Tesis:
Láminas reticulares de madera deformadas elásticamente : del material a la construcción = Elastic timber gridshells : from material to construction
- Autor: LARA BOCANEGRA, Antonio José
- Título: Láminas reticulares de madera deformadas elásticamente : del material a la construcción = Elastic timber gridshells : from material to construction
- Fecha: 2022
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE ARQUITECTURA
- Departamentos: ESTRUCTURAS Y FISICA DE EDIFICACION
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70673/
- Director/a 1º: GUAITA FERNÁNDEZ, Manuel
- Director/a 2º: ARRIAGA MARTITEGUI, Francisco
- Resumen: Las láminas reticulares de madera deformadas elásticamente son una solución estructural de gran eficiencia y expresividad arquitectónica, de interés para su aplicación en cubiertas ligeras de medias y grandes luces. Se construyen a partir de piezas de madera inicialmente rectas, de pequeña sección y gran longitud, las cuales se deforman en régimen elástico hasta alcanzar la forma objetivo generando una retícula estructural de elementos continuos. El empleo de piezas de madera idénticas y el uso de soluciones de unión sencillas confieren al sistema una alta capacidad de prefabricación y estandarización. Sin embargo, a pesar del enorme potencial de este tipo de estructuras, solo algunas obras singulares se han construido hasta la fecha. Esto es debido a que existen importantes dificultades durante el proceso de diseño y ejecución que impiden su popularización, como son la escasez de productos comerciales de madera adecuados, la insuficiencia de estudios sobre relajación de tensiones en láminas de madera curvadas, así como la falta de trabajos sobre modelos numéricos contrastados experimentalmente. El objetivo general de la presente tesis es generar conocimiento útil para conseguir salvar dichas dificultades y lograr la puesta en práctica de este tipo de estructuras con madera de Eucalyptus globulus Labill. Con este fin se establecen las principales directrices para producir madera maciza empalmada y madera laminada encolada de E. globulus de muy altas prestaciones para su aplicación en estructuras laminares reticulares deformadas elásticamente. Para ello se propone un sistema de clasificación de la madera maciza de eucalipto en diferentes perfiles resistentes, combinando criterios visuales y mecánicos. Así mismo, se establecen los parámetros de fabricación necesarios para obtener empalmes por unión dentada encolada de muy alta capacidad. Los resultados muestran que con E. globulus pueden fabricarse dos de los productos estructurales en base madera maciza de mayores prestaciones mecánicas del mercado europeo, suponiendo una alternativa de aplicación de gran valor añadido para esta especie cuyo destino habitual es la producción de pasta de papel. Un análisis comparativo con otros productos y especies de madera, en términos de radio de curvatura, rigidez del sistema de conexión y reserva estructural, pone de manifiesto la superioridad mecánica de los productos desarrollados y demuestra que con ellos pueden diseñarse estructuras laminares que no serían posibles con otras especies. De igual modo se realiza una revisión bibliográfica crítica relativa al fenómeno de la relajación de tensiones en láminas de madera curvadas en régimen elástico, en relación a los enfoques de análisis estructural empleados, los equipos y métodos de ensayos utilizados para su medición y los datos experimentales disponibles. Estos trabajos han derivado en la patente con examen de un novedoso equipo de ensayos, el cual elimina los inconvenientes de otros equipos empleados para el mismo fin. El nuevo equipo ha sido utilizado para medir la relajación de tensiones producida durante varios años en láminas de eucalipto curvadas con diferentes radios. Los resultados proporcionan datos de gran interés para el análisis estructural y sugieren la posibilidad de utilizar los valores normativos de fluencia en madera para estimar la relajación de tensiones en otras especies. Así mismo se propone un concepto innovador de lámina reticular de madera deformada elásticamente, el cual supone una importante contribución al diseño de este tipo de estructuras y abre nuevas e interesantes posibilidades de aplicación. Se basa en un esquema estructural de lámina alargada apoyada exclusivamente sobre sus lados cortos, el cual logra la rigidez a flexión fuera del plano mediante tres direcciones de láminas flectadas. Para analizar el comportamiento estructural del concepto propuesto, se desarrollan dos novedosos modelos numéricos de elementos finitos que incorporan los aspectos más importantes de este tipo de estructuras (excentricidad y deslizamiento en las uniones, y tensiones de curvado y su relajación). Ambos se basan en la modelización de las uniones de la estructura como una secuencia de acoplamientos rígidos con muelles en todos los planos de corte. El primero simula la geometría final a construir, pudiendo incorporar las tensiones iniciales debidas al proceso de construcción a través de momentos de curvatura deducidos de análisis geométricos. El segundo reproduce el proceso de construcción obteniendo las tensiones iniciales directamente de la simulación. A partir de los resultados numéricos obtenidos, se señalan los principales aspectos a considerar en el diseño y análisis estructural del concepto desarrollado. Por último, se construyen dos láminas reticulares de gran tamaño con el nuevo esquema estructural propuesto. La primera, un prototipo de laboratorio de 7.5 m de longitud, permite calibrar los modelos numéricos a partir de una prueba de carga. La segunda, una estructura de 24 m de longitud diseñada para cubrir el nuevo almacén de madera de PEMADE en el Campus de Lugo, es la primera lámina reticular de madera deformada elásticamente de carácter permanente construida en España y la primera del mundo realizada con E. globulus. Con esta actuación se llevan a cabo trabajos adicionales para conseguir láminas continuas de gran longitud sin uniones mecánicas, se desarrollan detalles estructurales novedosos y se propone un proceso de puesta en obra lámina a lámina, el cual permite disponer de tres direcciones de láminas continuas flectadas y evitar el uso de piezas de bloqueo de rasante. El diseño y construcción de esta cubierta demuestra definitivamente el potencial arquitectónico y estructural del Eucalyptus globulus Labill para su aplicación en láminas reticulares deformadas elásticamente y abre la puerta a nuevos caminos apasionantes aún por explorar. Los trabajos desarrollados en esta tesis se han llevado a cabo en el marco de tres proyectos de investigación: «Tecnificación de la cadena de valor para el desarrollo de productos de altas solicitaciones técnicas con madera de eucalipto» (Xilográcile), del Programa FEDER Innterconecta del Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno de España; «Análisis de la relajación de tensiones en láminas curvadas y de nuevas soluciones de unión para estructuras tipo Gridshell realizadas con Eucalyptus globulus» (Eucagrid), del Programa Estatal de fomento de la investigación científica y técnica de excelencia, del Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España; y «Lugo+Biodinámico, Planificación de un barrio multiecológico modelo de resiliencia urbana», del Programa LIFE de la Unión Europea. La presente tesis doctoral se presenta por compendio de publicaciones. Su contenido se articula a través de seis de las contribuciones más relevantes realizadas por el autor en la temática: cinco artículos en revistas científicas Q1 o Q2 (uno de ellos en proceso de revisión) y una patente de invención con examen previo. ----------ABSTRACT---------- Elastic timber gridshells are a highly efficient and architecturally expressive structural solution of great interest for application in lightweight roofs of medium and large spans. They are built from initially straight pieces of wood, of small cross-section and great length, which are elastically deformed until they reach the target shape, resulting in a structural grid of continuous elements. The use of identical timber laths and simple connection solutions gives the system a high capacity for prefabrication and standardisation. However, despite the great potential of this type of structures, only a few singular realisations have been built to date. This is due to important difficulties during the design and construction process that prevent their popularisation, such as the scarcity of suitable commercial timber products, the insufficiency of studies on stress relaxation in bent timber laths, and the lack of work on experimentally verified numerical models. The general objective of the present PhD thesis is to provide useful knowledge to overcome these difficulties and to achieve the implementation of this type of structures using Eucalyptus globulus Labill wood. To this end, the main guidelines for producing high performance finger jointed solid timber and glued laminated timber of E. globulus for application in elastic gridshells are established. A grading system of eucalyptus solid wood into different strength profiles is proposed, combining visual and mechanical criteria. Manufacturing parameters necessary to get very high capacity finger-joints are also set up. The results show that E. globulus can be used to produce two of the highest mechanical performance solid wood-based products on the European market, representing a high added-value alternative application for this species, which is normally used for pulp production. A comparative analysis with other products and wood species, in terms of radius of curvature, stiffness of the connection system, and structural reserve, shows the mechanical superiority of the developed products and demonstrates that they can be used to design gridshell structures that would not be possible with other species. A critical literature review is also carried out on the phenomenon of stress relaxation in elastically bent timber laths, in relation to the structural analysis approaches, the equipment and test methods applied, and the available experimental data. This research has derived in a patent with examination of a novel test equipment, which eliminates the drawbacks of other devices used for the same purpose. The new equipment has been applied to measure the stress relaxation produced over several years in curved eucalyptus laths with different radii. The results provide data of great interest for structural analysis and suggest the possibility of using normative creep values to estimate stress relaxation in other species. An innovative concept of an elastic timber gridshell is also proposed, which makes an important contribution to the design of this type of structure and opens up new and interesting application possibilities. It is based on a structural scheme of a long gridshell supported exclusively on its short sides, which achieves out-of-plane bending stiffness by means of three directions of bent laths. To analyse the structural behaviour of the proposed concept, two novel numerical finite element models are developed which incorporate the most important aspects of this type of structure (eccentricity and slip at the joints, and bending stresses and their relaxation). Both are based on modelling the joints of the structure as a sequence of rigid couplings with springs in all shear planes. The first simulates the final geometry to be built, being able to incorporate the initial stresses due to the construction process by means of bending moments deduced from the geometrical analysis. The second reproduces the construction process by obtaining the initial stresses directly from the simulation. From the numerical results obtained, the main aspects to be considered in the design and structural analysis of the developed concept are pointed out. Finally, two large gridshells are built with the proposed new structural scheme. The first, a 7.5 m long laboratory prototype, allows the numerical models to be calibrated on the basis of a load test. The second, a 24 m long structure designed to cover the new wood warehouse of PEMADE on the Lugo Campus, is the first permanent elastic timber gridshell built in Spain and the first in the world to be made with E. globulus. Within this project, additional work was caried out to achieve continuous long laths without mechanical joints. Innovative structural details were also developed, and a lath-by-lath construction process was proposed, which allows three directions of continuous bent laths and avoids the use of shear blocks. The design and construction of this structure definitively demonstrate the architectural and structural potential of Eucalyptus globulus Labill for application in elastic gridshells and opens up new exciting avenues yet to be explored. The work developed in this thesis has been carried out in the framework of three research projects: "Technification of the value chain for the development of products with high technical solicitations with eucalyptus wood" (Xilográcile), from the FEDER Innterconecta Programme of the Ministry of Science and Innovation of the Spanish Government; "Analysis of the stress relaxation in curved members and new joints solutions for timber gridshells made out of Eucalyptus globulus" (Eucagrid), from the State Programme for the promotion of scientific and technical research of excellence, of the Ministry of Economy and Competitiveness of the Spanish Government; and "Lugo+Biodinamic, Planning of a multi-ecological neighbourhood model of urban resilience", from the LIFE Programme of the European Union. This doctoral thesis is presented as a compendium of publications. Its content is articulated through six of the most relevant contributions made by the author in the field: five articles in Q1 or Q2 scientific journals (one of them under review) and one patent with prior examination.