El edificio de madera más alto del mundo

Mjøstårnet es un edificio de madera de 18 pisos construido en Noruega que alcanzó su altura máxima el 4 de septiembre de 2018, exactamente un año después de haberse iniciado la colocación de las estructuras de madera. Las fachadas se terminaron en octubre de 2018 y el edificio fue inaugurado el 1 de marzo de 2019, de acuerdo con el calendario original.

Mjøstårnet consta de oficinas, salas técnicas, 32 apartamentos, 72 habitaciones de hotel, una suite de hotel en el nivel 15, una cafetería, un restaurante, una sala de conferencias en el nivel 17 y una terraza en la azotea. La terraza de la azotea será accesible para los residentes, huéspedes del hotel y empleados de las oficinas alquiladas. Otros huéspedes pueden visitar la terraza comprando una tarjeta de acceso.

El edificio está situado en la pequeña ciudad de Brumunddal en Noruega, unos 140 km al norte de Oslo; se encuentra al lado de la autopista E6 y frente al lago Mjøsa, el más grande de Noruega; desde el aeropuerto OSL, se llega en una hora en automóvil (véase figura 1).

La iniciativa de construir Mjøstårnet proviene de un inversionista que creció en Brumunddal y quería erigir el edificio de madera más alto del mundo utilizando recursos locales, proveedores locales, competencia local y materiales de madera sostenibles. Este edificio tiene la mayoría de sus componentes de madera procedentes de bosques sostenibles cercanos. Las estructuras se produjeron en una fábrica localizada en la ciudad de Moelv, a solo 15 km de la obra.

Sistema estructural

La capacidad de carga principal está constituida por armaduras tipo glulam (por su nombre en inglés, glued laminated timber, es decir, madera laminada encolada) de gran tamaño a lo largo de las fachadas, así como por columnas y vigas interiores (véase figura 2). Las armaduras soportan las fuerzas globales en las direcciones horizontal y vertical, y le proporcionan al edificio la rigidez necesaria. Los muros CLT (cross laminated timber) de madera laminada se usan para soportar las cargas secundarias de tres elevadores y de dos cubos de escaleras. Estos muros CLT no contribuyen a la estabilidad horizontal del edificio. Mjøstårnet tiene muchas semejanzas con el edificio residencial de madera de 14 pisos denominado Treet en la ciudad de Bergen, Noruega, el cual se terminó en diciembre de 2015. Las dos diferencias más importantes son que el Mjøstårnet será unos 30 m más alto, y que los módulos de construcción usados en el Treet son intercambiables con elementos prefabricados para pisos y muros. Los módulos de construcción limitan la flexibilidad de las áreas, y esto no era compatible con las funciones combinadas requeridas para el Mjøstårnet. Los grandes elementos prefabricados de fachada se fijan en la parte exterior de las estructuras de madera y forman la envolvente del edificio. Estos elementos del tipo emparedado incorporan el aislamiento y los tableros externos prefijados. Los elementos de pared no contribuyen a la rigidez global del edificio. En total, se tienen alrededor de 2,600 m3 de estructuras de madera en Mjøstårnet.

La planta del edificio es de unos 17 × 37 m. La enorme losa de concreto de la planta baja está apoyada en pilotes hincados hasta la roca basal de cimentación. Estos pilotes pueden soportar fuerzas tanto de compresión como de tensión.

Las fuerzas axiales más grandes se concentran en las cuatro columnas de esquina. La fuerza máxima de compresión ULS (ultimate limit state) es de 11,500 kN, y la fuerza máxima de tensión ULS es de 5,500 kN.

transversal de estas columnas es de 1485 × 625 mm. Las secciones transversales típicas de las columnas interiores son de 725 × 810 mm y de 625 × 630 milímetros.

Los pisos del 2 al 11 son cubiertas prefabricadas de madera basadas en el sistema constructivo Trä8 de la empresa de Moelv (véase figura 3). Los pisos 12 al 18 son losas de concreto de 300 mm de espesor. Los pisos compuestos de concreto son una combinación de una parte inferior prefabricada que funciona como cimbra para la parte superior colada en el lugar. La sustitución de la madera por el concreto en los pisos superiores significa que el edificio será más pesado a medida que aumenta su altura. Este edificio resulta más esbelto en su dirección más débil, por lo que la masa adicional es necesaria para satisfacer los criterios de comodidad de los departamentos. Los pisos de concreto también facilitan de alguna manera el lograr un alto nivel de desempeño acústico en los departamentos. Cada piso funciona como un diafragma.

Las vigas típicas de glulam que soportan a los pisos de madera son de 395 × 585 mm y de 395 × 675 mm de sección transversal. Las vigas típicas de glulam en las que se apoyan los pisos de concreto son de 625 × 585 mm y de 625 × 720 mm. La sección transversal diagonal mayor es de 625 × 990 milímetros.

La deflexión horizontal máxima calculada en la parte superior del edificio es de 140 milímetros.

En la azotea hay un departamento y una pérgola para darle al edificio un toque arquitectónico distintivo. La pérgola es una estructura grande de madera fijada al piso de concreto del nivel 18. La altura del edificio excede los 81 m hasta el techo arquitectónico, de acuerdo con las definiciones de altura dadas por el Consejo de Edificios Altos y Hábitat Urbano (CTBUH). La altura del piso más alto ocupado es de 68 m. La altura de los cubos de madera CLT para escaleras y para elevadores es de 74 metros. Todos los elementos glulam están conectados mediante el uso de placas y espigas de acero colocadas en ranuras. Esta es una conexión de alta capacidad que se usa comúnmente en puentes y en grandes edificios. La madera estructural está en el interior de la fachada y de los ventanales. Con esto se protege a la madera de la lluvia y del sol, aumenta la durabilidad y disminuye el mantenimiento. También permite que el laminado glulam respire libremente en el interior. Se usa un climatizado clase 1 para todos los elementos de madera, con excepción de la pérgola.

El diseño estructural de la estructura de madera cumple con la norma Eurocode 5. El CTBUH ha concluido recientemente un proyecto para proponer criterios de diseño para todos los edificios de madera. De acuerdo con ellos, Mjøstårnet se puede considerar como un edificio de madera de un solo material y, con toda seguridad, el más alto en su tipo a nivel mundial.

Materiales

Los elementos glulam para el edificio, así como los muros laminados, han sido producidos por empresas noruegas. El abeto noruego no tratado es la especie principal usada para las partes estructurales de madera. La madera expuesta en la pérgola proviene de pino escocés impregnado con cobre.

Para el diseño estructural se aplican las normas de resistencia GL30c y GL30h, de conformidad con la especificación EN 14080:2013, y se usan los laminados CLT con una resistencia a la flexión fmk = 24 MPa.

Los elementos para los pisos de madera son una combinación del glulam de Moelv con LVL (laminated veneer lumber) fabricado por otra empresa noruega. Los elementos cuentan con aislamiento de lana mineral (rockwool) y se les coloca encima un recubrimiento de difusión abierta. La mayoría de los elementos tiene una plantilla de concreto de 50 mm en la parte superior.

Se emplea acero S355 recubierto con polvo para las conexiones, combinado con espigas de acero a prueba de ácidos.

El revestimiento de madera tiene propiedades retardantes del fuego.

El edificio de madera más alto del mundo

Diseño contra incendios

En el informe de las estrategias contra incendio para este proyecto se establece que el sistema principal de soporte de cargas deberá diseñarse para aguantar un incendio de 120 minutos. Los elementos secundarios de carga, tales como pisos, deberán resistir 90 minutos de fuego. La resistencia contra incendios se puede obtener al calcular la sección transversal remanente de la carbonización, de conformidad con la norma Eurocode. De esta manera, los perfiles glulam grandes podrán ser visibles dentro del edificio.

Por otro lado, el diseño contra incendio se reforzó con los resultados de pruebas de calcinamiento que se realizaron en 2016 en una empresa en Trondheim, Noruega. En esta prueba, grandes columnas de glulam se metieron en un horno para aplicarles un fuego ISO (insurance services office) durante 90 minutos. Cuando los quemadores se apagaron, el glulam siguió carbonizándose un poco más. Después de varias horas la temperatura en todas las columnas empezó a bajar y se detuvo la combustión. Con esto se demuestra que las columnas grandes de glulam se autoextinguirán y evitarán que el edificio colapse.

La madera aparente en rutas de escape, así como en los muros interiores de la escalera principal y de los elevadores, recibirá una capa de pintura retardante al fuego. Para obtener una alta seguridad contra incendios para los laminados CLT, el ingeniero de protección contra incendios estableció que los muros expuestos en la escalera de escape tenían que recubrirse con panel de yeso. Las pruebas muestran que en los muros CLT cercanos entre sí se puede propagar el fuego. Existe la preocupación de que surjan varias llamaradas, las cuales a la larga darán lugar a la combustión de los materiales.

Además, se han incorporado muchos otros medios de protección contra incendios. Todo el edificio cuenta con rociadores. Existe una barrera cortafuegos (firestop) en la fachada para impedir que el fuego se desplace hacia arriba. Las placas y las espigas de acero en las conexiones están profundamente empotradas en la madera (85+ mm). Los huecos y ranuras entre vigas, columnas y placas estarán cubiertos con una tira intumescente contra fuego. Esta cinta se expande una 20 veces cuando la temperatura alcanza los 150 grados. En la figura 4 se observa esta conexión después del incendio. Las perforaciones para las espigas no se deberán tapar debido a que en la prueba contra fuego se demostró que al hacerlo no se altera mayormente la temperatura del acero interior.

En cuanto a la robustez de la estructura, esta última está diseñada para soportar la pérdida de la rigidez horizontal de un piso de madera. También puede aguantar la carga de impacto de una cubierta de madera que cae sobre el piso de abajo.

Cargas

Con los reglamentos del Eurocode con anexos nacionales aplicables a Noruega se determinan las cargas de diseño. La carga por viento resultó ser la carga dominante en las combinaciones de diseño. La carga de viento se aplica como una carga estática. No se consideró necesaria la ejecución de pruebas en túnel de viento debido a la geometría regular de la estructura.

El diseño por sismo es raramente decisivo para edificios construidos en Noruega. La aceleración del terreno en Brumunddal es pequeña en comparación con la de la mayoría de otros países. De acuerdo con los reglamentos noruegos, no era necesario incorporar las cargas por sismo en el diseño porque es el viento el que prevalece.

Elementos Trä8 para pisos

En el edificio Mjøstårnet se usaron los elementos Trä8 para pisos que se basan en un sistema de cubierta desarrollado por una empresa local. La diferencia principal es que las vigas y los patines están hechos a base de laminados glulam en lugar de laminados LVL.

La placa superior LVL está pegada a las vigas, como se muestra en la figura 1. Para obtener una resistencia al fuego R90, la lana mineral se mantiene en su lugar mediante ménsulas de acero. El claro máximo en Mjøstårnet es de 7.5 metros.

Estos elementos emplean menos materiales maderables en comparación con las cubiertas CLT. Son ligeros y fáciles de armar. El fabricante hizo muchas pruebas en varias construcciones en Suecia y en Noruega. Los pisos se vuelven muy rígidos y se comportan bien. Pueden satisfacer tanto los requerimientos acústicos como aquellos contra incendio. La huella de carbono es particularmente baja y se estima en alrededor de 65 kg CO2/m2; se pueden cubrir claros de casi 10 m con esta tecnología. Con esto se aumenta la flexibilidad, en comparación con otros pisos hechos a base de madera.

El sistema constructivo Trä8 se puede combinar con núcleos estabilizadores de concreto, con viguetas de acero, con muros de cortante CL y con armaduras de glulam.

Diseño dinámico

Las aceleraciones son críticas para los rascacielos de madera. El Mjøstårnet es un edificio alto con bajo peso estructural. Sus frecuencias naturales caen en el dominio donde el viento puede causar movimientos molestos o náusea. La rigidez y las propiedades de masa del laminado glulam y del concreto son bien conocidas y se basan en cálculos y mediciones realizadas en el edificio residencial de madera Treet en Bergen; se puede predecir bastante bien el amortiguamiento estructural del sistema de armaduras glulam. En el caso de Mjøstårnet, se usó una velocidad básica del viento de 22 m/s y una relación de amortiguamiento estructural de 1.9%.

En una tesis de maestría de la universidad noruega NTNU, de 2016, se demuestra que el amortiguamiento estructural medido en Treet es muy cercano al que se usó en los cálculos.

En la norma Eurocode 1991-1-4 se proporcionan lineamientos para calcular las aceleraciones pico. En la especificación ISO 10137 aparecen criterios recomendados de diseño para vibraciones producidas por el viento para evaluar el nivel de servicio del edificio. También sirve de guía para estimar la respuesta humana ante las vibraciones. Para analizar el comportamiento dinámico del edificio se construyó un modelo FEM de elementos finitos con el software Robot Structural Analysis Professional 2016.

Las aceleraciones pico se observan en la figura 5. Los puntos rojos corresponden al nivel 17 y los azules, al nivel 18. El edificio está al límite en el nivel 17, y ligeramente por arriba en el piso 18.

Montaje

La instalación de estructuras en el edificio Mjøstårnet se hizo de acuerdo con los planes. No se tuvieron retrasos importantes. El montaje se refiere en su mayor parte a la colocación de los elementos prefabricados en el sitio, pero a una escala que es mucho mayor que la de proyectos anteriores ejecutados por el mismo fabricante. La torre Mjøstårnet sentó un precedente no solo debido a su altura. Para la instalación, se empleó una técnica de montaje completamente nueva. Un extraño tal vez pueda pensar que hay un gran riesgo implícito en el uso de un nuevo método de montaje en un proyecto tan grande y prestigioso; sin embargo, después de muchos años de desarrollo, el fabricante decidió seguir un nuevo camino. Con anterioridad, se ensamblaron primero en la fábrica de la ciudad de Moelv las grandes y complicadas armaduras, antes de ser transportadas al sitio de la obra para su montaje final. Esto se hizo para garantizar que todo ajustara perfectamente. Para el proyecto Mjøstårnet, los miembros individuales se transportaron directamente al sitio de la obra, sin ningún intento de montaje de prueba.

Las vigas llegaron totalmente procesadas y tenían que ajustarse al milímetro. No había posibilidad de errores en el montaje. Todas las piezas ocupan un lugar específico y deben encajar. Con este procedimiento de construcción se garantiza un proceso de producción más rápido y fue posible construir el edificio Mjøstårnet con mayor rapidez y a un menor costo.

De los varios cientos de partes grandes laminadas fabricadas para Mjøstårnet, solo una pieza no ajustó. Esta diagonal en particular se tuvo que retirar y remplazar por un nuevo elemento. La nueva diagonal se fabricó en una semana y no causó ningún retraso en la obra.

Durante la construcción, las estructuras de madera quedaron expuestas directamente a la intemperie, y esto sirvió de mucho. La veta exterior de columnas, diagonales y muros se protegió temporalmente usando un recubrimiento plástico o placas de madera. La parte superior de los elementos de piso se protegió con una membrana. El uso de una carpa habría sido molesto y no se consideró necesario. Durante la instalación, el grado de humedad de la madera se monitoreó en muchos lugares y profundidades. Una vez instalados los muros, se hizo circular aire tibio para secar las estructuras de manera controlada.

La experiencia es que tanto los laminados glulam como los CLT resisten bien la exposición directa a la intemperie. Una lección aprendida es que los elementos LVL (usados para pisos) demandan una atención adicional. Este material absorbe el agua a lo largo de los bordes, y se debieron haber protegido mejor los lados usando cinta o resina epóxica.

Después de la instalación de todas las estructuras del nivel 18, la desviación máxima que se midió fue de 19 mm con respecto a la posición teórica. La mayoría de las estructuras se montaron dentro de un margen de desviación de 10 milímetros.

Se usó un andamio de mástil deslizante para el montaje de los elementos prefabricados para muros en el esqueleto de madera

Elaborado por Helios Comunicación con base en las siguientes fuentes: Rune Abrahamsen, Mjøstårnet – Construction of an 81 m tall timber building. 23. Internationales Holzbau-Forum IHF 2017. Moelv, Moelven Limtre. Rune Abrahamsen, Mjøstårnet – 18 storey timber building completed. Internationales Holzbau-Forum IHF 2018. Moelv, Moelven Limtre.

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