Hay una pregunta que casi nadie se hace cuando mira una foto del Burj Khalifa: ¿cómo hace para no moverse? No en el sentido de caerse, sino de oscilar. A 828 metros de altura, el viento es una fuerza completamente diferente a la que se experimenta en el suelo, y diseñar un edificio que pueda resistirla sin que los ocupantes lo sientan fue probablemente el problema técnico más complejo de todo el proyecto.
Esta es la historia de cómo se resolvió, y de por qué las decisiones que tomó el equipo de ingeniería del Burj Khalifa cambiaron la forma en que se piensan los edificios altos.
El problema del viento a gran altura
El viento no sopla de la misma forma a 10 metros del suelo que a 800. A baja altura, los edificios vecinos, los árboles y el relieve del terreno interrumpen el flujo de aire y lo hacen turbulento e impredecible. A gran altura, el viento fluye de forma más organizada, con velocidades mayores y con un fenómeno específico que los ingenieros estructurales llaman desprendimiento de vórtices.
Cuando el viento encuentra un obstáculo cilíndrico o de sección constante, se divide a su alrededor y genera vórtices alternados a cada lado de la estructura. Esos vórtices ejercen fuerzas laterales que cambian de dirección periódicamente, empujando el edificio hacia un lado y luego hacia el otro con una frecuencia que depende de la velocidad del viento y del diámetro de la estructura. Si esa frecuencia coincide con la frecuencia natural de vibración del edificio, se produce resonancia: las oscilaciones se amplifican progresivamente hasta niveles que pueden comprometer la estructura o, antes de eso, hacer completamente inhabitable el edificio por las aceleraciones que sienten los ocupantes.
El caso más conocido de colapso por este fenómeno es el puente Tacoma Narrows, que colapsó en 1940 con vientos de apenas 67 kilómetros por hora. En un rascacielos de 828 metros, los números son de otra magnitud.
La solución: confundir al viento
El equipo de ingeniería de SOM (Skidmore, Owings & Merrill), liderado por el ingeniero estructural Bill Baker, identificó el desprendimiento de vórtices como el problema central del diseño desde las primeras etapas del proyecto. Y la solución que desarrollaron fue tan elegante como efectiva: hacer que el viento nunca pudiera organizarse alrededor del edificio.
La planta del Burj Khalifa tiene forma de Y con tres alas dispuestas a 120 grados entre sí. Cada cierto número de pisos, una de las alas retrocede — es decir, la sección del edificio en ese nivel es más pequeña que en el nivel anterior. Ese retranqueo escalonado hace que la geometría que el viento encuentra en el piso 50 sea completamente diferente a la que encuentra en el piso 100, en el piso 150 y así sucesivamente. El viento nunca puede sincronizarse con la estructura porque la estructura cambia constantemente.
Este principio, que los ingenieros denominan confusión aerodinámica, fue verificado con más de 40 pruebas en túnel de viento a lo largo de dos años de diseño. Los modelos a escala del edificio fueron sometidos a condiciones de viento que replicaban las peores situaciones meteorológicas registradas en Dubái, y los resultados confirmaron que el diseño mantenía las aceleraciones en los pisos superiores dentro de los límites de confort humano establecidos por las normas internacionales.
El concreto que se cuela de noche
El clima de Dubái presentó otro desafío que los ingenieros no podían ignorar: temperaturas que en verano superan los 50 grados centígrados. A esas temperaturas, el concreto fresco se fragua demasiado rápido y pierde resistencia, porque las reacciones químicas del proceso de endurecimiento se aceleran de forma descontrolada con el calor.
La solución fue colar el concreto de noche, cuando las temperaturas bajan lo suficiente para que el proceso sea controlable, e incorporar hielo directamente en la mezcla para bajar su temperatura antes del vaciado. El concreto usado en el Burj Khalifa era de alta resistencia, con una capacidad de carga de hasta 80 megapascales en los pisos inferiores, y fue desarrollado específicamente para este proyecto en colaboración con los proveedores de materiales.
En total se usaron más de 330.000 metros cúbicos de concreto, prácticamente todo vaciado en horario nocturno durante los más de cinco años que duró la construcción de la estructura.
La cimentación invisible
El suelo de Dubái es una mezcla de arena, roca caliza blanda y estratos de yeso que no ofrecen la capacidad portante que requiere un edificio de 500.000 toneladas. La solución fue diseñar una cimentación que distribuyera esa carga sobre un área suficientemente grande para que el suelo pudiera absorberla sin hundimientos diferenciales.
El sistema consiste en una losa de cimentación de 3,7 metros de espesor apoyada sobre 192 pilotes de concreto de 1,5 metros de diámetro cada uno, hincados hasta 50 metros de profundidad en el suelo. Esos pilotes transfieren la carga del edificio a los estratos más resistentes del subsuelo y distribuyen los esfuerzos de forma que ningún punto concentra más carga de la que puede soportar.
La construcción de la cimentación tardó más de un año antes de que se levantara el primer piso visible del edificio. Es la parte del Burj Khalifa que nadie ve y sin la que nada de lo demás sería posible.
El modelo digital que coordinó todo
Un edificio donde cada piso tiene una planta diferente, donde la estructura cambia de sección cada ciertos niveles, donde los sistemas mecánicos, eléctricos, hidráulicos y estructurales tienen que coordinarse en espacios mínimos y donde trabajan simultáneamente equipos de ingeniería en varios países, era imposible de diseñar y construir con planos 2D convencionales.
El equipo de SOM usó modelado 3D paramétrico y metodología BIM (Building Information Modeling) desde las primeras etapas del proyecto. El modelo digital central contenía más de 200.000 elementos individuales, coordinados entre las diferentes disciplinas en tiempo real. Ese modelo permitió detectar interferencias entre sistemas antes de llegar a obra, simular el comportamiento estructural bajo diferentes condiciones de carga y viento, y generar los planos de construcción directamente desde la geometría del modelo.
Fue uno de los primeros proyectos de esta escala en usar BIM de forma verdaderamente integral, y estableció estándares de coordinación digital que hoy son práctica común en proyectos de gran complejidad en todo el mundo.
Lo que el Burj Khalifa enseña sobre el diseño
La historia técnica del Burj Khalifa es, en el fondo, la historia de un equipo que identificó correctamente cuál era el problema real (el viento, no la gravedad) y desarrolló una solución que abordaba ese problema desde la geometría misma del edificio, no desde el refuerzo estructural. Esa forma de pensar, donde la forma del edificio responde directamente a las fuerzas físicas que va a enfrentar, es uno de los principios más poderosos del diseño estructural y es completamente independiente de la escala del proyecto.
Un arquitecto que entiende por qué el Burj Khalifa tiene esa planta en Y y esos retranqueos escalonados toma mejores decisiones cuando diseña cualquier edificio expuesto al viento, sea de 5 pisos o de 50. Y un arquitecto que trabaja con modelo 3D desde el principio tiene la misma ventaja que tuvo el equipo de SOM: la capacidad de ver, analizar y coordinar el proyecto antes de que exista físicamente.
Si te interesó esta lectura del edificio desde sus fuerzas, hay dos artículos que van bien con este. Uno es la historia del colapso del Tacoma Narrows y la ingeniería de la tensión en puentes colgantes, donde el mismo fenómeno de resonancia aerodinámica destruyó un puente entero antes de que la disciplina aprendiera a leer el viento. El otro es una guía práctica sobre cómo leer la estructura de un rascacielos desde la calle, que te va a servir para aplicar esta misma mirada a cualquier torre urbana.
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Referencias
- Baker, W., Pawlikowski, J. y Young, B. (2007). The Structural System of the Burj Dubai. CTBUH Journal, n.º III, pp. 10-17.
- Abdelrazaq, A. (2010). Validating the Structural Behavior of the Burj Khalifa. Structural Engineering International, vol. 20, n.º 4, pp. 359-366.
- Council on Tall Buildings and Urban Habitat (2010). Burj Khalifa: Design and Construction. CTBUH Journal, Chicago.
- Tamura, Y. (2012). Aerodynamic Database for High-Rise Buildings. Global COE Program, Tokyo Polytechnic University, Tokio.
- Skidmore, Owings & Merrill (2010). Burj Khalifa: Engineering the World's Tallest Building. SOM Technical Report, Chicago.
- Al Naqbi, A. (2009). Geotechnical Challenges for the Burj Dubai Foundations. Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Alejandría.
- Simiu, E. y Scanlan, R. H. (1996). Wind Effects on Structures: Fundamentals and Applications to Design (3.ª ed.). John Wiley & Sons, Nueva York. Referencia técnica estándar sobre desprendimiento de vórtices y resonancia aerodinámica.
- Taranath, B. S. (2016). Tall Building Design: Steel, Concrete, and Composite Systems. CRC Press, Boca Ratón. Manual de diseño estructural para rascacielos contemporáneos.
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