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DISEÑO ESTRUCTURAL:CENTRO FINANCIERO MUNDIAL EN
SHANGHAI
Edelstein,Ruben Ingeniero Civil
RESUMEN
El presente trabajo,permite reconocer un adecuado Diseño Estructural,por medio del examen del edificio Centro Financiero Mundial en Shanghai,construcción cuyo proyecto inicial preveía una altura de 460 metros de altura,y como consecuencia de una posterior Variante de Diseño Estructural,no obstante fundaciones ya concluídas, alcanza los 492 metros de altura.Consiste en una investigación analítica con el obje to de mostrar en detalle su Diseño Estructural,con el propósito de explicar sus pau tas básicas,tal como se detalla:Partido cuadrado,transformándose en exágono,gene rando en altura una morfología variable.Se reconoce un sistema de Planos Resisten tes Perimetrales (P.R.P.), que interactúa con el sistema de Planos Resistentes del Nucleo (P.R.N.),mediante vigas espaciales.Los P.R.P.se integran con supercolum nas, vigas reticuladas de transición,y macro diagonales y su P.R.N.,en base a tabi ques reticulados de acero embebidos en hormigon armado.Sistema de Fundación mixto de platea y pilotes,como consecuencia de la magnitud de las cargas y tipo de suelo.Como recurso para atenuar los efectos del viento,presenta gran abertura tra pezoidal en su sector superior.Posteriormente fue incorporado un doble sistema de Amortiguadores de Masa Sintonizados,(A.M.S.).Recomendaciones de Diseño.
ABSTRACT
This work,allow us to recognize a properly Structural Design,by examining Shanghai World Financial Centre,(SWFC),the one was initialy designed to reach 460 metres high and even though its foundations were built,as a result of an Alternative Structural Design,reach 492 metres high.This paper work,is an analitical research in order to show its Structural Design Details,with the main target by explainning its basic ideas,and as a result,the following aspects about SWFC:Square shape at the bottom,changing to top into an exagonal shape,generating a variable morphology. Basically it is recognized a Perimeter Resistant Plan (P.R.P.),the one that interact with Core Resistant Plan (C.R.P.) with spatial beams,organizing their P.R.P with Su percolumns,Belt Trusses and Mega Diagonals,and their C.R.P.as Reinforced Con crete Walls with embedded steel trusses.Foundation System with a mat and casting place concrete piles,due to high loads and soil properties.As a way to decrease wind action,a trapezoidal whole at top was designed.After completition a doble Tun ned Mass Dumper was added,(T.M.D.).Design Recommendations are given.
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CENTRO FINANCIERO MUNDIAL EN SHANGHAI
1.-Introducción
El presente trabajo,permite reconocer un adecuado Diseño Estructural,por medio del examen del edificio Centro Financiero Mundial enShanghai1, (C.F.M.S.) cons trucción que será analizada en los siguientes aspectos:
2.Volumetría.
3.Organización de sus Planos Resistentes (P.R).
3.a.Planos Resistentes Perimetrales (P.R.P.).
3.b.Planos Resistentes del Nucleo (P.R.N.).
4.Sistema de Fundación (S.F.).
5.Atenuación del viento por medio abertura trapezoidal,en sector superior.
6.Estudio Modelo en Mesa Vibrante (Shaking Table).
7.Utilización de Amortiguadores de Masa Sintonizados (A.M.S.)
8.Imágenes comparativas y Conclusiones del Diseño Estuctural.
2.Volumetría
En la Figura 1,se tiene la volumetría del C.F.M.S.,la que se genera a partir de un cuadrado,que en altura se transforma gradualmente en un exágono,conservando es tructuralmente,simetría diagonal.Es importante destacar que el Diseño Estructural ori ginal era de Ove Arup,con una altura total de 460 metros,y no obstante tener sus fun daciones totalmente ejecutadas,se adoptó la Variante de Diseño Estructural (V.D.E.) del Ingeniero Leslie Robertson2,que permitió alcanzar una altura total de 492 metros.
Figura 1.Volumetría
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La V.D.E.se logra en base modificaciones en los P.R.P. y la inclusión de un Siste ma de Vigas de Conexión (S.V.C.),entre los P.R.P. y P.R.N.,cuya interacción origina una disminución del peso de la construcción,lo que permite aumentar su altura,sin modificar el S.F. existente.
3.a.Planos Resistentes Perimetrales.(P.R.P.)
Los P.R.P. estan integrados por cuatro supercolumnas esquineras,en hormigon ar mado que delimitan un cuadrado de 57,95m de lado,supercolumnas (S.C.) que resul tan vinculadas por vigas reticuladas de transición (V.R.T.),en base a sección cajon en acero, que se ubican cada 12 pisos,sistema que se completa con mega diagona les (M.D.) en base a sección cajon en acero rellenas con hormigon,que le proporcio na restricción lateral al pandeo localizado y le agrega amortiguamiento al sistema.
En la Figura 2 se tiene un esquema de los P.R.P.,los P.R.N.,las mega diagonales (M.D.) y las vigas reticuladas de transición (V.R.T.),que tienen un piso de altura.
Figura 2.Los P.R.P.,P.R.N.,V.R.T.,M.D.y S.V.C.
Figura 3.Secciones tipo para las M.D.,S.V.C. y V.R.T.
En la Figura 3 se tienen las secciones tipo cajon para las M.D.,S.V.C.y
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V.R.T.,donde estas últimas se benefician por la ausencia de relleno de hormigon,lo cual contribuye a la reducción del peso propio de la estructura,atento su tipología de reticulado.
Figura 4.Variaciones en altura del partido cuadrado en exagonal.
En la Figura 4 se tienen la secuencia de las variaciones en el partido y estructura en los sucesivos pisos,donde se advierte la transición del partido cuadrado al partido exagonal,donde se verifica la simetría diagonal,tanto en el cuadrado como en el exá gono.
Corresponde destacar,precisamente por la simetría diagonal,solamente dos de las supercolumnas esquineras opuestas,se bifurcan,originando los sucesivos exágonos.
Figura 5.Partido Cuadrado,con simetría diagonal.
En la Figura 5,se tiene el Partido Cuadrado,con simetría diagonal,donde también
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se observa el S.V.C.,que conectan las columnas esquineras de los P.R.N.con las S.C. de tipo A y B.
Figura 6.Super Columna (S.C.) de tipo A y M.D.
En la Figura 6,se observan las S.C. de tipo A y la M.D.
Las S.C. de tipo B son las que a partir de cierto nivel se fiburcan,siguiendo una tra yectoria curva, dando origen a los sucesivos Partidos Exagonales,que se detallan en Figura 4.
En la Figura 7 se tiene la sección transversal de una de las supercolumnas de ti po B.
Figura 7.Supercolumna (S.C.),tipo B.
Adviértase el tamaño de la sección transversal de la S.C.,cuyo cuadrado envol
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vente mide 5,45m,y los anclajes de acero dentro del hormigon, para recibir ya sea cordones de V.R.T., M.D. y S.V.C.
La magnitud de las cargas que gravitan sobre estas S.C.,hacen que los proble mas de deformaciones elásticas, lenta y de retracción adquieran relevancia.
En la Figura 8,se observa las fachadas en proceso de ejecución,y se advierten las M.D. y las V.R.T.cada 12 pisos,que conjuntamente con las S.C.generan los P.R.P.
La V.D.E.del Ing.Robertson,incluye la reducción del número de columnas interme dias en cada cara,que inicialmente,en el Diseño Estructual (D.E.) de Ove Arup era de 17 columnas a solamente 3 columnas,lo cual permite fachadas más transparen tes,tal como se observa en la Figura 8.
Figura 8.Proceso de ejecución fachadas y P.R.P.
3.b.Planos Resistentes del Nucleo (P.R.N.)
En la Figura 2 se indican los P.R.N.,que son de tipo mixto,es decir reticulados de acero,embebidos en hormigon armado,y en base al S.V.C. que vinculan los P.R.P. con los P.R.N.,la V.D.E. del Ing.Robertson permite aumentar la altura del edificio,en base precisamente a la interacción de los P.R.P. y los P.R.N.,tal como lo demuestra el Diagrama de Esfuerzos de Corte (debido a fuerzas horizontales) que se indica en Figura 9,diagrama donde se advierte el Esfuerzo de Corte total,como así también la parte de dicho Esfuerzo de Corte a cargo de los P.R.N. y por diferencia la parte a car go de los P.R.P.
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Figura 9.Diagrama de Esfuerzo de Corte.
El S.V.C.ocupan 3 pisos de altura.
El D.E.de Ove Arup,las fuerzas horizontales eran resistidas exclusivamente por los P.R.N.,no beneficiándose de la participación de los P.R.P.,que logra la V.D.E.
Habiendo detallado el Sistema Estructural (S.E.),resulta de interés reproducir los resultados de la aplicación del procedimiento de Pushover,que refleja el comporta miento del S.E.tal como se grafica en la Figura 10,indicándose la ubicación de rótu las plásticas.
Figura 10.Diagrama Esfuerzo de Corte/Desplazamientos.
4.Sistema de Fundación (S.F.)
El S.F.,atento a la naturaleza del suelo y magnitud de las cargas,es de tipo mixto,es decir pilotes y platea de hormigón armado,tal como se indica en Figura 11.
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Figura 11.Pilotes y Platea del S.F.
Figura 12.Ubicación de Pilotes,P.R.N. y Pantalla de hormigon armado.
En la Figura 12,se indica en planta,superpuestos ubicación de pilotes,los P.R.N.y la pantalla de hormigon armado,de los primeros niveles inferiores.
Se ejecutaron 2271 pilotes de una longitud máxima de 78m. y una platea de hor migon armado de 4,5m de espesor, que integraban el S.F. original del D.E.del Estu dio Ove Arup y que la V.D.E. del Ing.Robertson no necesitó modificar.
5.Atenuación del viento por medio abertura trapezoi dal,en sector superior.
En la Figura 13 se muestra la estructura de tipo reticulada,ubicada en el sector superior,a los fines de definir una abertura trapezoidal de 50mx36m con el objeto de atenuar los efectos del viento,toda vez que dicha abertura implica una disminución importante del área expuesta.
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Figura 13.Estructura reticulada que define abertura trapezoidal.
Su diseño original era circular que para el caso de coincidir el sol en su ubicación simularía la bandera de Japón,motivo por el cual y otras razones,finalmente se adop tó la forma trapezoidal.
6.Estudio Modelo en Mesa Vibrante (Shaking Table).
La estructura del C.F.M.S.es una estructura irregular,toda vez que presenta una serie de transiciones que se repiten cada 12 pisos en su altura,y su partido si bien tiene simetría diagonal,acorde al Código de China,su relación altura/ancho del orden de algo más de 8 excede el límite 7 ,al igual que su altura 492 m.sobrepasa los 190 m., ambos del referido Código, motivo por el cual se realizó un Estudio con Modelo en escala 1/50 en Mesa Vibrante (S.T.).
La Mesa Vibrante es de 4,00mx4,00m,y se puede excitar con dos aceleraciones horizontales con máximos de 1,2g y 0,8g,y aceleración vertical de 0,7g.
En la Figura 14,se reproduce el modelo utilizado,el que fue construído según las Leyes de Semejanza,simulando las estructuras metálicas con láminas de cobre y el hormigon armado con concreto con agregado fino y acero simulado con alambres.
A la fecha del Estudio de Modelo de Figura 14,todavía permanecía el diseño de la abertura superior de forma circular,que posteriormente fue sustituído por la forma tra pezoidal.
El Estudio de Modelo fue realizado en el State Key Laboratory de la Universidad de Tongji,Shanghai,China y publicado en el año 2006 3.
Se emplearon 40 acelerómetros,distribuídos regularmente en altura,de a 2 en ca da piso examinado y 3 en correspondencia del techo y del piso 60,muchos de ellos en coincidencia del nivel de las V.R.T.
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Figura 14.Modelo ensayado en S.T.
El Código de China establece 3 tipos de sismo,a saber el sismo frecuente,el bási co y excepcional,diferenciándose por el pico de aceleración,que para la escala 7 del mismo Código implica aceleraciones pico, del orden 10%g,30%g y 60%g respectiva mente.
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En el caso del C.F.M.S. del Estudio en Modelo,no se registraron daños para el ni vel 7,con los 3 casos de pico de aceleración indicados.
Por el contrario se registraron daños en el nivel 8 para el pico de aceleración del orden de 100%g para el sismo excepcional,daños que se reproducen en la Figura 15
Figura 15.Daños registrados en el Modelo.
En la imagen superior izquierda,se advierten daños en la S.C. tipo A,entre pisos 5 y 7;en la imagen superior derecha,se advierten daños en la S.C. tipo B,entre pisos 5 y 6,y en la imagen inferior se advierte el pandeo de columnas perimetrales,pisos 6 y 7.
7.Utilización de Amortiguadores de Masa Sintonizado s (A.M.S.).
El A.M.S. es un sistema constituído por una masa,que aporta rigidez y amortigua miento,que se incorpora en la parte superior de la Estructura Principal (E.P.) con el objetivo de reducir la respuesta dinámica de la estructura a una determinada fre cuencia, o en el entorno de misma.
De esta forma el A.M.S. se “sintoniza” a una frecuencia natural de la estructura principal de manera que la vibración de la Estructura Principal,se minimiza en forma muy importante.
Implica la selección de parámetros tales como la relación de masas y relación de frecuencias,ambos valores, entre el A.M.S. y la E.P.4.
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En el C.F.M.S. se ubicaron dos A.M.S en el piso 90,tal como se indica en la Figu ra 16.
Figura 16.Ubicación dos A.M.S. en piso 90º.
En la Figura 17 se tiene el detalle del A.M.S.
Figura 17.Detalle del A.MS.
En la Figura 17,el bloque amarillo es la masa de 150 ton.que está suspendido por cables y tiene el mismo período de vibración que la E.P.,y se encuentra conectado a una computadora.Logra reducir hasta 40 % de los efectos del viento.
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8.Imágenes comparativas y Conclusiones del Diseño E stuctural.
En la Figura 18 se tiene una imagen de los edificios del sector donde está emplazado el C.F.M.S.
Figura 18.Sector donde está emplazado el C.F.M.S.
En la Figura 19 se muestra los perfiles y alturas de los rascacielos más importan tes de la región,indicándose altura y fecha de conclusión.
Figura 19.Algunos edificios de la región.
En Figura 19 se verifica que el C.F.M.S. es el segundo en altura,siendo ligeramen te superado por el Taipé 101.
En la Figura 20 se aprecia un conjunto representativo de los edificios más altos del planeta,con la referencia que todos ellos exceden la altura super alto de 300m.y solamente 7 edificios,superan el límite de mega alto de 600m.
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Figura 20.Imágenes de los edificios más altos.
El edificio más alto corresponde a la Torre Dubai (Burj Dubai) de 828m.,que es en la actualidad el edificio de mayor altura en el planeta,y el que aparece en el extremo derecho,es el C.F.M.S de 492m.
En la misma Figura 20, en ubicación de por medio con C.F.M.S. se encuentra el edificio Taipé 101,cuya altura es ligeramente superior,ambos edificios tienen 101 pi sos y el mismo tipo de fundación,es decir mixta integrada por pilotes y platea.
Ambos edificios tienen A.M.S.,en cambio el edificio más alto del planeta,laTorre Dubai 5,no tiene ningún tipo de aislación.
La Torre Dubai,logra su extraordinaria altura,en base a su morfología,que según Estudio en Tunel de Viento,toda vez que se verifica que dicha morfología consigue “confundir” al viento,desorganizando los vórtices y atenuando presiones y succiones del viento,al mismo tiempo que está dotado de una considerable rigidez en base a un partido en “Y”,con su núcleo exagonal,y 3 alas a modo de arbotantes.
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Figura 21.Foto del C.F.M.S.prácticamente concluído.
En la Figura 21,se tiene la foto del C.F.M.S.prácticamente concluído faltanto re vestimiento del sector correspondiente a la abertura trapezoidal.
Las Conclusiones del Diseño Estructural se sintetizan a continuación:
a.El caso analizado pone en evidencia la profesionalidad del Ing.Leslie Robertson, quien a partir de S.F.proyectado y construído para un edificio de menor altura,en ba se a la interacción de los P.R.P. y P.R.N.logró aumentar la altura del mismo,sin ex ceder la capacidad portante del S.F.
b.La conveniencia del empleo de macro estructuras tales como las S.C.,M.D.y V.R.T. en la concepción de los P.R.P. y en especial su hiperestaticidad,tal como se refleja en el Procedimiento Pushover,al evidenciar la rotulación de M.D.
c.La atenuación de los efectos del viento mediante la abertura trapecial superior, mediante la redución de la superficie expuesta.
d.La importancia del Estudio de Modelo en la Mesa Vibrante,a los fines de detec tar posibles zonas vulnerables de la estructura.
e.El empleo de A.M.S. como recurso para mitigar los problemas de resonancia en los edificios de gran altura.
f.La morfología resultante y la Estructura como posibilitante de ella.
Referencias:
1.Ruben Edelstein.Conferencia Virtual ”Diseño Estructural,problemas de ejecución y Enseñanza de las Estructuras-Edificios de última generación a nivel mundial” Colegio de Ingenieros Civiles de Córdoba,23 y 24/09/2013.
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2.Leslie Robertson.”The Shanghai World Financial Center”.Structure Magazine. Ju nio 2007.
3.Xilin Lu y otros.”Shaking table model test on Shanghai World Financial Center Tower”.Wiley Interscience.2006.
4.Ruben Edelstein.”Diseño Estructural:Taipé 101”.22º Jornadas Argentinas de In geniería Estructural.Setiembre 2012.
5.Ruben Edelstein.Diseño Estructural:Torre Dubai.23º Jornadas Argentinas de In geniería Estructural.Setiembre 2014.
Antecedentes Profesionales:
Ex-Profesor Titular de Estructuras II de F.A.U.D. y Ex-Profesor Adjunto de Cons trucciones de Hormigon Armado de la F.C.E.F y N. ambas de la U.N.C. Profesor Visi tante en el Depto.Ingeniería Civil de la University of Southern California (L.A.,U.S.A.) Autor de 4 libros sobre Diseño y Cálculo Estructural, y mas de 40 trabajos publica dos en Congresos de Estructuras.Director de Proyectos de Investigación en U.N.C. Su actividad profesional se desarrolla en el Diseño Estructural.