El acero como material complementario en las estructuras de madera

El acero como material complementario en las estructuras de madera

Francis Pfenniger
Arquitecto editor

Con frecuencia mencionamos y miramos las estructuras de acero como entidades absolutas, concebidas y realizadas en un único y –para nosotros- inigualable material. Esta mirada puede ser cierta, pero se enriquecerá si asumimos que hay otras posibilidades de entender el aporte y la función del acero en una edificación o en una estructura. Intentaremos ejemplificar la idea con las estructuras de madera que actúan con el apoyo del acero, contribuyendo a la a la estructuración en madera más allá de las simples conexiones.

La madera es, como todos sabemos, un material de construcción natural de uso ancestral, arquetípico, que nos ha acompañado desde posiblemente nuestras primeras edificaciones. Es un material anistrópico, que tiene resistencias y comportamientos distintos según se le exija en forma paralela o perpendicular a sus fibras, en compresión, en tracción o en flexión. Tiene atributos reconocidos popularmente como un material que aporta “calidez” a las edificaciones (este tema ya lo hemos comentado en relación al acero) y es, además, un material que al surgir y desarrollarse natural y orgánicamente, contiene toda la belleza y las imperfecciones propias de la naturaleza viva. Ello ha llevado a un sector de la industria maderera a avanzar en su progresivo y paulatino proceso de industrialización. “Pre engeneered lumber” es un concepto acuñado por la industria que hace referencia a elementos de madera con ingeniería incorporada, diseñados y elaborados en parte para superar las “imperfecciones” que la naturaleza incorpora en ella (como los nudos, por ejemplo) que la hacen tener ciertos comportamientos y atributos no tan homogéneos o previsibles en materia de estructura. Muestra de ello son los sucesivos desarrollos como la madera laminada encolada, el finger Joint, los micro-laminados o el LVL, las vigas doble T o I Joist de madera (con alma de OSB y cuerdas superiores e inferiores de madera con uniones dentadas tipo finger Joint) y el paralam, entre otros.


Fuente - http://www.goodfellowinc.com/en/produit/parallam-psl-2/


Vigas tipo I Joist de Catálogo Lousiana Pacific en Chile Fuente https://lpchile.cl/producto/lp-i-joist/

El acero, ya se sabe, es un material que también proviene de la naturaleza, esta vez de un mineral -el hierro- que, en asociación con algunos otros elementos conforma una aleación cuyas características y atributos hemos comentado con largueza a lo largo de las ya decenas de ediciones de este newsletter. Es, por definición, un material de factura industrial y contiene, como tal, todas las ventajas que ello conlleva, a saber, un material que, producido bajo normas, procedimientos y controles de calidad conocidos y declarados, logra un producto altamente homogéneo y de atributos y comportamientos razonablemente previsibles y por ello resulta altamente confiable. Es isotrópico, lo que significa que su reconocida alta resistencia y optima relación masa-resistencia, es igual en todas las direcciones y sentidos en las que el material pueda ser exigido. La diferencia de respuestas en compresión o tracción se deberá, pues, a su geometría, a su sección y longitud, por lo que responderá óptimamente en tracción (donde su relación de masa resistencia es más eficiente), pero también en compresión, flexión o torsión.

¿Cómo han colaborado estos materiales para contribuir al cometido del acto edificatorio?
Probablemente las primeras aportaciones que hace el acero a la madera provienen de facilitar las conexiones. La madera, como se sabe, es un material que, por su naturaleza, debe materializar o “construir” sus conexiones y sus uniones. Como todo elemento prefabricado, la madera es dimensionada en las secciones deseadas y luego es conectada o ensamblada con los otros elementos de madera (o de otro material) que participan de la estructura o del edificio en cualquiera de sus funciones. Desde el origen tal vez mediante amarras, luego en base a sistemas de encastre o de entarugados, lo cierto es que la madera no puede – a diferencia del hormigón y aún del acero cuando hablamos de conexiones soldadas- materializar la conexión de los distintos elementos o miembros de la estructura o del revestimiento a partir del material mismo. Las estructuras de madera deben resolver las uniones y conexiones ya que en su origen, son estructuras o elementos discontinuos que, merced a un buen diseño de la conexión, pueden actuar y responder estructural o funcionalmente.
 

  
Foto ruca Selknam, Chile y Casa alemana en Tübingen

Para ello, la mayoría de las veces recurre a elementos o materiales ajenos o a uniones en base a elementos de madera dispuestos en forma de conectores (los entarugados, por ejemplo). Allí aparece por primera vez la función del hierro primero y del acero después. Los clavos de hierro fundido o forjado son los primeros conectores conocidos.


Conjunto de clavos de rieles de ferrocarriles - Museo de Talca . www.museodetalca.cl

La revolución industrial trajo consigo el desarrollo del acero y la industrialización del clavo, con lo que estos conectores bajaron significativamente de precio y facilitaron enormemente las conexiones. La revolución industrial trajo consigo, también, el aserrío mecanizado, la productividad multiplicada en el dimensionamiento de las piezas y la posibilidad de la reducción de las secciones. En el norte de América se desarrolla el sistema del Baloon Frame y luego el sistema plataforma, ambos producto de la industrialización y ambos apoyados fuertemente por la economía y productividad del clavo de acero.


Frame house (fig.5) y Beam y Post barn (fig.7) The balloon frame uses a light screen of 2x4 lumber. The beam and post barn uses massive 6x6 or larger timbers. Fuente: Carpentry made Easy. 1857


  
De allí surgieron  diversas formas, tipos y sistemas de conexiones de acero para la madera, progresión que no ha culminado aún y que se expresa en los más recientes desarrollos de conectores metálicos dentados, apernados, vistos u ocultos que se encuentran disponibles en el mercado. Algo de esto hemos comentado en el artículo “Conexiones metálicas en estructuras de madera” publicado en este mismo sitio (http://www.arquitecturaenacero.org/uso-y-aplicaciones-del-acero/soluciones-constructivas/conexiones-metalicas-en-estruct...).


Vigas compuestas madera acero – Fuente http://www.urcreativespace.co.uk/wp-content/uploads/2011/03/GN-Ecojoist-Brochure.p

Un camino distinto es el recorrido por las conexiones de madera en base a los sofisticados, complejos y precisos sistemas de encastre de caja y espiga múltiples que ha desarrollado especialmente la arquitectura tradicional japonesa. Antes apoyadas en una tradición manufacturera de una elevada precisión, artesanía y habilidades, hoy parte de ese complejo sistema de conexiones se puede producir con relativa facilidad a partir de la cadena CAD-CAM.

Como sea, la colaboración entre el acero y la madera es de antigua data y su desarrollo no se ha agotado. Sin embargo, más allá de la acción y función de conectar, existen otras funciones de colaboración entre las estructuras de madera y el acero que son de gran interés y que tampoco han agotado su desarrollo.

Entre ellas mencionar el uso del acero como un elemento de colaboración en la función en que es más eficiente: en tracción. Estructuras de madera tensada de distintas formas han permitido  soluciones y prestaciones en que se ha reducido el peso (aparente y real) de las estructuras de madera introduciendo una estética y un lenguaje nuevo y complementario. En muchos de estos casos, los puntales, tensores y conectores de acero quedan a la vista. En otros, el aporte estructural del acero queda oculto, como en el caso de las losas postensadas de madera sólida o aún de las losas clavadas.


Vigas de madera tensada con acero                           Vigas de acero con tensores y recubrimiento parcial de madera           Cerchas de madera con uniones y tensores de acero

Un ejemplo de esta colaboración entre estructuras de madera de grandes luces con elementos traccionados de acero es la Cúpula de Izumo, de Kajima Design con proyecto de Hellmuth, Obato & Kassabaum Inc. (HOK) y Masao Saito. Una estructura que salva más de 140m de diámetro y que se inspira en el mecanismo de las sombrillas japonesas.  Concebida en madera laminada y tensores de acero, su aparente simpleza  está compuesta por 36 medios arcos de 90m de largo de madera laminada conectados a un anillo central apoyados en sendas columnas cortas de hormigón armado en el perímetro.  Gracias a los puntales de acero y a los cables de tensión, la estructura levantada en 1992, se ve ligera y grácil. La cubierta de teflón genera un luminoso interior. Considerada una estructura experimental, la respondido muy bien a las condiciones de clima extremos (frío y calor) e importantes cargas de viento y nieve.


Fotos Cúpula de Izumo, de Kajima Design con proyecto de Hellmuth, Obato & Kassabaum Inc. (HOK) y Masao Saito. Fotos gentileza de Kenta Mabuchi,  https://www.flickr.com/photos/kentamabuchi/

Otro ejemplo de esta colaboración entre la madera y el acero es la bastante conocida Two Family House de Thomas Herzog en Pullach, Alemania. La oficina de Thomas Herzog es reconocida por su interés en la sustentabilidad y la eficiencia energética y un colaborador o asociado frecuente de Julius Natterer, ambos de gran reconocimiento en el ámbito de la madera. En el proyecto que comentamos, el acero cumple una noble y eficiente función, de fino detalle y diseño, aunque discreto a la vista. Son los tirantes o arriostramientos que estabilizan los marcos de madera laminada ante los esfuerzos horizontales de viento, pero también son los tirantes que afianzan la estructura de madera de los voladizos de la cubierta.


Two Family House – Tomas Herzog. Fuente http://thomasherzogarchitekten.de/

Un proyecto muy interesante que explora en los atributos de cada uno de estos materiales es la construcción de una pérgola asimétrica en acero y madera para un colegio  de Madrid que el estudio Trasbordo ha realizado en 2016. Se trata de un sombreadero y pasarela que bordea unos campos de juego. La estructura de una secuencia pórticos de madera laminada soporta dos voladizos  de 3 y 7m cada uno y una pasarela longitudinal. Se extiende por sobre la altura de los voladizos y tiene una altura total de 10m. Como se observa en la fotografía siguiente, los pórticos  de madera están concebidos para trabajar en compresión (y flexión). Todas las conexiones y los elementos horizontales, los voladizos están concebidos en acero galvanizado a partir de plancha o chapa plegadas. Los tensores son macizos de 40mm de diámetro, galvanizados. Pese a que los voladizos son asimétricos, al pasar por la cabeza de ambos pilares y conectar ambos lados, el trabajo del par se hace solidario.


La estructura de pórticos y sus voladizos - Fuente - https://e-struc.com/2016/12/13/pergolas-asimetricas-acero-madera/

Los anclajes a piso son en base a perfiles de acero galvanizado fijados a las fundaciones con pernos, también galvanizados.

 
Conexiones y fijaciones - Fuente - https://e-struc.com/2016/12/13/pergolas-asimetricas-acero-madera/

Todas las uniones y los sistemas de conexiones y los tensores son de acero galvanizado y dan cuenta de una perfecta comprensión de los atributos y de la forma de protección de estas estructuras. Algunos elementos complementarios, como las barandas, también son de acero galvanizado.


Vistas generales del proyecto - Fuente - https://e-struc.com/2016/12/13/pergolas-asimetricas-acero-madera/

Es un proyecto equilibrado y justo, no sólo en la comprensión de su estructura y la construcción, si no como la fina expresión y perfecto uso de los materiales con los que está concebido lo permite. Es precisamente esta colaboración entre los dos materiales que queríamos abordar en esta ocasión y el proyecto de Trasbordo  nos da un muy buen ejemplo de las posibilidades que abre esta forma de concebir y proyectar con dos materiales. Aplica en este caso aquello que unas imágenes valen más que mil palabras: gracias.

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