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Investigación y desarrollo tecnológico hacia la masificación de edificaciones residenciales de madera en mediana altura

Nombre: Investigación y desarrollo tecnológico hacia la masificación de edificaciones residenciales de madera en mediana altura
Mandante: TecnoFast S.A.
Contacto: contactocim@uc.cl

Una de las múltiples opciones que ha surgido ha sido el uso de madera para construir, uso que ya se ha expandido hasta un 20% de las viviendas construidas hoy en día según MINVU. Esta cifra, sin embargo, se ve mayormente reflejada en viviendas de 1 a 2 pisos, unidades unifamiliares donde el espacio es sólo ocupado para una familia y que no permite un uso eficiente del espacio.

Para poder avanzar hacia la mediana altura, una pieza clave es la investigación. Modificar normativas, perfeccionar tecnologías y sistemas constructivos, desarrollar nuevas soluciones y probar diseños posibles de edificios en los distintos contextos que nuestro país enmarca, dada su geografía.

El proyecto “Investigación y desarrollo tecnológico hacia la masificación de edificaciones residenciales de madera en mediana altura”, proyecto de I+D desarrollado de manera colaborativa entre el Centro Nacional de Excelencia para la industria de la Madera CIM UC - CENAMAD y la empresa TecnoFast se enmarca entre esto último, al haber puesto a prueba un diseño de edificio pensado para hormigón, y cómo resultaría su construcción adaptado al sistema marco plataforma con madera

 

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Objetivo 

Encontrar la mayor cantidad de pisos en la que fuera posible construir viviendas panelizadas (no modulares) en las regiones del país con el sistema marco plataforma, utilizando inicialmente un primer piso (podio) de hormigón armado hasta encontrar el punto óptimo entre su factibilidad económica y técnica.

 

Enfoque 

Para poder evaluar el edificio, primero se le dividió entre el podio de hormigón y los pisos de madera, tomando al primero como una plataforma para la súper estructura, y lo segundo como seis pisos de altura en sistema marco plataforma.

A partir de esto se definieron diversos parámetros: i) análisis sísmico (n° de pisos, zona sísmica, tipo de suelo, Factor R, drift de entrepiso, análisis modal espectral); ii) diseño de muros de corte (tipos de clavos, anclaje ATS y metodología de muros segmentados); y iii) bases de moderación tales como los tipos de software utilizados para modelar, la modelación para los muros, y exigencias técnicas.

Sobre esta base se pudo señalar que la densidad de muros estructurales en marco plataforma era mucho mayor a la de otros tipos, lo cuál fue inmediatamente visible al estructurar el edificio. Se detectaron 85 muros de este tipo, que se traducen en 346 mts lineales, mientras que apenas 16 muros terminaron finalmente cómo muros gravitacionales, los cuales se buscaba fueran mayoría para poder resistir el panelizado del edificio ante cargas gravitacionales.

Posterior a esto se abrió la opción de agregar núcleos de hormigón a este diseño. Esto en búsqueda de poder aumentar el número de pisos y utilizar únicamente muros de madera de tipo gravitacional. Para esto, se estructuró un edificio de siete pisos de madera y un podio de hormigón (8 pisos en total), número de pisos elegido debido a las limitaciones por carga gravitacional de este sistema constructivo.

A través del uso de parámetros ya utilizados y otros nuevos cómo el análisis modal espectral, se llegó a dos diseños: uno de núcleo concentrado y otro de núcleo distribuido. Este primero estaba ubicado en la zona de ascensores, permitiendo darle presurización a las escaleras y generar mejor percepción en el usuario sobre el comportamiento contra el fuego. Esto se tradujo, sin embargo, en un edificio con alta torsión e incapaz de controlar su drift debido a la baja rigidez de los muros gravitacionales.

En el segundo diseño se distribuyeron los núcleos en busca de un equilibrio, este enfoque llevó al objetivo deseado. Posteriormente, se diseñaron diafragmas con suficiente rigidez a través del modelo de diagonal equivalente, el cual permite modelar muros a partir de un reticulado, pudiendo satisfacer todas las solicitaciones para hacer viable esta construcción.

 

Resultados

En base a los análisis realizados al edificio únicamente diseñado en sistema marco plataforma, se observó que el muro estructural más solicitado para su construcción se encontraba bastante al límite el corte admisible, volviendo improbable su modificación al no poder cumplir con la resistencia requerida.

A esto se sumó la necesidad del usar anclajes ATS de gran diámetro, pensando en el posible desplazamiento del edificio, los cuales afectarían directamente al costo de obra al encarecer su construcción, además de ser más difíciles de montar que otras variedades.

Otro elemento observado fueron las grandes solicitudes a tracción de los anclajes en caso de usarse un podio de hormigón en la base del edificio, lo que además requeriría de losas de grandes espesores, diámetros especiales de enfierradura, y detalle incluido en la losa para generar una continuidad entre los muros estructurales y el podio.

Con otro esto, la primera conclusión fue que, construído en esta modalidad, el edificio se encontraba en su límite técnico-económico, al limitar múltiples aspectos de diseño, encarecer el proceso con sus requerimientos, y siendo inviable de ubicar en una zona sísmica distinta a la usada en el estudio, además de no ser ampliable a futuro.

Al pasar a la segunda modalidad del estudio, orientado a la construcción híbrida, en el primer diseño basado en el uso de un núcleo concentrado, este se consideró finalmente no viable debido a que el edificio tenía un componente torsional demasiado alto y una rigidez muy inferior a la necesaria en los muros de marco plataforma, derivando en que no fuera posible controlar el drift de la construcción.

Esto llevó a una segunda posibilidad, esta vez basada en un núcleo distribuído. Al distribuir los núcleos de hormigón en sectores estratégicos del diseño, fue posible disminuir el flujo torsional y cumplir con estos requerimientos de drift, además de cumplir el objetivo de utilizar sólo muros gravitacionales de madera y evitar el uso de anclajes ATS.

Finalmente se pudo visualizar al comparar ambas modalidades constructivas que los muros de madera del edificio híbrido, al ser muros de corte, requieren de menos densidad de clavos, placas, madera aserrada, conectores de corte, y no requieren anclajes. Los entretechos de madera, a su vez, presentaron mayores requerimientos de resistencia y rigidez, requiriendo ellos el mayor uso de estos elementos.

El edificio híbrido eliminó el uso de anclajes y redujo la dificultad de anclajes en un 50%, además de disminuir los muros estructurales, y especialmente, los muros estructurales de madera. El costo en obra gruesa de muros disminuyó en un 20%, sí bien encareció en 10% el de entrepisos, y aumentó en dos más la cantidad de pisos.