Documento técnico que resume los resultados del proyecto IDANMAD desarrollado por AIDIMA. PROYECTO IDANMAD: INNOVACIÓN EN ESTRUCTURAS Y CONSTRUCCIONES TEMPORALES DE MADERA MEDIANTE CONECTORES INNOVADORES Y VERSÁTILES En el marco de un proyecto de I+D, el Instituto Tecnológico AIDIMA ha investigado nuevos anclajes innovadores, específicos para madera, que pueden usarse para estructuras temporales de madera (andamios, revestimientos de edificios, pabellones, ferias, etc.). Finalizado el proyecto, se exponen aquí los principales resultados obtenidos. Responsable del proyecto: Miguel Ángel Abián Dpto. Tecnología y Biotecnología de la Madera

1. PROYECTO IDANMAD: INNOVACIÓN EN ESTRUCTURAS Y
CONSTRUCCIONES TEMPORALES DE MADERA MEDIANTE
CONECTORES INNOVADORES Y VERSÁTILES
En el marco de un proyecto de I+D, el Instituto Tecnológico AIDIMA ha investigado
nuevos anclajes innovadores, específicos para madera, que pueden usarse para
estructuras temporales de madera (andamios, revestimientos de edificios, pabellones,
ferias, etc.). Finalizado el proyecto, se exponen aquí los principales resultados
obtenidos.
Responsable del proyecto: Miguel Ángel Abián
Dpto. Tecnología y Biotecnología de la Madera
Recientemente ha concluido el proyecto de I+D “Investigación y desarrollo de anclajes
innovadores para construcciones temporales de madera” (IDANMAD), desarrollado en
2012, 2013 y 2014. Este proyecto ha sido financiado por el IVACE (Instituto
Valenciano de Competitividad Empresarial). Asimismo, ha sido cofinanciado por los
fondos FEDER, dentro del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana
2007-2013.
1. Objetivos del proyecto
El objetivo general de IDANMAD ha sido investigar y desarrollar anclajes mecánicos
innovadores que se puedan usar de modo general en cualquier construcción temporal
de madera. Algunos ejemplos de construcciones temporales son pabellones,
albergues, ferias de exposiciones, instalaciones deportivas, estructuras para
conciertos, ampliaciones hosteleras para la época estival, plazas móviles de toros,
andamios y pasarelas temporales de peatones durante el desarrollo de obras,
estructuras de retención de tierras, barreras, etc.
Todas estas construcciones deben cumplir unas exigencias sumamente estrictas:
coste reducido, montaje sencillo, ligereza, durabilidad y flexibilidad en la creación de
formas para diferentes usos. Los anclajes 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 avanzado en el campo de la I+D de la madera
como material de ingeniería y arquitectura; y se ha contribuido a fomentar el uso de
este material sostenible y su aplicación a nuevos campos donde puede ser competitivo
tanto técnica como industrial y económicamente.
2. Inconvenientes de las estructuras metálicas
Actualmente, en la mayoría de las construcciones temporales se emplean soluciones
metálicas, que 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, así como generación de residuos
tóxicos al final de su vida útil (el 11% del acero inoxidable se compone de metales
tóxicos como cromo y níquel). Las escasas soluciones de madera para dichas
construcciones emplean sistemas de unión de barras, que no están diseñados para
funcionar de modo adecuado con este material. La unión entre la madera y estas
uniones resulta muy ineficaz, costosa e incrementa el peso de la estructura, lo cual
explica que apenas se use madera para construcciones temporales.
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2. 3. Búsqueda bibliográfica sobre construcciones temporales y sus sistemas de
conexión
Se realizó una búsqueda bibliográfica general sobre construcciones temporales y sus
sistemas de conexión, basada en artículos científicos y técnicos, libros, guías técnicas,
manuales, normas europeas e internacionales, memorias de proyectos de
investigación, tesinas y tesis doctorales.
Se consultaron también unas 1900 páginas web con contenidos técnicos de interés
para el proyecto. Las webs de mayor interés para el proyecto se clasificaron en dos
categorías. Por un lado, aquellas relacionadas con estructuras temporales (figuras 1 y
2); por otro, aquellas relacionadas con uniones y sistemas de conexión para
estructuras de madera (figuras 3 y 4).
Figura 1. KREOD. Diseñado por Chun Qing Li y se encuentra en Greenwich Peninsula (Londres,
RU) (2012).
Esta estructura temporal es de especial interés para este proyecto porque es sumamente
versátil: sus tres partes se pueden combinar en una gran variedad de configuraciones, o
pueden instalarse como estructuras independientes. También es de interés porque en su
diseño se han tenido cuenta consideraciones prácticas para el transporte, el almacenamiento,
el montaje y desmontaje (por ejemplo, modularidad y componentes apilables). Por último, el
diseño y cálculo del complicado sistema de conexiones de las celdillas precisó la
colaboración de los consultores Evolute, AR18 y Tensilefabric.
Fuente: http://www.archdaily.com/275460/kroed-chun-qing-li-of-pavilion-architecture/
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3. Figura 2. PUDELMA. Pabellón temporal en Turku (Finlandia) diseñado por Eero Lunden y
Wikar Marcus (2011).
Pudelma es una estructura en forma de red montada de madera, de unos 70 metros
cuadrados de tamaño. El pabellón se compone de 490 piezas conectadas por medio de casi
un millar de articulaciones y se han aplicado algoritmos de cálculo para su construcción. El
interesante sistema de conexión de esta estructura temporal exigió el apuntalamiento de la
estructura a medida que se iba construyendo. La carpintería se realizó en el centro de
procesamiento de Woodpolis en Kuhmo. Cada pieza tiene un tamaño único, de medio metro
a dos metros de largo. La sección del material utilizada es el 51 x 200 mm, y las vigas están
encoladas transversalmente para mejorar el rendimiento. Todas las partes fueron tratadas
con agentes anti-hongos y anti-humedad.
Fuente: http://eerolunden.com/2012/01/17/pudelma-turku-finland-2011
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4. Figura 3. Unión metálica empleada por la empresa Inside Out Structures para
sus estructuras de bambú. Permite flexibilidad para crear diferentes poliedros
con caras uniformes.
Fuente: http://www.insideoutstructures.com/
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5. Figura 4. Entramado para la unión de una estructura ligera formada por bambú.
El conector metálico sirve como nodo y tiene cierta versatilidad para unir en
distintas direcciones del espacio tridimensional.
Estas estructuras son una alternativa más ecológica y económica que una
estructura completamente metálica, pero las desventajas mencionadas antes
siguen existiendo por el uso de esferas o herrajes metálicos. Los diámetros
máximos del bambú restringen mucho las cargas que puede soportar el sistema;
por tanto, este sistema está muy limitado en cuanto a uso y no constituye de
ningún modo una solución general para estructuras, ya sean permanentes o
temporales.
Fuente: http://www.bamboocraft.net/gallery/showphoto.php?photo=893&cat=529
Se consultaron aproximadamente unas 870 páginas web empresariales con posibles
productos de interés para el proyecto. Se identificó a empresas, centros tecnológicos,
universidades y entidades expertas en construcciones temporales y sus sistemas de
conexión. Algunas de ellas son Technische Universität Wien (Austria), Edinburgh
Napier University – Wood Studio (Reino Unido), Brunel University (Reino Unido),
Universidade do Minho (Portugal), Université de Lausanne (Suiza), Holzforschung
Austria (Austria), Wood Kplus - Kompetenzzentrum für Holzchemie und
Holzverbundwerkstoffe (Austria) y Rotho Blaas (Italia).
4. Patentes de sistemas de conexión para estructuras de madera
Las patentes que se analizaron sobre sistema de conexión corresponden en su mayor
parte a estructuras metálicas. En los casos en que pueden utilizarse con barras de
madera, las soluciones propuestas son poco versátiles y válidas casi siempre sólo
para estructuras permanentes, que no pueden montarse y desmontarse.
Por lo tanto, puede concluirse de la investigación realizada que no existen nudos o
anclajes específicos para la construcción en madera que puedan utilizarse en
cualquier tipo de estructura; normalmente se usan para éstas anclajes diseñados para
estructuras metálicas, y se adaptan las barras de madera a los herrajes. Esta falta de
anclajes específicos para la madera ocasiona que no se aprovechen sus
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6. características mecánicas y que los fallos de rotura aparezcan siempre en la zona de
unión madera-metal. En ocasiones, la transición del anclaje a la barra de madera
resulta demasiado cara y compleja, y al final suele necesitarse tanto acero que la
madera pierde su finalidad estructural y se convierte en un mero elemento decorativo.
Además, no existen soluciones específicas para estructuras temporales de madera
con forma arbitraria: las soluciones basadas en bambú son muy limitadas por la
resistencia mecánica de este material y las longitudes máximas que permiten.
5. Tipologías de construcciones temporales
El análisis de las tipologías de construcciones temporales, sistemas de conexión y sus
necesidades consistió en un estudio exhaustivo de las distintas tecnologías
constructivas, desde el diseño y funcionalidad de las estructuras hasta las uniones
utilizadas en éstas.
En principio, la clasificación de estructuras según su tipología se basó en la forma que
estos elementos adquieren, que a su vez, viene determinada, en gran parte, por la
solución constructiva adoptada y los materiales empleados. Por ejemplo, las carpas
usan determinados materiales y soluciones constructivas (como postes metálicos o de
madera y textiles); en cambio los pabellones se caracterizan por adoptar formas más
diversas e infinidad de materiales. Con este criterio se clasificaron las estructuras
temporales en 4 grupos: carpas, estructuras efímeras de madera, pabellones y naves
temporales con madera y casas de madera.
Figura 5. Ejemplo de estructura temporal perteneciente a la categoría de carpa.
Se compone de un mástil central y de varios mástiles alrededor del perímetro
para poder arriostrar y tensar la gran superficie de lona. Alrededor del borde de
la lona va fijo un cable para su mejor sujeción y seguridad.
Fuente: http://www.toldos.es/carpas-estructuras-tensadas-tipo-cono
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7. Del análisis de toda la información recogida y de la diversidad de tipologías
constructivas y sus sistemas de unión se concluyó que las necesidades futuras se
dirigirán a la simplificación de los sistemas constructivos, con importantes propiedades
tecnológicas. Todo ello se orienta a disminuir los tiempos de montaje y desmontaje de
las estructuras y a la reutilización de los materiales empleados.
6. Diseño de sistemas de anclaje mecánico para las tipologías de construcciones
temporales más habituales
Los anclajes del proyecto deben corresponder a conectores o nudos universales para
estructuras temporales de madera; es decir, a nudos flexibles y que puedan adaptarse
a diferentes ángulos entrantes en la intersección de las barras de una cercha.
Produciendo el mismo nudo de manera industrial en serie, se reducen los costes de la
producción, mejora la calidad y se simplifica el control de calidad en fábrica, se
simplifica la logística y el montaje y disminuyen enormemente los costes de una
edificación.
Para poder construir una forma libre con barras rectas de madera, hay que subdividir
la forma libre en formas geométricas sencillas como triángulos o rectángulos. Con
estas formas (triángulos y rectángulos) se puede crear cerchas que forman la
estructura. En una cercha 3D pueden coincidir hasta nueve barras en un nudo (figura
6).
Figura 6. Cercha tridimensional. En cada nudo pueden coincidir hasta 9 barras
de madera.
Desde el principio se impuso para los diseños de los anclajes la restricción de que el
anclaje/nudo debe de ser flexible para poder usarlo para diferentes situaciones (es
decir, en distintos ángulos entrantes en el nudo), lo que impone una condición esencial
para el nudo: debe poder girar alrededor de los ejes Y y Z. Teniendo en cuenta esta
restricción, se consideraron en primera instancia dos propuestas de sistema de anclaje
mecánico, que se exponen de forma esquemática a continuación.
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8. Figura 7. Detalle del sistema de anclaje propuesto 1.
Figura 8. Detalle del sistema de anclaje propuesto 2.
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9. Los dos diseños propuestos de sistemas de anclaje fueron analizados y discutidos por
los investigadores de AIDIMA; además, se presentaron a varios expertos, y se
revisaron a partir de los consejos y recomendaciones obtenidos.
En la evaluación se tuvieron en cuenta especialmente los siguientes criterios:
1) Montaje sencillo. Los anclajes 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 han de 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 sean compatibles con estructuras
de muy distintas formas.
5) Versatilidad para permitir su uso en cualquier elemento
constructivo, vertical u horizontal.
Tras la revisión por AIDIMA y por los expertos se llegaron a las siguientes
conclusiones:
1) En el sistema de anclaje 1 la unión mediante grapas a las barras o
vigas de madera no es adecuada, pues limita las posibles orientaciones
posibles de la barra y, por tanto, la versatilidad de la unión y su
flexibilidad en la creación de formas para diferentes usos.
2) El sistema de anclaje 2 es más complejo y contiene más elementos
que el sistema 1, lo que hace que su montaje no sea sencillo y que su
peso sea superior al del sistema 1. A cambio, permite un montaje más
exacto, flexibilidad para correcciones en la obra y, sobre todo, que las
barras de madera se corten de la misma forma; pero estas ventajas no se
consideran suficientes para justificar su complejidad.
Teniendo esto en cuenta, se decidió escoger como sistema de anclaje más adecuado
para el proyecto el sistema 1 con ciertas modificaciones sustanciales para obtener la
máxima flexibilidad en cuanto a orientación de las barras y solucionar así las
limitaciones del diseño inicial.
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10. Figura 9. Vista del diseño final del anclaje, en que pueden verse las 9 barras que
puede conectar.
7. Modelado estructural-paramétrico de los sistemas de anclaje
El diseño final seleccionado para los anclajes 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 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 anclaje. A
continuación, en el entorno visual Grasshopper3D, se usó la herramienta Karamba3D
para elaborar un modelo estructural y paramétrico del anclaje. 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 iterativa
el diseño de una estructura.
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11. Figura 10. Modelo geométrico-paramétrico del conector.
8. Análisis estructural del sistema de anclaje.
El modelo estructural y paramétrico del anclaje 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 un caso combinado de flexión, tensión
y cizallamiento).
A partir de los resultados obtenidos se modificó el diseño del anclaje y se generó un
diseño optimizado.
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12. Figura 11. Análisis estructural del conector.
Figura 12. Análisis estructural del anclaje en tensión lineal.
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13. Figura 13. Análisis estructural del anclaje en compresión lineal.
9. Desarrollo del prototipo de sistema de anclaje
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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14. Figura 14. Una de las etapas de fabricación del prototipo de anclaje.
Figura 15. Otra de las etapas de fabricación del prototipo de anclaje.
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15. Figura 16. Vista parcial del prototipo de anclaje.
Figura 17. Vista superior del prototipo de anclaje.
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16. 10. Especificación general del montaje de los sistemas de anclajes e integración
en un sistema completo de montaje e instalación
A continuación se especifica gráficamente el montaje de una estructura general,
construida por barras de madera unidas por el sistema de anclajes desarrollado, así
como la integración de éstos en un sistema complejo de montaje e instalación.
Para ilustrar las posibilidades del sistema de anclajes, la estructura elegida es
compleja y tiene forma orgánica (figura 18). Podría utilizarse, por ejemplo, como punto
de información, parada de autobús o pabellón de una exposición. Igualmente, podría
ser temporal o permanente.
Figura 18. Estructura general escogida por su dificultad para especificar el
montaje de los sistemas de anclaje. Tiene forma orgánica, está subdividida en
triángulos y está compuesta por cerchas tridimensionales y bidimensionales.
Mediante el sistema de anclajes, puede montarse toda la estructura con un solo tipo
de unión y sin elementos auxiliares como andamios. El ángulo y la distancia entre las
barras son variables y está determinado por el corte de las barras.
Como primer paso, se define el orden de los ejes y las uniones en el proceso de
montaje. Los ejes horizontales son en este caso los ejes mandatorios; los ejes
verticales son conectadores y tienen un orden secundario. Siguiendo el orden, se
montan las barras (figura 19).
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17. Figura 19. Orden de las uniones y de las barras correspondientes.
Siguiendo este orden, la estructura se va montando fila a fila. Una regla fundamental
en el orden de montaje es construir la estructura lo más ampliamente posible sin
elementos auxiliares (por ejemplo, andamios), como muestra la figura 20.
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18. Figura 21. Montaje de la estructura fila a fila siguiendo el orden de montaje.
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19. Figura 22. Sistema completo de montaje e instalación. La estructura se va
construyendo fila a fila desde abajo. Cada fila se apoya en la anterior.
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20. Las tendencias actuales de la arquitectura contemporánea indican un fuerte desarrollo
de edificios con formas orgánicas libres. Debido a los programas informáticos cada vez
más avanzados que se utilizan en arquitectura, los arquitectos, ingenieros y
constructores son cada vez más capaces de diseñar, calcular y construir formas muy
complejas.
A la continuación se presentan algunos ejemplos arquitectónicos donde podría
utilizarse el sistema de anclajes, de forma muy ventajosa, bajando los costes de la
construcción, disminuyendo el tiempo de la construcción y facilitando el montaje.
Figura 23. Pabellón de China para Expo Milán 2015. Su superficie prevista es de
4.590 m2
. La imagen principal es de una gran nube suspendida que parece
moldearse con el aire y que asume formas curvas muy sugerentes.
Fuente: http://www.designboom.com/
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21. Figura 24. Pabellón en Nature Boardwalk (Studio Gang Architects), Chicago
(2010). Fuente: http://landscapevoice.com/
Figura 25. Puente peatonal en Essing (Alemania).
Fuente: http://www.dezeen.com/
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22. Figura 26. Entrada temporal para el palacio de Versalles.
Fuente: http://www.dezeen.com/
11. Beneficios esperados de los resultados del proyecto
Los resultados del proyecto beneficiarán al sector de la madera, mueble y afines, pues
aumentará la demanda de madera aserrada y de madera mecanizada y se abrirán
nuevas líneas de negocio con productos de alto valor añadido (anclajes innovadores
específicos para madera). También para el sector de la construcción se abrirán nuevas
oportunidades de negocio (diseño y construcción de construcciones temporales de
madera).
Por último, los resultados beneficiarán a pequeños municipios que necesiten
infraestructuras temporales y al sector turístico, que podrá disponer de estructuras
temporales seguras y de coste reducido. Para este sector, mayoritariamente de
temporada, estas construcciones constituyen una forma económica de mantener
modernizadas o ampliar las infraestructuras para turistas, de manera que se mantenga
la calidad de nuestros destinos turísticos y no pierdan atractivo frente a la
competencia.
Los anclajes desarrollados 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.
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23. El proyecto ha sido coordinado y dirigido técnicamente por Miguel Ángel Abián,
Responsable del Departamento de Tecnología y Biotecnología de la Madera y del
Área de Construcción de Madera, así como premio Schweighofer de investigación de
la madera en el año 2009. En el proyecto se cuenta con un equipo de expertos que
incluye ingenieros y arquitectos de experiencia internacional. Dos de ellos son Manuel
García Barbero, arquitecto especialista en construcción con madera, y Kiyanshid
Hedjri, arquitecto especialista en parametrización geométrica de estructuras.
Actualmente, basándose en los resultados del proyecto, AIDIMA está preparando una
propuesta de proyecto 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 IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad
Empresarial)
Proyecto cofinanciado por los Fondos FEDER, dentro del Programa Operativo
FEDER de la Comunitat Valenciana 2007-2013
Organismos colaboradores: Instituto de la Mediana y Pequeña Empresa
Valenciana IMPIVA | Instituto Tecnológico del Mueble, Madera, Embalaje y Afines
AIDIMA | Red de Institutos Tecnológicos REDIT
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