Edificaciones de Madera en altura

Proyecto de rascacielos de madera de 80 pisos en Londres.

La construcción de edificios de madera ofrece la posibilidad de un coste mínimo y sin huella de carbono. Los edificios con estructuras de gran altura pueden ser edificios residenciales donde sus componentes estructurales trabajan con bajas tensiones. Las paredes de estos pisos se dimensionan para proporcionar una atenuación acústica y un rendimiento térmico adecuado con una capacidad importante para resistir los niveles de carga aplicada en los encuentros.

A continuación vamos a describir el diseño y construcción de un edificio de apartamentos de nueve pisos realizado con madera contra-laminada en el centro este de Londres y explorar los factores que limitan la altura de futuros proyectos de construcción con este tipo de maderas.

Edificio Stadthaus con paneles de madera contra-laminada.

El edificio de apartamentos Stadthaus en Grove Murray lo realizaron los arquitectos “Waugh Thistleton” y los ingenieros “Techniker Ltd”. Las paredes y suelos son de madera maciza mediante el sistema patentado de KLH UK Ltd. El producto más utilizado fue un panel de abeto sólido formado por láminas de chapa de madera apiladas en capas perpendiculares y luego adherido con adhesivos bajo una presión de 60 toneladas/m2.

Como componentes de construcción, estos paneles de madera contra-laminada reducen el movimiento dimensional frente a la humedad y aumentan su resistencia en comparación con otros tipos de maderas sin modificar. La planta de fabricación ha proporcionado el tamaño máximo del panel que era fácilmente transportable, 2,95m x 16,5m y con espesor de hasta 32cm. Por lo tanto, los paneles más grandes pesan 15 toneladas, peso que una grúa móvil estándar está capacitada para manipular. Los paneles generalmente se apoyan entre sí (como una casa de cartas). Las uniones se realizan de la forma más simple utilizando fijaciones de metal ligero para repartir sus cargas.

Puesto en obra de los materiales del edificio Stadthaus.

Este edificio de apartamentos ofrece viviendas de uno, dos y tres dormitorios en nueve pisos. Toda la resistencia de carga vertical y lateral es proporcionada por las paredes de madera y su dureza que hacen de este edificio el más alto de su clase (figuras 1 y 2). La cimentación se realizó con pilotes de hormigón armado “in situ”  dimensionados para aceptar el peso de un edificio de hormigón del mismo tamaño. La solera también se realizó con hormigón armado “in situ” proporcionando un mejor acomodo a nivel de suelo.

Los espacios superiores estan todos realizados con paneles de madera contra-laminada. El núcleo del ascensor y las escaleras son estructuras independientes dentro del edificio y están aislados de los muros y el perímetro que proporcionan la estabilidad lateral de la estructura. Ninguna grúa fue necesaria permanentemente durante la realización de los trabajos. Una vez que se habían colocado los cimientos y la solera, los paneles comenzaron a llegar en camión desde la fábrica que los proporcionaba situada en Austria. Las unidades fueron colocándose directamente a su llegada y se procedió a trabajar con una velocidad de un piso terminado cada tres días. El equipo de montaje estaba compuesto por 4 carpinteros. Las ventanas fueron instaladas desde un andamio externo y las paredes de madera expuestas al exterior resultaron muy fáciles de fijar donde a continuación se procedió a aplicar el acabado superficial sin incidentes.

Consideraciones generales de diseño

Hoy en día se han construido muchos tipos de edificios con madera maciza; vivienda, escuelas, centros deportivos y hoteles. En la  construcción en baja altura, de cinco o seis plantas, generalmente la ejecución de una  nueva planta se realiza fijando paredes perpendicularmente entre si y colocando un nuevo tablero contra-laminado en la parte superior.

Para las fijaciones de los tableros se utilizan escuadras reforzadas y estribos metálicos en combinación con soportes en ángulo o placas que han sido desarrollados para la mayoría de las condiciones necesarias del proyecto.

Seis cuestiones clave de diseño se han resuelto y probado.

1.-Fuego

En edificios de madera maciza, la carbonización es la base de la resistencia al fuego estructural. La sección transversal de este edificio se calculo para que en caso de incendio, fuera reduciéndose progresivamente durante dicho incendio, proporcionando material de sobra para dar tiempo suficiente para que el fuego pudiera ser controlado. Se han establecido las tasas estándar de carbonización y  se han realizado pruebas sobre el comportamiento específico de la madera proveniente de diversas fuentes.

La madera de grano fino aporta a las caras de los paneles una mejora significativa en su Resistencia al Fuego (RF). Para las unidades residenciales, los apartamentos en su interior, estas maderas  deben tener una Resistencia al fuego de 30 minutos, entre apartamentos de 1 hora y en  la zona de escaleras de 2 horas RF y por tanto de integridad de las personas.

La clasificación del panel de madera como elemento de unidad frente al fuego, da una clasificación de Euroclase D-s2, d0

2. Robustez

Los edificios con este tipo de paneles de madera son susceptibles al colapso progresivo; la pérdida de un componente redistribuye la carga o agrega carga de derrumbe y conduce al fracaso secuencial de otros elementos.

Una parte considerable de los trabajos de diseño realizados por Techniker en la Stadthaus consistió en la evaluación de opciones para asegurar la solidez de las estructuras de madera en altura. El diseño de investigación continúa sobre las características de movimiento de estas formas.

En el Reino Unido hay una guía de diseño desarrollada por el “BRE” (Building Research Establishment) para evitar fallos catastróficos en la construcción de entramados madera de hasta 6 plantas. Es directamente aplicable a la construcción con madera maciza.

No hay ninguna guía de la UE que especifique este tipo de ensayos para construir edificios de madera de varios pisos. En conversaciones con la Asociación TRADA, Timber Research and Development Association, tiene como criterio de estado límite de carga de choque nominal la cifra de 7.5kN/m2 y la eliminación de un panel longitudinal o una pared simple.

Estos requisitos llevan a planteamientos de diseño alternativos. Se pueden reforzar los tirantes entre las unidades para resistir accidentes previstos, cargas de explosiones o impactos inesperados.

Por lo tanto, se ha perseguido una política de ‘redundancia eficiente’, esto es, los paneles están diseñados para soportar en las dos direcciones o a un voladizo si se quita un apoyo. Los encuentros entre pisos y paredes se realizan con soportes “estándares simples”. La alta rigidez en el plano horizontal del contra-laminado consigue sujetar los elementos de pared, una vez retirados los apuntalamientos laterales.

Para el edificio Stadthaus se han considerado cuatro diferentes escenarios de daños estructurales. Tras la supresión de varios paneles, se crearon unas rutas de cargas alternativas apropiadas.

3. Resistencia estructural

En el cálculo de estructuras se suele utilizar el método de la sección incompleta, que calcula la resistencia del tablero teniendo en cuenta solamente las chapas que se disponen paralelamente al esfuerzo (tracción o compresión) o las chapas que se orientan paralelamente al vano (flexión).

La resistencia a flexión de este tipo de madera en la dirección de la fibra es superior a la correspondiente a la dirección perpendicular. Este tablero tiene una resistencia a flexión 2 veces mayor que la propia madera maciza.

El eslabón débil de este sistema es la unión de las paredes con el suelo, ya que los paneles solo soportan una carga de 24 N/mm2 en el pino Oregón, de 20 N/mm2 en el pino Silvestre y 17 N/mm2 en el pino Pinaster.

En cuanto al modulo de elasticidad, este varía entre 14.000 y 10.000 en función de la madera empleada.

Por otra parte se utilizan series de tornillos o clavos en puntos localizados para aliviar las concentraciones de esfuerzos.

4. Movimiento dimensional de la madera

El control del movimiento de la madera es la clave para el desarrollo de estructuras de madera. Las tecnologías empleadas en la fabricación de este producto producen un material comparable en su estabilidad dimensional al hormigón y al acero.

Durante el montaje de la obra, las placas de madera están sometidas a las variaciones climáticas debidas a los cambios de estación y a la obra misma. De este modo, en función de la duración de esta fase, es posible que cambie la humedad de la madera de los tableros contra-laminados.

El movimiento dimensional a largo plazo de la madera contra-laminada es insignificante en la cara del panel y menos de 1% a contrahilo. Del mismo modo que la estabilidad dimensional ocasionada por la humedad es demasiado pequeña, del 2% medida sobre la superficie del panel.

5. Acústica

El aislamiento acústico para ruidos aéreos de un tablero contra-laminado de 30mm de espesor es aproximadamente de 27dbA.

La suma total de una estructura contra-laminada no puede considerarse ligera, pero algunas separaciones adicionales se requieren generalmente para alcanzar un rendimiento adecuado. Al otro lado de las medianeras se añaden 2 capas a cada lado de 9mm de espesor de yeso laminado que lograrán los requisitos de Building Regulations Part E; externamente se necesita un espacio de 1cm.

Entre las plantas debería añadirse un techo acústico. Y para las escaleras y el hueco del ascensor hay que construir una pared doble con cámara de aire de 4cm.

6. Coste  

El coste base de la construcción con madera es actualmente cerca del 10-20% mayor que el de la construcción con hormigón armado. Sin embargo hay varias etapas en el proceso constructivo que hacen compensar esta diferencia de costes. Los paneles contra-laminados llegan en camión para su montaje en orden, se levantan inmediatamente. No hay gasto de almacenaje, tampoco desperdicio y no hay problema de lluvias. El lugar se mantiene limpio y ordenador en todo momento. Las operaciones son repetitivas y seguras. Los tiempos de levantamiento se reducen en un 30% con los consiguientes ahorros en preliminares. Unas consideraciones secundarias incluyen su simplicidad y familiaridad en las fijaciones de la madera. Los errores pueden corregirse fácilmente con una sierra y con agujeros añadidos en el lugar. Y la emisividad térmica de una superficie de madera expuesta es excelente, con un valor de 0.87.

Edificios muy altos. Consideraciones de diseño en gran altura.

¿Cuáles son los límites teóricos y prácticos actuales sobre esta forma de construcción? ¿Dónde se necesita investigación adicional? Hay capacidad productiva para explotar este mercado. La viabilidad económica depende de ambos, de la cantidad de material y la simplicidad del detall. La elasticidad de la madera y su suavidad relativa son clave para su futuro uso en edificios de gran altura. Si se utiliza actualmente la construcción de una plataforma simple sin modificar, entonces un bloque podría alcanzar 15 plantas con espesores de pared económicos. Si los puntos de apoyo se fortalecen  se podrían añadir dos o tres plantas adicionales. Una indicación del peso estructural con respecto a la altura se muestra en la (figura 5).

La empresa Techniker ha propuesto un método de unión tomado del diseño de embalajes de paredes y elementos de suelo intercalados para formar vías de cargas verticales continuas a través del edificio. (Figura 6).

La Figura 6. Articulaciones mejoradas.

Los detalles de uniones y soportes pueden mejorarse de varias maneras. Podrían añadirse márgenes de madera dura. Los diseños de las torres deberían moverse dentro del área que se puede ver en la figura 5, donde el efecto p/delta comienza a administrar los espesores de pared y por lo tanto los costes. Los rodamientos en las placas de uñas podrían mejorar aún más las capacidades. Las placas laterales pueden colocarse para actuar como lazos para mejorar la robustez y transferir algunas cargas adicionales. Éstos son generalmente algo costosos.

 Con los materiales de hoy en dia se podría llegar a alturas de 25 plantas conservando el mismo espesor de material lo cual lo hace más económico. La tendencia de una estructura en altura es la de empujar hacia fuera su propio eje, por lo que para detenerlo tenemos que añadir más rigidez. Con un módulo de Young de alrededor de 12.000Nmm, la madera contra-laminada es aproximadamente tres veces más flexible que el hormigón armado. Podemos ver en la (figura 7) la relación entre los espesores de pared extra y la construcción de un apartamento con núcleo simple.

Los datos y configuraciones especiales podrían implementarse para crear edificios de madera más altos o para ofrecer una reducción del uso del material. Desde principios de los años 60, una serie de ingenieros en América del Norte, en particular Fazlur Khan, Leslie Robertson y William LeMessurier comenzaron a realizar diseños de torres muy altas sobre una base racional. Se establecieron conceptos como Mega-marcos y tubos- agrupados.

Para construcciones modulares que implican muros perimetrales estructurales, los conceptos de tubo y configuraciones de tubos agrupados son útiles. Extendiendo la estructura hacia el exterior de los forjados  de forma que se completan así las secciones cerradas, se maximiza la rigidez lateral y torsional.  Para cumplir con los requisitos de circulación vertical, el sistema constructivo otorga cierta flexibilidad para la apertura de huecos puntuales en la envolvente externa.(Figura 8)

Por encima de 25 plantas un núcleo de hormigón ofrece una disposición de refuerzo convencional El borde exterior del edificio se puede abrir hacia fuera con la simple carga vertical de los componentes (Figura 9). En su elevación se puede modelar para reflejar las condiciones de carga de cada piso. El espíritu del material es utilizar los detalles más simples y métodos de construcción posibles. Todavía hay mucho potencial por desarrollar.

Fuente: Techniker

 

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