PROYECTO IDANMAD: INNOVACIÓN EN ESTRUCTURAS Y CONSTRUCCIONES TEMPORALES DE MADERA MEDIANTE

CONECTORES INNOVADORES Y VERSÁTILES

En el marco de un proyecto de I+D, el Instituto Tecnológico AIDIMA ha investigado nuevos anclajes innovadores, específicos para madera, que pueden usarse para

estructuras temporales de madera (andamios, revestimientos de edificios, pabellones, ferias, etc.). Finalizado el proyecto, se exponen aquí los principales resultados

obtenidos. Responsable del proyecto: Miguel Ángel Abián Dpto. Tecnología y Biotecnología de la Madera Recientemente ha concluido el proyecto de I+D “Investigación y desarrollo de anclajes innovadores para construcciones temporales de madera” (IDANMAD), desarrollado en 2012, 2013 y 2014. Este proyecto ha sido financiado por el IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial). Asimismo, ha sido cofinanciado por los fondos FEDER, dentro del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana 2007-2013. 1. Objetivos del proyecto El objetivo general de IDANMAD ha sido investigar y desarrollar anclajes mecánicos innovadores que se puedan usar de modo general en cualquier construcción temporal de madera. Algunos ejemplos de construcciones temporales son pabellones, albergues, ferias de exposiciones, instalaciones deportivas, estructuras para conciertos, ampliaciones hosteleras para la época estival, plazas móviles de toros, andamios y pasarelas temporales de peatones durante el desarrollo de obras, estructuras de retención de tierras, barreras, etc. Todas estas construcciones deben cumplir unas exigencias sumamente estrictas: coste reducido, montaje sencillo, ligereza, durabilidad y flexibilidad en la creación de formas para diferentes usos. Los anclajes permitirán a los arquitectos e ingenieros usar un único sistema de conexiones en todas las partes de una construcción temporal de madera. Con estos anclajes se ha avanzado en el campo de la I+D de la madera como material de ingeniería y arquitectura; y se ha contribuido a fomentar el uso de este material sostenible y su aplicación a nuevos campos donde puede ser competitivo tanto técnica como industrial y económicamente. 2. Inconvenientes de las estructuras metálicas Actualmente, en la mayoría de las construcciones temporales se emplean soluciones metálicas, que presentan muchos inconvenientes: coste elevado, alto peso, dificultad de transporte, montaje y construcción, escasa resistencia al fuego, corrosión por aire salino y por muchas sustancias químicas habituales, así como generación de residuos tóxicos al final de su vida útil (el 11% del acero inoxidable se compone de metales tóxicos como cromo y níquel). Las escasas soluciones de madera para dichas construcciones emplean sistemas de unión de barras, que no están diseñados para funcionar de modo adecuado con este material. La unión entre la madera y estas uniones resulta muy ineficaz, costosa e incrementa el peso de la estructura, lo cual explica que apenas se use madera para construcciones temporales.

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3. Búsqueda bibliográfica sobre construcciones temporales y sus sistemas de conexión Se realizó una búsqueda bibliográfica general sobre construcciones temporales y sus sistemas de conexión, basada en artículos científicos y técnicos, libros, guías técnicas, manuales, normas europeas e internacionales, memorias de proyectos de investigación, tesinas y tesis doctorales. Se consultaron también unas 1900 páginas web con contenidos técnicos de interés para el proyecto. Las webs de mayor interés para el proyecto se clasificaron en dos categorías. Por un lado, aquellas relacionadas con estructuras temporales (figuras 1 y 2); por otro, aquellas relacionadas con uniones y sistemas de conexión para estructuras de madera (figuras 3 y 4).

Figura 1. KREOD. Diseñado por Chun Qing Li y se encuentra en Greenwich Peninsula (Londres, RU) (2012).

Esta estructura temporal es de especial interés para este proyecto porque es sumamente versátil: sus tres partes se pueden combinar en una gran variedad de configuraciones, o pueden instalarse como estructuras independientes. También es de interés porque en su

diseño se han tenido cuenta consideraciones prácticas para el transporte, el almacenamiento, el montaje y desmontaje (por ejemplo, modularidad y componentes apilables). Por último, el

diseño y cálculo del complicado sistema de conexiones de las celdillas precisó la colaboración de los consultores Evolute, AR18 y Tensilefabric.

Fuente: http://www.archdaily.com/275460/kroed-chun-qing-li-of-pavilion-architecture/

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Figura 2. PUDELMA. Pabellón temporal en Turku (Finlandia) diseñado por Eero Lunden y Wikar Marcus (2011).

Pudelma es una estructura en forma de red montada de madera, de unos 70 metros cuadrados de tamaño. El pabellón se compone de 490 piezas conectadas por medio de casi un millar de articulaciones y se han aplicado algoritmos de cálculo para su construcción. El interesante sistema de conexión de esta estructura temporal exigió el apuntalamiento de la

estructura a medida que se iba construyendo. La carpintería se realizó en el centro de procesamiento de Woodpolis en Kuhmo. Cada pieza tiene un tamaño único, de medio metro a dos metros de largo. La sección del material utilizada es el 51 x 200 mm, y las vigas están encoladas transversalmente para mejorar el rendimiento. Todas las partes fueron tratadas

con agentes anti-hongos y anti-humedad. Fuente: http://eerolunden.com/2012/01/17/pudelma-turku-finland-2011

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Figura 3. Unión metálica empleada por la empresa Inside Out Structures para sus estructuras de bambú. Permite flexibilidad para crear diferentes poliedros

con caras uniformes. Fuente: http://www.insideoutstructures.com/

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Figura 4. Entramado para la unión de una estructura ligera formada por bambú. El conector metálico sirve como nodo y tiene cierta versatilidad para unir en

distintas direcciones del espacio tridimensional. Estas estructuras son una alternativa más ecológica y económica que una

estructura completamente metálica, pero las desventajas mencionadas antes siguen existiendo por el uso de esferas o herrajes metálicos. Los diámetros

máximos del bambú restringen mucho las cargas que puede soportar el sistema; por tanto, este sistema está muy limitado en cuanto a uso y no constituye de ningún modo una solución general para estructuras, ya sean permanentes o

temporales. Fuente: http://www.bamboocraft.net/gallery/showphoto.php?photo=893&cat=529

Se consultaron aproximadamente unas 870 páginas web empresariales con posibles productos de interés para el proyecto. Se identificó a empresas, centros tecnológicos, universidades y entidades expertas en construcciones temporales y sus sistemas de conexión. Algunas de ellas son Technische Universität Wien (Austria), Edinburgh Napier University – Wood Studio (Reino Unido), Brunel University (Reino Unido), Universidade do Minho (Portugal), Université de Lausanne (Suiza), Holzforschung Austria (Austria), Wood Kplus - Kompetenzzentrum für Holzchemie und Holzverbundwerkstoffe (Austria) y Rotho Blaas (Italia). 4. Patentes de sistemas de conexión para estructuras de madera Las patentes que se analizaron sobre sistema de conexión corresponden en su mayor parte a estructuras metálicas. En los casos en que pueden utilizarse con barras de madera, las soluciones propuestas son poco versátiles y válidas casi siempre sólo para estructuras permanentes, que no pueden montarse y desmontarse. Por lo tanto, puede concluirse de la investigación realizada que no existen nudos o anclajes específicos para la construcción en madera que puedan utilizarse en cualquier tipo de estructura; normalmente se usan para éstas anclajes diseñados para estructuras metálicas, y se adaptan las barras de madera a los herrajes. Esta falta de anclajes específicos para la madera ocasiona que no se aprovechen sus

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características mecánicas y que los fallos de rotura aparezcan siempre en la zona de unión madera-metal. En ocasiones, la transición del anclaje a la barra de madera resulta demasiado cara y compleja, y al final suele necesitarse tanto acero que la madera pierde su finalidad estructural y se convierte en un mero elemento decorativo. Además, no existen soluciones específicas para estructuras temporales de madera con forma arbitraria: las soluciones basadas en bambú son muy limitadas por la resistencia mecánica de este material y las longitudes máximas que permiten. 5. Tipologías de construcciones temporales El análisis de las tipologías de construcciones temporales, sistemas de conexión y sus necesidades consistió en un estudio exhaustivo de las distintas tecnologías constructivas, desde el diseño y funcionalidad de las estructuras hasta las uniones utilizadas en éstas. En principio, la clasificación de estructuras según su tipología se basó en la forma que estos elementos adquieren, que a su vez, viene determinada, en gran parte, por la solución constructiva adoptada y los materiales empleados. Por ejemplo, las carpas usan determinados materiales y soluciones constructivas (como postes metálicos o de madera y textiles); en cambio los pabellones se caracterizan por adoptar formas más diversas e infinidad de materiales. Con este criterio se clasificaron las estructuras temporales en 4 grupos: carpas, estructuras efímeras de madera, pabellones y naves temporales con madera y casas de madera. Figura 5. Ejemplo de estructura temporal perteneciente a la categoría de carpa. Se compone de un mástil central y de varios mástiles alrededor del perímetro

para poder arriostrar y tensar la gran superficie de lona. Alrededor del borde de la lona va fijo un cable para su mejor sujeción y seguridad.

Fuente: http://www.toldos.es/carpas-estructuras-tensadas-tipo-cono

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Del análisis de toda la información recogida y de la diversidad de tipologías constructivas y sus sistemas de unión se concluyó que las necesidades futuras se dirigirán a la simplificación de los sistemas constructivos, con importantes propiedades tecnológicas. Todo ello se orienta a disminuir los tiempos de montaje y desmontaje de las estructuras y a la reutilización de los materiales empleados. 6. Diseño de sistemas de anclaje mecánico para las tipologías de construcciones temporales más habituales Los anclajes del proyecto deben corresponder a conectores o nudos universales para estructuras temporales de madera; es decir, a nudos flexibles y que puedan adaptarse a diferentes ángulos entrantes en la intersección de las barras de una cercha. Produciendo el mismo nudo de manera industrial en serie, se reducen los costes de la producción, mejora la calidad y se simplifica el control de calidad en fábrica, se simplifica la logística y el montaje y disminuyen enormemente los costes de una edificación. Para poder construir una forma libre con barras rectas de madera, hay que subdividir la forma libre en formas geométricas sencillas como triángulos o rectángulos. Con estas formas (triángulos y rectángulos) se puede crear cerchas que forman la estructura. En una cercha 3D pueden coincidir hasta nueve barras en un nudo (figura 6).

Figura 6. Cercha tridimensional. En cada nudo pueden coincidir hasta 9 barras de madera.

Desde el principio se impuso para los diseños de los anclajes la restricción de que el anclaje/nudo debe de ser flexible para poder usarlo para diferentes situaciones (es decir, en distintos ángulos entrantes en el nudo), lo que impone una condición esencial para el nudo: debe poder girar alrededor de los ejes Y y Z. Teniendo en cuenta esta restricción, se consideraron en primera instancia dos propuestas de sistema de anclaje mecánico, que se exponen de forma esquemática a continuación.

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Figura 7. Detalle del sistema de anclaje propuesto 1.

Figura 8. Detalle del sistema de anclaje propuesto 2.

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Los dos diseños propuestos de sistemas de anclaje fueron analizados y discutidos por los investigadores de AIDIMA; además, se presentaron a varios expertos, y se revisaron a partir de los consejos y recomendaciones obtenidos. En la evaluación se tuvieron en cuenta especialmente los siguientes criterios:

1) Montaje sencillo. Los anclajes deben ser de fácil y rápido montaje. 2) Peso reducido. Para facilitar el transporte, los anclajes deben ser ligeros. 3) Durabilidad del sistema. Los anclajes han de mantener su función estructural de conexión en el tiempo. 4) Flexibilidad en la creación de formas para diferentes usos. Los anclajes deben ser generales para que sean compatibles con estructuras de muy distintas formas. 5) Versatilidad para permitir su uso en cualquier elemento constructivo, vertical u horizontal.

Tras la revisión por AIDIMA y por los expertos se llegaron a las siguientes conclusiones:

1) En el sistema de anclaje 1 la unión mediante grapas a las barras o vigas de madera no es adecuada, pues limita las posibles orientaciones posibles de la barra y, por tanto, la versatilidad de la unión y su flexibilidad en la creación de formas para diferentes usos. 2) El sistema de anclaje 2 es más complejo y contiene más elementos que el sistema 1, lo que hace que su montaje no sea sencillo y que su peso sea superior al del sistema 1. A cambio, permite un montaje más exacto, flexibilidad para correcciones en la obra y, sobre todo, que las barras de madera se corten de la misma forma; pero estas ventajas no se consideran suficientes para justificar su complejidad.

Teniendo esto en cuenta, se decidió escoger como sistema de anclaje más adecuado para el proyecto el sistema 1 con ciertas modificaciones sustanciales para obtener la máxima flexibilidad en cuanto a orientación de las barras y solucionar así las limitaciones del diseño inicial.

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Figura 9. Vista del diseño final del anclaje, en que pueden verse las 9 barras que puede conectar.

7. Modelado estructural-paramétrico de los sistemas de anclaje El diseño final seleccionado para los anclajes se convirtió en un modelo estructural y paramétrico. Para ello, se usó el software de modelado Rhinoceros3D y su entorno visual Grasshopper3D. Grasshopper3D es un lenguaje de programación visual que se ejecuta como una extensión o plug-in del software Rhinoceros3D; permite crear programas arrastrando componentes al área de trabajo. Cada componente tiene unas entradas y salidas, y las salidas se conectan a las entradas de otros componentes mediante un editor basado en nodos. Grasshopper3D se utiliza mucho en la programación de algoritmos generativos y paramétricos. El resultado final de lo anterior fue un modelo geométrico-paramétrico del anclaje. A continuación, en el entorno visual Grasshopper3D, se usó la herramienta Karamba3D para elaborar un modelo estructural y paramétrico del anclaje. Con este modelo se realizaron los cálculos estructurales por elementos finitos. Karamba3D permite combinar modelos geométricos parametrizados, cálculos por elementos finitos y algoritmos de optimización como Galapagos, que permiten mejorar de forma iterativa el diseño de una estructura.

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Figura 10. Modelo geométrico-paramétrico del conector. 8. Análisis estructural del sistema de anclaje. El modelo estructural y paramétrico del anclaje fue analizado mediante el método de los elementos finitos para varios casos de estudio (tracción lineal; compresión lineal; flexión alrededor del eje fuerte, transversal; flexión alrededor del eje débil, longitudinal; cizallamiento en dirección transversal; torsión; y un caso combinado de flexión, tensión y cizallamiento). A partir de los resultados obtenidos se modificó el diseño del anclaje y se generó un diseño optimizado.

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Figura 11. Análisis estructural del conector.

Figura 12. Análisis estructural del anclaje en tensión lineal.

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Figura 13. Análisis estructural del anclaje en compresión lineal. 9. Desarrollo del prototipo de sistema de anclaje A partir del diseño optimizado se realizaron los planos, de acuerdo con los criterios habituales de la industria, y basándose en ellos se construyó un prototipo.

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Figura 14. Una de las etapas de fabricación del prototipo de anclaje.

Figura 15. Otra de las etapas de fabricación del prototipo de anclaje.

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Figura 16. Vista parcial del prototipo de anclaje.

Figura 17. Vista superior del prototipo de anclaje.

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10. Especificación general del montaje de los sistemas de anclajes e integración en un sistema completo de montaje e instalación A continuación se especifica gráficamente el montaje de una estructura general, construida por barras de madera unidas por el sistema de anclajes desarrollado, así como la integración de éstos en un sistema complejo de montaje e instalación. Para ilustrar las posibilidades del sistema de anclajes, la estructura elegida es compleja y tiene forma orgánica (figura 18). Podría utilizarse, por ejemplo, como punto de información, parada de autobús o pabellón de una exposición. Igualmente, podría ser temporal o permanente.

Figura 18. Estructura general escogida por su dificultad para especificar el montaje de los sistemas de anclaje. Tiene forma orgánica, está subdividida en triángulos y está compuesta por cerchas tridimensionales y bidimensionales. Mediante el sistema de anclajes, puede montarse toda la estructura con un solo tipo de unión y sin elementos auxiliares como andamios. El ángulo y la distancia entre las barras son variables y está determinado por el corte de las barras. Como primer paso, se define el orden de los ejes y las uniones en el proceso de montaje. Los ejes horizontales son en este caso los ejes mandatorios; los ejes verticales son conectadores y tienen un orden secundario. Siguiendo el orden, se montan las barras (figura 19).

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Figura 19. Orden de las uniones y de las barras correspondientes. Siguiendo este orden, la estructura se va montando fila a fila. Una regla fundamental en el orden de montaje es construir la estructura lo más ampliamente posible sin elementos auxiliares (por ejemplo, andamios), como muestra la figura 20.

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Figura 21. Montaje de la estructura fila a fila siguiendo el orden de montaje.

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Figura 22. Sistema completo de montaje e instalación. La estructura se va

construyendo fila a fila desde abajo. Cada fila se apoya en la anterior.

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Las tendencias actuales de la arquitectura contemporánea indican un fuerte desarrollo de edificios con formas orgánicas libres. Debido a los programas informáticos cada vez más avanzados que se utilizan en arquitectura, los arquitectos, ingenieros y constructores son cada vez más capaces de diseñar, calcular y construir formas muy complejas. A la continuación se presentan algunos ejemplos arquitectónicos donde podría utilizarse el sistema de anclajes, de forma muy ventajosa, bajando los costes de la construcción, disminuyendo el tiempo de la construcción y facilitando el montaje. Figura 23. Pabellón de China para Expo Milán 2015. Su superficie prevista es de

4.590 m2. La imagen principal es de una gran nube suspendida que parece moldearse con el aire y que asume formas curvas muy sugerentes.

Fuente: http://www.designboom.com/

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Figura 24. Pabellón en Nature Boardwalk (Studio Gang Architects), Chicago (2010). Fuente: http://landscapevoice.com/

Figura 25. Puente peatonal en Essing (Alemania). Fuente: http://www.dezeen.com/

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Figura 26. Entrada temporal para el palacio de Versalles. Fuente: http://www.dezeen.com/

11. Beneficios esperados de los resultados del proyecto Los resultados del proyecto beneficiarán al sector de la madera, mueble y afines, pues aumentará la demanda de madera aserrada y de madera mecanizada y se abrirán nuevas líneas de negocio con productos de alto valor añadido (anclajes innovadores específicos para madera). También para el sector de la construcción se abrirán nuevas oportunidades de negocio (diseño y construcción de construcciones temporales de madera). Por último, los resultados beneficiarán a pequeños municipios que necesiten infraestructuras temporales y al sector turístico, que podrá disponer de estructuras temporales seguras y de coste reducido. Para este sector, mayoritariamente de temporada, estas construcciones constituyen una forma económica de mantener modernizadas o ampliar las infraestructuras para turistas, de manera que se mantenga la calidad de nuestros destinos turísticos y no pierdan atractivo frente a la competencia. Los anclajes desarrollados permitirán a los arquitectos e ingenieros usar un único sistema de conexiones en todas las partes de una construcción temporal de madera. Con estos anclajes se ha conseguido avanzar en el campo de la I+D de la madera como material de ingeniería y arquitectura, así como fomentar el uso de este material sostenible y su aplicación a nuevos campos donde puede ser competitivo técnica, industrial y económicamente.

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El proyecto ha sido coordinado y dirigido técnicamente por Miguel Ángel Abián, Responsable del Departamento de Tecnología y Biotecnología de la Madera y del Área de Construcción de Madera, así como premio Schweighofer de investigación de la madera en el año 2009. En el proyecto se cuenta con un equipo de expertos que incluye ingenieros y arquitectos de experiencia internacional. Dos de ellos son Manuel García Barbero, arquitecto especialista en construcción con madera, y Kiyanshid Hedjri, arquitecto especialista en parametrización geométrica de estructuras. Actualmente, basándose en los resultados del proyecto, AIDIMA está preparando una propuesta de proyecto para la iniciativa Fábricas del Futuro (Factories of the Future, FoF) del Horizonte 2020, el programa de la Unión Europea para la promoción y financiación de las actividades de investigación, desarrollo e innovación. Este programa estará vigente en el periodo 2014-2020 y sustituye al anteriormente denominado Programa Marco. Horizonte 2020 integra por primera vez todas las fases del proceso de innovación, desde la generación del conocimiento (investigación) hasta las actividades más próximas al mercado (prototipos, demostraciones, líneas piloto de fabricación, transferencia de tecnología, etc.). Proyecto financiado por el IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial) Proyecto cofinanciado por los Fondos FEDER, dentro del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana 2007-2013 Organismos colaboradores: Instituto de la Mediana y Pequeña Empresa Valenciana IMPIVA | Instituto Tecnológico del Mueble, Madera, Embalaje y Afines AIDIMA | Red de Institutos Tecnológicos REDIT

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