Las uniones

Asociando temas abordados, sobre amortiguación, y sobre modulación, llego a un tema que me parece relevante: las uniones, ya sea pensándolas en juego, o fijas.

El perno, y su movilidad
Una construcción puede articularse a través de piezas menores, que funcionan como nexos. Estos nexos se fijan, y aflojan, a través de pernos, y tuercas. La condición de movilidad implícita, del extremo roscado de estas piezas, llama la atención, dejando subyacente la idea de una mecánica: algo que se arma, y que se puede modificar.

La fijación de la rosca de los tensores, así, determina el esfuerzo de tracción, que puede aflojarse, o estirarse. Siempre queda implícita la idea de una amortiguación, recordando los pasadores en las columnas del aeropuerto de Kansai, que se adaptan a la irregularidad del terreno: elementos de movilidad.
La rigidez y determinación lograda, asimismo, es la que posibilita distintos tipos de entramados, tipología constructiva que se ha abordado anteriormente, prestándose especial atención a la madera.

Arquitectura paramétrica en madera y su asociación con la cercha: el plug-in Grasshopper

En este punto, pensando sistemas articulados de mayor complejidad, buscando una forma de construirlos, aparece el programa Rhinoceros, más el plug-in Grasshopper, como herramientas de diseño de estructuras. En ocasiones anteriores, imaginando una habitabilidad para estas formas, había asociado los prototipos paramétricos, construidos en madera, a las cerchas, pensando que las últimas son una solución conocida. La observación, o crítica, de hecho, que se hace al actual desarrollo de este tipo de construcciones, es la habitabilidad problemática, por un lado, y la materialidad, por otra.

Concepto y empírica: la cercha como solución constructiva, o esqueleto conocido
La empírica es la forma en que “las cosas ya se hacen”, y que se transmite de generación en generación. Es asimismo una forma de comunicación entre profesionales. Es posible así pensar en el elemento cercha, conocido, definido en sus elementos, como base a complejizar.

¿Cuál es el comportamiento de las uniones en la cercha ante una carga?
Abordemos entonces el tema de la cercha, y la materialidad más común: la madera. En sí, la madera es un material orgánico, no homogéneo, compuesto por celulosa, que constituye la estructura de las paredes celulares, y lignina, el material ligante de las células entre sí. Es ésta la que afecta más la apariencia y propiedades de las especies.
Actualmente, la introducción de conectores metálicos ha hecho posible aprovechar mejor la madera. Antes, eran necesarias grandes secciones, y sólo se utilizaba entre el 40 y el 60 % de capacidad de resistencia. Ahora, con conectores metálicos, es posible obtener el 80 y hasta el 100 %.

Reglas generales para el diseño de cerchas
El procedimiento de diseño es el siguiente:
a) Determinación de cargas solicitantes.
b) Cálculo de solicitaciones en los elementos.
c) Selección de especie y grado de calidad. La selección de especie dependerá del lugar y de las maderas más comunes de la zona. El grado de calidad, de la resistencia requerida. Como regla, deben preferirse los grados con tensiones más bajas, que proveen el diseño más eficiente y económico.
d) Determinación de escuadrías requeridas.
e) Diseño de uniones, considerando primero las que soportan solicitaciones mayores. Se debe establecer el espaciamiento entre elementos de unión, y la distancia de éstos al borde y a los extremos de la pieza. Además, se debe evitar la distribución excéntrica de los elementos de unión. Si eso ocurre, se debe considerar el efecto de los momentos que ésto induce.

Elementos mecánicos de unión.
Son aquellos que, al quedar solicitados por fuerza de cizalle, admiten corrimientos relativos, que se originan como consecuencia de las deformaciones de la madera en la zona de contacto entre ésta y el elemento de unión y, adicionalmente, en el caso de medios de unión cilíndricos, por las deformaciones de flexión que experimentan. Dependiendo de la disposición pueden, también, quedar solicitados según su dirección axial.
Esto se aplica al diseño estructural que hace uso de elementos mecánicos, tales como: clavos, pernos, conectores para madera, adhesivos de contacto.

Uniones con conectores.
En los ensambles de madera, el diseño de juntas requiere atención especial. En el pasado, el tamaño de los elementos se determinaba con frecuencia por el tipo de unión y por el área reducida de la sección transversal que resultaba a causa de rebajas y pernos. Básicamente, los conectores son anillos, o placas prefabricadas, que se introducen parcialmente en cada superficie, con pernos de diámetro relativamente pequeño.
Se obtiene así una optimización que permite piezas más cortas, y secciones menores. En métodos del pasado, las juntas eran con frecuencia la parte más débil de la estructura. Con conectores es posible aprovechar todo el esfuerzo admisible de la madera.

Figura superior: Split ring and split-ring joints (conectores de Madera). Fuente:
http://www.tpub.com/content/engineering/14071/css/14071_27.htm

Toothed-ring and toothed-ring joints. Fuente:
http://www.tpub.com/content/engineering/14071/css/14071_28.htm

Se han patentado numerosos tipos de conectores, en U.S.A. y otros países europeos. El más frecuente es el “anillo abierto” (split ring), cuya continuidad queda interrumpida por un corte en forma de lengüeta. Se coloca en ranuras hechas en las superficies, de diámetro igual al del anillo, y cuya profundidad es la mitad de la altura del anillo. En el centro de la ranura circular de cada madero se efectúa una perforación, para el perno que los sujetará. Estos anillos se fabrican en dos diámetros: 2 ½” y 4”.

Otro tipo de anillo es el provisto de ondulaciones en sus cantos, con dientes opuestos en las partes superiores de cada ondulación. La profundidad de la ranura es la mitad de la altura del anillo menos el largo del diente, para que los dientes penetren en la madera, empotrados. También, en el centro, lleva un orificio para un perno. Se usan en diámetros de 2”, 2 5/8”, 3 3/8” y 4”.

El tipo de plato o disco es un conector cuya superficie está provista de pestañas o dientes. Cuadrados, o circulares, en el centro geométrico de la madera en que se colocarán debe ir un orificio para el perno.
Los conectores con dientes no necesitan ranuras. Se prensan, incrustándose. Los conectores con pestañas en sus bordes exteriores deben ir en ranuras hechas en cada elemento. Por el orificio central se pasa el perno, con arandelas, que, con el apriete, mantienen al conjunto trabajando como unidad.

Shear-plate and shear-plate joints (conectores de Madera). Fuente:
http://www.tpub.com/content/engineering/14071/css/14071_27.htm

De estos conectores tipo plato o disco el más usado es la placa para corte (shear-plate), especial para conexiones de madera con acero, y de madera con madera en estructuras desmontables cuando se usan en pares. Las placas quedan a ras de la superficie, y se ajustan en ranuras recortadas en las caras. Se usan para unir columnas de madera a zapatas de fundación con adición de pernos de acero, y cajas metálicas adosadas a hormigón, y en cualquier parte donde se requiera una unión acero-madera.
Las placas dentadas se usan principalmente donde las piezas se traslapan en ángulo recto, sean éstas vigas sobre vigas, en ángulo recto, o viga sobre pilar. Las rejillas dentadas se usan en pilotes, postes, en construcción de caballetes, de muelles y puertos, y líneas de transmisión. Se incrustan a presión, especialmente en el cruce de dos elementos estructurales.
En general los conectores son poco empleados. Se desconoce su resistencia y hay dificultades en su adquisición.

Refuerzos de armazones" Bulldog". Fuente:
http://www.simpson.fr/catalogue/categorie.php?cat=69&fam=27&chglg=es

Espaciamientos en las uniones
Es esencial, por otra parte, el cálculo y estudio de espaciamientos en los elementos de unión, en la solución que se haya aplicado en una cercha, para asegurar un adecuado comportamiento estructural. Links donde se describen cálculos de espaciamientos, graficados en esquemas de situaciones frecuentes, pueden ser:
http://rapidshare.com/#!download|602l3|236284030|manual-casas-madera.rar|9517
http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2003/bmfciv297d/doc/bmfciv297d.pdf

Ensayos de resistencia
La resistencia, en los distintos tipos de unión, es posible de probar a través de ensayos, como los graficados a continuación, en los cuales la carga se aplica con prensas de grandes dimensiones.

Fuente:
http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2003/bmfciv297d/doc/bmfciv297d.pdf

Primero, por ejemplo, se efectúa el ensayo de una unión con clavos: la muestra se comporta en forma dúctil, ya que la disposición de éstos distribuye la carga en forma equitativa en las caras. Así, la destrucción es paulatina. Además, ésto permite que no haya mayor desgarramiento lateral.
El problema de la unión clavada, es que las piezas tienden a separarse, reduciendo su capacidad de carga, lo cual sucede porque los clavos son lisos en su superficie de penetración. Además, los clavos, sufren deformación, por la dirección de la carga y el deslizamiento paulatino.
La unión clavada, por sus condiciones, es una de las cuales se puede utilizar para fabricación de una cercha.
La unión apernada, por su parte, es otra posibilidad, que resuelve la tendencia a la separación. El problema es que, por acción de la carga, la pieza central se desgarra, produciendo que la oposición de la muestra disminuya considerablemente, pero sí se mantiene estable. Al instalar pernos siempre se debe tener en cuenta las dimensiones o espacios que se requiere, para que estos trabajen de buena forma, sin provocar un desgarramiento que comprometa la muestra. La unión con conectores, por su parte, también resuelve el problema de la separación de las piezas, aunque también se debe tener en cuenta prever desgarramientos (ensayo en la foto superior).

Esto, también debiera ser válido ante entramados más complejos, para lo cual debiera tenerse en consideración desde el principio cómo están trabajando los esfuerzos, y el tipo de luz a cubrir.

Ejemplos de estructuras complejas: proyectos recientes

Puente Houten Krúsrak (arriba): madera laminada al más alto nivel de solicitación.

El puente Houten Krúsrak, y sus tensiones y piezas
http://facingyconst.blogspot.com/2010/03/puente-houten-krusrak-madera-al-mas.html
Recientemente, se inauguró un puente en Sneek (Holanda), con una atractiva estructura de madera, que representa un importante paso en este material ante solicitaciones de alto nivel.
Así se emplea la última tecnología para crear un hito. El resultado de la colaboración entre empresa constructora, gobierno y oficinas de arquitectura, Onix y Achterbosch, es el primer puente de madera de carretera diseñado para resistir cargas de tráfico estándar según Eurocódigo.

Vista interior del puente.

El puente utiliza madera laminada Accoya, de la empresa Titan Wood. Se trata de madera acetilada: un proceso bioquímico que la sella mejorando extraordinariamente la durabilidad y dureza. Esta tecnología posibilita un material de alto rendimiento que procede de fuentes sostenibles certificadas. Asimismo es un material no tóxico, reciclable, biodegradable.

Detalles

El puente tiene un largo de 32 m, un ancho de 12 m, y se eleva 16 m, posibilitando el paso de tráfico rodado, peatones y ciclistas. Las vigas alcanzan 1080 x 1400 mm de sección maciza, proyectándose uniones pretensadas entre los elementos principales.
La estructura se compone de dos órdenes. El primero, la pareja de marcos triangulares que se curvan permitiendo el tránsito vehicular. Y el segundo, dos familias de diagonales entrelazadas en el interior de los marcos. Aunque se contempló la posibilidad de realizar el tablero en madera, los autores concluyeron que el ancho del puente y sus cargas requerirían un canto de 2 metros en las vigas traveseras, por lo que se optó por una solución en acero.

Uno de los aspectos más interesantes es el trabajo del nuevo material. Por un lado, la madera Accoya permite durabilidad, y por otro la madera laminada permite geometrías complejas, como superficies de doble curvatura.
Como se muestra en los gráficos siguientes, las propiedades flexibles de la madera permiten una predeformación del conjunto de láminas, antes del encolado, y su desglose o división en diferentes piezas asegura que el nivel de tensiones no es excesivo, lo que limitaría la capacidad portante del elemento en servicio.

Imágenes: madera laminada, practicándosele una curvatura simple, y doble, recordándose el referente de la silla Paimio, de Aalvar Alto.

Búsqueda de nuevas formas en madera laminada

Son interesantes las fotografías del proceso constructivo, mostrándose en éstas como se realizan los elementos en madera industrializada, en los talleres de Titan Wood, para luego ser transportados a una zona de trabajo cercana al emplazamiento.

Proceso constructivo: sistema pretensado
Interesante también es el detalle de pretensado de las uniones entre la viga principal del tablero y las diagonales del marco triangular. Este puede ser el nudo clave de la estructura, al recoger las grandes compresiones del marco triangular, descomponiéndolas en reacciones verticales en los estribos, y la gran tensión de la viga ‘tirante’. En definitiva, trabaja en varios aspectos como arco bowstring.

Una vez ensamblados los diferentes elementos, las partes principales están listas para ser montadas. Este proceso permite trabajar varios frentes. Por un lado se realizan trabajos de subestructura en hormigón armado de la cimentación, los muros de estribo y la pila. Y por otro el montaje en taller y a pie de obra del tablero metálico, y la superestructura en madera.

3555 Hayden (Eric Owen Moss Architects): una cubierta escultural
http://www.rhino3dchile.com/2008/01/3555-hayden/#more-123

Eric Owen Moss ha diseñado diversas obras en Culver, cerca de Los Angeles, California. Recientemente, ha desarrollado un proyecto para contener un departamento de post-producción audiovisual, sobre una bodega existente. Este, considera un volumen principal, con una cubierta que es una superficie de doble curvatura. Al volumen se le sustraen 2 formas cúbicas, como intersticios de acceso.
La cubierta orgánica fue modelada en Rhino y, con el mismo modelo, se obtienen las formas de las cerchas, que fueron cortadas por fresadoras de control numérico computarizado (CNC).
No hay ninguna cuaderna igual a otra, y éstas fueron enviadas por e-mail a Canadá, donde un router -de grandes dimensiones- cortó las formas. Los ensambles también son mecanizados, para lograr un encaje perfecto. Todo llegó listo, a las 2 semanas en camiones a California.
Al interior permanecen las vigas a la vista, mientras en el exterior se usa una técnica de fibra de vidrio reforzada con resina poliéster.
Sobre Rhino, el arquitecto dice: “Invaluable cuando se trabaja con geometrías complejas, Rhino fue usado para construir un modelo 3D completo de todos los miembros del techo: costillas, cuadernas, vigas y placas superiores. En el caso de las cerchas y planchas superiores, la información 3D fue usada también para fabricar sus partes.”

La madera laminada y sus ventajas estructurales
La madera laminada, viendo ejemplos actuales, es un producto de uso estructural y estético de notable resistencia, fabricado con piezas de madera, de diferentes largos, y secciones transversales iguales, encoladas entre sí, altamente resistente asimismo a climas adversos.
Su composición se logra mediante la unión de láminas delgadas, que pueden ser curvadas previamente, permitiendo así la construcción de estructuras complejas de gran armonía, y excelentes características estructurales.

Invernadero Sheffield (Inglaterra): madera curvada y vidrio
Diseñado por la firma Pringle Richards Sharratt, este invernadero presenta como elemento más significativo de su volumetría y espacio interior una serie de arcos que, con diferentes alturas, forman una bóveda de 70 metros de longitud.
El propósito de maximizar el interior, sin emplear apoyos intermedios, conduce al desarrollo de arcos parabólicos de madera laminada encolada, de alerce, obtenido de bosques mediante un manejo sustentable del recurso.

Maderas Laminadas Curvas
Cabe destacar que los arcos y las vigas están soportados por pequeñas piezas en acero inoxidable, cuyo resultado es una estructura muy eficiente pues, al facilitar los rangos de altura y la disposición de las áreas, permite un efecto visual de mayor volumen, sin restar protagonismo a la madera como material primario; hecho que convierte al Winter Garden en uno de los desarrollos más avanzados en cuanto a ingeniería de construcción aplicada a la transformación de la madera.
http://www.prsarchitects.de/in_the_press.php?id=61

Gimnasio Colegio Padre Hurtado (Teodoro Fernández): vigas triarticuladas
Pensando ejemplos cercanos, del uso de la madera, se puede nombrar el reciente Gimnasio del Colegio Padre Hurtado, del arquitecto Teodoro Fernández. Con el fin de salvar una luz de 36 x 48 metros, la propuesta considera un sistema de vigas triarticuladas, en madera laminada. Las cerchas se disponen a 464cm entre sí.
El cordón inferior de estas vigas se proyecta en forma de parábola, lo cual define una línea de fuerza sin tracciones, que viajan a los apoyos a través de las vigas de madera laminada, permitiendo así una viga económica. La estructura de techumbre considera marquesinas voladas a partir de las vigas laminadas parabólicas, que actúan como contrapesos, aligerando el peso del centro de la techumbre sobre el envigado.
La techumbre se apoya en un perímetro diseñado como anillo de compresión, con un ancho importante que actúa como umbral del recinto. Un sistema de montantes diagonales arriostra la techumbre, disminuyendo la luz de los volados, que constituyen las marquesinas laterales.
Las cargas se llevan al suelo con un sistema de contrafuertes, relevantes hacia el poniente, donde el edificio alcanza mayor altura, y mínimos hacia el oriente, donde tiene sólo un piso y se desea mayor transparencia. Los contrafuertes al poniente hacen presente la solución estructural, uniendo los tres pisos de altura, sirven de parasoles, encuadran el paisaje desde el interior, otorgando a la fachada presencia y profundidad.

Conclusiones
La investigación científica así ha dado por resultado la obtención de valiosas informaciones. La madera, siendo un recurso usado desde antiguo, se optimiza según las últimas tecnologías, flexionándose, y articulándose con ayuda de nuevos elementos. Estos recursos, pueden ser aplicados desde el principio en el propósito de un proyecto de arquitectura.