La evolución de los rascacielos:
de los tubos de acero de Chicago a los récords de altura de Dubái Traductor traducir

Un rascacielos es una ecuación de ingeniería cuyas variables son el viento, la gravedad, los materiales y el dinero. En el siglo y medio transcurrido desde la construcción del primer edificio con estructura de acero en Chicago, arquitectos e ingenieros han resuelto esta ecuación una y otra vez, cada vez bajo nuevas condiciones y a nuevas alturas.

La Escuela de Chicago y el primer esqueleto de acero

Hasta la década de 1880, la construcción de rascacielos estaba limitada por las leyes de la mampostería. Cuanto más alto era el edificio, más gruesos debían ser sus muros de carga en la base. Como resultado, un edificio de oficinas de varias plantas se convertía en una pirámide, con las plantas inferiores desaprovechadas: los muros simplemente consumían el espacio.

Un gran avance se produjo entre 1884 y 1885, cuando William LeBaron Jenney completó el Edificio de Seguros para el Hogar en Chicago. La estructura de diez pisos y 42,1 metros de altura fue la primera en la que las cargas de los pisos y el techo no se soportaban en los muros, sino en una estructura metálica interna de acero y hierro. Los muros se convirtieron en muros cortina: ya no sostenían el edificio, sino que simplemente lo aislaban del exterior. Los funcionarios municipales estaban tan preocupados por este concepto que detuvieron la construcción y exigieron inspecciones.

El peso del edificio era aproximadamente un tercio del de una estructura de piedra comparable. Esto tuvo consecuencias económicas directas: un edificio más ligero requería cimientos menos profundos y menos excavación. El hierro y el acero — materiales caros pero compactos — permitieron una construcción más alta con la misma superficie.

Al mismo tiempo, se estaba abordando un segundo problema que enfrentaban los edificios de gran altura: el movimiento vertical de personas. Elisha Otis presentó su ascensor hidráulico ya en la década de 1850, y para la década de 1880, los ascensores se habían convertido en equipo estándar. Sin ascensor, los pisos superiores al cuarto o quinto piso perdían valor comercial: los inquilinos no querían subir. La combinación de una estructura de acero y un ascensor fiable allanó el camino para la verdadera construcción de rascacielos.

Carrera de New York Heights

Chicago originó la idea, pero Nueva York la convirtió en una competencia. Desde finales del siglo XIX hasta la década de 1970, la ciudad de Nueva York ostentó el título del edificio más alto del mundo durante 66 años consecutivos. El Flatiron Building (87 metros) se construyó en 1902, el Singer Building (187 metros) en 1909, luego la Metropolitan Life Tower y, finalmente, los símbolos del optimismo de entreguerras: el Chrysler Building y el Empire State Building.

El Edificio Chrysler, terminado en 1930 según los diseños de William Van Allen, alcanzó una altura de 319 metros, el primer edificio en superar a la Torre Eiffel. Su distintiva aguja de acero inoxidable de 27 toneladas se elevó en 90 minutos. El Chrysler mantuvo el título de edificio más alto durante solo 11 meses: el 1 de mayo de 1931, el Empire State Building se inauguró con 381 metros (443 metros con su antena), y el nuevo récord se mantuvo durante casi 40 años.

Arquitectónicamente, ambos edificios pertenecen al estilo Art Déco, con sus siluetas escalonadas. El diseño escalonado no fue solo un capricho estético: la ley de zonificación de la ciudad de Nueva York de 1916 exigía que los pisos superiores se retranquearan respecto a la línea roja para garantizar que los edificios a nivel de calle no se vieran privados de luz natural. Esta norma cambió la apariencia de toda una generación de rascacielos neoyorquinos.

Las Torres Gemelas y la revolución estructural

Tras la Segunda Guerra Mundial, la industria de la construcción se dotó de nuevas herramientas: acero de alta resistencia, uniones soldadas en lugar de remaches y las primeras computadoras para el análisis estructural. En la década de 1960, las ideas sobre el comportamiento de un edificio de gran altura bajo cargas de viento se replantearon casi por completo.

Fazlur Khan y el concepto de trompeta

El ingeniero bangladesí Fazlur Rahman Khan, quien trabajó para Skidmore, Owings & Merrill en Chicago, desarrolló varios sistemas estructurales que definieron la construcción de rascacielos durante décadas. Su idea central — el diseño "tubular" — fue la siguiente: en lugar de distribuir columnas por toda la superficie del edificio, las distribuyó densamente alrededor del perímetro, conectándolas con vigas rígidas en cada nivel. De este modo, el edificio funcionaba como una caja hueca en voladizo, sostenida por una cimentación.

El sistema resultó rentable: las columnas del núcleo del edificio ya no eran necesarias y los elementos de acero se utilizaron de forma más eficiente. Khan desarrolló diversas variantes del concepto tubular (el tubo enmarcado, el tubo de celosía y el tubo en haz), y todas encontraron aplicación práctica en edificios reales. Los sistemas estructurales modernos aún se basan en sus principios.

Entre 1972 y 1973, se construyeron las torres del World Trade Center (110 pisos, 415 y 417 metros, respectivamente) en la ciudad de Nueva York. Utilizaron un tubo enmarcado con columnas perimetrales densamente espaciadas. Para su época, esta solución requería un uso intensivo de materiales, pero era eficiente en cuanto al espacio: no había columnas en el interior, solo un hueco central que albergaba los ascensores.

Torre Willis: Un tubo de haz en acción

En 1970, comenzó la construcción de la Torre Sears (ahora conocida como Torre Willis) en Chicago, el edificio más alto del mundo en aquel entonces. El diseño fue desarrollado por los arquitectos Bruce Graham y Fazlur Khan, quienes emplearon su concepto más maduro: el tubo atado.

Diseño y parámetros

Nueve celdas tubulares de acero, cada una de 23 x 23 metros, se ensamblan en una matriz de 3 x 3 y funcionan como una sola unidad sin columnas internas entre el núcleo y el perímetro. Dos celdas alcanzan los 50 pisos, dos los 66, tres los 90 y dos los 108. Esta configuración escalonada no solo crea una silueta reconocible, sino que también es estructuralmente sólida: al rematar los tubos a diferentes alturas, los ingenieros interrumpieron la regularidad de los vórtices de viento alrededor del edificio, reduciendo las cargas aerodinámicas.

La soldadura principal de los elementos estructurales no se realizó in situ, sino en la fábrica, y las secciones terminadas simplemente se atornillaron in situ. La idea del tubo atado, según el propio Khan, se inspiró en un paquete de cigarrillos, del que se extendían varios a diferentes longitudes; la imagen de secciones que sobresalían de forma desigual creaba naturalmente una apariencia escalonada.

El edificio utilizó aproximadamente 67.000 toneladas de acero, 1,8 kilotones de aluminio y 410.000 metros cuadrados de suelo de hormigón. La antena alcanzó una altura de 527 metros y el tejado de 442 metros, convirtiéndolo en el edificio más alto del mundo entre 1973 y 1998.

La construcción finalizó en 1973. Las obras de cimentación comenzaron en agosto de 1970: se excavó un pozo de 15 metros de profundidad, se extrajeron aproximadamente 5100 metros cúbicos de tierra y se construyó un muro pantalla de hormigón armado alrededor del terreno. La cimentación consistió en 201 pilotes de revestimiento que llegaban hasta el lecho de roca.

Un lugar en la historia de la construcción de gran altura

La Torre Willis no solo fue el edificio más alto de su época, sino que demostró que el sistema de vigas tubulares permitía la construcción de rascacielos a un menor coste por unidad de superficie que cualquier solución anterior. Posteriormente, los ingenieros no tuvieron ninguna duda: el principio de Fazlur Khan funcionaba a gran escala. El edificio mantuvo el récord mundial de altura de tejado durante 25 años.

Kuala Lumpur y las supercolumnas de hormigón

A mediados de la década de 1990, la economía del Sudeste Asiático crecía tan rápidamente que las ambiciones de construcción casi se medían por el PIB. En 1998, se inauguraron las Torres Gemelas Petronas en Kuala Lumpur, en aquel entonces los edificios más altos del mundo, con 451,9 metros de altura cada uno.

Hormigón vs. acero

Los diseñadores de las Torres Petronas adoptaron un enfoque poco convencional: en lugar de acero, eligieron hormigón armado de alta resistencia como material estructural principal. Las razones eran pragmáticas: importar acero estructural en tales cantidades a Malasia era costoso, y los contratistas locales eran expertos en el trabajo con hormigón. El hormigón es dos veces más eficaz que el acero para reducir la oscilación del viento, aunque duplica el peso de la estructura.

Cada torre reposa sobre un núcleo central de hormigón de 23 x 23 metros y un anillo de 16 supercolumnas cilíndricas del mismo hormigón de alta resistencia. Unas vigas anulares conectan las supercolumnas, formando un tubo exterior de estructura resistente a momentos, un diseño clásico de "tubo dentro de tubo", donde ambos tubos son de hormigón en lugar de acero.

La losa de cimentación de hormigón de 13.200 metros cúbicos se vertió continuamente durante 54 horas para cada torre. Con un peso de 32.500 toneladas, esta losa de cimentación ostentó el récord mundial del mayor vertido de hormigón hasta 2007.

Cabe destacar que las torres se diseñaron originalmente para alcanzar una altura de 427 metros. Para superar a la Torre Willis, los arquitectos e ingenieros rediseñaron la estructura y añadieron una cúpula con una aguja integrada. Como resultado, las Torres Petronas superaron a la Torre Sears (Willis) en aproximadamente 10 metros.

Taipei 101: Un péndulo de 660 toneladas

En 2004, el título del edificio más alto del mundo pasó a la torre Taipei 101 en Taiwán, de 508 metros y 101 plantas. El edificio se construyó en una de las zonas con mayor actividad sísmica y mayor propensión a tifones del mundo, lo que requirió soluciones estructurales especiales.

Sistema estructural

El sistema portante del Taipei 101 combina un núcleo de hormigón armado con ocho supercolumnas de acero de 2,4 x 3 metros ubicadas alrededor del perímetro. Las columnas son secciones de cajón de acero rellenas de hormigón de 69 MPa. Los estabilizadores (cerchas rígidas horizontales) conectan el núcleo con las columnas perimetrales en varios niveles, lo que permite que el sistema soporte conjuntamente cargas horizontales.

El exterior del edificio presenta un motivo octogonal que se repite ocho veces, un número considerado tradicionalmente de buena suerte en la cultura china. Cada módulo de ocho plantas es ligeramente más ancho que su base, lo que crea un distintivo perfil escalonado.

Amortiguador de vibraciones ajustado

La característica técnica clave del Taipei 101 es su amortiguador de masa sintonizado (TMD), una esfera de acero de aproximadamente 5,5 metros de diámetro y un peso aproximado de 660 toneladas, suspendida mediante cables entre las plantas 87 y 91. Cuando el edificio oscila, la esfera se mueve en contrafase, amortiguando las vibraciones. Esta solución redujo el desplazamiento horizontal de las plantas superiores durante un tifón en aproximadamente un 40 %.

La cimentación del edificio reposa sobre 380 pilotes perforados, cada uno de 1,5 metros de diámetro, espaciados a intervalos de 4 metros. Una losa de cimentación de hormigón, de entre 3 y 4,7 metros de espesor, distribuye la carga por todo el campo de pilotes.

Burj Khalifa: El límite de lo logrado

La construcción del Burj Khalifa en Dubái comenzó en enero de 2004 y se inauguró oficialmente en enero de 2010. La aguja del edificio tiene 828 metros de altura y 163 plantas (o 160 sobre rasante, según la metodología de cálculo). El diseño arquitectónico fue desarrollado por Adrian Smith, y el ingeniero principal fue Bill Baker, ambos de Skidmore, Owings & Merrill, la misma firma que diseñó previamente la Torre Willis.

Forma dictada por el viento

La sección en planta de la torre tiene forma de Y. Esta forma se eligió por razones aerodinámicas: rompe la formación de las calles de vórtices de Kárman, que causan vibraciones resonantes en el edificio. Además, a medida que la torre gana altura, sus secciones se estrechan gradualmente, cambiando constantemente la ubicación y el tamaño de sus bordes aerodinámicamente activos. Esto significa que los vórtices de viento no tienen tiempo de sincronizarse a lo largo de la altura del edificio.

Cinco elementos estructurales principales conforman el sistema: un núcleo central hexagonal de hormigón armado, tres "pétalos" de plantas residenciales y de oficinas sostenidos por columnas perimetrales, y estabilizadores en forma de ala que se extienden desde el núcleo. Baker y su equipo denominaron a este concepto "núcleo arriostrado": los tres "pétalos" se sostienen mutuamente al núcleo central, impidiendo que se deforme bajo las cargas del viento.

La obra en cifras

La construcción requirió 330.000 metros cúbicos de hormigón y 55.000 toneladas de acero de refuerzo. La intensidad de mano de obra total ascendió a 22 millones de horas-hombre. En el punto álgido de la obra, aproximadamente 12.000 personas trabajaban simultáneamente en la obra.

El hormigón se bombeó con una bomba Putzmeister BSA 14000 SHP-D especialmente diseñada, con una presión de funcionamiento superior a la estándar. En mayo de 2008, el hormigón se bombeó a una altura de 606 metros, un récord mundial de bombeo de hormigón en aquel momento. Por encima de los 606 metros, la estructura pasa de hormigón armado a una estructura de acero, más ligera y práctica a tales alturas.

Tres grúas torre en los niveles superiores podían levantar cargas de hasta 25 toneladas cada una. En promedio, se tardaba de tres a cuatro días en completar una planta. En 2006, la torre alcanzó la planta 50, en enero de 2007 la 100 y en abril de 2008 la 160.

Fundación en suelo blando

Los suelos de Dubái no son como la roca de Chicago. Bajo el Burj Khalifa se encuentran capas de caliza, dolomita y sedimentos sueltos saturados de agua subterránea con altos niveles de sulfatos. Esto requirió una composición especial de hormigón con mayor resistencia a los ataques químicos.

La cimentación del edificio es una losa monolítica de aproximadamente 3,7 metros de espesor, sostenida por 192 pilotes de 1,5 metros de diámetro y 43 metros de longitud cada uno. A pesar de las difíciles condiciones del terreno, la cimentación se completó dentro del plazo requerido para proyectos similares en edificios de gran altura con cimentaciones más estables.

Comparación de sistemas estructurales

Las cuatro estructuras clave, cada una de las cuales fue la más alta del mundo en su época, demuestran un aumento progresivo en la complejidad de las soluciones de ingeniería.

Materiales: acero, hormigón y sus combinaciones

Los primeros rascacielos se construían principalmente de acero: ligero, resistente a la tensión y la compresión, y fácil de fabricar en fábricas. Sin embargo, el acero es caro, y a alturas superiores a los 400 metros, su alta flexibilidad se convierte en un inconveniente: el edificio se balancea más de lo que los residentes desearían.

El hormigón resuelve el problema del bombeo con el doble de eficacia por unidad de área transversal. Por ello, las Torres Petronas, el Burj Khalifa y muchos otros edificios del siglo XXI utilizan hormigón de alta resistencia como material estructural principal. Para el Burj Khalifa, se desarrolló específicamente un hormigón con una resistencia cúbica superior a 21 MPa en condiciones operativas, con la adición de microsílice y plastificantes especiales para garantizar su bombeabilidad.

La práctica moderna implica sistemas combinados, donde el hormigón actúa en compresión y proporciona rigidez, mientras que el acero controla la tensión y simplifica la instalación. En el Taipei 101 se utilizan columnas de cajón de acero rellenas de hormigón de alta resistencia; en el Burj Khalifa, la estructura de acero sustituye al núcleo de hormigón a mayor altura.

Hormigón de alta resistencia

Para las Torres Petronas se desarrolló un hormigón tres veces más resistente que el hormigón estructural convencional. Este se convirtió en el punto de partida de toda una generación de mezclas de hormigón "superresistentes". La Torre Merdeka 118 en Kuala Lumpur (679,9 metros, finalizada en 2023) utiliza hormigón de grado C105, con una resistencia a la compresión de 105 MPa. Esto es aproximadamente diez veces superior a la del hormigón estructural convencional.

El viento como principal enemigo

A una altitud de 400 metros, las cargas de viento son fundamentalmente diferentes a las del suelo. La velocidad media del viento aumenta con la altitud, pero la amenaza más grave no proviene de las cargas horizontales constantes, sino del desprendimiento periódico de vórtices desde los laterales del edificio, lo que crea fuerzas laterales alternas.

Si la frecuencia de emisión de vórtices coincide con la frecuencia natural del edificio, se produce resonancia. Este es precisamente el fenómeno que abordaron los diseñadores de los cuatro edificios considerados. La Torre Willis solucionó el problema escalonando las roturas de los tubos. El Taipei 101 utiliza un amortiguador de masa. El Burj Khalifa tiene una sección transversal en forma de Y con una disminución gradual a medida que asciende.

Las pruebas de modelos en túneles de viento se han convertido en un estándar desde la década de 1970. Para el Burj Khalifa, se realizaron más de 40 series de pruebas en varios laboratorios aerodinámicos líderes a nivel mundial. Los modelos se probaron en diversas configuraciones de los edificios circundantes, ya que estos influyen significativamente en los patrones de flujo de aire en la base.

Sistemas de estabilizadores

La idea de los estabilizadores — cerchas rígidas horizontales que conectan el núcleo central con las columnas perimetrales — surgió como una evolución lógica de los conceptos tubulares. Mientras que un tubo resiste cargas horizontales mediante la acción combinada de todo su perímetro, un estabilizador añade una palanca vertical: las columnas perimetrales entran en acción para evitar que el núcleo se doble.

En el Taipei 101, las cerchas estabilizadoras se disponen en varios niveles, cada uno ocupando una planta técnica completa. En el Burj Khalifa, los tres "pétalos" de la estructura actúan como estabilizadores para el núcleo central, impidiendo que se doble bajo las cargas del viento y soportando simultáneamente sus propias cargas de gravedad.

Cronología de récords mundiales

El título del edificio más alto del planeta ha pasado de ciudad en ciudad: Nueva York durante 66 años, luego Chicago con la Torre Willis (25 años), después Kuala Lumpur con las Torres Petronas (1998-2004), después Taipéi con la torre Taipei 101 (2004-2010) y, desde 2010 hasta la actualidad, Dubái con el Burj Khalifa.

Logística de construcción en alturas extremas

Cuanto más alto es el edificio, más compleja es su construcción. Tres desafíos se repiten en cualquier proyecto de construcción que bate récords: el transporte vertical de materiales, el trabajo en condiciones climáticas extremas y la precisión en la instalación, teniendo en cuenta la dilatación térmica.

En el Burj Khalifa, el hormigón se vertió por la noche para evitar la exposición al calor diurno de Dubái. A altas temperaturas, la proporción agua-cemento de la mezcla cambia, lo que afecta la resistencia. Las grúas torre de los niveles superiores debían soportar velocidades de viento significativamente superiores a las del nivel del suelo.

En las Torres Petronas, la construcción avanzó a un ritmo de aproximadamente un piso cada cuatro días, e incluso más rápido durante las horas punta. Las grúas torre se reposicionaron mediante mecanismos especiales de autotrepado: cada grúa que alcanzaba un nuevo nivel se elevaba automáticamente a la siguiente posición.

La precisión de la instalación a tal altura tiene consecuencias estructurales directas. Las desviaciones de las columnas respecto a la vertical se acumulan a lo largo de toda la altura del edificio. En la Torre Willis, las tolerancias se especificaron en milímetros para cada sección; los elementos de acero prefabricados se entregaron de fábrica al lugar de instalación ya soldados en las secciones.

Los ingenieros como verdaderos creadores de los rascacielos

En la crítica arquitectónica, la autoría de un rascacielos casi siempre se atribuye al arquitecto. Mientras tanto, la forma de un edificio de gran altura la determina en gran medida el ingeniero estructural, que trabaja con cargas específicas, periodos de oscilación y factores de seguridad.

Fazlur Khan lo formuló con contundencia: distinguió entre la función arquitectónica del edificio y su lógica estructural, insistiendo en que no había contradicción entre ambas. Su estructura tubular en la Torre Willis dicta no solo su forma, sino también su distribución comercial: cada celda tubular es un bloque de espacio independiente, que puede alquilarse por separado o combinarse con las vecinas.

Bill Baker aplicó la misma lógica al diseño del Burj Khalifa: la sección transversal en forma de Y y el sistema de "núcleo soportado" no son soluciones decorativas, sino una respuesta a cargas específicas. El arquitecto Adrian Smith colaboró con Baker, y la forma final del edificio es el resultado de un diálogo iterativo, con cada diseño posterior probado en un túnel de viento.

Desde estructuras de acero hasta sistemas de gran altura

El recorrido desde el Home Insurance Building de 42 metros hasta el Burj Khalifa de 828 metros duró 125 años. Durante este tiempo, la altura del edificio récord se multiplicó por 20, pero el objetivo fundamental se mantuvo: construir más alto y de forma más asequible que antes, sin sacrificar la resistencia ni la comodidad.

Cada vez que la ingeniería alcanzaba un nuevo límite práctico, encontraba la manera de sortearlo. Los muros de mampostería se volvieron demasiado gruesos, por lo que se introdujeron las estructuras de acero. Las estructuras de acero resultaron demasiado flexibles, por lo que se introdujeron los sistemas tubulares. Un solo tubo no proporcionaba la rigidez necesaria, por lo que se introdujeron los haces de tubos. Un núcleo sin soporte se combaba con el viento, por lo que se introdujeron los estabilizadores y los "núcleos con soporte".

Intercambio de tecnologías entre continentes

Un rasgo característico de esta historia es la geografía de la innovación. La Escuela de Ingeniería de Chicago tenía su sede en Illinois, pero sus ideas se materializaron décadas después en las torres de hormigón de Kuala Lumpur. El ingeniero bangladesí Fazlur Khan, que trabajaba en la oficina estadounidense, desarrolló un sistema utilizado por contratistas malasios durante la construcción de las Petronas. El fabricante alemán de bombas de hormigón Putzmeister desarrolló una bomba especial para verter hormigón a altitudes superiores a los 600 metros en Dubái.

La construcción del Burj Khalifa reunió a una firma de diseño estadounidense (SOM), un contratista general coreano (Samsung C&T), una constructora belga (BESIX), un contratista local (Arabtec) y trabajadores principalmente del sur de Asia. En el siglo XXI, la construcción de rascacielos se ha convertido en una industria global, con cadenas tecnológicas que cruzan varios continentes.

Sismicidad y viento: particularidades regionales

La Torre Willis y las Torres Petronas se construyeron en zonas de actividad sísmica moderada. El Taipei 101 se ubica en una zona de alto riesgo sísmico y frecuentes tifones, lo que exigió directamente el uso de un amortiguador de masa calibrado. El Burj Khalifa se construyó en una zona donde los terremotos fuertes son poco frecuentes, pero los vientos costeros predominantes generan cargas específicas.

Cada uno de estos edificios responde al entorno físico local. Los ingenieros no se limitan a copiar soluciones exitosas, sino que las adaptan a las condiciones específicas del lugar, el clima y la geología. Por eso, cada diseño es innovador, aunque los principios básicos sigan siendo los mismos.