2015 PETRONAS TOWERS & COMMERZBANK TOWER
9-9-2015
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 l a 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/
