Hacia un sistema de clasificación de eficiencia estructural - S.E.C.S.

Sumario

En los albores de la nueva era del big data, la fabricación digital y el cambio climático, las estructuras de edificación están evolucionando hacia sistemas cada vez menos eficientes, utilizando mucho más material del necesario. Ésto no sólamente es insostenible, sino que desvirtúa el trabajo de los ingenieros estructurales que se convierten en meros cumplidores de normativa.

En este punto se hace más necesaria una forma de medir objetivamente la eficiencia estructural de los edificios, de manera que todos seamos más conscientes del despilfarro material en hormigón y acero, y que las nuevas tecnologías de fabricación puedan evolucionar hacia tipologías más eficientes.

El caso energético

En los años 70 se fundó la Agencia Internacional de la Energía (IEA)  después de la primera gran crisis del petróleo. Entre sus primeros cometidos, sentó las bases para la medición de la eficiencia energética que ahora se aplica a aviones, coches, viviendas, electrodomésticos, bombillas… Su papel es asimismo reforzado por políticas nacionales que incentivan la eficiencia energética.

En su último informe de 2017, la IEA estima que el 44% de la reducción  en emisiones de CO₂ necesarias para 2040 se conseguirán por un incremento en la eficiencia energética de los equipos.

La construcción de estructuras

Mientras tanto, la tecnología de los sistemas estructurales ha ido evolucionando hacia soluciones cada vez menos eficientes, debido fundamentalmente a la búsqueda de:

●     reducción de costes a través de la reducción de la mano de obra; y

●     el incremento en la luz y esbeltez de los forjados.

Esto ha derivado en que todos los avances en ciencia de materiales y nuevas tipologías produzcan soluciones cada vez más sencillas de ejecutar, en las que se aplican materiales de alto rendimiento de manera masiva; el ejemplo paradigmático es la losa plana de hormigón armado, tanto en su forma tradicional como en su variante postesada.

Fig.2 Mano de obra y cantidad de estructura según tipologías constructivas y cronología. Fuente: elaboración propia

Fig.3 Evolución de la eficiencia neta, esbeltez (luz/canto) y luz típica, por tipologías estructurales. Fuente: elaboración propia

Sostenibilidad

Un tema candente en los últimos años es el de la sostenibilidad. Debido a esto, en el ámbito de las estructuras ciertos sectores industriales han comenzado a ofertar productos con un porcentaje de material reciclado, mejoras en el proceso productivo para reducir el consumo energético o alternativas con menor huella de carbono, sin embargo iría en contra de sus propias ventas el promover formas de ahorro material así que no podemos confiar en la industria para promover este tipo de medidas, han de venir de los propios diseñadores, sus cuerpos profesionales y, llegado el momento, ser reguladas por iniciativas gubernamentales.

La mal llamada “optimización estructural“

En las últimas décadas y debido a la proliferación de los programas de cálculo, se ha extendido el uso de los llamados “coeficientes de utilización” de los componentes: de cada una de las comprobaciones locales necesarias por normativa -del tipo: Capacidad>Requerimiento, o lo que es lo mismo: R/C<1- se obtiene el coeficiente de utilización, definido como el más ajustado de los valores obtenidos, componente a componente. El que estos coeficientes sean cercanos a la unidad es condición necesaria pero no suficiente para que una estructura sea eficiente, por diferentes motivos por ejemplo que los coeficientes de utilización no tienen en cuenta el diseño general de la estructura.

Fig.4 Cuatro vigas resolviendo la misma carga y luz, con pesos entre 33 y 89 kg/ml pero todas con coeficientes de utilización  por encima del 93%. Resulta que la más ligera es además la más rígida pero la que peor coeficiente de utilización recibe.

El hecho de que los coeficientes de utilización no representen de manera objetiva la eficiencia estructural o material de la solución se hace patente incluso para elementos individuales con mismas condiciones de luz y carga, resueltos en el mismo material, variando únicamente la sección del perfil.

La investigación en óptimos estructurales

Lo cierto es que los estudios existentes sobre el óptimo estructural  -y que empezaron con Galileo allá por el Siglo XVII- sí se están aplicando a estructuras singulares con grandes luces, es decir a puentes. El problema es que por muy espectaculares que éstos puedan ser, únicamente suponen en torno al 2% del sector de la construcción, mientras que los edificios “normales” -viviendas, oficinas, centros comerciales- pueden suponer hasta el 70% del mercado total, según países (ver fig.5).

Si comparamos esto con el sector de la automoción, es como si toda la tecnología y conocimiento desarrollado en la Fórmula 1 -motores más eficientes, chasis más ligeros, mejoras en seguridad…- nunca llegase a los vehículos de producción en serie.

Fig.5 Campo potencial de aplicación del S.E.C.S. comparado con el de las estructuras de grandes luces en el
mercado británico. Fuente: Output in the construction industry dataset, UK’s Office for National Statistics website

Valor añadido del diseño estructural. Certificación de sostenibilidad

No cabe duda de que una estructura diseñada con el mínimo material posible tiene el potencial no sólo de ser más sostenible sino también más ajustada en precio. Esto se hará todavía más patente con el cambio de paradigma debido al uso de nuevas tecnologías de fabricación por adición (impresión 3D) y otros medios digitales de construcción en los que la mano de obra no marcará necesariamente el coste unitario.

Disponer de un método objetivo de medición de la eficiencia estructural permitiría valorar el adecuado uso de los materiales en función de sus cualidades estructurales, complementariamente a la medición de su consumo energético, su ciclo de vida y huella de carbono. Los ingenieros y diseñadores de estructuras podrían demostrar no solamente el cumplimiento de la normativa sino lo adecuado y ajustado de su propuesta.

También abriría la puerta a los diferentes certificados de sostenibilidad de la construcción (BREEAM, LEED, etc) a valorar de manera más objetiva la bondad de un determinado diseño estructural, incrementado su peso específico dentro de la valoración general del edificio.

A este respecto, un estudio de ARUP de 2012 sobre ocho sistemas de certificación diferentes concluyó que las estructuras de edificación suponían en torno a un 25% del coste de materiales, un 11% del presupuesto total de ejecución, hasta un 50% de la huella de carbono inicial (10...20% para su ciclo de vida completo); pero solamente un 5% de los puntos totales, con mínimo efecto del diseño estructural en la puntuación final.

Fig.6 Extraído de: Kaethner S. (2012) The value of structural engineering to sustainable construction.

En el mismo informe se resalta que “usar menos material tiene la más alta jerarquía en la estrategia reducir-reusar-reciclar” pero que muchos sistemas de certificación no lo tienen en cuenta, y los que lo hacen son poco claros o sus puntos demasiado complicados de demostrar [capítulo 13]

La propuesta: Structural Efficiency Classification System ≡ S.E.C.S.

Por todo lo expuesto hasta ahora, se propone la definición de una metodología para medir de manera objetiva la eficiencia estructural en estructuras de edificación, basada en los siguientes principios:

1.    Se utilizará la ‘cantidad de estructura’  como unidad de medición.

2.    Cada estructura real (o su diseño previo) se comparará con modelos teóricos cuasi-óptimos específicos para el uso del edificio.

3.    La eficiencia estructural bruta se calculará por comparación directa con un estándar teórico.

4.    Se utilizarán coeficientes para tener en cuenta los efectos debidos al lugar, al diseño arquitectónico y al diseño estructural.

5.    La eficiencia estructural neta tendrá en cuenta las particular forma del edificio aplicando los citados coeficientes.

6.    Las clases de eficiencia estructural permitirán entender a ingenieros, arquitectos, promotores, certificadores y usuarios finales la idoneidad y sostenibilidad de la estructura a nivel material.

1.    Cantidad de Estructura 𝓠

También llamada Volumen de Tensiones (Stress Volume), se refiere a la capacidad del material para transmitir carga a lo largo de una longitud. Se mide por tanto en [carga x distancia], típicamente en [kN.m]. Por ejemplo:

1 m³ de hormigón H30 puede llevar 0,030 kN/mm² / 1.5 x 10⁶ mm² a 1 metro de distancia = 20000 kN.m = 20 MN.m

1 kg de acero S275 equivale a 0,275 / 1.0  x 10⁶ / 7850 x 1 = 35,03 kN.m

Para un diseño estructural dado, su cantidad de estructura se puede calcular a partir de las mediciones y la especificación de los materiales, algo fácilmente automatizable en cualquier programa BIM.

La eficiencia estructural de la solución se valorará teniendo en cuenta su cantidad unitaria de estructura, es decir su repercusión por metro cuadrado construido:

2.    Modelo teórico cuasi-óptimo BtK

A falta de una metodología para obtener un óptimo teórico (de momento), se aplicará la mejor aproximación posible hasta el momento. Esta aproximación producirá resultados fiables siempre que las estructuras reales se encuentren suficientemente lejos.

Fig.7 influencia de la utilización de un modelo teórico cuasi-óptimo en el análisis de eficiencia de estructuras reales

Ya que la formulación existente a día de hoy está a menos de un 30% del posible óptimo teórico,
es posible obtener resultados fiables y suficientemente precisos para eficiencias SE ≤(10/1.3)^-1= 13%

Este modelo cuasi-óptimo o Best-to-Knowledge (BtK) se calcula para tres diferentes grupos de parámetros:

3.    Eficiencia estructural bruta: SE*

Se calcula directamente a partir de la medición del volumen de tensiones unitario del proyecto real: q_real y del modelo estándar de referencia: q_Btl(ST,ST) :

La eficiencia estructural bruta depende en gran medida de las luces de proyecto y la limitación en el canto de forjado; para edificios completos, hasta el momento hemos encontrado valores dentro del rango 1.5% < SE* < 9%.

4.    Coeficientes de solar, forma y diseño/construcción

A partir de los modelos BtK descritos anteriormente se calculan los diferentes coeficientes:

Esto permite reescribir la eficiencia estructural bruta como:

5.    Eficiencia estructural neta SE

Tiene en cuenta los factores donde el ingeniero estructural puede actuar, esto es como diseñador principal de la estructura y participando como parte del equipo general de diseño:

Hasta el momento se han calculado valores de eficiencia estructural neta para edificios completos actuales entre el 3.0 y el 9.5%.

6.    Clases de eficiencia estructural

Se fijarán en función del mercado y el estado general de la técnica, en base a unos parámetros genéricos que permitan revisar los rangos de eficiencia estructural cada ∽5 años:

Resumen y conclusiones

Las estructuras de edificación necesitan poner en valor el ahorro de material, ya que suponen un ingente mercado a nivel mundial con una gran huella de carbono asociada.

La eficiencia media de las estructuras actuales es muy baja, de manera que hay mucho margen de mejora. Como referencia, los paneles fotovoltáicos han mejorado su eficiencia desde el 6 hasta cerca del 30% en los últimos 25 años.

La forma de hacer esto posible es a través de la medición objetiva de la eficiencia en el uso de los materiales estructurales a través del S.E.C.S.

La medición objetiva de la eficiencia estructural con el S.E.C.S. fomentaría la investigación en optimización estructural y la innovación en las tecnologías y los métodos de construcción; demostraría las posibilidades de ahorro derivadas de un buen diseño y permitiría el fomento de la construcción sostenible con políticas de ayudas, subvenciones, etc. Permitiría a certificaciones medioambientales como BREEAM Y LEED incrementar el peso de la estructura dentro de su análisis proporcionalmente a su  huella de carbono.

De su aplicación no sólo se derivaría un paulatino ahorro de material, también una inmediata revalorización del papel del ingeniero estructural y se dejaría claro el impacto real que aspectos como la elección del solar o el diseño arquitectónico tienen en la solución final.

Además, informaría el desarrollo de las futuras nuevas tipologías estructurales que han de venir gracias a la fabricación aditiva y otros avances tecnológicos que supondrán un cambio de paradigma para la industria donde la intensidad de mano de obra ya no será el factor de coste determinante.

Estamos tardando.

Fig.8 Ejemplo de informe preliminar correspondiente a un bloque residencial resuelto en pórticos H.A. con losa maciza.