La Fibra de Carbono:
el futuro de la construcción modular
La fibra de carbono es un material relativamente nuevo, pero su uso se ha hecho ya habitual en varios sectores productivos. Uno de esos sectores es, cómo no, la arquitectura. Y más específicamente: la arquitectura modular, cuyo proceso de fabricación industrializada permite la introducción de base de la fibra de carbono como material constructivo. Pero, ¿qué es eso de la Construcción Industrializada?
La Construcción Industrializada
Entre los diferentes sistemas de construcción industrializada modular existentes actualmente en el mercado español e internacional, podemos hacer múltiples clasificaciones, siendo muy representativa la que estudia el material estructural empleado. Según este criterio y según el modelo utilizado, podemos clasificar muy brevemente, en dos grandes grupos:
- Sistemas constructivos de estructuras de entramado: más ligero, como la madera o de mayor peso, como el acero.
- De estructuras de tipo superficial: el hormigón armado
Adicionalmente, se pueden desarrollar sistemas mixtos entre uno y otro modelo, pero tratando siempre con materiales de características experimentadas.
La construcción modular actual trabaja con estos materiales básicos, presentes en nuestra construcción convencional, innovando no tanto en su composición intrínseca, sino en la puesta en obra de uno u otro material. Siempre en cualquiera de los casos, la limitación de uno u otro sistema viene dado por diversos factores.
- En el caso de la madera, su limitación principal es su propia vida útil. A pesar de su relativa ligereza, su vida útil puede verse mermada por la presencia de humedad intensa o el ataque de insectos xilófagos.
- En el caso del hormigón armado, si bien su vida útil puede verse garantizada por su estabilidad frente a los anteriores agentes mencionados, la elevada relación entre su peso para conseguir estructuras resistentes y la limitación en la apertura de huecos son los condicionantes que debe superar en su día a día. Por otra parte, el hormigón ve limitado su comportamiento estructural por su nula resistencia a tracción, haciéndolo depender de las armaduras de acero a considerar.
- En el caso de acero, se superan las limitaciones de los anteriores materiales, convirtiéndose en el material actualmente experimentado adecuado para su empleo en la construcción de estructuras modulares. Su excelente comportamiento tanto a tracción como a compresión lo hace adecuado a los esfuerzos a los que se verá sometido el edificio en su fabricación, traslado, puesta en obra y vida útil. Por ello, su uso es tan apreciado en la construcción de casas prefabricadas de acero.
El peso: limitación de la construcción modular
Además de las limitaciones anteriores, el peso de cada uno los módulos que componen el edificio diseñado, es una de las limitaciones más importantes con las que enfrentarse. El peso condiciona desde las propias instalaciones de fabricación –implicando que cualquier empresa que se dedique a construcción modular debe disponer de instalaciones capaces de manipular cargas-, limita el transporte a un precio razonable y su puesta en obra mediante grúas de capacidad moderada por las propias limitaciones de acceso a parcela a un coste moderado.
La construcción modular, se decanta por ello por materiales que sean capaces de compatibilizar una alta calidad de producto con el peso moderado del mismo. Por ello, se emplean sistemas de cerramiento multicapas ligeros, tabiques de cartón yeso, lana de roca o fibra de vidrio, etc, etc.
Uno de los elementos definitorios de los módulos constructivos, la estructura, es el que queda por llevar a un grado de evolución todavía superior al actual.
Sistemas de estructuras
La conformación de la estructura en acero da las mayores posibilidades por su versatilidad y posibilidad de abrir grandes luces y huecos, satisfaciendo las necesidades de la arquitectura y construcción actual. No obstante, el peso todavía continúa siendo una de las limitaciones.
LA FIBRA DE CARBONO
La fibra de carbono es un polímero que se obtiene de calentar sucesivamente a altas temperaturas (hasta 1500 °C) otro polímero llamado poliacrilonitrilo. Este proceso de recalentamiento da lugar a la formación de unas cintas perfectamente alineadas de casi carbono puro en su forma de grafito, por ello su nombre de fibras de carbono.
Las principales características de este material compuesto son:
- Muy elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado, en el entorno de 230 GPa a 390 GPa, dependiendo del tipo de fibra empleado y de la conformación del composite resultante.
- 10 veces más resistente a la tracción que el acero; unos 35.500 kg/cm2 contra 4.200 kg/cm2
- Baja densidad, unos 1760 kg/m3 en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero, de unos 7850 kg/m³
- Resistencia a agentes externos. Estable a lo largo del tiempo por su acción.
- Gran capacidad de aislamiento térmico. Baja conductividad térmica.
- Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, cuando se emplea con materiales en el composite que le confieran una matriz termoestable.
Como contrapartida, su todavía elevado precio de producción.
Las razones del elevado precio de los materiales realizados con fibra de carbono se deben a varios factores de los que ésta depende:
- La fibra de carbono requiere un proceso de producción que debe realizarse a altas temperaturas, entre 1100 y 2500 º C, durante semanas o meses, dependiendo de la calidad final de la fibra que se desee obtener. Además, dado que debe combinarse con otros materiales que complementen sus propiedades –como resinas- se limita su producción a las cualidades de los hornos y autoclaves más o menos complejos a emplear.
- Estas fibras de carbono, actualmente están presentes en sectores tales como el automovilístico, el aeronáutico y la construcción.
La fibra de carbono en el sector automovilístico
Casi el 90% de los vehículos participantes en la Fórmula 1 disponen de su construido en algún tipo de material compuesto, principalmente en fibra de carbono. Desde el chasis hasta los alerones pasando por las suspensiones, el fondo plano, asiento, volante e incluso casco y HANS del propio piloto se construye en este material.
En la fórmula 1 ha demostrado disponer de una alta resistencia a pesar de un muy bajo peso y gracias a su moldeabilidad, ser compatible con el diseño de los vehículos. En el sector comercial, algunos vehículos de la marca BMW ya salen al mercado haciendo uso de dicho material de forma íntegra.
La fibra de carbono en el sector aeronáutico
Dentro del sector aeronáutico es llamativa su presencia también en la industria militar, formando parte destacada de modelos tales como el Eurocopter SA-365 Dauphin 2 en partes destacadas como la puerta de tripulación, puerta de pasajeros, estabilizados horizontal, aleta vertical y otros componentes.
Igualmente, de la industria militar, también ha dado el salto al empleo en aviación comercial, como es el Airbus A320 Neo.
La fibra de carbono en el sector de la construcción
En sector de la construcción, el empleo de fibras de carbono se circunscribe principalmente a los refuerzos estructurales de diverso tipo. Todos estos refuerzos basan su aplicación en las características de la fibra de carbono y quedan altamente condicionadas por la producción de la misma.
De esta forma, en fibra de carbono dentro del ámbito se realizan, principalmente, empleo de bandas a adherir sobre elementos estructurales con patologías previas o bien, ejecutados bajo premisas de cálculo erróneas.
- En vigas: En caras inferiores para incrementar su resistencia a flexión o en caras laterales, para su resistencia a corte.
- En muros: para mejorar su resistencia a flexión y cortante.
- En soportes: pudiendo incrementar las propiedades mecánicas de los mismos sin gran variación de la sección
- En forjados: aligerados o no, especialmente en la caras inferiores del mismo.
En definitiva, hace uso de las propiedades de:
- Peso muy liviano (mínima carga muerta adicional)
- Alta durabilidad, anticorrosivo y bajo mantenimiento.
- Rápida instalación, con el consiguiente ahorro de dinero y tiempo de espera.
- Mínimo incremento de espesor en la geometría del elemento.
- Muy flexible, adaptable a todas las formas de los elementos
Existen otros usos, más restringidos, dentro del campo de la construcción como son la sustitución de las armaduras de acero: experimentalmente o en puentes, como la utilización de parrilla de fibra de carbono que refuerzan al hormigón y sustituyen al armado metálico (Rouingsfor de New Hampshire, EEUU) y el puente el río Assiniboin en Winnipegen en el estado de Manitoba, Canadá). O la conformación de algunos soportes o vigas lineales.
El uso de las fibras de carbono en construcción, se limita, actualmente, a un estado muy similar al pasado con el acero. Desde las grapas de hierro entre sillares en la antigua Grecia para vencer al sismo –refuerzos en fibra de carbono para mejorar el comportamiento a sismo de los edificios actuales de hormigón armado-, hasta el uso de soportes puntuales –tales como los soportes en forja modernistas.
La falta de evolución en este sentido no permite que la construcción en general y la modular en particular, puedan beneficiarse de la ligereza de las estructuras resultantes. Es la construcción industrializada modular por su particular dependencia del peso la que más beneficiada saldrá de todos los procesos que terminen por avanzar en los procesos de producción de las composites y, en especial, de desarrollar un proceso de unión o soldadura de elementos fiable y competitivo, así como de procesos de cálculo de estructuras avanzadas.
Como consecuencia de ello, para las mismas secciones que en acero, pasaríamos de estructuras resueltas que en acero pueden alcanzar los 10.000 kg a que apenas pesaran unos 2.000 kg y, desarrollando cálculos, a que el peso de la estructura ya sólo fuera anecdótico dentro del conjunto.
Mientras tanto, seguiremos trabajando con el sistema más versátil –el acero- pero siempre abiertos a comunicaciones y avances a incorporar dentro de nuestra producción.
Con este artículo pretendemos abrir una serie de artículos de índole técnica, sin pretender ser estrictamente técnicos, sino divulgativos, despertando inquietudes e invitando a la participación por parte de colaboradores que quieran aportar nuevas reflexiones que abran campos de debate y de posibles investigaciones a desarrollar. Investigaciones de las que se beneficiará la construcción y, principalmente, su vanguardia: la modular.
La fibra de carbono es un material que ha abaratado costes y además es muy ligero. En la construcción está teniendo mucho éxito para diseños complejos.