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DISEÑO ESTRUCTURAL: TORRE DUBAI Edelstein,Ruben Ingeniero Civil [email protected]

RESUMEN El presente trabajo,permite reconocer un adecuado Diseño Estructural,por medio del examen del edificio Torre Dubai (Burj Dubai),construcción que al presente osten ta la condición del edificio más alto del planeta,con 160 pisos y 828 metros de altura. Consiste en una investigación analítica con el objeto de mostrar en detalle su Dise ño Estructural,con el objetivo de explicar sus pautas básicas,tal como se sintetiza: Partido en “Y”,generando una morfología variable en altura que logra “confundir” al viento,confirmada por las Recomendaciones del Estudio en Tunel de Viento.Criterio de organización de sus Planos Resistentes,(P.R.),de manera de dotar al conjunto de adecuada rigidez espacial.Básicamente el partido en “Y” se logra a partir de un nu cleo exagonal rígidamente vinculado a un sistema de arbotantes. P.R.en base a tabi ques de hormigon armado con vigas de conexión,vigas cuyo eventual agrieta miento,confirma disposiciones reglamentarias en base a bielas.Los problemas de de formación elástica,lenta y retracción son analizados.Sistema de Fundación,mixto de platea y pilotes,como consecuencia de la magnitud de las cargas y tipo de suelo. En síntesis,el Diseño Estructural,resulta del objetivo de alcanzar la construcción más alta del planeta y se obtienen Recomendaciones de Diseño. ABSTRACT This work,allow us to recognize a properly Structural Design,by examining Dubai Tower,construction that is now a days,the tallest world building,with 160 stories and 828 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,as follows.Its “Y” shape,generating a variable morphology from top to bottom,”confusing” the wind,checked by Wind Tunnel Test.Organization criterion for its Resistants Plans (R.P.),in order to get spatial stiffness.The “Y” shaped organized by an hexagonal core,rigidly conneted to a buttressed system.P.R.are designed as reinforced concret shear walls,coupled by beams,beams which eventual cracks development,confirm codes rules.Problems due to elastic,creep, and shrinkage deformation are analized. Foundation System with a mat and casting place concrete piles,due to high loads and soil properties.To sum up,Structural Design,as a result getting the proposed tar get in order to reach the world highest construction.Design Recommendation are given. Página 1 de 17

DISEÑO ESTRUCTURAL: TORRE DUBAI 1.-Introducción El presente trabajo,permite reconocer un adecuado Diseño Estructural,por medio del examen del edificio Torre Dubai (Burj Dubai)1,Emiratos Arabes,edificio que a la fe cha ostenta la condición de mayor altura del planeta,de 828m.,cuyo proyectista es el Estudio S.O.M.,(Skidmore,Owings and Merrill)2,construcción que será analizada en los siguientes aspectos: 2.Partido y Volumetría. 3.Organización de sus Planos Resistentes (P.R). 4.Sistema de Fundación (S.F.). 5.La Volumetría como recurso para “confundir” al viento. 6.Estudio Modelo en Tunel de Viento. 7.Deformacion elástica,lenta y de retracción,y su importancia. 8.Imágenes y plantas comparativas.Conclusiones del Diseño Estuctural. 2.Partido y Volumetría. El partido adoptado es una “Y” y su volumetría es el resultado de dicho partido y del criterio de producir retrocesos o acortamientos en las dimensiones en cada una de las ramas de la “Y”,a medida que aumenta el número de pisos. En la Figura 1 se tiene el partido en “Y” y la acotación de la secuencia de estos retrocesos que se producen en sentido horario,a partir de la rama “A”.

Figura 1.Partido en “Y”. En la Figura 2,se tiene una vista del edificio en ejecución,donde se expresa su vo Página 2 de 17

lumetría,precisamente consecuencia del partido y de los retrocesos en altura.

Figura 2.Torre Dubai en ejecución. Se verifica,los retrocesos en las dimensiones de las alas del partido en “Y”,retro cesos que se producen en sentido horario,y cada cierto número de pisos. Página 3 de 17

Figura 3.Torre Dubai concluída. En la Figura 3,se observa la Torre Dubai,concluída y la morfología resultante.

Figura 4.Sucesivos cortes y morfología resultante. Figura 4 muestra sucesivos cortes y la morfología resultante,indicándose los nive les donde se producen los sucesivos cambios en el Partido en “Y”. Página 4 de 17

3.Organización de sus Planos Resistentes (P.R). En la Figura 5,se observa la organización estructural de la planta mayor.

Figura5.Organización Planos Resistentes en planta. En Figura 5 se tiene la ubicación de Planos Resistentes (P.R.),de los que se dis tinguen aquellos que se disponen en el núcleo exagonal y que se designan Planos Resistentes del Núcleo (P.R.N.),y aquellos que se encuentran en cada una de las alas del partido en “Y”.Los P.R.N.son de tipo Tabiques de Hormigon Armado,que le otorgan al núcleo rigidez espacial,es decir traslacional y torsional.En las alas se ubi can Planos Resistentes de Alas,(P.R.A.),en su mayoría Tabiques de Hormigon Ar mado vinculados con Vigas de Conexión (V.C.) y algunas columnas tambien de Hor migon Armado.Cada una de estas alas tiene rigidez espacial,y en el conjunto funcio nan como arbotantes del núcleo exagonal,que complementan la rigidez espacial del conjunto.La generación de una volumetría variable en altura,como consecuencia de los retrocesos,origina una serie de transiciones estructurales,al igual que las transi ciones producidas por la ubicación de niveles técnicos.La Figura 6 se indica esta si tuación,en un corte para un sector,lo cual implica que la “trayectoria de las fuerzas”, registre cambios,donde la hipótesis de las bielas de compresión y de tracción,ayuda a explicar la “redistribución” de dichas fuerzas,coincidiendo con recomendaciones re Página 5 de 17

glamentarias,referente al armado.

Figura 6.Corte Vertical para un sector afectado por transiciones. En la Figura 6 muestra Corte Vertical de un sector de P.R.A.,afectado con cargas verticales,que pone en evidencia irregularidades,tales como que no todas las abertu ras estan alineadas en altura,generando la redistribución de las fuerzas verticales,tal como se indica en Figura 7,acorde a la hipótesis de bielas de compresión y de trac ción3,como así tambien en correspondencia de los “retrocesos”,resultan diferentes deformaciones axiales,que pueden originar esfuerzos adicionales.

Figura7.Mecanismo de Bielas de Compresión y de Tracción. Página 6 de 17

En la Figura 7,se tiene el mecanismo de bielas de compresión y de tracción,para lograr,la transición de las cargas verticales,que se origina en parte de la estructura, como consecuencia de la no alineación de aberturas,dando origen a una viga de gran altura, y la misma Figura 6,permite reiterar la aplicación del mecanismo de biela de compresión y de tracción,en los casos que la relación luz/altura de la V.C.resulte menor que 4.Todos estos casos, nos indican que estamos en presencia de una viga donde no se cumple el Principio de Conservación de Secciones Planas y en conse cuencia, no obedece a las leyes de flexión,y es por ello la recomendación reglamen taria para estas V.C. del armado según sus diagonales,en especial para su funciona miento como viga de acoplamiento entre tabiques.

Figura 8.Edificio en ejecución,tabiques acoplados con V.C. La Figura 8,muestra los tabiques acoplados por medio de las V.C.,vigas cuyas di mensiones obligan al diseño por medio de las bielas de compresión y de tracción. 4.Sistema de Fundación (S.F.). El S.F.tal como se anticipó,atento a la magnitud de las cargas y capacidad portan te de los suelos afectados,es de tipo mixto,es decir pilotes pre excavados y platea de hormigon armado.Se ejecutaron 194 pilotes,de 1,50m. de diámetro y longitud máxi ma del orden de 50 m.y luego una platea de 3,70m de espesor,tal como se indica en Figura 9.Los pilotes tienen una carga máxima de 3000 ton.y fueron realizados ensa yos “in situ”,con cargas de hasta 6000 ton,tal como se indica en Figura 10. Página 7 de 17

Figura 9.Sistema de Fundación. En la Figura 10,se tiene la disposición del Ensayo “in situ” de un pilote y en la Figu ra 11,se indica la planta de la platea de fundación ya hormigonada.Atento a las ca racterísticas de los suelos y composición química del nivel freático,se debieron em plear hormigones resistentes a dichos agentes.

Figura 10.Ensayo estático,” in situ” de un pilote. Página 8 de 17

Figura 11.Platea de Fundación. 5.La Volumetría como recurso para “confundir” al viento. Acorde a lo anticipado,la morfología resultante del Partido en “Y” y el criterio de redu cir las dimensiones en planta de las ramas de las alas,a medida que aumenta el nú mero de pisos,origina una morfología,que resulta eficiente para “confundir”4 al vien to,desorganizando los vórtices del mismo,tal como se verificó en el Estudio en Tunel de Viento, y que se muestra en la Figura 12. En efecto,en la Figura 12,se grafican 3 secciones tipos correspondiente cada una de ellas a sector superior,medio y bajo,donde se comprueba la reducción de los vór tices de viento,a medida que se asciende en atura.

Figura 12.Secciones Superior,Medio y Bajo. Evidentemente,la reducción de estos vórtices implica una importante atenuación de los efectos del viento,logrados con esta morfología y la rigidez de la estructura. Página 9 de 17

Estos aspectos,han sido los únicos recursos para ello,sin necesidad de recurrir al empleo de Amortiguadores de Masa Sintonizados,tal como se ha requerido en otros edificios,y de menor altura y número de pisos.

Figura 13.Secuencia de los “retrocesos” de las alas. Del modo que se viene anticipando,la Figura 13,muestra la secuencia de los “re trocesos” de cada una de las alas,en forma horaria y rotativa a medida que aumenta el número de pisos,de acuerdo a la numeración indicada en la Figura 13.Este mismo perfil del edificio,tal como se verifica en Figura 2 y Figura 4 pone en evidencia que es tos “retrocesos” tienen una consecuencia en la distribución de cargas gravitatorias, que a uno y otro lado del Núcleo Exagonal del edificio,no mantienen simetría,y pro ducirán como lógico resultado,la aparición de desplazamientos laterales. 6.Estudio Modelo en Tunel de Viento. El Estudio en Tunel de Viento se realizó con un modelo en escala 1/500,tal como aparece en la Figura 14,con las variantes de modelo rígido y modelo flexible,con me dición de presiones. El Estudio de Modelo en Tunel de Viento implica un profundo conocimiento de al gunos temas,tales como las Leyes de Semejanza. Es por ello que la construcción del modelo requiere la determinación previa en la estructura proyectada de sus propiedades dinámicas tales como sus períodos de vi bración,que fueron evaluados por vía computacional y cuyas deformadas se repro ducen en Figura15,siendo sus tres primeros períodos de vibración,a saber T1=11,43 seg,en la dirección perpendicular T2=10,2 seg y torsional T3=4,3seg. Página 10 de 17

Figura 14.Modelo en Tunel de Viento.

Figura 15.Modos de Vibración. También se detecta movimiento en la dirección del viento, y en la dirección per pendicular,tal como se grafica en Figura 16. Página 11 de 17

Figura 16.Efecto del viento. A los fines de mayor ilustración se tiene en Figura 17,el esquema de un Modelo de 2 grados de libertad con un Modelo Rígido.

Figura 17.Esquema de Modelo Rígido con dos grados de libertad. El uso de Modelo Flexible implica,a los efectos de las Leyes de Semejanza,tomar en consideración la distribución de masas y rigideces del edificio a construir,y des pués de cada evaluación de resultados en el modelo,se corrige el diseño del edificio, con el objeto de mejorar el diseño investigado. Página 12 de 17

7.Deformación elástica,lenta y de retracción,y su importancia. La volumetría de la Torre Dubai y el Diseño Estructural de la misma,dan origen a problemas de importancia,magnificados por la altura del edificio.Las cargas gravita torias,exclusivamente generan cuestiones tales como deformación elástica,lenta y de retracción.Para reducir los efectos de la deformación lenta y de retracción,las di mensiones de columnas y tabiques fueron establecidas en lo que hace a deforma ción lenta,de manera de lograr tensiones similares debidas a peso propio,y para re tracción de modo de mantener valores similares para la relación volúmen/ sección. Las deformaciones propias de la fundación,tienen influencia sobre los resultados, y al depender todas estas deformaciones del tiempo,los estudios clásicos de tipo li neal conducen a valores erróneos. El proceso constructivo resulta notoriamente afectado por estas deformaciones,de manera que fue necesario la realización de un programa con corrección de la altura de piso a piso,de manera de evitar que estas deformaciones reduzcan y en conse cuencia,alteren las alturas proyectadas.

Figura 18.Desplazamientos verticales en función del piso, a 30 años. En la Figura 18,se tienen las curvas de desplazamientos verticales en función del piso considerado a 30 años después del hormigonado,distinguiéndose la deforma ción elástica,de retracción,deformación lenta y curva total. La Figura 18 demuestra que el desplazamiento vertical total máximo,a 30 años alcanza 30cm,lo cual indica la importancia de estas deformaciones. Como consecuencia de la volumetría del edificio,y en especial del “retroceso” pro Página 13 de 17

ducto de la reducción de dimensiones de las alas,las cargas verticales generan des plazamientos horizontales,que requieren un monitoreo permanente,a los fines de “recentrar” el eje vertical de la construcción. Es bien conocida la influencia de la cuantía de acero en las columnas y tabiques de hormigón armado,en los problemas de deformación lenta y retracción. La compatibilidad de la deformación entre hormigon y acero,consecuencia del Principio de Conservación de Secciones Planas,produce una redistribución de la fuer za a cargo del hormigon y el acero en el tiempo,tal como se observa en la Figura 19. En la Figura 19, donde por medio de 3 curvas,grafica esta redistribución de fuerzas, que para el caso de cuantía de acero del 1%,para el piso 135º,la fuerza a cargo del acero,inmediatamente a la finalización del edificio,es del 15% y la del hormigón el 85%,en tanto que a los 30 años,el acero se hace cargo del 30% y el hormigon del 70%,y si la cuantía de acero aumenta,estos porcentajes acentúan la transferencia de esfuerzos del hormigon al acero.Es bien conocido que esta transferencia de esfuer zos es beneficiosa,pues produce una disminución de la deformación lenta,toda que es el hormigon el que origina la deformación lenta.

Figura 19.Redistribución de la fuerza entre hormigon y acero en el tiempo. 8.Imágenes y plantas comparativas.Conclusiones del Diseño Estuctural. En la Figura 20 se observa una comparación de las alturas de obras a través del tiempo,comenzando por la Gran Pirámide (Giza) que no llega a los 200m.de altura hasta la Torre Dubai (Burj Dubai) que sobrepasa los 800m.de altura,pasando por el Empire State, Petronas Tower,Taipé 1015,las desaparecidas Torres Gemelas (New York), CN Tower (Toronto). Es decir desde la Gran Pirámide a Burj Dubai,la altura ha aumentado más de cua tro veces. Página 14 de 17

Figura 20.Imágenes comparativas. En la Figura 21 se observa las plantas tipos de cuatro edificios emblemáticos de nuestro tiempo,a saber Burj Dubai,Taipé 101,Torres Sears y las Torres Gemelas.

Figura 21.Plantas tipos. Corresponde destacar de estos cuatro edificios,que Burj Dubai y las Torres Sears son los que mayor cantidad de cambios registran en su planta tipo,a los fines de la generación de la volumetría y estructura. En la Figura 22 se tiene distintas imágenes del avance de la construcción en el tiempo. En la primera aparece el edificio concluído,en la segunda su estado en el año 2006,la tercera 2007,y la cuarta 2008. Su construcción comenzó en setiembre 2004 y concluyó en enero 2010. Página 15 de 17

Figura 22.Torre Dubai y avance en el tiempo. Las Conclusiones del Diseño Estructural analizado,se resumen a continuación, ha bida cuenta que en todas sus fases se obtienen valiosas conclusiones: a.El Diseño Estructural ostenta a la fecha la condición del edificio más alto del pla neta. b.El Sistema de Fundación,de tipo mixto,consecuencia de la magnitud de las car gas y de la capacidad portante del suelo. c.La Morfología es la consecuencia de un proceso de aproximaciones sucesivas, basado en los resultados del Estudio en Tunel de Viento,con distintos tipos de mode los,y modificando el D.E.,que han permitido “confundir” al viento,desorganizando vór tices,atenuando los efectos eólicos,sin necesidad del empleo de A.M.S. u otros re cursos de mitigación. d.Los Planos Resistentes,atento a la magnitud de las acciones,han empleado Ta biques Acoplados por medio de Vigas de Conexión (V.C.) de hormigon armado,don de las V.C.debido a sus dimensiones y relación de las mismas, no cumplen la hipóte sis de la Conservación de Secciones Planas,y han requerido un armado especial. e.La magnitud de las cargas inducen deformaciones tanto elástica,lenta y de re tracción de importancia,por lo que se debieron prever durante el proceso constructi vo programas de corrección de alturas de piso a piso,y de “recentrado” de la torre co mo consecuencia de desplazamientos laterales ocasionados por cargas verticales,a los fines de lograr la ejecución conforme a proyecto. Página 16 de 17

f.La morfología resultante es consecuencia del propósito de alcanzar una altura re cord,minimizando las acciones del viento,y evidencia la interacción entre arquitectura y diseño estructural. 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. 2.William F.Baker y otros.”Burj Dubai:Engineering the World`s tallest Building “. Wiley Inter Science 2007. 3.C.C.Fu.”The Strut and Tie Center.University of Maryland.

model of

Concrete

Structures”.The

BEST

4.J.A.Amin and A.K.Ahuja.”Aerodynamic modifications to the shape of the buildings:a review of the state of the art”.Asian Journal of Civil Engineering .Vol. 11. Nº 4-2010. 5.Ruben Edelstein.”Diseño Estructural:Taipé 101”.22º Jornadas Argentinas de In geniería Estructural.Setiembre 2012. 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.

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