El diseño y construcción de rascacielos pasa por crear espacios seguros y habitables en edificios de gran altura. Los edificios deben soportar su peso, resistir el viento y los terremotos y proteger a sus ocupantes del fuego. Pero también deben ser fácilmente accesibles, incluso en los pisos superiores, y proporcionar servicios públicos y un clima confortable para sus ocupantes. Los problemas planteados en el diseño de rascacielos se consideran entre los más complejos dados los equilibrios necesarios entre economía , ingeniería y 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 manera 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 manera de conocer todos los modos de fracaso es aprender de fracasos anteriores. Por lo tanto, ningún ingeniero puede estar absolutamente seguro de que una estructura determinada resistirá todas las cargas que podrían causar una falla, sino que sólo puede tener márgenes de seguridad suficientemente grandes como para que una falla 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 cosas que hacen especiales a los rascacielos es su subestructura. Por ejemplo, la profundidad del pozo que sostiene la subestructura debe llegar hasta el lecho de roca. Si el lecho de roca se encuentra cerca de la superficie, se retira la tierra que está encima del lecho de roca y se elimina suficiente superficie del lecho de roca 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 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 en los niveles superiores. Esto no siempre es visualmente evidente. Los contratiempos del Empire State Building son en realidad el resultado del código de construcción de la época y no eran necesarios desde el punto de vista estructural. Por otro lado, la forma del Centro John Hancock es únicamente el resultado de cómo soporta cargas. Los soportes verticales pueden ser de varios tipos, entre los cuales los más comunes para los rascacielos se pueden clasificar como estructuras de acero, núcleos de hormigón, diseño de tubo dentro de tubo y muros de corte.
También se debe considerar la carga de viento en un rascacielos. De hecho, la carga de viento lateral impuesta sobre estructuras muy altas es generalmente el factor que rige el diseño estructural. La presión del viento aumenta con la altura, por lo que para edificios muy altos, las cargas asociadas con el 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 donde todo el material del muro se emplea en la resistencia de cargas horizontales y verticales. Un ejemplo típico es una pared de ladrillos o bloques de hormigón . Dado que el material de la pared se utiliza para soportar el peso, a medida que la pared aumenta de tamaño, debe soportar un peso considerablemente mayor. Debido a las características de un muro de corte, es aceptable que construcciones pequeñas, como viviendas suburbanas o casas de piedra rojiza urbana, requieran bajos costos de material y poco mantenimiento. De esta manera, para estas estructuras se utilizan muros de corte, generalmente en forma de madera contrachapada y marcos, ladrillos o bloques de cemento. Sin embargo, en el caso de los rascacielos, a medida que aumenta el tamaño de la estructura, también aumenta el tamaño del muro de soporte. Las grandes estructuras, como castillos y catedrales, abordaron inherentemente estos problemas debido a que un muro grande era ventajoso (castillos) o se podía diseñar alrededor (catedrales). Dado que los rascacielos buscan maximizar el espacio del piso consolidando el soporte estructural, los muros de corte tienden a usarse sólo en conjunto con otros sistemas de soporte.
El concepto clásico de rascacielos es una gran caja de acero con muchas cajas pequeñas en su interior. Eliminando la parte ineficiente de un muro de corte , la parte central, y consolidando los miembros de soporte en un material mucho más resistente, el acero, se podría construir un rascacielos con soportes tanto horizontales como verticales en todas partes. Este método, aunque sencillo, tiene desventajas. El principal de ellos es que a medida que se debe soportar más material (a medida que aumenta la altura), la distancia entre los miembros de soporte debe disminuir, lo que en realidad, a su vez, aumenta la cantidad de material que se debe soportar. Esto se vuelve ineficiente y antieconómico para edificios de más de 40 pisos de altura, ya que los espacios utilizables se reducen para las columnas de soporte 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 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 paredes de corte, unidos en o cerca de sus bordes para formar una estructura vertical similar a un tubo". Sistema capaz de resistir fuerzas laterales en cualquier dirección mediante voladizo desde los cimientos. [4] Columnas exteriores interconectadas muy espaciadas forman el tubo. Las cargas horizontales (principalmente 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 utilizable. Cuando se requieren aberturas más grandes, como puertas de garaje, se debe interrumpir el marco del tubo y utilizar vigas de transferencia para mantener la integridad estructural. Las estructuras tubulares reducen los costes 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] Se utilizó poco después para el John Hancock Center y en la construcción del World Trade Center .
Una variación del marco de tubos es el tubo agrupado, que utiliza varios marcos de tubos interconectados. La Torre Willis de Chicago utilizó este diseño, empleando nueve tubos de diferentes alturas para lograr su apariencia distintiva. El diseño del haz de tubos no sólo fue muy eficiente en términos económicos, sino que también fue "innovador en su potencial para la formulación versátil del espacio arquitectónico. Las torres eficientes ya no tenían que tener forma de caja; las unidades de tubos podían adoptar varias formas y podrían agruparse en diferentes tipos de agrupaciones". [6] La estructura de tubos agrupados significó que "los edificios ya no necesitan tener apariencia de caja: podrían convertirse en esculturas". [7] Las ciudades han experimentado un enorme aumento en la construcción de rascacielos, gracias a las innovaciones de Khan que permitieron construir 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, el Aon Center , las Torres Petronas , el Edificio Jin Mao y la mayoría otros rascacielos superaltos desde la década de 1960. [9] La fuerte influencia del diseño de la estructura tubular 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 subían (o no podían) más que 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. 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 agregar altura con el valor perdido por el núcleo de servicios en expansión. [10] Muchos edificios altos utilizan ascensores en una configuración no estándar para reducir su espacio. Edificios como las Torres Gemelas del antiguo World Trade Center y el Centro John Hancock de Chicago utilizan vestíbulos elevados , donde ascensores rápidos llevan a los pasajeros a los pisos superiores que sirven como base para los ascensores locales. Esto permite a 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 dedicado a desplazarse entre pisos. Otros edificios, como las Torres Petronas, utilizan ascensores de dos pisos que permiten que quepan más personas en un solo ascensor y llegan a dos pisos 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 dos pisos es que hacen que todos los ocupantes del ascensor se detengan cuando sólo las personas de un nivel necesitan bajarse en un piso determinado.
Otra solución, empleada por la Torre de Shanghai y la Torre Jeddah en construcción (2019) es crear edificios para uso mixto, colocando espacio para oficinas en los pisos inferiores, ya que utiliza más espacio. Los áticos de varios pisos y los atrios, que requieren poco espacio transversal, se colocan 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 la de 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 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.