Il Bambù: una scelta di “Ecologia Strutturale”

Il Bambù: una scelta di “Ecologia Strutturale”
N. Mordà, P. Macías, M. Stroscia, P. Bajzelj
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DoMo Studio - Turin (IT)
Sintesi
Lo scopo della presente nota è di individuare sulla base degli studi più recenti le proprietà meccaniche del bambù al fine di
inserirlo, come merita, nel contesto dei materiali strutturali. In varie parti del mondo esso ha già tale ruolo, tanto che alcune
normative lo recepiscono ufficialmente. In Europa, a parte studi pionieristici, non ha una larga diffusione anche per l’assenza come
materiale a crescita spontanea, benché negli ultimi tempi vi sia un crescente interesse. E’ nostro parere che occorre fissare le idee in
merito alle caratteristiche meccaniche del bambù, per consentire ai tecnici un razionale e sicuro utilizzo come materiale da
costruzione. Lo studio si basa sulle ultime ricerche effettuate in particolare in Sud America dove è già codificato a livello strutturale.
Abstract
The present work investigates the results of an extensive research program about the mechanical properties of bamboo. In the last
years there has been a growing interest in bamboo as structural material. It is commonly used for construction of buildings in South
America and Asia. In Europe its use is still limited for constructive purposes. This is due to its absence as an autochthon specie; but
there is a growing interest in the technical community. In this work we will present the results of the most recent researches and
a report of the mechanical properties that will help the designer to well understand the limitations of bamboo and show its proper
way of use. Most of this research is based on studies conducted in South America; there the bamboo has already been included in the
structural code as material suitable for construction.
1. Introduzione
Lo sviluppo dell’attuale società necessita un continuo utilizzo di risorse naturali ed energetiche. Il costo a livello
ambientale di tale continuo sfruttamento porterà a serie problematiche di sempre maggiore estensione, vista la
notevole espansione economica di vaste aree geografiche.
D’altra parte non può negarsi la legittima aspirazione di progresso sociale di aree sino ad oggi in “ritardo” rispetto
alle nazioni che sono state attrici del progresso industriale nei secoli scorsi.
E’ altrettanto vero, però, che al fine di preservare le condizioni di vivibilità dell’intero pianeta occorre farvi convergere
le risorse politiche, economiche, culturali e sociali di tutte le nazioni.
L’edilizia è uno dei settori più interessati da questo tema ed una delle componenti della sua risposta sta nell’utilizzo
razionale delle risorse naturali, nei casi in cui è tecnicamente possibile, fornendo il proprio apporto tecnico e
culturale.
Lo stato attuale della conoscenza scientifica e tecnologica consente, per alcune classi di costruzioni, di introdurre
delle reali novità dal punto di vista dell’ecosostenibilità tramite l’utilizzo di materiali strutturali naturali, sia nella forma
base che in forma ingegnerizzata.
In questo studio l’attenzione sarà dedicata alle potenzialità del bambù nel settore delle costruzioni.
Occorre però sgomberare il campo dai miti meccanici ed impostare un ragionamento concreto riconoscendo al
bambù i limiti propri di un materiale naturale (del resto la Natura stessa si spinge ad una dimensione massima nelle
proprie costruzioni), ed al tempo stesso apprezzarne ed indirizzarne le prestazioni con particolare riferimento
all’edilizia convenzionale. Un punto di
partenza può essere, oggi, quello dei singoli elementi strutturali sino a
tendere a interi complessi. In questo contesto è di sicuro aiuto l’esperienza e la tecnologia umana che abbinata alla
realizzazione della Natura consente di utilizzare un materiale ecologico altamente promettente.
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In tale percorso tecnologico occorre prestare adeguata attenzione all’intero ciclo produttivo, evitando abusi invece
che usi del materiale.
La presente nota sarà dedicata ai possibili usi del bambù come materiale strutturale, individuando dall’ampia
letteratura tecnica a disposizione i parametri che lo caratterizzano ingegneristicamente. Saranno anche effettuati dei
confronti con il legname tradizionale su esempi di letteratura.
Occorre avvertire che nella forma naturale il culmo di bambù presenta delle notevoli variabilità nei parametri
meccanici, e che quelli riportati sono dei valori prudenziali di confronto.
2. Il bambù: dinamica vegetativa
Il bambù è una pianta appartenente alla famiglia delle Poaceae ed alla sottofamiglia della Bambusoideae; cresce
spontaneamente nella zona subtropicale del pianeta.
Esistono in natura da 60 a 90 generi che danno luogo a 1100-1500 specie [2].
La pianta di bambù più che un albero è un arbusto. Delle varie specie solo una ventina sono utilizzabili nel settore
delle costruzioni.
Fig. 1: Fascia di crescita spontanea del bambù
Dal punto di vista ingegneristico il bambù è interessante per le notevoli proprietà meccaniche esibite dal materiale
base, che saranno successivamente esposte.
In termini di sostenibilità ambientale la pianta ha una crescita estremamente veloce: nelle fasi iniziali, alcune specie
crescono dai 20 ai 100 cm al giorno [1].
La pianta può raggiungere fino a 20-25m dal suolo. Essa raggiunge tale altezza nei primi 6-8 mesi da quando
emerge dal suolo. La maturità è invece raggiunta intorno ai 3-5 anni; è considerata sufficiente per il taglio un’età di 4
anni, come peraltro prescritto dalla Norma Colombiana [3].
Il culmo, che rappresenta il “tronco” della pianta, ha una sezione circolare cava rastremata dalla base verso la cima.
Il diametro del culmo alla base è di 10-20cm ed arriva a 5-10cm in cima. Lo spessore della parete varia da 2cm della
base sino a 0.5cm in cima.
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Fig. 2: Piantagioni di Guadua in Colombia (Foto. P. Macías)
Lungo l’altezza il culmo è irrigidito trasversalmente in nodi diaframmati da una parete legnosa.
La spaziatura dei nodi va dai 10cm alla base sino ai 40cm alla cima.
La porzione di culmo tra due nodi è detta internodo.
Fig. 3: Definizioni e porzioni della pianta di bambù
In linea generale, si può assimilare il culmo ad un materiale composito, in cui vi è una matrice che agglomera le fibre
le quali sono l’elemento strutturale portante.
La sezione trasversale del culmo ha una struttura interna che risponde alle esigenze statiche della pianta: le fibre
sono concentrate maggiormente sull’esterno della parete del culmo e degradano verso l’interno.
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Fig. 4: Struttura della parete del bambù
Per quanto riguarda la distribuzione delle fibre secondo l’asse radiale del culmo valgono le seguenti indicazioni di
massima, da cui si deduce che il 50-60% delle fibre è contenuto nella parte esterna del culmo.
Fig. 5: Percentuale delle fibre secondo il raggio del culmo
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Da alcuni studi basati su tecniche di digitalizzazione di immagini della sezione retta del culmo di Guadua sono stati
ottenuti i seguenti dati.
Ricerca di K. Ghavami, C. S.
Rodrigues and S. Paciornik (2003)
Ricerca di Khosrow Ghavami e
Albanise B. Marino (2005)
Fig. 6: Distribuzione fibre nella sezione del culmo
Una semplice integrazione in direzione radiale da il contenuto totale di fibre, e mostra che, in termini percentuali, il loro
numero totale è molto simile tra le due ricerche (~27%).
Tale informazione è utile poiché, unita ad appropriati valori della resistenza a trazione della singola fibra e della matrice
(Amada 1996) è possibile impostare dei modelli numerici analoghi a quelli utilizzati nel settore dei materiali compositi
(Wan Tarmeze Wan Ariffin - 2005)
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Fig. 7: Modello meccanico per lo studio numerico del bambù
Tali dati sono, di massima, ricorrenti in tutte le specie di bambù. Il contenuto di fibre dipende dalla particolare specie.
Nel settore delle costruzioni sono utilizzate le seguenti varietà Bambusa baleooa, B. tulda, B. nutans,B. pallida, B.
polymorpha, Dendroealamus hamiltonii, Melocanna baecifera, D.giganteus, D. strietus, Gigantoehloa apus, Guadua
angustifolia.
Tutte le specie prevedono un apposito trattamento per l’immunizzazione e l’essiccamento.
Nel seguito ampio riferimento sarà fatto alla Guadua angustifolia (Guadua per brevità) che è stata soggetta ad un’
ampia campagna di indagine presso varie università del Sud America.
3. Proprietà meccaniche del materiale base: risultati attuali
Si è già detto che le proprietà meccaniche sono molto variabili per il materiale allo stato naturale di culmo. Inoltre
esse sono influenzate da vari parametri ambientali, tra cui anche la posizione geografica e l’altitudine.
Figura 1: Culmi di Guadua in fase di lavorazione (foto P. Macías)
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La tabella seguente fornisce un quadro di come alcuni di questi parametri influenzino la stessa specie, la Guadua, in
termini di parametri meccanici.
Fig. 8: Variabilità delle proprietà del culmo
Come si nota l’influenza dei parametri indicati è sensibile.
Con riferimento alla variazione di specie è interessante la seguente tabella di sintesi, da cui possono rilevarsi delle
sensibili differenze tra le varie specie. Pertanto è assolutamente indispensabile conoscere l’origine del culmo.
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Fig. 9: variabilità delle proprietà meccaniche tra le varie specie
Per i fini della presente nota si farà riferimento alla seguente tabella che individua i parametri con cui i progettisti
strutturali hanno dimestichezza. Essa sintetizza i valori di letteratura al frattile del 5% delle varie caratteristiche
meccaniche (Trujillo 2009).
Fig. 10: Caratteristiche meccaniche di calcolo
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Per il legno massiccio la norma EN338 fornisce i seguenti valori
Fig. 11: Caratteristiche meccaniche di calcolo del legno massiccio
Si nota che il culmo di Guadua può essere collocato nelle fasce medio-alte di prestazioni meccaniche.
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La normativa della Colombia relativa alle strutture in legno, e in particolare per la Guadua, fornisce le seguenti
resistenze di calcolo, identificabili con le omologhe Europee.
Definite le seguenti quantità
Tensione caratteristica
Valore di calcolo della tensione; FS, Fs e FDC sono vari fattori di sicurezza applicati
al valore caratteristico
le tensioni di calcolo, con l’applicazione dei vari fattori di sicurezza, risultano
Fig. 12: Parametri meccanici prescritti nella normativa della Colombia
La proposta di norma del Perù, invece, riporta le seguenti tabelle
Fig. 13: Parametri meccanici prescritti nella proposta di norma del Perù
Il valore Fi è ulteriormente modificato dalla moltiplicazione per altri fattori, non sempre inferiori all’unità, che tengono
conto delle condizioni di esercizio dell’elemento.
E’ da notare la sensibile differenza tra le due norme nella resistenza a flessione.
Deve ancora essere chiaro che il materiale usato in una struttura reale tenderà ad essere impegnato dagli sforzi interni
secondo molte, se non tutte, le capacità resistenti esposte. E’ certamente di interesse sfruttarlo secondo la proprie
“vocazioni statiche”: ad esempio in direzione della fibratura.
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Si ritiene comunque opportuno che i dati meccanici del singolo lotto utilizzato siano preliminarmente verificati in
laboratorio ed in sito, prima della messa in opera.
La figura seguente mostra una prova di carico reale con P = 600kg su una luce di L = 3.50m ed un culmo di diametro
esterno D = 17cm.
Figura 2: Prova di carico in sito (Gentile concessione Studio Zuarq – Bogotà)
Il carico uniforme equivalente al precedente carico concentrato vale
p = 2P/L = 2*600/3.5 = 343 kg/m
Se i culmi si pongono a 70cm di interasse a formare un impalcato la precedente prova fornirebbe il collaudo per un
carico unitario
2
p = 343/0.70 = 490 kg/m .
Tale valore è abbastanza vicino al carico utile usuale nell’edilizia residenziale, quindi l’impalcato in culmi sarebbe idoneo
alla realizzazione di un solaio residenziale ordinario.
Si consideri ancora che il getto di una eventuale cappa aumenterebbe la capacità portante della soletta mista.
Con la disponibilità di questi dati è possibile avere un sufficiente grado di confidenza per apprezzare, entro i limiti che la
Natura ha imposto, un interessante materiale naturale nello stato originale, sfatando pericolosi miti che iniziano a
circolare in ambito tecnico.
Un aspetto che è interessante esporre è il valore della resistenza a trazione della singola fibra di bambù, sia come dato
fine a se stesso, sia perché sono allo studio dei compositi con fibre di bambù disperse in matrice legante.
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Fig. 14: Fibre di Guadua (Orsorio et Al - 2010)
Amada et al. (1997) hanno ottenuto per la specie Moso, estrapolando dalle prove di trazione su listelli di culmo, i
seguenti valori di resistenza a trazione per le fibre e per la matrice.
Fig. 15: Proprietà meccaniche della fibra di Moso (Amada et al 1996)
Altre prove sono state eseguite da Orsorio et Al. (2010) sulla Guadua sudamericana e da Tada et Al. (2010) sul
Mandake, una specie Giapponese.
Dalle prove di trazione diretta su fibre Orsorio ha ottenuto una tensione di trazione minima di circa 600MPa
2
(~6000kg/cm ) che è analoga al valore riportato da Amada (1997), come dimostrato dal seguente grafico.
Fig. 16: Resistenza a trazione delle fibre di Guadua (Osorio et al 2010)
E’ importante osservare che tali valori sono riferiti alla fibra estratta dal culmo e non al culmo medesimo che, come detto,
è un composito di fibre e matrice.
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A grandi linee si può dire che se la frazione delle fibre nella sezione del culmo è del 25% allora la resistenza a trazione
dello stesso sarà circa il 25% di quella delle fibre e il 75% della matrice, quindi, con i dati di Amada si ha, in via di larga
massima
R = 0.25*6000+ 0.75*500 = 1875 kg/cm
2
che è molto diversa dai valori precedentemente riportati, quindi la resistenza a trazione della fibra isolata non è in grado
di rappresentare in modo accurato la resistenza del culmo stesso.
4. Proprietà meccaniche del materiale ingegnerizzato
Una interessante applicazione del bambù in ambito strutturale, secondo i dati emersi dalle recenti ricerche in merito, è
quella che prevede le realizzazione di travi lamellari a partire dalle lamelle ottenute dai culmi. Il risultato che si ottiene è
una trave a sezione compatta, ad asse rettilineo o meno, del tutto identica alle usuali travi ottenute dall’utilizzo del
legname massiccio.
Fig. 17: Travi lamellari con lamelle di bambù (Sud America)
La sezione si realizza assemblando le lamelle ottenute dal culmo con idonee colle, ad esempio un mix di 50% UreaFormaldeide + 50% Melamina-Formaldeide è quella utilizzata dall’Università de Los Andes (Colombia) per i test e
l’individuazione dei parametri di controllo dell’incollaggio (velocità di spandimento delle colle, spessori sulle facce delle
lamelle ecc.)
I risultati che si ottengono sono, a nostro parere, di estremo interesse dato che le resistenze meccaniche ottenute si
attestano nelle fasce alte del legname lamellare (classe GLh36);
A titolo di riferimento, dai test condotti all’Università de Los Andes sono stati ottenuti i seguenti risultati, direttamente
confrontabili con i valori delle norme sul legno lamellare.
Fig. 18: Proprietà meccaniche del lamellare in bambù (Univ. Los Andes)
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La seguente tabella, invece, fornisce i valori delle resistenze del legno lamellare (UNI EN 1194) correntemente utilizzato
nella pratica costruttiva.
Fig. 19: Parametri meccanici di norma del legno lamellare europeo
Dall’analisi comparata delle due tabelle si può istituire il seguente confronto
Parametro
GLB
dk
fm,k
ft,0,k
ft,90,k
fc,0,k
GLH36
715
60.66
n.d.
0.76
43.58
450
Unità
3
kg/m
36
N/mm
2
26
N/mm
2
0.6
N/mm
2
31
N/mm
2
2
fc,90,k
2.63
3.6
N/mm
fv,k
7.68
4.3
N/mm
2
N/mm
2
E0,mean
16000
14700
Descrizione
densità
resistenza a flessione (MOR)
resistenza a trazione lungo le fibre
resistenza a trazione trasvers. alle fibre
resistenza a compressione lungo le fibre
resistenza a compressione trasvers. alle fibre
taglio
modulo elastico long.
Fig. 20: Confronto lamellare bambù (GLB) con lamellare commerciale (classe di massima prestazione)
Quindi il lamellare in Guadua, ma riteniamo in generale anche con altre specie di bambù, almeno in questa fase di
analisi preliminare, è più che confrontabile con la migliore delle classi di lamellare previste dalla norma attuale.
5. Esempi di applicazioni
La scarsa diffusione di progetti reali e i risultati ottenuti riguardo all’utilizzo del bambù creano una visione controversa
dell’opinione collettiva su questo materiale.
Da una certa prospettiva, persino retrograda, si percepisce la sensazione che le costruzioni in bambù siano destinate ad
una architettura povera ed artigianale, presentandolo come materiale “economico” e non “di qualità”, soggetto a processi
produttivi di alto impatto ambientale e veloce degradazione.
In contrasto con la visione precedente esso richiama un’idea di coscienza ecologica, rispetto dell’ambiente e
sostenibilità.
E’ innegabile che, alla stregua dell’uso del legno, il bambù sia un materiale da costruzione tradizionale che interessa
anche aree in via di sviluppo (ma in rapidissima crescita!).
Ciò però non rende giustizia alla potenzialità del materiale, anche in termini di risultati estetici e funzionali.
Si presentano brevemente alcuni esempi di realizzazioni in bambù che mostrano i risultati ottenuti con una razionale
progettazione alla base dell’opera.
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L’effetto è certamente di notevole impatto, sicuramente comparabile, esteticamente e tecnicamente, con le usuali
costruzioni in legno della nostra architettura attuale.
Fig. 21: Esempi di moderne costruzioni in bambù (Gentile concessione Studio Zuarq – Bogotà)
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Fig. 22:: Dettagli di costruzioni in bambù (Gentile concessione Studio Zuarq – Bogotà)
Fig. 23: Parquet realizzato con lamelle in bambù (Guadua) (Foto P. Macías)
6. Profilo di sostenibilità
Dato il notevole interesse circa gli aspetti di compatibilità ambientale è necessario capire in modo scientifico quanto essi
siano robusti.
Uno studio condotto da van der Lugt et Al (2005) relativo alla realizzazione di un ponte a Rotterdam tramite uso di culmi
di bambù ha prodotto i seguenti risultati.
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Il maggior costo è indotto dal trasporto via
mare. Quindi in zona di crescita spontanea
il materiale ha effettivamente una
economicità ambientale notevole.
La figura dimostra che il culmo di bambù è
risultato marcatamente più economico di
altre alternative strutturali in termini di costi
ambientali, nonostante l’alta incidenza del
trasporto.
In termini di costi, si nota che il bambù
compete abbastanza bene con gli altri
materiali, salvo che per le travi
longitudinali. Ciò è dovuto al fatto che
occorre maggiore sezione resistente
rispetto agli altri materiali.
Tale risultato dimostra che il materiale non
deve essere considerato “magico” ma deve
essere usato secondo il “progetto Natura”.
Fig. 24: Costi ambientali e economici nell'uso del bambù secondo van der Lugt et al (2005)
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Infine si confronta l’effetto della velocità di crescita e maturazione del bambù rispetto al legno, quale altro materiale
ecosostenibile; la tabella seguente dimostra che il bambù è 3-4 volte più efficiente in termini di produzione annuale.
Fig. 25: Confronto produttività bambù/legno
Gli autori dello studio considerano i risultati ancora preliminari, ma comunque prudenziali rispetto all’effettiva potenzialità
ambientale del bambù. Nonostante ciò il giudizio espresso sulla scorta delle analisi accennate è favorevole,
Avvertono tuttavia che l’uso in modalità improprie rapidamente porta ad una erosione dei benefici e che a tal fine devono
essere condotte analisi più accurate.
7. Conclusioni
La precedente disamina qualitativa delle potenzialità del bambù come materiale da costruzione, in coesistenza con le
tradizionali tecniche costruttive, ha fornito un quadro delle sue notevoli proprietà meccaniche, soprattutto nelle direzioni
secondo le quali la Natura lo ha “progettato”. Tali proprietà sono utilizzabili con le tecnologie attuali per ottenere dei
prodotti di trasformazione di elevata efficienza statica. E’ da rimarcare ulteriormente che le proprietà meccaniche e le
metodologie di prova cominciano ad essere codificate soprattutto da quei paesi dove il bambù è un materiale che fa
parte del bagaglio costruttivo storico. Ciò deve far riflettere sui dati che circolano in ambito commerciale, sia in senso
propositivo, considerando la notevole capacità resistente del materiale, sia in senso opposto valutando criticamente
prestazioni elevatissime che, come visto, sono di estrema aleatorietà.
E’ nostra opinione che, con i dati a disposizione e sulla scorta delle ricerche condotte ed in corso, è possibile introdurre
nel settore delle costruzioni tale materiale già nella forma di culmo. Questa prima nota ha cercato di gettare le basi per
instaurare un corretto quadro meccanico sul materiale, ed in successive note si esporranno degli studi comparativi con le
soluzioni tradizionali.
E’ quindi giusto inserire il bambù nel contesto ben definito di alcune classi di costruzioni, sgomberando il campo dalla
pretesa di superare i limiti che la Natura gli ha “prescritto per costruzione”.
8. Riferimenti
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[2] L. Osorio, E.Trujillo, A.W. Van Vuure, F. Lens, J. Ivens, I. Verpoest "The Relation Between Bamboo Fibre
Microstructure And Mechanical Properties" 14th European Conference On Composite Materials - Budapest, Hungary
[3] T. Tada, K. Hashimoto & A. Shimabukuro "On characteristics of bamboo as structural materials" in Challenges,
Opportunities and Solutions in Structural Engineering and Construction – Ghafoori (ed.) 2010
[4] Amada, S. , Untao, S. 2001. "Fracture properties of bamboo". Part B 32 (2001) 451–459.
[5] Ghavami, K. et al. 2003. "Bamboo: Functionally Graded Composite Material." Asian Journ. of Civil Eng.Vol. 4, No. 1
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18
[6] Ghavami, K. 2005. "Bamboo as reinforcement in structural concrete elements." Cement & Concrete Composites 27
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[7] Yao, W. & Li, Z. 2003. "Flexural behavior of bamboo-fiberreinforced mortar laminates". Cement & Concrete Research
33 (2003)
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de
Ingeniería
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Normas
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de
diseño
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(NSR-98), Asociación colombiana de Ingeniería Sísmica, Bogotá, Colombia, 1997
[12] Wan Tarmeze Wan Ariffin "Numerical Analysis of Bamboo and Laminated Bamboo Strip Lumber" Research Project
2002-2005 - Sponsor Government of Malaysia
[13 ] Fotografie Studio Zuarq – Bogotà www.zuarq.co
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