Hybrid performance-based wood panels for a smart construction

Abstract

A madeira lamelada-cruzada (cross-laminated timber, CLT), tendência moderna em termos de construção em madeira, demonstra elevado potencial para sistemas maciços de construção de madeira. O conceito dos painéis CLT (camadas ortogonais) reduz significativamente a anisotropia dos painéis, garante maior estabilidade física e permite ligações mais fáceis e eficientes entre os elementos e destes com outros componentes da construção, tornando esses painéis uma solução versátil para suportar cargas fora/ e no plano dos mesmos. Este sistema possui vantagens significativas em relação à construção das tradicionais estruturas leves de madeira, abrindo um campo completamente novo para o uso da madeira na construção. Por outro lado, como se trata de um sistema maciço de madeira, é necessário um volume significativo de matéria-prima para produzir os painéis, aspeto que é apontado como uma das principais barreiras para a implementação do CLT de uma forma mais abrangente, porventura devido aos custos associados.

Neste contexto, o objetivo da presente tese consistiu no desenvolvimento de uma solução de painel alternativa, ou pelo menos complementar, baseada em CLT, mas utilizando menos quantidade de madeira, combinando desempenho mecânico com melhor isolamento térmico e peso reduzido. A solução desenvolvida, denominada madeira isolada cruzada (cross-insulated timber, CIT), consiste em substituir a camada interna de um painel CLT de cinco camadas por uma à base de material de isolamento (espuma rígida de poliuretano), tendo, por isso, algumas semelhanças com o conceito de painel de madeira estrutural isolado (SIP).

Os principais aspetos focados nesta tese, tendo em vista o desenvolvimento do painel incluem: (i) a definição da estrutura do painel e dos possíveis materiais para a sua constituição; (ii) a caracterização dos materiais selecionados para o desenvolvimento do painel, incluindo as camadas adesivas; (iii) a caracterização mecânica dos painéis; (iv) a otimização funcional e económica dos painéis; (v) a avaliação do impacte ambiental dos painéis; (vi) a caracterização acústica dos painéis; e (vii) o desenvolvimento de sistemas de conexão para os painéis.

No primeiro aspeto, foi definida uma estrutura composta por um núcleo em espuma rígida de poliuretano entre dois pares de camadas cruzadas em madeira de Pinho bravo. Em alternativa, para as faces exteriores dos painéis, foi também considerada a Acácia Austrália.

No segundo aspeto, os resultados de caracterização dos materiais permitiram verificar o comportamento complexo da espuma de poliuretano, tendo-se observado um comportamento não-linear e rotura dúctil em compressão e um comportamento linear e rotura frágil em tração. Da adesão entre materiais, concluiu-se que as adoção de pressões de aperto mais elevadas conduzem a uma melhor adesão dos mesmos e, dos ensaios de envelhecimento, concluiu-se que ao invés de uma redução da resistência, particularmente no poliuretano, houve um aumento da mesma devido à pós-reticulação do material.

No terceiro aspeto, foi possível verificar que o modo de rotura dominante nos ensaios de flexão foi o corte do núcleo. Os modelos analíticos identificados na revisão do estado-da-arte descreveram bem o comportamento inicial observado (linear) e, para descrever a fase não-linear observada, os modelos numéricos desenvolvidos demonstraram um bom nível de precisão.

No quarto aspeto, concluiu-se que a exigência de um desempenho térmico mínimo (envolvente exterior do edifício) torna a solução de painel desenvolvido na tese mais competitiva face aos painéis CLT.

No quinto aspeto, através de uma análise de ciclo-de-vida, concluiu-se que a produção de poliuretano e a assemblagem do painel constituem os processos de produção com maior impacte ambiental; dos cenários de fim-de-vida considerados, a opção de incineração com recuperação de energia revelou ser a que implica menores impactes. Da comparação com sistemas de CLT, concluiu-se que o painel desenvolvido implica, de uma forma geral, maiores impactes.

No sexto aspeto, verificou-se, o menor isolamento dos painéis de CIT face aos de CLT de igual espessura, devido à menor massa. Os modelos analíticos identificados no estado-da-arte para painéis sanduiche não se revelaram adequados para avaliação do isolamento a sons aéreos dos painéis, pelo que o modelo de Sharp para elementos isotrópicos e homogéneos com uma adaptação revelou uma melhor descrição dos mesmos; para descrição do isolamento a sons de percussão, a lei do invariante revelou-se eficaz.

No sétimo aspeto foram desenvolvidas várias ligações, sendo que uma delas foi testada experimentalmente, e cuja resistência se enquadrou dentro do previsto pelos modelos analíticos identificados no estado-da-arte.

Globalmente, o estudo realizado nesta tese mostrou que os painéis desenvolvidos têm potencial para complementar os atuais sistemas em CLT, nomeadamente no que diz respeito ao aos elementos da envolvente exterior.

Cross-Laminated Timber (CLT), a modern trend in timber construction, shows high potential for massive timber construction systems. Compared to traditional systems, the CLT panels’ layout (crosswise layers) significantly reduces the anisotropy of the panels, guarantees higher physical stability and allows for easier and more efficient connections between elements and other building components, making these panels a versatile solution to bear both out-of-plane and in-plane loads. This system has also significant advantages with respect to traditional wood light-frame construction, opening a completely new field for the use of timber in construction. On the other hand, as this is a massive wood system, a significant volume of wood raw material is required to produce the panels and this is pointed out as one of the main barriers for CLT implementation, perhaps due to the associated costs.

In this context, the objective of the present thesis consisted of the development of an alternative, or at least complementary, CLT based panel solution but using less amount of wood, combining mechanical performance with improved thermal insulation and reduced weight. Such solution, named cross insulated timber (CIT), consists of replacing the inner layer of a five-layer CLT panel by an alternative one made of insulation material (polyurethane rigid foam), and thus having some similarities with the structural insulated timber panel (SIP) concept.

The main aspects that are focused on this thesis for the panel development, include: (i) the definition of the panel layout and potential materials for its constitution; (ii) the characterization of the selected materials for the panel development, including the adhesive layers; (iii) the mechanical characterization of the panels; (iv) the functional and economic optimization of the panels; (v) the evaluation of the environmental impact of the panels; (vi) the acoustic characterization of the panels; (vii) the development of connection systems for the panels.

In the first aspect, a structure consisting of a polyurethane core between two pairs of Maritime pine crossed layers was defined. As an alternative to this, for the exterior faces of the panels, Acacia Australia was considered.

In the second aspect, the results of material characterization tests allowed to verify the complex behaviour of the polyurethane foam, which presents non-linear behaviour and ductile failure in compression, and linear behaviour and brittle failure in tension. From the adhesion between materials, it was concluded that the adoption of higher bonding pressures leads to better adhesion of the same ones and, from the ageing tests, it was concluded that instead of a reduction in strength, particularly in polyurethane, there was a strength increase due to additional cross-linking due to post-curing.

In the third aspect, it was possible to verify that the dominant failure mode in the bending tests was core shearing. The analytical models identified in the state-of-the-art review described well the observed initial behaviour (linear) and, to describe the observed nonlinear phase, the numerical models developed demonstrated a good level of precision.

In the fourth aspect, it was concluded that the requirement of a minimum thermal performance (in the case of the exterior envelope of the building) makes the panel solution more competitive against CLT panels.

In the fifth aspect, through a life-cycle analysis, it was concluded that the production of polyurethane and the assembly of the panel constitute the production processes with the greatest environmental impact; among the considered end-of-life scenarios, the option of incineration with energy recovery proved to be the one with the least impacts. From the comparison with CLT systems, it was concluded that the developed panel presented, in general, greater impacts.

In the sixth aspect, less insulation of the CIT panels compared to the CLT panels of equal thickness was registered, due to the lower mass. The analytical models identified in the state-of-the-art for sandwich panels did not prove to be suitable for assessing the airborne sound insulation of the panels, so the Sharp model for isotropic and homogeneous elements with an adaptation provided more accurate predictions; for describing the insulation to impact sounds, the invariant law proved to be effective.

In the seventh aspect, several connections were developed, one of which was experimentally tested, and whose resistance fit within the predictions provided by the analytical models identified in the state-of-the-art.

Overall, the study conducted in this thesis showed that the developed panels have the potential to complement the current CLT systems, namely concerning the elements of the external envelope.