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AIDIMA ha desarrollado conectores versátiles e innovadores para cualquier tipo de construcción temporal de madera

AIDIMA ha desarrollado conectores versátiles e innovadores para cualquier tipo de construcción temporal de madera

En el marco del proyecto de I+D, IDANMAD (Investigación y desarrollo de anclajes innovadores para construcciones temporales de madera), cuya segunda y última anualidad acaba de concluir, el Instituto Tecnológico del Mueble, Madera, Embalaje y Afines, AIDIMA, ha desarrollado sistemas de conectores para estructuras temporales de madera, diseñados específicamente para trabajar en conjunción con este material, aprovechando así sus propiedades mecánicas, y permitiendo su adaptación a cualquier tipo de estructura.

Los conectores desarrollados -gracias a la financiación del proyecto por parte del IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial), así como por fondos FEDER (Fondo Europeo de Desarrollo Regional) de la Unión Europea-, permitirán a los arquitectos e ingenieros usar un único sistema de conexiones en todas las partes de una construcción temporal de madera. Con estos anclajes se ha conseguido avanzar en el campo de la I+D de la madera como material de ingeniería y arquitectura, así como fomentar el uso de este material sostenible y su aplicación a nuevos campos donde puede ser competitivo técnica, industrial y económicamente.

Construcciones temporales: tipos y exigencias

Las construcciones temporales abarcan estructuras tan variadas como viviendas prefabricadas, pabellones, albergues, barracones, ferias de exposiciones, instalaciones deportivas, estructuras para conciertos, ampliaciones hosteleras para la época estival, plazas móviles de toros, túneles, andamios, barreras, rampas y plataformas para construcción, encofrados, y  posibilidades sin fin que permite el uso de la madera en construcción.

Todas estas construcciones deben cumplir unas exigencias muy estrictas: coste reducido, montaje sencillo, ligereza, durabilidad y flexibilidad en la creación de formas para diferentes usos. Actualmente, las soluciones metálicas empleadas en la mayoría de las construcciones temporales presentan muchos inconvenientes: coste elevado, alto peso, dificultad de transporte, montaje y construcción, escasa resistencia al fuego, corrosión por aire salino y por muchas sustancias químicas habituales y generación de residuos tóxicos al final de su vida útil (el 11% del acero inoxidable se compone de metales tóxicos como cromo y níquel).

La madera, por su buena relación calidad-peso, es idónea como material para las estructuras temporales, pero apenas se utiliza, pues hasta ahora no se disponía de uniones o conectores específicos y adecuados para este material. Los sistemas de unión de barras actuales están concebidos para estructuras metálicas y no funcionan correctamente con la madera. La unión entre la madera y estas uniones resulta muy ineficaz, costosa e incrementa el peso de la estructura, lo cual explica el escaso uso de madera en las construcciones temporales.

Necesidad futura de construcciones temporales

De acuerdo con el artículo “The future of architecture is mobile” de Sahiba Chadha, publicado en la revista Architects’ Journal, muchos edificios y estructuras que se necesitarán en las ciudades serán temporales. Esto implica un ambicioso proyecto de estructuras temporales que llevará a un alto grado de sostenibilidad.

Por otra parte existe, sobre todo por motivos económicos y de rapidez, una creciente necesidad de alquilar o construir estructuras e infraestructuras temporales (barracones, pabellones, ferias de exposiciones, estructuras deportivas, andamios, etc.), en lugar de afrontar la construcción y mantenimiento de estructuras permanentes.

Objetivos del proyecto

El objetivo principal del proyecto ha sido desarrollar conectores o nudos mecánicos innovadores que puedan usarse de modo general en cualquier construcción temporal de madera, sea cual sea su forma, y que sean específicos para la madera. Estos conectores deben solucionar dos problemas que limitan o impiden el uso de madera en estructuras temporales:

  • La dificultad de conseguir nudos o conectores que superen las limitaciones de las soluciones convencionales para transferir las fuerzas entre las barras de madera.
  • La complejidad adicional de desarrollar estos nudos y conectores en un sistema constructivo muy versátil, de forma que pueda conseguirse una gran libertad geométrica para las estructuras sin reducir el rendimiento.

La innovación objeto del proyecto se dirige al sector de la madera, mueble y afines y al sector de la construcción. Dentro del primer sector, beneficia directa o indirectamente a tres subsectores:

1) Procesado primario de la madera (aserrío, secado e impregnación o tratamiento químico de la madera).

2) Procesado secundario de madera (carpinterías técnicas, empresas de mecanizado y de acabado).

3) Industria auxiliar de la madera y mueble (fabricantes de herrajes).

Diseño de los conectores

Se realizaron varios diseños de los conectores que fueron revisados por investigadores de AIDIMA y por expertos a fin de garantizar el cumplimiento de los siguientes requisitos:

1) Montaje sencillo. Los conectores deben ser de fácil y rápido montaje.

2) Peso reducido. Para facilitar el transporte, los anclajes deben ser ligeros.

3) Durabilidad del sistema. Los anclajes deben mantener su función estructural de conexión en el tiempo.

4) Flexibilidad en la creación de formas para diferentes usos. Los anclajes deben ser generales para que resulten compatibles con estructuras de muy distintas formas.

5) Versatilidad para permitir su uso en cualquier elemento constructivo, vertical u horizontal.

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Ejemplo de uno de los diseños considerados para el conector.

Modelado de los conectores

El diseño final seleccionado para los conectores se convirtió en un modelo estructural y paramétrico. Para ello, se usó el software de modelado Rhinoceros3D y su entorno visual Grasshopper3D. Grasshopper3D es un lenguaje de programación visual que se ejecuta como una extensión o plug-in en del software Rhinoceros3D; permite crear programas arrastrando componentes al área de trabajo. Cada componente tiene unas entradas y salidas, y las salidas se conectan a las entradas de otros componentes mediante un editor basado en nodos. Grasshopper3D se utiliza mucho en la programación de algoritmos generativos y paramétricos.

El resultado final de lo anterior fue un modelo geométrico paramétrico del conector. A continuación, en el entorno visual Grasshopper3D, se usó la herramienta Karamba3D para elaborar un modelo estructural y paramétrico del conector. Con este modelo se realizaron los cálculos estructurales por elementos finitos. Karamba3D permite combinar modelos geométricos parametrizados, cálculos por elementos finitos y algoritmos de optimización como Galapagos, que permiten mejorar de forma permanente el diseño de una estructura.

Modelo geométrico paramétrico del conector

Análisis estructural del conector

El modelo estructural y paramétrico del conector fue analizado mediante el método de los elementos finitos para varios casos de estudio (tracción lineal; compresión lineal; flexión alrededor del eje fuerte, transversal; flexión alrededor del eje débil, longitudinal; cizallamiento en dirección transversal; torsión; y caso combinado de flexión, tensión y cizallamiento). A partir de los resultados obtenidos se modificó el diseño del conector y se generó un diseño optimizado.

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Análisis estructural del conector

Análisis estructural del conector en compresión

Análisis estructural del conector en compresión

Prototipo del conector

A partir del diseño optimizado se realizaron los planos, de acuerdo con los criterios habituales de la industria, y basándose en ellos se construyó un prototipo.

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Una de las etapas de fabricación del prototipo de conector

Vista parcial del prototipo desarrollado

Vista parcial del prototipo desarrollado

Simulación por ordenador de la unión del conector a 9 barras de madera en posiciones y ángulos arbitrarios

Simulación por ordenador de la unión del conector a 9 barras de madera en posiciones y ángulos arbitrarios

El proyecto ha sido coordinado y dirigido técnicamente por el responsable del departamento de Tecnología y Biotecnología de la Madera y del área de Construcción de Madera, Miguel Ángel Abián, y ha contado con un equipo de expertos que incluye ingenieros y arquitectos de experiencia internacional como el arquitecto especialista en construcción con madera, Manuel García Barbero, y el arquitecto especialista en parametrización geométrica de estructuras, Kiyanshid Hedjri.

Actualmente, basándose en los resultados del proyecto, AIDIMA está preparando otra propuesta de investigación para la iniciativa Fábricas del Futuro (Factories of the Future, FoF) del Horizonte 2020, el programa de la Unión Europea para la promoción y financiación de las actividades de investigación, desarrollo e innovación. Este programa estará vigente en el periodo 2014-2020 y sustituye al anteriormente denominado Programa Marco. Horizonte 2020 integra por primera vez todas las fases del proceso de innovación, desde la generación del conocimiento (investigación) hasta las actividades más próximas al mercado (prototipos, demostraciones, líneas piloto de fabricación, transferencia de tecnología, etc.).

  • Proyecto financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE)
  • Proyecto financiado por los Fondos Estructurales, a través del Programa Operativo FEDER de la Comunidad Valenciana 2007-2013

Organismos colaboradores: Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial | Instituto Tecnológico del Mueble, Madera, Embalaje y Afines, AIDIMA | Red de Institutos Tecnológicos REDIT

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