La madera diseñada , también llamada madera en masa , madera compuesta , madera artificial o tablero manufacturado , incluye una gama de productos derivados de la madera que se fabrican uniendo o fijando hebras, partículas, fibras o enchapados o tableros de madera, junto con adhesivos , u otros métodos de fijación [1] para formar material compuesto . Los paneles varían en tamaño, pero pueden variar más de 64 por 8 pies (19,5 por 2,4 m) y, en el caso de la madera contralaminada (CLT), pueden tener cualquier espesor, desde unas pocas pulgadas hasta 16 pulgadas (410 mm) o más. . [2] Estos productos están diseñados según especificaciones de diseño precisas, que se prueban para cumplir con los estándares nacionales o internacionales y proporcionar uniformidad y previsibilidad en su desempeño estructural. Los productos de madera de ingeniería se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde la construcción de viviendas hasta edificios comerciales y productos industriales. [3] Los productos se pueden utilizar para vigas y vigas que reemplazan al acero en muchos proyectos de construcción. [4] El término madera en masa describe un grupo de materiales de construcción que pueden sustituir a los conjuntos de hormigón. [5]
Por lo general, los productos de madera de ingeniería se fabrican a partir de las mismas maderas duras y blandas que se utilizan para fabricar la madera . Los restos de aserradero y otros desechos de madera se pueden utilizar para la madera de ingeniería compuesta de partículas o fibras de madera, pero generalmente se utilizan troncos enteros para enchapados, como madera contrachapada , tableros de fibra de densidad media (MDF) o tableros de partículas . Algunos productos de madera diseñados, como los tableros de fibra orientada (OSB), pueden utilizar árboles de la familia de los álamos, una especie común pero no estructural.
Alternativamente, también es posible fabricar bambú diseñado similar a partir de bambú; y productos celulósicos similares elaborados a partir de otros materiales que contienen lignina , como paja de centeno , paja de trigo , paja de arroz , tallos de cáñamo , tallos de kenaf o residuos de caña de azúcar , en cuyo caso no contienen madera propiamente dicha sino fibras vegetales .
Los muebles planos suelen estar hechos de madera artificial debido a sus bajos costes de fabricación y su bajo peso.
Existe una amplia variedad de productos de madera de ingeniería para aplicaciones estructurales y no estructurales. Esta lista no es exhaustiva y tiene como objetivo ayudar a categorizar y distinguir entre diferentes tipos de madera de ingeniería.
Los paneles estructurales de madera son una colección de productos de paneles planos, que se utilizan ampliamente en la construcción de edificios para revestimientos, terrazas, ebanistería, carpintería y muebles. Los ejemplos incluyen madera contrachapada y tableros de fibra orientada (OSB). Los paneles no estructurales a base de madera son productos de panel plano que se utilizan en muebles y aplicaciones de construcción no estructurales. Los paneles no estructurales suelen estar cubiertos con pintura, chapa de madera o papel de resina en su forma final. Los ejemplos incluyen tableros de fibra y tableros de partículas . [6]
La madera contrachapada , un panel estructural de madera, a veces se denomina producto de madera original. [7] La madera contrachapada se fabrica a partir de láminas de chapa contralaminada y se une bajo calor y presión con adhesivos duraderos y resistentes a la humedad. Al alternar la dirección de la veta de las chapas de capa a capa, o "orientación cruzada", se maximiza la resistencia y rigidez del panel en ambas direcciones. Otros paneles estructurales de madera incluyen tableros de fibra orientada y paneles estructurales compuestos. [8]
El tablero de fibra orientada (OSB) es un panel estructural de madera fabricado a partir de hebras de madera de forma rectangular que se orientan longitudinalmente y luego se organizan en capas, se colocan en forma de esteras y se unen con adhesivos curados con calor resistentes a la humedad. Las capas individuales pueden tener orientación transversal para proporcionar resistencia y rigidez al panel. Al igual que la madera contrachapada, la mayoría de los paneles OSB se entregan con más resistencia en una dirección. Las hebras de madera en la capa más externa a cada lado del tablero normalmente están alineadas en la dirección más fuerte del tablero. Las flechas en el producto a menudo identificarán la dirección más fuerte del tablero (la altura o la dimensión más larga, en la mayoría de los casos). Producido en enormes tapetes continuos, OSB es un producto de panel sólido de calidad constante, sin solapamientos, espacios ni huecos. [9] OSB se entrega en varias dimensiones, fortalezas y niveles de resistencia al agua.
OSB y madera contrachapada se utilizan a menudo indistintamente en la construcción de edificios.
Los tableros de fibra de densidad media (MDF) y los tableros de fibra de alta densidad ( tableros duros o HDF) se fabrican descomponiendo residuos de madera dura o blanda en fibras de madera, combinándolos con cera y un aglutinante de resina, y formando paneles aplicando alta temperatura y presión. [10] El MDF se utiliza en aplicaciones no estructurales.
Los tableros de partículas se fabrican a partir de astillas de madera, virutas de aserradero o incluso serrín , y una resina sintética u otro aglutinante adecuado, que se prensa y extruye. [11] Una investigación publicada en 2017 demostró que se pueden producir tableros de partículas duraderos a partir de productos de desecho agrícola, como la cáscara de arroz o la cáscara de maíz de Guinea. [12] Los tableros de partículas son más baratos, más densos y más uniformes que la madera y el contrachapado convencionales y se sustituyen por ellos cuando el costo es más importante que la resistencia y la apariencia. Una desventaja importante del tablero de partículas es que es muy propenso a expandirse y decolorarse debido a la humedad, particularmente cuando no está cubierto con pintura u otro sellador. Los tableros de partículas se utilizan en aplicaciones no estructurales.
La madera compuesta estructural (SCL) es una clase de materiales fabricados con capas de chapas, hebras o escamas unidas con adhesivos. A diferencia de los paneles estructurales de madera, los productos de madera compuesta estructural generalmente tienen todas las fibras de la veta orientadas en la misma dirección. La familia SCL de productos de madera de ingeniería se usa comúnmente en las mismas aplicaciones estructurales que la madera aserrada convencional, incluidas vigas, cabeceras, vigas, tableros de borde, montantes y columnas. [13] Los productos SCL tienen mayor estabilidad dimensional y mayor resistencia en comparación con los productos de madera convencionales.
La madera laminada enchapada (LVL) se produce uniendo finas chapas de madera en una pieza grande, similar a la madera contrachapada. La veta de todas las chapas del tocho LVL es paralela a la dirección longitudinal (a diferencia del contrachapado). El producto resultante presenta propiedades mecánicas mejoradas y estabilidad dimensional que ofrecen una gama más amplia de ancho, profundidad y longitud del producto que la madera convencional.
La madera de hebras paralelas (PSL) consiste en largas hebras de chapa colocadas en formación paralela y unidas con un adhesivo para formar la sección estructural terminada. La relación longitud-espesor de los torones en PSL es de aproximadamente 300. Es un material fuerte y consistente, tiene una alta capacidad de carga y es resistente a las tensiones de secado, por lo que es muy adecuado para su uso como vigas y columnas para postes y vigas. construcción y para vigas, cabeceras y dinteles para construcción de marcos livianos. [13]
La madera de hebras laminadas (LSL) y la madera de hebras orientadas (OSL) se fabrican a partir de hebras de madera en escamas que tienen una alta relación longitud-espesor. Combinados con un adhesivo, los hilos se orientan y se les da forma de una gran estera o tocho y se prensan. LSL y OSL ofrecen buena resistencia a la sujeción de sujetadores y rendimiento del conector mecánico y se usan comúnmente en una variedad de aplicaciones, como vigas, cabeceras, montantes, tableros de borde y componentes de carpintería . El LSL se fabrica a partir de hebras relativamente cortas, normalmente de aproximadamente 1 pie (0,30 m) de largo, en comparación con las hebras de 2 a 8 pies de largo (0,61 a 2,44 m) que se utilizan en PSL. [14] La relación longitud-grosor de las hebras es aproximadamente 150 para LSL y 75 para OSL. [13]
Las vigas en I son miembros estructurales en forma de " I " diseñados para usarse en la construcción de pisos y techos. Una viga en I consta de alas superiores e inferiores de varios anchos unidas con almas de varias profundidades. Las alas resisten esfuerzos de flexión comunes y el alma proporciona rendimiento de corte . [15] Las vigas en I están diseñadas para transportar cargas pesadas a lo largo de largas distancias y utilizan menos madera que una viga de madera maciza dimensional del tamaño necesario para realizar la misma tarea. En 2005, aproximadamente la mitad de todos los pisos con estructura de madera clara se enmarcaban con vigas en I. [ cita necesaria ]
La madera en masa, también conocida como madera de ingeniería, es una clase de componentes estructurales de madera de gran tamaño para la construcción de edificios. Los componentes de madera en masa están hechos de madera o chapas unidas con adhesivos o sujetadores mecánicos. Ciertos tipos de madera en masa, como la madera laminada con clavos y la madera laminada encolada, existen desde hace más de cien años. [16] La madera en masa disfrutó de una popularidad cada vez mayor entre 2012 y 2022, debido a la creciente preocupación por la sostenibilidad de los materiales de construcción y el interés en la prefabricación, la construcción fuera del sitio y la modularización, para las cuales la madera en masa es muy adecuada. Los distintos tipos de madera en masa comparten la ventaja de tiempos de construcción más rápidos, ya que los componentes se fabrican fuera del sitio y se preacaban con dimensiones exactas para una fijación sencilla en el sitio. [17] Se ha demostrado que la madera en masa tiene propiedades estructurales competitivas con el acero y el hormigón, lo que abre la posibilidad de construir edificios grandes y altos con madera. Numerosas pruebas han demostrado las propiedades naturales de resistencia al fuego de la madera en masa, principalmente debido a la creación de una capa carbonizada alrededor de una columna o viga que evita que el fuego alcance las capas internas de la madera. [2] En reconocimiento del comportamiento estructural y contra incendios demostrado de la madera en masa, el Código Internacional de Construcción, un código modelo que forma la base de muchos códigos de construcción de América del Norte, adoptó nuevas disposiciones en el ciclo de códigos de 2021 que permiten el uso de madera en masa. en construcción en altura de hasta 18 pisos. [18] [19]
La madera contralaminada (CLT) es un panel multicapa versátil hecho de madera. Cada capa de tablas se coloca perpendicular a las capas adyacentes para aumentar la rigidez y resistencia. [20] Es relativamente nuevo y está ganando popularidad dentro de la industria de la construcción, ya que puede usarse para luces largas y todos los ensamblajes, por ejemplo, pisos, paredes o techos. [20] [21]
La madera laminada encolada (glulam) se compone de varias capas de madera dimensional pegadas con adhesivos resistentes a la humedad, creando un miembro estructural grande y fuerte que puede usarse como columnas verticales o vigas horizontales. La madera laminada también se puede producir en formas curvas, lo que ofrece una amplia flexibilidad de diseño. [21]
La madera laminada con pasadores (DLT) es un tipo de producto de madera en masa menos conocido. Se fabrica colocando varias tablas de madera blanda una al lado de otra, cada una con un orificio para que se pueda colocar por fricción una clavija de madera dura a través de todas ellas. A medida que la clavija de madera dura se seca para alcanzar un contenido de humedad de equilibrio con la madera blanda, se expande hacia las tablas circundantes creando una conexión. El uso de una conexión de clavija elimina la necesidad de sujetadores o adhesivos metálicos. [21]
La madera laminada con clavos (NLT) es un producto de madera en masa que consta de tablas paralelas sujetas con clavos. [22] Se puede utilizar para crear pisos, techos, paredes y huecos de ascensores dentro de un edificio. [21] Es uno de los tipos más antiguos de madera en masa, y se utilizó en la construcción de almacenes durante la Revolución Industrial . Al igual que DLT, no se utilizan adhesivos químicos y las fibras de madera están orientadas en la misma dirección.
Los pisos de madera de ingeniería son un tipo de producto para pisos, similar a los pisos de madera, hechos de capas de madera o compuestos a base de madera laminadas entre sí. Las tablas del piso generalmente se fresan con un perfil machihembrado en los bordes para lograr una unión uniforme entre las tablas.
La laminilla es la capa frontal de la madera que queda visible durante la instalación. Normalmente se trata de una pieza de madera aserrada. La madera se puede cortar en tres estilos diferentes: aserrado plano, aserrado en cuartos y aserrado en ranura.
En los últimos años se han introducido nuevas técnicas en el campo de la madera reconstituida. [ ¿ cuando? ] La madera natural se transforma en laboratorios mediante diversos tratamientos químicos y físicos para lograr propiedades mecánicas, ópticas, térmicas y de conducción adaptadas, influyendo en la estructura de la madera.
La madera densificada se puede fabricar utilizando una prensa mecánica en caliente para comprimir las fibras de madera, a veces en combinación con una modificación química de la madera. Se ha demostrado que estos procesos aumentan la densidad en un factor de tres. [23] Se espera que este aumento en la densidad mejore la resistencia y rigidez de la madera en una cantidad proporcional. [24] Los estudios publicados en 2018 [25] combinaron procesos químicos con métodos tradicionales de prensa mecánica en caliente. Estos procesos químicos descomponen la lignina y la hemicelulosa que se encuentran naturalmente en la madera. Tras la disolución, las hebras de celulosa que quedan se comprimen mecánicamente en caliente. En comparación con el aumento de tres veces en la resistencia observado solo con el prensado en caliente, se ha demostrado que la madera procesada químicamente produce una mejora de 11 veces. Esta fuerza adicional proviene de los enlaces de hidrógeno formados entre las nanofibras de celulosa alineadas.
La madera densificada poseía propiedades de resistencia mecánica a la par del acero utilizado en la construcción de edificios, lo que abrió la puerta a aplicaciones de madera densificada en situaciones en las que la madera de resistencia normal fallaría. Desde el punto de vista medioambiental, la madera requiere significativamente menos dióxido de carbono para su producción que el acero. [26]
La eliminación de la lignina de la madera tiene otras aplicaciones, además de proporcionar ventajas estructurales. La deslignificación altera las propiedades y funciones mecánicas, térmicas, ópticas, fluídicas e iónicas de la madera natural y es un enfoque eficaz para regular sus propiedades térmicas, ya que elimina el componente de lignina térmicamente conductor, al tiempo que genera una gran cantidad de nanoporos en las paredes celulares. que ayudan a reducir el cambio de temperatura. La madera deslignificada refleja la mayor parte de la luz incidente y aparece de color blanco. [27] [28] La madera blanca (también conocida como nanomadera ) tiene una alta neblina de reflexión, así como una alta emisividad en las longitudes de onda infrarrojas . Estas dos características generan un efecto de enfriamiento radiativo pasivo , con un poder de enfriamiento promedio de53 W⋅m −2 durante un período de 24 horas, [28] lo que significa que esta madera no "absorbe" calor y por lo tanto sólo emite el calor incrustado en ella. [29] Además, la madera blanca no solo posee una conductividad térmica más baja que la madera natural, sino que también tiene un mejor rendimiento térmico que la mayoría de los materiales aislantes disponibles comercialmente . [27] La modificación de la estructura mesoporosa de la madera es responsable de los cambios en el rendimiento de la madera. [27] [30]
La madera blanca también puede someterse a un proceso de compresión, similar al proceso mencionado para la madera densificada, que aumenta sus prestaciones mecánicas respecto a la madera natural (8,7 veces mayor en resistencia a la tracción y 10 veces mayor en tenacidad). [28] Las ventajas térmicas y estructurales de la nanomadera la convierten en un material atractivo para la construcción de edificios energéticamente eficientes. [30] Sin embargo, los cambios realizados en las propiedades estructurales de la madera, como el aumento de la porosidad estructural y las nanofibrillas de celulosa parcialmente aisladas , dañan la robustez mecánica del material. Para abordar este problema, se han propuesto varias estrategias, una de las cuales es densificar aún más la estructura y otra utilizar enlaces cruzados . Otras sugerencias incluyen hibridar madera natural con otras partículas orgánicas y polímeros para mejorar su rendimiento de aislamiento térmico . [27]
Utilizando técnicas de modificación química similares a las de la madera densificada químicamente, la madera puede volverse extremadamente moldeable mediante una combinación de deslignificación y tratamiento de choque con agua. Se trata de una tecnología emergente y aún no se utiliza en procesos industriales. Sin embargo, las pruebas iniciales muestran ventajas prometedoras en cuanto a propiedades mecánicas mejoradas, y la madera moldeada muestra una resistencia comparable a la de algunas aleaciones metálicas. [31]
Los composites de madera transparentes son materiales nuevos, actualmente [ ¿cuándo? ] fabricado únicamente a escala de laboratorio, que combina transparencia y rigidez mediante un proceso químico que reemplaza los compuestos absorbentes de luz, como la lignina , por un polímero transparente. [32]
Las nuevas construcciones tienen una gran demanda debido al crecimiento de la población mundial. Sin embargo, los principales materiales utilizados en la nueva construcción son actualmente el acero y el hormigón . La fabricación de estos materiales genera emisiones comparativamente altas de dióxido de carbono (CO 2 ) a la atmósfera. La madera diseñada tiene el potencial de reducir las emisiones de carbono si reemplaza al acero y/o al hormigón en la construcción de edificios. [33] [34]
En 2014, la producción de acero y cemento representó alrededor de 1.320 megatoneladas (Mt) de CO 2 y 1.740 Mt de CO 2 respectivamente, lo que representó alrededor del 9 % de las emisiones mundiales de CO 2 ese año. [35] En un estudio que no tuvo en cuenta el potencial de secuestro de carbono de la madera genéticamente modificada, se encontró que aproximadamente 50 Mt CO 2 e (equivalente de dióxido de carbono [a] ) podrían eliminarse para 2050 con la adopción total de un híbrido. Sistema de construcción que utiliza madera y acero. [37] Al considerar los efectos adicionales que el secuestro de carbono puede tener durante la vida útil del material, la reducción de emisiones de la madera diseñada es aún más sustancial, ya que la madera laminada que no se incinera al final de su ciclo de vida absorbe alrededor de 582 kg de CO. 2 /m 3 , mientras que el hormigón armado emite 458 kg CO 2 /m 3 y el acero 12.087 kg CO 2 /m 3 . [38]
No existe un consenso sólido para medir el potencial de secuestro de carbono de la madera. En la evaluación del ciclo de vida, el carbono secuestrado a veces se denomina carbono biogénico. ISO 21930, una norma que rige la evaluación del ciclo de vida, requiere que el carbono biogénico de un producto de madera solo pueda incluirse como un insumo negativo (es decir, secuestro de carbono) cuando el producto de madera se originó en un bosque gestionado de forma sostenible. Esto generalmente significa que la madera debe tener la certificación FSC o SFI para calificar como secuestrante de carbono. [39]
Los productos de madera diseñada se utilizan de diversas formas, [40] a menudo en aplicaciones similares a los productos de madera maciza :
Todos los productos de madera en masa ofrecen diferentes tipos de ventajas, y se pueden observar en las siguientes:
Es posible que se prefieran los productos de madera reconstituida a la madera maciza en algunas aplicaciones debido a ciertas ventajas comparativas:
Todos los productos de madera en masa tienen diferentes desventajas, que se pueden observar en las siguientes:
En comparación con la madera maciza, existen las siguientes desventajas:
La madera contrachapada y OSB suelen tener una densidad de 560 a 640 kg/m 3 (35 a 40 lb/pie cúbico). Por ejemplo, el revestimiento de madera contrachapada o el revestimiento OSB de 9,5 mm ( 3 ⁄ 8 pulgadas) suele tener una densidad superficial de 4,9 a 5,9 kg/m 2 (1 a 1,2 lb/pie cuadrado). [47] Muchas otras maderas diseñadas tienen densidades mucho más altas que las OSB.
Los tipos de adhesivos utilizados en madera de ingeniería incluyen: [48] [49]
Un término más inclusivo es el de compuestos estructurales . Por ejemplo, el revestimiento de fibrocemento está hecho de cemento y fibra de madera, mientras que el tablero de cemento es un panel de cemento de baja densidad, a menudo con resina añadida, revestido con una malla de fibra de vidrio .
Si bien el formaldehído es un ingrediente esencial del metabolismo celular en los mamíferos , los estudios han relacionado la inhalación prolongada de gases de formaldehído con el cáncer. Se ha descubierto que los compuestos de madera diseñados emiten cantidades potencialmente dañinas de gas formaldehído de dos maneras: formaldehído libre sin reaccionar y la descomposición química de adhesivos de resina. Cuando se agregan cantidades excesivas de formaldehído a un proceso, el excedente no tendrá ningún aditivo al que adherirse y puede filtrarse del producto de madera con el tiempo. Los adhesivos baratos de urea-formaldehído (UF) son en gran medida responsables de las emisiones de resina degradadas. La humedad degrada las moléculas débiles de UF, lo que genera emisiones de formaldehído potencialmente dañinas. McLube ofrece agentes desmoldantes y selladores de platina diseñados para aquellos fabricantes que utilizan adhesivos de melamina-formaldehído y UF con formaldehído reducido. Muchos fabricantes de OSB y madera contrachapada utilizan fenol-formaldehído (PF) porque el fenol es un aditivo mucho más eficaz. El fenol forma una unión resistente al agua con el formaldehído que no se degrada en ambientes húmedos. No se ha descubierto que las resinas PF representen riesgos significativos para la salud debido a las emisiones de formaldehído. Si bien el PF es un adhesivo excelente, la industria de la madera diseñada ha comenzado a cambiar hacia aglutinantes de poliuretano como el pMDI para lograr una resistencia al agua, solidez y eficiencia del proceso aún mayores. Los pMDI también se utilizan ampliamente en la producción de espumas rígidas de poliuretano y aislantes para refrigeración. Los pMDI superan a otros adhesivos de resina, pero son notoriamente difíciles de liberar y causan acumulación en las superficies de las herramientas. [50]
Algunos productos de madera de ingeniería, como DLT, NLT y algunas marcas de CLT, se pueden ensamblar sin el uso de adhesivos mediante sujetadores mecánicos o carpintería. Estos pueden variar desde tableros perfilados con juntas entrelazadas, [51] [52] fijaciones metálicas patentadas, clavos o tacos de madera. [53]
A lo largo de los años en que se utilizó madera en masa en los edificios, el Código Internacional de Construcción (IBC) agregó y adoptó códigos para crear estándares para su uso y manejo adecuados. Por ejemplo, en 2015, CLT se incorporó al IBC. [33] El IBC de 2021 es la última edición de códigos de construcción y ha agregado tres nuevos códigos relacionados con la construcción con material de madera. Los nuevos tres tipos de construcción son los siguientes, IV-A, IV-B y IV-C, y permiten el uso de madera en masa en edificios de hasta 18, 12 y nueve pisos respectivamente. [54]
Las siguientes normas están relacionadas con productos de madera de ingeniería:
Los rascacielos son rascacielos que están hechos parcialmente o enteramente de madera. En todo el mundo, se han construido muchos rascacielos diferentes, incluido el edificio Ascent MKE y el edificio Stadthaus . [55]
El edificio Ascent MKE se construyó en 2022 en Milwaukee , Wisconsin, y es el edificio de gran altura más alto que utiliza diferentes componentes de madera en masa en combinación con algo de acero y hormigón. Este rascador mide 87 metros de altura y 25 pisos. [56]
El edificio Stadthaus es un edificio residencial construido en 2009 en Hackney, Londres . Tiene 9 pisos alcanzando los 30 metros de altura. Utiliza paneles CLT como muros de carga y 'losas' de suelo. [57]
El puente Mistissini construido en Quebec , Canadá, en 2014 es un puente de 160 metros de largo que cuenta con vigas laminadas y paneles CLT. El puente fue diseñado para cruzar el paso de Uupaachikus. [58]
El puente peatonal del río Placer construido en Alaska , Estados Unidos, en 2013. Tiene una extensión de 85 metros (280 pies) de largo y está ubicado en el Bosque Nacional Chugach . Este puente presenta madera laminada tal como se utilizó para crear las cerchas. [58]
El estacionamiento Glenwood CLT en Springfield, Oregon , será un garaje de 19,100 metros cuadrados (206,000 pies cuadrados) que contará con CLT. Tendrá 4 pisos de altura y capacidad para 360 espacios de estacionamiento. Sin embargo, el estacionamiento está en construcción en diciembre de 2022 [actualizar]y aún no se conoce el año de finalización. [59]
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