Investigación optimiza el desempeño estructural y energético de edificios construidos en madera para evitar sobrecalentamiento

2PORTADA

18 de Octubre, 2021

El estudio analiza el comportamiento de una construcción residencial de marco plataforma en diferentes números de pisos, climas, zonas sísmicas y distintos conectores que impiden el levantamiento de los elementos estructurales frente a cargas laterales. Para ello, mediante una metodología dividida en cuatro secciones, se escogieron edificios de mediana altura en las ciudades de Santiago y Concepción, con el fin de analizar sus efectos térmicos y estructurales.

Mucho se habla del cambio climático: que hay que prestarle atención, que es una amenaza para nuestro planeta y que debemos generar conciencia. Lo que preocupa es cuando se lo señala como un escenario más bien futuro y no se le toma realmente el peso a los inmensos daños que ya está causando en el mundo. 

Ampliando el abanico de consecuencias, además de las derivaciones que puede causar en el medio ambiente, las construcciones hechas por el hombre también pueden verse afectadas. Tal es el caso de los edificios ligeros de marco plataforma, cuyo sobrecalentamiento en los espacios interiores puede ser riesgoso. Respecto a este sistema constructivo, se puede indicar que es el más usado a la hora de trabajar con madera, generalmente por su capacidad sísmica y térmica y, también, por su flexibilidad al generar elementos prefabricados. 

Según explica Alexander Wenzel, coordinador de instalaciones del Centro UC de Innovación en Madera (CIM UC), el riesgo del mencionado sobrecalentamiento “se produce debido a la baja masa térmica de los elementos constructivos de madera, lo que resulta en una inercia térmica baja del edificio y, por ende, en una reducción en la mitigación de los peaks de calor en la estructura. Una solución es el aumento de la masa térmica, añadiendo elementos de mayor densidad —y con las propiedades correctas— para incrementar la inercia térmica del edificio. Pero la adición de estos elementos con una mayor densidad resulta en un incremento de las solicitaciones estructurales y sísmicas, mejorando el comportamiento energético y condicionando el comportamiento estructural. Por lo tanto, surge la necesidad de estudiar la interacción entre el comportamiento estructural y energético de edificaciones de madera”.

Wenzel es parte del equipo que formuló el proyecto “Optimización multicriterio del desempeño estructural y energético en un edificio residencial marco-plataforma”, que obtuvo el segundo lugar en el Concurso de Ingeniería y Construcción organizado por Madera21. Éste fue presentado en la Semana de la Madera 2021 y contó con una hipótesis general, la cual consistía en la influencia que tendría el número de pisos, el conector lateral, el clima de diseño, la zona sísmica y la masa térmica en un edificio de mediana altura, construido mediante el sistema de marco plataforma. Influencia, particularmente, en la selección de la solución óptima al considerar el comportamiento estructural y energético del edificio. 

En cuanto a las hipótesis específicas del proyecto, Wenzel indica que “consistían principalmente en que existiría una reducción de cantidades de los distintos materiales que aportaban al peso de la estructura —tales como aislación de muro, sobrelosa de hormigón y del espaciamiento de pies derechos— a medida que se aumentaba el número de pisos del edificio. Además, en las zonas sísmicas de mayor aceleración, las mismas solicitaciones sísmicas limitarían las soluciones por el comportamiento estructural y condicionarían los óptimos para ciertas variables que tienen una mayor influencia en el comportamiento estructural”.

Metodología empleada y propiedades de la madera

Vista de planta del edificio, en el software de simulación energética ocupado por el equipo / Alexander Wenzel

Para la realización de este análisis, los casos de estudio presentados consistieron en edificios residenciales, acordes al método de construcción de marco plataforma, de Santiago y Concepción. Ahora bien, ¿por qué se optó por la madera como materialidad? 

La respuesta se debe a que el riesgo de sobrecalentamiento en estructuras de madera es mayor que en estructuras de hormigón, debido a sus propiedades térmicas. En el caso de un edificio de hormigón, se puede realizar un estudio de los criterios de sobrecalentamiento, pero la masa térmica inicial será superior debido a la materialidad de los elementos estructurales. 

En este caso, la ventaja de la madera, en término de conductividad térmica y densidad, genera un mayor riesgo de sobrecalentamiento que en una construcción de hormigón. Sin embargo, si el edificio no está bien diseñado en el ámbito energético, también puede presentar este aumento de temperatura a pesar de ser de hormigón y tener una inercia térmica superior.

Al profundizar un poco en los métodos que se utilizaron para realizar la investigación, se podrían dividir en cuatro secciones: modelo de comportamiento energético, modelo de comportamiento estructural, algoritmo de optimización y caso de estudio. Para comprenderlo mejor, Wenzel explica que, primero, se seleccionó el caso de estudio para poder determinar el archivo climático y la zona sísmica a utilizar. Así, el flujo de trabajo inicial comenzó con la importación de los planos de AutoCad al software de diseño Sketchup, donde se realiza la distribución de zonas para un departamento mediante el plugin Euclid

Obtenida esta información, se procedió a importarla al software Rhinoceros y, allí, la extensión Grasshopper procesó el edificio para generar todas las zonas de análisis térmico. “Aquí comienza el proceso de optimización, donde se inicia con la simulación energética”, complementa Wenzel. 

Y ahonda: “La simulación energética se realiza con las extensiones de Grasshopper, Honeybee y Ladybug, donde se agregan las condiciones de diseño y elementos vidriados, entre otros. Con la geometría realizada y simulada, la información se traspasa a Matlab, donde se realiza un procesamiento de datos para obtener los muros que conformarán el edificio para el análisis modal espectral.  Luego comienza la simulación estructural del edificio. Finalmente, se computa la función objetivo del caso y se procede a simular el siguiente individuo”.

Cerrando las etapas, se llegó al proceso de optimización, cuyo funcionamiento consistió en una búsqueda global entre los individuos para que, en definitiva, se minimice la suma del requerimiento de calefacción y enfriamiento de todas las zonas del edificio. El comportamiento estructural fue verificado y, en el caso de no haber sido estructuralmente viable, se aplicó una penalización a la función objetivo que aleja al individuo de ser el óptimo global. Después, se procesó una búsqueda para evitar óptimos locales en el problema.

Industria constructiva y cambio climático

Muros finales, post procesamiento geométrico / Alexander Wenzel

Como se dijo, el cambio climático no es algo que pasará, sino que es un fenómeno que ya está sucediendo. Por lo mismo, además de generar conciencia, es necesario que la industria constructiva tenga un plan para hacerle frente. 

Para Alexander Wenzel, y en base al desarrollo de este proyecto, “es necesario focalizar una mayor cantidad de tiempo en la etapa de diseño para la obtención de espacios dentro de los edificios que requieran la menor cantidad de energía, para llegar a un estado de confort. De esta manera, las emisiones relacionadas a la operación de los edificios pueden ser reducidas. Es cierto que la inversión inicial tiende a ser mayor y en algunos casos la producción de materiales de mejor calidad está relacionada a mayores emisiones, pero aquí es donde entran en juego los análisis en las etapas de diseño que muestran cómo interactúan las reducciones en el consumo energético y las emisiones asociadas a éstos. Además, como se vio en este estudio, las soluciones que entregan un menor consumo energético pueden estar asociadas al uso de una mayor cantidad de materiales, lo que implicaría un aumento en las emisiones debido, por ejemplo, a la elaboración o transporte de éstos. 

Finalmente, “es necesario que las industrias tengan conocimiento de los beneficios a largo plazo de la etapa de diseño para combatir el cambio climático. En base a la investigación, se debe tener un mayor foco en el diseño de los edificios con el objetivo de minimizar las emisiones considerando las distintas etapas en los proyectos de edificación”.


Escrito por Felipe De la Cerda E. 
Fotografía principal cortesía de Alexander Wenzel

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