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ESTRUCTURAS III
Tema:
LAS PROBLEMÁTICAS DE DISEÑO EN LOS EDIFICIOS EN
ALTURA
Ing. José María Canciani
Arqta. Cecilia Cei
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LAS PROBLEMÁTICAS DE DISEÑO EN LOS EDIFICIOS EN ALTURA
Desde que hace 80 años comenzaron a construirse edificios de altura, apareció un nuevo
desafío: resolver la problemática de las cargas horizontales de viento y sismo a los que
estos están sometidos. En los últimos tiempos los nuevos edificios construidos en el mundo
han alcanzado un grado de altura y belleza inimaginables y para hacerlo, han contado con
la resolución de esa problemática. En esta ponencia se analizará cómo con el desarrollo de
las nuevas tecnologías y sencillas decisiones de diseño se ha logrado salvar las dificultades
y llegar a este nivel de arquitectura
Este tema está íntimamente relacionado con la tipología de los edificios. Por eso, es
oportuno hacer un recorrido a través del mundo y del tiempo haciendo un breve análisis
de edificios emblemáticos
Es en la ciudad de Nueva York, donde se construyen los primeros rascacielos.
El primer edificio a analizar es el Chrysler ,New York; 1930 (, cuya tipología estructural
consiste en un sistema combinado de pórticos y tabiques. Puede observarse en su planta la
trama de pórticos y la disposición de los tabiques en el núcleo de circulación vertical. Es un
magnífico ejemplo de la arquitectura Art Decó. La cúpula del edificio revestida en acero
inoxidable, lo convierte en un rascacielos con características únicas.
Fig 1:Edificio Chrysler•1930
•William Van Allen
•77 niveles
•317m de altura
Pórticos + Tabiques
l Chrysler fue por un año el edificio más alto del mundo, hasta que le cedió el titulo al Empire
State Building, inaugurado en 1931. Este fue el edificio más alto del mundo por 42 años.
También de estilo Art Decó, con sus 102 niveles y 400 m de altura, tiene una tipología
estructural de pórticos y tabiques los que tienen la particularidad de ser mallas metálicas.
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Fig 2: Empire State Buildin•1931
•William Lamb
•102 Niveles
•443m de altura
Porticos + Tabiques Metálicos
Por último, en también en Nueva York, se destaca la torre Citycorp (fig 3,4,5 y65) que tiene
un sistema de estabilización interesante y es el primer edificio considerado “inteligente”. Sus
detalles constructivos surgen de un desafío implícito en las características de la cesión del
espacio En efecto una comunidad evangélica le donó a la corporación el espacio aéreo
sobre su iglesia, con la condición que dicha iglesia no dejara de destacarse. Entonces
deberían construirla sobre la capilla. Personalmente no me hubiera animado nunca a hacer
estas columnas de 9 pisos de altura y ubicarlas dónde están en la parte central de las vigas.
Figura 4
Figura 5
Figs: 3,4, 5 y 6: Citicorp Center
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1978
Hugh Stubbins & Asociados
59 niveles
279 m de altura
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Pero la torre fue construida con un sistema sistema de reticulado (fig: 7) que toma la carga
de los extremos y las lleva a las columnas centrales. Al construirla se observó que la misma
oscilaba bastante en sus pisos altos, sobre todo por la acción de los fuertes vientos
actuantes en NY. No se iba a caer, pero la situación de disconfort en esos pisos era
bastante desagradable.
Figura 7
Para estabilizarla se le adicionó un gran peso un volumen importante de hormigón, con un
sistema de rodillos comandados por una computadora, que ubicado debajo de su colector
solar, podría moverse según la dirección desde dónde soplara el viento y así estabilizarla.
(fig:8)
Figura 8
4
En Chicago, ciudad que se caracteriza por sus fuertes sismos y vientos, encontramos El
Hancock Center (Fig.9) construido en 1969 con 443 metros de altura. Toda la fachada de
este edificio es una estructura de reticulado metálico con diagonales que toman varios pisos
y que actúan como columnas inclinadas tomando cargas.(Fig 10)
Figura 9 :
Hancock Center
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1.969
Bruce Graham (SOM)
443 metros de altura
Figura 10
En el continente Asiático adelantándonos 30 años en el tiempo llegamos a Kuala Lumpur,
en Malasia, donde se encuentran las torres Petronás, (fig 11) construidas por Cesar Pelli en
1998, de 452m de altura y que fueron, hasta hace unos años, los edificios más altos del
mundo. Como puede observarse en su planta circular y en su elevación, aquí también está
presente el concepto de fachada estructural: responden a la tipología llamada de tubo en
tubo, un tubo exterior que conforma la fachada y uno interior que contiene al núcleo de
servicios; esta es una buena solución para edificios que tengan una altura mayor de 50
niveles.
Figura 11: Torres Petronas
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1998
Cesar Pelli
88 niveles
452 m de altura
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En Shangai, China, una ciudad que ha tenido un crecimiento impresionante en las últimas
década
Figura 12: Banco de China
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I. M. Pey
1990
72 Niveles
367m de altura
Es de destacar el Banco de China, construido por Pey en 1990. (Fig 12)Esta estructura es
muy interesante. Es una tipología de reticulado, su fachada es estructural; sus principales
apoyos están en 4 importantes columnas que se encuentran en las aristas de un prisma
mientras que las diagonales que toman varios pisos, son las encargadas de enviar las
cargas horizontales y gravitacionales hacia ellas.
En el esquema se puede apreciar en la perspectiva el camino de las fuerzas transmitidas
por las diagonales hacia las aristas.(Fig 13) Aquí como en el Hancock Center las diagonales
se convierten en un importante sistema de transmisión de cargas.
Figura 13: Banco de China
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Siguiendo con la tipología de Reticulados en fachadas y adelantándonos en el tiempo,
llegamos a Londres en el siglo XXI. Londres actualmente es la sede de un sorprendente
edificio: la torre Swiss Re, construida en el 2004 por Norman Foster y Ken Shuttleworth con
140m de altura.(Fig 14) El edificio refleja el compromiso de la compañía a la sostenibilidad
del medio ambiente. Su tipología estructural responde también a un importante reticulado
helicoidal en la fachada, respondiendo a plantas circulares de diferente diámetro.
Figura 14: Torre Swiss Re
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2004
N. Foster-Ken Shuttleworth
40 Niveles
180m de altura
En Frankfurt, Alemania, se destaca el edificio del Commerzbank, también construido por
Foster en 1997, de 229 m de altura. (Fig 15) El Commerzbank responde a la tipología
llamada Macropórticos y es interesante analizar la forma triangular de su planta y su
manera de sustentarse: el edificio se apoya en 3 puntos, que hacen las veces de
gigantescos pies de pórticos, y que albergan servicios.
Figura 15: Commerzbank
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1997
Norman Foster
229m de altura
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Siguiendo con este recorrido ponemos ahora la atención en Dubai, Emiratos Árabes, con su
impresionante crecimiento de estos años.
En Dubai nos encontramos con el hotel Burj al Arab,(Fig 16) construido en 1999, que con
sus 320 metros es el más alto del mundo. Este edificio es considerado como con un
exoesqueleto, es decir, el esqueleto externo de forma curva es el que le da su estabilidad.
Figura 16: Hotel Burj Al Arab
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1999
Tom Wrigth
320 m de altura
60 niveles
Terminamos nuestro recorrido llegando finalmente a nuestro país, en la Ciudad de Buenos
Aires
Aquí merece destacarse el edificio Kavanagh, ( fig 17)con sus 120 m de altura, construido
por Sanchez Lagos y De la Torre. Su tipología de combinación de pórticos y tabiques
realizada en hormigón armado lo hizo el edificio más alto de Latinoamérica por muchos
años.
Figura 17: Edificio Kavanagh
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1936
Sanchez, Lagos y De la Torre
30 niveles
120 m de altura
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Por último, encontramos la torre Prourbán, un ícono de Buenos Aires, con 120m de altura y
claramente un edificio de fachada estructural del tipo de tubo en tubo con planta circular
Figura 17: Torre Prourban
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1979
M SG S S S, arqtos
28 niveles
120mts de altura
Este recorrido nos ha permitido analizar con ejemplos concretos, algunas las principales
tipologías estructurales utilizadas en edificios en altura. Las de planta son: tabiques,
tabiques y pórticos, tubo calado, combinaciones de tubo y tabiques, tubo más pórticos, y
haz de tubos y las tipologías de fachadas son: paredes aporticadas y paredes reticuladas.
Todas las tipologías descriptas son apropiadas para resistir todas las cargas horizontales
de Viento y Sismo. Si bien, ambos son consideradas cargas horizontales, cabe destacar las
siguientes diferencias: el viento es una fuerza determinada básicamente por la superficie
expuesta y el sismo está determinada por las masas en juego.
El viento es una carga dinámica, se mueve a cierta velocidad y en cierta dirección,
ejerciendo presión sobre las fachadas de los edificios. La presión dinámica producida por el
viento es máxima en el centro de la fachada por simetría, este se llama punto de
obstrucción y va disminuyendo en los bordes. A los efectos del cálculo de la carga de viento,
se la considera como una carga en dirección horizontal y aplicada en el plano medio de la
fachada. (fig 18 )
(-)
Figura 18
9
0º
W
(+)
(-)
9
El sismo también es una carga dinámica, pero difiere del viento en que al estar determinada por
las masas en juego, su punto de aplicación es en el centro de masas del edificio ( Figura 19)
Centro de gravedad
Acción Sísmica
Peso Propio
Figura 19
Tanto el viento como el sismo al encontrarse con la construcción producen un Momento
Volcador, que aumenta : el viento con la velocidad y la superficie expuesta (a mayor
velocidad de viento y más superficie , mayor momento volcador) y el sismo con la intensidad
del mismo y el peso del edificio,
En estas condiciones el edificio se comporta como una ménsula empotrada en el suelo, por
lo tanto el edificio es una ménsula sometida a flexión.(fig 20)
Me= G . a
G
W
Mv= W . h
Me
Mv
h
Me >1,5
Mv
Figura 20
a
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Estas cargas producen sobre la planta de un edificio un efecto de rotrotraslación ya que el
empuje tiende a trasladarla, y además hacerla rotar
Si se tienen estas cargas VIENTO Y SISMO en cada nivel y las multiplicamos por la
distancia desde un piso considerado hasta el nivel de fundaciones nos darán como
resultado el momento volcador. EL MOMENTO VOLCADOR TOTAL es la sumatoria de
cada una de las cargas por su distancia al plano de fundaciones (fig 21)
12 m
2.80 m
+10.80
+8.00
Figura 21
+
+0.005
.
-5.00
2
0
2º
2.80 m
2º
4m
1º
2.60 m
P.B
20 m
El momento estabilizador límite, vendrá dado por el peso del edificio en su estado más
desfavorable (descargado) por la distancia al plano más alejado de la fundación. (fig 22)
G
W
ME= G . d
A
d
Me
Figura 22
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La verificación al volcamiento resulta de dividir el momento estabilizador por el volcador de tal
manera que cociente dé igual o mayor a 1,5. De esta manera estamos dentro de los rangos de
la seguridad y el edificio está estabilizado aunque el viento aumente su presión.
Me
>1,5
Mv
Hasta aquí hemos establecido la problemática de estas solicitaciones y los efectos que ellas
generan en los edificios alto, y brevemente el cálculo necesario para su estabilización. Sin
embargo, creo que uds coincidirán conmigo en la arquitectura se resuelve en la tríada
Diseño, construcción y Tecnología. Si bien el desarrollo de la ingeniería y la informática han
avanzado en la determinación de cálculos cada vez más precisos para determinar la acción
de los vientos y asegurar la seguridad de los edificios, también es cierto que la tecnología
avanza cada vez más en la resolución de los problemas planteados y el diseño propone
soluciones de alta creatividad a los problemas constructivos poniendo en juego los nuevos
desarrollos tecnológicos. Por eso, quiero finalizar esta ponencia con algunos ejemplos en
los que la tríada -diseño- tecnología- construcción han resuelto en forma eficaz los
problemas que se fueron planteando:
El primer ejemplo es el edificio Trans American Pyramid en Chicago, un ícono de esta
ciudad. Vale la pena observar detenidamente sus características: aquí se ha optado por un
diseño piramidal, utilizando en sus fachadas el triángulo que geométricamente es la figura
más indeformable, y además utilizando la forma triangular, la parte superior del edificio tiene
menos superficie contacto con el viento y su centro de masas va a estar ubicado en su
tercio inferior, lo que lo hace un edificio muy efectivo para resistir cargas como el viento o el
sismo. En este ejemplo queda claro la importancia del conocimiento y la elección de la
geometría adecuadas en el diseño de los edificios para llegar a optimizar su resistencia
frente a las cargas dinámicas, que es la problemática de los edificios en
Figura 23: Trans American
Pyramid
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•
1972
William L Pereira
48 Niveles
260 m de altura
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Los otros dos edificios que señalo como ejemplo son el Sears de Chicago y por último la torre
Burj Dubai. El edificio Sears es de una tipología estructural de haz de tubos, que como ejemplo
la he reservado para el final: aquí cada módulo trabaja de manera independiente y se pueden
suprimir sin que esto afecte a la estructura: si consideramos al momento volcador como el
producto de una carga que depende de la superficie de contacto con su fachada, por su
distancia al nivel de fundaciones, vemos como a la vez que aumenta la distancia a las
fundaciones disminuye la superficie de contacto en la fachada, porque comenzando con 9
módulos tubulares la misma finaliza con 2. (Fif.24)
Figura 24 : Torre Sears
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Bruce Graham (SOM)
442 m de altura
1974
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En el Burj Dubai, se establece la misma premisa de diseño, creo que no podría dejar de
nombrarlo, porque hasta ahora es el más alto del mundo en tecnología de hormigón armado,
además construido en pleno desierto, con temperaturas extremas, las que obligan a volcar
el hormigón de noche y con hielo en su mezcla, vemos como a medida que se eleva en
altura, disminuyen sus dimensiones en planta. (Fig 25)
Figura 25 Edificio Burj Dubai
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2004 - 2009
Skidmore, Owins and Merrill
604 m de altura
159 niveles
Quiero destacar, que en estos edificios, el diseñador logró con sencillas decisiones de
diseño, pero que demuestran el conocimiento del trabajo estructural y de los problemas que
la presencia de cargas como el viento planteaban, dar belleza y esbeltez a sus obras.
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Bibliografía
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La Problemática del Diseño en los edificios en altura.
Ponencia presentada por la arqta. Cecilia Cei en las 3ras.Jornadas
Internacionales de Matemática y Diseño. La Plata. 2008
Engineering for Arquitecture Robert E Fischer –Ed. McGraw –
Hill Book Company. 1980
Techniques of successful practice for architects and engineers.
William B. Foxhall. Ed. MacGraw- Hill Book Company 1980
Diseño Estructural en Arquitectura. Salvadori y Levy.
Ed.CECSA Bs.As.
High- Rise Building Structures. W.Scheuller. John Willey &
sons.
Burj Dubai Official Website
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