ARQUITECTURA Tecnología sismorresistente para construcciones en madera Aunque aún no se profundiza en América Latina (1) en una normativa enfocada a la resistencia de las construcciones de madera ante un sismo, lo cierto es que desde el año 700 se han investigado y desarrollado sistemas que permiten que este material sea cada vez más seguro frente las fuerzas de la naturaleza. Miguel Carcacía, Arquitecto & Master en tecnología y construcción Con información de Lignum (*) L as cualidades de la madera para enfrentar un sismo son indiscutibles, la capacidad de absorber fuerzas dinámicas la hacen un material con excelentes prestaciones técnicas para ser utilizada en zonas con altos índices de sismicidad. La energía liberada por los movimientos naturales de la tierra provoca esfuerzos máximos por tiempos muy breves, los que la madera puede contrarrestar, razonablemente, gracias a los altos índices de ductilidad que posee. 38 Foto: www archdaily com Entendiendo estas cualidades como base, los constructores, a través de los años, lograron desarrollar técnicas que generaron avances tecnológicos significativos en construcciones sismorresistentes de tamaño considerable, los cuales han desembocado en disipadores sísmicos de última generación empleados en múltiples edificaciones en madera, alrededor del mundo. Visítenos en: www.revista-mm.com ARQUITECTURA Las pagodas fueron el gran laboratorio en esa época y el desafío no era menor: construir edificios de 30 metros de altura empleando madera como material predominante. El principio básico fue erigir estructuras de madera ensambladas mediante encastres con bastantes márgenes de tolerancia para permitir el movimiento de los distintos elementos que conformaban el sistema estructural base. Cada uno de los niveles del edificio eran de planta cuadrada, totalmente independientes entre sí, distribuidos o montados mediante un apilamiento de pisos que, a medida que ganaban altura, se escalonaban disminuyendo su tamaño, como si fuera una verdadera conífera. Dicha técnica, llamada kanji (columna de cajas), presenta grandes aleros pesados que hacen las veces de ramas, que generan un momento de inercia importante, y ayudan a estabilizar la estructura general del edificio. Para evitar el colapso en caso de fuertes movimientos sísmicos –entendiendo que cada nivel actúa independientemente sin una continuidad estructural– los constructores insertaron en el centro del edificio un colosal pilar que no transmitía esfuerzo alguno del resto de la estructura. Su función era evitar que los distintos niveles se desencajaran en el momento de fuertes esfuerzos horizontales; algunas veces este enorme pilar colgaba desde la parte más alta de una pagoda haciendo las veces de péndulo. En su conjunto, claramente Visítenos en: www.revista-mm.com Foto: Cortesía: Miguel Carcacía. Los primeros antecedentes de que se utilizaban métodos constructivos que impedían el colapso de estructuras en madera datan del año 700 en Japón, donde esas técnicas traídas desde China tuvieron que ser modificadas para ser empleadas con éxito. La técnica del Kanji en Japón, se aplicó, no sólo a los sinogramas de su escritura, también a la arquitectura en la que fueron numerosas las construcciones que simulaban columnas armadas de cajas. Los primeros antecedentes, datan del año 700, en Japón. el sistema constructivo actuaba como un gran dispositivo de amortiguación de masas sintonizado, siendo éste el gran precursor de los sistemas actuales de disipación de energía. Vale señalar que aunque se trata de un sistema constructivo histórico, hoy en día no se utiliza pero existen numerosos edificios levantados a partir de este modelo, de épocas remotas, aún en pie. La construcción de las técnicas En la cultura occidental, no fue hasta el siglo XVIII que técnicas traídas de Europa fueron evolucionando debido a la escasa mano de obra existente en el continente. Ya, en el siglo XIX, y con el marco de la revolución industrial, la madera maciza es sustituida por materiales industrializados como el acero y hormigón que ganaron terreno progresivamente, sustitución que se debió, en gran medida, a que la madera siempre ha necesitado de la especialización en mano de obra para su manipulación y para la elaboración de los distintos ensambles de caja y espiga, los cuales, para entonces, eran unidos con clavijas de madera y que, según los esfuerzos que debía soportar la estructura, eran diferentes. Con el tiempo, esas uniones fueron remplazadas por anclajes metálicos, lo que permitió un gran salto en cuanto a servicios, ya que podían resistir esfuerzos mayores a los registrados hasta el momento. 39 ARQUITECTURA Foto: www sbebuilders com elaboradas en los paneles entramados como diafragma han sido sustituidas por tableros de madera que cumplen dicha función con mejores resultados, y a su vez esta estructura ha incorporado una serie de capas que mejoran su inercia hasta hacerla casi nula. Entre las soluciones para construcción están los perfiles de aluminio estructural, altamente flexibles, que ofrecen ahorros en los costos de ingeniería, fabricación y montaje, especialmente para obras de dos pisos en adelante. Vale señalar que este desarrollo le debe también su nacimiento a la aparición de la sierra a motor que revolucionó la industria de la madera, ya que fue posible la generación de piezas de muy pequeña sección –para lograr grandes formatos– con características similares entre un elemento y el otro; la elaboración manual quedo en el pasado, lo que dio como resultado el paso a la industrialización de los productos madereros. Estos avances permitieron generar un sistema constructivo más simple de montar, producto de la eliminación de encastres y la disminución de la sección de cada una de las piezas de madera, lo que las hizo más livianas y fáciles de trabajar. Se dio entonces que mientras en Europa la tradición de pilares y jácenas perdía terreno como consecuencia del acero y hormigón, en Norteamérica aparecía un nuevo sistema constructivo llamado Balloon Frame, posteriormente sustituido por el Platform Frame que permitía construir 40 estructuras más ligeras, con un mínimo de material para su elaboración –ideales para viviendas de más de dos pisos–, a partir de montantes de madera de pequeña escuadría separados entre ellos a unos 50 centímetros, esto permitía generar un verdadero muro de carga entramado (2). Esta nueva solución constructiva fue posible gracias a la aparición, en forma industrializada, del clavo, lo que generó una baja en el costo y permitió la penetración de este elemento en la industria de la madera. El clavo pasó a transformarse en el nuevo sistema de unión entre elementos de madera, la unión por encajes, quedó atrás. El Platform Frame fue el origen de los actuales métodos de construcción industrializada con la que se levantaron la mayoría de las viviendas unifamiliares en Norteamérica. A lo largo del tiempo surgió la solución de entramado ligero de madera que ha evolucionado según las necesidades, al punto de que las triangulaciones Vale anotar que al ser el light frame o entramado ligero, un sistema ligero de gran flexibilidad, disipa de mejor forma la energía con un excelente comportamiento para cargas de larga duración, como puede ser un movimiento sísmico. Antiguamente las construcciones a partir de este modelo tendían a levantarse en suelos pedregosos que impedían asentamientos diferenciales de la estructura general. En la actualidad este sistema, llamado light frame, tiene como su gran diferencia con los sistemas anteriores, la incorporación de herrajes metálicos, paneles rígidos o diagonales arriostrantes (8) que mejoran el comportamiento de la estructura para contrarrestar esfuerzos horizontales, transformándose en verdaderos muros de carga ligeros. En resumen, y tras la necesidad de contar con mejores construcciones que respondan eficientemente a los desafíos contemporáneos, se han desarrollado múltiples soluciones que mejoran sustancialmente los comportamientos de los edificios frente a los movimientos sísmicos, entendiendo que cada día ganan más altura al punto que hoy llegan a nueve plantas, en sistemas de madera contralaminada, y seis plantas en sistemas de plataforma. En este sentido, gracias al desarrollo de estudios y pruebas a escala 1:1 –como las realizadas en el proyecto Capstone NeesWood en Japón en 2009– se han podido analizar múltiples soluciones y comportamientos Visítenos en: www.revista-mm.com Foto: www.pdf.archiexpo.com ARQUITECTURA Los sistemas de amarre que compensan la contracción dentro de la estructura y los elementos de postensado para construcciones en madera que reducen el empleo en los materiales de construcción hasta un 40% de concreto y mejoran la Integridad estructural. Foto: Expan de un edificio de seis plantas en una mesa dinámica que puede simular un terremoto de magnitud 7.5. Los resultados de estas pruebas y sus respectivas correcciones dieron paso a la normativa vigente de construcciones, en mediana altura, en Estados Unidos y Canadá. La necesidad de evitar el vuelco por movimientos sísmicos de estas grandes construcciones llevó al desarrollo de sistemas de anclajes integrales que conectan la parte más alta del edificio con sus cimientos. Para ello se crearon los sistemas ATS (Anchor Tiedown Systems) que están compuestos, básicamente, por varillas roscantes y muelles de contracción. Las varillas roscantes son las encargadas de evitar el vuelco del edificio trabajando a tracción, mientras que los muelles de contracción tienen la función de compensar, de forma homogénea, los esfuerzos en cada planta, entendiendo que cada uno de los niveles se comporta de distinta manera debido a que la aceleración aumenta con la altura, lo que incrementa las fuerzas inerciales en los pisos superiores. Esa es la razón que para este tipo de construcciones se deba utilizar madera con muy bajo índice de humedad, a fin de evitar grandes dilataciones propias del material. Visítenos en: www.revista-mm.com ARQUITECTURA Pero no solo existen avances respecto a edificios de alturas considerables, elementos como los paneles rigidizadores de acero se han trasformado en una gran solución a la hora de generar muros de corte más robustos y de menor tamaño, lo que permite, a su vez, aperturas de vano de tamaños considerables. Estos prefabricados de acero están diseñados para conectarse con la totalidad de la estructura, tanto vertical como horizontalmente, y crear muros de carga continuos en dos o tres niveles, produciendo una solidaridad estructural con el resto de la construcción. Las altas prestaciones o servicios de los paneles rigidizadores de acero hacen de estos elementos, una buena alternativa para mejorar el comportamiento sismoresistente de las viviendas unifamiliares de dos a tres plantas. Presente y futuro de los modelos constructivos En la actualidad, una nueva generación de edificios hacen de las estructuras de marco, una eficiente alternativa para edificios de mediana altura. Este nuevo sistema constructivo nace en Nueva Zelanda, donde la madera y los movimientos sísmicos son habituales. múltiples elementos constructivos que le permiten un excelente comportamiento sismorresistente, en conjunto con las vigas postensadas, y sus muros de corte transversales de madera microlaminada que, en su interior, poseen varillas metálicas que anclan los muros a la losa de cimentación. Dichas varillas metálicas llegan hasta la parte más alta de la tercera planta del edificio, altura a la que alcanzan, de forma continua, los muros de corte. En realidad cada uno de los muros se descompone en dos grandes elementos que se unen mediante disipadores de fricción metálicos en forma de U, trasformando la energía mecánica en energía térmica (3); estos elementos permanecen inactivos mientras no exista una demanda sísmica importante sobre el edificio. El segundo edificio es el Massey University College of Creative Arts, erigido en Nueva Zelanda en el año 2012, y que ha permitido avanzar en la consolidación de la madera en construcciones de mediana altura. Foto: www.bustler.net Una nueva generación de edificios hacen de las estructuras de marco, una alternativa eficiente para edificios de mediana altura. Este nuevo sistema constructivo nace en Nueva Zelanda donde la madera y los movimientos sísmicos son, de igual forma, habituales. El sistema constructivo es llamado madera postensada, y consiste, básicamente, en introducir cables de acero en el alma de las vigas microlaminadas longitudinales del edificio que, posteriormente, son tensadas para comprimir el edificio. Lo anterior otorga una mayor resistencia frente a esfuerzos horizontales y elimina los herrajes metálicos que fácilmente pueden desgarrar la madera frente a esfuerzos de considerable magnitud que debiliten las áreas más sensibles del edificio, como son las conexiones entre elementos. Para mantener pilares y vigas en su sitio, cuatro barras redondas de acero son introducidas en el nudo de encuentro, lo que genera la conexión entre pilar y viga. Hoy en día existen dos edificios de mediana altura que cuentan con el sistema constructivo descrito. El primero es el NMIT Arts and Media Building, erigido en Nueva Zelanda en el año 2011, y su importancia está en los 42 Massey University College of Creative Arts, erigido en Nueva Zelanda Visítenos en: www.revista-mm.com ARQUITECTURA En la actualidad, nuevos proyectos (4) pretenden alcanzar un nuevo nivel en la construcción en madera sobrepasando las nueve plantas del edificio más alto construido en época moderna. Uno de ellos es el proyecto estudio Tall Wood (5), de la oficina de arquitectos canadienses Michael Green, que pretende variar la forma de construir edificios de altura, cambiando el hormigón y acero, por materiales de bajo impacto ambiental. Foto: www.architectmagazine El proyecto –que pretende llegar a las 30 plantas– tendrá que vencer múltiples los desafíos, y será la oficina de arquitectos, la encargada de sortearlos, no sólo a nivel técnico constructivo, sino también a nivel normativo pues Canadá contempla edificios de hasta seis plantas construidos en madera. Los rascacielos en madera, una idea que ha rondado a amantes de la arquitectura sustentable, como Michael Green, un convencido de sus aportes para contrarrestar el cambio climático. El éxito o fracaso de esta y otras iniciativas dependerá única y exclusivamente de la voluntad por dar un salto cualitativo en nuevos mecanismos sismorresistentes, elementos de protección frente al fuego y una mejora sustancial en nuevos subproductos de la madera con mejor resistencia estructural. ARQUITECTURA Autor: • • Miguel Carcacia, Arquitecto de la Universidad Diego Portales (Chile) y Master en Tecnología de la construcción de la Universidad Politécnica de Cataluña (Barcelona, España). Profesor universitario, su carrera profesional ha estado enfocada a la Innovación y desarrollo de nuevos materiales y sistemas constructivos, y ha realizado múltiples artículos sobre nuevas tecnologías constructivas. El año 2013 –por parte del gobierno de Chile (Proyecto Casa Kit)– recibió el premio de ‘Joven Innovador’ por proyecto de alto impacto social referente a un sistema constructivo de paneles auto portantes de fácil construcción para disminuir el hacinamiento de las viviendas en Chile. En la actualidad, trabaja en el área de Innovación y Desarrollo de Cintac, empresa dedicada a la fabricación de productos de acero para la construcción, y lidera una nueva área de la empresa enfocada en estructuras de acero para grandes parques fotovoltaicos. Cabe destacar que en Chile se están construyendo numerosos parques fotovoltaicos, siendo, el país, un actor relevante a nivel mundial en el uso de esta tecnología. [email protected] (*) Revista Lignum. Año 23. N° 147., septiembre – octubre de 2013. Páginas 47 a la 50. Enlace web: http://www.lignum.cl/wp-content/ uploads/sites/6/2013/12/LIGNUM-143-DIGITAL.pdf bastante precaria tanto a nivel de las construcciones como en el conocimiento técnico del material. Gran culpa de esto la tiene la industria maderera que elabora maderas de muy baja calidad para ser empleadas en construcción; la madera ha sido asociada, en gran parte del continent, con la pobreza, cargando con un estigma difícil de cambiar. 2) Mayor información sobre los sistemas Balloon Frame y Platform Frame en ‘Sistemas de construcción sencillos y prácticos, aplicarlos en Colombia ¿Y por qué no?’, Revista M&M 30. Año 2011. 3) Al generarse un movimiento sísmico, estos muros, que solo se encuentran unidos entre sí por disipadores en U, provocan una deformación creciente del elemento (la U de acero) hasta calentarlo y llegar, en algunas ocasiones, a quedar al rojo vivo. El efecto es parecido al de romper un cable de acero con las manos: se realizan movimientos de arriba abajo que calientan el cable hasta romperlo. En este caso la U no se rompe, vuelve a su estado natural enfriándose poco a poco. 4) Se trata de una nueva generación de edificios que pretenden llegar a los 20 pisos. Hoy en día solo existen estudios, no un real desarrollo de la tecnología necesaria para llegar a la materialización de este ideal de construcciones. 5) Mayor información: www.archdaily.com/443626/the-case-for-tall-woodbuildings/ Citas Bibliografía y fuentes: 1) Exceptuando Chile, donde la tradición de construir con madera en uno o dos pisos de altura, es importante, en el resto de América Latina es • estructurando.net - es.thefreedictionary.com - buscon.rae.es - www. ehowenespanol.com Glosario • Arriostrantes: Insertar elementos en un sistema constructivo que impiden que la estructura se deforme por causa de movimientos horizontales, tales como el viento o un movimiento sísmico, estos elementos actúan como traba. En construcciones en madera, normalmente, son diagonales en madera o muros macizos de madera dispuestos en algunos muros de la edificación, en los ejes X y Y de una construcción. • Disipadores sísmicos: Tienen como función disipar las acumulaciones de energía, asegurándose que otros elementos de la estructuras no sean sobresolicitados y dañen la estructura; es decir, los disipadores sísmicos ofrecen un incremento de la amortiguación a la estructura. • Encastrar: v. tr. Encajar una cosa en otra de manera que una parte de la primera entre dentro de la segunda, o bien que toda la primera entre dentro de la segunda. • Escuadría: 1. f. Conjunto de las dos dimensiones de la sección transversal de una pieza de madera que está o ha de ser labrada a escuadra. • Muros de corte: Son paneles de acero rígidos capaces de transferir esfuerzos laterales desde muros exteriores, pisos y techos, a la fundación en el terreno, en una dirección paralela a sus planos. El muro de hormigón armado es el mejor ejemplo de este tipo. Los esfuerzos laterales causados por el viento, terremotos o por asentamientos diferenciales, además del peso de la estructura y de sus ocupantes, crean importantes fuerzas de torsión y estas fuerzas pueden, literalmente, cizallar un edificio. Se puede reforzar una armazón con muros rígidos en su interior de modo que mantenga su forma e impida la rotación de sus vértices. Los muros de corte son muy importantes en edificios de gran altura sujetos a cargas laterales por viento y sismos. • Pagodas: Son altas torres hechas de varios niveles que se encuentran en Asia, en países como Japón, China, India y Vietnam. La mayoría de las pagodas sirven a un propósito religiosos, usualmente budista, y se usan como tumbas o lugares de adoración, cerca de templos. Suelen atraer a peregrinos que desean adorar cerca de los restos de importantes monjes budistas. 44 Visítenos en: www.revista-mm.com
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