La història de les grans altures ha passat per la resolució dels elements de càrrega verticals. No hi ha dubte que els pilars dels edificis que comencen a tenir una certa dimensió vertical són claus per a la seva resposta estructural, més si pensem també en les sol·licitacions horitzontals. A partir d’unes determinades altures, els esforços provocats pel vent i pel sisme superen amb escreix els requisits de les seccions que caldrien per suportar les càrregues axials. Així doncs, i en funció de les columnes utilitzades en cada moment de la història, han anat apareixent i transformant-se les tipologies dels edificis alts tot dirigint-ne també la seva arquitectura.
Des dels primers dies de l’arquitectura vertical, el pilar com a element estructural va substituir els antics murs de càrrega amb la voluntat d’obrir espais i de concentrar-ne la baixada de càrregues; des de l’escola de Chicago i fins a l’actualitat s’ha produït un procés constant de destil·lació de solucions fins a arribar a seccions de gran capacitat resistent. La lluita sempre ha estat la mateixa: buscar la forma més senzilla de respondre a les accions horitzontals i sísmiques amb una màxima optimització seccional dels elements verticals.
A mesura que els edificis sumaven plantes, es començà a plantejar una segregació de funcions de l’estructura: les accions horitzontals podia endur-se-les un nucli de formigó molt potent en si mateix, mentre que a la perifèria es cobria la baixada de càrregues amb una retícula de pilars. Molts edificis de mitjan de segle XX es van construir tot seguint aquest criteri, i encara, en molts casos, continua essent la millor solució en l’actualitat. Certament, el fet d’alliberar els pilars perimetrals d’esforços vinculats a les sol·licitacions horitzontals simplifica la seva secció, i alhora permet unes façanes molt més permeables. Tot això acceptant, entre d’altres, els problemes que comporten els escurçaments diferencials entre pilars i nucli.
En uns inicis, la separació entre materials era tan evident com la de la resposta estructural. Els edificis es concebien en acer o en formigó armat, però en poques ocasions es combinava l’efecte de tots dos materials. Fou just en les estructures metàl·liques que, en sorgir la necessitat de la resistència al foc, es començaren a protegir els perfils amb recobriments de formigó. Així, sorgiren les primeres estructures mixtes de la història, per bé que certes seccions de formigó fortament armades poguessin ser ja considerades mixtes. Un precursor a utilitzar aquest tipus de seccions fou Mies van der Rohe, ja en el Seagram de Nova York (1957) utilitzà aquest recurs per protegir-se dels incendis.
Les estructures d’acer aconseguien alts rendiments de les seccions i permetien alliberar, notablement, les plantes baixes i les façanes. A més, eren estructures que requerien una menor fonamentació (en transmetre menys càrrega) i permetien gran rapidesa d’execució. Per contra, les de formigó permetien una rigidització a menor cost però a base d’augmentar-ne desmesuradament les seccions i de alentir-ne l’execució.
Fazlur R. Kahn va donar la volta a aquest problema l’any 1969 en plantejar un edifici d’unes vint plantes amb pilars mixtes al seu perímetre, en què el formigó no només protegia els perfils interiors de l’acció del foc, sinó que desenvolupava un paper fonamental per resistir l’embat de forces horitzontal. Fou la primera vegada que es plantejà el tema d’estructura mixta seriosament, i es considerà el treball conjunt dels dos materials. La gran resistència que li proporcionaven aquestes seccions mixtes, permetia passar la responsabilitat horitzontal dels nuclis centrals als pilars del perímetre, fet que optimitzava segur el funcionament estructural.
Ja l’any 1963 havia acabat la construcció de l’edifici d’apartaments DeWitt-Chestnut a Chicago, on Khan havia introduït, per primer cop, la tipologia estructural tubular, en què són les façanes les que responen a les sol·licitacions horitzontals. Les seccions mixtes l’ajudaren molt a donar encara més sentit a aquesta nova forma de projectar en altura.
És llavors quan es contraposen els dos models; el conjunt de pilars de façana esdevé una secció d’inèrcia molt potent davant les sol·licitacions horitzontals en comparació als nuclis centrals, molt pròxims al centre de gravetat dels edificis. Certament, l’àrea dels pilars perimetrals es disposa de la forma més allunyada del C.d.G possible i permet d’optimitzar material a l’hora de contrarestar els moments produïts per les forces del vent. Les plantes començaren a canviar i s’inicià un procés d’alliberament tipològic d’aquest tipus d’arquitectura. Sense aquesta mescla de materials, la majoria d’edificis actuals no haurien estat possibles de la forma que els coneixem.
Així, el pilar mixte té molta responsabilitat en la cursa vertical. I és que l’invent és genial: un pas més enllà del formigó armat, les seccions mixtes s’aprofiten de la compatibilitat deformacional entre ambdós materials per sumar esforços resistents i alhora reduir extraordinàriament les seccions. El model perimetral de Khan basat en pilars de secció mixta fou reproduït moltes vegades amb diferents geometries, i augmentà considerablement la superfície lliure de les plantes i la funcionalitat dels edificis. Edificis com el desaparegut World Trade Center, les Torres Petronas, o el Jin Mao Building funcionen amb aquest esquema.
Des de l’oficina estructural SOM (Skidmore, Owings & Merrill) on treballà Khan, s’anaren evolucionant noves tipologies arquitectòniques basades en el tub. L’any 1968 es projectà el John Hancock Center, tot introduint la tipologia tubular diagonalitzada, en què un sistema de diagonals rigiditzava el conjunt de pilars de façana. Més endavant, l’any 1973 es projectà la Willis Tower, un edifici que consolidava la tipologia multitubular; és a dir, l’efecte tubular quedava multiplicat en lligar diversos perímetres entre sí i en fer-los respondre conjuntament a les accions horitzontals. La torre Sears n’és també un exemple.
A partir d’aquí, el camí recorregut fins a l’actualitat és molt divers, però sempre sota l’estela aportada per Khan a mitjan del segle XX; entre d’altres, aparegué la tipologia tube in tube que combinava la doble resposta tubular dels edificis. També les seccions mixtes van permetre anar sofisticant les solucions. Així, aparegueren multitud de solucions híbrides (murs mixtes, edificis diagonalitzats de secció mixta o edificis on es combinaven diferents tipus de seccions) fins a arribar a les estructures a partir de supercolumnes mixtes perimetrals que, elles soles, podien resoldre ja totes les sol·licitacions horitzontals i verticals. Exemples d’aquestes tipologies més recents els trobem per exemple al Bank of China de M. Pei o al Dallas Main Center de Le Messurier.
Paral·lelament a la millora tipològica estructural d’edificis alts hi ha la consolidació dels pilars mixtes com a elements fonamentals de sustentació vertical. A partir de la dècada dels 60, amb l’aparició de formigons d’alta resistència (50-130 Mpa), els pilars de secció mixta esdevenen més econòmics que els d’acer convencionals; sobretot des que la velocitat d’execució entra també en l’equació del cost dels edificis alts. Fins al 1986, el disseny d’aquest tipus de pilars, però, només estava contemplat a les normes ACI americanes; posteriorment, molts altres codis d’arreu del món anaren incorporant les bases de càlcul, especialment en aquelles zones més susceptibles de sisme.
La transferència de responsabilitat resistent als pilars perimetrals suposà una millora constant d’aquestes seccions. Els primers pilars mixtes procedien de les solucions de protecció al foc i eren seccions en què els perfils metàl·lics quedaven absolutament recoberts de formigó. Mica en mica es va donar la volta a aquesta solució i, seguint el principi resistent de Khan del tub per a tipologies estructurals, es plantejaren pilars de secció tubular en què el perfil metàl·lic quedava totalment a l’exterior. Apareixien així els pilars tubulars reomplerts de formigó. La primera vegada que es proposà un edifici amb aquest tipus de pilars fou l’any 1972 a San Francisco de mà de AG Tarics of Reid & Tarics Associates. El Two Union Square Building, de 58 plantes d’altura, es va projectar amb un nucli interior format per quatre grans columnes tubulars reomplertes de formigó de 130 MPa, amb un diàmetre de 3 metres cadascuna.
És aquí on s’assoleix la màxima optimització de les seccions mixtes; les seccions tubulars reomplertes amb formigons molt resistents es converteixen en una simbiosi quasi màgica que no només permet treballar conjuntament els dos materials, sinó que n’augmenta, fins i tot, les seves capacitats. El formigó, confinat per la camisa d’acer perimetral, multiplica la seva resistència i el conjunt de la secció ofereix grans prestacions no només a càrregues estàtiques, sinó també a càrregues dinàmiques de sisme. El tub, per la seva naturalesa geomètrica, es converteix en la secció més òptima gràcies a la seva rigidesa a/de? torsió i la seva gran inèrcia.
El formigó, en aquestes condicions, no requereix moltes vegades ni tan sols d’armat de reforç i, en tot cas, aquest armat només es disposa per suportar condicions eventuals d’incendi. El formigó proporciona una protecció natural màssica a l’acer perimetral contra el foc i, quan aquest queda totalment esgotat per les temperatures exteriors, es fa càrrec de les càrregues accidentals. Aquest tipus de seccions tenen, a més, una gran resposta a situacions sísmiques gràcies al bon comportament davant de sol·licitacions dinàmiques.
L’evolució tipològica dels pilars mixtes, doncs, ha tingut un paper clau en la història de les estructures verticals. Sens dubte la majoria d’edificis alts actuals no haurien estat possibles sense la incorporació d’estructura mixta. Aquesta ha permès, a més a més, d’accelerar moltíssim el procés constructiu tot instaurant un nou mètode de construcció vertical (High-rise) en què mentre s’estan construint els pòrtics metàl·lics de les plantes superiors, ja es col·loquen façanes i acabats de planta baixa. No només ha fet possible noves tipologies estructurals més resolutives, sinó que ha aportat avantatges també constructius.