Proyecto ganador del Concurso de Ingeniería y Construcción analiza la salud estructural y el comportamiento ante los sismos de la Torre experimental Peñuelas

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29 de Noviembre, 2022

Gracias al uso de nuevos equipos con acelerómetros y geófonos validados en el laboratorio de dinámica estructural del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile, esta investigación determinó que el comportamiento sísmico de la obra varía en función del clima y el ambiente durante el año, dada la naturaleza orgánica e higroscópica de la madera, y que este monitoreo permite poner en práctica un sistema que predice el rendimiento dinámico de la Torre Peñuelas ante los sismos.

Esta investigación tiene su origen en un plan nacional con destacado desarrollo maderero: la Torre experimental Peñuelas. Un proyecto multidisciplinario en donde se esperan estudiar todas las variables asociadas a la construcción en madera, a partir del sistema marco-plataforma, en lo que será una torre de 20 metros de altura y seis pisos. 

Precisamente, un estudio de su comportamiento dinámico estructural se llevó el primer lugar del IX Concurso de Ingeniería y Construcción organizado por Madera21, dado el eficiente análisis que se empleó en esta obra ante los terremotos. Un asunto vital para su proyección en el tiempo, debido a que Chile tiene una de las mayores actividades sísmicas del mundo. 

“Ahí es donde entro yo en la historia de la torre, como estudiante de Magíster en Ciencias de la Ingeniería Civil de la Universidad de Chile”, se presentó Matías Alarcón, quien con su investigación “Monitoreo estructural de Torre Peñuelas mediante instrumentación sísmica de bajo costo”, se quedó con el máximo reconocimiento del certamen. 

“Con el fin de caracterizar el comportamiento de la torre frente a movimientos telúricos, se decidió instalar instrumentos denominados acelerógrafos, los que son capaces de registrar las aceleraciones que provoca un sismo, por lo que al ser instalados en puntos estratégicos dentro y fuera de la torre, es posible observar cómo ésta responde frente a estos eventos”, comentó Matías.

Instrumentar y validar

Tal como contextualiza el ganador, la Torre experimental Peñuelas es fruto de la alianza de numerosos actores públicos, privados y del mundo académico, todos interesados en la construcción con madera, como el Centro de Innovación en Madera CIM-UC, el Ministerio de Vivienda y Urbanismo, la Corporación Nacional Forestal y la Municipalidad de Valparaíso.

La iniciativa se encuentra ubicada en la Reserva Nacional Lago Peñuelas (Región de Valparaíso) y viene precedida de un análisis integral de sus oportunidades y soluciones constructivas, así como de sus costos. Todo con el fin de realizar observaciones de su desempeño ambiental, su demanda energética y sus propiedades acústicas en el mediano y en el largo plazo, al igual que las variables que determinan la habitabilidad de sus espacios. 

No obstante, tras un año de funcionamiento, no se había concretado el estudio de su comportamiento sísmico, no pudiendo “instrumentar” la estructura; una herramienta poderosa que puede ser ampliada a todo tipo de estructuras y materialidades. El investigador nos comenta que en Italia, por ejemplo, se han instrumentado edificios patrimoniales construidos en albañilería, lo que ha permitido medir sus “signos vitales” y así poder planificar mejor su mantenimiento y cuidado.

El proyecto ganador enfoca su trabajo en la Torre experimental Peñuelas (Región de Valparaíso) / CIM UC

“Instrumentar una estructura permite a los investigadores contrastar lo medido en terreno, es decir, el comportamiento ‘real’ del edificio, con los supuestos de cálculo realizados durante su etapa de diseño, cuando el edificio no era más que unos planos sobre un escritorio. Esto permite verificar dichos supuestos, o mejorarlos basándonos en la experiencia aprendida”, dijo Alarcón. 

Pese a las bondades de implementar estas redes en las edificaciones chilenas, no es algo común en nuestro país por los altos costos de los instrumentos de medición —“pueden llegar a costar miles de dólares la unidad”, agrega el ganador— lo que vuelve casi inviable considerar varios de estos acelerógrafos en una red nacional. 

Dado que el proyecto Torre Peñuelas no era la excepción, ya que el presupuesto disponible no permitía una instrumentación con los medios ya conocidos, surgió ahí la alternativa de utilizar acelerógrafos novedosos fabricados por la compañía Raspberry Shake, cuya ventaja competitiva es precisamente su bajo costo. “Estos instrumentos nos permitieron implementar una red de 6 acelerógrafos en la torre, número suficiente para caracterizar su comportamiento, sin excedernos en los costos”, expresó Alarcón.

Estos equipos novedosos, validados por medio de ensayos en el laboratorio de dinámica estructural del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile, fueron ocupados para pruebas que tuvieron resultados satisfactorios. Dentro de los datos arrojados, se concluyó que el comportamiento de la torre varía en función del clima. Cuando hay frío y humedad, como en el invierno, la torre se vuelve más rígida, mientras que con calor y en ambientes secos como los de verano, se torna más flexible. “Este resultado era esperable considerando que la madera es, dada su naturaleza orgánica e higroscópica, un material sensible a los cambios climáticos”, manifestó. 

Algo a destacar de estos equipos es que, además de contar con acelerómetros para medir movimientos de gran intensidad, también poseen geófonos, que miden en dirección vertical. Son instrumentos más sensibles, capaces de detectar sismos de muy baja intensidad o que hayan ocurrido a gran distancia del lugar de medición. 

“Las microvibraciones, como su nombre lo indica, son vibraciones tan pequeñas que el ser humano no es capaz de detectarlas. Pueden ser provocadas por el tráfico cercano o la acción del viento sobre la edificación. Medir estas microvibraciones permite determinar las frecuencias y formas modales de la estructura, propiedades esenciales para entender su comportamiento dinámico”, explicó. 

Salud estructural

El proyecto permite estudiar el comportamiento sísmico de la estructura / Ganador

Otro dato interesante que nos comenta el estudiante es que el monitoreo de salud estructural permitió implementar un modelo que brinda la oportunidad de predecir con exactitud el comportamiento dinámico de la torre Peñuelas, bajo parámetros climáticos dados. Y por otro lado, el trabajo con estas nuevas herramientas determinó que estos equipos de bajo costo mostraron una precisión suficiente para el registro de eventos sísmicos, lo que abre la ventana a su uso en futuros proyectos.

Uno de los aspectos que sobresalieron en la evaluación de este proyecto fue el análisis de la “salud estructural” del edificio, la que Matías Alarcón ejemplifica con el caso de una persona con problemas de salud, a quien un médico seguramente le pedirá asistir a los servicios correspondientes para medir sus signos vitales, como de exámenes de sangre y presión arterial. Resultados que serán registrados en cada ocasión y que permitirán estudiar sus cambios para determinar su evolución en el tiempo. 

Sucede algo similar con la torre Peñuelas, donde se miden sus frecuencias fundamentales. En caso de que se produzca un sismo de gran intensidad, es posible distinguir si este provocó daño estructural en la torre sólo con ver el antes y el después en dichos registros, “como cuando a una persona diabética se le realiza una muestra de sangre antes y después de una gran dosis de azúcar. Esto permite ajustar nuestros modelos predictivos para este tipo de edificaciones, mejorando nuestra comprensión de estas y, por ende, llevándonos a mejorar nuestras normativas de diseño estructural” indica. 

Ganador IX Concurso de Ingeniería y Construcción

El proyecto obtuvo el primer lugar del IX Concurso de Ingeniería y Construcción organizado por Madera21 / Ganador

Para el ganador, la madera cumple con todos los requisitos para ser un material constructivo sobresaliente en Chile y el mundo, y que hace falta generar más confianza, solidificar los conocimientos, continuar los estudios y promover su uso. Alarcón detalló sus ventajas si se cuenta con los controles de calidad y de diseño adecuados:

“Su facilidad para ser trabajada con herramientas eléctricas y manuales, permitiendo la fabricación off-site de los componentes estructurales, generando una construcción más segura, rápida y eficiente; su bajo peso relativo, comparado con otros materiales constructivos, que facilita su transporte y montaje; sus altas prestaciones mecánicas, que permiten el diseño de edificaciones masivas y de gran altura; su origen orgánico, que permite un modelo productivo sustentable y amigable con el medio ambiente.  Estas y muchas otras propiedades positivas de este material permiten la materialización de edificaciones seguras, sismorresistentes y con grandes prestaciones para el confort de sus habitantes, haciendo de la madera el material idóneo para enfrentar la crisis climática mundial y la crisis habitacional en Chile”.

El estudiante de Magíster en Ciencias de la Ingeniería Civil de la Universidad de Chile también manifestó su satisfacción por haber recibido el primer lugar del certamen organizado por Madera21.

“Es motivo de alegría ver como el fruto de tanto trabajo es valorado en el evento más importante del año para nosotros, los amantes de la madera. Feliz de ver que cada año el sector va creciendo, nuevos actores se van sumando y las novedades en torno a la construcción en madera sorprenden a más personas, particularmente grato fue que este año el concurso y la feria pudieran realizarse en formato presencial. Para mí es de vital importancia difundir el conocimiento y llegar a la mayor cantidad de gente posible con esta pasión”.

Francisco Hernández, uno de los profesores guía de este proyecto, valoró el primer lugar obtenido al ser una excelente oportunidad para la comunidad ingenieril en general, con el fin de realizar monitoreo sísmico de estructuras a un costo razonable.

“Se pudo apreciar que, en forma natural, los periodos naturales de la Torre Peñuelas son altamente susceptibles a las condiciones ambientales; es decir, a los cambios de temperatura y humedad relativa. En este contexto, se  pudo apreciar y generar un modelo fidedigno que mostró que la torre experimenta una variación en torno a un 10%, debido a la oscilación térmica diaria. De igual forma, variaciones de hasta un 30% se observaron en forma anual (entre invierno y verano); siendo estos cambios mucho mayores que lo que experimentan otros materiales, debido a la naturaleza orgánica e higroscópica de la madera”, detalló. 


Escrito por Redacción Madera21
Fotografía principal cortesía ganador

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