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ESTRUCTURAS III Tema: LAS PROBLEMÁTICAS DE DISEÑO EN LOS EDIFICIOS EN ALTURA Ing. José María Canciani Arqta. Cecilia Cei 1 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. 2 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 1978 Hugh Stubbins & Asociados 59 niveles 279 m de altura 3 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 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 1998 Cesar Pelli 88 niveles 452 m de altura 5 En Shangai, China, una ciudad que ha tenido un crecimiento impresionante en las últimas década Figura 12: Banco de China 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 6 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 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 1997 Norman Foster 229m de altura 7 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 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 • • • • 1936 Sanchez, Lagos y De la Torre 30 niveles 120 m de altura 8 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 • • • • 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 10 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 11 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 • • • • 1972 William L Pereira 48 Niveles 260 m de altura 12 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 • • • Bruce Graham (SOM) 442 m de altura 1974 13 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 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. 14 Bibliografía • • • • • • 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 15