Tecnología sismorresistente para construcciones en

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.
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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.
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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
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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.
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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
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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
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Foto: www.pdf.archiexpo.com
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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.
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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
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Massey University College of Creative Arts,
erigido en Nueva Zelanda
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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.
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