Introducción

Los bambúes (bambusoieae) son plantas angiospermas perennes, familia herbácea de las poáceas (Liese 1998). Estas plantas crecen de forma nativa en todos los continentes excepto en Europa y la Antártida (Peña et al. 2015), existiendo más de 1250 especies en todo el mundo, aunque menos de 100 especies tienen propiedades para su uso estructural (Trujillo y López 2020). Entre ellas destacan las siguientes especies: Guadua (Guadua angustifolia Kunth) (América del Sur), Moso (Phyllostachys edulis) (China) y el bambú Gigante (Dendrocalamus asper). La distribución geográfica natural del bambú se concentra en la franja tropical, subtropical, y templada, desde el nivel del mar hasta los 4300 msnm (Peña et al. 2015). Su rápida tasa de crecimiento significa que potencialmente pueden actuar como sumideros de carbono muy efectivos, especialmente si se utiliza una extracción selectiva regular (Kuehl y Yiping 2012). En concreto, según Xu et al. (2022a) el potencial de almacenamiento de carbono de una tonelada de bambú es alrededor de 140 kg mayor que la misma cantidad de madera.

El bambú como material para el diseño, fabricación y construcción

Tradicionalmente el bambú ha formado parte de diferentes culturas con distintos usos, en las que se ha empleado desde material de construcción hasta material para productos de artesanía, muebles, pulpa, papel (Kaur 2018). En este contexto, la fase de selección del bambú ha sido convencionalmente empírica, siendo el “color” una de las principales características que han tomado como referencia los productores, para saber el momento en que se pueden comercializar los culmos, es por ello, que se debería avanzar hacia una estandarización de las distintas edades del bambú mediante colorimetría (Hernández-López et al. 2021). Cuando los culmos de bambú se utilizan para productos duraderos, como viviendas, pueden actuar como materiales muy sostenibles y respetuosos con el medio ambiente, secuestrando del orden de 5 toneladas de carbono por hectárea al año (Song et al. 2011). La propia naturaleza del bambú, su morfología cilíndrica con acumulación de fibras en la cara externa y su alto grado de elasticidad, lo convierten en un material especialmente apto para construcciones sismo resistentes (Kaminski et al. 2016a). El bambú en su hábitat natural trabaja como una viga en voladizo con un apoyo fijo en la tierra, sujeto a su propio peso y a la carga del viento, por lo tanto, tiene una naturaleza estructural optimizada para resistir momentos flectores (Tan et al. 2011). Así mismo, la resistencia a la tracción del bambú es ideal para reemplazar al acero incluso en aplicaciones de carga (Van der Lugt et al. 2006, Van Dam et al. 2018).

La Guadua (Guadua angustifolia Kunth) junto con el bambú Moso (Phyllostachys edulis) y el bambú Gigante (Dendrocalamus asper) son las variedades de bambú con mejor comportamiento estructural (Escamilla y Habert 2014), si bien, de cara a la fabricación de una estructura es muy importante en el proceso de diseño tener en cuenta que se trata de un material anisotrópico (Takeuchi 2004). Por otro lado, el bambú también se emplea de forma laminar, en paneles, esterillas, etc. (Mora-Rodríguez et al. 2008, Xiao et al. 2013, Nguegang-Nkeuwa et al. 2022), y en dimensiones más pequeñas para la producción de tableros aglomerados (José y Beraldo 2010), e incluso en combinación con otros materiales como el pino y el mate (Rush et al. 2023) o residuos de caña de azúcar (Brito et al. 2022), entre otros. Por todo ello, el bambú es un recurso natural, que no se debe pasar por alto para frenar el cambio climático (Yadav y Mathur 2021). Asimismo, se ha demostrado que el bambú es más sostenible que el acero, el hormigón y la madera en general (Van der Lugt et al. 2003, Van der Lugt et al. 2006), incluso en los casos en los que se vende a países de Europa occidental. Por otro lado, en un estudio realizado por Amada y Untao (2001), en el que compararon los valores de tenacidad a la fractura del bambú con otros tipos de maderas y metales, el valor promedio obtenido para el bambú fue de 56,8 MPa·m^1/2, siendo más alto que el de la aleación de aluminio, el abeto Douglas o la Pícea (abeto rojo).

Las características del bambú como material estructural han sido estudiadas por multitud de investigadores de todo el mundo, se pueden mencionar algunos de los estudios y manuales que se utilizan como referencia, como son los de Zhou (1981), Hidalgo-López (1981), Amada et al. (1996), Luna et al. (2014) y Zaragoza-Hernández et al. (2015). Actualmente, se trata de una línea de trabajo en constante crecimiento, tal y como se puede observar en la Figura 1, que hace referencia a una búsqueda realizada en las bases de datos “Web of Science (WoS)” y “Scopus”, la cual fue acotada para los artículos publicados en los primeros 20 años del siglo XXI (período 2000-2020), utilizando para ello el siguiente patrón de búsqueda: ((“bamboo*”) AND (“material*” OR “structural material*” OR “construction material*” OR “building material*” OR “manufacturing material*” OR “production material*” OR “construction equipment*” OR “design material*”). En síntesis, se identifica una clara tendencia ascendente en el número de publicaciones científicas, con más de 6000 artículos publicados e indexados en WoS hasta el año 2020.

Aunque en las últimas décadas el estudio del bambú como material estructural está despertando el interés entre la comunidad científico-técnica, uno de los principales obstáculos de este trabajo, ha sido la ausencia de investigaciones previas (literatura científica) en las que se estudie y analice estructuralmente el bambú Tonkin (Pseudosasa amabilis). En este contexto, se ha realizado una búsqueda bibliográfica más específica en las bases de datos anteriores, apareciendo sólo 5 artículos referentes al bambú Tonkin como material estructural (5 en WoS y 4 en Scopus), estando 4 de ellos indexados en ambas bases de datos. En la Tabla 1 se recoge una recapitulación de los estudios analizados.

En estos 5 trabajos previos (Tabla 1) se recoge información específica sobre el bambú Tonkin, pudiéndose clasificar según las características de la caña y usos. Atendiendo a sus características, en uno de los estudios se comprobó que la capacidad calorífica de la caña aumenta en proporción con su madurez, obteniendo valores más altos que algunas maderas leñosas (Cheng et al. 2015). Por otro lado, Cheng et al. (2017) estudiaron la morfología y alometría del bambú Tonkin, recopilando sus valores característicos en función de diferentes parámetros. Asimismo, en otro estudio se observó la variación de sus propiedades mecánicas en función del grado de humedad (Jakovljević et al. 2017). Respecto a sus usos, se obtuvieron valores muy favorables en comparación a otros materiales empleados en la fabricación de cuadros de bicicleta (Penava et al. 2016), lo cual abre la posibilidad para su empleo como una alternativa sostenible. En último lugar, en zonas donde predomina, el bambú Tonkin puede ser una alternativa a los muros reforzados con acero en viviendas de bajo coste (Moroz et al. 2014).

Este trabajo pretende contribuir a avanzar en el vacío existente en la literatura científica en torno al bambú Tonkin como material, para ello se busca explorar como estrategia de Ecodiseño su utilización de cara a analizar y valorar si mejora el ciclo de vida, con relación a los diseños de estructuras livianas (e.g., un puesto de mercado) que se comercializan actualmente en acero. En ese sentido, tal y como apunta González-Yebra (2014), descubrir y trabajar la versatilidad del bambú puede convertirlo en un óptimo recurso, que ofrezca nuevas oportunidades de obtener ingresos en actividades industrialmente sostenibles. Hay que tener en cuenta que, a día de hoy, la producción mundial del acero (WSP) no ha parado de crecer debido a su gran demanda, hasta el punto de que se puede llegar a considerar como un indicador mensual de la actividad económica mundial real (Ravazzolo y Vespignani 2020). Teniendo en cuenta dicho escenario, en el presente estudio se han planteado los siguientes objetivos específicos: i) Explorar las posibilidades del bambú como material estructural y estrategia de Ecodiseño. ii) Realizar un rediseño de una estructura de puesto de mercado para frutas y verduras con bambú mediante herramientas CAD-CAE para posteriormente, comprobar el comportamiento mecánico del bambú Tonkin (Pseudosasa amabilis) mediante un estudio de elementos finitos (AEF). iii) Desarrollar un Análisis del Ciclo Vida (ACV) comparando el diseño comercial (acero galvanizado) con el rediseño propuesto en bambú, donde el ACV se acota a los 4 indicadores principales que miden el impacto ambiental: huella de carbono, consumo de energía, acidificación del aire y eutrofización.

Materiales y métodos

La metodología seguida ha sido D4S (“Design for Sustainability”) desarrollada por la universidad holandesa Delft University of Technology. Se basa en observar el ciclo de vida de un producto, incluyendo la extracción, el procesamiento y el suministro de las materias primas y la energía requerida para su desarrollo. Los factores claves son el consumo de materiales de entrada (agua, energía en cada una de las etapas del ciclo de vida) y la producción de materiales de salida (agua, calor, emisiones y desechos) (Crul y Diehl 2007). Este enfoque de Eco-Rediseño está cada vez más interiorizado en la ingeniería del diseño (Brezet y Silvester 2004). En el caso de este trabajo, se siguió con un enfoque similar al desarrollado por Pérez-Ortega et al. (2021), es decir incluye en un mismo flujo de trabajo “herramientas CAD-CAE” y “estrategias de Ecodiseño”, proponiendo la incorporación de un material con menos impacto medioambiental (i.e., el bambú Tonkin).

Para el proceso de diseño y modelado en 3D el software elegido ha sido SolidWorks® (2018), dado que ofrece un gran surtido de complementos y módulos CAD-CAE. Entre ellos, en este estudio se ha trabajado con “SW Simulation” y “SW Sustainability”. El módulo Simulation permite realizar un AEF para evaluar la resistencia mecánico-estructural del bambú Tonkin. En dicho módulo se tienen en cuenta: material, uniones, conexiones, cargas, tamaño de mallado para el cálculo de la simulación y análisis estático. Los resultados del estudio están calculados con base en el criterio de máxima tensión de Von Mises (Ecuación 1), el cual indica las deformaciones y esfuerzos que se producen en las distintas partes de un material o estructura.

Donde: σ₁, σ₂, y σ₃ son las tensiones principales (MPa).

El paquete SolidWorks® y específicamente el módulo Simulation, se ha utilizado previamente de forma experimental en la industria del mueble (Koç et al. 2011), tanto en estudios con maderas como con materiales derivados de éstas, para determinar los esfuerzos a los que estaban sometidos dichos materiales (Gaff y Gašparík 2013, Gaff et al. 2015, Gašparík et al. 2017). En esta línea, Vratuša et al. (2017) apuntan a que SolidWorks® podría ser una herramienta útil para el cálculo de los desplazamientos, deformaciones y tensiones de componentes de madera, reduciendo de esta forma las fases de diseño e indirectamente el tiempo y los costos.

Por otro lado, el módulo Sustainability incorpora la base de datos del ACV del PE International y utiliza un modelo general de procesos que emplea el software de ACV. SW Sustainability se basa en la metodología de CML elaborada por el Instituto de Ciencias Medioambientales de la Universidad de Leiden en los Países Bajos, utilizada para cal cular los factores de impacto, a día de hoy, se considera como una de las más completas (Vinodh et al. 2012).

Caso de estudio

Como caso de estudio de investigación aplicada y con carácter exploratorio, se propone la incorporación del análisis de ciclo de vida (vector medioambiental) en el proceso de rediseño CAD de un puesto de mercado para frutas y verduras, siendo la principal estrategia de diseño, el cambio de material de acero a bambú (variedad Tonkin). Hay que tener en cuenta, que la fase de diseño es la de mayor potencial a la hora de minimizar los impactos tanto ambientales como sociales. Como justificación del caso de estudio propuesto se puede mencionar que, en estudios recientes en los que se han llevado a cabo varios paneles de investigación en torno la presencia de la componente “Diseño” en el sector agroalimentario, se apunta a la necesidad de proporcionar nuevos incentivos para el impulso del Diseño (y el Ecodiseño) como un importante factor de innovación no tecnológica en el ámbito de la industria agroalimentaria (González-Yebra et al. 2019a, González-Yebra et al. 2019b). En la Figura 2 se muestra una composición gráfica con el diseño de detalle en 2D y 3D desarrollado en Solidwork®, para el estudio del comportamiento mecánico y medioambiental del bambú Tonkin en la estructura del puesto de mercado.

Aproximación al bambú Tonkin

El bambú Tonkin (Pseudosasa amabilis) predomina de forma natural en la zona sur de China (Cheng et al. 2017). Esta especie presenta un alto rendimiento como biocombustible con un poder calorífico de 19 MJ/kg, superior incluso a algunas de las maderas leñosas, pudiéndose alcanzar en 1 año de maduración de la caña (Cheng et al. 2015). Desde el punto de vista estructural, un grupo de investigación de Croacia determinó experimentalmente algunas propiedades mecánicas en 5 cañas, para la fabricación de bicicletas de bambú (Penava et al. 2016, Jakovljević et al. 2017). Por otro lado, es importante tener en cuenta, que las características dimensionales del bambú deben ser consideradas en el proceso de caracterización de cualquier especie (Harries et al. 2017). Para ello se ha aplicado la norma ISO 19624:2018 (2018), que identifica el diámetro, la pared (espesor) y las propiedades que necesitan ser caracterizadas dentro de un proceso de clasificación, siendo considerado el diámetro como la propiedad más importante a tener en cuenta para caracterizar una especie concreta (Trujillo y Jangra 2016).

Dada la escasez de información disponible sobre el bambú Tonkin, se llevó a cabo junto a Bambusa Estudio (empresa española de distribución de bambú), un muestreo aleatorio para un diámetro exterior de bambú Tonkin de 30 mm aproximadamente, mismo diámetro que la estructura que se comercializa en la actualidad en acero. Actualmente, hay disponibles cañas de bambú Tonkin con diámetros de 20, 30 y 40 mm. En la Tabla 2 se detallan los datos y parámetros obtenidos (μ, Mo) de las muestras analizadas en este estudio de 30 mm de diámetro. Para el diseño y simulación de la estructura se ha considerado la moda como parámetro más representativo, es decir, un diámetro exterior de 30 mm y un espesor 6 mm (Figura 3).

En la Tabla 3 se muestran los datos referentes a la geometría de la caña, así como las propiedades mecánicas consideradas en el diseño y simulación de la estructura de bambú Tonkin, si bien, dada la limitación de datos y carencia de estudios técnicos sobre esta variedad, se han utilizado valores medios de las especies de bambú con uso estructural (Kaminski et al. 2016b, Ghavami y Moreia 1996), con el propósito de llevar a cabo la simulación y ACV del Tonkin. Es importante comentar, que el bambú como material no está incluido dentro de la biblioteca de materiales de SolidWorks® (2018), por tanto, en este caso se creó y definió el material, incorporando las propiedades mecánicas que lo caracterizan (i.e., Módulo Elástico, Coeficiente de Poisson, Densidad y Límite elástico a flexión). Si se utilizase otro tipo de bambú este procedimiento se debería reformular, dado que cada especie tiene unas características diferentes.

Resultados y discusión

Características técnico-mecánicas (Análisis de elementos finitos)

Tras el análisis y simulación realizado con SolidWorks® (2018), cabe destacar un mejor comportamiento de la estructura diseñada en bambú Tonkin, frente a los valores obtenidos de la estructura comercial en acero. El bambú se comporta mejor que el acero tanto en el análisis tensional como en el de deformaciones (Figura 4). En la Tabla 4, se puede comprobar que en el análisis tensional, el acero está bajo unas cargas que suponen un 95 % de la tensión máxima admisible, mientras que el bambú está sometido bajo las mismas cargas a un 71 % (respecto a la tensión máxima admisible). Por otro lado, los valores de deformaciones en la estructura de acero son más de 3,5 veces superiores que en la estructura de bambú (Tabla 4). Por último, se puede afirmar que la estructura propuesta en bambú Tonkin resiste los esfuerzos a los que está sometidos, ya que se cumple la Ecuación 2.

Impacto medioambiental y circularidad (Análisis del ciclo de vida)

La gran ventaja que se puede observar entre ambos materiales (acero y bambú), tal y como se puede observar en la Tabla 5, es que el bambú es una materia prima que no necesita ningún proceso de transformación de gran impacto para su empleo estructural. En cambio, el acero conformado en forma tubular requiere de un proceso de extrusión, el cual tiene un consumo elevado de electricidad y gas natural.

Por otro lado, la estructura de bambú es casi 6 veces más ligera que la estructura de acero, factor importante a tener en cuenta en la fase de montaje y desmontaje de dicha estructura. Atendiendo al análisis de ciclo de vida de un producto (ACV), se establecen 4 indicadores clave para la evaluación del impacto medioambiental: i) Huella de carbono; ii) Energía total consumida; iii) Acidificación atmosférica y iv) Eutrofización del agua.

Huella de carbono

El bambú genera poco dióxido de carbono y otros gases relacionados con la combustión de combustibles. Es así un recurso en el que su impacto es mínimo en comparación con el acero. La huella de carbono es por tanto un indicador para medir el impacto global como el potencial de calentamiento global (GWP). Este factor podría estar ligado a problemas medioambientales como la desaparición de glaciares, extinción de especies y la aparición del cambio climático. Como se recoge en la Tabla 6, el valor obtenido del bambú es aproximadamente 16 veces inferior en cuanto al nivel de dióxido de carbono generado en la fase del ciclo de vida. En el acero tiene un valor de 123 kgCO₂e (kilogramos de dióxido de carbono por metro cuadrado), mientras que en el bambú un 8,06 kgCO₂e.

Energía total consumida

La energía total consumida tiene en cuenta la electricidad, combustible y energía utilizada para obtener y procesar dichos combustibles, utilizados durante el ciclo de vida de un producto. Esa energía se expresa como el valor del poder calorífico neto de la demanda de energía. Se puede observar en la Tabla 6, que el valor la energía empleada en el ciclo de vida del acero es 58 veces superior al del bambú, es decir, 1680 MJ y 29 MJ respectivamente.

Acidificación atmosférica

El dióxido de azufre y el óxido de nitrógeno incrementan la acidez del agua de lluvia, ésta hace que la tierra y el agua se acidifique, afectando tóxicamente sobre la flora y fauna acuática. Como se puede comprobar en la Tabla 6, se obtiene un valor del acero 14 veces superior al del bambú, en concreto 0,473 kgCO2_e0 en el ciclo de vida del acero y de 0,0326 kgCO₂e para el bambú.

Eutrofización del agua

El nitrógeno y el fosfato de aguas residuales generan algas que agotan el oxígeno del agua, destruyendo la flora y fauna. Aquí la diferencia entre ambas es menor, tal y como se puede observar en la Tabla 6, aunque el indicador del acero sigue siendo más elevado que el del bambú, unas 1,4 veces superior. Obteniendo un valor de 0,0108 kgPO₄e en el acero y 0,0077 kgPO₄e en el bambú.

En síntesis, todos los indicadores estudiados en este trabajo son mucho más favorables en el ciclo de vida del bambú Tonkin, además presenta la ventaja de poseer una alta capacidad de captación y secuestro del carbono atmosférico. Esta característica lo hace un recurso a tener en cuenta para reducir el impacto del cambio climático (Yiping et al. 2010), dado que como se ha analizado en este estudio, el impacto ambiental de la utilización del bambú Tonkin como recurso estructural es mínimo. Dado que las fases de su proceso de tratamiento requieren de muy poca energía, estando entre dichas fases el corte, la preservación y la limpieza mediante hidrolimpiadora. Si bien, queda evidenciado que el mayor impacto corresponde al transporte (Xu et al. 2022b). Por todo ello, mediante la utilización del bambú, se podría lograr la sustitución de materiales intensivos en emisiones como, por ejemplo, el acero, el cemento y el PVC, en una amplia gama de productos de larga duración (Borowski et al. 2022).

Por último, dentro de los objetivos del presente trabajo, se encuentra una relación directa con los objetivos de desarrollo sostenible (ODS). La Organización Internacional del Bambú y Ratán (INBAR) trabaja con los países para enfocar el uso del bambú y ratán como recurso estratégico, apoyando el desarrollo sostenible y planes de acción de economía verde. En su estrategia y desempeño contribuyen directamente a siete ODS relacionados con el bambú: i) Acabar con la pobreza en todas sus formas; ii) Proporcionar servicios de energía modernos; asequibles, sostenibles y confiables para todos; iii) Acceso a una vivienda adecuada y asequible; iv) Uso eficiente de los recursos naturales; v) Abordar el cambio climático; vi) Proteger y restaurar los ecosistemas terrestres; vii) Revitalizar la asociación mundial para el desarrollo sostenible.

Conclusiones

El presente trabajo de carácter exploratorio se ha realizado con el propósito de dar a conocer el Tonkin, una variedad de bambú prácticamente desconocida, como un primer avance para visibilizarlo como una alternativa para su uso como material estructural, con unas excelentes cualidades/características mecánicas comparables al acero tubular, así como un evidente menor impacto medioambiental, ya que se trata de un recurso natural con poco gasto energético. En síntesis, para el caso de estudio planteado, los cuatro indicadores clave de la medición de la sostenibilidad son muy elevados en la estructura comercial de acero, en comparación con la estructura de bambú Tonkin. Es importante reseñar, que el desarrollador de software Dassault Systèmes hasta la fecha no incluye en SolidWorks® (2018) el bambú como material, por la dificultad que supone que existan tantas especies distintas para uso estructural (cerca de 100 especies), en este contexto, los datos y hallazgos obtenidos en este estudio pueden servir de referencia para otros investigadores, ingenieros y proyectistas. Como valoración final, se ha podido comprobar que el bambú Tonkin, es un material que ha sido escasamente estudiado, si bien se trata de una alternativa verde con un importante potencial, por lo que se invita a otros grupos de investigación a que se interesen sobre este material, como una oportunidad para muchos sectores económicos. En ese sentido, se abre aquí el debate para un posible reemplazo del acero, así como de otros metales predominantes y maderas tradicionales, por ende, este trabajo puede servir como punto de partida para emprender nuevas líneas de investigación:

Caracterizar mecánicamente el bambú Tonkin para su uso como material estructural con base en la norma ISO 22157:2019 (2019), mediante la realización de diferentes ensayos de laboratorio (tracción paralela a las fibras, compresión paralela a las fibras, flexión y corte longitudinal) sobre una muestra mínima de 12 cañas. Así como, determinar una serie de parámetros que son desconocidos hasta la fecha (módulo elástico, coeficiente de Poisson, densidad y límite elástico).

Diseñar y desarrollar una nueva unión más sostenible que sea desmontable para unir cañas de bambú Tonkin.

Estudiar la viabilidad del cultivo (caracterización agronómica) del bambú Tonkin en Europa occidental, como incentivo y desarrollo socioeconómico de zonas en riesgo de despoblación (e.g., España vaciada).

Evaluar y comparar desde la perspectiva de la economía circular, qué beneficios podría suponer la fabricación de estructuras livianas (similares a la del caso de estudio) en bambú Tonkin, en lugar del tradicional acero galvanizado.

Estudiar el impacto ambiental de diferentes alternativas de recubrimientos para el bambú de cara a garantizar su durabilidad en el tiempo.

Por lo tanto, es necesario realizar más investigaciones para avanzar en las líneas propuestas y en otras, que permitan conocer las posibilidades reales de este material desconocido, el bambú Tonkin.

Agradecimientos

A la Junta de Andalucía por el Contrato Postdoctoral (Ref, DOC_01126) del primer autor, período durante el que realizó una estancia en el “Instituto Universitario de Ciencias Ambientales (IUCA)” de la Universidad Complutense de Madrid, de la que es fruto este trabajo. También se agradece el apoyo recibido por parte del grupo “Análisis, Diseño y Materiales, GIES” de la Universidad Nacional de Colombia, de la “Asociación Ibérica del Bambú (AsIB)” y la empresa “Bambusa Estudio”, en especial a Isaac González, Eugenia Muscio y Pierre Boucher por su colaboración y asesoramiento técnico.

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Author notes

^♠Autor de correspondencia: oglezyebra@ual.es

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