Capítulo 10: Estructuras de altura

Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Definición Breve historia Nociones Sistema estructural básico Cargas dinámicas Sistema estructural básico reforzado Principios de diseño de edificios de altura 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales generales Sistemas estructurales específicos Capítulo 10: Estructuras de altura Duración presentación: 60 minutos

10.b.Tipos de estructuras de altura
10.a.Introducción Definición 10.b.Tipos de estructuras de altura Aunque la definición de edificio de altura es variable dependiendo de la época y el lugar del edificio, o de su impacto en el perfil de una ciudad, consideraremos como edificios de altura aquellos que exceden en su última planta los 22 metros de altura, lo cual tiene relación tanto con consideraciones estructurales como aquellas dictadas por la protección contra el fuego y las circulaciones verticales de escape. United Steelhorkers (1963) Pittsburg Bank of China (1990) Hong Kong Century Tower (1991) Tokio The New York Times (2007) New York Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Una primera construcción realizada completamente con un esqueleto de hierro es la fábrica de chocolates en Noisel de Jules Saulnier de 1872, que puede ser considerada una interpretación de un entramado de madera en hierro. El esqueleto de las paredes exteriores descansa sobre un sistemas de altas vigas de cajón perimetrales que transmiten todas las solicitaciones a las cuatro pilas (machones que sostienen dos arcos contiguos o los tramos metálicos de un puente) No hay paredes divisorias que arriostren el edificio y las paredes de las testeras están en voladizo así que no pueden arriostrarlo. Para ello, se planteó como solución el que la fachada fuera un elemento rígido en sí, mediante una retícula romboidal. Transversalmente, las vigas se unieron a los pilares mediante cartelas. De este modo, la realización de un esqueleto completo en hierro fue posible y racional solo con el uso de estructuras remachados de hierro forjado. Este edificio anticipa algunos de los elementos estructurales de la moderna construcción con esqueletos de acero como las vigas cajón, los arriostramientos en la fachada o el marco rígido, todos elementos que permitirán el desarrollo de los futuros edificios de altura. El hierro fundido se inició y desarrolló como material de construcción en Europa, sin embargo, las posibilidades del acero se hicieron realidad en Estados Unidos. El desarrollo de la industria del acero con nuevos y más perfeccionados sistemas de producción, permitió un considerable aumento en la resistencia del material dando como resultado estructuras con luces mayores y que podían soportar mayores cargas. Fábrica de chocolates de Noisiel-sur-Marne ( ) Jules Saulnier Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Pese a que hubo experiencias en Europa con estructuras completas de hierro o acero, la difusión de los edificios de varios pisos tiene lugar en Estados Unidos. El repentino aumento de los proyectos de edificación en los Estados Unidos en la segunda mitad del siglo XIX permitió la instalación de plantas de laminación que producían grandes cantidades de perfiles normalizados. La influencia del acero en el diseño arquitectónico se puede seguir en una serie de edificios, principalmente rascacielos construidos en EEUU entre 1870 y Las estructuras de acero fueron un claro impulso para construir cada vez mas alto, junto con los comparativamente menos prejuicios que habían en EEUU respecto de Europa y el uso de referencias históricas. Sólo con la construcción en acero fue posible satisfacer las exigencias de un máximo aprovechamiento de los terrenos y de las superficies de los pisos en un ritmo de construcción acelerado. Aunque no es el primero de los edificios de altura en acero, en el edificio Unity de Warren, podemos ver una clara expresión de los principios antes expuestos, eso si, siempre con una reducida visibilidad de la presencia del esqueleto de acero en el edificio terminado. Edificio Unity, Chicago (1892) Clinton Warren Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura El centro de la construcción en altura con estructura de acero fue Chicago, metrópolis comercial e industrial. El incendio de 1871 que destruyó casi todo el centro de la ciudad, supuso una oportunidad de empezar de nuevo con las exigencias de una construcción rápida y resistente a los incendios. El primer edificio construido completamente en acero fue el de la firma Home Insurance, proyectado por William Le Baron Jenney, con 12 plantas. Pese a estar recubierto de detalles clásicos pone de manifiesto su forma de caja y retícula estructural de acero. A partir del sexto piso se utilizaron perfiles de acero y conexiones remachadas. Los revestimientos antincendios de la estructura fueron prefabricados en terracota. Home Insurance, Chicago (1884) William Le Baron Jenney Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura William Le Baron para el almacén Fair finalizado en 1891 llegó a definir un sistema que fue pionero para su época. El detalle de la protección contra el fuego de la estructura de acero y la construcción del suelo llegó a ser un detalle tipo de la construcción en acero para la mayoría de los edificios de oficinas de varias plantas construidos en Chicago entre 1883 y 1900. Fair Store, Chicago (1891) William Le Baron Jenney Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Doce años antes el mismo Le Baron había proyectado el edificio First Leiter. El edificio tenía inicialmente 5 plantas a las cuales se le sumaron 2 mas. Este tenía columnas de hierro fundido, vigas maestras de hierro, viguetas de madera y las pilastras de la fachada en albañilería. Como se ve en la planta, las circulaciones y servicios son desplazados hacia el perímetro, permitiendo una libertad en su uso. Es destacable la esbeltez de los pilares tanto interiores como perimetrales, permitiendo la aparición de grandes ventanales hacia el exterior. Desde un principio se le dio valor a que las plantas de los edificios fueran lo mas libres posibles, permitiendo un cambio de uso. Es así como edificios que fueron construidos en un principio como almacenes, después pasaron a ser oficinas, o al contrario. También la posibilidad de ampliaciones de pisos fueron planificadas y ejecutadas, como en el caso antes expuesto. Edificio First Leiter, Chicago (1879) William Le Baron Jenney Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Junto a los problemas puramente estructurales que planteaban los edificios en altura se tuvieron que resolver problemas como el desplazamiento vertical de las personas y las instalaciones. Elisha Graves Otis fue el primero del mundo que comenzó a fabricar ascensores en En 1854 Otis exhibió su invento más importante, un mecanismo de seguridad automático para parar en caso de que los cables se rompieran. En el año 1857, instaló el primer ascensor de pasajeros en los grandes almacenes Haughwout, de 5 pisos, en Nueva York, que funcionaba con una máquina de vapor. Este invento facilitó la construcción de edificios de altura. Otis demostrando la seguridad de sus ascensores (1854) Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura A finales del siglo XIX aun se seguían construyendo en Chicago edificios de altura con estructura de muros de carga. Se pueden comparar los resultados entre el último edificio con muros de carga de 1891, el edificio Monadnock de 16 plantas y el edificio Reliance de 1894 y 15 plantas, ambos obra de la misma oficina de arquitectura Burnham y Root. Eso se verá en detalle en la próxima diapositiva. El edificio Reliance, al igual que el First Leiter fue proyectado inicialmente de 5 plantas a las cuales se le agregaron posteriormente otras 10. AL igual que Paxton había logrado en el Cristal Palace la concepción de una forma modular que por adiciones horizontales se podía extender de acuerdo a las necesidades, en el edificio Reliance se logró también este desarrollo progresivo compuesto por la superposición de unidades iguales. En la figura del centro un corte del edificio Reliance donde se muestra la relación entre el cerramiento de terracota, el antepecho de albañilería y la viga en voladizo de acero. Edificio Monadnock, Chicago (1891) Burnham y Root Edificio Reliance, Chicago (1894) Burnham y Root Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Si comparamos las plantas podremos ver que el edificio Monadnock es una mole maciza con muros de 183 centímetros en su base, perforados por las ventanas, con muros transversales de rigidización, en cambio, en el edificio Reliance la estructura se convierte en una malla en la cual se pueden disponer libremente los tabiques divisorios y la fachada en una cuadricula ligera de vidrio y terracota. Edificio Monadnock, Chicago (1891) Burnham y Root Edificio Reliance, Chicago (1894) Burnham y Root Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura El Old Colony Building (1894), construido en el mismo período en Chicago, contiene un interesante desarrollo estructural con sus portales interiores que describen un perfil abovedado el cual garantiza la estabilidad del edificio contra el empuje del viento. Edificio Old Colony, Chicago (1894) Holabird & Roche Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura En general, los rascacielos de Nueva York, en cuanto a concepto y construcción, separan la expresión exterior de la construcción interior. La ornamentación de corte histórico que presentan las fachadas, da cuenta de un giro hacia el eclecticismo historicista que comienza a tomar toda la arquitectura de los rascacielos y la cual persistirá durante unos treinta años, repitiéndose el empleo de todos los estilos de épocas anteriores en la arquitectura de rascacielos. Así surgen derivaciones estilísticas como la torre del Madison Square Garden (1890) una copia alargada de la Giralda de la Catedral de Sevilla o el edificio Woolworth (235 metros, 55 pisos) un derivado de la torre de una iglesia gótica francesa tras el cual queda oculto el esqueleto de marcos de acero. Edificio Madison Square Garden , New York (1890) Stanford White Edificio Woolworth, New York (1913) Cass Gilbert Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Con el cambio de centro económico de Chicago a Nueva York también cambia el centro de las innovaciones en rascacielos y los arquitectos a cargo de estas innovaciones. Además, también se produjo un cambio en la legislación de Chicago (1893), limitando la altura de los edificios a 40 metros con lo que perdió su liderazgo en la construcción de altura. Louis Sullivan se puede considerar el primer teórico de la estética de los edificios de altura, representada por el principio de “la forma sigue a la función” . En el edificio Guaranty (1895) Sullivan acentúa y hace legible la verticalidad y la escala del edificio, subdividiéndolo en las tres zonas: la base, los pilares y la cornisa, homologable a las tres partes de una columna clásica: el basamento, el fuste y el capitel, un principio que persiste hasta el día de hoy. La estructura de este edificio es de marcos de acero con revestimientos en terracota. Edificio Guaranty, Buffalo (1895) Louis Sullivan Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Una segunda época de los rascacielos, con posterioridad al período ecléctico historicista se inicia en los años 20’ caracterizados por edificios como el Chrysler (313 metros ) y el Empire State (383 metros) en los cuales cada vez se fortalece más la expresión de la estructura en detrimento de la decoración que tiende a desaparecer. Edificio Chrysler, New York (1930) William van Allen Edificio Empire State, New York (1931) Schreve, Lamb y Harmon Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Antes de la Segunda Guerra Mundial el principio de la construcción de edificios de altura en base a un esqueleto se consolidó. Los rascacielos surgían como una estructura de marcos de acero en los cuales, sobre sus fachadas los elementos verticales quedan a la vista, remarcando el gesto vertical. Con la independización definitiva de la fachada de su rol estructural se inicia el cerramiento modular acristalado, el cual da paso al muro cortina. Otro punto importante, relacionado con los cambios de normativas, es la cada vez mas presente presencia del núcleo de circulaciones verticales y servicios, el cual va tomando además de un rol funcional uno estructural. En la medida que los edificios logran mayores alturas, desaparece el patio de luz central y se hacen mas esbeltos. Entre los edificios con patio de luz encontramos el Strauss en Chicago, de Dada su forma masiva con unas grandes dimensiones en planta en comparación a la altura, esta tipología de edificios necesitaba una estructura menos resistente frente a las solicitaciones horizontales. En la planta de la izquierda, levemente irregular, se puede apreciar que el patio ocupa 1/9 de la superficie total construida. Edificio Strauss, Chicago (1923) Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Entre 1948 y 1951 Mies van der Rohe construye sus famosos edificios de departamentos Lake Shore Drive. Dos bloques similares de 26 plantas, separados y girado en 90° uno respecto del otro. Las distancias entre ejes estructurales es de 6,40 metros, 3 módulos en el ancho y 5 en el largo. El esqueleto estructural está compuesto por pilares H y vigas doble T de acero ignífugo. Los cerramientos, que están integrados a la estructura, están formado por parteluces (columna delgada que divide en dos un hueco de ventana) de acero soldados directamente a la estructura primaria. En la imagen de la izquierda el montaje de un panel. Edificio Lake Shore Drive, Chicago (1951) Mies van der Rohe Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Mies desarrolla al máximo su idea de esqueleto estructural con un edificio administrativo construido en 1958 en Nueva York, el Seagram Building. Un bloque de 39 plantas y distancia entre ejes estructurales de 8,50 metros. En este caso, y a diferencia de del Lake Shore Drive, el cerramiento se coloca por delante de la estructura y, excepto por las conexiones de apoyo, es independiente de ella (figura de la izquierda). A finales de los 50’ Estados Unidos era quien dominaba el desarrollo tecnológico del rascacielos. El constante aumento de la altura de los edificios hizo necesario nuevas soluciones estructurales, abandonándose el marco rígido como una solución eficiente para edificios de altura. Edificio Seagram, Nueva York (1958) Mies van der Rohe Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Hasta principios de los 60’ el sistema estructural que dominaba para los edificios de alturas era el de marcos rígidos superpuestos, con sucesivas pruebas del mismo sistema y sin cambios significativos en la forma de la estructura. Pero durante la década de los ‘60 se produjeron notables mejoras en los sistemas estructurales de los edificios de altura. El sistema evolucionó del menos eficiente sistema estructural de marcos rígidos hacia sistemas de viga en voladizo (este tema es tratado en la diapositiva 32) mas eficientes representados por las torres John Hancok, las Willis (ex Sears) o el World Trade Center. La idea de desarrollar estructuras tridimensionales conformadas por miembros ensamblados como estructura resistente aparece en los 60’. Esto enlazado con el principio de que diferentes rangos de altura demandan diferentes sistemas resistentes tomando en cuenta el aumento de las cargas laterales. En 1972 Fazlur Kahn, ingeniero de las torres John Hancok y Willis propuso una tabla, que se puede ver en la figura, en la que relacionaba la altura de los edificios con los sistemas estructurales en acero adecuados a utilizar. Fazlur Kahn (1972) Tabla de sistemas estructurales Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura El John Hancock Center en Chicago de 1968 posee como característica principal las grandes diagonales unidas a los pilares de las esquinas. Con este sistema se obtuvo un máximo de rigidez para la envolvente tubular y una excelente relación de peso de acero por metro cuadrado (50 kg/m2). El adelgazamiento de la sección de la torre, a medida que se asciende, aumenta su estabilidad tanto estructural como estética. John Hancock, Chicago (1968) SOM Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura El principio de la caja con rigidización horizontal conduce a la estructura portante del sistema de tubo buscando uno uso mas eficiente de los materiales. Este era el caso de World Trade Center de Nueva York. Las fachadas exteriores de este edificio estaban formadas por pilares huecos de acero unidos rígidamente mediante dinteles horizontales los cuales formaban un muro-viga tipo Vierendeel. Dada la cercanía entre los pilares y las vigas estructurales que componían la fachada, la superficie exterior del edificio actuaba como un tubo de planta cuadrada que transmitía directamente a las fundaciones las cargas laterales del viento. El espesor y la calidad del acero eran decrecientes en la medida que se aumentaba la altura, conservando de manera homogénea el perfil exterior de los pilares huecos. En el interior, un núcleo formado por pilares huecos de acero que solo resistían cargas verticales se unían mediante losas mixtas a la fachada exterior. World Trade Center, Nueva York (1973) Minoru Yamasaki Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Otra posibilidad es el sistema de conjunto de tubos. Con sus 442 metros de altura, la Willis Tower de Chicago (108 plantas), construida en 1974, fue por un largo tiempo el edificio más alto del mundo. El tubo empotrado aparece aquí multiplicado, yuxtaponiéndose 3 por 3 cuadrados con lados de 22,5 metros cada uno de ellos. El sistema estructural de conjunto de tubos es similar al World Trade Center con muro-viga tipo Vierendeel, pero en este caso con presencia en el interior de las plantas de elementos resistentes verticales, que dadas sus dimensiones estas filas de pilares interiores no obstaculizan demasiado la utilización del interior de cada planta. Torres Willis (antes Sears), Chicago (1974) SOM Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Breve historia 10.b.Tipos de estructuras de altura Entre las últimas innovaciones en los edificios de altura encontramos la búsqueda de ventilación natural al interior del edificio en la torre Swiss Re de Foster, la cual cuenta con un vacío en espiral alrededor del núcleo central. Estas nuevas necesidades tales como la del ahorro de la energía, la protección contra el sol, la ventilación natural, la protección contra el fuego tienen también una directa incidencia en la estructura. Torre Swiss Re, Londres (2004) Norman Foster Capítulo 10: Estructuras de altura

d c b a 10.a.Introducción Breve historia
10.b.Tipos de estructuras de altura d c b a Si observamos a los largo de los últimos 100 años, los sistemas estructurales de los edificios de altura hasta ahora vistos han evolucionado de la siguiente manera: a._ las estructuras de marcos b._ las estructuras mixtas de marcos con arriostramiento vertical y horizontal (enrejado de ligazón) c._ sistemas tubulares parciales d._ sistemas tubulares El paso de un sistema estructural a otro ha significado la posibilidad de un aumento significativo en la altura de los edificios. Capítulo 10: Estructuras de altura

a b c d e f 10.a.Introducción Nociones
10.b.Tipos de estructuras de altura a b c d e Las construcciones de varios pisos en la mayor parte de los casos son una combinación espacial de columnas y vigas. La respuesta frente a las solicitaciones de estos elementos aislados, la columna y la viga, ya fue tratada en la clase acerca de los sistemas estructurales. Las nociones expuestas acerca de las construcciones planas se pueden aplicar mediante ciertas adecuaciones a las construcciones espaciales. Aunque ya fueron vistos, veremos de manera progresiva y acumulativa sistemas estructurales. En el grupo superior se pueden ver diferentes tipos de marcos sin articulaciones (a) o con uno (b), dos (c) o tres (d) nudos articulados. En el grupo inferior sistemas con un marco rígido al cual se le unen pilares y vigas y pilares y vigas articulados (e) y sistemas de pilares y vigas articulados con un arriostramiento en uno de sus extremos (f). f Capítulo 10: Estructuras de altura

a 10.a.Introducción Sistema estructural básico
10.b.Tipos de estructuras de altura Las construcciones de varios pisos en la mayor parte de los casos son una combinación espacial de columnas y vigas. Sobreponiendo marcos (figura (a)) se puede obtener una estructura de varias plantas, inclusive rascacielos. Estos sistemas estándar, en ausencia de otras tipologías, se utilizaron hasta los años 50, ya que su calculo era bastante simple sin la necesidad de la asistencia de computadores. Generalmente se utilizaban uniones articuladas en la base de los marcos, las cuales facilitaban el montaje. Al mismo tiempo se reforzaba el encuentro superior entre viga y columna que era sometido a fuertes solicitaciones, tal como se ve remarcado en la figura (a). Pese a esto hay que considerar que este tipo de estructuras de marco son estáticamente ineficientes en edificios de gran altura debido a su transferencia de las cargas laterales mediante la flexión de la columna. a Capítulo 10: Estructuras de altura

cargas momentos rigidez horizontales necesaria
10.a.Introducción Cargas dinámicas 10.b.Tipos de estructuras de altura Cargas laterales Cargas dinámicas. Las cargas laterales Aunque el aumento de las cargas por peso propio en un edificio de altura son importantes, en comparación con un edificio de altura media es mas importante el sistema resistente a cargas laterales, su selección y predimensionamiento apropiado. Estas cargas laterales corresponden al viento y el sismo. El comportamiento de un edificio de altura es comparable al de una viga en voladizo empotrada en el suelo. Si uno asume una carga lateral uniforme, los momentos aumentan cuadráticamente con la altura. Pero en realidad las cargas laterales no son constantes con la altura sino que aumentan. De este modo el momento en la base crece muy rápidamente. La absorción de las cargas laterales y la transferencia del momento volcante a las fundaciones es una de las primeras tareas por resolver en el diseño de un edificio de altura. Existen variados sistemas estructurales que veremos a continuación. Su elección depende de muchas variables entre las cuales encontramos la altura del edificio, el suelo, el clima y el sismo en una primera línea, para luego entrar en las variables constructivas y de montaje, económicas, sustentabilidad, etc. En comparación con los edificios de altura media, los edificios de altura deben ser mas fuertes y actuar como un total mas integrado. Además exigen desde el mismo inicio del proceso de proyecto una integración entre el equipo de arquitectos, los ingenieros, los servicios, los expertos de protección contra el fuego y otros especialistas cargas momentos rigidez horizontales necesaria Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Cargas dinámicas 10.b.Tipos de estructuras de altura Cargas laterales momento volcante Momento volcante Las cargas dinámicas pueden afectar la estabilidad de un edificio local o globalmente. Dentro de los efectos globales de una carga lateral encontramos el desplazamientos de la estructura (figura izquierda superior) o el volcamiento de la estructura (figura izquierda inferior). Aquí radica la importancia de las fundaciones de un edificio de altura, ya que son ellas las que absorben estas solicitaciones tal como se ve en la figura de la derecha. Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Cargas dinámicas 10.b.Tipos de estructuras de altura Cargas laterales Viento / Sismo El viento El viento tiene propiedades positivas y negativas dependiendo de cómo se le evalúe. En el caso de las estructuras de los edificios de altura, el viento tiene un efecto negativo al aumentar los costos de construcción al exigir una estructura mas rígida. Por el contrario, para los planificadores urbanos el viento puede ser positivo al disipar la contaminación en una ciudad. El viento no tiene un flujo homogéneo, sino mas bien aleatorio, el cual con la altura, como se ve en la figura, aumenta su velocidad al reducir su roce con la superficie terrestre. Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Cargas dinámicas 10.b.Tipos de estructuras de altura Cargas laterales Viento / Sismo La diferencia entre las cargas de viento globales y locales en un edificio de altura es muchísimo más importante que en uno de altura media. Las cargas globales son un factor importante en el diseño de la estructura general, la distribución de la carga local sobre el exterior del edificio afecta el diseño de la fachada. Las cargas de viento sobre un edificio están determinadas por las características del flujo del viento y por la forma del edificio. De la forma depende los efectos que produce el viento en cuanto a las presiones, negativas y positivas, las zonas de calma, los vórtices, las turbulencias y las oscilaciones del edificio, tal como se ve en las figuras inferiores, en las que varía la forma en planta y como ello varía la posible oscilación del edificio en el sentido transversal. En las figuras superiores se pueden ver las variaciones de las turbulencias en la zona basal y de las zonas de calma y de bajas presiones, dependiendo del cambio de proporciones del edificio, en la segunda figura alargándolo y en la tercera ensanchándolo. Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Cargas dinámicas 10.b.Tipos de estructuras de altura Cargas laterales Viento / Sismo Las fluctuaciones de la velocidad del viento y su orientación son factores a tener en cuenta en el diseño de una estructura de altura ya que dependiendo de ellos podría variar la respuesta de la forma del edificio. Otro punto importante es la influencia que puede tener el entorno construido en el flujo del viento. Para testear los efectos del viento en un edificio emplazado en un entorno se utilizan maquetas a escala que se prueban en túneles de viento (imágenes de la derecha) o se realizan simulaciones computacionales (imagen de la izquierda) Con estas simulaciones es posible predecir las velocidades del viento alrededor del edificio y en diferentes alturas, las presiones sobre los cerramientos y la respuesta dinámica del edificio frente a las cargas de viento. Capítulo 10: Estructuras de altura

Planta Elevación 10.a.Introducción Cargas dinámicas
10.b.Tipos de estructuras de altura Cargas laterales Viento / Sismo El sismo En áreas susceptibles a los terremotos, un fuerte sismo puede producir aceleraciones laterales. Sin embargo las posibilidades de que ocurra un fuerte sismo en la vida útil de un edificio es relativamente baja. Pese a esto, es justificable que en el diseño de un edificio de altura pueda resistir el mayor sismo proyectado. La mayor prioridad es la seguridad de las personas, por lo que el daño de los elementos no estructurales es permitido si no implican un riesgo. El diseño de planta y elevación es un factor clave en el comportamiento de un edificio de altura cuando es sometido a un sismo. A la capacidad de la estructura de disipar la energía mediante deformaciones plásticas se le suman sus características formales. Mientras las losas de cada planta están diseñadas para transferir las cargas laterales hacia el sistema estructural vertical a través de su rigidez, el sistema estructural vertical debe transferir las cargas laterales a las fundaciones. De este modo las plantas tienen que ser lo mas compactas y regulares posibles de manera tal de permitir la transferencia directa y homogénea de las cargas. La regularidad del edificio en elevación también es especialmente importante, evitando la concentración de masas puntuales. En las figuras se pueden ver una serie de ejemplos de planta y elevaciones problemáticas y buenas sísmicamente. Planta Elevación Capítulo 10: Estructuras de altura

b’ c’ d’ a b c d 10.a.Introducción
Sistema estructural básico reforzado 10.b.Tipos de estructuras de altura b’ c’ d’ Los arriostramientos, que en una estructura de una planta se pueden proyectar como elementos sometidos exclusivamente a tracción, en el caso de las estructuras de altura tienen que ser pensados como elementos que están solicitados a compresión y tracción. Como en los casos expuestos en las figuras b, c y d, las estructuras verticales pueden ser interpretadas como vigas reticuladas en voladizo dispuestas horizontalmente tal como aparecen las figuras superiores b’, c’ y d’. El aumentar la altura de un edificio, redunda generalmente en un aumento de las cargas por peso propio. Al aumentar el volumen y la superficie interior del edificio las cargas de vientos también aumentan en forma importante. Este aumento de las fuerzas del viento y del momento volcante adicional que esto implica, tiene una particular incidencia en el diseño del sistema de fundaciones. a b c d Capítulo 10: Estructuras de altura

a b a + b 10.a.Introducción Sistema estructural básico reforzado
10.b.Tipos de estructuras de altura Comportamiento frente a cargas laterales Sistema de marcos / sistema arriostrado Si realizamos una comparación entre los sistemas de marcos y los sistemas arriostrados, podemos ver que debido a la ausencia de solicitaciones de flexión, el peso de una estructura con las mismas dimensiones es evidentemente menor en los sistemas arriostrados. Además, en estos sistemas la técnica de unión es más simple y las deformaciones horizontales mas pequeñas. Pese a esto, hay que toma en consideración que en algunos casos el uso de diagonales obstaculiza un uso fluido de los espacios del edificio. Es por esto que los arriostramientos se tienden a utilizar en las fachadas, los muros continuos o en los núcleos Si comparamos el comportamiento plástico de una estructura de marcos (figura (a)) y una arriostrada (figura (b)) mediante el grafico de deformación (figura de la derecha) podremos concluir que la estructura arriostrada describe una deformación que aumenta proporcionalmente con la altura. En el caso de los marcos, la deformación se tiende a reducir con la altura. A partir de los valores de cada uno de estos sistemas estructurales resulta interesante ver que cuando ambos se unen (figura (a+b)) se produce una notable reducción de las deformaciones. También esa reducción del desplazamiento lateral relacionada con un aumento de la rigidez de la estructura se puede lograr mediante un aumento de la sección de los elementos, reduciendo las luces de las vigas o mejorando la rigidez de las uniones entre pilares y vigas. a b a + b Capítulo 10: Estructuras de altura

a b c 10.a.Introducción Sistema estructural básico reforzado
10.b.Tipos de estructuras de altura Posición de los arriostramientos A los sistemas estructurales arriostrados expuestos en la anterior diapositiva se le pueden adicionar a ambos lados, pilares, vigas o marcos rígidos. En la figura (a), se adicionan pilares y vigas, dejando al sistema estructural arriostrado descentrado. En la figura (b), se adicionan pilares y vigas simétricamente, dejando al sistema estructural arriostrado centrado. Por último, al igual que el caso anterior, en la figura (c) se le adicionan al sistema estructural arriostrado simétricamente, pero en este caso son marcos rígidos que no tienen contacto con el suelo. a b c Capítulo 10: Estructuras de altura

Principios de diseño de edificios de altura
10.a.Introducción Principios de diseño de edificios de altura 10.b.Tipos de estructuras de altura Planta y elevaciones regulares Forma compacta Estructura sin cambios dramáticos en la rigidez Tender a la simetría en planta para evitar la torsión Las losas tienen que actuar como diafragmas rígidos Estructura capaz de disipar la energía Ductilidad local y general de la estructura Principios de diseño de un edificio de altura En contraste con la construcción estándar, la variedad formal de los edificios de altura es más limitada dada la predominancia de una dimensión sobre las otras. Basados en todos lo factores antes expuestos podemos ahora enunciar ciertos principios estructurales de un edificio de altura: a._ Planta y elevaciones regulares, evitando la concentración de masa en zonas puntuales. b._ Forma compacta c._ No tener cambios dramáticos en la rigidez del edificio en el desarrollo de su altura d._ Tender a la simetría en planta para evitar la torsión e._ Las losas tienen que actuar como diafragmas rígidos f._ La estructura tiene que ser capaz de disipar la energía transfiriendo las cargas laterales a las fundaciones g._ Por último una ductilidad local y general de la estructura es esencial Capítulo 10: Estructuras de altura

a b c d e 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales generales Marcos / Marcos arriostrados / mixtos / Tubulares / Tubulares diagonales En términos generales se pueden describir los siguientes sistemas estructurales para edificios de altura: a._ Las estructuras de marcos b._ Los marcos arriostrados c._ Las estructuras mixtas de marcos con núcleo vertical d._ Sistemas tubulares e._ Sistemas tubulares con diagonales Todos estos sistemas genéricos serán desarrollados a continuación en sus variaciones posibles. a b c d e Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos Flujo de fuerzas Flujo de fuerzas Todas las fuerzas de una estructura se pueden descomponer sobre los ejes X, Y y Z, es decir en horizontales y verticales. Bajo esta graficación la disposición de las fuerzas de las cargas resulta visible. En las construcciones en acero la repartición de las cargas verticales se realiza mediante pilares o elementos entramados en acero. Raramente se utilizan muros de hormigón y frecuentemente se utilizan núcleos de hormigón armado. Cuando los elementos portantes, como los pilares siempre están dispuestos unos sobre otros no es problema. Pero si se producen problemas cuando están desfasados, algo que por lo general se debe evitar, o cuando se eliminan algunas columnas, normalmente en la primera planta. Sobretodo en el caso de los edificios de altura se tienen que dimensionar las secciones de las columnas que llevan las cargas verticales, de tal manera que todas estén sometidas a las mismas o muy similares tensiones. El edificio del New Museum of Contemporary Art de SANAA fue pensado como una serie de cajas apiladas y desplazadas. La necesidad de un interior libre de estructura y la posibilidad de tener una fachada cerrada permitió ubicar toda la estructura en dichos cerramientos perimetrales. Dados los desplazamientos de una caja respecto de otra, cada una de las caras de las cajas son cerchas reticuladas que transmiten las cargas verticales y horizontales. En la figura de la derecha se grafica la transmisión de las cargas verticales. New Museum of Contemporary Art, Nueva York (2007) SANAA Capítulo 10: Estructuras de altura

a b c d e f g h i j k l m 10.a.Introducción
10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos Flujo de fuerzas a b c d e Pese a lo limitado que podría parecer la variedad de sistemas estructurales para edificio de altura en la figuras se pueden ver distintos sistemas, los cuales se profundizan a continuación. f g h i j k l m Capítulo 10: Estructuras de altura

a a b c 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Marcos Sistemas estructurales específicos Un primer grupo corresponde a los edificios con sistemas de marcos. En el caso de la figura (a) las fuerzas son conducidas directamente al suelo y tal como aparece en la figura, frente a las solicitaciones laterales son los nudos de los marcos los que son sometidos a las mayores solicitaciones. a b c a Capítulo 10: Estructuras de altura

b a b c 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Marcos con arriostramiento. Núcleo En los sistemas de marcos con arriostramiento central, en la figura (b), al igual que en el caso anterior del sistema de marcos, las cargas se conducen directamente al suelo mediante los pilares, pero frente a las solicitaciones horizontales es el cuerpo central rigidizado mediante arriostramientos aquel que es solicitado. a b c b Capítulo 10: Estructuras de altura

a b c 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos El núcleo. Estructura primaria Estructura primaria. El núcleo Se puede considerar como núcleo un tubo vertical empotrado en el suelo, apto para absorber cargas verticales y horizontales, tal como se ve en la figura (a). Para edificios medios y de altura los núcleos son la componente estructural mas apta para la distribución de las cargas horizontales En un edificio muy alto, como el de la figura (b), las deformaciones del núcleo esbelto pueden ser muy grandes debido a la distancia relativamente corta entre su centro de gravedad y el perímetro. Es por esto que en los rascacielos el núcleo requiere la colaboración de otros elementos, generalmente extendiéndose hasta la fachada externa. En la figura (c) se puede ver la colaboración de otros elementos con el núcleo. Por motivos de protección contra incendios estos núcleos se realizan normalmente en hormigón armado, aunque también se pueden realizar con estructuras de acero, tal como se indicaba en la diapositiva anterior, con una adecuada protección contra los incendios. Los núcleos son utilizados en los edificios, particularmente como zona de circulaciones horizontales y verticales tales como escaleras de escape y ascensores, junto con las zonas de servicio. Una de las ventajas de las estructuras en las cuales el núcleo es el sistema estructural primario es la posibilidad de crear una zona de ingreso libre de pilares. Las construcciones con un núcleo como único elemento constructivo de descarga de las solicitaciones verticales y horizontales, están limitados a una altura de unas 30 plantas. a b c Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos El núcleo. Estructura primaria Torsión en planta Torsión en planta La torsión en un edificio se produce cuando los elementos estructurales no están posicionados simétricamente en el plano o cuando el Centro de Rigidez (CeR) no coincide con el Centro de Momentos de Inercia (CeM) (Presentación 9). Si tenemos una planta cuadrada con sistemas de marcos en cada una de sus caras y uno de esos marcos posee un arriostramiento diagonal, tal como se ve en la figura enmarcado por el rectángulo, el Centro de Momentos de Inercia se desplazará hacia ese muro, produciéndose una excentricidad y por ende, torsión en planta. Es por esto que es recomendable que el núcleo se ubique lo más al centro de la planta, para reducir los esfuerzo de torsión debido a una deficiente repartición de las cargas horizontales. Capítulo 10: Estructuras de altura

Sistemas estructurales específicos El núcleo. Estructura primaria En las figuras se puede ver el núcleo en un edificio de planta cuadrada y su desplazamiento respecto del centro geométrico de dicha planta: a._ un núcleo centrado. b._ un núcleo descentrado. c._ un núcleo externo al perímetro. En cada uno de los casos se puede visualizar la distancia entre el Centro de Rigidez de la planta y el Centro de Momentos de Inercia del Núcleo, el elemento más rígido de la estructura, aumentando de manera considerable la torsión en planta Los sistemas portantes típicos de las estructuras de núcleo son: Sistemas suspendidos Núcleo con losas en voladizo Sistemas tubulares Estos se verán a continuación. a b c Capítulo 10: Estructuras de altura

c a b c 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Marcos con arriostramiento con una primera planta libre Una variante del sistema anterior se produce cuando se desea una primera planta libre de estructura. En el caso expuesto, figura (c) se eleva la estructura de acero y se la sobrepone a muros de hormigón armado. Las cargas que se llevaban directamente al suelo ahora tienen que reconducirse a los dos muros mediante una viga reticulada remarcada con la franja morada en la figura. Esta viga, que tiende a flectarse, tiene que ser muy rígida para evitar problemas en la estructura que se le sobrepone y en los sistemas de fachada. Es por ello que debido a las altas solicitaciones esta viga puede tener una o dos plantas de altura. a b c c Capítulo 10: Estructuras de altura

d d e f g 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Núcleo con una estructura perimetral y enrejado de ligazón Un segundo grupo que surge del caso visto en la diapositiva anterior, corresponde a estructuras que liberan las primeras plantas. En el caso de la figura (d) se eliminan dos ejes de pilares que llegaban al suelo, marcados en la figura por las elipses, manteniendo la continuidad de los pilares perimetrales y los centrales. La eliminación de esos dos pilares exige la inclusión de una viga superior o enrejado de ligazón, del cual cuelgan esos ejes de pilares indicados con flechas verdes. d e f g d Capítulo 10: Estructuras de altura

Sistemas estructurales específicos Enrejado de ligazón Enrejado de ligazón (outrigger trusses) El uso de enrejados de ligazón está ampliamente extendido en el diseño de edificios de altura. Este consiste en extender desde el núcleo hacia los elementos perimetrales la resistencia contra las solicitaciones laterales. En la figura (a) se puede ver la deformación de una estructura rigidizada mediante diagonales frente a solicitaciones laterales. La rigidez de toda la estructura aumenta ligando las columnas externas a la estructura rigidizada mediante diagonales con una viga reticulada superior la cual reparte las cargas entre el núcleo y las columnas dependiendo de la rigidez de la viga reticulada superior (figura (b) y (c)) a b c Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos Enrejado de ligazón Enrejado de ligazón (outrigger trusses) En la figura superior de la derecha, un núcleo con vigas a ambos lados y columnas perimetrales a los cuales se les transfieren de manera reducida los momentos dada la falta de rigidez en la vinculación entre ambos. En la figura inferior de la derecha el núcleo está vinculado a la estructura perimetral mediante un arriostramiento o enrejado de ligazón que cubre tres plantas, dándole un mayor ancho al elemento resistente y por ende, una mayor rigidez frente al momento volcante. Ese mismo enrejado se puede colocar una o más veces, en la estructura del edificio, tal como se ve en la figura de la izquierda. Como ya hemos visto, el enrejado de ligazón le otorga una serie de beneficios a la estructura, pero también propone ciertos problemas tales como el espacio que ocupan los elementos del enrejado en el interior, obstaculizando su uso, aunque normalmente estos espacios son utilizados como planta mecánica. Por otra parte, la conexión con el núcleo es complicada ya que se tiene que asegurar la transferencia de los esfuerzos. Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos El edificio Citicorp El edificio Citicorp, construido en 1977 (59 plantas y 279 metros) corresponde al tipo antes descrito, aunque con ciertas características particulares. Una iglesia era dueña de una parte de la cuadra en la cual iba a ser construido el edificio y Citicorp accedió a reemplazar la antigua iglesia por una nueva estructura en una de las esquinas del lote. A cambio, la iglesia cedió a Citicorp los derechos "aéreos“ sobre la parte de la cuadra que era de su propiedad. Con el fin de proveer espacio a la nueva iglesia, la torre de Citicorp tuvo que ser ubicada sobre pilotes de nueve pisos, de tal manera que la iglesia quedara debajo. Esto significó que los pilares de la torre fueran ubicados en medio de cada una de sus lados y no en las esquinas del edificio (imagen de la izquierda), una acción sin precedentes en la ingeniería de edificios de altura. Edificio Citicorp, New York (1977) Stubbins Associates, Emery Roth & Sons , ingeniería William Le Messier Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos 1 2 3 4 5 6 De este modo, la torre de Citicorp cuenta con 4 pilares de nueve pisos mas el núcleo de circulaciones. La sección superior fue diseñada con el sistema de arriostramientos diagonales los cuales redirigen los esfuerzos desde las esquinas hacia el punto medio de cada lado, tal como se ve en la figura de la derecha, una elevación de la estructura. El cuerpo del edificio está dividido en 6 secciones rigidizados mediante arriostramientos en V y con un enrejado de ligazón en la zona basal del cuerpo que reconduce los esfuerzos hacia los pilares. En este edificio, a diferencia de otros como el John Hancock, las grandes diagonales de arriostramiento quedan ocultas tras el cerramiento vidriado (imagen de la izquierda). El edificio era mucho más liviano de lo normal en relación a su tamaño. Esto, sin embargo, significó que tendería a balancearse con el viento, razón por la cual se instaló un amortiguador de masa en la parte superior del edificio. La inercia de este bloque de hormigón de 400 toneladas, que se desplaza controlada por amortiguadores, ayudaba a disminuir el esperado vaivén de la torre contrarrestando los vaivenes y movimientos laterales desplazándose en el sentido contrario a estos. La torre de Citicorp fue la primera estructura que incorporó la asistencia mecánica para contrarrestar el balanceo producido por el viento. Un año después de su inauguración se descubrieron problemas en la respuesta de la estructura frente a las cargas laterales (fuertes vientos) por el cambio de las uniones soldadas especificadas en el proyecto, por unas apernadas recomendadas por el contratista, dado el alto costo de las primeras. Esto obligó a una rápida reparación de la estructura del edificio, reemplazando las uniones apernadas por soldadas. Edificio Citicorp, New York (1977) Stubbins Associates, Emery Roth & Sons , ingeniería William Le Messier Capítulo 10: Estructuras de altura

e d e f g 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Núcleo con una estructura perimetral y enrejado de ligazón Los casos que se exponen a continuación son todas variaciones del edificio suspendido en el cual se liberan las primeras plantas, manteniéndose la estructura arriostrada central, la cual es solicitada principalmente a compresión. La gran ventaja de este tipo de estructuras es la liberación de la primer planta de pilares, pero, como ya vimos este tipo de estructuras con un núcleo central tienen como limitante la altura a causa de la relativa rigidez del núcleo. En el caso de la figura (e) se dispone de una viga reticulada que queda en voladizo sobre la cual se descargan los ejes de pilares. d e f g e Capítulo 10: Estructuras de altura

f d e f g 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Núcleo con una estructura perimetral y enrejado de ligazón Otra posibilidad, en la figura (f) es colgar de una viga superior los pilares transformando los pilares en tirantes. Estos tirantes como son solicitados exclusivamente a tracción y no están sometidos a problemas de estabilidad por una carga axial, pueden ser muy esbeltos. Eso si, las secciones finales de estos tirantes son mayores debido a las necesidades de protección contra incendio. d e f g f Capítulo 10: Estructuras de altura

g d e f g 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Núcleo con una estructura perimetral y enrejado de ligazón Una última posibilidad es que la viga se disponga en una altura media, dejando las plantas que quedan bajo ella colgando y las que están sobre ella apoyadas. d e f g g Capítulo 10: Estructuras de altura

h h i j 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Núcleo con losas en voladizo Un tercer grupo está formado por casos diferenciados. En el primer caso, el de la figura (h), el núcleo con losas en voladizo. En este sistema, el núcleo rígido es el que conduce todos los esfuerzo al suelo, tal como lo vimos en el grupo anterior, pero cada planta, en voladizo, descarga sus esfuerzos directamente sobre el núcleo. Este tipo no es muy utilizado por la limitación de los largos de los voladizos y la altura de las vigas. h i j h Capítulo 10: Estructuras de altura

i h i j 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Núcleo con losas en voladizo El segundo caso, el de la figura (i) corresponde a una variación del anterior desarrollando conjuntos de plantas en voladizos que por su altura permiten un mayor largo a diferencia del primer caso. h i j i Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos La Tour du Midi La Tour du Midi (150 metros y 38 plantas) es un ejemplo de estas torres con sus losas en voladizo de 9 metros, sin columnas en la fachada y un núcleo central. Para evitar el cruce de vigas sobre la planta cuadrada, se alterna la orientación de las vigas cada dos plantas, apoyando o descolgando los voladizos desde la planta inferior o superior (imagen de la izquierda). En esta torre se utilizaron vigas en voladizo preflectadas, es decir vigas de acero con una contraflecha que son comprimidas temporalmente con prensa hasta anular la contraflecha, y hormigonadas en una de sus alas , de manera tal que cuando es liberada el hormigón queda comprimido y la pieza metálica con tensiones remanentes Las Ventajas de las vigas preflectadas son su gran capacidad portante comparado con un reducido peso propio, una gran rigidez y una gran esbeltez, pudiéndose reducir el ala hasta 1/45 de la luz. Tour du Midi, Bruselas (1967, rehabilitada 1993) Aerts y Ramon Capítulo 10: Estructuras de altura

j h i j 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Núcleo con losas en voladizo El último caso, en la figura (j), no tiene un núcleo rígido central, sino que dos laterales entre los cuales se disponen vigas reticuladas sobre las cuales se apoyan unas plantas y bajo las cuales cuelgan otras plantas. Este tipo de sistemas se pueden considerar megaestructuras. h i j j Capítulo 10: Estructuras de altura

k k l m 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Tubular porticado Un último grupo está formado por los sistemas estructurales tubulares que permiten las mayores alturas hasta ahora construidas. La mayor eficiencia, en lo que se refiere a la repartición de las cargas debido a viento y terremotos en edificios de altura se obtiene realizando una estructura con forma de caja, con un amplio diámetro, en la cual son introducidos posteriormente rigidizaciones horizontales. El sistema resistente a las cargas laterales en un sistema estructural tubular es el plano de fachada. La necesidad de aberturas para las ventanas nos lleva a un tubo perforado que en el caso de grandes aberturas puede llegar a ser un sistema tubular de pórticos. Este sistema con los que le siguen son los únicos económicamente sostenibles para la construcción de edificios de altura sobre los 200 metros. El primer caso, el de la figura (k) corresponde al sistema tubular porticado donde se utilizan para la fachada perimetral una red de pilares y vigas muy densa, donde la repartición de las cargas laterales se logra mediante la flexión de pilares y vigas. Esto exige una gran rigidez de los nudos y una distancia entre pilares entre 1,20 metros y un máximo de 3,50 metros y vigas de una altura entre 0,60 metros y 1,20 metros. Este sistema cuenta con una variación en el sistema “tubo en tubo”, en el cual se puede aumentar la eficiencia del sistema completo utilizando el núcleo como elemento portante. La estructura resultante es la de un tubo interior que aloja al núcleo y un tubo externo de fachada. En estos casos las losas unen ambos tubos permitiéndolos actuar como conjunto frente a las cargas laterales. k l m k Capítulo 10: Estructuras de altura

l k l m 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Tubular arriostrado El segundo caso, el de la figura (l) corresponde al sistema tubular arriostrado una variante del anterior al cual se le han incorporado unas grandes diagonales que actúan como refuerzo frente a las cargas laterales. k l m l Capítulo 10: Estructuras de altura

a b 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos a La torre John Hancock La estructura de torre John Hancock (100 pisos, 332 metros) mide en su base 79,90 metros por 46,90 metros y se estrecha hacia la cúspide de 48,60 metros por 30,40 metros, con una altura de 332 metros. Espacios comerciales y de estacionamiento están ubicados en la parte baja de la torre, seguidos por 32 plantas de oficinas y 50 plantas de departamentos, un espacio para transmisiones de TV, un observatorio y una planta mecánica. Debido al estrechamiento, el sistema estructural permite amplias plantas de oficina en los pisos de abajo (b) y pequeñas departamentos en las plantas superiores (a). b Torre John-Hancock, Chicago (1970) SOM Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos El concepto estructural está basado en un equivalente al sistema tubular pero con la incorporación de grandes arriostramientos diagonales exteriores los cuales vinculan las columnas exteriores, convirtiendo al sistema completo en una caja rígida. Esta tridimensionalidad creada por la continuidad de las cruces de San Andrés exteriores contrasta con los sistemas de marcos bidimensionales dispuesto en dos direcciones en el cuerpo del edificio utilizados desde los inicios de los edificios de altura, a fines del siglo XIX hasta finales de los ‘60. El sistema tubular arriostrado asume la resistencia de todas las cargas laterales y el sistema de pilares interiores las cargas de peso propio. La ausencia de arriostramientos interiores o de otros elementos resistentes hace posible el uso flexible de cada una de las plantas con diferentes funciones. Torre John-Hancock, Chicago (1970) SOM Capítulo 10: Estructuras de altura

Sistemas estructurales específicos Las posibilidades de una estructura arriostrada con diagonales es indicada en la figura: a._ una fina malla b._ un gran arriostramiento que vincula solamente las columnas de las esquinas c._ un sistema tubular con un gran arriostramiento. La opción (b) es la mas eficiente, pero presenta ciertos problemas prácticos de fabricación relativos a las dimensiones de las columnas de las esquinas y las diagonales. La distribución mediante columnas interiores mostrada en la figura (c) con separación entre columnas de entre 9 y 12 metros es más practica y convencional. Junto a estas columnas secundarias son necesarios elementos horizontales que restrinjan las deformaciones de las diagonales. En la figura de la derecha se puede ver el flujo de las fuerzas, caracterizado por las diagonales que son rigidizadas por elementos verticales y horizontales reduciendo su largo libre y evitando su pandeo. Torre John-Hancock, Chicago (1970) SOM a b c Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos Tubular arriostrado Adecuación de la estructura a las solicitaciones En el sistema tubular arriostrado se puede lograr una interesante adecuación de la estructura a las solicitaciones de las cargas mediante una redistribución de las diagonales. En la figura de la derecha se puede ver un ejemplo de lo antes expuesto caracterizándose por una densificación de las diagonales hacia la zona basal de la torre, donde las solicitaciones por cargas laterales son mayores y una reducción de estas diagonales hacia la altura. Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos Tubular arriostrado Adecuación de la estructura a las solicitaciones Esta misma variación la podemos ver en la torre de la Televisión China de OMA donde se utiliza un sistema tubular continuo el cual fue proyectado en primer lugar con una grilla uniforme de diagonales la cual fue analizada usando un método iterativo de análisis computacional, estableciéndose las zonas de tensión de las diagonales (figura del centro), desde las mayores en color rojo a las menores en color azul. Con estos datos se realizó una redistribución de las diagonales, densificando en las zonas de mayor tensión y eliminando las zonas donde se producía redundancia. Torre Central de la Televisión China (CCTV), Beijing (2004) OMA Capítulo 10: Estructuras de altura

m k l m 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Haz de tubos El último caso, el de la figura (m) corresponde al sistema de conjunto tubos en el cual a diferencia del sistema de tubo en tubo donde se disponían uno dentro del otro, se disponen uno al lado del otro. En este caso aparece un diafragma vertical rígido entre las fachadas que permite aumentar la rigidez horizontal. k l m m Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos La Torre Willis Un caso emblemáticos del sistema de conjunto de tubos es la torre Willis (442 metros y 108 plantas), el primer rascacielos construido con este sistema. La estructura base consiste en 9 tubos simples yuxtapuestos (figura central). Cada uno de los tubos tiene alturas diferentes cuyas plantas de cambio son la 50, 66, 90 y 108 (figura de la derecha). Cada tubo está compuesto por columnas dispuestas a 4,58 metros y vigas muy altas. Columnas y vigas forman un sistema tubular porticado. Todas las uniones son soldadas (figura de la izquierda). Este sistema permite construir de manera económica edificios de cerca de 110 plantas. Torres Willis (antes Sears), Chicago (1974) SOM Capítulo 10: Estructuras de altura

a b c d 10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura
Sistemas estructurales específicos Comparación en planta Si realizamos una comparación general en planta de los sistemas hasta ahora vistos podremos ver lo siguiente: a._ Núcleo convencional al interior de un esqueleto de acero. Las columnas exteriores solo absorben cargas verticales y el núcleo interior las cargas laterales. b._ Sistema tubular. Las columnas interiores solo absorben cargas verticales y tu exterior las cargas laterales. c._ Sistema tubo en tubo. El sistema integrado absorbe las cargas verticales y laterales. d._ Sistema de conjunto de tubos. El sistema integrado absorbe las cargas verticales y laterales. a b c d Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos Megaestructuras Megaestructuras El tipo de las megaestructuras apunta a la concepción de un edificio con pocos elementos estructurales, columnas, vigas y diagonales, pero de gran dimensión, con lo cual se reduce el peso de la estructura de acero perimetral. Además traspasa del núcleo a la estructura perimetral, mediante los enrejados de ligazón, un mayor porcentaje de las solicitaciones de corte y momento volcante debido al viento y los sismos, reduciendo las exigencias del núcleo y por ende, su estructura y su peso. A esta estructura primaria se le cuelgan y apoyan estructuras secundarias que dan cabida a los usos del edificio. En la figura de la izquierda la elevación de una megaestructura con sus columnas y diagonales de grandes dimensiones y en la derecha la estructura secundaria apoyada en la megaestructura. Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos Megaestructuras Shangai World Financial Center La torre del World Financial Center de Shangai, básicamente es un prisma cuadrado de 58 metros de lado y 492 metros de altura, intersectado por dos arcos que le dan su forma de cuña. El edificio cuenta un museo, comercio, un hotel de 5 estrellas y oficinas. En las últimas plantas hay un centro para los visitantes y un observatorio La estructura se compone de: a._ un núcleo de hormigón armado b._ Una megaestructura perimetral consistentes en grandes columnas y diagonales de acero c._ El acoplamiento de los dos sistemas anteriores mediante un enrejados de ligazón (outrigger truss). La transferencia de momentos entre él núcleo y la megaestructura perimetral es medida por la rigidez del enrejado de ligazón. Este sistema de una megaestructura ligada a un núcleo reduce considerablemente las deformaciones por flexión del edificio. Shangai World Financial Center (2008) Kohn Penderson Fox Associates (KPF), ingeniería LERA Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos Megaestructuras columnas mixtas diagonales enrejado de ligazón viga reticulada núcleo hormigón armado Las tres partes que se señalaban se pueden ver en el gráfico de la izquierda, donde se aprecian el núcleo, la megaestructura perimetral y el enrejado de ligazón que une a los anteriores y unas vigas reticulada que amarran las columnas. En la imagen de la derecha la maqueta de la megaestructura, donde se puede corroborar la reducción de la distancia entre columnas hacia arriba. Shangai World Financial Center (2008) Kohn Penderson Fox Associates (KPF), ingeniería LERA Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos Las diagonales están formadas por cajones soldados de acero estructural y rellenos con hormigón. Este relleno provee de una mayor rigidez y amortiguación a la estructura frente a las solicitaciones laterales. Además, en las zonas superiores del edificio donde los espesores de las chapas son menores, el hormigón de relleno estabiliza los elementos evitando el pandeo. Solamente la placas laterales de las diagonales se conectan en los nudos (imagen de la izquierda), de manera tal de evitar uniones tridimensionales de mas compleja resolución. Las columnas de la megaestructura son mixtas ya que están compuestas por acero estructural y hormigón armado. En los encuentros con las diagonales, las columnas poseen una sección mayor de manera tal de asegurar una transferencia de las solicitaciones. Shangai World Financial Center (2008) Kohn Penderson Fox Associates (KPF), ingeniería LERA Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales específicos Línea de tiempo Línea de tiempo Línea de tiempo de los edificios de altura y sus sistemas estructurales: 1._ Edificio First Leiter, William Le Baron (1879) marcos semirrígidos. 2._ Edificio Reliance, Burnham y Root (1894) marcos rígidos. 3._ Edificio Citycorp, Stubbins y asociados (1977) columnas y núcleo con arriostramientos diagonales en la fachada 4._ Edificio Schweizer National, marcos 5._ Edificio Lake Shore, Mies van der Rohe (1951), estructura de marcos con núcleo arriostrado. 6._ Edificio Seagram, Mies van der Rohe (1958), estructura de marcos apuntalados. 7._ Edificio del Chase Manhattan, núcleo con enrejado de ligazón a la fachada 8._ Banco de China, Ieoh Ming Pei (1990) megaestructura. 9._ Hong Kong and Shangai Bank, Norman Foster and Partners (1985) sistema suspendido 10._ Torre John Hancock, SOM (1970) sistema tubular con arriostramientos diagonales. 11._ World Trade Center, Minoru Yamasaki (1970) sistema tubular con núcleo. 12._ Torre Willis (ex Sears), SOM (1974) sistema de conjunto de tubos. Capítulo 10: Estructuras de altura

10.a.Introducción Definición Breve historia Nociones Sistema estructural básico Cargas dinámicas Sistema estructural básico reforzado Principios de diseño de edificios de altura 10.b.Tipos de estructuras de altura Sistemas estructurales generales Sistemas estructurales específicos Capítulo 10: Estructuras de altura

Schulitz, Sobek, Habermann (1999) Atlante del´’Acciaio, UTET
Bibliografía Johann Eisle, Ellen Kloft, ed. (2003) High-Rise Manual. Typology and Design, Construction and Technology, Birkäuser. Alan Blanc, Michael McEvoy y Roger Plank (1992) Architecture and Construction in Steel, E & FN Spon. Schulitz, Sobek, Habermann (1999) Atlante del´’Acciaio, UTET Hart, Henn y Sontag (1976) El Atlas de la construcción metálica. Casas de pisos, Editorial Gustavo Gili Departamento de Arquitectura Universidad Técnica Federico Santa María 2010 Elaboración del guión: arq. Sandro Maino Ansaldo Locución: arq. Sandro Maino Ansaldo Diseño: arq. Francisca Rodriguez Leonard Capítulo 10: Estructuras de altura

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