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JARDÍN BOTÁNICO DE TAIYUAN: CONTROL Y ORDEN DE LA MADERA.

Imagen de portada: Interior en construcción de una de las gridshell. | Fuente: StructureCraft

A finales de este año se completará la obra del nuevo jardín botánico de Taiyuan (China), constituido por tres grandes cúpulas gridshell de madera.

INTRODUCCIÓN.

FOTO 01. Las cúpulas del nuevo jardín botánico de Taiyuan. | Fuente: StructureCraft.

A partir del concepto inicial de Delugan Meissl Associated Architects (DMAA), StructureCraft asumió el proyecto atendiendo el diseño y la construcción. Trabajo con DMAA para plantear un esquema que fuera estructuralmente eficiente y edificable, llevando a cabo el diseño estructural completo y la supervisión de la fabricación, así como de la construcción.

GRIDSHELLS.

Las tres cubiertas de madera son diferentes, varían sus dimensiones desde los 11 m de altura hasta los 30 m, y sus diámetros miden de 43 m a 90 m, siendo la concha de la cúpula mayor la gridshell de madera no triangulada con mayor luz del mundo. Sin embargo, los domos no solo se diferencian entre sí por su tamaño, sino también por el programa; la cúpula de menor tamaño alberga un ambiente acuático, la mediana representa un desierto y la gridshell más grande ofrece un bioma tropical.

FOTO 02. Plano de situación. | Fuente: DMMA. Modificación: Toca Madera·Sounds Wood.

Las tres cúpulas parabólicas están constituidas por vigas laminadas doblemente curvadas, dispuestas en dos o tres capas cruzadas. Estas estructuras, a su vez, están vidriadas con vidrio doblemente curvado, asemejándose a las conchas marinas. Disponen de áreas de ventanas practicables, impulsando el deseo de optimizar las ganancias solares, creando un gradiente en la transparencia de la piel.

FOTO 03. Interior de la cúpula mediana. | Fuente: DMMA.

Para conseguir esta compleja disposición geométrica era necesario hacer que cada uno de los 2.4000 elementos que lo materializan fuese único, por lo que el apoyo en la generación computacional y en las técnicas de fabricación digital fue fundamental para el éxito del proyecto. La geometría general y los detalles de todos los componentes se elaboraron de forma paramétrica en Grasshopper y en Rhino. Para mejorar el rendimiento estructural y las limitaciones de fabricación usaron la optimización Nelder-Mead. 

Las gridshell se construyeron en capas separadas, con la capa principal en la parte superior, en sentido norte-sur, y con la secundaria por debajo, de este a oeste.

Taiyuan Domes – Doubly Curved Glulam from StructureCraft on Vimeo.

La cúpula pequeña incluye sólo dos capas de madera laminada, mientras que los domos mediano y grande añaden una tercera capa. Cada tercer miembro primario tiene una viga adicional debajo del secundario, para crear una capa primaria doble. Debido a que la cubierta mayor es mucho más alta y larga, fue necesario agregar cables diagonales de acero, debajo de la doble capa primaria, para rigidizar la estructura contra el pandeo en el plano de la carcasa.

FOTO 04. Sistema de construcción por capas. | Fuente: StructureCraft. Modificación: Toca Madera·Sounds Wood.

FABRICACIÓN.

Se determinaron grupos de elementos de fabricación en función de su ancho y radio de eje fuerte, para que las laminaciones de la madera se pudieran pegar y presionar en una plantilla de ancho constante, para después fresarlas con la forma parabólica final de la madera laminada curva. Además de fresar los perfiles de las vigas y las conexiones de los extremos, se pretaladró cada orificio de tornillo, se hizo muescas en las vigas para alinearlas cómodamente en su intersección y se marcó los extremos superiores norte o este de cada elemento para ayudar a orientarlos durante el montaje del panel.

Los paneles prefabricados se diseñaron para abarcar todos los elementos curvos con el fin de crear una sección de panel relativamente rígida limitada por los elementos dobles. La secuencia de construcción se basó en contemplar un arco completo de paneles prefabricados, mientras se instalaban rellenos durante la inspección de los paneles.

FOTO 05. Construcción. | Fuente: StructureCraft.

CONEXIONES.

El transporte de todos los elementos que constituyen las diferentes gridshells no admitía longitudes superiores a los 12m, por lo que fue necesario realizar conexiones de empalme en cada una de estas estructuras. Cada conexión necesitaba soportar cargas axiales de tensión y compresión, así como momentos en el eje fuerte y en el débil, por lo cual estos empalmes se realizaron en las zonas de menor momento, lejos de los cruces de capas. 

Las cúpulas se apoyan en cimientos de vigas anulares de hormigón y cada pieza de madera laminada se cruza con la viga anular. Estas vigas de hormigón fueron diseñadas para sujetar la madera laminada a través de una placa interna de acero. Así mismo, en la parte inferior de los apoyos, las piezas metálicas se cortaron con un ángulo de doble bisel para alinearse con el anillo de hormigón. Se dejó un espacio entre las conexiones de acero y las placas de acero incrustadas en la viga anular, que se utilizó para absorber la tolerancia de construcción durante la instalación del panel. Una vez que las piezas de madera laminada estaban conectadas y verificadas, se colocó lechada de alta resistencia, por debajo de las conexiones de acero, para posteriormente soldar las placas sueltas alrededor de la base para unirlas a las placas incrustadas.

FOTO 06. Conexión madera, metal y hormigón. | Fuente: StructureCraft.

El análisis estructural principal de este proyecto se realizó con Karamba y RFEM. El modelo de análisis estructural requería rigideces de resorte detalladas para cada tipo de conexión, incluida la rigidez rotacional de las conexiones de base, la rigidez a la torsión entre vigas de madera laminada que se cruzan y la rigidez de flexión del eje fuerte y débil de cada empalme de media solapa.  Estos valores se calcularon inicialmente en base a las fórmulas del Eurocódigo 5, y los valores de rigidez se confirmaron posteriormente mediante pruebas físicas. Las dos cúpulas más pequeñas no utilizan ningún arrostramiento diagonal en el plano.

Se desarrolló un algoritmo de agrupamiento para los distintos ángulos de intersección de la madera laminada, en rangos de ángulos para minimizar el número de fundiciones únicas requeridas. Se crearon cinco piezas fundidas diferentes. En una combinación única de utilidad y estética, la varilla central de fundición funciona como mecanismo de pretensado para toda la red de cables: al apretar cada una de las varillas roscadas, se induce tensión en toda la red de cables alargando cada cable. Las piezas fundidas centrales están conectadas a la madera laminada con cuatro patas que se enroscan en los orificios roscados del cuerpo de la fundición.  Todo el conjunto se monta en la estructura de madera laminada mediante tornillos completamente roscados en una placa base en cada pata.  Los ensambles están hechos de acero inoxidable cepillado y fabricados en China.

FOTO 07. Varilla central de fundición. | Fuente: StructureCraft.

VIDEO DEL PROCESO

Taiyuan Domes: 14-layer stacked Glulam Lattice and 3 x Gridshell Domes from StructureCraft on Vimeo.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

Epp, L., Sullivan, B. (2019). Long-span Timber Gridshells- The Taiyuan Domes. 25 Internationales Holzbau-Forum /HF 2019, 321-334.

https://structurecraft.com/projects/taiyuan-domes

https://www.dmaa.at/work/taiyuan-botanical-garden


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Irene Jimeno - Toca Madera

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