Madera laminada encolada

madera laminada encolada, comúnmente conocida como laminada, es un tipo de producto de madera de ingeniería estructural constituido por capas de madera dimensional unidas entre sí con materiales estructurales duraderos y resistentes a la humedad. adhesivos de manera que toda la veta discurra paralela al eje longitudinal. En Norteamérica, el material que proporciona las laminaciones se denomina material laminado o lamstock.

Historia

Se cree que los principios de la construcción de madera laminada se remontan a la década de 1860, en el salón de actos del King Edward VI College, una escuela en Southampton, Inglaterra. Sin embargo, la primera patente surgió en 1901 cuando Otto Karl Freidrich Hetzer, un carpintero de Weimar, Alemania, patentó este método de construcción. Aprobada en Suiza, la patente de Hetzer exploraba la creación de una viga recta a partir de varias laminaciones pegadas entre sí. En 1906 recibió una patente en Alemania para secciones curvas de madera laminada. Otros países de Europa pronto comenzaron a aprobar patentes y, en 1922, la madera laminada se había utilizado en 14 países.

La tecnología fue llevada por primera vez a los Estados Unidos por Max Hanisch Sr., quien había estado asociado con la firma Hetzer en 1906 antes de emigrar a los Estados Unidos en 1923. Sin respaldo financiero, no fue hasta 1934 que Hanisch fue utilizar por primera vez madera laminada en los Estados Unidos. El proyecto, una escuela y un gimnasio comunitario en Peshtigo, Wisconsin, tomó tiempo para comenzar, ya que era difícil encontrar fabricantes, pero finalmente Thompson Brothers Boat Manufacturing Company se hizo cargo del proyecto. La Comisión Industrial de Wisconsin, sin embargo, rechazó los arcos porque no tenían experiencia previa trabajando con madera laminada. Se llegó a un compromiso en el que los arcos podrían usarse si se usaran junto con pernos, tirafondos, correas metálicas y ángulos para reforzar la estructura. Aunque los refuerzos fueron innecesarios, finalmente se inició la construcción a finales de 1934 con cuatro tramos de arcos de tres bisagras con luces libres de 20 metros (64 pies). La asociación para este proyecto condujo a la creación de Unit Structures Inc., una empresa de construcción de madera laminada propiedad de las familias Hanisch y Thompson.

En 1936, Unit Structures patentó tanto el equipo de encofrado utilizado para producir arcos de madera laminada como los propios arcos de madera laminada. Un segundo proyecto, esta vez para el Laboratorio de Productos Forestales (FPL), brindó a Unit Structures la oportunidad de demostrar la resistencia y rigidez de las vigas laminadas a arquitectos e ingenieros. Las pruebas de carga a gran escala realizadas colocando 14,3 toneladas (31.500 libras) de sacos de arena en el techo superaron las especificaciones de diseño en un 50 %. Las desviaciones observadas también favorecieron al sistema. Si bien los resultados tardaron algún tiempo en publicarse, la prueba permitió a Unit Structures continuar construyendo con madera laminada. En ese momento, las secciones en I con alma de madera contrachapada y alas de madera laminada se hicieron populares en Europa, mientras que las secciones rectangulares se convirtieron en la norma en Estados Unidos. Las secciones en I ahorraron en madera, lo que fue beneficioso para los europeos ya que tenían altos costos de madera pero requerían más mano de obra, lo que era costoso en los Estados Unidos. El sistema de madera laminada despertó el interés de los habitantes de la costa oeste y muchas empresas comenzaron a utilizarlo.

En 1942, la introducción de un adhesivo de fenol-resorcinol totalmente resistente al agua permitió utilizar la madera laminada en entornos exteriores expuestos sin preocuparse por la degradación de la línea de pegamento, ampliando su mercado aplicable. Durante la Segunda Guerra Mundial, la construcción con madera laminada se generalizó a medida que se necesitaba acero para el esfuerzo bélico. En 1952, los principales fabricantes de madera maciza y de ingeniería unieron fuerzas para crear el Instituto Americano de Construcción con Madera (AITC) para ayudar a estandarizar la industria y promover su uso. La primera norma de fabricación estadounidense para madera laminada fue publicada por el Departamento de Comercio en 1963. Desde entonces, la fabricación de madera laminada se ha extendido dentro de los Estados Unidos y Canadá y también se ha utilizado para otras estructuras, como puentes. Actualmente está estandarizado bajo la Norma ANSI A190.1.

Fabricación

La fabricación de madera laminada generalmente se divide en cuatro pasos: secar y clasificar la madera, unir la madera para formar laminaciones más largas, pegar las capas y terminar y fabricar. La madera utilizada para producir madera laminada puede llegar presecada a los fabricantes o deberá secarse in situ. Se utiliza un medidor de humedad portátil o en línea para verificar los niveles de humedad de la madera. Cada pieza de madera que entre al proceso de fabricación debe tener un contenido de humedad entre 8% y 14% de acuerdo al adhesivo utilizado. Si un trozo de madera supera este umbral, se vuelve a secar.

Una vez que la madera está seca, se recortan los nudos en los extremos de la madera y se realiza la clasificación. Luego, la madera se agrupa según el grado. Para crear longitudes de madera laminada más largas que las que normalmente están disponibles para la madera aserrada, la madera debe tener uniones en los extremos. La articulación más común para esto es una articulación de dedo, de 2,8 cm (1,1 pulgadas) de largo que se corta en cada extremo con cabezales de corte especiales. Se aplica una resina estructural, típicamente resina de melamina formaldehído (MF) o PF que cura por RF, a la unión entre tableros sucesivos y se cura bajo presión final usando un sistema de curado por RF continuo. Una vez que las resinas se han curado, la madera se cepilla en cada lado para asegurar superficies lisas para pegar.

Una vez cepillada, una extrusora de pegamento esparce la resina sobre la madera. Esta resina suele ser fenol-resorcinol-formaldehído, pero también se puede utilizar resina PF o resina de melamina-urea-formaldehído (MUF). Para vigas rectas, la madera resinada se apila en un patrón de colocación específico en una cama de sujeción para que un sistema mecánico o hidráulico pueda presionar la madera para unirla. Para las vigas curvas, ocurre el mismo proceso, pero la madera se apila en forma curva. Estas vigas se curan a temperatura ambiente durante 5 a 16 horas antes de que se libere la presión, a menos que la presión hidráulica se combine con el curado por RF, lo que puede reducir el tiempo necesario para el curado. Una vez que las vigas laminadas están completamente curadas, se retiran del sistema de sujeción y las caras laterales anchas se lijan o cepillan para eliminar la resina que se escurre entre las tablas. Las caras estrechas superior e inferior también se pueden lijar si es necesario, según la apariencia deseada. Las esquinas también suelen estar redondeadas. Las especificaciones de apariencia determinan si se completa o no un acabado adicional. El acabado adicional puede incluir rellenar los agujeros de los nudos con masilla, lijar más las vigas y aplicar selladores, acabados o imprimadores.

Desarrollos tecnológicos

Colas de resina

Cuando la madera laminada encolada se introdujo como material de construcción a principios del siglo XX, se utilizaron ampliamente las colas de caseína (que son impermeables pero tienen baja resistencia al corte). Las uniones con colas de caseína presentaron fallas de desprendimiento debido a tensiones inherentes a la madera. La invención de las colas de resina sintética de curado en frío en 1928 ("Kaurit") y otras colas de urea-formaldehído resolvió estos problemas: las colas de resina, que son económicas y fáciles de usar, son impermeables y permiten una alta fuerza adhesiva. El desarrollo de colas de resina contribuyó al amplio uso de la construcción con madera laminada encolada.

Articulaciones de los dedos

El uso de uniones tipo finger joint con madera laminada permitió la producción de vigas y columnas de madera laminada a gran escala. Las uniones de dedos de madera laminada se desarrollaron para proporcionar una amplia superficie de pegado. Las máquinas automáticas para unir los dedos ayudan a cortar las uniones, conectarlas y pegarlas bajo presión, lo que permite una unión fuerte y duradera, capaz de soportar cargas elevadas comparables a las de la madera natural con la misma sección transversal.

Control numérico por ordenador

El control numérico por ordenador (CNC) permite a arquitectos y diseñadores cortar madera laminada encolada en formas inusuales con un alto grado de precisión. Las máquinas herramienta CNC pueden utilizar hasta cinco ejes, lo que permite procesos de socavado y vaciado. Las rentables máquinas CNC tallan el material utilizando herramientas mecánicas, como una fresadora.

Ventajas

El uso de madera laminada en la construcción tiene varias ventajas:

• Tamaño y forma - Al laminar una serie de piezas más pequeñas de madera en un solo gran miembro estructural, las dimensiones de los miembros del glulam sólo se limitan por transporte y manejo en lugar del tamaño de un árbol como madera aserrada. Esto también permite el uso de árboles más pequeños cosechados de bosques y plantaciones de segundo crecimiento en lugar de depender de bosques de antiguo crecimiento. Glulam también se puede fabricar en una variedad de formas, por lo que ofrece libertad artística a arquitectos sin sacrificar los requisitos estructurales.
• Versatilidad - Debido a que el tamaño y la forma de los miembros de glulam pueden ser tan variables, son capaces de ser utilizados como vigas y columnas.
• Fuerza y rigidez - Glulam tiene una mayor relación de fuerza a peso en comparación con el hormigón y el acero. Glulam también reduce los defectos de impacto en la madera tienen en la fuerza del miembro lo que lo hace más fuerte que madera aserrada también. También se ha demostrado que el Glulam tiene una mayor resistencia a la palanca lateral-torsional que el acero.
• Ambientalmente amigable - Glulam tiene una energía encarnada mucho menor que el hormigón armado y el acero porque el proceso de laminado permite que la madera sea utilizada durante largos períodos, cargas más pesadas y formas más complejas que el hormigón armado o el acero. La energía encarnada para producirla es una sexta parte de la de una fuerza comparable de acero. Además, como el glulam es un producto de madera, secuestra naturalmente carbono, evitando que sea liberado a la atmósfera. Mientras la madera utilizada para fabricar los miembros del glulam provenga de un bosque gestionado sosteniblemente, el glulam es un recurso renovable.
• Seguridad contra incendios - Si bien el glulam es inherentemente inflamable porque está hecho de madera, si se incendia una capa de carbón formas que protegen el interior del miembro y así mantiene la fuerza del miembro durante algún tiempo.

Desventajas

Como ocurre con cualquier sistema, el uso de madera laminada tiene algunos inconvenientes:

• Costo material - Generalmente se observa que el Glulam es más costoso que el hormigón a altas cargas axiales, aunque esto puede depender de la ubicación y de su abundancia de cualquiera de los materiales. Aunque las vigas de glulam pueden ser más baratas que las vigas de acero HEA en algunos casos, no es una diferencia significativa.
• Moisture - El glulam, especialmente cuando se utiliza para proyectos de puente, es susceptible a cambios de humedad que pueden afectar su fuerza. Cuando el glulam se exponía a varios ciclos húmedos y secos, la fuerza de flexión disminuyó drásticamente, 43,5%.
• Dimensiones - En comparación con materiales estructurales más comunes, el glulam generalmente requiere miembros más grandes para soportar la misma carga. Comparado con el acero, el área transversal y la altura de un miembro de glulam son significativamente mayores que incluso pueden hacer imposible utilizar. En comparación con el hormigón, las columnas de glulam serán más pequeñas para pequeñas cargas axiales, pero una vez que grandes fuerzas axiales entran en juego, las columnas de hormigón tienen un área de sección transversal más pequeña.
• Biodegradation - Como producto de madera, el glulam está sujeto a preocupación por la biodegradación. En las regiones donde existe un alto riesgo de biodegradación, es necesario adoptar medidas adicionales para proteger el glulam.

Aplicaciones

Estructuras deportivas

Las estructuras deportivas son una aplicación especialmente adecuada para cubiertas de madera laminada de gran luz. A esto se debe el peso ligero del material, combinado con la capacidad de proporcionar grandes longitudes y grandes secciones transversales. La prefabricación se emplea invariablemente y el ingeniero estructural necesita desarrollar declaraciones claras de métodos para la entrega y el montaje en una etapa temprana del diseño. El PostFinance Arena es un ejemplo de cubierta de estadio deportivo de gran luz con arcos de madera laminada que alcanzan hasta 85 metros. La estructura fue construida en Berna en 1967 y posteriormente fue renovada y ampliada. El Alumni Coliseum de la Universidad del Este de Kentucky fue construido en 1963 con los arcos laminados pegados más grandes del mundo, que abarcan 93,967 metros (308 pies 3+1⁄2 pulg).

El techo del Óvalo Olímpico de Richmond, construido para las pruebas de patinaje de velocidad de los Juegos Olímpicos de Invierno de 2010 en Vancouver, Columbia Británica, cuenta con una de las estructuras de madera más grandes del mundo. El techo incluye 2.400 metros cúbicos de madera de abeto Douglas en vigas laminadas. Un total de 34 postes de madera laminada de cedro amarillo sostienen los voladizos donde el techo se extiende más allá de las paredes.

Anaheim Ice en Anaheim, California, también es un ejemplo del uso de madera laminada encolada. Disney Development Company deseaba construir una pista de hielo estética con menor costo, y la madera laminada era uno de los materiales más calificados para cumplir con los requisitos del propietario. El arquitecto Frank Gehry sugirió un diseño con grandes vigas de madera laminada de pino amarillo de doble curvatura, y la pista de hielo se construyó en 1995.

Puentes

Las vigas laminadas tratadas a presión o las maderas fabricadas con especies de madera naturalmente duraderas son muy adecuadas para crear puentes y estructuras frente al mar. La capacidad de la madera para absorber las fuerzas de impacto creadas por el tráfico y su resistencia natural a los productos químicos, como los utilizados para descongelar las carreteras, la hacen ideal para estas instalaciones.

La madera laminada se ha utilizado con éxito en puentes peatonales, forestales, de carreteras y ferroviarios. Un puente de madera laminada de América del Norte es Keystone Wye en Black Hills de Dakota del Sur, construido en 1967. El puente da Vinci en Noruega, terminado en 2001, está construido casi en su totalidad con madera laminada. El puente peatonal Kingsway en Burnaby, Columbia Británica, Canadá, está construido con hormigón moldeado in situ para los pilares de soporte, acero estructural y madera laminada para el arco, una plataforma para caminar de hormigón prefabricado postensado y varillas de soporte de acero inoxidable que conectan el arco. a la plataforma para caminar.

Edificios religiosos

La madera laminada se utiliza para la construcción de instalaciones de usos múltiples, como iglesias, edificios escolares y bibliotecas. La Catedral de Cristo la Luz en Oakland, California, es un ejemplo de ello y utiliza madera laminada para mejorar el efecto ecológico y estético. Fue construido como reemplazo de la Catedral de San Francisco de Sales, que quedó inutilizable después del terremoto de Loma Prieta en 1989. El título de 2.010 metros cuadrados (21.600 pies cuadrados) y 34 metros de alto (110 pies) ="Latin-language text">vesica piscis formó la estructura con una viga de madera laminada encolada y un esqueleto de varillas de acero cubierto con una piel de vidrio. Considerando el modo convencional de construcción con estructura de momento de acero u hormigón armado, esta caja combinada de madera laminada y acero se considera una forma avanzada de lograr la economía y la estética en la construcción.

Como alternativa a los robles recién talados, se propuso madera laminada encolada como material estructural en la aguja de reemplazo de Notre-Dame de París, destruida por un incendio en 2019.

Otro

En 2019, la estructura más alta del mundo que utilizó madera laminada fue Mjøstårnet, un edificio de uso mixto de 18 pisos en Brumunddal, Noruega. Sin embargo, en 2022, el edificio Ascent MKE en Milwaukee, Wisconsin, lo superó con 26 pisos y más de 86 metros de altura.

El techo del museo del Centro Pompidou-Metz en Francia está compuesto por dieciséis kilómetros de madera laminada encolada que se cruzan para formar unidades hexagonales. Con una superficie de 8.000 m², la geometría irregular del techo, con varias curvas y contracurvas, recuerda a un sombrero chino.

Fallos

En 2005, investigadores de la Universidad de Lund, Suecia, encontraron varios fallos en las estructuras de madera laminada en los países escandinavos. Llegaron a la conclusión de que los responsables eran fallos de construcción o errores de diseño. En enero de 2002, el techo del velódromo de Siemens en Copenhague se derrumbó cuando una unión entre vigas de madera laminada falló en el punto de fijación de sus pasadores. En febrero de 2003, se derrumbó el techo de una sala de exposiciones recién construida en Jyväskylä, Finlandia. Se descubrió que durante la construcción faltaba o estaba mal colocada la cantidad especificada de tacos en las juntas entre vigas laminadas.

El colapso del puente Perkolo en Sjoa, Noruega, en 2016 fue causado por un error de cálculo de las tensiones en las uniones. A raíz de este incidente se comprobaron trece puentes de carretera de madera laminada y sólo se detectaron fallos menores.

El 15 de agosto de 2022, el puente Tretten en Gudbrandsdalen, Noruega, se derrumbó cuando dos vehículos lo cruzaban. Estaba hecho con madera laminada y acero y se había erigido en 2012, con una vida útil diseñada de "al menos 100 años". La causa de la falla no fue evidente de inmediato, aunque durante la inspección de 2016 (ver arriba), se encontró que una articulación tenía tacos que eran demasiado cortos.