Archivos para las entradas con etiqueta: madera laminada encolada

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:

Cronhjort, Yrsa & Hughes, Mark & Tulamo, Tomi & Bysheim, Kristian & Carlborg, Per & Dobianer, Karl & Fürhapper, Christina & Grüll, Gerhard & Habla, Elisabeth & Macé, Elodie & Nord, Tomas & Nore, Kristine & Nyrud, Anders & Suttie, Ed & Truskaller, Michael & Tycho, Jörgen & Weigl, Martin & Vahtikari, Katja & Verma, Ira & Zubillaga, Laura. (2017). Competitive wood-based interior materials and systems for modern wood construction Wood2New.

Grostad, Kristin & Bredesen, Ronny. (2014). EPI for Glued Laminated Timber. 9. 355-364.

Heinrich, Lydia. (2019). Future opportunities for bio-based adhesives-advantages beyond renewability. Green Chemistry. 21. 1866-1888.

Hemmilä, Venla & Trischler, Johann & Sandberg, Dick, Bio-based adhesives for the wood industry: an opportunity for the future?

Hemmilä, Venla & Adamopoulos, Stergios & Karlsson, Olov & Kumar, Anuj. (2017). Development of sustainable bio-adhesives for engineered wood panels – A Review. RSC Advances.

Messmer, Annika & Chaudhary, Abhishek. (2015). Life cycle assessment of adhesives used in wood constructions.

Mousavi, Seyyed Yahya. (2018). The future of wood adhesive industry.

Norström, Emelie & Demircan, Deniz & Fogelström, Linda & Khabbaz, Farideh & Malmström, Eva. (2018). Green Binders for Wood Adhesives.

Salem, Mohamed & Böhm, Martin. (2013). Understanding of Formaldehyde Emissions from Solid Wood: An Overview. Bioresources. 8. 4775-4790.

Sandberg, Dick. (2016). Additives in Wood Products — Today and Future Development.

Solt, Pia & Konnerth, Johannes & Gindl-Altmutter, Wolfgang & Kantner, Wolfgang & Moser, Johann & Mitter, Roland & Van Herwijnen, Hendrikus. (2019). Technological performance of formaldehyde-free adhesive alternatives for particleboard industry. International Journal of Adhesion and Adhesives.

Weigl, Martin & Wimmer, Rupert & Sykacek, Eva & Steinwender, Martin. (2009). Wood-borne formaldehyde varying with species, wood grade, and cambial age. Forest Products Journal. 59. 88-92.

Wiesner, Felix & Klippel, Michael & Dagenais, Christian & Dunn, Andrew & Östman, Birgit & Janssens, Marc & Kagiya, Koji. (2018). Requirements for Engineered Wood Products and Their Influence on the Structural Fire Performance.

 

 

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.

 

La madera se agrieta y sabemos, perfectamente, que es habitual en la madera maciza aserrada, sobre todo en las grandes escuadrías. Y, también, en la madera laminada encolada (MLE), pero bastante menos. Aun así, por diversas circunstancias, la MLE puede agrietarse hasta tal punto cuando, alarmados, nos preguntamos si las grietas pueden comprometer la seguridad estructural. Y cómo pueden ser reparadas.

Grietas en la MLE

Cómo son de frecuentes las grietas y porqué se originan, nos dicen Philipp Dietsch et al.[1]:

Las estructuras de madera, cuando se diseñan, construyen y mantienen adecuadamente, pueden durar siglos, como demuestran muchos ejemplos en todo el mundo. Pero desafortunadamente, no todas las estructuras cumplen con estos requisitos de diseño, construcción y mantenimiento. El daño más frecuente que afecta a la integridad de la sección transversal es el agrietamiento, véase la siguiente figura:

Las grietas (cracks, en inglés) son una forma de alivio de la tensión y no deben confundirse con las grietas debidas al secado (checks, en inglés). La razón de la aparición de las grietas (cracks) en la dirección de la fibra de la madera es la muy baja resistencia a la tracción perpendicular a la fibra (la relación de la resistencia perpendicular a la fibra en la madera laminada encolada varía entre 1/30 y 1/50). Las tensiones de tracción perpendiculares a la fibra en los elementos de madera laminada pueden ser generadas por varios mecanismos: carga externa; tensiones internas debidas a fuerzas de desviación en, por ejemplo, barras curvas; contracción desigual de la sección transversal debido a cambios, o gradiente en el contenido de humedad.

En la evaluación de las grietas, sigue diciendo Dietsch:

Para evaluar las consecuencias de una grieta en la integridad estructural del elemento de madera, es esencial disponer de información sobre las dimensiones de la grieta (longitud, anchura y profundidad) y especialmente la posición dentro del elemento estructural. Esto incluye el sistema estructural, la relevancia del elemento estructural, así como las condiciones de uso del edificio y las condiciones ambientales límite para determinar las causas y posibles consecuencias de las grietas. La determinación de las dimensiones de las grietas ayuda a evaluar la sección transversal residual restante de los elementos estructurales. En este contexto, la profundidad de la grieta es de particular importancia, ya que indica la sección transversal residual para las tensiones de transferencia. Algunas publicaciones indican las profundidades de fisura permitidas para dichas áreas, por ejemplo, […], pero las dimensiones y la ubicación de las fisuras medidas deben evaluarse individualmente para cada estructura. Al considerar las condiciones de contorno estructural, se debe diferenciar entre grietas en áreas de alto cizallamiento y áreas de alta tensión perpendiculares a las tensiones de la fibra, […].

También es relevante si las grietas aparecen predominantemente o con cierta frecuencia en la madera o en la línea de pegado. Una grieta en la vecindad directa de la línea de pegamento no es en todos los casos una indicación de problemas de adherencia o cohesión. El material de madera en las proximidades de las líneas de encolado es la parte más débil de la lámina debido al corte de las fibras durante el aserrado. Además, hay una discontinuidad entre la densidad y también entre las deformaciones inducidas por la humedad entre las láminas adyacentes. A menudo las grietas se producen en la capa límite junto a la línea de pegamento, pero dentro de la madera. Por lo tanto, la grieta debe ser investigada cuidadosamente antes de sacar conclusiones sobre los mecanismos de fallo.

 

Según Steffen Franke et al.[2]:

l tipo de fallo más común, [de las vigas gran vano], se observó como la aparición de grietas (cracks) en la dirección de la fibra. La variación del clima circundante en una viga de madera cambia el contenido de humedad y conduce a la contracción o hinchazón de la sección transversal. Distribuciones no uniformes del contenido de humedad sobre la sección transversal y/o deformaciones de retención conducen a tensiones internas y, si se excede la resistencia del material, a grietas en la sección transversal que pueden reducir significativamente la capacidad, […]. Para determinar la influencia de las grietas en las vigas de madera sobre la capacidad de carga o la rigidez no se conocen métodos completos. […]

La cantidad y distribución de las grietas depende de varios factores, como la calidad de la madera y de la cola, los defectos, la situación de carga o la forma de la viga. En cuanto a la distribución de las grietas en las vigas de madera, se puede encontrar un resumen de sus características en la siguiente tabla:

Causa de la grieta Localización/Cantidad Longitud/Ratio de profundidad* Casos
Conscentración de tensiones (Contracción restringida, nudos, fuerzas transversales, …) En la zona de la singularidad / Individual 1-10 m / principalmente 1,0 35,00%
Cambios de clima normales Aleatorio / Numerosos 0,1 – 1 m / 01, a 0,4 33,00%
Calidad de la pieza (línea de cola o uniones dentadas) En la zona del defecto / Dependiendo de su extensión 17,00%
Sobrecargas (Tensiones de cizallamiento o flexión) Varios / De uno a varios 1 m / principalmente 1,0 15,00%
* Relación entre la profundidad de la grieta y el ancho de la viga.

Nota: El fallo bajo tensión perpendicular a la fibra en las vigas laminadas debe distinguirse del fallo de delaminación dentro de las líneas de encolado […]

 

Una guía interesante para afrontar este problema son unas normas profesionales del Sindicato Nacional de Madera Laminada (SNBL) de Francia, concretamente la Nota Técnica titulada “Nota 1: Estructuras de madera laminada – Recomendaciones para la reparación de madera laminada estructural con grietas o fendas“. Este último permite evaluar la extensión de las grietas de las vigas laminadas e indica las reparaciones que se pueden realizar.

Esta Nota Técnica se puede descargar aquí, previo registro para profesionales.

La Nota Técnica se aplica a las estructuras pertenecientes a las clases de servicio 1 y 2 en el sentido del Eurocódigo 5, para las estructuras de la clase de servicio 3, debe realizarse un estudio especial.

La reparación de grietas o fisuras in situ debe ser realizada por empresas cualificadas y competentes con experiencia en el diagnóstico y la implementación de uno (o más) sistemas de reparación.

La reparación de las uniones dentadas (o finger-joint) no está cubierta por esta nota.

Una grieta se caracteriza por:

– Su longitud.

– Su anchura (a veces llamada apertura o espesor).

– Su profundidad.

La nota técnica describe tres tipos de grietas:

  • Grietas pequeñas y no dañinas.
  • Grietas mayores o menores pero susceptibles de cambiar debido a su ubicación o a tensiones particulares.
  • Más grandes o pasantes. Dado que este tipo de grieta requiere un estudio específico, la nota técnica no trata de los procedimientos para su reparación.

1. Las grietas pequeñas y no dañinas:

Grietas pequeñas y no dañinas_foto

Grietas pequeñas y no dañinas

Dice la Nota Técnica:

Las grietas de esta categoría tienen una profundidad de 1/6 o menos de la anchura “b” de las piezas (no superior a 2,5 cm) y una longitud de unos 2 metros (no superior al 20% de la longitud de la viga), que se produzcan en la madera o en los planos de encolado. Si estas grietas están presentes en ambos lados de la viga y cara a cara o en áreas adyacentes (esto se considera así si las zonas estén separadas por menos de la mitad de la longitud máxima de la zona de fisuración afectada (véase la figura 1), la profundidad máxima de las grietas no debe ser superior a b/12).

 A esta categoría pertenecen las fisuras de las tablas elementales, las irregularidades en la adhesión debidas a la falta de espesor en el borde de la tabla (limitado a 1 mm de abertura) y las fisuras contrariadas por contracción de los elementos laminados.

[…]

Casos de grietas múltiples menores:

Estas grietas, de unos pocos centímetros de longitud y unos pocos milímetros de profundidad, pueden distribuirse a lo largo de toda la altura de la viga y a ambos lados. Estas grietas no requieren reparación estructural.

Grietas en el canto

En general, las grietas que aparecen en los cantos de vigas o pilares en la anchura “b” y que tienen las mismas características que en el párrafo anterior pertenecen a esta categoría y, por lo tanto, pueden ser tratadas de la misma manera.

A menudo aparecen durante la fabricación y se deben a la contracción natural de la madera o a una presión débil en las uniones dentadas.

Grietas en los extremos de las vigas o láminas

Como los extremos de las vigas son particularmente sensibles a la absorción de humedad, pueden mostrar grietas en la cara expuesta de las láminas. Este caso es particularmente común en los pilares para exteriores.

Cuando estas grietas no afectan al funcionamiento de las uniones, no requieren ninguna reparación especial. Se sugiere que, en caso de un alto riesgo de variación termo higrométrica en estas áreas, los extremos de las vigas deben estar protegidos por cualquier dispositivo apropiado. Se recuerda que este documento no se aplica tal cual a las construcciones de la clase de servicio 3.

Este tipo de grietas no necesitan ser reparados y pueden ser simplemente rellenados con pasta de madera o resina epoxi.

 

2. Las grietas importantes o menores que se espera que evolucionen.

Grietas significativas o menores_foto

Grietas significativas o menores

Dice la Nota Técnica:

Las grietas de esta categoría son paralelas a los planos de encolado, en la madera o en el plano de encolado, de mayores dimensiones que las anteriores y que no superan las siguientes características dimensionales:

– Longitud < ¼ Longitud de la viga y limitada a 3 m individualmente.

– Apertura (a veces llamada espesor) < 5 mm en período seco y limitada a 9 mm.

– Profundidad < b/3.

Cuando hay varias grietas, deben estar separadas entre ellas por lo menos 5 láminas. Se excluyen de esta categoría las grietas que se encuentran en las zonas de ensamblaje o delante de una muesca.

Si estas grietas están presentes a ambos lados de la viga y cara a cara o en áreas adyacentes (se considera que éste es el caso si las áreas están separadas por menos de la mitad de la longitud más larga del área de agrietamiento en cuestión, entonces la profundidad máxima de las grietas no debe exceder de b/6).

Estas grietas no deben afectar a las uniones dentadas (finger-joint). En caso necesario, debería realizarse un estudio.

Las grietas importantes no deben dañar las uniones dentadas

Estas grietas reducen la resistencia de la madera laminada encolada y pueden ser reparadas mediante inyección de resina epoxi, según especificaciones validadas por una oficina de control.

 

3. Las grietas más importantes o pasantes

Grietas más grandes o pasantes

Son las grietas de contracción contrapuestas, las grietas inclinadas que se propagan a través de varias láminas, así como las grietas localizadas en las áreas de ensamblaje, en las proximidades de una muesca o en la extensión de una junta dentada, requieren un estudio especial debido a que a menudo son el resultado de un infra dimensionamiento inicial de la estructura y / o de un defecto en la calidad de la madera.

Dice la Nota Técnica:

Antes de cualquier reparación, se debe analizar el origen de las grietas.

Para esta categoría de grietas, las investigaciones a realizar deben ser más completas y tener en cuenta cuando se conozcan las condiciones de fabricación. Sólo un estudio cuantitativo puede validar los protocolos de reparación previstos y destinados a restablecer el funcionamiento normal de la estructura y, en su caso, el apuntalamiento temporal.

Los protocolos de reparación y refuerzo deben ser objeto de especificaciones específicas justificadas mediante cálculo (norma Eurocódigo 5 y/o especificaciones validadas por una oficina de control): inyección de resina y/o zunchado (frettage) mediante varillas de anclaje profundo, varillas encoladas o bridas.

Frettage

En la siguiente tabla se resume la Nota Técnica:

Tipo de grietas consideradas Tipo de reparación Ventajas Inconvenientes
Grietas menores o no dañinas (en el canto; en las testas de vigas o láminas) Rellenado estético Simple y estético No estructural
Grietas significativas o menores y que probablemente evolucionarán Reparación por inyección de resina Simple y estético. Restaura la inercia Resistencia al fuego. Hay que dominar bien las especificaciones del proceso.
Grietas significativas o menores/Grietas más significativas o pasantes* Zunchado (frettage) por varillas de anclaje profundo Estético. Resistencia al fuego. Códigos de cálculo existentes Coste. Colocación en obra a veces difícil.
Grietas significativas o menores/Grietas más significativas o pasantes* Zunchado (frettage) por varillas encoladas Estético. Resistencia. Coste. Las especificaciones para una implementación son complejas. Resistencia al fuego.
Grietas significativas o menores/Grietas más significativas o pasantes* Zunchado (frettage) por placas o bridas Colocación en obra. Coste No estético
* En el caso de grietas más significvativas o pasantes, un estudio cuantitativo debe validar el protocolo de reparación previsto.

 

La reparación de las grietas

Según Lehringer y Salzgeber[3], hay una metodología para la reparación de las grietas:

l criterio más importante para el éxito de la reparación de grietas mediante inyección adhesiva es la obtención de una unión integral entre la madera y el adhesivo. Además de garantizar la idoneidad general del adhesivo, también se deben seleccionar las condiciones de procesamiento adecuadas. En particular, es importante asegurarse de que las superficies que se van a pegar sean de la calidad requerida y de que se aplique la técnica correcta; se evitarán defectos, como bolsas de aire. La tecnología adhesiva aplicada debe considerarse como un sistema único e integrado, cuya planificación y ejecución se confía a expertos o, al menos, se lleva a cabo bajo su supervisión.

Como en el caso de otros métodos de refuerzo, el efecto barrera de las juntas pegadas (gruesas) contra la entrada de agua y vapor de agua también debe ser considerado durante la planificación. Las grandes fluctuaciones de humedad, que dan lugar a cambios significativos en el comportamiento de contracción e hinchazón, pueden dar lugar a un mayor riesgo de delaminación en las zonas afectadas.

La reparación de grietas en vigas de madera laminada requiere un enfoque integral y planificado que luego se ejecuta con una aplicación concienzuda. Las uniones adhesivas deben realizarse con el mayor cuidado. Los posibles defectos de encolado son muy difíciles de identificar una vez finalizado el trabajo y pueden tener graves consecuencias.

Antes de comenzar los trabajos de reparación, un experto en la materia debe realizar una evaluación exhaustiva de los daños, quien, en consulta con el ingeniero de reparación responsable, debe determinar la viabilidad de la reparación y preparar un concepto de sistema de reparación adecuado. Este concepto debe contener información relativa a los siguientes puntos (según el Código de Práctica “Sanierung von BS-Holzbauteilen”):

– Geometría del edificio, patrones de tensión transmitidos y absorbidos por los componentes de madera que soportan la carga.

– Extensión de los daños, prestando especial atención a los registros de grietas.

– Información relativa a las áreas que requieren reparación, con determinación de los procesos y materiales a emplear.

– Cuando proceda, información relativa a la capacidad de carga de los cimientos o del suelo (capacidad de soportar ayudas de accesibilidad, ascensores, etc., y las tensiones derivadas de los soportes ajustables instalados para prensar los componentes a su forma original).

 

Y, por último, se muestran las instrucciones paso a paso para la reparación de grietas, según lo prescrito por el Código de Práctica Sanierung von BS-Holzbauteilen de la Studiengemeinschaft Holzleimbau e.V. (un grupo de estudio de la asociación alemana de fabricantes de madera maciza encolada estructural):

  1. Preparación

– Evaluación de la(s) grieta(s).

– Medición de la humedad de la madera.

– Decisión de si la grieta puede ser reparada en un solo paso o en secciones escalonadas.

  1. Mecanizado de grietas para generar una superficie de unión limpia, si es necesario.

– Utilizar una sierra circular manual o una fresadora manual.

– Cortar hasta el fondo de la grieta si es posible.

– Ancho de la ranura al menos hasta el ancho máximo de la grieta.

  1. Limpieza de las grietas/juntas

– Soplar las grietas/juntas (nota: ¡asegurarse de trabajar sólo con aire comprimido seco y desaceitado!).

  1. Soporte/apuntalamiento/apriete con sargentos desde el lado inferior del elemento a reconstruir

– Consecución del mayor cierre posible de la grieta. A continuación, soltar ligeramente (aprox. 2 mm).

  1. Sellado, tapado o relleno de grietas/juntas con…

Cinta adhesiva

– Utilice cinta adhesiva transparente para observar mejor el flujo de material.

– Además, asegure la cinta adhesiva en los laterales con cinta de fijación de alta resistencia.

Compuesto para espátulas (p. ej. PURBOND RE 3040)

– Aplicar mediante espátula hasta una profundidad aproximada de 5 mm dentro de la grieta.

– Cinta adhesiva/máscara adicional a lo largo de los bordes de la grieta reduce la necesidad de volver a trabajar.

  1. Perforación de agujeros de llenado y ventilación

– A Intervalos de 10-30 cm, dependiendo del ancho de la grieta.

– Aprox. 2-3 cm de profundidad: diámetro correspondiente al tamaño de la boquilla de inyección.

– Alternativa: taladrar en diagonal desde arriba.

  1. Inyección con adhesivo adecuado

– Preparación de una muestra de referencia del adhesivo para su archivo/retención.

– Realizar el trabajo de inyección en tramos de un taladro a otro, paso a paso.

– En el caso de grietas que no discurren horizontalmente, trabajar siempre de abajo hacia arriba.

– Espere en cada caso a que el adhesivo salga por el siguiente orificio taladrado.

– Ejemplo de un sistema de inyección con agujeros taladrados en ángulo (sellado con tiras adhesivas y reforzado con tiras de madera contrachapada).

  1. Cierre de los agujeros taladrados

– Encintado de perforaciones con dispositivos de cierre adecuados, p. ej. con tacos de madera lisos.

  1. Comprobación de la calidad de la unión adhesiva

– Después del endurecimiento completo del adhesivo, extracción de los núcleos de perforación en lugares adecuados y ensayo de cizallamiento de bloques según EN 392.

  1. Limpieza y repaso de la superficie donde sea necesario
  2. Mantenimiento de registros

– Observar el tipo de daño y la descripción exacta de las grietas encontradas (número de grietas, dimensiones, posición, estado de la superficie de las grietas, por ejemplo, si son lisas, fibrosas, limpias o sucias).

– Observación del clima interior (temperatura, humedad relativa).

– Observar la temperatura y el contenido de humedad de los componentes de la madera en las inmediaciones de la grieta.

– Toma de nota del proceso de mezcla.

– Observación de las cantidades de adhesivo y de las proporciones de mezcla.

– Observar el inicio de la inyección de adhesivo y el final del proceso.

– Tomar nota de las cantidades utilizadas para cada grieta individual o grupo de grietas.

– Observar cualquier desviación del procedimiento previsto y otros sucesos significativos.

– Preparación de muestras de adhesivos de referencia para la retención.

– Retención de registros durante 20 años.

 

En el blog de AITIM Informa se puede solicitar una consulta sobre un problema que se tenga en un proyecto de construcción en madera.

 

 

 

 

[1] Dietsch P., Tannert, Th., Assessing the integrity of glued-laminated timber elements, Alemania, 2015.

[2] Franke,S., Franke, B,, y Harte, A. M., “Reinforcement of timber beams”,  en Harte, A.M. & Dietsch, Philipp., Reinforcement of Timber Structures – A state-of-the-art report, Shaker Verlag, Alemania, 2015.

[3] Lehringer, Ch., Salzgeber, D., “Repair of cracks and delaminations in glued laminated timber”, en Franke, S., Franke, B., COST Workshop – Highly Performing Timber Structures: Reliability, Assessment, Monitoring and Strengthening, Bern University of Applied Sciences, COST Action FP1101, Berna, Suiza, 2014.

 

Escrito por el Dr. Robert Hairstans, director del Centre for Offsite Construction and Innovative Structures de la Universidad de Edimburgo Napier y reconocido experto en el campo de la ingeniería de la madera, el libro explora los diferentes productos encolados y no encolados disponibles (CLT, DLT, LVL, MLE, NLT, etc.), a través de un examen detallado de los diferentes procesos de fabricación, junto con sus propiedades y características de rendimiento individuales.

En respuesta a la interminable pregunta de por qué estos productos no se fabrican a partir de madera cultivada en el Reino Unido, el libro ofrece una selección altamente informativa de estudios de caso sobre el trabajo de investigación y desarrollo llevado a cabo por el Dr. Hairstans y otros colegas de la Universidad de Edimburgo Napier sobre el potencial de las diversas especies de árboles disponibles en el sector forestal del Reino Unido para ser fabricadas en sistemas y productos de madera laminada sólida comercialmente viables.

Es interesante que, de entre los casos de estudio, destacan los proyectos que hacen un uso ejemplar de CLT, MLE y LVL fabricados a partir de maderas de frondosas y el potencial de estos productos y sistemas relativamente nuevos para introducir una nueva dimensión en el diseño y la construcción de madera. Un ejemplo es el Warner Stand en el Lord’s Cricket Ground de Londres, con vigas MLE de roble blanco americano, la primera vez que la especie ha sido utilizada en esta escala. No se trataba simplemente de utilizar una madera dura en lugar de una blanda, sino que los retos técnicos son bastante diferentes y, en este caso, los ingenieros y el fabricante, Hess Timber, tuvieron que llevar a cabo una amplia investigación, desarrollo y pruebas.

Los adhesivos que funcionan perfectamente con la madera blanda, por ejemplo, no podían ser absorbidos por el roble blanco debido a su densidad, un problema significativo para las uniones finger-joint, pero que finalmente se resolvió con éxito mediante el uso de un adhesivo moderno de melamina, una solución que no habría sido posible hace una década.

 

Warner Stand

Referencia bibliográfica del libro:

Hairstans, Robert, Mass – an introduction to solid laminate timber systems, Arcamedia Ltd., Edinburg, Reino Unido, 2018, 64 pp., ISBN: 978-1-904320-11-1.

 

Como libro de tapa blanda:

https://www.arcamedia.co.uk/product-page/mass-timber-an-introduction-to-solid-timber-laminate-systems

Como e-book:

https://www.arcamedia.co.uk/product-page/mass-timber-an-introduction-to-solid-timber-laminate-systems-e-book

Mass timber – an introduction to solid laminate timber systems

 

Este post es un resumen general de investigaciones, papers, etc. de unos fallos espectaculares ocurridos entre los años 2005-2007, y de otras sobre colapsos en los inviernos 2009-2011 en Suecia. Para finalizar en el análisis del fallo de un velódromo. Es una lectura larga pero reveladora.

Esperamos que no se caigan. Por eso es necesario comprender cómo y porqué han fallado estructuras de madera en el mundo hasta ahora.

Siemens Arena – Colapso

Pero, ¿qué es un fallo? El fallo es una desviación del statu quo, o que no está cumpliendo las expectativas del objetivo, o es cualquier defecto secundario.

El concepto de fallo considerado se refiere principalmente al estado límite último (por colapso directo de la estructura, aplastamiento local, fisuras, degradación, etc.) y no a la pérdida de servicio (por forjados que vibran, deformaciones excesivas, movimientos por la humedad, mohos y hongos, etc.). Así pues, los fallos se definen como acontecimientos que, directa o indirectamente, tienen o podrían haber implicado un riesgo para la vida humana.

¿Por qué debemos aprender de los fallos/colapsos anteriores?

La hipótesis principal para el trabajo ha sido que todos los fallos son causados por errores humanos. Según Kaminetzky [2], los errores se clasifican en:

  • Errores de conocimiento (formación inadecuada en relación con las tareas).
  • Errores de rendimiento (rendimiento no profesional, descuido).
  • Errores de intención (conscientemente tomando atajos y riesgos para ahorrar tiempo/dinero).

Entonces, debe ser posible prevenir fallos, aprendiendo de los mismos: “La educación y la capacitación son las únicas maneras efectivas de minimizar los fracasos. La formación de un ingeniero, arquitecto o contratista debe proporcionar una comprensión no sólo de las mejores soluciones que pueden adoptarse, sino también de las prácticas que deben evitarse”, según Kaminetzky.

Hay diversos autores que han compilado y analizado los fallos estructurales en estudios previos, pero se encuentran muy pocos casos relacionados específicamente con estructuras de madera. Pero hay un estudio [3] describe 31 casos de manera bastante detallada. A partir de su investigación se pueden identificar las siguientes causas técnicas de los daños: comportamiento inadecuado de las juntas, efectos de la exposición a la humedad (tensiones impuestas, contracción), rendimiento de durabilidad deficiente, arriostramiento inadecuado del sistema estructural, rendimiento inadecuado del material y de los productos, así como una apreciación inadecuada de las cargas.

Al aplicar el Eurocódigo 5, el nivel de seguridad de las estructuras de madera se reevalúa en muchos países europeos en las normas nacionales de aplicación. Esto ha planteado la cuestión de si el nivel actual de seguridad para las estructuras de madera es adecuado en relación con, por ejemplo, las estructuras de acero y hormigón.

Unos colapsos ocurridos en Alemania, Dinamarca, Estados Unidos, Finlandia, Noruega y Suecia entre los años 2005-2007 han supuesto unos acontecimientos negativos para la competitividad de la madera en el mercado de la construcción. La pregunta es qué se puede hacer para reducir el riesgo de fallos en las estructuras de madera en el futuro. Con este fin, se ha realizado un estudio y análisis exhaustivo de los 127 fallos en las estructuras de madera como parte de un programa de investigación sueco-finlandés [3]. Más concretamente, los objetivos de la encuesta sobre los fallos eran obtener una imagen de:

– las causas de los fallos,

– qué tipo de componentes son más propensos a fallos,

– qué modos de fallo son los más frecuentes,

– qué se puede hacer para evitar o reducir los fallos.

El fallo no podía relacionarse con un solo error, sino con dos o tres tipos de errores. Para cada caso en que se identificaron varios errores, se hizo una estimación del peso de cada tipo de error que causó el fallo.

Los diferentes tipos de errores se clasificaron con respecto a las nueve categorías siguientes:

  1. Rendimiento del material de madera.
  2. Errores de fabricación en fábrica.
  3. Principios de fabricación deficientes.
  4. Alteraciones in situ.
  5. Diseño deficiente/falta de diseño con respecto a las cargas mecánicas.
  6. Diseño deficiente/falta de diseño con respecto a las acciones medioambientales (por ejemplo, grietas de secado, efectos de contracción y daños de durabilidad).
  7. Principios pobres durante la erección.
  8. Sobrecarga en relación con la normativa de edificación.
  9. Otras razones desconocidas.

Los datos de este gráfico se pueden agrupar como sigue:

En cuanto al tipo de uso de las edificaciones objeto del estudio, la mitad eran públicos y, en un porcentaje significativo, eran industriales.

Atendiendo a las luces de las estructuras, un tercio tenían entre 10-25 m.

Se puede ver que la causa más común de fallo está relacionada con el diseño. En total, cerca de la mitad de las fallas son causadas por el diseñador (deficiencias en el diseño para la resistencia y/o acciones ambientales). Aproximadamente una cuarta parte de las fallas son causadas por el personal que trabaja en la obra (alteraciones in situ, principios deficientes durante el montaje). Esto significa que la calidad de la madera, los métodos de producción y los principios sólo causan una pequeña parte. El problema, por lo tanto, no es el material de madera, sino los ingenieros y trabajadores en el proceso de construcción.

Esta imagen es similar a la encontrada en otras investigaciones de fallos para otros tipos de estructuras (principalmente de acero y hormigón), en las que se constató que los errores humanos eran la causa dominante de los fallos.

Causa de fallo Madera Acero Hormigón
Diseño/planificación 53 35 40
Proceso de construcción 27 25 40
Mantenimiento/Reutilización 35
Material/Fabricación 11
Otros 9 5 20

Se plantea una cuestión, ¿los ingenieros diseñan mejor las estructuras de acero y hormigón? Sin embargo, tanto si esto es cierto como si no, no puede deducirse de la presente investigación.

En la siguiente tabla se presentan los tipos de elementos estructurales o juntas que intervienen en las fallas.

Las vigas, cerchas y arriostramientos son los elementos estructurales más frecuentes utilizados en las estructuras de tejado y, también, los más frecuentes en los casos de fallo estudiados. Especialmente en el caso de fallo de las cerchas, casi todos los fallos son causados por insuficiencia o ausencia de arriostramiento y principios deficientes durante la erección. En la lista de fallos predominan las vigas, especialmente las curvas y las vigas a dos aguas con cargas que generan tensiones perpendiculares a la fibra, pero también, en gran medida, las rectas.

En el 23 % de los casos, las articulaciones estuvieron implicadas en el caso de fallo. Las uniones tipo clavija son dominantes, tanto en términos de su uso en estructuras como entre los casos de fallas.

En cuanto a la distribución de los modos de fallo identificados, se puede ver que la inestabilidad es un modo de fallo dominante. Esto significa que el colapso/fracaso fue causado por un arriostramiento insuficiente/ausente, lo que llevó al pandeo o fallo del material. Los fallos por flexión y por la tracción perpendicular a la fibra también son comunes.

Existe una correlación entre el modo de fallo y la antigüedad de la estructura en el momento del fallo. Alrededor del 19 % de los casos de fallo ocurrieron durante la erección, cerca de un tercio durante los tres primeros años después de la terminación y el resto más tarde. Muy notable es que cerca del 21% de las estructuras fallaron durante el primer año después de la terminación. La edad media en el fracaso es de 7 años. Algunos fallos ocurrieron después de 30 a 40 años, pero sólo se encontraron pocos casos de fallos debidas a un comportamiento a largo plazo, como la duración del comportamiento de la carga, la descomposición y la corrosión, entre los casos investigados. Estos casos son probablemente más frecuentes en la práctica.

La investigación también se evaluó la solidez [4]. Todos los casos fueron evaluados por la ocurrencia del colapso, naturaleza de la advertencia, consecuencias, naturaleza del colapso secundario y evaluación subjetiva de la solidez, como se muestra en las siguientes figuras.

Un total del 62 % de las estructuras estudiadas se derrumbaron, en el 38 % de los casos, sólo se produjo un fallo local, pero no hubo elementos que se derrumbaron. La naturaleza secundaria del colapso se muestra en la Figura 2. En muchos casos, se produjo una falla completa del techo o edificio, lo que se correlaciona con frecuencia con consecuencias elevadas (Figura 3). Sin embargo, las consecuencias también están relacionadas con el riesgo de muerte o lesiones.

Por lo tanto, un colapso de un polideprotivo, en la que hay muchas personas presentes, tiene consecuencias más graves que, por ejemplo, el colapso de un edificio de almacenamiento. Un indicador de robustez es el tiempo transcurrido desde el inicio del fallo hasta el colapso, que se muestra en la Figura 4, donde se discute el tipo de advertencia. En el 36 % de los casos, prevaleció una advertencia significativa, lo que permitió un refuerzo temporal. En la mayoría de esos casos, se podría evitar el colapso de la estructura. La robustez también fue evaluada subjetivamente de forma independiente por dos personas, evaluando la robustez más libremente y considerando aspectos más generales, véase la Figura 5.  En general, la robustez era bastante baja, lo que se relaciona con la gran cantidad de casos relacionados con la falta o inadecuado arriostramiento, lo que resulta en el colapso total de los tejados.

 

Conclusiones:

Según un estudio alemán realizado en 2006 [5], se encontró que, por el hecho de que una investigación se hace sobre una estructura debido a cambios observados antes de que se derrumbe, existe la posibilidad de fortalecerla y prevenir el colapso, lo cual es un factor de robustez importante.

Los fallos debidos a errores humanos no pueden contrarrestarse aumentando los factores de seguridad o los niveles de seguridad en los códigos estructurales. Ninguno de los fracasos fue causado por combinaciones desfavorables de eventos aleatorios. Por lo tanto, la presente investigación no ha demostrado que el nivel de seguridad de la madera en los códigos estructurales sea inadecuado.

El riesgo de errores humanos puede reducirse mejorando la gestión del proceso de construcción, el control, así como la formación y la educación. Tales medidas deberían centrarse especialmente en los aspectos técnicos que se consideren las causas más comunes de los fallos. La formación de los ingenieros y el control en la fase de diseño debe tener alta prioridad, ya que la presente investigación muestra que la mayoría de los errores se producen en esta fase. Algunas de las cuestiones que conviene destacar son:

  • Arriostramientos para evitar problemas de inestabilidad tanto en la estructura terminada como durante la construcción.
  • Situaciones con riesgo de fallo perpendicular a la fibra.
  • Consideración de los efectos de la humedad
  • Diseño de juntas.
  • Deberían desarrollarse e implementarse métodos especiales para diseñar sistemas de madera de grandes luces para una mayor robustez en aplicaciones de una altura, especialmente para edificios públicos. Una manera de proceder en una situación de diseño debe ser predecir la respuesta y las consecuencias mediante investigaciones sistemáticas de posibles escenarios de fallo asociados con supuestas debilidades en los diferentes elementos del sistema.

 

Un estudio sueco sobre colapsos por la nieve:

Carga de nieve asimétrica en el techo debido al viento predominante en el lado izquierdo de la imagen al nevar, resultando en un colapso.

En Suecia se hizo otro estudio [7], sobre colapsos en los inviernos nevados de 2009/2010/2011. En síntesis:

  • El 18 % de los edificios eran públicos y el 31 %, agrícolas.
  • Casi la mitad tenían entre 10 y 19 metros de luz.
  • Un 25 % tenían entre 10 y 15 grados de pendiente de tejado.
  • La mayoría se construyeron en los años 80 y siguientes.
  • Observaciones sobre las cargas de nieve: no más nieve que en el código; sin descongelación ocasional, el viento del norte/este durante todo el período de nevado llevó a una gran caída de nieve, produciendo cargas de nieve altamente asimétricas; cargas de nieve asimétricas incluso para techos con baja inclinación; la carga de nieve medida en el techo es igual a la carga de nieve en el suelo; grandes diferencias en la profundidad de la nieve para tejados grandes.
  • Causas del fallo en estructuras de madera y vigas laminadas colapsadas. En estructuras de madera: falta de elementos estabilizadores, rotura (falta de mantenimiento), correas como sistema gerber (muy sensible a la carga variable en diferentes luces). Estructuras de viga laminada: riesgo desatendido de pandeo lateral, fisuras en barras de tracción (calidad del acero), placa de anclaje faltante en la conexión de la barra de tracción, fallo de tracción en barras de tracción, detalle incorrecto de la conexión de la barra de tracción.
  • Aspectos críticos en estructuras de vigas laminadas (general):

Aspectos críticos en estructuras de MLE

  • Entrevistas con proveedores (acero, planchas de acero, vigas laminadas):
    • ¿Qué tipo es la estructura colapsada? ¿Es el tipo que todavía se usa o se cambió el diseño?
    • Control del diseño de estructuras colapsadas con códigos antiguos y nuevos – diferencias en algunos casos debido a cargas de nieve más altas / cargas de nieve asimétricas y uso de Eurocódigo.
    • Errores típicos según proveedores: barras de tracción desmontables; corrosión por falta de mantenimiento; nuevo edificio que genera bolsas de nieve; cajeados/agujeros en vigas de madera laminada encolada fabricadas en obra (no en el proyecto) lo que recomendaría, después de la entrega, que se entregara un folleto informativo sobre los mismos; colapso del revestimiento de metal por encima de las vigas primarias debido al alto momento de flexión y a la elevada reacción del soporte (ahora diseñado con mayor margen de seguridad, instrucciones para retirar la nieve en la página de inicio)
    • Problemas típicos según proveedores: comunicación entre los diferentes diseñadores (errores en el diseño de la estabilidad y los soportes, información sobre las bolsas de nieve, etc.); comunicación entre diseñadores y proveedores; falta de información del cliente al proveedor lo que crea una dificultad para realizar un buen diseño.
    • Estructuras/elementos sensibles según proveedores: arcos, sistemas Gerber, grandes deformaciones y fractura en el soporte.
  • Conclusiones y propuestas de acción para evitar colapsos:
    • Se han derrumbado estructuras de tejado delgadas (acero, madera, viga laminada).
    • El 60% de los edificios derrumbados se construyeron a partir de 1980; e inclinación baja (en el 50% de los casos < 15 grados).
    • Razones del fracaso: ningún diseño/diseño incorrecto (incluidos las bolsas de nieve descuidadas): 43%; errores en obra: 30%; material o componente: 11%; falta de mantenimiento: 5%; y otras (incluyendo sobrecarga de nieve): 30%.
  • Conclusiones y propuestas de acción en cuestión de carga de nieva y factores de forma:
    • El valor de la carga de nieve se incrementó en el 2/3 de los lugares en 2006 (disminución en pocos casos).
    • La carga de nieve en la norma actual es plausible.
    • Factores de forma: para tejados con baja inclinación (<15 grados), la norma prescribe una carga simétrica, sin embargo, en realidad la carga de nieve fue altamente asimétrica. Entonces, la introducción del Eurocódigo mejorará esta situación, pero ¿es suficiente? La carga de nieve en tejados planos es igual al 80% de la carga de nieve en el suelo. ¿Por qué?
    • Propuesta de acción: investigar los factores de forma de la carga de nieve.
  • Conclusiones y propuestas de acción en cuestión de debilidades de diferentes construcciones:
    • Viga laminada: tensiones locales (cajeados, ranuras para chapas).
    • Techos de madera clavados: falta de arriostramiento de los elementos comprimidos.
    • Revestimiento del techo: sistemas gerber sensibles a la carga no uniforme; deberían ser diseñado en la clase de seguridad más alta (normalmente en medio); el revestimiento es a menudo demasiado delgado. Una propuesta es informar sobre el diseño correcto del revestimiento.
    • A menudo se descuida el riesgo de un colapso progresivo.
    • Propuesta de acción: formular un folleto sobre las debilidades de los diferentes tipos de tejados (elementos primarios/secundarios, detalles, riesgo de colapso progresivo).
  • Conclusiones y propuestas de acción en cuestión de programas de diseño:
    • Existen muchos programas diferentes.
    • Los proveedores tienen programas propios.
    • Los programas basados en diferentes modelos.
    • Hay muchos programas que no consideran combinaciones de carga importantes.
  • Conclusiones y propuestas de acción en cuestión de, ¿cuántos contratistas?:
    • No hay diferencia si hay uno o varios contratistas.
    • Falta de diseño y ejecución.
    • Falta de competencia para algunos contratistas.
    • ¿Quién tiene la responsabilidad total cuando hay muchos contratistas?
  • Conclusiones y propuestas de acción en cuestión del proceso del permiso de construcción:
    • Dependiendo del momento en que se construyó el edificio, se necesitaban diferentes reuniones y planes de control.
    • Por lo general, se celebraron las reuniones, se acordaron los planes de control, pero no se especificó lo que se comprueba en el plan de control, no hubo documentación.
    • Necesidad de una persona competente que vincule a todos los diferentes contratistas, que sólo tienen la responsabilidad de su parte.
    • Faltan diferentes controles, por ejemplo, el control del efecto de las bolsas de nieve.
    • Conclusión: los colapsos no podrían haberse evitado, aunque se hubieran seguido todas las reglas.
    • Propuestas de acción:
      • El plan de control debe incluir más información técnica.
      • Se necesita un diseñador responsable / experto para reunir todas las piezas
      • Reconstrucción/extensión de edificios: el diseño debe incluir piezas viejas y nuevas.
      • Diferentes piezas de diferentes proveedores: asegúrese de que las diferentes partes interactúan correctamente.

 

Colapso del Siemens Arena:

El Siemens Arena es un velódromo en Ballerup, Dinamarca, cuyo tejado se derrumbó en el año 2003. Dos vigas de las 12 principales del techo se cayeron a pesar de que no había ninguna carga de nieve en el tejado. La investigación del fallo reveló que la causa principal eran unos errores múltiples relacionados con el análisis estructural y la modelización conceptual de la estructura primaria.

Siemens Arena

El método más común para unir elementos de madera hoy en día es mediante uniones mecánicas de pasadores o espigas. Entre los casos de fallas en las articulaciones, éste es el tipo dominante. El diseño de juntas en estructuras de madera es un problema difícil. La transferencia de esfuerzos en las uniones tipo espiga es muy compleja y no se puede describir detalladamente en situaciones de diseño normales. Una complicación adicional es que la madera es anisotrópica y el riesgo de crear tensiones perpendiculares a la fibra es difícil de evaluar. Las excentricidades pueden desarrollarse en el área de la junta, provocando tensiones mucho más altas en la madera que las encontradas en el análisis global de la estructura. En la región de unión, las espigas también pueden reducir significativamente la sección transversal de madera.

Se identificaron los siguientes errores en el diseño y verificación de la resistencia de la junta:

  1. En los cálculos se utilizó la sección transversal nominal. Sin embargo, en la unión del talón, las secciones transversales se reducen para permitir la conexión de las vigas superior e inferior. De este modo, el área de la sección transversal se sobreestimó en un 25 %.
  2. La sección transversal no se ha reducido (sección neta) por los agujeros de tornillos y las ranuras de las chapas de acero. Esto condujo a una sobreestimación de la sección transversal de la viga inferior en un 30 %.
  3. Debido al corte de sierra inclinado de los miembros reunidos en la junta del talón, la fuerza normal (céntrica en el centro del arco) tenía una excentricidad de unos 50 mm, resultando en un momento de excentricidad, que no se tuvo en cuenta en los cálculos de diseño.
  4. El número de espigas y placas de acero en ranuras da lugar a una unión rígida, resultando en un momento adicional, que no fue considerado en el diseño.
  5. El diseño de la unión de pasadores fue incorrecto, utilizando una distribución uniforme de la carga en todos los pasadores. Esto da lugar a una sobreestimación de la capacidad de los pasadores en un 50-100 %.
  6. El corte inclinado resulta en un ángulo entre la dirección de la fibra y el borde de la viga, reduciendo la tensión y la capacidad del momento de flexión.

Todos estos factores mencionados anteriormente implican que la capacidad de la primera hilera de espigas en la viga inferior es sólo del 25% al 30% de la capacidad requerida. Al mismo tiempo, el efecto de carga fue aproximadamente un 30 a 40% mayor que la resistencia característica (con reducciones debidas a la duración del efecto de carga). El fallo de resistencia en la viga inferior en la posición de la primera hilera de espigas inició el colapso.

Al final, la solución se basó en unos cables o barras atirantadas como se explica en la siguiente imagen.

 

Para concluir este post, ¿qué más podemos aprender de los fallos?

Todos los materiales son diferentes: el acero, el hormigón y la madera tienen cosas en común, pero también sus problemas especiales y tipos de fallos.

Un buen ingeniero diseñando estructuras de acero y/o concreto no es, automáticamente, excelente diseñando estructuras de madera.

Se debe proporcionar educación/formación adicional para introducir a los ingenieros a los problemas especiales en ingeniería maderera. Basándose en:

  • base de datos / libros sobre casos de fallos, para aprender de los errores de los demás.
  • Manuales/materiales para el diseño de estructuras de madera incluyendo soluciones buenas y malas, enfocándose en problemas típicos.
  • Cursos de diseño de estructuras de madera.

 

 

 

Referencias bibliográficas:

[1] Kaminetzky D. Design and Construction Failures – lessons from forensic investigations. McGraw-Hill, New York, 1991.

[2] Dröge G., Drög, T. Schäden an Holztragwerken. Schadenfreies Bauen, Band 28, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, 2003.

[3] Frühwal, E., Serrano E., Toratti T., Emilsson A., Thelandersson S., Design of safe timber structures –How can we learn from structural failures in concrete, steel and timber. Report TVBK-3053, Division of Structural Engineering, Lund University, 2007.

[4] Frühwald, E., Fülöp, L., Toratti T., Thelandersson S. Robustness evaluation of failed timber structures, Meeting of COST Action TU 601 (Robustness of Structures), Zürich, Switzerland, 4-5 february 2008.

[5] Frese, M., Blass, H.J. Failure analysis on timber structures in Germany, A contribution to COST Action E55, Modelling of the Performance of Timber Structures, Graz Meeting, may 14/15, 2007.

[6] Johansson C-J., Camilla Lidgren C., Nilsson Ch., Crocetti R., Takras vintrarna 2009/2010 och 2010/2011 – Orsaker och förslag till åtgärder (Roof collapses winter 2009/2010 and 2010/2011 – reasons and proposals for actions), Suecia, 2011.

[7] Hansson, Eva Frühwald, Analysis of structural failures in timber structures: typical causes for failure and failure modes, Suecia, 2011.