08 Ago 2022 Cristián Calvo: “Los ingenieros tienen un papel importante en el desarrollo de los sistemas económicos locales”
Sobre el rol de ingenieros y arquitectos en el diseño estructural conversamos con Cristián Calvo, quien realizó su tesis sobre el impacto medioambiental que podría tener la implementación de estructuras funiculares, tanto por la huella de carbono como por la productividad.
A partir de su doctorado en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH), el arquitecto y académico de la Pontificia Universidad Católica de Chile, Cristián Calvo Barentin, centró su investigación en el diseño, fabricación y análisis de estructuras funiculares, que “son estructuras de forma arqueada, cuyas geometrías se basan en las formas que podría adoptar una cuerda al ser deformada por, ya sea su propio peso o pesos distribuidos a lo largo de ésta”, cuenta.
“Pensemos, por ejemplo, en la obra de Gaudí, o en las obras de ingenieros como Robert Maillard. Si invertimos estas formas funiculares, resultan en estructuras capaces de trabajar solo a la compresión, descartando prácticamente esfuerzos de tensión a lo largo de las posibles líneas de empujes”, añade el profesional.
En ese sentido, su trabajo se enfocó en investigar las potenciales oportunidades, desde el punto de vista medioambiental, que podría traer la implementación de ese tipo de estructuras en edificios de mediana altura. Como, por ejemplo, los pisos arqueados que ya han existido en el pasado. “Incluso hoy, es posible encontrar este tipo de estructuras en la mayor parte del patrimonio arquitectónico europeo, donde las estructuras de piso todavía son en gran parte funiculares. Ya sean bóvedas de crucería, cañón o de pabellón hechas de ladrillo”, explica Calvo.
Así, para el investigador, el primer punto de entrada fue el ahorro de material en el uso de estructuras que funcionan en base a la acción del arco, como principio estructural. “Hoy la mayoría de las estructuras de losa o vigas son compuestas y funcionan a la flexión. El acero se alinea en la parte inferior de la estructura para tomar los esfuerzos de tensión y el hormigón toma los esfuerzos de compresión en la parte superior”.
En el caso de las estructuras funiculares, “todo el peso propio de la estructura más las cargas adicionales son distribuidas solamente a compresión hacia los soportes a través de una trayectoria de empuje parabólica. Así, todo el material ubicado bajo y sobre esta zona de empuje es innecesario, como así también en muchos casos la enfierradura. Un problema de este tipo de estructuras es que usualmente el empuje en los soportes tiene una componente horizontal cuya magnitud es comparable a la componente vertical. Este empuje horizontal puede llevar al desplazamiento de los soportes. Este problema se puede solucionar de distintas formas, con cables de acero en la parte inferior, por ejemplo, para contener o prevenir que los soportes se abran, o utilizando la masa de los muros que se encuentran sobre los soportes para redirigir verticalmente las fuerzas de empuje”.
Y luego, quiso centrarse en el uso eficaz del material, ya que “estas estructuras funiculares no solamente te permiten reducir material, sino que también al prevenir la concentración de esfuerzos a lo largo de la trayectoria de empuje es posible utilizar materiales alternativos. Materiales más amigables con el medio ambiente pero cuyas características estructurales no les permiten ser utilizados en estructuras convencionales”, dice.
Y agrega: “Teniendo una estructura abovedada en la parte superior y un tensor de acero en la parte inferior, es posible separar las funciones de estos elementos y evitar estructuras compuestas, donde, por ejemplo, el acero está encerrado dentro del hormigón. Resulta inevitable que al final de su vida útil, para desarmar esta estructura y reciclar los materiales, tienes que picar para poder separarlos. Este es un proceso a veces peligroso y no fácilmente automatizable. Entonces, lo que te permite una estructura funicular es poder separar la compresión de la tensión”.
¿Qué otro tipo de materiales alternativos visualizas?
Las estructuras funiculares permiten utilizar materiales alternativos, porque al basar su estabilidad en su forma en vez de las propiedades de los materiales, los esfuerzos se distribuyen de forma más homogénea a lo largo y ancho de ésta. Las estructuras funiculares son bastante eficientes en distribuir los esfuerzos, permitiendo utilizar materiales que son mucho más débiles. Incluso, durante mi doctorado, hice un prototipo de demostración que consistía en una viga arqueada de arcilla de 4 metros de luz como caso de estudio, para demostrar que se puede ir avanzando en esa dirección. Obviamente, elegí un material bastante más débil, en una razón de 10 veces más débil que el hormigón y, por lo tanto, los resultados no me permitieron más que una carga puntual de 100 kilos en el centro, y con una deformación bastante evidente. Sin embargo, es un camino en el que se puede seguir avanzando, ya que podemos trabajar el hormigón con menor cantidad de cemento, en vez de tener, por ejemplo, un hormigón con una resistencia de 40 MPa a la compresión, bajar a 20, 15, 12, y asemejarnos mucho más a hormigones que se usan hoy para nivelar; hormigones que tienen muchos más agregados y menos cantidad de cemento, que es el ingrediente presente en el hormigón que tiene mayor huella de carbono. Podrían también ser mezclas de hormigones alternativos. Existen también hormigones que contienen, en cierta proporción, ceniza como sustituto para el cemento, etc.
¿Y qué sucede con la madera?
La madera posee grandes propiedades estructurales, ya que tiene una gran capacidad a la tensión. Podría ser utilizada en conjunto con estructuras funiculares. Podríamos tener vigas de madera y entre éstas, pequeñas bóvedas como estructuras secundarias. Ahora, obviamente todo esto tiene que ser acompañado con estudios de resistencia al fuego, resistencia al agua o comportamiento térmico y acústico, antes de poder implementarlo.
¿Este tipo de estructuras existe en Chile?
No estoy muy al tanto de eso. Lógicamente, las estructuras funiculares tienen un gran enemigo en Chile: los sismos. Si aplicamos cargas laterales a estas estructuras funiculares podríamos afectar fácilmente su estabilidad.
Esto también se podría solucionar con estructuras funiculares con mayor profundidad estructural, cuyas secciones longitudinales puedan contener distintas líneas de empuje correspondientes a diversas configuraciones de cargas verticales y laterales. También podríamos considerar el uso de pre o post tensado.
Obviamente, los sismos son un problema. Pero las soluciones podrían estar en estructuras funiculares aún existentes en edificios patrimoniales. En países como Italia, hay estructuras funiculares que aún se mantienen en pie a pesar de su actividad sísmica.
¿Y qué uso se le podría dar aquí en Chile?
Principalmente, en estructuras horizontales como cubiertas, vigas y losas. Lo que habría que pensar es cómo adaptar estas estructuras al contexto sísmico que tiene nuestro país. Se podría trabajar con estructuras híbridas, con vigas, y pequeñas losas funiculares entre estas actuando como estructuras secundarias. También se podría pensar en agregar una capa de un refuerzo a estos elementos funiculares, para tomar en cuenta los sismos.
¿De qué manera crees que este conocimiento, esta investigación, pueda ayudar a los ingenieros estructurales?
No sé si la mejor forma es traducir de manera literal lo que he hecho a estructuras funiculares, pero sí hay que dar énfasis a que la forma importa, ya que la forma de los elementos estructurales tiene que ver mucho con cómo los esfuerzos fluyen y como estos se transmiten. Por eso, pienso que es muy interesante el enfoque que tiene la ingeniería en países como Alemania y Suiza, donde la tarea de ingenieros no es solo dimensionar, sino que también es diseñar cómo estos esfuerzos se propagan a través de estas estructuras de la forma efectiva y eficiente.
Aquí en Chile, y en gran parte del mundo, estamos un poco acostumbrados a pensar mucho más desde la logística, desde el punto de vista económico. Se entiende, por ejemplo, que hoy tener una losa plana, desde el punto de vista constructivo, es mucho más fácil que construir un elemento funicular, porque reutilizamos los mismos moldajes, está todo calculado, la geometría es más simple, etc. Eso es algo que viene básicamente de la revolución industrial. Antiguamente, las estructuras funiculares eran comúnmente utilizadas en edificios industriales, porque pueden alcanzar grandes luces. Y con la revolución industrial se puso énfasis en temas como logística, prefabricación, y por eso llegaron estas estructuras planas, que desde el punto de vista del uso del material o del uso efectivo del material, son mucho menos eficientes, ocupan más materiales, pero que simplemente son más fáciles de producir.
Creo que en Chile deberíamos avanzar en una dirección donde el diseño es la herramienta principal para resolver problemas estructurales. Cómo diseñamos mejor con los materiales y cómo los utilizamos con mayor eficacia.
¿Es innovar dentro de la profesión también?
Más que innovar, creo que la profesión ha ido tomando ese camino. Si uno ve construcciones más antiguas en Chile, uno se da cuenta que antes el ejercicio de diseñar era más común. No estoy diciendo que no se diseña en Chile, pero el enfoque está en el dimensionamiento. Creo que los ingenieros pueden influir mucho más en la masa de los edificios, en la cantidad de material y en los materiales que utilizamos. Además, el impacto que tiene la industria de la construcción en el cambio climático es alto, no solamente visto desde el punto operacional y la energía que ocupamos para calentar y enfriar los espacios, sino que la energía que utilizamos para producir y construir edificios.
Además, si piensas en la vida útil de un edificio, las etapas de producción y construcción son de corta duración y concentradas al principio de este ciclo de vida. Produces y liberas una gran cantidad de CO2 al comienzo de 70 u 80 años de vida útil. Por lo tanto, todo ese CO2 que se libera a la atmósfera actúa durante 70 años y aunque sea menor la proporción respecto al emitido desde el punto de vista operacional, tiene un efecto acumulativo en el ecosistema importante. El CO2 emitido por producir edificios, tiene efecto en el calentamiento climático desde el día 0, desde que te entregan las llaves.
Y hoy que está tan en boga el tema de la productividad acá en Chile, ¿de qué manera ayudaría este tipo de diseño?
Yo creo que, desde el punto de vista de la productividad, hay un trecho que cubrir; los sistemas constructivos convencionales, están 100% integrados al sistema productivo nacional. Para que estas nuevas formas, que son más complejas de construir, sean adoptadas, su producción tiene que ir acompañada con la implementación y adopción nuevas tecnologías de fabricación digital que permitan ir cerrando la brecha en cuanto a costos de producción en comparación con los sistemas convencionales.
Desde el punto de vista productivo, el uso de estructuras funiculares puede aportar en muchas cosas, como el hecho de mover menos material, tener que transportar menos hormigón, menos acero, etc. Por otro lado, el poder abrir el abanico de posibilidades a materiales alternativos, en potenciar el uso de materiales alternativos locales y no tener la necesidad de transportar materias primas por cientos de kilómetros. Yo soy de la región Aysén donde hay un boom de parcelas de agrado, de segundas viviendas que se están construyendo con Metalcon. En una región con vocación maderera, que tiene bosque, ¿por qué no podríamos diseñar en madera? No es solo decir “hago un panel de Metalcon, da lo mismo, ya sé cómo construirlo”, el rol del ingeniero como diseñador es vital y tiene un papel importante en el desarrollo de los sistemas económicos locales.
Y muy de la mano de la productividad también está en boga la industrialización, sobre todo con el déficit habitacional. ¿Cómo se conjuga esta visión que tú planteas con la industrialización que hoy se espera que produzca viviendas en menos tiempo?
Yo creo que viene de la mano de la automatización, las máquinas tienen un rol importante en la producción de viviendas de calidad y accesibles. Uno puede encontrar símiles menos tecnológicos, pero no cabe duda que debemos avanzar hacia la automatización y la prefabricación. No solamente la prefabricación “offsite” en una planta en algún lugar de Santiago, sino que también la prefabricación en el lugar, por ejemplo, pensar en tener un container con un brazo robótico o algo así, lo llevas al sitio, y puedes ir fabricando elementos constructivos en el sitio, ¿por qué no? También pensar en hacer este tipo de soluciones más modulares, acercarse un poco a ese paradigma que tú comentabas sobre la revolución industrial, que la estandarización fue necesaria por la demanda, por la productividad, por los costos, por la logística, etc.
¿Ustedes van a intentar hacer un piloto? Si alguien quisiera usar esta investigación, ¿cómo lo tiene que hacer?
Yo estoy recién empezando, me integré al plantel académico de la Facultad de Arquitectura, Diseño y Estudios Urbanos de la Pontificia Universidad Católica de Chile en agosto, es un poco pronto para pensar en construir algún prototipo o piloto. De todas maneras, esto se tendría que hacer en colaboración con la industria.
Sobre el acceso a esta investigación, hay ciertos artículos que están dando vueltas, hay trabajos hechos en estructuras funiculares, hay una página del grupo de investigación, de los pioneros de este enfoque que son el “Block Research Group” de la ETH Zurich, ahí se pueden encontrar varios artículos que van en esta línea. Hay un artículo publicado en la revista “The Structure Engineer” del Reino Unido, que es básicamente el Colegio de Ingenieros británico, y ahí publicamos con mi supervisor de ese entonces, un artículo que trata justamente de esto, del diseño efectivo de estructuras a partir del uso efectivo de materiales, y toma esto de una forma más holística y no solamente enfocado a estructuras funiculares.
¿Cuál es la relación entre los arquitectos y los ingenieros? Porque tú planteas que el ingeniero estructural tiene que hacer más diseño. ¿Cómo ves tú que esa relación entre profesionales puede funcionar?
Creo que desde ambas partes tenemos que avanzar. El ingeniero estructural tiene que entender que tiene una labor en el diseño y no solo dimensionamiento y, por otro lado, el arquitecto tiene que pensar que la estructura es parte integral del diseño y no algo que escondemos detrás de algún panel, la estructura es parte de lo que estamos diseñando.
Hay un error de concepción desde ambas partes, lo que tiene que ver en cómo somos educados, tanto los arquitectos como los ingenieros.
En las culturas nórdicas, la formación de los arquitectos y de los ingenieros tiende a converger en una disciplina en común definida por el diseño y la técnica. En países como Italia y Bélgica dictan la carrera de ingeniería en arquitectura, donde los titulados tienen un perfil mixto entre arquitecto e ingeniero y donde la formación pone énfasis en los aspectos técnicos de la arquitectura y el diseño de estructuras y sistemas. Grandes arquitectos e ingenieros como Pier Luigi Nervi, Frei Otto, Robert Maillard o Heinz Isler, entendían eso a la perfección, diseñaban ambas cosas a la vez.