Estructuras resilientes

La Torre Ejecutiva Pemex

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La Torre Ejecutiva PEMEX es un rascacielos de diseño arquitectónico internacional, su construcción comenzó en el año 1979 y fue ocupada en el año 1982, los materiales empleados fueron acero, vidrio y aluminio. Originalmente su altura fue de 222 metros, pero cerca de su inauguración en 1984, la punta de la torre sufrió modificaciones y la altura se redujo a 214 metros.

Torre Ejecutiva de Pemex. Ciudad de México, México

La Torre de PEMEX fue el rascacielos mexicano más alto de México durante 19 años, título que cedió a la Torre Mayor en el año 2003. Es 32 metros más alto que la Torre Latinoamericana y 11 metros menos que la Torre Mayor. [1]. La construcción de la Torre de Pemex estuvo a cargo del arquitecto Pedro Moctezuma. A decir de los expertos, su diseño regular es una de las cualidades que brinda mayor estabilidad en la zona sísmica donde fue asentada.

El subgerente de Ingeniería de Pemex Corporativo, Héctor Moreno Alfaro, comenta: “eso le permite, lo que nosotros denominamos, defenderse de las fuerzas horizontales de temblor de una manera más eficiente, al distribuir mejor las cargas (..) Es un edificio que por donde quiera que se le ve tiene simetrías, quizá le reste un poco de creatividad arquitectónica, pero a cambio ganamos en estabilidad y mayor capacidad de resistir” [2]

Toda la estructura de 53 pisos pesa 110 mil toneladas, que está soportada por su cimentación, la cual está conformada por 164 pilas hincadas a 32 metros de profundidad, superando el relleno pantanoso del antiguo lago, hasta llegar al subsuelo más firme. Las pilas en la parte superior tienen 1.20 metros de diámetro y en la punta 1.50, definiendo un estilo de cimentación que en la época de su construcción se denominaba pilas con campana, esto permite que tengas una capacidad de carga de hasta 1000 toneladas cada una.

Para soportar las cargas verticales, que son las provocadas por los sismos, la edificación cuenta con una serie de diagonales que definen marcos cada 16 pisos y que confieren mayor rigidez a la estructura. Adicionalmente se construyeron armaduras horizontales tipo diafragma en los pisos 21 y 37, ligándolos con las diagonales, a manera de tener unos elementos rígidos que ayudan a reducir los desplazamientos horizontales y permiten que se conserve la forma de la estructura del edificio.

En caso de sismo, la torre empezará a oscilar en un efecto como de péndulo invertido por varios seundos y se desplazaría 1.80 metros por cada lado.

La Torre fue diseñada para soportar sismos de 8.5 grados en la escala Richter y un año después de su construcción fue puesta a prueba con el terremoto que azotó a la Ciudad de México el 19 de Septiembre de 1985 (8.1 grados Richter), la torre sólo se movió sin ser afectada debido a sus cimientos. Así también logró superar los eventos ocurridos en el mes de septiembre del 2017. A pesar de que el terremoto del 19-S ya había terminado, la torre seguía balanceándose en un movimiento “armónico muy suave”. El sismo se registró primero como un movimiento más o menos caótico, llegó un momento en que ya no había fuerza exterior del sismo y el edificio quedó vibrando en forma libre, hasta que finalmente se detuvo

Referencias:

[1] Torre Ejecutiva PEMEX. Edificios de México, el sitio web de los edificios de México. Recuperado de: http://www.edemx.com/citymex/rascacielos/T_PEMEX.html. Acceso: miércoles 9 de mayo de 2018.

[2] Fanny Miranda (20 de diciembre de 2017). Torre de Pemex libra terremoto sin daños. Milenio Diario S.A. de C.V. Periódico Digital Mexicano, todos los derechos reservados. Recuperado de: http://www.milenio.com/region/torre_de_pemex-libr-sin_danos-rascacielos-sismo-cdmx-terremotos-balanceandose-milenio_0_1051694838.html. Acceso: miércoles 9 de mayo de 2018.

La Torre Latinoamericana.

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La Torre Latinoamericana es un rascacielos ubicado en el Centro Histórico de la Ciudad de México. Catalogado como el edificio más alto de la ciudad de México desde su construcción en 1956 hasta 1972, obtuvo el record del rascacielos más alto del mundo fuera de Estados Unidos y por lo tanto de América Latina. Además se inauguró como el primer y más grande edificio con fachada de cristal y aluminio, siendo también el único rascacielos en todo el mundo en estar en una zona sísmica lo cual sirvió de ejemplo para la cimentación y construcción de futuros edificios en el mundo.

La Torre Latinoamericana. Ciudad de México, México

Para la construcción del edificio la propuesta original consideraba un edificio de 27 pisos, con pilotes de madera, estructura de acero y reforzado con concreto, el diseño arquitectónico tenía cierta semejanza con edificios vecinos, pero luego de una revisión al subsuelo se encontró que era posible diseñar un edificio de 40 pisos.

Conforme al avance del proyecto se agregaron tres pisos más y una antena de televisión que daba al edificio una altura total de 181.33 m. el más alto en América Latina

El ingeniero Leonardo Zeevaert Wiechers, estructural y geólogo, elaboró un amplio programa de investigación del subsuelo que en parte consistió en el sondeo con muestras inalteradas hasta 50m. en el sitio del edificio; instalación de piezómetros a 18, 28, 33 y 50m. en el lugar, en la banqueta y en la Alameda Central e instalaciones de bancos de nivel.

Se llegó a la conclusión de proyectar una cimentación estructural que crearía paradigmas en la ingeniería moderna, ya que el subsuelo de la ciudad es fangoso, con consistencia esponjosa. Para la cimentación de la Torre se hincaron 361 pilotes de concreto de punta a 34 metros de profundidad hasta la capa resistente del subsuelo y una losa de cimentación a manera de cajón, que además sirve para empotrar la Torre a una profundidad de 13.50 m, con lo cual la torre literalmente “flota” en el subsuelo.

Para soportar un peso total de edificio de 25,000 toneladas, se construyó una estructura rígida de acero; que dan forma a 3 sótanos y a 44 pisos que se elevan a 139 metros, más una antena de 42 metros, totalizando 181.33 metros sobre el nivel de la calle.

Fotografías de la Torre Latinoamericana en pie después de los Terremotos acontecidos en México en 1957 y 1985, y la torre en pie hasta el año 2017.

La Torre Latinoamericana ganó prestigio a nivel mundial cuando resistió un fuerte terremoto el 28 de Julio de 1957, gracias a su construcción con estructura de acero y pilotes profundos, Esta hazaña le obtuvo un reconocimiento al recibir el premio del American Institute of Steel Construction (Instituto Americano de la Construcción de Acero), por ser el edificio más alto que jamás haya sido expuesto a una enorme fuerza sísmica, como atestiguan inscripciones en sendas placas en el vestíbulo y mirador del edificio. Sin embargo, su prueba más dura vino durante el terremoto del 19 de Septiembre de 1985, en donde La Torre resistió sin problemas un registro máximo de 8.1 grados en la escala de Richter, cuya duración aproximada fue de poco más de 2 minutos y el 13 de Abril del 2007 soportó un temblor de 6.3 grados en la escala de Richter. Actualmente se le considera uno de los edificios más seguros de la ciudad y del mundo a pesar de su ubicación. [1]

El ingeniero mexicano Germán López Rincón indica que el empotramiento de la torre debido a su cimentación explica el por qué los sismos no le afectan, se debe a la forma en que vibra. Considerando que con 44 pisos y cada uno de ellos vibra en el orden de un décimo de segundo, la cifra habla de un periodo de vibración de más de cuatro segundos, y el suelo sobre el que se asienta se mueve a 2.5 segundos. Esto significa que cuando la torre empieza a regresar, el sismo la vuelve a empujar, la onda sísmica, y lo que hace es que se detiene el movimiento y así se mantiene. No ocurriría lo mismo si el edificio tuviera un periodo de dos y medio segundos, eso significaría que el movimiento se acoplaría como cuando alguien empuja un columpio, entrando en resonancia. [2]

Germán López Rincón afirma también que la Torre Latinoamericana es una proeza de la ingeniería mexicana, que debe considerarse en el tiempo en que fue levantada, aunque en la actualidad construir un edificio similar ya no sea novedad.

Referencias:

[1] Torre Latino, Historia. Recuperado de: http://torrelatinoamericana.com.mx/historia/. Acceso: martes 8 de mayo de 2018.

[2] La Torre Latinoamericana, una proeza de ingeniería en México. (23 de abril de 2016). El Economista, Periódico digital mexicano. Recuperado de: https://www.eleconomista.com.mx/arteseideas/La-Torre-Latinoamericana-una-proeza-de-ingenieria-en-Mexico-20160423-0026.html. Acceso: martes 8 de mayo de 2018.

Superando las dificultades sísmicas

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Muchos de los grandes centros urbanos que pueblan el planeta están ubicados en zonas costeras o al lado de áreas montañosas que son parte de sistemas tectónicos que incluyen zonas de subducción o fallas importantes capaces de generar grandes terremotos. Además, la mayoría de estos conglomerados urbanos se encuentran en áreas en desarrollo del mundo que tienen baja resiliencia frente a los peligros naturales y presentan altos niveles de riesgo contra el riesgo sísmico. La baja resiliencia se debe principalmente, entre otros factores, incluidos los socioeconómicos, debido a la alta vulnerabilidad del parque de edificios, que se caracteriza por la mala calidad de la construcción y la ausencia de características de diseño sísmico, que se encuentran comúnmente en lo que se conoce como estructuras no diseñadas. [1]

La evolución de la Ingeniería sísmica ha permitido a la humanidad superar algunas de las principales dificultades en cuanto las condiciones del suelo donde se construye y la lucha en contra de los efectos que grandes fenómenos naturales, como son los terremotos, pueden tener en la infraestructura. Esto es aún más complicado cuando no se piensa en construir simples estructuras de unos cuantos pisos sino que el objetivo es una edificación de gran altura, rascacielos, sobre todo si se habla de una zona considerada peligrosa por su elevada actividad sísmica.

La Torre Latinoamericana, La Torre Ejecutiva Pemex y La Torre Mayor, en México; El U.S. Bank Tower, en Estados Unidos; La Torre Santiago del Costanera Center y la Torre Titanium La Portada, en Chile; y La Torre Taipei 101 en Taiwan, son las algunas de las más destacadas mega-estructuras en estar en una zona de alto riesgo sísmico.

Referencias:

[1] Taucer, F. (2010). Desempeño de estructuras no de ingeniería en recientes terremotos: panorama y estrategias de mitigación. América, 1-12.

Corazón de roca: núcleo de hormigón

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En muchos edificios modernos de gran altura, los ingenieros utilizan la construcción de pared central para aumentar el rendimiento sísmico a un menor costo. En este diseño, un núcleo de hormigón armado atraviesa el corazón de la estructura, rodeando los bancos de ascensores. Para edificios extremadamente altos, la pared del núcleo puede ser bastante considerable: al menos 30 pies en cada dirección del plano y de 18 a 30 pulgadas de espesor.

Si bien la construcción del muro central ayuda a los edificios a resistir los terremotos, no es una tecnología perfecta. Los investigadores han descubierto que los edificios de base fija con muros de núcleo aún pueden experimentar importantes deformaciones inelásticas, grandes fuerzas de corte y aceleraciones dañinas en el piso. Una solución, como ya hemos discutido, involucra el aislamiento de la base, flotando el edificio sobre los rodamientos de plomo y caucho . Este diseño reduce las aceleraciones del piso y las fuerzas de corte, pero no previene la deformación en la base de la pared del núcleo.

Una mejor solución para las estructuras en las zonas de terremotos requiere una pared de núcleo oscilante combinada con aislamiento de base. Una pared de núcleo oscilante se balancea al nivel del suelo para evitar que el concreto en la pared se deforme permanentemente. Para lograr esto, los ingenieros refuerzan los dos niveles inferiores del edificio con acero e incorporan postesado a lo largo de toda la altura. En los sistemas de postensado, los tendones de acero se roscan a través de la pared del núcleo. Los tendones actúan como bandas elásticas, que pueden tensarse estrechamente mediante gatos hidráulicos para aumentar la resistencia a la tracción de la pared central. [1]

De entre las grandes estructuras que utilizan en su diseño un núcleo de hormigón se encuentra la Gran Torre Santiago, en Santiago de Chile.

Núcleo de hormigón de la Torre Santiago de Chile

Referencias:

[1] 10 Tecnologías que ayudan a los edificios a resistir los terremotos: Rocking Core-wall. Howstuffworks, plataforma web informativa. Recuperado de: https://science.howstuffworks.com/innovation/science-questions/10-technologies-that-help-buildings-resist-earthquakes5.htm. Acceso: 25 de mayo de 2018.

Sistema de aislador de base cinemático

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El aislador cinemático se propuso inicialmente como una solución de bajo costo para la protección sísmica de viviendas para personas de bajos ingresos, generalmente ubicadas en la periferia de las grandes ciudades, donde las condiciones normales a malas son comunes. Por lo tanto, el aislador también es una base de pilotes con un cable pretensado central y dos superficies de acero rodante en los extremos superior e inferior. Variando las formas de las superficies de rodadura extremas, se pueden obtener diferentes relaciones constitutivas de fuerza-deformación para el aislador. La disipación de energía se introduce al ceder el refuerzo pasivo en la interfase rodante. Además de indicar la formulación de deformación grande del elemento, aquí se estudian varios aspectos relevantes del comportamiento de estos dispositivos, como el aumento de la tensión del cable pretensado central, responsable de la acción autocentrante del aislador, la elevación del suelo que resulta de la geometría del aislador y la estabilidad vertical del sistema. [1]

Modelo a escala de un sistema de aislamiento cinemático

Referencias:

[1] Pinochet, Julio & de la Llera, Juan & Lüders, C. (2006). Analysis of a kinematic self‐centring seismic isolator. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 35. 1533 – 1561.