El investigador de centro de CENAMAD y académico a cargo de la cátedra de madera de la Facultad de Ingeniería UC, Diego Valdivieso Cascante, dedicó su tesis doctoral a la evaluación del desempeño de estructuras residenciales a amenazas naturales, con miras al desarrollo de comunidades resilientes y sostenibles en el tiempo
Alrededor del mundo, la naturaleza nos recuerda su poder a través de diversos fenómenos naturales. Para asegurar nuestra supervivencia y cobijo ante estos escenarios, hemos desarrollado múltiples tecnologías a lo largo de los siglos, las que han cumplido el objetivo, pero también han dado pie a nuevas problemáticas a partir de su impacto medioambiental.
La aplicación en masa de materiales y técnicas de alto impacto ambiental ha llevado al sector a convertirse en uno de los más contaminantes en el planeta, siendo responsable del 37% de las emisiones de CO2 y el 34% del uso energético a nivel global en el año 2021, según estudios de Naciones Unidas. Esto da pie a un círculo vicioso, cortesía de fenómenos como el cambio climático, que tenemos la obligación de romper a través del desarrollo de nuevas formas de construir.
En este contexto, la madera se iza como uno de los materiales óptimos para reorientar la industria. Tomando este material como base, y motivado por la pregunta de cómo obtener comunidades resilientes y sostenibles, Diego desarrolló su tesis doctoral alrededor del desempeño del entramado ligero en madera en viviendas, abordando las realidades de Chile y Puerto Rico:
¿En qué consiste la investigación que desarrollaste?
Se centra en la evaluación del desempeño de las estructuras residenciales de entramado ligero de madera (LFTB, por sus siglas en inglés) sometidas a amenazas sísmicas y de huracanes, considerando en este último caso el efecto del cambio climático. Mi estudio aborda la realidad de la construcción con madera en Chile (para el caso sísmico) y en Puerto Rico (para el caso de huracanes).
En términos muy simples, mi proyecto de tesis es como una versión actualizada del cuento de los tres cerditos. En este cuento, se plantea que las casas de madera de los cerditos son derribadas por el soplido del lobo. En mi investigación, quiero mostrar que una estructura de madera puede resistir sin problemas los efectos de los terremotos y huracanes.
En el cuento original, cada cerdito trata de enfrentar al lobo por separado, y sus casas no son lo suficientemente fuertes para resistir su embate. Sin embargo, si los tres cerditos trabajan juntos y construyen una casa resistente, el lobo no podrá derrumbarla.
Lo mismo sucede en un edificio real: para diseñar edificios de madera de mediana altura en zonas de alta sismicidad, los ingenieros debemos reconocer que los elementos estructurales, como los muros y las losas, trabajan de manera colaborativa y acoplada para resistir las fuerzas del terremoto (efectos de sistema), o en el caso de los tres cerditos, el "lobo".
Mi proyecto tiene como objetivo estudiar las sinergias en la interacción entre los elementos estructurales y las capas de protección contra el fuego (elementos no estructurales) en un edificio de madera, y cómo estos trabajan en conjunto para resistir las cargas sísmicas. Por un lado, las capas de protección contra el fuego, correctamente fijadas al muro, proporcionan incrementos en rigidez y resistencia sin perder capacidad de deformación de los muros. Por otro lado, las placas de OSB ayudan a proteger las capas de protección contra el fuego del daño causado por el sismo.
Queremos que los ingenieros reconozcan y consideren los efectos de acoplamiento tridimensionales de los muros y las losas, además del efecto positivo de considerar las placas de protección al fuego como elementos estructurales, para poder diseñar edificios eficientes y seguros desde un punto de vista estructural.
En términos de resistencia ante huracanes, la analogía del cuento de los tres cerditos aplica nuevamente. En este caso, considerando la alta informalidad de la construcción en Puerto Rico, debemos trabajar colaborativamente con las comunidades e instituciones gubernamentales y no gubernamentales a cargo de reconstruir las casas de las diversas familias afectadas desde el huracán María en 2017.
Reconocer las vulnerabilidades de las familias afectadas y trabajar en conjunto con ellas para proponer medidas de mitigación que puedan implementar con miras a resistir futuros eventos es lo que busca mi estudio doctoral. Para ello, evaluamos la respuesta de casas de madera ante los efectos de vientos huracanados y proponemos medidas de mitigación consensuadas con las comunidades y organizaciones trabajando en la reconstrucción.
Esto incluye además construir capacidad técnica con dichas comunidades de forma de generar un desarrollo sostenible, dado que su recuperación es en gran medida autoiniciada.
¿Cuál es la hipótesis con que das pie a esta investigación?
La hipótesis principal es que la integración de métodos experimentales y numéricos avanzados permitirá una mejor comprensión y modelado del comportamiento tridimensional (3D) de las estructuras de madera de entramado ligero, lo cual es esencial para mejorar su diseño y resistencia frente a sismos y huracanes.
¿Cuáles son los objetivos generales y específicos de la investigación?
El objetivo general es mejorar la resiliencia y sostenibilidad de las comunidades mediante la evaluación y mejora del desempeño de las estructuras de entramado ligero de madera bajo condiciones de sismos y huracanes.
En tanto, entre los objetivos específicos está el evaluar los efectos de los muros de corte transversales, la rigidez a la flexión fuera del plano de los diafragmas y las cargas gravitacionales (efectos de sistemas) en el comportamiento lateral de edificios de entramado ligero de madera, e Investigar el impacto de las capas no estructurales, como las placas de yeso tipo X, en la respuesta lateral de los muros de corte de entramado ligero de madera.
También en esta línea tenemos el desarrollar modelos numéricos que representen con precisión el comportamiento estructural tridimensional de los edificios de entramado ligero de madera, y el proponer estrategias de mitigación específicas para reducir la vulnerabilidad de las viviendas de entramado ligero de madera construidas de manera informales en Puerto Rico ante huracanes.
¿Cuáles serían los posibles resultados de esta investigación? ¿Son transferibles a la industria o sociedad civil? ¿De qué manera?
Entre posibles resultados de esta investigación se incluyen el desarrollo de modelos (...) que permitirán diseñar edificios de madera, el fomento de la construcción con madera al demostrar la viabilidad y eficiencia de las estructuras de madera en zonas de alta sismicidad y el desarrollo de un procedimiento de análisis de amenazas donde las comunidades son parte del proceso de evaluación de la respuesta ante diversos efectos.
Dentro de la misma línea, otro resultado es el desarrollo de la capacidad técnica en las comunidades, necesaria para que puedan autorrecuperarse tras el impacto de una amenaza, y la creación de guías que influyan en la toma de decisiones de actores a cargo del desarrollo del país, pudiendo ayudar a establecer políticas y prácticas que mejoren la resiliencia y sostenibilidad de las construcciones.
Estos resultados pueden transferirse tanto a la industria como a la sociedad civil. En el caso de las primeras, ingenieros y arquitectos podrán utilizar los modelos y técnicas desarrolladas para diseñar estructuras de madera más seguras y eficientes, a la vez que las empresas constructoras pueden adoptar estas prácticas para ofrecer edificaciones más resilientes y sostenibles.
En tanto, las comunidades se benefician por los procedimientos de análisis y mitigación, con los que podrán responder de manera más efectiva a desastres, mejorando su resiliencia. Además, la transferencia de conocimiento técnico a las comunidades promoverá una cultura de recuperación.
¿Cómo busca esta investigación doctoral aportar al mundo académico y/o a la sociedad a partir de su desarrollo?
Esta investigación busca enriquecer el mundo académico mediante la generación de nuevos conocimientos sobre el comportamiento estructural de las edificaciones de madera de entramado ligero, especialmente en el contexto de sismos y huracanes.
También a través del desarrollo de modelos numéricos avanzados que permiten una mejor representación y análisis de las estructuras de madera al considerar las interacciones tridimensionales entre componentes y placas de protección al fuego, y al proporcionar data experimental para cuantificar el efecto del sistema en muros tipo T, U y L, a nivel de componentes y de edificio completo. Esta información es crucial para mejorar los modelos y métodos de diseño.
A esto, además se suman la evaluación del efecto de refuerzo de las placas de protección al fuego, cuantificando su capacidad de reforzar y desarrollando procedimientos para evaluarlas numéricamente. Esto suma un aporte económico también, ya que resulta más económico y sencillo que ensayar muros en escala 1:1, y propone un modelo analítico que permite incorporar este efecto en el diseño.
Finalmente, los últimos aportes al área académica se enfocan en la evidencia de la sociabilización de las medidas de mitigación, especialmente en cuanto a comunidades puertorriqueñas, destacando la importancia de la participación comunitaria en el proceso de desarrollo de estrategias de mitigación; y la generación de curvas de fragilidad en las estructuras informales de este territorio, tanto antes como después de incluir medidas de mitigación.
En cuanto a cómo esta investigación busca contribuir a la sociedad, podemos mencionar, en primer lugar, la promoción de prácticas de construcción seguras y sostenibles que ofrece, dado que demostramos la eficiencia de las estructuras de madera. La participación de las comunidades en el proceso de desarrollo de medidas de mitigación también fomenta el desarrollo de comunidades resilientes, y su empoderamiento al gestionar y liderar su propia recuperación post-desastre.
Continuidad con un objetivo
Uno de los objetivos de CENAMAD a la hora de impulsar el desarrollo de capital humano es la transferencia de talentos a distintas partes de la industria, buscando llevar profesionales especializados en la cadena de valor de la madera y sus distintos eslabones a marcar precedentes en el sector público, académico y privado.
Diego Valdivieso Cascante representa un caso de éxito del centro, dentro de la línea de construcción en madera. Vinculado a CENAMAD desde sus estudios de postgrado, su tesis doctoral destacó al traducirse en un doble proceso doctoral entre la Pontificia Universidad Católica de Chile y la University of Colorado Boulder, en EE UU. Al mismo tiempo, mientras esta investigación estaba en desarrollo, llevó su proceso y resultados a diversos concursos tales como 3MT-UC, del que fue uno de los finalistas, y el concurso de ingeniería de la Semana de la Madera, donde en dos años consecutivos (2022 y 2023), obtuvo el tercer y primer lugar respectivamente.
A raíz de esto, Valdivieso Cascante se adjudicó múltiples becas y beneficios que han permitido llevar más allá su investigación, tales como la entregada por el Structural Engineering Institute (SEI, Instituto de Ingeniería Estructural) de la American Society of Civil Engineering (ASCE, Sociedad Americana de Ingenieros Civiles) y la entregada por el Natural Hazards Engineering Research Infrastructure (NHERI, Infraestructura de Investigación en Ingeniería de Riesgos Naturales) network, gracias a las cuales pudo asistir al SEI Congress y el Natural Hazard Summit, ambos en su edición 2024.
Una vez finalizado este proceso, Valdivieso se convirtió en investigador postdoctoral del eje de construcción en madera para CENAMAD, apoyando en diversos trabajos del equipo PUC – CENAMAD en tanto postulaba al rol de profesor asistente de la Facultad de Ingeniería UC, reactivando la cátedra del Centro UC de Innovación en Madera en esta disciplina.
Esto también permitió su tercera transición de cargo dentro de CENAMAD, al sumarse a la categoría de investigador de centro. Consultado sobre el rol del apoyo del centro, Valdivieso comenta que “ha sido invaluable para mi carrera, proporcionando recursos y colaboración que han permitido llevar a cabo investigaciones experimentales de alta calidad”.
“Además, la red de contactos y el reconocimiento obtenido a través del centro han facilitado la difusión de mis hallazgos y la colaboración con otros investigadores y profesionales en el campo de la ingeniería civil y estructural”, agrega.
¿Tu investigación se conecta de alguna manera con otros trabajos realizados o publicados con CENAMAD?
Este trabajo busca dar continuidad a los desarrollos realizados hasta la fecha en edificios de entramado ligero de madera por parte del centro. Al respecto, destaco la caracterización lateral de diversos elementos estructurales, como muros y losas, y la determinación de los factores de diseño y desempeño sísmico, ambos incluidos o en vías de serlo en las normas de diseño nacional como la NCh1198 y NCh433.
Este esfuerzo pretende equipar a los ingenieros con nuevas herramientas para lograr mayor eficiencia estructural en sus diseños y, con ello, promover la construcción basada en madera como una alternativa real a los edificios de hormigón.
¿En qué grado de avance se encuentra actualmente tu investigación?
Mis estudios de doctorado culminaron con la publicación de varios artículos en revistas internacionales de renombre.
De estos, cinco ya han sido publicados, y el ultimo está en proceso de revisión tras recibir comentarios de los pares.
¿Cuál sería el próximo hito a alcanzar dentro de la investigación?
El próximo hito en mi investigación es la validación final de los modelos numéricos desarrollados. Esto incluye proponer parámetros de desempeño sísmico que consideren los efectos de sistema y las placas de yeso cartón, así como focalizar el análisis de multi-amenaza, considerando terremotos y los efectos del cambio climático en comunidades chilenas.
Ejemplos como los incendios ocurridos en la región de Valparaíso a finales del año 2023 e inicio del 2024, sumado al impacto de las grandes inundaciones ocurridas en la zona centro sur durante el 2024 refuerza mi deseo de promover comunidades resilientes y trabajar con un enfoque multidisciplinario para lograrlo en Chile considerando un escenario de múltiples amenazas. En términos personales, mi objetivo es (...) contribuir al desarrollo de nuevas generaciones de ingenieros, enfocándome en utilizar nuestras habilidades para el desarrollo de comunidades resilientes y sostenibles, donde la madera sea un eje principal.
