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nov. 27 de 2018
Innovación y tendencias
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Resumen:

Actualmente, uno de los lugares que presenta mayores retos para la ingeniería estructural en el mundo, es la ciudad de Nueva York y más específicamente el condado de Manhattan. El diseño de los nuevos rascacielos que se están desarrollando en esta ciudad han creado geometrías singulares

 

*Artículo cortesía: Ing. Carlos Turizo

Después de la crisis financiera del 2008, la propiedad raíz en Nueva York se ha visto altamente influenciada por inversionistas con un músculo financiero fuerte. Parte de su estrategia ha sido la adquisición de predios donde se compran “derechos del aire​”; al tener un espacio limitado en la base de los edificios, en algunas ocasiones, el área de los pisos superiores se incrementa, generando una geometría similar a un trapezoide invertido. Los desarrolladores también utilizan la mayor altura posible.

La combinación de estas dos tendencias nos ha llevado a tener edificios donde la esbeltez se sale de los rangos tradicionales en los rascacielos, generando formas y geometrías que se comportan de una manera diferente durante eventos de viento cada vez más frecuentes.

Rascacielos en Nueva York

Pie de foto: Rascacielos en Nueva York. Crédito: DeSimone

Retos en el diseño estructural de edificios súper esbeltos

Los parámetros de diseño tradicionales se deben reevaluar al buscar soluciones efectivas cuando se presentan este tipo de estructuras: el parámetro que pasa a ser el más importante durante la etapa de diseño, es la respuesta del edificio a cargas de viento y su respectiva aceleración; los valores de aceleración determinan el grado de comodidad que sienten los ocupantes del edificio. Al edificio vibrar durante las cargas de viento, los ocupantes sienten estas aceleraciones las cuales varían en magnitud y frecuencia. El diseñador estructural busca limitar estos valores según recomendaciones de la industria y estudios de sensibilidad de los ocupantes.

Para estudiar la respuesta del edificio a cargas dinámicas, la estrategia de diseño empieza por incorporar un estudio de túnel de viento y durante esta etapa se examina la respuesta global del edificio a cargas de viento y se identifican las posibles anomalías aero-elásticas. Con estos parámetros se obtiene una idea de cuál puede ser la estrategia de amortiguación del edificio, incluyendo la amortiguación inherente y los amortiguadores de masa (ver foto 2). En muchas ocasiones, se tiene que analizar la forma del edificio y se lleva a cabo un análisis de sensibilidad donde se hacen modificaciones en la arquitectura, para observar cómo cambia su comportamiento durante las pruebas en los túneles de viento.

Amortiguación del edificio, amortiguación inherente y amortiguadores de masa

Pie de foto: amortiguación del edificio, amortiguación inherente y amortiguadores de masa. Crédito: DeSimone

El efecto que tiene la forma del edificio y cómo hace cambiar las líneas de flujo se puede observar en la figura 3. Cuando existe un edificio con una forma regular, sin cambios en la fachada, el viento genera un desprendimiento de vórtice. El efecto aéreo - elástico se transfiere en una carga cíclica, este desprendimiento de los vórtices genera unas fuerzas oscilantes que tienen una dirección perpendicular a la dirección del flujo de aire. La magnitud de esta fuerza oscilante depende de la velocidad del viento, la forma y el tamaño del edificio y su rigidez. Un ejemplo clásico de este efecto son las ondulaciones que se generan en una bandera o las oscilaciones en una señal de pare durante un viento continuo. En el caso de las banderas se presentan figuras sinusoidales.

Cambio de líneas de flujo respecto a la forma del edificio

Pie de foto: Cambio de líneas de flujo respecto a la forma del edificio. Crédito: DeSimone.

Basados en los estándares de la industria y recomendaciones del “Consejo de Edificios Altos y Hábitat Humana (CTBUH Council on Tall Buildings and Human Habitat)”, las aceleraciones aceptadas para un periodo de retorno de un año en un edificio residencial deben estar por debajo de 8 mili-g. Es común encontrar aceleraciones que superan estos valores en edificios esbeltos; la dificultad al realizar el análisis se encuentra cuando la aceleración medida, dada una amortiguación natural, está muy por encima de los valores recomendados.

La estrategia debe empezar por analizar la forma del edificio y calcular las aceleraciones para diferentes periodos de retorno. Los consultores de túneles de viento actualmente pueden hacer análisis de sensibilidad, para determinar qué parámetros se deben modificar y qué tan cerca estamos de encontrar una solución óptima. Frecuentemente, dependiendo de qué tan cerca se esté de los valores permitidos, se pueden utilizar amortiguadores de masa en los pisos superiores para reducir las aceleraciones generadas.

Un amortiguador de masa es un sistema de absorción de vibraciones mediante el balanceo de un contrapeso colgante. Normalmente se utiliza en los pisos superiores. Después de seleccionar el tipo de amortiguador de masa, en coordinación con el túnel del viento y los modelos de análisis estructurales, se hace la evaluación de la edificación y se procede al diseño de todos los elementos.

Nota aclaratoria de responsabilidad: Las observaciones contenidas en este documento son de carácter informativo y deben ser aplicadas y/o evaluadas por el constructor o usuario solamente en caso de considerarlas pertinentes. Por lo tanto, estas observaciones no comprometen a Argos, a sus filiales o a sus subordinados.

 

Los parámetros de diseño tradicionales se deben reevaluar al buscar soluciones efectivas cuando se presentan este tipo de estructuras: el parámetro que pasa a ser el más importante durante la etapa de diseño, es la respuesta del edificio a cargas de viento y su respectiva aceleración.

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Conclusión

El estudio de las aceleraciones en las torres súper esbeltas sigue siendo de gran interés para la comunidad científica, donde avances en los túneles de viento, incluyendo modelos de elementos finitos que capturan los efectos dinámicos del viento tratado como un fluido, son herramientas que se siguen desarrollando para solucionar este tipo de estructuras. En el futuro se espera que, combinando esta tecnología con diseños novedosos, logren proyectos que sean seguros y confortables para sus ocupantes.

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