informe sobre torres petronas y edificio commerzbank
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Universidad de Panamá
Facultad de Arquitectura
Estructuras Especiales
Investigación de Torres Petronas y Edificio Commerzbank
Prof. Roberto Dam Lau
Grupo 4N-1
Del Rosario, Tatiana (8-885-1809)
González, Raúl (8-875-328)
Lee, Carolina (8-875-2094)
Mujica, Andrea (PE-13-2070)
9 de septiembre de 2015
Introducción
Si la arquitectura surge de satisfacer las necesidades de una sociedad, con
los recursos que ésta le brinda, es lógico que la misma se modifique, porque
las sociedades, necesidades y recursos también cambian. Estos cambios se
reflejan incluso en el sistema estructural del edificio, a veces modificaciones
a escala humana y a otras a dimensiones extraordinarias.
La búsqueda de nuevas soluciones constructivas y estructurales en la
arquitectura forma parte esencial de la disciplina, cada nuevo avance
puede impulsar, como en cadena, una nueva serie de innovaciones que
facilitan ilimitadas posibilidades de diseño e idealmente reten a los
profesionales a avanzar con nuevos proyectos que tengan siempre la visión
a ser más sostenibles y eficientes para con la sociedad y el ambiente.
Tenemos el ejemplo que eventualmente desarrollaremos, una limitación del
suelo donde se construirían las Torres Petronas permitió la invención de
tipologías más resistentes de hormigón, las cuales abrieron la puerta hacia
otras.
A continuación analizaremos dos rascacielos que por sus singulares
estrategias y diseño estructural consideramos como estructuras especiales,
la primera las Torres Petronas en Malasia y la segunda, el Edificio
Commerzbank en Alemania. Su aporte como diseño arquitectónico y
estructural es considerado casi que emblemático en nuestro campo de
estudio. Estudiaremos como sus limitaciones invitaron a desviarnos de
caminos tradicionales de construcción y como utilizaron los materiales para
hacer de nuestros edificios menos perjudiciales con nuestro contexto. Los
invitamos a analizar un poco más profundamente sus características
elementales e innovaciones.
Torres Petronas
* Lugar: Koala Lumpur Malasia.
* Periodo de construcción: 1992-1997
* Arquitecto: César Antonio Pelli.
*Ingeniero: Charlie Thornton
* Altura: 452 m * Pisos: 88
* Superficie útil: 341.780 m2
* Ascensores: 47 ascensores normales y 29 de
dos pisos en cada una de las torres.
* Peso de cada torre 270.000 toneladas
* Volumen de hormigón: 160.000 m3
* Superficie de las ventanas: 77.000 m2
* Superficie del revestimiento de acero
inoxidable: 65.000 m2
* Costes de construcción: 950 millones de
euros.
* Utilidad: Sede de la compañía petrolífera
estatal malaya
En 1991, las autoridades locales de Kuala Lumpur, decidieron
dotar a la ciudad de un distrito de negocios, que fuese la imagen
de una ciudad moderna y por supuesto mostrase al mundo la
pujanza de la, por aquel entonces, emergente economía
malaya. Para ello se seleccionaron los terrenos del antiguo club
de campo de la ciudad y se convocó un concurso internacional
por invitación, en el que participaron 8 estudios de arquitectura
diferentes. El diseño ganador fue el creado por Cesar Pelli. Una
vez aprobado el proyecto, César Pelli dejó a cargo al distinguido
Ing. Charlie Thornton, quien estuvo al pendiente de los diseños desde el inicio para
que todas las propuestas que se presentaran y los cambios que se pidieran fueran
factibles.
En un principio las torres no fueron pensadas para convertirse en las más altas del
mundo, ya que en un primer momento la altura máxima del pináculo era 16 metros
menor que la de la Torre Sears. Con la torre ya en construcción, los promotores de
la obra plantearon a Pelli la idea de incrementar su altura en lo posible. El equipo
de arquitectura se puso manos a la obra para estirarlas lo mínimo pero lo suficiente
para sobrepasar a la Torre Sears en altura estructural total. Para ello fue necesario
recalcular algunos aspectos estructurales y volver a someter las torres al túnel de
viento. La solución adoptada fue no aumentar el número de plantas y añadir a las
torres una pequeña cúpula y un pináculo integrado en la estructura misma de la
torre, alcanzando la altura actual: 452 metros.
Iniciando las excavaciones, los ingenieros se toparon con que nunca se había
hecho un estudio geológico, y el suelo en donde pretendían hacer las
edificaciones estaba lleno de piedra caliza descompuesta y al borde de un
precipicio, por lo que una torre quedaría bien hecha, en suelo firme, y la otra estaría
hundida y hasta podría inclinarse; esta situación detuvo por varios días la
construcción, una pausa demasiado costosa.
Mientras buscaban una solución, al Ing. Charlie Thornton se le ocurrió que la mejor
opción era mover ambas torres a la zona blanda, argumentando que con
cimientos profundos todo saldría bien, sin imaginar que con esta decisión vendría
un problema más.
Uno de los principales problemas con los que topó la construcción de estas torres
fue la irregularidad del asiento del terreno rocoso sobre el que estaba previsto
situarlas, lo cual provocó que se cambiase la localización original por otra situada
a 60 metros, más adecuada según los ingenieros de estructuras.
Las torres descansan sobre una losa de hormigón, que a su vez está situada sobre
un “bosque” subterráneo de pilares de hormigón y acero. La estructura se basa en
un núcleo y pilares de hormigón. La estructura metálica fue desechada debido a
la poca disposición de los constructores malayos a
trabajar con estructura de acero, así como a la
necesidad de minimizar vibraciones en las partes
superiores de las torres.
Otro obstáculo que se presentó fue el presupuesto, el
cual sólo estaba destinado para 6 años en una
construcción que se estipulaba terminar en 8; esto
implicaba trabajar realmente sin parar durante más de
2 mil días. Este desafío fue aceptado con todo y
condiciones como que por cada día de demora, los
responsables pagarían 500 mil euros como multa.
Como era una tarea demasiado difícil para una sola
constructora, se decidió armar una competencia con
una constructora para cada torre; así, las cosas se
agilizarían y llegar a la meta en seis años sería algo más
sencillo.
Así, las Torres Petronas se convirtieron en las primeras edificaciones en usar hormigón
en una gran escala.
Materiales
Estas torres tienen 88 pisos de hormigón armado y una fachada hecha de acero y
vidrio.
El cerramiento externo es de acero inoxidable. Un sistema de profundos parasoles
modula las formas verticales y produce una fachada tridimensional apropiada
para el trópico.
En la parte inferior, la construcción de las losas fue mucho más sencilla y rápida. Se
trata de una construcción compuesta, conformada por vigas metálicas con
conectores de cortante, ancladas a las vigas de concreto perimetrales y al núcleo
del edificio. Sobre éstas fueron instaladas láminas de acero de 5 cm de altura
fundidas en una losa de concreto de espesor variable entre 11.5 cm en los pisos
típicos de oficinas y 20 cm, en los pisos mecánicos, dependiendo de la carga de la
viga y de los requerimientos acústicos y de la resistencia contra el fuego. La
estructura metálica facilita las modificaciones que en muchos casos, los
arrendatarios realizan a espacios interiores en sus oficinas.
¿Cómo hacer cimientos lo suficientemente fuertes si en Malasia no hay mucho
acero?
La decisión de construir en suelo blando
incluía construir cimientos que
aguantaran la presión de un edificio de
88 pisos; pero ¿cómo hacer esto posible
si en Malasia no hay mucho acero y el
importarlo dispararía los costos?
Los ingenieros se pusieron a pensar en
una solución con materiales disponibles
en Malasia, y descubrieron que lo que
había de sobra era hormigón, aunque
era una materia prima sin resistencia, así
que aquí hicieron aparición los ingenieros químicos, los cuales probaron con varias
fórmulas la manera de hacerlo más resistente hasta llegar a la composición ideal.
A partir de los hormigones de alta resistencia el hormigón tuvo una evolución
notable cuya consecuencia fue el nacimiento de una nueva generación de
hormigones, que además de la resistencia, se orientaron a una mejora de todas sus
propiedades, lo que permite afirmar que actualmente resulta más exacto
denominados Hormigones de alto desempeño HAD, pudiendo citar, entre otros:
HORMIGONES DE POLVO REACTIVO HPR: Se prepara con partículas de agregados
que poseen muy reducidas dimensiones, cercanas a las del cemento, a fin de crear
una densidad de relleno óptimo, incluyéndose las mismas partículas de cemento
no hidratadas. Alcanzan una resistencia cúbica a la compresión verdaderamente
notable, de 200 a 800 kg/cm2. E incluso resistencias a la tracción entre 2500 y 1500
kg/cm2, algo absolutamente impensado hasta hace pocos años. Como el
aumento de resistencia los hace más frágiles, resulta necesario agregarles fibras
cortas de Acero que mejoran su ductilidad. La máxima ductilidad se ha logrado
con fibras de alta resistencia embebidas en lodo, lo que permite obtener un
hormigón más impermeable. Se las denomina SIFCON, obteniéndose resistencias a
la compresión de 900 a 1050 kg/cm2.
Otra variedad lo constituyen los HORMIGONES AUTOCOMPACTANTES, que mejoran
notablemente la trabajabilidad, evitando el uso de los vibradores mecánicos,
siendo en consecuencia muy útiles para aplicar en zonas de muy difícil acceso, o
piezas muy armadas que dificultan el colado.
En resumen, el desarrollo y la evolución del hormigón se ha acelerado
notablemente en los últimos años, permanentemente aparecen nuevas variantes
agregando otras propiedades que amplían sus posibilidades de aplicación, y ello
seguramente conducirá a una modificación paulatina de los
métodos de cálculo y dimensionado así como al uso de
tecnologías cada vez más sofisticadas.
Estructura
Fundaciones
Las torres se asientan en suelo residual rígido Kenny Hill, con
cimientos de piedra caliza irregular erosionada debajo.
Puesto que la distancia a la roca madre varía enormemente
en cada torre de 75 a más de 180 m por fricción elementos
fueron utilizados para distribuir la carga gradualmente en el
Kenny Hill.
Se fue echado hormigón en cada malla en funcionamiento
continuo una 44 a 50 h. Para minimizar la temperatura
diferencial, se utilizó agua fría y, irónicamente, la estera fue
aislada durante un mes.
Núcleo
Cada torre tiene un núcleo central para ascensores,
escaleras de salida de la torre y servicios mecánicos. Las
escaleras tienen muros no estructurales, puesto que serían
núcleos menos eficaces. De las torres PETRONAS, dos paredes
casi corriendo norte sur y un funcionamiento East West,
provee ‘Redes', para el núcleo ‘viga cantilever’, haciendo el
núcleo bastante tieso y eficiente.
El núcleo en sí varía en cuatro pasos, con
paredes externas que varían desde 750 mm
hasta 350 mm; con las paredes internas con
una constante de 350 mm para evitar
complicaciones con los huecos de ascensores
y los sistemas de formación auto trepante. Las
resistencias del concreto varían de 800 kg/cm2
a 400 kg/cm2, iguales a las resistencias de
concreto de las columnas.
En las Torres Petronas se utilizó el recurso de
aumentar la resistencia del hormigón
conforme aumentaban las cargas para evitar
el aumento excesivo en las secciones de las
columnas y tabiques del núcleo. En todo sector
superior, las columnas perimetrales de 1.20m a 1.50m de diámetro, utilizan
un hormigón de alta resistencia de 400 kg/cm2.
En el sector medio, con mayor carga, las columnas perimetrales de 1.80m a
2.10m de diámetro, se eleva resistencia del hormigón a 600 kg/cm2. Y en el
sector inferior, donde las cargas alcanzan un valor máximo, las columnas de
la planta baja son de 2.40 de diámetro y su resistencia de eleva a 800
kg/cm2.
Mientras en los hormigones comunes resulta aconsejable el uso de piedra o
canto rodado con una elevada granulometría. Numerosos ensayos
realizados demostraron que en los HAR ello puede originar serios problemas
de adherencia, por ello, se recomiendan valores más reducidos, que al
poseer mayor superficie específica de contacto, mejoran la adherencia.
A diferencia de los aceros, al aumentar la resistencia del hormigón, su Módulo de
elasticidad también se incrementa, y con ello se reducen los acortamientos por
contracción de endurecimiento y por fluencia lenta, agregando una ventaja
adicional muy significativa, en particular, en los hormigones pretensados y
postensados, pues se reducen las caídas de tensión originadas por las
deformaciones diferidas.
Las estructuras de hormigón, al poseer mayor masa que las de acero, permiten
alargar el periodo de oscilación del edificio, reduciendo la aceleración lateral
provocada por el viento, lo que permite una mayor amortiguación, beneficiando
a sus ocupantes con una mejor sensación de confort. En cambio, para obtener la
misma sensación de confort en las estructuras de acero, es necesario aumentar la
rigidez mediante dispositivos de amortiguamiento externo, lo que afecta en gran
medida a los costos, como es el caso de las Word Trade
Center de Nueva York.
VIGAS
Los marcos del perimetro en la torre usan anillos
cónicos alrededor. La profundidad de las vigas varían
de 1.15 m a 0.75 m. Este método funciona mejor para
la rigidez, brindando 34% más rigidez que una viga
uniforme de la misma profundidad. Las variaciones
entre plantas debido a los cambios de columna y
retrocesos (reducido radio edificio) son tomadas por
los pisos para maximizar la reutilización de las formas
haunch. Los grados de hormigón de la viga coinciden
con los grados de columna para simplificar el
seguimiento y bombeo de hormigón.
El puente que se encuentra entre las torres no estaba planeado
Uno de los elementos más significativos y a
la vez problemáticos en la construcción
fue el puente que une ambas torres a la
altura de la planta 44.
Un puente de dos pisos que abarca 58,4 m
(190 pies) conecta las dos torres en las
estaciones de transferencia cielo vestíbulo
de ascensores en los pisos 41 y 42, 170 m
(558 pies) sobre el grado, para facilitar la
circulación entre los pisos de la torre
superior con un mínimo de elevación
traslado y la posible cruce salir a través de
la otra torre, lo que reduce el tamaño
requerido de escaleras de salida por
debajo.
El diseño estructural del puente tenía la
dificultad de tener que acomodar la
posible diferencia de movimientos y
asentamientos entre una y otra torre. Esta
dificultad fue solucionada uniendo el
puente a cada torre mediante tres
apoyos dispuestos en forma de V
invertida, que permiten que el puente se
mantenga equidistante a las dos torres en
cualquier caso. Dicho puente además de
su funcionalidad, tiene la misión de crear
un espacio entre las torres que simboliza
una puerta hacia el infinito del cielo.
Debido a la gran altura y la duración,
acero estructural se utilizó para la
construcción de peso ligero y más fácil.
Aunque cerchas de tramo único se podrían haber utilizado, un arco de dos bisagras
y vigas de piso continuas ofrecen una estructura pasarela poco profunda, el
movimiento articular expansión minimizada (articulaciones se mueven a las dos
torres), la acción de autocentrado de la restricción en el arco de la corona y un
fuerte identidad visual. El diseño del cielo puente considerado el efecto de los
movimientos de la torre complejas en las articulaciones y miembros, incluyendo
movimientos verticales midspan debido a la torre deflexiones, la respuesta
aerodinámica de la patas de tubo de diámetro, la fatiga y la respuesta a la pérdida
repentina de la ayuda, la fluencia y el movimiento de contracción y
compensación, y puentes movimientos del panel de fachada
Edificio Commerzbank
* Lugar: Fráncfort, Alemania
* Periodo de construcción: 1994-1996
* Arquitecto: Norman Foster and Partners
* Altura: 259 m
* Pisos: 56
* Superficie útil: 121.000 m2
* Constructora: Hochtief
* Costes de construcción: 280 millones de
dólares
* Utilidad: Oficinas
La Torre Commerzbank fue la torre más alta de Europa, superando a la
cercana Messeturm. Actualmente se sitúa en la cuarta posición, superada
solamente por el Palacio del Triunfo y la Torre Ciudad Mercurio ambas en Moscú, y
por el Shard London Bridge ubicado en Londres. Es el segundo edificio más alto de
la Unión Europea tras haber sido superado por el Shard London
Bridge en julio de 2012.
Sede del Commerzbank en la gestión es el hito arquitectónico del stand-out del
capital financiero Francfort. Este extraordinario edificio, diseñado por Lord Norman
Foster, ha sido una característica en el horizonte de Frankfurt desde 1997 y es
considerado un ejemplo excepcional de arquitectura con el medio ambiente y
ahorro de energía.
La torre incluye un total de 9 jardines a diferentes alturas, y un ingenioso sistema de
luz natural en todas las oficinas, introduciéndose por el atrio central del edificio,
diseñado por Norman Foster y sus socios. La construcción del recinto comenzó en
1994 y para levantar la torre los equipos de trabajo tuvieron que colocar 111 pilares
insertados a más de 48 metros bajo el suelo de Fráncfort. Cuando las obras
acabaron en mayo de 1997, se habían utilizado más de 18.000 toneladas de acero
para hacer frente a la construcción de este complejo de 120.736 metros cuadrados
con capacidad para albergar a 2.800 trabajadores y cuyo coste alcanzó los 280
millones de dólares. El día de su inauguración, el Financial Times aseguró que nacía
así "el nuevo símbolo de Fráncfort, de la misma forma que el Big Ben o la Torre Eiffel
son los símbolos de Londres o París".
Estructura
La estructura de la torre Commerzbank se constituye esencialmente por un tubo
perforado en forma de un triángulo equilátero. Las tres esquinas del mismo fueron
estructuradas con dos columnas H conectadas por inmensos marcos de acero
cubiertos con concreto reforzadas, las cuales cargan y transfieren el peso del
edificio 111 pilas telescópicas que descansan en la roca porosa inferior.
Soportando los jardines separados del tubo se encuentra un sistema de cerchas
Vierendeel comprendiendo una distancia de ocho pisos, ocho miembros
horizontales y cuatro verticales componen este elemento estructural. Debido a la
forma tubular, la estructura del Commerzbank contiene pocas piezas
estandarizadas. Sin embargo, todas las vigas Vierendeel soportan la misma
cantidad de peso y por ende fueron diseñadas exactamente iguales, para
incrementar la estabilidad, cada cuarto piso es continuo a través del edificio.
Las columnas en las esquinas son también de la misma sección desde los pisos
inferiores hasta el superior, con su resistencia dependiendo de la resistencia del
concreto que las envuelve. Los columnas principales, cerchas Vierendeel y marcos
de enlace trabajan simultáneamente para crear una estructura de mucha
estabilidad y dureza.
Foster estimó la responsabilidad social y ambiental del edificio como la fuerza vital
tras el diseño estructural y sistema constructivo. El Commerzbank desafió métodos
constructivos tradicionales utilizados anteriormente para rascacielos en Alemania,
las cuales involucraban el uso de estructura de concreto reforzado; el
Commerzbank en cambio, se estructura completamente con acero. A pesar de
que el uso de concreto había sido el intento original, Foster pensaba que la ligereza
del diseño sopesaba sobre la tradición constructiva. En el caso de haber utilizado
concreto reforzado, las losas del edificio requerían que fueran más profundas,
resultando en una reducción de la transparencia conceptualizada y disminución
de la conexión con el exterior del edificio. La propuesta por el uso de acero y
cerchas Vierendeel incrementa el empleo de muro cortinas que dirigen hacia el
efecto de ligereza deseado. La expresión de la forma como un tubo perforado por
donde atraviesa la luz natural y ventilación enfatiza la estructura liviana y materiales
transparentes, creando una fuerte relación con el mundo natural. El Commerzbank
no cesa de recibir continuos halagos por ser uno de los edificios con más altura en
Europa y a la vez por ser un edificio de oficinas responsable ambientalmente con
su entorno.
Las mega columnas de la torre Commerzbank responden a ideas estructurales,
ambientales y constructivas. Las columnas de acero de sección H son estabilizadas
por vigas y estructuras diagonales y cubiertas por concreto reforzado. A la vez de
generar una sensación liviana, el concreto también actúa como amortiguador a
las vibraciones del acero causado por el viento. Ya que la estructura de acero es
erecta antes de ser recubiertas con concreto, el equipo utilizado para construir el
edificio puede continuar armando la estructura mientras porciones inferiores son
revestidas. Este proceso significa menor tiempo de obra constructiva. El concreto
poli funcional adicionalmente protege el acero de incendios y corrosiones.
Los miembros trabajan en una combinación de compresión y tensión, los pesos
verticales están concentrados en el perímetro para lograr una gran huella envés
de un núcleo estructural con los pisos ejerciendo fuerza hacia el exterior.
Cerchas (Vigas) Vierendeel
Las cerchas están compuestas por ocho elementos horizontales y cuatro verticales
trabajando juntos para distribuir el peso equitativamente y absorber las fuerzas
laterales en cada junta. Los miembros horizontales corresponden con el nivel del
piso, soportando los bordes exteriores y permitiendo una planta libre en el interior.
La combinación de estas y el sistema de piso detrás añaden balance y rigidez al
sistema de marcos, creando mayor resistencia contra los vientos. Los elementos
verticales pueden ser ordenados en dos distintas formas: para efectivamente
contrarrestar la fuerza del viento, deberían distribuirse equitativamente a través de
la cara del edificio, para soportar el peso gravitatorio, en cambio deben estar
concentrados en los bordes. El diseño final apoya una combinación de ambas
estrategias, los miembros verticales están distribuidas cruzando la cara del edificio,
pero ligeramente corridas hacia las columnas en las esquinas.
Actúan además como piezas de enlace del total de 6 pilares exteriores. Pudiendo
asimilar su comportamiento a verdaderas -presillas gigantes. Que absorben el
cortante generado por la acción del viento. La fundación se resuelve mediante un
conjunto de 111 pilotes de 1.80m de diámetro de y 48,50m. Profundidad,
conectándose las a estos pilotes con una columnas gran viga do transferencia que
envuelve todo el perímetro de la planta y encierra a 3 subsuelos, para conectarse
con una enorme platea, que sirve de cabezal desde donde nacen los pilotes.
Estructura del Patio Interior
El patio interior (atrio) se define por una
segunda estructura que soporta las
esquinas interiores de cada piso. Un
miembro vertical conecta las ocho vigas en
el centro donde comparten el peso
generado en cada piso. Este miembro
vertical permite que la viga tenga menor
espesor sin que pierda resistencia por
deflexión.
Conclusión
______________________________________________________
Desde las altas resistencias del concreto, hasta los innovadores métodos
constructivos empleados en la estructura, se puede asegurar que estos dos
edificios son íconos en cuanto a mega construcciones se trata.
En cuanto a las Torres Petronas, vimos las habilidades de la fuerza del trabajo
local de Malasia. Desde el puente elevado de las Torres Petronas, Hasta los
Jardines Elevados del Commerzbank...
Se observó que el concreto beneficia al comportamiento del viento por la
rigidez inherente al tamaño de la fuerza, mayor líder de masas a la larga,
más períodos de construcción cómodo y amortiguación interna inherente
reduciendo respuesta edificio al viento ráfagas. Vigas de acero y cubiertas
proporcionan rápida erección, flexible para cumplir con un ambicioso
programa, mientras que permitiendo de última hora o después de la
construcción de los cambios de aberturas o de carga especiales inquilinos
requisitos con un impacto mínimo. El sistema de armazón de acero utilizado
permite la fabricación local y métodos de erección no grúa innovadores,
mientras que la cubierta utilizada proporciona clasificaciones de fuego sin
aerosol fuego o grueso o ligero relleno de hormigón.
El arquitecto y su cliente trabajaron juntos para hacer la torre Commerzbank
de manera innovadora y ambientalmente respetuosa con el clima. La
ventilación natural y el medio ambiente de aire acondicionado hacen una
contribución a largo plazo para la protección del clima. La torre ha sido
suministrada en su totalidad con la electricidad "verde". "La primera torre
ecológica del mundo energéticamente autosuficiente y de fácil manejo
para el usuario", dijo el arquitecto.
Bibliografía
Design of the world's tallest buildings - Petronas Twin Towers at Kuala
Lumpur City Centre by Charles H. Thornton, Udom Hungspruke and
Leonard M. Joseph* Thornton Tomasetti Engineers, New York, NY 10011,
U.S.A.
Temas de Estructuras Especiales, Pedro Perles.
“Commerzbank Tower”. John Arend, Mike Benkert, Audrey deFilippis,
Saretta Tillmaand. Pdf
www.commerzbank.com
http://megaconstrucciones.net/
www.infraestructura.ingenet.com
http://www.arkiplus.com/