Estructuras de madera y cargas extremas: el comportamiento del CLT en caso de explosiones y tornados

En la ingeniería estructural, los edificios diseñados para resistir a cargas extremas, como explosiones o tornados, se han construido tradicionalmente de acero u hormigón armado. De hecho, estos materiales son la opción preferida para las infraestructuras militares, industriales y de alto riesgo, ya que tienen un comportamiento ampliamente documentado bajo velocidades de deformación altas y condiciones de carga dinámica.

Sin embargo, en los últimos años, se ha empezado a cuestionar este enfoque. En este sentido, se está reconsiderando el uso de la madera de ingeniería en las construcciones, en particular de CLT y MLE, debido a su respuesta estructural bajo cargas dinámicas. Su elevada relación resistencia-peso, junto con la capacidad de disipar energía a través de las conexiones, abre nuevas perspectivas de diseño.

Investigaciones realizadas en el ámbito académico y el militar han demostrado que el comportamiento de los materiales bajo cargas dinámicas es diferente al estático: en presencia de velocidades de deformación altas, se observa un aumento de la resistencia y de la rigidez.

En este contexto en constante evolución, Rothoblaas ha analizado el tema en profundidad con el profesor Ghasan Doudak de la Universidad de Ottawa, uno de los principales investigadores del comportamiento de las estructuras de madera sometidas a explosiones, y ponente de referencia en el primer TEEW en Canadá, programado para octubre de 2026.

Profesor, ¿cómo surgió su interés por el diseño de edificios de madera resistentes a las explosiones?

Empecé a investigar este tema debido a una colaboración con el sector militar. En dicho contexto, la madera no se consideraba un material adecuado para usarse en edificios expuestos a explosiones, como infraestructuras estratégicas militares o gubernamentales. Por lo tanto, la pregunta era si las estructuras de madera podían ofrecer unas prestaciones adecuadas bajo cargas extremas.

La madera es esencialmente un material ligero, fácil de transportar y rápido de montar. En los sistemas de madera de ingeniería, como el CLT o la MLE, a estas características cabe añadir una buena resistencia a las solicitaciones horizontales y a los impactos de proyectiles. Estas ventajas ofrecen un importante potencial de aplicación, sobre todo en situaciones en las que la velocidad de construcción y la eficiencia estructural son cruciales.

Otro aspecto a considerar es el campo de aplicación: la resistencia a las explosiones no se limita solo al ámbito militar. Los mismos principios se pueden utilizar para mejorar la seguridad de edificios civiles expuestos a accidentes o cargas extremas.

El principal problema está en el comportamiento del material. La madera, por su naturaleza, no es dúctil; para lograr unas prestaciones adecuadas es necesario combinar correctamente masa, paneles de ingeniería y, sobre todo, conexiones estructurales capaces de disipar la energía. Gracias a estas, la estructura adquiere ductilidad. Paralelamente, es fundamental modelar con precisión la presión generada por la explosión, que puede variar bastante en función de la distancia (contacto, campo cercano o campo lejano).

Realizaron ensayos a escala real con explosiones. ¿Qué descubrieron sobre el comportamiento de la madera?

Uno de los aspectos más importantes se refiere a los efectos de la velocidad de deformación (strain rate). Se trata de la variación de las propiedades mecánicas de un material en función de su velocidad de deformación. En presencia de cargas dinámicas rápidas, como las generadas por una explosión, la madera puede ofrecer una mayor resistencia que en condiciones estáticas. Es una observación importante, ya que pone de manifiesto que el comportamiento de la madera bajo cargas extremas no se puede evaluar con los mismos parámetros utilizados en el diseño tradicional.

*Images reproduced from the academic thesis “Effect of Realistic Boundary Conditions on the Behaviour of Cross-Laminated Timber Elements Subjected to Simulated Blast Loads” by Cote Dominic

La madera presenta buenas prestaciones bajo cargas laterales, como el viento y los terremotos. ¿Sucede lo mismo con las explosiones?

Existe una correlación, pero también una diferencia importante. Tanto las explosiones como el viento generan solicitaciones laterales. Sin embargo, las cargas explosivas actúan generalmente fuera de plano, mientras que las acciones sísmicas se desarrollan sobe todo en el plano de la estructura. A pesar de esta diferencia, hay un principio que no cambia: las conexiones son cruciales. En los sistemas de madera de ingeniería, el comportamiento estructural se diseña de manera que los paneles principales mantengan una cierta rigidez, mientras que las conexiones metálicas sirven para disipar la energía y reducir el riesgo de rotura frágil.

Este enfoque también ofrece una ventaja operativa: tras un evento extremo, las conexiones pueden sustituirse, lo que permite restablecer parcialmente la estructura con intervenciones mínimas.

¿La madera puede competir con el acero y el hormigón en estos escenarios?

Una comparación directa es compleja y depende del tipo de aplicación. Si se considera la relación resistencia-peso, la madera puede ser competitiva y, en ciertos casos, incluso ofrecer un rendimiento superior al del acero y el hormigón. Sin embargo, cada material tiene su ámbito de aplicación. La madera es especialmente eficaz cuando se requieren soluciones ligeras, rapidez de montaje y sostenibilidad. En cambio, el hormigón sigue siendo indispensable para estructuras subterráneas o de gran masa, mientras que el acero proporciona la ductilidad necesaria en muchos sistemas estructurales. En la práctica, las soluciones más eficientes suelen ser híbridas: la madera funciona muy bien con las conexiones de acero, que permiten disipar la energía.

*Images reproduced from the academic thesis “Investigation and Optimization of Connections in Timber Assemblies Subjected to Blast Loading” by Viau Christian

¿Hay diferencias entre el CLT y el timber frame tradicional?

Sí, y la diferencia es significativa. Para resistir eficazmente a las explosiones, se requieren productos de madera de ingeniería, como el CLT y la MLE, combinados con conexiones diseñadas como es debido. Las estructuras de entramado ligero no ofrecen el mismo nivel de prestaciones ante este tipo de solicitaciones. La continuidad, la masa y el comportamiento estructural de los paneles de ingeniería tienen un papel determinante en la absorción y la redistribución de cargas.

Considerando fenómenos como los tornados, ¿dónde está la principal vulnerabilidad de los edificios de madera?

En la mayoría de los casos, el problema no son los elementos de madera, sino los sistemas de conexión. A menudo, los hold-down son de tamaño insuficiente o están mal diseñados. Igualmente, las conexiones de la cubierta suelen dimensionarse solo para las cargas verticales, sin tener en cuenta las fuerzas de elevación del viento. Usar tornillos estructurales diseñados para resistir a la tracción, en vez de sistemas menos eficientes como clavos, puede mejorar considerablemente la respuesta del edificio.

¿Cuáles son las principales intervenciones prácticas para mejorar la resistencia de la madera a las cargas dinámicas?

La respuesta es la misma para todos los casos: las conexiones determinan el comportamiento estructural. Con un diseño adecuado, es posible aumentar significativamente la resistencia de las estructuras de madera tanto a explosiones como a vientos fuertes. Esto implica:

• elegir los conectores más apropiados;

• diseñar sistemas capaces de disipar energía;

• tener en cuenta todas las direcciones de carga, incluidas las fuerzas de elevación del viento y los efectos dinámicos.

*Images reproduced from the academic thesis “Effect of Realistic Boundary Conditions on the Behaviour of Cross-Laminated Timber Elements Subjected to Simulated Blast Loads” by Cote Dominic

El papel del sistema en la respuesta a las cargas extremas

De la investigación del profesor Doudak se deduce que se está produciendo un cambio de paradigma en la evaluación de la madera en el ámbito estructural. La madera, cuando se utiliza como material de ingeniería y se combina con conexiones diseñadas correctamente, puede responder de manera eficaz ante situaciones de carga no convencionales. Para los proyectistas e ingenieros, esto implica una consideración clara: las prestaciones bajo cargas extremas no dependen del material en sí, sino del sistema estructural en su conjunto y, en particular, de las conexiones. Comprender esta interacción es fundamental cuando se pasa del diseño estándar a contextos de alto riesgo.

Para más información sobre los principios del diseño de conexiones y el comportamiento de las estructuras de madera, participa en el TEEW y consulta la documentación técnica sobre los sistemas de fijación para cargas dinámicas.

*Images reproduced from the academic thesis “Investigation and Optimization of Connections in Timber Assemblies Subjected to Blast Loading” by Viau Christian