La estructura es el elemento encargado de transmitir todas las acciones de peso propio, utilización y accidentales desde las distintas partes de la construcción hasta la cimentación, asegurando adecuadamente, los tres aspectos básicos de la misma, que son: resistencia (mayor o menor capacidad de una estructura para oponerse a la rotura), rigidez (mayor o menor capacidad de una estructura para oponerse a la deformación) y estabilidad (capacidad de la estructura para mantener el equilibrio).

Resistencia, rigidez y estabilidad constituyen los pilares del diseño estructural. La pérdida de cualquiera de ellos, aunque fuera de forma aislada, conducirá a la misma al estado de colapso.

En las edificaciones comunes, de porte bajo, los elementos estructurales con los que habitualmente se diseña una estructura (pórticos, pantallas, etc.) no acusan deformaciones que puedan poner en riesgo ningún elemento secundario de la construcción. Por esta razón es frecuente ocuparse casi exclusivamente del problema de la resistencia, ya que son las acciones gravitatorias las que generan las solicitaciones dominantes que definirán la forma y cuantía estructural, sin que las demás acciones (incluidas las horizontales) provoquen una interferencia capaz de influir (mayormente) en el diseño.

Sintéticamente los "Edificios Bajos" tiende al modelo de sólido de compresión, el cual goza de excelentes características de estabilidad.

Conforme una construcción comienza a crecer en altura, por una parte el volumen comienza a ganar esbeltez, y por otra  las acciones horizontales comienzan a dominar sobre las gravitatorias, con lo que la estructura paulatinamente abandonara el modelo de sólido de compresión para adquirir el de un verdadero voladizo empotrado en el suelo.

Todos los elementos estructurales con que se integra una estructura, aunque con diferente gradiente, entran en perdida de rigidez conforme que el edificio comienza a ganar altura, y con ello comienzan a desencadenarse una serie de mecanismos propios de las estructuras de los "Edificios Altos" tales como el Efecto P-, Inestabililidad Elástica, Rotación de la Base, etc. los cuales deben tenerse muy en cuenta si se desea lograr un buen diseño.

Por tanto, a medida que el edificio comienza a crecer en altura, empieza a dominar el problema del estudio de la rigidez sobre la resistencia.

Concebida la estructura como un gran voladizo empotrado en el suelo, solicitado axialmente por las cargas verticales (gravitatorias) y transversalmente por las acciones horizontales (sismo o viento), el problema resistente se enmarcaría en el ámbito de la flexo-compresión (oblicua o no) para lo cuál la resistencia de materiales brinda en la actualidad soluciones suficientemente acabadas, siempre y cuando se verifique:

- Homogeneidad de la sección
- Isotropía del material
- Simetría de la sección

En un edificio en altura los condicionamientos de circulación y de uso del espacio arquitectónico, normalmente no nos permiten mas que el desarrollo de una verdadera maraña de vigas, columnas y placas, interconectadas entre sí en las tres direcciones del espacio, de manera que no solo se podría desarrollar una sección inhomogénea y anisotrópica. Por ello podría definirse al problema resistente de una estructura, como un problema de flexo-compresión compuesta en una sección inhomogénea y anisotrópica.

El problema de la resolución de esta verdadera estereo estructura compleja, encuentra una resolución adecuada en el Método de Reducción a Sistemas Planos Interdependientes. Este método permite establecer la forma en que son activados, según su plano, cada uno de los elementos estructurales componentes, en función de su deformabilidad, como producto de la deformación general que experimenta el conjunto estructural completo, cuando es solicitado exteriormente como un todo.

Una estructura se conforma mediante los Elementos Estructurales Básicos, cuya particular disposición definirá el Sistema Estructural.

Los elementos estructurales básicos para conformar una estructura son:

1.- Pórtico Dúctil
2.- Pórtico Rígido
3.- Pantalla
4.- Estructuras Mixtas
5.- Núcleo
6.- Tubo

La Teoría de la Resistencia de Materiales basa todo su desarrollo analítico-matemático en la aceptación de 6 hipótesis básicas:

1.- Hipótesis de la Homogeneidad del Material
2.- Hipótesis de la Continuidad e Isotropía
3.- Hipótesis de la Pequeñez de las Deformaciones
4.- Hipótesis de la Elasticidad Perfecta del Material
5.- Hipótesis de la dependencia Lineal entre Deformaciones y Cargas
6.- Hipótesis de las secciones planas

De la tercera hipótesis se derivan tres consideraciones muy importantes a saber:

1. Permite substituir los arcos por las tangentes.
2. Permite prescindir de los cambios de posición de las fuerzas exteriores con respecto a los "ejes geométricos" de las barras, como así también de los cambios de longitud de las mismas.
3. Permite la aplicación del Principio de Superposición (Principio de Acción y Adición de las Fuerzas).

Los métodos corrientes de cálculo son definidos en el "estado no deformado", por lo tanto, será preciso limitar las deformaciones individuales de los miembros integrantes para poder garantizar las condiciones de aplicabilidad de un determinado método o de lo contrario será preciso realizar el estudio de los mecanismos de 2º orden. En el caso contrario estaremos abordando a valores de solicitaciones internas erróneos y por consiguiente a dimensionados incorrectos.

Si concebimos al edificio como un voladizo empotrado en el suelo, las fuerzas horizontales actuarán sobre él, como estímulo del sistema varilla oscilante. Este estímulo, generará, a partir de las características geométricas y mecánicas de la estructura un movimiento vibratorio con amplitud y frecuencia propias o típicas de la estructura, y guardará una estrecha vinculación con el confort y la habitabilidad de la estructura. Si bien al respecto no existe en la actualidad una normativa clara lo que nosotros si podemos manejar desde el diseño es el valor de la amplitud del movimiento, el cual resulta ser, la flecha en la cima del edificio. Al efecto resulta muy útil el estudio de Chang (el gráfico de Chang resulta particularmente útil para juzgar las cualidades habitacionales de un proyecto).

La experiencia americana recomienda que dicha flecha o cabeceo en la cima no debe pasar de h/500 donde (h) es la altura total del edificio, y en principio sin contar con la colaboración que al respecto realicen los muros o tabiques interiores.

Ligado a este aspecto también está la limitación de la deformación "piso a piso" ya que los diferentes elementos estructurales básicos con que vamos a conformar la estructura presentan diferentes grados de deformación horizontal a diferentes alturas. Esto está ligado al comportamiento de los elementos secundarios de la construcción como tabiques, carpinterías, vidrios, cañerías sanitarias, de gas, elevadores, etc., ya que estados de carga bastante menores a las que producirían el colapso de la estructura principal podrían generar daños muy caros de reparación, cuando no caóticos o muy peligrosos.

Especial mención merece el llamado efecto P- resultado de un mecanismo de 2º orden. Este mecanismo se manifiesta como una sobre-flexión de las columnas debido al descentrado de las cargas gravitatorias producido por la deflexión lateral que generan las fuerzas horizontales durante su actuación. Cuando se revisaron las memorias de cálculo, en principio no se encontraron errores. Ya que las cargas de viento estaban correctamente evaluadas y los cálculos estáticos y resistentes correctos. El colapso indicaba colapso de columnas por flexión. El análisis dio como resultado que en las columnas durante la actuación de la carga horizontal se genera un momento adicional de valor M=P. cuyo valor excede al valor de reserva resistente que el coeficiente de seguridad genera.

La razón de este fenómeno radica en el hecho de que en estructuras de edificios altos no se pueden despreciar algunos mecanismos de 2º orden y si el método de cálculo no lo tiene en cuenta es preciso incorporar cálculos complementarios para su corrección.

Otro fenómeno que merece comentario es el de la deformación del suelo y la interacción suelo-estructura.

Las cargas gravitatorias y horizontales que actúan sobre una estructura deben ser transmitidas a la tierra a través de la estructura de cimentación. En principio podría decirse que la altura del edificio no afecta a los principios de diseño de los firmes de cimentación.

En los edificios en altura las columnas van acumulando carga gravitatoria piso a piso llegando a los pisos bajos con valores muy grandes. En su transferencia a la masa de suelo la estructura de cimentación comprime a ésta desarrollando un esquema de fuerzas de interacción que al igual que cualquier otra fuerza generará deformaciones en la masa de suelo. El esquema de deformación del suelo será función de la ley de distribución de las tensiones de contacto y la diferencia de cota entre los diferentes puntos del "horizonte" de deformación generan los llamados asentamientos diferenciales.

En el estudio de los edificios en altura, es larga la serie de situaciones donde se pone de manifiesto la  necesidad de estudiar paralelamente al estado de esfuerzos internos el estado de deformación, ya que las deformaciones deben ser mantenidas dentro de un determinado rango para que:

1. Tengan validez los métodos de cálculo estático
2. La estructura resulte confortable a sus ocupante
3. La estructura resulte compatible con los servicios
4. No se desencadenen mecanismos secundarios o caso contrario poder evaluarlos e incorporarlos

Las fuerzas gravitatorias, por lo general, crecen linealmente con el numero de pisos y no provocan importantes deformaciones (salvo que se presenten grandes asimetrías tanto geométricas, de cargas o de rigidez). En contraste con éstas, las fuerzas horizontales provocan deformaciones que varían con la cuarta potencia de la altura y por lo tanto generan deformaciones capaces de superar fácilmente los rangos anteriormente citados. Diremos por lo tanto que en el edificio en altura, la solicitación dominante es la solicitación horizontal.

Por tanto, desde el punto de vista estructural, un edificio se considera alto, cuando los esfuerzos dominantes del diseño son los producidos por las fuerzas horizontales. Lo que es evidente, es que no se puede establecer una altura o una cantidad de plantas para clasificar un piso como alto o no,  ya que esto dependerá del lugar de emplazamiento del edificio, la magnitud de los vientos existentes y el grado de sismicidad de la zona.

Los primeros edificios en altura datan de finales del siglo XIX. El sistema constructivo de la época, como es conocido, es el de mampostería portante; y el ejemplo más importante lo constituye el Monadnock Building de Chicago, un edificio de oficinas de 17 plantas proyectado por los Arqs. Daniel H. Burnham y John W. Root, construido entre los años 1889-1891.

En este rascacielos "primitivo", de estructura de mampostería, con muros-portantes las cargas gravitatorias fueron conducidas hacia los cimientos (platea de cimentación de hormigón) a través de los muros (actuando como columnas), y las cargas horizontales son también resistidas por los mismos muros actuando como pantallas de mampostería (a manera de voladizos empotrados en la cimentación).

Una vez conocidas las solicitaciones axiles producidas por las cargas gravitatorias, y los momentos flectores producidos por las cargas de viento, entonces se va dimensionando el espesor del muro de manera que:

- la máxima tensión de compresión no exceda a la admisible
- no se verifiquen tensiones de tracción.

En el caso del Monadnock Building a nivel de planta baja, los muros exceden los 2,10 m de espesor, lo que implica que a este nivel, la superficie ocupada por los muros estructurales llega alrededor del 20% de la superficie de la planta (configurando un elevadísimo nivel de interferencia con el proyecto arquitectónico, generando serios problemas a la circulación horizontal).

Si por otra parte, analizamos el cociente entre la carga de utilización de la estructura contra el peso total de la estructura, se obtendría un índice bastante bajo, es decir mucha masa estructural para poca carga de explotación, lo que nos conduce a pensar que dicha altura (64 metros) está muy cerca del límite de altura para este sistema constructivo.

Este es el último rascacielos en que se empleó este método de construcción, y representa un hito en la historia de los rascacielos.

En 1885, un ingeniero americano, de vasta experiencia en construcciones militares y ferroviarias, William Le Baron Jenney, se convirtió en el padre del rascacielos moderno, al proyectar el Home Insurance Building de Chicago (La Casa del Seguro), un edificio de oficinas relativamente bajo (10 pisos). Le Baron tuvo la ingeniosa idea de reemplazar la mampostería portante por un armazón de vigas y columnas de acero sobre los que apoyó los pisos y los muros, ya sin función estructural (al menos primaria), y por ende de mucho menor espesor.

Esta concepción, que implican tanto un nuevo concepto estructural (pórtico) como un nuevo material: el acero (150 veces más resistente que la mampostería) traía consigo un sinnúmero de ventajas con relación a la construcción con mampostería portante basadas principalmente en la reducción de las secciones brutas de masa estructural:

• Menor interferencia de la estructura con el espacio arquitectónico.
• Menor peso estructural, por ende menores cimentaciones.

• Menor masa estructural y por tanto menor costo de materiales, de mano de obra tanto de fabricación y  de movimiento de materiales.

• Una forma estructural más adecuada para resistir cargas horizontales y pensar en mayores alturas.

• Los rascacielos de 1º generación

Por encima de las 20 plantas, se comienza a necesitar restringir la deformabilidad horizontal del pórtico y aparecen como soluciones el pórtico rígido, el enmarcado de pórtico con mampostería y la pantalla de mampostería. Así se logra mantener en los límites de deformación gracias a una adecuada combinación de dichos elementos y aparecen los llamados Rascacielos de Primera Generación. Algunos ejemplos son:

• MetLife Tower (1909) 213 metros

• Torre Woolworth (1913) 57 pisos y 241 metros

• Chrysler Building (1930) de 319 metros y 77 pisos

• Empire State Building (1930) con 381 metros y 102 pisos

Cabe destacar que todos estos edificios se encuentran en servicio en la actualidad, con mas de 70 años de vida.

En los edificios de primera generación, la estructura se proyectaba disponiendo las columnas de los pórticos en una posición coherente con la estructura de losas buscando siempre armonizar con el diseño del espacio interior y luego los pórticos se rigidizaban usando triangulaciones o muros (pantallas) de mampostería. Es de esperar que la estructura de rigidización crezca en importancia a medida que crece el numero de pisos.

• Los Rascacielos de 2º Generacion

Frente a cargas horizontales (sismo o viento), las estructuras agotan su rigidez mucho antes que su resistencia. En principio un buen diseño nos sugeriría alcanzar los limites de deformación y resistencia casi simultáneamente. Resulta frecuente encontrar que en los edificios en altura piezas correctamente dimensionadas por resistencia, acusan deformaciones excedidas, por lo que se debe proceder a dimensionar por rigidez, esto es, a incrementar las dimensiones de la pieza a fin de lograr menor deformación. No obstante, aunque este criterio es científicamente correcto, el dimensionamiento de miembros por rigidez, conduce invariablemente a un dramático incremento del costo de la estructura, al punto que nos habla de una inadecuada distribución de la masa estructural.

Si por encima de las 20 plantas, la carga horizontal, es la carga dominante del problema, la estructura de rigidización no debe concebirse como una estructura adicional a incorporarse sobre la estructura para cargas verticales, sino que debe concebirse a la estructura del edificio en altura conforme a las solicitaciones dominantes y luego incorporarse sobre ésta a la estructura para cargas gravitatorias procurando la optima distribución de la masa estructural a los efectos de las fuerzas horizontales.

De esta manera aparece en escena el concepto de Sistema Estructural que alude a la manera integrar e interconectar los elementos estructurales básicos procurando distribuir la masa estructural desde un punto de vista más científico en función de la solicitación dominante del problema, buscando una relación armoniosa entre Resistencia, Rigidez y Estabilidad.

• En síntesis
   

Hasta unas 10-12 plantas, la estructura aporticada logra mantener las deformaciones antes aludidas dentro de los márgenes admisibles. De allí en adelante y hasta las 16 plantas el pórtico rígido (pórtico rigidizado con triangulaciones) permite extender el margen de utilización de este elemento estructural básico por lo que la estructura un edificio en altura concebida como la de los edificios de 1º generación, es decir, disponiendo las columnas de los pórticos en una posición coherente con la estructura de losas y armonizado dicho posicionamiento con el diseño del espacio interior y rigidizar los pórticos usando triangulaciones o muros (pantallas) de mampostería u hormigón armado si es necesario.

Prácticamente hasta las 10 plantas el problema resistente domina sobre la rigidez, y por este motivo durante mucho tiempo se aceptaron procedimientos simplificados de cálculo acompañado de un somero estudio de las acciones horizontales. Se llegaba incluso a incorporar elementos de muchísima rigidez, como pantallas y núcleos, despreciando su presencia en los cálculos, y pensando que ellos provocarían un aumento no cuantificado de la seguridad de la estructura.