C+T: Primer software para calcular estructuras de madera en Chile

En Chile, los profesionales y oficinas de ingeniería y arquitectura proyectan y diseñan utilizando principalmente hormigón y acero, relegando el uso de la madera como material estructural. Como indicadores, en Chile, el porcentaje de viviendas con estructura de madera es de un 19%, y el de galpones industriales y comerciales es menor al 5%; en comparación con Canadá y EEUU, la construcción de viviendas con estructura de madera está sobre el 90%.

Una de las razones por las que los profesionales y oficinas de ingeniería y arquitectura dejan de lado a la madera como opción de diseño, es por un desconocimiento generalizado del material y de su metodología de cálculo. Como dato, en EEUU y Canadá, los ingenieros civiles son formados para diseñar estructuras en hormigón, acero y madera; en tanto que en Chile la formación de estos profesionales se centra sólo en el diseño en hormigón y acero, dejando el diseño en madera como un curso opcional de la malla curricular o simplemente no ofreciendo esta especialización.

En este escenario, la idea fue desarrollar un software, dirigido al mercado nacional, que permita a los usuarios facilitar el cálculo riguroso de estructuras en madera, basado en la normativa chilena (NCh1198: Madera – Construcciones en madera – Cálculo); y de esta forma beneficiar al sector por medio de una herramienta de cálculo amigable y confiable.

El software C+T (change+timber) está dirigido a 2 nichos: (1) Escuelas de ingeniería civil, arquitectura y construcción de universidades chilenas; y (2) profesionales y oficinas de ingeniería y arquitectura. 

Permitirá desarrollar diseños en madera en forma sencilla y práctica, con lo cual los usuarios podrán ofrecer a sus clientes opciones de diseño en madera eficientes y también una alternativa a la construcción tradicional en hormigón y acero.

Actualmente, en el mercado nacional no existe un software de cálculo de estructuras en madera, lo cual es una oportunidad, convirtiendo a C+T en el primer producto de este tipo. C+T no reemplaza los softwares de análisis estructural que existen en el mercado, más bien está pensado para ser un complemento a estas herramientas. Este software permitirá a sus usuarios calcular estructuras en madera aserrada y madera laminada, incorporando los siguientes módulos:

1. Diseño de elementos simples de madera aserrada (vigas, columnas)

2. Diseño de elementos simples de madera laminada (vigas, columnas, elementos curvos y de altura variable) 

3. Diseño de elementos compuestos (reticulados, elementos sección 2T, T y tipo cajón)

4. Diseño de uniones (clavos, pernos, pasadores, tornillos y tirafondos)

¿Por qué no se construye con madera en Chile?

Chile es conocido como un país forestal, dispone de 15,9 millones de hectáreas de cobertura de bosques y plantaciones, lo que equivale a aproximadamente un 20% de la superficie del país; además cuenta con una industria que produce anualmente cerca de 7 millones de m3 de madera aserrada. Sin embargo esto no se ha traducido en un uso masivo de este material en la construcción.

En la última década el porcentaje de viviendas construidas con estructura de madera ha variado entre un 12% y un 19%; muy por debajo de otros países con una importante industria forestal, tales como Australia, Canadá, Finlandia, Suecia, Estados Unidos y Nueva Zelanda, donde la construcción con madera se mueve entre un 65% y 95%.

Para entender en parte esta situación, quisiera compartir en forma breve 3 puntos claves que explican en gran medida la razón por la cual en nuestro país no se utiliza la madera en forma masiva como alternativa para construir; esto basado en conclusiones obtenidas de algunos proyectos I+D desarrollados en Chile, sumado a la experiencia que he podido obtener como profesional en el área.

1. Falta de especialización de los profesionales de la construcción.

Ingenieros civiles, arquitectos, constructores civiles e ingenieros en construcción, poseen una formación muy escasa respecto a diseñar, especificar y construir en madera, lo que ha llevado a un desconocimiento del uso eficiente de este material y sus productos derivados.

Los actuales planes de estudio de estas carreras entregan una formación muy sólida respecto al uso, diseño y construcción con acero y hormigón, dedicando cursos y laboratorios en diferentes niveles. Por otro lado, no es común ver cursos asociados al diseño y construcción en madera, y si los hay, son cursos electivos que en ningún caso se comparan en cantidad de horas teóricas y de laboratorios a la formación entregada en acero y hormigón. En países desarrollados, por ejemplo EEUU, los profesionales poseen una sólida formación para diseñar y construir con los tres materiales: madera, acero y hormigón.

Esta situación fue diagnosticada por Fundación Chile el año 2000, identificando que el desconocimiento en la formación universitaria de los profesionales encargados de proyectar, calcular y construir edificaciones, es uno de los problemas más recurrentes en el mal uso de la madera en la construcción.

Esto lleva a que en el país exista una dicotomía: nuestros profesionales son capaces de construir grandes obras de ingeniería, como puentes y rascacielos; sin embargo, en muchos casos no son capaces de calcular y especificar una vivienda social de madera en forma clara.  

 

Propuesta de rascacielos de madera en EEUU, una alternativa sostenible a los edificios de acero y hormigón. Fuente: www.plataformaarquitectura.cl 

2. Falta de una certificación para la madera estructural y productos derivados.

Países con alto uso de la madera en la construcción, han masificado su utilización en base a marcas de calidad respaldadas por sistemas de certificación (ISO/CASCO), entregando al mercado un producto estandarizado y de propiedades aseguradas por organismos de certificación competentes (ISO 17065).

En el mercado nacional la madera se comercializa “a granel”, sin una especificación clara sobre sus características, lo que transforma a este material en una “caja negra” para los ingenieros, arquitectos y constructores; ya que diseñarán, especificarán y construirán con un material del cual se desconocen todas las características necesarias para su uso seguro y confiable.

Por esta razón, la madera siempre debe presentar una “marca de calidad”, la cual se aplica a todas las piezas que se produzcan en los aserraderos y que cumplan con los requisitos de calidad deseados. Además esta marca de calidad permite su correcta trazabilidad en el mercado.

Certificación de madera estructural en el mercado canadiense. Fuente: González, M. 2013 

Nota: Ver artículo anterior sobre "Certificación de la madera estructural"

3. Percepción  de los clientes finales, mandantes, empresas bancarias y aseguradoras.

Existe una percepción generalizada del común de las personas de que la vivienda de madera es una solución habitacional transitoria, construida con materiales de mala calidad, lo que lleva a atribuirle poca seguridad, durabilidad y menor estatus en comparación con las viviendas de albañilería o concreto. Del mismo modo, esta percepción se encuentra instalada en empresas inmobiliarias, que actúan como mandantes de proyectos de construcción, y en entidades bancarias y aseguradoras, las cuales consideran a las construcciones en madera como edificaciones de baja tasación comercial y de alto riesgo para ser aseguradas.

Sin duda, lo descrito en el párrafo anterior es producto de una desinformación importante de estos actores del mercado de la construcción, evidenciando un desconocimiento técnico sobre las características y beneficios de construir con madera, entre los cuales se encuentran: buen comportamiento frente a los sismos, altos estándares de bienestar habitacional y confort térmico para sus moradores, buen comportamiento frente al fuego, larga vida útil (diseños correctos sobrepasan tranquilamente los 50 años), construcción de un alto estándar de sustentabilidad y eficiencia energética.

Viviendas de alto valor con estructura de madera en el mercado de EEUU.
Fuente: National Association of Home Builders

Referencias:

- Informe Final. Proyecto “Plan de Desarrollo para la Industria de la Construcción en Madera. Fundación Chile, 2000.

- González, Marcelo. 2013. Bases de un sistema de certificación para la madera estructural en Chile. Tesis magister. Facultad de Arquitectura de la Universidad del Bío Bío. http://cybertesis.ubiobio.cl/tesis/2013/gonzalez_m/doc/gonzalez_m.pdf

- González, Marcelo. 2008 . “Bienestar habitacional y eficiencia energética de viviendas sociales industrializadas en madera”. Memoria de título.

- APA – TheEngineered Wood Association; CORRIM – Consortium for Research on Renewable Industrial Materials; EEUU, 2009. Indices de comportamiento ambiental de la construcción residencial 

Certificación de la madera para uso estructural

La madera aserrada sigue siendo la forma más simple de elaboración, mediante un proceso de corte se producen piezas de sección transversal rectangular en diferentes tamaños y largos. En el mercado nacional la madera aserrada se comercializa “a granel”, sin una especificación clara sobre sus características.

Por otra parte el concepto “madera estructural” se refiere a piezas de madera de sección transversal rectangular, claramente identificada desde el punto de vista de su capacidad mecánica. La técnica mediante la cual las piezas de madera se agrupan según su capacidad para resistir cargas se llama “clasificación estructural”, proceso mediante el cual se proporciona al usuario la confianza de esperar un valor mínimo de resistencia para las piezas de un determinado grado de calidad, cualquiera sea el origen del material. 

A nivel mundial existen dos métodos de clasificación estructural de madera: la clasificación mecánica y la clasificación visual. La clasificación mecánica, tal como su nombre lo indica, es realizada por una máquina que evalúa cada pieza de madera y la asocia a un grado de calidad estructural. Existen diversos tipos de clasificación mecánica, utilizando diferentes principios para determinar la calidad estructural de la madera tales como vibración acústica, rayos-x, y flexión. Por ejemplo, en la imagen y video siguientes se observa a la maquina de nombre comercial "Dynagrade" que determina el grado estructural de las piezas de madera mediante la vibración acústica producida por un pequeño impacto en uno de sus extremos.

Por otro lado, la clasificación visual consiste en el control de una serie de características que reducen la resistencia de la madera, tales como tamaños de nudos, grietas, deformaciones, etc. Este proceso es realizado por clasificadores o “graders” debidamente capacitados por una entidad competente.

Utilizar madera sin una clasificación estructural, transforma a este material en una “caja negra” para los ingenieros, arquitectos y constructores; ya que diseñarán, especificarán y construirán con un material del cual se desconocen todas las características necesarias para su uso seguro y confiable.

Por esta razón, la madera para uso estructural siempre debe presentar una “marca de calidad”, la cual se aplica a todas las piezas que se produzcan en los aserraderos y que cumplan con los requisitos de calidad deseados. Además esta marca de calidad permite su correcta trazabilidad en el mercado.

Países como Estados Unidos, Canadá, Suecia, Noruega, Finlandia, Australia y Nueva Zelanda, han masificado la utilización de la madera estructural en base a marcas de calidad respaldadas por sistemas de certificación (ISO/CASCO), entregando al mercado un producto estandarizado y de propiedades aseguradas por organismos de certificación competentes (ISO 17065). En la figura de más abajo se observa una marca de calidad utilizada en el mercado canadiense, donde se identifica el origen de la madera (especies forestales), secado, calidad estructural, e identificaciones del productor y organismos que permiten la certificación del producto.

En Chile uno de los principales factores que explican el bajo uso de este material en el mercado nacional es la falta de una certificación que asegure la calidad del producto. Por esta razón es de suma importancia que el mercado de la construcción avance en esta linea, exigiendo una certificación de calidad de la madera para uso estructural; ya que al aumentar el uso de este material se podrán obtener estándares más altos de eficiencia energética y sustentabilidad en la industria de la construcción.

  

Fuente: 
González, Marcelo. 2013. Bases de un sistema de certificación para la madera estructural en Chile. Tesis magister. Facultad de Arquitectura de la Universidad del Bío Bío.  http://cybertesis.ubiobio.cl/tesis/2013/gonzalez_m/doc/gonzalez_m.pdf

Confort térmico y eficiencia energética de las viviendas de madera

fuente: casasdemaderanatural.blogspot.com

Para que una persona esté térmicamente confortable, no debe sentir ni mucho frío ni mucho calor. Es una sensación que varía ligeramente de acuerdo a cada individuo, dependiendo de su edad, sexo, contextura física, alimentación, actividad, entre otros.

El organismo está en equilibrio con el medio ambiente cuando la temperatura varía entre 17 y 24°C. Es decir, que cuando la temperatura ambiente es menor a 17°C se comienza a sentir frío, por lo que se debe compensar abrigo, ejercicio o alimentación. Por otro lado cuando la temperatura sube sobre los 24°C se comienza a sentir calor. Por esta razón una vivienda debe mantener una temperatura interior entre 17 y 24°C para ofrecer condiciones de confort. 

Las viviendas de madera presentan un buen comportamiento térmico, de hecho un muro con  estructura de madera de 100 mm de espesor, tiene una capacidad para resistir el calor 3,6 veces mayor que un muro de ladrillo de 140 mm de espesor; y 5,7 veces mayor que un muro de hormigón de 200 mm de espesor.

Esto hace que las viviendas de madera sean más económicas, ya que los usuarios gastarán menos combustible para calefaccionar sus hogares. En un cálculo rápido, para una vivienda de madera de 70 m2 emplazada en la ciudad de Concepción, el gasto anual en calefacción es de 48,1 kW-h/m2año; mientras que la misma vivienda con muros de ladrillo (cumpliendo con la actual reglamentación térmica) presenta un gasto de 70,6 kW-h/m2año. Es decir existe un 32% de ahorro en calefacción sólo por el cambio de materialidad de la vivienda, y que en términos prácticos equivale a que el usuario dejará de consumir anualmente 124 litros de parafina (kerosene domestico); u 87 kilos de gas licuado.

Instalación de aislante térmico en un muro con estructura de madera
fuente: www.homeinsulationdr.com

Entre los años 2002 a 2012, en Chile se construyeron en promedio cerca de 140.000 viviendas anualmente, de las cuales el 15% correspondió a viviendas con estructura de madera. Este pequeño porcentaje de construcción en madera permitió un ahorro anual de 710,4 teracalorías (sólo por concepto de calefacción), equivalente a dejar de consumir cada año 87, 8 millones de litros de parafina, o 61,8 millones de kilos de gas licuado.

El concepto es entonces que mientras más viviendas se construyan con madera, más eficiencia energética tendrá el parque habitacional en Chile. Países como Nueva Zelanda (75%), Canadá (90%) y Estados Unidos (90%), son un  modelo a seguir para masificar el uso de la madera en la construcción de viviendas, logrando altos estándares de eficiencia energética. En los próximos artículos trataré de describir las claves de estos países para lograr este uso intensivo de la madera.

Referencias.

- González M. 2008. Bienestar habitacional y eficiencia energética de viviendas sociales con estructura de madera. Memoria de título. Depto. Ingeniería de la madera, U.Chile.

- Rodriguez, Gabriel. 2008. Apuntes Curso Física de la construcción. Depto de Ingeniería Civil, U.Chile

- González M. y Rodriguez G. 2009. Bienestar habitacional y eficiencia energética de viviendas sociales industrializadas de madera. Revista CIS. Fundación Un Techo para Chile.

- DITEC-MINVU. 2013. Calificación energética de viviendas. Programa Construcción Sustentable

- Instituto Nacional de Estadística (INE). 2012. Informe edificación.

Consideraciones de cálculo.

- Transmitancia térmica muro de madera U=0,6 W/m2K.

- Transmitancia térmica muro ladrillo U=1,7 W/m2K.

- Factor de forma vivienda S/V= 1,01 m2/m3

- Demanda de energía en calefacción promedio nacional para viviendas construidas entre años 2001-2007, de 159 kW-h/m2año

- Demanda de energía en calefacción promedio nacional para viviendas construidas desde el año 2008, de 111 kW-h/m2año

Una forma concreta de luchar contra el cambio climático

Cada vez el factor “cambio climático” se vuelve más importante en la industria de la construcción de nuestro país y a nivel mundial, lo que ha hecho tomar conciencia sobre reducir el uso de energía y la emisión de gases de efecto invernadero (como el CO2). Debido a esto, ya existen certificaciones de construcción verde (como LEED) y certificaciones energéticas de viviendas, como la impulsada por los Ministerios de Energía y Vivienda. 

En este aspecto la madera y productos derivados presentan una ventaja significativa frente a los materiales estructurales de mayor uso en Chile: hormigón y acero. La madera es el único material de construcción renovable, y que durante el crecimiento del árbol, por cada metro cúbico de madera captura 1 tonelada de CO2 liberando 0,7 toneladas de oxígeno a la atmósfera.

En Canadá (2011), donde más del 90% de las viviendas se construyen con estructura de madera, la "Coalisión Madera de Quebec" lanzó la campaña publicitaria "Je touche du bois!" (yo toco madera!), cuyo objetivo fue animar a la comunidad a tomar conciencia del valor ecológico de la madera como sustituto de otros materiales más intensivos en uso de energía (hormigón, acero, aluminio, ladrillo); teniendo en cuenta su utilización en la construcción de ampliaciones y edificios residenciales. 

En Chile sólo el 13,5% de las viviendas se construyen con estructura de madera; y en nuestra sociedad no hay una conciencia colectiva sobre los beneficios que trae el uso de este material renovable para reducir el uso de energía y las emisiones de CO2.

La intención de este articulo es que sea un pequeño aporte para comenzar a generar la conciencia colectiva en Chile, de que el uso masivo de la madera en la construcción es una forma concreta de combatir el cambio climático.

Les dejo algunas fotos de la construcción de un hotel de 4 pisos en madera, fue el primer hotel con certificación LEED en la provincia de Québec, Canadá. Si quieren ver el hotel terminado, pueden ir a http://www.hotelm.ca/photos/