Uniones y elementos de conexión para estructuras con bambú: clasificación y desarrollo de un prototipo de conexión

UNIONES Y ELEMENTOS DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS CON BAMBÚ: Roberto Aguilar Larrinaga CLASIFICACIÓN Y DESARROLLO DE UN PROTOTIPO DE CONEXIÓN Autor: Roberto Aguilar Larrinaga Directores: Laia Haurie Ibarra Ana María Lacasta Palacio Programa de Doctorado de Tecnología de la Arquitectura, de la Edificación y de Urbanismo Departamento de Tecnología de la Arquitectura Universitat Politècnica de Catalunya Barcelona, 2022 Tesis presentada para obtener el título de doctor por la Universitat Politècnica de Catalunya UNIONES Y ELEMENTOS DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS CON BAMBÚ: CLASIFICACIÓN Y DESARROLLO DE UN PROTOTIPO DE CONEXIÓN Agradecimientos Quiero agradecer a todas las personas que fueron parte de mis días en el transcurso del doctorado y quienes aportaron de forma directa e indirecta conocimiento yexperiencia para la realización de esta tesis. De manera especial: a Ana Lacasta y Laia Haurie, por el apoyo incondicional y el empuje que necesitaba para poder concluir esta tesis. A Joaquin Montón, por acompañarme y compartir su conocimiento, pasión y experiencia. A Jaume Avellaneda, por animarme a realizar el doctorado y desarrollar el tema de la tesis. A Marc Tous, por el soporte y las horas dedicadas en el laboratorio de materiales. Gracias, sobre todo, a mi familia y amigos por estar siempre conmigo. Resumen El bambú es un material de gran importancia en diferentes civilizaciones de Asia y Latino américa. Su aprovechamiento va desde las raíces hasta las hojas, las cuales son materia prima para elaborar productos comestibles, mobiliario y material para laconstrucción. A las bondades estructurales y medioambientales del bambú, se le une su aspecto estético y su bajo coste económico para su cultivo. Recientemente, estas cualidades del material han generado gran interés en el sector de la edificación para su aplicación en la arquitectura contemporánea, así como para el desarrollo de diferentes materiales innovadores basados en él. Debido a su flexibilidad, la forma más habitual de utilizarlo son las cañas completas, yasea en fachadas, para acabados o en estructuras. Para emplearlas, es necesario realizar cortes específicos en el bambú y ensamblar las conexiones, elementos estos últimos que difícilmente se encuentran en el mercado, por lo que se deben adaptar alas conexiones ya existentes para madera o crearlas. Esta tesis consta de dos objetivos principales: desarrollar una clasificación de las conexiones que facilite el diseño arquitectónico con bambú y diseñar y caracterizar un nuevo tipo de conexión. En una primera fase se recopilaron, ordenaron y clasificaron las técnicas de unión yde conexión más representativas de las estructuras con bambú, aplicadas tanto en la arquitectura tradicional como en la contemporánea. Para lograr este objetivo, se realizaron visitas de campo en países como Colombia, Brasil y Malasia, entre otros. Este análisis in situ se complementó con apoyo documental con el fin de extraer información técnica y gráfica de las uniones y las conexiones más utilizadas en la construcción con bambú. Una de las sistematizaciones más valiosas que se llevaron a cabo en esta investigación fue la clasificación de conexiones mediante la tecnología empleada para su desarrollo. En este sentido, las conexiones se seleccionaron y se ordenaron en tres grandes categorías: low tech, medium tech y high tech. En la fase experimental de esta tesis se utilizó la especie Guadua angustifolia. En primer lugar, se evaluaron sus propiedades mecánicas, las cuales obtuvieron buenos resultados tanto a tracción (114 MPa) como a compresión (62,8 MPa). En base al trabajo previo, se definieron los parámetros adecuados para diseñar un nuevo prototipo de conexión que reuniera las características técnicas y de diseño que pudiera demandar una estructura construida con bambú. Se fabricaron una serie de variantes del prototipo para analizar su comportamiento mecánico y de puesta en obra. Concretamente se realizaron ensayos de tracción para cuatro variantes de conexión, cuyos resultados de la resistencia a tracción fueron desde los 9 kN hasta los 24 kN en función de las características de cada variante. Estos resultados son comparables, o incluso mejores alos obtenidos por otros autores. Por último se exploraron las posibilidades arquitectónicas que ofrece la conexión propuesta y se constató la versatilidad de la misma para diseñar estructuras lineales, triangulares y geodésicas. Palabras clave Bambú, versatilidad, conexiones, construcción, técnicas, uniones, estructuras, montaje, resistencia a tracción, resistencia a compresión. Abstract Bamboo is a material of great importance in different civilizations of Asia and Latin America. Its use goes from the roots to the leaves, which are raw material to make edible products, furniture and construction material. To the structural and environmental benefits of bamboo, it is added its aesthetic appearance and its low economic cost for cultivation. Recently, these qualities of the material have generated great interest in the building sector for its application in contemporary architecture, as well as for the development of different innovative materials based on it. Due to its flexibility, the most common way of using it is the complete canes, either infacades, for finishes or in structures. To use them, it is necessary to make specific cuts in the bamboo and assemble the connections, being the latter elements that are hardly found on the market, so they must be adapted to existing connections for wood or must be created. This thesis consists of two main objectives: the development of a classification for bamboo connections and the design and characterization of a new connection prototype. In the first phase, the most representative union and connection techniques of bamboo structures, applied both in traditional and contemporary architecture, were collected, ordered and classified. To achieve this goal, several field visits were performed, to countries such as Colombia, Brazil and Malaysia. This in situ analysis was complemented with documentary support in order to extract technical and graphical information on the joints and connections most used in bamboo construction. One of the most valuable systematizations carried out in this research was the classification of connections through the technology used for their development. In this sense, the connections were selected and arranged in three main categories: low tech, medium tech and high tech. In the experimental phase of this thesis, the species Guadua angustifolia was used. First, its mechanical properties were evaluated, obtaining good results both intensile (114 MPa) and compression (62.8 MPa) strength. On the basis of previous work, the appropriate parameters were defined to create a new connection prototype that would meet the technical and design characteristics that astructure built with bamboo could demand. A series of variants of the prototype were manufactured to analyze its mechanical behavior and installation. Specifically, tensile tests were developed for four connection variants, whose tensile strength results range from 9 kN to 24 kN depending on the characteristics of each variant. These results are comparable to, or even better than, those obtained by other authors. Finally, the architectural possibilities offered by the proposed connection were explored. The connection is versatile for designing linear, triangular and geodesic structures. Keywords Bamboo, versatility, connections, construction, techniques, joints, structures, assembly, tensile strength, compression strength. INDICE 1. Introducción ..................................................................................13 1.1. Planteamiento de la investigación ............................................................ 15 1.2. Objetivos ............................................................................................... 17 1.2.1 Objetivos principales .............................................................................. 17 1.2.2 Objetivos secundarios ............................................................................. 18 1.3. Metodología ........................................................................................... 18 2. Características generales del bambú ................................................21 2.1. Distribución geográfica ............................................................................ 24 2.2. Aplicaciones .......................................................................................... 25 2.2.1 Aplicaciones en la arquitectura ................................................................ 26 2.2.2 Productos industrializados ....................................................................... 31 2.3. Bambú Guadua kunth ............................................................................. 33 2.3.1 Taxonomía ............................................................................................. 34 2.3.2 Morfología ............................................................................................. 34 2.3.3 Estructura microscópica del bambú.......................................................... 37 3. Arquitectura con bambú. Casos de estudio .......................................39 3.1. Arquitectura con bambú en Colombia ....................................................... 44 3.2. Arquitectura con bambú en Brasil ............................................................ 49 3.3. Arquitectura con bambú en Europa .......................................................... 52 3.4. Arquitectura con bambú en Malasia ......................................................... 56 3.5. Comparativas de casos/aspectos comunes ................................................. 59 4. Uniones y propuesta de clasificación para el desarrollo de estructuras con bambú .................................................................................. 61 4.1. Uniones entre cañas de bambú ................................................................ 65 4.2. El nudo en estructuras de bambú ............................................................. 66 4.3. Estructuras ligeras de bambú .................................................................. 67 4.3.1 Estructuras en un mismo plano ................................................................ 67 4.3.2 Estructuras tridimensionales .................................................................... 69 4.4. Cortes en las testas del bambú ................................................................ 70 4.5. Nudos que se forman en los diferentes tipos de estructuras con bambú ....... 71 4.5.1 Nudo en ángulo recto .............................................................................. 74 4.5.2 Nudo compuesto .................................................................................... 75 4.5.3 Nudo en estructuras triangulares.............................................................. 75 4.5.4 Nudo en estructuras tridimensionales ....................................................... 76 16 El bambú es un material crucial en las construcciones antiguas de muchas culturas del mundo, desde Latinoamérica hasta el continente asiático, donde hoy en día se siguen aplicando técnicas milenarias de uniones, encajes y tejidos para la creación de productos. Aun así, a pesar de las ventajas medioambientales, el avance tecnológico del bambú yde materiales que se habían utilizado en la construcción tradicional y que han quedado dejados de lado por la construcción convencional actual dependiente del acero y hormigón principalmente, progresan muy despacio, pues se precisan normativas ylineamientos para instaurar estos materiales, así como estándares de manejo y montaje a fin de emplearlos en la construcción regular. Son contados los países que cuentan con normativas y códigos de construcción con bambú. En Latinoamerica se dispone de la NRS-10 Título G Estructuras de madera y Estructuras de Guadua, reglamento colombiano de construcción con Guadua queha sido referente para crear normativas en Ecuador (la NEC, Norma ecuatoriana de la construcción, Estructuras de Guadua) y en Perú (Norma técnica, E. 100 Bambú). EnAsia, la normativa de China JGJ 254: Technical code for the safety of bamboo scaffold in construction y la normativa de la India The National Building Code of India—developed a Code of Practice for Bamboo Design-Section 3—Timber and Bamboo: 3B. En Estados Unidos de América la ASTM D5456: Standard specification for evaluation of structural composite lumber products (Amede, E. et al, 2021). El interés creciente por la construcción en bambú ha propiciado el desarrollo de una reciente normativa internacional: ISO 22156: 2021 Bamboo structures — Bamboo Culms — Structural design. Con más estudios y más estándares disponibles, el bambú se podría aplicar de manera regular a numerosos productos, no solo en el ámbito de la construcción, sino también en varios sectores de producción. Por otro lado, uno de los factores que restringe el uso del bambú en la arquitectura es la ausencia de información técnica sobre uniones y conexiones, así como sobre su montaje y la mano de obra especializada para materializar estructuras. Todas estas carencias conllevan que se construya poco con este material. INTRODUCCIÓN 17 Respecto a las conexiones, hasta el momento, las que se encuentran en el mercado son adaptaciones de conexiones empleadas sobre todo para unir madera u otros materiales que se usan en la construcción, como varillas roscadas, abrazaderas, pletinas metálicas y madera, tornillos y hormigón. El hecho de no disponer de conexiones estandarizadas, o no encontrarlas en el mercado, justifica que la mayoría de ellas se efectúen de manera empírica y artesanal, dificultando la construcción con bambú. De este modo, algunas técnicas tradicionales de montaje y de unión han trascendido de generación en generación y continúan aplicándose en la actualidad; por su parte, muchas de las conexiones contemporáneas se quedan en prototipo o son diseñadas para una construcción puntual y no vuelven a ser reutilizables. El objetivo de esta investigación es determinar una clasificación de las conexiones más empleadas en la construcción con bambú y establecer criterios para realizar una propuesta de conexión estandarizada que se adapte a las diversas necesidades de diseño arquitectónico, con el propósito de que el bambú se pueda aprovechar de manera normalizada en construcciones tanto permanentes como efímeras. 1.2. Objetivos 1.2.1 Objetivos principales La investigación tiene dos objetivos fundamentales: • Recopilar y sistematizar las técnicas de unión y de conexión utilizadas en la arquitectura con bambú, tanto de construcción tradicional como contemporánea, a fin de proponer una clasificación de acuerdo al nivel de tecnología aplicado. • Desarrollar un nuevo prototipo de conexión que sea versátil, reutilizable, resistente y adaptable. Este prototipo deberá reunir una serie de características que faciliten las técnicas de montaje y represente un avance en el desarrollo de estructuras de bambú tanto efímeras como permanentes. 18 1.2.2 Objetivos secundarios • Identificar, mediante visitas in situ, las conexiones para bambú más representativas en diferentes zonas geográficas. • Aportar fichas de arquitectura con bambú que reflejen el tipo de estructura utilizado. • Realizar una recopilación de las conexiones más usadas con bambú. • Proporcionar información gráfica y técnica tanto de uniones como de conexiones con bambú. • Facilitar, gracias a la clasificación que se desarrollará, la elección de una conexión para el desarrollo de una estructura. • Caracterizar la especie del bambú que se utilizará en el desarrollo del prototipo de conexión. • Realizar análisis mecánicos del prototipo de conexión propuesto, considerando diferentes alternativas de diseño y montaje. • Desarrollar posibilidades conceptuales arquitectónicas con el prototipo de conexión para comprobar la versatilidad del sistema. 1.3. Metodología La investigación que se presenta sigue una metodología estructurada en 3 fases: La primera fase incluye un trabajo de carácter teórico y de análisis de sistemas en uniones y conexiones existentes, recopiladas estas últimas en el estado del arte y en visitas de obras ejecutadas en países con una cultura más arraigada en el uso del bambú, como Colombia, Brasil y Malasia; asimismo, en lugares donde se expusieron pabellones internacionales con obras construidas con bambú. La segunda fase comprende el trabajo de sistematización de las conexiones previamente identificadas a fin de llegar a una propuesta de clasificación novedosa. Para la propuesta se analizaron en profundidad otros tipos de clasificaciones propuestas por otros autores. INTRODUCCIÓN 19 En la tercera fase se realiza el diseño, fabricación y caracterización de un nuevo prototipo de conexión. Se trata de una fase con un alto contenido experimental que incluye la fabricación y montaje de algunas de las conexiones ya existentes, la caracterización de la especie de bambú utilizada y el análisis mecánico del prototipo propuesto considerando diferentes variables. 20 Figura 3. Bosque de bambú, parque Bambouseraie en Générargues (Francia). 21 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL BAMBÚ CAPÍTULO II 22 Figura 4. Bosque de bambú monopodial. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL BAMBÚ 23 El bambú como especie es reconocida e interpretada de muchas maneras y puede transportarnos a diferentes panoramas, desde la cultura oriental –andamios en Hong Kong o arquitectura vernácula en Indonesia– hasta platos de comida asiática. También existen otras especies de plantas que suelen confundirse como tal, como la especie ornamental Dracaena braunii, denominada bambú de la suerte y que, sin embargo, nopertenece a la familia del bambú (Macedo, D. M., & Barreto, R. W., 2016). El bambú, o Bambusoideae, es una especie de planta de tallos leñosos, subfamilia perteneciente a la familia de las gramíneas o Poaceae. Pueden ser plantas pequeñas, demenos de 1 metro de largo, y con los culmos de medio centímetro de diámetro obambúes gigantes de unos 25 metros de alto y 30 cm de diámetro, siendo los ejemplares más grandes de la familia de los bambúes (Broto, 2014). Crece en varios países y es de gran relevancia para el desarrollo de muchas sociedades. Se utiliza como material de construcción por su gran resistencia, flexibilidad, ligereza y rápido crecimiento. Algunas especies son capaces de ganar hasta 12 cm por día, yexiste una excepcional que aumenta 5 cm por hora (Broto, 2014). El bambú puede ser cultivado bastantes veces en el mismo lugar sin causar erosión, similar a un árbol maderable, pero sin tener que esperar 10 años como mínimo para ser extraído, motivo por el que se está convirtiendo en una alternativa a la madera. Además, previene la explotación forestal en muchos países del trópico. Las condiciones climatológicas que necesita un bosque de bambú varia de una especie a otra. Sin embargo algo crucial para el buen crecimiento de la planta es la humedad, un bosque de bambú necesita al menos de una precipitación media de 1000 mm por año (Uchimura, E., 1980). Por otro lado, las temperaturas extremas influyen y afectan directamente en el crecimiento y desarrollo del bambú (Shi, P., et al, 2020). El bambú es susceptible de renovar y reintroducir vegetación en suelos degradados ya que, cuando empieza a desarrollarse, gracias a la biomasa que produce, crece otro tipo de vegetación que regenera la tierra. También es un excelente elemento para evitar la erosión, porque el sistema de raíces y rizomas controla la tierra, aparte de almacenar agua. Porotro lado, contribuye de manera natural a la absorción de grandes cantidades deCO2 (Broto, 2014). 24 Dependiendo de la utilización que se le vaya a dar al bambú, se deberá escoger una especie u otra. Por ejemplo, existen algunas que son comestibles (no se come todo elbambú, sino el brote), como la Dendrocalamus asper en India (Singh et al., 2012); otras se usan como mobiliario y en piezas de artesanía, como las especies Chimonobambusa en China (Li y Kobayashi, 2004), que es un bambú más joven y flexible y, por lo tanto, más moldeable, y finalmente las especies que se pueden utilizar como material en la construcción. En esta última categoría se incluirían los bambúes con mayor diámetro y con una pared más gruesa, por ende con mejores propiedades físicas y mecánicas, como la Guadua angustifolia kunth –que se puede encontrar desde América del Sur hasta América del Norte–, la Phyllostachys edulis (Moso) –localizada en China, Taiwán y Japón–, la Bambusa blumeana (bambú espinoso) y la Gigantochloa apus (bambú gigante), ambas en el Sudeste Asiático. Los beneficios medioambientales del bambú son muchos, así como los múltiples usos que se le puede dar a la planta, además de sus cualidades físico-mecánicas para utilizarla como material de construcción. Es una de las plantas más autosuficientes, sostenibles y económicas del mundo debido a su rápido crecimiento, su facilidad para ser cosechada y el exiguo proceso de industrialización que requiere para su utilización. 2.1. Distribución geográfica El bambú cuenta con alrededor de 1.600 especies distribuidas en cerca de 121 géneros (25 herbáceas y 96 leñosas) y son originarias del trópico, el subtrópico y los climas templados (INBAR, 2022). Aproximadamente, la distribución geográfica de origen es un 64 % nativas del sur deAsia y Oceanía, un 33 % son originarias de Latinoamérica y el resto se encuentra en África (fig. 5); no obstante, esta planta puede crecer en todos los continentes excepto enla Antártida porque se desarrolla desde el nivel del mar hasta altitudes de 3.800metros (Hidalgo-López, 2003). Asimismo, soportan durante su crecimiento temperaturas que varían entre los 9 ºC y los 36 ºC, aunque ciertas especies del género Phyllostachys resisten temperaturas mínimas de -18 ºC. Otro ejemplo es la Dendrocalamus strictus, en India, especie debambú que se siembra en regiones donde la temperatura oscila entre los -5 ºC y los 46 ºC (Langlais, 2002). CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL BAMBÚ 25 En Europa no se tiene registro de plantas nativas de bambú pero, dada la facilidad deadaptación, actualmente se empieza a sembrar en diferentes países, entre ellos España, Portugal e Italia, para uso comercial como planta ornamental o como atractivo principal en parques recreativos como, por ejemplo, el Bambuseraie de Prafrance enFrancia. Hoy en día es muy sencillo reproducir el bambú gracias a las tecnologías de reproducción in vitro disponibles (Sandhu, M., 2018). Además, posee la capacidad de adaptarse, desarrollarse y crecer prácticamente en el clima de todos los continentes, excepto en climas extremos como la Antártida. 2.2. Aplicaciones En algunos lugares designan el bambú como “la planta de los 1.000 usos” (Añazco, M., 2013), ya que es utilizado en su totalidad, desde las raíces, los tallos y el culmo, hasta las hojas, dando lugar a un sinnúmero de productos que pueden ser aplicados en varios sectores comerciales (fig. 6). En numerosas localidades, tanto rurales como urbanas, el bambú es una fuente de alimento. Los brotes son la parte comestible de la planta y las hojas se usan para elaborar infusiones y/o remedios medicinales, como es el caso del bambú Phyllostachys pubescens y del Phyllostachys nigra, cuyos compuestos fenólicos sirven para aplicaciones antioxidantes, antiinflamatorias y antimicrobiales (Nirmala et al., 2014). Figura 5. Mapa del bambú en el mundo (Huang, Sun and Musso, 2017). 32 Phyllostachys pubescens (moso bambú, especie nativa) comenzó a partir de los años noventa, el cual se expandió desde los mercados artesanales de las ciudades hacia un negocio impulsado por el desarrollo de materiales de ingeniería con bambú y de la producción de otros bienes como papel, textiles y energía (Van der Lugt, 2017). La ingeniería de los tallos y las tiras del bambú dio paso a desarrollar el LBL (laminated bamboo lumber) o bambú laminado. Existen varios métodos para fabricar el bambú laminado. Uno de ellos consiste en utilizar la caña completa, abierta y aplanada, y después, con las fibras orientadas longitudinalmente, apilar las tablas con adhesivos en distintas capas para formar un laminado compuesto (Mahdavi et al., 2012). Otro método se basa en emplear tiras de bambú producidas mediante una máquina que corta el bambú en esbeltas tablillas. Todas las caras son lijadas y cepilladas para remover la cera y la sílice. A fin de crear el producto final, se colocan las tablillas juntas, unas encima de otras, y se aplica un adhesivo (Mahdavi et al., 2011). Los procedimientos para fabricar bambú laminado diferirán en la tecnología aplicada, en el montaje, en la unión de las tablillas y en la especie del bambú, la cual estará en función del país en el que se fabrique el laminado (fig. 13). 9) 10) 8) 7) 6) 5) 4) 3) 2) 1) Figura 13. Industrialización del bambú. 1) Cañas rollizas. 2) Vasos de bambú. 3) Silla de cañas. 4) Esterilla artesanal. 5) Esterilla mecanizada. 6) Bicicleta de cañas de bambú. 7) Silla industrializada con chapa de bambú. 8) Paneles de bambú con diferentes técnicas con chapas y medias cañas. 9) Vigas de bambú laminado. 10) Bicicleta de chapas prensadas de bambú laminada. NO INDUSTRIALIZADO SEMIINDUSTRIALIZADO INDUSTRIALIZADO CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL BAMBÚ 33 Uno de los aspectos cruciales que se debe tener en cuenta en la producción del bambú laminado son los adhesivos, pues de ellos dependerá si el bambú se emplea para elaborar elementos estructurales como vigas y columnas o decorativos y/o de uso básico, dado que el aglomerante es una de las principales razones por las que el bambú laminado puede variar en su resistencia. Sin embargo, estos adhesivos imprimen toxicidad al material en su forma industrializada y acaban por eliminar la ventaja de sostenibilidad que tiene el bambú en su forma natural. El bambú laminado es una alternativa para estandarizar el material y generar numerosos componentes de construcción, no obstante su proceso de industrialización puede resultar caro, ya que se necesita maquinaria especializada para cortar, prensar y colar las tablillas. Igualmente, el aglomerante debe ser de cierta calidad para que el laminado resulte duradero y cumpla con las exigencias mecánicas y físicas requeridas. Hasta el momento, el bambú laminado no se contempla en los códigos de construcción europeos, por lo que no se puede usar como material estructural. 2.3. Bambú Guadua kunth A continuación, se describe la especie bambú Guadua kunth, tipo que se utilizó en la parte experimental de esta tesis. Esta variedad fue importada de Colombia y suministrada por Bamboo Import Europe, empresa ubicada en los Países Bajos, y por la firma española Bambusa Estudio. El bambú Guadua es una de las especies más consumidas y estudiadas en Latinoamérica (fig. 14). Es nativa del continente, por lo que se encuentra y se reproduce fácilmente desde México hasta el norte de Argentina, a excepción de Chile y de las islas del Caribe (Villegas et al., 2003). Guadua kunth es una variedad que aglutina bambúes leñosos y espinosos del Neotrópico americano, perteneciente a la subtribu Guaduinae de la tribu Bambuseae (Poaceae: Bambusoideae) (Londoño y Ruiz-Sánchez, 2014). El género Guadua reúne 32 especies, cuya mayor diversidad se encuentra en la región amazónica de Bolivia, en Brasil, Colombia, Ecuador, Perú y Venezuela (Londoño, 2013). Una de las especies más conocidas y empleadas en la construcción es la Guadua angustifolia kunth. El arquitecto colombiano Simón Vélez fue uno de los pioneros en la 34 “internacionalización” de esta variedad con su obra Pabellón Zeri en Alemania en el año 2000. Hoy en día sigue construyendo obras efímeras y permanentes en todo el mundo. Esta variedad es un recurso natural sostenible, que alcanza rápidamente su madurez para ser cosechada, por lo que varias comunidades rurales y nativas satisfacen sus necesidades de vivienda con este material (Londoño et al., 2002). 2.3.1 Taxonomía La especie Guadua angustifolia procede del género Guadua kunth, el bambú gigante del Neotrópico, nativo de Venezuela, Colombia y Ecuador, y ha sido introducido en otros países andinos y centroamericanos (Judziewicz et al., 1999). Crece en tierras al nivel del mar, hasta los 1.700 metros de altura aproximadamente, en ambientes de temperatura que oscilan entre los 20 °C y 24 °C, con lluvias anuales de 2.000 y 2.500 mm de promedio (Villegas et al., 1996). 2.3.2 Morfología Respecto a su morfología, en una Guadua angustifolia se distinguen las siguientes partes: raíz, tallo, hojas, flores y frutos (fig. 15), aunque es el tallo, y en particular el culmo, el que tradicionalmente se ha aprovechado para diferentes aplicaciones (Moreno Montoya et al., 2006). Figura 14. Distribución geográfica de la especie Guadua. Fuente: https://www.gbif.org/ CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL BAMBÚ 35 El culmo del bambú Guadua es su tallo y sale del rizoma. Se caracteriza por tener una forma cilíndrica y hueca con segmentos formados por entrenudos, separados transversalmente por tabiques o nudos; la distancia entre los nudos puede variar entre 10 y 40 cm según la variedad y la posición en altura del culmo. El diámetro y el espesor de la pared del culmo disminuyen con la altura mientras la densidad, la concentración de fibras y la distancia entrenudos aumentan con esta. Puede alcanzar alturas promedio de 18 a 20 m y tener diámetros que oscilan entre los 5 y los 25 cm (Takeuchi Tam, 2015). La Guadua en la construcción puede utilizarse alaedad de 3 a 5 años, que es cuando alcanza su máxima altura y óptimas propiedades mecánicas para el desarrollo de estructuras (fig. 16). Ramas alternas Hojas caulinares Nudos Entrenudo Culmo Rizoma Raíz Línea de corte Cepa 3 a 4 metros Sobrebasa 3 a 5 metros Basa 6 a 10 metros Figura 15. Partes del bambú. Imagen modificada. Fuente: Hidalgo-López, O. 2003. Figura 16. (a) Guadua joven. (b) Guadua madura. (c) Guadua sobremadura. (d) Yemas. (e) Hojas caulinares. (f) Hojas foliares. Fuente: Takeuchi Tam, 2015. (a) (b) (c) (d) (e) (f) (a) (b) (c) (d) (e) (f) 36 • El culmo Una de las características principales del culmo del bambú es su morfología, similar a la de un tubo conoidal, en el que la parte inferior presenta un mayor diámetro que va disminuyendo ligeramente hacia la punta del bambú. Tal como ya se ha explicado, presenta nudos y entrenudos cada cierta distancia (fig. 17). La estructura anatómica del culmo es la que determina sus propiedades (Liese, 1998). El culmo está formado por una pared externa, una pared interna, el parénquima y los haces vasculares (fig. 18). La pared interna del bambú contiene menos haces vasculares que la pared externa. Ambas paredes, en conjunto, forman la corteza del bambú debido a la lignificación en sus primeras etapas de crecimiento. Haces vasculares Parenquima Pared externa Pared interna Figura 18. Culmo de bambú y distribución de los haces vasculares. Figura 17. Culmo de bambú, entero y cortado a la mitad con sus respectivos nudos. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL BAMBÚ 37 2.3.3 Estructura microscópica del bambú Para estudiar más a fondo la anatomía y la estructura del bambú, hemos observado yanalizado una parte del culmo en secciones de 1,5 cm por 1,5 cm con un grosor de 0,5 cm, cortado de manera longitudinal a las fibras. Este análisis se llevó a cabo en un microscopio electrónico de barrido ambiental Quanta 200 FEI, ubicado en los centros científicos y tecnológicos de la Universidad de Barcelona, en la Facultad de Biología (figs. 19-21). El tejido vegetal del culmo consiste en células en las que se integran los haces vasculares compuestos de vasos de metaxilema, tubos de tamiz acompañados de células yfibras. De promedio, el culmo está constituido por 50 % de parénquima aproximadamente, 40 % de fibras y 10 % de tejido conductivo (Liese, 1980). • Parénquima Está conformado por células, verticalmente alargadas, con pequeñas formas de cubos intercaladas entre ellas (fig. 19). Su aspecto se caracteriza por paredes gruesas con una estructura de polilaminado (varias capas compuestas de proteínas y microfibras de celulosa), que se lignifican en su etapa de crecimiento del brote (Lantican et al., 1985). Muchas veces esas células almacenan gránulos de almidón. Figura 19. Células de parénquima con gránulos de almidón. 38 • Tejido conductivo Es la parte de los haces vasculares que se encarga de transportar agua y otros nutrientes al bambú. Se integra en diferentes vasos, siendo los más importantes los denominados protoxilema y metaxilema (fig. 20). • Fibras Las fibras constituyen el tejido que soporta todo el esfuerzo mecánico al que está sometido el tallo debido al viento y a otros factores externos, además de su propio peso. En general, se definen por su forma delgada, ahusada en ambos lados y, en algunos casos, bifurcada en los extremos (Moreno Montoya et al., 2006). Suponen el 40 % del volumen del culmo de bambú. Presentan más densidad cerca de la corteza o pared externa que en la pared interna, por lo que las propiedades varían de un punto a otro. Según Liese y Grosser, las fibras del bambú Guadua tienen un largo de 1,60 mm y un grosor de 11,0 µm. En un corte longitudinal del bambú, puede observarse como los haces de fibras se dividen por el parénquima (fig. 21). Figura 20. Tejido conductivo. Los anillos corresponden al protoxilema. Figura 21. Conjunto de fibras divididas por el parénquima. 39 ARQUITECTURA CON BAMBÚ. CASOS DE ESTUDIO CAPÍTULO III 40 Figura 22. Estructura de bambú en la exposición Bienal de Venecia. 41 3. Arquitectura con bambú. Casos de estudio .......................................39 3.1. Arquitectura con bambú en Colombia ....................................................... 44 3.2. Arquitectura con bambú en Brasil ............................................................ 49 3.3. Arquitectura con bambú en Europa .......................................................... 52 3.4. Arquitectura con bambú en Malasia ......................................................... 56 3.5. Comparativas de casos/aspectos comunes ................................................. 59 48 Pabellón Zeri en Manizales (Colombia) Arquitecto: Simón Vélez Año de construcción: 2000 Ubicación: Manizales Descripción Prototipo a escala real para la Expo de Hannover 2000 en Alemania, ubicado en el parque del Recinto del Pensamiento en Manizales. En un área de 2.150 m2, fue construido con bambú Guadua y madera tropical de la región. Sin duda, es una de las estructuras más emblemáticas de construcción con bambú. Elementos de conexión Los elementos de conexión consisten en pernos metálicos, con los nudos rellenados de hormigón. Se empleó un refuerzo de placas metálicas diseñadas por Marcelo Villegas. Plano Fachada principal. Segundo nivel (Interior). Pabellón Zeri. Plano: www.zeri.org ARQUITECTURA CON BAMBÚ. CASOS DE ESTUDIO 49 3.2. Arquitectura con bambú en Brasil Brasil cuenta con 34 géneros y 232 especies de bambúes nativas (174 consideradas endémicas), distinguiéndose 16 géneros de bambú tipo herbáceo (ornamental) y 18 de naturaleza leñosa (Pereira et al., 2016). Brasil es el país de Latinoamérica con mayor variedad de bambú y ocupa el segundo puesto con más especies por detrás de China. Con la diversidad de bambúes que se desarrollan a lo largo y ancho de Brasil, muchas de estas especies con características físicas y mecánicas de gran potencial para ser empleadas en la construcción, este país está apostando por su aplicación como material en la arquitectura. Si bien la cultura del bambú en el país brasileño no está presente debido a las diferentes etapas de la historia que marcaron su arquitectura, cada vez se utiliza más esta materia prima y se investiga sobre ella. La Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ) y la Universidad Federal de Santa Catarina (USFC), entre otras, tienen grupos interdisciplinarios de investigación que trabajan con el bambú y estudian su desarrollo tecnológico para futuras aplicaciones. Uno de los grandes objetivos de este país es desarrollar cadenas de producción con el bambú, desde la siembra hasta la industrialización del material, para la viabilidad económica y sostenible de su implementación en los grupos más vulnerables de su sociedad. Sin embargo, al contrario que en Colombia, en Brasil solo se pueden encontrar obras muy concretas en determinados lugares. Es verdad que cada vez se emplea más, aunque con ciertas limitaciones constructivas por la falta de normativa así como por la escasez de mano de obra especializada para el montaje y la práctica de conexiones, lo que complica su aplicación regular. En este caso, se visitaron dos obras en diferentes regiones de Brasil: la primera en la región sur, en el estado de Santa Catarina, donde el bambú funciona estructuralmente en geometrías triangulares, y la segunda en Curitiba, lugar en el que el bambú se utilizó a modo de acabado. 50 Restaurante Sunset en Garopaba (Brasil) Arquitecto: Andrea Chalupe Año de construcción: 2018 Ubicación: Garopaba, Brasil Descripción Restaurante de playa construido con una estructura de bambú formada de pórticos y elementos triangulares. La cubierta de policarbonato está soportada por travesaños, también de bambú. Difícilmente se encuentra este material aplicado en construcciones situadas muy cerca del mar debido al salitre y a la exposición solar. Elementos de conexión Las conexiones son pernos metálicos. En la base se ha implantado un refuerzo con pernos metálicos y hormigón. Plano Fachada principal. Estructura interior del restaurante. Restaurante Sunset. Plano: Autor ARQUITECTURA CON BAMBÚ. CASOS DE ESTUDIO 51 O Bosque Hostel en Curitiba (Brasil) Año de construcción: 2019 Ubicación: Curitiba, Brasil Descripción El hostel, ubicado en el centro de Curitiba, está construido con técnicas tradicionales como tierra y paja; para los acabados, se utilizaron bambú y madera. El bambú se puede encontrar como plafón y también como mobiliario. Elementos de conexión En este caso no se estudian las conexiones, ya que el bambú no funciona a nivel estructural; sin embargo, la aplicación creativa como acabado en el plafón realza el interior, en especial la belleza de los techos. Plano no disponible Área común del hostel. Pasillo hacia las habitaciones. Mobiliario de bambú. 52 3.3. Arquitectura con bambú en Europa Se podría decir que la arquitectura con bambú en Europa es reciente, pues no constituye un material nativo del continente y, debido a las condiciones naturales y climatológicas continentales, su crecimiento y su producción son limitados: no todos los bambúes proliferan de manera adecuada. Las especies ornamentales se producen y se propagan más fácilmente, pero las leñosas, aptas para la construcción, no desarrollan las propiedades mecánicas y físicas para ser utilizadas. Todo el bambú destinado a la construcción es importado de Asia y Latinoamérica, en concreto de China y Colombia. La primera estructura materializada en el continente europeo de la que se tiene registro fue en la exposición Fenomena en Rotterdam, en 1985. Como parte de las atracciones de las exhibiciones, se construyó el Bamboekasteel (castillo de bambú) de 22 metros de altura, formado por tres niveles (fig. 25). Se utilizaron 120 toneladas de caña de bambú y fue creado por artesanos chinos (Programmaboekje, Fenomena 1985.) Figura 25. Castillo de bambú en Rotterdam (Países Bajos). Fuente: programmaboekje-Fenomena-1985. ARQUITECTURA CON BAMBÚ. CASOS DE ESTUDIO 53 Otras de las obras más representativas con bambú se erigió en la Expo de Hannover 2000 (Alemania), donde el arquitecto Simón Vélez “internacionalizó” el bambú. Su proyecto, el Pabellón Zeri, supuso una obra vanguardista construida con bambú Guadua y madera tropical en un área de 2.150 m2 (Frey y Schaewen, 2013). Es una de las estructuras contemporáneas más emblemáticas en la que, además, se emplearon hormigón y uniones metálicas para su construcción (fig. 26). En este mismo contexto, las obras realizadas con bambú en Europa suelen ser estructuras efímeras, destinadas a pabellones, y muchas veces a estructuras para festivales. También se usa como acabado, aunque en este caso deja de tener el carácter estructural que lo identifica debido principalmente a la falta de estándares como material, montaje y desarrollo de conexiones. A continuación se mostrarán las obras de carácter efímero visitadas en Italia y en Francia con diseños arquitectónicos modernos. Figura 26. Pabellón Zeri en la Expo de Hannover 2000. Autor: https://bambus.rwth-aachen.de 54 Pabellón Contemplation en Arlés (Francia) Arquitecto: Simón Vélez Año de construcción: 2018 Ubicación: Arlés, Francia Descripción El Pabellón Contemplation es una estructura efímera diseñada por Simón Vélez, ejecutada con bambú Guadua mediante estructuras triangulares en una superficie de 954 m2. Su coste ascendió a 800.000 €. La cubierta fue cometida con esterilla de bambú y se utilizaron tubos metálicos como soporte de la estructura. Elementos de conexión Se aplicaron conexiones y tensores para rigidizar el bambú. Las conexiones metálicas, embebidas con mortero, las llevó a cabo el arquitecto Marcelo Villegas. Plano Pasillo que rodea la estructura de bambú. Conexiones a base de placas metálicas. Comtemplation. Plano: Construction et Enviroment, 2022. ARQUITECTURA CON BAMBÚ. CASOS DE ESTUDIO 55 Estaláctica de bambú, Bienal de Venecia (Italia) Arquitecto: VTN Architects Año de construcción: 2018 Ubicación: Venecia, Italia Descripción Denominada estaláctica de bambú, el pabellón consta de 11 módulos prefabricados con este material, cada uno de ellos formado por la combinación de dos estructuras hiperbólicas. Las vigas estructurales para el pabellón se prepararon en Vietnam. Elementos de conexión Para los elementos de conexión, se utilizaron cuerdas de sisal mediante la técnica tradicional de amarre típica de Vietnam. Plano Vista de la estructura realizada con bambú. Unión de cañas de bambú por medio de amarres. Pabellón en la Bienal de Venecia. Plano: ArchDaily, 2015. 56 3.4. Arquitectura con bambú en Malasia En Malasia se han identificado alrededor de 70 especies de bambú (The International Bamboo and Rattan Organisation, INBAR), de las cuales 50 son distribuidas en la Malasia peninsular y las otras 20, en las islas. Dieciséis especies son potencialmente comercializables, sin embargo solo se utilizan tres de ellas: Gigantochloa scortechinii, Dendrocalamus asper y Gigantochloa albociliata. Malasia cuenta con un clima excepcional para la producción de bambú: una temperatura que oscila entre 26 ºC y 34 ºC y una lluvia anual de entre 400 mm y 1.600 mm en todo el país. Estas condiciones contribuyen a que el bambú crezca de manera natural en las montañas y a orillas de los ríos, pero también que sea cultivado por los pobladores en áreas rurales (Bioversity International, 2021). La arquitectura con bambú se puede encontrar en toda Malasia de norte a sur; no obstante, se ubica en las zonas rurales y en los lugares más marginados del país. Se construye de manera tradicional mediante técnicas constructivas vernáculas que son transmitidas de generación en generación. Lo que más se desarrolla con bambú son estructuras para la fabricación de casas, por lo tanto son construcciones permanentes, que requieren un mantenimiento constante y un cambio de las cañas por el deterioro. La técnica de unión más empleada es la del amarre. Otra aplicación del bambú que predomina son los cerramientos de paredes por medio de paneles. Estos se elaboran de manera artesanal con tablillas y tiras de bambú que se entrelazan para conformar los paneles y, según el tejido, se trazan diferentes formas en los bordados. La peculiariedad de estos paneles es su ligereza y su simplicidad de montaje en las estructuras de bambú. A pesar de que es un material accesible, económico y viable, no se valora como material de construcción, igual que en muchas partes del mundo, por la falta de información respecto a su utilización. ARQUITECTURA CON BAMBÚ. CASOS DE ESTUDIO 57 Restaurant del Hotel Tandom Hill, Malasia Año de construcción: 2015 Ubicación: Kampung, Labohan Descripción Una de las construcciones que quiere resaltar el bambú como elemento principal de la arquitectura es el Hotel Tandom Hill, donde todas las habitaciones y las zonas comunes son de este material. El hotel, inspirado en la arquitectura tradicional de Malasia, aplica las técnicas constructivas autóctonas. Elementos de conexión Se usan cuerdas para amarrar el bambú, pines de madera y bambú con técnicas de montaje del lugar. Plano Áreas comunes. Bungalós con estructura y paneles de bambú. Restaurant del Hotel Tandom Hill. Plano: Autor. 64 Figura 28. Conexiones para estructuras geodésicas. BAMBUTK (México). UNIONES Y PROPUESTA DE CLASIFICACIÓN PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURAS CON BAMBÚ 65 A continuación se describirán los tipos de uniones y cortes que se generan a partir dedos o más cañas de bambú, así como la clasificación y sistematización de los diferentes elementos estructurales que se desarrollan con bambú. 4.1. Uniones entre cañas de bambú En la construcción de estructuras ligeras con bambú, las cañas se unen por sus testas, caras, o por medio de un elemento de conexión. Dichas uniones se catalogan en tres clases y, de acuerdo a estas, se definirá el tipo de estructura que se puede construir. Laclasificación se realizó a partir de la lista de las uniones con madera (Argüelles Álvarez, R. 2013), cuya propuesta para las uniones entre cañas de bambú distingue entre empalme, acoplamiento y nudo (fig. 29). Empalme: las barras de bambú se unen por medio de sus testas. En estructuras demadera se utiliza para el alargamiento de barras (Argüelles Álvarez, R. 2013), pero en bambú muy rara vez se alarga almenos que sea por un motivo estético o alguna excepción que implique alargar labarra, dado que se pueden encontrar cañas de hasta 30 m de largo. Acoplamiento: este tipo de amalgama se refiere a la unión de dos o más cañas debambú mediante sus caras. Con el acoplamiento, se llevan a cabo vigas que cubren claros de gran dimensión y pilares con más resistencia a compresión. Los elementos defijación de estas uniones son variados como, por ejemplo, varillas roscadas o amarres concuerdas sintéticas y naturales; algunas veces, los entrenudos se rellenan con mortero oadhesivo. Nudo: punto de unión de dos o más cañas de bambú. Un nudo se forma por medio delacohesión de barras (Basset S., 2014) y el bambú; teóricamente es una barra cilíndrica. El nudo se forma por contacto directo entre las cañas o mediante un elemento de conexión (indirecto). 1) 2) 3) Figura 29. 1) Empalme. 2) Acoplamiento. 3) Nudo. 66 4.2. El nudo en estructuras de bambú Las estructuras de bambú están integradas por la unión de cañas entre sí. La caña debambú (barra) es un elemento cilíndrico, hueco y uniforme con un grosor interior variable, por lo que la unión y los elementos de conexión se vuelven complejos. Como cualquier otra unión entre barras, existen puntos críticos llamados nudos que sedeben estudiar al detalle para conocer su rigidez y su estabilidad. El nudo es un espacio de unión de dos o más barras o un punto de apoyo de estas y, en el caso de las estructuras de bambú, al estar conformadas por barras, los llevan implícitos. Los nudos formados en estructuras de bambú se definen como “nudos articulados”, loscuales permiten el giro, pero no el desplazamiento de las barras. Algunos arquitectos reconocidos internacionalmente han resuelto el nudo de diferentes formas. Simón Vélez, por ejemplo, en sus obras, soluciona el nudo con varillas roscadas y, para reforzarlo, rellena los entrenudos con mortero. Esto lo hace para realizar claros de gran longitud y también tener mayor resistencia a compresión en las uniones decolumnas. Por otro lado, uno de los factores que cobra más importancia en la construcción con bambú es el diseño, en el que predominan las formas triangulares y tridimensionales para transmitir las diferentes fuerzas. “Cualquier unión sujeta se aflojará debido a los cambios en la humedad y el diámetro del bambú, mientras que garantizar la fuerza de estas articulaciones es un desafío” (Simón Vélez). Jörg Stamm, otro de los constructores de bambú más prestigiosos por sus obras icónicas de puentes, cubiertas y pérgolas, al igual que Simón Vélez, utiliza varillas roscadas y rellena los entrenudos con hormigón perforando la caña de bambú para introducirlo. La variedad de modelos de estructuras ligeras con bambú conforman nudos de diversa índole, por lo que es preciso identificar qué elemento estructural se puede adoptar con las cañas para el tipo de nudo desarrollado, así como las conexiones empleadas, a fin UNIONES Y PROPUESTA DE CLASIFICACIÓN PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURAS CON BAMBÚ 67 de sistematizarlos y clasificarlos, de manera que abarque desde las variables de nudo hasta su forma de transmitir esfuerzos. 4.3. Estructuras ligeras de bambú Las estructuras ligeras de bambú se pueden dividir en dos tipos: estructuras ligeras tradicionales o autóctonas y estructuras contemporáneas. Las construcciones de estructuras tradicionales se localizan en aquellos lugares donde el bambú es nativo, es decir, en países de América y de Asia, mientras que las estructuras contemporáneas se pueden encontrar en diferentes partes del mundo. En los dos casos se desarrollan nudos a partir de la unión de las cañas y de la cohesión de varias estructuras como, por ejemplo, de una viga a una columna. Para estudiar el nudo, se deben identificar las estructuras ligeras que más se construyen con bambú. Una clasificación general sería estructuras en un mismo plano yestructuras espaciales. 4.3.1 Estructuras en un mismo plano Las estructuras en un mismo plano son aquellas formadas en dos dimensiones y se dividen en lineales y triangulares. Las estructuras lineales o pórticos cuentan con elementos verticales y horizontales, como una columna o una viga. En función de la carga que deban soportar y de la dimensión del claro que se ha decubrir, se pueden formar con una sola barra o más, las cuales se van sumando ala viga y a la columna. Existen dos formas de forjar una estructura lineal: directa, por acoplamiento, o indirecta, por medio de un elemento de conexión. En ambos casos se adoptan conexiones especiales para rigidizar y configurar el elemento estructural. • Columnas de bambú Las columnas (una caña o más) con este material presentan gran resistencia a compresión debido a las fibras paralelas a la barra, 475 kg/cm2 (Minke, G., 2012). Para fijar una columna, la unión debe hacerse por acoplamiento o por un elemento de conexión. 68 En el primer caso (por un elemento de conexión), como máximo 4 cañas; en el segundo (por acoplamiento) las columnas pueden tener hasta 8 o más barras de bambú. La tecnología empleada en las conexiones de las columnas es variada. Se utilizan amarres para el acoplamiento ypernos de métrica 10 (M10) con hormigón inyectado en los entrenudos inferiores y superiores que soportan mayor esfuerzo acompresión. Las columnas se montan mediante un elemento de conexión, ya sea con placas metálicas y madera o con cañas de bambú colocadas perpendicularmente a la columna. • Vigas La mayoría de las vigas de bambú se forman por acoplamiento y, en estas, se emplea la misma tecnología de conexión que en las columnas, es decir, el amarre o los pernos de M10 reforzados con hormigón o adhesivos en los entrenudos; se pueden añadir más cañas hasta conformar la viga deseada (fig. 31). Por lo general, en las vigas no se acoplan más de tres cañas, aunque esto depende dela longitud del claro que se quiera cubrir. • Estructuras triangulares En general, las estructuras triangulares se montan con barras que salvan claros de largas dimensiones. El bambú, debido a su fisonomía de barra, favorece la construcción de escuadrías triangulares desarrollando este tipo de estructura. Figura 30. Tipo de unión de una columna. 1) Unión por un elemento de conexión. 2) Unión por acoplamiento. 1) 2) Figura 31. Viga formada por acoplamiento. UNIONES Y PROPUESTA DE CLASIFICACIÓN PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURAS CON BAMBÚ 69 Las barras en las estructuras triangulares trabajan a compresión y a tracción cuando se les aplica una carga en uno de los nudos, generando diferentes esfuerzos entre ellos. Elconjunto de triángulos conforma una estructura triangulada, las cuales, al recibir cargas, se transmiten directamente a los nudos. Las estructuras triangulares con bambú se clasifican en tres tipos: vigas, cerchas y marquesinas (fig 32). 1. Vigas. 2. Cerchas. 3. Marquesinas. La forma del triángulo y su dirección cambia según el diseño de la estructura o el tipo de cargas que va a recibir. 4.3.2 Estructuras tridimensionales Las estructuras tridimensionales o espaciales son aquellas ejecutadas en diferentes planos formadas por la cohesión de estructuras lineales y triangulares en los planos X, Y y Z (fig. 33) o por el desarrollo de estructuras complejas como son las mallas tridimensionales. Las geodésicas, solución arquitectónica aplicada en diferentes ámbitos, están compuestas por barras que, al desarrollar una estructura espacial, tienen la flexibilidad de construirse de manera curva o plana, una de las particularidades principales de este tipo de armazón. 1) 2) 3) Figura 33. Nudo formado por la unión de elementos estructurales en diferentes planos. Imagen: http://www.maderncocr.com Z Y X Figura 32. Clasificación de las estructuras triangulares. 70 Otro de los rasgos propios es que son estructuras rígidas y ligeras que reparten las cargas de manera uniforme a sus elementos. Al igual que las estructuras triangulares, las barras se caracterizan por trabajar a compresión y a tracción según el esfuerzo empleado en el nudo. El bambú es el material idóneo para la formación de estructuras tridimensionales, ya que estas se fijan a base de barras lineales. Dichas estructuras suelen aplicarse en la arquitectura efímera o temporal, dado su bajo coste económico, su ligereza y su practicidad. Para conformar una geodésica, hay que determinar el elemento de conexión de las barras, dado que es la única manera de unirlas formando nudos. Las conexiones son placas metálicas diseñadas acordes a las barras por conectar o al proyecto que se va realizar (Fig. 34). 4.4. Cortes en las testas del bambú Los cortes en el bambú son de gran trascendencia para cohesionar las cañas y llevar a cabo las estructuras mencionadas anteriormente pues, al ser huecas y cilíndricas, es necesario practicar cortes concretos en las testas, que difieren de una estructura a otra. Las incisiones más comunes, y que son las que ha clasificado el arquitecto Óscar Hidalgo López en su libro The Gift of the Gods, son “boca de pescado” (corte angular), “pico de flauta” (chaflán), recto (transversal) y a bisel (oblicuo) (fig. 35). Normalmente se llaman así por la forma que le da el corte a la testa del bambú. Estos cortes pueden ser Figura 34. Estructura tridimensional a base de triángulos.Imagen: https://i.pinimg.com UNIONES Y PROPUESTA DE CLASIFICACIÓN PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURAS CON BAMBÚ 71 con “orejas” o “sin orejas”, y muchas veces se dejan para colocar algún tipo de fijación entre ellas, como pernos o clavos (Hidalgo-López, O. 2003). El corte recto, realizado perpendicularmente al eje longitudinal del bambú, sirve para reducir el tamaño de la caña y para juntar las cañas de bambú mediante un elemento específico de conexión con la forma natural de la caña (fig. 36). Este tipo se emplea más en las estructuras lineales y espaciales. El corte “pico de flauta” y a bisel se ejecutan cuando la caña de bambú posicionada de forma vertical u horizontal se une a una caña colocada en ángulo; a esta última se le realiza elcorte “pico de flauta” o a bisel en su testa (fig 37). Suele aplicarse en las estructuras triangulares. El corte “boca de pescado” adopta su nombre por la forma que adquiere la testa del bambú cuando se secciona para unir de manera perpendicular una caña a otra. Se utiliza en las estructuras triangulares para la unión de barras (fig. 38). 4.5. Nudos que se forman en los diferentes tipos de estructuras con bambú Al definir las estructuras con bambú (en un mismo plano y estructuras espaciales), se establece una clasificación conforme a los puntos de unión donde se forma el nudo. Esta formación del nudo se crea a partir de distintas variables. Por ejemplo, en las estructuras lineales, se da con la unión de una viga a una columna; en estructuras triangulares, el nudo se forma en las barras que configuran el triángulo; en las estrucFigura 37. Corte “pico de flauta”. Figura 36. Corte recto. Figura 38. Corte “boca de pescado”. Figura 35. 1) Corte “boca de pescado” en la unión de cañas en una estructura lineal. 2) Corte “boca de pescado” en la unión de cañas en una estructura triangular. Imagen: civilgeeks.com 1) 2) 72 turas tridimensionales, el nudo se determina por la unión de elementos que están en distintos planos, y en las mallas, se genera puntualmente en el elemento de conexión (tabla 1). Con esta primera clasificación, se identifican los tipos de estructuras que se construyen con bambú, los puntos en los que se generan los nudos y las conexiones que se usan para su fijación. Nudo Ejemplo Descripción Elementos de fijación Nudo desarrollado por la unión de elementos de bambú verticales y horizontales, que pueden ser compuestos por una sola caña o varias, formando perpendiculares entre ellos. Nudo compuesto por la unión elementos verticales, horizontales y de ángulo. Los elementos estructurales puede ser de 1 a más cañas. Nudo desarrollado por la unión de varios elementos estructurales en diferentes planos. Nudo desarrollado por un elemento de fijación. Conectores de acero inoxidable, galvanizados y aluminio. Estructuras en diferentes planos Malla Estructuras tridimensionales Formación del nudo de acuerdo al tipo de estructura Estructura Estructuras planares Marquesinas Cerchas Vigas En el ángulo recto 1.- Amarres con cuerdas sintéticas. 2.Varillas roscadas de 10 mm, con relleno en los entrenudos de mortero. 3.- Placas metálicas o de madera. Estructuras lineales Compuesto Estructuras triangulares Nudo formado en la unión de barras que forman el triángulo en las estructuras. Trabajan a compresión o tracción dependiendo de la fuerza y su dirección aplicada. Tabla 1. Clasificación del nudo en estructuras con bambú. Imágenes: varios autores UNIONES Y PROPUESTA DE CLASIFICACIÓN PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURAS CON BAMBÚ 73 Sin embargo, existe otro factor determinante en el estudio de los nudos: el modo de transmitir los esfuerzos, los cuales pueden ser por transmisión directa, a través de sus testas o caras, o por transmisión indirecta, por medio de un elemento de conexión (tabla 2). La transmisión directa significa que las cañas de bambú están en contacto la una con la otra mediante sus testas o las puntas de la barra, que son las que transmiten las cargas a través de la pared del bambú. Se colocan pernos o amarres entre ellas para rigidizar el nudo y, para conferir más resistencia acompresión, se rellenan los entrenudos con hormigón. En la transmisión indirecta se necesita un elemento de conexión para unir las barras y transferir las cargas. Estos elementos pueden ser desde varillas roscadas hasta una placa metálica desarrollada para un diseño moderno. Teniendo en cuenta los tipos de estructuras divididos anteriormente y la transmisión de esfuerzos, se plantea una clasificación añadiendo el número de barras que conforman las estructuras y la posición de las cañas de bambú. En las estructuras lineales, por ejemplo, el nudo se configura con la unión de la columna y la viga que, según su posición, variará el sistema de transmitir la carga generando diferentes nudos. En estas estructuras se encuentran dos variables: nudos formados en ángulo recto ynudos formados por barras unidas en ángulo oblicuo y recto. Tabla 2.Transmisión de esfuerzos en el nudo de estructuras con bambú. Imágenes: varios autores 80 Figura 39b. Columna de bambú realizada mediante acoplamiento, rigidizada con cuerda de sisal y pernos. 81 5. Clasificación de conexiones para el desarrollo de estructuras con bambú .........................................................................................79 5.1. Análisis de clasificaciones previas ............................................................ 82 5.2. Conexiones low tech ............................................................................... 83 5.2.1. Conexiones amarradas ............................................................................ 87 5.2.2. Conexiones mediante pasadores ............................................................... 89 5.2.3. Conexiones encajadas ............................................................................. 90 5.2.4. Conexiones híbridas ................................................................................ 91 5.3. Conexiones medium tech ........................................................................ 91 5.3.1. Conexiones con pernos ............................................................................ 92 5.3.2. Conexiones con tornillos autorroscantes .................................................... 95 5.3.3. Conexiones mediante abrazadera ............................................................. 96 5.4. Conexiones high tech .............................................................................. 96 5.4.1. Conexiones metálicas reforzadas con pernos ............................................. 97 5.4.2. Conexiones metálicas a fricción ............................................................... 98 5.4.3. Conexiones metálicas reforzadas con hormigón .......................................... 99 5.5. Relación entre unión y conexión............................................................. 100 82 5.1. Análisis de clasificaciones previas Dentro de los estudios existentes sobre el bambú y su aplicación como material, se ha tenido la necesidad de estudiar las técnicas de construcción y los elementos que lo componen, como son las conexiones. En este sentido, existen diferentes propuestas de clasificación de conexiones y uniones para barras de bambú, las cuales se han realizado de acuerdo a la perspectiva y funcionamiento del área de trabajo de cada autor. Cada clasificación ha tenido una aportación importante para generar parámetros a nivel de técnicas constructivas y de montaje con este material. Una de las primeras clasificaciones fue realizada por Klaus Dunkelberg con el apoyo del Institute for Lightweight Structures (IL) de la Universidad de Sttugart. Klaus Dunkelberg describió las características, ventajas y desventajas del bambú como material en la construcción e hizo una predicción de su utilización en el futuro, mencionándolo como: “Bamboo a material of the future” (El bambú un material del futuro) (Dunkelberg, K., 2000). También, estudió la arquitectura tradicional de Indonesia y en base a ella hizo el primer acercamiento para clasificar las uniones. Dividió las conexiones en tres grandes grupos: uniones entre elementos verticales y horizontales, uniones entre elementos horizontales y uniones entre elementos verticales, horizontales y diagonales (fig. 40). En todas las conexiones se utilizan madera, bambú y fibras naturales (Dunkelberg, K., 2000). Otro estudio sobre las conexiones y su clasificación es el realizado por Enrique R. Álvarez Castilla (Álvarez Castilla, E. R.,2012) . Estudió a fondo las conexiones de amarre 1) 2) 3) Figura 40. Clasificación de conexiones por Klaus Dunkelberg. 1) Uniones entre elementos verticales y horizontales, 2) uniones entre elementos horizontales. 3) Uniones entre elementos verticales, horizontales y diagonales. Fuente: Dunkelberg, K., 1985. CLASIFICACIÓN DE CONEXIONES PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURAS CON BAMBÚ 83 con cuerdas de fibra sintética y las conexiones metálicas con pasadores reforzados con concreto, y realizó una clasificación de tipo general en 7: -Conexiones clavadas.-Conexiones con pernos.-Conexiones zunchadas.-Conexiones estructurales.-Conexiones cimiento-muro.-Conexiones con soleras de madera aserrada.-Conexiones con soleras de bambú En esta misma línea, Janssen Jules mencionó la importancia de estandarizar el bambú y de clasificar las uniones para que sea un material reconocido internacionalmente y se emplee en la construcción y en la industrialización de nuevos materiales. Propuso unos principios para la clasificación, y en base estos criterios establece 8 grupos para identificar las uniones (fig. 41 )(Janssen, J. J. A.,2000): Grupo 1: unión entre secciones transversales. Grupo 2 y 3: unión desde el interior del bambú con un elemento paralelo (Gr.2) o perpendicular (Gr.3). Grupo 4 y 5: unión de la sección transversal con un elemento paralelo (Gr. 4) o perpendicular (Gr.5). Grupo 6 y 7: unión del exterior del culmo a un elemento paralelo (Gr. 6) o perpendicular (Gr.7). Grupo 8: uniones de tiras de bambú. Grupo 1. Grupo 2 y 3. Grupo 4. Grupo 5. Grupo 6 y 7. Figura 41. Clasificación de uniones en 7 grupos. Fuente: Janssem, J., 2000. 84 Otra clasificación destacable es la realizada por Andry Widyowijatnoko, quien dividió las construcciones en bambú en dos grandes grupos: construcciones convencionales con bambú y construcciones con bambú como sustituto a otros materiales establecidos. Dentro de esta división identificó las conexiones que son empleadas y su colocación en el bambú, dentro de tres categorías: en el exterior, dentro de la cavidad del bambú y perpendicular a las fibras (Widyowijatnoko, A., 2012). Su trabajo se basó en la clasificación de uniones de J.A. Jassen y descartó 2 grupos: el grupo 7 y el grupo 8, debido a que las uniones del Gr. 7 no es aplicado a ningún tipo de estructura y el Gr. 8 es para tiras de bambú y no para la barra completa. Por lo que reduce la clasificación a 6 grupos y hace combinaciones entre ellas (Fig. 42) Una vez analizado el conjunto de las clasificaciones anteriores se considera adecuado proponer una nueva clasificación de tipo gráfico y descriptivo de acuerdo a la tecnología que se ha aplicado para el desarrollo de cada conexión. Esto es uno de los objetivos de esta tesis doctoral. Si bien, se han mencionado los diferentes estudios sobre clasificaciones y grupos de acuerdo a la transmisión de fuerzas y de tipologías constructivas, viéndolo desde una visión arquitectónica, se considera necesaria una síntesis gráfica y técnica de la unión del bambú y del material empleado en la conexión. Esta clasificación facilitará la elección óptima de una conexión para el desarrollo de proyectos arquitectónicos donde el bambú sea el material protagonista de la estructura. Grupo 1Transmisión de la fuerza de compresión mediante toda la sección del culmo. Grupo 2Transmisión de la fuerza por medio de fricción en las caras internas o de compresión en el diafragma. Grupo 3Transmisión de la fuerza por medio de fricción en la cara exterior. Grupo 4Transmisión de la fuerza mediante un soporte de tracción y cortante al bambú desde un elemento perpendicular conectado en el interior del bambú. Grupo 5Transmisión de la fuerza perpendicular a las fibras. Grupo 6Transmisión de las fuerzas radiales de compresión al centro de la barra mediante cortante y tensión circunferencial perpendicular a las fibras. Figura 42. Clasificación de las conexiones de acuerdo a la transmisión de fuerzas. Fuente: Andry Widyowijatnoko, 2012. CLASIFICACIÓN DE CONEXIONES PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURAS CON BAMBÚ 85 5.2. Clasificación de conexiones para el desarrollo de estructuras con bambú La clasificación propuesta se basa principalmente en la tecnología empleada para su desarrollo. A continuación se describen los tipos de conexión que más se emplean con el objetivo de rigidizar las uniones, se emplean varios tipos de conexiones. Muchas de ellas se desarrollan de manera empírica o artesanal, sin estándares de calidad ni patrones que puedan regular su uso, lo que complica el montaje y su construcción. En este capítulo, se ordenará y se sistematizará la información recopilada sobre técnicas de montaje y conexiones más utilizadas en estructuras de bambú, dando lugar a una propuesta de clasificación. En estructuras vernáculas, se emplean cuerdas de fibras naturales para atar las cañas, pero también pasadores de bambú y/o de madera a modo de cuñas que traspasan las cañas confiriendo rigidez a la unión (fig. 43). • Otro tipo de unión tradicional consiste en amarrar las cañas, técnica que, a pesar de ser una de las más antiguas, se continúa aplicando en la actualidad para construir estructuras vanguardistas. Con el amarre, se pueden conformar vigas y columnas y rigidizar el nudo, por lo que se emplea en los tres tipos de unión clasificados: empalme, acoplamiento y nudo (fig. 44). Figura 43. Unión de cañas de bambú con pasantes de madera. Fuente: Hidalgo-López, O. 2003. Figura 44. 1) Amarre en empalme. 2) Amarre en acoplamiento. 3) Amarre en nudo. Fuente: Hidalgo-López, O. 2003. 1) 2) 3) 86 Este conjunto de conexiones, amarre con fibras naturales y pasantes de madera o bambú, se denomina low tech. En la arquitectura moderna con bambú se cuenta con un gran número de elementos de conexión, muchos de ellos diseñados para una estructura en particular o para estructuras efímeras. Los más usados son los pernos y las placas metálicas reforzadas con morteros y adhesivos. Esta clase de conexiones aplicadas en estructuras contemporáneas se clasifica en conexiones medium tech y conexiones high tech (fig. 45). En ese sentido, la propuesta se centra en tres grandes grupos según la tecnología aplicada para su desarrollo: low tech, medium tech y high tech (fig. 46), las cuales se detallarán a continuación. Figura 45. 1) Conexión medium tech, alargamiento de la barra. 2) Conexión high tech en el nudo. Fuente:Bamboo Architecture. Heinsdorff, M., 2013. 1) 2) Conexiones Low tech Conexiones Medium Tech Pernos Placas Hormigón Tornillos Autorroscantes Abrazaderas Conexiones Low Tech Amarres Encajes Híbridas Conexiones High Tech Metálicas con Pernos Metálicas a fricción Metálicas con hormigón Tradicionales y contemporáneas Conexiones Figura 46. Propuesta de clasificación de las conexiones de acuerdo a la tecnología empleada. CLASIFICACIÓN DE CONEXIONES PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURAS CON BAMBÚ 87 5.3. Conexiones low tech Surgen en las construcciones autóctonas y se caracterizan porque habitualmente utilizan materiales de origen local o de proximidad. Se podría decir que la tecnología empleada para su construcción es escasa, no requiere equipo especializado y las técnicas aplicadas para la sujeción de cañas son empíricas, transmitidas de generación en generación. El abanico de conexiones experimentales con diferentes tipos de materiales es muy diverso: madera, cuerdas o el propio bambú. Esta pluralidad de conexiones puede dividirse en cuatro grupos: conexiones amarradas, conexiones mediante pasadores, conexiones encajadas y conexiones híbridas, que es una mezcla de todas las anteriores. 5.3.1 Conexiones amarradas Es una de las técnicas más practicadas para unir dos elementos. En este caso se trata de fusionar dos o más cañas de bambú, atadas con cuerdas naturales, como el sisal, o cuerdas sintéticas, para conformar una estructura. Existen distintos tipos de amarres en función del lugar, la cultura y hasta de la propia cuerda. La facilidad de utilizar cuerdas para juntar cañas de bambú se debe a su forma áspera, conoidal y hueca, lo que ayuda en gran medida para hacer agujeros de un extremo a otro. • Amarre entre culmos completos Este término se refiere al método de sujeción de dos o más cañas de bambú sin necesidad de perforar o modificar la caña, pues la cuerda trabaja a fricción entre los culmos completos y se entrelazan en función de si es un nudo, un empalme o un acoplamiento (fig. 47). Amarre en nudo Amarre en acoplamiento 1. 2. 3. Figura 47. Tipos de amarres entre culmos. 88 Es una de las técnicas más usuales en la arquitectura vernácula con bambú en Asia y en estructuras efímeras, como se pone de manifiesto en pabellones o andamios en Hong Kong. Uno de los países con mayor tradición y donde se trabaja a la perfección este tipo de técnica de amarre es en Indonesia, lugar en el que se pueden encontrar estructuras completas de casas, paneles para cerramientos, cubiertas y mobiliarios con bambú mediante amarres (fig. 48). No solo en la construcción tradicional se pueden ver los amarres; el hecho de que sean conexiones low tech no significa que estas no se lleven a cabo en construcciones contemporáneas. Un ejemplo de ello es la Bienal de Venecia 2018, en la que los arquitectos de la firma Vo Trong Architecture construyeron un pabellón de bambú con un sofisticado diseño paramétrico, y cuyo montaje y unión de las cañas se realizó con conexiones low tech, en este caso con amarres (fig. 49). Figura 48. Casa tradicional de Indonesia. Fuente: Crook,L., 2019. Figura 49. Arquitectura efímera contemporánea creada mediante técnicas tradicionales en la unión de bambú. CLASIFICACIÓN DE CONEXIONES PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURAS CON BAMBÚ 89 Una de las mejores opciones para unir el bambú son los amarres en culmos completos, ya que evita que el bambú se corte y, por consiguiente, que se raje o se rompa. Sin embargo, se debe efectuar con una buena técnica y protegerlo porque el amarre puede perder sus propiedades de fricción debido a los cambios de humedad, al viento y a la radiación solar hasta el punto de romperse. • Amarre mediante perforación Este grupo de amarre se define por perforar el bambú y atravesar la cuerda para realizar el nudo entre otras cañas de bambú. La mayoría de veces basta con que una de las cañas sea horadada y la otra se mantenga en toda la sección transversal del culmo. Asimismo, es necesario ejecutar un corte específico en la testa del bambú para que encaje en la otra caña (el corte más común es el de “boca de pescado”), por lo cual este procedimiento es ligeramente más refinado que el anterior, dado que se ha de utilizar una herramienta para agujerear con precisión el bambú. El número de perforaciones también dependerá de la cantidad de cañas que se requieran unir (fig. 50). 5.3.2 Conexiones mediante pasadores Consiste en unir las cañas de bambú por medio de pasadores del mismo material o de madera. En este tipo de técnica, es preciso encajar perfectamente el pasador en el bambú para que genere tensión, por lo tanto se requieren ciertas herramientas para producir los pasadores. Al igual que la técnica anterior, se ha de realizar el corte “boca de pescado” en las testas de una de las cañas con el fin de que se acople a la caña de culmo completo (fig. 51). 1) 2) 3) Amarre con dos perforaciones Amarre con una perforación Unión de más de dos cañas, dos perforaciones, con un amarre Figura 50. Tipos de amarres mediante la técnica de amarre con perforación en el culmo. 96 En este sentido, los tornillos no deben traspasar totalmente el bambú pues, al ser autorroscantes, quedan sujetos en la pared de la caña. Habitualmente se usan tornillos de 3 mm por 20 mm de largo de acero inoxidable. 5.4.3 Conexiones mediante abrazadera La abrazadera es una de las conexiones que mejor se adapta a las irregularidades de la pared externa del bambú. Esta se adecua a la sección del diámetro bajo fricción y presión. Existen distintos tipos de abrazaderas para unir dos o más cañas. La empresa alemana Cobam ideó un sistema llamado bambootix, que consiste en placas y abrazaderas que posibilitan crear una estructura ligera de un nivel (fig. 61). No es necesario perforar el bambú, por lo tanto, se puede prescindir de herramientas sofisticadas para el montaje. Figura 61. Abrazaderas bambootix. Fuente: Conbam, 2018. 5.5. Conexiones high tech Las conexiones high tech de aleaciones metálicas reforzadas con hormigón o con adhesivos suelen utilizarse en construcciones efímeras, por lo que muchas de ellas no son reutilizables. En este caso, se aplica tecnología punta porque se requieren programas computacionales para su diseño y máquinas de control numérico para su desarrollo. Existe un sinfín de conexiones high tech diseñadas por arquitectos, constructores e investigadores, algunas de las cuales se quedan en prototipos porque su producción es cara. Las conexiones comercializadas son escasas debido al coste de producción y muchas no llegan a los estándares demandados para ponerlas en el mercado. Dada la gran variedad de este tipo de conexiones, se dividirán en tres grupos generales siguiendo los mismos criterios de las conexiones anteriores: CLASIFICACIÓN DE CONEXIONES PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURAS CON BAMBÚ 97 – Conexiones metálicas reforzadas con pernos. – Conexiones metálicas a fricción. – Conexiones metálicas reforzadas con hormigón. 5.5.1 Conexiones metálicas reforzadas con pernos Estas conexiones se ejecutan con placas metálicas de acero inoxidable y/o aluminio y se refuerzan perforando el bambú y colocando pernos. Son varias las soluciones con este tipo de conexiones empleadas en geodésicas o estructuras espaciales. Una de ellas es la proyectada por el arquitecto Shoei Yoh, en la que utiliza placas metálicas y tubos que se introducen en el bambú sujetados con pernos (fig. 62). Otro ejemplo de conexiones metálicas pero sujetas con tornillos son las diseñadas por la empresa colombiana Palakas, que inventó un sistema con placas y chapas metálicas sujetas con tornillos alrededor del bambú que solo se ajustan a la pared del culmo (fig. 63). Figura 63. Conexiones con chapa, placas y pernos metálicos. Fuente: Palakas, No date. Figura 62. Conexión de Shoei Yoh. Fuente: G. Minke, 2012. 98 5.5.2 Conexiones metálicas a fricción Las conexiones de esta categoría son las que trabajan a fricción, o a presión, dado que no se requiere perforar el bambú. Se colocan en las testas del bambú o sobre las paredes de la caña. Una de las ventajas que presenta este sistema es que se pueden cambiar las cañas o reutilizar las conexiones en estructuras efímeras. Uno de estos componentes creado por el arquitecto Munir Vahanvati, llamado the bamboo clamp connector, está basado en el concepto de las abrazaderas, colocados en la punta de las cañas y adaptables a diferentes diámetros. Esta conexión diseñada bajo la premisa do it yourself (hazlo tú mismo) resulta muy ventajosa en la construcción de estructuras con bambú (fig. 64). Además de las ya mencionadas, otra de las conexiones relevantes que, sin embargo, se ha quedado en prototipo, es la empleada para una casa de bambú de energía eficiente del arquitecto colombiano Mauricio Cárdenas. Se trata de un sistema de placas de aluminio, con gomas y varillas roscadas que se adaptan a las placas; funciona para generar estructuras mediante un culmo o bien por el acoplamiento de varios para formar vigas y columnas (fig. 65). Abrazaderas con pernos Esfera de metal donde se incorporan las abrazaderas Colocación en el bambú y formación de estructuras Figura 65. Prototipo de conexión para una casa de bambú de energía eficiente. Fuente: ArchDaily, 2017. Figura 64. The bamboo clamp connector. Fuente: Vahanvati M., 2015 CLASIFICACIÓN DE CONEXIONES PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURAS CON BAMBÚ 99 5.5.3 Conexiones metálicas reforzadas con hormigón Del mismo modo que en las conexiones medium tech, en esta categoría se distinguen aquellas a las que puede incorporarse hormigón para reforzar la unión o en las que este material ya forma parte de la propia conexión; si no se utiliza hormigón, no es posible la ensambladura. Es el caso de la empresa Guaduatech, que desarrolló una conexión a partir de placas y piezas específicas que se conectan después de tener la placa principal, donde una de las piezas es embebida en el nudo junto con el hormigón (fig. 66). Se podría decir que es una conexión poco práctica, ya que precisa mano de obra especializada de la propia empresa para montarla. A pesar de utilizar una técnica high tech, su montaje es artesanal: primero, la punta del bambú debe ser cortada en tiras para introducir una parte de la conexión y después se añade el hormigón y, una vez que se tiene la primera parte, se ha de cerrar con alambre hasta conseguir una forma conoidal; posteriormente, se deja curar en torno a un mes para poder utilizar toda la caña y realizar la estructura deseada (fig. 67). Unión de más cañas con conexión Guadua tech para conformar una estructura Colocación de varilla y relleno de hormigón Se cierra con alambre y la punta queda preparada para recibir otras placas Corte en la punta del bambú Figura 67. Esquema del desarrollo de la conexión. Figura 66. Patente de conexión Guaduatech. Fuente: Guaduatech, 2017. 100 El artista Markus Heinsdorff inventó unas conexiones de hormigón para el pabellón diseñado para la Expo Shanghái 2010. Se trata de una estructura completamente de bambú con conexiones metálicas embebidas en hormigón (fig. 68). Figura 68. Conexión creada para el pabellón alemán de la Expo Shanghái 2010, Heinsdorff, M., 2013. 5.6. Relación entre unión y conexión Las conexiones presentadas demuestran que existe gran variedad de posibilidades para emplearlas en una estructura con bambú. Con sus atributos de funcionalidad, coste, resistencia y técnicas de montaje pueden ser utilizadas en diferentes tipos de arquitectura, ya sea tradicional o contemporánea. En este contexto, la clasificación ayuda a disponer de parámetros constructivos para decidir qué clase de conexión se ajusta mejor a la arquitectura con bambú, ya sea una conexión low tech o high tech. Cualquier estructura conformada con cañas de bambú es generada a partir de la unión de dos o más cañas rigidizándolas con conexiones. En este sentido, la unión es la forma en que las cañas de bambú se juntan, aunque algunas veces sea necesario practicar cortes concretos para juntar las cañas. Existen tres tipos de uniones según la propuesta mencionada en el capítulo anterior: empalme, acoplamiento y nudo. La conexión es el elemento que se emplea para rigidizar esa unión, mediante técnicas de low tech, medium tech o high tech. Una conexión puede ser aplicada de igual manera o similar para unir barras en el empalme, en el acoplamiento o en el nudo (tabla 7). Hormigón Abrazaderas Bambú Placas metálicas CLASIFICACIÓN DE CONEXIONES PARA EL DESARROLLO DE ESTRUCTURAS CON BAMBÚ 101 Tabla 7. Clasificación de conexiones según la tecnología aplicada. La tabla muestra la relación entre el tipo de unión (empalme, acoplamiento y nudo) y los elementos de conexión con diferentes tecnologías aplicacadas. 1.-Baja tecnología 2.-Media tecnología 3.-Alta tecnología Elementos de conexión 1.- Amarre 2. Pernos de 1/2", baja resistencia atracción. 3. Conector mediante un elemento tubular y pernos. 1.- Amarre tradicional con alambre galvanizado. 2. Amarres con cuerdas sintéticas y reforzadas con pernos. 3. Placas de acero inoxidable reforzada con pernos desarrolladas por la empresa bravo México. 1.- Amarre con cuerdas sintéticas. 2.- Placa de a cero inoxidable desarrollado por Marcelo Villegas 3. Conect or de acero inoxidable desarrollado por Bamboo Grass, Australia. Conexiones Tipo de unión Nudo Acoplamiento Empalme 102 Figura 69. Vista superior de un culmo de bambú. 103 CAPÍTULO VI CARACTERIZACIÓN DEL BAMBÚ GUADUA ANGUSTIFOLIA 104 Figura 70. Corte transversal y longitudinal del bambú. Se observa el parénquima y los haces vasculares Caracterización del bambú Guadua angustifolia 105 Como parte significativa de la investigación y primer paso para progresar sobre un prototipo de conexión de cara a futuras estructuras con bambú, fue preciso conocer las características físicas y mecánicas del material a fin de procurar parámetros de resistencia y condicionantes de diseño en los que se desarrollará el prototipo de conexión. En este caso se utilizó el bambú tropical Guadua angustifolia kunth proveniente de Colombia, facilitado por la empresa Bamboo Import Europe de los Países Bajos y por la firma española Bambusa Estudio. Los ensayos efectuados fueron sobre resistencia a compresión, tracción y hendidura. Los ensayos a compresión y tracción se realizaron en primer lugar, para determinar las propiedades mecánicas del material, en el caso específico del bambú, que se emplea principalmente en modo de barra. En segundo lugar, para habituarse al manejo del material y a la dificultad que entraña la preparación de probetas; por ejemplo, las probetas a ensayar a tracción son difíciles de preparar debido a la esbeltez y las dimensiones específicas que deben de tener. Con respecto a las pruebas a compresión, se realizaron culmos completos que es la forma más habitual de realizar por la facilidad del ensayo, y de pequeñas probetas en forma de prismas rectangulares para observar si se pueden obtener resultados similares con maquinaria más asequible. La prueba de hendidura se determinó para conocer el comportamiento mecánico de los pernos y el bambú. 6.1. Materiales y métodos Las pruebas se realizaron en los laboratorios de materiales de la Escuela Politécnica Superior de Edificación de Barcelona (EPSEB) de la UPC y en el laboratorio de la Escuela de Energía, Construcción y Medio Ambiente de la Universidad de Coventry (Inglaterra) durante una estancia de estudios. La especie elegida fue la Guadua angustifolia, por ser una de las más utilizadas en Latinoamérica y una de las que más se comercializa en Europa, también por los diferentes estudios que reivindican las altas prestaciones físicas y mecánicas para la construcción de estructuras ligeras. La normativa aplicada fue ISO/DIS22157 Bamboo structures. Determination of physical and mechanical properties of bamboo culms, para pruebas a tracción. Para los ensayos a compresión, se realizaron dos tipos de probetas: las primeras fueron secciones extraídas de distintas partes de la caña y las segundas, de forma prisma 112 paralela a las fibras ƒc, se calculó ƒc,0= Fult/A, en la que Fult es la carga máxima donde la muestra falla a compresión y A, el área de la probeta de bambú. Los resultados se analizaron y se compararon con las probetas de culmo completo. Se concluyó que el culmo completo presentó una resistencia a compresión de 62,6 MPa y el de las pequeñas probetas, de 47,1 MPa (tabla 11). Sin embargo, esta resistencia se sitúa dentro de la media de los resultados, que van desde 29,45 MPa a 92,69 MPa (Takeuchi Tam y González, 2007). 6.5. Prueba de hendidura La prueba consistió en atravesar un tornillo M10 de calidad 5,6 en el bambú con una carga constante para saber la resistencia que tiene el bambú sobre los tornillos o, en su defecto, observar qué fallaba primero. Figura 78. El bambú muestra la rotura a 45º de las fibras tras las pruebas a compresión. Bambú A mm² Fult N ƒc,0 MPa ƒc,0 promedio MPa Desv/Est GPPC1 402 19087 47,48 47,1 4,4 GPPC2 400 17078 42,69 GPPC3 401 19720 49,18 GPPC4 403 16407 40,71 GPPC5 400 17130 42,83 GPPC6 400 20078 50,20 GPPC7 401 21200 52,87 GPPC8 400 20210 50,53 Tabla 11. Resultados a compresión de las pequeñas probetas. Caracterización del bambú Guadua angustifolia 113 6.5.1 Método Se realizaron tres probetas de 150 mm de altura y diámetros diferentes (tabla 12) para obtener la relación entre el tornillo y el bambú. La probeta se colocó en el centro de las mordazas, las cuales bajaban en la misma dirección de los tornillos para aplicarle una carga constante (fig. 79). Se impuso una precarga de 0,20 kN a una velocidad de 5 mm/min. 6.5.2 Resultado Se dedujo que el tornillo falló antes que el bambú, aspecto que se observó cuando el tornillo empezó a flectar y el bambú continuaba sin ninguna deformación; la prueba se prosiguió hasta lograr que el bambú se rompiera (fig. 80). Bambú Altura mm Diámetro mm Grosor pared mm A= Área de probeta mm2 GH1 150 103 25 3915 GH2 150 112 29 4442 GH3 150 105 30 4242 Tabla 12. Características de las probetas para prueba de hendidura. Figura 79. Colocación de la probeta a la maquina universal de ensayos. 114 La fórmula empleada fue ƒH,0 = Fult/A, en la que Fult es la carga máxima donde la muestra falla y A, el área de la probeta de bambú. El resultado promedio se muestra en la tabla 13, corroborando que no hubo mucha discrepancia entre una probeta con nudo y una sin nudo, algo similar a lo que sucede con las pruebas a compresión con culmo completo. 6.6. Resumen de los resultados de los ensayos a compresión, tracción y hendidura. A continuación se muestra en una única tabla las resistencias promedios de los ensayos a tracción, compresión y hendidura (tabla 14). Figura 80. Deformación del tornillo y del bambú tras la prueba de hendidura. Bambú A mm² Fult N ƒH,0 MPa ƒH,0 promedio MPa Desv/Est GH1 3915 100000 25,54 23,95 5,3GH2 4442 80000 18,01 GH3 4242 120000 28,29 Tabla 13. Resultados de las pruebas de hendidura. Tabla 14. Resistencia promedio de los ensayos a tracción, compresión y hendidura. Bambú Guadua angustifolia kunth Resistencia promedio MPa Tracción Compresión Hendidura Culmo completo Pequeñas probetas 114,6 62,6 47,1 23,95 Caracterización del bambú Guadua angustifolia 115 La caracterización del bambú proporcionó pautas para saber cómo manipular el material y su comportamiento físico y mecánico. Los resultados a tracción y a compresión son indicadores de la resistencia del material, los cuales se utilizarán para el desarrollo de probetas del prototipo de conexión. En cuanto a los resultados, se concluyó que nuestro bambú tuvo una resistencia promedio a compresión de 62,6 MPa y una resistencia promedio a tracción de 114,6 MPa. La prueba del ensayo de hendidura sirvió para conocer el comportamiento y la resistencia de los pernos con el bambú. En comparación con los resultados de otros autores, nuestro material obtuvo unos resultados óptimos de resistencia a tracción y a compresión, por ello, y por las excelentes características mecánicas, se desarrollarán todas las probetas del prototipo de conexión con este lote de bambú. 116 Figura 81. Ensayo a tracción, probetas de bambú Guadua. 117 CAPÍTULO VII PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 118 Figura 82. Prototipo de fachada exterior aplicando la conexión propuesta. PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 119 La estandarización del bambú como material de construcción resulta compleja debido a que es, por naturaleza, irregular, hueco, con entrenudos a lo largo de la barra y con diferente grosor de paredes en la propia caña. Por lo tanto, las conexiones deben cumplir unas particularidades de diseño para que se puedan adaptar a las deformidades naturales del material, como son flexibilidad, versatilidad y sostenibilidad, además de tener un coste asequible para que la conexión sea viable. En este marco, el estudio previo de las conexiones y de las uniones ofrece un panorama global y sintetizado en el que se observan las virtudes y las carencias. Su sistematización y su clasificación han sido el punto de partida para generar parámetros y toma de decisiones de cara a la propuesta de un nuevo prototipo que se describe y se analiza en este capítulo. 7.1. Consideraciones previas al diseño de un prototipo de conexión Como paso previo al diseño y a la ejecución del prototipo, se construyeron conexiones con varias tecnologías a fin de adquirir un conocimiento práctico respecto al montaje, tipo de material necesario para la conexión y nivel de dificultad. A continuación, se describen dichas conexiones. 7.1.1 Conexión con pasantes La conexión mediante pasantes es del tipo low tech, que emplea materiales de proximidad, como el bambú y la madera, y que mayoritariamente se utiliza en el sureste asiático (Dunkelberg, 1985), en concreto en Indonesia. La conexión fue ejecutada con un bambú de 15 mm como pasante y una placa de madera, la cual se colocó dentro del bambú a través de un agujero en la base de la caña y ajustada con el pasante (fig. 83). Figura 83. Conexión mediante pasantes de madera y bambú. 120 La conexión trabaja a tracción y requiere practicar el corte de “boca de pescado” a una de las cañas para generar la unión. Aunque su coste es bajo, la realización y el montaje resultan complejos porque se necesitan conocimientos técnicos de carpintería y mucha precisión en los huecos, tanto en la placa de madera como en el bambú, para que el pasante sea colocado (fig. 84). 7.1.2 Conexión con amarres Otro tipo de conexión low tech, y de las más usuales en Asia, es el amarre con cuerdas naturales. En esta se empleó cuerda de sisal de 3 mm de grosor y aproximadamente 15 metros de largo para dar las vueltas necesarias a la caña de bambú y que la conexión quedase rígida. En esta ocasión se practicaron huecos laterales en las paredes de las cañas para colocar el pasante y enganchar la cuerda de sisal (fig. 85). Entre los diferentes tipos de amarre existentes, se escogió una técnica que se observó en Malasia, según la cual se empieza por atar la base del bambú enganchando el sisal sobre el pasante y se termina por encima de la unión “boca de pescado”. Figura 84. Vista superior de la unión de la madera y el pasante. Figura 85. Elementos de una conexión con sisal. PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 121 El amarre trabaja por fricción y suele ser una solución de conexión sencilla y económica. Su duración dependerá de si se encuentra en el interior o en el exterior ya que, a cielo descubierto, la cuerda tiende a degradarse y, por consiguiente, la unión pierde rigidez (fig. 86). 7.1.3 Conexión mediante placa de madera La siguiente conexión, materializada mediante placas de madera y pernos, es del tipo medium tech y se utiliza regularmente en la construcción con bambú por su baja dificultad, tanto para efectuarla como para colocarla. En este caso se empleó madera microlaminada de 3 mm de grosor y pernos de métrica 8 (M8). Al igual que las conexiones anteriores, se practicó el corte de “boca de pescado” en las testas del bambú para encajar las dos cañas (fig. 87). La placa de madera se secciona en formato trapezoidal para que coincida con la forma en T de las cañas de bambú. Tanto a las placas como al bambú se les realizan huecos con un taladro para pasar los pernos y unirlos (fig. 88). Figura 86. Conexión mediante amarre. Figura 87. Partes de una conexión medium tech de madera y pernos. 128 7.2. Definición de parámetros para el desarrollo de la conexión Los aspectos más importantes que se consideraron para el prototipo fueron la versatilidad, la adaptabilidad, la reutilización y la resistencia (fig. 99). Versatilidad: el prototipo debe tener la capacidad de poder adaptarse a diferentes clases de estructuras y elementos constructivos como vigas, columnas, pórticos, estructuras triangulares y geodésicas, utilizadas en la construcción permanente y efímera. A fin de lograr las exigencias de compatibilidad requeridas, se desarrolló un sistema de placas metálicas, abrazaderas, pernos y tornillos autorroscantes que se pudieran acoplar, y constituir de esta manera los elementos constructivos descritos anteriormente. Adaptabilidad: el conector ha de ser flexible y poder acomodarse a una variedad de tipos de bambú con cierto rango de diámetros y espesores de paredes. En el estudio de conexiones se observó que esta deficiencia de adaptabilidad se presenta en muchas de ellas, ya que funcionan para una caña en concreto y tienen que personalizarse de una caña a otra, hecho que dificulta la producción, aumenta su coste y el tiempo empleado. Esto implica que se construya menos con este material y que se necesite mano de obra especializada para el montaje de una conexión. Reutilización: uno de los puntos débiles de la mayoría de las conexiones analizadas es que no son reutilizables debido a que sufren alguna deformación al ser montadas y/o desmontadas o porque se embeben en el entrenudo mediante algún aglomerante, como el hormigón, para rigidizarlas, y se pierden completamente. Para el tratamiento del prototipo de conexión se contempló la dualidad de emplear o no algún tipo de aglomerante en función de las solicitaciones mecánicas de la estructura. Se debe tener en cuenta que añadir aglomerante puede impedir la reutilización de la conexión. Resistencia: a la intemperie y a las demandas mecánicas que la estructura solicite. También se consideraron otros aspectos, estudiados previamente, y se aplicaron al prototipo de conexión, como la técnica de montaje, el material que se iba a emplear, la fabricación y la viabilidad económica. PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 129 7.3. Desarrollo conceptual Con estos cuatro aspectos, se inició la fase de conceptualizar y diseñar la conexión, y se dibujaron los primeros bosquejos (fig. 100). La conexión se dibujó a partir de un elemento que se introdujera en el bambú y que fuera capaz de adaptarse a los distintos diámetros y formar diferentes uniones, en concreto el nudo (fig. 101). Figura 99. Características del prototipo de conexión. Figura 100. Esquemas para el diseño del prototipo. 130 El siguiente paso fue realizar un modelo 3D en el programa Sketchup para determinar las dimensiones y visualizar la conexión de manera global junto con su ensamblaje al bambú (fig. 102); también para decidir el material de la conexión, el tipo de tornillos y su fabricación. La conexión consta de una parte vertical que se embebe en el bambú y una horizontal circular para delimitar y tapar la caña; asimismo sirve como referencia de medida para marcar los agujeros por los que pasan los pernos (fig. 103). Figura 101. Bosquejos preliminares de la conexión. Figura 102. Modelado en el programa Sketchup indicando el montaje del conector. 1 2 3 4 PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 131 Este primer prototipo tiene una altura de 200 mm, un ancho en la parte que sobresale del bambú de 50 mm y de 40 mm en la parte que entra. Los huecos para pasar las varillas roscadas son de 10 mm y la parte horizontal a modo de tapa del bambú, de 100 mm, con una ranura para atravesar la placa vertical (fig. 104). 7.4. Primera fabricación La intención de este primer prototipo fue llevarlo a cabo bajo el esquema de prueba-error. Fabricarlo, montarlo, compararlo y analizar los resultados. Las especificaciones técnicas, como dimensiones, grosor, tipo de metal y pernos, se recogieron de los ejemplos prácticos mencionados anteriormente. Para la fabricación inicial se utilizó una placa de calibre de 4,8 mm de acero inoxidable y varillas roscadas de métrica 8 (M8). Este prototipo se manufacturó en dos partes, por un lado, la placa vertical que se embebe en el bambú y, por otro, la parte circular que funciona a modo de tapa. Una vez que se tienen las dos placas, se sueldan para crear un solo elemento (fig. 105). Figura 103. Esquema del primer prototipo en el que se muestra la unión de las dos piezas básicas de la conexión. Figura 104. Dimensiones del primer prototipo. 200 50 100 R5 R5 R5 R5 R5 125 75 50 4 132 Otro de los elementos que se construyó con chapa metálica y como parte del sistema de conexión fue una abrazadera que envuelve el bambú colocado junto con los tornillos de la conexión principal. La abrazadera tiene unas “orejas” que sirven para conectar otra caña de bambú. El metal utilizado fue de calibre 1,5 mm, para tener la flexibilidad de abrirla y cerrarla y que pudiera encajar en el contorno de la caña (fig. 106). Figura 106. Funcionamiento de la abrazadera en el sistema de conexión del primer prototipo. A) Abrazadera y bambú. B) Unión de la abrazadera, prototipo de conexión y del bambú. C) Unión de la abrazadera con otra caña de bambú. Una vez que se dispuso del sistema de conexión, se ajustó a la caña de bambú y se unió con otra más para verificar la viabilidad del montaje y la unión de diferentes cañas (fig. 107). Figura 107. Montaje y unión con otra caña de bambú. Figura 105. Fabricación del primer prototipo. A) Placa metálica que se embebe en el bambú. B) Placa metálica circular que funciona a modo de tapa de la testa del bambú. B) A) A) B) C) PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 133 7.4.1 Deficiencias de la primera propuesta La conexión se adaptó y se ensambló adecuadamente al bambú y la abrazadera funcionó como un elemento de conexión alternativo para unir más bambúes; sin embargo, para poder sujetar la conexión principal al bambú junto con los pernos, se añadieron 6 piezas alternas (remaches) en forma de tubo, tres a cada lado de la conexión, las cuales se colocaron dentro del entrenudo y se ajustaron en el momento de enroscar los pernos al bambú ya que, sin los remaches, los pernos solo traspasaban el bambú y no enroscaban en el conector (fig. 108). Figura 108. Primer sistema de conexión para el bambú. Con el objetivo de no volver a colocar los elementos alternos, se replantearon algunos aspectos técnicos de la conexión. A continuación se muestra un cuadro resumen con las ventajas e inconvenientes del primer prototipo de conexión. Abrazadera Conexión Pernos Elementos alternos Ventajas Inconvenientes El prototipo mantiene la idea principal de consolidar una unión donde se pueda emplear o no aglomerante, lo que le confiere versatilidad según las exigencias mecánicas. La parte de la placa metálica que se introduce en el entrenudo del bambú es muy corta y dificulta que la conexión sobrepase el nudo. El sistema de conexión permite unir más de dos cañas, por lo que se pueden generar distintos elementos estructurales. Los pernos no sujetan la conexión, por lo que se deben colocar unos remaches para no generar movimiento. La conexión admite manipular diferentes ángulos en las cañas, lo que facilita el desarrollo de varios tipos de estructuras. No se consideró técnicamente la distancia de los huecos de la placa por donde pasan las varillas roscadas, hecho que entorpeció la perforación ya que están muy juntos. La abrazadera se ajusta perfectamente a las irregularidades del bambú proporcionando cierto rango de diámetros. La placa horizontal de 4 mm, al no tener solicitaciones mecánicas, se cambió por una de menor dimensión. 134 7.5. Prototipo final A partir del análisis del primer prototipo, se rectificaron las deficiencias y se mantuvieron los elementos que favorecían la conexión (fig. 109). Se recogieron algunos aspectos técnicos de la normativa colombiana NSR10 Título G, Construcciones en Madera y Guadua, y se aplicaron al desarrollo de la conexión, pues es una de las legislaciones más avanzadas referentes al bambú. Figura 109. Desarrollo del prototipo con ajustes técnicos recogidos en la NRS10. Los aspectos técnicos aplicados fueron distancia de huecos, tamaño mínimo de pernos y longitud de la placa para esfuerzos a tracción (tabla 15). Tabla 15. Características técnicas aplicadas en el replanteamiento del prototipo de conexión. El largo de la pletina se modificó a 165 mm para garantizar que sobrepasara uno de los nudos de bambú a fin de obtener mas resistencia a tracción (fig. 110) y se rectificó la separación entre los centros de los pernos con un alcance mínimo de 2,5 veces el tamaño del perno, por lo que resulta una distancia de 25 mm. Pernos Distancia huecos Longitud placa Mínimo de M10 2,5 veces el tamaño del perno 165 mm PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 135 Figura 110. Prototipo de conexión rectificado para mejorar las deficiencias del prototipo anterior. En esta misma línea, se reconsideró reducir la cantidad de acero y el peso de la conexión. Para ello, se modificaron el ancho y el calibre de la placa. El primer prototipo medía en la parte superior 50 mm y en la parte posterior, 40 mm de ancho, con calibre de 4,8 mm. El segundo prototipo se redujo a 40 mm en la parte de arriba y a 30 mm en la de abajo, con un calibre de 3 mm (fig. 111). Figura 111. Dimensiones del prototipo de conexión principal con las modificaciones respecto de la primera versión mostrada en la fig. 104. 7.5.1 Sistema del prototipo Una vez fabricado el conector principal, se abordó la cuestión de las posibilidades arquitectónicas que podían surgir en el momento de diseñar y construir con bambú. Un solo conector limitaba el diseño, por lo que se ideó un sistema de placas y abrazaderas metálicas que facilitaba la creación de proyectos versátiles de estructuras efímeras y/o permanentes. 165 75 125 3 80 50 4030 4020 Ø10 Ø10 Ø10 Ø10 136 El sistema se trazó siguiendo el mismo patrón de diseño del conector principal, el cual se compone de una abrazadera, dos pletinas, una trapezoidal y otra para generar estructuras geodésicas, y una conexión de contacto con el suelo. • Abrazadera La abrazadera de acero inoxidable es de calibre 1,5 mm, la mitad de las demás placas del sistema con el propósito de que tenga flexibilidad y se adapte a la morfología del bambú (fig. 112). La abrazadera se fija con tornillos autorroscantes de métrica 4 (M4) x 16 mm de longitud sin sobrepasar las paredes de la caña. Figura 112. 1. Abrazadera. 2. Unión de abrazadera y conexión principal. • Pletina trapezoidal La pletina trapezoidal es una placa de acero inoxidable de 3 mm de calibre, 40 mm de base menor, 100 mm de alto y 100 mm de base mayor, que funciona para unir más cantidad de bambúes y realizar estructuras triangulares y pórticos. Permite enlazar hasta cuatro cañas con su respectivo conector principal en distintos ángulos (fig. 113). 50 50 Ø100 50 10 20 Ø4 1,5 Planta Alzado Abrazadera 1) 2) Bambú Conexión principal PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 137 Figura 113. 1. Placa trapezoidal. 2. Unión de varias cañas de bambú utilizando la placa y la conexión principal. • Pletina/estructuras geodésicas La pletina se compone de una placa en forma de polígono de seis caras, donde cada una de ellas tiene una placa similar a la del prototipo principal de 40 mm de ancho unida a la del polígono para recibir la conexión. Esta placa fue la única que no se fabricó debido a los tiempos de entrega y a la prioridad de manufacturar las demás partes del sistema (fig. 114). Figura 114. 1. Placa para estructuras tridimensionales. 2. Unión de varias cañas de bambú con la pletina. • Contacto con el suelo Para completar el sistema, se creó una conexión de contacto con el suelo siguiendo el mismo patrón de diseño y fabricación que la conexión principal. 100 100 20 20 20 40 40 Ø10 Ø10 Ø10 40 3 Ø10 Ø10 100 1) 2) 40 40 40 40 40 40 80 Ø10 Ø10 Ø10 Ø10 Ø10 Ø10 Ø10 Ø10 Ø10 Ø10 Ø10 Ø10 1) 2) 144 Se elaboraron tres probetas, dos de ellas con pernos DIN 975 ZINC 8.8 M10 y una con pernos DIN 975 ZINC 5.6 M10. Una de las propiedades físicas que cambia en las probetas de las demás variantes es el peso, ya que aumenta un 300 % cuando son amacizadas con hormigón (tabla 19). Bambú Culmo (mm) Entrenudo (mm) Diámetro (mm) Grosor de pared (mm) Humedad (%) Peso sin hormigón (kg) Peso con hormigón (kg) Gua 9 400 330 120 11,5 11,3 2474 6484 Gua 10 500 370 110 12 12,1 2483 8483 Gua 11 500 330 115 12 12,1 2405 8374 Tabla 19. Características de las probetas de la variante 4. 7.6.3 Resumen de las características físicas de todas las probetas A continuación se muestra en una única tabla las características de todas las probetas utilizadas en el estudio. V Bambú Culmo (mm) Entrenudo (mm) Diámetro (mm) Grosor de pared (mm) Humedad (%) Peso sin hormigón (kg) Peso con hormigón (kg) V1 Gua 1 400 300 100 12 11 2474 N/A Gua 2 400 260 110 14 11,1 2000 N/A Gua 3 400 280 100 11 10,8 2072 N/A V2 Gua 4 400 260 100 12 10,6 2470 N/A Gua 5 500 300 110 14 12,1 2307 N/A Gua 6 300 180 100 11 11,8 2404 N/A V3 Gua 7 500 300 115 11,5 11,3 2406 N/A Gua 8 500 400 110 11 12,1 2305 N/A V4 Gua 9 400 330 120 11,5 11,3 2474 6484 Gua 10 500 370 110 12 12,1 2483 8483 Gua 11 500 330 115 12 12,1 2405 8374 Tabla 20. Características de las probetas utilizadas en las 4 variantes consideradas. PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 145 7.6.4 Procedimiento de los ensayos mecánicos de las conexiones Las 11 probetas con sus cuatro variables se probaron con la máquina universal de ensayos del laboratorio de materiales de la EPSEB ya mencionada en el capítulo 6. En las intentos preliminares se determinó que la conexión directa a las mordazas se resbalaba antes de llegar al momento del fallo de la probeta, motivo que impedía finalizar el ensayo, por lo que se estipuló fabricar una pieza metálica que conectara directamente a la prensa y funcionara como elemento de agarre entre la prensa y la conexión principal (fig. 124). Figura 124. Desarrollo de la pieza de agarre entre las mordazas y la probeta de bambú. La pieza creada, maciza y de acero inoxidable, puede enroscarse de manera directa alaprensa. Se fabricó especialmente para el prototipo, por lo que tiene dos huecos a la misma distancia que la del cabezal de la conexión principal para que este se enganche a ella por medio de dos pasadores del mismo material (fig. 125). Figura 125. Conector entre la prensa y el prototipo. 60 110 30 20 30 80 110 20 40 50 10 80 60 Vista lateral Vista frontal Planta 146 Para las pruebas a tracción, las probetas se colocan en la prensa lo más lineal posible de forma axial, en la dirección de las fibras del bambú (fig. 126). Figura 126. Montaje de la probeta al útil y a la prensa universal. Las pruebas mecánicas de todas las variantes del prototipo se realizaron con este sistema de unión a la prensa. Se aplicó una precarga de 50 kg y una velocidad de desplazamiento de 5 mm/min. 7.6.5 Resultados • Variante 1 Se observó que los tornillos fallaron antes de la rotura del bambú, pues flectaron haciendo que la conexión se despegara de la testa del bambú. El ensayo se detuvo cuando las probetas presentaban una abertura considerable entre la testa y la conexión (fig. 127). Figura 127. Imágenes de las probetas gua 1, gua 2 y gua 3 después del ensayo a tracción. Las probetas arrojaron un resultado y un comportamiento similar a un valor máximo de resistencia a tracción de 10 kN (tabla 20). PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 147 Bambú Culmo (mm) Entrenudo (mm) Diámetro (mm) Resistencia a tracción kN Desplazamiento mm Gua1 400 300 100 10 36 Gua2 400 260 110 9 29 Gua3 400 280 100 9 40 Tabla 21. Resultados de las pruebas a tracción variante 1. En la siguiente gráfica se aprecian los recorridos entre carga y desplazamiento de las tres probetas. La gua 1 y la 3 tienen un recorrido y una caída de carga similar, diferente a los de la gua 2 (fig. 128). La particularidad física que distingue la gua 2 de las otras es la distancia del entrenudo (260 mm). Figura 128. Variante 1. Resultado de las tres probetas ensayadas a tracción. • Variante 2 Las probetas presentaron una mayor resistencia a tracción que la variante 1, poniendo en evidencia que el cambio de tornillos aumenta la fuerza a tracción en un 30 % (fig. 129). Figura 129. Probetas gua 4, gua 5 y gua 6 después del ensayo a tracción. 148 Al acabar el ensayo, se comprobó que el bambú se había fisurado en el sentido de las fibras pero sin llegar a abrir toda la caña (fig. 130). Figura 130. Patologías físicas presentadas tras el ensayo en la probeta gua 4. Sin embargo, el comportamiento de los tornillos fue análogo al de la variante 1, ya que estos también flectaron antes de que se rompiera el bambú y las tres probetas se abrieron entre la testa de bambú y la base de la conexión; esta última tan solo flectó ligeramente (fig. 131). Figura 131. Componentes de la conexión después del ensayo. Las tres probetas mostraron una resistencia a tracción distinta debido a que los entrenudos mantenían distancias diferentes, lo que repercutió en el resultado a tracción. Laresistencia máxima fue de 20 kN (tabla 22). Bambú Culmo (mm) Entrenudo (mm) Diámetro (mm) Resistencia a tracción kN Desplazamiento mm Gua 4 400 260 100 15 29 Gua 5 500 300 110 14 50 Gua 6 300 180 100 20 45 Tabla 22. Valores de resistencia a tracción de las tres probetas de la variante 2. PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 149 En la siguiente gráfica se exponen los recorridos entre carga y desplazamiento de las tres probetas. Se puede comprobar que la gua 4 y la gua 6 empiezan un trayecto parecido dada la disposición de la longitud del entrenudo (fig. 132). Se asume entonces que la distancia del entrenudo influye en la resistencia de las probetas. Figura 132. Comparación de gráficas de las tres probetas de la variante 2. • Variante 3 Se constató que el cambio de posición de los pernos no afectó de forma relevante a los resultados respecto a la variante 2, dado que se utilizó la misma calidad de varilla roscada pero con distinto posicionamiento de los pernos (fig. 133). Figura 133. Ensayo de probetas de la variante 3. Al igual que en los ensayos anteriores, el perno flectó, pero en este caso hubo más rotura en el bambú a causa de la cercanía de los pernos a las testas del bambú (fig. 134). 150 Figura 134. Comportamiento de las probetas tras el ensayo a tracción. Se puede apreciar el perno doblado y la rotura de las testas del bambú. Se produjo una resistencia límite de 15 kN y un desplazamiento máximo de 45 mm (tabla 23). Bambú Culmo (mm) Entrenudo (mm) Diámetro (mm) Resistencia a tracción kN Desplazamiento mm Gua 7 500 300 115 13 32 Gua 8 500 400 110 15 45 Tabla 23. Resultados de las probetas de la variante 3. En la siguiente gráfica se pone de manifiesto la disparidad del desplazamiento y la carga de la gua 7 y la 8; asimismo, es evidente que estas no presentan un recorrido análogo, a diferencia de los ensayos anteriores. Este aspecto se debe al tamaño del entrenudo y a la posición del perno en el nudo. En una de las probetas, el perno queda por encima del nudo provocando que el bambú se rompa más rápidamente y la carga disminuya. En el caso de la gua 8, el perno se situó por debajo del nudo, llevando la carga por encima de la gua 7 (fig. 135). Figura 135. Resultados de los ensayos gua 7 y gua 8. PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 151 • Variante 4 La conexión amacizada presentó una mayor resistencia a tracción y un desplazamiento menor respecto a las demás variantes pero, sin embargo, aumentó un 300 % su peso. Durante el ensayo, el hormigón va saliendo junto con la conexión por la fuerza a tracción ejercida y los pernos van flectando del mismo modo que en las demás variantes (fig. 136). Figura 136. Imágenes durante el ensayo a tracción. Se puede observar que el hormigón sobresale durante el desplazamiento. Se aprecia que el hormigón, debido al desplazamiento del ensayo, fue rompiendo los nudos del bambú y fisurando las paredes de la caña en diferentes puntos en dirección a las fibras y también se pudo comprobar que la gua 10 y la gua 11 sufrieron vacíos sin hormigonar, como consecuencia, posiblemente, de las bolsas de aire o bien por el propio nudo que dificultó que el hormigón fluyera en el interior de la caña (fig. 137). Figura 137. Las probetas presentan fisuras en el bambú. 152 La resistencia máxima a tracción la presentó la gua 11, con 24,7 kN, y con un desplazamiento de 8,7 mm (tabla 24). Bambú Culmo (mm) Entrenudo (mm) Diámetro (mm) Resistencia a tracción kN Desplazamiento mm Gua 9 400 330 120 20,2 8 Gua 10 500 370 110 23,5 9,3 Gua 11 500 330 115 24,7 8,7 Tabla 24. Resultado de los ensayos de la variante 4. Como se puede constatar, todas las probetas tienen un resultado a tracción de más de 20 kN, lo que supone una diferencia notable respecto a las demás variantes. En la gráfica siguiente se da a conocer el desplazamiento de las probetas que, en referencia a las gráficas de las variantes anteriores, fue menor de 10 mm hasta llegar al fallo. La gua 10 y la gua 11 tienen un comportamiento análogo por el vacío que se quedó sin amacizar en la conexión, realizando un salto de carga en el recorrido. La gua 9 presenta una carga y un trayecto constante, ya que el hormigón llega hasta el límite de la conexión, aunque fue la que menos carga resistió (fig. 138). Figura 138. Resultado gráfico de las pruebas a tracción de la variante 4. 7.6.6 Comparativa de todas las conexiones Las cuatro variantes arrojan buenos resultados a tracción cotejándolos con las pruebas de los autores descritos anteriormente, desde los pernos con calidad 5,6 –con un PROTOTIPO DE CONEXIÓN PARA ESTRUCTURAS LIGERAS EN BAMBÚ 153 máximo a tracción de 10 kN–, hasta las conexiones amacizadas con hormigón, con un máximo de 24,7 kN. Las modificaciones aplicadas a la conexión consideradas en las diferentes variantes han dado lugar a variaciones en los resultados del comportamiento mecánico de acuerdo a lo esperado. No obstante, también se percibieron diferencias asociadas a la variabilidad de las propias piezas de bambú, tales como la longitud, el diámetro, la distancia entre nudos (tabla 25). Tabla 25. Características físicas y resultados a tracción de todas las conexiones. Uno de los aspectos que se verifica según los resultados obtenidos es que la distancia del entrenudo afecta a la resistencia a tracción: cuanto más corto es el entrenudo, mayor es la resistencia a tracción y menor el recorrido y viceversa. En la siguiente gráfica se aportan todos los resultados de los ensayos. Se corrobora que las probetas de la variante 4 (con hormigón) ofrecen una mayor resistencia a tracción y presentan un menor desplazamiento (gua 9, 10 y 11). Las conexiones gua 1, 2 y 3, pertenecientes a la variante 1, son las que tienen menos resistencia a tracción, en lo que influye directamente la calidad de los pernos. Las probetas de las variantes 2 y 3, en las que se han utilizado pernos de mayor resistencia, presentan, de promedio, un desplazamiento y una resistencia a tracción similar. No obstante, existe cierta variación en la resistencia a tracción relacionada con la cercanía de los nudos y el tamaño del entrenudo (fig. 139). Teniendo esto en cuenta y dado que la variante 3 muestra más dificultades de montaje, se elige la variante 2 para el prototipo final. VProbeta Variable Tornillos Tornillos Resistencia a tracción KN Desplazamiento mm Distancia entre nudos Tamaño probeta cm Diametro Grosor Peso kg Peso con aglomerante Mortero G1 Juntos 5.6 10 37 300 400 100 12 2.474 N/A N/A G2 Juntos 5.6 930 260 400 110 14 2.000 N/A N/A G3 Juntos 5.6 940 280 400 100 11 2.072 N/A N/A G4 Juntos 8.8 15 36 260 400 100 12 2.470 N/A N/A G5 Juntos 8.8 14 55 300 500 110 14 2.307 N/A N/A G6 Juntos 8.8 19 45 180 300 100 11 2.404 N/A N/A G7 Separado 8.8 13 32 300 500 115 11.5 2.406 N/A N/A G8 Separado 8.8 15 45 400 500 110 11 2.305 N/A N/A G9 Hormigón 5.6 20 8330 400 120 11.5 2.474 6.484 5 G10 Hormigón 8.8 23 9.3 370 500 110 12 2.483 8.483 5.5 G11 Hormigón 8.8 24.7 8.7 330 500 115 12 2.405 8.374 5 V2 V1 V4 V3