Bases Teóricas

2.2.1. De los Edificios altos

Por muy sencillo que parezca, muchos autores entre ingenieros, arquitectos y constructores en general no se ponen de acuerdo en definir a un edificio alto; en el pasado siglo XX se tenía la referencia del número de niveles para un edificio alto, siendo entre 15 a 20 plantas los edificios considerados altos. En la actualidad sabemos que esta definición quedo obsoleta ya que se tiene edificios de mayores dimensiones que superan fácilmente este número de niveles. En la figura 2 se nuestra el Centro Sanitario la Paz, en

la ciudad de Madrid de 17 plantas construido en los años 60, a su izquierda se tiene la torre Cristal que a simple apreciación se nota la mencionada referencia.

Figura 2

Izquierda: Torre Cristal. Derecha: el edificio del Centro Sanitario la Paz

Nota: Tomado de https://retokommerling.com/certificacion-energetica-de-edificios/

Al respecto, el Roberto Stark (2018) menciona que“los edificios altos son aquellos cuya altura en promedio están entre 200m a 300m sobre el nivel de vereda exterior, mayor a los 300m encontramos a los denominados edificios super altos, y por encima de los 600m los edificios mega altos”.

En la actualidad, la consideración para definir a los edificios altos es el parámetro de la esbeltez, y que es quizá el aspecto principal a tener en cuenta como parámetro para este tipo de edificios. La esbeltez mide la relación entre la altura medida desde el primer nivel de vereda exterior y el ancho de la base del edificio; este parámetro es importante porque condiciona aspectos relacionados con los efectos de las cargas horizontales (sismo y viento), condiciona también las dimensiones de los elementos estructurales, y por consecuencia las formas arquitectónicas del edificio, así también la funcionabilidad y su estética (Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos [CICCP], 2014).

Si bien cierto la esbeltez nos ayuda a predecir de mejor manera el comportamiento de un edificio alto, hay que distinguir entre los récords y las alturas promedio de los edificios altos. En la figura 3, donde se recogen los datos de los 200 edificios más altos del

actual de los edificios altos, que suelen estar entre los 200 y los 300m, Aunque se han construido, y se están construyendo, edificios por encima de los 800m (incluso en torno a los 1,000 m), estos son en realidad construidos para dar a conocer su poder económico y ego personal tanto de los constructores y propietarios; para este tipo de edificios incluso existe una clasificación que establece el Council Tall Building and Urban Habitat (CTBUH) en la que recoge los edificios con alturas superiores a los 300m que denominamos‘super tall building’(CCICCP, 2014).

Figura 3

200 edificios más altos del mundo

Nota: Tomado de Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos [CICCP], 2014.

2.2.2. Tendencias arquitectónicas de los edificios altos.

Otro de los aspectos importantes en el proyecto de construcción de estos edificios es su forma arquitectónica, tanto por los temas relacionados a la estética del mismo edificio, donde el mayor reto de la ingeniería de estructural es poder desarrollar proyectos

complejos con características estructurales atípicas o no convencionales y que en muchas ocasiones no cumplen con los requisitos básicos de la estructuración (simetría,

simplicidad, uniformidad y continuidad de los elementos estructurales, entre otras) como se aprecia en los ejemplos de la figura 4. Los conceptos de la arquitectura vanguardista dificultan el diseño de la estructura con la metodología convencional que todos

conocemos y que están en las normativas de diseño; la solución entonces dada las condiciones arquitecticas anteriormente mencionadas es poder desarrollar técnicas avanzadas y complejas de diseño estructural como lo son los métodos no lineales de diseño que desarrollaremos más adelante.

Figura 4

Edificio Marina Bay Sands (Singapur), Edificio CCTV China (Beijing, China)

Nota: Tomado de https://es.wikipedia.org/wiki/Marina_Bay_Sands, https://es.wikiarquitectura.com/edificio/sede-de-la-cctv/

2.2.3. Materiales estructurales en los edificios altos

La necesidad de construir edificios“cada vez altos”, tiene como consecuenciala necesidad de buscar materiales más resistentes y a la vez más ligeros que nos permitan tener edificios seguros y con el menor costo económico posible; los materiales

estructurales empleados en la construcción de edificios altos han sufrido notables mejoras de sus propiedades como lo es el concreto de alta resistencia, dejando relegado así al concreto armado con resistencias convencionales.

Hasta el siglo XX, el acero estructural era el comúnmente usado para construir los edificios altos, ya que se aprovechaban sus propiedades resistentes y a la vez ligeros como el edificio John Hancock Center (figura 5), sin embargo, en las últimas décadas es el concreto de alta resistencia es el material que actualmente predomina en la

construcción de los modernos edificios como las Torres Petronas (figura 6). A ellos se suman los concretos especiales como el concreto autocompactante, que se usan para construir elementos estructurales con gran congestión de armaduras de refuerzo, y los concretos ligeros, que se usan para estructuras horizontales con el objetivo de disminuir el peso de la edificación (Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos [CICCP],

Figura 5

John Hancock Center in Chicago, USA (estructura de acero)

Nota: Tomado de https://www.jmhdezhdez.com/2011/05/john-hancock-center-chicago-som.html

2.2.3.1. Concreto de alta resistencia

A inicios de los años 70 se comienza a desarrollar los denominados concretos de alta resistencia. La limitación de resistencias en el concreto convencional estaba establecida en los 50 MPa, resistencia máxima considerada en tiempos por las diferentes normas, y que se podía conseguir con cementos de buena calidad y alta resistencia.

El limitante para obtener concreto de mayores resistencias era la relación agua-cemento, el cual no podía bajar menos de 0.40, fue entonces con la aparición de aditivos la

solución de reducir esta relación y que sea compatible con el puesto en obra, estos aditivos permiten reducir el agua de amasado a valores mínimos necesarios para la hidratación del cemento; se trabajaban entre las relaciones agua-cemento entre 0,25 y 0,30, e incluso inferiores, logrando ampliar la resistencia del concreto por encima de los 70 MPa.

Gracias al concreto de alta resistencia, se pudo remplazar al acero estructural como único material para la construcción de edificios altos, ya que este material presentaba

problemas de la estructura para casos de incendios como fue el caso de las Torres Gemelas de Nueva York tras los atentados del 11-S del año 2001. En la actualidad los edificios más altos del mundo utilizan concreto de alta resistencia como el principal material de construcción, por su alto desempeño, seguridad y economía.

Figura 6

Torres Petronas in Kuala Lumpur, Malasia (concreto de alta resistencia)

Nota: Tomado de https://es.wikipedia.org/wiki/Torres_Petronas

Según el ACI (Instituto Americano del Concreto) considera que el concreto de alta resistencia, es aquel que tiene una resistencia a la compresión mayor a f´c>=420 kg/cm2.

La siguiente ecuación es la expresión que mejor representa la relación que existe entre el módulo el módulo de elasticidad y la resistencia a la compresión del concreto de alta resistencia.

Para f´c<3000 psi

= 57,000 ` ( ) ( 1 )

Mientras que para 3000 psi < fc′ <12,000 psi

= 40,000 ` + 10 ( ) ( 2 )

Aunque también se ha de mencionar que otros estudios han citado su preocupación por que la expresión subestima significativamente el módulo de elasticidad. La figura 7 presenta distintas propuestas por distintos investigadores de la relación entre el módulo de elasticidad del concreto y su resistencia que incorporando datos de hormigón de menor y mayor resistencia. (ACI Committee 363, 2010)

Figura 7

Módulo de elasticidad frente a la resistencia del concreto

Nota: Tomado de (ACI Committee 363, 2010), adaptado por Myers y Yang [2004].

2.2.4. Fundamentos Generales de Diseño Sísmico

La seguridad de una edificación es el factor más importante, y está relacionado con la capacidad de la estructura para resistir las cargas o solicitaciones máximas posibles que puedan ocurrir durante su vida útil, sin incurrir en daños excesivos o en colapso parcial o total de la edificación (Rochel, 2012, pág. 25).

2.2.4.1. Solicitaciones de Diseño Estructural 2.2.4.1.1. Solicitaciones de Resistencia

Toda edificación debe resistir los efectos procedentes de las cargas verticales, viento y sismo; además de las combinaciones más desfavorables de estos (Rochel, 2012).

Los parámetros de resistencia son necesarios al realizar un análisis del tipo no lineal, esta depende de que tan lejos llega a responder la estructura más allá de la deformación que produce degradación.

2.2.4.1.2. Solicitaciones de Rigidez

Las edificaciones deben tener rigidez adecuada a fin de evitar que sus deformaciones excesivas perjudiquen las condiciones de servicio del normal funcionamiento de la misma; además de garantizar el confort de sus ocupantes, también es importante disminuir los daños en los elementos no estructurales e instalaciones (Rochel, 2012).

2.2.4.1.3. Solicitaciones de Ductilidad

Es importan que la estructura tenga una gran la capacidad de disipar energía, ya que durante eventos sísmicos de gran magnitud las fuerzas actuantes sobrepasan a las de diseño y por consecuencia la estructura se ve obligada a deformarse en el rango inelástico; una estructura no dúctil podría sufrir graves daños en su estructura y en consecuencia aumentaría el riesgo de colapsar (Rochel, 2012).

2.2.4.2. Fundamentos especiales del diseño de edificios altos

Las normas de construcciones están dirigidas al diseño de edificaciones típicas, es decir aquellas con sistemas estructuras ya estudiados y donde se puede predecir su

comportamiento sísmico. Para el caso de edificios altos, la estructura resulta desafiante a los efectos de la naturaleza, y que la normatividad actual no contempla consideraciones especiales de diseño estructural, puesto que cada uno de ellos es un caso especial y se requiere entonces un estudio más profundo y análisis de cada uno de sus componentes con el mayor cuidado posible, teniendo en consideración de que cada edificio tiene una respuesta diferente y que los procedimientos de diseño descritas en las normativas no siempre se satisfacen los requerimientos de la estructura. (Feng Fu, 2018, pág. 2) 2.2.4.3. Sistemas estructurales para edificios altos

La estabilidad lateral es el problema principal en los edificios altos, ya que principales cargas laterales a la que están expuestas son las fuerzas sísmicas y la fuerza de los vientos; como el periodo fundamental es más extenso que las de los edificios de mediana y pequeña altura, es conveniente evaluar los dos casos anteriores con la finalidad de poder controlar la estabilidad lateral del edificio alto. En los edificios altos el control de derivas va verificado con el control del desplazamiento lateral donde se requiere que las derivas máximas seas entre un 50% a 60% de la máxima permitida por los códigos de diseño, puesto que un mal control de derivas generará graves efectos de inestabilidad a la estructura (Feng Fu, 2018).

Uno de los factores para elegir el sistema estructural de un edificio alto son la altura y su esbeltez; la primera se determina en función a las fuerzas horizontales que actúan sobre el edificio, la segunda determina la forma de distribución de dichas fuerzas sobre los elementos estructurales.

2.2.4.3.1. Sistema resistente a cargas gravitacionales

Feng fu (2015), menciona que los sistemas resistentes a cargas verticales para los

transferencia y muros de corte. Los muros de corte son principalmente el sistema resistente a cargas laterales, pero también colaboran a resistir las cargas verticales.

Los sistemas de pisos son parte importe para resistir las cargas gravitacionales, estos funcionan de forma similar a los sistemas de pisos de las edificaciones de pequeña y mediana altura, sin embargo, para edificios altos es imperativo reducir su peso para reducir el peso de toda la estructura, esto se puede lograr aplicando un sistema de losas pos-tensadas y concreto ligero en su diseño. (Feng Fu, 2015, pág. 23)

2.2.4.3.2. Sistema resistente a cargas laterales

Actualmente se tiene varios sistemas resistentes a cargas laterales que son aplicados a la práctica constructiva de edificios altos, la tarea del ingeniero estructural es determinar la más adecuada para la edificación que se está diseñando.

Reducir las derivas laterales por efectos sísmicos o de viento es la consideración más importante para seguridad y el confort de los ocupantes de los edificios altos. Un excesivo desplazamiento lateral puede ocasionar la inestabilidad de edificios o también dañar los elementos no estructurales como los muros costina y las instalaciones de servicios dentro del edificio. Es importante entonces verificar los desplazamientos laterales máximos de la edificación y las derivas de entrepiso que podrían ocasionar efectos catastróficos para el caso de un edificio alto (Feng Fu, 2015).

2.2.4.3.3. Pórticos resistentes a momentos

Los pórticos resistentes a momentos son sin duda la primera opción de diseño de un edificio de altura (figura 8). Su funcionamiento se basa en la gran ductilidad lateral que debe poseer frente a cargas, el funcionamiento del sistema de pórticos está basado en el predominio de su resistencia de los elementos a los esfuerzos por flexión, una segunda condición es la suficiente rigidez que debe tener los nudos de las uniones entre las vigas y columnas (CICCP, 2014).

Figura 8

Esquema del sistema pórticos resistente a momentos

Nota: Tomado de Advanced Modelling Techniques in Structural Design, Feng Fu (2015).

2.2.4.3.4. Muros de corte

Feng fu (2015), afirma que los muros de corte son ampliamente utilizados tanto en los edificios altos como en los edificios de baja y mediana altura por su gran capacidad de soporte a cargas laterales; además de soportar las cargas laterales con eficiencia los muros de corte soportan las cargas gravitacionales conjuntamente con las columnas.

En los edificios altos los muros de corte generalmente se ubican en su centro, formando un núcleo en forma de una gran columna central y que es usado generalmente como caja de ascensores y escaleras. (Feng Fu, 2015)

2.2.4.3.5. Pórticos arriostrados

Este sistema es ampliarte usado por los edificios de acero como sistema resistente a cargas laterales, la figura 9 nuestros los tipos de arrostramientos típicos usados en edificaciones de pequeña y mediana altura.

Figura 9

Esquema del sistema pórticos arriostrados concéntricamente

Nota: Tomado de Advanced Modelling Techniques in Structural Design, Feng Fu (2015).

En muchos casos los arriostres están conectados a la cavidad del núcleo central de la caja de ascensores optimizando de esta manera la rigidez lateral del edificio. Las diagonales aportan rigidez lateral principalmente a través de la fuerza axial a la cual se ven

sometidos (Feng Fu, 2015).

Figura 10

Esquema del sistema pórticos arriostrados excéntricamente

Nota: Tomado de Advanced Modelling Techniques in Structural Design, Feng Fu (2015).

Existe dos tipos de pórticos con arriostres claramente identificados, los concéntricamente arriostrados cuya característica principal es que las diagonales están unidas a sistema pórtico en un punto común (viga, columna y arriostre), y los excéntricamente

arriostrados (figura 10), estos se caracterizan por que las diagonales no se unen en un punto común son sistema de pórticos, sino que lo hacen en un tramo intermedio en los elementos viga (Feng Fu, 2015).

2.2.4.3.6. Estructuras tubulares

Los sistemas estructurales tubulares aplicados a edificios altos han demostrado ser las más óptimas para resistir los efectos de flexión y torsión por consecuencia de las fuerzas sísmicas y de viento. El sistema propone sustituir el sistema de pórticos y muros de corte que comúnmente son utilizados para los edificios altos por un sistema de entramados de elementos horizontales y verticales perimétricas cuyas características generales sean similares a las del tubo (CICCP, 2014).

El comportamiento del sistema estructural tipo tubo es que debido a las cargas laterales se generan un incremento de la carga axial hacia las columnas cercanas a las esquinas, y una reducción de la misma en las columnas más alejadas, reduciéndose de esta forma la rigidez (figura 11). El diseño debe limitarse el retraso del cortante y apuntar el

comportamiento estructural similar a la de una viga en voladizo (Feng Fu, 2015).

Figura 11

Comportamiento del sistema estructural tipo tubo

Nota: Tomado del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos [CICCP], (2014)

El sistema estructural tubo en tubo incluye un núcleo interno central que mejora el sistema estructural de tubo tradicional, puesto que mejora la distribución de esfuerzos de flexión. Otra variante es el sistema estructural de tubo múltiple (figura 12) que plantea una solución de distribución de esfuerzos mediante almas intermedias (CICCP, 2014).

Figura 12

Comportamiento del sistema estructural tipo tubo múltiple

Nota: Tomado del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos [CICCP], (2014)

El sistema estructural de tubo arriostrado rigidiza los planos exteriores del sistema

estructural tipo tubo tradicional mediante elementos diagonales, reduciendo los esfuerzos de flexión y torsión y relajando la concentración de esfuerzos axiales en las columnas de las esquinas (figura 13). La cualidad particular de este sistema es que los elementos de arriostre diagonal interfieren con la fachada exterior del edificio, pero se reducen el requisito de la proximidad de las columnas generando el aumento del tamaño de las

Figura 13

Sistema estructural tipo tubo arriostrado

Nota: Tomado del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos [CICCP], (2014)

2.2.4.3.7. Sistema Outrigger

Choi, Goman, Leonard, & Mathias, (2017) mencionan que:

Un sistema outrigger resulta de la combinación de dos sistemas estructurales por medio de un cinturón rígido que unifica a estos dos sistemas para que interactúen de forma conjunta potenciando sus beneficios. Los sistemas que comúnmente son unificados para conformar el sistema outrigger son los muros de núcleo central y el sistema perimetral de marcos perimetrales (sistema tubo).

Los sistemas outrigger surgen con la necesidad de controlar la estabilidad global de los edificios altos, los cuales experimentan un incremento significativo de las fuerzas de volteo como resultado de la carga lateral, donde un sistema típico de muros de corte resulta ineficiente para edificios de esta altura.

Figura 14

(a) esquema de trabajo del sistema outrigger (b) Control de fuerzas de volteo con el sistema outrigger, (c) Interacción de núcleo central - sistema outrigger

(a) (b) (c)

Nota: Tomado de Outrigger Design for High-Rise Buildings, por Choi, Goman, Leonard, &

Mathias (2017)

El análisis estructural para un edificio con sistema outrigger requiere un conocimiento avanzado del funcionamiento del sistema, ya que evaluar la iteración de núcleo central (que funciona como una gran columna central y a la vez como una gran viga en voladizo) con el sistema outrigger, y que depende de la rigidez de cada elemento perimetral (figura 14). Si bien es cierto el sistema ayuda a controlar las deformaciones laterales, las fuerzas resistentes al volcamiento no se pueden estimar arbitrariamente. Otro aspecto importante a tener en cuenta es que el sistema outrriger reduce las fuerzas de volcadura del edificio, pero no reduce las fuerzas de corte de los pisos (Choi, Goman, Leonard, & Mathias, 2017).

2.2.4.3.8. Sistema Diagrid

Moon, Connor, & Fernandez (2007) mencionan que el sistema diagrid, resulta a partir de la idea de construir edificios con pórticos arriostrados que brindan una gran rigidez lateral a los edificios altos. El concepto del sistema diagrid se perfecciona viendo que un armazón en base a triángulos continuos optimizando la repuesta de la estructura tanto a cargas laterales como cargas gravitatorias.

Scaramozzino, Lacidogna, & Carpinteri (2020), mencionan las ventajas estructurales que proporciona el sistema diagrid para edificios altos, son principalmente las que se

menciona a continuación:

(a) Reducción de uso de materia prima para la construcción de los edificios (aproximadamente 20% de ahorro de material).

(b) Alto potencial arquitectónico, permitiendo tener espacios más libres en el interior.

(c) Alta rigidez lateral, permitiendo tener un mejor control de la estabilidad por la baja deformación lateral en comparación con otros sistemas estructurales.

En la actualidad muchos profesionales diseñan los edificios modernos utilizando el sistema diagrid con fines arquitectónicos, donde la fachada exterior es el mismo sistema resistente de la estructura, como resultado tenemos grandes edificios que unifican al ingeniería estructural y arquitectura vanguardista. Por ejemplo, la figura 15 muestra fotografías de Doha Tower el primer rascacielos de concreto reforzado con el sistema diagrid construido en oriente medio (Catar).