¿Es posible seguir buscando el límite? O algunas reflexiones sobre la sostenibilidad

De todas las bellas artes la Arquitectura es, sin duda, la que requiere más implementación técnica y mayores recursos materiales. Históricamente ha sido el exponente, junto con la Ingeniería, de lo más avanzado y lo mejor que podía hacer la humanidad en cada época desde el punto de vista técnico. Aunque actualmente ya no es así, por el gran avance de otras disciplinas técnicas, los edificios y las obras de ingeniería siguen siendo la síntesis de todos estos avances.

Construcción de la torre Eiffel en París. 12 de agosto de 1887 a 12 de marzo de 1889.

Nuevos materiales aplicados a la construcción de edificios

Una de las disciplinas que más directamente concierne a la arquitectura, que pretende ser de vanguardia, es la ciencia de los materiales y en concreto el desarrollo de los llamados nuevos materiales. Cuando estudiamos los nuevos materiales aplicados a la construcción de edificios vemos que los avances más prometedores se basan en la evolución de materiales tradicionales –madera, cerámica, hormigón, metales, vidrio– bien mejorados en sí mismos por nuevos procesos industriales y/o de control de densidad o bien por la combinación con auténticos nuevos materiales. 

De izquierda a derecha: Waugh Thistleton Architects, utilización de tableros CLT en construcción en altura, Fotografía: ©Willy Price; utilización de malla cerámica + acero en Jardín Niel en Toulouse Toulouse, Francia mIchèle&miquel y hormigón estructural y aislante mediante la incorporación de aligerantes (Cemex).

Aunque las posibilidades de desarrollo de nuevas técnicas y materiales son prometedoras, en la actualidad se dan circunstancias y tendencias que aparentemente podrían frenar ese avance. Se habla de términos como sostenibilidad, inercia térmica, passive house, energía casi nula etc. El mensaje es que los edificios deben consumir muy poca energía por buen diseño y mejor aislamiento, cubrir su demanda con algo de energía limpia y estar construidos con materiales que tengan una energía primaria lo más baja posible.¹

El estudio de las condiciones climatológicas locales, y por lo tanto, la orientación, el aislamiento acorde a ello, la protección solar, la ventilación son los elementos a tener en cuenta para lograr un gasto mínimo energético.Vivienda unifamiliar en Toledo de Junquera Arquitectos, Secciones transversales; incidencia solar en huecos (arriba) y muros (abajo).

El futuro en el empleo de materiales va relacionado con la energía y la disponibilidad sostenible de materias primas. Si consiguiésemos ingentes cantidades de energía limpia capaz de producir altas temperaturas –nuclear de fusión, solar de concentración, etc– el salto en la producción de nuevos materiales –con base tradicional o no– sería enorme. En todo caso es cierto que de momento estamos lejos de la producción de energía sin emisión de CO2 que sería necesaria para frenar el cambio climático y cubrir las necesidades energéticas de la agricultura, el transporte, la agricultura, los edificios –construcción y uso– y la industria.

La normativa en vigor o en desarrollo se dirige a conseguir edificios de consumo casi nulo o nulo. Esta cuestión se puede abordar de diversas maneras. La primera es hacer edificios con mucha inercia térmica interior y muy aislados exteriormente que demanden muy poca o casi ninguna energía para ser confortables, sobre todo cara a temperaturas bajas. En todo caso para llegar al balance cero tendrán que producir algo de energía limpia en cualquiera de sus modalidades. Esta opción implica grandes espesores de aislante térmico y empleo de materiales pesados con la suficiente inercia térmica, lo que supone cerramientos de unos espesores muy considerables. Si a esto unimos la exigencia de empleo de materiales con baja energía primaria, vemos que con las técnicas de producción actuales las únicas posibilidades son la madera, la cerámica, los vidrios de simple o doble cámara y tratamientos bajo emisivos y los aislantes naturales.

Arriba, aislante a base de micelio de Ecovative Design; abajo, Liquid Pore®, placa de aislamiento de espuma mineral a base de sulfato de calcio, cal y aditivos, 100% reciclable, y, a la derecha, aislante a base de lana de oveja de RMT.

Otra posibilidad es la del empleo de materiales de altas prestaciones y mucho más ligeros como el aluminio, los materiales compuestos, los vidrios de altas prestaciones, los materiales de cambio de fase para conseguir inercia térmica, los aislantes de pequeño espesor como las cámaras rellenas de aerogel de sílice o paneles en los que se ha hecho el vacío etc. Con estos materiales, combinados con una alta capacidad de producción de energías renovables limpias, se puede conseguir también el objetivo de consumo casi nulo o nulo. Pues bien, la normativa favorece la primera opción aunque el balance energético final sea el mismo.

Arriba, aislante multicapa termorreflector de Actis: abajo, aerogel de sílicie, se utiliza como aislante térmico por su baja conductividad (Cabot Nanogel) y, derecha, panel de almacenamiento térmico por cambio de fase compuesto de copolímero y parafina (DuPont).

La evidencia del cambio climático y la necesidad de actuar en consecuencia ha dado lugar al desarrollo de una normativa que, siendo imprescindible para reorientar los hábitos de producción y consumo, está marcando de una manera casi obsesiva los planteamientos de la arquitectura actual. La normativa en el mundo de la construcción siempre se ha planteado dentro de un marco muy garantista y dando por supuesto un nivel medio/bajo en la calidad de la ejecución y de algún modo considerando al sector construcción bajo sospecha. Por otra parte las compañías de seguros que cubren la actividad profesional de los arquitectos priman las soluciones constructivas más conservadoras y contrastadas.

Actualmente vemos posiciones bastante extremas. Por un lado, las negacionistas del cambio climático y por el otro las muy dogmáticas respecto al empleo de la energía y los materiales “eco friendly”. Ambas tienen componentes ideológicos, emocionales y económicos más o menos marcados y explícitos que creo hay que superar para conseguir el deseado avance basado en el realismo y el rigor científico. 

En el caso concreto de Europa estas circunstancias dibujan un panorama en el que la innovación técnica en el mundo de la arquitectura resulta tremendamente complicada. Pero volvamos a la energía y los materiales. Se supone que todas las formas de energía renovable serán competitivas en coste para este año 2020, en comparación con las formas de producción que utilizan tanto combustibles fósiles como materiales radioactivos. Si esto es así, la apuesta por las renovables, en especial la solar en todas sus variantes, debería potenciarse mucho más. Personalmente creo que la más interesante, por su inmediatez, es la solar de concentración. Un buen ejemplo es el horno solar de la Plataforma Solar de Almería (PSA), capaz de perforar una chapa de acero de 7 mm de espesor en menos de un minuto partiendo de la luz solar captada por un espejo plano de 10x12 m y concentrada por un espejo parabólico de 13 m de diámetro.

Horno solar de la Plataforma Solar de Almería (PSA). © E.Azpilicueta.

Siendo importante el frente de la energía no lo es menos el de los materiales. Uno de los aspectos más determinantes es que según las corrientes en boga algunos materiales –como la madera– son santificados como el colmo de la sostenibilidad mientras que los metales, el hormigón y no digamos el plástico han pasado a ser los materiales malditos en términos de sostenibilidad e impacto ambiental.

Creo que no hay blanco o negro, la madera también tiene aspectos oscuros porque se desconoce la cantidad que se puede producir y utilizar de modo sostenible. Por otra parte los metales y el hormigón se podrán producir en un futuro muy cercano con un impacto ambiental –tanto en su extracción como en su producción y transformación– muy inferior al actual. Jean Prouvé nos ha dejado magníficos ejemplos de soluciones híbridas acero/madera con empleo de cantidades mínimas de ambos materiales. Venía a decir que es mucho mejor dejar crecer los bosques.

Avances en materiales compuestos

Si sintetizamos mucho, los mayores avances se han producido en el campo de la electrónica –y por ende de la informática–, en la nanotecnología, en los materiales con propiedades piezoeléctricas –cambio de dimensiones por carga eléctrica–, en los materiales compuestos y en el desarrollo de materiales con base silicio –células fotovoltaicas de gran rendimiento– y carbono –fibra de carbono, fullerenos, nanotubos de carbono, grafeno, etc.

Otro aspecto de enorme importancia son las nuevas posibilidades de conformación de elementos constructivos –sinterización, soldadura robotizada, cortadoras láser, cañón de plasma, fresadoras CNC, impresión 3D, nuevos sistemas de estampación, etc– que permiten optimizar las geometrías de las piezas y por tanto la cantidad de material empleado.

La amenaza del cambio climático se ha hecho cada vez más patente mostrando la necesidad de optimizar el empleo de recursos y reducir la emisión de gases de efecto invernadero. La emisión de CO2 en el proceso de obtención de materiales ha pasado a ser unidad de medida de la bondad ecológica de los mismos. El concepto de energía primaria de los materiales se ha hecho uno de los protagonistas del cálculo del ciclo de vida de los edificios y ha introducido una mayor complejidad, y a veces confusión no exenta de turbios intereses comerciales, en las decisiones sobre qué material emplear.

Tabla de la energía primaria de los materiales © E. Azpilicueta.

Lo cierto es que los nuevos materiales de mayores prestaciones mecánicas con menos peso –resistencia específica muy superior a los materiales “convencionales”– se han empleado en la fabricación de objetos de tamaños pequeño o medio como carrocerías de vehículos, bicicletas, raquetas, esquís, etc, revolucionando el mundo del deporte y el del diseño industrial de objetos de consumo.

La fibra de carbono se viene empleando en el refuerzo de estructuras de hormigón armado existentes con déficit de resistencia, no existen grandes piezas estructurales ex novo de ese material empleadas de modo generalizado. Parece que esto puede acabar con el empleo de piezas de hormigón pretensado con fibras de carbono. Ingenieros como Mike Schlaich ya están experimentando con este tipo de piezas continuas de unos 4,20 m. de longitud total –con una luz entre apoyos de 2,80 m y voladizos de 0,70 m– con un canto estructural de 3 cm. Esta combinación de materiales puede dar lugar en un futuro próximo a soluciones de estructuras horizontales realmente espectaculares.

Hormigón pretensado con fibras de carbono. 4,20 m. de longitud total –con una luz entre apoyos de 2,80 m y voladizos de 0,70 m. © Mike Schlaich.

Por otra parte, la producción de materiales como los nanotubos de carbono –ideales para la evolución de los edificios en altura– es de pocos cientos de toneladas al año. Aunque parezca una cifra baja la resistencia específica de este material es altísima y aunque de momento su incidencia en el sector construcción mundial es muy baja, va en aumento.

Los materiales de extrema ligereza, siendo conceptualmente muy atractivos, no acaban de responder a todas las prestaciones que se le piden a un edificio. Las posibilidades que nos ofrecen las estructuras neumáticas –pretensionado por presión interna– con control de forma por sistemas multifilares internos parecen interesantes. Las tablas inflables de paddle surf son el ejemplo de una pieza de caras paralelas capaz de soportar flexiones debido al fuerte pretaccionado de sus caras externas.

La construcción con elementos muy ligeros sigue siendo un camino prometedor aunque de momento debido a las vibraciones excesivas en determinados estados de carga –por viento o acciones dinámicas– y el bajo aislamiento acústico que proporcionan limitan una mayor presencia de elementos muy ligeros en partes tan fundamentales del edificio como son la estructura y el cerramiento. Sería necesaria una revisión de la normativa y un entorno urbano más amable para poder incorporar estos materiales muy ligeros. 

Composición de las tablas de paddle surf: estructuras neumáticas –pretensionado por presión interna– con control de forma por sistemas multifilares internos.

Evolución de los materiales tradicionales

A día de hoy, cuando los arquitectos pensamos en los materiales de nuestros edificios volvemos a los materiales que históricamente se han empleado en la construcción –tierra, madera, piedra, cerámica, hormigón, metales, vidrio e incluso plásticos–, pero mejorados en sí mismos por nuevos procesos industriales –que permiten mayor control de la densidad– o bien por la combinación con auténticos nuevos materiales.

Esto no implica resignarse a repetir las recetas de nuestros mayores. La manera de emplear esos materiales –por prestaciones, formas, sistemas de puesta en obra, etc– debe ser coherente con nuestro tiempo y recoger sus posibilidades estéticas y técnicas. Esto supone una actitud mucho más respetuosa con el medio sin renunciar al progreso. La evolución de los materiales que nos debe interesar va en esa dirección.

Sin pretender ser exhaustivo y refiriéndome únicamente a los materiales más empleados, excluyendo la tierra, considero interesante repasar la historia reciente y las posibilidades de los mismos de un modo más detallado.

Los productos derivados de la madera evolucionan constantemente. Disponemos de todo tipo de tableros –de partículas, contrachapados, contralaminados, fenólicos, sándwich de contrachapados con nido de abeja de cartón, de aluminio o de policarbonato, etc– con densidades diversas en cada tipo. El resultado más relevante en los últimos años ha sido la aparición de los tableros de madera contra laminada CLT que permiten resolver la “obra gruesa” con un solo material salvando luces estructurales considerables y con un buen comportamiento a fuego. Además, en términos de sostenibilidad, todo el conjunto es fácilmente desmontable y reutilizable y los tableros están fabricados con madera de abeto procedente de cultivos programados.

Empleo de paneles de CLT en Casa CH de Abaton. Fotografía: Belén Imaz.

La cerámica es el material artificial más antiguo y ha evolucionado mucho en las últimas décadas. Del simple ladrillo hemos pasado a las piezas multicelda con mejores propiedades térmicas y a las cerámicas tenaces con propiedades mecánicas sorprendentes. Las nuevas técnicas de fabricación basadas en un control estricto de la granulometría, el armado con fibras inorgánicas y la mejora química están superando el problema de la rotura frágil.

Superficie de fractura del material cerámico nanoestructurado alúmina-nanoYAG donde se observan las nanopartículas de YAG situadas en los bordes de grano de la alúmina, lo que le confiere una elevada resistencia a la deformación bajo carga a elevadas temperaturas (>1.200ºC). Fuente: Nuevos materiales en la sociedad del siglo XXI

Su resistencia a los ataques químicos, magnífico comportamiento a fuego y la abundancia de materia prima necesaria para su producción siguen haciendo de la cerámica un material atractivo que sin duda seguirá evolucionando. Por otra parte, el empleo de tejidos de cerámica como protección a fuego amplía su utilización en el mundo de la construcción. La posibilidad de armar piezas de cerámica con fibras de carbono y sílice-carbono permiten pensar en piezas de base cerámica con un notable comportamiento en flexión. 

Material cerámico creado por los laboratorios HRL de California capaz de usarse con impresoras 3D. Puede soportar temperaturas de hasta 1700ºC. Fotografía: Dan Little Photography. © 2015 HRL Laboratories.

El vidrio es un material insustituible en los cerramientos contemporáneos y ha experimentado grandes avances a lo largo de su historia en cuanto a resistencia y fiabilidad. Los últimos años hemos asistido a una mejora importante en el comportamiento energético gracias a los tratamientos bajo emisivos, que se realizan mediante la pulverización catódica al vacio de una o varias capas de óxidos metálicos sobre un vidrio incoloro o de color.

El hormigón es otro de los materiales que ha evolucionado mucho en los últimos años tanto en resistencia como en posibilidades de puesta en obra y peso propio. Los hormigones de alta resistencia son hoy de uso común –resistencias de 70 N/mm2 son perfectamente disponibles– y las técnicas de pre o postesado se han generalizado minimizando secciones y optimizando el trabajo estructural.

Los hormigones autocompactantes, los hormigones infraligeros y los hormigones armados con fibras –UHPC– nos ofrecen posibilidades impensables hace unos años en cuanto a calidades de hormigones vistos, posibilidad de conformación de piezas complejas, ligereza, resistencia y aislamiento térmico.

Empleo de hormigón con fibras Ductal® en pieza prefabricada realizada con para la estación de Shawnessy, Calgary, Canadá y en el puente de Mars Hill, Wapello, Iowa, EE UU. El material logra resistencias a compresión de hasta 20.000 Nw/cm²  y resistencias a flexión por encima de 4.000 Nw/cm² (LafargeHolcim)

Hormigón de altas prestaciones –UHPC– utilizado en la cubierta del Estadio Jean Bouin en París. Arquitecto, Rudy Ricciotti. Fuente: LafargeHolcim.

Tumbona Río de André Lompreta – De Fournier & Associados realizada con hormigón de altas prestaciones –UHPC– Slimconcrete® de Escofet. Peso 734 Kg. Instalación: apoyada. 

Los metales continúan experimentando una considerable evolución no solo en su composición –aleaciones– sino en sus técnicas de conformación y de unión. Los sistemas robotizados de corte –cañón de plasma, láser, etc– y soldadura están permitiendo la fabricación de piezas de una gran libertad formal y prestaciones estructurales muy fiables. Por otra parte las técnicas de conformación mediante impresoras 3D para metales avanzan día a día. Una pieza que supone toda una declaración de principios –buscando la belleza formal y el máximo rendimiento estructural con el mínimo de material– es la pasarela peatonal Trumpf en Ditzingen. De nuevo es obra de Mike Schlaich y consiste en una cáscara de doble curvatura construida con chapa de acero inoxidable de 20 mm de espesor aligerada mediante corte láser siguiendo las líneas de máximas tensiones.

La tecnología láser ofrece el método de corte más adecuado para las necesidades de corte de precisión más estrictas. Fuente: José Ángel Mercado.

Pasarela peatonal Trumpf en Ditzingen. Ingeniero: Mike Schlaich de ©schlaich bergermann partner: una cáscara de doble curvatura construida con chapa de acero inoxidable de 20 mm de espesor aligerada mediante corte láser siguiendo las líneas de máximas tensiones.

Con la idea de superar los clásicos problemas de corrosión del acero se experimenta con metales –más ligeros y menos oxidables– reforzados con fibras. El control de la densidad vuelve a aparecer como factor de variedad, como por ejemplo la espuma de aluminio con sus especiales propiedades aislantes y su gran durabilidad.

Recordemos que es razonable pensar que en breve habrá técnicas de fabricación que, utilizando energías limpias, nos permitan disponer de materiales de altas prestaciones. La energía solar de concentración –hornos solares– puede permitirnos producir piezas metálicas de altas prestaciones sin emisión de CO2. Esto no es ciencia ficción, únicamente hay que acercarse a la Plataforma Solar de Almería (PSA) para ver las posibilidades inexplotadas de la energía solar.

Con estas técnicas producir aluminio de primera fusión, tremendamente denostado hoy día, sería totalmente sostenible. Si pensamos en abundancia el aluminio sería el metal más interesante ya que supone el 8,1% en peso de la corteza terrestre continental, y el hierro el 5,4 %. El aluminio es infinitamente reciclable y para hacerlo solo se necesita el 10% de la energía de primera fusión. 

En el otro extremo la madera sería también un material de magníficas prestaciones y con el atractivo de fijar CO2 en su proceso de crecimiento. Pero ¿cuánta madera sostenible se produce en el mundo?, es decir, la que no disminuye sino que mantiene o aumenta la masa forestal de la Tierra.

Entiendo que una postura equilibrada es la que pondera en cada caso cuál es la combinación óptima en el uso de materiales sin adoptar posiciones dogmáticas. Los materiales ideales para la construcción deberían reunir varias características: tener un aspecto atractivo, ser muy abundantes y energéticamente sostenibles, ofrecer grandes prestaciones mecánicas y sistemas de unión fiables, ser muy durables, químicamente estables y resistentes al fuego, etc.

A día de hoy en general los sistemas constructivos que empleamos siguen siendo muy pesados y la relación peso propio/carga soportada está muy poco optimizada. Soy consciente que de momento nuestros edificios van a seguir pesando mucho. Esto implica que un edificio va a seguir requiriendo un gran volumen de materiales para su materialización. En el corto y medio plazo los materiales “de siempre”, aunque mejorados, van a seguir siendo protagonistas. Siendo esto así, no debemos olvidar a personajes como Jean Prouvé o Alejandro de la Sota, que siempre consideraron que construir con materiales y sistemas ligeros es mucho más inteligente porque implica menos trabajo en el sentido físico del término.

La pregunta inicial sigue en el aire ¿en las circunstancias actuales podemos seguir pensando en buscar el límite o el peso abrumador de la normativa y de lo políticamente correcto lo impedirá o ralentizará? Personalmente creo que sería un gran error renunciar a esa búsqueda y estoy convencido de que cuanto más avancemos en las renovables más potentes –nuclear de fusión y solar de concentración– todo se acelerará.

Notas

[1]El concepto de contenido energético de los materiales o energía primaria comprende la energía empleada en: la extracción de la materia prima, la fabricación, la transformación, los transportes asociados, la puesta en obra, el mantenimiento y la eliminación (desmontado y reciclado).

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·        Fractura del vidrio/ Terry A. Michalskee y Bruce C. Bunker / n.137 Febrero 1988

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·        Telas y sedas de araña / F.Vollrath / n.188 Mayo 1.992

·        Plásticos conductores. / P.Yam / n.228 Septiembre 1.995

·        Creación de materiales nanofásicos / Richard W. Siegel / n. 245 Febrero 1.997

·        Metales que se comportan como plásticos / Gabriel Torres Villaseñor / n.248 Mayo 1.997

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·        Especial nanotécnica. “Nanotécnica: la nueva ingeniería.” G. Stix / “Nanotécnica y sus procesos de fabricación” G.M. Whitesides y J.C. Love / “Leyes nanoescalares” M.Roukes / “Nanocircuitos” Ch. M. Lieber / “Nanotécnica en medicina” A.P. Alivisatos / “Nanotécnica y ensambladores” E.K. Dresler / “Nanotécnica y química” R.E.Smalley / “Màquinas nanométricas antiguas y futuras”. G.M. Whitesides / “ De la microtécnica a la nanotécnica” S. Ashley / n.302 Noviembre 2.001

·        De la microtécnica a la nanotécnica / Ashley, Steven / n.302 Noviembre 2001

·        Tiempo y envejecimiento de los materiales / Elices Calafat, M. / n.314 Noviembre 2002

·        Músculos artificiales / Ashley, Steven / n.327 Diciembre 2003

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·        Grafeno / Geim, André K. Kim, Philip / n.381 Junio 2008

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·        Cómo se fracturan los materiales / Pons Rivero, Antonio J./ n.436 Enero 2013