Geometría, estructura y nudo en la constitución de superficies de entramados espaciales con fibras de bambú

Resumen

La construcción de las arquitecturas contemporáneas se está caracterizando desde el comienzo de siglo XXI por la utilización de diseños definidos mediante superficies rígidas de geometrías complejas y formas libres. Esta Tesis Doctoral se plantea como Hipótesis el demostrar que tales superficies son susceptibles de resolverse mediante tejidos constituidos con fibras naturales de bambú (en esta tesis doctoral se considera fibra a la parte mínima del bambú obtenida a partir del corte para la configuración de entramados) obteniendo una solución constructiva con elevado nivel de resistencia, gran capacidad definición formal, cuya configuración como láminas estructurales ligeras se puedan resolver mediante elementos constructivos auto portantes, producidos con fibras de corte característico, patrones geométricos de tejido y condiciones del nudo de entrelazado. Y cuya capacidad de ensamblado permita la conformación de formas estructurales continuas mediante teselación geométrica. La utilización de materiales vegetales naturales como las fibras de bambú, que se define en este estudio como la parte mínima del bambú obtenida a partir del corte de la caña para conformar un entrelazado, en la construcción otorgan gran versatilidad de uso. Las características mecánicas de las superficies entramadas continuas y geometrías complejas rígidas obtenidas a partir de las fibras dependerán de las particularidades de la especie de bambú, el corte empleado y el patrón de entrelazado. Para la confirmación de la Hipótesis se estableció como objetivo identificar morfogenéticamente la relación entre especies de bambú, tipos de corte de bambú vinculados a patrones de entramado planos, definición de nudos de entramado y su capacidad de configurarse como superficies características continuas de geometrías de formas libres. Esta tesis plantea el estudio analítico de una de las más antiguas técnicas de unión de bambú como son los entramados. Tejidos que por fricción forman estructuras rígidas y ligeras. Son superficies armadas a partir de fibras obtenidas de los cortes del bambú con las que se obtienen diferentes resultados en función de la especie y la selección de los cortes. Se aborda el estudio de los tejidos con fibras de bambú, sus patrones geométricos de entrelazado y las geometrías admisibles para la constitución de superficies tejidas. El estudio analítico del entrelazado y de la geometría que da origen al tejido permiten conocer la posibilidad de realizar superficies de doble curvatura. Por otro lado, los cortes del bambú se relacionan directamente con el grado de flexibilidad de las fibras y la resistencia mecánica para realizar los entrelazados. En este estudio analítico se interpreta la relación entre la geometría de una superficie, el patrón geométrico de entrelazado y las características biomecánicas del corte de las fibras de bambú para establecer los criterios de estabilización de superficies de doble curvatura en función de la distancia de nudos de entrelazado de fibras, la densidad de fibras en el tejido y los tipos de corte del material definidos por su radio de curvatura mínimo admisible. La metodología de trabajo de esta investigación fue clave para llegar al objetivo de este estudio analítico. La metodología empleada se basa en un triedro que se define por tres aspectos como son la geometría, la estructura y la forma, que condicionan la capacidad de originar superficies. Puntos de análisis vinculados a los cortes en fibras del bambú, a su anatomía, a la disposición de las fibras para configurar un tejido y a los nudos de entramado. Se buscó relacionar y contrastar la información y los datos obtenidos mas significativos de cada uno de las partes que interfieren en la constitución de entramados espaciales con fibras de bambú estudiados en los diferentes capítulos. Se estudiaron las correspondencias entre datos dos a dos hasta obtener interrelaciones de hasta cuatro datos para llegar al objetivo planteado. Por último, se realizó un estudio de casos analizando del comportamiento mecánico mediante el programa Simscale que discretiza el volumen por el algoritmo OpenFoam, el cual al trabajar con uniones o intersecciones de líneas considera los nudos rígidos y fusiona el material en una única superficie. Suponiendo una estructura de fibras tejidas en equilibrio con nudos comprimidos que alcanzan la rigidez en esos puntos del entramado al conseguirse el equilibrio del conjunto de la estructura, se consideró que el nudo rígido representa la máxima fricción en el nudo de entramado. Se establece de esta forma la cualidad del problema que se plantea en esta investigación donde se identificó el valor de los aspectos relevantes para determinar la metodología que se puede, por lo tanto, extrapolar a cualquier otra familia. Una vez realizado el estudio de los aspectos que definen los criterios de configuración de una geometría compleja para la definición con un entramado de bambú se puede concluir que la selección del género y especie de bambú para el trabajo con tiras puede comenzarse a partir de la selección del tipo de rizoma (Paquimorfo o Leptomorfo) el cual otorga mayor o menor facilidad de corte en fibras. A continuación la información sobre el módulo de elasticidad, la distancia entre nudos de la caña y la longitud de fibras de la planta son factores que influyen en la respuesta mecánica de la tira de bambú y del entramado y a su vez influyen en la curvatura admisible de la fibra obtenida. La combinación de un mayor módulo de elasticidad, de entre nudos mas juntos en la planta y de poca longitud de fibras en la anatomía de la planta puede disminuir la flexibilidad de los cortes obtenidos, por lo tanto, disminuir la curvatura admisible. Por otro lado, se concluye que para constituir geometrías de doble curvatura sinclásticas los cortes de caña de 1/4 de caña, 1/8 de caña (cortes con menos momento de inercia Ix) facilitan el trabajo del tejido porque admiten mayor curvatura y son fibras con una mayor flexibilidad. A su vez, la disposición de la cara externa del bambú hacia fuera de la curvatura dio como respuesta un radio de curvatura menor que al colocarlo al revés, como consecuencia de su configuración anatómica. La construcción de superficies anticásticas, en especial las regladas, son factibles de ser configuradas con todos los cortes siendo el patrón de entramado el aspecto que influirá en la condición del corte. Se puede decir, según muestran los resultados del análisis de comportamiento estructural, que el ángulo en que se dispone el tejido en relación al borde de la superficie influye en los esfuerzos que presentan las fibras y en la rigidez del conjunto. Se concluye que existe una relación entre la distancia que presenta el patrón de entramado entre los puntos de cruce de fibras (nudos de entramado) y la curvatura admisible de la fibra de bambú (que depende de la anatomía del bambú y del corte), ya que se produce una curvatura para el paso de la trama sobre la urdimbre del entramado. Se complejiza si la distancia entre nudos se reduce y la superposición de fibras en el nudo es mayor que dos, con lo cual estos factores determinan el grado de curvatura necesaria y en consecuencia el tipo de corte que lo admita, así como la selección del género y especie por su anatomía. Por último, frente al supuesto de necesitar aumentar la cantidad de volumen de material de una geometría tejida con patrón hexagonal, entre la posibilidad de realizar una disminución de escala en el patrón geométrico del tejido (aumentando el número de fibras y el número de nudos de entramado) o la posibilidad de realizar una superposición de patrones de entramado, los resultados indican que la reducción de escala del entramado disminuye las deformaciones y los esfuerzos de las fibras, a pesar de que al superponer dos patrones geométricos de entramado aumenten las capas de fibras en un mismo nudo de entramado. Finalmente, se considera que la conformabilidad de los entramados espaciales con fibras de bambú y la complejidad de sus superficies geométricas son susceptibles de utilizarse en diferentes ámbitos de la construcción. Las características que engloban este tipo de construcciones se desglosan y se analizan en esta investigación identificando los aspectos que, aunque pertenecen a mundos muy diferentes, confluyen en un solo objeto arquitectónico. ----------ABSTRACT---------- The construction of contemporary architectures has been characterised since the beginning of the 21st century by the use of designs defined by rigid surfaces of complex geometries and free forms. This Doctoral Thesis is proposed as a Hypothesis to demonstrate that such surfaces are susceptible of being resolved by means of fabrics constituted with natural bamboo fibers, obtaining a constructive solution with a high level of resistance, great capacity for formal definition, whose configuration as light structural sheets can be resolved by means of self-supporting constructive elements, produced with fibers of characteristic cut, geometric patterns of fabric and conditions of the interlacing knot. And whose assembly capacity allows the conformation of continuous structural forms by means of geometric tessellation The use of natural plant materials such as bamboo fibers, which we define in this study as the minimum part of bamboo obtained from the cutting of the cane to form an interlace, in construction provide great versatility of use. The mechanical characteristics of the continuous lattice surfaces and the rigid complex geometries obtained from the fibers will depend on the particularities of the bamboo species, the cut used and the pattern of interlacing. In order to confirm the hypothesis, the objective was established to morphogenetically identify the relationship between bamboo species, types of bamboo cutting linked to flat lattice patterns, definition of lattice knots and their capacity to configure themselves as characteristic continuous surfaces of free form geometries. This thesis proposes the analytical study of one of the oldest bamboo joining techniques such as lattices. Fabrics that by friction form rigid and light structures. They are surfaces assembled from fibers obtained from the bamboo cuts with which different results are obtained depending on the species and the selection of the cuts. The study of fabrics with bamboo fibers, their geometric patterns of interlacing and the geometries admissible for the constitution of woven surfaces is approached. The analytical study of the interlacing and of the geometry that gives rise to the fabric allow us to know the possibility of making surfaces with double curvature. On the other hand, the cuts of bamboo are directly related to the degree of flexibility of the fibres and the mechanical resistance to make the interlacing. This analytical study interprets the relationship between the geometry of a surface, the geometric pattern of interlacing and the biomechanical characteristics of the cut of bamboo fibers in order to establish the stabilisation criteria of surfaces with double curvature in function of the distance of interlacing knots of fibres, the density of fibers in the weave and the types of cut of the material defined by its minimum admissible radius of curvature. The working methodology of this research was key to reaching the objective of this analytical study. The methodology used is based on a trihedron defined by three aspects such as geometry, structure and shape, which condition the ability to originate surfaces. Points of analysis linked to the cuts in bamboo fibers, to its anatomy, to the disposition of the fibers to configure a weave, and to the knots in the framework. The aim was to relate and contrast the most significant information and data obtained from each of the parts that interfere in the constitution of spatial frameworks with bamboo fibers studied in the different chapters. The correspondences between two to two data were studied until obtaining interrelations of up to four data to reach the proposed objective. Finally, a case study was made analyzing the mechanical behavior by means of the Simscale program that discretizes the volume by the OpenFoam algorithm, which when working with unions or intersections of lines considers the rigid knots and fuses the material in a single surface. Assuming a structure of woven fibers in equilibrium with compressed knots that reach the rigidity in those points of the frame when the equilibrium of the whole structure is achieved, it was considered that the rigid knot represents the maximum friction in the frame knot. In this way, the quality of the problem posed in this research is established, where the value of the relevant aspects was identified in order to determine the methodology that can therefore be extrapolated to any other family. Once the study of the aspects that define the criteria of configuration of a complex geometry for the definition with a bamboo lattice can be concluded that the selection of the genus and species of bamboo for the work with strips can be started from the selection of the type of rhizome (Paquimorphic or Leptomorphic) which grants more or less facility of cut in fibers. Then the information about the modulus of elasticity, the distance between knots of the cane and the length of fibers of the plant are factors that influence the mechanical response of the bamboo strip and the latticework and in turn influence the admissible curvature of the obtained fiber. The combination of a higher modulus of elasticity, of knots closer together in the plant, and of a short length of fibers in the anatomy of the plant can decrease the flexibility of the cuts obtained, thus decreasing the admissible curvature. On the other hand, it is concluded that to constitute geometries of double synclastic curvature the cuts of 1/4 of cane, 1/8 of cane (cuts with less moment of inertia Ix) facilitate the work of the weave because they admit greater curvature and are fibers with a greater flexibility. At the same time, the arrangement of the external face of the bamboo towards the outside of the curvature gave as an answer a smaller radius of curvature than when placing it upside down, as a consequence of its anatomical configuration. The construction of anticlastics surfaces, especially the ruled ones, are feasible to be configured with all the cuts being the pattern of framework the aspect that will influence the condition of the cut. It can be said, as shown by the results of the structural behaviour analysis, that the angle at which the weave is placed in relation to the edge of the surface influences the stresses presented by the fibres and the rigidity of the whole. It is concluded that there is a relationship between the distance of the weft pattern between the crossing points of the fibers (weft knots) and the permissible curvature of the bamboo fiber (which depends on the anatomy of the bamboo and the cut), as there is a curvature for the passage of the weft over the warp of the weft. It becomes more complex if the distance between knots is reduced and the overlap of fibers in the knot is greater than two, so these factors determine the degree of curvature required and consequently the type of cut that admits it, as well as the selection of the genus and species by its anatomy. Finally, compared to the assumption of needing to increase the volume of material of a woven geometry with a hexagonal pattern, between the possibility of scaling down the geometric pattern of the weave (increasing the number of fibers and the number of weaving knots) or the possibility of overlapping weaving patterns, the results indicate that scaling down the weave reduces the deformations and stresses of the fibers, despite the fact that overlapping two geometric weaving patterns increases the layers of fibres in the same weaving knot. Finally, it is considered that the conformability of the spatial frameworks with bamboo fibers and the complexity of their geometric surfaces can be used in different areas of construction. The characteristics that encompass this type of construction are broken down and analysed in this research, identifying the aspects that, although they belong to very different worlds, converge in a single architectural object.