Aplicaciones prácticas

Sistemas constructivos con productos derivados de madera

enero 25, 2021

Por: Dr. Arq. Juan José Fontana, Arq. Paulo Pereyra, Arq. Marina Piñeyro, Mg. Arq. Claudia Chocca, Susana Torán, Arq. Belén Abal y Arq. Victoria Aste.

El uso de madera en la industria de la construcción se encuentra en auge. Es por ello que el diseño de materiales y componentes constructivos innovadores, así como la incorporación de nuevas tecnologías a los procesos productivos que agreguen valor a la materia prima, es una prioridad.

En las últimas décadas, el avance de los métodos de modelado paramétrico y de fabricación asistida por computadora, o métodos CADCAE-CAM, ha vuelto posible el diseño y la elaboración de componentes constructivos optimizados, con morfologías complejas que aprovechan al máximo las propiedades de los materiales, imposibles de desarrollar con métodos tradicionales. Las máquinas de corte controladas por computadora (láser y router de corte numérico CNC, por ejemplo), las impresoras 3D y los programas informáticos de modelado y cálculo estructural son cada vez más potentes y a costos que resultan rápidamente amortizables, y brindan prestaciones impensables hace pocas décadas.

Es previsible que estos costos disminuyan en el corto y mediano plazo, por lo que resultará cada vez más atractivo para organismos públicos y empresas constructoras disponer de esta tecnología que permite la fabricación de componentes complejos en plazos muy reducidos y sin la participación de mano de obra especializada.

Exploración digital de formas plegadas utilizando la aplicación Crane desarrollada por Suto y Tanimichi, a través de Grasshopper, un complemento de Rhinoceros 6.0.

Sin embargo, al día de hoy, no existen en nuestro país aplicaciones prácticas relevantes en la industria de la construcción. Por ello consideramos imprescindible desarrollar metodologías adaptadas a nuestro medio (necesidades edilicias, materiales, disponibilidad tecnológica y costos). En la Facultad de Arquitectura, Diseño y Urbanismo estamos desarrollando la investigación “Cubiertas laminares con productos derivados de la madera, modeladas y fabricadas con procesos asistidos por computadora. Su aplicación en edificios educativos”, a través de un trabajo colaborativo entre el Instituto de la Construcción (cátedra de Estructuras I, equipo Tecnologías de la madera y Laboratorio de ensayos) y el Laboratorio de Fabricación Digital.

El objetivo principal de esta investigación es definir un procedimiento de modelado paramétrico y fabricación asistida por computadora de estructuras laminares con productos derivados de la madera, adaptado a la tecnología y las condicionantes de nuestro entorno.

LA BÚSQUEDA DE FORMAS

Con el fin de encontrar formas óptimas para la construcción de cubiertas laminares, hemos realizado experimentos de form finding analógicos y digitales. En particular, se realizó una exploración morfológica sobre las estructuras plegadas y las recíprocas.

A partir de las diferentes categorías morfológicas encontradas, se elaboró un catálogo. En cada una de las formas se valoró, particularmente, la rigidez geométrica (capacidad de oponerse a la deformación debido a la manipulación en diferentes direcciones), el potencial de manipulación (capacidad de sufrir alteraciones o distorsiones a través de la aplicación de mecanismos de manipulación), la conservación o pérdida de la planeidad de las piezas durante la manipulación geométrica, y el potencial sistémico (aptitud para ser aplicada al desarrollo de sistemas constructivos).

En la FADU se desarrolla la investigación “Cubiertas laminares con productos derivados de la madera, modeladas y fabricadas con procesos asistidos por computadora. Su aplicación en edificios educativos”.

Luego de la exploración formal analógica, se realizó una exploración digital a través de simulaciones con Grasshopper, un complemento incorporado en Rhinoceros 6.0. Algunos de los patrones del catálogo analógico fueron simulados digitalmente, y se le aplicaron criterios de optimización. Este proceso ha permitido evaluar con precisión el comportamiento estático de las formas y realizar ajustes.

EL MATERIAL

Hemos decidido trabajar con tableros contrachapados producidos en Uruguay a partir de materia prima de bosques renovables, con un plan de manejo forestal, que cumplen con requisitos ambientales y de calidad, tanto locales como internacionales. Estos tableros, compuestos por láminas de pino y/o eucalipto de 2 a 5 mm de espesor, se fabrican con espesores de 12, 15 y 18 mm y dimensiones de 1,22 x 2,44 m. Los estamos caracterizando, en el Laboratorio de ensayos del IC, a través de algunas de sus propiedades tales como el contenido de humedad, densidad, permeabilidad al vapor de agua, conductividad térmica, y resistencia a la flexión paralela y perpendicular al plano del tablero, a la compresión y a la tracción.

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE PROTOTIPOS

A partir de algunas de las formas estructurales encontradas y optimizadas, estamos desarrollando proyectos ejecutivos para una serie de cubiertas en edificios educativos, utilizando estos tableros contrachapados. A través de la fabricación y el montaje de prototipos, por otra parte, pretendemos verificar la pertinencia del método CAD-CAE-CAM que hemos desarrollado. Está prevista la fabricación de prototipos a escala reducida de cubiertas completas y de módulos parciales a escala real.

Cubierta con plegados en V: experimentos de form finding, deformaciones y esfuerzos internos básicos determinados con RFEM 5.

EXPERIENCIAS EDUCATIVAS

Hemos explorado el potencial arquitectónico de estas tipologías constructivas a través de experiencias de enseñanza en cursos de grado de la carrera de Arquitectura.

Con el fin de investigar el potencial de los sistemas plegados de madera como solución para cubiertas de gran escala, durante el primer semestre de 2019 colaboramos en el curso de taller Danza “Proyectos Específicos: Exploraciones holísticas – madera”. Este se estructuró en base a dos actividades complementarias: el desarrollo en el Parque Tecnológico Industrial del Cerro de un programa arquitectónico para complementar las actividades educativas y el diseño de cubiertas plegadas con paneles derivados de la madera como solución constructiva.

Por otra parte, en la edición 2019 del curso “Laboratorio de morfologías estructurales” se trabajó en el diseño de estructuras laminares a partir de experimentos de form finding con técnicas de origami. Los estudiantes construyeron modelos que permitieron encontrar y analizar propiedades geométricas de distintas morfologías. Finalmente, a partir de estos experimentos desarrollaron aplicaciones arquitectónicas.

En la edición 2020 de ambos cursos se está trabajando en el diseño de estructuras recíprocas.

Las actividades de enseñanza realizadas han permitido tener una primera aproximación al potencial arquitectónico de estas soluciones constructivas.

CONCLUSIONES PRELIMINARES

Creemos que el desarrollo de una metodología CAD-CAE-CAM propia para el diseño y fabricación de estructuras laminares permitirá a la Facultad ofrecer al mercado local un nuevo servicio de modelado y fabricación de componentes constructivos, así como promover el uso de productos nacionales derivados de la madera.

El catálogo de morfologías estructurales que elaboramos ha permitido apreciar el abanico de soluciones arquitectónicas que pueden ser modeladas y fabricadas con estos métodos, mientras que las actividades de enseñanza realizadas han permitido tener una primera aproximación al potencial arquitectónico de estas soluciones constructivas.

Creemos que los proyectos ejecutivos que estamos desarrollando y los prototipos que fabricaremos nos permitirán verificar la relevancia del método CAD-CAE-CAM propuesto y eventualmente, la realización de ajustes.

*Agradecemos a la Comisión Sectorial de Investigación Científica (CSIC – UdelaR) por la financiación de esta investigación a través de la convocatoria a Proyectos de I+D 2018.

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