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En casi todos los productos de madera de ingeniería (EWP, Engineered Wood Products) se emplean adhesivos. Pero desde una perspectiva biofílica, algunos anhelan construir su casa sin emplear adhesivos a causa por la preocupación suscitada por los formaldehídos. Pero, ¿qué sabemos sobre los adhesivos que se emplean actualmente?, y, ¿qué nos espera el futuro inmediato en cuanto a los adhesivos de base biológica? Y una nota final sobre el proyecto Wood2new sobre la calidad del aire interior en las casas de madera.

 Primero debemos conocer cuáles y cómo son los adhesivos empleados en la construcción en madera. En este post, la madera de ingeniería que más se tratará es la madera contralaminada (CLT).

Los adhesivos para madera juegan un papel clave en la construcción en madera. Los adhesivos ayudan a ahorrar madera, y pueden ser usados para construir estructuras ligeras pero fuertes y para moderar la expansión y contracción debida a la retención de humedad inherente de la madera. Los modernos adhesivos para madera han sido diseñados para satisfacer las necesidades de la industria de la madera y están en constante evolución.

Los adhesivos se utilizan bajo condiciones controladas en la producción de los productos de madera de ingeniería (EWP) estructurales.  Estos productos incluyen madera aserrada unida por entalladuras (KVH), madera laminada encolada (MLE), tablones laminados (DUO, TRIO), madera contralaminada (CLT), madera contrachapada y madera microlaminada (LVL).

 

1. Tipos de adhesivos habituales:

Los tipos de adhesivos más comunes son el fenol-formaldehído (PF), el fenol-resorcinol-formaldehído (PRF), el adhesivo resorcinol-formaldehído (RF), el adhesivo a base de amino resinas (adhesivo melamínico-urea-formaldehído (MUF)), el adhesivo de poliuretano (PU o PUR) y el adhesivo de emulsión de polímero isocianato (EPI). En cada caso, las necesidades del producto final, la clase de servicio en obra (1, 2 ó 3) y el tipo de línea de producción influyen en la selección.

  • Los adhesivos a base de fenol, como el fenol formaldehído (PF), se utilizan principalmente en la producción de madera contrachapada estructural y madera microlaminada (LVL). El PF es la clase más antigua de adhesivos sintéticos. Es muy fuerte y duradero en condiciones secas y húmedas y presenta una gran adherencia a la madera. Son muy fáciles de manejar y el tiempo de vida de la mezcla puede ajustarse fácilmente mediante pequeños cambios de formulación. Los adhesivos de fenol tienen dos o tres componentes, se curan a altas temperaturas, sin endurecedor, y crean una junta adhesiva oscura duradera, frente a la humedad, pero visible. Han sido utilizados y probados para la producción de paneles composites de madera durante muchos años. El contenido de formaldehído libre emitido por el adhesivo PF en los productos de madera de ingeniería es menor que el emitido por los adhesivos MUF y UF (urea formaldehído). Son baratos.
  • Los adhesivos de urea-formaldehído (UF) son los más utilizados en la actualidad. Se emplean desde hace más de 60 años. Estos adhesivos de bajo costo son fáciles de usar en una amplia variedad de condiciones, se curan a bajas temperaturas, tienen excelentes propiedades térmicas y la resina curada no da ningún cambio de color a los paneles terminados.Los adhesivos UF liberan formaldehído en el ambiente interior a tasas más altas que otros adhesivos debido a su reducida resistencia a la humedad, especialmente cuando la temperatura ambiente aumenta. Estas condiciones resultan en la hidrólisis del enlace UF, que aumenta la tasa de emisiones de formaldehído. Como resultado, los adhesivos UF se encuentran con mayor frecuencia en productos utilizados en interiores de edificios, donde hay menos exposición a la humedad.
  • Los adhesivos de melamina urea formaldehído (MUF), o adhesivos de dos componentes melamínico-urea-formaldehído, se utilizan en la producción de muchos productos estructurales de madera, particularmente en la producción de tablones KVH (madera encolada por las testas mediante finger-joint y de madera laminada encolada (MLE). Llevan en el mercado más de 40 años. La MUF se cura a altas temperaturas y crea una junta adhesiva incolora. La melamina proporciona mayor resistencia y durabilidad al adhesivo, a la vez que reduce la tasa de hidrólisis, lo que ayuda a reducir las emisiones de formaldehído del adhesivo. En producción, las juntas de cola MUF aún no endurecidas contienen formaldehído libre, que puede emitirse durante el proceso de endurecimiento. Pero endurecidas las juntas de pegamento son completamente inofensivas. Es bastante caro.
  • Los adhesivos monocomponentes de poliuretano (PUR) se utilizan en la producción de finger joints, madera laminada encolada, troncos laminados y madera contralaminada (CLT) y madera laminada. El adhesivo de poliuretano también se utiliza para unir capas de láminas LVL (face bonding). Los adhesivos de poliuretano para madera se curan cuando se exponen a la humedad a temperatura ambiente (curado en frío) y crean una junta adhesiva incolora. Se preparan utilizando una reacción de poliol e isocianato, que crea enlaces de uretano. La ventaja del adhesivo PU es la reacción de los isocianatos con el hidrógeno activo en la superficie, el substrato o el aire, haciendo posible el encolado de superficies con diferentes contenidos de humedad. El tiempo de curado es relativamente corto, de 3 a 4 horas, lo que da como resultado una unión fuerte y duradera al agua. Durante el proceso de curado, se crea y emite una baja cantidad de CO2. Es fácil de manipular y apenas ensucia las máquinas de encolado y prensado. Las desventajas de los adhesivos de PU son las emisiones de isocianato y la mayor presión necesaria para la fijación.El PUR es un adhesivo libre de formaldehídos.Es bastante caro.
  • Los adhesivos de polímero de emulsión de isocianato (EPI) están hechos de adhesivos de dispersión y curados con isocianato. La línea de cola es de curado en frío, tiene alta flexibilidad, baja fluencia, no contiene formaldehído, no introduce un exceso de humedad en la madera y ofrece una excelente resistencia al agua, tanto en agua fría como en agua hirviendo. Los adhesivos EPI proporcionan una muy buena adherencia y por ello son muy adecuados para el encolado de maderas difíciles como la madera dura, que es un recurso con un gran potencial. Los adhesivos de EPI también se pueden utilizar para pegar madera a metal. Los adhesivos EPI se utilizan más comúnmente fuera de Europa en la producción de finger-joint de pequeñas dimensiones, madera laminada encolada y troncos laminados. Más caro que los basados en formaldehídos.

 

2. Los adhesivos y el fuego:

Los requisitos para la fabricación de la madera contralaminada (CLT) y la madera laminada encolada (MLE) son considerablemente diferentes entre países y, en consecuencia, influyen en su comportamiento frente al fuego. Se ha comprobado que la principal diferencia en los requisitos que influyen en la seguridad contra incendios son las diversas especificaciones de los adhesivos, mientras que otros factores no están suficientemente cuantificados o no varían mucho entre jurisdicciones. En los EE. UU. y Canadá, los adhesivos para la MLE deben pasar la prueba de calificación a una temperatura de 220 °C y una prueba de llama a pequeña escala. En el caso del CLT, esto se ha complementado en 2018 con el requisito de pasar una prueba de llama a pequeña escala y un exhaustivo método de prueba de compartimentos a gran escala para evitar que el carbón se desprenda (delaminación por calor) en caso de fuego. En Europa, Australia, Nueva Zelanda y Japón, los requisitos de adhesivo se elaboran teniendo en cuenta la delaminación inducida por el ciclo caliente-frío y húmedo-seco y, por lo tanto, no tienen en cuenta explícitamente los incendios, lo que aumenta el riesgo de un incendio prolongado dentro de un compartimento de madera (aunque en Australia y Nueva Zelanda es poco probable que esto suceda, ya que los requisitos estructurales sólo permiten adhesivos que no sean sensibles al calor).Se puede decir que, con respecto al comportamiento del adhesivo en el caso de incendio, Norteamérica es actualmente el país que presenta los requisitos más desarrollados y exigentes para la fabricación de CLT.

Algunos fabricantes tienen en cuenta el rendimiento del PUR de los CLT frente al fuego:

Las preocupaciones sobre la resistencia al fuego de los sistemas PUR son infundadas. Aquí, puede hacer fácilmente adaptaciones en los cálculos aumentando la tasa de carbonización. Sabemos que hay discusiones sobre estos aspectos, pero no los consideramos un gran problema“, dice Daniel Wilded, product manager de Martinsons.

Cuando el fuego llega a la junta adhesiva, las altas temperaturas pueden destruirla. Existe la posibilidad de que la capa de madera carbonizada aislante, que se forma en el proceso, se desprenda, aumentando así la carbonización. Este es un fenómeno relativamente raro que se puede tener en cuenta calculando una tasa de carbonización más alta“, explica Christian Lehringer, director de Engineered Wood Europe de Henkel, y añade: “Estudios científicos realizados por la ETH Zurich han demostrado que, en caso de incendio, las dimensiones de la madera contralaminada no son esenciales para las situaciones habituales, independientemente del sistema de adhesión certificado utilizado“.

 

 

3. Evaluación del ciclo de vida de los adhesivos utilizados en las construcciones de madera

Estudios recientes muestran que el adhesivo para madera es un punto caliente del ciclo de vida de los productos de madera de ingeniería. Se han encontrado contribuciones significativas a las siguientes categorías de impacto: calentamiento global, formación de oxidantes fotoquímicos, acidificación, eutrofización, toxicidad. Para todos los adhesivos, la producción de materia prima constituyó el mayor impacto en el resultado final de la producción debido a su alto consumo de materia prima fósil y al uso de energía.

Para la producción de CLT, el adhesivo de PUR de un componente tiene el menor impacto ambiental en comparación con otros adhesivos para las otras etapas del Análisis del Ciclo de Vida (aplicación, fase de uso y eliminación final), excepto para la eliminación final, en la que se observó un impacto similar al adhesivo MUF. El bajo impacto del PUR se debe, principalmente, a una baja cantidad de adhesivo y a que no se requiere ningún endurecedor adicional.

Para todos los adhesivos, la fase de uso tiene un mayor impacto en la toxicidad humana que la producción. En el caso de la MUF, la aplicación también tiene un mayor impacto que la producción (debido principalmente a la emisión de formaldehído).

El impacto de la eliminación final de los adhesivos fue menor en comparación con la producción de los mismos.

Desde que en los últimos años se inició la tendencia a la construcción de edificios modernos herméticos, ha aumentado el problema de las emisiones de formaldehído de los productos de madera en el ambiente interior.

En general, se considera que las emisiones de los productos de madera de ingeniería utilizados en la construcción, como el CLT, son muy inferiores a las de los productos compuestos de madera, como los tableros de partículas. Por lo tanto, para los productos de madera utilizados en la construcción, se espera que las emisiones sean mayores durante el proceso de fabricación que en la fase de uso.

A continuación, se describen el impacto en la salud y el valor umbral de los formaldehídos y los isocianatos emitidos por los adhesivos:

1. El formaldehído es un COV (Compuesto Orgánico Volátil), que se sospecha que causa irritación en los ojos, la nariz y la garganta. Se caracteriza por ser un carcinógeno humano causante de cáncer de nariz y garganta (según la IARC, Agencia Internacional de investigación sobre el Cáncer). La principal área de preocupación medioambiental con respecto a los adhesivos ha sido la emisión de formaldehído procedente de los productos encolados durante la producción y el uso, principalmente los que utilizan adhesivos UF (Urea Formaldehído). Los productos encolados con adhesivos a base de UF, como la madera contrachapada, el MDF y los tableros de partículas, se utilizan a menudo, por ejemplo, en carpintería de cocina y muebles, por lo que pueden provocar un aumento del nivel de formaldehído en el aire interior.

Los organismos reguladores y los consumidores han tomado mayor conciencia de los peligros del formaldehído y se han establecido niveles de emisión en todo el mundo con niveles que se considera que disminuyen de forma aceptable con el paso de los años. La más estricta hasta la fecha (2016) es la tasa de emisión japonesa (F****) de 0,04 ppm, que se está acercando al nivel de fondo del formaldehído. Según la OMS (Organización mundial de la Salud) y el Estándar Europeo E1, el nivel tiene que ser inferior a 0,10 ppm.

La concentración máxima en el lugar de trabajo (MAK) ha sido definida para tener un límite de umbral de 0,37mg/m3. La cantidad de emisiones de formaldehído emitidas por los adhesivos para madera (MUF, PF y PRF) depende del tipo de adhesivo. En el caso de MUF, se observaron emisiones más altas que en el caso de los adhesivos PRF y PF.

El debate sobre los formaldehídos se intensificó de nuevo a raíz de la última normativa europea CLP (clasificación, etiquetado y envasado), que entró en vigor en 2016 y que clasifica el formaldehído como un compuesto carcinógeno de categoría 1B.

No obstante, los fabricantes de tableros están utilizando adhesivos con muy baja emisión e incluso por el uso de otro tipo de adhesivos. La emisión de formaldehído se determina entre otros mediante el análisis de arrastre de gas en cámaras climáticas de acuerdo con la norma EN 717-2. La normativa de clasificación de tableros los clasifica como E1 (inferior a 3,5 mg/m2h) o E2 (superior a 3,5 mg/m2h e inferior a 8 mg/m2h) en función de los miligramos de formaldehído emitido por hora y por metro cuadrado de tablero. Actualmente el uso de tableros con baja emisión o E1 está generalizado, e incluso la tendencia es a minimizar aún más estos valores.

Las emisiones de formaldehído de los principales fabricantes de CLT según EN 717-1 o ISO 16000-3 están entre 0,01 y 0,04 ppm. Las emisiones de formaldehído son, por tanto, significativamente inferiores al límite de 0,1 ppm del Estándar Europeo E1.

La madera maciza emite, de forma natural, formaldehído. La madera de abeto, la habitual en el CLT, emite 0,0055 ppm, según EN 717-1, lo cual es inofensivo.

 

2. Los isocianatos son una familia de productos químicos altamente reactivos con bajo peso molecular. Los compuestos más utilizados son los diisocianatos, como el MDI (diisocianato de metileno difenil), el más empleado, y el HDI, que también se utilizan en los adhesivos PUR. El contacto directo con altas emisiones de isocianato puede causar irritación de las vías respiratorias y de los ojos. El contacto directo con la piel puede causar una inflamación marcada, y hay evidencia de que tanto la piel como la exposición respiratoria pueden llevar a la sensibilización de los trabajadores.

El peligro de exposición está directamente relacionado con la volatilidad y el peso molecular de los isocianatos. Los diisocianatos tienen un mayor peso molecular que otros isocianatos, y su volatilidad, presión de vapor y toxicidad es por lo tanto mucho menor que la de otros isocianatos. Se sospecha que el grupo NCO altamente reactivo de la molécula del isocianato tiene un impacto en la salud humana. Para determinar la calidad del aire se mide la concentración total del grupo NCO. La concentración máxima definida en el lugar de trabajo (MAK) del grupo NCO es de 0,02mg/m3.

Está bien documentado que los adhesivos a base de isocianato liberan monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y gases de cianuro de hidrógeno durante la exposición al fuego.

Isocianatos y CLT:

Los paneles CTL suelen ser muy gruesos y no es posible curar su adhesivo de forma económica en una prensa caliente. Por lo tanto, deben fabricarse con adhesivos para madera de fraguado en frío.

Muchos fabricantes de CLT usan los adhesivos PUR de un componente, representando menos del 1 % del peso de producto final, y usan los compuestos de isocianatos menos tóxicos, el MDI y el pMDI (polímero de MDI).

Porcentaje de adhesivos con respecto al peso de producto final de los CLT de los principales fabricantes, según sus declaraciones ambientales de producto (EPD):

  • El CLT EGO de Egoin: 0,63 % de cola PUR.
  • El CLT de Binder Holz: 0,985 % de cola PUR y un 0,03 % de MUF.
  • El CLT de Stora Enso: 1 % de cola PUR y EPI.
  • El CLT de KLH: 0,6 % de cola PUR, un 1,5 % de MUF y un 0,1 % de.

 

4. Los adhesivos de base biológica

El primer objetivo de la investigación fue encontrar un reemplazo seguro para los adhesivos a base de formaldehído. Actualmente, los isocianatos se están usando como reemplazo, pero presentan riesgos similares para la salud.

Los cambios en la legislación sobre el formaldehído y las certificaciones voluntarios y el interés de los consumidores por los productos sanos y sostenibles son actualmente los factores que impulsan la investigación sobre los adhesivos de base de biológica. Sin embargo, sufren de varios problemas diferentes que dificultan su uso industrialmente. Estos adhesivos son:

  • Taninos:

Proporciona una buena adherencia y mayor tolerancia a la humedad. Como el tanino es altamente reactivo con una vida útil corta, se están desarrollando nuevos reticulantes para ser menos reactivos que el formaldehído. Incluso si se desarrollan métodos de extracción, las tasas de extracción de taninos no son económicamente rentables para la mayoría de las especies de madera porque los taninos no están disponibles en todo el mundo para uso industrial. Además, los taninos tienen una alta viscosidad, un color oscuro y una composición variable que depende de la especie, las condiciones de crecimiento y el momento de la cosecha. Las modificaciones de los taninos se centran en disminuir la viscosidad para facilitar el manejo, aumentar la vida útil de la mezcla y crear un mejor entrecruzamiento (cross-linking). En regiones donde el tanino está fácilmente disponible, el tanino proporciona una alternativa industrialmente viable para los adhesivos sintéticos para composites de madera.

El tanino ha sido utilizado como adhesivo en la producción de tableros de partículas y MDF, así como en la producción de laminados y de unión de finger-joints.

Pruebas de resistencia con adhesivos de taninos

  • Lignina:

El principal problema es su extremadamente baja reactividad, lo que conlleva largos tiempos de prensado (y mayores presiones) y, por tanto, mayores costes de producción en la fabricación de EWP. Su éxito industrial ha sido por lo tanto pequeño, aunque la lignina ha sido probablemente la materia prima más investigada para aplicaciones de adhesivos para madera. La mayor parte de la investigación se ha realizado sobre la lignina industrial procedente de los procesos de fabricación de pasta en procesos de despulpado. Los mejores resultados se han logrado reemplazando, hasta un 30 %, el fenol en las resinas PF. Se ha intentado aumentar el porcentaje de lignina industrial en la resina final a través de diferentes modificaciones. Se tiene noticia del uso de una combinación de tanino/lignina para reemplazar el fenol y de diferentes reticulantes para reemplazar el formaldehído. La lignina de los procesos de biorrefinería ha sido menos investigada. Estos tipos de lignina son típicamente más cercanos a su forma natural que los de los procesos de despulpado. Hay muchas modificaciones inexploradas y formas de usarlas como adhesivos. Sin embargo, los métodos actuales no son lo suficientemente fuertes para aumentar la reactividad de la lignina al nivel que necesita para funcionar como un adhesivo para madera.

  • Almidón:

Los adhesivos a base de almidón proporcionan muchas ventajas para las industrias de madera maciza y madera contrachapada, ya que son fáciles de manejar, son de bajo costo y tienen bajas emisiones de formaldehído. Sin embargo, la falta de reactividad, la resistencia de adhesión, la estabilidad de almacenamiento y la tolerancia al agua de los adhesivos a base de almidón los convierten en un reto cuando se consideran las aplicaciones de los paneles industriales.

  • Soja:

Los adhesivos de proteína de soja, por otro lado, tienen un futuro prometedor. El desarrollo de nuevos reticulantes y agentes de curado ha permitido que las proteínas de soja estén disponibles comercialmente en el mercado norteamericano. Unos ejemplos son:  SoyStrong y PureBond. Aunque hasta ahora sólo se utilizan paneles “verdes” premium de mayor coste, existe un mayor potencial debido al precio relativamente bajo y a la amplia disponibilidad de la proteína de soja como subproducto. Son respetuosos con el medio ambiente, relativamente fáciles de manejar, y tienen bajas temperaturas de prensado que permiten reducir los costos de producción. Sin embargo, el uso de adhesivos de soja ha estado limitado durante mucho tiempo por su baja resistencia al agua, su sensibilidad a la degradación biológica y una relativamente baja resistencia mecánica de los composites de madera que se fabrican empleando dichos adhesivos.

No obstante, Yahya Mousavi ha desarrollado un adhesivo para madera de fraguado en frío sin formaldehído e isocianato utilizando proteína de soja. Los paneles unidos con este novedoso adhesivo pasaron la prueba de ebullición de dos ciclos, que es el requisito industrial para la producción de paneles de madera para exteriores.

Conclusiones:

Los bio-adhesivos también son más respetuosos con el medio ambiente que los que contienen formaldehído. Un análisis de la cuna a la tumba realizado por un equipo de Scion, que consideró los insumos directos e indirectos y la eliminación final, encontró que incluso con sólo un 10% de contenido de adhesivo, el MDF fabricado en Nueva Zelanda con el  bio-adhesivo Ligate tuvo un impacto ambiental un 22% menor a lo largo de su ciclo de vida, en comparación con el MDF fabricado con adhesivo petroquímico. La diferencia se debió en gran medida a que el bio-adhesivo utiliza menos petróleo crudo y tiene menos emisiones de transporte asociadas con su producción, y está asociado con menos impactos en la salud humana.

Los adhesivos de base biológica que están disponibles y son asequibles para la industria de la madera sufren tres problemas principales: baja resistencia a la humedad, baja reactividad (a excepción del tanino con su alta reactividad) y bajas propiedades adhesivas, y en muchos casos son caros.

Para los adhesivos como la lignina, el almidón y la soja, parece existir un problema común hallado en toda la investigación realizada hasta ahora: la falta de reticulantes de base biológica y económicamente viables para estos adhesivos que aumenten la reactividad, las propiedades mecánicas y la estabilidad a la humedad. Entre los reticulantes sintéticos potenciales, los isocianatos parecen ser los más populares para aplicaciones basadas en la biotecnología cercanas a la comercialización, pero deben descartarse. Por lo tanto, parece que, para encontrar soluciones industrialmente viables basadas en la biotecnología, la investigación sobre adhesivos debe centrarse más en el desarrollo de nuevos reticulantes reactivos.

La resistencia al agua es un área que es particularmente desafiante; el carácter hidrófilo general inherente a la mayoría de los biopolímeros tiene que ser alterado de tal manera que la unión adhesiva final sea capaz de resistir tanto la humedad como el agua de manera suficiente.

Ya existen sistemas adhesivos híbridos (por ejemplo, colas de proteína-PF de la empresa Dynea), compuestos en parte de polímeros de base biológica, que sugieren que la transición a sistemas adhesivos más ecológicos se producirá gradualmente. La transición de la industria a adhesivos para madera totalmente ecológicos, probablemente se prolongará durante bastante tiempo. Tal vez durante 10 años.

Sin embargo, la investigación sobre adhesivos sostenibles se está expandiendo definitivamente y, a medida que surjan nuevas mejoras, su uso industrial aumentará.

 

5. Pero la madera, de manera natural, emite formaldehídos …

La madera natural contiene formaldehído detectable. Los niveles de emisión de formaldehído dependen de factores como la especie de madera, el contenido de humedad, la temperatura exterior y el tiempo de almacenamiento. Las investigaciones muestran que el formaldehído de la madera seca variaba hasta 4 veces entre las especies de coníferas y maderas duras comerciales, pero se mantenía en bajas concentraciones por debajo de 1 mg/100 g. Generalmente, las maderas blandas tienen un contenido más alto de formaldehído que las maderas duras. Mientras que las diferentes calidades de madera no parecen tener ningún efecto sobre el contenido de formaldehído, las diferencias entre la madera juvenil y la adulta se manifestaron de forma mucho más clara. El contenido más bajo de formaldehído se encontró en la madera juvenil de haya (menos de 0,15 mg/100 g) y el más alto en la madera madura de pino (alrededor de 0,70 mg/100 g). La emisión de formaldehído de la madera aumenta durante su transformación como madera aserrada y como paneles de madera (por ejemplo, tableros de partículas y tableros de fibra). Este aumento de emisiones puede atribuirse al procedimiento de procesamiento de la madera, que incluye el secado, el prensado y la termo hidrólisis (ruptura de la lignina y la celulosa con tratamiento de calor y presión). El formaldehído se emite a partir de la madera en condiciones de calor muy intenso y no se espera que sea una fuente significativa de las emisiones de los productos de madera compuesta durante el servicio normal. Los datos presentados son importantes porque los consumidores necesitan entender que las emisiones de formaldehído se producen a través de procesos de degradación natural. Por lo tanto, los productos de madera de “emisión cero” simplemente no son alcanzables con las técnicas de procesamiento actuales.

Se ha demostrado que la emisión de formaldehído de la madera maciza es transitoria, y disminuye rápidamente a niveles inferiores a los establecidos por las normas EN 717-1 (Tableros derivados de la madera. Determinación de la emisión de formaldehído. Parte 1: Emisión de formaldehído por el método de la cámara) y EN 717-2 (Tableros derivados de la madera. Determinación de la emisión de formaldehído. Parte 2: emisión de formaldehído por el método de análisis de gas).

 

6. Wood2new – Calidad del aire interior

En el marco de del proyecto Wood2new, “Competitive wood-based interior materials and systems for modern wood construction”, ya finalizado, Holzforschung Austria recopiló datos sobre el aire interior y parámetros específicos relacionados con la salud en 13 casas prefabricadas de madera recién construidas (6 construcciones de madera maciza, 6 de entramado ligero de madera y una de hormigón, representando ésta una referencia no maderera) y ocupadas a largo plazo.  Se consideraron varios tipos de construcción y ventilación (9 con ventilación mecánica).  Los parámetros observados del aire interior incluían la emisión de compuestos orgánicos volátiles (COV) y formaldehído, microorganismos transportados por el aire como levaduras y moho, partículas y datos climáticos.  Los datos médicos incluían la presión arterial y el pulso, la función pulmonar y la frecuencia de parpadeo de los ojos.  Las mediciones experimentales se completaron con una encuesta médica centrada en parámetros como la calidad del sueño, las reacciones dermatológicas, la percepción del dolor, la presión mental, la calidad de vida y el bienestar general.

La toma de muestras se realizaba siempre en los dormitorios de las casas. La primera toma de muestras tuvo lugar en la construcción de los edificios y sirvió como medida de referencia para las emisiones de los productos de la construcción.   Los muestreos subsiguientes se llevaron a cabo alrededor del momento de la mudanza y a partir de entonces a intervalos regulares (mensuales).

Todos los datos se evaluaron con respecto a la calidad del aire en interiores. La evaluación cuantitativa de las concentraciones de COV detectadas se basó en la directriz austriaca para la evaluación de la calidad del aire interior (BMLFUW 2005).

Conclusiones:

Las emisiones de COV en casas de madera recién construidas y ocupadas fueron inicialmente elevadas, independientemente del tipo de construcción y ventilación. Sin embargo, después de un período de 6 a 8 meses, las emisiones disminuyeron en su mayoría hasta un nivel medio o ligeramente elevado.  Comparando el desarrollo de TVOC de los tipos de construcción investigados, no se pudieron encontrar diferencias significativas entre la madera maciza y el entramado de madera, a pesar de que las construcciones de madera maciza resultaron en una liberación claramente mayor de terpenos.  Las emisiones de formaldehído de las construcciones de madera estuvieron consistentemente en el rango de las de la construcción de hormigón.

El uso de sistemas de ventilación controlada resultó en menores concentraciones de COV y, por lo tanto, en una mayor calidad del aire interior en comparación con la ventilación por ventanas únicamente.

La evaluación cualitativa de las emisiones de COV observadas mostró que el impacto de los productos de construcción, los suelos y los muebles es significativo al principio del período de observación. En una fase posterior, las emisiones detectadas podrían estar relacionadas principalmente con el comportamiento de los ocupantes.

Desde un punto de vista toxicológico, la mayor parte de las casas investigadas eran discretas y la calidad del aire interior se consideraba alta o satisfactoria.

Como resultado de la evaluación médica, se puede enfatizar la muy positiva autoevaluación de los participantes del estudio relacionada con la salud y el bienestar. Las personas que participaron en la prueba estaban muy satisfechas con su salud y calidad de vida a lo largo de todo el proceso. Esta percepción fue confirmada por los exámenes médicos complementarios de carácter orientador, que no dan ninguna indicación de deficiencias físicas en el campo del sistema respiratorio y cardiovascular.

 

 

Bibliografía:

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Enlaces a artículos:

Ensayo de emisión de formaldehído en tableros derivados de la madera

Formaldehyde-Emitting Wood Bonding Adhesives: Separating Fact from Fiction.

How to not come unglued: A wood adhesive story.

New glue: A New Zealand solution to a sticky problem.

Paradigm shift in the use of adhesives. A Scandinavian CLT producer chooses a central European adhesive.

 

Habitualmente se consideran tres o cuatro maderas en estructuras de madera laminada: abeto, abeto Douglas, pino radiata y pino silvestre. Muchas más si se habla de fachadas y tarimas al exterior en madera (alerce, castaño, ipe, iroko, etc.). Pero, ampliando nuestros horizontes cognitivos, existen o han aparecido las maderas de frondosas, con prometedoras posibilidades, para conformar nuevos productos de madera laminada.

En España, la especie de madera más habitual es una conífera, el abeto (Picea Abies), fundamentalmente de importación. Son habituales, aunque bastante menos, el pino radiata (Pinus radiata) y el pino silvestre (Pinus Sylvestris). Este último, como es impregnable, se utiliza, tratado en autoclave en profundidad, para la clase de uso 4 (al aire libre y en contacto con el suelo).

MLE -abeto

MLE – pino silvestre tratado en autoclave

Estas maderas de coníferas tienen unas características y resistencias por todos conocidas. Pero desde hace unos años, las especies de frondosas, o de árboles de hoja caduca, han emergido en el mercado de la madera laminada con el fin de obtener beneficios que no se pueden lograr con la madera de ingeniería de coníferas puras:

  • Para conseguir mejoras en: resistencia, rigidez y costes.
  • Abrir mercados que no son factibles para las construcciones de MLE de coníferas.
  • Desde el punto de vista de la economía local y mundial y de la sostenibilidad, es importante mejorar el uso material de los rodales de madera de frondosas, que están subutilizados y en fuerte aumento.

Pero ¿qué especies de frondosas hay y dónde se encuentran en mayor proporción en Europa? Las especies de maderas de frondosas más relevantes para la madera laminada, según la proporción de madera de frondosas en pie, son:

  1. Roble (Quercus petraea, Quercus robur): Francia (59%), Alemania (33%), R. Checa, …
  2. Haya (Fagus sylvatica): Alemania (60%), Austria (68%), Francia (22%), …
  3. Castaño (Castanea sativa): Francia (11%), España, Italia, …
  4. Abedul (Betula spec.): Finlandia, Rusia.
  5. Chopo: Italia, Francia, Rumanía.
  6. Eucalipto blanco (Eucaliptus grandis): España.
  7. Robinia: Hungría.
  8. Fresno: Alemania (7%), Austria (15%).

Todas las especies muestran un desarrollo creciente, o al menos constante, de la población en pie.

Una excepción son los fresnos, que pueden presentar un crecimiento inestable y un volumen de existencias debido a la enfermedad (ash dieback) causada por el hongo asiático Hymenoscyphus fraxineus.

MLE – Abedul

MLE – Castaño

MLE – Eucalipto blanco

MLE – Fresno

MLE – Robinia

MLR de roble

Según Simon Aicher, Zachary Christian y Gerard Dill-Langer en su artículo científico Hardwood glulams – emerging timber products of superior mechanical properties:

“Las propiedades mecánicas de las vigas laminadas hechas de las especies predominantes de madera dura europea de castaño, roble y haya son al menos iguales y generalmente superan la resistencia a la flexión de las clases más altas de resistencia a la flexión de la madera laminada de conífera europea. En cuanto a la resistencia a la compresión paralela a la fibra, incluso las vigas laminadas de madera dura de menor densidad (p.ej. castaño) superan el nivel de resistencia de la madera laminada de conífera en un factor de aproximadamente 2. La madera microlaminada de haya (LVL), que tiene las propiedades de resistencia y rigidez más elevadas de todas las vigas laminadas de madera dura de hoy en día, abre nuevas perspectivas para la competitividad de los elementos de construcción de madera frente a las estructuras de acero y hormigón.”

Baubuche G70

Según Simon Aicher, en su ponencia Glulam made of hardwoods. State of the art – species, adhesives and national/european approvals, EU Hardwood, 22nd International Conference Holzbau-Forum, Garmish, 2016, hay unos límites físicos en la fabricación de laminados de frondosas:

Limitations of harwodds glulam – Simon Aicher

En cuanto a las principales propiedades mecánicas de los laminados de madera de frondosas:

Hardwoods glulam bending strenght

Hardowood glulam E-modules

Y en el ámbito de los adhesivos, Simon Aicher, Zachary Christian y Gerard Dill-Langer, concluyen que:

“Aparte de las propiedades mecánicas superiores de las vigas laminadas de madera dura, no debe negarse, sin embargo, que el establecimiento y la constancia de la producción de encolados fuertes y duraderos en las uniones ‘finger-joint’ de madera dura y en las líneas de encolado de laminado plantean una tarea considerable y más delicada, esencialmente relacionada con el aumento de las densidades de la madera.”

 

Híbridos de MLE.

Si la MLE de frondosas es cara, se puede optimizar la MLE de coníferas combinando éstas con aquéllas, es decir, laminando una o varias capas de madera de frondosas en la zona de compresión (parte superior de la sección) y tensión (zona inferior) con un núcleo central de varias capas de madera de coníferas.

Híbrido de abeto en la zona central y de haya en las zonas con tensiones

Como exponen Aishwarya Muraleedharan y Stefan Markus Reiterer en su tesis Combined glued laminated timber usinghardwood and softwood lamellas:

“[…] Se pudo demostrar que el rendimiento de la MLE puede aumentarse mediante la combinación de láminas de madera dura (roble) y de madera blanda (abeto) en la producción de vigas laminadas encoladas.  De esta manera, la rigidez y la capacidad de carga de la viga pueden aumentar.  Además, se demostró la gran influencia de las propiedades mecánicas de la madera dura en comparación con la madera de coníferas sobre la base de su rendimiento superior. […] Para aumentar la rigidez de las vigas se requiere una mayor diferencia en el módulo de elasticidad de las láminas individuales. […] Se puede observar un mejor rendimiento si se colocan dos láminas en cada lado.”

Una conclusión importante que encontraron Muraleedharan y Reiterer es que es esencial una mejor clasificación de la madera de roble en términos de rigidez.

Diferentes composiciones de madera laminada: (a) sólo madera blanda (b) madera dura en la zona de tensión (c) madera dura en la zona de compresión y en la zona de tensión (d) sólo madera dura. Imagern de Aishwarya Muraleedharan y Stefan Markus Reiterer

Incluso se puede combinar dos maderas de ingeniería: MLE de abeto y madera microlaminada (LVL) de haya según se muestra en la ponencia Gluing of softwood with other materials, del seminario Timber Based Hybrid Structures, Estocolmo, 2018:

Abeto + LVL de haya

Novedoso es combinar láminas de abeto de baja resistencia (T8/T9), en la parte central, con láminas de madera de haya prensada con resinas fenólicas de alta resistencia en los bordes para fabricar vigas híbridas reforzadas KP-BSH, para la clase de uso 1 y 2, con una capacidad de carga y una rigidez significativamente superiores a la MLE de abeto.

KP-BSH-Hybrid

 

Desde los años 2014-2016 la investigación sobre la MLE de frondosas ha cogido bastante impulso. Las conclusiones principales que se han obtenido en el proyecto europeo European Hardwoods for the Building Sector, finalizado en el 2016, en el marco del programa de investigación WoodWisdom, son:

  • “Las frondosas de la UE demostraron que los recursos de madera de frondosas en Alemania, Austria, Francia y Eslovenia siguen creciendo y, por lo tanto, constituyen un recurso fiable para la producción. La clasificación por grados de resistencia de las maderas duras no es común hasta ahora.”
  • “La comparación de tres especies diferentes mostró que la madera de haya tiene un gran potencial en términos de calidad de material.”
  • Hay un coste de procesamiento adicional en la producción de MLE de frondosas por la gran variabilidad de las resistencias de las piezas de madera, debido a defectos locales relativamente grandes,
  • Impulsar el desarrollo de un modelo para predecir el comportamiento mecánico de la madera dura laminada encolada en cuanto al cálculo de estructuras. El objetivo es preparar el marco normativo que permita la entrada en el mercado de estos nuevos productos.

A estas alturas, se dispone en el mercado de una oferta de MLE de frondosas por parte de varios fabricantes como Gámiz, Hess Timber, Schiller Holz, Simonin, etc. con diversos productos, normalizados y certificados, que satisfarán las necesidades actuales.

 

El chopo

Recientemente, en España se investiga las posibilidades del chopo (álamo temblón, Populus tremuloides) de clones (híbridos), procedente de bosques plantados.

La calidad del árbol y la calidad de la madera se consideran críticos para muchos productos de madera de chopo.

Hay un trabajo intensivo en Hungría para la obtención de nuevas variedades (clones) con propiedades físicas y mecánicas muy diferentes. De hecho, existe una larga tradición del uso de la madera de chopo en Hungría:

Glulam structura made of poplar wood in Hungary – 1975

Y también en Francia tratan de dinamizar el uso del chopo.

LA SALLE GRÉMAUX – peuplier

Pero el chopo tiene unas desventajas como la baja resistencia mecánica, la baja dureza superficial, y una textura y apariencia poco excitante. Se están desarrollando varios métodos de modificación de la madera como los tratamientos térmicos y los tratamientos termohidromecánicos (THM) como una buena oportunidad para aumentar las prestaciones estéticas y mecánicas de las aplicaciones de la madera de chopo.

Los resultados de los prototipos de MLE de chopo en un test húngaro, en la Simonyi Károly Faculty of Engineering, Wood Sciences and Applied Arts, Universidad de West Hungary, 2016, muestran que el módulo de elasticidad es de 11.316 N/mm² y la resistencia a la flexión es de 45,9 N/mm².

No obstante, en España, como afirma Pedro Garnica, el presidente de Propopulus, “hay una paradoja que debemos resolver: aunque los estudios muestran que la demanda de madera aumentará en un futuro próximo, en lo que a la populicultura se refiere, la falta de una regulación europea común para nuestra actividad está provocando que las plantaciones de chopo en Europa disminuyan de forma alarmante. El chopo es uno de los árboles más eficientes en términos de sostenibilidad, ya que una hectárea de chopo captura 11 toneladas de CO2 al año y tiene un ciclo de crecimiento rápido”.

 

 

Como conclusión, la madera, sea de frondosas o de coníferas, es un material que ofrece múltiples combinaciones para conformar elementos laminados. Es más, como aprendices de brujo, se puede jugar con las mejores propiedades de cada madera, resultando en nuevas posibilidades estéticas.

 

Hoy en día, muchas construcciones en madera innovadoras se hacen con elementos de CLT (Cross Laminated Timber, o madera contralaminada). Pero, de hecho, hay una tecnología mucho más antigua, en EE. UU y desde hace 150 años, para la construcción sólida con madera: NLT (Nail Laminated Timber), madera laminada clavada. También se la conoce como heavy timber o mill decking. La idea es sencilla: clavar un montón de tablones de madera maciza colocados, uno al lado de otro, de canto.

Nail Laminated Timber

Nail Laminated Timber

En los años 70’s, aparece el brettstapel concebido por el ingeniero alemán Julius Natterer, que ha sido ampliamente usado en la Europa Central. La primera evolución consistía en tablones de madera aserrada, de clases de calidad inferiores, C16 o C18, continuamente clavados juntos, con clavos largos que penetraban en 3-4 tablones, para formar elementos estructurales de 600 mm de ancho. Luego se usaron adhesivos como una forma de fortalecerlos, permitiendo así abarcar luces más grandes. Pero había un problema al cortarlos porque no se sabía dónde estaban los clavos.

brettstapel_1

En 1999, una compañía alemana desarrolló el Dübelholz con espigas o clavijas de madera insertadas en pre-taladros perpendiculares a los tablones. La idea se basa en un ingenioso método: se combinan dos elementos con diferentes contenidos de humedad: los tablones, de abeto, tienen una humedad del 12-145% y las espigas, del 8 %. Entonces, las espigas se expanden para alcanzar el equilibrio de humedad que bloquea juntos los tablones. Pero como madera merma y se contrae, los tablones quedaban sueltos a lo largos del eje de las espigas.

brettstapel_2

Por eso, en 1998, una compañía austriaca desarrolló un sistema de espigas en ángulo a través de los tablones en formaciones de “v” y “w”. Dando como resultado un sistema se unión muy rígida. Y así se consigue un elemento estructural ecológico, o sea, 100 % en madera.

brettstapel_3

Como dice Samuel Foster, arquitecto asociado de Gaia Group, “”La razón por la que nos mantenemos alejados de las colas es que los eurocódigos que gobiernan los adhesivos estructurales significan que estos productos podrían ser un riesgo para la salud.  Trabajamos sobre el principio de precaución y no hemos visto ninguna evidencia de que estos productos no son nocivos para la salud”.

Se puede aumentar más la rigidez del brettstapel con un perfilado de cada tablón:

brettstapel-feder

En cuanto a longitudes, con el brettstapel se consiguen longitudes de hasta 12 m, ya que se emplea madera maciza KVH (madera maciza empalmada mediante finger-join, en las testas).

En la actualidad, hay más de 20 empresas que fabrican brettstapel en Austria, Alemania, Suiza y Noruega.

Como curiosidad, hay una empresa austriaca, Thoma, que argumenta que sus productos son adecuados para las personas alérgicas debido a la resistencia a los hongos de la “madera de luna” (mondholz). [1]

Hay que hacer un inciso: el brettstapel (o Dowel Laminated Timber, DLT) se fabrica con espigas de madera y en el NLT se utilizan conectores metálicos.

Una de las características relevantes de estos productos es que permiten una diversidad de diseños de perfiles, en la parte inferior, tanto desde el punto de vista estético como de aislamiento acústico.

perfil-acustico

Foto de Marlegno

Foto de Marlegno

 

Y se pueden conseguir formas geométricas como las ondas:

Foto de Structurecraft

Foto de Structurecraft

Mientras el CLT es caro, y si se construye sobre simples tramos, como sucede en viviendas unifamiliares, el NLT hace el trabajo muy bien, es mucho más barato y se puede fabricar por cualquier carpintero de armar.

Foto de Nicola Log Works

Foto de Nicola Log Works

 

Luego se adhiere unos paneles contrachapados, por encima, para proporcionar al panel de NLT capacidad a cortante, o sea, un diafragma estructural.

El NLT requiere un cuidado con respecto a la merma e hinchazón perpendicular a la fibra, por lo que hay que disponer un hueco entre paneles.

nlt-merma-e-hinchazon

El estudio Smith and Wallwork Engineers muestra la eficiencia estructural entre el CLT y el Brettstapel en forjados y muros:

Forjados

Forjados

Paredes

Paredes

Una particular ventaja del NLT frente al CLT es la resistencia frente al fuego. Aunque ambos productos tienen una velocidad de carbonización similar, entre 38 y 44 mm en 60 minutos, es mejor exigir, si se exigir un CLT de más de 5 capas, que proporcionan una ratio de entre 45 y 90 minutos.

nlt-fuego_1

nlt-fuego_2

En este enlace, se ofrece un cálculo online del brettstapel, en alemán.

Como orientación para el cálculo de un forjado de una vivienda residencial, para un vano de 4,5 m, 4 kN de cargas (permanentes y sobrecarga) y una deflexión f = L/300,  resulta un espesor de panel de 140 mm.

 

En resumidas cuentas:

  • El NLT es más fácil de fabricar. Cualquier carpintero lo hace y empleando maderas de origen local y de baja calidad. Pero las longitudes son limitadas a las de la madera maciza.
  • El brettstapel es el más ecológico. Es 100% madera, sin colas.
  • Hay una producción estandarizada de paneles de brettstapel.

 

Una ventaja del NLT y brettstapel frente al CLT es que permite alojar tubos de instalaciones técnicas en los huecos que dejan tablas de distinto canto:

Foto de Tschopp Holzbau

Foto de Tschopp Holzbau

El brettstapel no es tan flexible y fuerte como el CLT, pero para muchos edificios de poca altura, tiene buen desempeño. Pero crea un ambiente interior realmente sano, tiene buena masa termal, permeable a la humedad, buen aislamiento acústico y, a efectos estéticos, prescinde de los paneles de pladur.

 

Ejemplos de proyectos.

En EE. UU, la empresa Structurecraft ha desarrollado bastantes proyectos con la tecnología NLT. Un proyecto relevante de Structurecraft ha sido el T3 Building, en Minneapolis, la primera construcción en madera masiva de EE.UU. Básicamente la estructura principal es de post and beam y los forjados son de paneles de NLT de 3,05 x 12,8 m.

Foto de Structurecraft

Foto de Structurecraft

En el Reino Unido, el estudio Gaia Architects fue el autor del primer edificio que utilizó el brettstapel, el Acharacle Primary School, construido en 2009 y con certificado Passivhaus. Forjados, muros y cubiertas se construyeron a base de paneles de brettstapel, libre de colas.

Interior de la escuela de Acharacle

Interior de la escuela de Acharacle

Gaia via Building.co.uk

Gaia via Building.co.uk

Más información en Brettstapel.org o en Brettstapel.de. Y en Isssuu.

Para descargar el NLT Design Guide de Structurecraft, aquí.

 

 

 

 

[1] Llaman madera de luna a la cortada durante la luna menguante, cuando la savia está más baja en el árbol. La madera se deja secar verticalmente, al revés, con su corteza y algunas ramas dejadas intactas. La gravedad sacará lo que queda de la savia en las ramas, que luego se cortan. Este proceso produce una madera de calidad superior que no tiene agrietamiento, división o deformación, así como ninguna infestación de insectos y una durabilidad más larga. Este proceso no implica el uso de toxinas o el secado en hornos, creando así una menor huella de carbono. Esta es una técnica antigua que ha proporcionado la misma madera que creó los templos de mil años de antigüedad que todavía se mantienen, hasta el día de hoy, en países como Japón.

Los productos de bambú reconstituido (EBP, Engineered Bamboo Products) ofrecen soluciones estructurales y renovables, de base biológica para los sistemas de cerramientos de alto rendimiento

 

En los últimos años han aparecido nuevos productos que mejoran tanto la sostenibilidad como el rendimiento, así como la eficiencia en el diseño y la construcción. Un ejemplo ha sido el bambú. Los productos de bambú reconstituido pueden sustituir a la madera y la madera reconstituida en obras de arquitectura en donde se desea un mayor rendimiento, tanto en términos de sostenibilidad como de estabilidad dimensional. Los arquitectos están encontrando que el bambú reconstituido estructural sirve bien en los contextos en los que los ensambles con el metal, el acero o el aluminio extruido son la norma. Las soluciones híbridas también son más comunes en los últimos años, un enfoque de diseño que empareje el bambú con el acero, el hormigón y otros materiales estructurales.

Parte de los beneficios es para aumentar el uso de materiales rápidamente renovables – a base de materiales de bambú – en la construcción de edificios verdes para incluir componentes estructurales que normalmente se hacen con madera, plástico, metal u hormigón. Con un mayor uso de bambú reconstituido los proyectos de construcción se pueden calificar para conseguir una certificación como el LEED o Passivhaus.

Los fabricantes están descubriendo maneras de aumentar el rendimiento de bambú reconstituido para lograr una mayor sostenibilidad, así como la mejora de la durabilidad, uniformidad, y la fuerza.

Por estas razones, el bambú reconstituido estructural (SEB), así como la chapa laminada de bambú (LVB) se utilizan cada vez más para exteriores de los edificios y los miembros expuestos, como soportes de carga. Para edificios sostenibles y proyectos certificados LEED, Passivhaus, etc., el bambú reconstituido se utiliza para fachadas, revestimientos, muros cortina, acristalamiento estructural, así como una gama de soluciones de puertas y ventanas.

Por estas razones, los productos de  bambú reconstituido estructural, así como los materiales de chapa laminada de bambú se utilizan cada vez más para exteriores de los edificios y los miembros expuestos, como soporte de carga. Para edificios sostenibles y de proyectos certificados, bambú reconstituido se utiliza para fachadas, revestimientos, muros cortina, acristalamiento estructural, así como una gama de soluciones de puertas y ventanas.

El uso del bambú reconstituido para sistemas de fachadas ventiladas y sistemas estructurales está bien establecido; lo que está cambiando es la variedad y la creatividad de los usos en los últimos diseños de edificios. Como la estructura de una cubierta en forma de domo con un arriostramiento con miembros en cruz de la terminal Williamson County Regional Airport, en Marion, IIllinois, EE.UU.

Domo

Imagen de Lamboo

PRODUCTOS DE BAMBÚ RECONSTITUIDO: CONTEXTO Y ANTECEDENTES

Los productos de bambú reconstituido se obtienen del procesamiento de la caña de bambú en bruto en un compuesto laminado, similar a los productos de madera laminada encolada. Este recurso de base biológica se asemeja a la madera en sus propiedades mecánicas, sin embargo, tiene un ciclo de crecimiento y la cosecha más rápido. Además, el bambú se encuentra en muchos lugares donde las maderas blandas y duras son limitadas.

El método de fabricación es conocido como bambú laminado, que mantiene las fibras longitudinales, pero también se aprovecha de la matriz de caña natural. Los tallos de bambú se cortan y cepillan, y luego se procesan según lo deseado antes de la laminación y la compresión en forma de tablero. Este proceso utiliza típicamente menos adhesivo y tiende a dar valores más altos de resistencia-peso.

En el año 2003 comenzaron a testarse los diversos productos de bambú reconstituido, en cuanto a durabilidad y rendimiento estructural, y la comercialización en los EE.UU y en el mundo. Fue a partir del año 2007 cuando tuvieron un rápido crecimiento.

Hoy en día, la atención se ha desplazado a las aplicaciones de los arquitectos, ingenieros y fabricantes de equipos originales para interiores, exteriores, y estructuras. Sin embargo, la industria de la construcción se ha centrado en cómo diseñar con productos de bambú estructurales.

 

SISTEMAS DE CERRAMIENTO Y BAMBÚ ESTRUCTURAL

Para los sistemas de cerramiento como las carpinterías de huecos, muros cortina, y sistemas de fachada ventilada, el bambú ofrece algunas ventajas inherentes: tiene una contracción mínima y una mejor estabilidad dimensional. Los productos de bambú tienen propiedades antimicrobianas naturales por lo que resisten la acumulación de humedad y el crecimiento de mohos. El contenido de sílice del material actúa como un repelente natural de los insectos. El bambú reconstituido tiende a tener una densidad más alta que las maderas duras, lo que aumenta su capacidad estructural con una ligera penalización en puentes térmicos moderados.

En resumen, los SBP son similares a las maderas laminadas encoladas, pero con una consistencia más funcional y mayores resistencias.

 

Imagen de Lamboo

Imagen de Lamboo

Los estudios realizados por la Universidad de Bath Sharma’s utilizando estándares comunes de madera para permitir la comparación con los productos de madera reconstituida, han demostrado que los tableros de bambú reconstituido y los laminados de bambú tienen propiedades que son similares o superan a las de la madera. Otros resultados probados por grupos industriales muestran el alto rendimiento de las piezas de bambú laminado, tienen resistencias a la compresión paralela a la fibra superiores a 13.000 psi (89,63 n/mm²) y resistencias a la tracción de entre 21,000-55,000 psi (144,79 – 379,21 n/mm²). La estabilidad dimensional, muestra que los productos son, de promedio, un 30 por ciento más estable en condiciones ambientales variadas. Resumiendo los resultados, los SBP reconstituidos:

  • tienen tres veces la resistencia mecánica de la madera contrachapada de madera blanda,
  • exhiben resistencias a la compresión de un 30 por ciento más altas que las maderas blandas,
  • tienen resistencias a la tracción de 10 veces mayor que otras especies de madera.
  • son más de un 30 por ciento más estable en la humedad y los cambios de temperatura en comparación con productos a base de madera (dependiendo de la especie de madera).

 

En otros casos, algunas empresas de construcción están adoptando enfoques de construcción modular utilizando bambú reconstituido.

Son variadas las aplicaciones del bambú reconstituido para estructuras al exterior y sistemas de fachadas: muros cortina, componentes de celosía, marquesinas, sistemas de protección solar, etc.

Los productos de bambú estructural (SBP) y productos de bambú reconstituido (EBP) están disponibles en dos grados: grado exterior y el grado estructural.

Un ejemplo de empresa suministradora de estos productos es Lamboo.

Imagen de Lamboo

Imagen de Lamboo

 

FACHADAS SOSTENIBLES Y REVESTIMIENTOS

Hay fabricantes como RAICO que producen un sistema de fachada no portante que es un híbrido de alto rendimiento térmico con piezas de SBP unidas a los marcos de aluminio extruido.

 

En general, estos elementos estructurales se comparan favorablemente con la madera de construcción, madera contrachapada, y los productos compuestos de madera. Para diseñar con bambú reconstituido, los arquitectos pueden considerar las siguientes características de rendimiento (valores de diseño):

– Compresión:

Paralela a la fibra, 13,488 psi (92 n/mm²).

Perpendicular al grano, 3043 psi (21 n/mm²).

– Fuerza flexible: 12.800 psi (88 n/mm²).

– Módulo de elasticidad: 2900 n/mm².

– Rendimiento térmico:

Conductividad K = 0,14 (0,94).

Valor R = 7,9 (1,1).

– Densidad: 42 libras por pie cúbico (672,78 kg/m³).

– Inflamabilidad:

Clase 1 según la norma ASTM E648.

Clase A según la norma ASTM E84.

– Estabilidad dimensional (producto sólido, en un 20 por ciento de humedad relativa):

Factor de estabilidad volumétrica: 0.00144.

Expansión lineal paralela a la fibra: un 0,04 por ciento.

Expansión lineal perpendicular al grano: 0,10 por ciento.

– Contenido de humedad:

Productos sólidos, de 5 a 9 por ciento.

 

En cuanto a la resistencia a las plagas, las pruebas de puesta en servicio en 2004 por St. Louis Testing Laboratories Inc. (y repetido desde entonces) ha indicado que el bambú tratado a presión con boro antes de la laminación registra una mortalidad de las termitas del 100 por ciento. La durabilidad contra hongos destructores de la madera es muy alta debido a las propiedades antimicrobianas inherentes de bambú. Muchos de los PBE no son digeribles para los insectos y microorganismos, ayudando a mejorar su durabilidad y resistencia.

 

Debido a las características estéticas de los materiales, el bambú reconstituido se utiliza mejor en situaciones en las que se deja expuesto. El producto ya ha aparecido en la industria de la ventana y de la puerta, donde la estabilidad estructural es una necesidad.

 

PARA SISTEMAS DE FACHADA VENTILADA Y PANELES DE FACHADA EXTERIOR

 

Para usos de revestimiento, los grados exteriores de bambú de ingeniería incluyen los SBP y LVB, que están disponibles en varios colores estándar y opciones de veteados. Los LVB sólidos pueden ser utilizado como paneles de una sola capa de revestimiento y componentes conexos para diversos tipos de construcción, incluyendo sistemas de fachada ventilada, paneles de sofito, revestimientos, fascias y sistemas híbridos con otros materiales. Por lo general, los productos deben ser especificadas para cumplir con las normas de referencia, los estándares nacionales europeos EN 438-2: Paneles decorativos / Paneles reconstituidos; o la correspondiente norma DIN por el Instituto Alemán de Normalización.

Para diseñar sistemas exteriores con LVB sólidos, los arquitectos pueden elegir entre una variedad de componentes estándar de 1,524 m a 4,876 m de longitud. Los productos estándar incluyen paneles de 1,219 m por 2,438 m de los paneles con un grosor de 12,7 mm, de 19,05 mm y 25,4 mm. Los paneles exteriores deben cumplir con un módulo mínimo de elasticidad de 2.900.000 psi, según DIN 53457.

Para sistemas de fachada ventilada, los sistemas disponibles de los fabricantes incluyen listones estándar de 76,2 mm y 127 mm con detalles de la esquina prediseñados y molduras para ventanas. En detalles similares a otros sistemas de fachada ventilada, los paneles LVB se cuelgan con clips sobre listones perforados dejando un espacio de aire entre los paneles y el revestimiento, más, usualmente, una barrera de aire / humedad.

 

Imagen de Lamboo

Imagen de Lamboo

Las propiedades mecánicas de los paneles LVB para sistemas e fachada ventilada son similares a las de los productos de bambú reconstituido utilizados para sistemas estructurales y de acristalamiento. Presentan una resistencia a la tracción paralela a la fibra de 148 n/mm² y perpendicular a la fibra de 3,74 n/mm².

En términos de opciones de diseño para sistemas e fachada ventilada, los paneles LVB están acabados en colores estándar creados según diversos tipos de tratamiento térmico.

 

VENTANAS Y PUERTAS, DISEÑADAS CON BAMBÚ

 

Los elementos de carpintería de huecos hechos con LVB y otros EBP están ahora en el mercado diseñados para la integración eficiente en sistemas de acristalamiento y estructuras de bambú reconstituido. Los componentes están diseñados específicamente para unidades de acristalamiento aislante (IGU), ventanas, puertas y el rendimiento térmico, así como la resistencia, rigidez, y los atributos de resistencia al agua. Se convierten en una opción efectiva para los desafíos de diseño sostenible.

Una de las ventajas es que los materiales de bambú reconstituido están testados para ser de u 20 a  un 40 por ciento más estables en los cambios climáticos y de temperatura que la madera reconstituida. Los materiales de bambú reconstituido también tienen un mayor módulo de elasticidad, lo que significa que son ideales para los productos y conjuntos de puertas y ventanas. Los LVB funcionan de manera a las maderas duras, sin embargo, los LVB tiene una mejor estabilidad dimensional y como un producto de construcción se puede comprar de forma más sostenible. Algunos equipos de proyecto y usuarios finales ven las propiedades antimicrobianas del LVB como un beneficio ya que las ventanas y puertas resisten la acumulación de humedad y moho. El contenido de sílice en el material actúa como un repelente natural de insectos.

Para fachadas de alto rendimiento, las ventanas tienen una más alta densidad que las maderas duras, que permite estructuras de las carpinterías de huecos sean más resistentes y duraderas – son, a menudo, débiles puntos relativos en el recinto. La densidad tiene un puente térmico moderado en comparación con las maderas blandas, pero esto se compensa con otras ventajas de rendimiento. Para las unidades operables, la estabilidad del material también permite una operación más uniforme y un funcionamiento suave a lo largo de la fase de uso del edificio.

Las maderas blandas pesan cerca de 576 kg/m³, en comparación con el LVB que tiene una densidad de aproximadamente 705 kg/m³, haciéndolos similares a las maderas duras.

El LVB se puede fresar con las mismas herramientas que las maderas duras, haciendo la producción más fácil para los fabricantes de productos de ventanas.

Una de las principales tendencias en el diseño de recintos ha sido la adopción de los estándares de desempeño en las certificaciones LEED del Green Building Council de EE.UU. y, más aún, con los estándares de la casa pasiva súper eficientes. Los principios de diseño de las casas pasivas se basan en cinco principios de las ciencias de construcción: aislamiento continuo en toda la envolvente sin puentes térmicos, una envoltura hermética, una ventilación con recuperación de calor y recuperación de la humedad, ganancia solar controlada y ventanas y puertas de alto rendimiento. Las ventanas son, con frecuencia, de triple acristalamiento y pueden incluir un relleno, tal como el gas argón. Las ventanas y puertas de alto rendimiento de este tipo utilizando LVB se han utilizado con éxito en las estructuras de Casas Pasivas Certificadas.

Entre los recientes avances se incluye una “H window” de LVB diseñada en Noruega, con el mecanismo que gira la ventana 180 grados para la limpieza y mantenimiento sin interferir en los espacios interiores del edificio.

H Window

 

BAMBÚ DE ALTO RENDIMIENTO: CASOS DE ESTUDIO

Algunos proyectos recientes muestran cómo utilizar los productos. Por ejemplo:

  • Un proyecto residencial de la Universidad de Illinois en el Solar Decathlon de 2009.
  • Gable Home, un proyecto certificado por el Passive House Institute de Urbana, Illinois, EE.UU.
  • La terminal del aeropuerto regional del condado de Williamson en Marion, Illinois, EE.UU.

 

VENTAJAS DE APLICACIÓN

Algunas de las plantas de más rápido crecimiento en el mundo son las especies de bambú, debido a un sistema de rizomas dependiente único que les permite crecer hasta 10 centímetros por día. En alrededor de seis a ocho años, las plantas alcanzan la madurez, en comparación con los 20 años o más de la madera tradicional. El bambú también produce el 30 por ciento más de oxígeno en comparación con un área forestal de madera de tamaño similar, según un estudio de la Universidad de Santa Clara, y secuestra un 35 por ciento más de carbono. Su estructura de raíz única elimina la necesidad de volver a sembrar. El bambú se utiliza ampliamente como material de construcción, una fuente de alimento, y como un producto crudo versátil. Como se ha indicado en un informe de la revista Discover hace más de dos décadas, la resistencia a la tracción de bambú rivaliza con la del acero y la resistencia a la compresión es mayor que el hormigón, ladrillo o madera.