Búsqueda de la madera mínima en la construcción

 El proyecto LIFE EcoTimberCell.

El uso de la madera como material estructural en la edificación vuelve a ser una realidad, impulsada principalmente por nuevos productos tecnológicos que nos ofrece la industria, como la viga laminada, paneles de madera contralaminada (CLT), micro-laminados (LVL)… El uso de productos en base madera, es una de las claves para alcanzar los objetivos del Desarrollo Sostenible, por lo que se espera que su demanda se incremente año tras año.

La solicitud del proyecto LIFE EcoTimberCell, surge de la necesidad de pensar sobre el uso racional de nuestros recursos. La idea que dirige el proyecto es la puesta en el mercado de productos estructurales, que aprovechen el máximo los recursos locales, permitiendo una construcción económica y de alta eficiencia energética, reduciendo de esta manera el uso de materias con alto impacto ambiental.

Objetivos del proyecto

El proyecto contribuye principalmente a la reducción en la emisión CO2, y su vez a resiliencia climática. Este objetivo se consigue incidiendo sobre el uso sostenible de la biomasa sólida, al sustituir los materiales de construcción tradicionales por los sistemas EcoTimberCell (ETC), más eficientes y sostenibles. Además de la reducción en las emisiones, el proyecto contribuye a:

  • Ahorrar energía y recursos en la producción de elementos estructurales para la edificación.
  • Reducir la demanda energética en el uso de los edificios.
  • Reducir la cantidad de residuos generados por la construcción.
  • Dotar de mayor valor añadido a la madera local.
  • Incrementar la demanda de madera local con certificación forestal sostenible. 
  • Reducir el uso al mínimo de los adhesivos estructurales que emplea necesariamente los productos laminados.

PRODUCTOS Y SISTEMAS ETC

El producto básico es la viga EcoTimberCell. Este elemento estructural eatá formado por dos cordones de madera aserrada, de pequeña sección empalmada por cabeza mediante unión dentada o finger-joint, conectados ambos cordones mediante dos almas de tablero tipo Hardboard ecológico.

El nombre del proyecto EcoTimberCell, está inspirado en las células que forman la estructura de la madera, unas células de forma tubular de máxima eficiencia estructural, que dotan al material de una relación resistencia/peso extraordinaria.

A partir de la viga EcoTimberCell se desarrollan sistemas para formar muros, forjados y cubiertas (Sistema ETC Box y ETC Frame), para incorporar directamente a la construcción o formando la estructura de viviendas modulares prefabricadas (ETC Home).

NORMATIVA

A nivel nacional, el Código Técnico de la Construcción (CTE), establece las exigencias básicas de calidad que deben de cumplir los edificios en relación a los requisitos básicos de seguridad y habitabilidad. Para cumplir y justificar la normativa por parte de los técnicos, y también comparar productos similares, es necesario conocer las características básicas de los diferentes elementos que incorporamos a la construcción.

Marcado CE en los productos de construcción

El marcado CE, junto con la declaración de prestaciones, ayuda a los usuarios a comprobar las prestaciones o características del producto. El marcado CE es el “pasaporte” en el Espacio Económico Europeo de los productos de construcción para su comercialización.

El marcado CE es obligatorio para los productos de construcción cubiertos por una norma armonizada. Si el producto que se quiere comercializar no está bajo una norma armonizada (caso de los productos EcoTimberCell), es posible realizar el marcado CE de forma voluntaria, vía EOTA (European Organisation for Technical Assessment).

Existen, o pueden elaborarse para productos innovadores, los Documentos de Evaluación Europeos (DEE/EAD) a partir del cual se elabora la Evaluación Técnica Europea (ETE/ETA) que hace posible el marcado CE. En el caso de EcoTimberCell el DEE/EAD para la Viga ETC es el “EAD-130367-00-0304 Composite wood-based beams and columns” y para el sistema ETC Box es el “EAD 140022-00-0304 Pre-fabricated wood-based loadbearing stressed skin panels” que pueden descargarse en la página web de EOTA.

Una vez se elabora el ETE/ETA para el producto, es preciso llevar a cabo tareas de Verificación de la Constancia de Prestaciones por parte del Organismo Notificado, para obtener el marcado CE.

DESARROLLO TECNICO

El desarrollo del producto desde la idea inicial hasta la puesta en el mercadop, con las certificaciones correspondientes, podemos simplificarlo en los siguientes pasos::

Análisis de los componentes que forman el producto

La viga y los sistemas ETC están formados por tres componentes básicos: madera local de pequeña sección con certificación forestal sostenible, tablero de fibras duro ecológico y adhesivo de poliuretano que permite que los elementos trabajen en conjunto.

Como madera aserrada se utiliza pino (Pinus pinaster y Pinus sylvestris), castaño (Castanea sativa) o eucalipto (Eucalyptus globulus), siempre con certificación forestal sostenible (FSC o PEFC) y disponible en el entorno cercano al centro de producción.

Estas especies madereras tienen un importante aprovechamiento forestal en el noroeste de la península, y además están recogidas en la norma UNE EN 1912, en la que se les asigna una clase resistente para uso estructural, en función de una clasificación visual previa.

El tablero de fibras duro, se fabrica en Betanzos (Betanzos HB SL) a través de un proceso en húmedo, en el que no se añade ningún tipo de adhesivo, sino que la propia lignina de la madera es capaz de dar cohesión mediante un proceso de calor y presión. Además, la materia prima con la que se forma el tablero es madera de pequeña sección o restos de los aserraderos, lo que incrementa el aprovechamiento forestal, dando gran valor a este material.

Tablero BHB.

Con el fin de conocer las propiedades mecánicas del tablero se llevó a cabo una caracterización completa, según la norma UNE-EN 789. Se realizaron en el laboratorio ensayos de tracción, flexión compresión en el plano y perpendicular, cortante en el grueso y en el plano, además de otros ensayos complementarios de permeabilidad al vapor de agua, transmitancia térmica y reacción al fuego.

Ensayos mecánicos sobre el tablero.

El adhesivo en los productos estructurales de madera es un elemento fundamental, que requiere unas condiciones muy controladas para su aplicación. En la viga EcoTimberCell el adhesivo tiene la función de conectar el tablero (alma) y la madera (Cordones) para que, bajo una situación de carga, permanezcan unidos. La evaluación del adhesivo se realiza mediante ensayos de corte sobre la línea de cola y delaminación, en los que se somete el plano de adhesivo a un esfuerzo mecánico elevado.

Comportamiento mecánico da la viga

En la situación en la que una viga soporta cargas gravitatorias cubriendo un espacio entre dos apoyos, ésta queda sometida a un esfuerzo principal de flexión. El esfuerzo de flexión comprime el material de la cara superior y tracciona lo de la cara inferior, quedando el material intermedio menos solicitado. En este caso, cabe la posibilidad de optimizar el material quitando el menos tensionado.

Tanto el acero como el hormigón buscaron esta optimización, y podemos encontrar toda la serie de perfiles laminados en forma de doble T en acero, o las losas alveolares en el hormigón.

En las estructuras de madera también se ha avanzado en este camino, y podemos encontrar en el mercado vigas tipo I (I-joist) o paneles tipo cajón, donde se consigue mantener la resistencia de la sección maciza, pero se reduce el material utilizado y por lo tanto también el peso del elemento.

Sección a flexión.

Con esta idea de viga cajón, se elabora un primer prototipo que se ensaya a flexión. Los resultados de este primer prototipo resultaron muy esperanzadores, consiguiendo un fallo por rotura a tracción de la madera y una rigidez muy alta, en relación al poco material utilizado.

Simulación numérica, método y herramienta de cálculo

La madera es un material ortótropo, con propiedades mecánicas diferentes según la dirección de la fibra. Presenta también capacidades mecánicas diferentes en función del tipo de esfuerzo (tracción, compresión o flexión), la especie, el origen o la cantidad y tamaño de los nudos. Con el fin de normalizar estas propiedades, utilizamos las diferentes clases resistentes, en las que se recogen las propiedades que se utilizan en el cálculo.

Ejemplo de clases resistentes de coníferas (UNE-EN 338).

Las comprobaciones principales que se realizan sobre la viga ETC sometida la flexión son:

  • La tensión máxima sobre el cordón comprimido no supera la resistencia a flexión de la madera.
  • La tensión máxima sobre el cordón en tracción no supera la resistencia a flexión de la madera
  • La tensión media del cordón comprimido no supera la resistencia a compresión de la madera
  • La tensión media del cordón traccionado no supera la resistencia a tracción de la madera
  • La tensión máxima sobre el alma no supera la resistencia a compresión/tracción del tablero
  • La tensión de corte sobre el alma no supera la resistencia a cortante en el grueso tablero
  • La tensión de corte sobre la línea de encolado no supera la resistencia a corte en el plano del tablero.

Además de las comprobaciones de resistencia es necesario verificar que la deformación y vibraciones no son excesivas. Hay que tener en cuenta que la madera, y productos derivados, presentan una deformación diferida bajo una carga constante, fenómeno de valor inferior al que presentan las estructuras de hormigón, y que no existe en las estructuras de acero, pero que es necesario tener presente para el cálculo de las deformaciones.

Uno de los resultados del proyecto es una herramienta de cálculo para los sistemas ETC, que permite realizar el dimensionado y justificar del cálculo de manera eficaz.

Fabricación y validación mediante ensayos 

La fase final para obtener el marcado CE del producto consiste en fabricar, en las condiciones finales de producción, diferentes secciones y demostrar mediante ensayos que el modelo de cálculo propuesto es adecuado.

El montaje de las vigas como de los paneles es muy similar, siendo necesaria en ambos casos una prensa de fabricación de madera laminada para su ejecución. De este modo, cualquier fabricante de vigas estándar de madera podría comenzar a fabricar los sistemas EcoTimberCell sin mayor inversión. Por un lado, se montan los entramados de madera aserrada, y por otro se cortan los tableros a la medida correspondiente. Se colocan en la prensa junto con el adhesivo, y, con la presión y temperatura adecuada se realiza la unión entre ambos materiales.

Fabricación.

En las siguientes tablas se muestra la comparativa de los resultados obtenidos por cálculo y los resultados de ensayo para la flexión de la viga ETC y del sistema ETC Box. Como se puede ver en las tablas, los resultados de ensayo son superiores a los esperados por cálculo, corroborando la metodología aplicada.

Resultados ensayos viga ETC
Resultados ensayos ETC Box

Además de los ensayos mecánicos de caracterización, se realizan ensayos de resistencia en situación de incendio bajo carga, ensayos acústicos, simulación térmica y simulación numérica. Esta simulación numérica es importante para comprobar puntos especiales como puede ser la realización de agujeros para el paso de instalaciones. Muchos de los ensayos se acompañan de técnicas fotogramétricas (ARAMIS 3D) que verifican y aportan información para la simulación.

Para construir muros de carga con capacidad de resistir fuerzas horizontales en su plano, y dotar las edificaciones de estabilidad frente al viento o al seísmo, se utiliza el sistema ETC Frame, que emplea las vigas ETC dispuestas en vertical. LA rigidez del entramado se consigue mediante la utilización del tablero BHB por una o dos caras, conectándolo mediante clavos o tirafondos.

Para evaluar la capacidad de resistencia a cargas horizontales, se sigue la norma UNE-EN 594. En este caso, se aplica una carga vertical de 25kN (2500kg) sobre la coronación, y a la vez una carga horizontal que va incrementándose hasta alcanzar el fallo o un desplazamiento de 100mm.

Los paneles ensayados están formados por dos tableros sobre una sola cara del muro, con una medida final del sistema de 2440×2440 mm.  Alcanzaron en los ensayos una resistencia final frente a la carga horizontal superior a 20kN (2000kg).

Resultados ensayos ETC Frame [Fuerza-desplazamiento].

El proyecto LIFE EcoTimberCell cuenta con la contribución del instrumento financiero LIFE de la Unión Europea.

Ejemplo de una estructura prototipo con sistema ETC Box 

En el laboratorio de PEMADE en las instalaciones de la Universidad de Santiago de Compostela en el campus de Lugo, existe la necesidad de generar una entreplanta para almacenaje, capaz de soportar cargas superiores 5 kN/m2, y una luz libre entre apoyos de 6m.

Para cubrir esta necesidad, se fabrican 4 módulos del sistema ETC Box, con un canto de 300mm, y un grosor de las tablas que forman los cordones de 35mm.

Esta sección de 300mm tiene una rigidez a flexión (E·I) de 13538 kN·m2/m e una rigidez a cortante (A·G) de 32185 kN/m . Si comparamos una sección mínima necesaria en CLT necesitaríamos un mínimo de 240mm (60+40+40+40+60) con una rigidez eficaz (E·I)ef de 9738 kN·m2/m.

Al comparar ambos sistemas observamos que con una sección maciza como es el CLT, obtenemos un canto ligeramente inferior, pero si analizamos el volumen de material utilizado la diferencia es muy significativa:

Volumen de material ETC Box 1.16 m3

Volumen de material CLT 3.20 m3

Se obtiene un ahorro de material de un 64%, con el consiguiente ahorro económico.

 Comparativa ETC Box / CLT.

 Maqueta constructiva ETC Home, e integración con otros proyectos LIFE