Industrialización de la envolvente opaca arquitectónica de forma libre : nueva alternativa de paneles de GRC sin molde

En la presente tesis se desarrolla la viabilidad de la industrialización de la envolvente opaca arquitectónica de forma libre mediante la utilización de paneles de GRC sin molde. Debido a que la automatización, la digitalización y los procesos controlados numéricamente por ordenador están cambiando la forma en la que diseñamos, proyectamos y construimos los edificios, estamos cada vez más cerca de conseguir dar solución a las demandas actuales de las envolventes de formas sinuosas a precios asequibles y de manera universal. Las nuevas tecnologías posibilitan afrontar la fabricación de retos formales como el Guggenheim de Bilbao, el Museo de Graz, o las estaciones del funicular de Innsbruck, con técnicas digitales como las de sustracción, conformado y adición, ya que son métodos fiables que han sido utilizados durante varias décadas por industrias como la automovilística, la naviera y la de aviación. Casos concretos de fachadas de formas complejas han sido solucionados mediante dichas tecnologías. Este trabajo se centra especialmente en la búsqueda de un método que permita crear paneles sin molde, de una forma eficaz y económica. Concretamente, mediante la Impresión 3D de Fabricación de Filamento Fundido (FFF), y la incorporación del GRC (Glass-fiber Reinforced Concrete). Se expone un nuevo sistema constructivo, el cual se evalúa mediante una metodología experimental y de simulación estructural para verificar su posible desarrollo industrial y su incorporación a la industria de la construcción. La tesis se divide en nueve capítulos. En los dos primeros capítulos se recogen la introducción, la hipótesis y los objetivos que se establecen para desarrollar este trabajo de investigación. En el capítulo tres, se exponen primeramente los antecedentes de la construcción de elementos de forma libre en la arquitectura, iniciando en las primeras décadas del siglo XX, hasta llegar a la actualidad. Posteriormente, en el estado de la técnica se desarrollan los programas informáticos, los elementos geométricos que permiten la creación de las formas complejas, así como la forma de optimización utilizada para racionalizar las envolventes arquitectónicas de una manera conveniente para su posterior fabricación. Después, se realiza una explicación detallada de todos los sistemas de fabricación existentes, sobre todo de aquellos que ya están activos industrialmente y que tienen cierta relevancia para ser aplicados dentro del sector de la construcción, como es el caso de los procesos sustractivos, de conformado, aditivos, entre otros. También en el capítulo tres se detalla el Estado de la Investigación, en la cual se hace un análisis pormenorizado de las publicaciones científicas, los centros de investigación, desarrollo e innovación, las tesis doctorales, los libros y las comunicaciones a congresos, así como las páginas web, que permiten apreciar lo que se ha hecho hasta el momento, relacionados con el tema en cuestión. Como último punto de este capítulo, se recopilan las conclusiones del estado de la técnica y de la investigación y, se propone de una manera conceptual, un nuevo sistema de fabricación de paneles de forma libre sin molde mediante la generación de una malla tridimensional impresa por Fabricación de Filamento Fundido, la cual le aporta la forma, para posteriormente ser reforzada por una capa de GRC. Esta nueva propuesta surge del análisis profundo del estado de arte y de la investigación, basada en la necesidad real de dar solución a la creación de paneles de forma libre, con medios al alcance de todos. En el capítulo cuarto, se presentan los materiales y métodos aplicados para dar valor a la hipótesis planteada, los cuales se desglosan en tres partes. La primera es una metodología documental, en la cual se muestra la sistemática con la cual se ha realizado la búsqueda de información para conformar la base documental de este trabajo y, la justificación del porqué se ha buscado dicha documentación. La segunda, desarrolla toda la metodología experimental, en la cual se presenta el trabajo realizado con diversos ensayos y pruebas, así como la forma en que se pretende fabricar un prototipo a escala real, con el cual se busca el acercamiento al método de fabricación del nuevo sistema. En esta misma sección se elabora un ensayo a flexión de un panel tipo, el cual aporta los datos de elasticidad y deformación con pruebas no destructivas, que sirven de base para el análisis mediante simulación. Finalmente, en este capítulo se lleva a cabo una metodología de investigación por simulación, la cual consiste en la exploración mediante modelos tridimensionales realizados en un programa por elementos finitos (FEM) para observar el comportamiento de un modelo similar al panel deformado en laboratorio, dentro de un ámbito digital, realizando unas pruebas a flexión para ver el comportamiento del panel y de sus elementos, especialmente para analizar la participación mecánica de la malla termoplástica. En el capítulo quinto se discuten los resultados de las metodologías aplicadas. En el caso de la documental, se resaltan los puntos más importantes del estado de la técnica y de la investigación. En la metodología experimental se exponen los resultados de las pruebas de laboratorio, así como el conocimiento aportado gracias a dichos experimentos. En cuanto a la metodología de simulación, se presentan los gráficos resultantes después de aplicar los datos de la prueba a flexión en laboratorio en el programa FEM, así como una serie de pruebas alternativas respecto al grosor de la capa del GRC para analizar también la participación de la malla termoplástica. Se explican de una manera detallada los resultados específicos del prototipo a escala real y se realiza una descripción pormenorizada del proceso industrial que debería seguir el nuevo proceso de paneles de forma libre de GRC sin molde, con los pros y contras del momento actual de la investigación. Las conclusiones se especifican en el capítulo sexto, en el cual se exponen las ideas y propuestas finales a las que se ha llegado después de realizar toda la investigación, para finalmente demostrar si es viable o no la industrialización de los paneles de forma libre de GRC sin molde, así como aquellas líneas futuras de investigación que pueden llevarse a cabo a partir de este documento. En el capítulo siete se describen las actividades que se han llevado a cabo durante la realización de la tesis para difundir la presente investigación, que constan de varios artículos publicados en revistas científicas indexadas, así como comunicaciones a congresos Internacionales, una patente y varios proyectos de investigación que están en marcha. En el capítulo ocho se detalla la bibliografía utilizada y en el nueve, la lista de figuras y tablas utilizadas durante todo el documento. En el décimo, se muestran los documentos anexos para aquellos temas en los que he querido incidir y detallar más a fondo sin enturbiar la tesis. ----------ABSTRACT---------- The purpose of this thesis is to research on the viability of industrialising opaque free-form architectural envelopes by using no-mould GRC panels. Because the automation, digitalisation and computer numerically controlled processes are changing the way we design, plan and build buildings, we are getting increasingly closer to solving the current demands for envelopes with sinuous shapes affordably and universally. New technologies make possible tackling approaching the manufacture of formal challenges such as the Guggenheim Museum in Bilbao, the Kunsthaus in Graz, or the funicular stations in Innsbruck, with digital techniques such as subtractive, forming and additive processes. These are reliable methods that have been used for several decades by the automotive, shipbuilding and aviation industries. Specific cases of façades with complex shapes have been solved with such technologies. The present work is particularly focused on finding a method that makes possible the production of no-mould panels effectively and affordably. Specifically, through the Fused Filament Fabrication (FFF) 3D printing process, and the incorporation of GRC (Glass-fiber Reinforced Concrete). It exposes a new construction system, assessed by an experimental methodology and structural simulation analysis in order to verify its possible industrial development and its incorporation to the building sector. The thesis is divided into 9 chapters. The first two chapters include the introduction, hypothesis and objectives initially established to develop this research work. Chapter three breaks down the background of the construction of free-form architectural elements, from the first decades of the 20th century until now. Subsequently, the state of the art expands on computer software, the geometric elements enabling the creation of complex shapes, as well as the optimisation way used to rationalise architectural envelopes conveniently so as to their later manufacturing. Next, all the existing manufacturing systems are explained in detail, especially those already active industrially that are relevant to the construction sector, such as subtractive, forming and additive processes, among others. Chapter three also enlarges upon the theoretical framework, analysing in detail the scientific publications, R&D&I centres, doctoral theses, books and papers, as well as websites, enabling the assessment of everything that has been done up until now regarding the subject in question. The last point of this chapter compiles the conclusions of the state of the art and the theoretical framework and proposes, conceptually, a new system for manufacturing no-mould free-form panels by generating a three-dimensional mesh printed with Fused Filament Fabrication, which gives the shape, and is later reinforced with a layer of GRC. This new proposal issues from a comprehensive analysis of the State of the Art and the theoretical framework, based on the actual need of solving the production of free-form panels by means accessible to all. Chapter four introduces the materials and methods applied to validate the hypothesis formulated, separated in three parts. The first one is a documentary method which shows the systematics used to search the information that makes up the documentary base of this work, as well as the justification for the aforementioned documentation. The second one develops the experimental methodology which presents the work carried out with several essays and tests, as well as how to build a full-size prototype with which to approach the manufacturing method of the new system. This same section develops a bending test for a model panel, which provides the elasticity and deformation data with non-destructive testing on which the simulation analysis is based on. Finally, this chapter carries out a simulation-based research methodology, which consists in exploring by means of three-dimensional models created with a Fine Element Method (FEM) programme in order to observe the performance of a model similar to the panel deformed in the laboratory, within a digital environment, carrying out bending tests to note the performance of the panel and its elements, and particularly to analyse the mechanical contribution of the mesh. Chapter five discusses the results of the applied methodologies. The documentary method highlights the main points of the state of the art and the theoretical framework. The experimental methodology shows the results of the laboratory essays, as well as the knowledge provided thanks to these experiments. The simulation-based methodology presents the graphs resulting from inputting the data of the laboratory’s bending test into the FEM programme, as well as a series of alternative essays regarding the thickness of the GRC layer in order to analyse the contribution of the thermoplastic mesh. The specific results of the full-size prototype are explained in detail, and the industrial process that should follow the new process of nomould free-form GRC panels is described comprehensively, with its pros and cons at the current research date. Chapter six states the conclusions, explaining the ideas and final proposals reached after accomplish the research, to finally prove if industrialising no-mould free-form GRC panels is viable, as well as the prospective lines of research that could unfold based on this document. Chapter seven describes the actions taken during the development of this thesis to spread the current research, including several articles published in indexed scientific journals, as well as papers in International Conferences, a patent and several research projects underway. Chapter eight details the bibliography and chapter nine lists all the figures and tables used in the document. Chapter ten shows the annexed documents for the subjects I wanted to highlight and detail in more depth without blurring the thesis