LEAN DESIGN O DISSEÑO AJUSTADO: 10 COSAS A HACER YA

NATASHA WATSON

EngD, CEng, MICE Natasha Watson es ingeniera de estructuras senior en Buro Happold. Completó su doctorado en la Universidad de Bristol, la Universidad de Bath y Buro Happold con una tesis sobre la mejora de la evaluación ambiental de opciones estructurales durante la etapa conceptual y de predimensionado. Además de dedicarse al diseño estructural, asesora sobre carbono embebido y otros impactos de los materiales de construcción y diseños estructurales.

Traducción del texto original de Natasha Watson publicado en agosto de 2020 en la revista The Structural Engineer, disponible en https://www.istructe.org/IStructE/media/Public/TSE-Archive/2020/Lean-design-10- things-to-do-now.pdf Agradecemos a su autora y a The Institution of Structural Engineers el permiso desinteresado para su traducción y publicación. Traducido del inglés por Laureà Miró, coordinador de la comisión de sostenibilidad de ACE.

El número de junio de The Structural Engineer de 2020 introdujo seis temas para abordar la cuestión climática. Uno de ellos fue el lean design o diseño ajustado, que representa un llamamiento a los consultores se estructuras para esforzarse al máximo en conseguir diseños que minimicen la demanda de materiales nuevos donde sea posible.

Este artículo da consejos prácticos para reducir el impacto de nuestros edificios en el medio ambiente desde ya mismo, y lo hace ordenándolos de acuerdo a la magnitud de la capacidad de ahorro.

1. ¡No construir!

Puede parecer contraintuitivo, pero el trabajo de un consultor de estructuras es asegurarse de que se cumplen los objetivos subyacentes de crear un determinado espacio, lo que no implica necesariamente diseñar y construir una estructura. Véase Ibell et all [1] en el número de junio de 2020.

2. Actualizar los edificios existentes cuando sea viable

Existen muchas formas de actualizar un edificio existente, desde una actuación de interiorismo hasta una intervención estructural significativa. Incluso si la superestructura se derriba los cimientos pueden ser aptos para la reutilización [2]

Utilizando el modelo de Brand, que considera el edificio como una serie de capas con diferentes vidas útiles, se puede explorar sistemáticamente la intervención sobre cada una de estas capas (figura 1) [3] [4].

Alternativamente, si la reutilización de un determinado edificio no resultara viable, se puede diseñar un nuevo edificio teniendo presente los principios de circularidad, tomando por ejemplo medidas para que su diseño permita el desmontaje o facilite las reparaciones.

Figura 1. Capas constructivas [Buro Happold]

3. Maximizar las ratios de utilización

Los resultados de la encuesta MEICON 2018 [5] indican que el énfasis en la facilidad de construcción, el riesgo que se percibe de cometer errores constructivos y la falta de penalizaciones significativas por sobredimensionar las estructuras dan lugar a un impacto negativo en las ratios finales de utilización de nuestros elementos estructurales. Moynihan y Allwood [6] concluyeron que las ratios de utilización medias eran inferiores al 50% para los edificios de acero típicos.

Buro Happold ha elaborado una guía para sus ingenieros estructurales que se centra en aumentar las ratios mínimas hasta niveles aceptables, niveles que cambian a medida que se avanza en el proyecto (figura 2)

Trabajar con ratios bajas de utilización permite a los diseñadores flexibilidad y un margen de maniobra para los cambios de última hora, por lo que trabajar con ratios más altas requiere controles de calidad adecuados, como por ejemplo:

• Obligaciones contractuales para el refinado del diseño.

• Codificación con colores de las ratios de utilización en los modelos BIM.

• Recomendaciones de que los gestores de proyectos prevean un determinado tiempo/coste en las ofertas o presupuestos de optimización.

Es importante comunicar al equipo del proyecto el valor del tiempo y de los gastos invertidos en el desarrollo y optimización del diseño, y confrontarlo con el potencial ahorro de materiales que conducirá a una reducción de costes y de carbono emitido.

ratios no recomendadas

ratios a usar con flexibilidad

ratios objetivo

Figura 2. Objetivos de las ratios de utilización para cada etapa de diseño [Buro Happold]

4. Cuestionar los criterios para los estados límite de servicio

Si alguno de los criterios de servicio (como por ejemplo el de deformación) es el que limita el dimensionado de un determinado elemento estructural vale la pena tratar de relajar este criterio consultando con el cliente y con el resto de agentes que participan en el proyecto.

• • Fachadas. ¿Los límites establecidos por el contratista son realistas y están basados en las condiciones reales o son genéricos y se pueden revisar? ¿Se puede percibir una relación luz/flecha de 1/360 a simple vista?
• • Particiones internas. ¿Se puede incrementar sistemáticamente la holgura de los sistemas utilizados para absorber las deformaciones de los forjados? Esta holgura puede tener un impacto negativo en las prestaciones acústicas; ¿se puede relajar el criterio acústico?
• • Vigas de gran luz y deformaciones de losas. ¿Se pueden prever contraflechas? ¿Se pueden utilizar elementos o materiales de menor resistencia si son los estados límite de servicio los que rigen el dimensionado? ¿Se puede asumir una rigidez adicional considerando que las uniones se encuentran en un punto intermedio entre la articulación y el empotramiento?
• • Criterios dinámicos. ¿Los límites han sido fijados adecuadamente para el uso previsto? ¿Podría aceptarse sobrepasarlos en algún punto?
• • Anchos máximos de fisura. El ancho de las fisuras sólo debería regir el dimensionado si hay que considerar la estanqueidad frente al agua.

5. Refinar el estado de cargas

Considerar estados de carga conservadores puede ser adecuado a las primeras etapas de diseño, cuando las especificaciones están abiertas y todavía existen muchas incertidumbres. En cuanto a las cargas permanentes y semipermanentes, las diferentes capas del edificio se encontrarán definidas a medida que el diseño avance, así que su ajuste será bastante sencillo. En cuanto a las sobrecargas (figura 3), aunque puede ser más difícil ajustarlas, pueden adaptarse de diferentes formas.

Figura 3. Diversos escenarios de cargas [Michal Drewniok / Meicon]

Reducción de sobrecargas

Recordemos que de acuerdo con el Eurocódigo 1 [7] las sobrecargas se pueden reducir si el área cargada es superior a los 10 m² mediante el coeficiente α_A y, si la estructura está formada por tres o más pisos con la misma categoría de uso, mediante el coeficiente α_n¹ :

con la restricción para las categorías C i D: α_A ≥ 0,6

donde: ψ₀ es el coeficiente estraído de la tabla A.1.1 del anexo A1 de la norma EN 1990 A₀ = 10,0 m² A es el área cargada

donde: ψ₀ es el coeficiente extraído de la tabla A.1.1 del anexo A1 de la norma EN 1990 n es el número de pisos (>2) por encima de los elementos estructurales de la misma categoría

Sobrecargas mínimas adecuadas

El Eurocódigo 1 establece categorías de sobrecargas para cubrir la mayor parte de los usos de los edificios, y debería utilizarse el mínimo valor que resulte adecuado (por ejemplo, se puede ajustar la carga de 7,5 kN/m²  que suele tomarse para las áreas de instalaciones considerando la carga real de las instalaciones² proyectadas). Además, los factores de combinación deberían aplicarse siempre cuando exista más de una sobrecarga.

Especificaciones claras

Cuando se preparen diferentes opciones durante la etapa conceptual, una de ellas debería contemplar la mínima sobrecarga posible y el ahorro asociado en el coste y las emisiones, de forma que se pueda comentar con el cliente y éste entienda la importancia de clarificar los usos de los espacios.

¹ En España se puede utilizar como alternativa (al menos en edificios de titularidad privada) el Código Técnico de la Edificación, que en su documento DB-SE-AE establece disposiciones similares. Nota del traductor. ² Costumbre que se mantiene en el Reino Unido derivada de la antigua normativa británica BS6399. Nota del traductor.

6. Diseñar para utilizar ahora y reforzar si el uso cambia

La urgencia de la crisis climática significa que tenemos que priorizar las emisiones actuales [8] . No deberíamos diseñar edificios con redundancias iniciales que quizás nunca se necesiten, sino que deberíamos proyectar de acuerdo con el uso actual del edificio y establecer una estrategia para facilitar su refuerzo en el futuro. Buro Happold realizó el estudio del forjado de un pórtico simple de hormigón con y sin redundancia inicial. En el segundo caso era necesario un 12% menos de material y su refuerzo sólo añadía un 3% adicional (figura 4).

Figura 4. Comparación de la utilización de materiales en dos diseños alternativos

7. Concentrarse en los forjados y en reducir las luces

Varios estudios indican que los forjados representan normalmente un 40-50% del carbono embebido en un edificio. Los estudios de sensibilidad estructural [9] muestran que una forma infalible de reducir la cantidad de material en un forjado es reducir las luces de su retícula (figura 5) [10] . Si el tiempo o los honorarios de un proyecto son ajustados, concentrar los esfuerzos en refinar los forjados de las estructuras puede significar un ahorro significativo en el carbono embebido.

Figura 5. Distribución del carbono embebido en la estructura.

8. No olvidar la subestructura

Normalmente la estructura bajo rasante conforma el 20% del carbono embebido del que el consultor de estructuras tiene un control directo (figura 5). A continuación se indican algunas consideraciones específicas en relación a estos elementos:

• • Evitar los sótanos y forjados sanitarios cuando sea posible.
• • Utilizar la superestructura y el emplazamiento para minimizar los cimientos. Para minimizar las dimensiones de la cimentación la superestructura que se proponga debe funcionar con el terreno donde se asentará. Si el terreno es pobre, la superestructura debería ser ligera o aceptar mayores deformaciones.
• • Utilizar, cuando sea posible, tubos de acero recuperados de la industria petrolera y gasística si en la cimentación se emplean pilotes encamisados .
• • Especificar un hormigón con bajo contenido de cemento con la mínima resistencia posible, especialmente si lo que rige el dimensionado es la capacidad del terreno.
• • Diseñar para una resistencia a 56 días. Normalmente las cimentaciones no estarán sujetas a la totalidad de la carga hasta más tarde, de acuerdo con el programa de construcción.
• • Ajustar el criterio de asientos. El criterio de asientos para cimentaciones se elige a menudo de acuerdo a unos asentamientos máximo y diferencial «típicos» en vez de tomar unos valores específicos para la estructura en cuestión. Este «café para todos» puede dar lugar a un incremento significativo de material en la cimentación y la subestructura.
• • Asegurar un estudio del terreno adecuado y detallado. Un estudio del terreno adecuado permite incrementar la confianza en los supuestos utilizados para el diseño de la subestructura, minimizando el riesgo de realizar un diseño conservador producto de la incertidumbre.

9. Evitar el cemento CEM I

La cantidad de carbono embebido en el hormigón está determinada fundamentalmente por la cantidad de cemento Portland que emplea, por lo que las dosificaciones con cemento CEM I deberían evitarse siempre que fuera posible. Como mínimo debería utilizarse un 20% de sustitutos de cemento en la superestructura, la subestructura y en el hormigón de limpieza. Durante la etapa de construcción, el subcontratista podría pedir un cambio de dosificación para utilizar cemento CEM I con el objetivo de alcanzar la resistencia especificada del hormigón en menos días, de forma que pueda compensar posibles retrasos en la planificación de la obra. Trabajando con este contratista, sin embargo, se podrían determinar las resistencias necesarias para cada período, y comparándolas con las curvas de resistencia de la dosificación inicial se podría mitigar la necesidad de emplear cemento CEM I.

10. Continuar aprendiendo, hablando y compartiendo

Necesitamos trabajar juntos y compartir nuestro conocimiento de modo que podamos aprender de nuestros errores y podamos avanzar más rápidamente para mitigar el cambio climático, consiguiendo así, para todos nosotros, un futuro más sostenible.

Agradecimientos

Gracias a Matthew Jackson-Jones, Rachel Monteith, Jonathan Roynon y Maria Smith por ayudar a escribir este artículo. Gracias también a Will Arnold, Robin Jones e IStructE por publicar esta serie de artículos y guías para hacer frente a la #EmergenciaClimática.  

Recursos útiles

• LETI (www.leti.london/). Varias guías útiles para el diseño bajo en carbono.

• • RICS BUILDING CARBON DATABASE (https://ww3.rics.org/uk/en/journals/built-environment-journal/built-environment-carbon-database.html). El sitio recomendado para compartir los cálculos de carbono embebido en el Reino Unido
• • ISTRUCTE CLIMATE EMERGENCY HUB (www.istructe.org/climate-emergency ). Recursos para ayudar a los consultores de estructuras a responder frente a la emergencia climática.

Para saber más

• Adams KA and Hobbs G. (2017) Material resource efficiency in construction: Supporting a circular economy, Watford; BRE Press
• MPA The Concrete Centre (2018) Material efficiency [Online] Disponible en: concretecentre.com/Publications-Software/Publications/Material-E ffi ciency.aspx (Fecha de acceso: Junio 2020)
• • MPA The Concrete Centre (2020) Specifying sustainable concrete [Online] Disponible en: www.concretecentre.com/Publications-Software/Publications/Specifying-Sustainable-Concrete.aspx (Fecha de acceso: Junio 2020)
• SCI (2019) Structural steel reuse: assessment, testing and design principles [Online] Disponible en: https://steel-sci.com/assets/downloads/steel-reuse-event-8th-october-2019/SCI_P427.pdf (Fecha de acceso: Junio 2020 )

Referencias

1. Ibell T., Norman J. and Broadbent O. (2020) ‘Nothing is better than something’, The Structural Engineer, 98 (6), p. 12

2. Chapman T., Anderson S. and Windle J. (2007) C653: Reuse of foundations, London: CIRIA

3. Brand S. (1995) How buildings learn: What happens after they’re built, s.l.: Penguin

4. Adaptable Futures (s.d.) Toolkit [Online] Disponible en: http://adaptablefutures.com/our-work/toolkit/ (Fecha de acceso: Junio 2020)

5. Orr J., Copping A., Drewniok M., Emmitt S. and Ibell T. (2018 ) Minimising Energy in Construction: Survey of Structural Engineering Practice – Report [Online] Disponible en: https://doi.org/10.17863/CAM.35178 (Fecha de acceso: Junio 2020)

6. Moynihan MC and Allwood JM. (2014) ‘Utilization of structural steel in buildings’, Proc. R. Soy. En ., 470, 20140170  

7. British Standards Institution (2002–06) BS EN 1991 Eurocode 1: Actions on structures, London: BSI

8. Carbon Leadership Forum (2017) The Time Value of Carbon [Online] Disponible en: http://carbonleadershipforum.org/projects/the-time-value-of-carbon/ (Fecha de acceso: Junio 2020)

9. Roynon J. (2020) Embodied carbon: structural sensitivity study [Online] Disponible en: (https://www.istructe.org/resources/case-study/embodied-carbon-structural-sensitivity-study/) (Fecha de acceso: Junio 2020)

10. Thornton Thomasetti (2019) Thornton Tomasetti shares results of comprehensive embodied carbon measurement study [Online] Disponible en: https://www.prnewswire.com/news-releases/thornton-tomasetti-shares-results-of-comprehensive-embodied-carbon-measurement-study-300959484.html