¿Qué consideraciones especiales requieren los ‘rascacielos de lápices’ súper altos y estrechos en el diseño y la construcción para mantenerse estables?

El desafío con este tipo de edificio es descubrir dónde esconder el sistema de resistencia de carga lateral. Estos son los elementos de la estructura que resisten las cargas de viento y terremoto. Esto se puede lograr con arriostramientos cruzados de acero, quizás el ejemplo más famoso de los cuales es el edificio John Hancock en Chicago:


Sin embargo, durante varios años, ha sido mucho más económico usar concreto en forma de muros de corte, que son gruesos muros de concreto con barras de refuerzo de acero. La mayoría de los edificios modernos de gran altura utilizan una serie de muros de corte de hormigón para resistir todas las cargas laterales. Estos muros de corte se conocen colectivamente como los muros centrales y a menudo se colocan cerca del centro de la estructura, los ascensores circundantes y las escaleras. Las paredes centrales son responsables de resistir prácticamente todas las cargas laterales en la estructura, así como soportar una porción de las cargas de gravedad (verticales) de la estructura. Todas las columnas restantes, ya sean de acero u hormigón, contribuyen solo mínimamente al sistema lateral del edificio y, en cambio, funcionan principalmente como miembros portadores de carga por gravedad.

La mayor ventaja arquitectónica de colocar las paredes de corte cerca del centro de la estructura es que esto permite vistas sin restricciones, ya que no tiene paredes estructurales en el exterior del edificio. Las paredes centrales también proporcionan la estructura necesaria para el soporte y la protección de los ascensores y las escaleras (que deben aislarse y protegerse de los incendios por razones de seguridad). Por otro lado, colocar las paredes más lejos del centro geométrico de la estructura proporciona más eficiencia estructural al aumentar el momento de resistencia del brazo entre los segmentos de la pared. Por esta razón, el tamaño del núcleo es un proceso de toma y daca. Una pared puede, por ejemplo, a veces aumentar de grosor para compensar su ubicación menos que ideal.

Una rama interesante de este tipo de construcción es que las paredes centrales de un rascacielos típico se pueden construir antes que el resto de la estructura de gravedad, mientras que lo contrario no sería cierto, ya que las columnas de gravedad, sin núcleo, lo harían Ser susceptible al colapso de la carga lateral.

Aquí hay una imagen del concepto. Es una imagen en construcción de la Torre Aqua en Chicago. En el centro de la imagen, puede ver los muros centrales de hormigón que se elevan aproximadamente 3 o 4 pisos sobre el resto de la estructura.


Entonces, ¿cómo se relaciona todo esto con la calle 111 W 57th y edificios similares? Echemos un vistazo a la placa de piso típica de 111 W 57th street:
¿Dónde están los muros de hormigón? Son los elementos de color gris oscuro que recubren la totalidad de los lados más largos del edificio y también se envuelven alrededor de las escaleras y los ascensores. Por lo tanto, para proporcionar suficiente soporte lateral para esta estructura muy delgada, los diseñadores han colocado efectivamente su plano de piso completo dentro del núcleo estructural, realmente no hay un sistema de gravedad envolvente separado que seguir después de la construcción del núcleo *. Ahora, ¿por qué no todos los edificios hacen esto? Como se señaló anteriormente, hay una importante compensación, notarás que esta estructura solo puede acomodar ventanas diminutas, me atrevo a decir, como celdas de prisión, a lo largo de las dos caras largas del edificio. Notarás que las habitaciones con estas ventanas están cuidadosamente diseñadas para ser baños y armarios, donde el impacto es mínimo. Presumiblemente, la estructura está orientada en su sitio de modo que las líneas favorables del sitio para las vistas estén en la parte superior e inferior del plan anterior, de lo contrario, realmente se lo estaría perdiendo.

En cuanto a la construcción, sospecho que el edificio de la calle 111 W 57th en realidad puede construirse bastante rápido, porque el contratista puede usar una forma de deslizamiento que sube suavemente hacia arriba. Esta es una práctica común para las paredes centrales de los edificios convencionales, y es visible en la imagen de arriba de la torre Aqua, pero no es factible para la placa del piso principal que es demasiado grande y carece de paredes continuas a las que adherirse.

Ahora, para mejorar aún más el rendimiento lateral del edificio, se está empleando un sistema adicional en 111 W 57th street. Este es un sistema de amortiguadores masivos sintonizados, colocados cerca de la parte superior de la estructura. Estos son pesos pesados ​​o líquidos que se utilizan para amortiguar las vibraciones en la estructura al moverse en oposición a las frecuencias resonantes de la estructura a través de resortes mecánicos o gravedad (en el caso de amortiguadores de masa líquida). Este tipo de sistema es útil para reducir los movimientos laterales en una estructura súper alta y esbelta, y se ha utilizado con éxito en edificios como Taipei 101, que alguna vez fue el edificio más alto del mundo.

Algunos otros comentarios finales están en orden:

La estructura tendrá 1428 pies de altura, pero solo ocupará hasta 1134 pies. Luego, el área del plan se contrae severamente, ya que se estrecha casi hasta el borde de un cuchillo en el pico. Esta es una hermosa opción estética y también proporciona una buena reducción en las cargas laterales al reducir la masa y el área de los 300 pies superiores de la estructura, lo que de otra manera contribuiría con una cantidad desproporcionada de la carga lateral en la estructura y la base.

* En realidad, hay cuatro columnas grises distintas en el plan, dos en la parte superior y dos en la parte inferior, que pueden ser solo elementos de gravedad, aunque se necesitaría una discusión con el ingeniero de diseño para confirmar.

Como ya se ha dicho, los principales problemas a considerar en los rascacielos se refieren a cómo transportar personas a los pisos altos de manera rápida y eficiente. Imagina un edificio de 30 pisos, que es casi una norma en estos días, y lo irritante que es esperar el ascensor incluso durante aproximadamente 1 minuto, cuando no tienes prisa … ahora imagina que tienes prisa, cuánto sería eso la irritación se multiplica? Otro factor, la estabilidad, es el más importante. Para esto, lo que generalmente no se ve, es más importante que la mayoría, la base. Hay muchas formas de construir una base, pero puede considerarse similar a un árbol. A medida que el árbol crece, las raíces se extienden hacia afuera y hacia abajo para estabilizarlo. Del mismo modo, cuanto más alto sea su edificio, más profundos serán sus cimientos. Otras consideraciones son el viento y los terremotos. Puede hacer que los edificios se balanceen y que las ventanas y los vidrios vibren y se caigan a veces. Esto se contrarresta con miembros estructurales cruzados, amortiguadores de masa sintonizados, electroimanes y aisladores de bases de edificios. La cizalladura del viento también se contrarresta con acristalamiento doble y triple y formas aerodinámicas para reducir los bolsillos de arrastre y presión negativa y también aleja la cara más grande del edificio de la dirección predominante del viento. Todavía tengo que encontrar un rascacielos ‘lápiz’, pero habrían considerado los mismos problemas y encontrarían soluciones para contrarrestar lo que es un diseño muy difícil de lograr. Por lo general, los edificios altos tienden a tener bases más grandes y se reducen a la parte superior, que es la forma en que esta torre también está diseñada, para distribuir la carga desde la parte superior a la base.

Como se mencionó, hay 2 factores principales que influyen en la “altura” de un edificio: (1) transporte y (2) estabilidad.

Transporte

En el transporte significa (principalmente) núcleos de elevación. Tener solo un elevador significa que solo las personas que pueden caber dentro de él pueden subir / bajar en cualquier momento a sus destinos. El resto tiene que esperar hasta que hayan llegado. Además, el ascensor en sí se ralentiza, ya que tiene que hacer un mayor número de paradas para dejar que recojan pasajeros.

Hay formas de aliviar esto. Por ejemplo, agregar núcleos adicionales significaría que se usa más espacio en el piso solo para subir / bajar pasajeros en lugar de ser un área utilizable. Agregar núcleos escalonados significa que un elevador maneja solo una sección del edificio, y luego otro (arriba) maneja otra sección, pero esto significa que alguien que sube a la cima debe realizar más de un viaje de elevador, lo que aumenta el tiempo total de viaje. Otra idea sería usar carros elevadores independientes con rieles laterales para que los carros puedan pasar unos a otros en el mismo eje, al igual que los trenes en las vías del tren (solo vertical), pero esto es extremadamente complicado y significa que el ahorro de energía de los contrapesos del elevador no es No es posible, por lo que casi nunca se usa.

Un truco que utilizan la mayoría de estos edificios súper altos es aumentar las alturas de piso a piso. Es decir, hacer que las alturas del techo sean más de lo necesario, lo que reduce el número de paradas; esto significa que tiene menos espacio en el piso y más espacio vacío simplemente para hacer que el edificio sea “alto” en aras de la “altura”. Efectivamente, ha hecho (digamos) un edificio de 50 pisos con la misma altura que se necesitaría para un edificio de 100 pisos, desperdiciando mucho volumen.

Las longitudes de cable tienden a no ser un problema. Algunas minas usan elevadores con varios kilómetros de cable en un eje, aunque existen límites en los que la resistencia a la tracción no puede manejar la longitud. Pero para que esto se convierta en un problema en los edificios, deben tener más de 2 millas de altura (lo que aún no ha sucedido).

Estabilidad

Las fuerzas laterales (viento, movimiento de tierra, vibraciones, etc.) comienzan a influir en el edificio. Por lo general, la rigidez no es algo bueno. La mayoría de estos edificios están diseñados para doblarse con tales fuerzas en lugar de luchar contra ellos. Para evitar que el edificio se doble demasiado (y, por lo tanto, también para dar a las personas en los niveles más altos de mareo por movimiento), se instalan contrapesos a intervalos para que a medida que el edificio se mueva hacia un lado, el peso retroceda en la dirección opuesta.

Esto, a su vez, significa que otros aspectos del edificio están influenciados. Por ejemplo, la fenestración (fachada acristalada) debe montarse de manera que se adapte al movimiento; de lo contrario, se “saldría” y caería al suelo.

No puedo decir con certeza, pero lo que he aprendido las principales consideraciones para un edificio como este son:
Doblado:
Debido a varios tipos de cargas de viento y de terremoto, el momento de flexión generado sería grande para una pequeña sección transversal de la torre, por lo que para aumentar la rigidez del área de las columnas.
Estabilidad
Incluso una ligera flexión de la torre sacaría su centro de gravedad del área de la base y eso provocaría el colapso de toda la torre.
Teniendo:
Para el área de base tan pequeña, la carga del edificio tenderá a fallar el suelo ya que la presión debajo de la zapata sería muy alta, se debe utilizar un tratamiento especial del suelo con técnicas especiales de cimentación.

El problema limitante fundamental es la capacidad de elevación y los tiempos de espera. Cuantos más núcleos de elevación, peor es la eficiencia de la placa del piso, y esto afecta a todos los pisos. Esto genera problemas de “viabilidad marginal”: si construye un piso adicional, su viabilidad retrocede si requiere un elevador adicional, y deberá construir otro día 6 pisos para recuperar el espacio perdido.

Los elevadores modernos de alta velocidad ayudan a reducir los tiempos de espera, al igual que el control de destino y los carros de dos pisos.

Esto deja de lado las preocupaciones estructurales, pero el núcleo proporciona la “columna vertebral” para el edificio. Es probable que estas estructuras altas y delgadas encuentren “flexión” y movimiento en los pisos superiores y, si bien esto puede ser estructuralmente aceptable, los usuarios pueden encontrarlo alarmante.

Los aspectos a considerar son, por ejemplo, las fallas de la torre Millennium de San Francisco, que se pueden ver en este enlace. La torre Millennium de San Francisco se está hundiendo, dicen expertos.

Este artículo muestra algunas otras estructuras similares que se están construyendo en este momento.

Una próxima torre residencial en Manhattan tiene solo 47 pies de ancho

Con años de experiencia, puedo decir honestamente que, aparte de la estructura, la base del edificio puede ser lo más esencial. Debido a los cimientos bien diseñados, ¿pueden construir edificios tan delgados?

No soy arquitecto, ingeniero ni tengo ningún conocimiento profesional sobre la construcción de rascacielos.

Sin embargo, sí sé que muchos rascacielos hoy en día usan amortiguadores de masa sintonizados, que básicamente funcionan como un péndulo dentro del edificio en uno o varios niveles de altitud. Estos ‘péndulos’ reaccionan a la influencia externa (movimiento exterior) de las torres y, por lo tanto, los equilibran y los mantienen estables con respecto, por ejemplo, a los vientos que enfrentan día a día, pero también a situaciones más severas como terremotos.

Como dije, no soy un experto. Pero teniendo en cuenta que esta es la tecnología más avanzada utilizada en edificios famosos como el Burj Al Arab (11 (!!) amortiguadores de masa sintonizados en varios niveles) o Taipei 101 (el amortiguador más grande / pesado del mundo; por cierto, también tiene el El elevador más rápido del mundo para individuos: ¡un paseo es divertido!), lo más probable es que esta tecnología o una similar también se use en estos llamados “rascacielos de lápices”.

Es mejor que le pregunte a un ingeniero estructural, pero los grandes problemas me parecerían ser la carga del viento y los problemas de arriostramiento lateral con un perfil tan estrecho y el diseño de la base dada una huella tan pequeña para transportar la carga. Tampoco soy un ingeniero de máscaras, pero sospecho que muchos lugares no podrían soportar una estructura de este tipo a menos que hubiera una plataforma ancha disponible para distribuir las cargas (en cuyo caso no tiene sentido hacer que el edificio sea tan estrecho. Manhattan tiene la ventaja, Según recuerdo, de roca madre de granito muy estable que hace posible el icónico horizonte.

No sé la respuesta detallada, aunque me considero conocedor de la arquitectura y el diseño estructural. Sin embargo, incluso antes de ver la foto realmente aterradora anterior, decidí que nunca viviría allí, incluso si pudiera pagarla (a pesar de las impresionantes vistas).