Construcciones en madera: resistencia sísmica prometedora
En artículos anteriores hemos abordado algunas de las diversas ventajas que presenta la construcción en madera masiva o mass timber, donde destacan la reducción de emisiones de carbono y su captura, montajes rápidos y limpios, además de un excelente comportamiento frente al fuego. Y estos últimos años se está estudiando con resultados exitosos la resistencia sísmica, es decir, la seguridad que presentan las construcciones de madera ante temblores y terremotos.
A continuación, revisaremos un par de estudios que están demostrando que la construcción en madera presenta una considerable resistencia sísmica, haciendo que las edificaciones sean estables, minimizando los riesgos de colapsos y presentando una posible predictibilidad en cuanto a los efectos de sismos y terremotos.
Prueba de 100 eventos sísmicos sobre una torre de 10 pisos construida en madera masiva
El NHERI Tall Wood Project (Sigla de Natural Hazards Engineering Research Infraestructure o Infraestructura de Investigación de Ingeniería frente a Riesgos Naturales) es el proyecto creado por la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF por sus siglas en inglés) y administrado por la Universidad de San Diego California UCSD. Lo componen diversas organizaciones público privadas con el fin de estudiar la resistencia sísmica de las estructuras de madera, teniendo como ensayo emblemático esta estructura creada en madera masiva. Ha sido el edificio a escala real más alto probado en una mesa vibratoria, estructura que produce simulaciones de terremotos.
La UCSD cuenta con el simulador de terremotos al aire libre más grande del mundo, utilizado para este experimento, mientras que la edificación de 10 pisos (34 mts de altura), construida con madera masiva, estuvo a cargo de profesor asociado de la Escuela de Minas de Colorado (Colorado School of Mines). Las pruebas consistieron en simular 100 sismos de distintas intensidades en esta estructura levantada sobre una base vibratoria. El edificio permaneció intacto, lo que viene a reforzar la idea de que las construcciones en madera masiva poseen una considerable resistencia a sismos.
Especificaciones del estudio NHERI TallWood
La mesa vibratoria es una base de acero movida por pistones hidráulicos controlados por computador, que producen tres movimientos del plano más tres movimientos de rotación en los tres ejes (X, Y y Z). «Básicamente, generamos terremotos a demanda», indicó Shiling Pei. Comenzaron con pruebas graduales de sismos desde los 4 grados hasta terremotos de 8 grados Richter, monitoreados por más de 750 sensores instalados en toda la torre. El científico precisó que los terremotos de mayor intensidad “tienen un período de retorno de 2.500 años, un monstruo que se ve cada tres o cinco siglos».
Mesa Vibratoria Edificio NHERI Tall Wood. Fuente: Captura Video Earthquake Simulator vs Wood Skyscraper – Engineer Explains https://www.youtube.com/watch?v=kQB8B6dpgGA
La edificación construida con madera masiva, contó con cuatro paredes oscilantes de madera, sistema construido para evitar los daños generados en un terremoto. Cada panel de 3 metros de ancho se extendió a lo largo de la altura de la torre y está anclado a la mesa vibradora con varillas de acero que controlan el movimiento de las paredes, permitiéndoles levantarse por un borde y comprimirse por el otro mientras se balancean. Cuando cesa el temblor, las varillas hacen que el borde de la pared vuelva a estar al mismo nivel que la mesa vibradora, lo que equivale a los cimientos. De esta manera, el edificio vuelve a su posición vertical original.
Modelo 3D de Edificio NHERI Tall Wood, detalle de paneles laterales unidos con varillas de acero. Fuente: Captura Video https://www.youtube.com/watch?v=HEctPYpmW-g
Esta prueba ha sido única en su tipo, ya que anteriormente no se habían aplicado ensayos a una estructura en madera tan alta y con pruebas tan intensas en cantidad e intensidad de grados Richter. Una ventaja derivada de esta resiliencia es que podría convertir a las edificaciones de este tipo en estructuras más rápidas de volver a habitar posterior a una catástrofe sísmica y también entrega información valiosa respecto a la predictibilidad ante estos eventos. A juicio del director del experimento, el profesor asociado de la Escuela de Minas de Colorado, Shiling Pei, «el éxito fue rotundo». Tanto así que señaló que al «buscar daños, esta es una prueba muy aburrida, porque no hubo daños estructurales a pesar de que el edificio tembló violentamente».
«Estamos en el proceso de reunir todos los datos para respaldar la incorporación de este nuevo sistema de muros oscilantes en futuros códigos de construcción en los Estados Unidos», aseguró el académico.
Esquema del edificio de 10 pisos. En verde, las 4 paredes oscilantes de madera y abajo la Mesa Vibratoria de la UCSD. Fuente: NHERI Tall Wood Project.
Mira aquí un extracto de las pruebas realizadas al edificio
Estudio de la Universidad de Utah arroja resultados positivos de la resistencia sísmica en construcciones en madera
El profesor de ingeniería civil de la Utah College of Engineering, de la Universidad de Utah, Chris Pantelides afirmó que para su institución “la madera es el futuro», refiriéndose a cómo se proyecta la madera como material de construcción, las ventajas que entrega y especialmente su comportamiento frente a sismos. De hecho, dirigió el estudio Design and Cyclic Experiments of a Mass Timber Frame with a Timber Buckling Restrained Brace que testeó una estructura de madera, en conjunto con la estudiante de posgrado Emily Williamson y los investigadores de la industria Hans-Erik Blomgren de Timberland y Douglas Rammer del Forest Products Laboratory, publicado en la Journal of Structural Engineering.
Las Timber Buckling Restrained Brace o T-BRB son riostras que utilizan una tira de acero en el núcleo, pero cuentan con un armazón de madera. El mass timber combinado con riostras en otros materiales como hormigón son capaces de absorber o disipar las fuerzas sísmicas de un terremoto para que no perjudiquen a la estructura del edificio. Estas Timber Buckling Restrained Brace se pusieron a prueba recientemente, en donde se emularon terremotos de hasta 7,0 grados Richter y comprobaron que estas riostras son tan eficaces como las construidas con acero y hormigón y mejoraron la disipación de energía en relación a otras riostras sin madera masiva.
Una configuración T-BRB/Mass Timber Frame se encuentra dentro del actuador de metal, donde fue probada a pruebas equivalentes a un terremoto de magnitud 7 grados Richter.Crédito: University of Utah
El objetivo de la estructura diseñada con T-BRB fue desarrollar las riostras que aunque tengan una tira de acero como núcleo, están hechas de madera masiva y adaptadas a marcos también fabricados en madera masiva.
Esta idea requirió construir una gran torre rectangular de metal que se extendió desde el techo hasta debajo del piso de concreto, un actuador, para simular los efectos de la actividad sísmica, básicamente, produciendo movimientos fuertes hacia adelante y hacia atrás. Pantelides y su equipo de esta forma pusieron a prueba los “sistemas de resistencia a fuerzas laterales” (LFRS).
El equipo investigador desarrolló varias configuraciones diferentes de este T-BRB antes de insertar cada una individualmente en un marco de madera, que luego se colocó dentro del dispositivo que simuló los movimientos. Luego de ello fueron sacudidas horizontalmente, con fuerzas equivalentes a un terremoto de magnitud 7,0 grados Richter para nueve pruebas en total. Los sensores conectados al T-BRB y al marco registraron cómo los diferentes elementos se deformaban o cambiaban a medida que avanzaba la prueba.
Las variables estudiadas incluyeron el nivel de fuerza axial aplicada a las columnas para simular la carga de gravedad y el desplazamiento fuera del plano del marco T-BRB.
La estructura de madera maciza se probó cuatro veces con otro T-BRB. Los cuatro subconjuntos lograron un drift de al menos 2,8% antes de fallar el TBRB debido al débil pandeo del eje del núcleo de acero.
La adición del T-BRB mejoró la capacidad de disipación de energía de la estructura de madera masiva entre 4,0 y 8,6 veces después de 14 ciclos de desplazamiento lateral.
La investigación arrojó resultados que fueron analizados, graficados y comparados entre los diferentes subconjuntos, que proyectan un futuro prometedor en la construcción en madera, para hacerla cada vez más habitual y más alta.
Fuentes:
NHERI TallWood
http://nheritallwood.mines.edu/
Test results are in: TallWood building a resounding success
https://temblor.net/temblor/test-results-are-in-tallwood-building-a-resounding-success-15987/
Earthquake Simulator vs Wood Skyscraper – Engineer Explains
https://www.youtube.com/watch?v=kQB8B6dpgGA
Earthquake-proofing Mass Timber Buildings
https://www.price.utah.edu/2024/01/25/earthquake-proofing-mass-timber-buildings
Design and Cyclic Experiments of a Mass Timber Frame with a Timber Buckling Restrained Brace
https://ascelibrary.org/doi/10.1061/JSENDH.STENG-12363
