1. Introducción

Los sistemas estructurales para edificios de gran altura han experimentado una espectacularidad evolución a lo largo de las últimas dos décadas. Históricamente la evolución de la forma estructural de edificios de gran altura se ha reestructurado como respuesta a las nuevas tendencias arquitectónicas en el diseño de la construcción, (Gilmore & Galaz , 2014 ). En la década de los 80s, se caracterizaba por geometrías prismáticas repetitivas y azoteas planas, para los cuales se desarrollaron sistemas de perfil constante o con variaciones graduales utilizando un sistema de forma global , como innovadores sistemas estructurales correspondientes a macro marcos , marcos con diagonal arriostradas interiormente , de acero híbrido , sistemas de corazón de concreto de alta resistencia , estructuras con amortiguamiento y muros estructurales son algunos de los sistemas estructurales utilizados para edificios de gran altura, (Fu, 2018).

El sistema estructural elegido para un proyecto en particular, a menudo puede tener gran impacto en el diseño arquitectónico, por lo que exigen nuevos sistemas estructurales, que resultan ser sistemas más sofisticados y complejos. Dentro de esta variedad de sistemas estructurales están los sistemas de marcos rígidos utilizados para edificios de 15 a 25 niveles, sistemas con interacción de marcos arriostrados y rígidos para 40 a 50 niveles y sistemas de marco de tubos para 50 y 60 niveles. Como lo muestran en los estudios publicados por Chung et al., 2015; Halis Gunel & Emre Ilgin, 2007 y Ali & Moon, 2007, donde clasifica a los sistemas estructurales en dependencia de la altura que pueden alcanzar y sistema estructural exterior e interior, Figura 1

Figura 1
Estructura interior a y exterior b

Actualmente la fachada exterior ha sido sustituida en muchos casos por módulos verticales articulados que envuelven el edificio. Esta discontinuidad y el cambio de la fachada exterior han llevado a una nueva generación de sistemas estructurales que responden a requisitos más flexibles, en los cuales, los sistemas estructurales conocidos no proporcionan un eficiente comportamiento estructural, ya sea por la altura y/o diferentes sistemas de cargas, además, del incremento de costos de construcción pueden volverse económicamente poco razonable.

2. Sistema estructural Outrigger

En la ingeniería civil existe el sistema estructural Outrigger, el cual es una configuración de elementos armadura colocados en ciertos niveles del edificio que permite reducir los efectos de desplazamiento lateral producido por cargas sísmicas y viento, reduciendo significativamente las dimensiones de los elementos estructurales exteriores . Lee & Tovar, (2014) enuncian que el sistema Outrigger proporciona la suficiente elegancia , eficiencia y sustentabilidad para resguardar las demandas de las nuevas tendencias arquitectónicas, estructurales y económicas para edificios de gran altura, (Figura 2). El sistema Outrigger permite incrementar la resistencia ante cargas laterales, en el cual las columnas externas están ligadas a un corazón de muros de gran rigidez y armaduras en algunos de sus niveles, así, cuando las cargas laterales actúan sobre el edificio , la flexión del corazón rota las armaduras estabilizadoras , induciendo tensión y compresión a las columnas exteriores , disminuyendo el momento flector, permitiendo reducir su sección así como de la cimentación (Seng Kian & Torang Siahaan, 2001). El funcionamiento de las armaduras como cinturón, moviliza las columnas exteriores tomando parte de la rotación por lo que mejora la rigidez del edificio de 25 a 30%, beneficiando la igualación de deformaciones axiales entre columnas interiores y exteriores debido a efectos de temperatura, y acortamiento axial desigual debido al desequilibrio de la carga de gravedad, (BS Taranath, 2012).

Figura 2
Edificio con dos sistemas de rigidez outrigger

3. Comportamiento estructural

El comportamiento del sistema Outrigger se idealizó como una armadura horizontal rígida conectada a un marco arriostrado que actúa como un resorte equivalente de restricción evitando la rotación del marco. La estructura se convierte en un voladizo con un sólo grado de redundancia , y su rigidez puede calcularse asumiendo que la armadura en forma de tapa es infinitamente rígida, la compresión axial y la tensión es igual al producto de la rotación del núcleo y su distancia del centro del núcleo. Si las columnas son localizadas a una distancia d/2 desde el centro del corazón, la deformación axial de las columnas es igual a 𝜃 𝑑/2, donde . es la rotación del corazón y . es la distancia entre la columna exterior. Para ángulos muy pequeños, θ = 1, por lo que la deformación axial es igual a d/2 unidades y asumiendo las siguientes condiciones:

1. El comportamiento es elástico lineal

2. Solo las fuerzas axiales son introducidas en las columnas

3. Los Outrigger están unidos rígidamente a la base y conectados con las columnas

4. Las propiedades de la sección del núcleo, columnas y las armaduras estabilizadoras son uniformes en toda la altura del edificio

5. Sólo la deformación a flexión se considera en el núcleo y las armaduras estabilizadoras; la deformación por cortante es despreciada.

Los edificios sometidos a sismos intensos deben ser capaces de resistir deformaciones inelásticas significativas conservando su capacidad de carga. Uno de los efectos que ocasionan daños severos y hasta el colapso es el fenómeno de la torsión. Es decir, los edificios que presentan diferentes niveles de asimetría en masas, rigidez y/o resistencias, originan un desfase entre la fuerza de cortante sísmica y la fuerza resistente de sus entrepisos , el acoplamiento entre los desplazamientos traslacionales y rotacionales de los sistemas de piso y, por consiguiente , un incremento en la fuerza cortante de los elementos estructurales que sobrepase su capacidad.

En el caso de edificios asimétricos estas deformaciones inelásticas provienen de la traslación y rotación de sus entrepisos. Por lo tanto, su comportamiento debe ser tal que, además de soportar los desplazamientos laterales, tienen que resistir los desplazamientos adicionales debido a torsión (Escobar Sánchez et al., 2002).

Una respuesta torsional excesiva provoca importantes daños o colapso de estructuras cuando se presenta un sismo de gran intensidad; como en los edificios los pisos experimentan torsión y traslación simultáneamente debido al acoplamiento de ambos movimientos en este trabajo se propone encontrar la mejor localización del sistema Outrigger , analizado los cambios de los desplazamientos traslacionales y angulares que se producen principalmente por la asimetría de las masas, rigideces y/o resistencia, traducidas en los valores de la localización de las excentricidades entre la línea de acción de la fuerza sísmica y la resistencia . Desde este punto de vista del diseño estructural , a mayor excentricidad se traduce en una mayor concentración de fuerza y exigen mayor solicitación de resistencia en los elementos estructurales.

4. Modelación del sistema estructural

4.1 Datos del modelado y configuración de los edificios

Se analizaron dos modelos de edificios de concreto reforzado de 20 niveles y 30 niveles , Figura 3a) y Figura 3b) respectivamente, con un solo tipo de armadura estabilizadora y una base de 18 y 30 metros. Las alturas en todos los niveles son de 400 cm y las columnas, vigas y muros de cortante tienen secciones transversales que se indican en la Tabla 1 y Tabla 2.

Tabla 1.

Secciones transversales edificio 20 niveles

Figura 3.
Modelo analítico

El sistema estructural Outrigger está conformado por un conjunto de miembros tipo armadura , compuesta por elementos de acero A36 y un perfil estructural W8x67. Se utilizó un concreto grado C4500, módulo de elasticidad 2’717, 500 .00 ton/m2, módulo de Poisson de 0.2, densidad de 2.403 ton/m3 y todos los modelos se elaboraron en el software MIDAS Civil 2016®.

Se cuidó que en la estructuración no existiese un cambio de rigidez debido al cambio de las secciones transversales en un solo nivel, por lo que se procuró que el cambio de secciones fuese paulatino, como se puede analizar en las tablas antes mencionadas.

Figura 4.
Distribución del sistema de rigidez outrigger

El número y localización del sistema estructural Outrigger se hizo variar a lo largo de la altura de los edificios como se muestra en la Figura 4ª) y Figura 4b). De acuerdo a la formulación propuesta por Wilbur (Meli Piralla, 2011) se estimó la rigidez de entrepiso y se aproximó el centro de torsión de cada entrepiso . Debido a que el peso en cada nivel es uniformemente distribuido en toda la planta del edificio , el centro de masa coincide con el centro geométrico de los edificios.

Al realizar las variaciones de la localización del sistema estructural Outrigger a lo largo de la altura de los edificios, (Figura 5) muestra el mejor comportamiento obtenido de los edificios en cuanto a su excentricidad torsional , ya que , es la combinación en la cual se obtuvo la menor distorsión en la variación de los resultados. Se observa que el sistema con cuatro armaduras estabilizadoras sólo mejora su comportamiento en el edificio de 30 niveles y 18 metros de base, Figura 5 b). Los resultados muestran que el sistema mejorar en edificios con una configuración esbelta.

Los casos de la Figura 5 c) y d), muestran un pico muy significativo entre niveles, el cual proporciona indicios de ocasionar el fenómeno de piso suave, afectando severamente al edificio en caso de un sismo.

La combinación del sistema de tres armaduras estabilizadoras muestra un comportamiento más estable en todas las combinaciones, sin embargo, se aprecia un incremento en la excentricidad torsional en algunos de sus niveles, sobre todo en los niveles intermedios. Su mejor desempeño es evidenciado en el edificio con 20 niveles y 30 metros de base, Figura 5 c). La combinación de dos sistemas estructurales Outrigger fue la que mejor desempeño mostró, ya que, la diferencia entre sus excentricidades fue menor, demostrando la menor distorsión entre sus niveles, como lo indica también los estudios reportados por (Kim, 2017).

Por lo tanto, la significativa variación de excentricidad torsional en el edificio de 20 niveles y 18 metros de base, Figura 5 a), sugiere que el sistema muestra el menor desempeño para edificios de menor altura y mayor esbeltez. El edificio de 20 niveles y 30 metros de base, logra mejorar sustancialmente su comportamiento.

Figura 5.
Excentricidad del centro de torsión

5. Conclusiones

En este trabajo se demuestra las ventajas del sistema estructural Outrigger para contrarrestar cargas dinámicas . Se evidencia el proceso de análisis estructural a partir de estudiar el comportamiento de la excentricidad torsional , el cual permite obtener suficiente evidencia que permite al ingeniero estructurista resolver el problema por la falta de evidencia y dependencia de experiencia para elegir el número y localización del sistema Outrigger.

Se observó que la ubicación del sistema Outrigger juega un papel importante en el desempeño global de la estructura, ya que, el número y ubicación expone como la estructura sufre cambios en la excentricidad torsional, traduciéndose en daños que pueden resultar en fallas o hasta el colapso parcial o total de la estructura.

Se puede concluir que edificios con mayor esbeltez muestran un mejor comportamiento cuando se utiliza el sistema estructural Outrigger , ya que, a pesar de tener los mayores valores de excentricidad torsional , la diferencia entre niveles es menor entre nivel y nivel. A diferencia de los edificios con la menor esbeltez , donde las diferencias entre excentricidades torsionales se vuelven mayores indicando que existen mayores desplazamientos entre niveles.

Finalmente , la desventaja que en el lugar donde se disponen los elementos armaduras llamadas también armaduras estabilizadoras, el espacio es desaprovechado, sin embargo, se puede mitigar haciendo coincidir con los niveles tecnológicos o niveles de almacenamiento.

Referencias

Ali, M. M., & Moon, K. S. (2007). Structural Developments in Tall Buildings: Current Trends and Future Prospects. Architectural Science Review, 50(3), 205–223. https://doi.org/10.3763/asre.2007.5027

BS Taranath. (2012). Analysis and Design of Tall Buildings.

Chung, K. R., Yang, D., Engineers, S., Chung, K., & Sunu, W. (2015). Authors : Outrigger Systems for Tall Buildings in Korea.

Escobar Sánchez, J. A., Mendoza Silva, J. A., & Gómez Martínez, R. (2002). Procedimiento simplificado para el diseño por torsión sísmica estática.

Foster, N. (2002). Foster and Partners (P. Asensio (ed.); 1st ed.). Loft Publications.

Fu, F. (2018). Chapter One - Introduction. In F. Fu (Ed.), Design and Analysis of Tall and Complex Structures (pp. 1–4). Butterworth- Heinemann. https:// doi.org/https://doi.org/10.1016/B978-0-08-101018- 1.00001-0

Gilmore, A. T., & Galaz, G. C. (2014). Dimensionado preliminar basado en rigidez de edificios altos con estructura de acero rigidizados con diagonales concéntricas. 54(90), 34–54.

Halis Gunel, M., & Emre Ilgin, H. (2007). A proposal for the classification of structural systems of tall buildings. Building and Environment, 42(7), 2667– 2675. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2006.07.007

Kim, H.-S. (2017). Optimum design of outriggers in a tall building by alternating nonlinear programming. Engineering Structures, 150, 91–97. https://doi.org

Lee, S., & Tovar, A. (2014). Outrigger placement in tall buildings using topology optimization. Engineering Structures, 74, 122–129. https://doi.org/10.

Meli Piralla, R. (2011). Diseño estructural (2a. ed., p. 596). Grupo Noriega Editores.

Seng Kian, P., & Torang Siahaan, F. (2001). The Use of Outrigger and Belt Truss System for High-Rise Concrete Buildings. Civil Engineering Dimension, 3(1), 36–41.