XXI Convención de la Federación Española de Pavimentos de Madera Madera modificada: Nuevas posibilidades constructivas Bilbao, 29 y 30 de Mayo de 2014 Manuel C. Touza Vázquez, Dr. Ingeniero de Montes [email protected] La madera como material estructural Madera : Estructura de una conífera Estructura uniforme formada en un 90-95% por células denominadas traqueidas CELULOSA / Tracción 1000 N/mm2 LIGNINA / Compresión 240 N/mm2 TRAQUEIDAS DE CONÍFERAS: Función conductora y de sostén. Longitudes de entre 2-5 mm / Muy esbeltas (100). Conocidas en el Carbonífero (300 MM años). Alcanzan su máxima expansión (20.000 especies) durante el Jurásico (175 MM años). Los anillos estacionales aparecen en el Cretácico (140 MM años). Estructura de un árbol : Tejido conductor (albura) y estructural (duramen) Fotosíntesis: 6CO2 + 6H2O + E ----> C6H12O6 + 6O2 CAMBIUM CORTEZA CORTEZA INTERNA (LIBER) DURAMEN ALBURA Propiedades de la madera : Eficiencia estructural PESO PROPIO, NIEVE VIENTO Material MOE (MN/m2) Dens (δ) (g/cm3) (E)/ δ* Energía rigidez** Acero 210.000 7,8 27.000 1 Titanio 120.000 4,5 27.000 13 Aluminio 73.000 2,8 26.000 4 Hormigón 15.000 2,5 6.000 0,3 Fib. de carbono 200.000 2,0 100.000 17 Madera (C-24) 11.000 0,4 27.500 0,02 (*) El diseño de numerosas estructuras está relacionado con el parámetro (E)/δ que representa el costo en términos de peso de limitar las deformaciones globales. (**) Energía necesaria para proporcionar una determina rigidez al conjunto de la estructura. E0,med = 11.000 N/mm2 (C-24) x 850 Balance de CO2 - Calentamiento global Al menos el 60% del Cambio Climático puede atribuirse a las emisiones de CO2, consecuencia de actividades humanas, principalmente la quema de combustibles fósiles. El empleo de madera supone una forma eficaz y sencilla de reducir las emisiones de CO2, principal gas de efecto invernadero causante del Cambio Climático Emisiones CO2, incluyendo efecto Sumidero de Carbono Madera : Material biodegradable La Madera : Diseño constructivo Villa Katsura, Kioto, 1620 La Madera : El oficio El Santuario japonés de Ise, es el lugar más sagrado de la religión sintoísta. Desde el año 692, los santuarios son desmantelados y reconstruidos cada 20 años, según la creencia shintō de que la naturaleza muere y renace en un período de veinte años. Este proceso requiere 8 años de trabajo y emplear 10.000 árboles que deben seleccionarse uno a uno. Un ciclo de 20 años permite que intervengan tres generaciones de carpinteros; expertos con edades en torno a 60 años, jóvenes con edades cercanas a los 40 y aprendices de unos 20 años que sólo pueden colaborar en determinados trabajos. Gracias a este ritual, el conocimiento se transmite de generación a generación desde el siglo VII. Madera : Material sostenible Posiblemente, el desarrollo más importante que se ha producido en los materiales de construcción durante el siglo XX se debe al trabajo de los genetistas que han logrado cultivar especies forestales que permiten producir madera comercial en plantaciones con turnos reducidos. Structures: Or Why Things Don't Fall Down J. E. Gordon, 1981 Edificios residenciales en altura (nueve pisos) com estructura de madera / Edificio Stadhaus (Londres) La madera modificada El árbol más viejo de la tierra Oldest Living Tree Found in Sweden James Owen / National Geographic News / April 14, 2008. Ha sido descubierto en Suecia el árbol de mayor edad del mundo. Se trata de una picea de 4 metros de altura, cuya porción visible no es antigua, pero su sistema radical tiene una edad de 9.550 años, de acuerdo a la investigación realizada por un equipo dirigido por Leif Kullman, profesor del departamento de ecología y ciencias medioambientales de la Universidad de Umeå . Imagen: National Geographic Madera modificada Fotosíntesis: 6CO2 + 6H2O + E ----> C6H12O6 + 6O2 Material higroscópico y biodegradable : Enlaces de puentes de hidrógeno Fotosíntesis: 6CO2 + 6H2O + E ----> C6H12O6 + 6O2 Enlaces de puente de hidrógeno Celulosa O H O O H O H H O H H O O H O H O H H H H H O O H H O H H H H O H O H O Celulosa O H O H O H O Madera modificada En esencia, la madera modificada es el resultado de una interacción entre la madera y un agente químico, biológico o físico, que permite, sin adicionar un biocida, mejorar alguna de sus propiedades durante la vida de servicio del material (Hill, 2006). Así, mientras el principal resultado de un protector tradicional es la mejora de la durabilidad de la madera, en el caso de la madera modificada lo que se obtiene es un nuevo material con propiedades diferentes. Imagen : Militz et al., 1997 Modificación térmica : La MaderaTermotratada Modificación térmica : Antecedentes Históricos Shou-sugi-ban es una técnica tradicional japonesa consistente en quemar superficialmente madera de sugi (Cryptomeria japonica) para relizar envolventes de madera duraderas. Una vez quemada, se prepara la superficie de la madera con un cepillo de puas y se aplica un aceite vegetal. La madera tratada de esta forma puede alcanzar una durabilidad de 80 años. Algunos arquitectos japoneses como Terunobu Fujimori emplean habitualmente la ténica del shou-sugi-ban en sus proyectos. Fuente : Proyectos de Terunobu Fujimori Modificación térmica : Madera termotratada La madera termotratada es el resultado de someter a la madera a un tratamiento térmico, con temperaturas a menudo comprendidas entre los 180 y 260ºC, en una atmósfera inerte o con un bajo contenido en oxígeno. La forma en la que se consigue esta atmósfera distingue las principales tecnologías disponibles. El método de tratamiento más habitual fue desarrollado en los años 90 por el Centro Tecnológico finlandés VTT y consiste en someter a la madera a una temperatura mínima de 180ºC en una atmósfera de vapor. ThermoWood se comercializa empleando el método desarrollado por el VTT. El proceso tiene lugar en tres etapas: Fase 1 La temperatura se incrementa rápidamente hasta unos 100ºC y, posteriormente, hasta los 130ºC. Al final de esta fase el contenido de humedad de la madera es casi 0. Fase 2 La temperatura alcanza el objetivo de tratamiento deseado (185-215ºC) y una vez alcanzado éste se mantiene durante 2–3 horas. Fase 3 La temperatura se reduce y, al alcanzar los 8090ºC, tiene lugar un reacondicionamiento para dejar la madera con un contenido de humedad del 4-7%. Fuente : International ThermoWood Association Propiedades de la madera termotratada La modificación térmica altera, de forma permanente, diversas propiedades de la madera. Estos cambios se deben, principalmente, a la degradación térmica de la hemicelulosa que empieza a producirse a partir de 150ºC. A medida que la temperatura se incrementa, se suceden nuevos cambios que afectan a las propiedades. Los cambios experimentados por la madera son: Fuente : International ThermoWood Association • La hinchazón y merma de la madera disminuye • La durabilidad natural se incrementa • El color de la madera se oscurece • Las resinas y extractos fluyen de la madera • La densidad de la madera disminuye • La humedad de equilibrio higroscópico disminuye • El pH desciende • La conductividad térmica mejora • La rigidez de la madera disminuye • Las propiedades mecánicas disminuyen Propiedades de madera termotratada (ThermoWood) Coníferas Thermo-S (Stability) Thermo – D (Durability) Temperatura tratamiento 190ºC 212ºC Estabilidad dimensional (6-8% Sentido tangencial) (5-6% Sentido tangencial) Resistencia a la flexión Sin cambios Disminuye Durabilidad (hongos de pudrición) Clase (Medianamente durable) Clase 2 (Durable) Oscurecimiento + ++ Fuente : International ThermoWood Association 140000 Estadísticas de ThermoWood (2013) Formada por 13 empresas El volumen producido fué 1280.00 m3 El 45% es pino y el 48% abeto 120000 100000 80000 60000 40000 El 83% de la producción es Thermo D 20000 0 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 Aplicaciones de la madera termotratada Fuente: Lunawood Fuente: Finnforest Fuente: Lunawood Aplicaciones de la madera termotratada Fuente: Atelier Nuno Lacerda Lopes / Fotografías: Fernando Guerra Centro Cultural / Lérez (Pontevedra) / Arq. Jorge Pérez / 2011 Fachada elaborada con madera termotratada de pino silvestre. Menos peso, más estabilidad y durabilidad (sin biocidas) Montaje modular. Consumo energético final 70 KWh/m2 Centro Cultural / Lérez (Pontevedra) Envejecimiento natural de la madera termotratada Envejecimiento natural del proyecto - Diseño Constructivo - Extractos - Mohos - Herrajes Modificación química : La madera acetilada Modificación química : Madera acetilada En 1928 se logra acetilar madera. La primera patente es del año 1930. En 1945 se conoce su efecto sobre la mejora de la durabilidad y estabilidad de la madera. En 1980 se inicia la producción a pequeña escala. En 2004 se crea una planta piloto de investigación. En 2007 se inicia la producción industrial en Holanda. Fuente : Accoya / Accyss Modificación química : Madera acetilada Julio 2006 PROPIEDAD VALOR Clase de durabilidad 1 Densidad 510 Kg/m3 Hum. Eq. Higrosc. 3-5% Coef. cont. radial total 0,7% Coef. cont tang. total 1,5% Clase resistente C-24 Dureza Janka 4100 N Conduct. térmica 0,13 Wm-1K-1 Fuente : Accoya / Accyss Pino silvestre Madera acetilada Alerce siberiano Cedro rojo del Canadá Alerce europeo Madera termotratada Dic - 2010 Modificación química : Madera acetilada Fuente : Accoya / Accyss Madera Acetilada / Moses Bridge / Holanda 2011 El puente de Moses está emplazado en el Fuerte de Roovere, el mayor fuerte rodeado por un foso de la línea Brabant Water Line, una defensa holandesa creada a inicios del siglo XVII. Ro & Ad Architects Madera Acetilada / Moses Bridge / Holanda 2011 Ro & Ad Architects Ro & Ad Architects Madera Acetilada / Moses Bridge / Holanda 2011 Ro & Ad Architects La Estación Marítima de Vilanova de Arousa Estación Marítima / Vilanova de Arousa (Pontevedra) / Ángel Cid y Silvia Diz 2C Arquitectos / Junio 2012 Localización: Vilanova de Arousa, Pontevedra (España) La Estación Marítima es un pequeño edificio (258 m2) concebido para promocionar el tráfico marítimo en las rías gallegas. La fachada tiene una superficie de 70m2 y se desea mantener el aspecto de la madera (acabado). Precipitación media anual: 1525 mm Temperatura media anual: 14ºC Orientación fachada de madera: Este El diseño original está formado por listones de madera soportados por tablas horizontales machihembradas. Las piezas se unen a rastreles horizontales que se fijan sobre una chapa corrugada. Estación Marítima / Diseño Constructivo Diseño preliminar Opción A Opción B Estación Maritima / Acabado Por motivos estéticos el acabado no debía ocultar la veta de la madera. Se seleccionó un acabado translúcido en un tono roble claro. Para incrementar su durabilidad se decidió aplicar un acabado filmógeno. Estación Marítima / Acabado/ Garantía ? La durabilidad del acabado reside en conseguir una película de espesor homogéneo en la superficie de la madera. Muchas empresas son reacias a extender una garantía porque la durabilidad de un acabado está vinculada a factores externos difíciles de controlar. Efecto de una arista viva (diseño constructivo) Efecto de cuchillas desafiladas (Condiciones de aplicación) Imagen: Sikkens Estación Marítima / Diseño Definitivo 1) Evitar cualquier arista recta 2) Además de protegerlas con un sellador, las testas de todos los elementos se mecanizan en bisel con un ángulo de 30º 3) El extremo superior de los listones se protegió con un vierteaguas metálico. Estación Marítima / Control de Calidad El control de calidad se centró en asegurar que el producto era aplicado siguiendo las recomendaciones de la empresa de acabado. Estación Marítima / Montaje El montaje se organizó con paneles modulares evitando que ningún tornillo fuese visible desde el exterior. Estación Marítima / Control de Calidad Se firmó una garantía por 5 años respecto a la durabilidad del acabado. La garantía está subordinada a una limpieza anual. Estación Marítima / Entrega del Proyecto / Junio 2012 Estación Marítima / Primer Mantenimiento / Octubre 2013 (17 meses) El primer mantenimiento se aplicó a los 17 meses de la entrega del proyecto y consiste en limpiar la superficie de la madera con un detergente y aplicar un producto nutriente. El coste de los productos empleados no supera los 50 Euros y dos trabajadores pueden realizar el trabajo en unas 3 horas. Estación Marítima / Abril 2014 (22 meses) Reforma del Colegio Les Carolines Reforma Colegio “Les Carolines” / Arq. Pablo Ribera y Josean Pons / Picassent (Valencia) / Enero 2013 Reforma Colegio “Les Carolines” / Arq. Pablo Ribera y Josean Pons / Picassent (Valencia) / Enero 2013 Listones de 45x25 mm y longitudes de hasta 4,2 m. http://www.joseanvilar.com/2013/06/escuela-de-secundaria-les-carolines/ Reforma Colegio “Les Carolines” / Arq. Pablo Ribera y Josean Pons / Picassent (Valencia) / Enero 2013 http://www.joseanvilar.com/2013/06/escuela-de-secundaria-les-carolines/ Reforma Colegio “Les Carolines” / Arq. Pablo Ribera y Josean Pons / Picassent (Valencia) / Enero 2013 http://www.joseanvilar.com/2013/06/escuela-de-secundaria-les-carolines/ Modificación química : La madera furfurilada Madera Furfurilada La tecnología de furfurilación es el resultado de una investigación desarrollada durante los años 80 y 90 en la Universidad de New Brunswick. La primera planta industrial inicia su producción en enero de 2009, en Noruega, con una capacidad de 25.000 m3. Fuente : Kebony Madera Furfurilada Especies Durabilidad Dureza Máx. Densidad MOR MOE Monin mov (%) k/m3 MPa GPa Arce No durable (5) 3,7 11 610 130 11,5 Arce - Furfurilado Muy durable (1) 6 6,7 780 130 15 Pino silvestre Poco - Med durable (3-4) 2 8 530 91 10.9 Pino silvestre – Furf.urilado Muy durable-Durable (1-2) 2,5-4,5 4-6 600-680 92 12-13 Pino amarillo del Sur (SYP) Med. Durable (3) - No durable (5) 3 8-10 510 88 12,5 SYP- Furfurilado Muy durable - Durable (1-2) 4,5 4-5 700 92 15,5 Fuente : Kebony Madera Furfurilada Fuente : Kebony Tendencias en madera modificada Tablero de fibras acetilado En el año 2011 se inició la producción de tablero a partir de fibras acetiladas. Este desarrollo se considera la innovación más importante en el ámbito de los tableros derivados de madera en los últimos 30 años. La estabilidad del tablero y, sobre todo, su durabilidad pueden cambiar significativamente la forma en la que los tableros de madera se han empleado en aplicaciones de exterior. Sus principales aplicaciones incluyen las fachadas, pavimentos, elementos de señalización, puertas de entrada, mobiliario en ambientes húmedos, industria de automoción y construcción naval. Fuente : Medite / Tricoya Tableros contralaminados de madera modificada térmicamente Fuente : Binder Holz / Welham Studios Madera Modificada de especies locales : Pino radiata del País Vasco Fuente : Thermogenik Madera modificada de frondosas : Fresno termotratado Fuente : Thermory Innovación : Resbaladicidad Fuente : Lunawood / Finnforests CIS-Madera : Exposición de muestras de madera modificada Segunda generación de productos de madera modificada térmicamente Los productos Q-Treat (Quartz-treated) son tratados con una solución de silicato sódico y, posteriormente, termotratados. El efecto del silicato sódico incrementa la durabilidad, la dureza y la resistencia al fuego. Por el contrario, afecta negativamente a la estabilidad de la madera. Combinando las condiciones de ambos tratamientos es posible obtener productos con propiedades específicas según el uso demandado. Fuente : Stora Enso / Q-Treat La imaginación… Oficinas de Microsoft Fuente: Microsoft Memorial de la batalla del 5 de mayo, Puebla (México) Memorial de la Batalla del 5 de mayo, Puebla (México) / 6500 m 2 Fuente : Thermory Pista de baile al exterior en Copenhague. Pista de baile exterior en un parque de Dinamarca, elaborada con un entablado (machihembrado) de madera acetilada. Las tablas tienen una anchura de 185 mm y 1 mm de separación. Club náutico juvenil / Copenhague_2004 1700 m2 de madera / 2 edificios de 316 y 120 m2 Fuente : Plot Arkitekter Club náutico juvenil l / Copenhague_2004 Fuente : Plot Arkitekter Plazas en altura ? 3000 m2 de madera Cine exterior, cafetería, conciertos... Fuente : Plot Arkitekter Muchas gracias por su atención