Los edificios de concretoganan altura

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LOS 100 EDIFICIOS MAS ALTOS

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Figura 1.

En la antigüedad, al hablar de edificios altosinmediatamente los asociábamos con un;

estructura en acero. Actualmente, esto no sók.no es cierto, sino que se ha revertido est;

tendencia. En el presente trabajo se presentarárlas razones de esta aseveración y los beneficio!

de utilizar el concreto como el material par;la estructura principal de los edificios alto!

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*Dr. Roberto Stark

E In os primeros años de l d década de1970, se dieron cambios muy importdn-tes para l d industria del concreto, loscudles permitieron que éste cobrad tdl

importancia que se lograra en forma inme-

diata l d construcción de edificios con eldoble de altura de los que había hastaese momento, pasando de alturas de1 50 d 300 metros (Figura 1 ). En esteartículo se presenta& los diferentes sis-temas estructurdles, así como Id5 ventdjas

y desventajas de utilizar und estructurd dedcero 0 concreto como material principdlj

por último, se presentarán dos ejemplosde los edificios más altos del mundo enlos que se util izó und estructura de con-creto reforzado.

SISTEMAS ESTRUCTURALES

El desarrollo de diferentes esquemas deestructuración ha permitido el poder di-señar y construir edificios cada día másaltos. Este factor, aunado con el mejord-miento de lds resistencia que actualmentese pueden obtener en los concretos Iid-

mados de “alta resistencia” y el desarrolloen la técnicas de diseño, ha logrado queen los últimos 2 5 dños se pueda construir* ingen ie ro Consu l to r .

Construcclbn y Tecnología

edIfIcIos de concreto de 125 niveles ycon alturas del orden de los 500 metros

En i d flgurd 2 se tlustrdn los diferentessistemas estructurales utlhzddos en ld dc-

tuallddd, dsociddos con su correspon-diente rdnyo de altura A contlnudclónse describe cddd uno de ellos

Interacción marco-muro

Este slstemd permite lograr estructurdsde hdstd 70 niveles, en él, l d función delos muros es importdnte pdrd controidr los

despldzdmientos Idterdles, sobre todo enlos DISOS Interiores

Tubo

El número de PISOS que se pueden di-cdnzdr con este slstemd es de 7 5, ddem&de que se obtiene und distnbuclón decdrgds uniforme en Ids columnds extremds

o de fdchddd El comportamlento yeneralde l d estructurd es de un gran cdntkerFIyJId 3

Tubo en tubo

Aunque este sistema es und varldnte delantenor,‘con éste se logran estructuras dedproxlmdddmente 90 nweles El compor-tamiento de este slstemd se bdsd no sóloen lds columna y trabes extremds, sino enu n subslstema estructural y und acciónconluntd entre los diferentes slstemastubo.

Módulos de tubo

Este slstemd nos permute combmar -me-dldnte l d geometríd de Id estructurd- so-luciones que dan como resultado estruc-tures de cera de los 1 OO niveles.

Tubo con contraventeoen la fachada

Sistema Estructural

ura 2. Alturas de sistemas estructurales en concreto IF~guc Dcvclopcd by M Ehmm,

Figtcen

Ara 3. Edificio en Chicago, “One Magnifi- Figura 4. Edificio ubicado en el 444 Onteriet Mile”. P lace, Chicago.

ElIO!enesi

Y’

concreto ha ganado mucho terreno enc últimos años hasta convertirse, hoy en día,1 el material más utilizado como elementotructural en edificios entre 40 y 70 nivelesjna opción para edificios de hasta 7.30 niveles

Como yd se ha mencionado, und solu-ción estructurdl que permitd restringir losdesplazamtentos, permite disminuir losefectos P - A. Este sistema es muy efi-

9

Figuras 5. Edificio “Miglin Beitter”

_ Muro

- Vigas de

/

t r a n s f e r e n c i a

- Columnasex te r io res

-+-P-JI+-+ -ZNJ Compresión

-t

00// 00/

-

Figura 6. Sistema convencional de vigas detransferecnia y acción bajo carga lateral.

1 0

ciente pard este fin, obteniéndose edifi-

cias cercdnos d los 120 niveles. Figura 4.

Megacolumnas con murosde cortante

Con este sistema, lo último en estruc-

turación, se provee al edificio de colum-

nds con und gran sección y un muro cen-

trdl, que, en conjunto, proporcionan und

solución que sdlorepdsd los ciento veinti-

cinco niveles. Fig. 5

Los sistemas antes mencionados utilizan

vigas de transferencia entre ld zond cen-

trdl, formada por los muros de los servicios

de concreto, y lds columnas extremas

(Fis. 6). Las vigas de transferencia unen

los elementos dntes mencionados en di-

ferentes niveles, creando und pdrticipd-

ción de lds columnas extremas d ld resis-

tencia lateral del sistema. Asimismo, se

logrd un aumento en ld rigidez lateral de

un 30 d un 40 por ciento y una reduc-

ción en el momento de volteo.

Estudios realizados (ref. 2) muestran

que ld lOCdliZdCi6n óptima de e$tdS VigdS

de transferencia es ‘d 2/3 partes de la

altura total del edificio, y el comporta-

miento de ld estructura mejora en forma

proporcional al número de vigas de trans-

ferencia que se coloqueni sin embargo,

después de tres niveles, el beneficio se

vuelve marginal, como se muestra en las

figuras 7,8 y 9.

CONCRETOS DEALTA RESISTENCIA

Se consideró primordial asignar und sec-

ción para el tema de concreto de alta

resistencia.

El desdrrollo de los edificios altos de

concreto no se hubiera logrado sin ld sis-

tematización de nueva tecnologías que

permiten aumentar en forma importante Id

resistencia d ld compresión del concreto.

En los años setenta, ld obtención de con-

cretos de 300 d 400 ks/cm* erd as¡

und misión imposible, pero, en nuestros

tiempos, en el campo de los edificios altos

es muy común diseñar con concretos cu-

yas resistencids oscilan entre 800 y

1200 kdcm*.

El dumento en ld resistencia d ld com-

presión del concreto no sólo mejora ld

resistencia de los elementos, también dis-

minuye el acortamiento debido d ld con-

tracción de Id longitud de los elementos

verticales y, con ello, el problema de

acortamiento diferencial entre éstos últi-

mos. Al dumentar ld resistencia d ld com-

presión del concreto, tambidn aumenta el

módulo de elasticidad, por lo tanto dis-

minuyen los desplazamientos laterdles

bajo fuerza de viento o sismo.

El utilizar comretos de alta resistencia

nos permite tener elementos con porcen-

tajes de acero cercdnos dl mínimo, lo que

redunda en un ahorro en acero de refuer-

zo y facilita el colado de los elementos y

de sus conexiones.

Además, el uso de concretos de alta

resistencia da como resultado elementos

con dimensiones menores y en el aso de

lds columnas, un 6red rentable mayor.

CONSIDERACIONES ESPECIALES

Por ld magnitud de estas @tructurds,

algunos efectos que en edificios de poca

hura son despreciables, se convierten en

importantes y por lo tanto deben .eva-

ludrse para evitar fallas. Entre estos efectos

sobressalen los siguientes:

Efectos P-A

Es muy importante controlar los despla-

zamientos laterales y mantenerlos d un ni-

vel bajo, de lo contrario tendremos mo-

mentos flexionantes adicionales de consi-

deración que pueden volver incosteable

el proyecto.

De acuerdo con ld evolución de los

sistemas estructurales, ld rigidez lateral es

ld propiedad dinámica que debemos du-mentar para logrdr lo arriba descrito.

Acortamiento diferencialde columnas

Por su ndturdlezd, el concreto sufre cdm-bies volumktricos que en edificios mayo-res de 40 pisos, pueden representar unproblema si no se les evdlúd ddecuddd-mente.

El efecto del cambio volumétrico generaproblemas como pisos desnivelados, malfuncionamiento del equipo mecánico yfuerza adicionales en los elementos deunión entre columnas.

Como consecuencia de lo anterior segenera agrietamiento en muros divisorios,agrietamiento en dcdbddos, rotura de ins-tdldC¡OneS )’ fdlldS eStrUCtUrdkS e n IdS trd-

bes.

La contracción de lds columna se debeprincipalmente dl acortamiento elástico, dId contracción y dl rddjdmiento de losmateriales.

Los parámetros principales que influyenen Id deformación por contracción y re-lajamiento son LS características del ce-mento y ld cantidad, así como Ids Cdrdc-terísticas de los agregados.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DELAS ESTRUCTURAS DECONCRETO FRENTEA LAS DE ACERO

Como se mencionó dl principio, el con-creto ha ganado mucho terreno en losúltimos dños hasta convertirse, hoy día,en el material más utilizado como elemen-to estructural en edificios entre 40 y 70niveles y und opción para edificios dehasta 1 30 niveles.

La pregunta que surge es Id de cono-cer lds cdusds que han hecho esto po-sible y cuAles son lds que limitan estecrecimiento con respecto d Ids estruc-turas de acero. Entre lds ventajas de lds

estructuras de concreto podemos men-cionar:

Gran rigidez lateral

Las estructuras de concreto -especcial-mente Ids que son coladas en sitio- tienensecciones mdsivds en comparación Eon suequivalente en estructuras de acero, con-siderando el criterio de diseño por ressis-tencid.

En general, lds estructuras de concretotienen Id suficiente rigidez para satisfacerlos criterios de despktzamiento lateral deentrepiso cuando son dimensionadas porlos criterios de resistenciai d su vez, Idsestructuras metdlicds necesitan aumentarsus secciones para satisfacer este criterio.

Mayor masa

Contrario d lo que se puedda pensar, eltener mayor mdsd es: por lo generdl, unbeneficio en ld economia global de ldestructura.

Pdrd edd’f’ d d.I 100s e ~mensiones y carga com-parables, ld rnw de Ids estructuras de con-creto es de 50 d 70 por ciento mayor quesus similares de acero.

En consecuencia, lds fuerzas sísmicas yld cimentación se incrementa& sin embar-go, en general para el caso de los edificiosditOS, eStOS ‘fdCtOreS comparados con Id

condición de lds fuerza generadas porviento no son tan representativos, dun-que en cada aso deberán analizarse to-das lds posibles alternativas de soluciónestructural y en base d esto determinar ldmejor solución.

La ventaja principal de utilizar con-creto como material de ld estructura esld de reducir ld aceleración lateral porefectos de viento. Al aumentar ld masa,aumenta el periodo y disminuyen Idsfuerzds por viento, aumentando ld co-modidad de los ocupantes de los edi-ficios.

OO

so

40

30

20

1 0

- S N- S N 0 1

“6Desplazamiento lateral (mm)

Desplazamiento de un edificio de 60 niveles

.-- S N 0 10, ( , , , ,0.000 0.004 0.008 0 .

Relación desplazamiento de entrepisoRelaci6n de desplazamientos de un edificio de 64 nivckr

-3O-IliWSI- so- nive es

1 1 1 11 0 20

Número de vigas de transferencia

Momentos de volteo

Iras 7, 8 y 9 respectivamente.

l l

Figura 10. Elevación. Torres Kuala-Lumpur

En el aso específico de ld torre Sears

(und estructura de acero) en Chicago,

durante los días de fuerte viento pr6cti-

camente produce mdlestar d los que ld-

boran en los pisos supenores; para con-

jurar este problema se debe aumentar ld

mdsd, con el consiguiente aumento en el

costo de ld estructura.

Amortiguamiento

Es bien sdbido que la estructuras de

concreto generan un mayor dmortigud-

miento que lds estructuras de acero.

Para los movimientos laterales de consi-

deración que se presentan en condiciones

de tormentd, los valores de amorti-

guamiento que se utilizan son del uno

por ciento, en marcos de acero, y del

dos por ciento, en marcos de concre-

to.

En este rango de amortiguamiento,

prácticamente ld respuesta del edificio es

directamente proporcional d ld vdridción

del amortiguamiento, por lo cudi esta di-

ferencia da como resultado und mayor

economía en las estructuras de concreto

y mayor comodidad.

En pruebas redlizddds con el túnel de

viento, se ha comprobado que para ob-

tener un nivel de confort aceptable en

und estructura de acero, éstd debe contar

con ld rigidez lateral equivalente d und

estructura de concreto.

Para conseguir lo antes mencionado, se

necesitaría aumenta ld rigidez o proveer

d ld estructura de acero de dispositivos

de amortiguamiento externo, como en lds

torres gemelas en Nueva York, y en cuyo

CdSO el Costo Se ve dfectado SignifiCdtiVd-

mente.

Rigidez de la estructura

En lds estructuras de concreto, dl satis-

facer los requisitos por resistencid prácti-

camente se está cumpliendo de manera

automática con lds condiciones de rigidez

lateral.

En el aso del acero, por lo general se

deben aumentar ld secciones estimada, uti-

lizando ei criterio por resistencia pdrd cumplir

con el desplazamiento Idterdl permitido.

Simplificación delos métodos constructivos

Las estructuras de concreto nos ofrecen

und gran facilidad en sus conexiones y, si

se opta por coldr primero Id estructura e

ir dvdnzdndo posteriormente con lds bsds

de piso, los colados se simplifican nota-

blemente.

9,

Figura ll. Piso típico

J

Figura lZ.Planta donde se muestra la locali-zación de las vigas de transferencia.

Reducción de lasdimensiones de los elementos

Antiguamente, este aspecto constituía

und desventaja notable para lds estructu-

ra de concretoi mds, hoy día, con el uso

de concreto de alta resistencia se pueden

lograr reducciones notables en este cdm-

po y no sólo se aumenta ld reiistencia de

los elementos, sino también su rigidez, ya

que el módulo de elasticidad cambia con

und relación cdsi proporcional. En aso

contrdrlo, el módulo de elasticidad deldcero estructural no varía con Id resistencia

d ld fhencia del material.

EJEMPLOS DE EDIFICIOSALTOS DE CONCRETO

E t I df In re os e I ICIOS d tos que dctudlmente

se están construyendo o diseñando po-demos mencionar los siguientes:

Las Torres Kuala-Lumpur

En la hgurds 10,l 1 y 12 se muestranhs características de Id estructura. Se tra-ta, en esenad, de und estructura de 95

niveles con und altura de 452 m. Suestructura es d base de elementos de con-creto que forman un tubo exterior y und Figura 13. Piso típico

zond rígida central integrada por und seriede muros en l d zona de servios, los dosslstemas estructurales están unidos por vi-gas de transferencia.

Torre Miglin Beitler

Esta torre (Fis. 6) será el edificio másalto del mundo, con und altura total de609 m Su estructuración es d base demegdcolumnds, conectadas por mediodel diafragma de PISO d un cubo centralde servicios compuesto de muros de cor-tante. (Fis. 1 3 y 1 4). En este edificiose Uthzaron tres niveles de viga de trans-ferencia (Flg. 1 5). Como se indicó dn-terlormente, Id respuestd de Id estructurautilizando tres o más vigas de transferenciaes cdsl Igudl; sin embargo, en ocasionesse utiliza un mayor número de niveles con Id

finalidad de tener más redunddncid en eI

sistema y un menor porcentaje de acero.1

RECONOCIMIENTOS_.

Figura 14. Isométrico de la Torre Miglin -Beitler.

&&l Cortante

El autor agradece la ayuda que e l Ins t i tu to Mexica-no de l Cemento y de l Concreto , A.C. le br indó parala rea l i zac ión de l p resente t raba jo .

Figura 15. Localización de las vigas de trans-ferencia.

REFERENCIAS1. Tal/ Building Structures: A World View. Councilon Tall Buildings and Urban Habitat, Lehigh Uni-vers i ty . Proceed ings o f 67th Regiona l Conference.April 15 - l 8 , 1996 , Ch icago , I l l i no i s .2. Xiaoxuan Qi, Shuang Chen. Design Issues Asso-ciated with Outriggers in Concrete High Rise Buil-dings. Pág. 255 - 264. Proceedingsof 67th RegionalConference, Abr i l 15- l 8 , 1996, Ch icago, Illinois.O