Diseño y construcción de rascacielos

El diseño y la construcción de rascacielos implican la creación de espacios seguros y habitables en edificios de gran altura. Estos edificios deben soportar su propio peso, resistir el viento y los terremotos, y proteger a sus ocupantes contra incendios. Además, deben ser fácilmente accesibles, incluso en los pisos superiores, y proporcionar servicios básicos y un clima confortable. Los problemas que plantea el diseño de rascacielos se consideran entre los más complejos, dada la necesidad de encontrar el equilibrio adecuado entre economía , ingeniería y gestión de la construcción .

Un buen diseño estructural es fundamental en la mayoría de los proyectos de construcción, pero especialmente en los rascacielos, ya que incluso una pequeña probabilidad de fallo catastrófico resulta inaceptable dados los elevados costes de construcción y el riesgo potencial para la vida humana a gran escala, como se observó en el derrumbe del condominio Surfside en 2021. Esto plantea una paradoja para los ingenieros civiles: la única forma de garantizar la ausencia de fallos es probar todos los modos de fallo, tanto en el laboratorio como en condiciones reales. Sin embargo, la única forma de conocer todos los modos de fallo es aprender de fallos anteriores. Por lo tanto, ningún ingeniero puede estar absolutamente seguro de que una estructura determinada resistirá todas las cargas que podrían provocar un fallo, sino que solo puede contar con márgenes de seguridad suficientemente amplios como para que un fallo sea aceptablemente improbable. Cuando los edificios fallan, los ingenieros se preguntan si el fallo se debió a alguna falta de previsión o a algún factor desconocido.

Una de las muchas características que hacen especiales a los rascacielos es su subestructura. Por ejemplo, la profundidad del foso que alberga la subestructura debe llegar hasta la roca madre. Si la roca madre se encuentra cerca de la superficie, se retira la tierra que la cubre y se elimina suficiente superficie de roca madre para formar una plataforma lisa sobre la cual construir los cimientos del edificio. ^{[ 1 ]}

La carga que experimenta un rascacielos proviene en gran medida de la fuerza del propio material de construcción . En la mayoría de los diseños de edificios, el peso de la estructura es mucho mayor que el peso del material que soportará además de su propio peso. En términos técnicos, la carga muerta , es decir, la carga de la estructura, es mayor que la carga viva , es decir, el peso de los elementos dentro de la estructura (personas, muebles, vehículos, etc.). Por lo tanto, la cantidad de material estructural requerida en los niveles inferiores de un rascacielos será mucho mayor que la requerida en los niveles superiores. Esto no siempre es visualmente evidente. Los retranqueos del Empire State Building son, de hecho, resultado del código de construcción vigente en ese momento, y no eran un requisito estructural. Por otro lado, la forma del John Hancock Center es el resultado único de cómo soporta las cargas. Los soportes verticales pueden ser de varios tipos, entre los cuales los más comunes para rascacielos se pueden clasificar como marcos de acero, núcleos de hormigón, diseño de tubo dentro de tubo y muros de corte.

También debe considerarse la carga de viento sobre un rascacielos. De hecho, la carga lateral de viento sobre estructuras muy altas suele ser el factor determinante en el diseño estructural. La presión del viento aumenta con la altura, por lo que en edificios muy altos, las cargas asociadas al viento son mayores que las cargas permanentes o variables.

Otros factores de carga vertical y horizontal provienen de fuentes variadas e impredecibles, como los terremotos.

Un muro de corte, en su definición más simple, es un muro donde todo el material se emplea para resistir cargas horizontales y verticales. Un ejemplo típico es un muro de ladrillo o bloques de hormigón . Dado que el material del muro se utiliza para soportar el peso, a medida que el muro aumenta de tamaño, debe soportar un peso considerablemente mayor. Debido a las características de un muro de corte, es aceptable que las construcciones pequeñas, como viviendas suburbanas o edificios de piedra rojiza urbanos, requieran bajos costos de material y poco mantenimiento. De esta manera, los muros de corte, generalmente en forma de madera contrachapada y entramado, ladrillo o bloques de hormigón, se utilizan para estas estructuras. Sin embargo, en los rascacielos, a medida que aumenta el tamaño de la estructura, también lo hace el tamaño del muro de soporte. Las grandes estructuras, como castillos y catedrales, abordaron inherentemente estos problemas debido a que un muro grande resultaba ventajoso (castillos) o podía diseñarse en torno a él (catedrales). Dado que los rascacielos buscan maximizar el espacio útil mediante la consolidación del soporte estructural, los muros de corte tienden a utilizarse únicamente en combinación con otros sistemas de soporte.

El concepto clásico de rascacielos es una gran caja de acero con muchas cajas pequeñas en su interior. Al eliminar la parte ineficiente de un muro de corte , la porción central, y consolidar los elementos de soporte en un material mucho más resistente, el acero, se podría construir un rascacielos con soportes tanto horizontales como verticales en toda su extensión. Este método, aunque simple, tiene inconvenientes. El principal es que, a medida que aumenta la altura, disminuye la distancia entre los elementos de soporte, lo que, a su vez, incrementa la cantidad de material que debe soportarse. Esto resulta ineficiente y antieconómico para edificios de más de 40 pisos, ya que se reduce el espacio útil de los pisos para soportar las columnas y debido al mayor uso de acero. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

A principios de la década de 1960 se desarrolló un nuevo sistema estructural que utilizaba tubos con estructura de madera. Fazlur Khan y J. Rankine definieron la estructura de tubo con estructura de madera como "una estructura espacial tridimensional compuesta por tres, cuatro o posiblemente más marcos, marcos arriostrados o muros de corte, unidos en sus bordes o cerca de ellos para formar un sistema estructural vertical en forma de tubo capaz de resistir fuerzas laterales en cualquier dirección mediante un voladizo desde la cimentación". ^{[ 4 ]} Columnas exteriores interconectadas y muy próximas entre sí forman el tubo. Las cargas horizontales (principalmente de viento) son soportadas por la estructura en su conjunto. Aproximadamente la mitad de la superficie exterior está disponible para ventanas. Los tubos con estructura de madera permiten menos columnas interiores, creando así más espacio útil en el piso. Cuando se requieren aberturas más grandes, como puertas de garaje, la estructura de tubo debe interrumpirse, utilizando vigas de transferencia para mantener la integridad estructural. Las estructuras de tubo reducen los costos y, al mismo tiempo, permiten que los edificios alcancen mayores alturas. La construcción con estructura tubular se utilizó por primera vez en el edificio de apartamentos DeWitt-Chestnut , diseñado por Khan y terminado en Chicago en 1963. ^{[ 5 ]} Poco después se utilizó para el John Hancock Center y en la construcción del World Trade Center .

Una variante del entramado tubular es el tubo agrupado, que utiliza varios entramados tubulares interconectados. La Torre Willis de Chicago empleó este diseño, utilizando nueve tubos de altura variable para lograr su aspecto distintivo. El diseño de tubo agrupado no solo era altamente eficiente en términos económicos, sino que también era «innovador por su potencial para la formulación versátil del espacio arquitectónico. Las torres eficientes ya no tenían que ser como cajas; las unidades tubulares podían adoptar diversas formas y podían agruparse en diferentes tipos de conjuntos». ^{[ 6 ]} La estructura de tubo agrupado significaba que «los edificios ya no tenían que ser como cajas en apariencia: podían convertirse en esculturas». ^{[ 7 ]} Las ciudades han experimentado un enorme aumento en la construcción de rascacielos, gracias a las innovaciones de Khan que permiten rascacielos económicos.

Los sistemas tubulares son fundamentales para el diseño de edificios altos. La mayoría de los edificios de más de 40 pisos construidos desde la década de 1960 utilizan un diseño tubular derivado de los principios de ingeniería estructural de Khan, ^{[ 2 ] [ 8 ]} ejemplos que incluyen la construcción del World Trade Center, el Aon Center , las Torres Petronas , el Edificio Jin Mao y la mayoría de los demás rascacielos superaltos desde la década de 1960. ^{[ 9 ]} La fuerte influencia del diseño de estructuras tubulares también es evidente en la construcción del rascacielos más alto actual, el Burj Khalifa . ^{[ 7 ]}

La invención del ascensor fue una condición previa para la invención de los rascacielos, dado que la mayoría de las personas no podían (o no querían) subir más de unos pocos tramos de escaleras a la vez. Los ascensores en un rascacielos no son simplemente un servicio básico como el agua corriente y la electricidad, sino que están estrechamente relacionados con el diseño de toda la estructura. Un edificio más alto requiere más ascensores para dar servicio a los pisos adicionales, pero los huecos de los ascensores consumen un valioso espacio. Si el núcleo de servicios (que contiene los huecos de los ascensores) se vuelve demasiado grande, puede reducir la rentabilidad del edificio. Por lo tanto, los arquitectos deben equilibrar el valor ganado al añadir altura con el valor perdido por la expansión del núcleo de servicios. ^{[ 10 ]} Muchos edificios altos utilizan ascensores en una configuración no estándar para reducir su huella. Edificios como las Torres Gemelas del antiguo World Trade Center y el John Hancock Center de Chicago utilizan vestíbulos elevados , donde ascensores exprés llevan a los pasajeros a los pisos superiores que sirven de base para los ascensores locales. Esto permite a los arquitectos e ingenieros colocar los huecos de los ascensores uno encima del otro, ahorrando espacio. Los vestíbulos panorámicos y los ascensores exprés ocupan un espacio considerable y aumentan el tiempo de desplazamiento entre plantas. Otros edificios, como las Torres Petronas, utilizan ascensores de doble cabina que permiten acomodar a más personas en un solo ascensor y acceder a dos plantas en cada parada. ^{[ 11 ]} Es posible utilizar incluso más de dos niveles en un ascensor, aunque esto aún no se ha probado. El principal problema de los ascensores de doble cabina es que provocan que todos los ocupantes se detengan cuando solo las personas de una planta necesitan bajar en un piso determinado.

Otra solución, empleada por la Torre de Shanghái y la Torre de Yeda (en construcción en 2019), consiste en crear edificios de uso mixto, ubicando las oficinas en las plantas inferiores, ya que ocupan más espacio. Los áticos y atrios de varias plantas —que requieren poco espacio transversal— se sitúan en la parte superior. ^{[ 12 ]}

La construcción de rascacielos puede ser difícil debido a factores que van más allá de la complejidad y el costo. Por ejemplo, en ciudades europeas como París, la diferencia entre la arquitectura antigua y los rascacielos modernos puede dificultar la obtención de permisos de las autoridades locales para construir nuevos rascacielos. La construcción de rascacielos en un casco antiguo puede alterar drásticamente la imagen de la ciudad. En ciudades como Londres ^{[ 13 ]} en el Reino Unido o San Francisco en Estados Unidos, ^{[ 14 ]} existe un requisito legal denominado "vista protegida" , que limita la altura de los nuevos edificios dentro o adyacentes a la línea de visión entre los dos lugares involucrados. Esta norma también dificulta la búsqueda de emplazamientos adecuados para nuevos edificios altos.

• Lista de arquitectos de edificios de gran altura
• Lista de ciudades con más rascacielos
• Plyscraper
• Rascacielos marinos

• Barr, Jason M. (9 de junio de 2016). Construyendo el horizonte: El nacimiento y crecimiento de los rascacielos de Manhattan . Oxford University Press. pág. 456. ISBN 978-0199344369.
• Macaulay, David ( 26 de octubre de 1987). Unbuilding (Edición reimpresa). Houghton Mifflin/Walter Lorraine Books. pág.  80. ISBN 0-395-45425-5.
• Sabbagh, Karl (1 de julio de 1991). Rascacielos: La construcción de un edificio (Edición reimpresa). Penguin (No clásicos). pág. 400. ISBN 0-14-015284-9.
• Chew, Michael YL; Michael Chew Yit Lin (15 de febrero de 2001). Tecnología de la construcción para edificios altos (2.ª ed.). Singapore University Press. pág. 436. ISBN 981-02-4338-3.

• Explicación de How Stuff Works sobre los rascacielos
• «Se seguirán construyendo rascacielos, afirma el autor de un libro sobre edificios altos» . Archivado del original el 25 de abril de 2006. Consultado el 14 de mayo de 2007 .