Reliability of Mass Timber Buildings in Fire: A performance-based design method and its application to office buildings

La madera está haciendo un regreso silencioso pero poderoso al horizonte de las ciudades modernas. Durante décadas, la industria de la construcción favoreció el acero y el hormigón, materiales que no arden, mientras que la madera quedaba relegada a estructuras más pequeñas. Hoy en día, sin embargo, los ingenieros recurren cada vez más a la madera masiva, un material fabricado mediante la superposición de paneles de madera sólida para crear vigas y paredes lo suficientemente fuertes como para soportar edificios altos. Este cambio es impulsado por el deseo de reducir la huella de carbono de la construcción, ya que la madera almacena carbono en lugar de emitirlo durante su producción. Sin embargo, una pregunta fundamental permanece: si un edificio hecho de madera se incendia, ¿cómo se comporta? A diferencia del acero, que se debilita con el calor, la madera arde de una manera predecible, formando una capa de carbón en su superficie que puede aislar el núcleo interior y permitir que la estructura permanezca en pie durante mucho tiempo. El desafío para los reguladores de seguridad es determinar exactamente cuánto de esta madera puede quedar expuesta al aire dentro de una habitación sin comprometer la seguridad de las personas en su interior o de los edificios cercanos.

Un equipo de investigadores de Francia, Canadá y Suecia ha abordado esta cuestión desarrollando una nueva forma de calcular la seguridad contra incendios para estas estructuras de madera. En lugar de depender de reglas rígidas y universales que a menudo requieren cubrir toda la madera con yeso resistente al fuego, utilizaron una simulación por computadora para modelar miles de diferentes escenarios de incendio. Trataron el fuego no como un evento único, sino como un suceso aleatorio que depende de muchas variables: cuántos muebles y papel hay en la habitación, qué tan grandes son las ventanas, si los bomberos llegan rápido y cuánto de la madera queda al descubierto frente a cuánto está cubierta. Al ejecutar estas simulaciones repetidamente, pudieron calcular la probabilidad estadística de que un edificio sobreviviera a un incendio sin colapsar o sin que las llamas se propagaran al exterior. Su trabajo se centra específicamente en edificios de oficinas, un tipo de edificación común donde se debate más intensamente el equilibrio entre la seguridad y el deseo de la estética de la madera expuesta.

Los investigadores construyeron una herramienta digital que imita la física de un incendio en una habitación. Comenzaron reconociendo que el fuego es impredecible. En sus simulaciones, variaron la cantidad de combustible, el tamaño de la habitación y el tiempo que tardaban los bomberos en llegar. También tuvieron en cuenta el comportamiento único de la madera masiva. Cuando la madera arde, se carboniza, y esta capa de carbón actúa como un escudo. Sin embargo, si la madera está cubierta con paneles protectores como el yeso, esa protección puede fallar si los paneles se desprenden debido al calor. El equipo rastrea esto cuidadosamente, calculando cuándo podría fallar la capa protectora y cuánto contribuiría la madera expuesta a la intensidad del fuego. También incluyeron el papel de los rociadores, que pueden controlar el fuego antes de que crezca demasiado, y las acciones de los bomberos, cuya capacidad para extinguir un incendio disminuye a medida que el fuego se vuelve más caliente e intenso.

Para probar su método, el equipo lo aplicó a un compartimento de oficina estándar. Realizaron 15,000 simulaciones separadas para cada escenario, pidiéndole efectivamente a la computadora que imaginara 15,000 incendios diferentes ocurriendo en esa habitación a lo largo de la vida útil del edificio. Establecieron un objetivo de seguridad estricto: la probabilidad de que el edificio falle debe ser inferior a un umbral específico que se considera aceptable para la seguridad pública. Este umbral corresponde a un nivel de seguridad utilizado en toda Europa para edificios donde la gente se reúne. Probaron tres niveles diferentes de resistencia al fuego estructural, que representan cuánto tiempo necesita el edificio permanecer en pie durante un incendio: 60 minutos, 90 minutos y 120 minutos. Para cada nivel, probaron diferentes cantidades de madera expuesta, que van desde el 30 por ciento hasta el 90 por ciento de la superficie de la pared, con y sin rociadores.

Los resultados ofrecieron un camino claro para los diseñadores. Para edificios que requieren una resistencia al fuego de 60 minutos, las simulaciones mostraron que dejar el 30 por ciento de la superficie de la pared como madera expuesta era seguro, incluso sin rociadores. Si se añadían rociadores, este porcentaje podía aumentarse al 60 por ciento. Para edificios que requieren 90 minutos de resistencia, el límite seguro de madera expuesta subió al 60 por ciento sin rociadores y al 75 por ciento con ellos. El caso más complejo fue el requisito de 120 minutos, típico de edificios muy altos. Aquí, los investigadores descubrieron que dejar el 75 por ciento de la superficie de la pared expuesta era seguro, siempre que hubiera rociadores presentes. Sin rociadores, el riesgo de que el fuego se propagara fuera del edificio se convirtió en una preocupación, pero con rociadores, el sistema resistió los objetivos de seguridad.

Un hallazgo crítico del estudio fue que el riesgo de que el fuego se propagara a edificios vecinos o hacia el costado del edificio era generalmente bajo, siempre que la cantidad de madera expuesta se mantuviera dentro de estos límites calculados. En las simulaciones para los edificios más altos, el calor radiante de las ventanas ocasionalmente alcanzaba un nivel que podía incendiar estructuras cercanas, pero esto solo ocurría en escenarios extremos y raros donde el incendio era excepcionalmente grande y los rociadores no lograban controlarlo. Cuando los investigadores ajustaron la distancia a unos 15 metros más realistas para edificios altos, el riesgo cayó a un nivel aceptable. Esto sugiere que las reglas estrictas actuales, que a menudo exigen que toda la madera sea cubierta, podrían ser más conservadoras de lo necesario. El estudio indica que, con la combinación adecuada de rociadores y una cantidad calculada de madera expuesta, los edificios altos de madera pueden cumplir con los mismos altos estándares de seguridad que las estructuras tradicionales.

Los investigadores fueron cuidadosos al señalar que su trabajo se basa en modelos computacionales, no en pruebas de fuego físicas en cada uno de los escenarios. Validaron su herramienta comparándola con 54 experimentos de incendios reales realizados en todo el mundo, y las predicciones de la computadora coincidieron estrechamente con los resultados del mundo real, a menudo errando hacia el lado de la precaución. Esto brinda confianza en sus resultados, pero también identificaron áreas para futuras mejoras. Por ejemplo, señalaron que el comportamiento de los paneles protectores y la forma en que el calor se desplaza a través de la madera durante la fase de enfriamiento de un incendio podrían modelarse con mayor precisión. También sugirieron que las reglas futuras deberían considerar factores como la velocidad del viento y la ubicación específica del incendio dentro de un edificio, lo cual podría afectar la rapidez con la que los bomberos pueden intervenir.

En última instancia, este estudio proporciona una base científica para un enfoque más flexible de la construcción con madera. Demuestra que la seguridad no requiere ocultar el material; más bien, requiere comprender cómo se comporta el material bajo estrés. Mediante el uso de métodos probabilísticos, los ingenieros ahora pueden diseñar edificios que expongan más la hermosa y sostenible madera, garantizando al mismo tiempo que la estructura no fallará y que el fuego no se propagará. El trabajo sugiere que, para los edificios de oficinas, es posible dejar una parte significativa de las paredes y techos de madera expuestos, siempre que existan medidas de seguridad activas como los rociadores y el diseño siga los límites específicos calculados por este nuevo método. Esto abre la puerta para que los arquitectos creen espacios que se sientan más cálidos y naturales, sin sacrificar los rigurosos estándares de seguridad que protegen al público.