LOS EDIFICIOS DE HORMIGÓN GANAN ALTURA Revista Cemento

LOS EDIFICIOS DE HORMIGÓN GANAN ALTURA
Revista Cemento Año 4, Nº 18
En la antigüedad, al hablar de edificios altos, inmediatamente se
los asociaba con una estructura en acero. Actualmente, esto no
sólo no es así, sino que además, se ha revertido esta tendencia. En
este trabajo se presentarán las razones de esta aseveración y los
beneficios de utilizar el hormigón como el material para la
estructura principal de los edificios altos.
En los primeros años de la década de 1970, se dieron cambios muy
importantes para la industria del hormigón, los cuales permitieron que
éste cobrara tal importancia que se lograra en forma inmediata la
construcción de edificios con el doble de altura de los que había hasta ese
momento, pasando de alturas de 150 m a 300 m (Fig. 1). En este
artículo se presentarán los diferentes sistemas estructurales, así como las
ventajas y desventajas de utilizar una estructura de acero u hormigón
como material principal; por último, se presentarán dos ejemplos de los
edificios más altos del mundo en los que se utilizó una estructura de
hormigón armado.
SISTEMAS ESTRUCTURALES
El desarrollo de diferentes esquemas de estructuración ha permitido el
poder diseñar y construir edificios cada día más altos. Este factor, aunado
con el mejoramiento de las resistencias que actualmente se pueden
obtener en los hormigones llamados de "alta resistencia" y el desarrollo en
las técnicas de diseño, ha logrado que en los últimos 25 años se puedan
construir edificios de hormigón de 125 niveles y con alturas del orden de
los 500 m.
En la próxima ilustración se muestran los diferentes sistemas
estructurales utilizados en la actualidad, asociados con su correspondiente
rango de altura. A continuación se describe (Fig. 2) cada uno de ellos:
Interacción marco - muro
Este sistema permite lograr estructuras de hasta 70 niveles; en él, la
función de los muros es importante para controlar los desplazamientos
laterales, sobre todo en los pisos inferiores.
Tubo
El número de pisos que se pueden alcanzar con este sistema es de 75,
además de que se obtiene una distribución de cargas uniforme en las
columnas extremas o de fachada. El comportamiento general de la
estructura es de un gran cantilever. (Fig. 3).
Tubo en tubo
Aunque este sistema es una variante del anterior, con éste se logran
estructuras de aproximadamente 90 niveles. El comportamiento de este
sistema se basa no sólo en las columnas y vigas extremas, sino en un
subsistema estructural y una acción conjunta entre los diferentes sistemas
tubo.
Módulos de tubo
Este sistema nos permite combinar- mediante la geometría de la
estructura - soluciones que dan como resultado estructuras de cerca de
los 100 niveles.
Tubo con contraventeo en la fachada
Como ya se ha mencionado, una solución estructural que permita
restringir los desplazamientos, permite disminuir los efectos P-∆. Este
sistema es muy eficiente para este fin, obteniéndose edificios cercanos a
los 120 niveles. (Fig. 4).
Megacolumnas con muros de cortante
Con este sistema, lo último en estructuración, se provee al edificio de
columnas con una gran sección y un muro central, que, en conjunto,
proporcionan una solución que sobrepasa los ciento veinticinco niveles.
(Fig. 5).
Los sistemas antes mencionados utilizan vigas de transferencia entre la
zona central, formada por muros de hormigón y las columnas exteriores
(Fig. 6). Las vigas de transferencia unen los elementos antes
mencionados en diferentes niveles, creando una participación de las
columnas extremas a la resistencia lateral del sistema. Asimismo, se logra
un aumento en la rigidez lateral de un 30 % a un 40 % y una reducción
en el momento de volteo.
Estudios realizados (ref. 2) muestran que la localización óptima de estas
vigas de transferencia es a 2/3 partes de la altura total del edificio, y el
comportamiento de la estructura mejora en forma proporcional al número
de vigas de transferencia que se coloquen; sin embargo, después de tres
niveles, el beneficio se vuelve marginal, como se muestra en las Fig. 7, 8
y 9.
HORMIGONES DE ALTA RESISTENCIA
Se consideró primordial asignar una sección para el tema de hormigón de
alta resistencia.
El desarrollo de los edificios altos de hormigón no se hubiera logrado sin la
sistematización de nuevas tecnologías que permiten aumentar en forma
importante la resistencia a la compresión del hormigón. En los años
setenta, la obtención de hormigones de 300 kg/cm2 a 400 kg/cm2 era casi
una misión imposible, pero, en nuestros tiempos, en el campo de los
edificios altos es muy común diseñar con hormigones cuyas resistencias
oscilan entre 800 kg/cm2 y 1200 kg/cm2.
El aumento en la resistencia a la compresión del hormigón no sólo mejora
la resistencia de los elementos, también disminuye el acortamiento debido
a la contracción de la longitud de los elementos verticales y, con ello, el
problema de acortamiento diferencial entre estos últimos. Al aumentar la
resistencia a compresión del hormigón también aumenta el módulo de
elasticidad, por lo tanto disminuyen los desplazamientos laterales bajo
fuerzas de viento o sismo.
El utilizar hormigones de alta resistencia nos permite tener elementos con
porcentajes de acero cercanos al mínimo, lo que redunda en un ahorro en
acero de refuerzo y facilita el colado de los elementos y de sus
conexiones.
Además, el uso de hormigón de alta resistencia da como resultado
elementos con dimensiones menores y en el caso de las columnas, un
área rentable mayor.
CONSIDERACIONES ESPECIALES
Por la magnitud de estas estructuras, algunos efectos que en edificios de
poca altura son despreciables, se convierten en importantes y por lo tanto
deben evaluarse para evitar fallas. Entre estos efectos sobresalen los
siguientes:
Efectos P- ∆
Es muy importante controlar los desplazamientos laterales y mantenerlos
a un nivel bajo, de lo contrario tendremos momentos flexionantes
adicionales de consideración que pueden volver incosteable el proyecto.
De acuerdo con la evaluación de los sistemas estructurales, la rigidez
lateral es la propiedad dinámica que debemos aumentar para lograr lo
arriba descrito.
Acortamiento diferencial de columnas
Por su naturaleza, el hormigón sufre cambios volumétricos que en edificios
mayores de 40 pisos, pueden representar un problema si no se les evalúa
adecuadamente.
El efecto del cambio volumétrico genera problemas como pisos desnivelados, mal funcionamiento del equipo mecánico y fuerzas adicionales en
los elementos de unión entre columnas.
Como consecuencia de lo anterior se genera agrietamiento en muros
divisorios, agrietamiento en acabados, rotura de instalaciones y fallas
estructurales en las vigas.
La contracción de las columnas se debe principalmente al acortamiento
elástico, a la contracción y al relajamiento de los materiales.
Los parámetros principales que influyen en la deformación por contracción
y relajamiento son las características del cemento y la cantidad, así como
las características de los agregados.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN
FRENTE A LAS DE ACERO
Como se mencionó al principio, el hormigón ha ganado mucho terreno en
los últimos años hasta convertirse, hoy día, en el material más utilizado
como elemento estructural en edificios entre 40 y 70 niveles y una opción
para edificios de hasta 130 niveles.
La pregunta que surge es la de conocer las causas que han hecho esto
posible y cuáles son las que limitan este crecimiento con respecto a las
estructuras de acero. Entre las ventajas de las estructuras de hormigón
podemos mencionar:
Gran rigidez lateral
Las estructuras de hormigón - especialmente las que son coladas en sitio tienen secciones masivas en comparación con su equivalente en
estructuras de acero, considerando el criterio de diseño por resistencia.
En general, las estructuras de hormigón tienen la suficiente rigidez para
satisfacer los criterios de desplazamiento lateral de entrepiso cuando son
dimensionadas por los criterios de resistencia; a su vez, las estructuras
metálicas necesitan aumentar sus secciones para satisfacer este criterio.
Mayor masa
Contrario a lo que se pueda pensar, el tener mayor masa es, por lo
general, un beneficio en la economía global de la estructura.
Para edificios de dimensiones y carga comparables, la masa de las
estructuras de hormigón es de 50 % a 70 % mayor que sus similares de
acero.
En consecuencia, las fuerzas sísmicas y la cimentación se incrementan;
sin embargo, en general para el caso de los edificios altos, estos factores
comparados con la condición de las fuerzas generadas por viento no son
tan representativos, aunque en cada caso deberán analizarse todas las
posibles alternativas de solución estructural y en base a esto determinar
la mejor solución.
La ventaja principal de utilizar hormigón como material de la estructura es
la de reducir la aceleración lateral por efectos de viento. Al aumentar la
masa, aumenta el periodo y disminuyen las fuerzas por viento,
aumentando la comodidad de los ocupantes de los edificios.
En el caso específico de la torre Sears (una estructura de acero) en
Chicago, durante los días de fuerte viento prácticamente produce malestar
a los que trabajan en los pisos superiores; para conjurar este problema se
debe aumentar la masa, con el consiguiente aumento en el costo de la
estructura.
Amortiguamiento
Es bien sabido que las estructuras de hormigón generan un mayor
amortiguarniento que las estructuras de acero.
Para los movimientos laterales de consideración que se presentan en
condiciones de tormenta, los valores del amortiguamiento que se utilizan
son del uno por ciento, en marcos de acero, y del dos por ciento, en
marcos de hormigón.
En este rango de amortiguamiento, prácticamente la respuesta del edificio
es directamente proporcional a la variación del amortiguamiento, por lo
cual esta diferencia da como resultado una mayor economía en las
estructuras de hormigón y mayor comodidad.
En pruebas realizadas con el túnel de viento, se ha comprobado que para
obtener un nivel de confort aceptable en una estructura de acero, ésta
debe contar con la rigidez lateral equivalente a una estructura de
hormigón.
Para conseguir lo antes mencionado, se necesitaría aumentar la rigidez o
proveer a la estructura de acero de dispositivos de amortiguamiento
externo, como en las torres gemelas en Nueva York, y en cuyo caso el
costo se ve afectado significativamente.
Rigidez de la estructura
En las estructuras de hormigón, al satisfacer los requisitos por resistencia
prácticamente se está cumpliendo de manera automática con las
condiciones de rigidez lateral.
En el caso del acero, por lo general se deben aumentar las secciones
estimadas, utilizando el criterio por resistencia para cumplir con el
desplazamiento lateral permitido.
Simplificación de los métodos constructivos
Las estructuras de hormigón nos ofrecen una gran facilidad en sus
conexiones y, si se opta por colar primero la estructura e ir avanzando
posteriormente con las losas de piso, los colados se simplifican
notablemente.
Reducción de las dimensiones de los elementos
Antiguamente, este aspecto constituía una desventaja notable para las
estructuras de hormigón; más, hoy día, con el uso de hormigón de alta
resistencia se pueden lograr reducciones notables en este campo; no sólo
se aumenta la resistencia de los elementos, sino también su rigidez, ya
que el módulo de elasticidad cambia con una relación casi proporcional. En
caso contrario, el módulo de elasticidad del acero estructural no varía con
la resistencia a la fluencia del material.
EJEMPLOS DE EDIFICIOS ALTOS DE HORMIGÓN
Entre los ejemplos más importantes podemos mencionar los siguientes:
Las Torres Kuala-Lumpur
En las Figuras 10,11 y 12 se muestran las características de la
estructura. Se trata, en esencia, de una estructura de 95 niveles con una
altura de 452 m. Su estructura es a base de elementos de hormigón que
forman un tubo exterior y una zona rígida central integrada por una serie
de muros en la zona de servicios; los dos sistemas estructurales están
unidos por vigas de transferencia.
Torre Miglin Beitler
Esta torre (Fig.6) será el edificio más alto del mundo, con una altura total
de 609 m. Su estructuración es a base de megacolumnas, conectadas por
medio del diafragma de piso a un cubo central de servicios, compuesto de
muros de cortante. (Fig. 13 y 14). En este edificio se utilizaron tres
niveles de vigas de transferencia (Fig. 15). Como se indicó
anteriormente, la respuesta de la estructura utilizando tres o más vigas de
transferencia es casi igual; sin embargo, en ocasiones se utiliza un mayor
número con la finalidad de tener más redundancia en el sistema y un
menor porcentaje de acero.
REFERENCIAS
1. Tall Building Structures: A World View.Council on Tall Buildings and
Urban Habitat, Lehigh University. Proceedings of 67th Regional
Conference. April 15-18, 1996, Chicago, Illinois.
2Xiaoxuan Qi, Shuang Chen. Design Issues Associated with
Outriggers in Concrete High Rise Buildings. Pag. 255 - 264. Proceedings of
67th Regional Conference, April 15-18, 1996, Chicago, Illinois.
Extractado de "Construcción y Tecnología" Nº 103.