CLT Y SISMO: UN CASO PRÁCTICO
Imagen de portada: Sismógrafo | Fuente: lifeinsuranceinternational.com Autor: lifeinsuranceinternational.com
El vídeo estrella en las formaciones y charlas sobre construcción con madera es el de un edificio de CLT bailando sobre una mesa vibratoria.
Sí, has leído bien. Se trata de una de las pruebas del proyecto SOFIE para evaluar el comportamiento de las estructuras de madera frente a un terremoto. Aunque el recorrido del proyecto es más amplio, este vídeo ha trascendido porque a todos los que tenemos predilección por las estructuras nos encanta ver ensayos como este, donde un edificio de CLT a escala 1:1 es sometido por primera vez a un terremoto real simulado en un laboratorio.
El proyecto de investigación fue promovido por la provincia italiana de Trento y desarrollado por uno de los centros de investigación punteros en el estudio de la madera del país: CNR IVALSA (Instituto para la valorización de la madera y de las especies arbóreas) quienes contaron con la colaboración de empresas madereras locales y de las universidades de Trento, Florencia, Venecia y Pavia.
En el post de hoy vamos a hacer un recorrido sobre cómo el CLT se comporta ante un sismo a través de este proyecto tan revolucionario.
¿El CLT es competente en un sismo?
Como pudimos ver de la mano de nuestros compañeros de Bonsai Arquitectos en su artículo “Ventajas del CLT en entornos sísmicos”, las estructuras de madera se comportan bien en un terremoto.
Siempre y cuando esté diseñado adecuadamente, un edificio de madera es capaz de soportar esfuerzos horizontales de viento y sismo con una resistencia equiparable a la de otro tipo de edificaciones. Un edificio de CLT, por tanto, hereda por pleno derecho estas cualidades.
Estos son los 4 motivos por los cuales los edificios de madera tienen un buen comportamiento frente al sismo:
- La madera es ligera.
- Es un material flexible.
- Tiene una resistencia muy elevada frente a cargas de corta duración como el sismo o el viento.
- Sus uniones metálicas se diseñan buscando un comportamiento dúctil para disipar la energía producida por el terremoto.
Lo que le ocurre a un edificio de madera en un terremoto
Cerca del epicentro de un terremoto, se producen movimientos intensos en dirección vertical y horizontal. Sin embargo, conforme nos vamos alejando de su epicentro, predominan los movimientos horizontales. Cuando una edificación es sometida a un movimiento horizontal se genera una fuerza lateral como respuesta de igual dirección y magnitud, pero de sentido contrario.
¿Cuál es la magnitud de esa fuerza? Aquí tenemos que recurrir a la Ley de Newton: fuerza es igual a masa por aceleración.
La masa es uno de los factores que entran en juego y la fuerza es directamente proporcional a la misma. Por este motivo en un terremoto no se van a comportar de igual modo dos edificios, uno de hormigón y otro de madera.
Si la masa aumenta, la fuerza que experimenta el edificio va a ser mayor. Aquí tenemos uno de los puntos fuertes de la madera que la convierte en un material muy interesante para la construcción en zonas sísmicas: es un material estructural con valores de densidad reducidos en relación con su capacidad portante.
Otro factor a tener en cuenta a la hora de disipar la energía producida por un sismo en un edificio es la ductilidad de los materiales. En el caso de la madera, las uniones metálicas son las que dotan de ductilidad al sistema estructural.
Proyecto SOFIE: el contexto
El objetivo del proyecto SOFIE consistió en investigar los edificios de varias plantas construidos con madera contralaminada (CLT) considerando todos los aspectos técnicos: resistencia estructural, comportamiento frente al fuego, acústica, durabilidad y física de la construcción. El reto principal consistió en evaluar el comportamiento sísmico de las estructuras de CLT.
Italia es un país caracterizado por una sismicidad fuerte y constante debido a que la península italiana está situada en la zona de convergencia entre la placa tectónica africana y la euroasiática. La falla coincide con los Alpes, al norte, y la cadena montañosa de los Apeninos que atraviesa prácticamente toda la península de extremo a extremo.
Vivir literalmente sobre una falla hace que en Italia el diseño de las edificaciones en caso de sismo cobre una importancia mucho mayor que en cualquier otro país europeo.
En el proyecto SOFIE se realizaron diversos ensayos con un alcance cada vez mayor: se comenzó estudiando el comportamiento de paneles individuales de CLT y sus conexiones y se finalizó el proyecto ensayando edificios de varias plantas a escala real.
Dos edificios de CLT sobre la mesa vibratoria
Como ya os adelantaba al principio del artículo, lo más destacado del proyecto son los resultados de los ensayos sísmicos sobre edificios de CLT reales. En el contexto del proyecto se analizaron dos edificios: el primero, de 3 plantas, y el segundo, de 7 plantas.
Los paneles de CLT de ambos edificios se elaboraron con madera local de abeto procedente de bosques certificados de la región de Trentino, en el norte de Italia. La estructura se prefabricó en Italia y se envió a Japón en contenedores marítimos.
El primer edificio de tres plantas se ensayó en la plataforma vibratoria de NIED (National Institute for Earth Science and Disaster Prevention) en Tsukuba, Japón. La plataforma de Tsukuba es unidimensional (1D) por lo que únicamente puede moverse en una dirección.
El ensayo se realizó exclusivamente con la estructura, así que para conseguir un modelo más realista fue necesario añadir más peso a la estructura en forma de placas de acero simulando la carga de revestimientos y ocupación de un edificio real.
Después de haber sido expuesto a la simulación de 12 terremotos reales con aceleraciones máximas de 0,5 g, no se observaron daños graves en el edificio de 3 plantas. Incluso, después de alcanzar el criterio de casi colapso, el edificio mantuvo su integridad sin deformaciones excesivas y no hubo necesidad de realizar reparaciones.
El edificio de CLT de 7 plantas se llevó a la plataforma vibratoria más grande del mundo, en Miki, Japón. No se pudo ensayar un edificio más alto debido a las restricciones de tamaño del laboratorio. A diferencia de la instalación de Tsukuba, la plataforma vibratoria de Miki es tridimensional: las fuerzas del terremoto se aplican en dirección norte-sur, este-oeste y arriba-abajo, lo cual permite una simulación del sismo mucho más precisa.
El edificio de 7 plantas se sometió a varias réplicas de terremotos reales en 1D, 2D y 3D, entre los cuales se destaca el terremoto de Kobe. Un sismo de 6,8 grados en la escala de Richter que asoló la ciudad de Kobe en Japón en 1995. Para simular las condiciones de Kobe, el edificio se sometió a unas aceleraciones máximas de 0,82 g en la dirección N-S, 0.60 g en la dirección E-W y 0.34g en vertical.
El resultado fue estupendo. La estructura resistió bien a las solicitaciones mostrando únicamente algunos daños leves en las conexiones que se podrían reparar fácilmente. Dejando a un lado los puntos de ubicación de las conexiones, los paneles de CLT se mantuvieron en perfecto estado.
Después del sismo
Los ingenieros encargados del laboratorio informaron de que este fue el edificio más grande ensayado hasta la fecha y su rendimiento fue más satisfactorio que el de un edificio de hormigón pretensado que fue sometido a las mismas pruebas dos semanas antes.
Este ejemplo demuestra la buena resistencia a los terremotos que presentan los edificios de CLT. Además de asegurar la supervivencia de los ocupantes, esencial y exigible a este tipo de estructuras, los daños se limitan exclusivamente a las uniones, lo que supone un rápido control del estado del edificio posterior al sismo y una reutilización inmediata tras el terremoto.
Mantener las uniones a la vista en zonas sísmicas hace posible la realización de una revisión posterior para garantizar el comportamiento adecuado durante la vida útil del edificio.
Tras sobrevivir sin daños a dos de los terremotos japoneses más graves, el CLT fue enviado de regreso y se reutilizó en la construcción de una residencia de estudiantes en Italia.
No solo es necesario tener en cuenta el CLT
No me gustaría que la conclusión de este artículo fuese que el CLT lo aguanta todo. El material no es mágico. Al buen comportamiento del CLT en situación de sismo le acompañan diversas estrategias de diseño arquitectónico antisísmico que son perfectamente conocidas en zonas sísmicas y también se observan en los modelos ensayados en el proyecto SOFIE:
- La configuración estructural debe ser sencilla y regular. Los huecos destinados a las carpinterías son pequeños y están alineados, manteniendo franjas de CLT continuas en todos los pisos. Además, la distribución en planta se repite de un piso a otro.
- La superficie en planta del edificio es simétrica. Las estructuras simétricas tienden a distribuir uniformemente los esfuerzos evitando concentraciones de tensiones que deriven en daños. Si esta recomendación se incumple, se produce una torsión global de la estructura.
- La estructura debe ser redundante. En el diseño se deben prever trayectorias alternativas de las cargas por si una parte de la estructura queda dañada.
Si se incorporan estos principios a la hora de diseñar, el comportamiento a sismo de la estructura es más sencillo de prever y, en consecuencia, el edificio será más seguro.
Referencias
- Publicación: Cálculo y diseño sismorresistente de edificios. Aplicación de la norma NCSE-02. Monografías de Ingeniería Sísmica. H. Barbat. https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/28500/MIS56.pdf
- Publicación: Seminario per la diffusione della cultura della protezione civile. Il rischio sísmico. Dott. Geol. Massimiliano Capitani. http://www.comune.spoleto.pg.it/wp-content/uploads/2016/02/lez-4_3_2016.pdf
- Publicación: Japan Kobe Earthquake Shake Table Simulation. Earthquake Performance of Multi-storey Cross Laminated Timber Buildings. Dr Pierre Quenneville. Japan Kobe Earthquake Shake Table Simulation – The Earthquake Performance of Multi-storey
- Publicación: SEISMIC PERFORMANCE OF X-LAM BUILDINGS: THE ITALIAN SOFIE PROJECT. A. Ceccotti1, C. Sandhaas2 and M. Yasumura3.+https://www.caee.ca/10CCEEpdf/2010EQConf-001700.pdf
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