El diseño y la construcción de rascacielos implica la creación de espacios seguros y habitables en edificios muy altos. Los edificios deben soportar su peso, resistir el viento y los terremotos y proteger a los ocupantes del fuego. Sin embargo, también deben ser fácilmente accesibles, incluso en los pisos superiores, y proporcionar servicios públicos y un clima confortable para los ocupantes. Los problemas que plantea el diseño de rascacielos se consideran entre los más complejos que se encuentran, dado el equilibrio necesario entre la economía , la ingeniería y la gestión de la construcción .
Un buen diseño estructural es importante en la mayoría de los diseños de edificios, pero particularmente en el caso de los rascacielos, ya que incluso una pequeña posibilidad de falla catastrófica es inaceptable dados los altos precios de la construcción y el riesgo potencial para la vida humana a gran escala, como se vio en el colapso del condominio de Surfside en 2021. Esto presenta una paradoja para los ingenieros civiles: la única forma de asegurar la ausencia de fallas es probar todos los modos de falla, tanto en el laboratorio como en el mundo real. Pero la única forma de conocer todos los modos de falla es aprender de fallas anteriores. Por lo tanto, ningún ingeniero puede estar absolutamente seguro de que una estructura dada resistirá todas las cargas que podrían causar una falla, pero solo puede tener márgenes de seguridad lo suficientemente amplios como para que una falla sea aceptablemente improbable. Cuando los edificios fallan, los ingenieros se preguntan si la falla se debió a alguna falta de previsión o a algún factor desconocido.
Una de las muchas características que hacen que los rascacielos sean especiales es su subestructura. Por ejemplo, la profundidad del foso que contiene la subestructura debe llegar hasta el lecho rocoso. Si el lecho rocoso se encuentra cerca de la superficie, se retira la tierra que se encuentra sobre el lecho rocoso y se elimina una parte suficiente de la superficie del lecho rocoso para formar una plataforma lisa sobre la que construir los cimientos del edificio. [1]
La carga que soporta un rascacielos se debe en gran medida a 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 más allá de su propio peso. En términos técnicos, la carga muerta , la carga de la estructura, es mayor que la carga viva , el peso de las cosas en la estructura (personas, muebles, vehículos, etc.). Como tal, la cantidad de material estructural requerido dentro de los niveles inferiores de un rascacielos será mucho mayor que el material requerido dentro de los niveles superiores. Esto no siempre es visualmente evidente. Los retranqueos del Empire State Building son en realidad el resultado del código de construcción de la época y no eran necesarios estructuralmente. Por otro lado, la forma del John Hancock Center es únicamente el resultado de cómo soporta las cargas. Los soportes verticales pueden ser de varios tipos, entre los cuales los más comunes para los rascacielos se pueden clasificar como marcos de acero, núcleos de hormigón, diseño de tubo dentro de tubo y muros de corte.
También se debe tener en cuenta la carga de viento que soporta un rascacielos. De hecho, la carga de viento lateral impuesta a las estructuras muy altas suele ser el factor determinante en el diseño estructural. La presión del viento aumenta con la altura, por lo que, en el caso de los edificios muy altos, las cargas asociadas al viento son mayores que las cargas muertas o vivas.
Otros factores de carga verticales y horizontales provienen de fuentes variadas e impredecibles, como los terremotos.
Un muro de corte, en su definición más simple, es un muro en el que todo el material del muro se emplea para resistir cargas tanto horizontales como verticales. Un ejemplo típico es un muro de ladrillo o de bloques de hormigón . Dado que el material del muro se utiliza para sostener el peso, a medida que el muro se expande en tamaño, debe soportar considerablemente más peso. Debido a las características de un muro de corte, es aceptable que las construcciones pequeñas, como las viviendas suburbanas o una casa de piedra rojiza urbana, requieran bajos costos de material y poco mantenimiento. De esta manera, los muros de corte, generalmente en forma de madera contrachapada y marcos, ladrillo o bloques de hormigón, se utilizan para estas estructuras. Sin embargo, para los rascacielos, a medida que aumenta el tamaño de la estructura, también lo hace el tamaño del muro de soporte. Las estructuras grandes, como los castillos y las catedrales, abordaron inherentemente estos problemas debido a que un muro grande es ventajoso (castillos) o se puede diseñar alrededor de él (catedrales). Dado que los rascacielos buscan maximizar el espacio del piso consolidando el soporte estructural, los muros de corte tienden a usarse solo junto con otros sistemas de soporte.
El concepto clásico de un rascacielos es el de una gran caja de acero con muchas cajas pequeñas en su interior. Al eliminar la parte ineficiente de un muro de corte , la parte central, y consolidar los elementos de soporte en un material mucho más resistente, el acero, se podría construir un rascacielos con soportes horizontales y verticales en toda su extensión. Este método, aunque simple, tiene desventajas. La principal de ellas es que, a medida que se debe sostener más material (a medida que aumenta la altura), la distancia entre los elementos de soporte debe disminuir, lo que, a su vez, aumenta la cantidad de material que se debe sostener. Esto se vuelve ineficiente y antieconómico para edificios de más de 40 pisos de altura, ya que se reducen los espacios de piso utilizables para las columnas de soporte y debido al mayor uso de acero. [2] [3]
A principios de los años 60 se desarrolló un nuevo sistema estructural con tubos enmarcados. Fazlur Khan y J. Rankine definieron la estructura de tubos enmarcados 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 similar a un tubo capaz de resistir fuerzas laterales en cualquier dirección mediante un voladizo desde la base". [4] Las columnas exteriores interconectadas y espaciadas estrechamente forman el tubo. Las cargas horizontales (principalmente el viento) son soportadas por la estructura en su conjunto. Aproximadamente la mitad de la superficie exterior está disponible para ventanas. Los tubos enmarcados permiten menos columnas interiores y, por lo tanto, crean más espacio útil en el piso. Cuando se requieren aberturas más grandes, como puertas de garaje, el marco de tubos debe interrumpirse y se utilizan vigas de transferencia para mantener la integridad estructural. Las estructuras de tubos reducen los costos y, al mismo tiempo, permiten que los edificios alcancen mayores alturas. La construcción con estructura de tubo se utilizó por primera vez en el edificio de apartamentos DeWitt-Chestnut , diseñado por Khan y terminado en Chicago en 1963. [5] Se utilizó poco después para el Centro John Hancock y en la construcción del World Trade Center .
Una variante de la estructura tubular es el haz de tubos, que utiliza varios armazones tubulares interconectados. La Torre Willis de Chicago utilizó este diseño, empleando nueve tubos de altura variable para lograr su apariencia distintiva. El diseño de haz de tubos no sólo era muy eficiente en términos económicos, sino que también era "innovador en su potencial para la formulación versátil del espacio arquitectónico. Las torres eficientes ya no tenían que tener forma de caja; las unidades tubulares podían adoptar diversas formas y podían agruparse en diferentes tipos de agrupaciones". [6] La estructura de haz de tubos significaba que "los edificios ya no tenían que tener forma de caja: podían convertirse en esculturas". [7] Las ciudades han experimentado un enorme aumento en la construcción de rascacielos, gracias a las innovaciones de Khan que permitieron 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 ahora utilizan un diseño de tubo derivado de los principios de ingeniería estructural de Khan, [2] [8] ejemplos que incluyen la construcción del World Trade Center, Aon Center , Petronas Towers , Jin Mao Building y la mayoría de los otros rascacielos superaltos desde la década de 1960. [9] La fuerte influencia del diseño de la estructura de tubo 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 querrían (o no podrían) subir más de unos pocos tramos de escaleras a la vez. Los ascensores en un rascacielos no son simplemente un servicio necesario como el agua corriente y la electricidad, sino que de hecho 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 en el piso. Si el núcleo de servicio (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 agregar altura con el valor perdido por el núcleo de servicio en expansión. [10] Muchos edificios altos usan 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 usan vestíbulos elevados , donde los ascensores exprés llevan a los pasajeros a los pisos superiores que sirven como 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 elevados y los ascensores exprés ocupan una cantidad significativa de espacio y aumentan la cantidad de tiempo que se pasa viajando entre pisos. Otros edificios, como las Torres Petronas, utilizan ascensores de dos pisos que permiten que quepan más personas en un solo ascensor y que lleguen a dos pisos en cada parada. [11] Es posible utilizar incluso más de dos niveles en un ascensor, aunque esto todavía no se ha probado. El principal problema con los ascensores de dos pisos es que hacen que todos los ocupantes del ascensor se detengan cuando solo las personas de un nivel necesitan bajarse en un piso determinado.
Otra solución, empleada en la Torre de Shanghái y la Torre de Jeddah , en construcción (2019), es crear edificios de uso mixto, colocando el espacio de oficinas en los pisos inferiores, ya que se utiliza más espacio. Los áticos y atrios de varios pisos, que requieren poco espacio en sección transversal, se ubican hacia la parte superior. [12]
La construcción de rascacielos puede resultar difícil debido a otros factores además de la complejidad y el coste. Por ejemplo, en ciudades europeas como París, la diferencia entre la apariencia de la arquitectura antigua y los rascacielos modernos puede dificultar la obtención de la aprobación de las autoridades locales para construir nuevos rascacielos. Construir rascacielos en una ciudad antigua y famosa puede alterar drásticamente la imagen de la ciudad. En ciudades como Londres [13] en el Reino Unido o San Francisco en los Estados Unidos, [14] existe un requisito legal llamado vista protegida , que limita la altura de los nuevos edificios dentro o adyacentes a la línea de visión entre los dos lugares involucrados. Esta regla también dificulta la búsqueda de sitios adecuados para nuevos edificios altos.