SINERGIAS. Los beneficios de combinar la madera con otros materiales.
Imagen de portada: Fuente: Pixabay | Autor fotografía: Robert Hell
ANTECEDENTES
Estoy convencida de que el futuro se construye con madera. El mundo de la construcción ya ha puesto el foco en la sostenibilidad y sólo es cuestión de tiempo que nuestras edificaciones vayan evolucionando hacia la utilización de estrategias más responsables con el medio que nos rodea.
Pero no nos equivoquemos. Esto no significa que la madera vaya a ser el único material constructivo.
Imagen 2. Postigos tradicionales combinando materiales. Fuente: Unsplash | Autor fotografía: Gaelle Marcel
Desde la antigüedad, artesanos, carpinteros, arquitectos e ingenieros han combinado la madera con otros materiales aprovechando las ventajas de cada uno y utilizando cada cual en el lugar más adecuado. De ese modo, obtenían un producto final cuyas características superaban a las de los materiales de partida por separado.
Así pues, cabe pensar que el horizonte estará marcado por soluciones mixtas que combinen de forma inteligente la madera con otros materiales, que utilicen racionalmente la madera y promuevan el desarrollo de edificios más eficientes.
SUS FORTALEZAS
La madera es un recurso natural renovable y su utilización tiene grandes beneficios climáticos. Uno de los puntos fuertes de la madera es que es el único material de construcción capaz de almacenar CO2 en su estructura celular. Durante la fabricación de otros materiales de construcción se necesitan grandes cantidades de energía y se emiten grandes cantidades de CO2 a la atmósfera. Esto, unido a que no son capaces de almacenar CO2 en su interior, hacen que el balance de carbono en estos materiales sea muy desfavorable con respecto al de la madera.
Imagen 3. CO2 consumido durante el proceso de fabricación de diferentes materiales constructivos. Fuente: InWood International Magazine , Issue 55, Feb-Mar 2004 | Autor: desconocido
Por otra parte, la relación resistencia-peso de la madera es excepcional. Esto la convierte en un material especialmente interesante para resolver cubiertas de grandes luces. Su ligereza permite que se pueda trabajar fácilmente y con herramientas más elementales.
Además, la madera es cálida, agradable al tacto y atractiva. Sus características estéticas permiten que los elementos estructurales puedan quedar vistos, ahorrando en materiales adicionales de acabado.
Imagen 4. Piscina de la escuela Freemen. Hawkins/Brown. Fuente: Archdaily | Autor fotografía: Jack Hobhouse
Además, es un material que nos ayuda a diseñar espacios que favorecen el bienestar de las personas. Tal como nos explicaban los compañeros de Bonsai Arquitectos en uno de los últimos artículos (Arquitectura, madera y biofilia), diversos estudios indican que la presencia de la madera en espacios interiores está relacionada con la disminución de los niveles de estrés entre los ocupantes del edificio.
DESAFÍOS DE LA MADERA
La estructura interna del árbol es la causa de que la madera sea un material anisótropo, es decir, no tiene las mismas propiedades en todas las direcciones. Su anisotropía influye en su comportamiento estructural.
El tronco del árbol, de donde se obtiene la madera, está compuesto por una serie de vasos que forman una estructura tubular longitudinal cuya función es el transporte de agua y sustancias nutritivas desde las raíces hasta las hojas. Esta estructura tubular es la que otorga a la madera sus propiedades mecánicas.
Frente a esfuerzos en dirección de la fibra, la resistencia de la madera es espectacular. Sin embargo, si la sometemos a esfuerzos en dirección perpendicular a sus fibras, veremos que su resistencia ya no es tan buena.
Imagen 5. Fuente: elaboración propia | Autor dibujo: María Sánchez Ontín
Aunque su resistencia a flexión es alta, el módulo de elasticidad es relativamente bajo en comparación con otros materiales como el acero o el hormigón, un inconveniente que podemos compensar aumentando la escuadría de las piezas.
La ligereza de la madera, que supone una ventaja en ciertas situaciones, combinada con su reducido módulo de elasticidad tiene un efecto desfavorable en cuanto a vibraciones y acústica.
En edificios pequeños de viviendas unifamiliares no tiene mayor transcendencia, pero en forjados de edificios en altura, donde los requisitos de acústica y confort son muy elevados, es importante tenerlo en cuenta.
Por este motivo las soluciones híbridas madera-hormigón para forjados resultan muy interesantes.
Imagen 6. Fuente: University of Massachusetts Amherst (Flickr) | Autor fotografía: Alexander Schreyer
La capa superior de hormigón en un forjado mixto resiste las compresiones y aporta la masa de la que carece la estructura de madera. Al mismo tiempo, las vigas de madera inferiores resisten los esfuerzos de tracción que se generan en la flexión del elemento de forjado. Como el módulo de elasticidad del hormigón es 3 veces superior al de la madera, la rigidez a flexión de esta solución es notablemente más alta que un forjado similar exclusivamente resuelto en madera. Es una solución muy eficiente y competitiva para edificios en altura que combina las ventajas de ambos materiales.
Imagen 7. Conectores en forjado de CLT previo a vertido de hormigón de capa de compresión. Fuente: University of Massachusetts Amherst (Flickr) | Autor fotografía: Alexander Schreyer
Uno de los desafíos estructurales clave en el diseño de edificios altos en madera es lograr una buena rigidez frente a las cargas laterales de viento y sismo.
En edificaciones en madera no podemos contar con rigidizar los nudos en los pórticos estructurales al igual que en estructuras de acero u hormigón debido a la dificultad de conseguir uniones empotradas exclusivamente con madera, otra de las limitaciones del material.
Así que resulta necesario buscar otros métodos de garantizar la estabilidad del edificio. Podemos triangular los distintos niveles de la estructura añadiendo cruces de arriostramiento de madera y acero o mediante la utilización de elementos diafragma.
En edificios en altura íntegramente construidos en madera, los paneles de CLT de muros y forjados funcionan como diafragma aportando la rigidez que se requiere.
También se puede acudir de nuevo a soluciones híbridas, con pórticos rígidos de acero, cruces metálicas o núcleos de hormigón armado para estabilizar la estructura.
Imagen 8. Cercha metálica combinada con paneles CLT. Fuente: University of Massachusetts Amherst (Flickr) | Autor fotografía: Alexander Schreyer
En edificios en altura en madera son críticas las vibraciones. El viento produce dos efectos en las edificaciones: una fuerza estática que se tiene en cuenta en el cálculo de los descuadres de la estructura pero que no es apreciable para los ocupantes, y una vibración oscilatoria y resonante debida a la acción dinámica y variable del viento. Este movimiento resonante sí es perceptible para los ocupantes y si es elevado puede causar incomodidad y malestar en los ocupantes.
La rigidez, junto con las proporciones de la edificación y la distribución de la masa, son factores claves que afectan a la respuesta dinámica del edificio frente a esfuerzos de viento. A grandes rasgos, cuanto más pesa la estructura, más difícil resulta hacerla oscilar. Los edificios de madera tienen un peso más reducido que sus equivalentes en acero u hormigón, por tanto, en este caso la ligereza del material juega en contra.
Las frecuencias naturales de los rascacielos en madera se encuentran próximas a los rangos en los que el viento puede causar incomodidad, náuseas y mareos en el ser humano. Por este motivo, en estos tipos de edificio es habitual encontrar soluciones mixtas con materiales más pesados que aportan masa al conjunto.
SINERGIAS EN UN PAR DE EJEMPLOS
Mjøstårnet
El edificio de 18 plantas y 81 metros de altura, Mjøstårnet, en Brumunddal una pequeña ciudad a 140 km al norte de Oslo, es uno de los edificios más altos que se han construido recientemente en el mundo.
Imagen 9. Fuente: Mjøstårnet Facebook | Autor imagen/fotografía: Sweco/Moelven
Se trata de una geometría esbelta, con una planta de 17 x 37 m² y tanto su estructura principal como su sistema de arriostramiento está resuelto casi exclusivamente en madera. Una serie de celosías de madera laminada a gran escala conducen tanto las cargas verticales como las horizontales a la cimentación y dotan a la edificación de la rigidez necesaria.
Las paredes de CLT en este caso no funcionan como diafragma, sino que soportan las cargas secundarias del núcleo de escaleras y ascensores. Tampoco las fachadas contribuyen al arriostramiento.
Eso sí, cada forjado funciona como diafragma horizontal. Los forjados de las plantas inferiores son de madera, en cambio, los forjados de las plantas superiores, de la 12 a la 18, están resueltos con una solución híbrida madera-hormigón. La incorporación del hormigón en los forjados superiores supone un aumento de la masa en la parte alta del edificio.
Este edificio es esbelto en su dirección más débil por lo que un aumento de masa le viene bien para cumplir con los criterios de confort relacionados con las vibraciones generadas por el viento en las plantas altas. La zona superior está destinada a apartamentos, por lo que el aumento de masa también supone una importante mejora para el cumplimiento de los estándares acústicos de vivienda colectiva.
Además de resistir parte de las cargas gravitacionales, los cuatro pilares de las esquinas forman parte de las grandes cerchas verticales que rigidizan el edificio frente a los esfuerzos de viento. Son los elementos que resisten los esfuerzos de compresión máximos del edificio, por lo que su escuadría es de 1485 x 625 mm².
Estos grandes pilares de madera laminada están conectados a la losa de cimentación mediante grandes herrajes capaces de resistir solicitaciones muy elevadas.
Imagen 10. Detalle de herraje en pie de pilar de esquinas. Fuente: “Mjøstårnet – Construction of an 81 m tall timber building Holzbau-Forum IHF 2017” | Autor imagen: Rune Abrahamsen/Moelven
Brock Commons
Si comparamos este edificio con Brock Commons, en Canadá, también de 18 plantas de altura construidas en madera, vemos que el planteamiento estructural es completamente diferente.
Imagen 11. Brock Commons. Canadá. Fuente: www.hkarchitekten.at | Autor dibujo: HKarkitekten / créditos imagen: naturallywood.com / fotógrafo: KK Law
En Brock Commons, la rigidez que necesita el edificio se consigue gracias a los dos núcleos de hormigón ejecutados in situ que albergan las comunicaciones verticales. El resto del edificio está construido con pilares de madera laminada y forjados de CLT conectados a la estructura masiva de los núcleos de comunicaciones. Los núcleos de hormigón reciben las fuerzas horizontales a través de los forjados y las transmiten hacia la cimentación.
En este caso y al contrario que en Mjøstårnet, los pilares no forman parte del sistema de arriostramiento de la estructura y pasan a tener una escuadría en la planta inferior de 265×265 mm², 13 veces más pequeña que la de los pilares en esquina del edificio noruego.
El montaje de Brock Commons fue excepcionalmente rápido ya que no fue necesario arriostrar temporalmente la estructura durante la ejecución. Los forjados se iban fijando al núcleo de hormigón conforme se montaban, adquiriendo la estabilidad necesaria sin necesidad de estructuras auxiliares.
Mjøstårnet y Brock Commons son dos ejemplos excelentes de que la sinergia entre materiales constructivos es el modo de salvar sus limitaciones combinando sus fortalezas. Un modo inteligente de diseñar edificios racionales, eficientes y renovables.
Bibliografía relacionada:
- The John W. Olver Design Building at UMass Amherst
- Mjøstårnet – Construction of an 81 m tall timber building | R. Abrahamsen
http://www.forum-holzbau.ch/pdf/31_IHF2017_Abrahamsen.pdf
- Brock Commons Tallwood House, Vancouver. Hermann Kaufmann + Partner ZT GmbH
https://www.hkarchitekten.at/projekt/student-residence-at-brock-commons/
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PLYSCRAPERS O CÓMO PROYECTAR CIUDADES DE ALTA DENSIDAD SIN RENUNCIAR A LA SOSTENIBILIDAD
Editores del post: Maderayconstruccion
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