna (t.d. við niðurrif steinsteyptra mannvirkja), þróun nýrra og umhverfisvænni bindiefna, auk þess sem sjálfbærni, gæði og ending eru höfð að leiðarljósi. Þrátt fyrir áskoranir er þó ljóst að steinsteypa mun áfram gegna lykilhlutverki sem eitt mest notaða byggingarefni heims en með sífellt meiri áherslu á umhverfisábyrgð og sjálfbæra þróun.

Mynd: Niðurrif byggingar úr steinsteypu

Heim­ild­ir og mynd­ir