Imprimación para madera en masa

TEXTO Y DIAGRAMAS J. David Bowick

El material arquitectónico más novedoso en Canadá en este momento es antiguo: la madera. Pero cuando se convierte en vigas y paneles de madera en masa, el material milenario adquiere cualidades estructurales y de resistencia al fuego que abren nuevas posibilidades para la construcción. Le pedimos al ingeniero estructural David Bowick que nos explicara los conceptos básicos del trabajo con estructuras de madera maciza. Esto es lo que nos dijo.

La construcción con madera en masa, que utiliza vigas y columnas laminadas encoladas (glulam) con productos como madera contralaminada (CLT), madera laminada con clavos (NLT) y madera laminada con clavijas (DLT), está en sus inicios. Con hormigón y acero, existen modelos claros para la construcción comercial: la losa plana de hormigón con tramos de 9×9, con 4 metros de piso a piso, y para el comercio minorista de grandes dimensiones, el tramo de 9×12 con vigas de acero y vigas de acero de alma abierta. Con madera maciza, parece que cada proyecto se construye utilizando un sistema estructural único. Existe la oportunidad de ir más allá de las preocupaciones puramente pragmáticas con la madera en masa. La singularidad del sistema puede convertirse en un objetivo de diseño.

¿Cuáles son las reglas básicas para trabajar con esta familia de materiales? Los sistemas de madera maciza siguen reglas inherentemente diferentes a las del hormigón y el acero. Los tramos cuadrados son efectivos cuando se tiene un sistema que tiene resistencia y rigidez similares en ambas direcciones, pero que son ineficientes con madera, que necesariamente está "construida con palos" con elementos "unidireccionales" (elementos que son mucho mayores en una dimensión que el resto). otros, o tarimas mucho más resistentes en una dirección que en la otra) apiladas sobre elementos unidireccionales perpendiculares. Debido a que los sistemas de madera en masa dependen de vigas, son necesariamente más profundos que los sistemas de losas, lo que requiere mayores alturas de piso a piso. La belleza de la madera y el alto costo de construir con madera maciza significa que los arquitectos y propietarios a menudo quieren exponer y expresar la estructura. Proteger las estructuras de madera expuestas contra incendios y protegerlas de los elementos durante la construcción crea desafíos de diseño y puede resultar costoso.

También es necesario considerar la economía de la construcción. En la construcción con madera maciza, el coste de la fibra representa aproximadamente dos tercios del coste de la estructura. Los elementos de madera en masa se fabrican fuera de sitio en piezas grandes, a menudo aprovechando el fresado CNC, que minimiza la mano de obra tanto en la fábrica como en el sitio. El impacto es que los sistemas que minimizan el uso de materiales pueden resultar económicos, incluso si dan como resultado una mayor complejidad en el sistema.

A medida que el uso de madera en masa se generalice, puede resultar más asequible. Durante muchos años en América del Norte, el costo de la construcción ha estado dominado por el costo de la mano de obra. Las estimaciones actuales sitúan la mano de obra en más del 50 por ciento de los costos totales de construcción. Cuando se consideran otros costos que contribuyen, como el equipo y las condiciones generales, el costo del material en la construcción representa una parte relativamente pequeña del presupuesto total de un edificio.

Además, el inevitable cambio hacia una economía basada en el carbono significa que aquellas tecnologías que contribuyen menos a las emisiones de gases de efecto invernadero acabarán resultando ser las más económicas. La madera es un recurso renovable que encapsula carbono. Es parte de la solución, más que parte del problema. La única pregunta es cuánto tiempo llevará este cambio y qué tan grave será la crisis climática primero.

Mientras tanto, a los arquitectos e ingenieros que trabajan con madera maciza les esperan oportunidades y desafíos. Al concebir este artículo, planeé presentar los méritos relativos de media docena de formas en que se puede ensamblar un piso de madera maciza. Rápidamente me di cuenta de que hay muchos, muchos más que eso. Aquí hay algunos.

1 cubierta corta de viga larga

Si existiera un sistema “normal” para la madera en masa, sería éste. De hecho, el “primer edificio comercial de madera de Toronto en 100 años” en 80 Atlantic utiliza esta configuración, por lo que vale la pena discutirlo primero.

Gary Williams, presidente del fabricante Timber Systems, me dijo una vez que "el sistema que tenga la plataforma menos costosa será el sistema menos costoso". Esto puede parecer contrario a la intuición ya que, en general, las vigas son los componentes más caros de los suelos. Pero con la madera en masa, las vigas representan la minoría del material, por lo que es la plataforma la que determina el costo del sistema. Considere también el hecho de que para reducir el costo de la plataforma, es necesario reducir la luz de la plataforma, lo que significa agregar vigas. Pero a medida que se añaden vigas, la demanda de esas vigas cae proporcionalmente. Entonces, aunque el volumen de madera utilizado en la plataforma disminuye, la cantidad de material en las vigas se mantiene aproximadamente igual.

Si está utilizando un sistema de vigas y tablero, tiene sentido orientar las vigas en la dirección larga y el tablero en la dirección corta, ya que las vigas, al ser más profundas, resisten la flexión de manera más eficiente, lo que resulta en un sistema estructural con menos fibra en general. . Sin embargo, esto también da como resultado un sistema profundo, por lo que podría no ser adecuado si las alturas de piso a piso son críticas.

2 cubierta larga de viga corta

En los casos en los que la altura entre pisos es crítica, puede tener sentido orientar las vigas en la dirección corta, ya que esto dará como resultado un sistema de piso general menos profundo.

Debido a que los componentes de madera en masa están hechos de laminaciones de madera, los tamaños aumentan en incrementos. Para CLT, estos son 105 mm, 175 mm, 245 mm, 315 mm, etc. GLT y NLT siguen las dimensiones de la madera aserrada: 89 mm, 140 mm, 184 mm, 235 mm y 286 mm. En el caso de claros diferentes que están cerca uno del otro, es razonablemente probable que el tablero sea el mismo en ambos sentidos, por lo que puede tener sentido minimizar el tamaño de la viga extendiendo el tablero en la dirección longitudinal.

Los sistemas de vigas y plataformas pueden minimizar la “sombra de las vigas” en edificios con gran cantidad de vidrio, si las vigas están orientadas perpendicularmente a las paredes perimetrales.

3 vigas y vigas

Un sistema de vigas y jácenas es una estrategia para asegurar el mínimo coste, manteniendo el tablero lo más delgado posible. Las vigas están espaciadas en la luz máxima del tablero más económico. Luego se deben proporcionar vigas para soportar las vigas y transferir la carga a las columnas.

Cualquier sistema con vigas tiene un impacto en la distribución de servicios y potencialmente, como resultado, en las alturas de piso a piso. Proporcionar vigas y vigas perpendiculares reduce aún más la flexibilidad, aunque puede generar el esquema estructural más económico.

Los sistemas de vigas y vigas dan como resultado una mayor cantidad de “sombra de vigas” en comparación con los sistemas de vigas y plataformas.

4 vigas bidireccionales

Es particularmente interesante considerar los sistemas de vigas bidireccionales cuando los tamaños de los vanos son iguales en ambas direcciones. Al alternar la orientación de la plataforma en un patrón de tejido de cesta, las vigas en ambas direcciones se cargan por igual. Cada viga recibe la mitad de la carga que recibiría en un sistema de vigas unidireccionales y, como resultado, las vigas pueden ser más pequeñas y livianas.

Cualquier sistema de palos que se exponga a la vista en un techo tenderá a organizar la percepción del espacio, creando una orientación primaria y otra secundaria. Una ventaja de un sistema de vigas bidireccionales es que no existe una orientación dominante, lo que puede tener un impacto beneficioso en la planificación del espacio.

5 marco recíproco

Un marco recíproco es un sistema aparentemente caprichoso que, sin embargo, ofrece algunas ventajas estructurales distintas. La fantasía surge del hecho de que las vigas no necesariamente se extienden de un soporte a otro, sino que forman una red que la investigadora Olga Popovic Larsen describe como “vigas que se apoyan mutuamente en un circuito cerrado”. Los colores rojo y cian en el diagrama de arriba representan las direcciones de urdimbre y trama del marco y resaltan la naturaleza recíproca de su soporte.

Al igual que con un sistema de vigas y vigas, la densidad del marco recíproco se puede configurar para optimizar el tablero, ofreciendo ventajas económicas. Sin embargo, a diferencia de un sistema de vigas y vigas, se trata de una disposición estructural democrática sin una orientación dominante.

Otro beneficio es que en un sistema de estructura recíproca, todos los miembros contribuyen simultáneamente al soporte de la carga, lo que ayuda a mitigar la vibración del piso. Si bien la deflexión estática total bajo carga puede ser la misma, optimizada según los criterios de diseño, la deflexión de carga de un solo punto, que es un indicador del rendimiento de vibración, es mucho menor.

Un sistema de marco recíproco que espacia los elementos de la viga igual al ancho de un panel CLT permite que la plataforma se extienda simultáneamente en dos direcciones. Esto tiene una ventaja limitada en condiciones de carga normales, ya que el CLT manejará tramos cortos cómodamente sin el beneficio bidireccional, pero puede ser un beneficio significativo en caso de incendio, ya que todas las laminaciones son efectivas para resistir la carga.

Una clara desventaja de una disposición de estructura recíproca es que el sistema no es autoportante hasta que esté completo y requerirá cierta cantidad de cimbra para completar el montaje.

CLT compatible con 6 puntos

Un sistema de estructura de CLT con soporte puntual de dos vías aprovecha la resistencia a la flexión bidireccional del CLT para eliminar las vigas por completo, creando un sistema de piso extremadamente delgado. En aplicaciones particulares, esto puede suponer un enorme beneficio.

Sin embargo, el sistema es limitado. CLT es mucho más débil y menos rígido en una dirección debido a la disposición de las laminaciones. Además, solo viene en anchos que oscilan entre 2,4 y 3,0 metros, por lo que esto establece el espaciado de las columnas en la dirección perpendicular a la fibra.

El fuego también es particularmente desafiante. Después de aproximadamente hora y media, habrá quemado dos laminaciones de CLT en un panel de cinco capas. Esto deja sólo dos laminaciones en la dirección fuerte y una laminación en la dirección débil, que pueden no soportar el caso de carga de fuego. Por lo tanto, el CLT utilizado de esta manera a menudo tendrá que encapsularse en paneles de yeso para protección contra incendios, ocultándolo de la vista.

Michael Green ha utilizado ingeniosamente CLT con soporte puntual para crear zonas libres de vigas para la distribución mecánica, en edificios que de otro modo utilizarían sistemas de vigas y plataformas.

7 vigas planas anchas: vigas en la parte inferior

Cuando el objetivo es lograr grandes luces junto con un canto estructural delgado, se pueden utilizar vigas planas anchas hechas de madera laminada o CLT. La capacidad de flexión es proporcional al ancho, pero varía con el cuadrado de la profundidad, por lo que las vigas planas anchas son menos eficientes que las estrechas y profundas. Como resultado, la estructura será menos económica.

Si bien hay una aparente reducción de luz, el sistema no logra los ahorros en cubierta que cabría esperar. Si se carga el borde de una viga plana ancha, se caerá, por lo que se necesita la rigidez de flexión de la plataforma para resistir eso. Efectivamente, el tablero debe abarcar hasta la mitad de la viga, independientemente de su ancho.

8 vigas planas anchas: vigas en la parte superior

Con un sistema de vigas anchas y planas, existe la posibilidad de colgar la plataforma de las vigas, en lugar de sostenerla desde abajo. No hace ninguna diferencia para la plataforma, que de todos modos tiene que extenderse hasta el centro de la viga, aunque agrega la complicación de diseñar soportes (o posiblemente tornillos largos) y protegerlos contra incendios.

En la parte superior de la plataforma, el piso se puede nivelar con un sistema de piso elevado, o la cavidad entre las vigas se puede llenar con tochos de espuma EPS y todo el conjunto se puede nivelar con una capa superior de concreto.

Este sistema puede resultar útil en la planificación del espacio y posiblemente tenga beneficios estéticos al eliminar la sombra del haz. La Villa Mairea de Alvar Aalto te da una sensación del extraordinario impacto de la penetración de la luz natural en un techo de madera sin interrupciones por vigas.

9 vigas planas anchas – Vigas al ras

Es posible utilizar vigas planas anchas en un sistema en el que queden al ras de la plataforma. Esto proporcionará un sistema muy delgado en general y potencialmente económico, porque en este caso, la luz del tablero es solo la distancia entre vigas, no de centro a centro. Sin embargo, tiene el problema de derrumbarse. Si se utilizan columnas convencionales, el sistema es inestable y las vigas caerán bajo cargas desequilibradas. Para resistir esto, las columnas deben ser anchas (casi tan anchas como la viga plana ancha) de modo que la columna resista los momentos desequilibrados. También presenta otros desafíos para el proyectista, que debe desarrollar un sistema de suspensión a ras del tablero y demostrar la resistencia a la torsión y la rigidez de la viga; estas propiedades no se comprenden ni documentan bien.

Este sistema fue desarrollado por Fast y Epp para Arbour, con Moriyama & Teshima Architects y Acton Ostry Architects. El equipo escribe: “El sistema de 'banda de losa' de madera, hormigón y compuesto de gran luz crea un techo casi plano para facilitar el recorrido del servicio y la flexibilidad del espacio. El sistema se inspiró en las estructuras de estacionamiento subterráneas de concreto, donde comúnmente se usan bandas muy poco profundas y muy anchas”.

Todos los sistemas de vigas planas anchas presentan una cantidad mínima de superficie en relación con el volumen, por lo que su comportamiento frente al fuego es casi óptimo.

10 cubierta escalonada

El sistema de plataforma escalonada ha sido utilizado por Michael Green Architects y desarrollado por Equilibrium Consulting. Consta de dos capas paralelas de plataforma, una plataforma superior y una plataforma inferior, separadas y desplazadas, con una superposición relativamente pequeña entre las dos. El solape se fija con tornillos diagonales de manera que se desarrolle un corte longitudinal. El impacto es que la plataforma puede ser delgada, ya que el rendimiento estructural refleja el espesor total, similar a una plataforma de metal corrugado o cartón. Es una forma de conseguir grandes luces con un mínimo de material.

11 casete

El término casete, literalmente caja, se utiliza en la construcción con madera en masa para describir conjuntos fabricados de vigas y plataforma. Estos están optimizados para la capacidad de la grúa, minimizando el número de piezas a montar y acelerando la construcción. Una forma de casete es la viga cajón de madera, que consta de alas superiores e inferiores de CLT con almas de madera maciza (posiblemente de madera laminada). Esta combinación puede ser muy eficaz, ya que se ha eliminado el material menos eficaz cerca del eje neutro. Un sistema de este tipo sería capaz de alcanzar luces muy largas.

Es posible que el vacío se deje abierto para la distribución de servicios o que sea necesario llenarlo para evitar una cavidad que pueda propagar el fuego.

12 celosía de piel estresada

“Piel estresada” es una expresión utilizada en la construcción con madera para describir un sistema en el que la plataforma contribuye a la resistencia a la flexión del sistema al soportar fuerzas de compresión y tracción, y no simplemente transfiere carga a las vigas. Una viga cajón, como se ilustró anteriormente, es un ejemplo de revestimiento estresado, al igual que un panel estructural aislado (SIP).

Una red de piel estresada es un sistema que intenta obtener los beneficios de un sistema de piel estresada en un sistema bidireccional. Dado que la madera es inherentemente un material unidireccional, fuerte sólo en paralelo a sus fibras, las “revestimientos” (paneles CLT) se utilizan en orientaciones opuestas: el revestimiento superior en una dirección y el revestimiento inferior en la otra. La web también debe funcionar en ambas direcciones. Una capa transfiere el corte a lo ancho y la otra transporta la fuerza de la cuerda axial, equilibrando la piel.

El diagrama anterior muestra, en cian, la red superior que actúa compuesta con la piel inferior, formando una armadura vierendeel poco profunda orientada hacia la página. La celosía inferior, que actúa compuesta con la piel superior paralela a la página, se muestra en color canela.

13 nervios

¿Qué haría el arquitecto e ingeniero italiano Pier Luigi Nervi? Con un costo de material alto en relación con los costos de mano de obra, Nervi desarrolló formas estructurales en concreto que optimizaron el uso del material y minimizaron el peso.

La industria maderera en masa se encuentra hoy en una situación similar. El costo de la materia prima es alto (aproximadamente dos tercios del costo total) y la fabricación CNC permite construir formas y conjuntos complejos de manera relativamente económica.

La estrategia estructural utilizada por Nervi para el Palacio del Trabajo de Turín podría adaptarse a una solución de madera maciza. En esta propuesta, 16 vigas radiales se extienden directamente a cada soporte de columna, eliminando la necesidad de una viga, otro ejemplo del uso de madera en un sistema de dos vías. Ocho de las 16 vigas están curvadas y, por tanto, están sujetas a fuerzas de torsión. Para resistir la torsión y evitar que estas vigas giren bajo carga, se proporciona un anillo anular de bloqueo.

14 CVTC

El compuesto de madera y hormigón al vacío (VCTC) es un sistema compuesto de madera y hormigón (TCC) con una capa superior gruesa, aproximadamente igual al espesor de la masa de madera. La parte “anulada” consiste en retirar el hormigón donde es menos efectivo, más cerca del eje neutro, ahorrando peso y reduciendo la huella de carbono del sistema. Los huecos se pueden formar de varias maneras. Se pueden utilizar sistemas de huecos disponibles comercialmente, como Bubbledeck, Cobiax o Sonovoid, al igual que huecos personalizados como bloques de EPS o incluso cajas de madera contrachapada.

La ventaja significativa de un sistema VCTC es la eliminación de vigas y la capacidad de lograr grandes luces. La dirección perpendicular a la fibra de madera la lleva el hormigón solo, que actúa como una viga ancha y plana dentro del espesor de la capa superior. La eliminación de vigas da como resultado un sistema estructural más delgado en general. Además, se simplifica la planificación del espacio y se eliminan las sombras del haz.

Un beneficio secundario es que el sistema es muy versátil. El mismo sistema se puede adaptar para dar cabida a vigas de transferencia o luces excepcionales (como las de un auditorio) sin cambiar el espesor o la apariencia general, variando el equilibrio entre hormigón y madera.

Un sistema VCTC presenta una superficie mínima para disparar, lo que lo hace extremadamente seguro contra incendios. Al agregar barras de refuerzo en la parte inferior de la cubierta, justo encima de la madera, se puede hacer que el sistema sostenga la carga de fuego en ausencia total de madera.

Debido a que el sistema tiene una dirección fuerte (paralela a la fibra de madera) y una dirección débil (perpendicular a la fibra de madera), es ideal para situaciones con tramos desiguales en una relación de aspecto de alrededor de 1:1,5.

El sistema VCTC fue desarrollado por Blackwell y propuesto en una maravillosa (pero fallida) presentación para el proyecto Arbor en la Universidad Goerge Brown, con MJMA y Patkau Architects.

15 DELTABEAM®

El sistema Peikko DELTABEAM es una solución extremadamente eficaz al desafío de lograr grandes luces y poca profundidad. La viga delta de sección triangular se desarrolló originalmente para su uso con elementos prefabricados de núcleo hueco y se ha adaptado para madera maciza.

DELTABEAM es una viga de acero enrasada, formada por un cajón cónico con un ala inferior ancha que sirve de asiento. Las almas de la caja están perforadas con grandes agujeros que permiten que la viga se llene de hormigón desde la parte superior. La capa superior de hormigón es totalmente compuesta, y tanto la plataforma como la viga de acero contribuyen a la resistencia a la flexión y la rigidez del sistema general. Se puede colocar acero de refuerzo dentro de la caja y hacerlo capaz de soportar la carga en caso de incendio sin la contribución del reborde inferior, por lo que es posible que no sea necesario proteger el reborde inferior contra incendios.

Este sistema se utiliza en 77 Wade Avenue, un edificio de oficinas comerciales de ocho pisos diseñado por BNKC Architects con Blackwell Structural Engineers.

16 Cree de Rhomberg

A medida que la madera en masa madura, han aparecido en el mercado muchos sistemas propietarios y no propietarios, y entre la redacción y la publicación de este artículo, sin duda habrá algunos más. Algunos tendrán piernas y aguantarán, mientras que otros no. Muchos son compuestos, que combinan madera con acero y hormigón para obtener el máximo beneficio.

Cree de Rhomberg es un sistema modular patentado que ha ganado cierta popularidad en Europa. Consta de vigas macizas de madera con tablero mixto de hormigón formado, prefabricadas en paneles de 2,5 a 3 metros de ancho por un vano completo de largo. En los bordes exteriores, el hormigón se dobla hacia abajo para formar una viga de borde. El exterior podrá apoyarse sobre columnas o paneles de pared modulares. En el interior, los paneles se apoyan sobre una viga cajón de acero, con un ala inferior ancha que actúa como asiento.

17 Láminas de Zollinger

Cuando el arquitecto e ingeniero alemán Friederich Zollinger inventó el tejado de láminas en la década de 1920, fue para responder a una grave escasez de viviendas y materiales de construcción tras la Primera Guerra Mundial. El sistema utiliza segmentos de madera simples y estándar en un patrón romboidal. Zollinger Lamella es un sistema de estructura recíproca, donde las vigas están orientadas en forma de diagrid. Una de las grandes ventajas de Zollinger Lamella proviene de la forma arqueada del tejado. El sistema también tiene ventajas en terreno llano. La alta densidad de las láminas permite fabricar piezas individuales de tamaño pequeño y los paneles de cubierta lo más finos posible. Orientar la plataforma ortogonalmente sobre una cuadrícula de vigas crea un diafragma muy fuerte, lo cual es un beneficio para resistir cargas sísmicas y de viento.

18 triple haz

El sistema de vigas triples es uno de varios sistemas de vigas poco profundas totalmente de madera. Con un sistema de vigas triples, la viga del medio es discontinua, lo que permite que la columna pase para soportar la columna de arriba. Esta configuración evita el problema del aplastamiento perpendicular a la veta de la madera y de una gran contracción perpendicular a la veta. Las dos vigas laterales pueden ser continuas más allá de la columna, añadiendo importantes beneficios de resistencia y rigidez.

Al ensamblar la viga a partir de varias piezas, un diseñador puede superar el ancho límite de 365 mm que suele estar asociado a las vigas laminadas. Si bien las vigas anchas y poco profundas son menos eficientes, existe un beneficio desde la perspectiva del fuego, ya que presentan menos superficie en relación con el volumen; Además, las vigas laterales proporcionan protección contra incendios a la conexión de la viga intermedia. Los ahorros en profundidad con este sistema pueden ser críticos a medida que los edificios de madera crecen.

J. David Bowick es director de la firma de ingeniería estructural Blackwell.