La madera contralaminada como alternativa en sistemas de baja energía estructural

Abstract

[EN] Most of the structures used in building are built with reinforced concrete and structural steel. The massive use of these materials is a waste of energy. Given that most of the load carried in residential buildings is due to its own weight, the opportunity arises for other lighter materials, also complying with current regulatory specifications, have a lower energy demand for incorporation to work. The laminated wood is a great alternative to conventional structural systems.

The first part of the thesis deals with the development of a model of finite element to simulate the orthotropic two-dimensional structural behavior of cross-laminated timber with later contrast to laboratory tests to bending and compression models by a calculation for a system of linear elastic response.

With the model validated above calculation, we have performed a structural analysis on these three structural systems to comply with the structural requirements of the Eurocodes. Subsequently the demand for primary energy and CO2 emissions are quantified, either in the construction phase and the period of use of the building. The chapters are studied structure and building envelope. Have been used as displays two types of housing representing the current case mix in residential building. For the period of energy use is simulated sample. The result shows greater energy efficiency in laminated wood with primary energy savings of up to 35% and CO2 emissions by about 97%.

To the results obtained in structural efficiency, the imminent question arises about the possibility of building the entire housing stock in laminated wood. To resolve this issue in a rigorous way, the last part of the thesis presents a mathematical model to enables the analysis of a simulation of the sustainability of the use of timber as a major structural component in construction.

Thus, using a unique model, which could be adapted to the particular characteristics of any country, the viability of a sustainable use of woodland can be verified, with extraction rates below 100%, in order to supply an industry, which accounts for a high percentage of the carbon dioxide emissions released into the atmosphere. In the specific case of Spain, the demographic forecasts for the next 40 years were used as the basis on which to establish the operational period of the model.

[ES] La mayor parte de las estructuras utilizadas en edificación se construyen con hormigón armado y acero estructural. El empleo masivo de estos materiales supone un derroche de energía. Teniendo en cuenta que la mayor parte de la carga soportada en los edificios de viviendas es debida a su peso propio, surge la oportunidad para otros materiales más ligeros que, igualmente cumpliendo con las especificaciones normativas actuales, tienen una menor demanda de energía para su incorporación a la obra. La madera contralaminada es una gran opción frente a los sistemas estructurales convencionales.

La primera parte de la tesis doctoral versa sobre el desarrollo de un modelo de cálculo por elementos finitos que simule el comportamiento estructural ortotrópico y bidimensional de las losas de madera contralaminada, con su posterior contraste con ensayos de laboratorio a flexión simple y compresión, mediante un cálculo para un sistema de respuesta lineal elástico.

Con el modelo de cálculo anterior validado, se ha realizado un cálculo estructural en los tres sistemas estructurales mencionados, hasta el cumplimiento de los requi-sitos estructurales exigidos por los Eurocódigos. Posteriormente se ha cuantificado la demanda de energía primaria y emisiones de CO2, sea en la fase de construcción como en la fase de utilización del edificio. Los capítulos estudiados son estructura y cerramientos del edificio. Se han utilizado como muestra dos tipologías de vivienda que representan la actual casuística en materia de edificación residencial. Para el periodo de utilización se han simulado energéticamente las muestras. El resultado demuestra una mayor eficiencia energética en la madera contralaminada.

Ante los resultados obtenidos en materia de eficiencia estructural, surge la inminente pregunta sobre la posibilidad de construir el completo parque inmobiliario en madera contralaminada. Para resolver esta cuestión de un modo riguroso la última parte de la tesis doctoral presenta un modelo matemático que permite el análisis simulado de la sostenibilidad en la producción de madera talada para su uso como elemento estructural masivo en edificación.

De este modo, mediante un modelo único adaptable en determinados aspectos a cualquier nación, se puede obtener la viabilidad de una explotación sostenible de los bosques, con tasas de extracción inferiores al 100%, para dar servicio a todo un sector edificación, que representa un elevado porcentaje de las emisiones de CO2 a la atmósfera. Para el caso concreto de España, se han utilizado las previsiones demográficas de los próximos cuarenta años como periodo del modelo. Los resulta-dos demuestran en el caso de España una mayoría de escenarios sostenibles en el periodo de ensayo.

[CA] La major part de les estructures utilitzades en edificació es construïxen amb formigó armat i acer estructural. L'ocupació massiva d'estos materials suposa un malbaratament d'energia. Tenint en compte que la major part de la càrrega suportada en els edificis de vivendes és deguda al seu pes propi, sorgix l'oportunitat per a altres materials més lleugers que, igualment complint amb la normativa actual, tenen una menor demanda d'energia per a la seua incorporació a l'obra. La fusta contralaminada és una gran opció enfront dels sistemes estructurals convencionals.

La primera part de la tesi doctoral versa sobre el desenrotllament d'un model de càl-cul per elements finits que simule el comportament estructural ortotrópic i bidimensional de les lloses de fusta contralaminada amb el seu posterior contrast amb assajos de laboratori a flexió simple y compressió, per mitjà d'un càlcul per a un sistema de resposta lineal elàstic.

Amb el model de càlcul anterior validat, s'ha realitzat un càlcul estructural en els tres sistemes estructurals mencionats, fins al compliment dels requisits estructurals exigits pels Eurocodis. Posteriorment es quantifica la demanda d'energia primària i emissions de CO2, siga en la fase de construcció com en el període d'utilització de l'edifici. Els capítols estudiats són estructura i tancaments de l'edifici. S'han utilitzat com a mostra dos tipologies de vivenda que representen l'actual casuística en matèria d'edificació residencial. Per al període d'utilització s'ha simulat energèticament la mostra. El resultat demostra una major eficiència energètica en la fusta contralaminada.

Davant dels resultats obtinguts en matèria d'eficiència estructural, sorgix la imminent pregunta sobre la possibilitat de construir el complet parc immobiliari en fusta contralaminada. Per a resoldre esta qüestió d'una manera rigorosa, l'última part de la tesi presenta un model matemàtic que permet l'anàlisi simulat de la sostenibilitat en la producció de fusta talada per al seu ús com a element estructural massiu en edificació.

D'esta manera, per mitjà d'un model únic adaptable en determinats aspectes a qualsevol nació, es pot obtindre la viabilitat d'una explotació sostenible dels boscos, amb taxes d'extracció inferiors al 100%, per a donar servici a un sector que representa un elevat percentatge de les emissions de CO2 a l'atmosfera. Per al cas concret d'Espanya, s'han utilitzat les previsions demogràfiques dels pròxims quaranta anys com a període del model. Els resultats demostren en el cas d'Espanya una majoria d'escenaris sostenibles en el període d'assaig.