Rascacielos

OMAR ALEJANDRO PÉREZ LEÓN
MTRO. ING. RUBÉN LOZA JARAMILLO
02 DE DICIEMBRE DE 2010
DISEÑO ESTRUCTURAL DOS

Se conocen como
rascacielos , los edificios
particularmente altos y
continuamente habitables,
así como a aquellos edificios
que destacan por su altura
sobre los de sus
alrededores.
La principal ventaja de los
rascacielos es la de obtener
una gran cantidad de
superficie útil en un espacio
de suelo reducido.

Existen dos acontecimientos que fueron fundamentales para la
realización del primer rascacielos.
En 1856, Sir Henry Bessemer,
hizo posible la fabricación de
acero en grandes cantidades,
pero su procedimiento ha caído
en desuso, porque solo podía
utilizar hierro que contuviese
fósforo y azufre en pequeñas
proporciones.
Convertidor de Acero Bessemer
Porducía 30 ton de acero en 30 min

Elisha Otis, pionero en la construcción de ascensores mecánicos; fundó la
Otis Steam Elevator Company en Nueva York.
El inventor estadounidense inauguró
el primer elevador destinado al
público en un pequeño edificio de
cinco pisos de Nueva York, el 23 de
marzo de 1857. Este se impulsaba
mediante una pequeña máquina de
vapor y permitía elevar hasta seis
personas a una velocidad de diez
metros por minuto.
Primera demostración pública del
ascensor (Nueva York, 1853)

La estructura de un edificio de mas de 10/12 pisos, presenta
nuevos problemas resistentes que no son atendidos por los
mecanismos habituales de cálculo.

Es el sistema material encargado de transmitir todas las acciones
de peso propio, utilización y accidentales desde las distintas partes
de la construcción hasta la cimentación, asegurando
adecuadamente, los tres aspectos básicos de la misma, que son:
a.- Resistencia
b.- Rigidez
c.- Estabilidad
Estos tres aspectos forman los pilares del Diseño Estructural ya
que la pérdida de cualquiera de ellos conducirá a la misma al
colapso.

Frente a cargas horizontales (sismo o viento), las estructuras agotan su
rigidez mucho antes que su resistencia. Lo que conlleva a dimensionar por
rigidez en lugar de hacerlo por resistencia.
La carga horizontal, es la carga dominante del problema, la estructura de
rigidización no debe concebirse como una estructura adicional a incorporarse
sobre la estructura para cargas verticales, sino que debe concebirse a la
estructura del edificio conforme a las solicitaciones dominantes y luego
incorporarse sobre esta a la estructura para cargas gravitatorias procurando
la optima distribución de la masa estructural a los efectos de las fuerzas
horizontales.
De esta manera aparece en escena el concepto de Sistema Estructural que
alude a la manera integrar e interconectar los elementos estructurales
básicos procurando distribuir la masa estructural en función de la solicitación
dominante del problema, buscando una relación armoniosa entre
Resistencia, Rigidez y Estabilidad.

Para el Diseño Estructural de un Rascacielos, es necesario ponderar las
siguientes problemáticas:
•Hacer que el agua llegue a los pisos más altos sin que revienten las
tuberías de los pisos más bajos. Para ello se bombea por etapas y se
guarda en depósitos en los pisos intermedios.
•Los ascensores deben ser rápidos, por la necesidad de no emplear
mucho tiempo en llegar al piso deseado, pero unas aceleraciones
excesivas pueden provocar desmayos.
•Peores condiciones para soportar sismos. Sin embargo, esto se tiene en
cuenta en su diseño llegando a ser más resistentes que los edificios bajos
construidos por métodos convencionales. Algunos de estos edificios son:
El Taipéi 101, el U. S. Bank Tower, La Torre Mayor, la Torre Pemex y la
Torre Latinoamericana.

•Un edificio alto soporta peor el viento, y en el cálculo de su estructura se
tienen en cuenta las oscilaciones horizontales, tanto por la altura como por
el hecho de que el viento es más fuerte cuanto más nos distanciemos del
suelo.
•Los cimientos deben soportar mucho peso y grandes momentos debidos
a la fuerza horizontal ejercida por el viento. Por ello deben ser anchos y
profundos, y además deben diseñarse de una forma especial para
soportar los sismos.
•La acumulación de una gran masa en la misma vertical puede producir a
nivel geológico y geofísico desequilibrios sismológicos, como los
sucedidos en Taipéi.
En la actualidad la ciudad que posee más rascacielos es Hong Kong con
más de 8000 superando a Nueva York por 2000.

Concebida la estructura como un gran voladizo empotrado en el
suelo, el problema resistente se enmarcaría en el ámbito de la
flexo-compresión para lo cual la resistencia de materiales brinda
en la actualidad soluciones suficientemente acabadas, siempre y
cuando se verifique:
I.- Homogeneidad de la sección
II.- Isotropía del material
III.- Simetría de la sección
Por otro lado, en el edificio en altura los condicionamientos de
circulación y de uso del espacio arquitectónico, normalmente se
desarrolla un tejido de vigas, columnas y placas, interconectadas
entre sí en las tres direcciones del espacio.

En 1885, William Le Baron Jenney, se
convirtió en el padre del rascacielos
moderno. Al proyectar el Home Insurance
Building, un edificio de oficinas de 10
pisos, tuvo la ingeniosa idea de
reemplazar a la mampostería portante por
un armazón de vigas y columnas de acero
sobre los que apoyó los pisos y los muros,
ya sin función, y por ende de mucho
menor espesor.
Esta concepción, que implican tanto un
nuevo concepto estructural como un nuevo
material: el acero traía consigo ventajas
con relación a la construcción con
mampostería portante basadas
principalmente en la reducción de las
secciones brutas de masa estructural:

VENTAJAS DEL ACERO
•Menor interferencia de la estructura con el
espacio arquitectónico.
•Menor peso estructural, por ende
menores cimentaciones.
•Menor masa estructural, por ende menor
costo de materiales.
•Menor masa estructural, por ende menor
costo de mano de obra tanto de
fabricación como de movimiento de
materiales.
•Una forma estructural más adecuada para
resistir cargas horizontales y pensar en
mayores alturas.

Los primeros edificios en altura datan de
finales del siglo XIX. El sistema
constructivo de la época es el de
mampostería portante utilizado en el
Monadnock Building de Chicago, un
edificio de oficinas de 17 plantas
proyectado por los Arqs. Daniel H.
Burnham y John W. Root, construido
entre los años 1889/1891.
En este rascacielos de estructura de
mampostería, las cargas gravitatorias son
conducidas hacia los cimientos a través de
los muros, y las cargas horizontales son
también resistidas por los mismos muros
actuando como pantallas de mampostería.

Por encima de las 20 plantas, se
comienza a necesitar restringir la
deformabilidad horizontal del
pórtico y aparecen como
soluciones el pórtico rígido, el
enmarcado de pórtico con
mampostería y la pantalla de
mampostería. Así se logra
mantener en los límites de
deformación gracias a una
adecuada combinación de dichos
elementos y aparecen los llamados
Rascacielos de Primera
Generación.

En 1909 la MetLife Tower alcanza
los 213 metros, en 1913 la torre
Woolworth alcanzaba con 57 pisos
los 241 metros, y en 1930 se
construyen los dos máximos
exponentes el Chrysler Building de
319 metros y 77 pisos y el Empire
State Building con 381 metros y
102 pisos ambos más altos que la
histórica Torre Eiffel (300 m) de
París. Cabe destacar que todos
estos edificios se encuentran en
servicio en la actualidad, con más
de 70 años de vida.

5. TORRES PETRONAS
Las Torres Petronas, situadas en
Kuala Lumpur, capital de Malasia,
fueron los edificios más altos del
mundo entre 1998 y 2003. Estas
torres cuentan con una altura de
452 mts. Las torres con 88 pisos
de hormigón armado y una
fachada hecha de acero y vidrio,
se han convertido en el símbolo de
Kuala Lumpur y Malasia.

•El arquitecto César Pelli concibió una
base en forma de estrella de ocho
puntas, símbolo islámico que representa
el orden y la armonía; a la que le añadió
una serie de convexidades
semicirculares para ampliar la superficie
útil.
•Los cimientos que soportan las Torres
Petronas son los más profundos del
mundo, ya que el suelo donde se
desplazo este complejo es muy blando;
deben aguantar un peso de 270.000
toneladas por cada una de las dos
estructuras. En ellos debían fijarse unos
macizos pilares a 120 m de profundidad.

•El edificio de 88 plantas
presentaba una inclinación de 2.5
cm con respecto a la vertical hasta
el piso 72 de la torre 1, pero el
ingeniero de estática Charlie
Thornton corrigió el error e inclino
las ultimas 16 plantas hacia el lado
contrario 0.2 cm por piso.
•Entre los pisos 41 y 42, a 170 m de altura, un puente de 400 toneladas de
peso denominado Sky Bridge comunica las dos gigantescas torres. Esta
pasarela descansa sobre unos potentes rodamientos de bolas que
confieren a estas gemelas de concreto, aluminio y vidrio una estabilidad
adicional.

4. INTERNATIONAL COMMERCE CENTRE
El Union Square Phase 7 se localiza en Kowloon,
Hong Kong. Cuenta con una altura total de 484
metros y 118 plantas. Su finalización fue en el año
2010, momento en el que se convirtió en el
segundo rascacielos más alto de China. El
rascacielos cuenta con un hotel de superlujo en las
últimas 15 plantas, siendo el hotel más alto del
mundo.
El edificio se cataloga dentro del estilo
arquitectónico llamado modernismo tardío,
usándose para su construcción principalmente
cristal y acero.

3. SHANGHÁI WORLD FINANCIAL CENTER
Shanghái World Financial Center es un
rascacielos en Shanghái, China el cual es
uno de los más altos del mundo. Su altura
final es de 492 metros y tiene 101 pisos.
En estos momentos es el tercer rascacielos
mas alto del mundo.

La característica más distintiva en el
diseño del edificio es una abertura en la
cima, (originalmente circular de 46 m de
diámetro), para reducir el estrés de la
presión del viento, así como servir de
trasfondo para el diseño. Sin embargo,
este diseño cambio, ya que se
consideraba que era demasiado similar
al símbolo de la bandera japonesa. Se
sustituyó el circulo por un agujero
trapezoidal en la parte superior, que
además sería más barato y más fácil de
aplicar.
Hay tres plataformas de observación en Shanghái World Financial Center.
La plataforma más baja se sitúa en el piso 94 a 423 mts de altura, la
segunda esta en el piso 97 a 439 mts, denominado “Observatorio del
Puente” y la más alta esta en el piso 100 a 474 mts.

2. TAIPÉI
El Taipéi 101 es un edificio que cuenta con
106 plantas (5 pisos subterráneos y 101
por encima del nivel del suelo), ubicado en
Taipéi, Taiwán. La aguja que corona sus
529 metros de altura lo convertía en el
edificio rascacielos más alto del mundo,
superando por 56 metros a las Torres
Petronas de Kuala Lumpur, Malasia. Sin
embargo, el 21 de julio de 2007 fue
superado en altura por el Burj Khalifa.

•Se inició su construcción en 1997 y se terminó en algo más de 6 años.
•Soporta terremotos de hasta 7 grados en la escala de Richter y vientos
de más de 450 km/h.
•La importante capacidad de absorción de movimiento de masas en esta
estructura, reside en un amortiguador de masa formado por una gigante
bola dorada de acero de 680 toneladas de peso compuesta de planchas
metálicas en el piso 92 que se suspende sobre tensores desde su parte
alta y en su base sujeta con bombas hidráulicas, siendo el más grande y
pesado a nivel mundial. Cuando el edificio se mueve en una dirección el
amortiguador lo hace en dirección contraria absorbiendo la energía de
movimiento sirviendo de contrapeso mecánico contra las vibraciones
limitándolas y estabilizando el edificio. Está dividido en 8 segmentos de 8
pisos, y es el único amortiguador que está a la vista del público en
general.

•Además 8 supercolumnas lo sujetan
por la base; construidas en concreto
reforzado y acero, lo abrazan hasta
el piso 26, mientras otras 32
columnas suben hasta la planta 62.
Los cortes en las esquinas
disminuyen la fuerza del viento y una
compleja malla de acero lo abraza
formando un cinturón que hace un
estrechamiento en la parte baja del
edificio y llega hasta la planta 34.
Amortiguador en lo alto del Taipéi
•El ascensor en apenas 37 segundos lleva a 30 personas desde el quinto
piso hasta el piso 89. Posee un sistema de sellado hermético similar al de
un avión para evitar molestias en los oídos a las personas que viajan en él.

1. BURJ KHALIFA
El Burj Khalifa , conocido durante su
construcción como Burj Dubái ( برج دبي
Torre Dubái en árabe), es un rascacielos
situado en el distrito Downtown Bur Khalifa
de la ciudad de Dubái, en Emiratos Árabes
Unidos, y es la estructura mas alta
construida por el hombre con 832 metros
de altura. La construcción comenzó el 21
de septiembre de 2004, y su inauguración
oficial fue el 4 de enero de 2010.

•La planta en “Y” permite garantizar la iluminación natural de los
ambientes y maximizar la vista sobre la ciudad; posibilita construir su
núcleo central de base hexagonal. Este encierra las instalaciones de
distribución vertical, erigidas desde 3 contrafuertes que contra los azotes
horizontales del viento y de la actividad sísmica, se equilibran unos a
otros.
•El examen aerodinámico de la estructura ha inducido una rotación de
120° respecto a la orientación inicial, para una mejor respuesta al efecto
dominante del viento.
•El edificio se aligera desarrollándose en la altura: cada pétalo esta
escalonado con un ritmo sinuoso hacia la altura, provocando una
progresiva transformación de la planta. Este modelo volumétrico sirve
también para impedir la creación de los torbellinos provocados por las
corrientes de aire externas.

•La complejidad del diseño queda reflejada en su construcción. La
estructura, que cuenta con una cimentación de pilotes que alcanzo los 50
m de profundidad. El edificio está construido de concreto reforzado hasta
el piso 155. A partir de esa altura las plantas están construidas de acero,
lo cual las hace más ligeras.
•La composición del concreto ha sido cuidadosamente estudiada y
verificada para garantizar la indispensable resistencia mecánica de las
adversas condiciones climáticas de Dubái con variaciones térmicas desde
la base hasta la cima del rascacielos de hasta 8° C. Una minuciosa
prevención de estas variaciones de temperatura, humedad (-30%) y
densidad de aire (hasta -10%) entre la cota de tierra y los últimos pisos, a
través de datos ofrecidos por satélite, ha permitido a los diseñadores a
experimentar con diferentes posibilidades de equipamiento y de elevada
eficiencia, controlando a su vez el consumo energético.

•El revestimiento externo es de aluminio y
vidrio reflectante y paneles de acero inoxidable.
•Con el objetivo de reducir el espacio ocupado
por las instalaciones de distribución vertical,
pero a su vez garantizando la capacidad
requerida, en el rascacielos están previstos
ascensores en dos alturas de los mas rápidos
del mundo.

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