En el proyecto Universal Timber Slab se están desarrollando innovadores métodos de diseño computacional y procesos de fabricación robotizados para desarrollar y construir un sistema de construcción de forjados de madera que ahorre recursos. La estructura de los forjados, hecha a medida y de alto rendimiento, está apoyada en puntos y ofrece a arquitectos e ingenieros plena libertad de diseño, como sólo se conoce en los forjados convencionales de hormigón armado. El nuevo sistema es especialmente interesante para edificios en el centro de las ciudades, ya que los forjados no sólo pueden ajustarse a cualquier forma del solar, sino que también pueden construirse un 30% más delgadas que los forjados de madera alternativas.
Wagner explica los inicios del proyecto:
“El proyecto tiene sus raíces en el Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture de la Universidad de Stuttgart, donde empezamos a investigar nuevas estructuras de edificios de madera de varias plantas en 2019. Con antecedentes en diseño computacional y fabricación robótica, nuestro principal interés era cuestionar las reglas preconcebidas y predominantes de las estructuras de madera adecuadas que están altamente restringidas por diseños de cuadrícula regular y elementos de base rectilínea.
En el transcurso de estas investigaciones, dimos con un sistema de construcción precursor: la losa hueca IntCDC. Consigue una mayor flexibilidad en el diseño utilizando un flujo de trabajo de diseño a producción totalmente digital. Se trata de una losa plana hueca multiaxial apoyada en un punto que puede utilizarse para casi cualquier geometría de losa. Hemos desarrollado estrategias de fabricación robotizada para ensamblar este sistema a partir de productos de madera de ingeniería estándar, como madera laminada encolada, CLT y LVL, y actualmente estamos en las últimas fases de diseño de un primer edificio de demostración en el que se exhibirán estas losas.
En el transcurso de estas investigaciones, me sentí cada vez más frustrado por las ramificaciones de utilizar EWP estándar, especialmente elementos planos y rectangulares, como material de base para este sistema de losas de gran flexibilidad geométrica.
Por ello, empecé a estudiar ideas de sistemas de forjados que parten de tableros de madera laminada encolada como producto previo. Esto permite un nivel de control mucho mayor en la disposición de las fibras dentro de los segmentos de losa, pero también posibilita procesos de fabricación en los que se construyen formas personalizadas sin incurrir en grandes cantidades de recortes. Finalmente, esto me llevó al método de segmentación del núcleo y al concepto de fabricación de Universal Timber Slab”.
En este proyecto, se investigará un nuevo sistema de construcción de forjados planos y ligeros de madera apoyadas en puntos, de aplicación universal, para edificios de varias plantas. El objetivo del proyecto es crear los métodos fundamentales de diseño computacional, ingeniería y fabricación para transferir la investigación de vanguardia de un contexto académico a una amplia aplicación dentro de la industria AEC (Architecture, Engineering, and Construction).
El sistema desarrollado sentará las bases de un sistema de forjados de madera maciza que puede sustituir ampliamente a los forjados planos de hormigón armado de apoyo puntual predominantes. El concepto central del sistema permite la construcción de forjados de geometría no restringida, lo que lo hace especialmente adecuado para proyectos de construcción en un contexto urbano. El sistema de construcción se diseñará para forjados multidireccionales de grandes luces y permite una adaptabilidad geométrica derivada de cálculos a las condiciones de contorno típicas, como el emplazamiento, el programa y la intención del diseño. La posibilidad de posiciones y retículas de columnas libres y dispersas permite una mayor flexibilidad de diseño y la creación de edificios urbanos de uso mixto con un importante potencial de reutilización a largo plazo.
Dada la complejidad de la composición del material y los tiempos de cálculo potencialmente largos, también se investigarán el uso de métodos de modelización. Estos métodos permiten calcular rápidamente varias opciones de diseño. Un sistema de IA integrará todos los modelos alternativos y proporcionará información sobre el diseño del Universal Timber Slab en todas las fases de diseño. Esto ofrecerá una interfaz de planificación intuitiva para los profesionales del sector, eliminando la necesidad de conocimientos expertos y haciéndolo más accesible y práctico para un uso más amplio, superando el ámbito científico.
Hasta ahora, los forjados de madera con apoyo puntual se fabricaban con productos de madera cuyas fibras estaban siempre alineadas. «Sin embargo, el flujo de fuerza en un forjado de techo apoyado en un punto se curva desde todas las direcciones hacia la columna», explica Wagner. Este desajuste debilita enormemente los forjados actuales.
Para conseguir la estabilidad necesaria, los forjados de techo de madera apoyados en puntos han requerido tradicionalmente grandes alturas de construcción. Esto suele conllevar costes elevados y un uso considerable de material. Los forjados de techo de madera apoyados en puntos convencionales sólo son rentables cuando los componentes son rectángulos regulares, ya que así se minimiza el desperdicio de material, siendo los únicos económicamente viables. Sin embargo, los centros urbanos requieren a menudo geometrías complejas, como plantas poligonales irregulares. En estos casos, se prefieren los forjados de hormigón armado porque pueden moldearse con cualquier forma a un coste menor.
Wagner ha diseñado un nuevo proceso informático de planificación y producción digital, que utiliza madera laminada horizontalmente. Durante el apilamiento, las láminas de madera se doblan de modo que las fibras de madera ya no permanecen rectas. Ahora siguen de cerca los flujos de fuerza en el techo soportado por puntos.
En un Universal Timber Slab cada panel es diferente, ya que las tablas siguen los flujos de fuerza. En un edificio, puede haber decenas de paneles diferentes. Pero todas las plantas pueden ser iguales. Es una complejidad que se puede manejar. “Incluso en estructuras «estándar» [o cartesianas], en las que todos los paneles tienen la misma forma general, seguirían teniendo ID específicos y lugares específicos” durante el montaje en función de mecanizaciones para pasos de instalaciones, etc. “Lo mismo ocurre con el Universal Timber Slab, sólo que los paneles también tienen una geometría diferente”, afirma Wagner.
El proceso de fabricación de los paneles (o segmentos) consiste en un laminado con adhesivo de los paneles y un posterior paso de fresado. “El innovador proceso permite recortes mínimos, menos del 10% (independientemente de la forma que tenga los forjados del edificio) y es solo ligeramente más laborioso que la fabricación estándar de CLT o madera laminada encolada”, dice Wagner.
Actualmente se está investigando cómo se unirán los paneles entre sí.
Las columnas pueden ser de cualquier material como madera y acero.
En comparación con los forjados de madera convencionales de apoyo puntual, el diseño más esbelto ahorra entre 30 y 70 cm de altura de construcción por planta. Partiendo de un sistema de pilar y viga de, por ejemplo, 8 m de luz en ambas direcciones, así lo indican las simulaciones actuales del rendimiento. Como resultado, la superficie de fachada del edificio se reduce hasta un 20% manteniendo la misma altura de las estancias.
En cuanto a grosores del forjado Universal Timber Slab, “existe un máximo alcanzable con tableros de madera maciza. No obstante, podrían sustituirse por tableros EWP de 3 capas o LVL, en los que la profundidad del forjado es teóricamente «ilimitada»”, dice Wagner.
Para concretar el número y posición de los apoyos puntuales de un UNIVERSAL TIMBER SLAB, utilizarán el Dual de Voronoy (triangulación de Delaunay) como base para la segmentación posterior. “Esto hace que todo el método sea altamente generalizable a diferentes formas de forjado”, dice Wagner.
Pero, en la vida real, sucede que algunos de esos apoyos puntuales no pueden estar en sitios arbitrarios según cómo se diseñe el espacio para usos mixtos o residenciales. Ahí ayuda mucho la IA. Primero se establecen los puntos y, luego, se hallan los paneles. “La idea del Universal Timber Slab es que la posición de los pilares y las estructuras verticales debe seguir los requisitos de diseño, y no los requisitos de, por ejemplo, las limitaciones de transporte”, dice Wagner.
Uno de los problemas principales con que se enfrentarán los investigadores es “la disposición de las fibras en cada panel es diferente, de ahí que el diseño adecuado de las simulaciones resulte bastante complejo”, dice Wagner.
Como especie de madera, utilizarán el abeto, con algunos detalles especiales realizados en contrachapado de haya.
En el proyecto se explorarán diferentes variaciones del sistema y sus potenciales en la construcción de edificios. Haciendo una evaluación comparativa de las variaciones del sistema y orientación de los desarrollos detallados. Por tanto, “estamos investigando paneles macizos, huecas, nervadas y otras opciones. Francamente, en la actualidad nos centramos en el panel maciza, pero en el futuro podríamos investigar otras opciones”, dice Wagner.
En esencia, se desarrollará un novedoso EWP, “no es ni madera laminada encolada ni madera contralaminada, sino algo intermedio, y un sistema de construcción de madera novedoso (para estructuras de madera de varias plantas)”, dice Wagner.
En el mercado, actualmente, hay otras tecnologías como el conector Spider de Rothoblaas y el sistema TS3 de Timbatec. Pero Wagner afirma: “nos estamos comparando con ellos y tenemos razones para suponer que nuestro rendimiento será mayor. Sin embargo, actualmente se supone que la ventaja real frente a estos sistemas es una mayor envergadura y unas conexiones menos complejas (es decir, sin encolado in situ).”
En cuanto a la comercialización de la tecnología del Universal Timber Slab, Wagner considera que “suponemos que la tecnología sólo puede comercializarse a través de una empresa spin-off. También hay interés en la concesión de licencias, pero dado que los métodos de fabricación, así como los flujos de trabajo de diseño e ingeniería se ven afectados, esto parece un poco inviable por el momento. Probablemente, la spin-off colaboraría con todas las entidades implicadas, incluidos los fabricantes de vigas laminadas.” Tienen previsto poner en marcha una start-up antes de que finalice el proyecto para que el método alcance la madurez comercial.
Por último, Wagner anuncia que “estamos muy interesados en ponernos en contacto con arquitectos, ingenieros, contratistas y fabricantes de EWP que estén interesados en esta tecnología. En principio, para recibir información valiosa del sector, pero también, por supuesto, para colaborar a largo plazo en la construcción con el Universal Timber Slab. “