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El concreto de alta resistencia en la edificación |
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| Resumen: El notable incremento en la resistencia del concreto alcanzado en los últimos años le ha permitido ir desplazando progresivamente al acero en la construcción de edificios altos. Las estructuras que aquí se describen así lo demuestran, y su análisis ha llevado al autor a concluir criterios aplicables a futuros proyectos. Hasta hace unos 20 años, y desde la irrupción de los rascacielos dentro del paisaje urbano, la estructura metálica ha sido la tipología fundamental por lo que se refiere al material constituyente de la misma. Sin embargo, el empleo del concreto como material base en las estructuras de los edificios altos se ha incrementado notablemente en los últimos años. El principal factor que ha permitido esta evolución ha sido el incremento producido en las características mecánicas del mismo. Valores entre 60 y 80 MPa son actualmente fáciles de obtener, y con una dosificación aún más estudiada, junto a las adiciones de humo de sílice, se pueden alcanzar valores superiores a los 80 o 100 MPa. Un dato objetivo que confirma el hecho comentado en el párrafo anterior se obtiene del análisis de la relación de los "100 edificios más altos del mundo" (Council on Tall Buildings and Urban Habitat, 1998). Entre éstos se encuentran 17 construidos en los años setenta, 27 en los ochenta y 42 en los noventa. Los porcentajes de edificios construidos con estructura de acero, concreto o mixta. Como puede apreciarse, se produce no sólo un descenso del porcentaje de edificios construidos con estructura metálica y un aumento de los de estructura de concreto, sino que el número de estos últimos llega a ser superior al de los primeros. Fuera de este ámbito de construcciones privilegiadas, como se podrá comprobar más adelante, también se reproduce este hecho. El concreto de alta resistencia (en adelante CAR) puede considerarse un tipo particular de concreto de alto desempeño (en adelante CAD). En éste no sólo puede ser la alta resistencia una de sus características, sino también la superior durabilidad. En el caso que nos compete, en su aplicación a las estructuras de edificios altos son, sin embargo, su mayor resistencia y las consecuencias que de ella se derivan el parámetro más significativo. Es por ello por lo que en el presente artículo nos referiremos siempre al primero (CAR), aunque también lleva implícita la mejora de otras características propias de este material. A pesar de la tendencia indicada en el campo de los edificios altos, en España las realizaciones con este tipo de material se reducen al edificio "Natura Playa", en Alicante, cuya estructura se encuentra constituida con un concreto tipo H-700 en columnas y otro, tipo H-250, en entrepisos. El objetivo fundamental del presente documento es mostrar algunas de las últimas realizaciones internacionales en este campo estructural, así como obtener algunas conclusiones que permitan incrementar nuestro conocimiento del mismo y contar con unos criterios avalados por la experiencia, aunque sea ajena. Comparación con otros materiales Las alternativas que se plantean habitualmente en este tipo de edificios son la estructura metálica y la constituida con CAR, entendiendo por éste el que alcanza una resistencia característica superior a los 50 MPa. De esta última se pueden subrayar las siguientes ventajas frente a la primera: § Mayor rigidez y, por tanto, mejor comportamiento ante acciones horizontales. § Mayor amortiguamiento intrínseco. § Menor costo del material. § En algunas ocasiones, condicionantes locales y de mercado dificultan el acceso a elementos metálicos en la cantidad necesaria; los materiales constitutivos del concreto prácticamente siempre están accesibles con la calidad mínima requerida. § Más fácil conservación, sobre todo en estructuras expuestas a la acción de los agentes medioambientales. § Mejor comportamiento ante la acción del fuego. Frente a estos argumentos, la tipología metálica puede esgrimir, básicamente, una mayor rapidez de ejecución. Una tercera alternativa, en realidad una variante de la del CAR, es la estructura de concreto normal, entendiendo por tal aquél cuya resistencia característica es igual o inferior a 50 MPa. Sin embargo, y aunque en el proyecto y ejecución de edificios altos se está empleando este tipo de concretos, los primeros presentan frente a ellos las siguientes ventajas: § Las secciones de las columnas (elementos dimensionados, básicamente, frente a esfuerzos de compresión) son más reducidas. § Su módulo de deformación es más elevado y, por tanto, tienen un menor acortamiento debido a esfuerzos axiales. § La deformación de los elementos estructurales horizontales (vigas y entrepisos), para un mismo peralte, es menor. § El peso propio global de la estructura es inferior, pudiendo suponer cierta reducción de la cimentación. § El plazo de ejecución de la obra se puede ver reducido al permitir menor tiempo de encofrado, tanto de elementos horizontales como de muros y columnas. § Aumento de la vida útil de la estructura del edificio. El incremento de la resistencia característica del concreto lleva asociada una mayor capacidad y, por tanto, una mayor resistencia ante el ataque de agentes agresivos externos al mismo. Frente a estos argumentos, el "concreto normal" presenta un mejor conocimiento tecnológico (dosificación, comportamiento a mediano y largo plazo, ...) y un precio unitario inferior, si bien el costo total de la estructura no se reduce en la misma proporción que éste, ya que los volúmenes de concreto empleados son superiores. Realizaciones internacionales La distribución geográfica de este tipo de construcciones se encuentra centrada en tres zonas: Norteamérica (fundamentalmente Estados Unidos), Europa occidental y Sureste asiático. Aunque en la primera se produjeron las realizaciones iniciales y en la segunda se continuaron sus pasos con algunos años de retraso, es en el continente asiático donde se están desarrollando los últimos proyectos. A continuación se hará una descripción de la estructura de cada uno de los edificios seleccionados, así como un comentario de algunos aspectos particulares de la misma. South Wacker Drive Este edificio, situado en Chicago y acabado en 1990, tiene 65 plantas y una altura de 293 m. La disposición de su planta varía a lo largo de su altura, siendo un hexágono irregular en las inferiores y un octágono en las superiores, tal y como puede apreciarse en la figura 1. Antes de optar por una solución estructural se plantearon tres alternativas: § Estructura general del edificio muestra de acero y concreto, con el núcleo central compuesto por muros de concreto armado. § Estructura completa de concreto armado. § Pórticos de estructura metálica con un núcleo central rígido de concreto armado. Por razones técnicas y económicas se eligió la segunda solución. La cimentación está constituida por una losa de 2.40 m de espesor, situada sobre 26 pilotes con diámetros entre 1.80 y 2.10 m, empotrados en el lecho de roca 1.80 metros. El núcleo central está formado por muros que forman una "C" o una "I" en planta. Los espesores de los mismos varían, según la altura, entre 0.76 y 0.46 m para las almas, y entre 0.91 y 0.30 para las alas. El entrepiso está constituido por vigas de 14.6 m de longitud, sobre las que se sitúan vigas pretensadas prefabricadas con unos claros de 5.80 y 10.00 m. Estas últimas soportan una losa de 0.12 m de espesor colado in situ. Para disminuir los efectos diferenciales de retracción y fluencia que pudieran producirse sobre las columnas, se han distribuido de tal forma que la carga y las tensiones a las que se encuentran sometidas sean aproximadamente iguales. El concreto empleado es variable en función de la altura a la que se encuentre el elemento estructural, disminuyendo su resistencia de proyecto a medida que se asciende. Los tipos empleados son los siguientes: § Columnas: 84 MPa en las 13 plantas inferiores; 42 MPa en la planta más elevada, disminuyendo progresivamente entre ambos límites. § Muros (núcleo central): 64 a 56 MPa. § Entrepisos: 63 MPa en las plantas inferiores; 52.5 MPa en las plantas superiores. Sobre las armaduras de acero dispuestas en las secciones de concreto debe indicarse que en las plantas de sótano, y en todos aquellos elementos estructurales que pudieran verse sometidos al ataque de agentes químicos o sales anticongelantes, se encontraban protegidas mediante un baño de resina epoxi. Nations Bank Corporate Center Este edificio, terminado de construir en 1992, se encuentra en Carlotte, North Carolina, EUA. Tiene 65 plantas y una altura de 265 m. Las dimensiones de su planta baja son las de un cuadrado de 52 m de lado, variando su forma con la altura hasta llegar a otro de 9 m de lado en las últimas plantas (foto 1). El esquema estructural responde a un núcleo central formado por muros de concreto y una corona perimetral de columnas en la fachada del edificio. Estas columnas, tal y como se aprecia en la figura 2, tienen una disposición de "tubo" hasta la planta 13ª, cuatro pórticos unidos por esquinas varían entre las plantas 13ª y 43ª, y cuatro pórticos independientes entre las plantas 43ª y 60ª. El reparto de esfuerzos entre ambos tipos de elementos verticales es tal que el núcleo central soporta, básicamente, los esfuerzos cortantes debidos a viento y sismo, mientras las columnas absorben, fundamentalmente, esfuerzos axiales de compresión. Los columnas perimetrales, como se puede ver en la planta tipo de la figura 3, están separados unos 3,00 m, variando su sección entre 0.60 × 0.95 m en las plantas inferiores y 0.60 × 0.60 m en las superiores. Los muros del núcleo central varían sus dimensiones, igualmente, entre 0.60 × 5.50 y 0.60 × 0.90 metro. El entrepiso está constituido por vigas de 0.45 m de canto y hasta 14.60 m de claro, separadas 3.00 m, sobre las que se cuela una losa de 0.12 m de espesor. La cimentación tiene una doble tipología, estando formada por una losa de 25 × 28 × 2.5 m bajo el núcleo central y por cajones circulares de entre 1.40 y 1.80 m de diámetro y de 9 a 30 m de profundidad bajo las columnas perimetrales. En este edificio, debido a su altura y distribución de elementos estructurales verticales, se ha estudiado especialmente el acortamiento diferencial de las columnas debido a los esfuerzos elásticos axiales, la retracción y la fluencia del concreto. Las columnas perimetrales, cuando no se produce una acción importante del viento (y aunque los esfuerzos derivados del mismo los absorba principalmente el núcleo central), reciben un esfuerzo axial menor que los del citado núcleo y, por tanto, tienen un acortamiento inferior. Para reducir este efecto, las columnas centrales se ejecutan ligeramente más altas que las perimetrales, colando la losa del entrepiso con una leve pendiente (en concreto, y a modo de ejemplo, en la planta 40a las columnas centrales 2.50 cm más altas que las perimetrales). Las vigas radiales se dimensionan teniendo en cuenta el asentamiento diferencial que se produce entre sus nudos extremos. La resistencia de proyecto del concreto es la siguiente: § Columnas y vigas perimetrales: 55 MPa a 40 MPa (disminuyendo a medida que se asciende en el edificio). § Vigas centrales y entrepiso: 35 MPa (concreto ligero). Bay-Adelaide Center Este edificio, situado en Toronto, fue inaugurado en 1990. Tiene 57 plantas y 275 m de altura. Su planta es rectangular (figura 4), finalizando con un pináculo piramidal sobre las plantas destinadas a oficinas. El esquema estructural está formado por un núcleo central de concreto y un pórtico perimetral metálico, estando constituido el entrepiso por una sección mixta (losa de concreto sobre vigas metálicas). Los muros longitudinales tienen un espesor de 0.65 m, los finales (alas) de 0.30 m y los internos de 0.25 metro. El concreto tiene una resistencia de proyecto máxima de 85 MPa, mientras que el límite elástico del acero empleado en la estructura metálica es de 450 MPa. Si en un edificio con núcleo central y columnas perimetrales de concreto, debido a los esfuerzos axiales, a la retracción y a la fluencia, se presentan diferencias en el acortamiento de los elementos estructurales verticales, en éste, con núcleo de concreto y soportes metálicos, el problema puede agravarse. La citada diferencia de acortamiento alcanza el valor de 85 mm. Para reducir el efecto negativo que el mismo puede tener sobre el edificio a mediano y largo plazo, se adoptó como solución el montaje de las columnas a una cota ligeramente distinta que el nivel del núcleo central en la misma planta. Edificio de la Banca de la Agricultura y la Industria Este edificio, situado en Perth (Australia) y construido en el primer lustro de los años noventa, tiene 207 m de altura y 48 plantas. Se ha incluido dentro del área norteamericana por la influencia de la cultura anglosajona en este país-continente. Su esquema estructural, como se puede apreciar en la figura 5, siguiendo la planta triangular del edificio, dispone un núcleo rígido formando una "L" en la esquina correspondiente al ángulo recto, una alineación de columnas en la fachada situada en la hipotenusa y dos soportes interiores, todo ello de concreto. Las columnas de la fachada, de sección cuadrada de 1.30, 1.20 y 1.14 m de lado en las plantas inferiores y circular (anular) de diámetro 0.50 m por encima de la planta 33ª, están constituidos por concreto, con resistencia de proyecto entre 65 MPa en las plantas inferiores y 25 MPa en las super¡ores. El núcleo central, por lo que respecta a la resistencia de proyecto del concreto, sigue una evolución similar, variando entre 40 y 25 MPa. El espesor de los muros decrece entre 0.45 y 0.25 m según se asciende en el edificio. La cimentación está constituida por pilotes de 1.50 m de diámetro, con 30 m de longitud y empotrados 2.90 m en el terreno que ha de recibir las cargas. Edificio Trianon El número de plantas de este edificio es de 48 sobre rasante y cuatro sótanos, con una altura de 186 m sobre aquélla y 19.61 m bajo la misma. Su planta es, básicamente, triangular, con cierta irregularidad en los vértices. Se encuentra en Frankfurt y su proceso de proyecto y construcción se desarrolló durante los últimos años de la década de los ochenta y primeros de la de los noventa (foto 2). Su esquema estructural, como puede apreciarse en la figura 6, está formado por un enrejado de concreto en la fachada, tres núcleos exteriores en los vértices, tres núcleos triangulares interiores y tres columnas principales, también interiores. El enrejado o pórtico de fachada, que se puede observar en la foto 3 durante la construcción del edificio, está formado por columnas de 0.54 m de ancho (dirección paralela a la fachada), con una distancia entre caras de 1.40 m, siendo su fondo (dirección normal a la fachada) de 0.33 a 0.53 m según la altura del mismo. Las vigas que unen estas columnas tienen 0.30 m de ancho y un canto entre 0.50 y 1.11 metros. El entrepiso está constituido por una losa de concreto de 0.15 m de espesor sobre unas vigas de 1.00 m de ancho y 0.27 m de canto (0.15 + 0.12), separadas entre sí entre 4.20 y 5.60 m y con un claro de 8.70 metros. La cimentación del bloque principal del edificio (existe una zona anexa con una altura sensiblemente menor), la forma una losa de 6.00 m de espesor. La mencionada zona anexa se apoya sobre una losa de 1.00 m de espesor soportada por pilotes. Ejecutadas ambas cimentaciones de forma independiente, transcurrido un tiempo que permitiera que se produjeran los primeros asentamientos, se unieron ambas mediante otra losa. El concreto empleado responde a los tipos B45 (45 MPa de resistencia de proyecto) en las plantas situadas bajo el enrejado de fachada, y B35 en el resto de la estructura. En las columnas y muros más cargados, en las plantas inferiores, como se aprecia en la figura 7, se empleó concreto tipo B85, siendo la primera ocasión en que se construía con este concreto en Alemania. En la figura 8 se recogen, de forma muy gráfica, los resultados obtenidos del cálculo de un soporte tipo con una sección de 1.00 × 1.00 m y concreto tipo B85, otro de la misma sección, pero concreto tipo B45, y un tercero con el mismo concreto tipo B85 reduciendo la sección. En la misma se puede apreciar la reducción en la armadura o la disminución de la sección de concreto que se obtienen con el empleo de este concreto de alta resistencia. Japan Center Este edificio, terminado de construir en 1996 y situado en Frankfurt, tiene 32 plantas (28 de ellas sobre rasante y cuatro sótanos) y una altura de 115 m. Su planta es un cuadrado de 37 m de lado (figura 9). El esquema estructural responde al sistema de "tubo en tubo", formado por un núcleo central y un pórtico tridimensional perimetral, ambos de concreto. En esta ocasión cada uno de ellos dimensionado para absorber 50 por ciento de las acciones horizontales de viento. Las columnas y las vigas de la corona perimetral están ejecutadas con un concreto de tipo Cl05 (resistencia de proyecto 105 MPa) en las 12 plantas inferiores, siendo las dimensiones de la sección de aquéllas de 0,35 × 0,72 m. En el predimensionado efectuado con concreto tipo C45, la sección obtenida era de 0,55 × 0,72 m (incrementándose además notablemente la armadura), siendo una de las principales razones del uso del concreto de alta resistencia obtener la máxima superficie útil en el edificio. El entrepiso está constituido por una losa de 0.35 m de canto y 10.80 m de claro libre. La cimentación, directa, se ejecuta mediante una losa de 3.50 m de espesor apoyada sobre 25 pilotes de 1.30 m de diámetro y 22 m de profundidad. Pacific Tower Este edificio, construido en los más recientes años noventa, se encuentra situada en el barrio de La Défense, en París (foto 4). Tiene 27 plantas sobre rasante y dos sótanos. Su distribución en planta, tanto en sótanos como en las siete plantas superiores, responde a un casquete circular, mientras que la planta baja y las 19 plantas tipo intermedias se encuentran dispuestas según dos sectores circulares. Su esquema estructural está formado, para cada uno de los dos sectores citados, por un núcleo central y un tubo de concreto perimetral (figura 10), cuyas únicas aberturas son las ventanas de las plantas intermedias y superiores y unos pórticos en las inferiores. El entrepiso está constituido por una losa de concreto que se encuentra unida a los soportes a través de perfiles metálicos. El tipo de concreto empleado es el B30 (30 MPa de resistencia a la compresión) en entrepisos, y B45 y B60 en los soportes verticales, disminuyendo su resistencia al ascender en altura el edificio. Para este último, la resistencia a la compresión pedida en proyecto a los 28 días era de 72 MPa New Century Hotel Finalizada su construcción en 1989, y constituido por dos torres de 37 y 17 plantas sobre otras tres plantas comunes sobre rasante a modo de "podium" y dos sótanos, este edificio se encuentran en Beijing (China). La torre de mayor altura tiene una planta triangular con prolongación de cada lado en uno de sus extremos al llegar al vértice. El esquema estructural de esta torre está formado por un núcleo central triangular, unos muros en los vértices y unos pórticos en las fachadas, todos ellos de concreto, encontrándose las columnas de éstas separadas 7.60 metros. Inicialmente, la estructura del edificio se planteó con un concreto tipo C40 (40 MPa de resistencia a la compresión). Las columnas de las plantas inferiores tenían una sección de 1.27 × 1.27 m. Posteriormente, se proyectaron con concreto tipo C60 y con una sección mixta formada por un cuadrado de 0.90 × 0.90 m de concreto con un tubo armado metálico interior de 450 × 450 mm . Este cambio supuso un aumento en la superficie útil de 129.5 metros cuadrados. Central Plaza Edificio de 78 plantas y 374 m de altura (incluyendo el mástil). Se encuentra en la ciudad de Hong Kong y su construcción finalizó en 1992. Su planta es triangular y dispone de tres plantas sótano. El esquema estructural está constituido por un núcleo central triangular formado por tres conjuntos de muros, un pórtico perimetral en la fachada (que en las plantas bajas y altas pierde alternativamente una de cada dos columnas), y un gran soporte circular interior El concreto empleado en los soportes tiene una resistencia a la compresión de 60 MPa. El proyecto, inicialmente, estaba desarrollado con el pórtico perimetral constituido por elementos metálicos, ya que la normativa vigente en la ciudad sólo permitía la utilización de concreto de 40 MPa (40 N / mm2 de resistencia a la compresión en probeta cúbica), lo que imposibilitaba esta solución. Posteriormente, tras el desarrollo de un minucioso estudio de materiales de la zona y de dosificaciones, se obtuvo el permiso para el uso del citado material estructural. Sky Central Plaza Este edificio, situado en Guangzhou (China), tiene 80 plantas y 322 m de altura de estructura principal y 352 m el punto más elevado. Su construcción ha finalizado en 1997, siendo en su momento el más alto del mundo con estructura de concreto. Junto al mismo se elevan otras dos torres de 38 plantas cada una, sumando el conjunto una superficie total de unos 300,000 metros cuadrados. El esquema estructural responde a la tipología de "tubo en tubo", constituido por un núcleo central y un pórtico perimetral exterior, ambos de concreto. El núcleo está formado por muros cuyo espesor en las plantas bajas es de 0.60 y 1.10 metros. El pórtico perimetral de fachadas dispone de columnas de 2.50 × 2.50 m en las esquinas y de 1.50 × 1.50 m en el resto, siendo su separación de 7.50 y 9.50 m. Las vigas perimetrales en las plantas tipo tienen unas dimensiones de 0.80 × 1.05 m, siendo las vigas de apeo de 1.50 × 8.50 m en la planta tercera. En la misma planta, una losa de 1.00 m de canto tramnsfiere al núcleo las acciones y esfuerzos cortantes debidos al viento y al sismo. El forjado, en las 68 plantas tipo está constituido, fundamentalmente, por una losa de 0.125 m de espesor. El concreto empleado en los elementos estructurales verticales tiene una resistencia a la compresión de 60 MPa. Jin Mao Tower Este edificio, con 88 plantas y 421 m de altura, se encuentra situado en la ciudad de Shanghai, estando prevista la finalización de su construcción para el presente año de 1998. Su uso será de oficinas en las 50 plantas inferiores y de hotel en las 38 superiores, siendo la superficie total de 280.000 metros cuadrados. Dispone de un atrio en la zona central a lo largo de toda la altura que ocupa el hotel, 206 m. La solución estructural mixta adoptada combina las ventajas del concreto (masa, resistencia, rigidez y amortiguamiento) con las del acero (resistencia, rapidez de construcción, capacidad para claros grandes y ligereza). El esquema estructural está formado, básicamente, por un núcleo central octogonal de concreto armado y por 16 columnas situadas en las fachadas y con una distribución simétrica. El núcleo central, de 27 m de ancho total, se encuentra atravesado por cuatro diafragmas ortogonales dos a dos hasta la planta 53ª . Los muros perimetrales tienen un espesor de 0.85 m en las plantas inferiores, disminuyendo hasta alcanzar 0.45 m en la planta 87ª. Los interiores y normales entre sí por pares tienen un espesor constante de 0.45 m en sus 53 plantas. Las columnas perimetrales se encuentran divididas en ocho mixtas y ocho metálicas. Los soportes mixtos nacen con unas dimensiones de 1.50 × 5.00 m en la cimentación y finalizan con 1.00 × 3.50 m en la planta 87ª. En tres alturas del edificio, y ocupando cada una dos plantas (24 a 26, 51 a 53 y 85 hasta cubierta), existe un conjunto de vigas trianguladas que unen ambos sistemas estructurales (central y perimetral), permitiendo una transmisión de esfuerzos más coherente. La cimentación está constituida por una losa de 4.00 m de espesor que transmite la carga al terreno a través de 429 pilotes. Como se puede apreciar en la mencionada figura 17, el tipo de concreto puesto en obra, tanto en el núcleo central como en los soportes mixtos exteriores, varía con la altura del edificio entre el C60 hasta la planta 31ª, el C50 entre ésta y la 64ª, y el C40 hasta la 87ª. En la misma se puede seguir también la evolución del espesor de los muros del núcleo central y de la sección de las columnas exteriores. Public Bank Building Este edificio de 32 plantas, situado en Johor Bahru (Malasia) y construido en los primeros años noventa tiene, como puede apreciarse en la, planta hexagonal. Su esquema estructural está formado por un núcleo situado junto a uno de los lados que constituyen las fachadas, un pilar apantallado en cada uno de los vértices y dos más en la zona central interior. Cada una de las cuatro fachadas principales está recorrida por tres columnas adicionales entre su apeo en la planta 12a y la cubierta. El sistema de transferencia situado en aquella planta está constituido por cuatro vigas de 23.50 m de claro y unas dimensiones (bxh) de 2.15 × 4.80 m, situadas en los cuatro lados mayores del hexágono. El entrepiso se encuentra proyectado, básicamente, con seis vigas principales de concreto postensado, de las que cuatro tienen 18.40 m de claro, sobre las que se sitúa una losa de 0.15 m de espesor. El concreto empleado en los columnas ha de tener una resistencia a la compresión de 65 MPa, siendo la primera vez que se usó este tipo de concreto en Malasia. Petronas Towers Este conjunto de dos torres, de 88 plantas cada una (82 sobre rasante y seis plantas sótano), se encuentra situado en Kuala Lumpur, Malasia. Con sus 450 m, constituyen el edificio más alto del mundo. Cada torre tiene planta circular encontrándose adosados a ellas sendos edificios de 38 plantas. Ante la envergadura del edificio que se iba a proyectar, inicialmente se plantearon cinco alternativas estructurales: § Núcleo y sistema cilíndrico exterior (pórtico de fachada) metálicos. § Núcleo de concreto y pórtico perimetral metálico. § Núcleo metálico y perímetro de estructura mixta. § Núcleo de concreto y perímetro de estructura mixta. § Núcleo y perímetro de concreto. Las ventajas encontradas a este último, que fue la opción elegida finalmente, son las siguientes: § La transmisión de cargas verticales a través de columnas de concreto de alta resistencia se realiza con menor costo que con elementos metálicos, obteniéndose menores secciones que con concreto normal y, por tanto, mayor superficie útil en el edificio. § Las columnas perimetrales metálicas podían ser de menor sección para transmitir la misma carga vertical que las de concreto, pero su rigidez frente a momentos flectores es menor, colaborando éstas más para resistir las acciones horizontales. § Las pantallas de concreto del núcleo tienen una doble misión: a) Servir de muros compartidos frente al fuego. b) Transmitir a la cimentación las cargas verticales. § Las vigas perimetrales de concreto tienen una unión fácil a los columnas de concreto, colaboran en la rigidez frente a la acción del viento y no penalizan el tiempo de ejecución de forma significativa. § El sistema de concreto frente a las cargas laterales tiene una amortiguación mayor que el metálico. La respuesta dinámica de un sistema de concreto será menor y más confortable para unas condiciones dadas de viento. § Al aumentar la masa del edificio se prolonga el período de vibración y se mejora el confort. § El concreto era un material de posible consecución local, y con un costo relativamente bajo. § El suministro de acero local en las cantidades necesarias para la ejecución de la estructura completa tenía una capacidad limitada, obligando a importar parte del mismo. § Cualquier solución metálica requería amortiguamiento adicional, posiblemente en forma de dispositivo mecánico, lo que supone aplicaciones de costo y de espacio. § La solución de concreto cumple los parámetros requeridos al proyecto. § La estructura metálica obliga a mover en obra, mediante grúas, elementos pesados. La cimentación del edificio está formada por una losa de 4.50 m de espesor apoyada sobre 104 pilotes cuya sección tiene una dimensión de 1.20 × 2.80 m. La profundidad de los pilotes, variable para reducir los asentamientos diferenciales que pudieran provocar la inclinación de los estratos resistentes del terreno, se encuentra entre 40 y 105 m. El esquema estructural está formado, fundamentalmente, por un núcleo central, que sirve también como elemento conductor de las comunicaciones verticales en el edificio, y por una corona perimetral constituida por 16 columnas y las vigas respectivas que las unen en cada planta. El núcleo, con planta cuadrada y dimensiones exteriores aproximadas de 23 × 23 m, está formado por unos muros cuyo espesor varía entre 0.75 m en las plantas inferiores y 0.35 m en la superior. Los columnas perimetrales, separadas entre 8 y 9 m cada una de la contigua, describen una circunferencia de 46 m de diámetro. La sección de las mismos, circular, varía entre 2.40 y 1.20 m a medida que se asciende por el edificio. En las vigas perimetrales se emplea el mismo concreto, evitando así posibles errores y facilitando el proceso de colocación en obra mediante bombas. El entrepiso está constituido por vigas metálicas de 0.45 m de canto, separadas 2.80 m. Sobre ellas se sitúa una losa de 11.5 cm de espesor (una capa de 6.3 cm de espesor sobre un tablero de metal corrugado). Además del entrepiso, la unión estructural entre el núcleo central y el sistema perimetral se efectúa mediante cuatro vigas radiales (una en cada esquina) situadas en la planta 38ª ocupando una doble planta mecánica. Los edificios secundarios tienen una estructura formada por un "pórtico tubular cilíndrico" de 23 m de diámetro formado por columnas también circulares, con una sección entre 1.20 y 1.40 m de diámetro. Cada uno de estos edificios y el principal correspondiente se encuentran unidos mediante una estructura metálica. Uniendo ambos edificios principales, entre las plantas 40ª y 43ª existe una pasarela de 58 m de longitud, planteada como un sistema triarticulado, con dos vástagos que unen su centro con la planta 29ª de cada edificio. El concreto dispuesto en los soportes, varía en función de la altura, siendo de una resistencia a la compresión de 80 MPa entre la cimentación y la planta 23ª, de 60 MPa entre ésta y la planta 61ª , y de 40 MPa el resto hasta la 84ª. Análisis de las soluciones estructurales y conclusiones Tras la descripción efectuada del sistema estructural planteado en cada uno de los edificios comentados, desarrollados todos ellos con CAR, este apartado se centrará en aquellos aspectos que permiten concluir ciertos criterios para su aplicación en futuros proyectos y construcciones. Estando ya comentadas en el segundo punto de este escrito las ventajas de las estructuras ejecutadas con concreto de alta resistencia, tanto frente a estructuras metálicas como frente a aquellas otras realizadas con concreto normal (<50MPa), los criterios que se pueden recoger de los ejemplos vistos en el apartado anterior son los siguientes: § La tipología estructural responde a una solución "tubo en tubo", o bien a un núcleo central y un pórtico perimetral en la fachada, debiéndose este planteamiento en parte al tipo de edificio alto del que se trata y en parte al material utilizado. § En edificios que superan las 80 plantas y los 400 m de altura se plantea una conexión entre los sistemas estructurales central y perimetral mediante unas vigas o vigas radiales de gran peralte. § El esquema estructural y el dimensionamiento se encuentran diseñados de tal forma que las acciones horizontales debidas al viento y / o al sismo sean absorbidas en su totalidad por el núcleo central, o bien repartidas con el sistema perimetral sin que éste resista más de la mitad de aquéllas. § El núcleo central, en todos los casos, se proyecta de concreto armado. § Los columnas que constituyen la corona resistente perimetral son de concreto, metálicas o mixtas, combinándose en algunas ocasiones más de una de estas tipologías en el mismo edificio. Un aspecto muy importante que ha de tenerse en cuenta en el proyecto y cálculo de la estructura de estos edificios es el acortamiento producido por los esfuerzos axiales de compresión en los elementos verticales (muros del núcleo y columnas) y, sobre todo, los acortamientos diferenciales entre los mismos, ya que el efecto que producen sobre elementos estructurales horizontales es el mismo que pueden ocasionar asentamientos diferenciales de la cimentación, incrementando sobremanera los esfuerzos de flexión en sus extremos. En algunos casos, la solución adoptada llega a ser la ejecución de las vigas radiales y los entrepisos con una cierta inclinación inicial alcanzando, a mediano plazo, la horizontalidad deseada del elemento estructural. § Las vigas perimetrales de concreto se proyectan, por razones diversas y según las prioridades del cálculo y de la ejecución, con el mismo o con distinto tipo de concreto que las columnas que unen. § Los entrepisos están realizados con vigas interiores de concreto armado o pretensado (acero postensado) o metálicas, sobre las que se extiende una losa de concreto in situ única o situada sobre una ondulada. § El CAR se utiliza en elementos estructurales que resisten, básicamente, esfuerzos axiales de compresión (muros del núcleo de rigidización y columnas), estando proyectados los elementos horizontales (vigas y entrepisos) con concretos de 25 a 35 MPa de resistencia a la compresión. § El tipo de CAR empleado en los citados elementos verticales se encuentra normalmente entre 60 y 80 MPa de resistencia a la compresión, si bien este valor, en función del país en que se desarrolle el proyecto y / o la obra, será solicitado sobre probeta cilíndrica o probeta cúbica, con unas oscilaciones entre una y otra de 10 a 15 por ciento. § El tipo de concreto utilizado en los mencionados elementos varía en función de la altura del edificio, reduciéndose la exigencia de sus características mecánicas a medida que se asciende. Finalmente, debe subrayarse que, aunque en algunos edificios altos se ha empleado CAR, no debe olvidarse que en otros muchos se han utilizado y se utilizan con éxito concretos normales con una resistencia de proyecto entre 40 y 50 MPa. Éstos permiten una obtención más fácil de las características mecánicas con un precio unitario inferior, manteniendo en gran medida las ventajas de rigidez, amortiguación, confort y costo que los primeros tienen frente a las estructuras metálicas. Bibliografía Arcangeli, A., "Trianon skyscraper on the Mainzer Landstrasse in Frankfurt", L'industria italiana del cemento, núm. 716, 1996, pp. 860-87l. Cameron, Chisholm, Nicol y Ove Arup, "La nueva sede della Banca del'Agricoltura e del'Industria a Perth", L'industria italiana del cemento, núm. 708, 1996, pp. 221-223. Council on Tall Buildings and Urban Habitat, Relación de los 100 edificios más altos del mundo. GEHO, "Hormigones de alta resistencia. Fabricación y puesta en obra", Boletín núm. 20, 1997. 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| Instituto
Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C. |
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