CDT Un nuevo análisis podría ayudar a identificar los materiales óptimos para los puntales entrecruzados que apuntalan puentes, torres y edificios.
Fuente: MIT News
Los edificios contribuyen en gran medida al calentamiento global, no solo en sus operaciones en curso, sino también en los materiales utilizados en su construcción. Las estructuras de celosía, esas matrices entrecruzadas de puntales diagonales que se utilizan en la construcción moderna, en todo, desde torres de antenas hasta vigas de soporte para edificios grandes, generalmente están hechas de acero o madera o una combinación de ambos. Pero se ha realizado poca investigación cuantitativa sobre cómo elegir los materiales adecuados para minimizar la contribución de estas estructuras al calentamiento global.
El “carbono incorporado” en un material de construcción incluye el combustible utilizado en la producción del material (para la minería y la fundición de acero, por ejemplo, o para la tala y procesamiento de árboles) y en el transporte de los materiales a un sitio. También incluye el equipo utilizado para la construcción en sí.
Ahora, los investigadores del MIT han realizado un análisis detallado y han creado un conjunto de herramientas computacionales para permitir que los arquitectos e ingenieros diseñen estructuras de celosía de una manera que pueda minimizar el carbono incorporado mientras se mantienen todas las propiedades necesarias para una aplicación de construcción determinada. Si bien, en general, la madera produce una huella de carbono mucho menor, el uso de acero en lugares donde sus propiedades pueden proporcionar el máximo beneficio puede proporcionar un resultado optimizado, dicen.
El análisis se describe en un artículo publicado hoy en la revista Engineering Structures , por el estudiante de posgrado Ernest Ching y la profesora asistente de ingeniería civil y ambiental del MIT Josephine Carstensen.
“La construcción es un gran emisor de gases de efecto invernadero que ha estado volando bajo el radar durante las últimas décadas”, dice Carstensen. Pero en los últimos años, los diseñadores de edificios “están empezando a centrarse más en cómo no solo reducir la energía operativa asociada con el uso del edificio, sino también el importante carbono asociado con la estructura en sí”. Y ahí es donde entra este nuevo análisis.
Las dos opciones principales para reducir las emisiones de carbono asociadas con las estructuras de celosía, dice, son sustituir materiales o cambiar la estructura. Sin embargo, ha habido “sorprendentemente poco trabajo” en herramientas para ayudar a los diseñadores a descubrir estrategias de minimización de emisiones para una situación determinada, dice.
El nuevo sistema hace uso de una técnica llamada optimización de topología, que permite ingresar parámetros básicos, como la cantidad de carga a soportar y las dimensiones de la estructura, y se puede utilizar para producir diseños optimizados para diferentes características, tales como como peso, costo o, en este caso, impacto del calentamiento global.
La madera se comporta muy bien bajo fuerzas de compresión, pero no tan bien como el acero cuando se trata de tensión, es decir, una tendencia a separar la estructura. Carstensen dice que, en general, la madera es mucho mejor que el acero en términos de carbono incrustado, por lo que “especialmente si tiene una estructura que no tiene ninguna tensión, entonces definitivamente debería usar solo madera” para minimizar las emisiones. Una compensación es que “el peso de la estructura será mayor que con el acero”, dice.
Las herramientas que desarrollaron, que fueron la base de la tesis de maestría de Ching, se pueden aplicar en diferentes etapas, ya sea en la fase inicial de planificación de una estructura o posteriormente en las etapas finales de un diseño.
Como ejercicio, el equipo desarrolló una propuesta para la reingeniería de varias armaduras utilizando estas herramientas de optimización y demostró que se podía lograr un ahorro significativo en las emisiones de gases de efecto invernadero incorporadas sin pérdida de rendimiento. Si bien han demostrado que se pueden lograr mejoras de al menos un 10 por ciento, dice que esas estimaciones “no son exactamente manzanas con manzanas” y que los ahorros probablemente podrían ser dos o tres veces mayores.
“Se trata de elegir materiales de manera más inteligente”, dice, para los detalles de una aplicación determinada. A menudo, en los edificios existentes “habrá madera donde haya compresión y donde tenga sentido, y luego tendrá miembros de acero realmente delgados, en tensión, donde eso tenga sentido. Y eso es también lo que vemos en nuestras soluciones de diseño que se sugieren, pero quizás podamos verlo aún más claramente “. Sin embargo, las herramientas no están listas para uso comercial, dice, porque aún no han agregado una interfaz de usuario.
Carstensen ve una tendencia a aumentar el uso de madera en grandes construcciones, lo que representa un potencial importante para reducir las emisiones globales de carbono del mundo. “Existe un gran interés en la industria de la construcción en las estructuras de madera masiva, y esto habla directamente de esa área. Por lo tanto, la esperanza es que esto haga avances en el negocio de la construcción y realmente haga mella en esa gran contribución a las emisiones de gases de efecto invernadero “.
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