2015

9-9-2015

PETRONAS TOWERS & COMMERZBANK TOWER

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

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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/