EDIFICIO TURNING TORSO EN MALMÖ (SUECIA)
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EDIFICIO TURNING TORSO EN MALMÖ (SUECIA) Mario RANDO CAMPOS Raúl RODRÍGUEZ FAJARDO Ingeniero Industrial Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos SANTIAGO CALATRAVA L.L.C. Jefe Dpto. Ingeniería Estructural SANTIAGO CALATRAVA L.L.C. Dpto. Ingeniería Estructural m.rando@calatrava.com pro.valencia@calatrava.com Resumen Ubicado en la ciudad sueca de Malmö e inaugurado en el año 2005, el Turning Torso constituye un edificio enormemente singular por su altura y forma exterior, que fue diseñado por el arquitecto e ingeniero Santiago Calatrava. Se trata de un edificio de oficinas y viviendas de 55 plantas (agrupadas en 9 cubos de 6 plantas y un nivel inferior adicional), de altura total 190 m. Cada planta, de forma pentagonal apuntada con unas dimensiones de 34 y 24 m en cada dirección, rota respecto a la inferior, de manera que el giro total entre las plantas extremas del edificio es 90º. El soporte principal del edificio viene dado por un núcleo central de hormigón armado, de forma cilíndrica, de diámetro interior constante de 10.6 m y espesor variable de 2.5 m en la base hasta 0.4 m en su extremo final. El eje vertical de este núcleo es el eje de rotación de las losas de hormigón de cada planta. Otro elemento característico del edificio es la enorme celosía de acero que “abraza” el conjunto del edificio y que proporciona estabilidad frente a acciones horizontales. Palabras Clave: Santiago Calatrava, Turning Torso, edificio, Malmo, acero, hormigón, núcleo, celosía 1. Introducción y descripción arquitectónica El edificio está formado por 55 plantas de viviendas y oficinas conectadas entre sí mediante un núcleo central de escaleras y ascensores. La rotación total de 90º del conjunto de plantas lleva asociada una configuración inclinada de todos los elementos del edificio, condicionando la geometría de los elementos portantes, del cerramiento exterior, de los acabados interiores, así como de los conductos de instalaciones. Fig. 1 Vista general del edificio El cerramiento exterior está formado por un muro cortina a base de paneles sandwich con acabado en color blanco en los que se integran grandes ventanas. El aspecto exterior del edificio viene claramente marcado, además de por la rotación de las plantas pentagonales, por los 9 cubos en que éstas se agrupan, separados entre sí por terrazas y zonas técnicas. También la celosía metálica exterior caracteriza la estética final del edificio. Por último, merece ser resaltada la amplia participación española en el edificio. Es el caso del proyectista Santiago Calatrava, el fabricante de acero Emesa y el fabricante y responsable del montaje de la fachada Folcrá. 2. Concepto estructural El edificio Turning Torso está soportado fundamentalmente por un núcleo central de hormigón armado, así como por un pilar continuo también de hormigón ubicado en la punta de las losas. Estos elementos soportan los 9 cubos del edificio, formado cada uno de ellos por 6 plantas. La celosía metálica exterior proporciona estabilidad horizontal al edificio. El edificio se cimenta sobre lecho de roca mediante cimentación cilíndrica de 30 m de diámetro y 15 m de profundidad. La losa de cimentación tiene 7 m de canto. La zona de cimentación de la espina metálica está reforzada mediante pilotes y anclajes al terreno. 2.1 Cimentación Cimentación principal de la torre El terreno donde se asienta la torre consiste en una primera capa de rellenos antrópicos de unos 5 m, una capa de arcillas de 5-7 m de potencia y por debajo un lecho rocoso de caliza. La parte superior del lecho rocoso se denomina caliza de Copenhage, altamente fracturada y permeable, que tiene unos 4 m de espesor en la zona . Por debajo existe una caliza compacta denominada Bryozonan que alcanza profundidades de unos 50 m. La cimentación de la torre consiste en una losa circular de hormigón de unos 7 m de espesor y 30 m de diámetro cuya base se dispone 15 m por debajo de la cota del terreno, de modo que asienta directamente en el lecho rocoso compacto (Fig 3). La excavación se realizó al abrigo de tablestacas metálicas que definían el perímetro de la cimentación (Fig 2). Las tablestacas se introducían 15 m en el terreno y 3 m dentro del lecho rocoso por medio de potentes máquinas de vibración. Se inyectó hormigón en el terreno por fuera de las tablestacas para reforzar su resistencia y mejorar el sellado frente a infiltraciones de agua del freático. Fig. 2 Excavación de la cimentación al abrigo de tablestacas Cuando finalizó la excavación, se hormigonó la losa de cimentación de 30 m de diámetro y 7 m de espesor. Dos plantas de sótano se ejecutaron para crear salas técnicas y de servicios, así como para acceder al aparcamiento adyacente. Aproximadamente se utilizaron 5100 m3 de hormigón en la cimentación, que fueron vertidos de manera continuada durante 3 días y noches. La cimentación finalizó en Junio de 2002. Fig. 3 Armado de la losa de cimentación del núcleo y cimentación del cordón principal de la celosía exterior Cimentación del cordón principal de la celosía exterior La cimentación del cordón principal de la celosía exterior está sometida tanto a cargas de compresión como de tracción, en función de la dirección e intensidad del viento que actúe sobre el edificio. Para garantizar la durabilidad de la cimentación, el diseño debe minimizar la influencia debida a las cargas alternantes: – – – La cimentación está formada por pilotes cuadrados prefabricados que alcanzan el estrato rocoso. Centrado con la distribución de pilotes, se disponen anclajes postesados hasta el estrato rocoso, de manera que su longitud de anclaje se desarrolle por debajo del extremo inferior de los pilotes. La fuerza de pretensado de los anclajes debe ser superior a la máxima tracción sobre la cimentación, para que los pilotes estén permanentemente en compresión. Las cargas externas alternantes provocan en la cimentación únicamente una variación de la compresión en los pilotes y en la tracción de los anclajes, sin cambiar de signo las fuerzas de estos elementos. La variación de tracción en los anclajes se desarrolla de manera proporcional a la deformación elástica de los pilotes, por lo que la tensión de los anclajes sólo varía un 2-3% en función de las cargas exteriores, pudiéndose descartar cualquier riesgo de fatiga. En resumen, la cimentación actúa como un conjunto postesado de hormigón sin fisurar, con todas las ventajas que esto supone en cuanto a rigidez, resistencia, fatiga y durabilidad (Fig 3). 2.2 Elementos estructurales verticales Núcleo central. El núcleo central es el elemento de soporte principal del edificio, frente a acciones gravitatorias y horizontales. Es de hormigón armado, con forma cilíndrica y eje vertical, de diámetro interior constante de 10.6 m y espesor variable de 2.5 m en la base hasta 0.4 m en su extremo superior (Fig 4). En su interior se ubican las escaleras y ascensores de comunicación, lo que obliga a la disposición de numerosas aberturas atravesando las paredes del núcleo para puertas e instalaciones. Este hecho fue tenido en cuenta en la evaluación de la merma de rigidez, y para el estudio de la armadura de refuerzo necesaria. Columna de hormigón. Se trata de un pilar continuo de hormigón armado (de dimensiones exteriores aproximadas 1.5x1.5 m y forma según muestran las Fig 4 y 7) ubicado en la punta de las losas, y que por tanto tiene una geometría inclinada, impuesta por la rotación entre plantas. Su sección transversal apuntada viene dada por el vértice de las plantas, siendo constante en casi toda la altura del edificio, salvo en los primeros niveles donde el aumento de carga hizo necesario incremetar su área. Fig. 4 Armadura del núcleo central y de la columna de hormigón En el análisis estructural tuvo importancia la diferencia entre la rigidez vertical del núcleo y la columna de hormigón, lo cual es despreciable en un edificio de altura baja o moderada, pero deja de serlo en un edificio alto. Los mayores descensos de la columna frente al núcleo en los niveles superiores del edificio imponían esfuerzos sobre la losa y los pilares perimetrales, que no se detectarían con un análisis aislado de las losas, lo que obligó a utilizar el modelo general de cálculo en estos casos. Losas estándar. Como se ha explicado anteriormente, cada cubo está integrado por 6 losas macizas de hormigón armado, siendo las 5 superiores las losas estándar. Su espesor es de 27 cm y están apoyadas en el núcleo y en una serie de pilares metálicos perimetrales, los cuáles transmiten su reacción a la losa inferior del cubo o “losa cónica” que se empotra en el núcleo. Existe una viga de cuelgue de canto total de 54cm en la zona de la punta, que apoya en el núcleo y la columna de hormigón, y que fue necesaria por tratarse del área de la losa con mayores luces (Fig 5). Núcleo central Viga de cuelgue de 54 cm Columna de hormigón Losa de espesor 27 cm Fig. 5 Losa estándar Losas de anclaje de diagonales (“deck levels”). La losa estándar superior de cada cubo o “deck level” sirve para el anclaje de las diagonales y horizontales. Esta losa tiene un recrecido local de 52 cm en la zona de los anclajes para permitir acomodar la armadura y transmitir los esfuerzos recibidos. Los deck levels constituyen la terraza exterior que define visualmente los cambios de cubo del edificio, interrumpiéndose el muro cortina de la fachada en la parte trasera de la planta. Losas cónicas. Esta losa inferior de cada cubo es de espesor variable entre los 90 cm en el empotramiento al núcleo hasta los 40 cm en su borde, lo que le proporciona capacidad suficiente para soportar en voladizo a los pilares perimetrales de cada cubo, que recogen la carga de los apoyos en el perímetro de las 5 losas estándar superiores. La cuantía del armado radial superior de esta losa es muy importante y se ancla en longitud suficiente en el interior del núcleo (Fig 6). Canto de 90 cm en el empotramiento al núcleo Núcleo central Espesor de 27 cm en la zona de la punta Canto de 40 cm en el borde Núcleo interior Fig. 6 Losa cónica Muros de cortante (radial y perimetral) Pilares metálicos perimetrales. Los pilares perimetrales de apoyo de las losas estándar sobre la losa cónica son de acero de diámetro 140 mm, y articulados en sus extremos para reducir tanto los efectos de punzonamiento en losa, como los momentos en pilares. Muros de cortante. Existen de dos tipos, radial de 40 cm de espesor y perimetral de 30 cm, y se desarrollan a partir del deck-level hacia sus plantas adyacentes, superior e inferior. Junto con el regruesamiento local de 52 cm del deck-level, estos muros sirven para el anclaje de las diagonales y horizontales de la celosía. De hecho, el muro radial conecta estos elementos metálicos con el núcleo central de hormigón, lo que contribuye a que la celosía exterior y el núcleo trabajen solidariamente (Fig 6). Núcleo interior. Núcleo secundario ubicado en el interior del núcleo estructural principal. Está formado por muros, para alojar las escaleras prefabricadas y los ascensores, así como por las losas de descansillo (“landing slabs”) (Fig 6). Los muros se apoyan fundamentalmente en cimentación, siendo sus uniones al núcleo principal muy ligeras, al igual que en el caso de las losas de descansillo, con objeto de permitir deformaciones independientes de estos elementos con respecto al núcleo estructural principal. Celosía exterior. La celosía metálica exterior proporciona estabilidad horizontal al edificio. Está formada por un cordón principal o “espina” (tubo de diámetro 900 mm), a la que se unen elementos diagonales y horizontales de diámetro variable, desde los 750 mm en el centro hasta un diámetro de 300 mm en extremos. Estos elementos de diagonalización se anclan a la estructura de hormigón a través de sendos muros (muros de cortante radial y perimetral), siguiendo la modulación marcada por los 9 cubos del edificio. Adicionalmente, el cordón principal está arriostrado en cada planta por medio de un elemento lineal (estabilizador), que se ancla en la zonta de la punta de las losas de hormigón, y que evita la inestabilidad del cordón ante cargas de compresión (Fig 7). En cada cubo el cordón principal está articulado mediante uniones bulonadas para proporcionarle mayor flexibilidad e impedir la aparición de esfuerzos hiperestáticos debido a la proximidad entre arriostramientos y uniones de diagonales. Las diagonales y horizontales están unidas en sus extremos por cartelas soldadas, lo que, unido a su reducción del diámetro en extremos, les proporciona un comportamiento casi articulado-articulado. Fig. 7 Celosía exterior 3. Acciones 3.1 Viento Los efectos del viento se evaluaron mediante ensayo en túnel de viento en el laboratorio The Boundary Layer Wind Tunnel Laboratory, Ontario, Canada (Alan G. Davenport Wind Engineering Group). Para ello, se construyó un modelo rígido, monitorizado con tomas de presión sobre la piel exterior, y apoyado sobre balanza, lo cual permitió la medida directa de presiones en las tomas, así como la evaluación de la resultante global a través de la reacción en la balanza. En base a las conclusiones del estudio, se pudieron ajustar los valores de la acción de viento de diseño y permitió descartar inestabilidades aerodinámicas (Fig 8). El diseño del edificio favorece la capacidad frente a acciones del viento, en cuanto a que la dirección de viento que incide sobre los cubos superiores más expuestos corresponde con la dirección de mayor inercia en la base del edificio, esto es, la dirección en la que el cordón principal de la celosía exterior aumenta la capacidad a momento del núcleo. Fig. 8 Maqueta colocada en el túnel de viento y conclusiones del estudio 3.2 Retracción y fluencia Debido a la existencia de dos estructuras verticales de naturaleza diferente, esto es, la celosía exterior de acero y el núcleo y columna de hormigón, los efectos de la retracción y fluencia del hormigón generan esfuerzos internos no despreciables sobre la otra parte de la estructura, de tracción en el núcleo y columna de hormigón, y de compresión en el caso del cordón principal de la celosía de acero. En función de la geometría de los elementos estructurales de hormigón, así como de la humedad ambiente asumida, se estimó el desplazamiento impuesto que suponía la retracción del núcleo y la columna. Igualmente la fluencia se aplicó sobre el modelo general como un desplazamiento impuesto, que se estimó a partir de las tensiones asociadas a la carga permanente total. Ambos efectos se calcularon a tiempo infinito. 3.3 Variaciones térmicas La diferente inercia térmica de la celosía exterior de acero con respecto al núcleo y columna de hormigón origina un efecto similar al explicado para la retracción y fluencia. A efectos de cálculo, se asumieron aumentos y descensos de temperatura en la celosía, que originaban tensiones y compresiones significativos en el núcleo, columna y cordón de la celosía, de diferente signo en función de la variación térmica considerada. Atendiendo a la normativa aplicable, se asumió una variación térmica de +/-30ºC en la celosía. 3.4 Combinaciones de acciones Debido a las diferentes distribuciones de sobrecarga de uso sobre las plantas, las direcciones de viento, las variaciones térmicas positiva y negativa de la celosía, y la envolvente de retracción y fluencia entre t=0 y t=∞, fue necesario la consideración de un total de 85 combinaciones de carga, lo cual provocó una gran complejidad en el análisis de la estructura. 4. 4.1 Análisis estructural Modelo general El análisis estructural del edificio se realizó en base a un modelo general de elementos finitos unidimensionales y bidimensionales, construido con el software SAP 2000. El modelo integraba toda la estructura de hormigón y acero, así como la cimentación, sus pilotes y anclajes al terreno (Fig 9). Las losas, el núcleo y los muros se simularon con elementos área, mientras que la columna de hormigón, las columnas perimetrales de acero y la celosía exterior se simularon con elementos barra. Deck-level Muros de cortante Losa estándar Pilares perimetrales Losa cónica Fig. 9 Modelo general de cálculo (radial y perimetral) 4.2 Cálculo de las cuantías de armadura de los elementos de hormigón Debido a la importante interacción entre los diferentes elementos de hormigón de la estructura (núcleo, columna, losas, y muros de cortante), se hizo necesario extraer los esfuerzos del modelo general para el cálculo de las cuantías de armadura necesarias en cada zona, descartándose desde un principio la posibilidad de aislar elementos de hormigón para evaluar su armadura. Se creo un sistema de postprocesamiento, desarrollado específicamente para el proyecto del Turning Torso, que a partir de los esfuerzos de los elementos área del modelo SAP, calculara las cuantías de armadura y las mostrara sobre el dibujo de los elementos estructurales en la posición correspondiente. 4.3 Análisis global de desplazamientos Los desplazamientos en Estado Límite de Servicio en cabeza del edificio fueron calculados para la acción del viento de periodo de retorno T=100 años. El desplazamiento máximo debido a viento correspondía a la dirección Sur y su valor era de 360 mm . Esto suponía una relación frente a la altura del edificio de f/H=1/528, que se entendió asumible para este periodo de retorno. 4.4 Análisis de las contraflechas de las losas Las tolerancias en la estructura principal, compatibles con el montaje del muro cortina de la fachada y con su capacidad de absorber movimientos durante el servicio del edificio, eran bastante restrictivas: 1.- Movimiento vertical relativo entre losas: +/-20mm 2.- Posición del borde la losa en el momento del montaje de la fachada: +25mm/-0mm 3.- Máximo movimiento del borde de la losa tras el montaje de la fachada: 50mm. Este hecho obligó a hormigonar las losas sobre encofrados contraflecheados en su borde. El cálculo preciso de las flechas del borde de la losa es complicado por el efecto de la fisuración y fluencia del hormigón. Para ello, se utilizó un método iterativo en base a un modelo de elementos finito de un cubo aislado (que integra la porción de núcleo correspondiente, 6 losas y los muros), en el cual se corrigió en cada iteración la inercia fisurada de los elementos área, así como el módulo de elasticidad incorporando los efectos de fluencia. El resultado final fueron contraflechas de hasta 53 mm según se observa en la Fig 10. Fig. 10 Contraflecha en el borde las losas de hormigón Uno de los motivos principales por el que se desarrolló el esquema estructural de los cubos, basado en una losa cónica que soporta en voladizo los pilares perimetrales que bajan de las 5 plantas superiores, fue el de igualar los desplazamientos relativos entre losas con objeto de minimizar los posibles daños al muro cortina de la fachada. 4.5 Análisis del punzonamiento de los pilares perimetrales en las losas cónicas Debido al esquema estructural de los cubos, el estudio del punzonamiento de los pilares perimetrales de acero sobre el borde de la losa cónica fue crítico. La carga máxima de punzonamiento de 1000 kN condicionó el espesor del borde de la losa cónica, cuyo valor finalmente adoptado fue de 400 mm. En este sentido fue interesante comprobar la gran disparidad en resultado y criterios existentes entre las diferentes normativas (sueca, española y eurocódigos), las cuales exigían valores mínimos muy variables de espesor y armadura de punzonamiento. Finalmente, se optó por la solución más conservadora. 4.6 Verificación estructural de la celosía exterior Como se ha explicado la celosía exterior está formada por el cordón pricipal, las diagonales, las horizontales y los estabilizadores (Fig 7 y 11). El cordón principal está fuertemente arriostrado por los estabilizadores, diagonales y horizontales, por lo que su análisis se realizó en primer orden . Sin embargo, las diagonales y horizontales son elementos de gran esbeltez, que se encuentran casi-articulados en sus extremos, siendo el axil su esfuerzo principal. Para los casos de axiles de compresión, dado el diámetro variable y esbeltez considerable de estas piezas, su estudio se realizó en base al eurocódigo 3, analizando el elemento en 2º orden, con la imperfección inicial que especifica este código en función de las características de la pieza estructural. -2300 kN 1970 kN -14900 kN Fig. 11 Esfuerzos axiles en la celosía exterior debidos al viento Suroeste y anclaje inferior de la estructura metálica. 5. Proceso constructivo La construcción del Turning Torso siguió la estrategia habitual en edificios altos de avance con cierto desfase de las diferentes unidades de obra. En primer lugar, avanzaba la construcción del núcleo de hormigón, mediante sistema de encofrado autotrepante, junto con el hormigonado de las losas. Debido a las bajas temperaturas de la ciudad de Malmö, la armadura de losas, núcleo y muros se prefabricaba en taller en gran medida montando “jaulas” independientes, que posteriormente se solapaban entre sí en obra con armadura adicional. Fig. 12 Construcción del hormigón de los primeros cubos Durante el hormigonado de cada losa, siempre se mantuvieron los apeos de un mínimo de 7 losas por debajo, con objeto de repartir el peso del hormigón fresco entre éstas. Por lo que, conforme se hormigonaba cada nueva losa, se retiraban los apeos de la losa situada algunos niveles más abajo. El encofrado del núcleo secundario interior de muros y escaleras quedaba suspendido del encofrado del núcleo principal, hormigonándose estos muros a la vez que el núcleo. Una vez que se alcanzaba resistencia suficiente, el encofrado del núcleo principal trepaba un nivel, junto con el encofrado de los muros interiores. Los encofrados de las losas tenían que rotar unos 1.6º entre niveles para crear la rotación característica del edificio. Cada nueva losa se hormigonaba aproximadamente cada 10 días (Fig 12). La celosía exterior avanzaba tras la estructura de hormigón. Su montaje comenzó cuando la construcción de hormigón estaba en el 5º cubo, y la finalización de su montaje fue poco posteriór a que se completaran los trabajos de la estructura principal de hormigón. Por último, el montaje de la fachada y los acabado interiores avanzaba en último lugar (Fig 13). Fig. 13 Construcción del hormigón de los primeros cubos 6. Mediciones y participantes Mediciones Altura del edificio sobre la calle : 192 m. Número de plantas sobre rasante: 55 Superficie edificada en torre : 31,900 m2 Superficie útil en apartamentos (cubos 3 a 9) : 16,500 m2 Superficie útil en oficinas (cubos 1 y 2) : 4,500 m2 Volumen de hormigón utilizado en total : 25,000 m3 Armadura pasiva utilizada : 4,400 Tons. Estructura metálica en exoesqueleto exterior: Superficie de fachada : Superficie de vidrio en fachada : 820 Tons. 20,000 m2 5,500 m2 Número de ascensores : 3 para apartamentos, 2 para oficinas. Principales participantes Cliente/Promotor Dirección de Obra Arquitectura y Estructura Diseño Interior Ingeniería geotécnica Estudio Geotécnico Planos armado Revisión estructural Cimbras y Excavaciones HSB Malmö Ek För HSB Malmö and NCC Construction Malmö Santiago Calatrava SA, Zürich/Valencia Samark Arkitektur & Design AB, Malmö Dr. Vollenweider, Zürich SWECO, Malmö SWECO, Stockholm SWECO, Stockholm Aarsleff Bygg & Anläggning AB Limhamn Concrete 1 (Estructura de hormigón bajo PEAB AB rasante) Concrete 2 (Estructura de hormigón sobre NCC Construction AB rasante) Grupo Folcra Edificacion SA, Fachada España Fabricante de acero Emesa, España Montaje Acero exterior Promecon, Dinamarca Montaje Acero interior Byggsmederna AB Ascensores KONE AB
