Wieża Eiffla to konstrukcja, o której napisano już chyba wszystko. Budowla upamiętniająca setną rocznicę rewolucji francuskiej powstała z okazji Wystawy Światowej w 1889 roku. Wieża pełniła także funkcję bramy, przez którą wchodzono na teren ekspozycji. Kontrowersyjny projekt, wybrany spośród wielu zgłoszonych propozycji konkursowych jest obecnie najbardziej rozpoznawalną budowlą Francji. W tym roku będzie obchodzić 125. urodziny, a my już teraz przyjrzymy się dokładnie procesowi jej powstawania.
Na początek kilka suchych faktów. Wieża Eiffla została otwarta 31 marca 1889 roku, a jej budowa trwała 2 lata, 2 miesiące i 5 dni. Zaprojektowano ją tak, by przetrwała około 20 lat, po czym miała zostać rozebrana. Ażurowa konstrukcja kratowa, której montaż wymagał bardzo dużej precyzji, waży 7300 ton, z 10100 ton wagi całkowitej. Dzięki równomiernemu rozłożeniu ciężaru, nacisk jednostkowy wieży na podłoże jest niewiarygodnie mały i wynosi 4,5 ton/m^2 (4,5 kg/cm^2). Na wysokościach, odpowiednio 57 m, 115 m i 275 m znajdują się tarasy widokowe. Na szczyt wieży prowadzi 1665 stopni, lecz schody z tarasu drugiego do trzeciego są zamknięte dla zwiedzających (można jechać tylko windą). Budowla wsparta jest na czterech zakrzywionych pylonach wpisanych w kwadrat o boku 125 metrów. Fundamenty stanowią betonowe filary, których głębokość nie przekracza 15 metrów. Cała konstrukcja składa się z 18038 metalowych komponentów połączonych za pomocą 2,5 mln nitów. Całkowita wysokość Tour Eiffel zmieniała się kilkukrotnie za sprawą anten zamocowanych na jej szczycie – w 1889 wynosiła ona 312 metrów (z francuską flagą), a od roku 2000, po instalacji anteny telewizyjnej wzrosła ona do 324 metrów (odpowiada to wysokości 81. piętra w typowym budynku). Zmiany temperatury związane z klimatem, wpływają na rozszerzalność metalu, a wieża może zmieniać swoją wysokość nawet od 15 do 18 centymetrów.
Pomysłodawcami budowli byli dwaj inżynierowie zatrudnieni w przedsiębiorstwie Eiffla – Emile Nouguier i Maurice Koechlin, a nie jak podają niektóre źródła sam Gustave Eiffel. On sam jednak odkupił od nich prawa autorskie wraz z prawami do własności intelektualnej oraz zaproponował użycie elementów metalowych połączonych nitami. Opatentował także diagonalną konfigurację konstrukcji żebrowej, zdolną do przekroczenia wysokości 300 metrów. Nadzorował również pracę 50 inżynierów projektujących komponenty składowe. W celu ułatwienia montażu, waga każdej części sporządzonej w fabryce w Levallois Perret nie przekraczała trzech ton. Prefabrykaty były znakomicie przygotowane poprzez opis ułatwiający składanie i precyzyjnie nawiercone 7 milinów otworów na nity. Zatrudnionych było zaledwie 230 robotników, z których stu wykonywało części, a kolejnych 130 je montowało.
Metalowe części wieży zostały wykonane z żelaza poddanego procesowi pudlarskiemu. Produktem świeżenia surówki żelaza przeprowadzanej w piecach płomiennych opalanych odgazowanym węglem kamiennym była po przekuciu tzw. stal zgrzewna (żelazo kowalne, “kute”). Materiał znany dawniej na rynku jako “czyste żelazo” zawierał mniej niż 0,1% węgla, do 0,25% domieszek siarki, fosforu, krzemu i manganu oraz 1 do 2% żużlu. Opracowane w 1784 roku przez Anglika Henry`ego Corta metody topienia surówki zostały na przełomie XIX i XX wieku porzucone na rzecz bardziej wydajnych procesów konwertorowych. Dlaczego wówczas Eiffel postanowił wykorzystać w konstrukcji wieży żelazo “kute”, a nie wysokowartościową stal? Po pierwsze, miał dużo większe doświadczenie z tym materiałem (budował z niego m.in. kratownice mostów, wiaduktów i śluz). Po drugie, efektywne, konwertorowe metody produkcji stali były dopiero rozwijane i udoskonalane, a cena stali podobnej do tej jaką stosujemy dzisiaj, była w porównaniu do żelaza kowalnego bardzo wysoka.
Schematyczny rysunek pieca pudlarskiego. A – miejsce na wsad, B – ognisko, C – komin, D – ścianka oddzielająca [10].
Stal pudlarską (przed przekuciem) otrzymywano na skalę przemysłową przez utlenianie stopionej surówki za pomocą gazów spalinowych. Piec składał się z ogniska, miejsca na wsad, mostka oddzielającego oraz komina z możliwością regulacji przepływu. Główną cechą procesu pudlingowania był brak bezpośredniego kontaktu między surówką a paliwem. Do wnętrza rozgrzanego pieca wsypywano porcje żelaza lub żeliwa (w stanie stałym), a jako opał stosowano koks. Proporcje były tak dopasowane, aby temperatura na wysokości dysz utrzymywała się w granicach 1400°C, a budowa pieca powodowała rozgrzewanie wsadu ciepłem odbitym od sufitu. W takich warunkach i w obecności nadmiaru tlenku węgla (czadu), następował proces topienia materiału i utleniania niechcianych domieszek. Odwęglanie (dekarbonizacja) surówki wspomagane było ciągłym mieszaniem. Gotowy ciastowaty, porowaty produkt, tzw. “bochen” posiadał żużlowe wtrącenia, które wymagały usunięcia, głównie przez rozbijanie młotem. Następnie, oczyszczone odkuwki ponownie ogrzewano, odlewano w formie pręta i walcowano. Proces przewalcowywania powtarzano kilkakrotnie, łącząc pręty w większe zespoły, aż do uzyskania żądanych wymiarów. Wadą stali uzyskiwanej metodą pudlarską była różnorodność struktury wynikająca z różnic składu chemicznego, w elemencie składającym się z kilku “bochnów”. Resztki żużla w wyniku walcowania, zgrzewania i ponownego walcowania nadawały bryle strukturę włóknistą. Wpływało to korzystnie na wytrzymałość na rozciąganie (234-372 MPa), lecz pogarszało twardość. Stal zgrzewna charakteryzowała się także stosunkowo dobrą odpornością na korozję, bardzo dobrą spawalnością (niska zawartość węgla), ciągliwością (granica plastyczności 159-221 MPa) oraz brakiem jamy skurczowej, obserwowanej we wlewkach fabrykowanych metodą odlewania. Tańsze metody produkcji żeliwa oraz konwencjonalnej stali spowodowała, iż ilość wytwarzanego żelaza zgrzewnego jest obecnie bardzo mała. W dzisiejszych czasach, na większą skalę produkowane są głównie elementy mebli, wystroju wnętrz, bramy i balustrady.
Zdjęcie stali zgrzewnej wykonane za pomocą mikroskopu optycznego. Przedstawia ciemnie, włókniste wtrącenia żużlu na tle ziaren ferrytu [9].
W 1899 zdecydowano, że wieża będzie konserwowana co siedem lat poprzez malowanie. Najciemniejsze farby są używane w dolnej, a jaśniejsze w górnej części budowli (jasne kolory odbijają, ciemne absorbują promienie słoneczne). Do zachowania dobrego stanu budowli i ochrony przez korozją zużywa się 50–60 ton farby. Wcześniej, skorodowane obszary są szlifowane, piaskowane, po czym nakładane są dwie warstwy podkładu. Ostatnia renowacja zakończona w grudniu 2010 roku, prowadzona była przez 25 pracowników, którzy wykorzystali ponad 1500 pędzli do pomalowania 250 000 metrów kwadratowych. Okresowo kolor wieży zmienia się, ostatnia wersja jest w odcieniach brązu.
Źródło:
[1] http://www.britannica.com/EBchecked/topic/649722/wrought-iron [17.01.2014]
[2] http://bcpw.bg.pw.edu.pl/Content/4277/41pt1901_nr52.pdf [17.01.2014]
[3] http://www.mech.pg.gda.pl/katedra/imis/wp-content/blogs.dir/49/files/2013/10/Materia
%C5%82y-a-post%C4%99p-cywilizacji-_laboratorium.pdf [17.01.2014]
[4] http://www.mimuw.edu.pl/~ph209519/teaching/TI2011/egz_pop/zelazo.pdf [17.01.2014]
[5] http://www.tour-eiffel.fr/images/PDF/supports- pedagogiques/EN/en_03_la_tour_se_fait_belle.pdf [17.01.2014]
[6] http://www.tour-eiffel.fr/images/PDF/supports- pedagogiques/EN/en_05_du_fer_et_des_rivets.pdf [17.01.2014]
[7] http://www.tour-eiffel.fr/images/PDF/supports- pedagogiques/EN/en_08_la_tour_de_haut_en_bas.pdf [17.01.2014]
[8] http://www.tour-eiffel.fr/images/PDF/supports- pedagogiques/EN/en_10_la_tour_en_chiffres.pdf [17.01.2014]
[9] A231 – Optical micrograph of wrought iron by Photo by Mike Meier, CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons
[10] puddling furnace, Wikimedia Commons, Public Domain
[11] Eiffel Tower by joel kabahit (joelpk), flickr.com, CC BY 2.0