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Una breve recopilación de las estructuras híbridas de madera y otros materiales.

Por qué no, así se aúnan lo mejor de sus componentes. Aun así, no es necesario que la mezcla sea la mejor, porque, intencionadamente, se busca algo específico de uno y de otro.
La construcción con madera también ha aumentado en altura en los últimos años. A medida que aumenta la altura, también lo hacen los requisitos que se imponen a la estructura de soporte. Con respecto a la transferencia de carga vertical, este aumento es lineal. La derivación de los efectos horizontales, es decir, sobre todo el viento y los terremotos, se sabe que ejercen una tensión exponencial sobre la estructura portante con el aumento de la altura y, por lo tanto, requiere una consideración especial. Entonces, se impone la consideración de las estructuras híbridas como solución a los nuevos desafíos de ingeniería.
En las estructuras híbridas se busca integrar diferentes materiales para soportar cargas de diseño específicas. La conexión y los detalles de las juntas son cruciales para las estructuras híbridas.

Propiedades de los materiales cásicos

Se enumeran estos sistemas híbridos:

Postframe:
Conocido comúnmente como pole barns, la construcción de edificios postframe es un método de construcción simplificado que se desarrolló en la década de 1930 como una forma de ofrecer una solución rápida y asequible a las nuevas prácticas agrícolas corporativas, que requería edificios con más espacio para la maquinaria, más baratos y fáciles de construir.
Es un sistema de construcción que mezcla elementos del entramado ligero (el tejado, por sus cerchas industrializadas, etc.) con elementos de los edificios rurales tipo barn, los pilares.
El elemento clave son los pilares, más grandes y con mayor distancia que entre ellos, que pueden soportar mayores cargas que los montantes (studs) de los entramados ligeros. Los pilares pueden ser de madera maciza o de madera laminada encolada, y transfieren las cargas, mediante empotramiento, en zapatas o muros-zapata corridas de hormigón.
Y pueden ser revestidos con una variedad de cerramientos exteriores.
Más información aquí.

Componentes de un edificio de postframe

Vivienda unifamiliar con postframe – imagen de White Rock Truss LLC

Madera-vidrio:
El vidrio, como material estructural, está ganando un mercado cada vez mayor gracias a la mejora de sus características mecánicas, a su procesamiento más preciso y a una producción más económica. Aunque sabemos que el vidrio es un material quebradizo con una pequeña capacidad de carga, las posibilidades del vidrio moderno en la edificación son enormes. Hasta hace poco, sólo se utilizaba como un elemento de fachada, pero, gracias a los nuevos avances, el vidrio estructural es capaz de transferir cargas significativas. El vidrio de ahora presenta excelentes características de resistencia a compresión, pero es menos aplicable en los elementos afectados por fuerzas de tracción significativas. Como el vidrio es un material frágil, se intenta combinarlo con otros materiales para desarrollar sistemas compuestos con un mejor comportamiento en tensión.
Se están haciendo muchas investigaciones en el estudio de sistemas compuestos con vidrio en zonas sísmicas. Así, hay diferentes sistemas compuestos de madera y vidrio en el que cada material transfiera una carga. Se puede concluir que los paneles de vidrio, cuando se utilizan como elementos estructurales portadores de carga, pueden sustituir eficazmente a los elementos diagonales visibles y garantizar la estabilidad y la distribución eficaz de la tensión en el plano. Un aspecto crítico es la unión entre la madera y el vidrio estructural, donde se ha demostrado que es clave para obtener una alta capacidad de carga de los materiales compuestos. Un enfoque es la “inserción” del vidrio en marcos de madera donde se han obtenido excelentes resultados en cuanto a ductilidad y disipación de energía sísmica.
En las investigaciones se ha llegado a la conclusión de que los sistemas de soporte de carga estructural de madera y vidrio pueden utilizarse en diversas aplicaciones de construcción, dependiendo de los niveles de soporte o ductilidad requeridos, pero es necesario prestar atención a la unión mutua de los elementos del marco de madera donde se disipa la energía.
Un ejemplo de estas investigaciones es el proyecto Vetrolignum.

En cuanto al fuego, los elementos de madera-vidrio plantean una cuestión importante relacionada con el comportamiento estructural ante el mismo, ya que se sabe poco sobre los efectos de los cambios de temperatura en el rendimiento de los acristalamientos estructurales. Además, los elementos de vidrio absorben y transmiten una cantidad significativa de radiación solar, que pueden alcanzar una temperatura de 50-80°C en verano.

Los grandes cristales de vidrio se utilizan en un concepto de reciente desarrollo llamado edificios de madera-vidrio, en los que los grandes ventanales junto con la estructura principal de madera permiten lograr una alta eficiencia energética.

Imagen de KAGER

Imagen de Kager

Energy-efficient timber-glass es un interesante libro. También es interesante el artículo Simulation-Based Multiobjective Optimization of Timber-Glass Residential Buildings in Severe Cold Regions.

 

Híbridos de CLT:

Sistema de pilar y viga – CLT:

Es la combinación de paneles de madera contralaminada (CLT) en forjado, muros y tabiques y, como estructura portante, un sistema constructivo de pilar y viga (post and beam), o entramado pesado.
Cada vez más, los edificios modernos de madera se diseñan con productos de madera pesada de ingeniería en virtud de su mayor resistencia y flexibilidad de diseño. Productos como el CLT (Cross Laminated Timber) y la madera laminada encolada (MLE).
La madera laminada permite la flexibilidad de diferentes formas, mientras que el CLT ofrece un sistema estático (propiedades mecánicas fuertes y estables en plano, menor variación de las propiedades mecánicas, dimensiones estables en plano con cambios en el nivel de humedad).
En general, la construcción en madera pesada de ingeniería ofrece a los arquitectos e ingenieros posibilidades de luces más largas y sin soportes, planos de espacio abierto más grandes y edificios más altos. Esto se traduce en espacios amplios, aireados y de aspecto más luminoso. Además, se pueden conseguir formas curvilíneas y fluidas y volúmenes en aumento que contradicen cualquier sensación de masividad. Es la ligereza de la madera pesada.

Imagen de RED Architectes

Adviértase que los paneles pueden ser, también, de NLT (Nail Laminated Timber), DLT (Dovetail Laminated Timber o Bretsttappel) o GLT (Glue Laminated Timber). Con estos paneles se pretende conseguir mayores luces.

Una alternativa para solventar el problema con las grandes luces sería el uso de las vigas-cajón de Kielsteg, con mayor capacidad portante.

Escuela en Bélgica – con paneles de techo Kielsteg con una luz libre de 9 m – Imagen de Buildinx CLT

HCLTP:

Hay un proyecto europeo de la red Wood Wisdom, Hybrid Cross Laminated Timber Plates (HCLTP), centrado en el desarrollo de nuevos tipos de paneles de CLT híbridos, es decir, paneles de CLT combinados con costillas de madera o un solado de hormigón.
Se citan las conclusiones del informe “Less is more – optimized ribber CLTs – the future”:
[…] El análisis numérico ha demostrado que mediante el uso de láminas de madera simples (y asequibles) como costillas en la capa más exterior de una placa de madera laminada cruzada, se puede ahorrar hasta un 50% de madera en comparación con el CLT convencional, manteniendo al mismo tiempo las ventajas del sistema masivo (rigidez en el plano, robustez, etc.). Mediante el uso de una prensa prototipo se demostró que los elementos pueden ser producidos con éxito en un solo paso (montaje, encolado, prensado), […] Las pruebas experimentales han demostrado un comportamiento favorable en la flexión fuera del plano de los nuevos elementos que presentan un comportamiento de daño progresivo con redistribución de cargas entre las costillas.”

HCLTP

CLT-LiFS:

En un estadio de investigación experimental, se está investigando el comportamiento de un sistema híbrido de muros de cizallamiento de madera compuesto de una combinación de muros de cizallamiento de madera de los entramados ligeros tradicionales y de paneles de madera contralaminada (CLT) postensados.
“Los paneles CLT postensados en el sistema híbrido ofrecen resistencia a la carga vertical y lateral y capacidad de autocentrado. Los sistemas tradicionales de entramado ligero (Light-Frame Wood Systems, LiFS) proporcionan una resistencia adicional a la carga lateral junto con una gran cantidad de disipación de energía a través de la fricción de las conexiones de los clavos. Por lo tanto, una combinación de estos dos tipos de estructuras, en las que se utilizan los muros a cortante de madera de los entramados ligeros tradicionales como tabiques estructurales, puede proporcionar una excelente solución estructural para edificios de madera de altura media a alta para apartamentos / condominios, donde existe la necesidad de resistir grandes cargas laterales y verticales, así como estabilidad estructural,” dicen los investigadores.
Los resultados, prometedores, se han publicado en este artículo científico.

CLT-LiFS

De manera diferente, un proyecto real es el edificio Virtuoso cuyo sistema constructivo es el habitual entramado ligero (Wood-frame construction) pero sus forjados son de CLT en vez de viguetas I-joist y contrachapados habituales.

Edificio Virtuoso

Acero – CLT:

Una combinación de columnas y vigas de acero soportan las cargas de transferencia de la estructura, mientras que los forjados y las paredes exteriores en CLT reducen, en gran medida, su peso (en forjados, los paneles de madera pesan, aproximadamente, un tercio de las losas de hormigón equivalentes).
Un ejemplo es el edificio The Cube, en Londres, de Architecs Hawkins/Brown. Según el arquitecto, permite una mayor gimnasia estructural, abriendo formas de construcción más complejas que van “fuera de la caja”.
No obstante, según dijo Tom Ravenscroft, editor de Dezeen:
“Pero la introducción del acero en la mezcla añade naturalmente carbono incorporado y diluye las credenciales de sostenibilidad de un proyecto CLT puro. Además, se señala que los beneficios de la estanqueidad de CLT se reducen drásticamente, a la vez que se añaden más materiales y gremios en el sitio, lo que repercute en los beneficios del programa.”

The Cube, Londres – Imagen de Engenuiti

Y otro enfoque, interesante en situaciones de sismo, es el sistema CLT-SMRF. Este sistema combina el comportamiento dúctil del marco de acero resistente a los momentos (Steel Moment Resisting Frame, SMRF) con paneles CLT, más ligeros y rígidos. Sería combinar una estructura portante de acero con paredes de CLT.

Aquí hay unos informes de ingeniería sobre investigaciones de estructuras CLT-acero.

CLT – hormigón:

Combina una capa inferior de madera contralaminada, dispuesta en la dirección del vano, que resiste las tensiones de flexión. Y una capa superior de hormigón armado con un mallazo, que resiste las tensiones de hormigón, pero también proporciona un rendimiento acústico y vibratorio, una seguridad adicional contra incendios y una superficie de desgaste sólida. La losa de hormigón añadida a menudo también puede proporcionar una rigidez lateral añadida a un edificio. Ambas capas están unidas estructuralmente por diversos tipos de conectores, para esfuerzos cortantes, siendo habituales unos tirafondos específicos (como los SFS Intec VB).

Es interesante el diseño de un proyecto de la Universidad de Massachusetts donde el conector es una malla de acero (HBV de TiComTec) que se ha encolado en la capa de madera y se extiende hasta la capa de hormigón, creando así un sistema compuesto.
Entre las dos capas, también se ha añadido una lámina de espuma aislante para mejorar el rendimiento acústico entre los suelos.

Imagen de la Universidad de Massachusetts

Imagen de la Universidad de Massachusetts

EL beneficio del sistema es que, al conectar estructuralmente las capas de hormigón y madera, haciendo el mejor uso de los atributos estructurales de cada material, estamos mejorando significativamente tanto la resistencia (cuánta más carga puede soportar el suelo) como la rigidez (cuánta menos fuerza de rebote tiene el suelo).

 

Sistema de pilar y viga – SIP.
También denominado SIP Híbrido (Hrybrid SIPs). Es la combinación de un sistema de pilar y viga y paneles SIP (Structural Insulated Panel, panel estructural aislado) en muros, forjado, tabiques y tejado. El sistema constructivo SIP, por sí mismo, es estructura portante y envolvente a la vez. Pero, a veces, por diseño u otras circunstancias, se añade una estructura de pilares y vigas, con su capacidad portante y aspecto más estético. El sistema de pilar y viga funciona como estructura portante. Con los paneles SIP (montados en módulos 2D en fábrica) se consigue, como cerramiento y aislamiento, la continuidad de la envolvente.

Imagen de Garnica

 

Acero – entramado pesado:
Combinación de un entramado metálico, resistente a los momentos y a las cargas gravitatorias, y un entramado pesado de madera, para transferir cargas laterales.
Los híbridos de acero y madera parecen ser ventajosos para los sistemas estructurales de varias plantas.
Los elementos híbridos, tanto en dirección horizontal como vertical, tienen una mayor capacidad de carga sin aumentar las secciones transversales. Se pueden transmitir elevadas cargas con conexiones sencillas que aceleran el tiempo de montaje. El peso total se mantiene bajo, lo que es ventajoso en caso de terremoto. En caso de incendio, los elementos de acero están protegidos por los elementos de madera, con mejor comportamiento frente el fuego.
Claro está que la madera se deja vista.

Imagen de Dan Giles Carpentry and Joinery

Imagen de Dan Giles Carpentry and Joinery

Imagen de Dan Giles Carpentry and Joinery

No obstante, vale lo comentado por Ravenscroft en el apartado anterior sobre Acero y CLT.

 

Sistema de pilar y viga – entramado ligero:
Es la combinación de un sistema de pilar y viga, o entramado pesado, como estructura principal, a la vista por su inherente estética, y tabiques y paredes de entramado ligero, por su economía de costes (sobre todo si se fabrican en el taller como paneles 2D) y eficiencia energética.

Imagen de Mundolignia

 

 

Por último, se pueden combinar varios sistemas a la vez, como en el del edifico Carbon 12, en Portland (EE. UU), cuya estructura principal es un sistema de pilares y vigas de madera laminada encolada con paneles de CLT como suelos, un núcleo de estructura de acero como sistema de resistencia a la fuerza lateral, y tabiques y paredes exteriores de entramado ligero.

Estructuras de Carbon 12

 

 

Con la etiqueta de Un proyecto europeo, el blog de Madera Estructural les informará sobre proyectos de investigaciones, en el ámbito de la Unión Europea, que se consideran relevantes en el progreso de la construcción en madera.

Towards Adhesive Free Timber Buildings (AFTB) es un proyecto europeo financiado por el Interreg North West Europe, una institución de la Comisión Europea, y dirigida por ingenieros de la Universidad de Liverpool, Reino Unido.

El objetivo del proyecto es trabajar hacia la eliminación de los adhesivos y el acero en los productos de ingeniería de la madera (EWP) mediante el desarrollo de una alternativa que incorpore tanto las técnicas tradicionales como la investigación avanzada de la madera.

El proyecto tiene dos objetivos principales:

  • La primera consiste en sustituir el adhesivo en los productos de madera de ingeniería encolados (por ejemplo, madera laminada encolada y madera contralaminada, CLT) mejorando las técnicas de Brettstapel (o DLT, Dowel Laminated Timber) del siglo XX con maderas de coníferas altamente densificadas. Sustituyendo las espigas de madera de frondosas (haya) por madera de coníferas densificada.

Brettstapel

Al calentar la madera de coníferas a unos 130°C, se puede comprimir en una prensa hidráulica hasta casi triplicar su densidad original sin dañar significativamente su microestructura. Esto da como resultado un producto de madera densificada con propiedades muy mejoradas, por ejemplo, con un aumento del 120-130% en resistencia y rigidez. Así se consigue un aumento de la resistencia y rigidez de los productos de madera de ingeniería.

 

  • El segundo objetivo es proporcionar una alternativa al acero, para las uniones semidúctiles, combinando los pasadores con las placas de madera comprimida que unen los miembros de madera, por ejemplo, en uniones de viga a columna. Estas conexiones presentan propiedades dúctiles como resultado de la incrustación de los pasadores de madera comprimida en los miembros de madera blanda.

Una imagen del proyecto

Interesante es que se está desarrollando una herramienta de diseño estructural fácil de usar, que permite a los ingenieros especificar y optimizar los diseños EWP sin adhesivo para que se ajusten a los requisitos del uso final.

Por lo que se sabe, a finales del año pasado, hay 10 empresas que adoptan la nueva tecnología y producen una gama de productos EWP sin adhesivos.

Via TRADA.

Web del proyecto.

 

El proyecto AFTB y las investigaciones sobre maderas tan resistentes como el acero (más de 10 veces más fuerte y resistente que la madera normal) o más fuertes como la seda de araña (con una resistencia a la tracción casi cuatro veces superior a la del acero) son relevantes en cuanto, en un futuro a largo plazo, optimizar las estructuras de madera en el sentido de que sean más sostenibles, es decir, con menor huella de carbono empleando menos madera y materiales como el acero.

Antes estructuras como la de la siguiente imagen, uno se pregunta si es una estructura de madera con herrajes metálicos o es una estructura metálica con piezas de madera.

Terminal 2 del Raleigh Durham Airport

Sí, ya se sabe que la madera es mejor en compresióny flexión, y el acero, en tracción. Pero sustituyendo el acero por esas nuevas maderas resistentes a tracción …

Imagen de Strong Work Structural Engineering

Y ante la estructura de esta imagen, podría diseñarse de otra manera con las nuevas tecnologías como las del proyecto AFTB y de las investigaciones mencionadas, por ejemplo, empleando chapas de madera ultrarresistente en vez de acero.

 

 

El estudio de ingeniería Smith and Wallwork, que participan en proyectos en madera y que enseñan en Cambridge, dio una conferencia o lección sobre la madera contralaminada. Tiene un título “sorprendente” porque compara a la CLT frente al acero y al hormigón en términos de eficiencia. También frente a otras opciones como la madera NLT o Brettstapel.

¿Es menos eficiente la CLT?

En:

http://www.smithandwallwork.com/wp-content/uploads/2013/02/SaW_Solid_Wood_Solutions_Feb_2013.pdf

 

El Groupe Cougnaud, de Francia, ha sido el primer fabricante en combinar tres materiales: acero en la estructura tridimensional, hormigón en los forjados y madera en los muros, en la construcción industrializada. Según Cougnaud, estos materiales tienen las siguientes ventajas:

  • El acero:
    • Más resistencia mecánica.
    • Adaptada a las restricciones impuestas por las normas sísmicas.
    • Material 100 % reciclable.
    • Preserva las subestructuras y los acabados durante el transporte (rigidez).
  • La madera:
    • Eficiencia energética.
    • Material ecológico y reciclable.
    • Material valorizable.
    • Participa en la eficiencia térmica y acústica.
    • Refuerza la rigidez estructural.
  • El hormigón:
    • Un plus de resistencia mecánica.
    • Adaptada a las restricciones impuestas por las normas sísmicas.
    • Preserva las subestructuras y los acabados durante el transporte (rigidez).
Estructuras híbridas II

Estructuras híbridas II

 

En:

http://www.yves-cougnaud.fr/construction-industrialisee

 

La firma Takenaka Corporation ha desarrollado una tecnología de conexión (pendiente de patente) para asegurar un rendimiento resistente al fuego, cualidades de diseño, y rendimiento estructural adecuada para las conexiones entre las columnas y las vigas de Moen-Wood®, una madera de construcción laminada resistente al fuego, y se ha aplicado esta tecnología para construir la primera gran instalación comercial de madera  resistente al fuego de Japón, Southwood (Tsuzuki Ward, de la ciudad de Yokohama).

Las conexiones de las columnas y vigas de Moen-Wood se realizan utilizando herrajes metálicos para mantener un alto rendimiento estructural, pero la conductividad térmica del metal es mucho más alta que la de la madera por lo que se temía que durante un incendio, el propio Moen-Wood se extenderá el fuego. Al integrar el herraje de conexión dentro de las capas ignífugas, que son las partes de mortero de la columna y de la viga, Takenaka ha logrado garantizar el desempeño estructural y el rendimiento resistente al fuego de la conexión de modo que el calor no se transmite por el herraje.

Para aplicar este método a un proyecto de construcción, el Instituto de Investigación y Desarrollo Takenaka realizó un experimento de combustión con una fuerza igual a la carga que actuará en un edificio aplicada a una conexión columna-viga de tamaño completo. Cuando se llevó a cabo este experimento, Takenaka pidió a un organismo  comprobar desde la planificación a la etapa de evaluación de los resultados, confirmando que proporcionó un rendimiento resistente al fuego de una hora igual a la de Moen-Wood. El experimento estructural que aplicó una carga a la conexión también se llevó a cabo en el Instituto de Investigación y Desarrollo Takenaka.
Esquema de la tecnología:

La tecnología no requiere una tecnología especial, por lo que su capacidad de trabajo es superior, prometiendo su amplia aplicación en el futuro.

1. Se recorta la capa de sustituto de quemadura de la columna en el lado que debe conectarse a una viga; se taladra un agujero de anclaje  en la parte de soporte de carga; y luego los tornillos y tuercas se utilizan para fijar el herraje en forma de T.

2. Una ranura en la parte de soporte de carga de la viga de modo que la ranura es perpendicular a la columna, y el lado largo del herraje en forma de T se inserta en la ranura.

3. Las clavijas se insertan de modo que pasan a través de los agujeros taladrados en la viga y los agujeros perforados en la cara lateral larga del herraje en forma de T, fijándolos juntos. Entonces, unos tapones de madera se insertan desde ambos extremos de los agujeros de manera que la pieza de metal no pueda ser vista desde el exterior.

Comparación con la construcción de acero:

Normalmente, en un edificio de construcción de acero, una columna y una viga están conectados con pernos en posiciones donde son visibles desde el exterior, y los pernos, que tienen baja resistencia al calor, están protegidos cubriéndolos con un recubrimiento resistente al fuego. El recubrimiento resistente al calor tiene unas pobres características de diseño, y por lo general, el acabado se realiza encima de aquél.

Cuando se usa esta técnica de conexión de columna-viga recientemente desarrollada, las clavijas se usan para formar la conexión con el fin de preservar la solidez. El herraje de conexión, sin embargo, está dentro de la parte del soporte de carga, donde no le afecta completamente el calor en el interior de la madera, por lo que un recubrimiento resistente al calor es innecesario, logrando una apariencia externa con la calidad de diseño superior de la textura de madera.

Más en:

http://www.takenaka.co.jp/takenaka_e/about/news/2013/m1001_04.html

Sobre las nuevas construcciones con esta tecnología en Japón:

http://www.takenaka.co.jp/takenaka_e/about/news/2012/m1001_07.html

http://www.takenaka.co.jp/takenaka_e/about/news/2012/m1001_08.html

Moen-wood_1 Moen-wood_2