El nuevo Pabellón Oceánico del Acuario de Seattle demuestra que prácticamente cualquier forma de hormigón puede construirse cuando las herramientas digitales se combinan con ingeniería innovadora.
Autor: Hannah (Bonotto) Walters, ingeniero civil de la Bucknell University con Máster en Ciencias de la Ingeniería Civil y Medioambiental de la University of California, Berkeley. Actualmente, es senior associate en Magnusson Klemencic Associates.
Fuente: Structure Magazine
Para cumplir con los complejos requisitos de diseño de la más reciente adición al campus del Acuario de Seattle, un “Pabellón Oceánico” de dos pisos y 50,000 pies cuadrados, los ingenieros estructurales de Magnusson Klemencic Associates (MKA) diseñaron un masivo hábitat marino de hormigón en el corazón del proyecto que establece nuevos estándares para lo que es posible en el diseño de hormigón.
Un acuario como ningún otro
El nuevo hábitat de Arrecife en el Pabellón Oceánico del Acuario de Seattle (SAOP, en sus siglas en inglés) contiene poco más de 1.800 metros cúbicos de agua en una forma 3D optimizada para el bienestar animal. A diferencia de los acuarios con muros rectos o curvas suaves, la geometría de forma libre, generada matemáticamente e ideada por el estudio de arquitectura LMN Architects y Thinc Design, consideró las preferencias individuales de escondite y las alturas y radios de nado de cada especie. Cuando se trata del SAOP, la forma sigue a la función, no al revés.
La adición al Acuario de Seattle es más que una exhibición dentro de un edificio: el hábitat marino es el edificio. Los espacios ocupados por humanos cuelgan del hábitat principal de Arrecife, envolviéndolo como una envoltura. El edificio también incluye un “Archipiélago” de hormigón sísmicamente aislado adicional, varios hábitats “joya”, exhibiciones interactivas, asientos circulares para programación educativa, y el laboratorio de cuidado animal y calidad del agua del personal del Acuario.
El diseño estructural utiliza los muros del tanque como el sistema principal de resistencia a fuerzas laterales del edificio durante terremotos o eventos de vientos fuertes -crítico en la sísmica Seattle- resistiendo la fuerza de chapoteo de cuatro millones de libras de agua salada en su interior. En un terremoto, el peso y la rigidez del tanque proporcionan seguridad para todo el edificio. El diseño sísmico consideró la geometría única del tanque, evaluando terremotos potenciales desde 12 direcciones -cada 30 grados de orientación de brújula.
Los muros del tanque se extendieron más alto para soportar el techo, eliminando la necesidad de un sistema estructural separado y evitando una miríada de columnas antiestéticas que se habrían extendido desde el piso hasta el techo, obstruyendo así el acceso público exterior y a lo largo del espacio de exhibición.
El agua salada corroe el metal, por lo que se utilizaron planchas de hormigón alveolares pretensadas sobre el hábitat en la unión del techo, en lugar de las cubiertas metálicas convencionales, que habrían resultado costosas debido a la gran cantidad de revestimiento de alto rendimiento requerido. Once vigas de techo especialmente diseñadas, cada una de 101,6 centímetros (40 pulgadas) de profundidad y hasta 24 metros (80 pies) de largo, soportan el parque público en la azotea sobre el tanque.
MKA personalizó estas vigas para dar forma a los asientos escalonados públicos, por lo que las vigas cumplieron una doble función, tapando el edificio y eliminando la estructura adicional (y peso) que habrían sido necesarios para formar los asientos escalonados.
En el interior, el Arrecife presenta cinco ventanas de observación, incluyendo una gran ventana de dos pisos de altura y 9 metros (30 pies) de ancho que resiste cerca de 500 m3 (1,1 millones de libras) de presión de agua y un dramático voladizo de 15,2 metros (50 pies) que se extiende sobre la entrada sur del SAOP.
Este voladizo presenta una ventana de observación circular de 5,4 metros (18 pies) de diámetro, permitiendo a los transeúntes mirar hacia arriba y ver las criaturas marinas nadando dentro. Más de 2.000 toneladas de hormigón, acero y agua salada se sostienen sobre las cabezas de los peatones, permitiendo que el edificio ocupe una superficie menor y preserve un valioso espacio público costero.
Aunque el SAOP se diseñado para asombrar a los visitantes, el alcance multifuncional del hábitat de Arrecife de hormigón añadió un orden de magnitud a la dificultad de ejecución.
Sitio y peso
Durante mucho tiempo, el paseo marítimo central ha sido el bullicioso centro de uno de los principales puertos de América del Norte, hogar de molinos, muelles, embarcaderos, dársenas y hazañas de ingeniería costera. El SAOP se encuentra adyacente al Acuario de Seattle existente desde hace 48 años y en la intersección del nuevo Parque del Paseo Marítimo de Seattle al sur, el Parque Olímpico de Esculturas al norte y el famoso Mercadi Pike Place al este.
Como pieza central de estos proyectos, el SAOP hace posible la conexión para personas con discapacidad que une al icónico Mercado Pike Place de Seattle con el paseo marítimo de Puget Sound por primera vez en la historia del Mercado. Esta conexión proporciona una vía peatonal pública multimodal y accesible para personas discapacitadas, mientras desciende el acantilado de 33,5 metros (110 pies) de altura hasta el paseo marítimo, atravesando el techo ajardinado del SAOP y ofreciendo vistas impresionantes de Puget Sound.
Sin embargo, suelos mal consolidados y susceptibles a licuefacción por terremotos, marcados por materiales de relleno centenarios y restos enterrados de viejos muelles y vías de ferrocarril, un nivel freático alto, y limitaciones de espacio debido a restricciones de otros proyectos en todos los lados lo convierten en la “ubicación absolutamente incorrecta” para construir un hábitat de hormigón altamente sensible a asentamientos.
El asentamiento diferencial debido a suelos de mala calidad puede llevar al agrietamiento del tanque y problemas con la impermeabilización. Para abordar esto, MKA, junto con Turner Construction, se apartó de las típicas y costosas fundaciones de pilotes, optando en su lugar por 1.000 columnas de Mezcla Profunda de Suelo (DSM, en sus siglas en inglés) que utilizan barrenas para mezclar lechada con suelo para crear “columnas” subterráneas hasta capas de soporte sólido, mejorando la rigidez y resistencia del suelo existente para soportar el edificio y cumplir con todos los requisitos funcionales y de costo. El hormigón para las columnas DSM subterráneas de 6,7 a 8,5 metros (22 a 28 pies) de largo se mezcló en una planta instalada en el sitio.
MKA colaboró con ingenieros geotécnicos de Shannon & Wilson para prepararse para los escombros del subsuelo durante la instalación de las columnas DSM. La excavación descubrió restos de muelles -incluso un caballete de ferrocarril de tres o cuatro vías de ancho- lo que provocó la reubicación de muchas columnas DSM planificadas para evitar los pilotes de madera existentes, que eran impenetrables con equipo estándar.
La instalación de las columnas DSM fue un proceso colaborativo que rápidamente mitigó las desafiantes condiciones del subsuelo a través de la reubicación estratégica de los elementos DSM. El diseño del tanque de MKA cumplió con criterios restrictivos para el movimiento diferencial de la fundación (menos de 1/8 de pulgada sobre 6 metros (20 pies)) debido a los suelos licuables sobre los cuales se construyó el hábitat y se basó en requisitos de espaciamiento de barras más ajustados para minimizar el agrietamiento. El refuerzo típicamente consistió en dos barras #6 agrupadas con espaciamiento de 11, 4 centímetros (4-1/2 pulgadas) en cada dirección en cada cara, con mayor recubrimiento libre en el lado del agua.
Mientras tanto, ajustar los 4.645 metros cuadrados (50.000 pies cuadrados) de estructura del SAOP en un sitio de 3.530 metros cuadrados (38,000 pies cuadrados) en la vía pública requirió un diseño optimizado que aprovechara al máximo la eficiencia. MKA diseñó la estructura para minimizar el número de puntos de apoyo a nivel del suelo.
El papel del tanque, tanto como sistema lateral y de gravedad, eliminó la necesidad de estructuras secundarias y un dramático voladizo de 15,2 metros (50 pies) extiende el edificio soportado por el tanque para abrir más sitio. Más de 30,4 metros (100 pies) de la fachada sur del SAOP están artísticamente equilibrados utilizando el peso del tanque.
La forma sigue a la función
Usando el modelo de geometría 3D de LMN, MKA creó su modelo analítico estructural para analizar y diseñar los muros de corte de hormigón. En todas las etapas, el hábitat se construyó a partir de un modelo 3D, no de dibujos 2D. Ampliando los límites del diseño y la construcción virtual, el modelo 3D del equipo del proyecto se importó a SketchUp para diseñar el encofrado personalizado y crear instrucciones para mecanizar los insertos de espuma en las formas requeridas.
El principal hábitat del Arrecife utilizó encofrados curvos, construidos por un fabricante de cascos para barcos. El encofrado típico de madera contrachapada u otros paneles rectos reutilizables eran imposible para el SAOP ya que la forma del encofrado fabricarse a medida debido a la geometría única del tanque. En su lugar, el encofrado se creó utilizando fresadoras 3D controladas por datos para cortar la forma única.
Un fabricante de Seattle que hace partes, herramientas y moldes para aviones, barcos, turbinas eólicas y cascos para barcos, creó insertos de espuma para producir la forma del encofrado basándose en el modelo arquitectónico, dimensionados hasta 6 metros (20 pies) por 2,4 metros (8 pies) y ninguno igual a otro. Los paneles de poliestireno expandido compuestos por grandes bloques de espuma se pegaron entre sí, se fijaron a la estructura de encofrado tradicional, se les dio forma y se les inscribieron números de pieza fáciles de leer que los asignaban a sus lugares únicos, creando así la forma para la geometría final del hábitat.
Turner Construction utilizó el mismo modelo 3D para establecer la cantidad de hormigón requerida en cada porción de la estructura, permitiendo a los trabajadores saber cuánto hormigón se había colocado en cualquier momento y asegurando que la presión del encofrado estuviera dentro de límites aceptables.
Remedios para las barras de refuerzo
Donde la mayoría de los hábitats de acuarios tienen muros planos y de una sola curvatura, el hábitat de Arrecife también incluye muros de doble curvatura que se integran sin problemas en la forma general, lo que requirió un complejo entramado de barras de refuerzo.
El Arrecife, funcionando como el sistema principal de resistencia a fuerzas laterales del SAOP con curvatura constantemente variable, requirió 355 toneladas de barras de refuerzo, más de tres veces la cantidad de barras de refuerzo por metro cúbico de hormigón que las que se pueden encontrar en el núcleo típico de un edificio de gran altura en la sísmica Seattle.
Ninguna de las dos piezas de refuerzo se fabricó con la misma longitud debido a la desafiante curvatura de la estructura. Cada pieza se dobló en una curvatura prescrita para ajustarse al encofrado y se enhebró a mano -una barra a la vez- para crear el denso entramado requerido para fortalecer el hábitat principal del Arrecife de 12,4 metros (41 pies) de altura. La naturaleza curva del tanque no permitió que las jaulas de barras de refuerzo se dejaran caer. Las barras de refuerzo se instalaron desde la cara seca y se construyeron hacia adentro.
Trabajando con el contratista, Turner Construction, se agruparon y espaciaron barras de menor diámetro, más fáciles de doblar en el campo, en lugar de barras de mayor diámetro que solo podían doblarse en taller, para cumplir con los requisitos de diseño. Se requirieron barras pequeñas debido a su capacidad de doblado, ya que el espaciamiento habría sido demasiado ajustado para barras individuales.
El diseño de MKA también permitió que la instalación de barras de refuerzo se inclinara en cualquier dirección, siempre que, en la red de barras de refuerzo, las barras verticales permanecieran perpendiculares a sus barras transversales, dando a Turner la flexibilidad para orientar las barras y así adaptarse mejor a la secuencia de construcción y preferencias. Con la geometría constantemente cambiante, el contratista eligió modelar por computadora cada pieza individual de barra de refuerzo.
La estructura del tanque, de ocho capas de barras de refuerzo de profundidad en algunas ubicaciones, fue necesaria para soportar las fuerzas hidrostáticas, de terremoto, viento y gravedad del tanque principal. La geometría única del tanque destacada cómo las formas complejas de hormigón pueden utilizarse como muros de corte estructurales en zonas de alta sismicidad.
El vertido
Se desarrolló una mezcla especial de hormigón con agregado pequeño y aditivos especializados para asegurar que el hormigón pudiera consolidarse adecuadamente, cumplir con los criterios de alta resistencia requeridos y proporcionar cierta resistencia a la corrosión (resistencia a iones de cloruro). Para evitar juntas de construcción que pudieran comprometer la integridad, 520 metros cúbicos (680 yardas cúbicas) se colocaron continuamente durante 23 horas.
Separación sísmica
El hábitat Archipiélago está sísmicamente separado del resto del edificio. Debido a su ubicación central en el edificio, el análisis computacional inicial de MKA mostró que los muros del tanque atraían una porción significativa de la fuerza del terremoto, lo que significó que necesitaban hacerse mucho más gruesos -y más antiestéticos.
MKA aisló el Archipiélago para restringir las fuerzas sísmicas de los pisos circundantes de ser resistidas por los muros del Archipiélago. Aunque esto requirió conexiones de apoyo deslizantes en las vigas de acero entrantes, la complejidad añadida en las conexiones rindió dividendos al lograr la visión del arquitecto. Para lograr la forma curva, el contratista eligió aplicar shotcrete sobre los muros de 35,5 centímetros (14 pulgadas) de espesor.
Elevando el listón (del hormigón)
En 2019, el elevado Viaducto de Alaskan Way de doble cubierta fue demolido. Hoy, 8 hectáreas (20 acres) de nuevo espacio público y una nueva vía peatonal multimodal y accesible para personas con discapacidad en el techo del Pabellón Oceánico permiten un movimiento fácil entre el mercado de Pike Place, el nuevo Overlook Walk y el nuevo parque del paseo marítimo -completo con rampas y un ascensor público- por primera vez.
Luego de superar inmensos desafíos de secuenciación y planificación de fases, el SAOP celebró su gran inauguración en agosto de 2024 como una pieza clave que complementa a la perfección los complejos esfuerzos de planificación urbana de la ciudad, completando exitosamente la visión de reurbanización del paseo marítimo de Seattle.
La innovadora estructura del tanque que hizo posible el SAOP hace más que anclar un plan de reurbanización del paseo marítimo décadas en desarrollo, redefine el futuro de los acuarios y el diseño de hormigón para las generaciones venideras.
El Pabellón Oceánico del Acuario de Seattle demuestra que prácticamente cualquier forma de hormigón puede construirse utilizando herramientas digitales y colaborando con contratistas capaces, y que la geometría compleja de hormigón puede utilizarse para construir muros de corte de hormigón estructural en ubicaciones de alta sismicidad. Estos muros de corte de hormigón especiales establecen nuevos estándares para lo que es posible en el diseño de hormigón.
