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
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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-
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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.
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