Breve charla sobre sistemas estructurales verticales modernos. Parte 2

Hace unos días comencé una plática ligera sobre sistemas estructurales verticales modernos, en un intento de descubrir históricamente, como han llegado tan alto los rascacielos. Cronológicamente hemos llegado a la década de los 60, donde nos topamos con una limitante en cuanto a la seguridad estructural de nuestras edificaciones, siendo el problema principal proporcionar un eficiente soporte lateral a nuestros edificios, y donde los marcos rígidos combinados con muros de cortante, parecen ser la mejor opción hasta el momento, pero que pueden ser muy vulnerables a alturas mayores de los 100 mts, donde los efectos de la presión del viento aumenta rápidamente, y en grandes urbes como las de Estados Unidos, urgía tener edificios cada vez más altos que proporcionaran más espacios para las actividades diarias de las personas sin tener una gran densidad de edificaciones.

Es en este momento que aparece un ingeniero Bangladesh, que después adquiriría la nacionalidad américa, con nuevas ideas que cambiarían viejos paradigmas en la ingeniería estructural, su nombre Fazlur Rahman Khan, Ingeniero Civil por parte de la universidad de Dhaka (Actualmente la Universidad de Ingeniería y Tecnología de Bangladesh), en 1952 viaja a la universidad de Illinois en Estados Unidos, donde en poco más de tres años realizo dos maestrías y un doctorado en ingeniería estructural. ¿Pero que de innovador realizo este genio?

Fazlur Rahman Khan

Figura 1. Fazlur Rahman Khan (imagen tomada de http://drfazlurrkhan.com/)

Estructura en Tubo

De entrada pareciera que no es gran cosa, o que simplemente no es gran ciencia, lo que propone el Dr. Khan, pero de igual forma antes de que Einstein propusiera su teoría de la relatividad, la comunidad de científicos jamás concibió algo similar, algo que hoy para muchos es cosa de todos los días, hasta antes de ser propuesto por Albert Einstein, simplemente no podía ser imaginado, pues de igual forma fue lo propuesto por el Dr. Khan. Y consistió en simplemente reducir considerablemente la distancia entre las columnas del perímetro de la estructura, e interconectar estas columnas con vigas en cada entre piso.

Comparación en planta del sistema tradicional de marcos rígidos (Izquierda) y el sistema en tubo (derecha).

Figura 2. Comparación en planta del sistema tradicional de marcos rígidos (Izquierda) y el sistema en tubo (derecha).

La estructuración en tubo representó una evolución lógica de las estructuras convencionales, reúne la rigidez lateral necesaria, con excelentes cualidades de torsión, así como conservando la flexibilidad de proyecto la cual queda aislada interiormente debido a la acción de las columnas.

La primera estructura en usar este sistema fue el edificio de departamentos “Plaza on DeWitt” ubicado en la ciudad americana de Chicago, diseñado por el Dr. Kahn y sus colegas del Skidmore, Owings & Merrill (SOM) fue un estándar en diseño que rápidamente se convirtió en el sistema a usar por todas las edificaciones de la época.

“Plaza on DeWitt” primer edificio en usar el sistema en Tubo del Dr. Khan

Figura 3. “Plaza on DeWitt” primer edificio en usar el sistema en Tubo del Dr. Khan

 Tubo Atado

Una variación de la estructura en tubo es el “Tubo atado”, donde se aumenta ligeramente la separación entre las columnas exteriores, pero se arriostra las columnas para compensar dicha separación, pareciendo de esta forma que se está atando el tubo (muros de concreto armado, en estructuras de concreto o tensores en acero).

El John Hancock Center es un claro ejemplo de estructura de tubo atado, con una altura de 344 mts, es un rascacielos, ubicado en 875 Norte de la Avenida Michigan en Chicago, Illinois, Estados Unidos. Construido bajo la supervisión de Skidmore, Owings y Merrill, con el diseñador en jefe de Bruce Graham y obviamente el diseño estructural del Dr. Khan. El edificio se terminó el 6 de mayo de 1968.

John Hancock Center, ejemplo de estructura tipo “tubo atado”, variante del Dr. Khan, de la estructura en tubo

Figura 4. John Hancock Center, ejemplo de estructura tipo “tubo atado”, variante del Dr. Khan, de la estructura en tubo.

Estructura Tubo en Tubo

Llegando a los 80´s se propone el sistema de tubo en tubo, es decir, si un sistema de tubo incrementa considerablemente la rigidez del edificio, pues 2, incrementaran aún más la rigidez, y si colocamos un tubo dentro del otro tendremos una gran resistencia a la flexión lateral del edificio y a la torsión del mismo.

Concepto de estructura Tubo en Tubo.

Figura 5. Concepto de estructura Tubo en Tubo. En este punto ya visualizamos la estructura como un elemento único, como una enorme viga en cantiléver vertical.

Un buen ejemplo latente de este sistema fue usado en el edificio “780 Third Avenue” un edificio de oficinas hecho de concreto armado, ubicado entre las calles 48 y 49, de la ciudad de New York y terminado de construir en 1984, con 50 pisos, el exterior es un sistema de tubo, y en su interior cubriendo la zona de elevadores, tiene un núcleo de concreto, que hace las veces del segundo tubo, lo que a su vez permite que el sistema de piso, interconectado con los dos tubos, no requiera de columnas intermedias, proporcionando grande espacios libres.

780 third avenue, con sistema "Tubo en tubo"

Figura 6. 780 third avenue, con sistema «Tubo en tubo».

 

Sistema Multitubo

Si dos tubos son mejores que uno, entonces 3, 4, 5 o más son mejores para incrementar la rigidez, de ahí parte la idea del sistema Multitubo, colocando varios tubos y atándolos todos juntos para mejorar las condiciones estructurales. En este punto este sistema permitió llegar mucho más alto y con un pequeño plus para los amigos arquitectos, ya que introduciría una nueva forma de ver los edificios, ya que, al combinar deferentes alturas para cada tubo, se puede dar una experiencia fuera de los típicos edificios cuadrados o redondos en el mejor de los casos.

Concepto del sistema estructural Multitubo, también llamado Sistema de Tubo Celular.

Figura 7. Concepto del sistema estructural Multitubo, también llamado Sistema de Tubo Celular.

Un gran ejemplo de este sistema en la realidad es la Torre Willis, más comúnmente conocida como la Torre Sears, la cual es la primera edificación en usar este sistema estructural. Ubicado en la ciudad de Chicago, Illinois y con una altura de 442 mts de altura. Con la colaboración del arquitecto Bruce Graham y el Dr. Khan, se diseñó un edificio con nueve tubos cuadrados ayudando así a alcanzar los 108 pisos de altura.

Torre Sears, edificio con sistema “Multitubo”

Figura 8. Torre Sears, edificio con sistema “Multitubo”.

 

Sistema Outrigger

El sistema Outrigger o también conocido como de plantas voladas, trata de usar un núcleo de columnas que ayudan a la estabilidad y la rigidez lateral de la estructura y plantas a modo de volados que ayudan a estabilizar la estructura, se hace la analogía al sistema de aparejos que se extiende de algunas embarcaciones y que ayudan a la estabilidad de la misma, es de hecho de ahí que surge el concepto de Outrigger.

El Outrigger se refiere a los estabilizadores laterales que se aprecian en la fotografía, que le dan más estabilidad a la embarcación, dicho concepto se trasladó a los edificios altos.

Figura 9. El Outrigger se refiere a los estabilizadores laterales que se aprecian en la fotografía, que le dan más estabilidad a la embarcación, dicho concepto se trasladó a los edificios altos.

Si bien el sistema de plantas voladas o mejor conocido como outrigger, se encuentra en uso desde hace casi 30 años y es para los que saben la mejor opción para llegar más alto en los edificios, aún hay un grupo de detractores, sobre la eficiencia de este sistema, donde como menciono en el párrafo anterior, el concepto funciona cuando colocamos un núcleo bastante rígido, que sirve como columna vertebral del edificio, de cual, a cada tantos pisos, se extiende hasta el perímetro externo del edificio, plantas bastante rígidas, que en primer lugar sirven como enormes estabilizadores, talvez no sea muy buena la analogía, pero imaginemos cuando una persona camina sobre una cuerda, para mantener el equilibrio, extiende sus brazos.

Y segundo, al interconectar los extremos de estas plantas con las inmediatas superiores e inferiores, se crean ligas, que cuando el edificio se flexione, estas trabajaran a tensión o compresión, según sea el movimiento del mismo.

Descripción del concepto de plantas voladas u Outrigger

Figura 10.Descripción del concepto de plantas voladas u Outrigger.

Actualmente el sistema es usado en todas partes del mundo, y el actual portador del título del edificio más alto del mundo, el Burj Kalifa con sus impresionantes 828 mts de altura, con el Arq. Adrián Smith como diseñador principal y el estudio Skidmore, Owings and Merrill (SOM) como responsables de la estructura hacen uso del sistema de plantas voladas, en esta joya de la ingeniería civil ubicado en Dubai.

Burj Kalifa, edificio más alto del mundo, cuenta con el sistema de plantas voladas u Outrigger, y fue diseñado con la colaboración de la firma del hoy finado Dr. Khan.

Figura 11. Burj Kalifa, edificio más alto del mundo, cuenta con el sistema de plantas voladas u Outrigger, y fue diseñado con la colaboración de la firma SOM.

 

Si bien este, es talvez una escueta explicación sobre los sistemas modernos de construcción y que posiblemente existen otros sistemas, espero les dé un panorama y una guía para entender mejor de donde viene la ingeniería estructural y hacia donde va. Cuando su servidor estudio la licenciatura, aprendió que “una estructura es un conjunto de elementos que unidos entre si es capaz de soportar cargas externas para transmitirlas al suelo, a través de su cimentación”, es decir veíamos a las estructuras como elementos aislados que se juntan y forman un edificio, el día de hoy el concepto cambia, donde, si bien aún se deben estudiar cada elemento por separado, también debemos estudiar a todo el edificio como un solo elemento.

Nos vemos hasta la próxima y que el Dr. Fazlur Khan Vigile sus diseños.

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