Actualidad

Regreso de las Construcciones de madera: ahora en grandes alturas

Miércoles, 17 Mayo, 2023

En el número 423 de Cimbra, la revista de Ingeniería Civil del Colegio de Ingenieros Técnicos de Obras Públicas, publicado con motivo de Santo Domingo de la Calzada, se incluyen artículos técnicos sobre las últimas tendencias de la profesión.

En el caso de la madera, se trata de un material utilizado de manera tradicional en la Construcción pero que, sin embargo, ha avanzado con las últimas tecnologías y necesidades de la población. Os dejamos con este artículo, realizado por Daniela Paz y por Tulio Enrique Carrero.

Desde el comienzo de la historia, la madera es el material estructural más utilizado para la Construcción, comúnmente usado para edificaciones de baja altura como viviendas unifamiliares y granjeros, entre otros. La madera fue el principal material de Construcción en gran parte de Europa desde la Edad Media hasta el Renacimiento y fue precisamente en este lugar en donde se desarrollaron gran parte de las soluciones que fueron decisivas para los sistemas constructivos modernos con madera (Guindos 2021).

En Estados Unidos, tiempo atrás, fue diseñado el sistema “balloon framing” que posteriormente resultaría también en la entrada del “platform framing”. Ambos sistemas consisten en entramados ligeros de madera (ELM) o, en inglés, Light Frame Timber (LFT). Estos sistemas se extendieron muy rápidamente debido en gran parte a la simplificación de las construcciones, a la disminución de costes de obra por reducción de personal y de material, así como también al aumento de la velocidad en Construcción y trabajabilidad, entre otras cosas. De hecho, estos sistemas ELM siguen siendo hoy en día el sistema más empleado para la construcción de baja altura en EEUU.

No fue hasta el siglo pasado cuando comienza la creación de productos especiales para tratar la madera, como el pegamento especial para madera (Glue Wood). Es en dicha época donde se abordan las construcciones de estructuras de madera más complejas y de mayor envergadura. En este sentido, se crean los sistemas GLULAM o GLT que no son más que láminas de madera colocadas en el mismo sentido de la fibra, una sobre otra conectadas con pegamento.

Al final del siglo XX, se afianza el crecimiento de las grandes estructuras de madera, debido a la invención de la madera contralaminada (CLT), atribuida a Austria, abriendo las puertas a una nueva filosofía de Construcción denominada madera masiva (mass timber). El CLT es la nueva estructuración que permite abarcar mayores alturas en edificación debido a una resistencia y una rigidez superiores a las convencionales.

Como es bien sabido, la madera es un material con alta capacidad de resistencia en dirección perpendicular a sus fibras, pero esta resistencia disminuye considerablemente si la fuerza es perpendicular a las mismas. Al revelar experimentalmente diferentes tipos de conexiones para elementos de madera, la resistencia se incrementa considerablemente. 

El GLT permite crear columnas y vigas con alta resistencia a la tracción, compresión y flexión, mientras que en el caso de CLT, los tableros son orientados de forma alternativa. Cada capa se establece a 90 grados con respecto a su contiguo y, por tanto, se consigue una pieza estructural, con gran capacidad resistente en ambos sentidos, muy apropiada para ser utilizada como una losa de entre piso o como un muro estructural resistente a fuerzas tanto de compresión, como de flexión y de corte. 

Por lo tanto, las construcciones de madera masiva están a la par con los materiales de Construcción utilizados tradicionalmente como son el acero y el hormigón. Para ello, existen los siguientes puntos de comparación:

  • La madera es un material estructural con excelentes atributos ecológicos. La energía que se utiliza en crear elementos estructurales de madera es significativamente menor si lo comparamos con otros materiales. La imagen 3 (ver artículo en revista Cimbra) muestra una comparativa de la energía necesaria para producir un muro de bloques de hormigón tradicional y una pared balloon framing. La diferencia es mucho más marcada si comparamos los requisitos de energía en elementos tipo viga (imagen 4, en Cimbra). Por otro lado, la baja conductividad térmica de la madera crea viviendas con mayor eficiencia energética.
  • La madera es cuantitativamente mucho más ligera que el acero y más ligera que el hormigón, lo que conduce a una reducción de las cargas en las cimentaciones, menores costes en la Construcción y un aumento en la capacidad resistente a fuerzas horizontales. El desempeño sísmico de la madera se debe al alto ratio resistencia/peso, siendo los muros de CLT los elementos estructurales utilizados para resistir dichos esfuerzos. Sin embargo, es importante destacar que el desempeño de las estructuras de madera depende principalmente del comportamiento de sus conexiones, las cuales han sido mejoradas de forma significativa en los últimos años. 
  • La madera es significativamente más flexible en tracción longitudinal y tolera deformaciones elásticas superiores al acero y muy superiores al hormigón. En compresión longitudinal, la madera es más flexible que el acero y que el hormigón. 
  • En dirección perpendicular a las fibras, la resistencia a tracción de la madera es similar al hormigón, pero inferior a la del acero. En compresión, es inferior al hormigón y muy inferior al acero. Por este motivo, la invención del CLT permite crear elementos altamente resistentes en ambas direcciones. 
  • La madera es un material inflamable, que aumenta a medida que la cantidad de superficie expuesta sea mayor. Estudios recientes han comprobado que la resistencia al fuego de elementos de madera masiva, bajo ciertas configuraciones, ofrecen una resistencia superior que la del hormigón, debido a que las primeras capas de madera carbonizadas funcionan como una especie de aislante externo que mantiene el exterior relativamente intacto, conservándose el elemento en condiciones estructurales óptimas por un tiempo más prolongado.  
  • Muchos edificios modernos realizados en madera son totalmente prefabricados. Esto nos permite reducir significativamente el tiempo de Construcción, el número de trabajadores, el grado de error y evitar las variaciones climatológicas. 
  • El desarrollo tecnológico de las uniones ha llevado al crecimiento de estructuras híbridas (ver Carrero et al., 2021), combinándose elementos de madera con el acero estructural y el hormigón armado. Esto ha permitido el desarrollo de edificaciones de gran nivel, realizándose núcleos de hormigón y sistemas de arriostramientos de acero, que benefician el aumento de la rigidez y la resistencia lateral de las estructuras.
  • La ductilidad en estructuras de madera mejora si en las conexiones se utilizan mecanismos que asemejen el comportamiento constitutivo del acero.
  • En Estados Unidos, desde el 2021, IBC (International Building Code) incluye tres tipos nuevos de construcciones tipo: IV-A, IV-B y IV-C. Éstos permiten el uso de madera masiva en edificios de hasta 18, 12 y 9 pisos (respectivamente), gracias a los avances observados en la trabajabilidad del material. Este documento recopila las disposiciones, los antecedentes y las investigaciones, ofreciendo un marco legal regularizado de las construcciones de madera masiva. 

Debido a todos los beneficios mencionados anteriormente y muchos más, la cantidad de edificios de madera de más de seis pisos que se han construido entre diciembre de 2021 y julio de 2022 en Estados Unidos aumentó en un 50%, según expone el grupo de comercio de madera WoodWorks.

Las estadísticas no son distintas en muchos países de Europa, los cuales apuestan desde hace más de una década por una construcción más sostenible. Países como Suiza, Noruega y Austria encabezan la lista con los edificios construidos en madera más altos del mundo y otros como Inglaterra y Holanda tienen en marcha proyectos que buscan romper los paradigmas asociados a las construcciones con madera.

Conclusiones generales

En resumen, el diseño de conexiones estructurales adecuadas y el acceso a productos industrializados son clave para construir edificaciones de madera que puedan competir en precio con las construcciones de hormigón y de acero. Las construcciones más competitivas son, sin duda, aquellas que mezclan distintos materiales de forma óptima. Es importante destacar las diferencias considerables de ductilidad dentro de cada sistema constructivo de madera, en función del tipo de unión empleada y, especialmente, de su diseño.

Los edificios de madera de alturas variables desarrollados, tanto en países con alta como con baja sismicidad, están logrando importantes beneficios ecológicos en la industria de la Construcción. Además, se experimenta una mejora sustancial del rendimiento del sistema resistente a la fuerza lateral en términos de propiedades, como la rigidez y la resistencia, con la finalidad de reducir los costes en la construcción.  La viabilidad de producción de este material, también, consigue una reducción del impacto ambiental en las diferentes regiones el mundo, por lo que es necesario seguir fomentando la investigación en cuanto al desarrollo de elementos que puedan proporcionar dichos requisitos, como es el caso de las propiedades mecánicas estáticas y dinámicas de la madera.

Autores. Daniela Paz Ramos, Ingeniero Civil Especialista en Estructuras, M.Sc Gestión y Planificación de Infraestructuras y Máster BIM Manager. Ingeniera Calculista de Estructuras en Técnicas Reunidas.

Tulio Enrique Carrero Roa, Ingeniero Civil, Especialización en Estructuras,  Ph.D. Ciencias de la Ingeniería, Profesor de la Facultad de Ingeniería y Arquitectura en Universidad Central de Chile.

Puedes consultar el artículo completo en el número 423 de Cimbra, la revista de Ingeniería Civil del Colegio de Ingenieros Técnicos de Obras Públicas, ya disponible online.