BANCO TEMÁTICO DE ENCOFRADOS FIERRERÍA - TOMO V

SERVICIO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN, NORMALIZACIÓN Y CAPACITACIÓN PARA LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN

GERENCIA DE FORMACIÓN PROFESIONAL PROYECTO D 36 – 2,001

BANCO TEMÁTICO DE ENCOFRADOS FIERRERÍA

TOMO V LIMA, SEPTIEMBRE DEL 2,002

SENCICO

BANCO TEMÁTICO

NOVIEMBRE 2001

ENCOFRADOS FIERRERÍA

CONSEJO DIRECTIVO NACIONAL DEL SENCICO



CÉSAR ALVA DEXTRE Presidente Ejecutivo



LIC. OSCAR ALARCÓN DELGADO Vicepresidente del Consejo Directivo Representante de los Trabajadores de la Industria de la Construcción



DR. ANTONIO MANZUR BARRIOS Representante del Ministerio de Educación



DRA. MANUELA GARCÍA COCHAGNE Representante del Ministerio de Trabajo y Promoción del Empleo



INGº ANTONIO BLANCO BLÁSCO Representante de la Universidad Peruana



SR. VICENTE APONTE NUÑEZ Representante de los Trabajadores de la Industria de la Construcción



INGº LUÍS ISASI CAYO Representante de las Empresas Aportantes; designado por CAPECO



INGº JUAN SARMIENTO SOTO Representante de las Empresas Aportantes; designado por CAPECO

PRESENTACIÓN – TOMO I REFERENCIA: SENCiCO – GERENCIA DE FORMACIÓN PROFESIONAL – PROY D 36 – 2,001

SENCICO

BANCO TEMÁTICO

NOVIEMBRE 2001


GERENTE DE FORMACIÓN PROFESIONAL 

INGº NICOLÁS VILLASECA CARRASCO

EQUIPO DE TRABAJO

  

COORDINACIÓN PROYECTO

: Prof. JOSÉ ALBERTO MASÍAS CASTRO

COORDINACIÓN ELABORACIÓN

: Prof. JOSÉ ANTONIO BARRENACHEA SALINAS

ELABORACIÓN

: Ingº.

FERMÍN JIMÉNEZ MURILLO

Instr. GERMÁN ALBERTO PALOMINO GONZÁLES 

DIAGRAMACIÓN FINAL

: Prof. JOSÉ ANTONIO BARRENACHEA SALINAS

SAN BORJA, SEPTIEMBRE DEL 2,002


SENCICO NOVIEMBRE 2001

BANCO TEMÁTICO ENCOFRADOS FIERRERÍA

PRESENTACIÓN

El presente documento denominado “BANCO TEMÁTICO DE ENCOFRADOS FIERRERÍA”; contiene información bibliográfica adicional a las hojas de información tecnológica del curso modular de encofrados fierrería. El Banco Temático tiene como propósito la estandarización del aprendizaje de los alumnos del nivel operativo y del nivel técnico; así como de instructores y profesores, en el ámbito nacional y por ende el desempeño laboral de los educandos o del desempeño docente de los segundos. Permitirá que instructores, profesores y alumnos de los cursos de calificación ocupacional del nivel operativo y de los institutos de educación superior, tengan al alcance información escrita adicional de consulta, que les permita estar actualizados o preparados. A instructores y profesores a diseños de cursos de capacitación específica no previstos y a los alumnos a los retos de las nuevas tecnologías, la solución de problemas y el aprender a aprender. Las informaciones técnicas, que se presentan en siete (07) tomos, están organizadas en 14 temas relacionados a un aspecto significativo de encofrados fierrería, provienen de diversas fuentes, sean autores o instituciones, la misma que consta en el documento. Es necesario tener presente que la información que contiene el Banco Temático, es únicamente para el uso en las Bibliotecas del SENCICO, como material de estudio o de consulta, por lo que está terminantemente prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio. Cabe señalar que el Banco Temático, como todo documento educativo, será motivo de reajustes permanentes, con la inclusión de temas complementarios a los existentes o de nuevos; por lo que para que cumpla su cometido, será permanentemente actualizado. En tal sentido los aportes y sugerencias de los usuarios serán recibidos con el reconocimiento de la Gerencia de Formación Profesional del SENCICO.

GERENCIA DE FORMACIÓN PROFESIONAL


SENCICO

BANCO TEMÁTICO

NOVIEMBRE 2001


INDICE TOMO I A SUELOS A 01

Formación y Propiedades de los Suelos para Cimentación de Estructuras – Tecnología de la Constr. – J. Pacheco Z. - SENCICO

01 al 07

A 02

Construcción de Estructuras - Manual de Obra - H. Gallegos y otros - CAPECO

08 al 13

A 03

Tablas Técnicas - Agenda del Constructor

14 al 21

A 04

Mecánica de Suelos - Procedimientos Constructivos en Albañilería III - A. Odar C. - SENCICO

22 al 27

A 05

Suelos y Estabilización - La Construcción con Tierra - SENCICO

28 al 34

A 06

Características de Suelos y Rocas - Biblioteca del Ingeniero Civil - Tomo V - Fletcher / Smoots - Limusa

35 al 40

B MOVIMIENTO DE TIERRAS B 01

Los Movimientos de Tierras - Tecnología de la Construcción - G.Baud

01 al 30

B 02

Excavaciones - Biblioteca del Ingeniero Civil - Tomo - Fletcher / Smoots - Limusa

31 al 37

B 03

Apuntalamientos y Arriostramientos - Biblioteca del Ingeniero Civil – Tomo - Fletcher / Smoots - Limusa

38 al 47

B 04

Rellenos - Biblioteca del Ingeniero Civil - Tomo - Fletcher / Smoots - Limusa

48 al 52

C TRAZADO Y REPLANTEO - NIVELACION C 01 Trazado y Excavación de Cimientos – Cimientos - A. Hidalgo B. - CEAC

01 al 10

C 02 Trazado y Replanteo, Niveles de Obra - El maestro de obra - J. Pacheco Z. - SENCICO

11 al 23

D CIMENTACIONES D 01 Construcción de los Cimientos – Cimientos - A. Hidalgo B. - CEAC

01 al 23

D 02 Cálculo de Dimensiones – Cimientos - A. Hidalgo B. - CEAC

24 al 29

D 03 Pilotes – Cimientos - A. Hidalgo B. - CEAC

30 al 38

D 04 Lesiones y Reparación de Cimientos – Cimientos - A. Hidalgo B.- CEA

39 al 53

D 05 Las Cimentaciones - Tecnología de la Construcción - G.Baud

54 al 89

D 06 Patología de las Cimentaciones - Cimentaciones. de Concreto Armado en Edificaciones – C. Casabonne – ACI - Perú

90 al 102

D 07 Cimentaciones - Biblioteca del Ing. Civil - Tomo V - Fletcher – Smoots - Limusa

103 al 111

D 08 Asentamientos - Biblioteca del Ing. Civil - Tomo V - Fletcher – Smoots - Limusa

112 al 117

D 09 Cimentaciones en Pilotes - Biblioteca del Ing. Civil - Tomo V - Fletcher – Smoots - Limusa

118 al 129

D 10 Resistencia del Terreno – Generalidades sobre Cimentaciones. - Manual Básico del Ingeniero Residente - R. Castillo A. - CAPECO

130 al 136

D 11 Cimentación o Fundación - Manual Básico del Ingeniero Residente - R. Castillo A. - CAPECO

137 al 144

TOMO II D 12 Cimentación - Enciclopedia de la Construcción - H. Schmith - Limusa

145 al 185

D 13 Cimentaciones Profundas – Pilotes - Cimentaciones de Concreto .Armado en Edificaciones – J. Alva H. - ACI - Perú

186 al 193

D 14 Diseño de Calzaduras - Cimentaciones de Concreto Armado en Edificaciones - C. Casabonne - ACI - Perú

194 al 198

D 15 Fundaciones - Manual del Arquitecto y del Constructor - Kidder – Parker - UTEHA

199 al 283

D 16 Cimentaciones Para Edificios Poco Pesados - Manual del Arquitecto y del Constructor – Kidder – Parker - UTEHA

284 al 305

E CONCRETO E 01

Concreto - Construcción de Estructuras - Manual de Obra - H. Gallegos y otros - CAPECO

01 al 13

E 02

Tecnología del Concreto - El Maestro de Obra - J. Pacheco Z. - SENCICO

14 al 23

E 03

La Naturaleza del Concreto y Materiales - Tecnología del Concreto - E. Rivva L. - ACI - Perú

24 al 42

E 04

Pisos y Losas - Tecnología de la Construcción - G.Baud

43 al 62

E 05

Probetas de Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico – ASOCEM

63 al 65

E 06

Curado del Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

66 al 68

E 07

El Ensayo de Consistencia del Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

69 al 72

E 08

Aditivos para el Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

73 al 75

E 09

Mezclado del Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico- ASOCEM

76 al 78

E 10

La Contaminación de los Agregados - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

79 al 82

E 11

Características físicas de los agregados - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

83 al 86


SENCICO

BANCO TEMÁTICO

NOVIEMBRE 2001


E 12

Testigos del Concreto Endurecido - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

87 al 88

E 13

El Concreto Pesado - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

89 al 90

E 14

Aplicaciones Diversas del Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

91 al 92

E 15

Agua de Amasado y Curado para Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

93 al 94

E 16

La vigencia de los pavimentos de Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

95

E 17

El Concreto Premezclado - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

96 al 98

E 18

El bloque de concreto en albañilería - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

99 al 101

E 19

El Cemento Pórtland y su Aplicación en Pavimentos - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

102 al 104

E 20

Muros de Contención con Bloques de Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

105 al 106

E 21

El Concreto Fast Track en Recuperación y Rehabilitación de Pavimentos – CEMENTO Boletín Técnico - ASOCEM

107 al 111

E 22

La Resistencia a la Tracción del Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

112 al 114

E 23

Evaluación del Concreto por el Esclerómetro - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

115 al 117

E 24

Pruebas de Carga de Estructuras - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

118 al 120

E 25

La Forma de los Agregados - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

121 al 122

E 26

El Fraguado en el Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

123 al 124

E 27

Súper Plastificantes - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

125 al 126

E 28

Tipos de Pavimentos de Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico – ASOCEM

127 al 129

E 29

Almacenamiento del Cemento y Agregados en Obra - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

130

E 30

Materiales (Para Concreto) - Diseño de Estructuras de Concreto - Nilson / Winter - McGraw Hill

131 al 148

E 31

Conceptos Generales del Concreto y los Materiales para su Elaboración - Tópicos de Tecnología del Concreto - E. Pasquel C. El Cemento Pórtland - Tópicos de Tecnología del Concreto - E. Pasquel C.

149 al 150 151 al 169

E 32

TOMO III E 33

El Agua en el Concreto - Tópicos de Tecnología del Concreto - E. Pasquel C.

170 al 173

E 34

Los agregados para el Concreto - Tópicos de Tecnología del Concreto - E. Pasquel C.

174 al 194

E 35

Aditivos para el Concreto - Tópicos de Tecnología del Concreto – E .Pasquel C.

195 al 201

E 36

Propiedades Principales del Concreto - Tópicos de Tecnología del Concreto - E. Pasquel C.

202 al 207

E 37

La Durabilidad del Concreto - Tópicos de Tecnología del Concreto - E. Pasquel C.

208 al 220

E 38

Materiales (Para Concreto) - Diseño Simplificado de Concreto Reforzado - H. Parker - LIMUSA

221 al 224

E 39

Proporcionamiento y Mezclado - Diseño Simplificado de Concreto Reforzado -H. Parker - LIMUSA

225 al 233

E 40

Poliestireno expandido - Catálogo de Aislador

234 al 236

F ENCOFRADOS F 01

Encofrados - El Maestro de Obra - J. Pacheco Z. - SENCICO

01 al 9

F 02

Encofrados - Construcción de Estructuras - Manual de Obra - H. Gallegos y otros - CAPECO

10 al 17

F 03

Encofrados - Construcción de Estructuras - Manual de Obra - H. Gallegos y otros - CAPECO

18 al 88

F 04

Construcción de Elementos para Encofrados de Madera – Varios - SENA

89 al 119

F 05

Economía del Encofrado – Propiedades del Hormigón – Encofrados para Estructuras de Hormigón – R.L. Peurifoy - McGraw Hill

120 al 143

F 06

Propiedades de los Materiales para Encofrados. - Encofrados para Estructuras de Hormigón – R.L. Peurifoy - McGraw Hill

144 al 157

F 07

Cálculo de Encofrados - Encofrados para Estructuras de Hormigón - R.L. Peurifoy - McGraw Hill

158 al 174

F 08

Puntales y Andamios - Encofrados para Estructuras de Hormigón - R.L. Peurifoy - McGraw Hill

175 al 189

F 09

Rotura de Encofrados – Cimentaciones – Encofrados para Estructuras de Hormigón – R.L. Peurifoy - McGraw Hill

190 al 204

TOMO IV F 10

Encofrados de Muros - Encofrados para Estructuras de Hormigón - R.L. Peurifoy - McGraw Hill

205 al 228

F 11

Encofrados de Pilares - Encofrados para Estructuras de Hormigón - R.L. Peurifoy - McGraw Hill

229 al 242

F 12

Encofrados de Vigas y Forjados - Encofrados para Estructuras de Hormigón - R.L. Peurifoy - McGraw Hill

243 al 259

F 13

Encofrados Prefabricados para Forjado de Hormigón – Encofrados para Estructuras de Hormigón – R.L. Peurifoy - McGraw Hill

259 al 277

F 14

Encofrados de Cubiertas Laminares - Hormigón Ornamental - Encofrados para Estructuras de Hormigón – R.L. Peurifoy - McGraw Hill

278 al 301

F 15

Encofrados Deslizantes - Encofrados para estructuras de Hormigón - R.L. Peurifoy - McGraw Hill

302 al 313

F 16

Los Encofrados Deslizantes, técnicas y Utilización - Manual de Obra - J. Gallegos C. - CAPECO

314 al 400

F 17

Encofrados Metálicos - Catálogo Uni Span - Uni Span

401 al 411


SENCICO

BANCO TEMÁTICO

NOVIEMBRE 2001


G ACERO ESTRUCTURAL G 01 La Corrosión del Acero por Cloruros en el Concreto - CEMENTO - Boletín Técnico - ASOCEM

01 al 02

G 02 Vigas de Acero - Ingeniería Simplificada para Arquitectos y Constructores - H. Parker - LIMUSA

03 al 30

G 03 Columnas de Acero - Ingeniería Simplificada para Arquitectos y Constructores - H. Parker - LIMUSA

31 al 47

G 04 Manual de Aplicación - Barras de Construcción - Manual de Aplicación - Aceros Arequipa

48 al 57

TOMO V H CONCRETO PRETENSADO H 01 Concreto Pretensado - Concreto Pretensado - M. Paya - CEAC

1 al 7

H 02 Hormigón Pretensado - Enciclopedia de la Construcción - Edit.Tec.As.

8 al 23

H 03 Concreto Preesforzado - Diseño de Estructuras de Concreto - Nilson – Winter - McGraw Hill

24 al 34

H 04 Concreto Preesforzado - Diseño Simplificado de Concreto Reforzado - H. Parker - LIMUSA

35 al 43

I LA MADERA ESTRUCTURAL I 01

Características y Clasificación de la Madera - Diseño Simplificado de Estructuras de Madera – H. Parker - LIMUSA

01 al 04

I 02

Esfuerzos de trabajo para madera estructural - Diseño Simplificado de Estructuras de Madera – H. Parker - LIMUSA

05 al 11

I 03

Pisos de tablones y laminados - Diseño Simplificado de Estructuras de Madera – H. Parker - LIMUSA

12 al 17

I 04

Conectores para madera - Diseño Simplificado de Estructuras de Madera – H. Parker - LIMUSA

18 al 34

I 05

Paredes de madera (entramados) - Diseño Simplificado de Estructuras de Madera – H. Parker - LIMUSA

35 al 39

I 06

Madera Laminada - Diseño Simplificado de Estructuras de Madera – H. Parker - LIMUSA

40 al 46

I 07

Construcciones de Trplay - Diseño Simplificado de Estructuras de Madera – H. Parker - LIMUSA

47 al 49

I 08

Características y Propiedades de la Madera - Manual de Diseño para Maderas del GRAN – Junta de Acuerdo de Cartagena

50 al 70

I 09

Conversión, Secado y Protección de la Madera - Manual de Diseño para Maderas del GRAN – Junta de Acuerdo de Cartagena

71 al 87

I 10

La Madera Material de Construcción - Manual de Diseño para Maderas del GRAN – Junta de Acuerdo de Cartagena

88 al 107

I 11

Detalles Constructivos - Manual de Diseño para Maderas del GRAN – Junta de Acuerdo de Cartagena

108 al 138

I 12 A Detalles constructivos - Manual de Diseño para Maderas del GRAN – Junta de Acuerdo de Cartagena

139 al 153

I 12 B Detalles constructivos - Manual de Diseño para Maderas del GRAN – Junta de Acuerdo de Cartagena

154 al 173

I 13 A Protección por Diseño - Manual de Diseño para Maderas del GRAN – Junta de Acuerdo de Cartagena

174 al 189

I 13 B Protección por Diseño - Manual de Diseño para Maderas del GRAN – Junta de Acuerdo de Cartagena

190 al 201

I 13 C Protección por Diseño - Manual de Diseño para Maderas del GRAN – Junta de Acuerdo de Cartagena

202 al 216

I 14

Propiedades de la Madera - Cartilla de Construcción con Madera - Junta de Acuerdo de Cartagena

217 al 229

I 15

Secado de la madera - Cartilla de Construcción con Madera - Junta de Acuerdo de Cartagena

230 al 235

TOMO VI I 16

Preservación de la Madera - Cartilla de Construcción con Madera - Junta de Acuerdo de Cartagena

236 al 244

I 17

Tableros a Base de Madera para Uso de la Construcción. - Cartilla de Construcción con Madera – Junta de Acuerdo de Cartagena

245 al 250

I 18

Sistemas Estructurales - Cartilla de Construcción con Madera - Junta de Acuerdo de Cartagena

251 al 263

I 19

Uniones Estructurales - Cartilla de Construcción con Madera - Junta de Acuerdo de Cartagena

264 al 274

J ESCALERAS J 01

Escaleras - Tecnología de la Construcción - G. Baud

01 al 13

K MAQUINARIA DE CONSTRUCCION K 01 Equipo - El equipo y su Costos de Operación - J. Ramos S. - CAPECO

01 al 47

K 02 Equipos de Movimientos de Tierras - Tecnología de la Construcción - G. Baud

48 al 64

L VARIOS, TABLAS Y EQUIVALENCIAS L 01

Fuerzas y Esfuerzos - Ingeniería Simplificada para Arquitectos y Constructores - H. Parker - LIMUSA

01 al 13

L 02

Momentos y Reacciones - Ingeniería Simplificada para Arquitectos y Constructores - H. Parker - LIMUSA

14 al 22

L 03

Cortante y Momento Flexionante - Ingeniería Simplificada para Arquitectos y Constructores – H. Parker - LIMUSA

23 al 38

L 04

Teoría de la Flexión y Propiedades de las Secciones - Ingeniería Simplificada para Arquitectos y Constructores – H. Parker - LIMUSA

39 al 58

L 05A Tablas Técnicas - Agenda del Constructor – Varios

59 al 91

L 05B Tablas Técnicas - Agenda del Constructor - Varios

92 al 128


SENCICO

BANCO TEMÁTICO

NOVIEMBRE 2001 L 06


Simbología - Estructuras Metálica - Manual de Aplicación - Barras de Construcción - Aceros Arequipa

129 al 130

M SEGURIDAD, HIGIENE Y SALUD EN CONSTRUCCION M 01 A Manual de Prevención de Accidentes en la Construcción - Consejo Interamericano de Seguridad

01 AL 23

TOMO VII M 01 B Manual de Prevención de Accidentes en la Construcción - Consejo Interamericano de Seguridad

24 AL 55

M 01 C Manual de Prevención de Accidentes en la Construcción - Consejo Interamericano de Seguridad

56 al 77

M 01 D Manual de Prevención de Accidentes en la Construcción - Consejo Interamericano de Seguridad.

78 al 96

M 01 E Manual de Prevención de Accidentes en la Construcción - Consejo Interamericano de Seguridad

97 al 110

M 01 F Manual de Prevención de Accidentes en la Construcción - Consejo Interamericano de Seguridad

111 al 125

M 01 G Manual de Prevención de Accidentes en la Construcción - Consejo Interamericano de Seguridad

126 al 148

M 01 H Manual de Prevención de Accidentes en la Construcción - Consejo Interamericano de Seguridad

149 al 168

M 02 Disposiciones Generales - Seguridad e Higiene en la Construcción Civil - OIT

169 al 173

M 03 Generalidades - Organización - Orden y Limpieza – SH en la Constr. Civil - Resumen Residente Obra Edificaciones. SENCICO

174 al 178

M 04 Señalización - Seguridad e Higiene en la Construcción Civil - Resumen Residente Obra Edificaciones

179 al 187

M 05 Protección Personal - Riesgos Higiénicos SH en la Construcción Civil - Resumen Residente Obra Edificaciones - SENCICO

188 al 192

M 06 Prevención de Accidentes en las Excavaciones para la Construcción. - La Positiva Seguros y Reaseguros

193 al 204

M 07 Prevención de Accidentes en Supervisión de Trabajo en Construcción de Edificios - La Positiva

205 al 224

M 08 Manejo Manual de Materiales en la Construcción - La Positiva

225 al 239

M 09 Manual de Investigación de Accidentes e Incidentes - La Positiva

240 al 244

M 10 Seguridad e Higiene Ocupacional en el Sector de la Industria de la Construcción - SENCICO

245 al 253

N. PREVENCION CONTRA SISMOS E INCENDIOS N 01 Diseño Sísmico - Diseño de Estructuras de Concreto - Nilson – Winter - McGraw Hill

01 AL 09

N 02 Principios Básicos del Diseño y Construcción Antisísmica – Terremotos - F. Oshiro -UPSMP

10 AL 17

N 03 Prevención de Incendios - Prevención de Incendios - J. A. Barrenechea – Ministerio de Pesquería

18 AL 49

N 04 La Estructura del Edificio de Albañilería - Diseñando y Construyendo con Albañilería - H. Gallegos V. – La Casa

50 AL 57


BANCO TEMÁTICO


ENCOFRADOS FIERRERÍA CONCRETO PRETENSADO

No he podido excluir la cerámica pretensada, elemento constructivo que ha de tener mucha importancia en un futro no muy lejano por las indiscutibles ventajas que presenta. Como colofón a este libro se ha expuesto brevemente una visión futura del hormigón pretensado, así como una mención del cemento “LOSSIER”. He escrito este libro con sumo interés y con la sola esperanza de que su contenido sea útil a todos aquellos que trabajan en la construcción o estén relacionados con ella.

GENERALIDADES IDEA DE HORMIGON PRETENSADO El hormigón pretensado consiste en eliminar los esfuerzos de tracción del hormigón mediante la introducción de tensiones artificiales de compresión antes de la aplicación de las cargas exteriores y que, superpuestas con éstas, las tensiones totales permanentes, y para todas las hipótesis consideradas queden comprendidas entre los límites que el material puede soportar indefinidamente. Al salir una viga pretensada, del taller toda la sección trabajada a compresión y la repartición de esfuerzos es un diagrama triangular (fig. 1a), teniendo un valor cero en el vértice superior y al fatiga máxima admisible para el hormigón en la parte inferior. Este diagrama se logra mediante un detallado estudio de la repartición de los alambres y empieza a tener efecto en el momento de transmitir al hormigón el esfuerzo total de pretensado (operación de destensado).

Figura 1 Al entrar en servicio en la obra, en la viga tiene lugar unos esfuerzos de compresión y tracción (diagrama b de fig. 1) que sumados con el esfuerzo de pretensado de la viga, resulta un diagrama cuya sección está sometida íntegramente a compresión (diagrama c de fig. 1), obteniéndose, de esta manera un elemento trabajando a flexión en el que se han eliminado totalmente los esfuerzos de tracción. Algunas veces se aprovecha la resistencia a tracción del hormigón aceptando fatigas admisibles del 2 orden de 6 kg/cm . No obstante, es costumbre no tenerlo en cuenta para mayor seguridad ya que dentro de los ensayos a tracción del hormigón existe una notoria dispersión en los resultados (fig. 2)

Figura 2 y 3 Asimismo, puede obtenerse un diagrama total en el que la parte inferior trabaja a compresión sin llegar a alcanzar el valor cero (fig. 3), correspondiendo al momento útil de la viga. De esta manera se alcanza un mayor coeficiente de seguridad a la fisura.

TEMA: CONCRETO PRETENSADO AUTOR: CONCRETO PRETENSADO – M. PAYA - CEAC SENCICO

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Figura 4 Cuando se va cargando sucesivamente la viga se rebasa la resistencia a tracción del hormigón rápidamente la fisuración, ya que los alambres ofrecen poca resistencia por estar tensados hasta cerca de su límite elástico. De ahí, pues, que el intervalo existente entre el momento útil de la viga y su momento de fisuración es muy reducido. La figura 4 muestra esquemáticamente el proceso de pretensado así como las consecuencias que de él se derivan al aplicarlo a una viga. La fase 1 indica la longitud de un alambre sin tensar. Al aplicar un esfuerzo de tensión, dicho alambre sufre un alargamiento (fase 2). Una vez en tensión se hormigona la pieza quedando los alambres embebidos en la masa (fase 3). Cuando el hormigón está suficientemente endurecido se procede al destensado, transmitiéndose el esfuerzo al hormigón por adherencia en la fabricación de vigas de dimensiones modestas, y por anclaje terminal, en los casos de vigas grandes. Con el desentensado la pieza experimenta un acortamiento, complementado por una deformación plástica bajo el esfuerzo transmitido (fluencia) y de un relajamiento del acero con el transcurso del tiempo (fase 4). Todos estos fenómenos traen como consecuencia una pérdida de tensión en el acero que hay que reducir en lo posible. Una precaución importante es de dejar bien anclados los alambres en las placas de los macizos de amarre ya que un pequeño deslizamiento de la armadura se traduciría en una pérdida de tensión de capital importante. Las viguetas recibidas en obra, presentan, normalmente, una contraflecha debido a que la parte inferior de la vigueta sufre un acortamiento mientras que en la parte superior no ha habido deformación alguna puesto que el hormigón no está comprimido. Esta contraflecha es favorable, ya que al colocar la vigueta en obra para efectuar el forjado, ésta desaparece debido al peso que sobre ella gravita. En sus condiciones normales de apoyo, las viguetas no deben presentar una contraflecha superior al quinientosavo de su longitud.

Figura 5

DIFERENCIA ENTRE HORMIGON ARMADO Y HORMIGON PRETENSADO El hormigón pretensado consta de los mismos materiales que el hormigón armado: hormigón y acero. En hormigón armado solamente trabaja a compresión la parte de hormigón que se halla por encima de la fibra neutra, siendo el acero el que soporta los esfuerzos de tracción (fig. 5). En cierto modo, la armadura puede considerarse como un hormigón ficticio con elevada resistencia a la tracción y que tiene por función reemplazar al hormigón sometido a causa de los alargamientos excesivos. En hormigón pretensado la armadura es una fuerza creada artificialmente con el único fin de conseguir que la sección entera trabaje a compresión, eliminándose los esfuerzos de tracción y por tanto la fisuración.


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NOVIEMBRE 2001


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VENTAJAS DEL HORMIGON PRETENSADO Son numerosas y entre las más importantes descuellan las siguientes: a) Eliminación de fisuras por estar sometido a esfuerzos de compresión bajo todas las hipótesis de carga. b) Comportamiento elástico y utilización de la sección total. c) Permite salvar grandes luces con cantos muy reducidos. d) Ahorro de acero debido a la posibilidad de utilizar totalmente la armadura hasta cerca de su límite elástico y, como consecuencia, una reducción en la cuantía. e) Aligeramiento de la construcción y, por tanto, reducción de las secciones de elementos sustanciales como pilares y cimientos. f) Eleva la durabilidad de la construcción. Salta a la vista, la importancia que tiene el hormigón pretensado. No obstante, ofrece algunas desventajas como la aplicación del pretensado en obras de pequeña y mediana importancias, así como en la fabricación de elementos pretensados en serie donde se necesitan grandes inversiones de capital para efectuar las instalaciones.

RESUMEN HISTORICO La idea relativa al hormigón pretensado es ya antigua. Doehring fue el que, en 1888, expuso claramente por primera vez el concepto de la precompresión. La aplicación práctica de estos conocimientos no tuvo éxito ya que no se disponían de materiales adecuados. Posteriormente, en 1907, Koenen volvió sobre el principio de precompresión, asentado anteriormente por Doehring y estudió su aplicación en obras de ingeniería para sustituir el hormigón armado. Un sector de aplicación fue en los ferrocarriles para evitar la fisuración y, consecuentemente, la oxidación, pero debido a la baja tensión dada al acero no se pudo compensar la pérdida de tensión dada al acero no se pudo compensar la pérdida de tensión causada por la tracción y la deformación plástica del hormigón. Como consecuencia de estos fracasos, fue abandonada la investigación sobre el hormigón pretensado y no fue hasta en el año 1928 que Freyssinet (ingeniero francés) diera a conocer la necesidad de emplear materiales de alta calidad. Los aceros empleados hasta entonces tenían un límite elástico muy bajo y la tensión quedaba anulada por los fenómenos antes citados. Los hormigones no tenían compacidad y se desconocían algunos principios básicos sobre la granulometría, relación agua-cemento, vibración, etc. Fue esta gran ingeniero francés que dio las directrices a seguir para la nueva forma de construcción, y que dimanaron de los profundos estudios y experiencias llevados a término por él mismo. Freyssinet aclaró, ante todo, el comportamiento plástico del hormigón bajo el esfuerzo de pretensado. También hizo importantes declaraciones sobre las deformaciones por contracción y estudió ampliamente la deformación diferida. Aconsejó el empleo de hormigones de alta calidad y aceros de elevado límite elástico. Después de Freyssinet aparecieron importantes investigadores, destacándose entre ellos Finsterwalder, Hoyer, Magnel, etc. Fue Hoyer el que introdujo el anclaje del acero en el hormigón por adherencia mediante el empleo de alambres de “cuerda de piano’ con lo que se consigue una mayor regularidad en la transmisión del esfuerzo terminal de la armadura. Los alambres empleados (cuerdas de piano) son de acero de alta resistencia de 0’50 a 2 mm. de diámetro y una resistencia a la rotura que oscila entre 12.000 y 22.000 kg/cm2. Los dispositivos tensores se sueltan una vez el hormigón está suficientemente endurecido. El hormigón pretensado con cuerdas de piano “Hoyer” resulta ideal para la fabricación de vigas de cualquier longitud y forma, tuberías de agua a presión, depósitos para líquidos, postes eléctricos, placas, traviesas de ferrocarril, y otras muchas más aplicaciones.

APLICACIONES Son numerosas las aplicaciones del hormigón pretensado, tanto en forma de elementos para la construcción de viviendas y edificios industriales como en las grandes y atrevidas obras de ingeniería. En el aspecto económico, es cierto que el campo del hormigón pretensado se extiende en detrimento del hormigón armado. No obstante, la sustitución por el hormigón pretensado del hormigón armado es un hecho que no tendrá lugar en un futuro próximo. Existen todavía numerosos problemas que resolver en cuanto a la aplicación del hormigón pretensado en obras de pequeña importancia y su empleo resultaría antieconómico. TEMA: CONCRETO PRETENSADO AUTOR: CONCRETO PRETENSADO – M. PAYA - CEAC SENCICO

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Viguetas Es la fabricación más importante y la que se ha desarrollado más eficazmente. Su fabricación se efectúa en serie y requiere importantes inversiones de capital. Generalmente, las fábricas más destacadas poseen instalaciones de calefacción y curado, con lo cual se reduce a un mínimo el cilco de la fabricación. El curado de las viguetas se hace comúnmente por inmersión de las mismas en agua; para ello es necesaria la existencia de unas amplias balsas que, generalmente, se hallan al final de la nave de producción para aprovechar los movimientos de los puentes grúa. Una vez han sido curadas, pasan al parque o al almacén y de allí se procede al suministro en las obras. El curado de vapor es muy efectivo y rápido pero las instalaciones son excesivamente costosas. El movimiento de las piezas terminadas se realiza mediante puentes-grúa que se desplazan a lo largo de la nave de producción. Asimismo, la mayoría de las fábricas poseen un laboratorio en el que se llevan a cabo ensayos de granulometría de los áridos, ensayos de viguetas a la rotura y fisuración, y rotura de probetas para determinar la resistencia del hormigón. Las dimensiones de estos elementos son variadas. Para edificios destinados a viviendas con crujías normales, se emplean las alturas de 16 a 23 centímetros. Para sobrecargas mayores –almacenes, fábricas, garajes, etcétera- se emplean alturas superiores. actualmente, la mayoría de las fábricas dedicadas a la producción de viguetas pretensadas, suministran jácenas con destino a cargaderos, división de crujías, etc. alcanzándose normalmente momentos flectores entre 3.000 y 10.000 kgm (fig.6)

Canales para regadío Hasta ahora su comportamiento ha resultado altamente satisfactorio, ya que se evita la fisuración tan frecuente en los canales construidos de hormigón armado. La sección de los canales semicircular o muy parecida a ésta, realizándose el pretensado en el sentido longitudinal.

Figura 6 Jácena de hormigón pretensado lista para su colocación en obra.

Pistas para carreteras y aeropuertos El empleo de hormigón pretensado en estas obras presenta notables ventajas técnicas. Se reduce el grosor del pavimento, se suprimen las juntas de dilatación y proporciona una economía muy importante en lo que atañe a la conservación. El empleo del hormigón pretensado en la construcción de carreteras todavía está en una fase experimental, pero sin duda alguna, se prevé una aplicación en gran escala. Tubería de alta presión. Se fabrican tuberías con presiones de servicio variables. El diámetro oscila entre 0,30 y 1,50 metros. Las ventajas técnicas y económicas hacen que sean aceptadas en la mayoría de obras importantes.

Traviesas para ferrocarril Estas deben ser ligeras, manejables y lo bastante resistentes para soportar los esfuerzos de las percusiones transmitidas por los carriles al paso de los trenes. Asimismo deben resistir indefinidamente a los efectos de la intemperie. El enorme consumo de madera que tuvo lugar durante la pasada guerra, dio lugar a una serie de ensayos de traviesas de hormigón que terminaron en la fabricación industrial en gran escala.


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Al principio tuvieron lugar algunos fracasos, pero después de las investigaciones llevadas a cabo por Freyssenet, se dedujo que la rotura era debida al esfuerzo cortante, como consecuencia del apoyo normal del carril, o por torsión debido a la mala distribución del balasto. El alambre empleado en la fabricación de traviesas es de armadura delgada (cuerdas de piano) y el anclaje es por adherencia con el hormigón, pudiéndose tensar simultáneamente varias traviesas. Corrientemente las fábricas dedicadas a la fabricación de traviesas poseen notorias y efectivas instalaciones de curado a vapor. Estas consisten en unas cámaras con vapor a presión y con temperatura que oscila entre 70 y 80 grados centígrados. Las traviesas se encuentran en condiciones de ser expedidas al cabo de 7 u 8 días de permanecer en dichas cámaras (figura 49). La fabricación de traviesas está muy extendida en Inglaterra, Francia y Alemania. Concretamente, la firma alemana Thormann und Stiefel, A G., tiene una producción anual de 200.000 traviesas pretensadas por año.

Depósitos La aplicación del hormigón pretensado se ha empleado ventajosamente en la construcción de grandes depósitos de agua. Como las tensiones de tracción del hormigón producidas por la presión del líquido, no deben sobrepasar de un determinado valor, a fin de evitar la fisuración, las armaduras se tensan. Mediante el pretensado se consigue una perfecta estanqueidad del depósito y, por tanto, la anulación de fisuras. Los Estados Unidos van a la vanguardia en la construcción de depósitos de hormigón pretensado, técnica que han desarrollado ampliamente, mientras que en Europa se ha dado más importancia a la fabricación de elementos pretensados sometidos a flexión. La solera más indicada para los depósitos es la formada por una losa monolítica de gunita, con una cuantía de armadura de 5% en cada dirección. Cuando el espesor del fondo no excede de 5 centímetros puede prescindir de las juntas de dilatación. Cuando el depósito se construye de hormigón se forma un encofrado circular vertical y en él se vierte la masa. Antes de aplicar el pretensado a los alambres, el hormigón tiene una edad mínima de siete días. Al hormigonar la pared del depósito se dejan unos huecos en el que se introducen posteriormente tirantes verticales que se fijan en sus extremos por anclajes embebidos en la masa del hormigón. El tensado de estos tirantes se realiza con gatos hidráulicos. a continuación se tensa la armadura periférica. Con el tensado de los tirantes verticales, se eliminan las grietas horizontales originadas durante el pretensado circular. Si la pared se construye de gunita se levanta un encofrado, para el paramento exterior solamente, y sobre él se lanza el hormigón con pistola (cement-gun). Seguidamente se dispone un zuncho pretensado de 5 mm. de diámetro anclado previamente a la pared. El espesor de la cubierta varía entre 5 y 15 centímetros según las dimensiones del depósito. Encima de la cimbra se coloca un mallazo metálico y a continuación se proyecta el hormigón. La figura 7 representa la sección vertical de un depósito circular con la disposición de la armadura.

Figura 7


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Puentes Actualmente el hormigón pretensado está desplazando al hormigón armado en la construcción de puentes. Resaltan las ventajas de economía, canto reducido de las vigas y el aspecto agradable del conjunto. La construcción de puentes puede hacerse de dos maneras: ”in situ” o mediante piezas fabricadas en taller que más tarde se acoplan en la obra. El primer sistema ha alcanzado gran desarrollo en Alemania, mientras que en Francia y otros países se ha optado por el segundo sistema. En la construcción de puentes se emplean cables de elevada resistencia. Una vez las piezas prefabricadas han sido colocadas en sus emplazamientos correspondientes, se hacen pasar los cables por los agujeros dejados en ellas previamente. El anclaje de los cables es terminal, es decir, que no existe adherencia entre el hormigón y la armadura a lo largo de la viga. Los cables se tensan después del endurecimiento del hormigón (postensado).

Figura 8 La figura 8 muestra un dispositivo de anclaje terminal muy corriente. Después de tensar la armadura mediante el gato hidráulico, se introduce a la pieza de acero A embebida en el hormigón, el cono B. Después de su fijación se sueltan los hilos del cable enhebrados en el gato hidráulico. A continuación se maciza con hormigón todo el dispositivo de anclaje. Posteriormente al anclaje de la armadura, se inyecta en la vaina hormigón a presión, macizándose así todo el conducto a lo largo de la pieza. En algunos puentes interesa volver a tensar los cables al cabo de cierto tiempo, debido a la pérdida de tensión que han sufrido; en este caso no se realiza la inyección del hormigón. Además de la armadura longitudinal, existe otra secundaria (estribos) para absorber el esfuerzo cortante, armadura que también suele tensarse. Puede también existir una armadura horizontal tensada (figura 9). En la figura 10 puede verse la disposición de los cables en una viga apoyada. Un problema de capital importancia que se presenta en este caso, es el rozamiento que tiene lugar en las zonas de curvatura de los cables.

Figura 9

Figura 10


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Otros elementos de hormigón pretensado Se fabrican también postes para la conducción de energía eléctrica, postes para vallas, pilotes, soportes de madera, placas, estructuras, etc.

Figura 11 La figura 11 representa un techo formado con placas pretensadas en forma de U. La figura 12 muestra una estructura de hormigón pretensado.

Figura 12 Estructura de hormigón pretensado.


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HORMIGÓN PRETENSADO A. EL MATERIAL HORMIGON PRETENSADO

1.

El hormigón pretensado es un material compuesto obtenido sometiendo el hormigón a unas compresiones previas o precompresiones que, aparte producir otros efectos, equilibrarán posteriormente los esfuerzos producidos por las cargas externas. La precompresión dada al hormigón puede tener lugar tesando los cables previamente al fraguado, apoyándose en cabezales externos a la pieza, hormigonando posteriormente y aflojando los cables, los cuales anclan entonces por adherencia. Otra variante es hormigonar primero las piezas, dejando los huecos tubulares para paso de cables, y precomprimirlas posteriormente apoyándose en sus extremos, obteniéndose la piezas postensadas. La terminología es algo confusa, puesto que la compresión se da al hormigón, en los dos casos, posteriormente a su fraguado y previamente a su utilización. Los prefijos pre y pos se refieren más bien al momento de tense del cable respecto al hormigonado de las piezas. Vamos a estudiar aquí únicamente los elementos pretensados por adherencia, que son los que se usan normalmente en la edificación. No existen en España actualmente normas oficiales concretas para la fabricación y cálculo de piezas de hormigón pretensado similares a la “Instrucción para el Proyecto y Ejecución de Obras de Hormigón en masa o armado”. Si hay, en cambio, cierta normativa en lo que se refiere concretamente a elementos prefabricados para pisos y cubiertas, que se tratará en el apartado correspondiente. El hormigón El hormigón está formado básicamente por cemento, áridos y agua, aparte de algún aditivo, en su caso, para conferirle determinadas propiedades, especialmente rapidez de fraguado, quedando poscritos todos los que pueden perjudicar sus resistencia o atacar a. Cemento El cemento empleado en la fabricación de elementos pretensados cumplirá las condiciones establecidas en el Pliego General vigente de Condiciones para la Recepción de los Conglomerantes hidráulicos (órdenes de 9 de abril y 24 de junio de 1964 y Resolución del 31 de diciembre de 1966), debiendo ser de la clase Pórtland normal, de categoría no inferior 1 a la 350, admitiéndose también el cemento puzolánico con la misma categoría mínima . Otras clases de cemento, aunque no específicamente prohibidas, requieren proceso y justificación especial. Las prescripciones y recomendaciones para el cemento en su uso en elementos pretensados son, como mínimo las correspondientes al hormigón armado, siendo conveniente, no obstante, extremarlas, dada la superior calidad que requiere en general el hormigón en estas piezas respecto al armado. Entre otras prescripciones, no deben mezclarse clases ni distintas marcas de cemento, no deberá emplearse en fábrica a temperatura superior a 70° y el almacenamiento se hará en sitio ventilado y defendido de la humedad. Los ensayos de recepción pueden (Recomendaciones VP-71 del IETCC.):  Principio y fin de fraguado;  Resistencia mecánica a tres días;  Contenido en óxido magnésico;  Contenido en insolubles;  Figura de molido;  Expansión en autoclave.

efectuarse

según

el

siguiente

programa

1

El número correspondiente a la categoría significa la resistencia a la compresión a los 28 días, en 2 Kg/cm , del mortero normal fabricado con este cemento (ver Art. 2.6 del referido Pliego). TEMA: CONCRETO PRETENSADO AUTOR: ENCICLOPEDIA DE LA CONSTRUCCIÓN – EDITORES TÉCNICOS ASOCIADOS SENCICO

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b.


Tanto la toma de muestras, como los procesos operatorios y resultados, deben atenerse a lo especificado en el referido Pliego de Condiciones para la Recepción de Aglomerantes Hidráulicos. Se pondrá especial atención en los ensayos si el período de almacenaje ha sido prolongado. Áridos Constituyen el material inerte que se añade a la mezcla en forma de arena (diámetro inferior a 5 mm) o grava. Pueden emplearse arenas y gravas existentes en yacimientos naturales, rocas machacadas y otros productos que permitan garantizar la adecuada resistencia y durabilidad del hormigón. Los ensayos necesarios para determinar la calidad de los áridos pueden ser los mismos que para el hormigón armado (Instrucción para el Proyecto y Ejecución de Obras de hormigón en masa o armado). Cantidad Máxima en % del peso total de la muestra Árido fino

Árido grueso

1,00

0.25

_

5,00

5,00

1,00

Material retenido por el tamiz 0,063, UNE 7 050, y que flota en un líquido de peso específico 2,0

0,50

1,00

Compuestos de azufre expresado en S)4 y referidos al árido seco

1,20

1,20

Terrones de arcilla Determinados con arreglo al método de ensayo UNE 7 133 Partículas blandas Determinadas con arreglo al método de ensayo UNE 7 134 Finos que pasan por el tamiz 0,080 UNE 7 050 Determinadas con arreglo al método de ensayo UNE 7 135

Determinados con arreglo al método de ensayo UNE 7 245

c.

La citada Instrucción señala asimismo que el árido estará exento de sustancias que puedan reaccionar con los álcalis del cemento (norma UNE 7137). Fija además un coeficiente de forma límite para el árido grueso. El llamado del árido máximo utilizado (Recomendaciones VP-71) no excederá del menor de los límites siguientes:  La mitad del espesor mínimo de la pieza;  Los cinco sextos de la distancia horizontal libre entre armaduras independientes o entre éstas y los costeros del molde, si es que dichas aberturas tamizan el vertido del hormigón. En general, el tamaño del árido para estos elementos no excederá de 15 mm. Agua En general, podrán ser utilizadas para el amasado y para el curado todas las aguas que, empleadas en casos análogos, no hayan producido eflorescencias ni originado perturbación durante el fraguado y endurecimiento. Se prohíbe expresamente el empleo de agua de mar. Cuando no se posean antecedentes, deberá analizarse el agua, rechazando las que tengan pH inferior a 5, las que posean un total de sustancias disueltas superior a los 15 gramos por litro; aquellas cuyo contenido en sulfatos, expresado en SO4= rebase 1 gramo por litro; las que contengan Ion cloro en proporción superior a 9,5 gramos por litro; agua en que se aprecie la presencia de hidratos de carbono y, finalmente las que contengan sustancias orgánicas solubles en éter en cantidad igual o superior a 15 gramos por litro. La toma de muestras y análisis deben realizarse en la forma indicada en los correspondientes métodos de ensayo UNE.

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d.

2.

3.

Aditivos En el empleo de aditivos se procurará tener garantía de que no disminuyen la calidad del hormigón ni atacan las armaduras. En la fabricación de viguetas y elementos similares, no se usará el cloruro cálcico ni compuestos que lo contengan, ni cualquier otro tipo de cloruro. No se usarán plastificantes o fluidificantes que tengan además el carácter de aireantes, pues podrían perjudicar la adherencia entre hormigón y armadura. Armaduras Las armaduras utilizadas en los elementos pretensados por adherencia pueden ser alambres, lisos o con entallas, o bien cables formados por dos o más alambres. La técnica del pretensado requiere la utilización de aceros de elevada carga de rotura (superior a 2 los 150 kg/mm en general), ya que las pérdidas de tensión por refracción y fluencia de aceros y hormigones eliminar (en casi las tensiones iniciales en el caso de utilizarse aceros normales o poco superiores. El alambre para elementos pretensados es fabricado mediante un tratamiento térmico de patentado seguido de un trefilado y, eventualmente, de un tratamiento continuo posterior. No existen actualmente normas oficiales concretas sobre este material, reduciéndose a Recomendaciones y una Propuesta de Norma UNE para alambres. En general, un alambre o cable para pretensado viene definido por las siguientes características: 2  Resistencia a la tracción (kg/mm ); 2  Límite elástico convencional al 0,2 % (kg/mm );  Diámetro y sección;  Alargamiento de rotura;  Aptitud al doblado alternativo;  Valor de la relajación (a 1,000 h). Con respecto a estas características, debe hacerse notar lo siguiente: En general, se usan exclusivamente armaduras con resistencia mínima a la tracción de 160 2 2 kg/mm y con un máximo de 200 kg/mm . El límite elástico convencional al 0,2% debe estar comprendido entre el 95% y el 80% de dicha resistencia de rotura. En cuanto a diámetros, se suelen utilizar alambres hasta 5 mm. De diámetro y cables formados por los mismos. Los cables formados por dos hilos dan en general mejor adherencia que los alambres sueltos, son bastante manejables comparados con la sección equivalente en hilo, y, en conjunto, representan menor tiempo de tendido y estirado. No se suele rebasar el diámetro 3,5 mm para cada uno de los hilos. El alargamiento de rotura, medido sobre una base de 10 diámetros, se exige no sea inferior al 4%. El doblado alternativo se entiende a 90° y en sentidos sucesivos contrarios. El mínimo de flexiones requerido no se halla totalmente fijado. Mientras las Recomendaciones VP 71 fijan 6, la Propuesta UNE correspondiente las reduce a 3. Para la relajación a 1,000 horas – entendiendo por tal la pérdida porcentual de tensión en ese tiempo producida en un alambre tendido a longitud constante al 70% de su carga de rotura- se aceptan calidades de 2% 5% y 8% a garantizar por el fabricante. El tratamiento y cuidado de las armaduras antes de su uso deben ser escrupulosos, almacenándolas en sitios secos y ventilados. Aparte las armaduras activas que producen tensiones en el hormigón, se complementan a veces las piezas pretensadas con armaduras pasivas, que son las mismas utilizadas en hormigón armado y, hoy día, reducidas sólo a aceros de alta adherencia. En cuanto a características y calidades, nos remitimos a lo dicho en los capítulos de hormigón armado. El conjunto hormigón-acero El conjunto hormigón-acero, en hormigón pretensado, forma un material de características esencialmente diferentes al hormigón armado, aunque en rotura se comporta de forma parecida.


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En primer lugar, permite utilizar unos hormigones y unos aceros de superior calidad que no podrían ser usados con el debido aprovechamiento en la técnica normal del hormigón armado. Se consigue, además, el trabajo de toda la sección de hormigón que, una vez comprimida, actúa con las reducciones adecuadas como una pieza homogénea total. Se eliminan las fisuras, efecto importantísimo, lo cual permite menores recubrimientos y protege y alarga la vida del elemento. El efecto de la precompresión es altamente favorable respecto a las tensiones de cizallamiento, reduciéndose grandemente las tracciones máximas consecuentes. Adicionalmente, la fabricación en serie y en taller, por personal especializado, permite un control – hoy ya reglamentado- que no admiten elementos fabricados en obra. Las pérdidas de tensión provocadas tanto por aceros como por hormigones y mecanismos de tense y anclaje, son hoy bastante bien conocidas en función de las características de los materiales, pudiéndose garantizar un comportamiento final de la pieza.- Respecto a este punto, es de hacer notar que, en ensayo a corto plazo, los elementos deben superar con un margen las condiciones mínimas requeridas, estudiadas por el proyectista para un plazo muy superior. No deben ser, pues, extrañados coeficientes de fisuración actuales relativamente elevados respecto a los necesarios finales. Las pérdidas por retracción del hormigón representan una reducción relativa media de longitud -4 de . I/I = 3.5 X 10 ... Las pérdidas por fluencia del hormigón responden a un acortamiento función de la resultante de precompresiones y cargas. La deformación diferida – bajo la misma carga- es, aproximadamente, doble que la instantánea (sumándose a ésta). Para compresiones medias 2 -4 (100 kg/cm ) pueden obtenerse acortamientos totales relativos de unos 7 X 10 En cuanto a pérdidas por relajación de acero, se ha visto podrían oscilar aproximadamente de un 2 a un 8% de la tensión de uso (referido a 1,000 horas). En mecanismos y tense, aunque puede ser comprensado, es conveniente tomar un ligero margen. En conjunto, como puede comprobarse aplicando el módulo elástico del acero sobre los acortamientos indicados, han de considerarse pérdidas que pueden llegar hasta un 25 y 30% de la tensión de tendido, calculables en cada caso. Los aumentos de tensión que experimenta la armadura durante el trabajo de la pieza son muy pequeños, contra lo que se podría suponer al comparar con el hormigón armado. Es fácil hallar su valor a base de los módulos elásticos de hormigón y acero suponiendo que el hormigón, en la zona a tensión nula por efecto de las cargas exteriores. El conjunto hormigón-acero activo se complementa a veces, según se ha dicho, con acero pasivo, de armar, generalmente de alta resistencia. Ello viene obligado dada la forma de trabajo de algunos de estos elementos (voladizos, vigas continuas, etc) y su proceso de fabricación, que les confiere un régimen de precompresiones igual para todas las secciones transversales, salvo naturalmente en los extremos, donde tiene lugar el anclaje progresivo herencia en una zona que oscila generalmente de 25 a 40 cm. Proporcional al diámetro de los cables o hilos. En estas zonas se original unos esfuerzos transversales de tracción que ha sido estudiados técnica y prácticamente, con resultados no muy coincidentes. Pueden dimensionarse los elementos de forma que el hormigón absorba por sí solo estos esfuerzos. Con grandes precompresiones, es preciso la colocación de armadura transversal de absorción. A efectos de los cálculos parciales de los elementos como armados es preciso, naturalmente, tener en cuenta y deducirla la compresión previa dada por la precompresión, que generalmente se suma en estas zonas a la producida por las cargas exteriores. Es de observar, no obstante, que se puede deducir sin afectarla de coeficiente de mayoración alguno, ya que no puede existir mayor compresión. La diferencia, hasta la característica de rotura, dividida por el coeficiente de minoración del hormigón, nos dará la admisible libre.

B. PRINCIPIOS DE CÁLCULO EN HORMIGÓN PRETENSADO 1.

Proceso General Consideramos en principio los elementos totalmente prefabricados, y en especial, los usados en pisos y cubiertas. Haremos extensión posteriormente a los forjados formados por elementos semiresistentes. El cálculo completo en elementos pretensados es conveniente efectuarlo desde varios puntos de vista, con las consecuentes comprobaciones:


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a.

Cálculo del Régimen inicial de forma que, tanto en Régimen inicial como bajo cargas externas, no se superen las fatigas admisibles en bordes superior e inferior del elemento; b. Comprobación a rotura plástica del hormigón bajo cargas externas, con los coeficientes de seguridad referidos; c. Comprobación a rotura plástica de aceros, con el coeficiente de seguridad requerido; d. Cálculo de las tensiones originadas por el esfuerzo cortante y su reducción por la precompresión; e. Comprobación de flechas. Las armaduras pueden situarse en forma concentrada en cabezas superior e inferior, o repartida. Aunque teóricamente ex mejor la segunda, prácticamente es más conveniente la primera, dado el pequeño espesor del alma de algunos elementos, en los que se dificultaría el correcto descenso del hormigón. Por otra parte, aunque en el caso de armadura concentrada el reparto de tensiones de precompresión no coincidirá con el teórico requerido, las tensiones parciales resultantes pueden ser bien absorbidas por el hormigón y el comportamiento de las piezas bajo ensayos es totalmente satisfactorio A efectos de establecer el régimen de precompresiones, podemos partir de las siguientes condiciones de equilibrio, extendidas a toda la sesión transversal del elemento. .ds

=0

.yds

=0

La nomenclatura es según figura 1. pérdidas.

Las tensiones en acero son ya las netas, deducidas

b = i + s

Adoptamos:

b = i - s La compresión en el hormigón a la distancia y del eje neutro vendrá dada por:

g  g

b y d

Asimismo, la comprensión en el centro de gravedad del hormigón se deduce:

g 

b yi  ys  b 2 2d

Adoptamos como signos: compresiones, positivas; tracciones, negativas. Asimismo, ordenadas de eje neutro hacia abajo negativas. No existiendo esfuerzos externos, la aplicación de las dos condiciones de equilibrio conduce a:

  .ds  aSa  gSb  0

  .yds  aSa.ya 

b .Ib  0 d

Limitándose, pues, el armado a una capa superior y otra inferior, se obtendrá un sistema de dos ecuaciones:

a1.Sa1  a2 .Sa2  gSd a1.Sa1.ya1  a2 .Sa2 .ya2 

b .Ib d


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De cuyas ecuaciones pueden deducirse Sa1 y Sa2, siendo los demás valores conocidos - a1, en general igual a a2, es la tensión neta del acero deducidas pérdidas mediatas e inmediatas; - g y b vienen dados por el régimen de precompresiones que hemos fijado; - Sb e lb son el área y momento de inercia de la sección de hormigón, referido éste al centro de gravedad. - ya1 e ya2, situación de los aceros. En el caso de haber más filas de acero, deben adoptarse como datos y fijarse sus secciones previamente. Debe calcularse ahora: - El desplazamiento del centro de gravedad de la sección por efecto de la armadura, por la fórmula:

s

C.ya 1  C

Siendo C la relación de módulos de elasticidad del acero y plástico del hormigón (en general, de 15 a 20) y



Sa y cuantía Sb

-

Cálculo de la nueva sección reducida:

-

S = Sb + C.Sa, Cálculo del momento de inercia reducido: 2

I = Ib + C.SaZa - Cálculo de los nuevos valores de yi, ys, ya1 e ya2, referidos al nuevo centro de gravedad Zi, Zs, Za1 y Za2.

I I  Zi Zs - Cálculo de los momentos resistentes superior e inferior: - Obtención del momento útil de fisuración, con el coeficiente de seguridad requerido. Se puede tener en cuenta la resistencia a tracción del hormigón una vez agotada la pre-compresión, igual aproximadamente al 1/10 de la a compresión (rotura). - Obtención del momento a rotura por hormigón en fibra superior por las fórmulas de rotura plástica y con el coeficiente de seguridad requerido. - Comprobación por rotura plástica de aceros. - Cálculo de las fatigas producidas por esfuerzo cortante, según lo que sigue: Por las fórmulas del hormigón armado:



V  . I b

En donde: V = Esfuerzo cortante;  = Esfuerzo de cizallamiento; =

Momento estático respecto al eje neutro de la sección reducida, del área considerado; I= Momento de inercia reducido; b = ancho, y la tracción máxima viene dada ahora a nivel del eje neutro por:



  1 g  g 2  4 2 2

exterior al nivel



y, para otra posición de la fibra, idénticamente sustituyendo Og por la compresión a ese nivel.


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A pesar de que, como se puede comprobar, la recompresión reduce mucho las máximas tracciones producidas por esfuerzo cortante y además las verticaliza haciendo más eficaces los estribos, estas tracciones no llegan a anularse nunca. Para ello sería necesario precomprimir en dos direcciones perpendiculares. - Una última comprobación es la de deformación o flecha del elemento bajo las cargas exteriores y en la s condiciones de apoyos considerados. Existe un segundo proceso de cálculo general, que se usa normalmente para armaduras repartidas. En función de las características de la sección de hormigón y las precompresiones requeridas se haya la excentricidad total de la armadura (en capacidad mecánica útil), pudiéndola repartir luego, o de forma que su densidad mecánica sea proporcional al diagrama de pretensado, o en capas discontinuas. Se trabaja asimismo con los valores reducidos a efectos de hallar las características exteriores. El proceso de cálculo correspondiente a los forjados formados por elementos semirresistentes, difiere algo del apuntado. Una vez establecida la tipificación de características en la vigueta semirresistente, es necesario establecer naturalmente un cálculo para cada nervio y tipo de semiviga, considerando como integrante de la sección resistente sólo la parte del hormigón que trabaja a compresión, que será todo por encima de la fibra neutra, y únicamente el de la semiviga por debajo. En cuanto al armado y precompresiones de la semivigas, sobre todo si son bajas con relación al forjado, es necesario comprimirlas a veces en sus dos bordes, en lugar de dejar el borde superior sin compresión como se hace en general para las viguetas autoresistentes. Ello a efecto de evitar tracciones durante la flexión, con falseamiento de la hipótesis de cálculo.

2.

Coeficiente de Seguridad, Fatigas Admisibles y Datos Generales Los coeficientes de seguridad, tanto de las primeras materias como de utilización, son a tenor de lo siguiente: a. Hormigón 2 En general, se usan en esta técnica hormigones de 450 a 500 kg/cm . de resistencia a la rotura en probeta cilíndrica de esbeltez 2 a los 28 días. Es bastante corriente el curado al vapor, lo que permite alcanzar resistencia elevadas rápidamente. La resistencia de rotura del hormigón se mide por su “Característica”. Se designa por resistencia característica de un hormigón, bk, a compresión, el valor: bk = bm(1 - 1,64)() Donde: bk = Valor medio de los ensayos

1   ´bi   ' bm    , desviación cuadrática media relativa n   ' bm  2



bi = resultado de cada ensayo Para el cálculo práctico, a partir de n ensayos, se multiplica por 2 la media aritmética de los n/2 resultados más bajos y se resta después la media aritmética del conjunto de los n resultados. A partir de este valor, puede calcularse el momento de rotura plástica por el hormigón del elemento. La resistencia a tracción se puede adoptar:

Obk  0.573 bk

2

o, en forma aproximada, y para los valores de compresión que consideramos, Obk~



1 b k 10

El valor 1,64 corresponde a un grado de confianza del 95%


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El módulo de deformación elástico del hormigón para cargas instantáneas puede tomarse de: E'b=21,000

bk

Para cargas permanentes, y en el caso extremo de climas secos, este módulo puede reducirse hasta:

bk

E'b=7,000 b.

c.

El módulo de Poisson puede tomarse de 0,20. Acero La tensión máxima dada al acero, de la que habrá que deducir después perdidas, no superará el 90% del límite elástico convencional al 0,2%. Los aceros se colocarán con un recubrimiento mínimo de 8 ó10mm, según sea el ambiente protegido o no, para diámetros iguales o inferiores a 3mm. Para diámetros superiores, los recubrimientos serán respectivamente de 10 y 12mm. El recubrimiento mínimo de las armaduras transversales se conveniente sea de 7mm. Respecto a las armaduras pasivas, los recubrimientos serán los señalados en la Instrucción de Hormigón Armado, utilizándose acero de alta resistencia. Elementos Las características y tolerancias de los elementos fabricados, unas obligatorias (coeficientes de seguridad y flechas) y otras recomendadas, serán las siguientes, en lo que se refiere a elementos para pisos y cubiertas:  coeficiente de seguridad a fisuración: 1,3;  coeficiente de seguridad a rotura: 2;  coeficiente de seguridad a esfuerzo cortante: 2;  coeficiente de aviso: 1,2;  flecha máxima bajo carga de servicio, no será superior al más restrictivo de los valores siguientes: f = 0,20

3

L

f = L/300  contraflecha máxima: inferior a L/300  deformación lateral: inferior a L/500 Éstos coeficientes pueden ser comprobados por ensayos realizados por el cliente. No obstante, estos ensayos son asimismo preceptivos en fábrica, quedando regulados por el Decreto 124 de 20 de enero de 1966 y Resolución complementaría de la Dirección General de Industrias de 31 de octubre de 1966. Estas disposiciones dictan la forma de realizar estos ensayos en fábrica, que deben ser periódicos (diarios), tanto en lo que se refiere a elementos fabricados como materias primas (hormigón). Ello garantiza la calidad de estos elementos, ya que una parte de la producción y materias primas son diariamente comprobadas. Las citadas disposiciones prescriben al mismo la obligatoriedad de que los elementos prefabricados para pisos y cubiertas vengan respaldos en calidad por unas Fichas Técnicas aprobadas, después de los ensayos pertinentes, por el Ministerio de la Vivienda, sin cuyo requisito no pueden ser comercializados ni utilizados en la Construcción. Estas Autorizaciones de Uso deben ser renovadas cada tres años. C. LOS FORJADOS A BASE DE ELEMENTOS PRETENSADOS Los forjados con elementos pretensados pueden estar constituidos por: a) viguetas autorresistentes (fig. 2); b) viguetas semirresistentes, con forjado completado en obra (fig. 3) c) placas macizas y aligeradas (fig. 4); d) piezas especiales precomprimidas (en forjados o en cubiertas) (fig. 5); e) jácenes, como elementos de sostén (fig. 6); f) cerámicas pretensada (fig. 7). TEMA: CONCRETO PRETENSADO AUTOR: ENCICLOPEDIA DE LA CONSTRUCCIÓN – EDITORES TÉCNICOS ASOCIADOS SENCICO

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Fig.2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6


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Fig.7 En las figuras se aprecia la composición de cada tipo de forjado, debiendo hacer respecto a los mismos las observaciones que siguen: a. Viguetas autorresistentes Es el primer forjado aparecido en pretensado y el más económico. Está formado por viguetas asiladas en cuyas aletas inferiores apoyan bovedillas de hormigón, cerámicas o yeso, con un relleno adicional de senos de poca calidad y que no se considera como resistente. Últimamente, por Decreto del Ministerio de la Vivienda 1324/1972 de 20 de abril de 1972, Norma M.V. 201, se ha querido corregir la falta de monolitismo (especialmente transversal) de este tipo de forjado, obligando (en obras con muros de ladrillo, hasta ahora) a la colocación de una capa superior de compresión con armadura transversal. Si el relleno de senos es de cierta calidad, se obtiene un forjado relativamente monolítico. Las viguetas se suelen colocar a distancias de 50 a 80 cms., produciéndose a veces, por la falta indicada de monolitismo y con interejes elevados y grandes luces, fisuras longitudinales que se aprecian en el enyesado final del techo. Las viguetas usadas corrientemente suelen ser de 16 a 22 cms. de altura y de 8 a 11 cms. De ancho. Los momentos flectores máximos que se pueden alcanzar con esos cantos son aproximadamente los de la fig. 8 En general, estos elementos se apoyan simplemente, aunque se les prepara a veces para semiempotramiento o empotramiento o bien para trabajo en voladizo, a base de una armadura pasiva de alta resistencia suplementaria, introducida durante la fabricación. En general, se presenta el problema de que esta armadura no suele ser suficiente para absorber grandes voladizos o empotramientos cuyo caso se complementa con armaduras exteriores a la vigueta. Esta operación requiere un estudio detenido y, en general, una zona de compresión adicional. Como en todo caso es necesario prever la precompresión inferior (especialmente en los voladizos), llega a ser necesario macizar la zona inferior entre viguetas a fin de dar mayor sección de hormigón útil a compresión, al tiempo que se obtiene un mayor momento de inercia y, por lo tanto, menor flecha. La vigueta autorresistente no requiere, evidentemente, apuntalamiento durante la ejecución del forjado y es una ventana económica respecto a las semiresistentes.

b.

Fig.8 Viguetas semiresistentes, con forjado completado en obra. Este sistema proporciona forjados más monolíticos y de mejor calidad, pero tiene el inconveniente de que debe apuntalarse, en general, durante la construcción. Existen semiviguetas que para luces pequeñas, y aun medias, debido a tener una cabeza de


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compresión suficiente, o a estar dimensionadas para un tipo superior final, o por ambos motivos a la vez, permiten prescindir del apuntalamiento en determinados casos. No obstante, esta operación hoy día no es muy cara ni constituye un gran problema. Los momentos flectores conseguidos con estos forjados son en general mayores que con vigas autoresistentes. En general se utilizan alturas totales de 16 a 200 cms. ,e interejes de 50 a 70 cms. y doblado (viga gemela) . El gráfico de la fig. 9 dá idea de los valores máximos que, como media, llegan a obtenerse

c.

Fig. 9 En este tipo de forjados, los momentos negativos son absorbidos siempre por armaduras colocadas en obra lo que permite establecer toda clase de apoyos, continuidad, etc. En este caso no existe por falta de cabida del acero, pues hay espacio sobrado. La limitación la constituye la falta de hormigón inferior, que siempre puede corregirse macizando zonas, y las flechas, especialmente en grandes voladizos con tribuna (con balcón e general) y con tribuna para longitudes normales, no existe problema. Es importante poder establecer continuidad en el forjado por la reducción de flecha que representa, pudiendo entonces adoptar forjados más bajos y ganando altura. Las viguetas semiresistentes precomprimidas pueden tener o no estribos salientes, y ello es cuestión que no ha llegado ha decidirse ni reglamentarse todavía en España. En general, cuando la altura de la semiviga es una parte grande de la total del forjado, no son necesarios estribos salientes,. Cada vez son más necesarios cuanto menor es la altura de la vigueta respecto al forjado. En Francia, es costumbre la colocación de estribos salientes en todos estos forjados. En España, no se ha generalizado. Placas Macizas y aligeradas En general, sólo son interesantes las aligeradas, por su menor p. No son aún de uso corriente, pero se empieza a utilizar progresivamente en España. Si la obra se adapta –o a sido preparada- para ese forjado y si el contratista dispone de medios para colocarlo debidamente, la rapidez de colocación es grande, obteniéndose un buen forjado. Estas placas se fabrican en general en anchos de 40 cms. a 1 m. y alturas desde 12 a 18 cms. para viviendas, y más, hasta 30 ó 35 cms., para uso industriales. Los momentos flectores alcanzables son muy grandes pero hay que tener en cuenta –limitándolos- las deformaciones y flechas, especialmente para alturas pequeñas de placa. La fig. 10 dá valores máximos obtenibles para placas aligeradas, aproximados, considerando y no considerando limitación por flecha.


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d.

e.


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Fig.10 Los momentos negativos se absorben, o por una regulación del pretensado, para grandes series, o por una armadura pasiva adicional interior. En general, estas placas se fabrican con máquina continua, que permite una gran producción. Las vigas y semivigas tratadas anteriormente, cada día son fabricadas en mayor proporción por máquinas continuas, de moldes deslizables, reservándose los moldes fijos para piezas determinadas de grandes o especiales proporciones. Piezas especiales precomprimidas Se idean continuamente piezas especiales, para uso determinados o para cubiertas y aún forjados, con mayor o menor éxito y resultado. Así, se fabrican vigas gemelas, unidas, que viene a ser una pieza intermedia entreviga y la placa. Se fabrican semivigas en forma de V, huecas interiormente. Existen placas pretensadas finas, macizas y semiresistentes, con estribos salientes, a completar en obra, de uso no extendido en España, pero sí en el extranjero. Asimismo, piezas para cubiertas, parecidas a las tejas árabe, pero con mayor longitud etc. Jácenas En general los fabricantes proyectan series de jácenas pretensadas desde 30 cms. a 1.20 cm. de altura, por ejemplo, con variación de 10 en 10 cms. u otra parecida. Los momentos flectores máximos alcanzables, a parte de la altura, son función del ancho y forma de la jácena, dimensiones más variables que en las viguetas. Como orientación aproximada y parajácenas que no se aparten mucho de las formas simétricas, puede ilustrar la fig. 11.

Fig.11 f.

Cerámica pretensada Existen asimismo en el mercado forjados formados por elementos complementados con hormigón y armados con aceros pretensados.

cerámicos


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Deben diferenciarse estos forjados en dos tipos distintos: Aquellos en que la cerámica actúa sólo como molde, y los que colaboran mecánicamente. Para los primeros, se exigen paredes mínimas de 7 mm.; para los segundos, de 10 mm. Asimismo, en éstos se exige que la resistencia característica a compresión de la cerámica sea como mínimo la del hormigón que rodea las armaduras. Las características mecánicas obtenibles son similares a las de los forjados con viguetas semiresistentes.


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ENCOFRADOS FIERRERÍA CONCRETO PREESFORZADO

19.1 INTRODUCCION La ingeniería estructural moderna tiende a progresar hacia estructuras más económicas mediante la utilización de métodos de diseño y de materiales de mayor resistencia gradualmente mejorados. Estos factores generan reducción en las dimensiones de las secciones transversales y una consecuente disminución del peso. Tales desarrollos son particularmente importantes en el campo del concreto reforzado, donde la carga muerta representa una disminución en la altura de los elementos multiplicada por el número de pisos, puede representar una disminución importante en la altura total, en las cargas sobre la cimentación, en la longitud de ductos de calefacción y ductos eléctricos en las tuberías ascendentes y en los muros y tabiques divisorios. Es posible alcanzar ahorros significativos mediante la utilización de concreto y acero de alta resistencia, junto con los actuales métodos de diseño que permiten una estimación bastante precisa de la resistencia de los elementos. Sin embargo, existen limitaciones en este desarrollo, en esencial por los problemas interrelacionados del agrietamiento y de las deflexiones para las cargas de servicio. La utilización efectiva de acero de alta resistencia se limita por el hecho de que la cantidad de agrietamiento (ancho y cantidad de grietas) es proporcional a la deformación y, por tanto, al esfuerzo en el acero. Aunque una cantidad moderada de agrietamiento no es objetable en estructuras de concreto, no es aconsejable un agrietamiento excesivo pues expone el refuerzo a la corrosión puede ser visualmente desagradable y conducir a una falla prematura por tensión diagonal. además, la utilización de materiales de alta resistencia se limita por consideraciones de deflexión, en particular cuando se utilizan análisis refinados. Los elementos esbeltos que resultan pueden tener deflexiones que son inaceptables desde el punto de vista funcional o estético; esto se agrava además por el agrietamiento, que reduce la rigidez a flexión de los elementos. Estas características limitantes del concreto reforzado corriente se han superado en forma amplia mediante el desarrollo dl concreto preesforzado. Un elemento de concreto preesforzado es aquél en el cual se introducen esfuerzos intensos de tal magnitud y distribución que los esfuerzos producidos por las cargas externas aplicadas se contrarrestan hasta el grado deseado. El concreto es un material resistente a la compresión con una resistencia a la tensión muy baja y poco confiable. El preesfuerzo aplica una precompresión al elemento que reduce o elimina los esfuerzos de tensión no deseables que, de otra manera, estarían presentes. El agrietamiento con las cargas de servicio pueden minimizarse o aun eliminarse totalmente. Las deflexiones pueden limitarse a valores aceptables; de hecho, pueden diseñarse elementos que tengan una deflexión nula bajo los efectos combinados de cargas de servicio y de fuerzas de preesfuerzo. El control de las deflexiones y de las grietas, alcanzando a través del preesfuerzo, permite al ingeniero utilizar de manera efectiva y económica los aceros de alta resistencia en forma de torones, alambres o barras, de modo simultáneo con al utilización de concretos con resistencias mucho mayores a las normas. Así, el preesfuerzo genera un mejoramiento global del comportamiento del concreto estructural que se utiliza para cargas y luces corrientes y amplía el campo de aplicabilidad mucho más allá de los límites antiguos, llevando no sólo a luces mucho mayores de las que hubieran creído posibles, sino también permitiendo la utilización de formas estructurales innovadoras. 19.2 EFECTOS DEL PREESFUERZO Existen al menos tres maneras alternas de mirar el preesfuerzo del concreto: (a) como un método para lograr el control de los esfuerzos en el concreto, mediante el cual el concreto se precomprime de modo que la tensión producida normalmente por las cargas aplicadas se reduce o se elimina; (b) como un medio para introducir cargas equivalentes en un elemento de concreto, de forma que los efectos de las cargas aplicadas se contrarresten hasta el grado deseado; y (c) como una variación especial del concreto reforzado en la cual se utiliza acero predeformado de alta resistencia, por lo general en combinación con concreto de alta resistencia. Cada uno de estos puntos de vista es útil en el análisis y diseño de estructuras de concreto preesforzado y se ilustrarán en los siguientes párrafos.

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a. Control de esfuerzos en el concreto mediante preesfuerzo Muchas de las características importantes del concreto preesforzado pueden demostrarse con ejemplos sencillos. Considere inicialmente la viga simple de concreto sin esfuerzo que aparece en la figura 19.1a; ésta soporta una carga concentrada única en el centro de la luz (el peso propio del elemento se despreciará en este caso). A medida que se aplica gradualmente la carga W, se inducen esfuerzos longitudinales de flexión. Si el concreto se somete a esfuerzos sólo dentro de su rango elástico, la distribución de esfuerzos de flexión en el centro de la luz será lineal, como se ilustra en la figura. Con una carga relativamente baja, el esfuerzo de tensión en el concreto en la parte inferior de la viga alcanzará la resistencia a tensión fr’ y se formará una grieta. Puesto que no se suministra ninguna restricción con respecto a la propagación hacia arriba de la grieta, al viga presentará colapso sin un incremento adicional de la carga. Considere ahora otra viga idéntica, expuesta en la figura 19.1b, en la cual se introduce una fuerza axial longitudinal P antes de la aplicación de la carga vertical. La fuerza de preesfuerzo longitudinal producirá una comprensión axial uniforme f c = P/Ac, donde Ac es el área de la sección transversal de concreto. La fuerza puede ajustarse en magnitud de manera que, al aplicar la carga transversal Q, la superposición de los esfuerzos que generan O y Q produzcan un esfuerzo de tensión nulo en la parte inferior de la viga, como se presenta. Los esfuerzos de tensión en el concreto pueden eliminarse de esta manera o reducirse hasta una magnitud especificada. Sería más lógico aplicar la fuerza de preesfuerzo en la parte inferior de la viga, para compensar en forma más efectiva la tensión inducida por dicha fuerza. Por ejemplo, una posible especificación de diseño podría consistir en introducir la máxima compresión en la parte inferior de la viga, sin producir tensión en la parte superior, cuando la fuerza de preesfuerzo actúa sola. Para lograr esto se puede demostrar fácilmente que para una viga con una sección transversal rectangular, el punto de aplicación de la fuerza de preesfuerzo debe estar en un punto ubicado a un tercio de la altura de la sección medido desde la cara inferior. La fuerza P, con el mismo valor que antes, pero aplicada con una excentricidad e = h/6 con respecto al centroide del concreto, producirá una distribución de esfuerzos longitudinales de comprensión que varía linealmente desde cero en la superficie superior a un máximo de 2fc = P/Ac + Pec2/Ic en la parte inferior, donde fc es el esfuerzo en el concreto en su centroide, c 2 es la distancia desde el centroide del concreto hasta la parte inferior de la viga e Ic es el momento de inercia de la sección transversal; esto se ilustra en al figura 19.1c. El esfuerzo en la parte inferior será exactamente igual al doble del valor producido anteriormente por el preesfuerzo axial.

Figura 19.1 Esquemas alternos para preesforzar una viga rectangular de concreto: (a) viga de concreto simple; (b) viga preesforzada en dirección axial; (c) viga preesforzada excéntricamente; (d) viga con excentricidad variable; (e) estado de carga balanceado para una viga con excentricidad variable. TEMA: CONCRETO PRETENSADO AUTOR: DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO – NILSON – WINTER – MACGRAW HILL SENCICO

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En consecuencia, la carga transversal puede ahora tener el doble de magnitud que antes, o sea 2Q, sin que se produzcan aún esfuerzos de tensión. De hecho, la distribución final de esfuerzos que resulta de la superposición de la carga y de la fuerza de preesfuerzo en la figura 19.1c es idéntica a la de la figura 19.1b, con la misma fuerza de preesfuerzo, aunque la carga es el doble en magnitud. La ventaja del preesfuerzo excéntrico es obvia. Los métodos mediante los cuales se preesfuerzan los elementos de concreto se analizarán en la sección 19.3. Por el momento, es suficiente saber que uno de los métodos prácticos de preesfuerzo utiliza tendones de acero de alta resistencia que pasan a través de un conducto embebido en la viga de concreto. El tendón, sometido a una tensión considerable, se ancla en los dos extremos de la viga, produciendo de esta manera un esfuerzo de compresión longitudinal en el concreto. Las fuerzas de preesfuerzo de las figuras 19.1b y 19.1c podrían haberse aplicado de este modo. Sin embargo, puede lograrse un mejoramiento significativo utilizando un tendón de preesfuerzo con excentricidad variable con respecto al centroide del concreto, como en la figura 19.1d. La carga 2Q produce un momento flector que varía linealmente a lo largo de la luz, desde cero en los apoyos hasta un máximo en el centro de la lu. Intuitivamente se esperaría que la mejor distribución del preesfuerzo es la que produce un contramomento que actúe en el sentido opuesto al momento inducido por la carga y que varía de la misma manera; esto se logra si se da al tendón una excentricidad que varíe linealmente, desde cero en los apoyos hasta un máximo en el centro de la luz, como aparece en al figura 19.1d. Los esfuerzos en el centro de la luz son los mismos que los de la figura 19.1c, para la viga con y sin la carga de 2Q. En los apoyos, donde solamente actúa la fuerza de preesfuerzo con una excentricidad nula, se obtiene un esfuerzo de compresión uniforma fc, como se indica. Para cada distribución característica de carga existe el mejor perfil del tendón que produce un diagrama de momentos de preesfuerzo se hace exactamente igual y opuesto al producido por la carga, el resultado es una viga sometida sólo a un esfuerzo de compresión axial uniforme en el concreto a todo lo largo de la luz. Esta viga estaría totalmente libre de grietas por flexión y, en teoría, no se deflectaría hacia arriba ni hacia abajo ante la aplicación de la carga particular, con respecto a la posición original de vaciado. Este resultado se obtendrá por ejemplo para una carga de

1 x 2Q  Q como aparece en la figura 19.1e. 2

A partir de estos sencillos ejemplos se pueden sacar algunas conclusiones importantes: 1. El preesfuerzo puede controlar, e incluso eliminar, los esfuerzos de tensión en el concreto para un tipo de carga especificada. 2. El preesfuerzo excéntrico es mucho más eficiente que el preesfuerzo concéntrico. 3. En general, la excentricidad variable es preferible a la excentricidad constante, tanto desde el punto de vista de control de esfuerzos como del de deflexiones. a. Cargas equivalentes El efecto de un cambio en el alineamiento vertical de un tendón de preesfuerzo consiste en producir una fuerza vertical en la viga de concreto. Esta fuerza, junto con la fuerza de preesfuerzo que actúa en los extremos de la viga a través de los anclajes del tendón, se puede analizar como un sistema de cargas externas.


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Figura 19.2 Cargas equivalentes y momentos producidos por los tendones de preesfuerzo Por ejemplo, en la figura 19.2a, un tendón que aplica una fuerza P en el centroide de la sección de concreto en los extremos de una viga y que tiene una pendiente uniforme con un ángulo  entre los extremos y el centro de la luz, introduce una fuerza transversal 2P sen  en el punto de cambio de la pendiente en el centro de la luz. En los anclajes, la componente vertical de la fuerza de preesfuerzo es P sen  y la componente horizontal es P con . La componente horizontal es casi igual a P puesto que los ángulos de las pendientes son usualmente muy pequeños. El diagrama de momento para la viga de la figura 19.2a tiene la misma forma que el de cualquier luz sencilla cargada en el centro. La viga de la figura 19.2b, con un tendón curvo, está sometida a una carga vertical hacia arriba producida por el tendón, al igual que a las fuerzas P en cada extremo. La distribución exacta de la carga depende del perfil del tendón; por ejemplo un tendón con un perfil parabólico producirá una carga uniformemente distribuida, en cuyo caso el diagrama de momentos será parabólico, al igual que para una luz sencilla con carga uniforme. Si se utiliza un tendón recto con una excentricidad constante, como aparece en la figura 19.2c, no se presentan fuerzas verticales en el concreto pero la viga se somete a un momento Pe en cada extremo, al igual que a la fuerza axial P y se obtiene un diagrama de momentos constante. El momento en el extremo también debe tenerse en cuenta en la viga de la figura 19.2d, en la cual se utiliza un tendón parabólico que no pasa por el centroide del concreto en los extremos de la luz. En este caso, se produce una carga uniformemente distribuida hacia arriba más las fuerzas de los anclajes en los extremos, como se observa en la figura 19.2b, pero además se deben tener en cuenta los momentos en los extremos M = Pe cos . Es evidente que, para cualquier distribución de cargas aplicadas, es posible seleccionar un perfil del tendón de manera que las cargas equivalentes que actúan sobre la viga a causa del tendón sean exactamente iguales y opuestas a las cargas aplicadas. El resultado sería un estado de esfuerzo de compresión puro en el concreto como se analizó en términos un poco diferentes con referencia al control de los esfuerzos y a la figura 19.1e. Una ventaja del concepto de la carga equivalente consiste en que lleva al diseñador a seleccionar lo que probablemente es el mejor perfil del tendón para una distribución particular de cargas. b. Concreto preesforzado como una variación del concreto reforzado. En las descripciones de los efectos del preesfuerzo en los párrafos anteriores era implícito que la fuerza de preesfuerzo permanecía constante a medida que se aplicaba la carga vertical, que el concreto respondía elásticamente y que no se presentaba agrietamiento del concreto. Estas condiciones pueden prevalecer hasta cerca del nivel de las cargas de servicio, pero si las cargas se incrementan mucho más allá de este punto, los esfuerzos de tensión por flexión excederán de manera eventual el módulo de rotura y se formarán grietas. En vigas preesforzadas bien diseñadas, las cargas pueden aumentarse por lo general mucho más allá de la carga de agrietamiento. Con el tiempo, tanto el acero como el concreto en la sección fisurada se someterán a esfuerzos en el rango inelástico. La condición para falla incipiente se presenta en la figura 19.2, donde se TEMA: CONCRETO PRETENSADO AUTOR: DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO – NILSON – WINTER – MACGRAW HILL SENCICO

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ilustra una viga que soporta una carga mayorada igual a algún múltiplo de la carga de servicio esperada. La viga estará sin duda en un estado de agrietamiento parcial; en la figura 19.3a aparece un posible patrón de agrietamiento por flexión. En la sección de momento máximo, sólo el concreto a compresión es efectivo y el acero toma toda la tensión. El momento externo generado por las cargas aplicadas lo resiste el par que forman las fuerzas internas Cz = Tz. El comportamiento en este estado es casi idéntico al de una viga de concreto reforzado corriente sometida a una sobrecarga. La principal diferencia consiste en que el acero de muy alta resistencia utilizado debe prederformarse antes de aplicar las cargas a las vigas; de otro modo, los grandes esfuerzos en el acero producirían una agrietamiento excesivo en el concreto y grandes deflexiones en la viga.

Figura 19.3 Viga de concreto preesforzado sometida a una carga cercana a la que produciría la falla por flexión: (a) viga con la carga mayorada aplicada; (b) equilibrio de fuerzas en la mitad izquierda de la viga.

Cada uno de los tres puntos de vista descritos anteriormente (el control de esfuerzos en el concreto, las cargas equivalentes y el concreto reforzado utilizando acero predeformado) resultan útiles en el análisis y diseño de vigas de concreto preesforzado pero ninguno de los tres es suficiente por sí mismo. Ni un análisis elástico de esfuerzos, ni un análisis de carga equivalente proporcionan información con respecto a la resistencia o al margen de seguridad. Sin embargo, el análisis de esfuerzos es útil para estimar la magnitud del agrietamiento y el análisis de la carga equivalente es, a menudo, la mejor manera de calcular las deflexiones. El análisis de la resistencia última es esencial para evaluar la seguridad contra el colapso, pero no da información sobre el agrietamiento o las deflexiones de la viga en condiciones de servicio. 19.3 FUENTES DE LA FUERZA DE PREESFUERZO Las fuerzas de preesfuerzo pueden aplicarse de muchas maneras a un elemento de concreto. Quizás el método más obvio de precomprimir es mediante gatos que reaccionan sobre contrafuertes, como aparece en la figura 19.4a; este tipo de montaje se utiliza en grandes proyectos. Son posibles muchas variaciones, incluyendo el reemplazo de los gatos por puntales a compresión una vez que se obtiene el esfuerzo deseado en el concreto, o la utilización de gatos poco costosos que permanezcan en su sitio en la estructura, utilizando en algunos casos una lechada de cemento como fluido hidráulico. La principal dificultad asociada con este tipo de sistemas es que aun el más mínimo movimiento de los apoyos reducirá en forma drástica la fuerza de preesfuerzo.


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Figura 19.4 Métodos de preesfuerzo : (a) postensado mediante aplicación de cargas con gatos reaccionando sobre contrafuertes; (b) postensado con gatos reaccionando contra la viga; (c) pretensado con tendones sometidos a esfuerzos entre anclajes externos fijos. En muchos casos, se obtiene más convenientemente el mismo resultado uniendo las bases de los gatos entre sí con alambres o cables, como en la figura 19.4b; estos alambres o cables pueden ser externos, localizados en cada uno de los lados de la viga; de forma más usual, éstos pasan a través de un conducto hueco embebido en la viga de concreto. Generalmente, uno de los extremos del tendón de preesfuerzo está anclado y toda la fuerza se aplica en el otro extremo. Una vez que se alcanza la fuerza de preesfuerzo deseada, el tendón se acuña contra el concreto y el equipo de aplicación de carga se retira para ser reutilizado. Observe que en este tipo de preesfuerzo todo el sistema funciona por sí mismo y no se afecta por desplazamiento relativos de los apoyos. Otro método de preesfuerzo que se utiliza en forma amplia se ilustra en la figura 19.4c. Los torones de preesfuerzo se tensionan entre contrafuertes masivos en un patio de vaciado previo a la colocación del concreto dentro de las formaletas de la viga. La viga se vacía alrededor de los torones tensionados y la presión de los gatos se quita sólo cuando el concreto alcanza una resistencia suficiente. esta operación transfiere la fuerza de preesfuerzo al concreto por adherencia y fricción a lo largo de los torones, principalmente en los extremos exteriores. Es esencial en los tres casos mostrados en la figura 19.4 que la viga se soporte de tal manera que se pueda acostar axialmente sin restricción, para que la fuerza de preesfuerzo sea transferida al concreto. De manera experimental se han intentado otros métodos para introducir la fuerza de preesfuerzo que se requiere. Es posible lograr un preesfuerzo térmico mediante el precalentamiento del acero por corriente eléctrica u otro medios. Al mantener el acero anclado contra los extremos de la viga de concreto mientras se encuentra dilatado, éste se enfría y tiende a contraerse. La fuerza de preesfuerzo se desarrolla por la contracción restringida. La utilización de cemento expansivo en elementos de concreto ha sido ensayada con éxito variable. La expansión volumétrica, restringida por torones de acero o por contrafuertes fijos, genera la fuerza de preesfuerzo. La mayor parte de los sistemas patentados para la aplicación de preesfuerzos actualmente en uso son variaciones de los sistemas que se muestran en las figuras 19.4b y 19.4c; tales sistemas pueden calificarse de manera general en sistemas de pretensado o postensado. En el caso de pretensado, los tendones se someten a esfuerzos antes de vaciar el concreto, como se indica en la figura 19.4c. Este sistema es adecuado para producción en masa, puesto que se pueden fabricar camas de vaciado de varios centenares de pies de longitud vaciando toda la longitud de una sola vez y cortando las vigas individuales con las longitudes deseadas. La figura 19.5 muestra trabajadores utilizando un gato hidráulico para tensionar torones en el anclaje de una larga cama de pretensado. aunque en este caso cada tendón se somete a esfuerzos de manera individual, con frecuencia se utilizan gatos de gran capacidad para tensionar todos los torones en forma simultánea.


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En la construcción portensada que se muestra en la figura 19.4b, los tendones se tensionan después de vaciar el concreto y cuando éste alcanza su resistencia especificada. Generalmente, se suministra un conducto hueco o camisa a través de la cual se pasa el tendón. En algunos casos se utilizan vigas con sección en forma de cajón hueco. La fuerza de los gatos se aplica contra los extremos del concreto endurecido, eliminando la necesidad de contrafuertes masivos (figura 19.6). Tanto en EE.UU. como en otros países se han desarrollado gran cantidad de sistemas particulares de elementos de acero, gatos y acoples de anclaje, muchos de los cuales difieren entre sí sólo por detalles menores (ver las referencias 19.1 a 19.8). Desde el punto de vista del diseñador de las estructuras de concreto preesforzado, resulta innecesario, y quizá aun no aconsejable, especificar en detalles la técnica por seguir o el equipo a utilizar. Con frecuencia es mejor especificar únicamente la magnitud y la línea de acción de la fuerza de preesfuerzo; de esa manera el contratista queda en libertad, al licitar el trabajo, para recibir cotizaciones de diferentes subcontratistas de preesforzado, lográndose así un ahorro en el costo. Sin embargo, es evidente que el diseñador debe tener algún conocimiento de los detalles de los diferentes sistemas que pueden utilizarse, de manera que al seleccionar las dimensiones de la sección transversal pueda acomodarse cualquiera de los diferentes sistemas.

Figura 19.5 Montaje de vigas prefabricadas para puente


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Figura 19.6 Viga sostenida con tendones de múltiples torones del metro de Medellín (cortesía del Ing. Pedro Nel Quiroga, ECI) 19.4 ACEROS DE PREESFUERZO Los primeros ensayos de preesforzar concreto no eran exitosos porque se utilizaban aceros de resistencia estructural corriente. El bajo preesfuerzo obtenido en estas barras se perdía rápidamente por la retracción de fraguado y por el flujo plástico del concreto. Estos cambios en la longitud del concreto tienen mucho menos efecto en la fuerza de preesfuerzo si ésta se obtiene utilizando alambres o cables de acero sometidos a grandes esfuerzos. En la figura 19.7a se preesfuerza un elemento de concreto de longitud L utilizando 2 barras de acero de resistencia ordinaria sometidas a un esfuerzo de 24,000 lb/pulg . Con Es = 29 6 2 x 10 lb/pulg , la deformación unitaria es requerida para producir el esfuerzo deseado en el acero 2 de 24,000 lb/pulg es

s 

L f s 24,000    8.0 x 10 4 6 L Es 29 x10

Sin embargo, si la fuerza de preesfuerzo se mantuviera durante un periodo largo, la deformación a largo plazo del concreto ocasionada por la retracción de fraguado y por el flujo plástico solos, sería -4 del orden de 8,0 x 10 , suficiente para eliminar totalmente todos los esfuerzos en el acero. Opcionalmente, suponga que la viga se preesfuerza utilizando un acero de alta resistencia 2 sometido a un esfuerzo de 150,000 lb/pulg . El elástico del acero no varía en forma significativa y 6 2 puede suponerse en este caso el mismo valor de 29 x 10 lb/pulg . Entonces, la deformación unitaria requerida en este caso para producir el esfuerzo deseado en el acero es

s 

150,000  51.7 x10 4 29 X 106


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Figura 19.7 Pérdida de preesfuerzo por la retracción de fraguado y el flujo plástico del concreto. Si las deformaciones por retracción de fraguado y por flujo plástico son las mismas que antes, la deformación neta en el acero después de estas pérdidas es

s ,neta  51.7  8.0x10 4  43.7 x10 4 y el esfuerzo correspondiente después de las pérdidas es







f s s ,neta Es  43.7 x10 4 29 x106  127,000lb / pu lg 2 Esto representa una pérdida de esfuerzo de aproximadamente el 15 por ciento, en comparación con la pérdida del cien por ciento en la viga con acero común. Es claro que la cantidad de esfuerzo perdido por la retracción de fraguado y el flujo plástico es independiente del esfuerzo original en el acero; por tanto, cuanto mayor sea el esfuerzo original, menor será el porcentaje de pérdida. Esto se ilustra gráficamente mediante las curvas esfuerzo- deformación unitaria de la figura 19.7b. La curva A es representativa de barras de refuerzo corrientes con un esfuerzo de fluencia de 60,000 2 lb/pulg , mientras que la curva B representa aceros de alta resistencia con un esfuerzo último de 2 250,000 lb/pulg . El cambio de esfuerzo f resultante de algún cambio en la deformación unitaria e tiene mucho menos efecto cuando se alcanzan altos niveles de esfuerzos en el acero. Por consiguiente, el preesfuerzo del concreto es práctico sólo cuando se utilizan aceros de muy alta resistencia. Los aceros de preesfuerzo se utilizan con mayor frecuencia en la forma de alambrones individuales, cables en forma de torón de siete hilos y barras de acero aleado. Las propiedades físicas de estos aceros se analizaron en la sección 2.16 y en la figura 2.15 se presentan curvas esfuerzo-deformación unitaria típicas. El esfuerzo de tensión permitido por el Código ACI 18.5 en alambres, torones o barras de preesfuerzo depende del estado de aplicación de las cargas. Cuando la fuerza de los gatos se aplica por primera vez, se permite un esfuerzo de 0.80 f pu o 0.94fpy, el que sea menor, donde fpu es la resistencia última del acero y f py es la resistencia de fluencia. Inmediatamente después de la transferencia de la fuerza de preesfuerzo al concreto, el esfuerzo permitido es 0.74 f pu o 0.82fpy, el que sea menor (excepto en los anclajes de postensado donde el esfuerzo se limita a 0.70f pu). La justificación para permitir un esfuerzo admisible mayor durante la operación de tensionamiento es que el esfuerzo en el acero se conoce con bastante precisión en este estado. La presión hidráulica en los gatos y la deformación total en el acero son cantidades que se miden fácilmente. Además, TEMA: CONCRETO PRETENSADO AUTOR: DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO – NILSON – WINTER – MACGRAW HILL SENCICO

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si un tendón deficiente se rompe en forma accidental, puede remplazarse sin problemas; de hecho, la operación de tensionamiento es un ensayo del comportamiento del material. Los valores más bajos de esfuerzos admisibles son aplicables después de que ocurren el acortamiento elástico del concreto, las pérdidas por fricción y los deslizamientos en los anclajes, estadoen el que se aplican las cargas de servicio. El esfuerzo en el acero se reduce un poco más durante la vida del elemento por la retracción de fraguado y el flujo plástico en el concreto, y por la relajación en el acero. La tabla 19.1 resume los esfuerzos admisibles dados por AIC para aceros de preesfuerzo. TABLA 19.1 Esfuerzos admisibles en tendones de preesfuerzo Los esfuerzos de tensión en los tendones de preesfuerzo no deben exceder lo siguiente: 1. Debido a la fuerza del gato en el tendón pero no mayor que el menor entre 0.80fpu y el valor máximo recomendado por el fabricante de los tendones de preesfuerzo o de los anclajes. 0.94fpu 2. Inmediatamente después de la transferencia del preesfuerzo pero no mayor que 0.74 fpu 0.82fpy 3. En anclajes y acoples de tendones de postensionamiento, inmediatamente después del anclaje del tendón. 0.70fpu

La resistencia y otras características de los alambres, torones y barras de preesfuerzo varían un poco entre los diferentes fabricantes, lo mismo que los métodos de agrupar los tendones y de anclarlos. En la tabla A.16 apéndice A y en la referencia 19.1 a 19.8 se presenta información típica a manera de ilustración. 19.5 CONCRETO PARA CONSTRUCCION PREESFORZADA A menudo se utiliza concreto de resistencia a la compresión sustancialmente mayor para estructuras preesforzadas, que para las construidas con concreto reforzado corriente. En la actualidad, la mayor parte de las construcciones preesforzadas en los Estados Unidos se diseñan 2 para una resistencia a la compresión entre 5,000 y 6,000 lb/pulg . Hay varias razones para esto: 1. Normalmente, el concreto de alta resistencia tiene un módulo de elasticidad mayor (ver la figura 2.3). esto significa una reducción en la deformación elástica inicial con la aplicación de la fuerza de preesfuerzo y una reducción en la deformación por flujo plástico, que es aproximadamente proporcional a la deformación elástica. Esto genera una reducción en la pérdida de preesfuerzo. 2. En construcción postensada, se tienen grandes esfuerzos de contacto en los extremos de las vigas, donde la fuerza de preesfuerzo se transfiere desde los tendones hasta los dispositivos de anclaje, que se apoyan directamente sobre el concreto. Este problema se puede resolver aumentando el tamaño de los dispositivos de anclaje o incrementando la capacidad portante del concreto general mediante un aumento en su resistencia a la compresión. Esta última solución es por lo general más económica. 3. En construcción pretensada, donde es común la transferencia de esfuerzos por adherencia, al utilización de concretos de alta resistencia permitirá el desarrollo de mayores esfuerzos de adherencia. 4. Una parte sustancial de la construcción preesforzada en los Estados Unidos es prefabricada, con el concreto mezclado, vaciado y curado en condiciones cuidadosamente controladas, lo cual facilita la obtención de altas resistencias. Las características de deformidad del concreto bajo cargas de corta duración y cargas sostenidas adquieren una importancia incluso mayor en estructuras preesforzadas que en estructuras de concreto reforzado, por la influencia de las deformaciones en la pérdida de la fuerza de preesfuerzo. Las deformaciones ocasionadas por esfuerzos, junto con los cambios volumétricos TEMA: CONCRETO PRETENSADO AUTOR: DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO – NILSON – WINTER – MACGRAW HILL SENCICO

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que generan la retracción de fraguado y los cambios de temperatura, pueden tener una influencia considerable en las estructuras preesforzadas. Con relación a este aspecto, se sugiere que el lector repase las secciones 2.8 a 2.11, que analizan con algún detalle las resistencias a la compresión, y a la tensión del concreto bajo cargas de corta duración y cargas sostenidas, y los cambios volumétricos en el concreto por la retracción de fraguado y por los cambios de temperatura. Al igual que para los aceros de preesfuerzo, los esfuerzos admisibles en el concreto, según el Código ACI 18.4, dependen del estado de carga. estos esfuerzos están dados en la tabla 19.2. En este caso f’ci es la resistencia a la compresión del concreto en el momento del preesfuerzo inicial y f’c es la resistencia a la compresión especificada del concreto. En las partes 2a y 2b de la tabla 19.2, las cargas sostenidas se refieren a cualquier parte de la carga de servicio que permanecerá aplicada durante un periodo suficiente de tiempo para producir significativas deflexiones dependientes del tiempo, mientras que la carga viva temporal. De esta manera, la carga sostenida incluiría la carga muerta y puede o no incluir la carga viva de servicio, dependiendo de su duración. Si la duración de la carga viva es corta o intermitente, se permite el límite mayor de la parte 2b. TABLA 19.2 Esfuerzos admisibles en el concreto en elementos preforzados sometidos a flexión. 1. Los esfuerzos en el concreto inmediatamente después de la transferencia del preesfuerzo, antes de las pérdidas de preesfuerzo dependientes del tiempo, no deben exceder lo siguiente: (a) Esfuerzo en la fibra extrema a compresión (b) Esfuerzo en la fibra extrema a tensión, excepto por lo permitido en (c) Esfuerzo en la fibra extrema a tensión en los extremos de elementos simplemente apoyados Cuando los esfuerzos de tensión calculados excedan estos valores, debe proporcionarse refuerzo auxiliar adherido (no preesforzado) en la zona de tensión, para resistir la fuerza total de tensión en el concreto calculada con el supuesto de una sección no fisurada. 2. Los esfuerzos en el concreto para las cargas de servicio, después de tener en cuenta todas las pérdidas de preesfuerzo, no deben exceder lo siguiente: (a) Esfuerzo en la fibra extrema a compresión debido a preesfuerzo más cargas sostenidas (b) Esfuerzo en la fibra extrema a compresión debido a preesfuerzos más la carga total (c) Esfuerzo en la fibra extrema a tensión en la zona de tensión precomprimida (d) Esfuerzo en la fibra extrema a tensión en la zona de tensión precomprimida de los elementos, excepto para los sistemas de losa en dos direcciones, en los cuales el análisis basado en las secciones fisuradas transformadas y en las relaciones bilineales momento deflexión demuestren que las deflexiones instantáneas y a lo largo plazo cumplen con las restricciones establecidas en otras secciones del Código ACI

0.60f’ci 3√ f’ci 6√ f’ci

0.45f’c 0.60f’c 6√f’c

12√f’c 3. Los esfuerzos admisibles en el concreto, determinados anteriormente, pueden excederse si se demuestra mediante ensayo o análisis que el comportamiento no se verá afectado.


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CONCRETO PREESFORZADO 14-1 Concreto preesforzado. Los miembros estructurales de concreto preesforzado son un ejemplo del uso económico de los materiales; aunque todavía se limita un poco su utilización en la construcción de edificios, ya se han usado ampliamente en puentes pequeños y de tamaño mediano, así como en cierto tipo de elementos estructurales de edificios. La primera aplicación práctica de la teoría del concreto preesforzado se hizo en Francia alrededor de 1928 y en EE. UU., se aplicó por primera vez con propósitos estructurales en los últimos años de la década de los cuarentas; año con año aumenta su popularidad y actualmente se construyen numerosos edificios en los cuales se emplea el principio económico del preesfuerzo. En un libro como el presente no es posible analizar en detalle los materiales especiales y los distintos métodos de construcción que se emplean para hacer un miembro estructural de concreto preesforzado; sin embargo, sí se muestra el porqué las vigas de concreto reforzado convencional no son económicas en cuanto al uso de los materiales y cómo el preesfuerzo aumenta la capacidad de estas vigas para resistir los esfuerzos de flexión y para soportar cargas mayores. Los ejemplos ilustrativos en los cuales se explica el diseño de vigas preesforzadas muestran por qué estos miembros estructurales tienen ventajas en lo que se refiere al uso económico de los materiales. En las vigas convencionales de concreto reforzado no se utiliza económicamente el concreto; en la fig. 14-1 se muestra una viga de este tipo, y en ella puede apreciarse que, en el caso de flexión, el área que resiste los esfuerzos de compresión es solamente aquella que está por encima del plano neutro, o sea el área sombreada. Toda el área de tensión se desprecia en

1,120  2.8kg / cm 2 como resultado de la fuerza de preesfuerzo mencionada. 20 x20 En las figuras 14-3b, c y d se muestran los diagramas de esfuerzos; vemos que al sumar los esfuerzos ocasionados por la flexión y por el preesfuerzo se tiene un esfuerzo de compresión de 2.8 + 2 2.8 = 5.6 kg/cm en la parte superior de la viga y que en la parte inferior ha desaparecido el esfuerzo de tensión, ya que 2.8 – 2.8 = o y no existe dicho esfuerzo. Por consiguiente, toda el área de la sección transversal trabaja a compresión y la viga (impráctica, por supuesto) soportaría su peso propio. Podría obtenerse un resultado más favorable bajando el gato para que actúe en el borde inferior del tercio medio del peralte y reduciendo el preesfuerzo a 560 kg (ver 14-4a); en este caso el preesfuerzo no está distribuido uniformemente sobre la sección de 20 x 20 cm y los esfuerzos en la parte inferior de la viga son mayores que los de la parte superior. Refiriéndose al Art. 12-4 y a la fig. 12-4c podemos observar que, para el caso de una fuerza que actúa sobre el borde inferior del tercio medio de una sección, los esfuerzos en la parte superior e inferior de la misma son entonces

f 2  0 y f1 

f 2  0 y f1 

2P A

2 x560  2.8kg / cm 2 20 x20

Son los esfuerzos ocasionados por el preesfuerzo. En las figs. 14-4b y c se muestran los diagramas de esfuerzos de flexión y de preesfuerzo; el esfuerzo combinado en la parte superior de la viga es 2 +2.8 + 0 = +2.8 kg/cm y en la parte inferior es –2.8 + 2.8 = 0

Fig. 14-4

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Aplicando excéntricamente el preesfuerzo y reduciendo su magnitud a la mitad, el esfuerzo máximo de compresión no aumenta más allá del que produce la flexión por sí sola; sin embargo, en la práctica, es difícil construir apoyos totalmente rígidos como los supuestos en este caso y, además los gatos utilizados para dar el preesfuerzo tendrían que dejarse permanentemente en la estructura. En la fig. 14-5 se muestra un método práctico para el preesfuerzo de una hilera de bloques utilizada como viga; una varilla de acero, con rosca en un extremo y un tope en el otro, se hace pasar a través de los agujeros situados en la parte inferior de los bloques y en el extremo roscado se coloca una tuerca. Al apretar la tuerca contra el bloque extremo, la varilla queda en tensión y los bloques en compresión; el objeto del preesfuerzo de compresión en el concreto es neutralizar los esfuerzos de tensión que se presentaría en la viga, como resultado de la flexión, al cargar la viga

Fig. 14-5

14-4 Alambre de acero utilizado en el concreto preesforzado. Al cabo de un tiempo, parte del preesfuerzo se pierde debido al flujo plástico (deformación) del acero y del concreto; si la varilla de la fig. 14-5 estuviese hecha del acero que se utiliza para el concreto reforzado convencional, la fuerza de preesfuerzo desaparecería casi por completo debido a esta flujo plástico. Por lo tanto, en el concreto preesforzado es necesario utilizar un acero especial cuya resistencia última, punto de fluencia y esfuerzo de trabajo permisible sean mucho mayores. En la tabla 14-1 se muestran las propiedades físicas promedio de un acero utilizado en este tipo de concreto y como comparación se muestran también en la misma tabla las propiedades del acero utilizado en el concreto reforzado convencional. Al usar el alambre especial para preesfuerzo se pierde también una cierta parte del preesfuerzo; se supone que esta pérdida varía entre el 15 y el 20%, lo cual significa que el preesfuerzo inicial debe ser un 15 ó 20% mayor que el requerido, para que se conserve la compresión necesaria en el concreto. 14-5 Concreto utilizado en el concreto preesforzado. Al diseñar miembros de concreto preesforzado debemos reconocer el hecho de que el concreto puede estar sometido temporalmente a esfuerzos de compresión más altos que los esfuerzos permisibles en la en la estructura terminada y bajo las cargas vivas totales; sabemos también que el concreto posee un cierto grado de resistencia a la tensión y, dependiendo de la estructura, puede permitirse temporalmente un esfuerzo de tensión limitado. El sobreesfuerzo temporal que se tiene durante el período de preesfuerzo sirve como prueba de calidad para los materiales utilizados. TABLA 14-1 PROPIEDADES FISICAS DEL ACERO UTILIZADO EN CONCRETO PRESFORZADO 2 (EN KG/CM ) Acero para preesfuerzo

Acero de refuerzo convencional (grado intermedio)

Resistencia última Punto de fluencia

prom. 17,600 prom. 14,900

4,920 a 6,340 2,810

Esfuerzo permisible de trabajo

prom. 10,600

1,400

En general, los concretos que se usan para preesforzado tienen resistencias últimas mayores que los 2 utilizados en el concreto reforzado convencional; dichas resistencias quedan entre 280 kg/cm y 420 2 kg/cm ; aunque se han empleado resistencias aún mayores. 14-6 Diseño de una viga convencional de concreto reforzado. En los dos ejemplos siguientes se compara el diseño de dos vigas, una del tipo convencional y la otra de concreto preesforzado; los claros, las cargas y la resistencia del concreto son los mismos en ambos casos. Ejemplo. Una viga tiene un claro de 9.00 metros y una carga uniformemente distribuida de 1,490 kg/m; diséñese dicha viga en concreto reforzado convencional y de acuerdo con los siguientes datos: 2 fc’ = 210 kg/cm 2 fs = 1,400 kg/cm 2 fc = 95 kg/cm TEMA: CONCRETO PRETENSADO AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE CONCRETO REFORZADO – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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ENCOFRADOS FIERRERÍA 2

vc = 4.2 kg/cm u = esfuerzos indicados en la tabla 5-1 n=9 Solución. Según la tabla 4-1, R = 15.94 y j = 0.872. Suponiendo que la viga es de 30 x 70 cm, su peso por metro lineal es 0.30 x 0.70 x 2,400 = 504 kg ; la carga total por metro lineal será entonces 1,490 + 504 = 1,994 kg y W = 1,994 x 9 = 17,946 kg Es la carga total uniformemente distribuida, entonces

M

Wl 17,946 x9 x100   2.020,000kg  cm 8 8

Será el momento flexionante máximo y

M 2.020,000   65cm Rb 15.94 x30

d

El peralte efectivo. Peralte toral = 65 + 6 = 71 cm El área de refuerzo longitudinal de tensión es

As 

M 2,020,000   25.3cm 3 f s jd 1,400 x0.872 x65

Según la tabla 1-1, usaremos tres varillas #9 y una varilla # 10, (3 x 6.42) + 7.94 = 27.20 cm El cortante vertical máximo es

V

2

17,946  8,973kg 2

A una distancia d de la cara del apoyo V = 8,973 – (0.65 x 1,994) = 7,673 kg

v

V 7,673   3.9kg / m 2 bd 30 x65 2

Este esfuerzo cortante es menor que el permisible de 4.2 kg/cm , por lo que no se requiere refuerzo en el alma. Según la tabla 1-1, los perímetros de las varillas #9 y #10 son 9 x 10 cm, respectivamente, entonces. ∑o = (3 x 9) + 10 = 37 cm y

u

V  o jd



8,973  4.3kg / cm 2 37 x0.872 x65

es el esfuerzo de adherencia, menor que los esfuerzos permisibles indicados en la tabla 5-1, por lo que se acepta. En resumen, las dimensiones totales de la viga serán, teóricamente, 30 x 71 cm, con tres varillas #9 y una varilla #10 como refuerzo longitudinal y no se requiere refuerzo en el alma. 14-7 Diseño de una viga de concreto preesforzado. El diseño de una viga de este tipo es un problema que debe ser resuelto por un ingeniero experimentado. En un libro del alcance de éste no es posible, ni aconsejable, adentrarse en los numerosos problemas referentes al diseño y la construcción de un miembro preesforzado; sin embargo, el ejemplo siguiente es útil para que el lector se familiarice con los principios y el procedimiento implícitos en el diseño de una preesforzada, así como para demostrar cómo esta viga presenta una solución más económica en cuanto al uso de los materiales, en comparación con una viga convencional de concreto reforzado. La viga del ejemplo anterior se rediseñará ahora como viga preesforzada. Ejemplo. Diseñar una viga simple de concreto preesforzado cuyo claro es de 9 metros y que soporta 2 una carga de 1,490 kg/m; el ancho de la viga es de 30 cm y f’c = 210 kg/cm Esfuerzos permisibles: TEMA: CONCRETO PRETENSADO AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE CONCRETO REFORZADO – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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Concreto, al preesfuerzo inicial:

f ten  0.8 210  12kg / cm 2

compresión,

tensión,

f ten  0.8 210  12kg / cm 2

Concreto, después de la pérdida de preesfuerzo

compresión, tensión,

f c  0.45x210  95kg / cm 2

f ten  0kg / cm 2

Acero: 2

resistencia última,

f s = 17,600 kg/cm

temporal,

f s = 0.80 x 17,600 = 14,080 kg/cm

2

2

después de las pérdidas, f s = 0.60 x 17,600 = 10,560 kg/cm Pérdida de preesfuerzo = 15% Solución. Nomenclatura y símbolos. Todos los esfuerzos de compresión en el concreto son positivos (+). Todos los esfuerzos de tensión en el concreto son negativos (-). Los esfuerzos unitarios del concreto se denominan por medio de la letra f, con dos subíndices, el primero indica la causa del esfuerzo y el segundo su localización. Los subíndices son: d por carga muerta l por carga viva p por esfuerzo pi por preesfuerzo inicial c por una combinación de causas t por parte superior de la viga b por parte inferior de la viga. Por consiguiente, fdt indicará el esfuerzo del concreto ocasionado por la carga muerta en la parte superior de la viga y fptb indicará el esfuerzo del concreto ocasionado por el preesfuerzo inicial, en la parte inferior de la viga. En el diseño de las vigas de concreto preesforzado es necesario suponer su ancho y su peralte y revisar después, mediante los cálculos, si estas dimensiones supuestas son aceptables; en la elaboración del presente ejemplo se supuso inicialmente un peralte de 55 cm, pero los cálculos indicaron que es demasiado pequeño, por lo que supondremos ahora 57 cm y, como el ancho es de 30 cm según los datos. 2 área A = 30 x 57 = 1,710 cm módulo de sección

S

bd 2 30 x57 2   16,150cm 2 6 6

peso de la viga = 0.30 x 0.57 x 2,400 = 410 kg/m, W d, carga muerta = 410 x 9 = 3,690 kg,

1 = 1,845 kg, 2 Wl 3,690 x9 x100 Md    415,000kg  cm 8 8

Vd = 3,690 x

W l , carga viva = 9 x 1,490 = 13,410 kg, Vl = 13,410 x

1 = 6,705 kg, 2


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Wl 13,410 x9 x100 Ml    1,510kg  cm 8 8 Los esfuerzos de flexión ocasionados por la carga muerta son

o sea,

f 

M S f

M S

Entonces

f dt 

415,000  26kg / cm 2 , 16,150

f db 

415,000  26kg / cm 2 , 16,150

Los esfuerzos de flexión ocasionados por la carga viva son

f lt 

1.510,000  94kg / cm 2 , 16,150

f lb 

1.510,000  94kg / cm 2 , 16,150

Los esfuerzos ocasionados por la combinación de carga viva más carga muerta son 2 fct = + 26 + 94 = + 120 kg/cm , 2 fcb = - 26 - 94 = - 120 kg/cm Según los datos, sabemos que los esfuerzos ocasionados por la acción combinada de la carga viva, más el preesfuerzo, más la carga muerta, sobre la estructura final y después de la pérdida de preesfuerzo son 2 fct = + 95 kg/cm , 2 fcb = 0 kg/cm La magnitud del preesfuerzo debe ser tal que 2 fpt = 95 -120 = - 25 kg/cm , 2 fpb = 0 – (-120) = + 120 kg/cm (ver fig. 14-6) El preesfuerzo es una carga excéntrica sobre el extremo de la viga. Refiriéndonos al Art. 12-4 y a la fig. 12-4b

f pt 

P  6e  1   A d 

f pb 

P  6e  1   A d 

Fig. 14-6 TEMA: CONCRETO PRETENSADO AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE CONCRETO REFORZADO – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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En estas dos ecuaciones, e es la excentricidad de la carga de preesfuerzo y d es el peralte del 2 2 miembro; como los esfuerzos de –25 kg/cm y +120kg/cm y +1 son los esfuerzos finales (después de las pérdidas) ocasionadas por Pi, el esfuerzo inicial, éste debe ser mayor que P. Por consiguiente, al suponer una pérdida del 15% dichas ecuaciones se convierten en

f pit 

1  0.15Pi x1  6e   25kg / cm 2 ,

f pib 

1  0.15Pi x1  6e   120kg / cm 2 ,

A

A

 

 d 

 

 d 

(1)

(2)

Sumando (1) y (2)

21  0.15Pi  95kg / cm 2 , A y para

P1 

A = 1,710 cm

2

95 x1,710  95,500kg / cm 2 2 x0.85

Que será el preesfuerzo inicial. Para el cálculo de 6e/d puede usarse ya sea (1) ó (2). Tomando (2)

0.85 x95,500  6e  1    120 1,710 d  

6e 120 x1,710   1  1.52 d 0.85 x95,500 Entonces

e

1.52 x57  14.4cm 6

Es la excentricidad del preesfuerzo, por lo que los esfuerzos ocasionados por el preesfuerzo inicial de 95,500 kg son

f pit 

95,500 1  1.52  29kg / cm 2 1,710

f pib 

95,500 1  1.52  141kg / cm 2 1,710

Después de un 15% de pérdidas, estos esfuerzos serán 2

fpit final = 0.85 x (– 29) = - 25 kg/cm , fpib final = 0.85 x (+ 141) = + 120 kg/cm

2

La viga tenderá a levantarse en el centro del claro, debido a la acción excéntrica del preesfuerzo, hasta que se le aplique la carga muerta. Una vez que se han presentado las pérdidas de preesfuerzo, los esfuerzos combinados por carga 2 2 muerta más carga viva son + 1 kg/cm en la parte superior y + 94 kg/cm en la parte inferior de la viga, según se muestra en la fig. 14-7; estos son menores que el permisible y, por lo tanto, el peralte de 27 cm es aceptable hasta ahora.


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Cuando se agregan los esfuerzos ocasionados por la carga viva, los esfuerzos en la parte superior e 2 2 inferior de la viga son + 95 kg/cm y 0 kg/cm respectivamente, según se muestra en al fig. 14-8; toda el área de concreto está trabajando a compresión.

Fig. 14-8 Para determinar el área de acero requerida para producir el preesfuerzo deberán satisfacerse dos condiciones: 1. Al preesfuerzo inicial

As  2.

Pi de esfuerzo inicial  95,500   6.9cm 2 f s esfuerzo permisible inicial  14,080

Al preesfuerzo final (después de las pérdidas)

As 

Pde esfuerzo final  0.85 x95,500   7.7cm 2 f s esfuerzo permisible final  10,560

El segundo valor controla el diseño y el área requerida puede distribuirse en cuatro cables de siete alambres cada uno; el área requerida de cada alambre es

7.7  0.275cm 2 y el diámetro 4 x7

correspondiente es de 0.56 cm, por lo que se aceptarán alambres de 0.63 cm (1/4 plg). Los alambres se pasan a través de tubos longitudinales colocados en las cimbras antes de colar el concreto; los tubos son de diámetro inferior ligeramente mayores que el de los cables y tan lisos como sea posible para que la fricción sea mínima durante el preesfuerzo. Si se desea realizar un diseño exacto, las áreas de los agujeros deben deducirse del área nominal de la sección transversal neta. Para proteger los alambres de la corrosión, los intersticios entre los tubos y lso cables se rellenan con lechada de cemento después de terminar el preesfuerzo. Hasta aquí hemos tomado en consideración los esfuerzos que existen en una sección situada en el centro del claro de la viga (en donde se presenta el momento flexionante máximo), esfuerzos ocasionados por las cargas vivas y muertas; los esfuerzos que existen en los extremos de las vigas se deben solamente al cortante y al preesfuerzo, ya que los momentos flexionantes ocasionados por la carga viva y la carga muerta son ambos nulos. Se vio anteriormente que los esfuerzos en la parte 2 2 superior e inferior de la viga, después de las pérdidas, son de –25 kg/cm (tensión) y +120 kg/cm (compresión) respectivamente; sin embargo, estos esfuerzos son excesivos, por lo que no pueden aceptarse y deben reducirse; esto puede lograrse reduciendo el grado de excentricidad, ya que dichos esfuerzos son ocasionados por la excentricidad de la carga de preesfuerzo aplicada en los extremos de la viga. La mitad de los cables (dos) se coloca en forma de parábola, de modo que no haya excentricidad para ellos en el extremo de la viga; como el preesfuerzo inicial es de 95,500 kg, la parte correspondiente a cada par de cables es de 47,750 kg como se muestra en la fig. 14-9 TEMA: CONCRETO PRETENSADO AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE CONCRETO REFORZADO – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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Fig. 14-9 El ángulo que forma los cables con la horizontal, en el extremo de la viga, puede calcularse a partir de las propiedades de la parábola y, por consiguiente, puede determinarse los componentes vertical y horizontal del preesfuerzo inclinado; en la fig. 14-10 se muestran las fuerzas mencionadas para este ejemplo. La magnitud de la resultante de las dos fuerzas horizontales es 47,650 + 47,750 = 95,400 kg; para encontrar su distancia al centro de la viga (su excentricidad e), escribiremos una ecuación de momentos con respecto al punto A (fig. 14-10), entonces. (47,750 x 14.4) + (47,650 x 0) = 95,400 x e y e = 7.2 cm es la excentricidad de la resultante de 9,400 kg Para encontrar los esfuerzos directos de compresión en el extremo de la viga, ocasionados por el preesfuerzo inicial de 95,400 kg, utilizaremos las fórmulas dadas en al Art. 12-4, (fig. 12-4b) Entonces.

Fig. 14-10 En la parte superior

En la parte inferior

f pit  f pib 

95,400  6 x7.2  2 1    13.4kg / cm 1,710  57 

95,400  6 x7.2  2 1    97.1kg / cm 1,710  57 

Vemos que ahora no existe ya tensión en la parte superior de la viga (en el extremo de la viga) y que 2 el esfuerzo en la parte inferior es menor que el esfuerzo temporal permisible de 126 kg/cm ; después de las pérdidas de preesfuerzo, estos esfuerzos se convierten en 2 En la parte superior f pit = + 13.4 x 0.85 = + 11.4 kg/cm 2 En la parte inferior fpib = + 94.1 x 0.85 = + 82.5 kg/cm Ambos esfuerzos son aceptables Además de reducir los esfuerzos en los extremos de la viga a límites aceptables, el curvar los alambres de acero produce una fuerza que actúa verticalmente hacia arriba y que es directamente opuesta a las fuerzas ocasionadas por las cargas muertas más la viva, por consiguiente, el cortante en los extremos se reduce; como el valor del cortante mencionado es 1,830 + 6,705 = 8,535 kg y la fuerza vertical después de las pérdidas es de 3,050 x 0.85 = 2,593 kg, V = 8,535 ÷ 2,593 = 5,942 kg El cortante horizontal máximo se localiza a la mitad del peralte,* pues la viga es de sección rectangular.

v

3 V 3 5,942 x  x  5.2kg / cm 2 2 A 2 1,710


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En una viga convencional de concreto reforzado, el esfuerzo cortante es una medida de la tensión diagonal; en el caso del concreto preesforzado dicha tensión diagonal se reduce por la presencia de los esfuerzos longitudinales existentes en la mitad del peralte de la viga. Los esfuerzos principales resultantes pueden calcularse con suficiente exactitud por medio de la fórmula 2

fm  fm  f prin   v     2  2  2

en donde fm es el esfuerzo de compresión a la mitad del peralte, ocasionado por el preesfuerzo, y v 2 es el esfuerzo cortante en el mismo punto, ambos en kg/cm En este ejemplo

fm 

11.4 x82.5  47kg / cm 2 2

Entonces 2

47  47  f prin   5.2      0.6kg / cm 2 2  2  2

Es aceptable Esta viga simple se diseñó primero como viga convencional de concreto reforzado y se ha diseñado ahora en concreto preesforzado; puede observarse que el preesfuerzo permite una reducción substancial del peralte (de 65 cm a 57 cm) y consecuentemente del peso y del costo de las cimbras laterales, además de una reducción de casi una cuarta parte del área de acero requerida para la viga convencional. Todos éstos son ahorros, pero de ellos pueden compensarse por el precio más alto de los alambres de acero de alta resistencia y por el precio del proceso del preesforzado en sí. 14-8 Postensado y pretensado. En el ejemplo anterior se aplicó el preesfuerzo después de que el concreto había alcanzado ya la resistencia suficiente para soportar los esfuerzos ocasionados por éste; dicho método se conoce como post-tensado y en ocasiones se le llama preesfuerzo sin adherencia, ya que los alambres o cables se colocan en tubos de metal o de cartón dentro de las cimbras, para evitar la adherencia entre ellos y el concreto. En los extremos de las vigas se colocan anclajes, a través de los cuales se atornillan los alambres y el tensado se aplica por medio de gatos hidráulicos. En el método de pretensado o preesfuerzo con adherencia los cables se colocan en las cimbras vacías y por medio de gatos se les da el esfuerzo de tensión requerido; después de esto se coloca el concreto y se deja fraguar. Al soltar los gatos, los esfuerzos de los alambres se transmiten al concreto mediante la adherencia entre los dos materiales. El diseño de un miembro pretensado es similar al de un miembro post-tensado, excepto que las pérdidas del preesfuerzo pueden ser mayores en el primer caso, debido a las contracciones y al flujo plástico que se presentan durante el fraguado del concreto. * Ver Art. 7-5 del Simplified Mechanics and Strength og Materials, segunda edición, por Harry Parker, John Wiley an Sons, Nueva York, 1961


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CARACTERÍSTICAS Y CLASIFICACIÓN DE LA MADERA 1-1 Madera para miembros estructurales. A diferencia de muchos materiales de construcción, la maderazo es un material elaborado, sino orgánico, que generalmente se usa en su estado natural. De los numerosos factores que influyen en su resistencia, los más importantes son: la densidad los defectos naturales y su contenido de humedad. A causa de los defectos y de las variaciones inherentes a la madera, es imposible asignarle esfuerzos unitarios de trabajo con el grado de precisión que se hace en el acero o en el concreto. Desde el punto de vista de la ingeniería, la madera presenta problemas más complejos y variados que muchos otros materiales estructurales, Los árboles cuya madera se emplea en la construcción se clasifican en dos grupos: los de madera blanda y los de madera dura. Los de madera blanda, como los pinos y los cipreses, son coníferas, mientras que los de madera dura, por ejemplo: los encinos y los arces, tienen hojas anchas. Los términos madera blanda y madera dura no indican el verdadero grado de dureza de las diferentes especies de árboles. Los encinos, por ejemplo, son muy duros, mientras que los tilos, que también se clasifican entre los árboles de madera dura, son extremadamente blandos. Por otra parte, el pino amarillo del Sur y el abeto Douglas, aunque se clasifican entre los de madera blanda, son, en realidad, dos de las maderas más duras. Las dos especies de árboles que más se usan para obtener madera estructural en los Estados Unidos son los pinos del Sur y los abetos Douglas, clasificándose los dos entre las maderas blandas. 1-2 Crecimiento de los árboles. Los árboles que se usan para obtener madera en este país son exógenos; es decir, aumentan de tamaño creando madera en la superficie exterior debajo de la corteza. la sección transversal del tronco de un árbol muestra los anillos de madera nueva que se forman anualmente. Estos anillos, que se llaman anillos anuales, con frecuencia están formados por capas de color claro y otras de color oscuro, el anillo de color claro corresponde al leño que se desarrolla en la primavera de cada año y el de color oscuro es el del verano. Así, el número de anillos anuales en la base de un árbol indica su edad. La banda de anillos anuales en el borde exterior del tronco se conoce con el nombre de albura. esta banda, a menudo, tiene un color claro. Contiene células vivas y conduce la savia de las raíces a las hojas. Conforme el árbol envejece, la albura cambia gradualmente a duramen, formándose una albura nueva. La madera de duramen es generalmente más obscura que la albura. Está compuesta por células inactivas y constituye la porción mayor del tronco del árbol. En general, la albura es ligera y más porosa que el duramen. este es más denso y da resistencia al tronco del árbol. Es más resistente y más durable que la albura, pero, si la madera se va a tratar con preservativos, la albura es útil por ser absorbente. La estructura de los árboles está constituida por haces longitudinales de fibra leñosa o células. Estas pequeñas fibras huecas varían de forma y de disposición, lo cual influye tanto en la apariencia como en las propiedades físicas de las diferentes especies. Bandas más pequeñas de fibras, llamadas radios medulares, se extienden radialmente desde el centro del tronco y ayudan a mantener unida la estructura. Los radios medulares no se aprecian con facilidad en algunas especies de árboles, pero en otras son claramente visibles; por ejemplo, el encino aserrado por cuartos, muestra estos radios medulares con toda claridad. 1-3 Densidad de la madera. El peso específico de las diferentes especies de madera, lo determinan las diferencias de disposición y tamaño de las células huecas, así como el espesor de las paredes de las células. La resistencia de la madera está íntimamente relacionada con su densidad. El término hilo o veta apretada se refiere a la madera que tiene anillos anuales angostos, con separaciones muy pequeñas. En algunas maderas, como el abeto Vouglas y el pino amarillo del Sur, es notable el contraste entre el leño de primavera y el de verano, y la proporción que tengan del verano es una base visual para estimar aproximadamente su resistencia y densidad. El peso de la sustancia leñosa en todas las especies es aproximadamente de 1.53 veces el peso del agua, pero las células de la madera contienen aira en diferentes proporciones; variando, por tanto, los pesos de las especies no sólo por su densidad, sino también por su contenido de humedad. Cuando se trata de hacer cálculos, se 3 3 toma como peso promedio de la madera 40 lb por pie (643 kg/m ). 1-4 Defectos de la madera. Cualquier irregularidad en al madera que afecte a su resistencia o durabilidad es un defecto. A causa de las características naturales del material, existen varios defectos inherentes a todas las maderas, que afectan a su resistencia, apariencia y durabilidad. Se describen en seguida los defectos más comunes. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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Rajadura a través de los anillos es una hendidura o separación longitudinal de la madera que atraviesa los anillos anuales; generalmente proviene del proceso de curado. Véase fig. 1-1b

Fig. 1-1 Se llama reventadura entre anillos a la separación a lo largo del hilo principalmente entre anillos anuales. Véase Fig. 1-1a. Estos dos tipos de defectos reducen la resistencia al esfuerzo cortante; por tanto, los, miembros sujetos a flexión resultan afectados directamente por su presencia. La resistencia de los miembros a la compresión longitudinal no resulta afectada grandemente por las reventaduras entre anillos. Estas reventaduras debilitan la unión entre anillos anuales. La pudrición es la desintegración de la sustancia linosa debida al efecto destructor de los hongos. La pudrición se reconoce con facilidad, porque la madera se hace blanda, esponjosa y se desmorona. El aire, la humedad y una temperatura favorable propician el crecimiento de los hongos. Si se elimina el aire, como, por ejemplo, cuando la madera está constantemente sumergida, los hongos no pueden existir. Muchas maderas se impregnan con preservativos como la brea de carbón de piedra y la creosota para impedir el desarrollo de los hongos. También se impide el desarrollo de los hongos aplicando pintura a la madera cuando está seca. generalmente es difícil determinar el alcance de la pudrición: por tanto, en las maderas de los grados estructurales, no se tolera ninguna forma de pudrición. Descantillado es el término que se aplica a la corteza, o ausencia de madera o de corteza, en la arista o esquina de un trozo de madera aserrada. la resistencia de un miembro puede resultar afectada por el descantillado, porque el miembro tiene un área de la sección transversal insuficiente. En las especificaciones, el descantillado puede evitarse con el requisito de que las aristas sean en ángulo recto. Un nudo es la parte de una rama incorporada en el tallo de un árbol. Hay varios tipos y clasificaciones de nudos, y la resistencia de un miembro resulta afectada por el tamaño y la posición de los nudos que pueda contener. Las reglas para clasificar en grados la madera estructural son específicas respecto al número y el tamaño de los nudos, y se les toma en cuenta, al determinar los esfuerzos de trabajo. Las bolsas de resina son aberturas paralelas a los anillos anuales que contienen resina, ya sea sólida o líquida. 1-4.1 Curado de la madera. Toda la madera verde contiene agua y la utilidad de la madera se mejora eliminándola. El proceso para eliminar la humedad de la madera verde se conoce con el nombre de curado; se efectúa exponiéndola al aire o calentándola en hornos. La madera curada es más rígida, más fuerte y más durable que la madera verde. Al eliminar el agua se contraen las células fibrosas; las que forman las paredes laterales de la fibra se contraen más que las internas y las células de la albura más que las del duramen. La contracción de las fibras linosas produce esfuerzos internos que originan rajaduras y alabeo; el efecto del curado varía según el tamaño de la madera. En general, las maderas blandas se contraen más con el curado que las duras. 1-4.2 Clasificación de la madera blanda. Se define como madera el producto del proceso de cepillar y cantear en el aserradero, sin ningún tratamiento adicional que aserrar, volver a aserrar y pasarla longitudinalmente por una canteadora estándar cortarla a cierta longitud e igualarla. Hay tres clases principales de madera blanda en el sistema americano de normas para madera: 1. Madera comercial o de barraca 2. Madera estructural 3. Madera por elaborar La madera comercial comprende el material de grueso menor de 5 plg que se usa en trabajos generales de construcción. Es la madera que se encuentra generalmente en las madererías que venden al menudeo. incluye tablas y madera para forros con espesor TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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menor de 2 plg duelas para piso, listones, tejas, estacas, material para acabados, tablones de grueso menor de 4 plg y viguetas de grueso de 4 plg o menor. En esta clasificación se incluyen los postes y los tamaños comunes de viguetas y pares de armaduras. En el material estructural se incluyen madera (excepto las viguetas y tablones) de 5 plg o más de grueso y ancho. Al material de este grupo generalmente se le llama madera gruesa. En general, se usa material estructural para soportar cargas y se clasifica tomando como base la resistencia y el uso de toda la pieza. Dentro de la clasificación de material estructural están A) viguetas y tablones (de 2 a 4 plg de grueso y 4 o más plg de ancho); b) vigas y largueros (de 5 plg o más de grueso y 8 plg o más e ancho), y c) postes y madera gruesa (de 5 x 5 plg y mayor). Madera por elaborar comprende los tablones para fábricas y madera que se clasifica como adecuada para usarse en puertas, marcos y otras piezas de 1 1/4 de pulgada o más de grueso y 5 plg o más de ancho. Se usa en la industria de carpintería y ebanistería y para artículos de madera. En la tabla 1-1 se da la clasificación de la madera blanda y los nombres de los grados que se usan las asociaciones madereras para las diferentes clases de material en el sistema de normas americanas para madera. Tabla 1-1 CLASIFICACION DE LA MADERA BLANDA

Se reproduce con autorización del U.S. Forest Products Laboratory 1-5 Madera aserrada. La madera aserrada es madera comercial de grueso entre 2 y 5 plg o más de ancho. Comprende toda la madera comercial, excepto tablas, tiras y madera gruesa. Se incluyen en la madera aserrada tablones, alfardas, postes y viguetas gruesas, y sus dimensiones se dan en las tabla 1-1. La madera aserrada se vende en todas las madererías, pero con frecuencia sólo la hay en una clase de las maderas de uso general, tal como pinabete, pino del Canadá, o abeto. Los grados son: aserrada Núm. 1, aserrada Núm. 2 y aserrada Núm. 3; la clasificación se basa en la resistencia, la rigidez y en lo derecho de la pieza. En general, la madera aserrada se usa TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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en los costumbre que el proyecto especial hecho de acuerdo con esfuerzos permitidos determinados. La aserrada Núm. 1 es la madera sana en la que sólo se permiten nudos de tamaño relativamente pequeño con respecto al de la pieza. Este grado se usa en viguetas, pares, y andamios en entramados ligeros. En los edificios proyectados para cargas pesadas deben usarse, de preferencia, los grados estructurales para viguetas, tablones y vigas, y no los de madera aserrada. La aserrada Núm. 2, admite defectos mayores y es más tosca que la Núm. 1. Se usa principalmente en la construcción de entramados ligeros a precio medio. La aserrada Núm. 3, incluye todas las piezas de menor categoría que la Núm. 2, adecuadas para construcciones baratas o provisionales. 1.8 Material estructural Con mucha frecuencia se le llama al material estructural maderaje o madera gruesa . Debido a que la resistencia de la madera varía con el tipo de carga a la que se sujeta, y también porque el efecto del curado varía con el tamaño, es necesario clasificar las maderas de acuerdo con su tamaño y su uso. Por tanto, el material estructural se clasifica como sigue: Vigas y largueros.- Grueso nominal, 5 plg o mayor; anchos nominales, de 8 plg o más; tamaños estándar, S1S, S1E, S2S, S4S, con 1/2 plg de margen en los dos sentidos. Viguetas y tablones.- Grueso nominal, 2 a 5 plg pero sin llegar a 5 plg ancho nominal, de 4 plg o mayor; gruesos estándares, S1S o S2S, 3/8” de margen; anchos estándares, S1E o S2E, 4 plg con 3/8 plg de margen y 6 plg o más, con margen de 1/2 plg. Postes y madera gruesa.- Tamaños nominales, 5 x 5 plg o mayores; tamaños estándares, S1S, S1E, S2S S4S, con tolerancia de 1/2 plg en cada sentido. El cepillado de la madera se especifica como labrado por una cara (S1S), 2 caras (S2S), 1 canto (S1E, 2 cantos (S2E), o ambas caras y ambos cantos (S4S). Por tolerancia de 1/2” o 3/8”, queremos decir que las piezas pueden tener 1/2” o 3/8”, menos de la medida nominal. En general, las longitudes estándares de las tras clases son múltiplos de 2 pies, excepto las siguientes longitudes permisibles con número de pies impar: 2” x 4”,6” x 8” ’ 8” x 8” ,10” x 10”,12” x 12”, 14” x 14” 6” x 16” , 18” x 18” 11’ y 13’ 6” x 16”,6” x 18”,8” x 16”,8” x 18” 15’ y 17’

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ESFUERZOS DE TRABAJO PARA MADERA ESTRUCTURAL 3-1 Esfuerzos de Trabajo para la madera Estructural . Hay que considerar muchos factores, al determinar los esfuerzos de trabajo de la madera. Mediante pruebas hechos por el Forest Products Laboratory del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos en materiales libres de todo defecto se ha obtenido un tabulador conocido con el nombre de esfuerzos básicos. Para obtener esfuerzos de trabajo, los esfuerzos básicos se reducen por medio de factores que toman en cuenta la pérdida de resistencia por defectos, tamaño y posición de los nudos, inclinación del hilo, tamaño de miembro, su densidad, condiciones de exposición, y magnitud de grietas radiales y circulares (rajaduras y reventaduras). No existe una norma universal para relacionar los esfuerzos de trabajo con la clasificación estructural. Algunas asociaciones madereras han establecido una serie de esfuerzos de trabajo conocida con el nombre de grados de esfuerzos. Los diferentes grados de esfuerzos se designan así: 1,450 ƒ y 1,200c, etc., y representan los esfuerzos unitarios de trabajo aplicables al material usado en lugares completamente secos y protegidos, que le garantizan al diseñador valores de resistencia determinados. Otras asociaciones madereras siguen el sistema de referirse a los grados estructurales por nombre. Los esfuerzos o grados estructurales se describen en las reglas para clasificar maderas de las diferentes asociaciones del ramo y pueden obtenerse solicitándolas a las asociaciones respectivas. El diseñador de madera estructural naturalmente debe satisfacer los requisitos y esfuerzos de trabajo establecidos en el reglamento local de construcción. El lector debe consultar los reglamentos que rigen en sus localidades y fijarse en los requisitos que establecen. En la tabla se reproduce una parte de la tabla de esfuerzos de trabajo para madera clasificada de acuerdo con ellos, publicada y recomendada por la National Lumbre Manufacturers Association. Los esfuerzos de trabajo que aparecen en esta tabla se pueden usar como datos generales para diseñar con éxito estructuras de madera y se refieren a condiciones de carga normales. En todo este libro, los esfuerzos usados en los ejemplos y problemas no se ajustan a ningún reglamento específico de construcción sino que se tomaron de varios reglamentos diferentes. A menos que se especifique otra cosa, los esfuerzos que deben usarse en la solución de los problemas son los que se dan en la tabla 3-1. Las pruebas de resistencia de las diferentes especies de madera se hacen comúnmente con probetas de 2 x 2 pulgadas de sección transversal. Pero las pruebas hechas con piezas de los tamaños que se usan en la práctica demuestran que los datos de los esfuerzos se aplican solamente al tamaño empleado en la prueba. Por esta razón, en la tabla 3-1, además de la especie y grado, se indica también el material empleado en la prueba. Nótese que la abreviatura V y T, se refiere a viguetas y tablones, V y L. a vigas y largueros, y P y M indican postes y madera gruesa. Como ejemplo, consideremos el grado Nº 1 CR de pino del Sur. La tabla 3-1 para ƒ, esfuerzo permisible a la flexión 2 en la fibra más lejana, da un valor de 1,500 Ib/plg para materiales con gruesos de 3 y 4 plg pero para 2 materiales de 5” o de mayor grueso, este esfuerzo es solamente de 1,400 Ib/plg . En los proyectos de madera estructural los esfuerzos de trabajo que es requieren como datos son los de la fibra de los extremos en flexión y tensión paralela a la veta, el cortante horizontal, la compresión paralela a la veta, la compresión perpendicular a la veta y el módulo de elasticidad. Estos datos se encuentran en la tabla.

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TABLA 3-1 ESFUERZOS UNITARIOS PERMISIBLES PARA MADERAS CLASIFICADAS POR ESFUERZOS LOS QUE SE DAN EN SEGUIDA SON PARA CONDICIONES DE TRABAJOS NORMALES.


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TABLA 3-1 ESFUERZOS UNITARIOS PERMISIBLES PARA M ADERAS CLASIFICADAS POR ESFUERZOS LOS QUE SE DAN EN SEGUIDA SON PARA CONDICIONES DE TRABAJOS NORM ALES. (CONTINUACION)

Abreviaturas: V. y T. = Viguetas y Tablones; V. y L. = Vigas y Largueros; P. y M. = Postes y Madera gruesa; CR = Clasificada por Resistencia. Se produce con autorización de la National Lumber Manufacturers Association. 3-2 Duración de los Esfuerzos Una de las características de la madera es que, al determinar las dimensiones del miembro, se debe tomar en cuenta el tiempo durante el cual se aplica la carga. Una fuerza aplicada repentinamente, de unos cuantos segundos de duración, quizá no produzca daños a un miembro, pero si la misma fuerza se aplica durante un período más largo puede producir la falla. Los esfuerzos de trabajo dados en la tabla 3 -1 son para condiciones de carga normales. Se considera una condición de carga normal cuando se aplica toda la carga máxima normal de proyecto durante 10 años aproximadamente, o 90% de la ca rga máxima de proyecto continuamente durante la vida de la estructura. Cuando la duración de la carga máxima completa no excede el periodo indicado, el esfuerzo unitario admisible dado en la tabla 3 -1 se suele aumentar en forma que se indica enseguida: TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – HARRY PARKER – LIMUSA SENCICO

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para una duración de dos meses, como para la nieve para una duración de siete días

1 % 3

para el viento o los terremotos

100% para impacto 3-3 Peligros de pudrición La madera que está mojada constantemente, la que está debajo del nivel del agua por ejemplo, o un miembro que siempre está seco como en las estructuras cubiertas no corre el riesgo de pudrirse. Como es casi imposible determinar la magnitud de lo podrido, no se tolera ninguna pudrición en la madera de grado estructu ral. 3-4 Compresión paralela a la veta Los esfuerzos de trabajo que se dan para la compresión paralela al hilo se aplican a postes, columnas, y puntales, como se dan en la tabla 3 -1. Al proyectar una columna de madera, usando la fórmula que se da en el Ar t. 13-3, nótese que

P el A

esfuerzo unitario permisible, no debe exceder al de c que se da en la tabla 3 -1. En miembros cortos, como postes, el esfuerzo unitario máximo admisible es c, el esfuerzo de compresión permisible al hilo. 3-5 Compresión perpendicular a la veta Los esfuerzos de compresión perpendicular al hilo se refieren a los que se producen en las partes de las vigas donde descansan en los apoyos, o donde las cargas concentradas están en contacto con las vigas. Estos esfuerz os permisibles se encuentran en la tabla 3-1; son para materiales que están curados superficialmente, cuando se instalan, y se aplican a apoyos de cualquier longitud en los extremos de las vigas y a todos los apoyos de longitud de 6 plg o mayor, en cualqui er otro lugar. En apoyos de longitud menor de 6 plg dichos esfuerzos pueden aumentarse, de acuerdo con los factores que se indican en el Art. 7 -1. 3-6 Cargas en superficies inclinados a la veta En los entramados de madera ocurre con frecuencia el caso que se ilustra en la figura 3-1. La carga de la pieza B produce un esfuerzo de compresión en la pieza A en una superficie inclinada al hijo. La fórmula recomendada para calcular el esfuerzo unitario de trabajo en la superficie inclinada se conoce con el nombr e de fórmula de Hankinson y es:

N

PQ Psen   Q cos 2  2

Fig. 3-1 En la que N = esfuerzo unitario de compresión permisible perpendicular a la superficie inclinada. P = esfuerzo unitario permisible de compresión paralela a la veta Q = esfuerzo unitario permisible de compresión perpendicular a la veta  = ángulo entre la dirección veta.

de la carga y la dirección del hilo o


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Cuando se aplica la carga paralela al hilo  es cero. Cuando se aplica la carga 2 2 perpendicular a la veta  es 90°. La tabla da valores de sen  y cos  para diferentes valores de . Tabla 3-2 VALORES DE SEN  Y COS  PARA DIFERENTES VALORES DE  2

Sen  2

0.00000 0.00760 0.03015 0.06698 1.00698 0.17860 0.25000 0.32899 0.41318 0.50000

 (grados)

2

Coseno 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

2

1.00000 0.99240 0.96985 0.93302 0.88302 0.82140 0.75000 0.67101 0.58682 0.50000

Sen  2

0.50000 0.58682 0.67101 0.75000 0.82140 0.88302 0.93302 0.96985 0.99240 1.00000

 (grados) 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Coseno  2

0.50000 0.41318 0.32899 0.25000 0.17860 0.11698 0.06698 0.03015 0.00760 0.00000

Ejemplo. Dos piezas de madera, de 6 plg de ancho, de pino del Sur, grado CR Nº 1 Densa, se unen entre sí como se indica en la figura 3 -1. El ángulo entre la dirección de la carga y la dirección de la veta es d e 30°. Calcúlese el esfuerzo unitario permisible y en la superficie de apoyo inclinada. SOLUCION.- Consultando la tabla 3-1, encontramos que el esfuerzo unitario de 2 compresión permisible paralelo al hilo es 1,500 Ib/plg que es el término P en la 2 fórmula. De igual modo, 455 Ib/plg es el esfuerzo unitario de compresión admisible perpendicular a la veta. Este es el término Q de la fórmula. Entonces:

N

PQ Psen   Q cos eno 2 2

1,500 x455  950lb / p lg 2 1,500 x0.25  455x0.75 Q es el esfuerzo unitario permisible en la superficie inclina da. En esta ecuación, las 2 cantidades 0.25 y 0.75 se tomaron de la tabla 3 -2, que corresponden al sen , respectivamente para el ángulo de 30°. Problema 3-6-A. Dos miembros de 6 plg de ancho en el talón de una armadura de techo se arman entre sí como se ind ica en la figura 3-1. El ángulo entre los dos miembros es de 45º y las piezas son de madera del grado de Construcción Densa de abeto Douglas. Determínese el esfuerzo unitario de compresión permisible en la superficie de apoyo inclinada. 3-7 Esfuerzo unitarios de tensión os esfuerzos de trabajo para miembros en los que se aplican fuerzas de tensión paralelas al hilo, el esfuerzo de trabajo t es igual a ƒ, el de la fibra de los extremos en flexión” que se dio en la tabla 3 -1. En el diseño de armaduras de mad era e encontrará la resistencia de la conexión en las uniones, y no en la sección transversal del miembro. 3-8 Tamaños nominales y efectivos Una pieza de madera se designa por su escuadría o dimensiones de su sección transversal; la escuadría se indica por el ancho y el peralte de la sección transversal, en pulgadas. Por ejemplo, si hablamos de una pieza de 6 x 12 plg nos referimos a una pieza que tiene una sección transversal de 6 plg de ancho y 12 plg de altura o peralte; la longitud es una variable. En e sta sección, 6” x 12” es el tamaño nominal, o sea, el nombre la sección. Los términos tamaño real y efectivo (“Dresseal Size” de las Normas Americanas) se usan como sinónimos e indican el tamaño de una pieza que ha sido labrada en cuatro lados, “S4S”. Cons ultando la tabla 3-3, notamos que se dan tanto los tamaños nominales como los efectivos para identificar piezas específicas. La madera que tiene un tamaño nominal de 6 x 12 plg tiene un tamaño efectivo de


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1 1 5 x 11 plg. 2 2 La madera se vende tomando como base el volumen del tamaño nominal expresado en pies – tablón. Un pie-tablón es el volumen de un prisma de 12 x 12 x 1 plg 144 plg³, ó 1

1 de pie³. Las propiedades de las diferentes secciones transversales, 2

áreas, momentos de inercia y módulos de las secciones, que se dan en la tabla 3 -3, corresponden a las dimensiones efectivas. Como la reducción del área afecta a la resistencia de una pieza de madera, sólo deberán usarse las dimensiones efect ivas en los cálculos. TABLA 3-3 PROPIEDADES

* Se produce con autorización de la Timber Engineering Company


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TABLA 3-3 PROPIEDADES DE LAS PIEZAS DE M ADERA COMERCIAL Y GRUESA DE TAM AÑOS ESTANDAR AMERICANOS (continuación)

SOLUCION. La pizarra

3 plg se incluye en las cubiertas de techo del Grupo II; por 16 2

tanto, usamos la tabla 11-7. Debajo de E = 1.200,000 lb/plg notamos que los pares de 2 x 10 plg separados 16 plg tienen un claro admisible de 15 pies 3 plg, y en la 2 columna f = 1,200 lb/plg el claro permisible para estos pares es de 18 pies 4 plg. Por tanto, los pares de 2 x 10 plg separados 16 plg entre centros; son aceptables. Usando las tablas 11-6 y 11-7, elíjanse las escuadrías de los pares de acuerdo con los datos siguientes: 2 2 2 Problema 11-5-A Carga viva = 30 lb/pie , f = 900 lb/plg , E = 1.000,000 lb/ plg , claro = 7 pies 6 plg, y la cubierta del techo es de teja de cobre. 2 2 Problema 11-5-B Carga viva = 30 lb/pie , f = 1,000 lb/plg2, E = 1.000,000 lb/plg , claro = 11 pies 6 plg, y la cubierta del techo es de tabletas. 2 2 2 Problema 11-5-C Carga viva = 30 lb/pie , f = 1,200 lb/plg , E = 1.200,000 lb/ plg , claro = 18 pies 0 plg, y la cubierta del techo es de teja española. 2 2 2 Problema 11-5-D Carga viva = 30 lb/pie , f = 1,400 lb/plg , E = 1.600,000 lb/ plg , claro = 16 pies 6 plg, y la cubierta del techo es de pizarra de

3 plg 16


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ENCOFRADOS FIERRERÍA PISOS DE TABLONES Y LAMINADOS

12-1. Pisos de tablones y laminados Los pisos estructurales de las construcciones industriales consisten en tablones para pisos. Los pisos de tablones o cubiertas consisten en madera colocada con sus caras anchas apoyándose en los soportes, firmemente clavadas en los miembros que les sirven de apoyo. Generalmente, para pisos, los tablones se cubren con una capa superior de

13 plg de alerce o de otra madera dura para que 16

sirva de superficie de desgaste.

Fig. 12-1 Los pisos de tablones son de material canteado a escuadra, con ensambles de macho y hembra, o con ensambles de lengüeta, colocando el material plano, como se indica en las figuras 12-1a y b. Los materiales de 4 plg o más de grueso deben ensamblarse con lengüeta. La separación de las vigas en las que se apoyan los tablones varía de 6 pies 0 plg a 11 pies 0 plg, lo cual depende del tipo y magnitud de la carga viva que se va a soportar. Los tablones se clavan directamente a las vigas del piso. TABLA 12-1 PROPIEDADES DE LA M ADERA PARA PISO

* Ancho horizontal, b = 12” y t = espesor del piso, en pulgadas

TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – HARRY PARKER – LIMUSA SENCICO NOVIEMBRE 2001


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Los pisos laminados consisten en tablones colocados un al lado del otro y clavados juntos en los extremos y a intervalos frecuentes, aproximadamente d e 18 plg, alternando los clavos arriba y abajo.

Fig. 12-2 Siempre que sea posible, los pisos de tablones y los laminados deberán estar formados por piezas de una longitud de dos o más claros, con los extremos alternados aproximadamente a 4 pies 0 plg. De esta manera, el piso queda más rígido que en un sistema en el que los tablones funcionan como vigas simples terminando en los apoyos. En los claros grandes es difícil obtener tablones de dos claros de longitud y un método común de alternar las juntas se i ndica en la figura. Cuando se usa este método, no deben quedar los extremos de los tablones en el tercio medio del claro entre las vigas.

12-2. Diseño de pisos de tablones En la practica, el diseño de los pisos de tablones se hace usando tablas de cargas de seguridad. Estas tablas se calculan aplicando los principios explicados anteriormente en el diseño de vigas. La tabla 12 -1 da diferentes propiedades de los pisos y puede usarse directamente en el diseño. Debe notarse que al calcular las propiedades, se considera un ancho de piso de 12 plg; este ancho se indica por b en la tabla. Análogamente, el espesor del piso se indica por t. La tabla 12-2 da los claros máximos para los tablones para pisos de edificios industriales, y la tabla 12-3 da los claros máximos para pisos laminados. Ambas tablas se han calculado para madera que tiene un módulo de elasticidad de 2 1.760,000 Ib por plg . Por tanto, pueden usarse ambas para pino del Sur o para el abeto Douglas. Como en el diseño de las viguetas y pares, la flecha pu ede tener mucha importancia, y estas dos tablas dan los claros máximos, tanto para flecha como para la resistencia a la flexión. Los esfuerzos cortantes invariablemente son menores que los permisibles. En algunos tipos de edificios no constituye un defecto el que la flecha sea superior a 1/800 del claro. Antes de determinar el espesor de los tablones, el diseñador debe decidir la flecha máxima permisible. Ejemplo. Un piso industrial (de tablones) va a diseñarse para que soporte una 2 carga viva de 50 Ib/pie . El claro entre vigas es de 13 pies 0 plg, el esfuerzo 2 permisible en la fibra extrema de la madera es 1,600 Ib/plg , y E = 1.760,000 2 Ib/plg . ¿Cuál debe ser el espesor de los tablones? SOLUCION.- Con objeto de dejar margen para el peso del material, vamos a

1 plg. La tabla 12-1 demuestra que el espesor 2 1 1 efectivo de los tablones de 2 plg es 2 plg y que su peso por pie cuadrado es de 2 8 suponer que el espesor es de

2

7.1 Ib. Peso del piso =

7.1

Carga viva

=

50.0

Total

=

57.1 Ib/pie

2

Como el claro es de 13 pies 0 plg, 57.1 x 13 = 742.3 Ib, carga total en una faja del piso de 12 plg de ancho y 13 pies 0 plg de longitud.



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TABLA 12-2 CLAROS MAXIMOS PARA PISOS INDUSTRIALES DE PINO DEL SUR

Se reproduce con autorización de la Southern Pine Association



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TABLA 12-3 CLAROS MAXIMOS PARA PISOS LAMINADOS DE PINO DEL SUR

Se reproduce con autorización de la Southern Pine Association Como estos tablones pueden tener una longitud de dos claros, no son vigas simples; son vigas continuas que tienen cargas uniformemente distribuidas de dos claros de longitud, como se indica en la figura 5 -17, caso VII. Consultando esta figura, notamos que el momento flexionante negativo es el mayor y que su magnitud es

Wl . Aunque no se da en la figura, el momento flexionante positivo 8



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Wl máximo es . Se llama la atención sobre el momento máximo para los casos II y 14.2 Wl VII en la figura; para cada uno de los tipos de vigas, es . Así: 8 Wl 742.3x13x12 M   14,474 p lg  lb 8 8 M 14,474 S  9.03 p lg 3 , módulo de sección necesario. f 1,600 De nuevo, consultando la tabla 12-1, entonces que una sección de piso de tablones de 12 plg de ancho y

2

1 3 de peralte tiene un módulo de sección de 9.0 3 plg . Por 2

tanto, el espesor de este piso es aceptable por lo que toca a la resistencia a la flexión. 3 Si consultamos la tabla 12-2, encontramos que para una carga viva de 15 Ib/pie y 3 un esfuerzo en la fibra extrema de 1,600 Ib/plg , el claro máximo para tablones de

1 2 plg es de 13 pies 0 plg. Este es el mismo resultado que se obtuvo en el cálculo. 2 1 Sin embargo, esta tabla muestra que el claro máximo para tablones de 2 plg, 2 2

para carga viva de 50 Ib/pie , es solamente de 7 pies 7 plg, si la flecha no debe exceder de 1/360 del claro. Por tanto, si deseamos que la flecha quede del límite de

1 1 del claro, los tablones de 2 plg no son aceptables. Investigando más en la 360 2 tabla 12-2, vemos que pueden usarse tablones de 5 plg para claros hasta de 15 pies 10 plg y así se aceptan. Ejemplo.- Usando la tabla 12-2, determínese el espesor de los tablones para piso 2 un claro de 7 pies 0 plg, una carga viva de 100 Ib/pie , un esfuerzo permisible en la 2 3 fibra de 1,400 Ib/plg , y E = 1.760,000 Ib/plg . Solución.- La tabla 12-2 muestra que los tablones de 3 plg tienen un claro 2 permisible de 10 pies 11 plg si el esfuerzo en la fibra extrema es 1,400 Ib/plg y si el claro máximo es de 7 pies 7 plg, no debiendo exceder la flecha de

1 del claro. 360

Así, tablones de 3 plg de espesor se aceptan; su espesor se determina de acuerdo con los requisitos para la flecha. Problema 12-2-A Elíjase, usando la tabla 12 -2, el espesor necesario de un piso 2 industrial, para madera que tenga un esfuerzo en la fibra extrema de 1,200 lb/plg y 2 2 un módulo de elasticidad de 1,760,000 lb/plg . La carga viva es de 100 lb/pie , y el claro es de 10 pies) plg. La flecha no debe ser excesiva. 2 Problema 12-2-B La carga viva en un piso industrial es de 125 lb/plg y el claro es de 9 pies) plg. Usando la tabla 12-2, elíjase el espesor adecuado de los tablones si 2 la madera tiene un esfuerzo en la fibra extrema de 1,400 lb/plg y el módulo de 2 elasticidad es 1,760,000 lb/plg . La flecha no debe ser excesiva.

12-3. Flechas en pisos industriales y en pisos laminados En la tabla 12-2 los claros en la línea marcada flecha son los que producen flechas de

1 1 plg por pie de claro. Esta es una flecha de del claro. 360 80

En realidad, las flechas de los pisos industriales y laminados se han encontrado que son considerablemente menores que las calculadas con las fórmulas usuales de las flechas. Esto se debe a la circunstancia de que los tablones fun cionan como vigas continuas, y a que el piso que sirve de capa de desgaste añade rigidez a los



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tablones del piso, y a que la carga viva que se usa en los cálculos nunca se alcanza en la realidad. Debido a esto, la limitación de la flecha efectiva a

1 del claro es 360

probablemente un requisito demasiado severo y con mucha frecuencia se establece como límite admisible

1 1 a aun . La tabla 12-3 da los claros máximos para los 180 240

pisos laminados para difer entes cargas y esfuerzos. Los claros que quedan frente a la flecha en esta tabla son aquellos en los que se producirán flechas de pie de claro, que es, por supuesto,

1 plg por 20

1 del claro. 240

Ejemplo.- La madera que se usa para un piso laminado tiene un esfuerzo 2 permisible en la fibra extrema de 1,400 Ib/plg y un módulo de elasticidad de 2 1.760,000 Ib/plg . Por medio de la tabla 12-3, elíjase el espesor necesario de los 2 tablones para una carga viva de 100 Ib/pie y un claro de 11 pies 6 plg. Solución.- La tabla 12-3 muestra que para un espesor nominal de 4 plg y un 2 esfuerzo en la fibra extrema de 1,400 Ib/plg , el claro es 14 pies 10 plg. Pero, opuesto a flecha, el claro admisible máximo es solamente de 11 pies 10 plg. Por tanto, aceptamos un espesor nominal de 4 plg para el piso laminado. Problema 12-3-A Se desea construir un piso laminado para un claro de 12 pies 0 2 plg y una carga viva de 125 lb/plg . La madera tiene un esfuerzo permisible para la 2 fibra extrema de 1,400 lb/plg2, y el módulo de elasticidad es 1,760,000 lb/plg . ¿Cuál debe ser el espesor del piso si la flecha es un factor importante? Problema 12-3-B Un edificio que va a usarse únicamente como almacén tiene un 2 piso laminado en el que hay una carga viva de 125 lb/pie . El claro de la estructura del piso es de 12 pies 0 plg, el esfuerzo permisible en la fibra extrema es de 1,200 2 2 lb/plg y E = 1,760,000 lb/plg . Suponiendo que la flecha no sea un factor que rija el proyecto, ¿cuál debe ser el espesor del pi so?



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ENCOFRADOS FIERRERÍA CONECTORES PARA MADERA

16-1. Conectores para madera En el diseño de armaduras de madera, así como en el de otras estructuras del mismo material en las que las cargas se transmiten de un miembro a otro, el diseño de las juntas requiere atención especial. En el pasado, el tamaño de los miembros de las armaduras se determinaba con frecuencia por el tipo de junta y por el área reducida de la sección transversal que resultaba a causa de rebajes y pernos. La investigación intensiva hecha por el U.S. Forest Produc ts Laboratory, la Timber Engineering Company (subsidiaria de la National Lumbre Manufacturers Association), y numerosos colegiados y universidades han dado por resultado la obtención de valiosas informaciones técnicas respecto al uso de los conectores para madera. Básicamente, los conectores para madera son anillos metálicos o placas fabricadas que se introducen parcialmente en cada cara de miembros adyacentes para transmitir las cargas de un miembro a otro, con pernos de diámetro relativamente pequeño. El resultado es obtener una eficiencia mayor en la junta que permite el uso de piezas más cortas y secciones transversales menores. En los métodos que se usaban en el pasado, las juntas en las armaduras eran con frecuencia la parte más débil de la estructura. Con los conectores para madera es posible desarrollar todo el esfuerzo permisible de la madera.

16-2. Tipos de conectores Aquí y en el extranjero se han patentado numerosos tipos de conectores. La figura ilustra tipos de conectores Teco, fabricados por la Timber Enginering Company, y en la figura 16-2 se muestra juntas típicas en las que se usan conectores para madera.

Fig. 16-1


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Probablemente, el tipo de conector que se usa con mayor frecuencia es el conector de anillo partido. Su objeto es transmitir ca rgas entre dos piezas de madera. Los anillos partidos se colocan en ranuras cortadas quedando incrustados parcialmente en la cara de cada pieza. El ensamble de caja y espiga que forma el anillo permite el apoyo simultáneo de la superficie interior del anil lo contra el núcleo que se deja en la ranura y la superficie exterior del anillo contra la pared exterior de la ranura. El ajuste en forma de cuña del anillo partido permite armarlo con facilidad. Después que se ha insertado el anillo partido en la ranura, las dos piezas se sujetan entre sí con pernos y rondanas, los pernos se colocan en agujeros que son concéntricos con los anillos. El anillo partido de

1 5 2 plg se usa en madera de ancho mínimo de 3 2 8

plg. El anillo partido de 4 plg es el conector para madera más común. Se usa en madera que tiene un ancho mínimo de

1 5 plg. 2

Fig 16-2 El conector de anillo dentado transmite las cargas entre dos miembros de madera, especialmente en los entramados de ma dera relativamente ligeros. No son necesarias las ranuras para instalar los anillos dentados, porque se incrustan en las caras de la madera a presión. Se usan los anillos dentados de 2, madera que tenga un ancho mínimo de 3,

5 3 2 , 3 y 4 plg en 8 8

3 5 1 5 , 4 y 5 plg, respectivamente. 8 8 2

La placa para cortante se ha proyectado especialmente para conexiones de la madera con acero y de madera con madera en estructuras de smontables cuando se usan en pares. Las placas quedan al ras con la superficie de la madera, y se ajustan en agujeros recortados en las caras de la madera. Se usan para unir columnas de madera a las zapatas con la adición de tiras de acero y para hacer varias conexiones de acero a madera en las estructuras de madera. La placa sujetadora se usa principalmente para mantener la separación de los durmientes en las estructuras de ferrocarril sin balastro o donde las piezas se traslapan en ángulo recto. Se coloca n en su lugar por medio de un marro y una placa de protección. La rejilla dentada se usa en los pilotes y postes en la construcción de caballetes, de muebles y puertos, y en las líneas de transmisión. Se incrustan en las superficies TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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de la madera a presión. La rejilla circular se usa entre la cabeza de un pilote y el cabezal para evitar movimientos laterales. TABLA 16-1 DATOS SOBRE ANILLOS PARTIDOS

Se reproduce con autorización de la Timber Engineering Company

16-3. Conectores de anillo partido Los conectores de anillo partido se hacen en dos tamaños, de

1 2 plg y de 4 plg, las 2

dimensiones son los diámetros interiores, en el centro, cuando el anillo está cerrado. Debido a la cantidad de tipos de conectores para madera y sus diferentes tamaños, no resulta práctico incluir datos específicos de todos ellos en un libro de este alcance. El conector de anillo partido de 4 plg es probablemente el que más se usa, y las siguientes discusiones se limitan a este conector en especial. En la tabla 16-1 se dan datos relativos a los anillos partidos de

2

1 y 4 plg. 2

16-4. Grupos de especies de madera La especie y la densidad de la madera son factores que se usan para determinar las cargas permisibles en los conectores. Para utilizarla s en la presentación de cargas en los conectores, las especies se han dividido en tres grupos: A, B y C como se muestra en la tabla 16 -2 . Al usar la figura 16-3 para determinar las cargas permisibles, nótese que el cuadro está dividido verticalmente en tr es partes, y cada una corresponde a uno de los tres grupos de especies.


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TABLA 16-2 CARGAS EN LOS CONECTORES SEGUN LOS GRUPOS DE ESPECIES Grupo A Grupo B Grupo C Abeto Douglas (denso) Abeto Douglas (de la Ciprés, del Sur y rojo de la orilla del mar Encino, rojo y blanco costa) Pinabete, de la costa del Oeste Pino, del Sur (denso) Alerce del Oeste Pino, de Noruega Pino, del Sur Pino rojo (Secoya)


16-5. Aumentos permisibles en esfuerzos por la poca duración de cargas. Como pudo notarse en el Art. 3-2, una madera puede soportar bien una carga durante un periodo relativamente corto, mientras que si se aplica una carga de la misma magnitud durante un periodo más largo o permanentemente, puede produ cir falla. La tabla 16-3 da los aumentos permisibles en los esfuerzos que pueden usarse en los anillos partidos para las diferentes duraciones de las cargas. Las cargas permisibles en los conectores que se dan en el cuadro de la figura 16 -3 son para cargas de duración normal. Se considera que una carga tiene la duración normal cuando la junta tiene su carga completa aproximadamente durante 10 años, ya sea continuamente o en forma acumulativa. TABLA 16-3 PORCENTAJE DE AUMENTO PERMISIBLE SEGUN LA DURACION DE LA CARGA MAXIMA Cargas de dos meses de duración, como la nieve 115% Cargas de siete días 125% Cargas producidas por los vientos o terremotos 1 133 %

3

Cargas producidas por impacto Cargas permanentes

200% 90%


Figura 16-3. Diagrama para cargas normales en un anillo partido de 4 plg y pernos trabajando al esfuerzo cortante sencillo. (Se reproduce con autorización de la Timber Engineering Company)


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Ejemplo. Determínese la carga permisible en dirección paralela a la veta para un conector de anillo partido de 4 plg en dos cargas de material de

5 2 ”. La madera es 8

pino denso del Sur, y el estado de la carga es que va a durar “dos meses”. Solución.- La tabla 16-2 muestra que el pino denso del Sur está incluido en las especies del grupo A. Consultando la figura, notamos que en la tercera parte superior de la tabla se dan las cargas admisibles en conectores de anillo partido de 4 plg, cuando se usan en maderas cuyas especies se clasifican en el grupo A. Como la carga en el conector es paralela a la veta, quiere decir que el ángulo de la carga con el hilo es igual a cero. La segunda curva de la p arte superior del diagrama da las cargas para un conector en dos caras de material de

5 2 ”y la curva 8

muestra que la carga admisible en el conector es de 6,030 Ib. La tabla 16-3 muestra que la carga cuando va a “durar dos meses” puede to marse como 115% de las cargas dadas en el diagrama de la figura. Por tanto, 6,030 x 1.15 = 6,935 Ib, es la carga permisible en el conector para un periodo de dos meses.

16-6. Disminución en las cargas de los conectores por la humedad Las cargas permisibles en los conectores de anillo partido que se dieron en el diagrama de la figura 16-6 son para conectores que se usan en madera “curada”, es decir, curada hasta un contenido de humedad del 15%, a una profundidad de

3 ” de 4

la superficie. Si la madera no está curada cuando se fabrica y se usa en las condiciones en las que e haya curado o vaya a curarse, pueden usarse solamente 80% de las cargas admisibles que se dan en el diagrama. Si los conectores se usan en madera que no está curada, en condiciones donde permanezca húmeda, sólo podrán usarse cargas iguales a 67% de las dadas en el diagrama. Estas disminuciones en las cargas permisibles en las diferentes condiciones de humedad se dan en la tabla 16-4. TABLA 16-4 DISMINUCIONES EN LAS CARGAS PERMISIBLES EN LOS ANILLOS PARTIDOS DEBIDAS A LA HUMEDAD DE LA MADERA Estado en que se encuentra cuando se fabrica

Curada

Sin curar

Sin curar

Estado en que se encuentra cuando se usa

curada

curada

sin curar o húmeda

0%

20%

33%

Se reproduce con autorización de la Timber Engineering Company Ejemplo. Un conector de anillo partido de 4 plg trabajando paralelo a la veta, en una cara de

5 1 plg, va a usarse en material del grupo A de madera sin curar cuando 8

se fabrica, pero curada cuando se usa. ¿Cuál es la carga permisible para un conector?. SOLUCION. Consultando el diagrama de la figura, encontramos que la carga permisible en un conector cuando se usa madera curada y la carga forma un ángulo de 0° con la veta, es de 6,410 lb. Consultando la tabla, encontramos que la carga debe disminuirse 20%. Entonces, 6,140 x 0.20 = 1,228 y 6,140 – 1,228 = 4,912 lb, es la carga permisible en un conector.

16-7. Cargas admisibles en los conectores El diagrama de la figura 16-3 da las cargas normales permisibles en un conector de anillo partido de 4 plg y perno trabajando al esfuerzo cortante simple. Nótese que el diagrama está dividido verticalmente en tres partes, de acuerdo con los grupos de especies A, B y C, como aparece en la tabla 16 -2. En cada grupo hay varias curvas que corresponden a espesores específicos de la madera, y el número de caras cargadas una o dos.


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Como la madera tiene una resistencia a la compresión mayor cuando la fuerza es paralela a la veta que cuando es perpendicular, la carga admis ible de un conector varía con el ángulo que forma con la dirección de la veta de la pieza en la que es apoya. En consecuencia, cada curva en la figura 16 -3 está construida de acuerdo con la fórmula de Hankinson dada en el Art. 3 -5, siendo las dos variables la carga y el “ángulo” de la carga con la veta”. Por tanto, para determinar la carga permisible en un conector, elíjase “el ángulo de la carga con la veta” adecuado en la parte superior o inferior del diagrama y prosígase verticalmente hasta la intersecci ón de la curva correspondiente al grupo de especies y al espesor deseado de la madera y el número de caras cargadas. De este punto de intersección prosígase horizontalmente a la orilla del diagrama y léase la carga normal permisible.

16-8. Angulo de la carga con el hilo Debido a la circunstancia de que la madera tiene una resistencia de apoyo mayor cuando la fuerza es paralela a la veta cuando es perpendicular, el ángulo con el que obra la fuerza es un factor determinante en la carga admisible en el conecto r. El “ángulo de la carga con la veta” es el ángulo que forma la dirección de la carga por el conector al obrar sobre el miembro y el eje longitudinal del mismo. Véase la figura 16-4a. El ángulo de la carga con el hilo es .

Fig. 16-4

Fig. 16-5 Las figuras 16-5a y b indican el nudo del talón de una armadura. La cuerda superior está compuesta de dos piezas exteriores y la cuerda inferior de una sola pieza. Nótese que se usan dos conectores. Al considerar las diferentes fuerzas en equilibrio en un nudo, es importante reconocer el lado de compresión del anillo TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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conector. El lado de compresión del anillo se determina por la dirección de la carga y se mide del centro del anillo al borde de la pieza en la que actúa la carga. Nótese el lado de compresión de los anillos del nudo ilustrado en las figuras 16 -5a y b. En las figuras 16-5d y e, se muestra un nudo típico de cinco piezas. Nótense los lados de compresión de los anillos. En la figura 16-5c, se muestra una sección a través de un anillo conector que une dos piezas de madera. Las áreas sombreadas adyacentes al anillo indican el apoyo del anillo contra el núcleo situado dentro del anillo y también la madera fuera del núcleo. Esta última área de apoyo está en el lado de compresión del anillo.

16-9. Angulo del eje con la veta El “ángulo del eje con la veta” es un factor que interviene en la determinación de la separación de los conectores. Es el ángulo formado por una línea que une los centros de conectores adyacentes (en la misma cara de un miembro en una junta ) y el eje longitudinal del miembro. Véase la figura 16 -4b. 1 6-10. Separación de los conectores Separación es la distancia entre los centros de los conectores medida a lo largo de una línea que une sus centros. En la figura 16 -6a la dimensión R es la separ ación entre los anillos mostrados. Como la carga en un conector se determina por el área de corte del material de madera adyacente, los conectores que no se cargan con toda la carga permisible pueden colocarse con separaciones reducidas.

Fig. 16-6 La figura 16-7 es un diagrama de separaciones para los anillos partidos. Teco de 4 plg, que tiene cinco curvas parabólicas que representan los espacios recomendados para la carga completa, para un ángulo específico de la carga con la veta, anotado sobre la curva. Para los ángulos intermedios de la carga, puede hacerse una interpolación lineal.

Figura 16-7


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Si se desea la separación para toda la carga, elíjase la curva correspondiente al ángulo de la carga con la veta y véase dónde corta las líneas radiales que representan en ángulo del eje con la veta . La distancia de ese punto a la esquina inferior izquierda, el punto 0-0, es la separación. Sin embargo, es probablemente más conveniente al trazar esta separación usar las componentes paralela y perpendicular a la veta o las medidas de la separación. La componente paralela al hilo puede leerse al pie del diagrama encontrando la proyección del punto de la curva hacia abajo. La componente perpendicular de la separación puede leerse en el lado izquierdo del diagrama pr oyectando horizontalmente el punto de la curva Como ejemplo, consideremos conectores de anillo partido de 4 plg en una junta que tenga un ángulo de 30° de la carga a la veta y un ángulo de 20° del eje a la veta. ¿Cuál debe ser su separación (dimensión R en la figura 16-6a) sí los conectores cargados a toda su capacidad? En la figura 16-7 encuéntrese el punto de intersección del ángulo de 30° de la carga con la veta y el ángulo de 20° del eje a la línea radial del hilo. Mídase, con un compás de puntas secas o con una tira de papel, la distancia de este punto de intersección al punto 0-0 situado en la esquina inferior izquierda de este diagrama. Enseguida, del punto 0 -0 tómese esta distancia en la línea horizontal del pie del diagrama. En esta línea hay una es cala de pulgadas (de 0 a 9”) y la distancia es

3 6 plg. Esta es R, la separación buscada cuando los conectores se cargan a toda 4 su capacidad. Proyectando con una vertical el punto de intersección a la línea horizontal del pie, encontramos la separación paralela a la veta; en este caso es

3 6 plg. De igual modo, proyectando el punto horizontalmente al lado izquierdo del 8 1 diagrama encontramos 2 plg, que es la separación perpendicular al hilo. Véase la 4 figura 16-6c. La sexta curva del diagrama es un cuarto de círculo. Esta curva representa la separación para 75% de la carga completa para cualquier ángulo de la carga a la veta; es también la mínima permisible. Para porcentajes entre 75 y 100% de la carga completa para un ángulo de la carga a la veta, interpólese radicalmente en una línea recta entre la curva del 75% y la curva correspondiente al ángulo de la carga a la veta. En el ejemplo anterior encontramos que la separación del conector para la carga completa (100%) era

3 6 plg. Supongamos que los conectores se han cargado 4

solamente a 90% de toda su capacidad; ahora ¿cuál será la separación? Cuando los conectores no están cargados a 100% de su capacidad, pueden colocarse más juntos; la separación puede ser menor. Recuérdese que la separación para 75% de la carga es de 5 plg, y que 5 plg es también la separación mínima permitida. Así, si en este caso, la separación para 100% de la carga

3 6 y para 75% de la carga completa es 5 plg, la separación para 90% 4 3 3 de la carga completa será 5 plg más una fracción de ( 6 - 5) ó 1 plg. Entonces, 4 4 completa es

interpolando.

 90  75   5    x1.75 =5+1.05, digamos, 6 plg, la separación.  100  75   Problema 16-10-A. La separación para conectores de anillo partidos de 4 plg cargados a 100% de toda su carga, se encontró que es de 9 plg. ¿Cuál es la separación mínima permitida si los conectores están cargados a solamente 85% de toda su capacidad? TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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16-11. Distancia al borde La distancia al borde es la distancia del borde del miembro al centro del conector más cercano al borde del miembro medida perpendicular al borde. La distancia cargada al borde es la distancia al borde, medida del borde hacia el que obra la carga producida por el conector. La figura 16 -6a muestra medidas típicas de la distancia de borde, siendo B la distancia al borde sin carga y C la distancia al borde cargado. Cuando los apoyos son axiales en un miembro, ambos bordes están sin carga o sin esfuerzo. El borde de un miembro cargado hacia el cual se apoya un conector es el borde cargado; puede ser necesario que el borde cargado sea mayor que el descargado.

Figura 16-8 La figura 16-8es un diagrama de distancias de borde para anillos partidos Teco de 4 plg para usarse en la determinación de esas distancias. Para la distancia de borde sin carga, la distancia de borde estándar y mínima es la dimensión marcada en la orilla derecha del diagrama. Para la distancia de borde cargada existe una variación de acuerdo con el ángulo de la carga con la veta. Cuando se ha elegido la curva correspondiente al ángulo deseado de la carga con la veta, una distancia de borde dada proyectada verticalmente a la curva y luego horizontalmente cada una dará el porcentaje permisible de toda la carga. La esquina superior derecha representada la distancia de borde cargada estándar y mínima para el ángulo de 0° de la carga con la veta. Para ángulos intermedios, interpólese en la línea recta.

16-12. Distancia al extremo La distancia al extremo es la distancia medida paralela a la veta del centro de un conector al extremo del miembro cortado a la escuadra. Es la distancia A en la figura 16-6b. Si el extremo del miembro no se corta a escuadra, esta figura muestra el método de determ inar la distancia del centro del conector al extremo cortado en ángulo. La distancia

D en la figura es la mitad del diámetro de un conector. 2

La figura 16-9 es un diagrama de distancias al extremo para anillos partidos Teco de 4 plg usado para determinar esas distancias.

Figura 16-9 El diagrama se divide en dos partes: una para miembros en tensión y otra ara miembros en compresión. Si el miembro está en tensión, determínese el porcentaje TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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de la carga completa a la izquierda y desde es e punto proyéctese horizontalmente a la curva. Desde su intersección, proyéctese una línea vertical y léase la distancia al extremo en el pie del diagrama. Si el miembro está a compresión, se usa la porción de la derecha del diagrama. El método de determinar la distancia correcta es semejante al descrito para los miembros a tensión, con la excepción de que debe considerarse el ángulo apropiado de la carga a la veta. Para ángulos intermedios se interpola entre curvas en una línea recta

16-13.Secciones netas La sección crítica o neta de una pieza de madera en una junta, que generalmente pasa por la línea central de un perno y conector, ocurre en el plano de esfuerzo máximo. La sección transversal neta en este plano es igual al área bruta de la sección transversal de la madera menos el área proyectada de esa porción de los conectores dentro del miembro y esa porción del agujero del perno, que no queda dentro del área proyectada del conector, localizada en este plano. El área de la sección transversal de las pie zas puede encontrarse en la tabla 3-3, y el área proyectada de los conectores de anillo partido de 4 plg y pernos se da en la tabla 16-5. TABLA 16-5 AREA PROYECTADA DE CONECTORES DE ANILLO PARTIDO Y PERNOS PARA USARSE EN LA DETERMINACION DE SECCIONES NETA S

Se reproduce con autorización de la Timber Engineering Company La sección neta es usualmente adecuada para transmitir la resistencia completa de la madera. Esto es especialmente cierto cuando se usan maderas con grados inferiores de esfuerzos. Cuando s e usan maderas con grados elevados de esfuerzos con dimensiones de tamaño mínimo, la resistencia de la sección neta debe revisarse. Para determinar el área neta necesaria en la sección transversal en la sección crítica, multiplíquese la carga total de dise ño, en libras, por la constante correspondiente dada en la tabla. El producto será la sección neta buscada, en pulgadas cuadradas. TABLA 16-6 CONSTANTES QUE SE USAN PARA DETERMINAR LAS SECCIONES NETAS NECESARIAS, EN PLG CUADRADAS



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16-14. Miembros cargados Cuando van a conectarse dos o más miembros en una junta, es necesario primero determinar la carga que va a usarse en el conector. Como se ha explicado, la carga permisible en un conector depende del ángulo con que se apoya el conector con respecto a la dirección de la veta de la pieza en la que descansa. El miembro cargado es aquel en el que el apoyo del conector forma un ángulo con el hilo. Como ejemplo, consideremos las figuras 16 -5a y b, en las que se unen dos miembros de una armadura sobre un apoyo. Si las tres fuerzas en equilibrio se conectan de manera que la reacción vertical la resistencia las piezas A, el apoyo de los conectores en la pieza B es horizontal; los conectores se apoyan axia lmente en la pieza B y formando un ángulo  en las piezas A. La cuerda superior (piezas A) es el miembro cargado. El ángulo de la carga con la veta, con el que se apoya un conector determina el valor de trabajo permisible del conector. En la mayor parte de los casos, el miembro cargado que forma el mayor ángulo de la carga con la veta es el que controla. La figura 16-12 representa una junta típica de cinco piezas de armadura; los dos miembros exteriores son la cuerda, el segundo y cuarto diagonal y la pieza central es el alma vertical. En el cálculo del conector, las piezas se consideran en pares adyacentes. Cuando los miembros se disponen como aparecen en la figura, diagonal (las piezas segunda y cuarta) es el miembro cargado.

16-15. Juntas a tensión Para ilustrar cómo se determina el número de conectores, sus posiciones en una junta, y también la sección transversal requerida en el miembro, consideremos los siguientes ejemplos de diseño de las juntas a tensión. Ejemplo. Supongamos que se necesita diseñar un a junta traslapada a tensión para un miembro en el cual la carga normal de tensión es 12,000 lb. Los conectores serán anillos partidos de 4 plg y la madera será pino del Sur del grado estructural denso 58. Véase figura 16-10.

Figura 16-10 SOLUCION. La tabla 3-1 muestra que t, el esfuerzo unitario permisible de tensión, 2 para este grado de pino del Sur es 1,600 lb/plg , y en la tabla 16-2 vemos que el pino denso del Sur se clasifica en el grupo de especies A. Entonces, 12,000 + 1,600 2 = 7.5 plg , el área mínima necesaria de uno de los miembros a tensión del exterior de la junta. Como van a usarse anillos partidos de 4 plg, el ancho del miembro debe ser cuando menos de

1 5 plg; por tanto, tomaremos un miembro de 2 x 6 plg 2 2

como sección de tanteo. Su área es 1.625 x 5.625, ó 9.14 plg (tabla 3-3)

3 plg y un anillo partido de 4 plg en una cara de 4 5 2 un miembro que tiene un espesor de 1 plg es 3.15 plg (tabla 16-5). Entonces, 8 El área proyectada de un perno de

2

9.14 – 3.15 = 5.99 plg , el área neta. Consultando la tabla 16-6, vemos que la constante que hay que usar para determinar el área neta necesaria es 0.00043. Entonces, 12,000 x 0.00043 = 5.16 TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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plg , el área neta necesaria. Como el área neta efectiva e s 5.99 plg , el miembro de 2 x 6 plg es adecuado para resistir el esfuerzo de tensión. El ángulo de la carga con la veta es 0°, y la figura 16 -3 da 6,140 lb como capacidad permisible para un anillo partido de 4 plg. Entonces, 12,000 + 6,140 = 1.95 y usaremos dos anillos. Así, 1.95 + 2 = 0.975; por tanto, cada conector estará cargado a

97

1 % de su capacidad total. 2

En la figura 16-7 vemos que 9 plg es la separación de conector para 100% de la carga completa y que 5 plg es la separación pa ra 75% de la carga completa. Por interpolación encontramos que la separación para

8

1 97 % de la carga completa es 2

1 plg. 2

Se encuentra en la figura 16-8 que la distancia al borde es da para la distancia al extremo

6

2

3 plg y la tabla 16-9 4

3 plg. 4

Se llama la atención a la circunstancia de que la separación, la distancia al borde y la distancia al extremo calculadas aquí son distancias mínimas; se dan la figura 16 10 y pueden aumentarse si se encuentra conveniente. Ejemplo. Diséñese una junta empalmada, con cubrejuntas, para un miembro a tensión para soportar una carga normal de 30,000 lb. Los conectores serán anillos partidos de 4 plg y la madera será abeto Douglas de grado denso par a construcción. 2 SOLUCION. De la tabla 3-1, t = 1,750 lb/plg , y de la tabla 16-2 vemos que el abeto Douglas grado denso se clasifica entre las especies del grupo A. El área de la sección transversal necesaria fuera de la junta será 30,000 + 1,750, ó 2 17.15 plg . Como sección de tanteo para el miembro principal tomaremos 4 x 8 plg, 2 que tiene una sección transversal bruta de 27.19 plg (tabla 3-3). Para las cubrejuntas tomemos dos piezas de 2 x 8 plg. Dos piezas de 2 x 8 plg tienen un 2 área bruta de 24.38 plg .

3 plg y un anillo partido de 4 plg en dos caras 4 5 2 de un miembro con un espesor de 3 plg es 6.61 plg (tabla 16-5). Por tanto, 27,19 8 El área proyectada de un perno de

2

– 6.61 = 20.58 plg , el área neta. La tabla 16-6 da 0.00043 como constante que hay que usar en la determinación de 2 la sección neta necesaria. Entonces, 30,000 x 0.00043 = 12.9 plg el área neta 2 necesaria. Como ésta no excede de 20.58 plg , se acepta el miembro de 4 x8 plg. 2 Para las cubrejuntas 2 x (12.19-3.15) = 18.08 plg , se aceptan las dos piezas de 2 x 8 plg, porque 18.08 excede a 12.9. Los conectores tienen un ángulo de apoyo de cero grados con la veta, y en la figura 16-3 se ve que la carga permisible para un anillo partido de 4 plg es 6,140 lb. Entonces, 30,000+6,140 = 4.88. Usaremos seis conectores a cada lado de la junta; 4.88 + 6 = 0.813; por tanto, cada conector está cargado al 81.3% de toda su capacidad. Para determinar la separación, vemos en la figura 16 -7 que para una carga de 100% la separación es de 9 plg y para una de 75% es 5 plg. Por interpolación, vemos que para una carga de 81.3% se requiere una separación mínima de 6.01 plg, digamos de 6 plg.


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3 La figura 16-8 muestra que la distancia mínima al borde es 2 plg, y la figura 16-9 4 1 da 5 plg para la distancia mínima al extremo. La junta se muestra en la figura 16 4 11.

Fig. 16-11 Problema 16-15- A. Diséñese una junta traslapada, como la que se muestra en la figura 16-10, usando anillos partidos de 4 pl g para resistir una carga normal de 17,000 lb. La madera usada será de las especies del grupo B, para las cuales t = 2 1,600 lb/plg Problema 16-15-B. Diseñe una junta traslapada a tensión usando anillos partidos de 4 plg y cubrejuntas, como se indica en la figura 16-11. La junta está sujeta a carga normal y la magnitud de la carga de tensión es 20,000 lb. La madera es encino blanco del grado 1,700 f. Problema 16-15-C. La carga de tensión normal en una junta traslapada es 27,000 lb. La junta consiste en un miembro principal y dos cubrejuntas, como se indica en la figura 16-11. Diséñese la junta usando anillos partidos de 4 plg y madera de las 2 especies del grupo B, para las cuales t = 1,600 lb/plg

16-16. Nudos de las armaduras Cuando se diseña un nudo de una armadura, usando conectores, puede haber varias soluciones que satisfagan los requisitos. En el primero de los ejemplos siguientes las piezas de las cuerdas se colocan al exterior, y adyacentes a ellas van las dos piezas que forman la diagonal, como se indi ca en la figura 16-12. El miembro central es el miembro vertical del alma. Otra disposición consiste en colocar las piezas diagonales al exterior, luego las cuerdas, y el miembro vertical en el centro. Las dos disposiciones producen soluciones diferentes. Cuando las piezas se disponen como aparecen en la figura16 -12, la diagonal es el miembro cargado. El método de diseño usual es suponer primero el espesor de la madera y luego determinar el número necesario de conectores, su separación y distancias al bord e y al extremo.

Fig. 16-12 Estas dimensiones de la colocación pueden determinar los anchos de los diferentes miembros. En una armadura, los miembros están en compresión o en tensión, y su TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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tamaño debe ajustarse a los requisitos para estos dos esfuerzos, así como a los requisitos que demandan las dimensiones de la colocación de conectores. El diseño de los miembros a tensión se explica en los dos ejemplos del Art. 16 -15, y los miembros a compresión se discuten en el capítulo 13. En los dos ejemplos ilustrativos que siguen solamente se determinan los conectores y las dimensiones de su colocación. Ejemplo. Calcúlese el número de conectores de anillo partido de 4 plg y las dimensiones de su colocación para el nudo de la cuerda inferior de una armadura, para que resista las cargas que se indican en la figura 16 -12a. El miembro vertical del alma tiene una carga de tensión de 9,000 lb, el miembro diagonal del alma, una carga de compresión de 11,750 lb, y el miembro de la cuerda cargas de tensión de 15,100 y 22,650 lb, y como se muestra. El miembro diagonal forma ángulos de 40° y 50° con los miembros verticales y horizontales, respectivamente. Se usa madera de las especies del grupo A, y la carga es normal. SOLUCION. Primero estudiaremos los conectores entre las pie zas verticales y las diagonales, siendo la vertical la pieza central situada entre las diagonales. Véanse las figuras 16-12 b y c. El vertical es el miembro que carga, y la diagonal es el miembro cargado, siendo el ángulo entre ellos de 40°. Como el vertic al es el miembro que carga, la carga en el nudo es de 9,000 lb, y los conectores se apoyan en la diagonal (que es el miembro cargado) a un ángulo de 40° con la veta. Supondremos que el espesor de las piezas es de 3 plg, efectivamente 2 5/8 plg. Por tanto, consultando la figura 16-3, encontramos que el valor de trabajo de un anillo partido de 4 plg en dos caras de 2 5/8, apoyándose el material a un ángulo de 40° con la veta, es de 5,120 lb. Entonces:

9,000 = 1.76 ,el 5120

número

teórico

de

conectores

ne cesarios.

Usaremos dos conectores. Se ha visto que los conectores no se hacen trabajar a toda su carga permisible y,

1.76 que es el porcentaje de la carga total que soporta 2

cada conector. Estos dos conectores se colocan en los lados del miembro vertical, requiriendo solamente un perno; no se da dimensión para la separación. Consultando la figura 16-8, encontramos que la distancia mínima al borde es

2

3 plg para ambos bordes, el cargado y el que no tiene carga. 4

La figura 16-9 es el diagrama de la distancia al extremo. Para el vertical, que es el miembro que carga a la tensión, el diagrama indica que la distancia al extremo para 88% de la carga es de 6 plg. Para la diagonal, el miembro cargado a la compresión, la distancia al extremo según el diagrama es de

5

1 plg. 4

Vamos a estudiar enseguida los conectores entre las cuerdas y las diagonales. La cuerda es un miembro corrido con una carga de 22,650 lb en un lado y 15,100 lb en el otro; 22,650 – 15,100 = 7,550 lb, la carga de tensión que van a transmitir los conectores. Para estos conectores la cuerda es el miembro que lleva a la carga y la diagonal el miembro cargado. Así la carga en la junta es 7,550 b, y el ángulo de la carga al hilo es de 50°. La figura 16-3 muestra que el valor de trabajo de un

7,550 = 1.57 , el número teórico necesario de conectores. 4,800 1.57 Usaremos dos conectores; = 78 12 % el porcentaje de la carga completa que 2 conector es 4,800 lb;

soporta cada conector. Estos dos con ectores quedan en los ejes de los conectores entre la vertical y la diagonal, y se mantienen en su posición por el mismo perno; por tanto, no se necesita la dimensión de la separación.


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De la figura 16-8, la distancia mínima al borde para el borde cargado y el que no tiene carga es de

2

3 plg. 4

Consultando la figura 16-9, la distancia al extremo en el miembro cargado, que está en compresión, es

4

1 plg. El miembro cargado es su miembro corrido; por tanto, no 2

tiene la distancia al extremo Ahora se dibuja el conector de 4 plg en la intersección de los ejes de los miembros. Las distancias al extremo y al borde calculadas anteriormente se trazan ahora con respecto a los ejes y el conector; así, se marcan las dimensiones mínima s de los miembros. Los miembros deben, por supuesto, tener el tamaño suficiente en las dimensiones para resistir las cargas de tensión y de compresión. Las dimensiones calculadas anteriormente son mínimas y pueden aumentarse si lo requiere el tamaño total de los miembros. Ejemplo. Calcúlese el número de conectores de anillo partido de 4 plg y las dimensiones para su colocación para una junta de una armadura en la que las cargas en los miembros son las dadas en la figura 16 -13a. Las piezas de la cuerda se colocan al exterior, el miembro vertical en el centro, y las diagonales se colocan entre la vertical y las piezas de la cuerda. La diagonal forma ángulos de 42° y 48° con la horizontal y con los miembros verticales, respectivamente. La carga es normal, y la madera pertenece a una de las especies del grupo A.

Fig. 16-13 SOLUCION. Vamos a considerar primero los conectores entre la cuerda y la diagonal, siendo la cuerda el miembro que lleva a la carga y la diagonal el miembro cargado. El ángulo de la carga a la veta es de 42°. Nótese que la cuerda es un miembro corrido, siendo el esfuerzo en un lado 30,375 lb y 17,730 lb en otro. La diferencia, 30,375 – 17,730, ó 12,645 lb, es la carga transmitida de la cuerda a la diagonal a un ángulo de 42° de la carga a la v eta. Para empezar vamos a suponer que todas las piezas tienen un espesor de 3 plg en realidad de

5 2 plg. 8

En la figura 16-3 encontramos que la carga para conector de anillo partido de 4 plg es 5,050 lb. Entonces 12,645 ÷ 5,050 = 2.5, el número teórico necesario de conectores. Usaremos 4 conectores de anillo partido de 4 plg; por tanto 2.5 ÷ 4 = 62 12 % el porcentaje de la carga total soportada por cada anillo partido. Consultando la figura 16-7, el diagrama de separaciones , vemos que 5 plg es la separación mínima necesaria en la diagonal paralela a la veta. Nótese que el ángulo del eje con el hilo es 0° y el ángulo de la carga al hilo es 42°. La capacidad del conector en la diagonal es menor que la capacidad del que está en la cuerda, porque la carga en la diagonal forma un ángulo con la veta. Por esta razón, la separación necesaria en la diagonal es mayor que la de la cuerda. Se acepta la separación mínima de 5 plg.


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3 La figura 16-8 indica la distancia mínima al borde que es de 2 plg, y la distancia 4 al extremo en la diagonal, que es el miembro a tensión, se encuentra en la figura 16-9 siendo de

1 3 plg. 2

Consideremos ahora los conectores entre el miembro vertical y la diagonal. El vertical es el miembro que lleva la carga, la carga es de 11,250 lb, y el ángulo de la carga con la veta es 48°. La diagonal es el miembro cargado. La carga permisible en el conector para un anillo partido de 4 plg a 48° en dos caras de material de

5 2 plg en la diagonal es 4,850 lb. Así, 11,250 ÷ 4,850 = 2.32, 8

el número teórico de conectores necesarios. Usaremos 4 anillos partidos de 4 plg. Por tanto, 2.32 ÷ 4 = 58%, el porcentaje de la carga total que soporta cada conector. La figura 16-7 indica que75% de la carga total requiere una separación de 5 plg, y ésta es la mínima permitida. Nótese que ésta es la misma separación usada para los conectores entre la cuerda y las piezas de la diagonal. Esta dimensión de 5 plg determinará el ancho de los m iembros.

3 plg para ambos 4 1 bordes. La distancia al extremo para el miembro de la diagonal es 3 plg. 2 La distancia al borde en la diagonal y en la cuerda es de

2

Ahora se dibujan los ejes de los miembros, y se colocan l os dos conectores de 4 plg sobre la diagonal con una separación de 5 plg. Nótese que esta es la dimensión de la separación para la cuerda y la diagonal. Si estas separaciones hubieran sido desiguales, se hubiera aceptado la mayor dimensión. Enseguida traz amos las distancias al borde y al extremo, como se acaban del calcular, y así determinamos los anchos mínimos de los miembros para satisfacer los requisitos del conector. Cuando se usan en un nudo de una armadura de un perno y los conectores que los acompañan, el diseñador puede elegir varias formas de colocarlos. En este problema específico, en una de las formas se colocan los conectores en el eje del miembro diagonal, como se muestra en la figura 16 -13b. Para determinar las distancias vertical y horizonta l entre los dos conectores con una separación de 5 plg, quedando los conectores en una línea que forma un ángulo de 42° con la horizontal, podemos usar la trigonometría o podemos encontrar las distancias gráficamente, como se ve en la figura 16 -14. Primero, se traza una línea horizontal y, de cualquier punto, B, se dibuja una línea (con la ayuda de un transportador) que forme un ángulo de 42° con la horizontal. Del punto B se mide una distancia de 5 plg y llamamos a este punto A. Esta es la dimensión de la separación de los conectores. De a trazamos una línea vertical; llamemos C al punto en el que corta la línea horizontal. Entonces, AC y BC son las proyecciones vertical y horizontal de AB, que es 5 plg. Tomando a escala estas distancias, AC = 3.34 plg y BC = 3.71 plg.

Fig. 16-14


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En una alternativa de la forma de colocar los conectores se colocan éstos en el eje del miembro vertical, como se muestra en la figura 16 -13d. Cuando los conectores se colocan en el eje de la diagonal, como se ve en la figura 16-13b, los anchos de los miembros se calcula así: Ancho de la diagonal = 2.75 + 2.75 = 5.5 plg

Ancho de la vertical = 2.75 + 3.71 + 2.75 = 9.21 plg

Ancho de la cuerda = 2.75 + 3.3 4 = 2.75 = 8.84 plg

1 plg 2 1 úsese 9 plg 2 úsese 5

úsese 9

1 plg 2

Si los conectores se colocan en el eje del miembro vertical, las dimensiones mínimas son las mostradas en la figura 16 -13b Ancho de la diagonal = 2.75 + 3.71 + 2.75 = 9.21 plg

úsese 9

Ancho de la vertical

= 2.75 + 2.75 = 5.5 plg

úsese 5

Ancho de la cuerda

= 2.75 + 5 + 2.75 = 10.5 plg

1 plg 2

1 plg 2 1 úsese 11 plg 2

Las dimensiones mínimas de los miembros, habiéndose determin ado de acuerdo con los requisitos de los conectores, se revisan los diferentes miembros para ver si sus dimensiones son suficientes para resistir los esfuerzos de tensión y de compresión. Por supuesto, los miembros que resisten esfuerzos se proyectan como columnas.


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ENCOFRADOS FIERRERÍA PAREDES DE MADERA (ENTRAMADOS)

22-1

Paredes de madera.

Las paredes de carga de madera que comúnmente se usan en la construcción de entramados ligeros son invariablemente bastante resistentes para soportar las cargas que se les aplican. Sin embargo, cuando ocurre un hecho poco usual, conviene calcular las cargas y determinar el tamaño de los postes y sus separaciones. Cuando se han determinado las cargas, así como las especies y sus esfuerzos permisibles a la compresión paralela a la veta de la madera, pued e determinarse el tamaño adecuado de los postes y su separación consultando la tabla 22 -1. Las cargas con que se calculó esta tabla con para duración normal y se basan en la fórmula de la columna y las recomendaciones de la National Lumbre Manufacturers As sociation. Las cargas dadas son por pie lineal de pared sobre postes labrados en las cuatro caras y separados 16 plg centro a centro; la resistencia de los postes calculada como columnas se determina con la dimensión mayor de la escuadría de los postes. Se supone que los postes tienen un amplio contraventeo lateral paralelo a la pared. Así, en la fórmula de la columna, la relación

l es la longitud del poste, en pulgadas, dividida entre d

la dimensión mayor de la escuadría del poste, también en pulgadas. Véase figura 22 -1.

FIG 22-1 TABLA 22-1 CARGAS AXIALES DE SEGURIDAD PARA PAREDES DE MADERA Las cargas son por pie lineal de pared cuando los postes tienen una separación de 16 plg centro a centro Nota: P/A no debe exceder de c, el es fuerzo permisible a la compresión paralela a la veta.


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TABLA 22-1 CARGAS AXIALES DE SEGURIDAD PARA PAREDES DE MADERA

(Continuación)

TABLA 22-1 CARGAS AXIALES DE SEGURIDAD PARA PAREDES DE MADERA (Continuación)

Reproducida con permiso de la Nacional Lum ber Manufacturers Association

22-2

Apoyo lateral de los postes

En la construcción de paredes de madera, los recubrimientos de madera, los enlatados, y el enyesado generalmente proporcionan suficiente apoyo lateral en una dirección paralela a la pared. Sin embargo, si una pared de madera depende únicamente del contraventeo (entre postes) para el apoyo lateral, la separación máxima vertical, en pulgadas, entre las hileras de crucetas de contraventeo puede obtenerse multiplicando la longitud del poste, en pulgadas, por el factor adecuado a la separación dado en la tabla 22-2. Véase la figura 22-2 Ejemplo. Una pared de madera con una altura de 9 pies 6 plg, compuesta de postes de 3 x 4 plg colocados con una separación de 16 plg entre centros, depende solamente d e las crucetas de contraventeo para su apoyo lateral. ¿Cuál es la separación máxima permisible vertical para las crucetas? TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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FIGURA 22-2 TABLA 22-2 FACTORES DE SEPARACION PARA LAS CRUCETAS DE CONTRAVENTEO Escuadría nominal, en pulgadas

2 x 3

2 x 4

3 x 4

4 x 4

2 x 6

3 x 6

2 x 8

Factor de separación para las crucetas

0.70

0.45

0.72

1.00

0.29

0.47

0.22

Se reproduce con autorización de la National Lumber Manufacturers Association SOLUCION. La altura de la pared de madera en pulgadas es (9x12) + 6, ósea, 114 plg. En la tabla 22-2 encontramos que el factor de separación para postes de 3 x 4 plg es 0.72. Por tanto 114 x 0.72 = 82 plg, la separación máxima permisible de las crucetas de contraventeo. En consecuencia, una hilera de crucetas a la mitad de la altura será suficiente. En este ejemplo los postes son de 3x4 plg. ¿Cuál sería la separación vertical de las crucetas si se usaran postes de 2x4 plg? La altura de la pared, como antes, es de 14 plg. Consultando la tabla 22 -2, vemos que el factor de separación para postes de 2x4 plg es 0.45. Entonces, 114x0.45= 51.3 plg, la máxima separación entre las hileras de crucetas. En este caso se necesitarán dos hileras de crucetas en la altura de 9 pies 6 plg, como se indica en la figura 22 -2.

22-3

Tabla de cargas de seguridad para paredes de madera

La tabla 22-1 da las cargas permisibles de duración normal en las paredes de madera. La separación más común de los postes es de 16 plg entre centros, y las cargas, en libras por pie lineal de pared, en esta tabla, se calculan para una separación de 16 plg entre los postes. Estas cargas se calculan de acuerdo con la fórmula para columnas de madera sólida que se dio en el Art. 13 -3. En la tabla

P es el esfuerzo unitario admisible en los A

postes y w es la carga de seguridad en libras por pie lineal de pared. Para demostrar cómo se determinan las cargas con la tabla, consideremos el ejemplo siguiente. Ejemplo. Una pared de madera de una altura de 9 pies 0 plg, está compuesta de postes de 3 x 4 plg separados 16 plg entre centros, bien contraventeada por el recubrimiento de madera en dirección paralela a la longitud de la pared. Los postes son de pinabete del Este, del grado estructural para construcción. Calcúlese la carga, en libras por pie lineal de pared, que puede soportar esta pared. SOLUCION. Consultando la tabla 3-1, encontramos que E, el módulo de elasticidad para 2 el pinabete del Este, es 1.210,000 lb/plg , y para el grado estructural de construcción c, 2 el esfuerzo permisible de compresión paralel a a la veta es de 600 lb/plg . Las


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dimensiones efectivas de una pieza de 3x4 plg que se dan en la tabla 3 -3 son

2

5 5 x3 plg, y el área de la sección transversal es 9.52 plg 2 . 8 8

Como se hizo notar anteriormente, d, la que se usa para determinar la relación de esbeltez, es la dimensión mayor del poste. Entonces:

l 9x12 = = 29.8 d 3.625 Substituyendo en la fórmula de la columna,

P 0.3xE P 0.3x1.210,000 = , = = 409lb / p lg2 A (l / d)2 A 29.8x29.8 el esfuerzo unitario admisible de compresión. Ahora, consúltese la tabla 22-1. En la sección marcada “longitud = 9 pies 0 pulg”, opuesta a E = 1.210,000 lb/plg² y debajo de 2

P P en la sección 3 x 4, encontramos = A A

409 lb/plg , el mismo Esfuerzo unitario permisible de compresión que se encontró en nuestros cálculos. 2 El área de la sección transversal de una pieza de 3 x 4 es 0.52 plg . Por tanto, 9.52 x 409 = 3,894 lb, la carga permisible en la pared de madera de postes de 3 x 4 plg pie lineal de pared si la separación de los postes es de 12 plg entre centro. Por tanto, 3,894 x

12 = 2,921 lb, la carga admisible por pie lineal de pared si los postes tienen una 16

separación de 16 plg entre centros. Nótese que esta es la carga que se da en la tabla debajo de la letra w. En este ejemplo se encontró que el valor de columna, el valor

P no A

P es de 409 lb/plg². Al usar la fórmula de la A

debe exceder de c, el esfuerzo permisible de compresión 2

paralela al hilo. Para especie y grado dado en este ejemplo, c = 600 l b/plg . Por tanto 2 como 409 es menor que 600, 409 lb/plg es el esfuerzo de compresión permisible, y , la carga permisible por pie lineal de pared, es 2,921 lb. En consecuencia, para determinar la carga permisible por pie lineal en las paredes de madera con postes separados 16 plg, consúltese primero la tabla 3 -3 y encuéntrese c y E para la especie y grado de la madera que va a usarse. En la tabla 22 -1 búsquese la sección, dando la longitud (altura) de los postes. Entonces, opuesto a la E correspondiente y en la columna marcada w para el tamaño específico del poste, búsquese la carga permisible por pie lineal. Asegúrese de que el valor de

P de la tabla, A

no excede el admisible c. Ejemplo. Usando la tabla 22-1, determínese la carga permisible en un tabique de madera, de 10 pies 0 plg de altura, construido con postes de 2 x 4 plg, separados a 16 plg entre centros. Los postes son de pinabete de Este de grado estructural. 2 SOLUCION. Para esta especie y grado de madera, E = 1.210,000 lb/plg y c = 650 2

lb/plg . Véase tabla 3-1. Consultando la tabla 22-1, hemos encontrado que 2

P = 331 A

lb/plg². Como este esfuerzo es menor que c (650 lb/plg ), w, dada e la tabla, es 1,460 lb, la carga permisible por pie lineal de pared para una se paración de los postes de 16 plg. Ejemplo. Si los postes del ejemplo anterior son 2x6 plg en vez de 2x4 plg, calcúlese la carga admisible en el tabique de madera.


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P SOLUCION. Usando la tabla 22-1 vemos que = 800 lb/plg². Como este va lor excede A 2

2

al de c (650 lb/plg ), el esfuerzo admisible de compresión es solamente 650 lb/plg . El 2 área de una sección de 2x6 plg es 9.14 plg ; por tanto, 9.14 x 650 = 5,940 lb, la carga permisible por pie lineal de pared si los postes tienen una separació n de 12 plg. Por tanto, 5,940 x

12 = 4,450 lb por pie lineal de pared para una separación de los poste 16

de 16 plg. Problema 22-3-A Una pared de madera tiene una altura de 10 pies 0 plg y está formada por postes de 3 x 4 plg, colocados a 16 plg entre centros. La madera es abeto del Este de grado f 1,200. ¿Cuál es la carga admisible en el que, en libras por pie lineal? Problema 22-3-B. Una pared de madera tiene una altura de 11 pies 0 plg y una carga de 1,900 lb por pie lineal. Si los post es son de pinabete del Este, ¿cuál debe ser su escuadría si tienen una separación de 16 plg entre centros?

22-4

Separación de postes

La separación más común de los postes en las paredes de madera es de 16 plg entre centros, como aparece en la figura 22 -1. Las cargas por pie lineal de pared, dadas en la tabla 22-1, se basan en una separación de los postes de 16 plg. Las cargas excesivas pueden requerir una separación de 12 plg, o puede ser ventajosa alguna otra separación. Para calcular la carga permisible p or pie lineal de pared con otra separación diferente de 16 plg, multiplíquense las cargas dadas en la tabla 22 -1 por el factor de carga correspondiente dado en la tabla 22 -3. TABLA 22-3. FACTORES DE SEPARACION PARA CARG AS DE SEGURIDAD DE LOS POSTES EN LAS PAREDES DE M ADERA Separación de los postes

12”

20”

24”

32”

36”

42”

48”

Factor de carga

1.33

0.80

0.67

0.50

0.44

0.38

0.33

Se reproduce con autorización de la National Lumber Manufacturers Association Ejemplo. Si usa pino del Sur del grado 2 CR para los p ostes de 3x4 plg en una pared que tiene altura de 10 pies 0 plg. ¿Qué carga por pie lineal soportará la pared si los postes tienen una separación de 12 plg entre centros?. SOLUCION. Consultando la tabla 3-1, vemos para este grado de especie de madera E = 2 2 1.760,000 lb/plg y c = 900 lb/plg . La tabla 22-1 muestra que la carga permisible por pie lineal es 3,443 lb si la separación de los postes es 16 plg. El factor de conversión para la separación de 12 plg, dado en la tabla 22 -3, es 1.33. Por tanto 3,443 x 1.33 = 4,579 lb, la carga admisible por pie lineal para una separación de los postes de 12 plg. Problema 22-4-A Para los postes descritos en el ejemplo anterior, calcúlese la carga permisible por pie lineal de pared si los postes tienen una separación de 20 plg entre centros. Problema 22-4-B Un tabique de madera tiene una altura de 10 pies 0 plg y está formado con postes de 3 x 4 plg de grado estructural de pinabete del Este. ¿Qué carga por pie lineal de pared soportará el tabique si los postes tienen una se paración de 24 plg entre centros.


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ENCOFRADOS FIERRERÍA MADERA LAMINADA

23-1

Miembros Estructurales Laminados y Encolados

La madera estructural laminada y encolada está compuesta de un conjunto de laminaciones de madera, en el que la veta de todas las laminaciones es aproximadamente paralela longitudinalmente. Las laminaciones se unen con pegamentos. Una de las grandes ventajas de la madera laminada radica en el hecho de que puede dársele, al fabricarla, forma recta o curva, con secciones transversales desusadamente grandes y de grandes longitudes. El uso de mad era curada y la dispersión de los defectos, da por resultado que puedan emplearse esfuerzos unitarios permisibles más elevados que en la madera sólida aserrada. La madera estructural laminada y encolada debe ajustarse a las normas de diseño y fabricación de la National Design Specification for Stress -Grade Lumber and Its Fastenings, recomendadas por la National Lumber Manufacturers Association. 23-2 Ventajas y Limitaciones Algunas ventajas que se pretende que tiene el uso de la madera laminada son las siguientes: 1. Pueden construirse los miembros con casi cualquier sección transversal o longitud que se desee. 2. Pueden utilizarse piezas pequeñas de madera de grados inferiores en la construcción de grandes miembros estructurales. 3. La madera de los grados de mayor r esistencia puede colocarse en aquellas partes del miembro compuesto en las que los esfuerzos sean mayores, y el material de grado inferior donde los esfuerzos son menores. 4. Un miembro laminado de gran sección transversal resiste mejor al fuego que un tipo de construcción en el que queden expuestas piezas pequeñas separadas. 5. Debido a que el material de 1 y 2 plg se cura con facilidad, pueden obtenerse miembros laminados encolados completamente curados. 6. Pueden construirse miembros de forma curva y de sección v ariable. 7. Las vigas laminadas pueden construirse con la contraflecha necesaria, para eliminar el pandeo que acompaña con frecuencia el curado de las vigas rectas de madera sólida. 8. El encolado correcto permite que las laminaciones funcionen como una sola uni dad con más efectividad que la que es posible obtener con clavos, pernos u otros dispositivos mecánicos. 9. Debido a que las laminaciones puede usarse madera que está completamente curada, libre de efectos, se permiten esfuerzos unitarios más elevados en el d iseño de vigas laminadas y arcos que en las piezas de madera sólida. Aunque una viga laminada ofrece ventajas ciertas, el costo de preparación generalmente es mayor que la de un miembro sólido de madera verde. Si se acepta la madera verde, probablemente puede obtenerse en menor tiempo que el necesario para obtener un miembro laminado. Los miembros laminados deben fabricarse en una planta equipada para el objeto, y el tamaño de los miembros puede estar limitado por los servicios de transporte. El proceso de laminación requiere equipo especial, instalaciones especializadas en las plantas y adiestramiento para la fabricación que no son necesarios para la producción de piezas de madera sólida verde.

23-3

Proceso de laminación

La fabricación de los miembros lamin ados consiste en unir con pegamento laminaciones de 2 plg o menos, de espesor secadas en horno. Las vigas rectas generalmente se construyen con laminaciones de un espesor de

5 1 plg (2 plg nominales) y las vigas 8

curvas con espesores nom inales de 1 ó 2 plg. Cuando se usan miembros curvos, los espesores de las laminaciones se controlan con el radio de curvatura.


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El contenido de humedad de la madera no debe exceder de 15% durante el periodo de fabricación. En general, los pegamentos de tipo estructural que se usan en miembros interiores son resistentes a la humedad e impermeables los que se usan en el exterior. Antes de encolar, las laminaciones se labran a espesor uniforme. Es importante que la superficie encolada sea una superficie lisa, p lana y que la presión se distribuya uniformemente durante el periodo de secado. Debido al tamaño que deben tener los miembros, las laminaciones separadas tienen que unirse en sus extremos. Las juntas más eficientes son los empalmes biselados que se muestran en la figura 23-1a. Antes de laminar horizontalmente, deben encolarse en los extremos las tablas separadas en las juntas biseladas y rectificarse para asegurarse de la uniformidad del espesor de la laminación. Este encolado previo y rectificación es esencial para obtener un trabajo de alta calidad. Las juntas biseladas escalonadas o en forma dentada (fig. , 23-1b) se supone que tienen la misma resistencia que las solamente biseladas. Las juntas a tope (Fig. 23 -1c) no resisten tensión y, por tanto, no deben usarse en miembros que trabajen a tensión.

Fig. 23-1

23-4

Esfuerzos en miembros laminados

Las laminaciones pueden secarse completamente antes de la fabricación. Además, pueden elegirse libres de grietas u otros defectos en los miembros grandes de una pieza. Por esta razón, un miembro laminado tiene una resistencia mayor que un miembro sólido de madera del mismo grado. Pueden usarse en el diseño esfuerzo unitarios permisibles mayores. Las maderas blandas, el abeto Douglas y el pino del Sur, dos de nuestras maderas más resistentes, se usan comúnmente en los miembros estructurales laminados. Pueden encontrarse los esfuerzos permisibles para miembros estructurales laminados en el National Design Specification for Stress -Grade Lumber and Its Fastenings. En los miembros laminados curvos los esfuerzos inducidos varía según el radio de curvatura. En la porción curva de los miembros el esfuerzo unitario permisible a la flexión debe modificarse multiplicando por el siguiente factor de curvatura.

t 1 2,000 R En el que

2

t = espesor de la laminación, en pulgadas R= radio de curvatura de una laminación, en pulgadas

t 1 no debe exceder de para maderas R 125 1 blandas ó para las duras. En las maderas blandas el radio mínimo de curvatura 100 25 5 recomendado para laminaciones (1 plg nominal) de 1 plg (2 plg nominales) son 7 82 8 La relación

pies 0 plg y 15 pies 0 plg, respectivamente.

23-5

Propiedades de las vigas laminadas

Los miembros laminados encolados pueden construirse en un número infinito de tamaños y formas, pero es económico usar laminaciones de anchos y gruesos estándar. En la tabla 23-1 se dan múltiplos de estas dimensiones para las secciones trans versales rectangulares. Las vigas rectas generalmente se forman con laminación de 1 5/8 plg (2


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plg nominales), y la tabla se basa en material de este grueso. Las vigas curvas se fabrican de material de 1 o 2 plg. El espesor efectivo del material de 1 plg e s


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25 plg. 32

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Compiladas con autorización, de los datos proporcionados por la W est Coast Lumbermen´s Association Los anchos nominales y los anchos estándar de las piezas terminadas de las vigas laminadas se dan en la tabla 23-2. Pueden obtenerse muchos tamaños más, pero los tamaños dados en la tabla proporcionan la mayor economía. TABLA 23-2 ANCHOS NOMINALES Y EFECTIVOS DE VIG AS LAMINADAS 3”

Ancho nominal Anchos estándar efectivos

2

1 ” 4

4”

5”

6”

8”

10”

12”

14”

16”

3_”

4 _”

5_ ó 5”

7”

9”

11”

12_”

14_”

Se reproduce con autorización de la National Lumber Manufacturers association Además de las dimensiones estándar, se dan también en la tabla 23 -1 los módulos de sección y el momento de inercia de las secciones rectangu lares. Estas propiedades son de gran ayuda en el diseño de vigas, como se indicó en el Art. 23 -8. Los pesos de las vigas que se dan en la lista de la tabla 23 -1 se basan en un peso de 36 lb por pie cúbico.

23-6

Tipos de vigas laminadas

Aunque pueden fabricarse numerosas formas de vigas laminadas encoladas, los tres básicos son: el recto, piramidal o de peralte decreciente y las curvas, como aparecen en la figura 23-2. El objeto de las vigas de peralte decreciente es proporcionar una superficie inclinada al techo para drenaje. Estas vigas pueden tener pendiente en una dirección o estar inclinadas simétricamente a partir del centro del claro, como aparecen en las figuras 23-2b y c. Las vigas rectas y las de peralte variable generalmente se construyen con una pequeña contraflecha. Al calcular la flecha, los ingenieros consideran con frecuencia solamente la carga viva, en el supuesto de que la flecha que produce la carga muerta será la correspondiente a la contraflecha.

FIG 23-2


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23-7


Arcos laminados

Las dos clasificaciones generales de los arcos laminados son el gótico y el de radio constante. En ambos tipos se emplea la construcción de las tres articulaciones. Los nombres que se emplean comúnmente para describir un arco en V (en realidad no es un arco, sino un pórtico) (FIG 23-3) son como sigue: A = claro, de respaldo a respaldo; B = peralte; C = radio; D = espesor en el codo; E = espesor en la corona; F = espesor en la base; G = altura de la pared, y H = ancho. Se acostumbra tomar como radio de curvatura el de las laminaciones interiores.

Fig 23-3

23-8

Diseño de una viga laminada

El ejemplo siguiente ilustra el procedimiento general que debe usarse en el diseño de una viga laminada encolada. Para ciertas condiciones puede resultar aceptable más de una solución. En las vigas de peralte variable, éste es el que varía en toda su longitud, pero su ancho permanece constante. En el diseño de una viga recta se determinan las dimensiones de la sección transversal por el módulo de la sección en el punto de momento flexionante máximo. Consultando la tabla 23 -1, vemos que disponemos de varios tamaños de vigas que pueden utilizarse. Es mejor elegir una sección que tenga una relación de peralte a ancho de aproximadamente 4, aceptamos, por supuesto, la sección transversal en la que el área sea la mínima. Ejemplo. Diseñar una viga simétrica, de peralte decreciente hacia ambos extremos, de 2 manera laminada y encolada para soportar una carga viva de 30 lb/pie en un claro de 32 pies 0 plg; las vigas tienen una separación de 8 pie s 0 plg entre centros. Se muestra la forma que tiene esta viga en la figura 23 -2c. El diseño deberá ajustarse a los siguientes esfuerzos unitarios: 2 ƒ = 2,400 lb/plg , esfuerzo permisible en la fibra extrema 2 c = 2,000 lb/plg , esfuerzo permisible de com presión paralelo a la veta. 2 c = 385 lb/plg , esfuerzo permisible de compresión perpendicular a la veta 2 H = 200 lb/plg , esfuerzo cortante horizontal permisible 2 E = 1.800,000 lb/plg , módulo de elasticidad. SOLUCION. El primer paso es calcular las ca rgas. Suponemos que los tablones del techo van de viga a viga; en consecuencia, la viga soporta una carga uniformemente distribuida: 2 Carga viva = 30 lb/pie 2 Tablones = 7 lb/pie 2 Cubierta del techo de 5 capas = 6 lb/pie 2 Total = 43 lb/pie en la superficie del techo. Las vigas están separadas a 8 pues 0 plg; por tanto, 8x43 = 344 lb, la carga por pie lineal de viga, sin incluir su peso. Entonces, suponiendo que el peso medio de la viga sea de 20 lb por pie lineal, 344 + 20 = 364 lb. Este es w, la c arga por pie lineal de viga. Como la viga tiene un claro de 32 pies, 364 x 32 = 11,650 lb, W , la carga total uniformemente distribuida sobre la viga. Cada reacción =

1 11,650 = 5,825 lb. Este 2

peso es V, la magnitud de la fuerza cortan te vertical máxima. La carga de la viga se muestra en la figura 23-4. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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FIG 23-4 El momento flexionante máxima ocurre en el centro del claro, como se indica en la figura 5-17, caso II.

M=

Wl 8

o M =

11,650x32x12 = 560,000 p lg lb 8

El momento flexionante máximo. Los diagramas de las fuerzas cortantes y de momentos se construyen de la manera usual; se muestran en la figura 23 -4. La fórmula de la flexión (Art. 9 -3)

S=

M f

o S=

560,000 = 233p lg3 2,400

Que es el módulo de sección en el centro del claro. Consultando la tabla 23-1, elegimos una viga formada por once laminaciones de sección transversal, entonces, será de 5 plg de ancho y 17 2

5 1 . La 8

7 de peralte en el centro 8 2

del claro de 32 pies. Esta sección tiene un módulo de 266 plg y un área de 89.4 plg . Sabemos que la curva de los momentos flexionantes para una carga distribuida en una viga simple es una parábola, como aparece en la figura 23 -4. Esta viga tiene un peralte que disminuye hacia los extremos, y en cualquier sección de su longitud el módulo de la misma deberá ser igual o mayor que el necesario para el momento flexionante en ese punto. Vamos a calcular el momento flexionante en un punto situado en la cuarta parte del claro, x=8. Entonces, M ( x= 8 ) = [(5,825x8]–(364x8x4)] x 12 = 419,000plg.lb

S=

M 419,000 oS = = 175p lg3 , el módulo la sección necesario a 8 pies del apoyo. f 2,400

Como hemos aceptado un ancho de 5 plg en la viga, elegiremos ahora una sección de 5 x 14

5 plg a 8 pies del extremo izquierdo de la viga. Esta sección se hizo co nsultando 8 3

la tabla, en la que encontramos que S para esta sección transversal es de 178 plg , y 3 solamente 175 plg son las que se necesitan. Suponiendo que el borde inferior de la viga esté a nivel, el peralte en el centro del claro es 17

7 , y a 8 pies del apoyo de la izquierda (o de la derecha) del centro, el peralte es 8


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5 de 14 . Esto determina la pendiente del borde superior de la viga, y, calculándolo, el 8 3 peralte de la viga en los extremos es de 11 plg. Véase la figura 23-5. 8 Vamos ahora a investigar el esfuerzo cortante horizontal en los extremos de la viga. En ellos, el área es de 5 x 11

q=

3 V x 2 bh

o

q=

3 5,825 x y 2 56.9

3 2 plg o 56.9 plg . De acuerdo con el Art. 6-2, 8 q = 154lb / p lg2 que es el esfuerzo cortante unitario 2

horizontal. Como este esfuerzo es menor que el permisible de 200 lb/plg , se aceptan las dimensiones calculadas. La viga tiene un peralte de 17 7/8 plg en el centro del claro y disminuye uniformemente, a los dos lados, hasta un pera lte de 11

3 plg en los 8

extremos. Su ancho efectivo es de 5 plg. Por medio del cálculo, se encuentra que el momento flexionante a 4 y 8 pies del extremo de la izquierda de la viga es de 244,650 plg-lb y 419,000 plg-lb, respectivamente. Estos momentos son los que aparecen en la curva, una parábola, mostrada en la figura 23 -5. En el Art. 9-3 se demostró que en cualquier sección en la longitud de una viga, el momento resistente debe ser igual o mayor que el momento flexionante, M = ƒxS. Entonces, como el momento resistente es ƒxS, podemos calcular su valor en cualquier 2 sección. Por ejemplo, el módulo de la sección en el centro del claro es 266 plg ; en consecuencia, 266x2,400 = 638,400 plg-lb, el momento resistente. En una sección a 8 pies del extremo izquierdo de la viga, ƒxS =178 x 2,400, ó 427,200 plg-lb. Debido a que el peralte varía en toda la longitud de la viga, la magnitud del momento resistente también varía.

FIG 23-5 En la figura 23-5 mostramos la curva de los momentos flexionantes , una parábola, y a la misma escala hemos dibujado una curva del momento resistente. El momento resistente debe ser siempre igual o mayor que el flexionante. En las vigas y arcos laminados las áreas de las secciones transversales de los miembros pueden variar a lo largo de sus longitudes. El principio básico para diseñar miembros laminados es disponer suficiente material a lo largo de los miembros, de modo que en cada sección el momento resistente sea cuando menos igual al flexionante. Además de los esfuerzos de flexión, debe haber suficiente material en las diferentes secciones para resistir el esfuerzo cortante.


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CONSTRUCCIONES EN TRIPLAY (MADERA TERCIADA) 24-1

Triplay

El término triplay o madera terciada se usa para designar tableros encolados de madera hechos de chapas o capas, en los que veta de una o más chapas forma un ángulo (generalmente de 90°) con la veta de las adyacentes. A las chapas exteriores se les llaman caras, o cara y respaldo, y a la chapa o chapas interiores, núcleo. Las chapas inmediatamente debajo y en ángulo recto con la chapa de la cara se llaman chapa de veta atravesada. El número de combina ciones de chapas y materiales de núcleo es casi ilimitado. Las chapas que se emplean en el triplay que se usa normalmente en las construcción de edificios varían de

1 7 a plg de espesor y el espesor total varía de 24 82

1 13 a plg. Las diferentes chapas varía en número, en espesor y el especie de la 8 16 madera. El número de las chapas es siempre impar: tres, cinco o siete. Las chapas de veta atravesada y su disposición determinan princ ipalmente las características a alabearse del material. El cruzamiento de las vetas de las chapas añade resistencia al triplay en todas direcciones. Cuando mayor es el número de chapas en un espesor dado, tanto más uniformes son la resistencia y las propie dades de contracción y mayor la resistencia a agrietarse.

24-2

Triplay de abeto Douglas

En general, se dispone de las clases de triplay, el de madera dura y el de madera blanda. Los triplays usados en los muebles y en las puertas de tambor se hacen generalmente de maderas duras. Mucho del triplay de madera blanda se hace de abeto Douglas, pero también se usan otras muchas especies. El grado se determina por la calidad de las caras y el tipo por la resistencia a la humedad de las uniones encoladas. En las listas figuran dos tipos de triplay de abeto Douglas: el que se usa en interiores y el especial para exteriores. Se supone que el tipo para interiores conserva su forma y casi toda su resistencia cuando llega a mojarse ocasionalmente, secándose luego. Generalmente, se pega con una cola de fríjol soya, o con una hecha con resinas del tipo fenólico disueltas. Se supone que el triplay para exteriores retiene su forma y resistencia cuando se moja y se seca repetidas veces, y que es adecuado para uso permanente en el exterior. Generalmente, se pega con colas de resina fenólica prensado en caliente. Hay varios grados en cada tipo, determinados por el material empleado en las caras del tablero. En orden de calidad descendente, el revestimiento es designa como A,B,C o D. Por ejemplo, el triplay de grado A-A, está revestido en ambas caras con material A, el grado A-D está revestido con un material A en una cara y con otro de grado D en otra. En general, el grado C se usa para las chapas intermedias del tipo para exterio res, y el grado D para las chapas intermedias del tipo para interiores.

24-3

Resistencia de la madera de triplay

Debido a las numerosas combinaciones en los gruesos de las chapas, especies, número de chapas y dirección de la veta en ellas, no resulta práct ico establecer esfuerzos permisibles de trabajo valiéndose de pruebas solamente. Las fórmulas relativas a la resistencia del triplay se han deducido matemáticamente y se han comprobado por pruebas para verificar su validez. Se dispone de estas fórmulas par a diseñar miembros estructurales de triplay, pero son demasiado complicadas para incluirlas en este texto para el diseño de elementos estructurales usuales de los edificios. Dos valiosas referencias son Technical Data on Plywood, publicados por la Douglas Fir Plywood Association, y el Forest Products Laboratory Report 1630, Aproxímate Methods of Calculating the Strength of Plywood. Debido a los muchos factores que intervienen, los


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problemas estructurales relativos a la resistencia del triplay quedan fuera d el campo de este libro.

24-4

Tableros de huecos de madera

El triplay se usa mucho en la construcción de edificios, para contrapisos, forros de paredes y techos, revestimiento de moldes para concreto, artesonados, gabinetes, mostradores, etc. En años recientes el triplay se ha usado en la construcción de tableros estructurales que sirven más o menos como losas. La construcción con tableros huecos de madera es un desarrollo de la industria del triplay. Los tableros huecos constan de hojas de triplay colocadas y debajo de bloques o viguetas relativamente pequeños, y las hojas y los bloques se pegan firmemente entre sí, como se indica en la figura. Cuando se usa este conjunto como tablero de piso, funciona como una unidad estructural; la hoja superior resiste es fuerzos de compresión y la inferior resiste esfuerzos de tensión. Cuando se usa el triplay de esta manera, la unidad funciona como losa y los esfuerzos de tensión y compresión que resultan de la flexión los resisten las hojas de triplay. Estos miembros com puestos son económicos con respecto al material, pero esta economía puede estar contrarrestada por el costo de fabricación. Estos tableros deben fabricarse en un taller equipado para el objeto.

Fig 24-1 24-5

Vigas compuestas de triplay

Pueden diseñarse vigas estructurales compuestas y encoladas con la forma de vigas de cajón, de vigas en I o de doble I, como se muestra en la figura 24 -2. En estas vigas el miembro del alma es de triplay; los patines pueden ser piezas sólidas o laminadas. Estas vigas compuestas ofrecen la oportunidad de colocar material escogido donde los esfuerzos son mayores. Aunque el costo de fabricación es un factor importante en la construcción de estas vigas, se obtiene una considerable economía de material cuando se compara con miembros sólidos diseñados para las mismas cargas y claros. Como en el diseño de trabes armadas de placas, los patines (superior e inferior) se diseñan para resistir los esfuerzos de compresión y de tensión que resultan de la flexión. Las armas de triplay se pr oyectan para resistir los esfuerzos cortantes. Las juntas encoladas entre el alma y los patines deben diseñarse con cuidado, porque transmiten esfuerzos entre el alma y los patines.

FIG 24-2 TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: DISEÑO SIMPLIFICADO DE ÉSTRUCTURAS DE MADERA – H PARKER – LIMUSA SENCICO

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La figura 24-2cmuestra el uso de atiesadores que se usan para limitar la longitud sin apoyo de los tableros del alma para ayudar a distribuir las cargas concentradas, así como las reacciones en los apoyos. El procedimiento de diseño de estas vigas compuestas es semejante al empleado en las trabes de placas de acero. Se investiga una sección de tanteo para determinar los esfuerzos efectivos en las partes que componen la viga, haciendo los ajustes que sean necesarios.

24-6

Cartelas de triplay

Otro uso que tiene el triplay en la construcción de edificios es para la const rucción de cartelas entre postes y pares del techo, y también en armaduras construidas de material ligero. Véase la figura 24-3. En el capítulo 18 se hizo referencia a las armaduras de un solo plano en las que se emplean placas Teco para armaduras en los n udos. Aunque al triplay le falta resistencia, comparando las del mismo tamaño que las de las placas de acero, las cartelas de triplay en los nudos donde se unen miembros sirven para el mismo objeto y dan por resultado una construcción económica.

Fig 24-3


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CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DE LA MADERA 1.1

MADERAS PARA LA CONSTRUCCIÓN

1.1.1 Maderas Tropicales (latifoliadas) y Coníferas Los bosques tropicales de la Sub -región Andina cubren aproximadamente el 47 por ciento de la superficie (220 millones de hectáreas) constituyendo un ingente recurso para la obtención de madera para construcción. Se estima que hay alrededor de 2,500 especies forestales en estos bosques, de las cuales unas 600 serían aptas para construir. La práctica limitada en el diseño y construcción con madera ha estado basada en información proveniente de países consumidores de madera de coníferas, que por su distinta constitución anatómica a la de la madera latifoliada presente propiedades y comportamiento diferentes. Este Manual ha sido preparado para facilitar el diseño de construcciones usando las maderas de los bosques andinos. Por ser éstos en su mayoría tropicales y subtropicales, a las maderas provenientes de las especies que los constituyen se las denominan genéricamente maderas tropicales. Estas especies, conocidas también con el nombre de latifoliadas o frondosas, se diferencian tanto externa como internamente de las maderas de coníferas que, en general, crecen en climas templados. En la Subregión existen en limitada proporción algunas espe cies de coníferas de bosques naturales y otras de zonas reforestadas. Sin embargo, son las especies tropicales las que representan el volumen importante. Una de las diferencias existentes entre maderas de coníferas y latifoliadas que constituye una características notoria en el comportamiento mecánico es aquella relacionada con la resistencia y rigidez (capacidad para experimentar deformación). De modo general puede afirmarse que, a igual densidad, las maderas latifoliadas de los bosques andinos mayor resis tencia que la madera de coníferas. Las características de elasticidad son similares o en algunos casos mayores (12)*. En ensayos de vigas a escala natural se observan deformaciones importantes antes de que se produzca la falla; si se descarga el espécimen durante el ensayo se recupera casi toda la deformación. La deformación máxima que se presenta en la rotura, comparada con aquella del límite elástico es grande, lo que resulta en un comportamiento dúctil, mayor aún cuando se trata de vigas en condición ver de.

1.1.2 Especies Estudiadas Las características tecnológicas, propiedades de diseño, las recomendaciones de diseño, protección y detalles constructivos que es incluyen en esta publicación son el resultado de actividades de investigación y desarrollo llevadas a cabo como parte del proyecto “Estudio Integral de la Madera para la Construcción” que forma parte de los Proyectos Andinos de Desarrollo Tecnológico en el Área de los Recursos Forestales tropicales (PADT - REFORT) que ejecuta la Junta del Acuerdo de Carta gena y los Países Miembros del Grupo Andino. El objetivo de este proyecto es la incorporación de la madera tropical como material de construcción, con todas las características técnicas, de normalización y reglamentación de que gozan los materiales tradicionales. 

Los números entre paréntesis indican las referencias que aparecen al final del Manual. Los resultados obtenidos son el fruto de una valiosa experiencia de varios años en el campo de la investigación, a través de la cual, los países andinos han uni do esfuerzos y emprendido coordinadamente trabajos en esta área, permitiendo intercambiar la investigación y desarrollos tecnológicos. Esta acción conjunta ha permitido la determinación de las propiedades físicas y mecánicas de 104 maderas correspondientes a 91 especies diferentes de latifoliadas y 2 especies de coníferas de la Subregión (2,3). Las especies, cuyas propiedades se consignan en las Tablas de Propiedades Mecánicas (2), se presentan en la Tabla 1.1. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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FIG 1.2 MOE vigas vs. MOE probetas para viga s aceptadas según la regla de clasificación visual. Al inicio de este proyecto (1975) se contaba con estudios de propiedades tecnológicas en probetas de algunas especies, aunque sin la representatividad adecuada ya que la colección no obedecía a muestreos estadísticos. Por otra parte la identificación misma de especies en muchos casos era deficiente o equivocada. No existían criterios de clasificación para madera de construcción estructural. Las dimensiones en que se comercializaba la madera no seguían norm alización alguna encontrándose multiplicidad de alternativas. La investigación realizada para posibilitar el uso de la madera como material de construcción ha cubierto tanto ensayos en probetas pequeñas libres de defectos de madera de especies debidamente identificadas y colectadas bajo normas que garantizan representatividad como ensayos con elementos a escala natural para conseguir información directa sobre la influencia de defectos. En esta forma no sólo se ha incorporado una nueva metodología de invest igación sino que ha permitido comprobar experimentalmente la norma de clasificación por defectos desarrollada. Adicionalmente ha permitido cuantificar a través de un “factor de calidad”, F.C ; la reducción de la resistencia de probetas por la presencia de d efectos. (Ver Cap. 7) Se ha propuesto una norma de clasificación visual por defectos para madera estructural así como dimensiones estándar para el aserrado de escuadrías. Ambas propuestas

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conjuntamente con las propiedades de diseño basadas en la investigac ión posibilitan el uso de la madera tropical como un material de construcción adicional. En las Figs. 1.1 y 1.2 se presentan las correlaciones entre los módulos o esfuerzos de rotura (MOR) para probetas y vigas clasificadas así como entre los módulos de elasticidad (MOE) correspondientes. Como se observa la correlación es mejor para estos últimos valores que para resistencia, lo que puede implicar menor influencia de los defectos en esa propiedad. Con el objeto de usar racionalmente el heterogéneo bosque tr opical, las especies se han agrupado en tres grupos estructurales. Cualquiera de estas especies tiene cuando menos las propiedades asignadas al grupo. Los grupos incluyen un total de 51 especies, que son aquellas que han sido ensayadas a escala natural. Solamente estas especies, cuyas propiedades pueden considerarse como válidas y confiables, son las que pueden usarse para diseñar con este Manual.

1.1.3 Incorporación de Nuevas Especies Con la finalidad de contar con un mayor número de especies en los grupos ya de finidos se presentan algunos criterios que deben seguirse para incluir otras especies. Esta metodología de agrupamiento toma en cuenta: la identificación botánica, selección por calidad en aplicación de la norma de clasificación desarrollada y, el agrupami ento por resistencia propiamente. Debe señalarse que los ensayos de vigas para clasificación y la determinación experimental del “factor de calidad” ha sido un desarrollo importante en esta metodología del PADT – REFORT / JUNAC. La clasificación de las pie zas de madera en estructural o no, podrá eventualmente ser un proceso mecanizado como ya se acostumbra en otros países, sin embargo, será necesario profundizar en la investigación sobre las correlaciones entre defectos, deformación y resistencia. Las propiedades mecánicas determinadas con estudios de tecnología en probetas pequeñas libres de defectos (3) no son suficientes para definir propiedades de diseño aplicables a elementos estructurales de tamaño natural, que lógicamente incluyen estos defectos alterando su rigidez y resistencia. Es necesario, por consiguiente, realizar ensayos con elementos a escala natural para asignar una especie nueva al grupo estructural correspondiente. O sea para definir cuál es el grupo estructural que le corresponde. Existe una buena correlación entre la densidad básica y las propiedades mecánicas de la madera a nivel de probetas pequeñas libres de defectos (3) pero ésta no tiene las mismas características para vigas a escala natural. La densidad se usa como un indicador del posible grupo al que pertenece la especie, pero la única forma de asegurarse es la realización de ensayos a escala natural. Hace falta por lo tanto, efectuar por lo menos 30 repeticiones de un ensayo estándar de vigas a flexión (13,14). Para garantiza la representatividad de la muestra la madera debe ser colectada de acuerdo a las normas reconocidas. Los resultados en promedio y el mínimo definido como el 5° rango debe ser comparados con los grupos estructurales para incluir la especie en cuestión en el que le corresponda. Hay otras propuestas para la metodología de incorporar nuevas especies, aunque no han sido llevadas aún a la práctica (15).

1.1.4 Identificación de Especies Al especificar una determinada especie en el diseño, o las pertenecientes a un grupo estructural, el problema de garantizar que se esté usando la especie correcta se transfiere al constructor y al supervisor. Evidentemente las características supuestas en el diseño para una especie no tienen validez por otra especie que no pertenezca a los grupos determinados, por lo que un error de identificación es un riesgo para el propietario. La identificación de los árboles de determinada especie es llevada a cabo por los productores en el momento de su extracción del bosque. Sin embargo, la identificació n de la madera debe llevarse a cabo luego del proceso de aserrado en los depósitos de madera, o en la obra. Para ello es posible usar las características macroscópicas, o sea visibles a simple vista o con lupa de 10 aumentos. Estas pueden compararse con la s consignadas para las especies de la Tabla 1.1 en la publicación “Descripción General y Anatómica de 105 Especies del Grupo Andino” editada también por el PADT -REFORT TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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dela Junta de Acuerdo de Cartagena (10). A este nivel de observación existen ciertas limitaciones en la identificación, por lo que puede ser necesario, en algunos casos, análisis microscópicos de muestras de la madera para identificar.

1.2

ESTRUCTURA DE LA MADERA

1.2.1

El Tronco

En un árbol maduro, la sección transversal del tronco presenta las siguien tes partes: Corteza exterior.-(a) que es la cubierta que protege al árbol de los agentes atmosféricos, en especial de la insolación; está formada por un tejido llamado floema que cuando muere forma esta capa. Corteza inferior.-(b) que es la capa que tiene por finalidad conducir el alimento elaborado en las hojas hacia las ramas, tronco y raíces, está constituido por el tejido floemático vivo, llamado también líber. Cambium.-(c) que es el tejido que se encuentra entre la corteza interior y la madera. Las células del cambium tienen la capacidad de dividirse y conservan esa facultad hasta cuando el árbol muere. El cambium forma células de madera hacia el interior y floema o líber hacia el exterior. La Madera o xilema.-(d) es la parte maderable o leñosa del tron co, se puede distinguir en ella la albura, el duramen y la médula. La albura.-(e) es la parte exterior del xilema cuya función principal es la de conducir el agua y las sales minerales de las raíces a las hojas; es de color claro y de espesor variable según las especies. La albura es la parte activa del xilema. La duramen.-(f) es la parte inactiva y tiene como función proporcionar resistencia para el soporte del árbol. Se forma como se describe a continuación. Con el tiempo la albura pierde agua y sustancias alimenticias almacenadas y se infiltra de sustancias orgánicas distintas, tales como aceites, resinas, gomas, taninos, sustancias aromáticas y colorantes. La infiltración de estas sustancias modifica la consistencia de la madera que toma un color más oscuro y adquiere un mejor comportamiento frente al ataque de hongos e insectos, esto último distingue particularmente al duramen de la albura. Médula.-(g) es la parte central de la sección del tronco y está constituida por tejido parenquimático.

1.2.2

Estructura Anatómica

La parte maderable del árbol tiene tres funciones básicas que son las siguientes: conducción de agua, almacenamiento de sustancias de reserva y resistencia mecánica. Para cumplir con estas funciones en la madera se distinguen tres tipos de tejidos : Tejido vascular (de conducción), tejido parenquimático (de almacenamiento) y tejido fibroso (de resistencia).


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Se llaman elementos prosenquimáticos todas aquellas células alargadas y de paredes engrosadas, principalmente relacionadas con la conducción y la resistencia mecánica; en cambio, se llaman elementos parenquimáticos a aquellas células cortas y de paredes relativamente delgadas que tienen la función del almacenamiento y distribución de las sustancias de reserva.

Figura 1.3 Partes del tronco En el tronco existen dos grandes sistemas de elementos xilemáticos. El sistema longitudinal, formado por elementos prosenquimáticos (elementos vasculares, fibras o traqueidas) y elementos parenquimáticos; y el sistema transversal, constituido principalmente por elementos parenquimáticos. Según el grado de apreciación visual de los tejidos, podemos diferenciar el estudio de la estructura anatómica en tres niveles; macroscópico, microscópico y submicroscópico.

Planos de la Madera

-

-

Para una mejor comprensión de los elementos xilemáticos, es necesario tener una idea de los distintos planos o secciones. Se entiende por sección transversal, el corte practicado perpendicularmente al eje principal del tronco. Cuando el corte se efectúa en forma paralela a dicho eje, se obtendrá una sección longitudinal, la que será tangencial si corre paralela a los anillos de crecimiento y a la corteza y perpendicular a los radios. La sección radial es perpendicular a los anillos y se extiende de la médula a la corteza. Se sobrentiende que en cualquiera de esas secciones o planos podrán verse todos los elementos celulares que forman la madera, pero la importancia de las mismas reside en el hecho de que presentan aspectos diferentes según el corte considerado. ( Figura 1.4 y 1.5). ESTRUCTURA M ACROSCOPICA Es observada a simple vista o con la ayuda de una lupa de 10 aumentos; se observan las siguientes características: (fig. 1.4 y 1.5) Anillos de crecimiento.- Son capas de crecimiento que tienen la forma de una circunferencia, el último anillo siempre se extiende desde el extremo inferior del árbol hasta la copa. En las zonas templadas en las cuales las estaciones son bien marcadas, todos los árboles tienen anillos bien definidos. En la primavera cuando empieza el crecimiento el cambium produc e células largas con paredes delgadas y lumen amplio para la conducción de agua. En el otoño, la conducción del agua disminuye por lo que el cambium produce células pequeñas, de paredes engrosadas y el lumen pequeño. Debido a la diferencia de las células p roducidas, además de su color, se pueden ver fácilmente los anillos de crecimiento. En las zonas tropicales, en donde las estaciones no son muy marcadas, los anillos de crecimiento no siempre se distinguen claramente debido al crecimiento casi continuo del árbol. Radios medulares.- Los radios son líneas que van desde el interior hacia el exterior del árbol, siguiendo la dirección de los radios del círculo definido por el tronco, formando el sistema transversal del tronco. Los radios están constituidos por células parenquimáticas, es por ello que son líneas débiles de la madera y durante el secado se producen grietas a lo largo de ellos. El ancho de los radios varía según la especie, con una lupa de 10 x se los puede identificar claramente.


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Parénquina longitudinal.- Formado por tejido parenquimático constituye parte del sistema longitudinal del tronco, su disposición tiene importancia en la identificación de la especie. El parénquima longitudinal tiene un color más claro que el tejido fibroso. Las maderas con mayor porcentaje de tejido parenquimático son maderas de baja resistencia y más susceptibles al ataque de hongos e insectos. ESTRUCTURA MICROSCÓPICA.- Es la estructura macroscópica se consideraron las características de los diferentes tejidos de la madera . En cambio la estructura microscópica trata de los diferentes tipos y características de las células que forman estos tejidos. Según la estructura celular, las especies maderables se dividen en dos grandes grupos: las maderas latifoliadas y las maderas co níferas. Maderas latifoliadas.- (Fig. 1.4) La madera tiene una estructura anatómica heterogénea, constituida por diferencia células leñosas, tales como: los vasos c poros que tienen la función de conducción del agua y sales minerales. Estas células forman del 6 al 50 por ciento del volumen total de la madera, siendo este porcentaje mayor en las maderas blandas y porosas.

Figura 1.4 Estructura anatómica de las maderas latifoliadas (tropicales) También existen fibras que son células adaptadas a la funció n mecánica y que forman el 50 por ciento o más del volumen de la madera; a mayor porcentaje de fibras mayor densidad y por tanto mayor resistencia mecánica. Asimismo se observan células de parénquima que tienen la función de almacenamiento de sustancias de reserva y forman un tejido leñoso blando; en muchas especies tropicales superan el 50 por ciento del volumen total. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 1.5 Estructura anatómica de las maderas coníferas Maderas coníferas.-(Fig. 1.5) La madera tiene una estructura anatómica homog énea y está constituida por elementos leñosos llamados traqueidas; éstas forman del 80 al 90 por ciento del volumen total de la madera y tiene la función de resistencia y conducción. Asimismo, presenta células de parénquima en menor proporción. En la tabla 1.2 se presenta una descripción de las maderas latifoliadas y coníferas, en cuanto a su estructura anatómica TABLA 1.2 ESTRUCTURA MICROSCOPICA DE LA M ADERA Sistema Longitudinal

Transversal

Elementos

Latifoliada

Conífera

Prosenquimáticos

Vasos Fibras

Traqueidas

Parenquimáticos

Parénquima Longitudinal

Parénquima Longitudinal

Prosenquimáticos

No tiene

Traqueidas

Parenquimáticos

Parénquima Radial

Parénquima Radial


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ESTRUCTURA SUBMICROSCOPICA. En la Fig. 1.6 se puede observar la estructura de la fibra o célula leñosa. Esta presenta una cavidad central denominada lumen, delimitada por la pared celular propiamente dicha. La pared presenta tres capas: Lámina media.- Llamada capa intercelular porque une células adyacentes y está compuesta principalmente de li gnina (60 a 90 por ciento de la pared celular) y pectina. Pared primaria.- Es la capa exterior de la célula compuesta principalmente de lignina y pectina distinguiéndose de la lámina media por la presencia de un 5 por ciento de celulosa en forma de fibrillas. Pared secundaria.- Compuesta principalmente por celulosa o fibrillas, llegando a alcanzar el 94 por ciento. Está formada por tres capas que se distinguen por la orientación de las fibras. La capa central es la de mayor espesor y sus fibrillas se orientan casi paralelamente al eje de la célula (entre 10° y 30° de desfase). Consecuentemente esta orientación es fundamental en la resistencia de la fibra. Las fibrillas están formadas por la unión de microsfibrillas. Las microsfibrillas están compuestas de micelas o cristalinos, las mismas que están por cadenas moleculares de celulosa.

Figura 1.6 Estructura de la fibra

1.2.3

Composición Química de la Madera

La madera está constituida por los siguientes elementos: Carbono (C) 49 por ciento; Hidrógeno (H) 6 por ciento; Oxígeno (O) 44 por ciento; Nitrógeno (N) y minerales 1 por ciento. La combinación de estos elementos forma los siguientes componentes de la madera: Celulosa (40-60 por ciento), Hemicelulosa (5-25 por ciento) y la Lignina (20-40 por ciento). TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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1.3


CARACTERISTICAS FÍSICAS DE LA MADERA

1.3.1

Contenido de Humedad

La madera contiene agua bajo tres formas: agua libre, agua higroscópica y agua de constitución. El agua libre se encuentra llenando las cavidades celulares. El agua higroscópica se halla contenida en las par edes celulares. El agua de constitución se encuentra formando parte integrante de la estructura molecular. Cuando se expone la madera al medio ambiente, empieza a perder agua iniciándose el proceso de secado. En el transcurso del secado se pierde primero e l agua libre y después el agua higroscópica, el agua de constitución no se pierde sino por combustión de la madera. En función de la cantidad de agua que contenga la madera pueden presentarse tres estados: verde, seco y anhidro. Se dice que la madera está verde cuando ha perdido parte del agua libre, será seca cuando ha perdido la totalidad del agua libre y parte del agua higroscópica, finalmente, será madera anhidra cuando ha perdido toda el agua libre y toda el agua higroscópica. El contenido de humedad (CH) es el porcentaje en peso, que tiene el agua libre más el agua higroscópica con respecto al peso de la madera anhidra. Para una muestra de madera el CH será:

CH% =

Peso húmedo - Peso anhidro x100 Peso anhidro

(1.1)

El peso anhidro es conseguido mediante el uso de un horno a 103 ± 2°C, también se le llama peso seco al horno. Existen dos valores del CH que son particularmente importantes, al primero se le llama Punto de Saturación de las Fibras (PSF) y es el CH que tiene la madera cuando ha perdido la totalidad del agua libre y comienza a perder el agua higroscópica. Al segundo CH se le llama Contenido de Humedad de Equilibrio (CHE) cuando la madera expuesta al aire, pierde del agua higroscópica hasta alcanzar un CH en equilibrio con la humedad relativa del aire. (Fig. 2.3) El PSF varía de 25 a 35 por ciento. Cuando el CH es menor que el PSF la madera sufre cambios dimensiónales; también varían sus propiedades mecánicas.

1.3.2

Cambios Dimensiónales Las variaciones en el CH producen cambios dimensiónales en la madera, estos cambios deben principalmente a la pérdida o ganancia del agua higroscópica en la pared celular. El agua libre de las cavidades celulares no tiene ninguna influencia en la variación de las dimensiones, es decir, los cambios dimensiónales se producen cuando el CH varía por debajo del PSF. La contracción y la expansión presentan valores diferentes en las tres direcciones de la madera. La contracción longitudinal (CL) es del orden del 0.1 por ciento. La contracción tangencial (CT) y la contracción radial (CR) son las princ ipales responsables del cambio volumétrico. Según Kollmann (1) la relación CT/CR varía del 1.65 a 2.30. Los valores de esta relación encontrados para maderas latifoliadas de la Subregión varían de 1.4 a 2.9. (Fig. 1.7) (2)

Figura 1.7 Cambios dimensionale s en la madera con el contenido de humedad La contracción (expansión) es para efectos prácticos una función de CH. Considerando que la contracción (expansión) es igual a 0 por ciento cuando CH es mayor o igual al TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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PSF e igual a K cuando el CH ha descendido a 0 por ciento, se tiene que para una variación a un CH cualquiera entre 0 y el PSF, la contracción (expansión) se puede calcular usando la expresión 1.2. Esta fórmula no es aplicable cuando Ch i o CH f son mayores que PSF.

E o C% =

CHf CHi x K PSF

(1.2)

Entre las maderas estudiadas en la Subregión, las contracciones volumétricas obtenidas varían desde el 6 por ciento en maderas livianas (Bonga, Colombia) a 20 por ciento en el Eucalipto de Ecuador y Oloroso de Colombia. (2) (Tabla 1.3)

1.3.3

Densidad y Peso Específico

La relación que existe entre la masa y el volumen de un cuerpo se llama densidad. Por costumbre cuando se usa el sistema métrico se toma la masa como el peso del cuerpo. El peso de la madera es la suma del peso de la parte sólida más el peso del agua . El volumen de la madera es constante cuando está en le estado verde, el volumen disminuye cuando el CH es menor que el PSF y vuelve a ser constante cuando ha alcanzado el estado anhidro o seco al horno. Se pueden distinguir en consecuencia cuatro densidades para una misma muestra de madera. TABLA 1.3 COEFICIENTES DE CONTRACCION TOTAL (DE VERDE A ANHIDRO), K

La densidad verde (DV) la relación que existe entre el peso verde (PV) y el volumen verde (VV). La densidad seca al aire (DSA) la relación que exist e entre el peso seco al aire (PSA) y el volumen seco al aire (VSA). La densidad anhidro (DA) la relación entre el peso al horno (PSH) y el volumen seco al horno (VSH). La densidad básica (DB) la relación entre el peso seco al horno (PSH) y el volumen verde (VV). Es menor de las cuatro. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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TABLA 1.3 COEFICIENTES DE CONTRACCION TOTAL (DE VERDE A ANHIDRO), K (cont.)

La densidad básica es la que se usa con ventaja ya que las condiciones en las que se basa (peso seco al horno y volumen verde) son estables en una especie determinada. 3 La densidad de la parte sólida de la madera es 1.56 g/cm con variaciones insignificantes entre especies. El peso específico (Pe) es la relación entre el peso de la madera, a un determinado contenido de humedad, y el peso del volumen d e agua desplazada por el volumen de la madera. Considerando que el agua tiene densidad igual a 1 puede decidirse que la relación entre la densidad de la madera dividida entre la densidad del agua igualan a su peso específico. En el sistema métrico de densi dad y el peso específico tienen el mismo valor, con la diferencia que este último no tiene unidades. La gravedad específica es equivalente al peso específico.

1.3.4

Expansión y Conductividad Térmicas

La medida de la cantidad de calor que fluye de un material som etido a un gradiente de temperatura, se llama conductividad térmica, este valor se expresa comúnmente en kilocalorías por metro por hora y por grado centígrado. En la tabla 1.4 se presentan valores de la conductividad de la madera que es sólo una fracción de la conductividad de los otros materiales. La madera es por lo tanto un material aislante por excelencia debido a su naturaleza porosa. TABLA 1.4 conductividad térmica de materiales (3) Material Conductividad en Kcal/hora-m-ºC Aire Lana mineral Madera anhidra (DA = 0.4) Madera anhidra (DA = 0.8) Corcho Mortero de yeso Ladrillo Concreto Acero Cobre

0.0216 0.03 0.03 0.12 0.08 0.30 0.50 – 0.80 1.15 –1.40 35.00 – 50.00 350.00


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La conductividad térmica de la madera es directamente proporcional al con tenido de humedad y a la densidad, es además de 2 a 2.8 veces mayor en la dirección longitudinal que en la dirección radial o tangencial. Para una madera de densidad 3 básica 0.8 g/cm y un CH del 30 por ciento, el valor de la conductividad térmica alcanza a 0.20 kcal/hora-m-°C. La madera cambia de dimensiones cuando sufre variaciones de temperatura. La madera como material anisotropito posee valores diferentes de dilatación térmica en sus tres direcciones anatómicas. La dilatación tangencial y radial aumenta n con la densidad de la madera siendo la tangencial mayor que la radial. La dilatación longitudinal no depende de la densidad pero varía entre las especies. Valores típicos de la dilatación -6 tangencial se encuentra entre 3 y 4 x 10 por °C. La dilatación tangencial varía entre 25 –6 –6 a más de 40 x 10 por °C y la radial entre 15 y 30 x 10 por °C.

1.3.5

Transmisión y Absorción del Sonido

Una de las principales ventajas de la madera es su capacidad para absorber vibraciones producidas por las ondas sonoras. Esta p ropiedad está íntimamente relacionada a su estructura fibrovascular, su naturaleza elastoplástica y su densidad. La capacidad que tiene un cuerpo de absorber ondas es directamente proporcional a su densidad. La velocidad con la que se propagan las ondas co mpresionales en un material elástico es:

V=

E (1.4) ρ

en donde :

v = velocidad de las ondas E = módulo de elasticidad

 = densidad En la Tabla 1.5 se da la velocidad de propagación de las ondas compresionales en diferentes, materiales. TABLA 1.5 VELOCIDAD DE LA PROPAGACION DE ONDAS MATERIAL DENSIDAD Corcho 0.25 Madera 0.52 Madera 0.69 Agua 1.00 Vidrio 2.50 Acero 7.85

VELOCIDAD EN M/SEG 430.530 4760 4300 1435 5000 – 6000 5000

La madera es menos efectiva en bloquear la trasmisión del sonido ya que esta propiedad depende del peso del material y la madera es más liviana que otros materiales estructurales. Por ello es conveniente seguir recomendaciones de diseño que permite a las construcciones a base de madera aumentar su capacidad de aislamiento. La Sección 6.3 presenta recomendaciones específicas a este respecto.

1.3.6

Conductividad Eléctrica

La resistencia eléctrica de las maderas es muy sensible a cambios en su contenido de humedad, variando exponencialmente entre resistencias tan alta s como 10,000 Megaohms, para contenidos de humedad del orden del 5 por ciento, hasta resistencia de menos de 1 Megaohm en el punto de saturación de la fibra. Sin embargo, bajo condiciones normales de uso, la madera en estado seco al aire se comporta como u n material aislante debido a que su resistencia eléctrica aproximadamente 500 Megaohms. La conductividad de la madera varía según las tres direcciones anatómicas de la madera. La conductividad paralela a las fibras es doble que la conductividad en el sentido transversal. Entre la conductividad en el sentido tangencial y radial existe una diferencia de aproximadamente 10 por ciento siendo en el sentido radial mayor que la tangencial. Esta característica se aprovecha para medir el contenido de humedad de la m adera usando detectores eléctricos que relacionan esta propiedad con la cantidad de agua que se encuentra en la pieza. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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1.4


PROPIEDADES RESISTENTES DE LA MADERA

En la madera se pueden reconocer tres direcciones principales que pueden considerarse ortogonales entre sí, estas direcciones son la longitudinal, la tangencial y la radial. En la Fig. 1.8, puede observarse que la dirección radial y la tangencial son perpendiculares al grano. En la práctica se consideran dos direcciones: la dirección longitudinal o paralela a la fibra y la dirección transversal o perpendicular al grano. Las principales propiedades resistente s de la madera son: resistencia a la compresión paralela al grano, la compresión perpendicular al grano, la flexión, tracción y corte paralelo al grano. Los esfuerzos básicos para cada una de estas propiedades resistentes son obtenidos de probetas pequeñas libres de defectos y ensayadas según la norma ASTM D-143 (4) y las normas COPANT (5).

FIG 1.8 Direcciones a la compresión paralela

1.4.1

Resistencia a la Compresión Paralela

La madera presenta gran resistencia a los esfuerzos de compresión paralela a sus fibras. Esta proviene del hecho que las fibras están orientadas con su eje longitudinal en esa dirección y que a su vez coincide, o está muy cerca de la orientación de las microfibrillas que constituyen la capa media de la pared celular. Esta es la capa de mayor espesor de las fibras. La capacidad esta limitada por el pandeo de las fibras más que por su propia resistencia al aplastamiento. Cuando se trata de elementos a escala natural como columnas, solamente aquellas de una relación de esbeltez (longitud / ancho) menor que 10 desarrollan toda su resistencia al esforzar la sección a su máxima capacidad. Para elementos más esbeltos, que son los más comunes, la resistencia está determinada por su capacidad a resistir el pandeo lateral, que depende mayormente de la geometría de la pieza más que de la capacidad resistente de la madera que la constituye. (Cap. 9) La resistencia a la compresión paralela a las fib ras en la madera es aproximadamente la mitad que su resistencia a la tracción. (1) Valores del esfuerzo de rotura en compresión paralela a las fibras para ensayos con 2 probetas de laboratorio varían entre 100 y 900 kg/cm para maderas tropicales. Esta variación es función de la densidad (entre 0.2 y 0.8 de D.B). El esfuerzo en el límite proporcional es aproximadamente el 75 por ciento del esfuerzo máximo y la deformación es el orden de 60 por ciento de la máxima. (Fig. 1.9a)

1.4.2

Resistencia a la Compresión Perpendicular

Bajo este tipo de cargas las fibras están sometidas a un esfuerzo perpendicular a su eje y que tiende a comprimir las pequeñas cavidades contenidas en ellas. Esto permite que se pueda cargar la madera sin que ocurra una falla claramente distinguib le. Al incrementarse la magnitud de la carga la pieza se va comprimiendo (aplastando los pequeños cilindros que semejan las fibras), aumentando su densidad y también su misma capacidad para resistir mayor carga. (Fig. 1.9b) La resistencia está caracterizada por el esfuerzo al límite proporcional. Este varía entre 1/4 y 1/5 del esfuerzo al limite proporcional en compresión paralela. Cuando las fibras reciben la carga a un ángulo intermedio entre 0° (paralela a las fibras) y 90° (perpendicular a las fibras) la resistencia alcanza valores intermedios que siguen TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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aproximadamente la fórmula de Hankinson que se presenta en la Secc. 1.6.1. (Ec. 1.8) (Fig 1.13)

1.4.3

Resistencia a la Tracción

La resistencia a la tracción paralela en especimenes pequeños libres de defectos aproximadamente 2 veces la resistencia a la compresión paralela. En la figura 1.9c, se puede observar el comportamiento lineal y elástico de la curva esfuerzo – deformación, se observa también la naturaleza explosiva y violenta con la que se produce la fal la. El valor típico que caracteriza este ensayo es el esfuerzo de rotura que varía entre 500 y 2 1500 kg/cm . La resistencia a tracción paralela es afectada significamente por la inclinación del grano. Por ejemplo, para una inclinación de 1 en 8 (7°) el esfu erzo de rotura es el 75 por ciento del esfuerzo de rotura paralelo al grano, para una inclinación de 1 en 4 (14°) el esfuerzo de rotura es sólo el 45 por ciento. El esfuerzo de rotura perpendicular al grano (90°) es del 2 al 5 por ciento del esfuerzo de ro tura paralelo al grano. Para efectos prácticos la resistencia a la tracción perpendicular es nula. La influencia de otros defectos característicos de la madera hacen que la resistencia de elementos a escala real puede ser tan baja como un 15 por ciento del esfuerzo de rotura en tracción en probetas.

Figura 1.9 Curvas esfuerzo – deformación para maderas latifoliadas

1.4.4

Resistencia al Corte

En elementos constructivos el esfuerzo por corte o cizallamiento se presenta cuando las piezas están sometidas a flexión (corte por flexión). Los análisis teóricos de esfuerzos indican que en un punto dado los esfuerzos de corte son iguales tanto a lo largo como perpendicularmente al eje del elemento. Como la madera no es homogénea, sino que sus fibras se orientan por lo ge neral con el eje longitudinal de la pieza, presenta distinta resistencia al corte en estas dos direcciones. La menor es aquella paralela a las fibras y que proviene de la capacidad del “cementante” de las fibras la lignina a este esfuerzo. Perpendicularmente a las fibras la resistencia es de tres a cuatro veces mayor que en la dirección paralela. El esfuerzo de rotura en probetas sometidas a corte paralelo varía entre 25 y 200 2 kg/cm en promedio. Es mayor en la dirección radial que en la tangencial. Aumenta con la densidad aunque en mayor proporción que la resistencia a la compresión.


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En elementos a escala natural hay una disminución por la presencia de defectos como por la influencia del tamaño de las piezas. Por otro lado este esfuerzo casi siempre se presenta combinado con otros lo que puede resultar en menores valores.

1.4.5

Resistencia a la Flexión Paralela al Grano

La diferencia entre la resistencia a la tracción y a la compresión paralela resulta en un comportamiento característico de las vigas de madera en flexión. Como la resistencia a la compresión es menor que a la tracción, la madera falla primero en la zona de compresión. Con ello se incrementan las deformaciones en la zona comprimida, el eje neutro se desplaza hacia la zona de tracción, lo que a su v ez hace aumentar rápidamente las deformaciones totales; finalmente la pieza se rompe por tracción. En vigas secas, sin embargo, no se presenta primeramente una falla visible de la zona comprimida sino que ocurre directamente la falla por tracción (14). La Fig. 1.11 ilustra la situación descrita anteriormente. Esta información experimental evidencia que la hipótesis de Navier sobre la permanencia de la sección plana durante la deformación no se cumple, y la aplicación de las fórmulas de la teoría de vigas pa ra el cálculo de los esfuerzos no es estrictamente aplicable. Por lo tanto la resistencia a la flexión así estimada resulta en esfuerzos mayores que los de compresión y menores que los de tracción. En la Fig. 1.10 se presenta una curva típica carga – deformación para maderas tropicales, en ella se puede apreciar que la carga en el límite proporcional es aproximadamente el 60 por ciento de la carga máxima. En ensayos de probetas pequeñas libres de defectos los valores promedios de la 2 resistencia a la flexión varían entre 200 y 1700 kg/cm dependiendo de la densidad de la especie y del contenido de humedad.

Figura 1.10 Curva típica carga – deflexión para flexión

Figura 1.11 Sección sometida a flexión


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1.5


PROPIEDADES ELASTICAS DE MADERA

El módulo de elasticidad, el módulo de corte y el módulo de Poissón representan las características elásticas de un material. La madera como material ortotrópico tiene tres módulos de elasticidad, tres módulos de corte y seis módulos de Poissón, orientados y definidos según los tres ejes ortogonales. Desde el punto de vista ingenieril puede suponerse que el material es homogéneo lo que permite considerar sólo tres.

Figura.12 Deformación de una viga, flexión y corte

1.5.1

Módulo de Elasticidad (MOE)

El módulo de elasticidad de la madera puede ser obtenido directamente de una curva esfuerzo – deformación. v.g un ensayo de compresión paralela. Puede ser hallado también por métodos indirectos como en los ensayos a flexión. Según los resultados obtenidos en maderas tropicales (3) el MOE en compresión paralela es mayor que el MOE en flexión estática, no obstante, usualmente se toma el segundo como genérico de la especie, por las deflexiones en elementos a flexión criterio básico en su dimensionamiento. La deflexión en la viga de la Fig. 1. 12, es la suma de dos deflexiones: la debido a flexión y la debida a corte, cuando se obtiene el módulo de elasticidad se calcula considerando solamente la contribución de la flexión, encontrándose un MOE aparente, menor que el MOE real que tiene el mater ial. El valor del MOE así obtenido es corregido para obtener el MOE real. Por ejemplo, para una viga simplemente apoyada, con carga uniformemente repartida y sección rectangular uniforme, las deflexiones por flexión y corte son:

f 

5 wL4 15 wL2  L     384 EI 96 E bh  h 

Δc =

1.2 wL2 14.4 wL2 = 8 GA 96G bh

2

(1.5)

(1.6)

En donde: I = momento de inercia de la sección A = área de la sección recta E = MOE G = módulo de corte x, L, b y h definidos en la Fig. 1.12 La relación entre  f y el  t o t al =  f +  c será

f  total

 1

1 14.4 E L 15G  h

2

Así para (L/h) = 15 y (E/G) = 16, se tiene de la Ec 1.7 que f es 0.9361 del  total, es decir, la deflexión debida a flexión es el 93 por ciento de la deflexión total o la deflexión medida.

1.5.2

Módulo de Corte o Rigidez (G)

El módulo de corte relaciona las d eformaciones o distorsiones con los esfuerzos de corte o cizallamiento que les dan origen, T= Gy. Existen diferentes valores para este módulo en cada una de las direcciones de la madera. Sin embargo el más usual es el TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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que sigue la dirección de las fibras. Los valores reportados para esta propiedad varían entre 1/16 y 1/25 del módulo de elasticidad lineal. (4)

1.5.3

Módulo de Poissón

Se conoce módulo de Poissón a la relación que existe entre deformación lateral y deformación longitudinal. Para el caso de la madera existe en general 6 módulos de Poissón ya que se relacionan las deformaciones en las direcciones longitudinal, radial y tangencial. La madera presenta diferentes valores según las direcciones que se consideran, se han reportado para maderas coníferas valo res del orden de 0.325 a 0.40 3 para densidades de 0.5 gr/cm .

1.6

FACTORES QUE AFECTAN EL COMPORTAMIENTO DE LA MADERA

1.6.1

Defectos de Crecimiento

Existen algunas características en la madera que han sido adquiridas o desarrolladas por el árbol durante su crecimient o, y por afectar el comportamiento o aspecto de la madera se les llama defectos de crecimiento. Los principales son: nudos, inclinación del grano, fallas de compresión, perforaciones y médula excéntrica. Los nudos son discontinuidades en la parte leñosa de l tronco producidas por el nacimiento y posterior desarrollo de las ramas. La influencia de los nudos en el comportamiento de elementos estructurales depende de la ubicación que éstos tengan con respecto a la distribución de los esfuerzos. En zonas en trac ción su influencia es muy importante, no así en zonas en compresión, los nudos producen inclinaciones en la dirección del grano que son zonas débiles de la madera. Existen tolerancias en las dimensiones de los nudos, que dan criterios o rechazos o aceptaci ón de los elementos estructurales (Regla de Clasificación Visual en el Capítulo 3). La inclinación del grano con respecto a la dirección longitudinal del tronco tiene marcada influencia en el comportamiento de los elementos estructurales. La inclinación del grano puede tener dos causas principales: una inclinación constante y que sigue la forma de espiral según la dirección longitudinal del tronco, o trozas que por su mal aserrado presentan grano inclinado. La resistencia que presenta una pieza con grano inclinado puede estimarse según la fórmula de Hankinson, la cual es función de la resistencia paralela, la resistencia perpendicular y función del ángulo 

N=

PQ Psen θ + Qcos n θ n

En la Tabla 1.6 se presentan valores de n y Q/P, que han sido encontrados experimentalmente. TABLA 1.6 VALORES EXPERIMENTALES PARA LA FORMULA DE HANKINSON PROPIEDADES n Q/P Tensión 1.5 – 2 0.04 – 0.07 Compresión 2 – 2.5 0.03 – 0.40 Flexión 1.5 –2 0.04 – 0.10 Módulo de Elasticidad 2 0.04 – 0.12

Figura 1.13 influencia de la in clinación del grano TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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En la figura 1.13 se presentan curvas, para el valor de la propiedad N en función de  Las fallas de compresión son zonas de la madera en que las fibras están interrumpidas. Esto significa que al momento de cargar las piezas no será po sible trasmitir esfuerzos a través de dichas secciones. Se deben tomar precauciones especiales parar evitar clasificar piezas incluyan este defecto ya que la resistencia en esas zonas es nula. Las perforaciones son discontinuidades que aparecen en las pie zas de madera que han sido atacadas antes de su aserrado por lo general. La magnitud y número de las mismas está limitada por la regla de clasificación. (Cap. 3) La médula excéntrica es consecuencia del crecimiento de árboles en condiciones adversas, tales como, la excesiva pendiente del terreno, la presencia de vientos dominantes en un solo sentido, luz intensa en un solo lado, etc. La médula excéntrica permite que se formen anillos angostos en un lado y anillos anchos en el lado opuesto del tronco, esto produce tensiones internas y una configuración oval de la sección transversal. Las tensiones así “almacenadas” se hacen presentes durante el secado, agrietamiento y deformando las trozas. Una buena técnica en el aserrado elimina en parte las tensiones y puede mejorar la calidad de la madera. (Secc 2.1)

1.6.2

Influencia de Contenido de Humedad

En la Fig. 1.14 se presenta una curva típica, que representa la variación de la resistencia con el contenido de humedad para probetas pequeñas libres de defectos. En ella se puede observar cómo la madera pierde resistencia cuando aumenta el contenido de humedad, se puede observar también, que la resistencia permanece constante cuando el contenido de humedad varía por encima del PSF. (Ver Secc. 1.3.1)

Figura 1.14 Influencia del contenido de humedad La curva resistencia CH, se idealiza por una expresión de tipo exponencial, que es la siguiente:

 Ps  P  Ps    k  Pv  CH  CHS k PSF  CHS

(1.9)

(1.10)

En donde:

P = valor de la propiedad a un CH dado Ps = valor de la propiedad a un CHS Pv = valor de la propiedad en estado verde CH = contenido de humedad CHS = contenido de humedad en estado seco PSF = punto de saturación de las fibras El valor de CHS es generalmente el 12 por ciento considerando como el va lor que define la madera seca al aire y el PSF se puede considerar igual al 30 por ciento. Por ejemplo: el valor de una propiedad a un CH del 12 por ciento es igual a 130 unidades, el valor de la propiedad en estado verde es 78 unidades, si el PSF de espec ie es 27 por ciento, se desea conocer el valor de la propiedad a un CH del 15 por ciento. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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De la Ec (1.10) se tiene que K es igual a (15 -12)/(27-12), reemplazado en la expresión se tiene:

 130  P  130    78 

0.2

= 117 unidades

Algunos autores, prefieren realizar una interpolación lineal entre dos valores extremos como A y B en la Fig. 1.14. Para maderas de la Subregión se han encontrado los valores indicados en la Tabla 1.7. (3) En sayos llevados a cabo en vigas a escala natural se ha observado que en promedi o las vigas secas son más resistentes que las húmedas. La falla que se observa en las primeras es por lo general más frágil. TABLA 1.7 VARIACION DE LAS PROPIEDADES MECANICAS PARA UNA VARIACION UNITARIA EN EL CONTENIDO DE HUMEDAD PROPIEDAD Compresión paralela Tracción paralela Corte Flexión Módulo de Elasticidad

% DE VARIACION 4 –6 3 3 4 2

En ensayos llevados a cabo en vigas a escala natural se ha observado que en promedio las vigas secas son más resistentes que las húmedas. La falla que se observa en las primeras es por lo general más frágil (14).

1.6.3

Influencia de la Densidad

La densidad es una medida de la cantidad de material sólido que posee la madera y tiene una marcada influencia en la resistencia mecánica de ésta. En probetas pequeñas libres de efectos puede esperase que la resistencia sea directamente proporcional a la densidad, es decir, a mayor densidad mayor resistencia. Los ensayos de laboratorio con estas probetas indican que existe buen nivel de correlación entre todas y cada una de las propiedades mecánicas y la densidad del material. En la Tabla 1.8 se presentan algunas correlaciones de tipo exponencial y lineal obtenidas para maderas de la Subregión. (3) TABLA 1.8 CORRELACIONES PROPIEDAD Propiedad Mecánica (verde)* FLEXION Esfuerzo de rotura Módulo de Elasticidad COMPRESION PARALELA Esfuerzo de rotura

* kg/cm

MECANICA VS. DENSIDAD BASICA Exponencial Lineal 14121.20 1860000.98

-109 +1482  8000 + 177000

708p1.28

-83,5 + 777

2

1.6.4

Influencia de la Temperatura En general, las propiedades mecánicas de la madera disminuyen con el aumento de temperatura y aumentan con la disminución de éstas. Estos efectos son inmediatos porque cuando la madera es expuesta un tiempo prolongado a altas temperaturas se producen cambios irreversibles en sus prop iedades. A un contenido de humedad constante y una variación en la temperatura de alrededor de 200°C la variación de las propiedades (con la temperatura) es aproximadamente lineal y los efectos reversibles, es decir, que la propiedad regresa a su valor ori ginal si el cambio de temperatura es rápido. En la Fig. 1.15 podemos observar la variación del módulo de elasticidad con el tiempo de exposición en días y para distancias temperaturas, los gráficos han sido para cuatro especies de coníferas y dos latifolia das.

1.6.5

Duración de la Carga Cuando un elemento de madera es carga por primera vez se deforma elásticamente. Si la carga se mantiene, se presenta una deformación adicional dependiente del tiempo. Este fenómeno se denomina flujo plástico (“creep”). Para algun as especies latifoliadas TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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se ha encontrado que este incremento de deformación puede llegar a ser, en promedio, de dos a tres veces la deformación elástica inicial (7). Descargando el elemento de deformación inicial elástica se recobra totalmente y sólo una fracción de la deformación plástica se recupera tardando un tiempo en hacerlo.

Figura 1.15 Efecto permanente del calor de un horno en el módulo de elasticidad Si en vez de controlar la carga se aplica una deformación constante, y mantenida, el esfuerzo inicial decrece a un 60 por ciento de su valor inicial luego de unos meses. Esta reducción de esfuerzos se denomina relajación. Además del flujo plástico y de la relación es presenta un efecto dependiente del tiempo en la resistencia de la madera. Investiga ciones llevadas a cabo en probetas pequeñas libres de defectos en el laboratorio indicaban que la carga requerida para producir la falla después de un período de 10 años es aproximadamente el 60 por ciento de la carga que se hubiera requerido en un ensayo de 5 minutos de duración. Por otro lado la carga que una madera puede resistir a una carga de impacto es mayor que la predicha por el mismo ensayo mencionado. Sin embargo a los niveles de esfuerzo que un elemento estructural de tamaño natural está sometido , esa reducción de la resistencia no es tan dramática y menos evidente (8). Debe recordarse que los elementos reales se diseñan con esfuerzos admisibles que se basan en la resistencia mínima y están afectados por coeficientes de seguridad que los reducen a ún más.

1.6.6

Degradación

La madera por ser un material orgánico y natural, constituido principalmente por celulosa y lignina, si es sometida a ciertas condiciones de humedad, temperatura y oxígeno puede ser degradada. La degradación de madera se debe al ataque de organismos biológicos destructores como son los hongos y los insectos xilófagos que a dichas condiciones ambientales pueden invadir ciertos sectores de la madera y si no son detectados a tiempo, destruyen las células que la componen, afectando sus propiedades físicas y químicas y reduciendo severamente su resistencia estructural. El ataque de hongos xilófagos provoca lo que se conoce como pudrición de la madera y esta según el tipo de hongo puede ser: “Pudrición Suave o Blanda” cuando se destruye la celulosa y se caracteriza por ser superficial, degradando la madera hasta adquirir una consistencia grasosa, de color oscuro. “Pudrición Blanca” cuando se destruyen todos los componentes de la madera (lignina y carbohidratos), el material residual semeja un esqueleto de madera sin coloración oscura. “Pudrición Parda” cuando se descompone la celulosa y sus pentosas asociadas, afectando poco o nada a la lignina. La parte atacada se contrae agrietándose perpendicularmente a las fibras tomando conformaciones cúbicas. Otro tipo de ataque es el ocasionado por mohos y hongos cromógenos. Estos organismos no destruyen las células sino se alimentan de las sustancias que contienen en su interior. Atacan la madera con contenido de humedad superior al punto de saturación de las fibras (27 a 32 por ciento de CH) Los mohos requieren abundante humedad constituyendo formaciones algodonosas en la superficie. En la madera seca se eliminan fácilmente mediante el cepillado. Los hongos


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cromógenos penetran en la madera oscureciéndola p or zonas como el ataque conocido como mancha azul. Para evitar el ataque de organismos biológicos degradantes, la madera sin durabilidad natural, puede ser tratada mediante la impregnación de sustancias preservantes. La durabilidad natural de la madera depende principalmente de la especie y de la zona del tronco de donde ha sido extraída. Generalmente el duramen contiene sustancias tóxicas como las fenólicas por ejemplo, que rechazan a los agentes biológicos que quieran invadirla. En su estado natural la al bura se considera no durable.

1.6.7

Ataque de Insectos

La madera ataca por insectos es fácilmente destruida por lo que es necesario protegerla adecuadamente. En el Cap. 2 presentan algunas recomendaciones sobre los tratamientos más usados con este fin. Protección adicional contra este ataque puede suministrarse mediante un diseño apropiado. En el Cap. 6 se presentan recomendaciones y detalles de diseño específicos para este propósito. Por lo general se consideran dos tipos de insectos que atacan la madera: unos l os que atacan la madera antes de su puesta en servicio y los otros, que son los más importantes desde el punto de vista del usuario, que la atacan después de su puesta en servicio. Dentro de éstos figuran; los termites subterráneos y los de madera seca que son los más dañinos y los de nido aéreo; los escarabajos tipo lyctus o bostrichidos y las hormigas carpinteras o comejenes. Los termites se alimentan de la madera y la utilizan como vivienda, perforando túneles dentro de ella que la debilitan seriamente. Los escarabajos depositan sus huevos en los poros de la madera, de donde nace la larva que perfora en el interior. Las hormigas carpinteras aunque no se alimentan de madera, la perforan con el objeto de fabricar galerías para vivir.

1.6.8

Ataques Químicos

El efecto de las sustancias químicas en la madera es altamente dependiente del tipo específico de compuestos. Líquidos que no producen hinchamiento de la madera como aceites de petróleo o creosota, no tiene efectos apreciables, mientras que líquidos que hinchan la madera tales como el agua o el alcohol pueden tener algún efecto aún cuando no produzcan degradación química. Esta pérdida en las propiedades dependen del hinchamiento y éste es un proceso reversible. Por otro lado, soluciones químicas que descomponen las sustancias constitutivas de la madera tienen un efecto permanente. Se pueden hacer las siguientes generalizaciones: 

Algunas especies son bastante resistentes al ataque de minerales diluidos y ácidos orgánicos.



Ácidos oxidantes degradan la madera más que ácidos no oxidantes.

 Soluciones alcalinas son más destructivas que soluciones ácidas. La protección de la madera contra el ataque de insectos o contra el fuego se logra mediante tratamientos con preservantes o con sales retardantes del fuego. Las propiedades mecánicas prácticamente no cambian con los preservantes, pero son afectadas algo por la combinación de los métodos de tratamiento químico retardante al fugo, métodos de tratamiento y el secado al horno. Comúnmente la resistencia a la flexión se reduce en alrededor de 10 por ciento sin embargo, la rigidez no es afectada apreciablemente (5)


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CONVERSIÓN, SECADO Y PROTECCIÓN DE LA MADERA 2.1

ASERRADO

El primer procesamiento al que se somete un tronco luego de su extracción del bosque es el aserrado. Este se realiza mediante sierras de cinta o con sierras circulares de grandes dimensiones. La práctica imperante se concentra en la obtención de piezas de dimensiones grandes, dejando para una etapa posterior la obtención de secciones más pequeñas. Esta última operación se denomina reaserrado y por lo general se ejecuta con sierras de menor dimensión y muchas veces directamente en los depósitos. La diversidad de especies del bosque tropical y sus diferentes características anatómicas, mecánicas, rango de densidad, entre otras, plantea condiciones variadas para su procesamiento. Hay especies de gran den sidad que son difíciles de aserrar con las sierras convencionales (en su mayoría desarrolladas para maderas coníferas, con diferente estructura anatómica), otras que contienen sustancias corrosivas o extractos que dificultan el proceso. La mayoría, sin emb argo, puede aserrarse sin mayores dificultades. Maderas que oponen dificultades al aserrado también pueden trabajarse con éxito, introduciendo variantes en la velocidad de las sierras o en la inclinación de los dientes (ángulo de ataque). En la referencia (1) se consignan las características de trabajabilidad de los 105 especies del Grupo Andino investigadas como parte del Estudio Integral de la Madera para la Construcción.

2.1.1 Cortes del tronco La madera puede cortarse del tronco de tras maneras distinta s: Tangente a los anillos de crecimiento, obteniéndose lo que se llama madera de “corte tangencial”; perpendicularmente a los anillos, es decir siguiendo la dirección de los radios (Fig. 1.4) o de los radios de las circunferencias definidas por los anillos , obteniéndose madera de “corte radial” (Fig. 2.1) y siguiendo una dirección arbitraria obteniéndose en general madera de “corte oblicuo. Para la obtención de piezas con estos cortes, el tronco debe disponerse en el carro de tal madera que permita a la sierra estos ángulos en correspondencia con los radios o anillos. Si se desea producir principalmente piezas con un tipo de corte determinado será necesario rotar sucesivamente el tronco en el carro. Para producir madera de calidad estructural es conveniente aserrar las piezas en corte radial, para reducir las distorsiones y defectos debidos al secado. Por ser el tronco cilíndrico, esto no es siempre posible, por lo que debe decidirse el tipo de elemento que se quiere obtener con este corte por ejemplo vigas o viguetas y aserrar el resto para otro tipo de elementos menos exigentes en estabilidad dimensional. (Secc. 2.2) Otro aspecto importante que se debe considerar para controlar las distorsiones por concentración de esfuerzos, es realizar liberando progresiva mente las tensiones presentes en el árbol. Esto se efectúa alternando los cortes entre ambos lados del tronco. Desde el punto de vista del diseñador o constructor, la actividad del aserradero escapa de su control, aunque siempre puede servirse de esta info rmación para reconocer las piezas y su tipo de corte o solicitar de antemano que el aserrado siguiendo estas consideraciones. Normalmente la madera radial o tangencial no es exactamente cortada perpendicular o paralelamente a los anillos de crecimiento; se considera sin embargo madera radial a aquella cuyos anillos hacen un ángulo de entre 60 y 90º con la cara mayor. Se acepta madera tangencial a aquella cuyos anillos hacen un ángulo de 0 a 30º. A la madera cuyos anillos hacen un ángulo entre 30 y 60º se la denomina oblicua. Madera para otros usos no estructurales se produce con otro corte que no es el radial y muchas veces se prefieren por razones decorativas.

2.1.2 Obtención de Secciones Preferenciales PADT-REFORT En la Secc. 3.1 se presentan las dimension es de escuadrías que han sido definidas como las más convenientes para estandarizar la producción de piezas de madera aserrada a ser usadas en la construcción TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 2.1 Denominación de los tipos de corte según su orientación en el tronco

Figura 2.2 Obtención de secciones preferenciales TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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En la misma sección se mencionan los criterios que sustentan esta propuesta. Estas escuadrías se denominan Secciones Preferenciales. Uno de los criterios importantes es que del reaserrado de una sección se pueda obtener otra que sea también una sección preferencial, luego de ser descartado el desperdicio por corte y cepillado. En la Fig. 2.2 se presenta como obtener estas secciones y sus posibles combinaciones a partir de una escuadría base que es la de mayor dimensión p ráctica con la calidad exigida para madera estructural (Secc. 3.4). Las dimensiones se presentan en milímetros.

2.2

SECADO

2.2.1 Influencia del Secado sobre los Elementos de Madera En probetas de laboratorio se ha comprobado que la madera al secarse mejora sus propiedades tecnológicas y estabilidad dimensional; es por eso que prácticamente todas las maderas reciben un acondicionamiento físico antes de su empleo. La eliminación del agua obedece a diversos propósitos, algunos de los cuales, son indispensables para conseguir buen calidad de los productos acabados (durabilidad y estabilidad en las dimensiones, por ejemplo) y economía en la producción (reducción del peso de la madera). Cualquiera que sea el método empleado para sacar la madera, debe tenerse en cu enta que en este proceso se producen cambios dimensionales que pueden originar efectos en la pieza. La técnica del secado tiene, por consiguiente, que evitar fundamentalmente la aparición de defectos que disminuyan su valor o la limiten para determinado us o, y debe además aplicarse tomando en cuenta la rapidez y economía del secado. Otra de las funciones del secado es obtener un producto que tenga un contenido de humedad (CH) compatible con el que tendrá que adquirir una vez que esté puesto en servicio. Este CH denominado el equilibrio (CHE) depende fundamentalmente de las condiciones ambientales a las que se encuentra sujeta la madera (Secc. 1.3.1) (Fig. 2.3) Para usos específicos en construcción se pueden presentar diferentes alternativas. Por ejemplo, las piezas de madera que van a ser utilizadas bajo agua o en contacto con el suelo, no es necesario que sean secadas a menos que vayan a ser sometidas a tratamientos de preservación. La madera estructural para vigas puede ser utilizada directamente en estado verde si el tiempo y costo del secado resultan excesivos. En caso de madera estructural como viguetas, se debe utilizar la madera con un CH cercano al CHE. La madera que será utilizada en pisos, ya sea en forma de tablas o parqué, en molduras, puertas, ventanas o machihembrado requiere de un secado cuyo grado puede ser incluso inferior al de la humedad de equilibrio del lugar.

Figura 2.3 Contenido de humedad de equilibrio (CHE) en función de la humedad relativa y la temperatura Con la posible excepción de piezas de grandes dimensiones, es conveniente proceder a un secado previo de la madera para obtener ventajas en su utilización. La madera seca TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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tiene menor peso, mayor capacidad mecánica, mejor estabilidad dimensional, menor susceptibilidad al ataque de or ganismos xilófagos, permite un mejor aislamiento térmico, acústico y eléctrico, una mejor penetración de preservantes en tratamientos industriales y una aplicación más eficientes de pinturas y barnices. Para reducir el CH de la madera se tienen dos tipos d e métodos usados en la industria. Secado al aire o secado natural y secado artificial.

2.2.2 Secado Normal Este tipo de secado se consigue exponiendo la madera a la acción del medio ambiente. El éxito de esta práctica depende de la forma en que se apile la madera, la cual debe permitir la libre circulación del aire alrededor de cada pieza que se seca. La evaporación del agua y su difusión en forma de vapor depende de la temperatura, estado higrométrico y velocidad de movimiento del aire. Estos factores son los que influyen sobre la intensidad y velocidad del secado. La madera recién aserrada no debe exponerse directamente al sol, por ser propensa al agrietamiento. Para evitar el ataque e insectos, durante el primer período de secado, se sumerge la madera recién aserrada en soluciones preservadoras como pentaclorofenato de sodio al 2 por ciento (Secc. 2.3.2). Mientras la migración de humedad se produzca exclusivamente por los conductos capilares, la madera cede y gana agua con igual facilidad en la dirección d e las fibras así como perpendicularmente a ellas; pero sucede lo contrario cuando las fibras no han llegado al estado de saturación. La migración radial es de 20 a 25 por ciento menor a la longitudinal; es por eso que si la salida de agua es muy rápida, se rajan los extremos. Es una buena práctica pintar los extremos con pinturas de aluminio o al óleo para evitar la pérdida acelerada de humedad. El secado al aire se realiza generalmente en patios de secado ubicados en un terreno plano, alto, con buen drenaj e y sin obstáculos que impidan la libre circulación del aire. El sitio debe mantenerse limpio, cortando el crecimiento de vegetación, así como la acumulación de desperdicios que puedan afectar sanitario de la madera. El secado natural o al aire, es la form a más sencilla y a veces la más económica para secar la madera, sobre todo si se dispone de buenos patios de secado y condiciones climáticas apropiadas. El apilado de la madera puede hacerse de varias formas, pero la más común, para la madera aserrada, es la denominada pila horizontal.

Apilado Horizontal .- El apilado debe hacerse siempre sobre bases o cimientos elevados para evitar que las tablas se apoyen directamente sobre el suelo. Los cimientos pueden hacerse de concreto, madera preservada u otro materi al. En la Fig. 2.4 se muestra la forma típica de apilado horizontal. Sobre los travesaños se colocan las piezas que deben ser preferentemente de la misma especie y de igual espesor, espaciadas unas de otras, mediante separadores de madera adecuadamente escuadrados. Estos deben estar perfectamente alineados uno debajo del otro para evitar defectos en el secado de las piezas.. Nótese el techo que sobresale convenientemente en la parte anterior y posterior de la pila. (4) La orientación de la pila depende de la dirección del sol, facilidad de apilado y orientación del sistema de drenaje. La circulación del aire se realiza de arriba hacia abajo. El aire seco penetra en los espacios entre las tablas y se va saturando con la humedad de ellas, pierde temperatura y va descendiendo, arrastrando a su paso el aire que penetra por los costados de la pila, hasta llegar al fondo, de donde el aire húmedo debe ser desalojado. Especies con un contenido de humedad inicial muy alto y/o que son muy susceptibles al ataque de hongos e insectos pueden empezar a secarse en forma rápida mediante un sistema de apilado en caballete o vertical, terminando luego el proceso con un apilado normal horizontal (4).

Apilado en Caballete .- En este caso, las tablas se reclinan o cargan de canto, de forma más o menos vertical, sobre una viga transversal, colocada de 1 a 3 m del piso, debiéndose observar que una tabla se coloque a un lado de la citada viga y la siguiente


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al lado opuesto, para formar así la pila en x, es decir, con los extremos de la s tablas cruzadas.

Apilado por los Extremos .- En este caso, es como si se inclinara una pila horizontal hasta que las tablas queden en posición casi vertical. A este tipo de pila se le llama también “apilado de pie”. Antes de transportar la madera al patio de secado, es conveniente efectuar una selección en cuanto a especie, dimensiones y calidad, formando pequeños lotes, más o menos homogéneos que se transportarán con mayor facilidad y darán un secado más uniforme.

2.2.3 Presecado El presecado es una modif icación del secado al aire que puede tener diversas modalidades, pero que básicamente consiste en proteger la madera apilada de la acción directa de la lluvia mediante la construcción de galpones en los cuales pueden instalarse sistemas sencillos para el m ovimiento e incluso el calentamiento del aire. En esta forma, es posible reducir el tiempo de secado a una fracción de aquel que se requiere para secar la madera mediante el secado al aire (Fig. 2.5).

2.2.4 Secado Artificial El secado artificial es el proc eso por el cual se elimina el agua de la madera mediante el empleo de temperatura, humedad y ventilación, diferentes a las naturales, obtenidas por medio de aparatos e instalaciones especiales, siendo los hornos secadores los más comunes. El secado artific ial reduce considerablemente el tiempo de secado y la madera secada artificialmente puede adquirir valores muy bajos de CH. Bajo la condición de que el proceso se realice correctamente, la madera obtenida es de mejor calidad que secada al aire, debido a que la madera es seca en condiciones controladas de temperatura y humedad relativa.

Figura 2.4 Apilado horizontal Los hornos, en general, constan de una o varias cámaras en las que la temperatura y humedad relativa pueden mantenerse a un nivel deseado, sea por control manual o TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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automático. Un horno bien controlado secará la madera a un contenido de humedad previsto, en el menor tiempo posible y sin producir defectos en la madera.

Figura 2.5 Presecado de la madera

Procedimiento de Secado en Hornos Una vez introducida la carga de madera dentro del horno, se controla cuidadosamente la temperatura y humedad de la cámara; éstas pueden variar a voluntad del operador, de acuerdo con la clase de madera. Los cambios de temperatura y humedad relativa que el operad or deberá realizar durante el tiempo de secado, constituyen lo que se denomina “Programa de Secado”. El programa de secado es suave cuando los cambios de temperatura y humedad se realizan en períodos más o menos largos de tiempo; en caso contrario, el prog rama de secado será severo, existiendo evidentemente el caso intermedio o programa moderado. Prácticamente cada especie tiene un programa propio de secado. Con suficiente experiencia se puede formular un programa para una especie determinada o grupos de especies de similar comportamiento, basándose en el tiempo de secado; sin embargo, este programa variará también con el grosor de las tablas y con el CH de la madera al iniciarse el secado. El CH de una tabla que se está secando, representa un índice de las tensiones que se desarrollan dentro de ella. En las primeras etapa s de secado se debe usar humedad relativa alta, para controlar los esfuerzos de tracción sobre la superficie de la tabla. Al final del secado, la humedad relativa bajo compensa estos esfuerz os de la madera y ésta no sufre deformación. En las etapas intermedias del secado, la superficie de la tabla estará en compresión, pudiendo resistir humedades relativas algo bajas, sin peligro de rajas su superficie.

2.2.5 Variación Dimensional Cuando se seca la madera se presentan contracciones que son las que originan los cambios dimensionales de las piezas de madera al cambiar su contenido de humedad. En la Secc. 1.3.2 se presentan las características de contracción de especies tropicales investigadas en el PADT-REFORT. Para disminuir los cambios dimensionales en los elementos de la estructura, la madera se seca a un contenido de humedad de entre 12 y 15 por ciento antes de usarla. Los diferentes cortes de las piezas pueden influir notablemente en las def ormaciones que ésta pueda presentar luego de secarse debido a las diferencias entre la contracción radial y tangencial, por lo que se recomienda que las piezas para material estructural presenten de preferencia corte radial. Cuando se utiliza madera con un alto contenido de humedad, es necesario considerar los cambios dimensionales que se presentan por la contracción y estimarlos mediante cálculos simples como los que se presentan en la Sección 4.2.4. En esta misma sección, se mencionan algunos aspectos a c onsiderar en el diseño de madera debido a los posibles cambios dimensionales.

2.2.6 Defectos Originados por el Secado La humedad de la madera, no está uniformemente repartida, es máxima en el centro y mínima en las capas externas. Esto origina en la madera que se seca, que la humedad circule del centro hacia la periferia, con una velocidad que es función de la diferencia del CH entre loas dos zonas. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 2.6 Deformaciones producidas al secar la madera En una pieza de madera el secado comienza desde la s uperficie *. La madera una vez que su CH baja del punto de saturación de las fibras (PSF) empieza a contraerse. La contracción, sin embargo, no alcanza a manifestarse en toda su magnitud debido a la restricción impuesta por la madera, todavía húmeda, del i nterior. En estas circunstancias, las capas exteriores de la madera se estabilizan en una dimensión mayor que la que les correspondería si pudiesen contraerse libremente, quedando en estado de tracción. A su vez tratan de reducir el interior a una dimensió n, pero como éste todavía no empieza a contraerse, queda en estado de compresión. Al continuar el proceso de secado, las capas inferiores empiezan a secar bajo el PSF y se contraen, pero en magnitud inferior a lo normal pues se lo impiden las capas exteriores estabilizadas a un estado de dilatación forzada. De esta manera, se produce una inversión de tensiones quedando el centro de la pieza en estado de tracción y el exterior en estado de compresión. La situación antes descrita, combinada con el tipo de cor te que tiene la madera y los diferentes coeficientes de contracción que tiene producen alabeos, colapso y cuando las tensiones exceden cierto límite se producen rajaduras y grietas. En la Secc. 3.4.4 del Cap. 3. Se detallan e ilustran los defectos originad os por el secado. (Fig. 2.6) * En el secado por microondas el proceso es inverso

2.2.7 Comportamiento al Secado de Maderas Tropicales Los ensayos de secado se han realizado en laboratorios de los cinco países del Grupo Andino. Se ensayaron 105 especies som etidas a secado al aire y secado al horno. El secado al aire, se realizo en pilas horizontales, instaladas en patios de secado descubiertos, con excepción de Santa Cruz (Bolivia) y Mérida (Venezuela). El ensayo se realizó hasta que las maderas tuvieran un CH igual al CH de la zona; en Mérida se fijo en 20 por ciento el CH final. El espesor de las tablas de ensayo fue de 2.5 cm. Los resultados de secado al aire se expresan en función del tiempo de secado hasta que el CH final sea del 20 por ciento. Se distin guen especies de secado muy rápido (MR), rápido (R), moderado (M) y lento (L). Los impuestos aproximados de secado para los sitios y condiciones que se indican son: (Ver Tabla 2.1). TABLA 2.1 TIEMPO APROXIMADO DE SECADO (DIAS) PARA MADERA DE DENSIDAD BASICA (D.B.) PROMEDIO Y CH INICIAL ENTRE 60 -70 POR CIENTO Velocidad Bogotá Medellín Mérida Quito Sta. Cruz Lima secado (aire libre) (aire libre) (en galpón) (aire libre) (bajo techo) (en galpón) MR < 33 < 6 < 50 < 10 < 11 < 30 R 33 – 70 6 - 12 50 – 105 10 – 20 11 - 22 31 – 53 M 71 – 140 13 – 25 106 – 210 21 –42 23 – 44 54 – 110 L > 140 > 25 > 210 > 42 > 44 > 110 D.B. prom. 0.58 0.42 0.58 0.53 0.55 0.56

El secado en horno, se realizó siguiendo tres programas de secado (Tabla 2.2). En la mayoría de casos, todas las especies se ensayaron con los tres programas. Sin TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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embargo, en Quito y Bogotá, aquellas especies que respondieron bien con el programa severo no se ensayaron con los otros programas. En ambos tipos de ensayo, el secado al aire y secado en horno, la evaluación se efectuó respecto al tiempo requerido para que la madera alcanzara el CH final establecido y a la calidad del material obtenido al final del proceso, estimada en función del tipo y magnitud de defectos presentes. (2) Los resultados de secado en horno, indican programas de secado comerciales que probablemente se adaptan mejor a las especies de la Subregión con producción mínima de defectos. En la Tabla 2.2 se presentan 3 programas. TABLA 2.2 PROGRAMAS DE SECADO Temperatura (ºC) CH de la madera Humedad relativa (%) aproximada (%) Termómetro seco Termómetro húmedo Programa Fuerte para maderas latifoliadas de secado fácil, A Verde 60 56 80 60 65 58 70 50 70 60 60 40 75 61 50 30 80 62 40 20 80 60 35 Programa Moderado para mad era latifoliadas de secado lento o que son propensas a sufrir ciertas deformaciones o agrietaciones, B. Verde 50 47 80 60 55 49 70 40 60 51 60 30 65 52 50 25 70 54 40 20 70 50 35 Programa Suave para maderas latifoliadas de secado difícil, C Verde 40 37 80 40 40 35 70 30 45 37 60 25 50 40 50 20 55 42 40 15 55 37 30

En la Tabla 2.3 se presenta un resumen del comportamiento al secado de las especies estudiadas en la Subregión. En general, los defectos que se presentan al final del secado salvo algunas excepciones, son de escasa magnitud. Se indican los defectos que aparecen en mayor proporción sólo como una guía práctica para tomar precauciones, sin que ello necesariamente signifique que constituyan un problema serio.

2.3

PROTECCION DE LA MADERA

La madera, como cualquier otro material, tiene sus limitaciones, una de ellas, quizás la más importante, es la posibilidad de sufrir ataque de insectos y hongos; o de ser afectada por el fuego, desgaste mecánico y otros, por lo que es necesario preservarla.

2.3.1 Preservación La durabilidad natural de la madera es resistencia que opone este material a la pudrición por hongos o al ataque de insectos u otros agentes destructores. Ciertas clases de maderas son notables por su resistencia biológica. Su empleo de be ser recomendado para las situaciones más expuestas. Otras maderas son de buena o regular durabilidad y finalmente, hay maderas que son conocidas por su facilidad para ser atacadas. La densidad de la madera es un índice de durabilidad; así por ejemplo la s más pesadas son en general las más durables. Esta apreciación tiene muchas excepciones y por ello, en cada caso es necesario determinar la durabilidad real de la especie. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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La durabilidad natural se puede aumentar mediante procedimientos artificiales, ya s ea por un simple secado o por tratamientos preservadores especiales. La preservación de la madera es la respuesta moderna de la técnica para satisfacer los requisitos tecnológicos actuales y futuros, frente al agotamiento de los bosques naturales con maderas naturalmente durables, reemplazados paulatinamente por especies de crecimiento rápido.


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2.3.2 Tipos de Preservantes La preservación o inmunización de la madera tiene por objeto modificar la composición química de este material, haciéndolo no apetecib le a los organismos biológicos. El efecto protector se consigue tornando a la madera venenosa o repelente a los elementos biológicos que la atacarían si no estuviese preservada.


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Los preservadores pueden ser compuestos químicos puros o mezclas de compuestos . Varían ampliamente en naturaleza, eficiencia y costo. Por lo general son compuestos sólidos, que requieren de un solvente para penetrar en la madera. Se agrupan el tipo de solvente que necesitan en: hidrosolubles y óleo solubles, según sea agua o aceite lo que necesitan para disolverse. Para que un preservador sea tóxico, ha de ser suficientemente soluble en los líquidos celulares de los agentes biológicos, para que proporcione una dosis letal. Como estos líquidos son principalmente agua, esto significa q ue el preservador ha de ser hidrosoluble, por lo menos parcialmente. En la madera se desea un grado elevado de protección, en consecuencia, el preservador debe penetrar hasta una profundidad considerable. La protección de las capas superficiales de la made ra únicamente, no es eficaz, ya que ésta se quiebran con facilidad, por las condiciones del clima y se desgastan o agrietan mientras la madera está secándose. Los principales preservantes son:

CRESOTAS

Ordinaria para preservación Líquida a temperatura ordinaria Mezclas de cerosota

ORGÁNICOS

Pentaclorofenol (soluble en aceite) Pentaclorofenato (soluble en agua) Naftenatos de cobre; de zinc

INORGÁNICOS

Sal simple Sal doble Multisal Tipo CCA - Tipo CCB

Creosota.- Consiste principalmente en hidroc arburos sólidos y líquidos; contiene notables cantidades de ácidos y bases de alquitrán. Es más pesada que el agua. La creosota es una mezcla de compuestos y puede variar en cierta extensión; por eso para preservación de la madera, debe cumplir con los req uisitos de las normas técnicas. Pentaclorofenol.- Es un compuesto químico cristalino, formado por reacción de cloro sobre el fenol. Es soluble en la mayoría de los aceites de petróleo de ebullición elevada. Irrita la piel y las mucosas, por lo que para tra bajar con él hay que tomar las precauciones debidas y evitar el contacto directo con las soluciones o el producto. El pentaclorofenol es insoluble en agua, no es volátil y tiene gran estabilidad química. No resulta tóxico solamente para los perforadores ma rítimos. La concentración más apropiada de este producto, en solución de aceites, es el 5 por ciento en peso. Es muy eficaz contra los hongos e insectos xilófagos. Naftenatos.- Son compuestos cereosos o gomosos. Los más comunes, para la preservación de la madera son los naftenatos de cobre y zinc. En el comercio se venden como concentrados que contienen de 60 a 80 por ciento de naftenatos metálicos, o de 6 a 8 por ciento de cobre o zinc como metales. Hidrosolubles o Inorgánico.- Los preservadores son los más generalizados en la impregnación de la madera, sobre todo en los últimos tiempos, en donde han demostrado ser muy eficaces. El uso de sales simples, como los productos de arsénico, cobre y otros, en la actualidad raro, debido a que son fáciles de lixivia rse al menor contacto con el agua del medio que rodea a la madera. Sólo se recomiendan para interiores y en pequeña escala. Las combinaciones de productos simples, para formar las sales dobles, tuvo su origen en la necesidad de reforzar la actividad tóxica de los preservadores simples. Suelen ser ácidas y por lo tanto corrosivas. Las mezclas de ácido bórico y tetraborato de sodio son buenas, pero sólo para interiores por que se lavan o lixivian con facilidad. Modernamente, a las formulaciones anteriores se les ha TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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agregado el cromo, para hacerlas no lixiviables (lavables), lo que ha dado muy buenos resultados y origen a las multisales. A este tipo de preservadores pertenecen la mayoría de sales comerciales del mundo. Cuando se emplean para usos al exterior, s ujetas a ciertas condiciones de humedad, deben perder su solubilidad al penetrar en la madera para quedar fijadas e incorporadas a ella en forma definitiva. En las multisales intervienen productos funguicidas. El cromo, que siempre llevan, se adiciona como cromato alcalino para contrarrestar la acción de los ácidos y en consecuencia, se reduce el efecto corrosivo para los metales. Estas sales se pueden usar en las condiciones más desfavorables para la madera, por eso se han generalizado en todo el mundo. La mayor ventaja de este grupo de preservadores es que se conocen perfectamente sus componentes activos; se transportan en forma sólida; utilizan el agua que es abundante y no cuesta mucho como solvente no desprenden olores y permiten el acabado de la madera por lo que es posible aplicar lacas, barnices, pinturas y otros. No aumentan la inflamabilidad de la madera y no son fitotóxicas. Su mayor desventaja es la de humedecer o hinchar la madera, lo cual obliga a no poder utilizarla de inmediato por tener que secarla nuevamente. Las multisales que han demostrado ser las más eficientes en la preservación de la madera son las del gripo CCA (cobre -cromoarsénico) y las CCB (cobre-cromo-boro). Sales CCA.- Compuestas de 56 por ciento de Dicromato de potasio, 33 por c iento de Sulfato de cobre, y 11 por ciento de Pentóxido de arsénico. La temperatura de utilización de este preservador, o los que deriven del patrón, no debe ser superior a los 50ºC. Sales CCB.- Estas sales no contienen arsénico, el cual ha sido reemplazad o por boro, que por ser menos tóxico es aceptado por las nuevas disposiciones sanitarias de varias partes del mundo.

2.3.3 Métodos de Preservación Los tratamientos preservadores requieren que la madera se encuentre en condiciones especiales, que varían según el método de preservación seleccionado. Así por ejemplo, los procedimientos por ósmosis y difusión necesitan que la madera conserve toda la humedad posible, para lograr la incorporación de los preservadores salinos en su interior. Todos los otros métodos exigen que la madera esté seca, es decir, entre 15 y 25 por ciento de humedad. El agua libre, retrasa o impide la entrada de los preservadores y la impregnación que se logra, no es satisfactoria. Con frecuencia, la madera preservada que no fue previament e secada, necesita tratamientos complementarios para cubrir adecuadamente las partes no impregnadas a causa de la distribución irregular de la humedad. Por otra parte, hay que procurar que todos los cortes o perforaciones que se tengan que hacer a la mader a, para colocarlas en obra, se deben practicar del tratamiento, evitando así que se elimine parte del material preservado o que se rompa el anillo que la protege de la acción biológica, ignífuga u otra como el intemperismo. Cuando por alguna razón, ésta in dicación no se puede cumplir, cortándose o perforándose la madera después de su tratamiento, se debe reestablecer, lo mejor posible, el anillo protector mediante el agregado de pastas preservadoras. Si no se procede así, es posible que la impregnación efec tuada ya no sea efectiva, por muy buena que haya sido. Cuando se tiene maderas que resultan difíciles de preservar, por ser impermeables, se pueden hacer incisiones superficiales, con máquinas apropiadas, para lograr una penetración lateral aceptable, o un a mejor distribución del preservado para formar un verdadero anillo protector. Por lo general, las incisiones se practican en la zona crítica de la madera, es decir, en la zona de empotramiento, que es por donde se inician las pudriciones. No es raro hacer incisiones a lo largo de toda la pieza de madera que haya mostrado deficiencias en la distribución de los preservadores. En general, los métodos de preservación se pueden dividir en tratamientos sin presión y tratamientos con presión.

Tratamiento sin Presión Brocha.- Es el método más simple y más antiguo, pero el tratamiento brinda una protección muy limitada. Sólo se emplea como mantenimiento o protección temporal.


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Pulverización.- Es la aplicación superficial de un preservador mediante un pulverizador. Con este procedimiento, algo del líquido tóxico penetra en la madera por capilaridad, pero la penetración es muy escasa, aunque se empape bien la superficie de la madera. Los preservadores que generalmente se emplean por brocha y pulverización, son los solubles en aceite. Inmersión.- La inmersión consiste simplemente en sumergir la madera en una tinta de tratamiento en donde se encuentra el preservador. La inmersión puede ser breve o prolongada, pero siempre a temperatura ordinaria. La madera se mantiene sume rgida mediante dispositivos apropiados que facilitan la inmersión. Terminado el tratamiento, se deja escurrir y secar antes de poner la madera en uso. Cuando más prolongado sea el tiempo de tratamiento, mayor será la eficiencia del mismo, dependiendo de la s características propias de la madera. Los tratamientos por inmersión son los más recomendados para marcaos de puertas y ventanas, así como para otros trabajos de carpintería. Baño Caliente y Frío.- Consiste en la inmersión de la madera seca durante unas horas, en baños sucesivos de preservador caliente y relativamente frío. El objeto del baño caliente es la expulsión del aire de las capas externas de la madera y el de evaporar la humedad de la superficie. La duración del baño y la temperatura del preserva dor, determinan en gran parte la eficacia del método. El baño frío hace que el aire y el vapor de agua que permanecen en las capas externas de la madera se contraigan, formando así un vacío parcial. Para compensar este vacío, la presión atmosférica tiende a forzar el preservador circundante dentro de la madera. Durante el baño caliente, se efectúa cierta penetración del preservador en la madera, pero la mayor parte de la absorción y penetración se producen durante el baño frío. Conviene elevar al máximo per misible la temperatura del primer baño, pero sin poner en peligro la marcha de la operación o la eficacia del producto químico. La creosota y el pentaclorofenol, son los que mejor se adaptan a este método de tratamiento, debido a que permiten alcanzar temp eraturas de 80 a 100ºC. La duración del tratamiento puede variar considerablemente, según la clase de madera, el grado de preservación que se quiere dar a las piezas tratadas o de la naturaleza del preservador. Por lo general, el baño caliente es de 3 a 4 horas y el baño frío de 6 a 8 horas. En casos especiales, el ciclo de tratamiento se puede prolongar como máximo hasta 24 horas. La aplicación de este método, obliga disponer de sistemas de calefacción y otras instalaciones complementarias que permitan tr asladar la madera y transvasar el preservador utilizado. Tratamientos con Presión En estos métodos, el preservador se aplica a la madera utilizando presiones distintas a la de la atmósfera dentro de un autoclave. Comprende los métodos de célula llena y célula vacía. Estos métodos tienen una serie de ventajas sobre los métodos sin presión. En la mayoría de los casos, puede conseguirse una penetración profunda y uniforme, así como una mayor absorción, con lo cual, se comunica a la madera una protección más eficaz. Por otra parte, en estos métodos pueden regularse las condiciones de tratamiento, de modo que es posible variar la penetración y retención de los preservadores, satisfaciendo así las exigencias de la utilización moderna de la madera. Finalmente, los procedimientos a presión se adaptan mejor a la producción en gran escala de la madera preservada. Entre los inconvenientes que se presentan a estos métodos, está el valor elevado de las instalaciones. Célula Llena.- También llamado proceso Bethell. Consist e en colocar la madera en un autoclave para aplicar luego un vacío inicial. Aprovechando este vacío, se llena el autoclave con la solución preservadora, hasta alcanzar un lleno total. Luego se ejerce una presión hidráulica especificada. Esta presión se man tiene el tiempo suficiente para obtener el grado de tratamiento deseado (retención y absorción). Terminado el tratamiento, se drena el autoclave y se aplica, opcionalmente, un vacío final que limpia la superficie de la carga de madera para facilitar su man ejo. En este proceso, se emplea preservadores hidrosolubles (multisales) y las células de la madera quedan con sus cavidades llenas de líquidos, que al evaporarse, deposita los componentes químicos activos en las paredes. Célula Vacía.- Existen dos modalidades de este método conocidas como proceso Ruping y proceso Lowry. El proceso Ruping consiste en colocar la carga en el autoclave TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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e inyectar primero aire a presión y a continuación, manteniendo esta presión, se aplica la solución preservadora (creosota) y se bombea hasta alcanzar la presión hidráulica especificada. Terminado el tratamiento, se evacua el líquido y se efectúa el vacío final. El proceso Lowry es semejante al anterior, con la excepción de que al principio del tratamiento no se inyecta aire a pr esión. En este método se emplean preservadores óleo e hidrosolubles. En el proceso por célula vacía, el preservador queda en las paredes celulares pero las cavidades de estas quedan vacías. 2.3.4

Características de Permeabilidad de Especies Tropicales

En las Tablas 2.4 y 2.5 se consignan los resultados del programa de investigación sobre le comportamiento de especies tropicales a los métodos más comunes de tratamiento preservador. En la primera se presentan los valores de absorción e índices de penetración de acuerdo a las escalas que se incluyen más adelante. En la segunda se presenta una clasificación de las especies de acuerdo a su índice de permeabilidad determinado como una combinación de sus características de absorción y penetración. La permeabilidad es un índice de la facilidad de aplicación del tratamiento preservador, siendo las especies más permeables las más fáciles de tratar. De acuerdo a su permeabilidad las especies se clasifican en: P = Permeables AA y PT, en albura y duramen MP= Moderadamente Permeables AM y PT o PP, en albura y duramen EP= Escasamente Permeables AP y PP o PI, en albura y duramen I = Impermeables AN y Pn Donde AA, AM, AP y AN se refieren a la escala de absorción y PT, PP, PI y PN se refieren a la escala de penetración que s e presentan a continuación. ESCALA DE ABSORCIÓN Absorción Alta Absorción Buena Absorción Pobre Absorción Nula

(AA) (AB) (AP) (AN)

ESCALA DE PENETRACIÓN Penetración Total (PT) Penetración Parcial (PP) Penetración Irregular (PI) Penetración Nula (PN)

3

Más de 150 kilos de solución/m 3 Entre 100 y 150 kilos de solución/m 3 Entre 50 y 100 kilos de solución/m 3 Menos de 50 kilos de solución/m Toda la sección penetrada Forma un anillo periférico No hay anillo definido No hay penetración

2.3.5 Ignífugos Dentro de los tratamientos a que se somete la madera puede considerarse a los ignífugos. Estos son materiales retardadores del fuego que reducen el grado de combustibilidad de la madera y la velocidad de propagación de la llama. En la Secc. 6.6.3.2 de este Manual se presenta una descripción de los principales tratamientos disponibles.

2.4

PROTECCION Y CUIDADO DE LOS MATERIALES EN OBRA

La madera recibida en la obra debe ser protegida de la lluvia y daños adicionales. La madera de construcción ya colocada como par te de la estructura antes de ser revestida puede mojarse debido a la lluvia, pero esta humedad está principalmente en la superficie expuesta y puede secarse rápidamente. Las piezas secas pueden apilarse directamente unas sobre otras, sin espaciadores, pero la pila debería estar separada del suelo por lo menos de 15 a 20 y estar cubierta por una lona y tela impermeable de forma de drenar el agua que caiga en su superficie, lados y extremos. La madera verde o casi verde, debe apilarse sobre secadores, como se indica en los métodos de secado al aire (Secc. 2.2.2) y bajo techo. El mismo procedimiento debe utilizarse para madera preservada que no se ha secado completamente.


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LA MADERA COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN 3.1

EL MATERIAL DE CONSTRUCCION

La madera es el único material con que puede construirse íntegramente una vivienda. Lógicamente con el desarrollo de materiales complementarios hay buena calidad de componentes de la m isma que resultan más económicos fabricados de otros materiales, lo servicios principalmente. Sin embargo, no deja de ser cierto lo antes mencionado y puede resultar conveniente en localidades cercanas a las zonas de producción de madera. Dentro de una vivienda o construcción liviana a base de madera deben distinguirse dos categorías de material. En una primera se encuentra todo aquel empleado con fines resistentes, principalmente el usado para entramados de muros, techos, pisos elevados, columnas, que constituyen la estructura de la edificación. En otra categoría se encuentra el material usado para revestimiento, puertas, ventanas, muebles, que no está destinado a resistir cargas importantes. Los requisitos para la madera de estas categorías son por consiguiente diferentes. En lo que sigue se denomina: Madera Estructural o Madera de Construcción Estructural a la primera, y Madera No Estructural o Madera de Construcción No Estructural a la segunda.

3.1.1 Comercialización de la Madera La madera se emplea tal como se la obtiene del árbol. Excepto aquel caso en que se realiza un secado artificial y eventualmente con preservantes, el único proceso que sufre es el cortado con herramientas manuales o mecánicas. La madera aserrada es el producto final obtenido luego de cortar la troza del árbol longitudinalmente hasta convertirla en un conjunto de piezas esbeltas de sección transversal rectangularmente. Para que sus caras y cantos sean paralelos, perpendiculares y lisos las piezas son generalmente cepilladas. La madera se comercializa por volumen siendo la cubicación cuantificada en metros 3 cúbicos (m ) y en varios Países Andinos pies cuadrados o pies tablares. Esta última equivale a una pieza cuadrada de doce pulgadas de lado (1 pie) y una pulgada de espesor. (Fig. 3.1). Un metro cúbico equivale casi 424 pies tablares. 2

El precio de los tableros a base de madera se cotiza por metro cuadrado (m ) para un determinado espesor, o también por pie cuadrado en aquellos países que usan estas unidades. Las molduras se comercializan por metro lineal.

3.1.2 Escuadrías o Secciones Preferenciales PADT-REFORT La necesidad de contar con un grupo de escuadrías con dimensiones estandarizadas apropiadas para la construcción y el diseño con madera ha dado origen a las denominadas secciones preferenciales que se presentan en esta sección. En la identificación de las mismas se han tenido en cuenta factores como: 

Eficiencia de las formas estructurales.



Adaptabilidad al mercado actual.



Facilidad de obtención de unas a partir de las otras.



Satisfacer la necesidad de contar con un número adecuado de escuadrías para construcción de viviendas y construcciones pequeñas que puedan normalizarse a través de la aceptación de los propios usuarios.

Las dimensiones de estas secciones transversales se refier en a las dimensiones finales mínimas de piezas de madera aserrada y seca. Para conseguirlas los productores y aserraderos deben considerar las contracciones de secado. La Tabla 3.1 contiene las dimensiones de las secciones preferenciales PADT -REFORT así como el uso más frecuente que pueda asignárseles. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 3.1 Unidades para comercializar madera TABLA 3.1 SECCIONES PREFERENCIALES PADT – REFORT Dimensiones b x h (centímetros) 4 x 4 4 x 6.5 4 x 9 4 x 14 4 x 16.5 4 x 19 4 x 24 6.5 x 6.5 6.5 x 9 9 x 9 9 x 14 9 x 19 9 x 24 9 x 29 14 x 14 14 x 19 14 x 24 14 x 29

Uso más frecuente Pie-derechos Pie-derechos, viguetas Pie-derechos, viguetas, columnas Viguetas, vigas Viguetas, vigas Viguetas, vigas Viguetas, vigas Columnas Columnas, vigas Columnas Columnas, vigas Vigas Vigas Vigas Columnas Vigas, columnas Vigas Vigas

Es recomendable que el proyectista se limite, dentro de lo posible, al uso de estas secciones y al menor número de secciones diferentes para lograr mayor eficiencia y economía en el proceso constructivo.

3.1.3 Dimensiones Comerciales y Dimensiones Reales Debido al proceso de cortes sucesivos y cepillado, las piezas de madera experimentan disminuciones progresivas en las dimensiones de su sección transversal haciendo diferentes las medidas iniciales denominadas nominales o equivalentes comerciales y aquellas que finalmente presenta. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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La comercialización de la madera se realiza por lo general en función de las dimensiones iniciales, o sea de las nominales, y que únicamente se utilizan par a la determinación del volumen facturado al comprador, ya que finamente las dimensiones resultantes son menores. La diferencia es originada además de las pérdidas por corte y cepillado, por las contracciones naturales de la pieza debidas a la disminución d el contenido de humedad durante el secado. Las dimensiones reales de la escuadría son las que se usan en el diseño y las que deben tener al momento de la construcción. (Fig. 3.2) En los Países Andinos no ha habido uniformidad en las dimensiones obtenidas e n las escuadrías al referirse a determinadas dimensiones nominales. Es decir, una pieza de ciertas dimensiones a distintos proveedores resulta por lo general en distintas dimensiones. Se hace necesario por consiguiente establecer una correspondencia única a fin de que mientras en el comercio se sigan usando dimensiones teóricas, la dimensión real finalmente obtenida sea siempre la misma con las tolerancias especificadas. En correspondencia con el grupo de secciones preferenciales que es presentan en la Secc. 3.1.2 se han adoptado unas dimensiones que se refieren a los equivalentes en el lenguaje comercial para las zonas y países donde se usa todavía el sistema inglés. Las dimensiones reales solamente se consideran en unidades (cm) ya que se espera una pronta generalización en su aceptación por parte de los usuarios.

Figura 3.2 Dimensiones comerciales y reales de la escuadría (sección transversal) TABLA 3.2 DIMENSIONES REALES Y EQUIVALENTES COMERCIALES Dimensiones Real b x h (cm)

Equivalente comercial b x h (pulgadas)

4 x 4 4 x 6.5 4 x 9 4 x 14 4 x 16.5 4 x 19 4 x 24 6.5 x 6.5 6.5 x 9 9 x 9 9 x 14 9 x 19 9 x 24 9 x 29 14 x 14

2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 4 4 4 4 4

x x x x x x x x x x x x x x x

2 3 4 6 7 8 10 10 3 4 4 6 8 10 12

14 x 19 14 x 24 14 x 29

6 x 6 6 x 8 6 x 12


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Para espesores de tablas de revestimiento se considera que 1” (una pulgada) teórica o comercial puede equivaler a 2 cm de espesor real, aunque estas piezas deben obtenerse cortando otras mayores directamente a esta dimensión y no por subdivisión de escuadrías de 4 cm de ancho por ejemplo, ya que por el corte y cepillado se obtendría una dimensión menor de 2 cm.

3.2

MADERA DE CONSTRUCCIÓN NO ESTRUCTURAL

Las recomendaciones que se presentan a continuación son aplicadas a toda aquella madera que no forma parte de la estructura de la edificación y que requiere de requisitos apropiados a su función.

Figura 3.3 Madera de construcción no estructural

3.2.1 Clasificación General La madera de uso no estructural puede presentarse básicamente en dos formas dentro de una construcción. a) Madera Vista. Cuyas características de calidad son más estrictas, de buena apariencia, y en general limpia de defectos. Llevará un acabado transparente o al natural. b) Madera Cubierta o No Vista. Será pintada o cubierta por barnices opacos, pintura u otros materiales tales como maderas y enchapes. Por ello la madera puede ser de menor calidad por apariencia y se permiten algunos defectos.

3.2.2 Usos según Densidades a)

Madera Dura o Pesada 3 Comprende a las maderas pesadas y muy pesadas con densidades entre 0.8 gr/cm 3 y 1.12 gr/cm al 15 por ciento de contenido de humedad. Durabilidad natural alta (excepto albura) No necesitan tratamiento preservador.


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b)

c)


Generalmente se las usa como pisos (entablado, parquetería, machihembrado, etc.), como pasos de escalera, elementos torneados (balaustrada, baranda y pasamanos) y en forma de láminas como enchapes. Madera Medianamente Dura. Incluye a las maderas medianas o medianamente pesadas. 3 Densidad entre 0.72 a 0.88 gr/cm . Algunas se pueden considerar maderas pesadas pero su durabilidad natural no es muy alta en condiciones tropicales, por lo tanto se recomienda usarlas con tratamiento preservador. Usadas generalmente en carpintería de obra como marcos de puertas y ventanas; como forros para cielo rasos, paredes; como molduras de barandas y pasamanos, tapamarcos, rodones, zócalos y contrazócalos. Maderas Blandas Consideradas así a las especies relativamente poco densas o livianas 3 3 comprendidas entre densidades de 0.4 gr/cm o 0.72 gr/cm al 15 por ciento de contenido de humedad. Son las maderas denominadas de utilidad general, pues pueden ser utilizadas también como madera de carpintería, mueblería, decorativas, etc. De este grupo, las maderas más blandas son usadas en forma impresa como molduras, rodones, zócalos, tapamarcos, marquesinas, etc., y las maderas más densas son usadas en puertas contraplacadas y ventanas utilitarias. No son muy durables en climas tropicales, pero tratadas convenientemente pueden usarse en construcción con éxito.

3.2.3 Dimensiones y Tolerancias Las dimensiones de las maderas serán las usuales del comercio debiendo necesariamente referirse al sistema métrico decimal al otorgarse las medidas finales de las piezas secas de construcción. Entre la medida nominal de una pieza y la encontrada en el mercado se puede permitir una tolerancia similar a la usual en el aserrío y corte. Cuando se ofrecen productos terminados como molduras, zócalos, machihembrados, etc., la tolerancia es más estricta no permitiéndose dimensiones menor es que la estipulada y mayores no más de 2.5 mm para anchos y 1 mm para espesores.

3.2.4 Contenido de Humedad La madera de uso no estructural, deberá trabajarse en términos generales, seca con un contenido de humedad cercano al equilibrio o correspondencia al clima normal en el cual será usada. Para la comercialización de madera destinada a uso de construcción no estructural se recomienda que el contenido de humedad sea menor que 20 por ciento.

3.2.5 Durabilidad Natural y Preservación Las especies de alta durabilidad natural deberán ser usadas preferentemente, más aún en zonas de posible presencia de agua o humedad y cercanas o en contacto con el suelo. Aquellas de poca durabilidad natural, deberán preservarse por métodos reconocidos e indicarse el mantenimiento a seguir posteriormente. Se deberán tomar precauciones en el tipo de preservación para madera que va a estar en contacto directo con el hombre o con sus alimentos.

3.2.6 Requisitos de Calidad 3.2.6.1 Requisitos Generales Las maderas a ser usadas en construcción no estructural y cuyo uso final va a ser madera vista o cubierta por pintura u otro material y que cumplan con los requerimientos anteriores deberán también cumplir con las condiciones siguientes.


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b)

c) d)


Toda pieza de madera debe ser “sana” o libre de ataque visible de hongos o pudrición alguna. No debe provenir de centro, corazón o médula del árbol y no debe presentar rajaduras severas ni aristas faltantes. La presencia de agujeros de insectos (de origen) está permitida siempre que los provenientes de ambrosía (menor que 3 mm de diámetro) sean escasos y bien esparcidos (no más de 10 unidades por metro lineal) y los provenientes de insectos mayores no sean más de 2 unidades por metro lineal). No se permiten nudos sueltos o libres, deberán ser sanos, firm es y no mayores que el 25 por ciento de la pieza. Nunca mayores de 25 mm de diámetro. Los defectos de secado tales como griegas y arqueaduras deberán ser leves, de tal suerte que puedan corregirse en la instalación con el acabado final de la pieza.

3.2.6.2 Madera para Puertas, Ventanas y Muebles Fijos La madera para marcos de puertas, hojas de madera sólida y marcos y hojas de ventanas debe ser durable naturalmente o estar preservada contra hongos e insectos. Debe poseer cualidades de trabajabilidad buena q ue permitan los rebajos, cortes y ensambles con máquinas ordinarias de carpintería. Además deben ser lo suficientemente duras como para resistir el arranque o extracción de clavos y tornillos y clavos de cerrajería tradicional.

3.2.6.3 Madera para Pisos La madera para pisos debe cumplir fundamentalmente con requisitos de apariencia, resistencia al desgaste y relativamente baja contracción – dilatación (movimiento de la madera que ya ha sido secada y estabilizada). Generalmente se encuentra estas característ icas en las maderas duras o pesadas, y en las maderas medianamente duras, siempre que posean poros difusos o del tipo en anillo. Cuando se construye el piso de madera en dos capas una de las cuales es el piso visto, ya sea machihembrado o parqué que sufrir á el desgaste, lo expuesto anteriormente es válido; pero en la primera capa o sub -base no es necesario ninguno de los requisitos anteriores, limitándose a seguir los requisitos generales de calidad anteriormente descritos.

3.2.6.4 Madera para Molduras y Forros Generalmente deben ser baja o mediana densidad pues usualmente son impresas o son obtenidas de máquinas múltiples de gran velocidad y alto rendimiento. Deben poseer buen comportamiento al acabado con máquinas simples, al clavado y al encolado por su fijación. No necesariamente deben preservarse aún cuando su durabilidad natural no es muy alta. Sólo en los casos de contacto con el suelo o con fuentes de posible humedad.

3.3

MADERA DE CONSTRUCCIÓN ESTRUCTURAL

Se denomina así a aquella madera que constituye e l armazón estructural de la edificación. Es decir forma la parte resistente de componentes como muros o paredes, pisos, techos, tales como: pie – derechos, columnas, vigas, cerchas, entre otros. La característica común a todos estos elementos es su función básicamente resistente.

3.3.1 Requisitos Generales Las condiciones que debe satisfacer este material son las siguientes: 1. Debe ser material clasificado como de calidad estructural para lo cual debe cumplir con la Norma de Clasificación Visual por Defecto que se presenta en la siguiente sección. 2. Debe ser madera proveniente de las especies forestales consideradas como adecuadas para construir y que se presentan agrupadas en la Sección 3.5. 3. Deben ser piezas de madera dimensionadas de acuerdo a las escuadrías o secciones preferenciales aquí presentadas. (Secc. 3.1.2) TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 3.4 Madera de construcción estructural Las especies que se presentan en los grupos de la Secc. 3.5 son aquellas para las que se han efectuado ensayos de vigas a escala natural, verificándose que las propiedades de la especie correspondan a las del grupo asignado. Es por ello necesario que todas las piezas de madera que se usan para la estructura de la edificación satisfagan los requisitos mencionados. De lo contrario, no es posible usar en el dis eño, ni en el dimensionamiento de estos elementos, las propiedades que se han asignado al grupo estructural al que pertenece la especie. Eventualmente, cuando los Países Andinos hayan incorporado a su normalización los grupos estructurales con sus respecti vas especies, la Regla de Clasificación Visual y las secciones o escuadrías preferenciales, los usuarios podrán contar con piezas de madera de especies identificables, agrupadas, clasificadas en la zona de producción y TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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almacenadas ya en sus dimensiones def initivas, garantizando un costo apropiado a este material de construcción. (fig. 3.5)

Fig. 3.5 Madera estructural: clasificada, especie agrupada, dimensionada Estos grupos no consideran muchas especies no estudiadas todavía, pero que también son aptas para construir. El uso de especies no agrupadas aún, es posible, si previamente se aplica la metodología que se presenta en el Cap. 1 para agrupar nuevas especies. Una vez identificado el grupo al que se la puede asignar, todas las propiedades del grupo son aplicables a esa nueva especie.

3.3.2 Contenido de Humedad Es conveniente construir con madera en estado seco o al contenido de humedad de equilibrio. De esta forma se garantiza la estabilidad dimensional de las piezas y disminuyen el riesgo de ataque de hongos e insectos. Sin embargo, las especies de mayor densidad (grupo estructural A y algunas del grupo B) ofrecen dificultades al clavado y labrado cuando secas, por lo que comúnmente se trabajan en estado verde (CH>30%). En este caso deben adoptarse prec auciones para garantizar que:  Las piezas al secarse mantengan su forma inicial.  Los elementos de unión están protegidos contra el ataque corrosivo de la madera húmeda.  Los detalles constructivos permitan a la madera contraerse libremente que se seca. (ver Cap. 5 y 6)

3.3.3 Durabilidad Natural y Preservación La madera para estructuras debe tener buena durabilidad natural o estar adecuadamente preservada. Adicionalmente deben aplicarse en el diseño aquellos detalles constructivos destinados a proteger la edif icación contra agentes dañinos a la madera. Factores externos como la humedad por ejemplo mal controlada pueden deteriorar el material, o propiciar el crecimiento de hongos e insectos que atacan la madera. El Cap. 6 presenta recomendaciones y detalles para proteger la edificación mediante un diseño adecuado.

3.4 CLASIFICACION ESTRUCTURAL.

VISUAL

POR

DEFECTOS

PARA

MADERA

Cualquier irregularidad o imperfección que afecta las propiedades físicas, químicas y mecánicas de una pieza de madera puede considerarse c omo un defecto. La finalidad de la clasificación por defectos es limitar la presencia, tipo, tamaño y ubicación de los mismos con la finalidad de obtener piezas de madera con características mínimas garantizadas. Variando las tolerancias pueden definirse u n sinnúmero de clases, sin embargo a continuación se propone una sola regla o norma para la clasificación de madera para uso estructural.


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La clasificación mencionada es del tipo “visual” lo que implica una selección o verificación de las tolerancias por pe rsonal humano entrenado y eventualmente certificado oficialmente siguiendo una comprobación visual. La aplicación de la norma se limita a madera aserrada y escuadrada. Para facilitar la aplicación de la norma se presentan conjuntamente con las tolerancias algunas recomendaciones para el reconocimiento de defectos. Se dispone también de un “Manual de Clasificación Visual para Madera Estructural” editado por el PADT REFORT de la Junta del Acuerdo de Cartagena. Se espera que de la producción de un aserradero q ue funcione con criterios mínimos de eficiencia del 40 al 45 por ciento de la producción se clasificaría como MADERA ESTRUCTURALL, es decir piezas que satisfacen los límites de defectos establecidos en la norma que aquí se presenta. La calidad de la madera es afectada por diversos o factores. A continuación se presentan definiciones para los diferentes tipos de defectos agrupados según su origen. En la Fig. 3.6 se ilustran algunos de los términos más usados en esta sección

3.4.1 Defectos Relativos a la Constitución Anatómica Albura.- Es la parte del leño que sigue a la corteza que en el árbol en pie contiene células vivas y materiales de reserva. Generalmente es de color claro y es más susceptible al ataque de hongos e insectos que el duramen. En general, su s propiedades mecánicas no son diferentes a as del duramen. Se considera como defecto cuando ha sido atacada y presenta pudrición y cuando no está preservada. Por lo general la albura en casi todas las especies es atacable .


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Figura 3.6 Términos usados en la definición de defectos y presentación de la norma de clasificación visual.

Figura 3.6 Términos usados en la definición de defectos y presentación de la norma de clasificación visual (cont.) Bolsa.- Es la presencia de una cavidad bien delimitada, que c ontiene resina, goma o tanino. Corteza incluida.- Es la presencia de una masa de corteza total o parcialmente comprendida en el leño. Duramen quebradizo o madera de reacción .- Es la madera anormal formada típicamente en algunas zonas limitadas de ramas o f ustes, caracterizada por su color, consistencia y propiedades distintas al resto del leño, es esencialmente de la zona central del tronco. Grano inclinado.- Es la desviación angular que presentan los elementos constituidos longitudinales de la madera, con respecto al eje longitudinal del fuste o canto de una pieza. Madera de compresión.- Es la madera de reacción que se forma típicamente en las coníferas. Generalmente es más dura y oscura que la madera normal. Madera de tensión.- Es la madera de reacción que se forma típicamente en las latifoliadas, generalmente es más clara que la madera normal. Médula.- Es la parte central del duramen, constituida esencialmente por células de parénquima o células muertas. Es susceptible al ataque de hongos e insectos. Nudo.- Es el área de tejido leñoso resultante del rastro debajo por el desarrollo de una rama, cuyas características organolépticas y demás propiedades son diferentes a las de la madera circundante. Parénquima en bandas anchas.- Son células de paredes delgadas que presentan mayor cavidad las que almacenan sustancias de reserva. Dichas células, agrupadas en bandas de 6 o más series, forman zonas débiles del leño.

3.4.2 Defectos al Ataque de Agentes Biológicos Acañoneado.- Es el orificio aproximadamente cilíndrico en el interior de una troza como consecuencia del atabacado. Atabacado.- Es el proceso de pudrición castaña de la madera que es caracteriza, en la etapa avanzada por la desintegración del leño en un polvo de color parduzco. Mancha.- Es el cambio de color de la madera producido por hongos que descomponen la estructura leñosa Perforaciones grandes.- Son agujeros con diámetro mayores a 3 mm producidos por insectos o larvas perforadas. Ej. Bostrychdae “brocas de los domicilios”.


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Perforaciones pequeñas.- Son agujeros con diámetros iguales o menores a 3 mm producidos por insectos o larvas perforadas. Ej. Lyctus. Pudrición avanzada.- Es la etapa de descomposición en que la madera presenta cambios evidentes en su apariencia, pero específico, composición, dureza y o tras características mecánicas. Pudrición castaña.- Es aquella que se caracteriza por una coloración castaña de la madera como consecuencia de la descomposición de la celulosa. Pudrición clara.- Es aquella que se caracteriza por la coloración clara de la m adera como consecuencia de la descomposición preponderante de la lignina además de las holocelulosas. Pudrición incipiente.- Es la etapa inicial de la descomposición en la cual la madera pierde parte de sus propiedades mecánicas y puede sufrir cambios de c olor debido al ataque de hongos.

3.4.3 Defectos Originados durante el Apeo, Transporte y Almacenamiento Desgarramiento.- Es el rompimiento que se produce en la base del tronco al ser cortado o talado el árbol. Fractura o falla de compresión .- Es la deformación o rompimiento de las fibras de la madera como resultado de compresión o flexión excesivas ocasionadas en árboles en pie por la acción del viento, nievo o proceso de crecimiento, y en árboles apeados como resultado de esfuerzo durante las operaciones d e explotación y aprovechamiento. Rajadura.- Es la separación de los elementos constitutivos de la madera que se extiende en la dirección del eje de la pieza afectando totalmente el espesor de la misma o dos puntos opuestos de una madera rolliza.

3.4.4 Defectos Originados durante el Secado Alabeo.- Es la deformación que puede experimentar una pieza de madera por la curvatura de sus ejes longitudinal o transversal o de ambos. Abarquillado.- Es el alabeo de las caras en la dirección transversal. Arqueadura o combado.- Es el alabeo de las caras en la dirección longitudinal. Colapso.- Es la reducción de dimensiones de la madera que ocurre durante un proceso de secado por encima del punto de saturación de la fibra y que se debe a un aplastamiento de sus cavidades celulares. A menudo se observa como un corrugado de la superficie. Encorvadura.- Es el alabeo de los cantos en sentido longitudinal. Endurecimiento superficial.- Es el estado de tensiones en una pieza caracterizado por compresión en las capas externas y te nsión en la parte interna, como resultado de inadecuadas condiciones de secado. Grieta.- Es la separación de los elementos constructivos de la madera cuyo desarrollo no alcanza a afectar dos caras de una pieza aserrada o dos puntos opuestos de la periferia de una madera rolliza. Rajadura.- Es la separación de los elementos constitutivos de la madera que se extiende en la dirección del eje longitudinal de la pieza y afecta totalmente el espesor de la misma o dos puntos opuestos de una madera rolliza. Torcedura.- Es el alabeo simultáneo en las direcciones longitudinal y transversal.

3.4.5 Defectos Originados Durante el Aserrío Arista faltante.- Es la falta de madera en una o más aristas de una pieza. Mala escuadría.- Se denomina así a la sección de una pieza d e madera que está mal labrada a escuadra. Picada.- Es la depresión en la superficie de una pieza producida por un corte anormal. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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3.4.6 Control de Defectos Constitución Anatómica.- Los defectos relativos a la constitución anatómica de una pieza de madera no son controlables debido a que son características propias de la especie. Propiamente no constituyen defectos sino características de crecimiento que al habilitar las piezas de madera aserrada quedan incorporadas en éstas alterando su comportamiento estructural. Solamente se evitarían, seleccionando y analizando las características generales de la especie antes de corta el árbol o aserrar la pieza de madera, seleccionando especies que presenten el tipo de grano, parénquima o volumen de albura, etc., que se encuentra dentro del rango de tolerancia de la clasificación; o habilitando en mente la producción de madera para estructuras orientando debidamente los planos de corte. Ataques Biológicos.- Los defectos relativos al ataque de los agentes biológicos son controlables a su debido tiempo como cualquier tipo de infección. En la actualidad se cuenta con la ayuda de los preservantes hidrosolubles y oleosolubles en el mercado, para controlar los ataques. Si se considera conveniente no usar preservantes es recomendable elegir una especie que presente buena o alta durabilidad natural. Apeo, Transporte y Aserrío.- Los defectos originados durante el apeo, transporte, almacenamiento y aserrío, son ocasionados por lo general por deficiencias manuales o mecánicas durante dichas operaciones. Se controlan fácilmente teniendo en cuenta la mano de obra calificada y el buen mantenimiento de la maquinaria, durante las operaciones de extracción, transporte, aserrío y apilado. Secado de la Madera.- Los defectos originados durant e el secado, son ocasionados por las diferencias en el sistema de apilado y almacenamiento de las piezas al secarse, o por un mal programa de secado al horno. Se controlan tomando en cuenta la constitución de la madera y considerando especialmente el plano de corte durante el aserrío de determinadas especies. Para ello es necesario contar con mano de obra calificada conocedora de los conceptos propios del secado de la madera (Ver Cap. 2)

3.4.7 Norma de Clasificación Visual La Norma de Clasificación Visual p or Defectos PADT -REFORT que se presentan a continuación está destinada a la clasificación de madera aserrada para uso estructural. Todas las piezas que satisfagan la mencionada regla clasifican como Madera Estructural y todas las propiedades resistentes y elásticas asignadas a las especies agrupadas en grupos resistentes son aplicables sin otras restricciones que las tolerancias en dimensiones para la habilitación y fabricación de componentes. En el desarrollo de la Norma de Clasificación Visual se han teni do como referencia los documentos (3,4,5,6) de la lista de referencias del capítulo que aparece al final del Manual. ALABEO Es la deformación que puede experimentar una pieza de madera por la curvatura de sus ejes longitudinales, transversales o de ambos. Se consideran: a. Abarquillado b. Arqueadura c. Encorvadura d. Torcedura

a.

Abarquillado

Es el alabeo de las piezas cuando las aristas o bordes longitudinales no se encuentran al mismo nivel que la zona central. Reconocimiento.- Al colocar la pieza de madera sobre una su perficie plano apoyará la parte central de la cara quedando levantados, presentando un aspecto cóncavo o de barquillo. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Tolerancia.- Se permiten en forma leve, no mayor de 1 por ciento del ancho de la pieza.

b. Arqueadura Es el alabeo o curvatura a lo largo de la cara de la pieza.

Reconocimiento.- Al colocar la pieza sobre una superficie plano se observará una luz o separación entre la cara de la pieza y la superficie de apoyo. Tolerancia.- Se permite 1 cm por cada 300 cm de longitud o su equivalencia:

H  0.33% L c.

Encorvadura

Es el alabeo o curvatura a lo largo del canto de la pieza.

Reconocimiento.- Al colocar la pieza sobre una superficie plana se observará una luz o separación entre el canto de la pieza de madera y la superficie de apoyo. Se ubicará el lugar de mayor distanciamiento para ser medido. Tolerancia.- Se permite 1 cm por cada 300 cm de longitud o su equivalencia:

H  0.33 % L d. Torcedura Es el alabeo que se presenta cuando las esquinas de una pieza de madera no se encuentran en el mismo plano.


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Reconocimiento.- Al colocar la pieza sobre una superficie plana se observará el levantamiento de una o más en diferentes direcciones. Tolerancia.- Se permite solamente cuando este defecto se presenta en forma muy leve y en una sola arista. Se permite 1 cm de alabeo para una pieza de 3 m de longitud. ARISTA FALTANTE

Reconocimiento.- Es la falta de madera en una o más aristas de la pieza. Tolerancia.- Se permite en una sola arista. Las dimensiones de cara y el canto donde falta la arista deberán ser por lo menos los tres cuartos de las respectivas dimensiones de la sección completa. DURAMEN QUEBRADIZO Es la parte más interior del leño, generalmente de color más oscuro y de mayor durabilidad que la albura, aunque no está siempre nít idamente diferenciado de ella. Constituye normalmente la mayor proporción del centro del tronco.

Reconocimiento.- Porción de madera en una zona de aprox. 10 cm de diámetro adyacente a la médula caracterizada por una fragilidad anormal. Se presenta en for ma de grietas de media luna. Es más frecuente en árboles viejos y puede presentar deterioro. Tolerancia.- Ninguna. No se permite. ESCAM ADURA O ACEBOLLADURA Es la separación del leño entre dos anillos de crecimiento consecutivos.

Reconocimiento.- Se observan como escamas superficiales en las caras tangenciales de una pieza de madera. Tolerancia.- No se permite en las aristas. Se permite en las caras si es paralela al eje de la pieza, de una profundidad menor de un décimo del espesor y una longitud no mayor de un cuarto de la longitud total. FALLAS DE COMPRESIÓN Es la deformación y roturas de las fibras de la madera como resultado de compresión o flexión excesiva en árboles en pie causados por su propio peso, o por acción del viento. Pueden producirse además durante las operaciones de corte y apeo de los árboles o por un mal apilado de la madera aserrada. Reconocimiento.- Se observan en las superficies bien cepilladas de una pieza como arrugas finas perpendiculares al grano. Estas fallas originan zonas con mu y poca o TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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ninguna capacidad mecánica, por lo que su correcta identificación es fundamental para la seguridad de la estructura. Se presenta en árboles que tienen el tallo y fuste muy ahusado o cónico.

Tolerancia.- Ninguna. No se permiten. GRANO INCLINADO Es la desviación angular de las fibras de la madera en relación al eje longitudinal de la pieza.

Reconocimiento.- Es la desviación angular que presenta el grano con respecto al eje longitudinal de la pieza. Es necesario hacer uso repetido del detector del grano sobre las caras y cantos de la pieza. Tolerancia.- Se permite en cara o canto hasta un máximo de 1/8 de inclinación. GRIETA Es la separación de los elementos de la madera en dirección radial y longitudinal que no alcanza a afectar dos caras de una p ieza, o dos puntos opuestos de la superficie de una madera rolliza.

Reconocimiento.- Se observan como separaciones discontinuas y superficiales, de aproximadamente un milímetro de separación y 2 a 3 mm de profundidad. Este defecto se produce durante el p roceso de secado. Tolerancia.- Se permite moderadamente. La suma de sus profundidades, medidas desde ambos lados, no debe exceder un cuarto del espesor de la pieza. MEDULA Es la parte central del duramen constituida esencialmente por parénquima, tejido generalmente blando o células muertas.


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Reconocimiento.- Es la pequeña zona de tejido esponjoso situada en el centro del duramen. Es susceptible al ataque de hongos e insectos. NUDO Es el área de tejido leñoso, resultante del rastro dejado por el desarrollo de una rama, cuyas características organolépticas y propiedades son diferentes a la madera circundante. Se consideran: a. Nudo sano b. Nudo hueco c. Nudos arracimados a.

Nudo sano

Reconocimiento.- Es la porción de rama entrecruzada con el resto de la madera y que no se soltará o aflojará durante el proceso de secado y uso. No presenta deterioro ni pudrición. b.

Nudo Hueco

Reconocimiento.- Son los espacios huecos dejados por los nudos al desprenderse de la madera. A los nudos sueltos o con deterioro se los debe consid erar como nudos huecos. Tolerancia.- Se permite hasta un diámetro de 1/8 del ancho de la cara y hasta un máximo de 2 cm. Evitarlos en cantos sometidos a tracción c.

Nudos Arracimados

Reconocimiento.- Se observan con el agrupamiento de dos o más nudos destin ados notoriamente la dirección de las fibras que lo rodean. Tolerancia.- No se permiten. PARENQUIM A Son células típicamente en forma de paralelepípedo, presentan paredes delgadas. Sirven para almacenar sustancias de reserva. Son susceptibles al ataque de h ongos e insectos.


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Reconocimiento.- Son células correspondientes al tejido blando, por lo general de color más claro que la parte fibrosa del leño. Se distribuyen en bandas concéntricas y son visibles a simple vista en la sección transversal de la pieza d e madera previamente humedecida. Tolerancia.- No se permite que van a estar sometidas a esfuerzos de compresión paralela al grano. Para otros usos si se permite. Las bandas parenquimatosas no deben ser mayores de 2 mm de espesor. PERFORACIONES Son agujeros o galerías causadas por el ataque de insectos o larvas. Se consideran: a. Perforaciones pequeñas b. Perforaciones grandes a.

Perforaciones pequeñas

Reconocimiento.- Son agujeros con diámetros iguales o menores a 3 mm producidos por insectos de tipo Ambrosía. In sectos Lyctus no se aceptan. Tolerancia.- Se permiten cuando su distribución es moderada y comprende una zona menor que un cuarto de la longitud total de la pieza. Máximo 100 agujeros en 100 cm². No alineados ni pasantes. b.

Perforaciones Grandes

Reconocimiento.- Son agujeros con diámetros mayores de 3 mm producidos por insectos o larvas perforadores tipo “brocas de los domicilios”. Bostrychidae. Tolerancia.- Se permiten cuando su distribución es moderada y superficial. Máximo 3 agujeros por metro lineal. No alineados ni pasantes. RAJADURAS Son separaciones naturales entre los elementos de la madera que se extienden en la dirección del eje de la pieza y afectan totalmente su espesor, o dos puntos opuestos de una madera rolliza.


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Reconocimiento.- Se observan como separaciones del tejido leñoso en la dirección del grano. Tolerancia.- Se permite sólo en uno de los extremos de la pieza y de una longitud no mayor al ancho o cara de la pieza.

3.5 AGRUPACIONES ESTRUCTURALES

DE

MADERAS

TROPICALES

EN

GRUPOS

El número de especies de madera en la Subregión que pueden ser adecuadas para construcción es muy grande, mucho mayor que el número de especies que actualmente se conocen y destinan a esta aplicación. Para evitar la selectividad de los usuarios hacia una o pocas especies conocidas cuando existen otras de características similares, se ha considerado apropiado agrupan a las especies ensayadas en tres grupos estructurales. Esto debe permitir mayor flexibilidad en el uso de las maderas tropicales, evitando preferencias injustificadas que incrementen los precios del material. Las propiedades mecánicas de la madera, especialmente el esfuerzo de rotura en flexión (módulo de rotura o MOR), están correlacionados con la densidad básica. Por tanto, el agrupamiento de las espec ies en tres grupos está basado con algunas excepciones en las densidades. Los límites entre grupos han sido establecidos considerando tanto las características de resistencia como de rigidez. Las maderas ensayadas por el PADT -REFORT han sido agrupadas en tres grupos estructurales, en función de su resistencia y densidad básica. Se denomina A al grupo de maderas de mayor resistencia, B al grupo intermedio y C al grupo de menor resistencia. Las densidades básicas de las maderas del grupo A están por lo general en el rango de 0.71 a 0.90, las del grupo B entre 0.56 y 0.70, y las del grupo C entre 0.40 y 0.55. El agrupamiento de las especies de cada país por grupo estructural se presenta en la Tabla. 3.3. A medida que se vayan ensayando nuevas especies será posi ble ubicarlas directamente en alguno de los grupos y usar los valores de diseño recomendados. Puede en ciertos casos usarse una metodología, como la propuesta en el Cap. 1, para incorporar directamente una especie en el grupo correspondiente. Este agrupamiento, así como todas las oras, recomendaciones de diseño que se presentan en este manual, es válido solamente para madera que satisfacer la Norma de Clasificación Visual por Defectos. (Secc. 3.4) Cualquier especie de las ubicadas en un grupo estructural de terminado se considera que reúne por igual las características de resistencia y rigidez asignadas al grupo. Desde el punto de vista de comportamiento estructural es indiferente usar cualquiera de ellas una vez seleccionado el grupo que desea. Sin embargo, debe tomarse en cuenta que las maderas del mismo grupo estructural no siempre tienen características similares de trabajabilidad y durabilidad natural


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3.6


TOLERANCIAS

Las tolerancias que se presentan a continuación deben formar parte de las especificaciones técnicas del diseñador. Estas especificaciones servirán como pautas de control de calidad para el fabricante y el constructor.

3.6.1 Tolerancias en la Habilitación de Piezas Las dimensiones que se presentan en la sección 3.1.2 como las escuadrías preferenciales son las dimensiones finales para madera seca. Estas pueden tener tolerancias según se indica a continuación: (8)

En la sección transversal: a. b.

–1mm, + 2mm en dimensiones menores de 150 mm –2mm, + 4mm en dimensiones mayores de 150 mm

En longitud : –1mm, + 3 mm en todas las piezas TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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3.6.2 Tolerancias en la Fabricación o Construcción de Componentes Es recomendable conservar las siguientes tolerancias al fabricar componentes como muros (entramados o paneles) o cerchas (armaduras o tijerales).

Muros: La longitud de los muros debe construirse con menos de 3mm de la dimensión teórica. Es decir, si un muro o panel tiene 2,400mm de largo, debe fabricarse como de 2,397mm. Sobre esta dimensión se permite una tolerancia de más o menos 2mm. Finalmente el panel puede tener entonces un largo mínimo de 2395 mm y un máximo de 2399 mm. (9) La altura de los muros debe construirse con la dimensión teórica y una tolerancia de más o menos 2 mm. Cerchas o Armaduras y Tímpanos: La longitud de cerchas o armaduras y tímpanos debe n tener una tolerancia de más o menos 0.5 mm por metro de longitud. La altura debe tener una tolerancia de más o menos 1 mm por metro de altura.


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ENCOFRADOS FIERRERÍA PLANEAMIENTO DE LA EDIFICACIÓN

4.1

LA EDIFICACION DE MADERA Y SUS COMPONENTES

La madera en la edificación es utilizada tanto para la estructura como para el revestimiento. Por su condición de material orgánico, en ciertos usos donde requiere ser especialmente protegida, como cimientos por ejemplo, puede ser reemplazada por otros materiales; mientras que en otros usos, como en carpintería, es difícilmente mejorada. De esta forma la madera se combina con otros materiales, en la fabricación y complementación de lo s distintos componentes de la edificación. Además de la estructura y el revestimiento, se debe prever la colocación empotrada de las instalaciones eléctricas y sanitarias, así como la colocación de materiales de aislamiento y acondicionamiento en la medida exigida por el lugar o ambiente donde se encuentra. La Fig. 4.1 presenta una perspectiva isométrica de una vivienda de madera sin terminar, que muestra a manera de ejemplo, dos sistemas de techos e incluye una terminología de los elementos que la componen. 4.1.1 Cimientos Los cimientos son la base sobre la cual se levanta la edificación y que transmiten las cargas de la misma al terreno. La forma como realizan esta trasmisión de las cargas depende del tipo de cimentación que se trate, de esta manera se diferencian las de tipo puntual, como los pilotes y pilastras, y las de tipo distribuido como los cimientos corridos y las losas de hormigón vaciadas sobre el terreno. Los pilotes son elementos verticales de sección cuadrada o circular de madera, hormigón o acero, los cuales son hincados, enterrados o vaciados in situ, se emplean en terrenos poco resistentes, anegadizos o con mucha pendiente. (Fig. 4.2.b) En algunos casos contribuyen las columnas de un primer piso libre que eleva la construcción a un segundo nivel, estando sometidas a fuerzas de flexión importantes ya que se comportan como vigas empotradas en la base a diferencia de las pilastras, que se mencionan a continuación, y que por ser de mucho menos altura están sometidas principalmente a compresión. Las pilastras están construidas por una base o zapata de hormigón semienterrada sobre la cual se levanta a una determinada altura sobre el suelo – menor que para los pilotes una pila de piedra, ladrillo u hormigón. (Fig. 4.2.a y 5.3.a) Los cimientos corridos son de hormigón vaciados en una zanja continua que es excavada a todo lo largo donde, posteriormente, serán levantados los muros. Las dimensiones varían de acuerdo a la capacidad portante del terreno. La parte inferior es el cimiento propiamente dicho, se cons truye con hormigón ciclópeo, la parte superior – cuando se necesita por altura – es el sobrecimiento y se construye con hormigón simple. (Fig. 4.2.c, 5.2.a y 5.3.b) Cuando el piso en una edificación de madera es de hormigón, es conveniente vaciarlo conjuntamente con la cimentación. Como esta última es por lo general de dimensiones pequeñas, se convierte en un simple engrosamiento de la losa. Las losas de hormigón son de aproximadamente 100 mm de espesor, vaciadas sobre una capa de suelo afirmado y se extien de por toda el área de edificación. En los bordes y debajo de los muros portantes la losa se engruesa constituyendo una cimentación corrida, pero se diferencia de aquella en que se construyen conjuntamente formando una sola unidad. (Fig. 4.2.b y 5.2.b) 4.1.2 Pisos y Entrepisos Los pisos se extienden por toda el área de la edificación conformando una superficie de apoyo. El piso puede consistir en una losa de hormigón en contacto con el suelo o en una estructura de madera elevada. En el primer caso, el piso puede estar enmarcado por una cimentación corrida, o puede formar parte de ella, si se trata de una losa. En el caso de un piso de madera elevado, éste se apoya directamente sobre la cimentación o sobre muros portantes si se trata de un entrepiso. Los pisos y en trepisos de madera están conformados por vigas, viguetas y el piso propiamente dicho TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 4.1 La edificación de madera y sus componentes.


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Figura 4.2 Cimientos El piso propiamente dicho está por lo general constituido por dos capas. Una inferior – estructural o resistente – que es el “sub-piso” o “falso piso” y otra que es la capa de acabado y hace las veces de un revestimiento del piso. En algunos casos el piso resistente puede quedar visto como único revestimiento. El falso piso puede variar de acuerdo al sistema constructivo. En el sistema entramado es liviano, ya que se apoya sobre viguetas y éstas sobre vigas o muros; se usan comúnmente: entablados – machihembrados o no – y tablero contrachapados o aglomerados resistentes a la humedad y de calidad estructural. (Fig. 4.3.a). En el sistema poste y viga el piso es más pesado, ya que se apoya directamente sobre las vigas cubriendo luces mayores. Se usan entablonados de 4 o 5 cm de espesor (Fig. 4.3.b)

Figura 4.3 Pisos y entrepisos Para revestir los pisos existen varias alternativas de materiales que dependen del uso que sé de a la habitación y de los costos relativos. Se usan: cemento pulido, losetas de TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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cemento o arcilla cocida, baldosas asfálticas o vinílicas en falsos pisos de hormigón, o madera machihembrada, parqué, alfombra y otros en falsos pisos de madera. El entablado para revestimiento de piso debe presentar el corte radial en la superficie ya que es más resistente al desgaste. (Fig. 5.2.a y b, 5.3.a y b) 4.1.3 Muros Los muros en edificaciones de madera pueden ser portantes y no portantes, según la función resistente que cumplan. Los primeros reciben cargas del techado o del piso superior y los segundos cumplen principalmente una función de cerramiento. Cuando el sistema estructural de la construcció n es del tipo poste y viga (Secc. 4.3.3) o a base de pórticos, los muros son de relleno y tienen un entramado propio que facilita su revestimiento y que está diseñado únicamente para darle la suficiente rigidez. En algunos casos pueden recibir un revestimi ento de entablonado (tablas de gran espesor) o de tableros de suficiente espesor. Muro entramado es aquel que tiene como “armazón” un entramado de madera. Estos, al tener los pie-derechos del entramado relativamente cerca, permiten un revestimiento de menor espesor que puede ser de entablado, tablero o enlucido. (Fig. 4.4.b, 5.34, y 5.35) Revestimientos Sobre los entramados de muros portantes o de relleno se colocan revestimientos que pueden estar en uno o en ambos lados del mismo. Estos pueden ser: entabla dos, tableros y revoques. Estos últimos se fabrican con morteros de yeso o cemento sobre malla metálica, enlistonados o sobre caña.

Figura 4.4 Muros En muros exteriores es necesario usar revestimientos resistentes a la humedad. Si se usan tableros, éstos deben ser únicamente fabricados con adhesivos o aglomerantes adecuados. Para muros interiores los revestimientos deben ser resistentes al fuego para proteger la estructura de madera por el tiempo mínimo que indican los reglamentos (Secc. 6.6.4.4. Desde es te punto de vista son recomendables aquellos revestimientos a base de materiales inertes como yeso, morteros de cemento o cal y deberían evitarse la madera misma y los tableros a base de madera. 4.1.4 Techos Los techos a base de madera pueden estar constit uidos por diferentes sistemas estructurales como se muestra en la Fig. 4.5. Sobre estos elementos se coloca la cubierta por el lado exterior y el cielo raso por el lado interior. La cubierta puede estar constituida al igual que los pisos por dos elemento. Una base de entablado o tableros que se coloca sobre las viguetas o correas y una cubierta exterior propiamente dicha que puede ser de distintos materiales. Entre los más usados están las tejas cerámicas, tejas de madera, tejas asfálticas, planchas ondulad as metálicas y/o de asbesto-cemento y paja (Fig. 5.36 a,b,c,d,e). Los cielos rasos pueden ser horizontales o inclinados. Además de su función estética al presentar una superficie plana a la vista, cumplen el importantísimo papel de proteger el techo o piso contra la propagación del fuego. Los materiales adecuados deben ser a la vez livianos y de acabado rugoso, generalmente tableros de baja densidad o también enlucidos de yeso. 4.1.5 Carpintería y Accesorios Como carpintería, en viviendas, se considera a las puer tas, ventanas, escaleras, muebles de cocina, guardarropas y otros elementos de acabados, como son las TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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molduras, contrazócalos y rodones para el remate final. La fabricación de estos requiere generalmente mano de obra y materiales de buena calidad. (Fig. 4. 6) Las puertas que dan hacia el exterior generalmente son de madera sólida ya sea apaneladas o machihembradas, en el interior pueden ser contraplacadas con bastidor y tablero contrachapado o de partículas en ambas caras y con algún material de relleno en el interior. (Fig. 5.37) Las ventanas deben ser de madera resistente a la intemperie y suficientemente herméticas o protegidas para impedir el ingreso de lluvia al interior. (Fig. 5.38) Las escaleras descansan sobre vigas dentadas o rebajadas conocidas como zancas, a ellas se aseguran los pasos, contrapasos y pasamanos. La madera a ser usada como pasos debe ser muy dura para resistir el desgaste por rozamiento. Las escaleras pueden ser de uno o más tramos. (Fig. 5.39 y 5.40) Los muebles de cocina comprenden armarios de piso y armarios de pared, generalmente están fijados a la estructura. (Fig. 5.41) Los guardarropas pueden ser empotrados o movibles, ser construidos desde un inicio o, previendo su ubicación, en una siguiente etapa de complementación de la vivi enda. (Fig.5.42) Figura 4.5 Techos

Figura 4.6 Carpintería y accesorios 4.1.6 Instalaciones Las instalaciones más comúnmente usadas en viviendas son de dos tipos, las eléctricas y las sanitarias. Las instalaciones eléctricas comprenden la entrada en el tablero general, circuitos para tomacorriente, centro de luz y de reserva, cajas y accesorios. Para la protección de los conductores se recomienda que a instalación eléctrica sea entubada. (Fig. 4.7 y 5.43). as instalaciones sanitarias comprenden el sistema de aba stecimiento de agua potable y el sistema de evacuación de desagüe o aguas servidas. Las tuberías se agrupan para facilitar su protección, aislamiento o inspección. El muro por donde corren las tuberías para alimentar a los diferentes aparatos se conoce com o muro sanitario. (Fig. 4.8, 5.44 y 5.45) Un excelente trabajo de carpintería puede ser echado a perder luego, cuando los instaladores electricistas o sanitarios perforen o destajen la estructura para tender sus ductos y tuberías, por lo TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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cual, se recomienda prever las zonas y puntos por donde serán tendidas las redes y que por el corte en la madera no se debilite la estructura, como el ejemplo que se presenta en la Fig. 5.46

Figura 4.7 Instalaciones Eléctricas TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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4.2


CONSIDERACIONES DE DISEÑO

4.2.1 Particularidades del Diseño con Madera La madera como cualquier otro material de construcción, tiene ventajas que pueden ser utilizadas y desventajas que deben ser controladas. En la medida que más se conozca el material se podrá sacar el máximo provecho a sus virt udes y controlar sus defectos. Para usar apropiadamente este material en construcción, es recomendable que el diseñador tenga conocimiento de los diferentes aspectos tecnológicos, comportamiento mecánico y estructural, criterios de uso y protección por dis eño, posibilidades de transformación y prefabricación de la madera y finalmente, las características de erección y montaje que requiere este tipo de construcción. Por ejemplo, es importante conocer la propiedad que tiene la madera de equilibrar su contenid o de humedad con el del medio ambiente, sufriendo contracciones o expansiones dimensionales según sea el caso que pierda o gane humedad, ya que este fenómeno puede afectar las dimensiones y tolerancias de los componentes de construcción. Asimismo conocer l as propiedades anatómicas de la madera permite especificar que para pisos es conveniente utilizar entablados que tengan un corte radial pues son más resistentes al desgaste mecánico, pero para revestimientos de muro se recomienda entablados con corte tange ncial, debido a que absorben menos pintura, su mantenimiento es más económico y su textura encebollada más atractiva.

Figura 4.8 Instalaciones sanitarias La madera debe ser principalmente utilizada por sus propiedades estructurales, estéticas y por la versatilidad de usos que ofrece. El costo, es también una variable a tomar en cuenta. Cuando algunos de los requerimientos de diseño antes mencionados, TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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no pueden ser satisfechos con el uso de la madera, es más conveniente no usarla antes de arriesgarla a un fracaso, ya que ello no hace sino alimentar los prejuicios que tanto daño han hecho en el pasado y que tanto trabajo cuesta erradicar de la mente de ciertos usuarios, financieros, aseguradores y autoridades oficiales. Otro aspecto es el relativo a los desp erdicios, especialmente si es que no se le toma en cuenta desde el tablero de dibujo. No olvidemos que la madera es un material que ya viene “hecho” de la naturaleza, por lo tanto, tenemos que utilizar criterios lógicos de ordenamiento del material y no al revés, como puede suceder especialmente con el concreto u hormigón, cuyas formas se fabrican a voluntad del constructor. La coordinación modular es una ayuda de diseño que puede fácilmente utilizarse en función de las longitudes, secciones y dimensiones d e los elementos, componentes y revestimiento que intervienen en una construcción con madera, sacando el máximo provecho de la disponibilidad del recurso en el mercado y reduciendo su desperdicio tanto durante la fabricación como en el montaje de la edificación. En cuanto al abastecimiento del material en los Países Andinos, es necesario tomar en cuenta que en la mayoría de los casos se encontrarán dos tipos de dimensiones en piezas de madera: la dimensión nominal o comercial que se utiliza para la madera si n habilitar y en estado húmedo y la dimensión real que se emplea en piezas habilitadas, es decir secas y cepilladas. En el Cap. 3 se presenta una relación de escuadrías en dimensión real y su equivalente comercial, donde se muestra que una pieza de 2” x 4” resulta siendo de 40 x 90 mm o una de 6” x 10” deberá considerarse como de 140 x 240 mm. Las dimensiones comerciales son las indicadas para la adquisición de material, transporte y secado de la madera, mientras que las dimensiones reales requieren ser consideradas para las etapas de: preservación, elaboración de detalles constructivos y cálculos estructurales, así como para el almacenaje de componentes. La expresión o representación gráfica en el diseño con madera es distinta, tiene su propia simbología y requiere ser conocida como cualquier otro lenguaje de dibujo. En el Cap. 14 se presentan recomendaciones para la representación gráfica del diseño con madera y un juego completo de planos al detalle que permitirán al usuario familiarizarse con este tema. Finalmente debe mencionarse que el éxito o fracaso de una construcción con madera, depende mucho de la atención que se ponga a los criterios de protección de la edificación a través del diseño, entendiéndose por protección de reducción o eliminación de las causas que deterioran o destruyen la madera, de modo tal que se garantice un buen comportamiento del material en sus funciones estéticas y estructurales. Hay tres mecanismos de protección importante: especificaciones técnicas (Secc. 4.2.3), detalles constr uctivos y tratamientos a la madera. Si se cumple con dar la debida importancia, durante las etapas de diseño, a los tres criterios antes mencionados, las posibilidades de éxito de una construcción con madera serán por lo menos iguales o mayores que las de una construcción tradicional. 4.2.2 Especificaciones Técnicas Por lo general las especificaciones comprenden la redacción de todas las indicaciones que sean necesarias para la ejecución de la obra y que no estén contenidas en los planos. Se componen principalmente de la descripción de los materiales y los procedimientos de construcción a usarse. Esta información escrita debe ser exacta, inteligible y sobre todo posible de interpretar. Por ejemplo: especificar que la madera esté siempre libre de todo defecto puede resultar irreal e innecesario. La calidad requerida debe condicionarse al costo, es decir una mejor calidad o apariencia puede exigirse cuando los costos no están limitados, o en su defecto solamente cuando los requisitos de diseño especifiquen la ausenci a total de determinado tipo de defecto para resaltar las cualidades estéticas de la madera. No es recomendable exigir requerimientos ambiguos o subjetivos como exigir calidad de acuerdo a la “buena práctica constructiva” o a la “satisfacción del proyectist a”. En construcciones con madera las especificaciones más importantes, adicionalmente a la madera estructural y no estructural, son los revestimientos interiores y exteriores. En ese sentido se recomienda, especificar un recubrimiento interior que sea inco mbustible o tenga una resistencia mínima al fuego de acuerdo a las normas y un revestimiento exterior que sea impermeable y resistente a la intemperie. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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En el caso de especificaciones técnicas para madera, éstas se supeditarán al tipo de uso estructural o no estructural de la misma. A continuación se presenta una tabla resumen donde se incluyen los principales aspectos que deben especificarse. Especificaciones Tipo de especie Dimensiones reales Procesamiento (acabado ) Tolerancias Longitudes Grado de clasificación Contenido de Humedad Preservación Resistencia

Madera Estructural Sí (grupos) Sí No necesariamente Sí Referidas a planos Estructural Sí Si es necesario Sí

Madera No Estructural No necesariamente Sí No necesariamente Sí Referidas a planos No Estructural Sí Si es necesario No

4.2.3 Coordinación Modular La utilización racional de la madera y sus productos derivados en la construcción hace necesaria la adopción de criterios dimensionales que hagan su uso eficiente desde las etapas de extracción y transformació n para facilitar luego el diseño, la fabricación y la construcción. Esto se alcanza con la aplicación del Sistema de Coordinación Modular que tiene como objetivo relacionar las dimensiones de los materiales con las dimensiones de los ambientes arquitectóni cos, reducir el desperdicio, aumentar el rendimiento de la mano de obra y acortar los tiempos de construcción. En construcción con madera se utilizan principalmente dos tipos de materiales: los elementos que componen el casco estructural de la edificación y los revestimientos que sirven para reducir esa estructura. Esto implica el uso de elementos principalmente longitudinales, que son las piezas de madera aserrada y el uso de elementos destinados para cubrir una superficie, como son los entablados o tabler os de revestimiento. Ambos elementos poseen formas y dimensiones definidas, ya sea porque vienen “hechos” de la naturaleza o porque son manufacturados de acuerdo a un criterio industrial. Esta es la gran diferencia con la construcción vernacular o tradicio nal, en la cual el barro o el cemento, por ser materiales amorfos, pueden ser moldeados a voluntad del constructor, razón por la cual, la aplicación de una coordinación dimensional no resulta tan crítica como en construcción con madera. El Sistema de Coordinación Modular permite organizar todas las medidas y disponer armónica y ordenadamente las piezas de madera en estructuras entramadas o aporticadas. Con este sistema es posible preparar componentes combinables, labor que en la construcción, como procedimiento esencialmente aditivo de componentes, se ve facilitada por las características propias de la madera (liviana y muy resistente al impacto). La aplicación de alguno de los sistemas constructivos puede requerir madera dimensionada, paneles (pequeños, medianos o grandes) y hasta componentes tridimensionales; todos los cuales deben tener dimensiones coordinadas. La coordinación dimensional se practica mediante el uso de una dimensión base o módulo con el cual se correlacionan las dimensiones de los material es, para simplificar sin desperdicios, las dimensiones de los componentes, de tal manera que puedan ser intercambiables, combinables y flexibles. El módulo base (MB) adoptado por los institutos de normas de muchos países, es de 100 mm por su posibilidad de cubrir, por combinación numérica, una mayor cantidad de materiales empleados en la construcción. En la práctica se utilizan los múltiplos del módulo base para elaborar tramas o retículas de referencia. Las tramas son planos formados por una sucesión de lí neas paralelas horizontales y verticales, separados a distintas moduladas que sirven como ayuda de trabajo para diseñar los diferentes elementos, componentes o proyectos arquitectónicos, que requieran estar organizados a base de un criterio de coordinación dimensional. (Fig. 4.9) La trama modular más recomendable para ser empleada en proyectos de edificaciones de madera es la de 12 MB debido a que los múltiplos o submúltiplos de esta dimensión se encuentran incluidos en muchas partes de las vivienda, tales como: altura y anchos de habitaciones (2400 – 3000 mm), tableros para el revestimiento de muros (1200 – 2400), espaciamiento entre pie-derechos (400 – 600 mm), espaciamiento entre viguetas


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(400 – 600 mm), espaciamiento entre cerchas o armaduras de cubierta (1200 – 2400 mm), luces de techado (2400 – 3000, 6000 – 7200). (Fig. 4,10)

Figura 4.9 Trama modular

Figura 4.10 Trama tridimensional Para preparar componentes se emplea una trama menor que la del proyecto, generalmente 2 MB o 3 MB según la distribuci ón y longitudes totales de los elementos parciales que lo conforman. Con esta trama se hacen las plantillas para la fabricación de paneles para muros, tímpanos y también las aberturas para vanos de puertas, ventanas, cajas de escalera, que son obtenidas de múltiplos de estos valores. En las plantillas de fabricación los elementos que conforman un panel se ubican de la siguiente manera: todas las piezas que forman el borde o perímetro van inscritas dentro de las dimensiones totales del componente, de tal man era que sus caras exteriores coincidan con las líneas finales de la trama; todas las piezas interiores se las coloca haciendo coincidir sus propios ejes con las líneas interiores de las tramas. Para aberturas incluidas en el componente sus dimensiones se t oman netas entre interiores de los elementos que la conforman. Esto es muy importante para preparar el metrado de piezas, así como la lista de cortes transversales, pero sobre todo, para obtener componentes con dimensiones totales modulares que deben acopl arse exactamente junto con otros en el trama del proyecto total. (Fig. 4.11) TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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La construcción con madera requiere de algunas tolerancias en el dimensionamiento de las piezas, en la fabricación de los componentes y en la colocación final de éstos en la obra. Estas varían con el contenido de humedad que posee la madera al momento de la fabricación, el tamaño de los componentes y el proceso de fabricación y montaje utilizado.

Figura 4.11 Muros con medidas modulares Generalmente los componentes tienen una dime nsión menor a la modular para que puedan ser colocados sin dificultad, esta diferencia es absorbida por las juntas entre los elementos. En el capítulo 3 se especifican las tolerancias tanto para la habilitación de las piezas como para la fabricación o cons trucción de componentes. Para la longitud de los muros se especifica que deben construirse 3 mm menos de la dimensión teórica. Es decir, si un muro o panel tiene 2,400 mm de largo, debe fabricarse como de 2,397 mm y sobre esa dimensión se permite una toler ancia de más o menos 2 mm. Esto significa que el panel tendrá un largo mínimo de 2,395 mm y un máximo de 2,399 mm. Para la altura de los muros debe considerarse la dimensión teórica y una tolerancia de más o menos 2 mm. (Fig. 4.12)

Figura 4.12 Tolerancias en el dimensionamiento de paneles de muro Para el caso de cerchas o armaduras y tímpanos se debe tener una tolerancia de mas o menos 0.5 mm por metro de longitud. La altura debe tener una tolerancia de más o menos 1 mm por metro de altura. (Fig. 4.13)

Figura 4.13 Tolerancias en el dimensionamiento de cerchas o tímpanos Para la ubicación de los componentes dentro de la trama del proyecto se presentan las siguientes alternativas: a) Colocarlos haciendo coincidir una de sus caras con la línea de la trama. b) Colocarlos haciendo coincidir sus ejes con la línea de la trama. c)


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Colocarlos en zonas neutras abiertas en la trama que tienen el espesor del componente. (Fig. 4.14)

Figura 4.14 Ubicación de los componentes dentro de la trama Los distintos encuentros que pueden ocurrir entre componentes hacen escoger una u otra posición respecto a la trama modular. 2 El siguiente ejemplo muestra una vivienda de 75 m de construcción que utiliza un módulo básico de 100 mm, dos módulos para diseño de componentes (MC) de 2 00 mm y 300 mm y un módulo para el diseño del proyecto (MP) de 1200 mm. La vivienda se diseñó sobre la base de una trama modular de 1200 x 1200 mm y tiene 6 MP de ancho y 9 MP de largo. En este caso los tres muros portantes distanciados cada 3 MP están ubicados en zonas neutras, lo que permite que los muros transversales se ubiquen entre ellos sin ningún inconveniente y de acuerdo a las necesidades de diseño. Las dimensiones modulares de los ambientes arquitectónicas son: Porche : 1MP x 3 MP Estar comedor : 5MP x 3 MP* Cocina : 2MP x 2.5 MP** Dormitorio 1 : 3MP x 3.5 MP* Dormitorio 2 : 3MP x 2.5 MP* Dormitorio 3 : 3MP x 2.5 MP* Baño : 2MP x 1 MP Corredor : 1MP*x 3.5 MP Vivienda : 9MP x 6 MP*** NOTA: MP* : indica menos 1 espesor de muro MP** : indica menos 2 espesores de muro MP***: indica más 3 espesores de muro En el caso de los paneles de muro se utilizaron dimensiones de 600 x 2400 y 1200 x 2400. En ellos se incluyeron 2 tipos de paneles ciegos, 3 tipos de paneles de ventana y 2 tipos de paneles de puerta tal como se ilustra en la Fig. 4.15.

Figura 4.15 Tipo de paneles de muro TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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A continuación se ilustra el modo como se distribuyen los paneles en la vivienda. (Fig. 4.16). Estos fueron diseñados para descansar en una solera de zóca lo y recibir un revestimiento de malla de metal expandido de 1200 x 2400 mm y enlucido cemento – arena. Encima de los paneles se colocan: la solera de amarre, los tímpanos portantes y de arriostre, el cielo raso y la cobertura.

Figura 4.16 Distribución de paneles de muro en vivienda modular 4.2.4 Control Dimensional La madera por sus características orgánicas está sujeta a fluctuaciones en su contenido de humedad, debido principalmente a cambios en la humedad relativa y en la temperatura del ambiente, que induc en a variaciones dimensionales. La Fig. 2.3 muestra la fluctuación de la humedad de equilibrio de la madera para diferentes niveles de humedad relativa y variaciones de temperatura entre 5°C y 35°C. La variación dimensional depende del tipo de especie y de la dirección del grano. El movimiento a lo largo de la pieza (o del grano) es casi nulo, pero puede ser considerable en la dirección perpendicular al grano. En este sentido el movimiento es mayor tangencialmente, es decir en la dirección tangencial a los anillos del crecimiento, que en el sentido opuesto o radial (perpendicular a los anillos de crecimiento). La Fig. 1.7 muestra los cambios dimensionales típicos en el sentido longitudinal, radial y tangencial. Asimismo en la Tabla 1.3 se presentan los coefi cientes K de contracción (expansión) total (de condición verde a estado anhidro). Resulta muy importante tomar en cuenta este aspecto en las etapas de diseño de elementos de madera, siendo prever el porcentaje de CH que absorberá o expulsara la madera una vez en uso y equilibrada con el medio ambiente. Esto permitirá determinar la expansión o contracción que sufrirán las piezas, lo cual podrá ser controlado estableciendo las debidas tolerancias constructivas. Este aspecto es particularmente importante cuand o los componentes son fabricados en un lugar y se erigen en otro con características de humedad relativa y temperatura diferentes. Es por eso que se recomienda que la madera esté secada al mismo contenido de humedad que será alcanzado una vez que se equili bre con el medio ambiente del lugar de uso. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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A manera de ejemplo, se incluye el siguiente caso práctico: Una viga de Sande con un CH de 20 por ciento será trasladada a la obra cuyo equilibrio de contenido de humedad alcanzará al 12 por ciento. ¿Qué dimensió n deberá tener la viga de madera para que en condiciones de uso alcance 90 x 240 mm? En la Secc. 1.3.2 se incluye una fórmula que permite determinar la variación dimensional por unidad de ancho o alto de la sección.

EoC 

K

CH f  CH i PSF

x

k 100

Donde: E,C = Expansión (sí es positiva), Contracción (sí es negativa) CH f = Contenido de humedad final Ch I = Contenido de humedad inicial PSF = Punto de Saturación de las fibras = Coeficiente de contracción (expansión) total, radial o tangencial (el que se esté calculando). Hay que recordar que el PSF promedio se alcanza al 30 por ciento de CH, por lo tanto la contracción puede ocurrir sólo a partir del PSF y la expansión puede presentarse hasta el nivel del PSF. (Esto para casos de piezas de madera cuyo CH alcance o provenga de porcentajes mayores de 30 por ciento). Considerando que la pieza de madera tiene un corte radial se tiene: CH f = 12% Ch i = 20% PSF = 30% K = 3.8% (R), 8.3% (T) Tabla 1.3

12  20 3.8 x x 240 mm 30 100 C (R)  2.432mm de contracciòn en la direccîón radial

C (R) 

C (T) 

12  20 8.3 x x 90 mm 30 100

C (T) = -1.992 mm de contracción en la dirección tangencial. Significa que la pieza deberá tener 92.4 mm de ancho y 241.99 mm de peralte para que alcance dimensiones finales de 90 x 240 mm. Si fuera el caso contrario de expansión, la fórmula se aplicaría d el mismo modo, con los mismos resultados pero positivos, siendo necesaria una dimensión de 88.0 x 237.6 para que una vez equilibrado el CH, alcance una dimensión de 90 x 240 mm. 4.2.5 Factores para Reducir Costos de Construcción En la construcción de edificacion es de madera, el aspecto de costos es tan importante como en construcción tradicional, pero se tienen ventajas comparativas por la naturaleza misma de la técnica y los procedimientos constructivos. Los siguientes son aspectos que pueden ser de utilidad. Reducción de Costos por Diseño  Las plantas rectangulares de vivienda han demostrado ser más económicas que las cuadradas, en forma de “L” o de “U”, aunque no siempre por la reducción en la longitud de los muros.  El diseño de la edificación debe contemplar la disponibilidad comercial de secciones y longitudes de piezas de madera y de elementos de revestimiento. Esto reduce desperdicios y favorece la rapidez de erección y montaje.


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

Es conveniente concentrar la ubicación de las instalaciones sanitarias, no sólo p ara disminuir su recorrido, sino para reducir en caso necesario la cantidad de paneles sanitarios.  Establecer etapas de crecimiento horizontal y vertical para reducir el área, pero en función de las necesidades futuras. Reducción de Costos por Elección de Materiales  Usar especies agrupadas como adecuadas para la construcción (Secc. 3.5) que sean menos conocidas y cuyo costo es menor a pesar de comportarse igual o mejor que las de uso más difundido.  Es deseable utilizar de ser factible, los materiales y comp onentes disponibles en el mercado que tengan dimensiones comerciales fáciles de conseguir evitando pedidos especiales que siempre encarecen su valor.  Al elegir los materiales debe conciliarse el costo directo con el de mantenimiento. Por ejemplo, invertir inicialmente en elementos de unión galvanizados o resistentes a la corrosión, significa un desembolso ligeramente mayor pero justificado considerando el ahorro en gastos de mantenimiento posteriores. Reducción de Costos por Construcción  La recepción de materiales en obra debe seguir un ritmo pre -establecido de manera de reducir al mínimo la necesidad de almacenamiento, y por lo tanto los costos de operación en obra.  En algunos casos puede ser conveniente pre -ensamblar algunos componentes en la planta para facilitar un rápido montaje.  El transporte y manipuleo deben reducirse al mínimo lo que permitirá ahorrar en mano de obra y acelerar la velocidad de montaje.  Aunque las características y magnitud de la obra determinarán el sistema constructivo más apropiado, aún con mano de obra disponible puede ser conveniente utilizar un cierto nivel de tecnología intermedia, incluyendo algún tipo de maquinaria y prefabricando piezas y componentes. En la Secc. 4.3 se presentan las ventajas y desventajas de diferentes siste mas constructivos.  Los sistemas constructivos con madera se prestan mucho no sólo a ser auto construidos, sino sobre todo auto -fabricados. Por el tipo de herramientas que se utilizan y por la versatilidad de uso de la madera, es posible implementar program as dirigidos hacia individuos o comunidades, que con poca calificación, están en condiciones de adquirir, fabricar y/o construir progresivamente en un lapso relativamente largo, sin cargas financieras ni crediticias y al ritmo que imponga la propia capacidad adquisitiva de los usuarios.

4.2.6 Acabados y Mantenimiento Además de la pintura y el resanado, comunes a cualquier edificación, el mantenimiento y reparación en edificaciones de madera fácil y permite la sustitución de elementos y componentes eventualmente dañados por problemas de filtración, condensación, ataque de hongos e insectos y modificaciones de forma y tamaño de las habitaciones. Para que el mantenimiento sea mínimo y poco costoso es necesario tomar las precauciones del caso desde la etapa de diseño, fabricación y construcción, eligiendo sobre todo, acabados de buena calidad que protejan y hagan durable a la edificación. A continuación se señalan algunos criterios que deben ser contemplados durante la aplicación de acabados y mantenimiento: La superficie de la madera puede cubrirse con materiales y otras sustancias para facilitar su limpieza y protegerla de la erosión por intemperismo y del desgaste por el uso. Debe tenerse en cuenta que el acabado sobre la madera, al obstruir sus poros, evita la entrada de esporas de hongos y además que los insectos depositen sus huevos en ella. Otras razones para pintar la madera, son las de retardar los cambios de humedad, la combustión por el fuego o simplemente, para aumentar la reflexión de la luz en las habitaciones oscuras. El acabado de la madera puede ser dado con pinturas y esmaltes opacos, que ocultan su grano y color; con barnices, lacas, aceites y ceras transparentes que mejoran su apariencia o con tintes y colorantes que alteran su color pero no mejoran su brillo y


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textura los cuales dependen del tipo de madera. La elección de uno u otro acabado depende principalmente de los costos y las posibilidades de mantenimiento. En el interior de la vivienda lo más económico es aplicar tres capas de emulsión a todas las paredes y cielo rasos. En cocinas y baños se requiere pintura lavable mate o brillante. En exteriores las pinturas son más resistentes que los barnices y se recomienda que sean de tipo esmalte o hidrófugas. Los materiales de acabado deben ser de buena calidad y deben aplicarse en maderas limpias y secas. Después de la primera capa, los agujeros de clavos, grietas y otros defectos deben ser tapados con masilla u otro sellador apropiado. Las piezas de madera usadas exteriormente y en especial los extremos o cabezas de las mismas, deben estar protegidas con materiales que repelen el agua, particularmente en las juntas y ensambles. Una casa bien construida y con materiales adecuados requiere mucho menor mantenimiento que una casa mal construida y con materia les de baja calidad. El mayor costo inicial se justifica con el menor gasto futuro en la conservación de la vivienda. Algo de reparación puede esperarse en el primer año. Por ejemplo en el acabado de las paredes interiores pueden aparecer grietas y alguna de las puertas puede atascarse. Esto suele ocurrir luego que la madera alcanza un contenido de humedad que está en equilibrio con el medio ambiente o luego que los elementos estructurales se deforman una vez cargados en forma permanente. El usuario de la edificación debe desarrollar un continuo plan de mantenimiento y reparación a través de los años. Por ejemplo: a) Revisar que las aberturas de ventilación debajo de un piso de madera elevado, aleros y tímpanos no estén obstruidas por plantas, objetos depositad os, basura, etc. o que la malla mosquitero no esté rota. b) Revisar los sistemas de evacuación de agua de lluvias como rotura o grietas en el material de cubierta, obstrucción o rotura del canal de recolección y tubo bajante. Eficiencia de las zanjas de drena je. c) Limpieza constante de los elementos de madera, pisos, muros, estanterías y otros muebles fijos. d) Inspección de zonas humedecidas permanentemente buscando la fuente. e) Revisión de los sistemas de agua y desagüe para detectar fugas de agua, humedecimiento, condensación y vibraciones. f) Mantener los sistemas de control del ataque de termites subterráneos, mediante una renovación de envenenamiento del suelo alrededor de los cimientos, limpieza de los escudos metálicos y posibles rutas de acceso, así como elimina ción de restos de materiales lignocelulósicos posibles de convertirse en foco de infección. g) Ajuste de aquellos elementos de unión que por razones de contracción de la madera hayan quedado desajustados después de un tiempo.

4.3

SISTEMAS ESTRUCTURALES

4.3.1 Uniones Estructurales Las piezas de madera aserradas en las dimensiones requeridas, son unidas entre sí para formar componentes. La unión permite la continuidad constructiva y transmite las fuerzas que actúan entre los elementos, debiendo estas piezas permanecer fij as para conservar la forma original del conjunto. Por medio de las uniones se pueden obtener elementos de cualquier longitud, traslapando sucesivamente las piezas, o también de cualquier ancho mediante la adición de piezas paralelas. Ambos recursos son muy ventajosos ya que al trabajar con piezas pequeñas el desperdicio es menor y su manipuleo así como su fijación más simple. Los encuentros entre piezas de madera pueden darse por cualquiera de sus lados o superficies (Secc. 3,4) y estos pueden ser en forma perpendicular, paralela, inclinada o con rebajo. (Fig. 4.17). Los dispositivos que se emplean para construir las uniones en construcciones con madera se conocen con el nombre de elementos de unión. Los más usados son: clavos, pernos, tirafondos, zunchos, pletinas y ángulos metálicos, que no sólo sirven para TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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uniones entre maderas sino para madera con acero u hormigón. (Fig. 4.18) Existen otros, como las planchas de clavos, pero no se fabrican localmente. De todas las uniones las más fáciles de fabricar y ver ificar son las uniones clavadas, la mayoría de las uniones en construcción liviana se hacen con clavos. (Fig. 4.19)

4.3.2 Sistema Entramado En este sistema la estructura está constituida por elementos de sección transversal pequeña y a su vez muy esbeltos, pero dispuestos a cortar distancia entre ellos. Generalmente, tienen el mismo espesor pero varían en el ancho y en la longitud. Con ellos se construyen los distintos componentes tales como muros, pisos, entrepisos, techos, todos ellos arriostrados o cubiertos p or entablado o por tableros conformando volúmenes arriostrados entre sí, resultando en una rigidez del conjunto similar a la de un casco o caja en donde las cargas se transmiten en forma repartida. Existen dos variantes principales en este sistema: el entr amado plataforma y el entramado global o integral. a) Sistema Entramado Plataforma En este sistema el piso es construido a modo de una plataforma, sobre la cual se erigen los muros.

Figura 4.17 Encuentro entre elementos de madera Los muros reciben a la plataforma del piso superior o directamente al techo. La plataforma del piso está compuesta por viguetas paralelas y por entablado o tableros TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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como revestimiento estructural, el cual se clava directamente a las viguetas. El piso descansa sobre la solera de zócalo en caso de una cimentación corrida o sobre vigas en una cimentación de pilotes o pilastras. (Fig. 4.20a).

Figura 4.18 Elementos de unión. Los muros están compuestos por pie-derechos paralelos en cuyos extremos tienen soleras clavadas a ellos. Los mur os, con o sin revestimiento, se colocan sobre la plataforma del piso y se fijan desde sus soleras inferiores a las viguetas. Los pie derechos de los muros colindantes se clavan entre sí. Encima de las soleras superiores de los muros se coloca otra solera t raslapada que va enlazándolos que se conoce como solera de amarre. Los techos entramados pueden tener diferentes inclinaciones, descansan sobre los muros portantes y están formados en algunos casos por viga cumbrera, viguetas o pares y cuerdas o tirantes de cielo raso. Por el exterior pueden estar revestidos por entablado, tableros, o llevar correas espaciadas de acuerdo al tipo de cubierta que se utilice. En el interior la estructura puede quedar vista u oculta por un cielo raso. El sistema entramado plataforma, por su simplicidad, es el más usado y puede ser aplicado con diferentes técnicas de construcción. Permite fabricar los componentes en forma artesanal o industrial, para luego ser montados en la obra. Los componentes resultantes son livianos, fáciles de transportar en camiones normales y no necesitan de grúa para su erección. Es posible empotrar las instalaciones en la cámara de aire que se crea entre los revestimientos, la cual en sí colabora con el aislamiento o puede servir para la colocación de materiales aislantes. b) Sistema Entramado Global o Integral La diferencia más saltante con el Entramado Plataforma es que los pie -derechos de los muros exteriores y de algunos muros interiores tienen dos pisos de altura, acabando en las soleras superiores de amarre, las que reciben directamente al techo. (Fig. 4.20b) En el primer piso los pie-derechos están clavados cara a cara con las viguetas y ambos se apoyan sobre la solera de zócalo. En el segundo piso las viguetas descansan sobre un listón de apoyo y se clavan a los pie-derechos de la misma forma que en el primer piso. El listón de apoyo es una pieza horizontal encajada a los pie -derechos de los muros portantes. Las viguetas laterales paralelas y en contacto con los muros son clavadas a los pie-derechos. El revestimiento tanto de pisos como de muros debe colocarse en la obra. Los techos son similares al sistema plataforma. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 4.19 Uniones clavadas más comunes En uso de este sistema no es muy difundido y no se presta fácilmente a la prefabricación de los componentes, tanto por el tamaño de los mismos, como por su forma de ensamblaje. Además los detalles constructivos no son convenientes cuando se usa madera húmeda. Sin embargo, en ellos es muy fácil el tendido de tuberías y cables verticalmente, así como la colocación del aislamiento.

Ventajas y Desventajas del Sistema de Entramado El sistema entramado puede ofrecer más ventajas que desventajas especialmente si se trata de construcción de viviendas. Estas pueden resumirse como sigue: 1. Menores costos de construcción (mínimo entre 5 a 15 por ciento) en relación con la construcción tradicional de ladrillo. 2. Mejores propiedades de aislamiento que incrementan el confort y que por lo general permiten prescindir de métodos de acondicionamiento mecánico.


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Gran flexibilidad en el diseño, adaptándose a cualquier tipología arquitectónica aplicando criterios de coordinación dimensional. Alta productividad en la mano de obra, tanto en la etapa de fabricación como de erección. Bajo nivel de mecanización, tanto para la fab ricación como para el montaje de componentes. Métodos de unión sencillos y baratos, especialmente cuando se generaliza el uso de clavos.

Figura 4.20 Sistemas Entramados La mayoría del trabajo es en “seco”, tanto en planta como en la obra, lo cual independiza la construcción de la estación climática. Es un sistema que ofrece grandes posibilidades de prefabricación con posibilidades de aplicar niveles de complejidad. Buena durabilidad si se tiene en cuenta aspectos de protección por diseño, buenos detalles constructivos y especificaciones técnicas.


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10. El tiempo de construcción es mucho más rápido. La estructura puede ser fabricada y erigida en un lapso máximo de una semana, lo cual hace posible que la vivienda esté lista para sé ocupada en no más de 8 semanas, a diferencia de los 6 a 9 meses necesarios para construcción tradicional. 11. La posibilidad de ocupación más temprana, hace posible reducir los gastos de administración y financiación, recuperar la inversión inicial más rápidamente y pagar tasas de interés m as baja 12. Salvo algunas operaciones específicas, la práctica ha demostrado que se requiere mano de obra sin mayor calificación durante la secuencia de fabricación y montaje lo que lo convierte en un sistema apropiado para regiones con exceso de mano de obra no calificada. 13. Este tipo de sistema utiliza por lo general elementos con secciones y longitudes cortas lo cual convierte en un sistema ideal para lugares donde la madera tropical no se encuentra disponible en grandes dimensiones 14. La versatilidad de la construcción hace posible que los tabiques internos puedan ser removidos y cambiados de lugar en razón de las necesidades funcionales y arquitectónicas de los usuarios. Existen sin embargo algunas desventajas en el uso de este sistema estructural. 1. Dadas las características del sistema se requiere gran cantidad de buenos detalles constructivos para asegurar un adecuado comportamiento en la construcción. 2. Considerando que el sistema entramado consiste en la interconexión de muchas piezas relativamente pequeñas, se puede esperar que existan más problemas por variación dimensional de los componentes. 3. Sin una fabricación estandarizada y sin la aplicación de coordinación modular, es más probable un mayor desperdicio que con otros sistemas, debido a la mayor cantidad de piezas pequeñas que hay por organizar. 4.3.3 Sistema Poste y Viga Como su nombre lo indica este sistema está constituido por vigas y columnas, que se colocan a modo de pórticos. Típicamente éstos van espaciados a alrededor de 1.5 m si están unidos por entablonado, o a alrededor de 3.50 si van unidos por viguetas más entablado o tablero. Transmiten la carga al nivel inmediato en forma concentrada. Este sistema se emplea tanto para construcciones livianas, de uno o dos pisos, como para pesadas o de tres pisos o más . (Fig. 4.21) Economiza mano de obra porque son pocos elementos de fácil ensamblaje. El diseño de la edificación es muy flexible en el cerramiento de los distintos ambientes. Generalmente no requiere dinteles en aberturas para puertas o ventanas, éstas se colocan entre las columnas o postes y pueden tener toda la dimensión del vano. No se requiere cielo raso ya que las vigas y el entablado del techo, sea éste plano o inclinado, pueden quedar vistos interiormente. Los aleros son fácilmente logrados colocando vigas que sobresalgan la magnitud requerida sobre los muros. Con este sistema pueden erigirse edificaciones en cualquier tipo de terreno, especialmente en aquellos con pendientes muy fuertes o anegadizos. Las limitaciones de este sistema pueden ser resuel tas mediante un cuidadoso diseño. Es necesario proporcionar estabilidad lateral especialmente en muros, mediante elementos diagonales de arriostre. Las instalaciones y sanitarias son difíciles de esconder, debido a la falta de espacios vacíos en muros y te chos, para lo cual es necesario el empleo de ductos.

Ventajas y Desventajas del Sistema de Poste y Viga Existen algunas ventajas que pueden ser aprovechadas a través del uso de un sistema de poste y viga: 1. El efecto arquitectónico del acabado es tal vez lo más destacable debido a que las columnas, vigas y entablados pueden ser barnizados de modo tal que conserven su color natural, su textura y dirección del grano, lo que permite un efecto estético muy agradable. 2. Libertad de diseño. Como la tabiquería en un s istema de poste y viga normalmente no resiste cargas verticales, su ubicación no está controlada por consideraciones TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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estructurales. Esto permite al diseñador máxima libertad en la distribución interior de la planta arquitectónica. Velocidad de erección debido a que es posible obtener un ahorro sustancial de mano de obra, siempre y cuando se apliquen ciertos detalles arquitectónicos apropiados. Esta afirmación se basa en lo siguiente: las piezas, por lo general son más largas y se utilizan en menor cantidad que en un sistema de entramado convencional. Debido a la presencia del entablonado, se elimina la necesidad de arriostramiento de las viguetas. Los elementos de unión utilizados son tal vez más grandes, pero se requiere menor cantidad. La cobertura del tec ho puede ser montada muy rápidamente, lo que permite que los trabajos pendientes sean hechos con la debida protección climática.

Figura 4.21 Sistema poste y viga Reducción en la altura de la edificación, debido a que en un sistema de poste y viga, la altura de las habitaciones es medida desde el piso hasta la cara inferior del entablonado, mientras que en construcción tradicional es medida desde el piso hasta el canto inferior de la vigueta. Esto hace posible un ahorro en los revestimientos interiores y exteriores, en la longitud de los pie -derechos, así como en la fabricación de escaleras, instalaciones sanitarias y otro tipo de servicios.


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Existen sin embargo algunas limitaciones en el uso de este sistema pero son relativamente fáciles de resolver, si se presta especial atención durante las etapas de diseño: 1. El entablonado de piso está diseñado para resistir cargas uniformes y moderadamente bajas y no se espera que resista cargas concentradas y relativamente altas. Cuando este tipo de cargas ocurre, como en el caso de muros portantes, tinas para baño, refrigeradoras, etc. se hace necesario reforzar el entablonado por debajo para transmitir las cargas a las vigas, lo cual puede “ensuciar” el aspecto estético concebido inicialmente. (Fig. 5.32) 2. En climas moderados es suficiente el aislamiento que provee el entablonado de 50 mm de espesor, pero en climas más severos puede requerirse cierto tipo de aislamiento, lo cual puede incrementar los costos de construcción. 3. La localización del sistema de distribución elé ctrica y sanitaria puede presentar un problema, debido a la falta de espacios en el cielo raso que permitan esconder el tendido de ductos, alambres y tuberías, por lo que ciertos detalles apropiados deben ser considerados en la etapa de diseño. 4. Considerando que todo el trabajo de carpintería en una construcción de poste y viga debe ser de un buen nivel de acabado, debe preverse un cuidado especial para proteger las piezas durante el transporte, manipuleo y montaje. Debe evitarse asimismo cualquier posibilidad de decoloración debido a la inclemencia climática o a una exposición dispareja ante la luz solar.

4.3.4 Sistema de Armaduras Es el sistema de techado conformado por cerchas, armaduras o tijerales que cubren alrededor de diez metros de luz y están espaciadas e ntre 0.60 a 1.20 m. Las cerchas o armaduras de cubierta, como también se las conoce, son elementos estructurales de mucha resistencia y muy económicos, tanto en mano de obra como en materiales (Fig. 4.22.) Para la fabricación de las cerchas se emplean esbe ltas y de poca longitud, ya que éstas pueden empalmarse a todo lo largo de la cercha. Son fáciles de prefabricar y almacenar. Por su propio peso no tienen problemas de transporte y el montaje se realiza en forma manual. Por los esfuerzos a que están someti dos sus elementos, las armaduras no deben ser cortadas o taladradas en ningún lugar. El espacio que queda en su interior forma una cámara de aire que protege a los ambientes de la radiación solar y puede ser usado para correr los cables de energía eléctrica, ductos de aire acondicionado, la chimenea y para colocar el tanque de agua. Existen distintos tipos de cerchas, las cuales se emplean de acuerdo a las necesidades particulares de la edificación. Pueden tener una sola agua, dos aguas, cuerdas superiores casi paralelas sólo con una ligera pendiente. (Fig. 11.1.) Ventajas y Desventajas del Sistema de Armaduras Existen muchas ventajas que pueden ser aprovechadas haciendo uso del sistema de armaduras: 1. Por la características del sistema el peso muerto es bajo resistiendo sobrecargas eficientemente. 2. Cada uno de los elementos de una armadura puede ser diseñado y ubicado de tal manera que su capacidad final sea mucho mayor que la de una viga sólida de madera. 3. Las armaduras son muy fáciles de fabricar y pueden ser producidas masiva y eficientemente. 4. Especialmente para armaduras ligeras no son necesarios procedimientos de erección complejos que pueden ser realizados por mano de obra no especializada. 5. La capacidad de cubrir grandes luces generalmente elimina la necesi dad de disponer interiormente de paredes portando, ofreciendo de este modo una gran flexibilidad de diseño en la planta arquitectónica. 6. Dependiendo de la luz, la pendiente y el espaciamiento, el sistema de armaduras puede significar un ahorro sustantivo de material y sobre todo el techo puede ser erigido en una fracción del tiempo que suelen tomar otros sistemas tradicionales en TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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madera. De este modo la construcción se encuentra inmediatamente protegida del clima, por lo tanto, la velocidad de construcción e s mayor y el costo final menor. El sistema de armaduras ofrece una gran variedad de pendientes de techo y formas de cielo raso, dándole al diseñador muchas alternativas para obtener efectos visuales agradables tanto interior como exteriormente. Incluso en el caso que la armadura sea de cuerdas paralelas, es decir, para un techo plano, el sistema favorece el acondicionamiento del espacio a través de un adecuado aislamiento y sobre todo ventilación. Considerando que las armaduras son diseñadas para cada ocasi ón que van a ser usadas, es posible proponer condiciones de carga y formas estructurales especiales sin que esto represente mayores problemas. Para la mayoría de luces utilizadas en viviendas las necesidades de elementos de unión pueden ser cubiertas mediante la utilización de clavos, lo que facilita la fabricación y hace económica la solución final.

Figura 4.22 Sistema de armaduras 10. Por lo general las barras y las cuerdas de las armaduras pueden ser fabricadas con piezas cortas y de poca sección, ya sea u niéndolas para conseguir más longitud o en su defecto fabricando la armadura en dos mitades que son unidas en la obra. El sistema de armadura ofrece muy pocas limitaciones: 1. En lugares con sistemas deficientes de comunicación vial pueden existir problemas para transportar armaduras muy largas o de mucho peralte debido al ancho y las curvas de las carreteras, así como a la altura de los puentes y cables aéreos. 2. Para armaduras muy pesadas pueden ser necesario equipos de erección sofisticados lo cual agrega cos tos o hace imposible su uso en algunas zonas alejadas. 3. La armaduras que requieren uniones con cartelas metálicas, pernos, conectores o colas sintéticas, requieren mano de obra semi -calificada que no siempre se encuentra disponible.


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SISTEMAS CONSTRUCTIVOS

4.4.1

Introducción

La construcción con madera puede llevarse a cabo con distintos sistemas de fabricación, los cuales se diferencian principalmente por la cantidad de trabajo realizado en la fábrica o en la obra; desde la transformación de la madera a piezas de d istintas secciones y tamaños hasta la fabricación completa de elementos volumétricos (Fig. 4.27) cada uno de los cuales requiere equipos suficientes de acuerdo a la cantidad de construcciones por realizar. Los sistemas constructivos pueden ser agrupados en : 1. Vernacular: Utilizar sistemas y materiales de construcción tradicionales ejecutado completamente e el lugar de la obra. 2. Habilitado o Semi-Precortado: Que utiliza madera cortada en los aserraderos en sección transversal, dejando los cortes en longitud, pe rforaciones y rebajos a ser ejecutados en la obra. 3. Precortado: Es decir, que emplea elementos prefabricados en la planta transportados a la obra y allí ensamblados para luego ser erigidos. La proporción del trabajo en planta es aproximadamente igual al de la obra. 4. Prefabricación parcial: Que incluye gran parte del trabajo en planta prefabricando paneles y componentes completos que son montados en la obra.

Figura 4.23 Tipos de sistemas constructivos con madera TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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5.

Prefabricación total: Donde el trabajo en obra se limita a montar elementos volumétricos como techos o ambientes completos que incluyen instalaciones, accesorios y en algunos casos hasta acabados, limitándose a un mínimo el trabajo en obra. La figura 4.23 explica gráficamente los sistemas constru ctivos descritos en esta sección Puede observarse que existe otra posibilidad de clasificar los sistemas constructivos, de acuerdo a su grado de industrialización. Sistemas Constructivos No – Industrializados. 1. Vernacular 2. Habilitado o Semi-Precortado Sistem a Constructivos Semi – Precortado 3. Precortado Sistemas Industrializados 4. Prefabricación Parcial (paneles y componentes) 5. Prefabricación Total (elementos volumétricos)

4.4.2 Sistemas Constructivos No-Industrializados Son aquellos donde la cantidad de trabajo hecho en la planta es mínima y la principal característica es el uso de tradición local y materiales de construcción con muy poca o ninguna transformación (es decir, manera rolliza, adobe, caña, paja, etc.) Estos sistemas constructivos son principalmente utiliz ados para construir arquitectura vernacular en especial para uso habitacional y comercial donde la actividad doméstica TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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prevalece sobre esta última. Otro uso de estos sistemas es para fines constructivos de carácter agropecuario consistente en graneros, cor rales, granjas, establos, etc. En menor escala dichos sistemas han sido utilizados para construir viviendas taller o pequeñas industrias de tipo artesanal.

1.

Sistema Vernacular

En sin lugar a dudas el sistema de construcción más antiguo utilizado en el lugar de la obra usando materiales locales y métodos de construcción vernácula res. La materia prima es casi siempre material con nada o poca transformación y proviene de las áreas aledañas a la construcción. El ensamblaje y montaje de las uniones es llevado a cabo utilizando métodos tradicionales, aplicándose muy poca tecnología moderna así como sistemas de transporte pesado. Este es el método de construcción más popular en todos los países andinos y sus variaciones responden a las diferentes condiciones geográ ficas o climáticas del lugar. La madera es uno de los materiales de construcción más comunes especialmente en techos donde se la usa en forma de madera rolliza o azuelada apoyada en muros de adobe, de piedra, o de madera, caña y barro. Este último tipo de muro consistente en parantes de madera, revestidos con caña y barro es muy popular en los países andinos y se le conoce con los nombres de; “Quincha”, “Bahareque” o “Bajareque”. Su origen se remonta a la época colonial y ha sido tradicionalmente apropiado para resistir temblores tan comunes en las zonas andinas.

2.

Sistema Habilitado o Semi – Precortado

Este es un sistema constructivo en el uso de piezas de madera que llega del reaserradero o depósito con las secciones finales habilitadas y listas para ser usa das procediéndose a ejecutar en la obra los cortes en longitud, rebajos, destajos, perforaciones, etc, que sean requeridos para proceder a la fabricación y erección de los componentes. En este tipo de sistema se requiere el empleo de mano de obra semicalif icada en condiciones de usar herramientas de carpintería simples como martillo, escuadra, prensa, compás, serrucho, etc. Este tipo de construcción no es tan popular como la vernacular y su uso está más difundido en los lugares cercanos a los abastecedores de materiales de construcción ya transformados. Se requiere, a diferencia del anterior sistema, cierta documentación técnica como planos, listados de piezas y detalles arquitectónicos para la fabricación y erección de componentes, lo que permite obtener un producto final con acabados mejor presentados.

4.4.3 Sistemas Constructivos Semi – Industrializados Son aquellos donde el número de repeticiones de algunos elementos constitutivos es suficientemente grande como para ser prefabricados en gran escala pero sin la necesidad de completar el ensamblaje de paneles, componentes o elementos volumétricos. En este tipo de sistemas el porcentaje de trabajo realizado en planta se considera casi igual al realizado en el lugar de la obra.

3.

Sistema Pre – Cortado

Es considerado el método más antiguo de prefabricación y uno de los más populares para atender la actual construcción con madera. Consiste en emplear madera habilitada tanto en sección como en longitud incluyendo los rebajos, destajos, perforaciones, etc. listas para ser erigidas en el lugar de la obra. Este sistema resulta ser en buena cuenta un sistema de prefabricación de elementos constructivos. El precortado de piezas de madera puede ser realizado bajo condiciones que permitan un buen control de calidad y de exactitud de las piezas y por lo general, representa un método de construcción económico en pequeña escala.


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Con la finalidad de asegurar uniformidad en las piezas y precisiones en las dimensiones, los elementos una vez pre -fabricados son preensamblados con ayuda de prensas en plantillas apropiadas donde se verifican las dimensiones y procede cualquier corrección antes de empezar a prefabricar elementos similares en serie (Fig. 4.24.) Después de ser prefabricadas las piezas precortadas deberán ser marcadas para su posterior identificación durante el ensamblaje en la obra. Durante el almacenaje o posterior despacho de las piezas a la obra éstas deberán, en lo posible, ser agrupadas en función de su ubicación final para reducir pérdidas o confusión de las mismas

Figura 4.24 Precortado

Ventajas y Desventajas Industrializados

de

los

Sistemas

de

Construcción

Semi -

El sistema pre-cortado se está popularizando mucho últimamente debido a la reducción de costos de construcción por la reducción del trabajo en obra y por las ven tajas en el transporte de elementos pre-cortados sin desperdicio de espacio. Esto se debe a que debido a la ausencia de ensamblaje en la fabricación, las piezas son transportadas a la obra tal y como fueron transformadas en la planta. El costo de transport e puede ser menor ya que los elementos de madera no están constituyendo paneles, componentes o elementos tridimensionales que ocupan mucho más espacio. Este sistema constructivo no usa maquinaria sofisticada para las operaciones de prefabricación y puede ser aplicado sin problemas en pequeñas carpintería, siempre y cuando se justifique el número mínimo de repeticiones de los elementos de madera. Los elementos pre-cortados son fácilmente apilados de acuerdo a ciertos códigos de identificación que son los mismos incluidos en los planos de construcción de tal manera que su identificación, transporte y manipuleo puede ser realizado muy fácilmente. Una desventaja la constituye el hecho de contar con una variedad de piezas diferentes, algunas de ellas muy pequeñas que pueden extraviarse y demorar una secuencia constructiva pre-establecida. Cuando una pieza precortada no ha sido bien medida, verificada y corregida, puede causar grandes contratiempos cuando al ser usada como plantilla de otras el error se repite, salvo que existan períodos constantes de pre -ensamblaje y verificación que aumentan innecesariamente los costos de producción. El sistema de precortado es particularmente apropiado para la prefabricación y construcción de viviendas en serie, pero su adaptaci ón para la fabricación de casas que han sido diseñadas en forma individual y construidas por pequeños contratistas no es económica debido a la gran cantidad de detalles para especificar los cortes de sección y longitud para cada una de las piezas y por las dificultades para no confundir las piezas individuales antes y durante la erección.

4.4.4 Sistema Constructivos Industrializados 4.

Prefabricación Parcial

Sistema de Prefabricación de Paneles Los componentes de construcción hechos mediante un sistema modular apane lado están previstos para ser fabricados, manipulados y erigidos por dos hombres sin la necesidad del uso de grúas u otros mecanismos de izamiento. (Fig. 4.25) TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Los paneles interiores y exteriores en este tipo de sistemas están usualmente construidos teniendo en cuenta criterios de coordinación modular con dimensiones uniformes que usan un módulo como unidad de medida. El módulo típico usado en construcciones con madera es de 10 cm y se le denomina “M”. Para paneles de madera es muy común el uso de elementos distanciados con un módulo equivalente a 6M o 60 cm.

Figura 4.25 Sistema de prefabricación de paneles Los tabiques interiores pueden ser construidos del mismo modo que los exteriores, es decir, con paneles pre-fabricados o llevando las piezas precortada s a la obra y ensamblados in situ. Tanto los componentes de cielo raso y la estructura de techo son prefabricados en planta y transportados a la obra de manera de componentes prefabricados. Este es un sistema constructivo muy atractivo para los arquitectos , debido a que es posible diseñar una gran variedad de casas, todas ellas con distribución arquitectónica distinta, utilizando los mismos paneles modulares. Estos paneles pueden ser prefabricados utilizando una gran variedad de niveles de mecanización, es decir, desde la utilización de herramientas manuales y tecnologías intermedias, hasta maquinarias altamente sofisticada para grandes volúmenes de producción. Dentro de todos los sistemas de construcción industrializada disponibles en el Pacto Andino, este es uno de los más populares debido a que es una solución intermedia entre un sistema de pre-cortado y uno de prefabricación de grandes componentes, especialmente en término de las posibilidades de transporte sin la necesidad de recurrir a equipos especiales.

Sistema de Prefabricación de Componentes Consiste en la fabricación en planta de grandes componentes de piso, muro y techo que incluyen en algunos casos instalaciones y acabados primarios y que son transportados a la obra para su posterior montaje. Este tipo de sistema puede no ser apropiado en países donde el ahorro de mano de obra no resulta ser el factor crítico en la reducción de costos, pero puede resultar conveniente cuando la escasez de mano de obra calificada o condiciones climáticas exigen reducir al mínimo el trabajo en obra aumentando de este modo el control de calidad de los componentes, como para construcciones en minas, asentamientos fronterizos y en irrigaciones o proyectos hidroeléctricos. Con este sistema los componentes de madera debido a su poco peso pueden alcanzar 2 dimensiones equivalentes al tamaño de una unidad habitacional promedio (10 a 12 m ) con pesos menores a 1,000 kilos por unidad. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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En este tipo de sistemas los pisos pueden ser una losa de hormigón o ser elevados y compuestos por grandes paneles de piso. Los tabiques interiores son por lo general prefabricados en grandes tamaños al igual que los muros exteriores. (Fig. 4.26) Este sistema constructivo es especialmente apropiado cuando en la operación de construcción se dispone de grúas o equipos de izamiento. Con la excepción de algunas molduras, no se usan pequeños componentes, lo cual implica que no hay peligro de pérdida o extravío de los mismos. Los componentes pre-fabricados son transportados en forma vertical de la fábrica, cuando es posible, con los vidrios de las ventanas instalados e inclusive las paredes exteriores pintadas con una primera mano. Estos grandes componentes permiten reducir al mínimo los problemas de ensamblaje que se presentan en el sistema a base de paneles.

Figura 4.26 Sistema de prefabricación de componentes La libertad de diseño utilizando este tipo de sistemas no siempre se ve favorecida y salvo que la demanda lo justifique es necesario adaptarse a ciertas condiciones de modulación y concepción espacial, la cual resulta, en algunos casos, en expresiones arquitectónicas monótonas que motivan una acogida desfavorable.

5.

Prefabricación Total

Sistema de Prefabricación Volumétrica En la prefabricación de viviendas con estos sistemas constructivos, las unidades habitacionales son completamente en planta y sólo la construcción de la cimentación y la instalación de ciertos muebles y accesorios se realizan en la obra. El área de construcción de estas unidades volumétricas puede variar desde los 10 a los 2 50 m de área. Utilizando este sistema el porcentaje de trabajo en la fabricación es mucho mayor que el realizado en la obra. Este sistema permite al cliente ver exactamente cómo lucirá su vivienda antes de ser instalada en su ubicación final. Después que la cimentación ha sido construida, una vivienda puede ser erigida y completamente terminada en materia de días, en cualquier época del año y diferentes tipos de condiciones climáticas. Dada la necesidad de fabricación masiva los costos de financiación de cada unidad son generalmente bajos, pero el costo final de estas unidades se ve seriamente afectado por el precio del transporte, especialmente si se considera que lo que se moviliza es volumen y no masa. En los países andinos las características de las vías de comuni cación, sobre todo en las áreas de montaña y selva, constituyen un gran inconveniente a la utilización de estos sistemas por la dificultad en transportar unidades volumétricas. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 4.27 Sistema de prefabricación volumétrica Esta dificultad, sin embargo, puede ser económicamente aceptable cuando se justifica que las unidades sean transportadas en helicóptero, como por ejemplo en los centros de explotación petrolífera en la selva. Tal como puede deducirse este tipo de sistema resulta conveniente para fines de uso temporal o cuando se requiera emplear unidades de construcción movilizables.

Ventajas y Desventajas de los Sistemas Constructivos Industrializados Las principales ventajas de los sistemas industrializados son: 1. Ahorro en el desperdicio de materiales. 2. Debido a una producción muy mecanizada se requiere menos mano de obra calificada. 3. Ejecución de la fabricación fuera del lugar de la obra y como consecuencia se reduce la mano de obra en la construcción (tiempo muerto) y tiempo total de construcción. 4. Pre-acabado de los componentes antes de la entrega en obra, lo que implica una reducción en el empleo de personal calificado en obra, la posibilidad de reducción de costos y el incremento de control de calidad. 5. Reducción de costos debido a la estandarización de componentes y al volumen de producción en razón de la economía de escala. La madera puede ser un material ideal para sistemas constructivos industrializados, pero construcciones íntegramente de madera pueden no ser la respuesta tanto desde un punto de vista funcional como arquitectónico. Existen sin embargo algunos aspectos que pueden considerarse como desventajas debido a que todos los países pueden reunir fácilmente los siguientes requisitos: 1. Los sistemas industrializados requieren de una demanda efe ctiva constante que justifique una producción continua. 2. La estandarización necesaria para la construcción industrializada en casas de madera significa a veces una respuesta negativa en la aceptabilidad del consumidor. 3. La estandarización e intercambiabilida d de componentes dependen de dimensiones coordinadas modularmente lo que implica disponibilidad de materiales de construcción modulados para asegurar flexibilidad y funcionabilidad en el diseño. 4. Otro aspecto muy importante que debe ser tomado en cuenta es la abundante disponibilidad de mano de obra en países en vía de desarrollo, por lo que algunas veces será más recomendable utilizar mano de obra en vez de industrializar, mecanizar y por lo tanto reducir los requerimientos de personal.


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DETALLES CONSTRUCTIVOS 5.1

5.3

5.4

5.5

5.6

5.1 5.2 5.2.1

5.2.2

5.2.3

INTRODUCCION 5.2 SISTEMA ENTRAMADO (Fig. 5.1) 5.2.1 Cimientos y Pisos (Fig. 5.2 y 5.3) 5.2.2 Pisos y Entrepisos (Fig. 5.4 a 5.9) 5.2.3 Muros (Fig. 5.10 a 5.14) 5.2.4 Techos (Fig. 5.15 a 5.22) SISTEMA POSTE Y VI GA (Fig. 5.23) 5.3.1 Cimientos y Anclajes (Fig. 5.24) 5.3.2 Pisos y Entrepisos (Fig. 5.25 a 5.27) 5.3.3 Muros (Fig. 5.28 a 5.32) 5.3.4 Techos (Fig. 5.33) REVESTIMIENTOS 5.4.1 Muros Exteriores (Fig. 5.34) 5.4.2 Muros Interiores y Cielo Raso (Fig. 5.35) 5.4.3 Techos (Fig. 5.36) CARPINTERIA 5.5.1 Puertas y Ventanas (Fig. 5.37 y 5.38) 5.5.2 Escaleras (Fig. 5.39 y 5.40) 5.5.3 Muebles Fijos (Fig. 5.41 y 5.42) INSTALACIONES 5.6.1 Eléctricas (Fig. 5.43) 5.6.2 Sanitarias (Fig. 5.44 y 5.45) 5.6.3 Perforaciones y Rebajos (Fig. 5.46) INTRODUCCION SISTEMA ENTRAMADO Fig. 5.1 Sistema Entramado Cimientos y Pisos Fig. 5.2 Cimientos y pisos de hormigón vaceados sobre el suelo, recomendables en terrenos planos. a) Placa o losa b) Cimiento corrido Fig. 5.3 Cimientos y pisos de madera elevados, recomendables en terrenos irregulares. a) Cimiento puntual tipo pilastra. b) Cimiento corrido. Pisos y Entrepisos Fig. 5.4 Entrepiso entramado Fig. 5.5 Abertura en pisos entramados Fig. 5.6 Arriostramiento en pisos entramados a) Bloques b) Riostras cruzadas Fig. 5.7 Voladizos en pisos entramados Fig. 5.8 Entrepiso entramado sobre muro de adobe. Fig. 5.9 Entrepiso entramado sobre muro de ladrillo. Muros Fig. 5.10 Muro entramado


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Fig. 5.11 Aberturas en muros entramados a) Dintel encajado b) Dintel pasante c) Dintel apoyado Fig. 5.12 Arriostramiento en muros entramados Fig. 5.13 Encuentro de muros, parte inferior Fig. 5.14 Encuentro de muros, parte superior 5.2.4 Techos Fig. 5.15 Techo entramado Fig. 5.16 Aleros laterales a) Alero inclinado b) Alero horizontal Fig. 5.17 Alero sobre el tímpano Fig. 5.18 Tímpanos o hastíales Fig. 5.19 Vertientes en techos a) Limatesa b) Limahoya Fig. 5.20 Techo entramado sobre muro de adobe Fig. 5.21 Techo entramado sobre muro de ladrillo Fig. 5.22 Techo de cerchas 5.3 SISTEMA POSTE Y VIGA Fig. 5.23 Sistema Poste y Viga 5.3.1. Cimientos y Anclajes Fig. 5.24 Anclaje de columnas al piso o a la cimentación a) Copa b) Pletina c) Caja d) Pasador de acero e) Pernos f) Angulo de acero 5.3.2 Pisos y Entrepisos Fig. 5.25 Tipos de vigas y columnas a) Viga sólida y columna compuesta b) Viga columna compuestas c) Viga laminada y columna sólida d) Viga y columna laminadas e) Viga cajón y columna sólida f) Viga I y columna sólida Fig. 5.26 Fijación entre vigas y columnas a) Zuncho de acero b) Asientos metálicos c) Pasador de acero d) Pletina de acero Fig. 5.27 Viguetas de entrepiso a) Viguetas a tope sobre viga principal b) Viguetas trastapadas cara a cara sobre viga principal. c) Viguetas sobre listón de apoyo en viga principal, con rebajo para traslapar en su parte superior. d) Viguetas sobre listón de apoyo en viga principal, empalmadas por su parte superior. 5.3.4 Muros Fig. 5.28 Muro en poste y viga Fig. 5.29 Muro en poste y viga con cerramiento de entramado . TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Fig. 5.30 Viga de piso y columna sobre pilastra Fig. 5.31 Viga de piso y columna sobre cimiento corrido. Fig. 5.32 Refuerzo del entablonado para muros ubicados fuera de las vigas a) Muro portante paralelo al entablonado b) Muro perpendicular al entablona do 5.3.5 Techos Fig. 5.33 Alternativas de techado a) Vigas paralelas a la viga cumbrera b) Vigas transversales a la viga cumbrera 5.4. REVESTIMIENTOS 5.4.1. Muros Exteriores Fig. 5.34 Revestimientos de muros exteriores a) Entablado vertical b) Entablado horizontal c) Tableros verticales d) Mortero de cemento sobre malla expandida e) Mortero de cemento sobre caña (guadua) 5.4.2 Muros Interiores y Cielo Raso Fig. 5.35 Revestimientos interiores de muro y cielo raso 5.4.3 Techos Fig. 5.36 Cubiertas de techo a) Cubierta de paja b) Cubierta de teja cerámica c) Cubierta de teja de madera d) Cubierta de teja asfáltica e) Cubierta de planchas onduladas 5.5 CARPINTERIA 5.5.1 Puertas y Ventanas Fig. 5.37 Puertas exteriores Fig. 5.38 Ventanas 5.5.2 Escaleras Fig. 5.39 Escalera de un solo tra mo Fig. 5.40 Escalera de tres tramos 5.5.3 Muebles fijos Fig. 5.41 Muebles de cocina a) Armario de pared b) Armario de piso Fig. 5.42 Guardarropa 5.6 INSTALACIONES 5.6.1 Eléctricas Fig. 5.43 Instalaciones eléctricas 5.6.2 Sanitarias Fig. 5.44 Instalaciones sanitarias. Agua Fig. 5.45 Instalaciones sanitarias. Desagüe 5.6.2 Perforaciones y rebajos Fig. 5.46 Perforaciones y rebajos en elementos de madera.


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1.1 INTRODUCCION Los detalles constructivos de este capitulo constituyen un conjunto de recomendaciones para el diseño y construcción con madera que sintetizan la buena práctica constructiva con madera tropical. Cumplen también, la función de familiarizar al profesional que recién incursiona en el diseño y construcción con madera con las soluciones más comunes relativas a sistemas cons tructivos, revestimientos, carpintería de obra e instalaciones eléctricas y sanitarias.

Figura 5.1 Sistema Entramado Estos detalles están ordenados siguiendo una secuencia que corresponde aproximadamente al proceso constructivo de una edificación. En cas o cubriendo alternativas para cada elemento estructural y sistema constructivo. Como parte de las figuras se incluyen recomendaciones colocadas directamente sobre el dibujo, con el fin de explicar o resaltar algunas ideas. Igualmente se muestran detalles ampliados de algunos aspectos que requieren mayor aclaración. En los detalles en que aparecen elementos estructurales y sus ensambles o uniones, no se muestran los elementos de unión como clavos, pernos, etc. – debiendo estos colocarse siguiendo las recomen daciones del Cap. 12. Si se trata de conexiones de construcciones livianas, poco esforzadas deben colocarse según lo recomendado en la Tabla 13.16 que se presenta en el Cap. 13. En cualquier caso la verificación de resistencia y la determinación del númer o y disposición de los elementos de unión debe hacerse siguiendo las mencionadas recomendaciones. No se enfatizan aquellos detalles referentes a protección de la edificación. Estos aparecen en el Cap. 6 con sus respectivas notas explicativas TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.2 Cimientos y pisos de hormigón vaciados sobre el suelo recomendables en terrenos planos.


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Figura 5.3 Cimientos y pisos de madera elevados, recomendables en terrenos irregulares


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Figura 5.4 Entrepiso entramado

Figura 5.5 Abertura en pisos entramados

(a) BLOQUES Los bloques o travesaños de canto tienen las mismas dimensiones que las viguetas y se colocan en el espacio libre entre ellas. (b) RIOSTRAS CRUZADAS Diagonales para la nivelación de las viguetas, brindan refuerzo adicional para su estabilidad y reparten las cargas concentradas a otros elementos. Es recomendable espaciarlos como máximo 2400 mm TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.6 Arriostramiento en pisos entramados

Figura 5.7 Voladizos en pisos entramados


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Figura 5.8 Entrepiso entramado sobre muro de adobe

Figura 5.9 Entrepiso entramado sobre muro de ladrillo

Figura 5.10 Muro entramado


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Figura 5.11 Aberturas en muros entramados

Figura 5.12 Arriostramiento en muros entramados TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Las riostras rigidizan el muro por triangulación en su propio plano. Se coloca la solera superior o solera inferior encajadas en la cara que da al exterior de la edificación con una inclinación de 45° aproximadamente. Pueden ser un listón de madera que 20 x 40 mm como se muestra en (a) o un ángulo metálico de 25 mm como en (b) En los encuentros de muros en esquina, se recomienda que las riostras partan desde el vértice común superior y bajen hacia cada lado de la edificación. En (c) se muestra como puede ser arriostrado un muro con abertura para ventana.

Figura 5.13 Encuentro de muros, parte inf erior


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Figura 5.14 Encuentro de muros parte superior


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Figura 5.15 Techo entramado


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Figura 5.16 Aleros laterales

Figura 5.17 Alero sobre el tímpano TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.18 Tímpanos o hastiales

Figura 5.19 Vertientes en techos


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DETALLES CONSTRUCTIVOS

Figura 5.20 Techo entramado sobre muro de adobe

Figura 5.21 Techo entramado sobre muro de ladrillo TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.22 Techo de cerchas

Figura 5.23 Sistema Poste y Viga TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.24 Anclaje de columnas al piso o la cimentación

Figura 5.25 Tipos de vigas y columnas TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.26 Fijación entre vigas y columnas

Figura 5.27 Viguetas de entrepiso TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.28 Muro en poste y viga

Figura 5.29 Muro en poste y viga con cerramiento de entramado

Figura 5.30 Viga de piso y columna sobre pilastra TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.31 Viga de piso y columna sobre cimiento corrido

Figura 5.32 Refuerzo del entablado para muros ubicados fuera de las vigas TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.33 Alternativas de techado

Figura 5.34 Revestimiento de muros exteriores TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.34 Revestimiento de muros exteriores (cont.)

Figura 5.34 Revestimiento de muros exteriores (cont.) TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.34 Revestimiento de muros exteriores (cont.)

Figura 5.35 Revestimientos interiores de muro o cielo raso TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.36 Cubiertas de techo


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Figura 5.36 Cubiertas de techo (cont.)


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Las planchas onduladas pueden ser de asbesto-cemento o metálicas y se colocan de abajo hacia arriba, lateralmente en el sentido contrario a la dirección del viento predominante. Se apoyan sobre correas contínuas, en tres apoyos como mínimo, y espaciadas cada 1000 mm. máximo. La fijación se realiza con ganchos o tira-fondos (2 por plancha) Los traslapos longitudinales varían con la pendiente por ejemplo para:25 y 30% requiere 2000 mm. y 35, 40, 45% requiere 140 mm. se puede disminuir la pendiente aumentando el traslapo o sellándolo con masilla, pero no son recomendables las pendientes menores de 25% en zonas lluviosas. El traslapo lateral en planchas con profundidad de onda pequeña (25mm) es de una onda completa, en plachas de onda grande (57 mm) es suficiente 1/4 de onda. Consultar especificaciones del fabricante. En planchas de asbesto-cemento la superposición de las mismas sobre el traslapo se evita recortando las puntas como se muestran en a, o colocándolas con las juntas longitudinales alternadas respeto a la hilada superior, ver b Los números colocación

indican

la

secuencia

de



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Figura 5.37 Puertas exteriores.


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Figura 5.38 Ventanas


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Las escaleras en viviendas, suelen tener de 14 a 16 pasos, éstos son colocados de acuerdo a la distancia que cubre una persona al caminar. Los pasos pueden ser continuos en un tramo ó con descansos intermedios, en dos o tres tramos. Los pasos tienen normalmente 250 mm pero pueden variar de 240 a 300 mm. Los contrapasos varían con la altura de los pisos que comunican y con la dimensión del paso adoptado. Las dimensiones de los pasos y contrapasos pueden ser determinadas de las siguientes maneras: a) La suma de un paso y dos contrapasos debe estar comprendida entre 600 a 630 mm. b) El producto del paso con su contrapaso debe estar comprendida entre 43,750 y 48,500.

Figura 5.39 Escalera de un sólo tramo


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Figura 5.40 Escalera de tres tramos

Figura 5.41 Muebles de cocina TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.42 Guardarropa

Figura 5.43 Instalaciones eléctricas TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.44 Instalaciones Sanitarias – Agua

Figura 5.45 Instalaciones sanitarias desagüe TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 5.46 Perforaciones y rebajas en elementos de madera.


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PROTECCIÓN POR DISEÑO 6.1

6.2

6.3

6.4 6.5

6.6

Protección ante la Humedad y los Hongos 6.1.1 Acción Capilar 6.1.2 Condensación 6.1.3 Lluvia 6.1.4 Protección contra los Hongos Protección ante el Calor 6.2.1 Transmisión del calor 6.2.2 Grados de Aislamiento 6.2.3 Materiales Aislantes del calor 6.2.4 Colocación del Aislamiento Térmico en las Edificaciones Protección ante los Ruidos 6.3.1 Aislamiento Acústico 6.3.2 Corrección Acústica 6.3.3 Materiales Absorbentes del Sonido 6.3.4 Métodos de Protección del Ruido en las Edificaciones Protección contra los Insectos Xilófagos Protección contra los Sismos 6.5.1 Edificaciones de Madera y los Movimientos Sísmicos 6.5.2 Principios Generales de Diseño 6.5.3 Cimentación 6.5.4 Pisos Elevados 6.5.5 Muros y Tabiques 6.5.6 Techos Protección contra incendios 6.6.1 Clasificación de los Materiales según su comportamiento. 6.6.2 Comportamiento Ante el Fuego de los Ma teriales de construcción. 6.6.3 Sistemas de Prevención 6.6.3.1 Eliminación de Fuentes de Incendio. 6.6.3.2 Tratamientos retardadores del fuego. 6.6.4 Sistema de Previsión y Control. 6.6.4.1 Criterios de zonificación 6.6.4.2 Sistemas de Ventilación 6.6.4.3 Dimensionamiento de Piezas Resistentes al Fuego. 6.6.4.4 Características de Ocupación de la Edificación 6.6.4.5 Separación Física o constructiva. 6.6.4.6 Separación Espacial 6.6.4.7 Alarmas Automáticas 6.6.4.8 Sistema de Irrigadores o Extintores Automáticos


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INTRODUCCIÓN La edificación está expuesta a múltiples factores que requieren ser tomad os en cuenta para su protección, la intensidad de éstos varía según las condiciones climáticas y morfológicas de su ubicación geográfica. La edificación es susceptible de ser dañada por los elementos del medio ambiente, tales como: humedad, radiación solar , vientos y agentes biológicos degradantes y en algunas regiones puede ser sacudida por movimientos sísmicos. Por falta de previsión y control puede correr peligro de incendio. La protección se logra mediante un diseño adecuado al lugar donde se construye la obra y tomando ciertas precauciones que eviten la formación y desarrollo de alguna forma de deterioro de la misma. Se recomienda además, el uso de materiales de buena calidad y la realización de un mantenimiento periódico. (Fig. 6.1)

Figura 6.1 Protección por diseño

6.1 PROTECCION ANTE LA HUMEDAD Y LOS HONGOS (1,2,3,45,6,7)* El agua se encuentra presente en la naturaleza formando parte de los cuerpos o en forma libre. La molécula de agua es una de las más pequeñas que existe y por eso puede filtrarse entre las moléculas de la mayoría de los materiales, ya sea por afinidad química como con el azúcar, sal, algodón, papel, madera, etc., o por mecanismos físicos como capilaridad, ósmosis, difusión. La madera es un material higroscópico y poroso, como tal a bsorbe agua en forma líquida o de vapor. Al cesar la fuente de humedad, la madera devuelve el exceso de agua, conservando solamente aquella cantidad que se encuentra en equilibrio con la humedad relativa del ambiente. * Los números entre paréntesis indican referencias al final del Manual. En el caso que la humedad no puede escapar hacia el exterior, sino que, por el contrario, se acumule y quede retenida, afecta a la madera de siguiente forma: altera sus propiedades mecánicas, se dilata, trasmite con mayor facilidad el calor y la electricidad y sobre todo es más vulnerable al ataque biológico. En las edificaciones puede ocurrir, deslaminación de los tableros contrachapados, alabeos de las piezas de madera y reducción de la capacidad térmica de las paredes. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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El humedecimiento de la madera en la edificación puede tener tres causas principales: la acción capilar, la condensación y la lluvia.

6.1.1 Acción Capilar 1.

2.

3. 4.

5.

6.

Los cimientos y pisos de hormigón vaciados sobre el suelo, deben ser protegidos de las filtraciones de agua del subsuelo mediante el uso de drenajes alrededor de la cimentación. Los drenajes pueden consistir en una zanja, con una pendiente débil (1%) hacia el exterior, en la cual, si es una región con lluvias por temporadas, se coloca en su interior piedr as pequeñas o canto rodado de máximo de 30 mm, y si la región es de lluvias permanentes, en lugar de las piedras se coloca tramos de tuberías con juntas de 10 mm, cubiertas en su parte superior por bandas impermeables y con una capa de 150 mm de grava. (Fi g. 6.2 y 6.3) La madera debe ser aislada del contacto con los cimientos por medio de una barrera de humedad que puede consistir en una capa de cartón asfáltico de 3 mm de espesor como mínimo, o en su defecto otros productos como polietileno pesado y betún o brea aplicada en caliente. (Fig. 6.4 y 6.5) Sobre el suelo de tierra, debajo de un piso de madera elevado, debe colocarse una capa de polietileno de 0.15 mm con traslapos de 100 mm. (Fig. 6.5) Debajo de la losa de hormigón vaciada sobre el terreno, se re comienda extender una capa de polietileno de 0.25 mm de espesor mínimo con traslapos de 300 mm. Esto es especialmente importante cuando se proyecta colocar sobre la losa revestimientos de madera, alfombras o baldosas vinílicas. (Fig. 6.6 y 6.7) La madera que tenga que estar enterrada en el suelo, generalmente húmedo, debe ser de durabilidad reconocida, preservada a presión o cubierta por una capa aislante, tal como brea o alquitrán. (Fig. 6.8) Las columnas de madera pueden aislarse de la humedad de un piso de hormigón, colocando debajo de ellas dos capas superpuestas de protección, la primera de cartón asfáltico en contacto con el hormigón y encima otras de cobre en contacto con la madera. (Fig. 6.9) Sin embargo es preferible separarlas del piso como se muestra en la Fig. 5.24 (c)

Figura 6.2 Zanja de drenaje con canto rodado.

Figura 6.3 Zanja de drenaje con tramos de tubería. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 6.4 Protección de la humedad en pisos de madera elevada.

Figura 6.5 Protección de la humedad en pisos de madera elevados

Figura 6.6 Protección de la humedad del suelo en una losa o piso de hormigón TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 6.7 Protección de la humedad del suelo en una placa o losa de cimentación

Figura 6.8 Protección de la humedad en pilotes

7.

Figura 6.9 Protección de la humedad en c olumnas en contacto con el piso La madera de entrepisos sobre muros de adobe o ladrillo debe estar aislada en los puntos de contacto o empotramiento, con cartón asfáltico o con brea. (Fig. 6.10 y 6.11)


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NOVIEMBRE 2001 8.


En las paredes exteriores y aleros es forma una pelícu la de agua que corre por la superficie y solo se rompe al encontrar un ángulo recto. Una abertura (junta, grieta o fisura) con ancho menor de 1 mm atrae a la humedad y la conduce hacia adentro por acción capilar. Por ello es conveniente adoptar las siguien tes precauciones.  Las grietas deben evitarse.  Las juntas verticales deben ser bloqueadas ya sea mediante el uso de tapajuntas selladores o formando canales donde la capilaridad no se produce (Fig. 6.12 (a)).  Los aleros deben tener una ligera inclinación ha cia un goterón, para hacer que el agua oscura y se precipite. (Fig. 6.12 (b)).  Los extremos o cabezas de las piezas de madera absorben la humedad con mucha facilidad, por lo que, las piezas de maderas verticales que llegan a superficies horizontales expuestas al exterior, deben distanciarse de 10 mm y con el extremo del elemento vertical cortado achaflanado para que oscura el agua. (Fig. 6.12 (c))

6.1.2 Condensación 1.

2.

Protección de la condensación en paredes de ambientes habitados. Con menos de 10°C de diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de una edificación y con una humedad relativa entre 60 y 100 por ciento, la condensación que pueda producirse se evita con ventilación normal de 1/10 del área del piso de la habitación. Con más de 10°C de diferencia, pero con menos de 60 por ciento de humedad relativa, se evita la condensación colocando una capa de aislante térmico en techos, pisos y muros exteriores. (Fig. 6.15, 6.18, 6.5 y 6.13) Con más de 10°C de diferencia y con una humedad relativa mayor d e 60 por ciento, además del aislante térmico debe colocarse una barrera de vapor en el lado caliente de la casa. (Fig. 6.15, 6.5 y 6.13 (a)) En aquellos ambientes donde se produce mucho vapor como en cocinas y baños, las barreras de vapor y la ventilación son especialmente importantes. Se recomienda el uso del extractor en la cocina y acabados impermeables en los baños. Protección de la condensación en el interior de pisos, muros y techos. Ventilar los espacios interiores de pisos elevados y techos, posibil itando el movimiento del aire de abajo hacia arriba o cruzando un espacio horizontal. Esto se consigue mediante aberturas que tienen un área total de por lo menos 1/300 del área superficial del elemento (pisos, muros o techo). Estas aberturas deben estar ubicadas de tal modo que no dejen sin ventilación ninguna parte del espacio. El área de ventilación debe duplicarse si se emplea malla contra insectos o si se trata de una región tropical. (Fig. 6.5, 6.14 y 6.15)

Figura 6.10 Aislamiento de la humedad en entrepiso sobre muro de adobe TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 6.11 Aislamiento de la humedad en entrepiso sobre muro de ladrillo.

Figura 6.12 Protección de la humedad en paredes exteriores.

6.1.3. Lluvia (8) En zonas de alto riesgo a la pudrición, como las tropicales húmedas, s e recomienda preservar adecuadamente toda la madera expuesta, a menos que se trate de una especie de durabilidad conocida. Generalmente el método de preservación más efectivo es el de vacío – presión. (Cap. 2). La madera expuesta a la intemperie debe tener superficies superiores con inclinaciones de 10° como mínimo, y superficies inferiores con goterones o con pendiente. Ningún extremo o cabeza debe exponerse hacia arriba, las cabezas de elementos de madera expuestas lateralmente deben estar protegidas con alguna pintura o capa selladora.


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Los revestimientos exteriores de madera deben tener espacios ventilados por detrás (cámaras de aire). (Fig. 6.13 (b)) Colocar detrás del revestimiento exterior de muros una capa impermeable de agua, pero suficientemente porosa como para que el vapor del interior pueda atravesarla. (Fig. 6.13 (b)) Colocar vierteaguas inoxidables en las aberturas para puertas y ventanas. (Fig. 6.16 y 6.17) Los techos deben poseer aleros para abrigar a muros y a tímpanos. Colocar, antes de la c ubierta del techo, una capa impermeable para evitar filtraciones de agua al interior. Colocar el material que constituye la cubierta exterior con una pendiente, apoyos y traslapos adecuados. (Fig. 6.18 y 6.19) Proveer a los techos de una adecuado sistema d e evacuación de aguas, teniendo especial cuidado en los encuentros entre techos inclinados. (Fig. 6.10 y 6.21) Los colectores y bajantes, finalmente, dirigen el agua afuera de la edificación. (Fig. 6.22)

6.1.4. Protección contra los Hongos (9) Los hongos constituyen formaciones microscópicas, parecidas a hilos, que invaden a la madera. Se reproducen por medio de esporas, las cuales son arrojadas hacia el exterior de la madera, el aire las arrastra y en condiciones adecuadas de temperatura, oxígeno y humedad germinan, comenzando así un nuevo ciclo de descomposición.

Figura 6.13 Protección de la humedad en muros. Existen dos tipos principales de hongos: los cromógenos que originan la variación del calor, sin afectar de madera notable a la madera y los xilóf agos que son capaces de desintegrar a las paredes de las células y dan lugar a la pudrición, la cual puede ser castaña, cuando el ataque se encuentra en las celulosa, o blanca, cuando se extiende a la lignina. (Ver Secc. 3.4.2) La protección contra los hongos debe comenzar reduciendo lo antes posible el contenido de humedad de la madera recién aserrada y protegerla mediante pulverización con funguicidas durante el apilado. La madera en uso en la construcción se recomienda aislarla de las fuentes de humedad tales como capilaridad, condensación y la lluvia tratadas en las secciones anteriores. (Secc. 6.1.1., 6.1.2, 6.1.3) TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 6.14 Abertura para ventilación en tímpanos

Figura 6.15 Protección de la humedad en techos con cubierta impermeable y con cielo raso horizontal.

Figura 6.16 Protección de la humedad en puertas exteriores TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 6.17 Protección de la humedad en ventanas

Figura 6.18 Protección de la humedad en techos con cubierta sobre listones TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 6.19 Protección de la humedad en techos c on cubierta sobre base de entablado o tablero

Figura 6.20 Protección de la lluvia en limatesa

Figura 6.21 Protección de la lluvia en limahoya TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 6.22 Evacuación del agua en techos

6.2

PROTECCION ANTE EL CALOR

El confort humano referido al aspec to térmico se ubica dentro del rango de 18°C a 24°C, la complejidad de lograr la estabilidad en este rango de calor dentro de una vivienda, depende de las características climáticas de la región en que esté ubicada. El aislamiento térmico está dado por la resistencia que opone el caso de una edificación al paso del calor. El coeficiente de transmisión de calor requerido de acuerdo con las condiciones ambientales locales, puede ser obtenido con los materiales de uso común en la construcción, sobre todo con la madera, por ser un excelente aislante térmico y con los espacios de aire encerrados entre los revestimientos exterior e interior en un muro. Estos espacios tienen apreciable resistencia a la transmisión del calor. Si esto no fuera suficiente, el grado de protección puede ser elevado con la adición de materiales aislantes. Estos hacen más agradable el ambiente; en climas fríos ahorran combustible y en climas cálidos reducen el costo de operación de equipos de aire acondicionado. Muchos de los materiales aislantes se emplean para mejorar la acústica de locales. En climas cálidos se evita la ganancia solar al proteger las ventana, ventilar los espacios o cavidades del techo, pintar las paredes blancas o de color claro. Cuando son iguales las temperaturas del día y la noche es más importante la ventilación que el aislamiento. Si las noches son frescas y los días cálidos se necesita aislamiento para conservar el fresco de la noche. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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En climas fríos o templados permitir una ventilación mínima del techo, emplear co lores oscuros en superficies exteriores, aplicar alto grado de aislamiento. Mantener el área de ventanas a un nivel adecuado para captar ganancia solar y simultáneamente conservar el calor interior de la vivienda.

6.2.1 Transmisión del Calor El calor se transmite de zonas más calientes a zonas menos calientes procurando el equilibrio de la temperatura, de esta manera, en las edificaciones donde la temperatura es controlada dentro de un rango de comodidad dado, se producirá un flujo de calor que es hacia fuera, cuando el exterior es más frío, o hacia adentro, cuando el exterior es más caluroso. La cantidad de calor que se transmite en una edificación depende de la diferencia de temperatura entre las superficies de sus componentes y de la resistencia que ofrezcan los materiales con que son construidos. También hay transmisión de calor a través de las aberturas, juntas, fisuras, siendo mucho mayor que a través de los componentes. (12) La transmisión de calor se realiza de tres formas: conducción, convección y radiació n. En la edificación se combinan estos tres mecanismos con distintas intensidades. (Fig. 6.23). 10 Conducción.- Es la transmisión de calor de molécula a molécula de un material dado o entre dos materiales colocados en contacto directo. Convección.- Es la transferencia de calor por masas móviles de materia como corrientes de gases y líquidos, generalmente el aire, el cual en grandes espacios puede llevar en sus moléculas el calor de superficies cálidas a superficies frías. Radiación.- Es la transmisión de calor por medio de ondas, las cuales no calientan el espacio donde se desplazan, pero cuando entran en contacto con una superficie más fría, una parte de la energía es absorbida mientras que otra puede ser reflejada. 6.2.2 Grados de Aislamiento (12,14) La cantidad de aislamiento térmico que requiere una edificación está dada en función de las características climáticas de su ubicación geográfica. Para regiones de climas benignos cuya temperatura se conserva entre los 18°C y 24°C, no se requiere mayores condiciones de aislamiento que la que ofrecen los materiales de uso corriente en la construcción, cuyos coeficientes “U” de transmisión de calor de sus 2 componentes varían de 2.0 a 7.0 watts/m °C. En climas frío, con temperaturas diurnas que alcanzan algunos grados por encima de los 18°C durante varias horas del día requieren aislamiento adicional para aumentar el grado de protección de sus componentes (pisos, muros exteriores y techos) para 2 obtener valores “U” entre 2.0 y 1.0 w/n °C. En zonas donde la temperatura es constantemente más baja de los 18°C la edificación 2 requerirá el máximo de aislamiento térmico con “U” de 1.9 a 0.5 w/m °C. En climas muy fríos se requieren valores “U” menores de 0.5 y además equipos radiadores de calor por circulación de agua o aire calient e, resistencias eléctricas o combustión de leña o carbón. En climas cálidos donde la temperatura es mayor de 24°C en ciertas horas del día, el confort térmico puede lograrse ventilación natural. Se recomienda valores de “U” de 20 2 a 7.0 w/m °C. El aislamiento, en este caso, sólo es importante cuando se instale un equipo de aire acondicionad. En zonas muy calorosas con temperaturas que permanecen constantes por encía de los 24°C, sus edificaciones requieren máximo aislamiento térmico, “U” de 0.5 y sistemas de enfriamiento artificial, o aire acondicionado y ventilación apropiada.

6.2.3 Materiales Aislantes del Calor Se conocen como aislantes del calor aquellos materiales que tienen la propiedad de ofrecerle mucha resistencia a su transmisión. En edificaciones se requiere que el aislante térmico sea incombustible, impermeable y no atacable por insectos y hongos. Los principales materiales aislantes usados son los siguientes: (11,15) TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Fibras minerales, fibra de vidrio, aglomerado de madera, caña o algodón tratados, corcho natural o elaborado, yeso, poli estireno expandido, poliuretano expandido, mica granulada (aluminosilicato de magnesio), papel de aluminio reforzado. La mayoría de los materiales aislantes son procesados industrialmente y tienen las siguientes formas de presentación: flexibles, tales como mantas o cobertores y láminas; sueltos, ya sea granulados, fibras o en polvo; rígidos, como tableros o también bloques.

6.2.4 Colocación del Aislante Térmico en las Edificaciones (1,13) 1.

2.

3.

4.

5.

Cuando las condiciones climáticas así lo requieren, los ambientes de una vivienda que se debe mantener a temperaturas confortables, tienen materiales aislantes prioritariamente en el techo, ya que es la zona que ofrece mayor área de exposición a los rayos solares o por donde ocurre la mayor pérd ida de calor interno. En segundo lugar se coloca aislamiento adyacente por debajo de un piso de madera elevado. Finalmente, se aíslan los muros que dan al exterior. En el techo el aislamiento térmico se coloca entre las viguetas, cuando es un cielo raso inclinado, o encima del cielo raso horizontal en un techo con espacio interior o ático sin uso. (Fig. 6.24 y 6.25) Los pisos de madera elevados, requieren el mismo grado de aislamiento de los muros exteriores en las mismas zonas climáticas, ya que debiendo e star ventilados por debajo, su temperatura es similar a la del exterior. (Fig. 6.26) En climas fríos, los pisos sólidos o losas de hormigón que descansan sobre el suelo, pierden la mayor parte del calor por el perímetro y muy poco en la parte central. Esto se evita colocando una franja aislante de 450 a 600 mm en todo el borde inferior. (Fig. 6.27) El aislamiento de muros exteriores va colocado cerca de la superficie o cara interior de la habitación en contacto con la barrera de vapor, deja hacia el exterio r un espacio vacío para ventilación. (Fig. 6.28)

Figura 6.23 Métodos de transmisión de calor .

Figura 6.24 Protección del calor en techos con cielo -raso inclinado. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 6.25 Protección del calor en techos con cielo raso horizontal.

Figura 6.26 Protección del calor en pisos de madera elevados

Figura 6.27 Protección de la pérdida de calor en una losa o piso de hormigón. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 6.28 Protección del calor en muros

6.3 PROTECCION ANTE LOS RUIDOS El sonido emitido en un ambiente llena rápidamente el loc al y al encontrar un cuerpo, las ondas son en parte reflejadas con un ángulo de reflexión igual al de incidencia, en parte son absorbidas y se pierden en forma de calor o se transmiten por el cuerpo y en parte lo atraviesan propagándose al otro lado. (Fig. 6.29) El control de ruido se puede realizar dentro de un ambiente determinado, lo que se conoce por Corrección Acústica del local, o controlar su transmisión a otros ambientes, conocido como Aislamiento Acústico. La intensidad o sonoridad del sonido se mi de en decibeles (dB). Un decibel es el más pequeño cambio en sonido audible para el oído humano y 120 decibeles es el límite máximo o punto sensible. Entre ambos límites se encuentra el rango ordinario de sonido. (Tabla 6.1) 6.3.1 Aislamiento Acústico (7,11,12,16) Normalmente el requerimiento acústico en una edificación de madera situada en un área urbana de regular intensidad sonora, puede ser resuelto únicamente con los materiales comunes empleados en la construcción, además la cámara de aire que se crea en el interior de las paredes contribuye al aislamiento. Si el nivel sonoro externo fuera mayor, puede reforzarse el aislamiento con el uso de materiales absorbentes. Las ondas que golpean las paredes hacen que vibren como diafragmas y reproduzcan estas ondas al otro lado. La transmisión del sonido por acción de diafragma de una pared depende de su peso, su espesor y su área; en paredes de dimensiones normales el valor de la transmisión depende principalmente de su peso.

Figura 6.29 Propagación del sonido.


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PROTECCIÓN POR DISEÑO Tabla 6.1 Intensidad

INTENSIDADES DE ALGUNOS SONIDOS CONOCIDOS dB 120

Ensordecedor 110 100 Muy fuerte 90 80 Fuerte 70 60 Moderado

Débil Muy débil

50 40 30 20 10 0

Origen Umbral del dolor Freno Avión Martillo neumático Camión sin silenciador Silbato de policía Claxon de automóvil Taller ruidoso Calle comercial con mucho tráfico Calle con pocas circulación Vivienda media Oficina Casa tranquila u oficina privada Conversación moderada Murmullo de Hojas Conversación en voz baja Umbral de audibilidad para frecuencias de 1,000 a 4,000 Hz.

El aislamiento que ofrece una pared se expresa en decibeles y corresponde a la diferencia entre los niveles sonoros de los locales emisor y receptor, el cual está dado por el aislamiento que ofrezcan las paredes laterales (transmisión indirecta) y por el grado de reflexión de ambiente receptor. En la Fig. 6.30 se dan valores recomendables de aislamiento acústico en las paredes de una vivienda. 6.3.2. Corrección Acústica (11) Resueltos los problem as de aislamiento de ruidos que provienen del exterior de un ambiente dado, se procede a realizar la corrección acústica del interior. La corrección acústica busca un nivel sonoro agradable en el ambiente, evitando la reverberación si sus paredes son muy reflexivas, o que sea muy sordo si sus paredes son muy absorbentes.


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Figura 6.30 Aislamiento acústico recomendable Una superficie es reflexiva si es lisa y dura como la cerámica o es absorbente si es porosa y blanda como las alfombras, en ambas la cantidad de energía sonora transmitida al otro lado de la misma es independiente de su grado de reflexión o de absorción. La inteligibilidad de la palabra o la música depende del tiempo de reverberación y éste, a su vez, está en función directamente proporcional a l volumen de la habitación. El tiempo de reverberación necesaria varía de acuerdo al uso del local y puede regularse con materiales que absorban el sonido. Ya que los materiales absorbentes de sonido son por lo general blandos se recomienda colocarlos especialmente en el cielo raso o en la parte superior de los muros. En edificaciones de vivienda el área del cielo raso es suficiente para absorber el sonido que se produce en las habitaciones. 6.3.3. Materiales Absorbentes del Sonido (12,16) 

Membranas o Tableros Ref lexivos que absorben las frecuencias graves; por ejemplo, planchas contrachapadas fijadas a cierta distancia del muro. Cuando más gruesa y pesada sea la plancha y cuanto mayor sea su distancia al muro, absorberá las frecuencias más bajas o graves.



Materiales Perforados o placas de fibras minerales comprimidas situadas a cierta distancia de una pared. Actúan como una serie de resonadores los cuales absorben las frecuencias intermedias.



Materiales Fibrosos y porosos tales como fibra de vidrio, tejidos de fibr a vegetal, tableros de fibras de madera prensada de baja densidad, para absorber las frecuencias aguadas. La absorción para estas frecuencias es independiente del espesor del material.

Puede combinarse en un solo elemento membranas, resonadoras y fibras pa ra absorber sonidos de frecuencia graves, medias y agudas. 6.3.4

Métodos de Protección del Ruido en las Edificaciones (11,16)

1. Para ruidos aéreos: 

Para ruidos aéreos que vienen del exterior de la edificación, los muros exteriores deben tener mucha masa y orientar las puertas y las ventanas hacia zonas de baja intensidad sonora.



Para ruidos aéreos que provienen del interior de la edificación, se procura en el diseño separar los ambientes bulliciosos de los tranquilos.



Colocar paredes muy aislantes entre l os ambientes de nivel sonoro diferente, especialmente en baños y de salas de estar a dormitorios.



El cerramiento en paredes debe ser en superficies continuas, sin huecos ni grietas.



Oponer a superficies reflejantes paredes absorbentes. (Fig. 6.31 y 6.32)

2. Para ruidos de impacto: 

Los ruidos de impacto son difícilmente atenuados ya que la energía que poseen es normalmente mayor a la que corresponde a un ruido aéreo y se encuentra en una pequeña superficie.



En las edificaciones los ruidos de impacto pueden p rovenir de pisadas o choques por la vibración de tuberías sanitarias.



Los impactos pueden amortiguarse interponiendo un material elástico, por ejemplo, colocando alfombras en los pisos. Otra forma puede ser independizando el cuerpo que recibe el choque del resto de la edificación, por ejemplo los pisos flotantes. Se protege también evitando la vibración mediante el


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uso de conectores elásticos por ejemplo entre una tubería de instalación sanitaria y su punto de fijación a la estructura.

Figura 6.31 Protección contra ruidos en muros .


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Figura 6.32 Protección contra ruidos en pisos elevados 6.4.

PROTECCION CONTRA LOS INSECTOS XILÓFAGOS (1,3,9,10)

El daño causado por los insectos en la madera se conoce como ataque biológico, puede presentarse en forma aislada o en conjunto; una madera atacada por hongos es un atractivo para los insectos xilófagos. La protección contra los insectos, en la construcción, va dirigida principalmente a las termites subterráneas, debido a que son los que producen el mayor daño en las edificaciones, se aplica mediante la colocación de barreras para evitar su acceso a la madera. Las termites conocidas también como hormigas blancas o comejenes, se encuentran en terrenos debajo de los 3,000 metros de altitud y en América del Sur, hasta de los 3 6° de latitud Sur. (Incluyendo todos los países del Grupo Andino). Al parecer las bajas temperaturas no son favorables para su propagación, mientras que en los climas tropicales y húmedos se desarrollan con facilidad. Las termites subterráneas viven en colonias organizadas con casta diferenciadas, viajan grandes distancias desde sus nidos, donde tienen el agua, hasta la madera, que es su alimento, a través de túneles que ellos mismos fabrican. Fuera del subsuelo las termites construyen ductos tubulares para desplazarse. Una barrera muy eficaz, se la puede denominar “química”, es la de envenenar la tierra alrededor de los cimientos con sustancias tóxica disueltas en agua. Otra barrera, que puede llamársele “mecánica”, consiste en colocar escudos coronando la cimentación y en cualquier otro elemento que comunique el suelo con la madera. Estos se fabrican con planchas metálicas inoxidables que sobresalen 50 mm de los apoyos con los bordes doblados hacia abajo en 45°. La función del escudo es la de impedir que los insectos puedan construir su canal de acceso hasta la madera al no poder voltear el filo inclinado de la plancha. (Fig. 6.33 y 634) Otro tipo de ataque es el que realizan los insectos alados, contra los cuales la construcción en sí misma no puede protege rse ya que al volar pueden alcanzar


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cualquier zona de la edificación y acceder a la madera por alguna grieta o ranura entre los materiales. Dentro del tipo de insectos que ataca a la madera desde el aire se encuentran los termites de madera seca, que actúa n hasta los 1,500 metros sobre el nivel del mar y los termites de nido aéreo, que se encuentran en las zonas tropicales húmedas Existen otros insectos como los lyctus y los bostrichidos, de apariencia a pequeños escarabajos, que depositan sus huevos en los poros o en ranuras de la madera, y las larvas que nacen de estos horadan la madera por un período de uno a siete años y luego cerca de la superficie, se convierten primero en ninfas o crisálidas y después de unas semanas en insectos adultos, los cuales em ergen al exterior dejando pequeños orificios en la superficie de la madera. La protección más efectiva contra este tipo de ataque está en el uso de madera de durabilidad conocida o preservada a presión, difusión u otro método que la impregne adecuadamente con productos como pentaclorofenol o sales de cobre – cromo arsénico. En el Cap. 2 se presentan los métodos de preservación y preservantes más conocidos.

Figura 6.33 Protección de los termites subterráneos en pilastras

Figura 6.34 Protección de los termites subterráneos en cimentación corrida.

6.5. PROTECCION CONTRA LOS SISMOS Los países andinos están ubicados en una zona geográfica donde ocurren con regularidad sismos de moderada y gran intensidad. Se hace necesario, por consiguiente, diseñar las edificacio nes considerando esta solicitación y capacitarlas para responder adecuadamente. La filosofía del diseño antisísmico está orientada a proteger a los ocupantes y sus bienes del colapso de su edificación ante un sismo severo a no sufrir daños de TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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importancia ante sismos moderados, y a soportar sismos ligeros sin ningún daño. Este objetivo se ve especialmente satisfecho con edificaciones de madera por las cualidades particulares que este material ofrece.

6.5.1 Edificaciones de Madera y los Movimientos Sísmicos Existen muchas regiones en el mundo donde construcciones de madera han resistido satisfactoriamente repetidos movimientos sísmicos. El mejor ejemplo tal vez lo constituya el Japón (17) ubicado en una de las zonas de mayor actividad sísmica del mundo (promedio de 1,500 sismos por año: 850 en 1958 y 5,770 en 1970. De estos, alrededor de 16 tienen magnitudes mayores de 6 en la escala de Richter, con intensidades suficientes para causar graves daños a las edificaciones. Sin embargo, en la actualidad, alrededor del 85% de todas las edificaciones en el Japón tienen estructura de madera. Muchos templos y pagodas datan del siglo VII habiendo resistido innumerables terremotos lo cual demuestra las bondades de la madera como material de construcción para edificaciones antisí smicas. En la subregión Andina la madera se utilizó mucho durante la época colonial, y en especial, a partir del siglo XVII hasta principios del siglo XX, donde a raíz de la apertura del Canal de Panamá se introdujeron nuevos materiales de construcción, de splazando a la madera del rol preponderante que tenía hasta ese entonces. Una de las razones por la cual el uso de la madera se hizo común en los países andinos, fue su eficaz comportamiento ante la acción de sismos. A raíz de ello se hizo muy popular en la segunda mitad del siglo XVIII un sistema constructivo a base de madera llamado según las regiones Quincha, Bahareque o Bajareque y Chuchiu. Este consiste en pie-derechos de madera espaciados a 600 mm. o menos, rigidizados en la base con diferentes tipos de arriostres diagonales, unidos a la solera superior e inferior mediante el sistema de caja y espiga y revestido (o rellenados) con caña recubierta de barro o yeso. En buena cuenta, un sistema de tipo entramado, tal como se le conoce actualmente. Por lo general, se le utilizó en el segundo piso de las edificaciones para aligerar su peso, sus ventajas antisísmicas han sido puestas a prueba en numerosos terremotos en los últimos 200 años. Algunos materiales y sistemas estructurales son mejores que otros para resistir los efectos de un movimiento sísmico. En este aspecto, la madera ofrece características excepcionales de buen comportamiento. Algunas de las más saltantes son las siguientes: Poco peso.- Las fuerzas que se presentan en las estructuras debido a la s aceleraciones del sismo están directamente relacionadas con el peso de la edificación. A mayor peso, mayores fuerzas de inercia y viceversa. Las estructuras de madera son en general más livianas que las construidas con ladrillo, concreto, acero, lo que r esulta en una ventaja para resistir efectos sísmicos. Flexibilidad.- La naturaleza tubular y fibrosa de su constitución anatómica le permite absorber energía de deformaciones que redunda en una mayor flexibilidad, retardando las fallas y roturas y permitie ndo un comportamiento más dúctil, sobre todo cuando ensamblada para formar componentes estructurales está sometida a esfuerzos de comprensión perpendicular a las fibras. Amortiguamiento.- La mayor disipación de energía de que es capaz una construcción con madera resulta en menores efectos sísmicos. Ductilidad.- Aún cuando se presenten terremotos muy intensos, las características de absorción de energía le permiten mostrar un comportamiento dúctil, absorbiendo sin fallar efectos mayores a los previstos. Esta propiedad es muy ventajosa para asegurar el menor daño a los ocupantes de una edificación en esas circunstancias.

6.5.2. Principios Generales de Diseño Buen criterio de diseño, materiales apropiados y una construcción segura son los aspectos que deben tomarse en cuenta en cualquier tipo de edificación para garantizar un buen comportamiento sísmico. Adicionalmente a los conceptos generales tradicionales que se toman en cuenta para diseñar estructuras antisísmicas, es conveniente considerar algunos aspectos más directamente relacionados con construcciones a base de madera: TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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La respuesta de estructuras en sismos sugiere que es muy importante fijar todos los elementos entre sí a través de soleras de amarre, riostras, travesaños, etc. que incluyen a los componentes por tantes como a los no portantes. Esto es particularmente aplicable en los sistemas tipo entramado, que están formados por muchas piezas de madera de poca sección y longitud donde la unidad estructural se basa en el éxito del proceso de fabricación y de los mecanismos de unión. Es recomendable proveer flexibilidad en las uniones, que es posible obtener mediante el uso de clavos o pernos como elementos de unión. Desde este punto de vista las uniones encoladas no son recomendable entre elementos sometidos a cargas cíclicas debidas a la vibración sísmica. Prestar especial atención a la forma de fijación de chimeneas de ladrillo, parapetos, cornisas, balcones e inclusive tanques de agua en el techo, pues salvo que se tomen las debidas precauciones pueden resultar muy peligrosos para los usuarios o transeúntes si llegaran a desprenderse de su posición original. En casos de muros cortafuego o paredes medianeras hechas de mampostería, es importante que éstos satisfagan las especificaciones para cargas sísmicas de los códigos locales para resistir adecuadamente el corte horizontal que se presenta. Cuanto mayor sea el peso de la cobertura, mayores serán las fuerzas de inercia que se producirán durante un sismo. Si la edificación tiene una cobertura de poco peso, la acción sísmica y el riesgo de desprendimiento será menor y menores las deformaciones. Si por el contrario el techo es muy pesado, se hace notoria la diferencia de masas con la estructura liviana de madera que la soporta y se traduce en mayores efectos sobre la edificación. Movimientos sísmicos severos aumentan invariablemente el riesgo de incendios o aniegos y se deben tomar precauciones en el diseño tanto de las instalaciones electromecánicas como de las sanitarias empleando criterios de tolerancia en las conexiones que permitan absorber desplazamientos inesperados de las mismas. El uso de conexiones especiales o detalles constructivos adecuados son también apropiados.

6.5.3 Cimentación Si se utiliza cimientos corridos combinados con la losa de piso de concreto, estas deben tener suficiente elementos de anclaje (pletinas, clavos, pernos, etc.) de modo tal que garanticen la continuidad estructural de la pared que soportan y sobre todo que impidan posibles desplazamientos laterales y/o verticales de dicha estructur a. (Fig. 6.35) En algunos casos, no es recomendable utilizar pernos de anclaje que atraviesen la solera en su parte central ya que la zona perforada entra en contacto con la humedad del suelo a través de la losa de piso, a menos que el tratamiento de prese rvación haya sido hecho posteriormente al pre-taladrado de la pieza con lo cual la zona perforada está adecuadamente tratada. Cuando las vigas o viguetas se apoyan sobre pilastras de concreto o cimentación corrida, es recomendable sujetarlas adecuadamente a su cimentación a fin de impedir que las fuerzas laterales y verticales del sismo las desplacen fuera de su lugar. (Fig. 6.36) En el caso que la cimentación esté hecha a base de bloques huecos de concreto, la necesidad de estabilización de la misma es aún mayor, para controlar el volteo o posible levantamiento. (Fig. 6.37) Otra alternativa de cimentación es el uso de pilotes o pilares de madera con suficiente empotramiento en el terreno o en su defecto apoyados en alguna base de madera o concreto que aumente su rigidez. En el caso que sean pilotes de madera se recomienda un empotramiento en el suelo de 1.8 a 2.4 m para proveer adecuada resistencia a la flexión o extracción. (Fig. 6.38) Cuando existen dificultades de excavación y se deban usar pilotes de mad era más cortos, estos deberán estar anclados al suelo de alguna manera. Una forma de hacerlo es vaciando una base de concreto alrededor del pilote, al que se han colocado una serie de elementos de fijación con el fin de aumentar su adherencia al concreto; tales como clavos, tornillos o tirafondos (Fig. 6.38). Otra posibilidad es que los pilotes, ya sea de


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dirección redonda o cuadrada, estén sujetos a una base de concreto a través de anclajes metálicos. (Fig. 6.38)

Figura 6.35 Alternativas de anclaje en losas de cimentación o cimientos

Figura 6.36 Propuestas de anclaje de vigas y viguetas sobre cimiento corrido o pilastras

Figura 6.37 Recomendación de anclaje en cimentación a base de bloques de concreto


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Figura 6.38 Recomendación de anclaje de pilotes de madera. 6.5.4 Pisos Elevados La estructura o plataforma que constituye un piso elevado debe estar anclada a la solera de zócalo que a su vez debe estar fijada a la cimentación. Las soluciones más comunes se logran con pletinas metálicas unidas con clavo s, que se ubican coincidiendo con la ubicación de los pie -derechos y que se fijan a la solera de zócalo tal como muestra la Fig. 6.39 a y b. En los casos que se use losas de piso combinadas con cimentación corrida, las pletinas deben estar embebidas en el concreto y pueden extenderse en altura, hasta que consigan la suficiente área de contacto con el pie -derecho, garantizando de este modo su comportamiento como muro de corte. Otro método eficiente para unir las paredes exteriores a los pisos elevados, consi ste en extender el revestimiento exterior de los pie -derechos al friso y a la solera de zócalo, de modo tal, que conforme una unidad (Fig. 6.40). 6.5.5 Muros y Tabiques La estructura de una edificación cumple la doble función de resistir las cargas vertic ales y los empujes laterales ocasionados por vientos o solicitaciones sísmicas. Por esta razón tipo de ensamblaje del entramado de madera y los métodos de unión, resultan ser factores significativos para su buen comportamiento. Los muros deben tener adecuada resistencia para resistir las fuerzas sísmicas y suficiente rigidez para mantener las deformaciones laterales dentro de rangos aceptables. Las distintas alternativas de revestimiento y arriostramiento proveen distintos niveles de capacidad siendo necesa rio verificar si ésta es adecuada. Los tableros especialmente rigidizan convenientemente los muros. (Fig. 6.41) En el capitulo 10 de la Sección III se describen los requisitos de resistencia y rigidez de muros de corte y diafragmas así como las característ icas estructurales de diferentes tipos de revestimiento para resistir cargas horizontales. Cada vez que dos o más paneles se encuentran en una esquina, la buena práctica constructiva recomienda rigidizarlos con riostras diagonales. En zonas de gran sismicidad es conveniente arriostrar ambos lados de la esquina, pero por lo general es suficiente hacerlo en uno de ellos. Las riostras diagonales por lo general de 25 mm de espesor, deben ser de una sola pieza y tener una inclinación de 30° a 60°, de ser posible deben encajar en los pie-derechos y soleras entre 25 y 30 mm. Cuando el entrepiso o techo no aportan rigidez adecuada a los muros, resulta igualmente conveniente rigidizar horizontalmente las esquinas en los muros periféricos. Una forma de hacerlo es utilizando una riostra horizontal encajada 30 mm en la solera de amarre de cada una de las paredes que forman la esquina, a una distancia que puede variar entre 1.2 y 1.8 m de la misma y unida a la solera con 1 perno o 2 clavos. (Fig. 6.42) En el caso del sistema de poste y viga, es aún más importante que ambos elementos estén debidamente rigidizados en cada unión. Las columnas deberán tener algún anclaje metálico fijado a la losa de piso o cimentación, o en entrepiso, estando unidas por lo general mediante pernos, tal como lo muestra la Fig. 6.43. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Las conexiones entre vigas y columnas deben estar debidamente conectadas, pudiéndose utilizar cartelas metálicas o de madera para rigidizar las uniones. Las cartelas metálicas están generalmente unidas mediante pernos , en cambio las de madera o tablero contrachapado, se unen más fácilmente con clavos. En tamaño y espesor de las cartelas dependen de los esfuerzos que deban resistir y del espaciamiento de los elementos de unión. Un método alternativo consiste en colocar ménsulas de madera sólida que se empernan a la madera y de este modo aumenta el área de apoyo de las vigas y dan continuidad a la unión (Fig. 6.44)

Figura 6.39 Unión de cimentación, piso elevado a) pletinas clavadas directamente a pie derechos b) pletinas clavadas a pie derechos a través del revestimiento.

Figura 6.40 Unión de piso elevado con pared exterior.

Figura 6.41 Aplicación de revestimiento en muros exteriores TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 6.42 Arriostramiento vertical y horizontal en sistema entramado.

Figura 6.42 Arriostramiento vertical y horizontal en sistema entramado (cont)

Figura 6.43 Métodos típicos de anclaje de columnas

6.5.6 Techos En zonas de alta sismicidad puede ser conveniente reforzar la unión entre el techo y los pie-derechos de los muros con la finalidad de impedir posibles separaciones originadas por las fuerzas verticales proveniente de las aceleraciones sísmicas de igual dirección. Esto se logra colocando pletinas metálicas delgadas o zunchos que unan pie -derechos con la cuerda superior o inferior, después de que ambos elementos estén unidos entre sí y a la solera superior mediante clavos. (Fig. 6.45) Otra forma más eficiente para reforzar la unión del techo con el muro es a través de anclajes metálicos que además de absorber la fuerza vertic al controlen el desplazamiento lateral. Estos anclajes pueden recibir uno o dos miembros y en ambos casos garantizar un buen clavado a la solera de amarre y el canto del pie derecho. (Fig. 6.46) Existe otra alternativa de anclaje metálico para la unión de techo y muro que puede ser usada de dos formas dependiendo de la ubicación del pie -derecho en relación a la vigueta o el par. (Fig. 6.47) TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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a)

Cuando la vigueta (o cuerda inferior) coincide con el pie -derecho, el anclaje deberá colocarse antes de colocar el par o cuerda superior. b) Cuando el par (o cuerda superior coincide con el pie derecho, el anclaje puede ser colocado después de clavar los elementos de techo a la solera. Una vez que cada uno de los elementos de techo está adecuadamente unido a las paredes es necesario arriostrarlos entre sí, para garantizar la estabilidad del conjunto evitando el volteo fuera del plano del elemento. La forma más sencilla es colocando riostras de 25 mm de espesor unidas tanto al canto superior de la cuerda inferior (o viguetas) como al canto inferior de la cuerda superior (o par) tal como se muestra en la Fig. 6.48.

Figura 6.44 Detalles típicos de unión de postes y vigas .

Figura 6.45 Anclaje de sistema de techo a muros


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PROTECCIÓN POR DISEÑO Figura 6.46 Anclajes tipo caja para elementos de techo simples y dobles

Figura 6.47 Anclajes tipo “L” para elementos simples de techo

Figura 6.48 Sistema de arriostramiento de techos

6.6 PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS Este tipo de siniestro puede ser controlado mediante una adecuada de prevención, previsión y control. 6.6.1 Clasificación de los Materiales según su Comportamiento Es preciso aclarar que más que la combustibilidad relativa de los materiales, interesa conocer su comportam iento, que está definido según los siguientes criterios:

De acuerdo a su Reacción al Fuego Es decir considerando el material como un alimento capaz de favorecer la propagación del fuego en un incendio. En este sentido, pueden clasificar de la siguiente for ma: 1. Materiales Combustibles.- Son aquellos que pueden arder indefinidamente hasta consumirse, como son el papel, fibras vegetales, madera, paja, etc. 2. Materiales Difícilmente Combustibles. - Son aquellos que dejan de arder cuando se les aparta la fuente de c alor, como sucede con la lana pura. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Materiales Incombustibles.- Son los que no llegan a arder con llama, como por ejemplo la arena, la grava, las piedras, el acero, el hormigón, el ladrillo, etc.

De acuerdo a su Resistencia Ante el Fuego Es decir el tiempo que pueden desempeñar su papel con toda seguridad, en una construcción sometida a un incendio. Esta resistencia se refiere a los materiales que en forma simple o combinada puedan desempeñar alguna función en la edificación. 1. Capaces de Contener el Fuego.- Cuando pueden soportar durante 30 minutos temperaturas de hasta 850°C. 2. Resistentes al Fuego.- Cuando resisten durante 2 horas temperaturas de hasta 1000°C. 3. Muy Resistentes al Fuego.- Cuando se conservan en buen estado durante 4 horas a temperaturas de hasta 1125°C.

6.6.2 Comportamiento ante el Fuego de los Materiales de Construcción. Todos los materiales resisten el fuego dentro de ciertos límites de acuerdo a su forma, dimensiones y fabricación, pero cuando la temperatura es bastante elevada se queman, deforman, desintegran o funden. Por ello, el término incombustible sólo se aplica en sentido figurado a aquellos materiales que no arden ni sufren combustión dentro de ciertos límites de temperatura. El Ladrillo Este material no se daña mayormente a temperatu ras que oscilan entre 800°C y 1,000°C, pero a temperaturas más elevadas de 1,000°C y 1,300°C se raja a causa de sus dilataciones. El Acero Sufre dilataciones importantes a partir de los 270°C y una vez que llega a temperaturas de 500°C a 715°C, la resistencia del acero disminuye en un 50 por ciento, pudiendo encontrar el punto crítico de rupturas bajo la acción de las cargas de trabajo. El Hormigón Según los agregados que se utilicen, se funde entre los 1,093°C y 1,371°C, pero empieza a cuartearse a partir de los 155°C y a los 538°C pierde la mayor parte de su resistencia a la comprensión. El Asbesto Cemento Resiste temperaturas elevadas por tener un bajo coeficiente de dilatación y no ser buen conductor del calor. Este material empieza a sufrir modificacio nes a partir de los 120°C pero mantiene su resistencia hasta temperaturas de 750°C. Morteros y Revoques Se comportan bien ante el fuego y son retardantes, en especial los de cal, yeso, arena o cemento. Sus rangos de resistencia se modifican entre 100°C y 3 00°C. La Madera La combustión se inicia al alcanzar una temperatura de ignición de 275°C. Esta circunstancia se ve favorecida debido a su alto contenido de gases, la mayor parte combustibles, que una vez combinados con el oxígeno, completan la reacción quí mica que origina la combustión. De acuerdo a su resistencia ante el fuego es conveniente anotar que la resistencia mecánica de la madera cuando se quema disminuye sólo en función de su destrucción progresiva, es decir, a menor dimensión de la pieza, menor resistencia. Las grandes piezas de madera sufren una combustión lenta bebido a que su mala conductividad térmica impide expulsar rápidamente la mayor parte de sus gases combustibles, lo cual ocasiona una carbonización superficial. Esta capa de carbón a su vez, empieza a actuar como aislante que protege térmicamente las capas interiores, retardando aun más de destrucción. Hay algunos factores que influyen en el comportamiento de la madera ante el fuego:


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b)

c)

d)


El contenido de humedad alto dificulta el proceso de co mbustión porque el vapor resultante baja la temperatura del área de combustión, reduce la cantidad de oxígeno y retarda el momento de ignición. El peso específico bajo facilidad la ignición debido a la menor cantidad de masa expuesta. Entre los piezas de m adera con iguales dimensiones, se consumirá en más tiempo aquella de mayor peso específico. Las secciones grandes se deterioran gradualmente formando una capa de carbón que dificulta la transmisión de calor y obstaculiza la liberación de gases inflamables del material aún no afectado. Se considera que el índice de carbonización promedio para una madera de 480 kg/m³ de peso específico, es de 3.6 cm/hora (10) (Secc. 6.6.4.3) La forma de exposición ante el fuego puede facilitar una mayor o menor propagación de la llama. Así por ejemplo, en un cielo raso de celosía, la llama se propaga más rápido que en un cielo raso de superficie lisa hecho con tableros de madera.

6.6.3 Sistemas de Prevención Son los recursos que se preparan y disponen en forma anticipada a la aparición de un incendio para reducir la posibilidad de que éste ocurra. Son también llamados recursos indirectos y están dirigidos en muchos casos a contrarrestar la posible negligencia a los ocupantes de una edificación a base de madera. Se basan en dos criterios: examinación de las fuentes de incendio y aplicación de tratamientos retardadores de fuego. 6.6.3.1 Fuentes de Incendio Como fuentes de incendio se denominan aquellas que pueden ser la causa de la aparición de un incendio. Las más importantes son : las fuentes de calor e iluminación, las instalaciones eléctricas y los materiales inflamables. Fuentes de Calor e Iluminación Están consideradas como las causas más frecuentes para iniciar y propagar el fuego en una edificación. Las fuentes de calor son: las cocinas, las chimeneas y los calefactores, y las de iluminación: las velas, lámparas y mecheros. Es indudable que la presencia o ausencia en la edificación, de dichas fuentes de incendio no depende principalmente del diseñador, sino del usuario, pero es conveniente analizar de un modo anticipado los siguientes aspectos. 1. Identificación del usuario.: es importante tomar en cuenta sus características socio culturales y el grado de familiarización con las viviendas de madera de los futuros ocupantes de la edificación, pues de ser el caso, es obligación del diseñador considerar medidas preventivas que contrarresten posibles negligencias en el uso y mantenimiento de las edificaciones. 2. Acciones de capacitación: sería recomendable proporcionar a los futuros usu arios instrucciones de uso y mantenimiento de las edificaciones, especialmente en lo relativo al empleo de los artefactos de iluminación y cocina y a la utilización de materiales inflamables, ya que la negligencia en su uso representa la principal causa de incendios no provocados en viviendas. Instalaciones Eléctricas Las medidas de precaución en este aspecto están dirigidas a controlar la aparición de cortocircuitos y a reducir en el caso que estos fracase, los riesgos de un incendio en la edificación. Una práctica común es usar tuberías portadoras de conductores, debido a las ventajas que presentan como guía de recorrido y como elemento de protección y aislamiento de los conductores. En el caso de los fusibles de seguridad, nunca deben tener una capacidad de carga mayor que la de los propios conductores, siendo recomendables que sea menor o en el peor de los casos igual. Asimismo una solución eficiente consiste en distanciar el conductor positivo del negativo, de tal manera que sea imposible la unión de los mismos, evitando de esta manera un cortocircuito. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Finalmente es aconsejable por razones de seguridad y por facilidad de mantenimiento, que las instalaciones eléctricas de una edificación sean diseñadas no sólo en función de la capacidad de consumo, sino también con un criterio de agrupación por área y tipos de uso, de tal manera que no se sobrecarguen los circuitos ni tampoco se afecten entre ellos. En construcciones con madera se recomienda que las instalaciones eléctricas sean fácilmente accesibles para permitir el mantenimiento y control periódicos.

Materiales Inflamables Este aspecto está directamente relacionado con los materiales de bajo punto de ignición, que muchas veces son los verdaderos propagados de un incendio y los causantes de la mayor parte de las pérdidas de vida debido a la alta toxicidad de sus componentes, que provocan la muerte por sofocación o asfixia. En este sentido es muy importante realizar una adecuada selección del tipo de acabados interiores, especialmente por la gran popularidad de materiales sintéticos, como cloruro de polivinilo y otros que se usan en muebles, alfombras, cortinas de baño y otros artículos que cuando arden despiden gran cantidad de humo y sobre todo gases químicos, tóxicos y/o letales.

6.6.3.2 Tratamientos Retardadores del Fuego Los materiales retardadores del fuego, también llamados ignífugos, como su nombre lo indica, reducen el grado de combustibilidad de la madera y la velocidad de propagación de llama, dando tiempo a evacuar personas y/o mobiliario así como a la intervención de los bomberos. Hay dos métodos disponibles usando retardadores de fuego químicos. Uno consiste en la aplicación de revestimientos de pintura con productos químicos retardantes del fuego. El segundo método consiste en impregnar la madera con sales solubles usando procesos de presión al vacío, como los que se usan en la industria preservadora de la madera.

Método de Recubrimiento Es el principal método de protección para edificaciones ya construidas. Consiste en aplicar una capa de retardante en la superficie de la madera, de tal forma que una vez en contacto con el fuego, el material alcance más lentamente la temperatura de ignición. Las pinturas retardadoras del fuego generalmente se basan en silicatos solubles en agua, resinas de urea, carbohidratos, aloginatos, emulsiones poli vinílicas, etc. Por otro lado, mientras que las pinturas óleo solubles utilizan parafinas clarificadas y alcalinas más trióxido de antimonio, las hidrosolubles obtienen características ignífugas mediante el uso de fosfato de amonio o borato de sodio. Estos componentes permiten ser recubiertos con pinturas convencionales que permiten mejorar la duración de los retardantes. Estos revestimientos de pintura pueden disminuir la velocidad de propagación de la llama en el material tratado. Debido a las características orgánicas de algunos de los ingredientes, ante la presencia de calor se hinchan, hasta formar y expandir una película protectora que aísla la superficie de la acción del fuego. Estos revestimientos cuando son aplicados correctamente a la madera o productos a base de madera, pueden reducir hasta en un 75 por ciento las posibilidades de propagación de la llama. Para obtener estos resultados en necesarios aplicar retardantes en mayores espesores, 2 con un rendimiento por galón de 10 a 17 m (una pintura convencional rinde 24 a 30 2 m /galón).

Método de Impregnación Mediante este tratamiento se pretende que la madera no arda fácilmente cuando es sometida a la acción de las llamas o de calor intenso, produciéndose por lo general, una carbonización sin llama, que evita la propagación del fuego al resto de la edificación. El tratamiento también reduce la cantidad de calor puede desprenderse durante la combustión, lo que permite que la llama se extinga es retirada la fuente de calor. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Las sales usadas en las fórmulas retardadoras de fuego son en general las mismas que se conocen hace más de 50 años y son fosfato monoamónico y diamónico, sulfato de amonio, cloruro de zinc, tetraborato de sodio y ácido bórico. (Fig. 6.49) Los tratamientos de impregnación que se emplean son los mismos que se utilizan en la preservación contra insectos y hongos, con presiones aplicadas que varían entre los 18 2 kg/cm . Para que la conservación de las sales retardadoras sea efectiva, debe impregnarse de 40 a 80 kg de sal seca por metro cúbico de madera (10). El tratamiento aumenta el peso de la madera en 15 o 20 por ciento según la cantidad de sales que se utilice. Algunos códigos de construcción de otros países (10.18), aceptan aumentar las áreas y altura admisibles de una edificación, cuando los materiales de construcción usados, hayan sido sometidos a tratamientos retardantes de fuego, debido a que se considera hasta en un 75 por ciento la disminución del riesgo de propagación del fuego.

Figura 6.49 Fórmulas de retardadores del fuego

6.4

Sistemas de Previsión y Control

Considerando que los sistemas de prevención no son perfectos, es conveniente diseñar sistemas de control que impidan la propagación del fuego en la eventualidad de que se produzca un incendio. De este modo reducen el riego de pérdidas de vidas de los ocupantes y evitan la destrucción de la edificación de su contenido. Se basan principalmente en aspectos de diseño arquitectónico, detección y confinamiento del fuego.

6.6.4.1 Criterios de Zonificación Se refieren principalmente a dos aspectos: la distribución arquitectónica considerando las posibles fuentes de incendio y las medidas de seguridad en términos de evacuación de los ocupantes y enseres de la edificación.

Distribución Arquitectónica Se recomienda considerar pautas de diseño que prevean la ubicación de las posibles fuentes de incendio en relación al resto de la edificación y al mismo tiempo faciliten el acceso a la zona del incendio en el momento en que éste deba ser sofocado. Los más importantes son: 1. Aislamiento por ubicación: evitando la ubicación de las fuentes de calo (cocina, calderas, etc.) en zonas estratégicas o de gran área de influencia, para evitar una rápida propagación al resto de la edificación. Lo recomendable en zon ificar adecuadamente las funciones arquitectónicas considerando el aspecto de seguridad. 2. Aislamiento por orientación: es decir tomando en consideración los factores climáticos y en especial el problema de los vientos, de modo tal, que su dirección predominante nunca se convierta en un elemento favorable para la propagación del fuego. 3. Accesibilidad: es necesario prever rápido y directo acceso a los posibles lugares donde el incendio puede originarse, para facilitar la labor de los equipos de auxilio o de bomberos, pues pasados los primeros 10 o 15 minutos de experiencia indica que puede resultar infructuoso cualquier intento de sofocación.

Requisitos de Circulación y Escape Tienen por objeto proporcionar a los ocupantes de una edificación las facilidades para una evacuación rápida desde un lugar inseguro a otro de mayor seguridad, ubicado en TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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calles o grandes espacios abiertos. Las regulaciones se establecen en los códigos locales de construcción de cada país. Para cumplir con dichos requisitos es necesario tom ar en cuenta los siguientes aspectos: 1. Número de Salidas Se entiende que a mayor cantidad de personas, se necesita mayor cantidad de salidas para asegurar que los ocupantes sean capaces de evacuar la edificación sin peligro alguno. Para pequeñas edificacio nes de 1 o 2 pisos se requieren 1 salida aunque es conveniente contar con 2. Para edificaciones de mayor altura se requiere mínimo 2 salidas por piso. 2. Distancias Máximas de Recorrido: El diseño arquitectónico debe prever una máxima de recorrido para acced er a los puestos de escape. Esta distancia varía en función del área por piso pero en general las distancias oscilan entre los 25 mts. como mínimo y 45 mts. como máximo, si es que la edificación está provista de irrigadores automáticos. 3. Ubicación de Salidas Es importante que las salidas y corredores de escape no estén ubicados cerca de las posibles fuentes de incendio, ni tampoco de los lugares de almacenamiento de materiales combustibles, pues de ser así, corren el riesgo de ser bloqueadas por el fuego. Asimismo es necesario cuando existan más de dos salidas por piso, éstas se ubiquen tan lejos como esa posible, para que puedan aprovecharse al máximo las respectivas áreas de influencia. 4. Señalización de Salidas de Emergencia: La mayoría de personas que oc upan una edificación, harán la evacuación por la misma puerta que ingresaron, es decir la principal, a menos que se sepa que hay salidas de emergencia. En este sentido se debe proveer letreros (color y tamaño) y el tipo de iluminación, para que sean fácilmente visibles y no deberán colocarse ningún tipo de obstrucciones ya sean permanentes o movibles que dificulten la rápida evacuación de las personas o enseres. Asimismo, deberá indicarse a través de letreros las puertas, pasadizos o escaleras que puedan s er motivo de confusión en una evacuación de emergencia. 5. Escaleras de Escape Es imprescindible que las edificaciones en alturas cuenten con escaleras exteriores de escape, construidas con materiales resistentes al fuego y sobre todo de bajo índice de conductibilidad térmica de tal manera que a pesar del calor, puedan ser transitables en todo momento.

6.6.4.2

Sistemas de Ventilación

La mayoría de las personas que mueren en un incendio no son víctimas de las llamas sino de la falta de oxígeno, del exceso de calor y principalmente de inhalación de humo y de gases tóxicos. Adicionalmente la presencia de humo impide la evacuación de personas y enseres del local afectado debido a la falta de visibilidad, dificultando así la labor de extinción del incendio de parte del personal que intenta hacerlo. Como es sabido, el humo es una masa gaseosa que se desprende de una combustión incompleta, que está compuesta principalmente de vapor de agua y que traslada una cantidad de residuos incombustibles en forma de partículas, que s on las que le dan su verdadero color y apariencia. Debido a su baja densidad tiende a elevarse y de no existir forma de ser evacuado, se concentra y permanece en la parte superior de los techos. Considerando lo analizado, se deduce que un buen sistema de v entilación debe considerar los medios mecánicos o automáticos necesarios para eliminar el humo acumulado en la parte superior de los ambientes sin que esto signifique la creación de corrientes de aire que ayuden a propagar el fuego. En todos los locales ar quitectónicos es posible diseñar la ubicación, el área y número de ventanas o salidas de humo necesarias, ya sea en el techo o en la parte superior de los muros, controlando según TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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sea el caso el desplazamiento del humo con sólo instalar barreras físicas qu e interrumpan el posible recorrido del mismo siempre y cuando además, éste siendo simultáneamente evacuados. (Fig. 6.50)

Figura 6.50 Recomendaciones de sistemas de ventilación

6.6.4.3

Dimensionamiento de Piezas Resistentes al Fuego

La madera utilizada en grandes dimensiones tiene un buen comportamiento ante la acción de la llama, pues conforme se quema la pieza se produce carbón alrededor de ella, que protege y retarda el proceso de combustión. De acuerdo al procedimiento de ensayo E119 de la ASTM (10), el prome dio de penetración de la llama para madera de 480 kg/³ de peso específico al 7 por ciento de contenido de humedad es de 37.5 mm/hora, siendo su comportamiento el siguiente: la ignición toma aproximadamente 2 minutos y luego la combustión continúa a un prom edio de 0.83 mm/min. en los siguientes 8 minutos. Posteriormente la capa de carbón empieza a actuar como aislante y retarda la combustión a 0.63 mm/min. manteniéndose constante, lo cual arroja un promedio de 37.5 mm/hora. Asimismo es posible determinar el efecto de reducción de sección en las aristas de una pieza con la fórmula (20) expresada en la Fig. 6.51.

Figura 6.51 Reducción de sección en las aristas de piezas de madera De este modo es posible sobredimensionar una pieza de madera con la finalidad qu e resista un tiempo determinado el efecto del fuego sin menoscabo de una capacidad estructural.

6.6.4.4

Características de Ocupación de la Edificación

Es posible clasificar las edificaciones de acuerdo a la propensión que tengan para incendiarse o al peligro que representen para mantener la integridad física de sus ocupantes y del mobiliario que contienen. Asimismo, es factible regular como lo indica el cuadro extraído del Reglamento Nacional de Construcciones del Canadá (18) el tiempo mínimo de resistencia que deb en tener los muros de separación de una edificación que tiene características de ocupación arquitectónica diferente a la de la edificación vecina.


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TABLA 6.2 RESISTENCIA MINIM A ENTRE EDIFICACIONES SEGUN EL TIPO DE OCUPACIÓN PREDOMINANTE (18)

Es por estas razones que se incluye a manera de referencia la Tabla 6.2 que regula la compatibilidad de diferentes funciones arquitectónicas en la finalidad de reducir las consecuencias de un incendio y su propagación al resto de edificaciones.

6.6.4.5

Separación Física o Constructiva

Consiste en lograr una discontinuidad física entre elementos, componentes o edificaciones, a través de barreras físicas tales como cortafuegos, aislantes, muros de separación, etc. Existen tres formas de separación física o barrera:

Barreras entre Elemento o Componentes Más conocidos como cortafuegos, son utilizados mayormente en construcción de viviendas del tipo ligeras o de entramado. Tienen por función bloquear las corrientes de aire entre espacios ocultos, delimitando compartimientos estanc os y controlando de esta manera la propagación de la llama y el humo entre ellos. Algunas regulaciones al respecto (18,21) exigen que se incluya cortafuegos entre pie derechos (espaciados generalmente cada 60 cm.) de tal manera que la máxima dimensión vertical no excede de los 3 metros. Los cortafuegos más utilizados son piezas de manera de 40 mm de espesor (2” de dimensión comercial), utilizándose igualmente tableros de asbesto -cemento, de yeso o TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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cualquier otro material incombustible que presenten un punt o de fusión por encima de los 760°C. En la mayoría de los casos, los elementos cortafuego tienen la doble función de ser elementos estructurales y barreras contra el fuego, como en el caso de las soleras superior e inferior, travesaños, soportes interiores , arriostres, etc. (Fig. 6.52) Barreras entre Ambientes Una vez que el fuego se ha desarrollado en un ambiente, es necesario impedir que se propague al resto de la edificación, para lo cual es recomendable diseñar cada uno de los ambientes con paredes que tengan cierta resistencia al fuego, de forma tal que existan sectores aislados entre sí, que controlen la propagación de humo, los gases, el calor y la llama, confinando de este modo el incendio. En una vivienda de 1 o 2 pisos de madera se recomienda una r esistencia interior de ½ hora y sólo las paredes divisorias (en caso de viviendas pareadas) y las paredes exteriores (cuando el retiro no es suficiente) requieren de una resistencia mayor de 1 hora. Las separaciones de fuego o barreras entre ambientes son los mismos cerramientos de las edificaciones construidas con materiales adecuados y cuyo principal requisito es que funcionen como un elemento continuo, aún en el caso que tengan de un piso de altura. (Fig. 6.53) Es necesario tomar precauciones para que la pared resistente al fuego no colapse en caso que la estructura adyacente (no resistente) lo haga, como lo muestra el detalle de la Fig. 6.53 en la cual las viguetas se ubican paralelas a la pared divisoria sin comprometer la estabilidad estructural de la misma.

Figura 6.52 Utilización de corta fuegos de madera TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Figura 6.53 Paredes divisorias resistentes al fuego Asimismo es necesario tomar en cuenta que los vanos (puertas o ventanas) ubicados en paredes resistentes al fuego deben tener una resistenci a mínima para mantener la efectividad de la misma (18) tal como lo indica la Tabla 6.3. Tabla 6.3 RESISTENCIA DE PUERTAS Y/O VENTANAS (horas) Resistencia de pared divisoria

Resistencia de la puerta y/o ventana

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4

3

La razón por la cual la resistencia exigida para puertas y ventanas es menor que para paredes, se basa en el techo de que difícilmente se almacena cerca de un vano cualquier objeto o material que contribuya a una mayor combustibilidad y propagación de la llama. Para calcular la resistencia al fuego de una estructura de muro, entrepiso o techo de madera o acero, se suma la resistencia relativa de cada uno de los materiales que la componen. El término de resistencia relativa se refiere a la contribución que c ada material otorga para que la estructura tenga determinado comportamiento ante el fuego. Hay que considerar sin embargo, que en el cálculo de la resistencia de un componente se toma en cuenta la contribución únicamente de una de las dos caras (la expuest a al fuego), puesta la otra empezaría a actuar cuando ya la primera cara ha sido destruida y la estructura está a punto de colapsar. A manera de ejemplo, la Fig. 6.54 muestra un entramado de pared diseñado para que resista un mínimo de 1 hora. Esta resist encia se calcula sumando las del tablero de yeso de 15.9 mm (30 min), el entramado de madera (20 min) y la contribución de la lana mineral (15 min), la cual resulta de 65 min, es decir más de 1 hora. Nótese que el revestimiento no expuesto al fuego no ha s ido considerado en el cálculo. Las Tablas 6.4, 6.5 y 6.6 que se reproducen del N.B.C.C. (18), ofrecen los valores de resistencia con que contribuyen cada uno de los materiales de diferentes tipos de estructura de muros, entrepiso y techo. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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NOVIEMBRE 2001 Tabla 6.4


TIEMPO ASIGNADO A TABLEROS DE REVESTIMIENTO (18) Descripción del Tablero

Tablero de fibra de 12.5 mm Tablero contrachapado de 8 mm con pegamento fenólico. Tablero contrachapado de 11 mm con pegamento fenólico Tablero contrachapado con 14 m m con pegamento fenólico Tablero de yeso de 9.5 mm Tablero de yeso de 12.7 mm Tablero de yeso de 15.9 mm Doble tablero de yeso de 9.5 mm Tablero de yeso de 12.7 m y 9.5 mm Doble tablero de yeso de 12.7 mm Tablero de asbesto cemento de 4.5 mm y tablero de yeso de 9.5 mm Tablero de asbesto cemento de 4.5 mm y tablero de yeso de 12.7 mm

Tiempo (min) 5 5 10 15 10 15 30 25 35 40 40 (*) 50 (*)

(*) Valores aplicados a muros solamente La Tabla 6.5 muestra los valores de resistencia al fuego de diversos revestimientos . Tabla 6.5 RESISTENCIA AL FUEGO DE REVESTIMIENTO (18) Material de Base Espesor del Revoque Revoque (mm) Arena y Cemento Arena y Yeso Portand Listones de madera 13 5 min 20 min Tablero de fibra de 12.5 mm 13 -----20 min Tablero de yeso de 9.5 mm 13 -----35 min Tablero de yeso de 9.5 mm 16 -----40 min Tablero de yeso de 9.5 mm 19 -----50 min Malla expandida 19 20 min 50 min Malla expandida 23 25 min 60 min Malla expandida 26 30 min 80 min

La siguiente tabla indica la contribución de resistencia as ignada a entramados de acero o madera. Tabla 6.6 RESISTENCIA ANTE EL FUEGO DE ENTRAMADOS VERTICALES Y HORIZONTALES Descripción del Entramado Resistencia Asignada (min) Pie derecho de madera @ 400 mm 20 Pie derecho de acero @ 400 mm 10 Viguetas de piso, entrepisoo techo @ 400 mm 10

Finalmente, se puede aumentar la resistencia al fuego de los entramados de madera si se incluye lana minera entre pie derechos (Fig. 6.54) con lo cual aumenta en 15 minutos la contribución asignada. Asimismo si se incluye una malla metálica entre dos tableros o si se reduce el distanciamiento entre pie derechos, la resistencia asignada puede aumentar entre 10 y 30 minutos.

Figura 6.54 Muro de madera de 1 hora (65 minutos) de resiste ncia

Barrera entre Edificaciones Más conocidas como muros cortafuegos, tienen por finalidad evitar que un fuego indicado en una edificación se propague a las construcciones vecinas. Deben ser capaces de soportar exposiciones de fuego severas y además ser autoportantes de manera que las construcciones adyacentes puedan colapsar sin afectarlo. Para que esto sea posible, los muros cortafuegos deben tener mayor resistencia al fuego que el resto de la estructura, permaneciendo estables e intactos hasta que el incendio en el local afectado haya sido sofocado. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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El grado de resistencia de un muro cortafuego depende de la cantidad de material combustible o inflamable que contenga la edificación y teóricamente debe resistir hasta que todo este material haya sido consum ido por el fuego. En algunos casos puede ser necesario un muro cortafuego que tenga una resistencia de 4 horas para separar una función arquitectónica de otra, pero por lo general y en particular para viviendas de madera es suficiente una resistencia de 2 horas para evitar la propagación del incendio entre edificación. Normalmente se utiliza concreto o ladrillo para los muros cortafuego, siendo necesario en este último caso, un espesor de 200 mm para conseguir una resistencia de 2 horas y 300 mm para garant izar 4 horas de resistencia. Para que los muros cortafuego sean eficientes, no deberán ser discontinuos e inclusive deberán prolongarse más arriba de la cobertura por lo menos 150 mm en muros de 2 horas de resistencia y 900 mm en muros de 4 horas de resist encia. De esta manera se disminuye el riesgo de propagación del incendio por el techo y proporciona protección a los bomberos que traten de acceder por el techo no afectado por el fuego. (Fig. 6.55)

Figura 6.55 Muro cortafuego con parapeto En el caso de muros exteriores de madera, estos deberán rematar en el muro cortafuego de ladrillo o concreto tratando que el encuentro de paredes sea lo más hermético posible, tal como lo muestra la Fig. 6.56 siendo opcional la prolongación de la pared.

Figura 6.56 Encuentro de muro cortafuego y muro exterior Es importante mencionar que la suma de los vanos en muros cortafuego deberá limitarse a 1/4 de la longitud de la pared y estos deberán tener la misma resistencia señalada en la Tabla 6.3 para barreras entre ambien tes.

6.6.4.6

Separación Espacial

La separación espacial es el segundo método utilizado para proteger o aislar las edificaciones de la propagación del fuego mediante el aislamiento del material combustible. Consiste en distanciar una edificación de otra a través de un espacio que a su vez es determinado en función de la combustibilidad del material de revestimiento y del porcentaje de vanos sin protección existente en la fachada expuesta al fuego. El propósito de la separación espacial es prevenir que un incendio en una edificación se propague a otra por radiación de calor causando la ignición espontánea de materiales combustibles, especialmente a través de puertas y ventanas sin proteger. Investigaciones en Inglaterra y Canadá (19) demostraron que la mayoría de mate riales combustibles no se encienden espontáneamente con una radiación de calor menor a 0.3 calorías por centímetro cuadrado por segundo. Por lo tanto, se supone que la TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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separación espacial entre edificaciones deberá ser tal, que un incendio en una edificación no debe exponer a la fachada exterior paralela de edificaciones adyacentes, 2 a un nivel de radiación de calor por encima de ese valor (0.3 cal/cm /seg). El Código Nacional de Construcción de Canadá (18) propone la siguiente tabla, que se incluye a manera de referencia para determinar la distancia entre edificaciones en función del área de la fachada expuesta al fuego, la relación ancho / altura o altura / ancho (la mayor de las dos) de la edificación y el porcentaje de vanos sin protección de la misma. TABLA 6.7 DISTANCIA LIMITE ENTRE EDIFICACIONES (18) Fachada Expuesta al AREA DE VANOS SIN PROTECCIÓN (%) Fuego RETIRO DE PROTECCIÓN (m) Area Relación L/H Menos 1.2 1.5 20 2.5 3 4 m² o H/L 1.2 Menos de 3.1 0 8 10 18 29 46 91 10 3:1 a 10:1 0 8 12 21 33 50 96 Más de 10:1 0 11 18 32 48 68 100

5

6

7

8

9

100 100

15

Menos de 3:1 3:1 a 10:1 Más de 10:1

0 0 0

7 8 10

9 10 15

14 17 26

22 25 39

33 37 53

63 67 87

100 100 100

20

Menos de 3.1 3:1 a 10:1 Más de 10:1

0 0 0

7 8 9

9 10 14

12 15 23

18 21 33

26 30 45

49 53 72

81 85 100

100 100

Menos de 3:1 3:1 a 10:1 Más de 10:1

0 0 0

7 8 9

8 9 13

11 13 21

16 19 30

23 26 39

41 45 62

66 70 90

98 100 100

100

25

30

Menos de 3.1 3:1 a 10:1 Más de 10:1

0 0 0

7 7 8

8 9 12

11 12 19

15 17 27

20 23 36

35 39 56

56 61 79

83 88 100

100 100

40

Menos de 3:1 3:1 a 10:1 Más de 10:1

0 0 0

7 7 8

8 8 11

10 11 17

13 15 24

17 20 31

28 32 47

44 48 66

64 69 88

89 93 100

100 100

Menos de 3.1 3:1 a 10:1 Más de 10:1

0 0 0

7 7 8

8 8 10

9 10 14

12 14 20

15 18 25

24 28 38

37 41 51

53 57 67

72 77 85

96 100 100

100

50

60

Menos de 3:1 3:1 a 10:1 Más de 10:1

0 0 0

7 7 8

8 8 10

9 10 14

11 13 20

14 16 25

21 25 38

32 36 51

45 49 67

62 66 85

81 85 100

100 100

Para poder aplicar la tabla anterior se hace necesario explicar los siguientes conceptos: 1. Vano sin protección: es cualquier porción de una fachada expuesta al fuego que no cumple los requerimientos de resistencia al fuego señalados por su uso. Por lo general, las puertas y ventanas de una edificación no son resistentes al fuego y constituyen los vanos sin protección más comunes, que una vez sumados se expresan como un porcentaje de la facha da expuesta y sirven para determinar la distancia límite de espaciamiento entre edificaciones. 2. Fachada expuesta: es el área de cada cara exterior de una edificación expuesta al fuego que está comprendida entre el nivel del terreno y el cielo raso del últim o piso. Cuando cada uno de los pisos tiene cerramientos resistentes al fuego (muros, entrepisos, cielo raso) el área a considerar será la correspondiente a cada piso (o compartimiento) y no a toda la edificación. 3. Retiro de Protección: se refiere a la dista ncia entre la fachada expuesta al fuego y el límite de propiedad o a una línea imaginaria entre dos edificaciones de una misma propiedad. Si las dos edificaciones tienen la misma área de fachada en exposición y el mismo porcentaje de vanos sin protección, la línea imaginaria será equidistante. Si el área de fachadas es distinta, la línea imaginaria estará ubicada TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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proporcionalmente más cerca de la edificación con menor área de exposición. (Fig. 6.57 y6.58)

Figura 6.57 Vanos sin protección

Figura 6.58 Retiro de protección La Tabla 6.7 ha sido elaborada tomando en consideración los siguientes conceptos:  Cuando la cara exterior de una edificación tiene forma irregular, la distancia será determinada desde un plano vertical imaginario de modo tal que ninguna p orción de la edificación se ubicará entre dicho plano vertical y la de división de la distancia. En estos casos los vanos sin protección y la superficie en exposición será calculados de acuerdo a su proyección al plano vertical imaginario. (Fig. 6.59)









Figura 6.59 Edificaciones con plantas irregulares La fachada en exposición se considera como una superficie uniforme en un plano vertical, que en el caso que se produzca un incendio el calor será irradiado en forma regular a través de los vanos sin protecció n que se encuentran uniformemente distribuidos en la fachada. Se supone que existe servicio de bomberos con posibilidad de actuar a los 15 – 20 minutos de incendiado el incendio dado que la separación espacial solamente pretende proteger a las edificacione s durante los primeros minutos de iniciado el fuego. Si no existiera servicio de bomberos o se encuentra muy alejado, los retiros de protección y distancia límite a considerar serán el doble que las señaladas en la Tabla 6.7. El retiro mínimo entre la fachada y la línea de división imaginaria será de 1.2 m. En caso que el retiro deba ser menor, las puertas y ventanas en esa fachada deberán omitirse o en su defecto deberán tener la misma resistencia al fuego que el revestimiento. Finalmente, a manera de complemento se incluye la Tabla 6.8 que establece el tipo de revestimiento exterior y su resistencia al fuego en función del porcentaje de vanos sin protección para diferentes tipos de uso arquitectónicos (18)


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Tabla 6.8 REQUERIMIENTOS DE CONSTRUCCIONDE LA FAC HADA EXTERIOR DE EDIFICACIONES (18)

y Mediano Bajo Riego de Incendio

Teatros Iglesias Colegios Restaurantes Hospitales Hoteles Viviendas Oficinas, etc.

y Alto Mediano Riego de Incendio

Tipo de uso arquitectónico

Centros comerciales Mercados de abasto Tiendas Carpinterías Hangares Industria pesada Destilería Molinos, etc.

Porcentaje de vanos sin protección 0- 10

Tipo de Revestimiento exterior

1 hora Incombustible

Mayor de 10 Hasta 25

1 hora

Mayor de 25 Hasta 99

¾ hora

Combustible

100

No se requiere

Incombustible

0 – 10

2 horas Incombustible

Mayor de 10 Hasta 25 2 horas Mayor de 25 Hasta 99

100

6.6.4.7

Resistencia de fachada expuesta

1 hora

Combustible

No se requiere

Incombustible

Alarmas Automáticas

El pronto descubrimiento de un incendio ase gura frecuentemente su rápida extinción, sí es que éste se produce en los primeros minutos de iniciado el fuego. Las alarmas permiten detectar automáticamente un incendio y las más conocidas son las que funcionan detectando el calor y las que funcionan det ectando el humo. Las primeras pueden a su vez ser accionadas a gas o electricidad y su funcionamiento se basa en el aumento progresivo del calor en el local afectado. Este tipo de alarmas tienen un radio de acción limitado, que varía entre 1.5 y 4.5 m y en condiciones normales se las regula para que funcionen a 58°C, salvo en ambientes especiales como en cuartos de calderas donde se las regula a 790°C. Los detectores de humo funcionan con electricidad y los más comunes están provistos de células fotoeléctricas que tienen un haz de luz al ser interrumpido por el humo pone en funcionamiento de alarma.

6.6.4.8

Sistema de Irrigadores o Extintores Automáticos

Se utilizan para aumentar el área de construcción o el porcentaje de vanos sin protección en una edificac ión combustible debido a la seguridad que ofrecen. Consiste en una red de tuberías de agua fría que tienen unos terminales convenientemente ubicados, de los que en el momento oportuno brotará agua finamente pulverizada a razón de 1,590 a 2,840 litros/minut o. Para que esto se produzca existen tres formas. La primera consiste en dos placas soldadas, cuya soldadura tiene capacidad de fundirse a 57,66,71 y a 74°C, según se desee. Al separase las placas por el aumento de temperatura libran una tapa que deja salir el agua. La segunda consiste en una cápsula de cristal que tapa la salida del agua que con la presencia del calor estalla, liberando la salida de agua. La tercera forma tiene una pastilla de un compuesto químico que ante el calor se desintegra librando e l tapón que contiene el agua. Los irrigadores resultan ser muy populares para grandes edificaciones, de uso público o industrial, porque reducen el fuego desde sus inicios, disminuyendo los riesgos personales y los daños materiales.


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ENCOFRADOS FIERRERÍA PROPIEDADES DE LA MADERA

El “Estudio Integral de la Madera para la Construcción” forma parte de los Proyectos Andinos de Desarrollo Tecnológico en el Área de los Recursos Forestales Tropicales que ejecuta la Junta de Acuerdo de Cartagena. A través de este proyecto, los países andinos se encuentran afrontando conjuntamente el desarrollo de actividades científico – tecnológicas con la finalidad de obtener bases técnicas que posibiliten la introducción de la madera de bosques tropicales en la construcción. E e sta manera se trata de utilizar nuestro recurso renovable más abundante para incorporarlo en la actividad productiva de modo que pueda contribuir a la solución del problema habitacional que afecta a la Sub-región. En nuestros países, el uso de la madera en el sector de la construcción actualmente se ve restringido por la insuficiencia de conocimientos técnicos, de infraestructura, de producción adecuada, de leyes, normas y además, debido a prejuicios derivados del desconocimiento del material por parte de l os usuarios. Esta situación determinó que en el enfoque general se haya concebido una cobertura integral de las diferentes áreas requeridas para propiciar la introducción efectiva de la madera en el sector de la construcción. Así, dentro del proyecto se ha previsto la ejecución de actividades que progresivamente irán llevando los vacíos de orden técnico, industrial, educativo, científico, normativo, promocional, etc., que existen en la actualidad y que limitan la posibilidad de que el mercado de la construc ción adopte un “nuevo” material. Esta publicación está dirigida a estudiantes universitarios, constructores, arquitectos, ingenieros y a todas aquellas personas a quienes interese conocer los fundamentos de la construcción con madera. La Cartilla de Constr ucción, siendo una publicación didáctica, no pretende presentar soluciones o respuestas eminentes científico técnicas, ya que este papel será cumplido por otras publicaciones del PADT -REFORT que serán difundidas simultáneamente, más bien, plantea en form a simple y resumida los principales criterios que deben tomarse en cuenta para construir con madera. Muchas de estas consideraciones se ejemplifican o basan en las investigaciones hechas en los laboratorios subregionales de tecnología de la madera durante la realización del proyecto. El contenido se presenta agrupado en seis secciones. En la primera se describe el potencial maderero de los países del Grupo Andino; la segunda presenta aspectos técnicos generales relacionados con la madera; la tercera trata d el comportamiento y protección de edificaciones de madera; la cuarta trata de aspectos de ingeniería de la madera; la quinta de la construcción con madera y la sexta es una sección de anexos informativos. En ciertos temas tratados se ha preferido atenuar la rigurosidad técnica o científica para facilitar la expresión de una línea que mejore la comprensión. Esta es una primera edición que será mejorada posteriormente. Agradecemos de antemano a las personas e instituciones que nos hagan llegar comentarios, s ugerencias o correcciones que contribuyan a enriquecer este trabajo. Nuestro reconocimiento especial a los funcionarios y entidades sub -regionales forestales, de vivienda y universidades por el aliento y colaboración que prestaron a esta publicación. Ing. Marcelo Tejada V. Jefe Padt - Refort


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Presentación Introducción Contenido I. POTENCIAL M ADERERO Capitulo 1.

ANTECEDENTES DEL USO DE LA M ADERA

1.1 Importancia del Recurso Forestal en la Subregión. 1.2 Uso Época Prehispánica y colonial 1.3 Uso Época Republicana 1.4 La Madera en Bolivia 1.5 La Madera en Colombia 1.6 La Madera en el Ecuador 1.7 La Madera en el Perú 1.8 La Madera en Venezuela II. LA MADERA Capitulo 2 EL RECURSO FORESTAL 1.1 El Recurso Forestal 1.2 Sucesión Natural del Bosque 1.3 La Función Protectora del Bosque 1.4 La Función de Producción del Recurso Forestal 1.5 Bosque de Coníferas 1.6 Bosque de Latifoliadas 1.7 Superficie Forestal en el Mundo. Capitulo 3 CONSTITUCION DE LA MADERA 1.1 El Árbol 1.2 Identificación de Especies 1.3 Bases para la Descripción de la Madera 1.4 Características Externas 1.5 Descripción Anatómica 1.6 Estructura Anatómica de Madera – Conífera 1.7 Estructura Anatómica de Madera – Latifoliada Capitulo 4 PROPIEDADES DE LA MADERA 4.1 Propiedades físicas – densidad y contenido de humedad 4.2 Propiedades físicas – medición del contenido de humedad 4.3 Propiedades físicas – contenido de humedad de equilibrio 4.4 Propiedades físicas – contracción y expansión 4.5 Propiedades físicas – aislamiento 4.6 Propiedades físicas – comprensión y tracción 4.7 Propiedades mecánicas – corte y flexión 4.8 Comportamiento de elementos según el tipo de esfuerzo. Capitulo 5 EL BOSQUE Y SU APROVECHAMIENTO 6.6 El Recurso Forestal 6.7 El Aprovechamiento Forestal 6.8 La Reforestación 6.9 Extracción 6.10 Aserrado 6.11 Reaserrado 6.12 Selección 6.13 Secado y Tratamiento Capitulo 6 SECADO DE LA MADERA 6.1 Proceso de Secado – Variables 6.2 Métodos de Secado 6.3 Secado al Aire 6.4 Presecado 6.5 Secado al Horno


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6.6 Defectos originados por el Secado y Formas de Reducirlos 6.7 Control del Secado Capitulo 7. PRESERVACIÓN DE LA MADERA 1.1 La Preservación 1.2 Durabilidad Natural 1.3 Termites 1.4 Pulverizadores 1.5 Hongos 1.6 Durabilidad Adquirida – Sustancias Preservantes 1.7 Métodos de Preservación a Presión Normal 1.8 Método de Preservación con Empleo de Vacío y Presión 1.9 Aspectos a Considerar en el Diseño Capitulo 8. TABLEROS A BASE DE MADERA PARA USO EN CONSTRUCCIÓN. 1.1 Tableros a Base de Madera para uso en construcción 1.2 Tableros Contrachapados 1.3 Tableros Contrachapados – Proceso de Producción 1.4 Tableros de Partículas – Proceso de Producción 1.5 Tableros de Fibra 1.6 Tableros de Fibra – Proceso de Producción 1.7 Tableros de Lana de Madera – Proceso de Producción III. COMPORTAMIENTO Y PROTECCIÓN DE LA EDIFICACIÓN Capitulo 9. LA UBICACIÓN Y LOS FACTORES NATURALES 9.1 La ubicación 9.2 Los Factores Naturales 9.3 El Clima y sus Variaciones 9.4 El Clima Respecto a su Altitud y Latitud 9.5 Clasificación de los Factores Naturales 9.6 Radiación Solar – Temperatura y Luminosidad 9.7 Los Vientos y el Polvo 9.8 La Precipitación y la Humedad 9.9 Formas de Protección del Clima 9.10 Formas de Protección del Clima – El Plan 9.11 Formas de Protección del Clima – La Ubicación 9.12 Formas de Protección del Clima – Orientación y Techos 9.13 Formas de Protección del Clima – Las Aberturas 9.14 Formas de Protección del Clima – El Control Solar 9.15 Formas de Protección del Clima – La Ventilación 9.16 Formas de Protección del Clima – Los Espacios Externos 9.17 Formas de Protección del Clima – El Aislamiento Térmico 9.18 Los Climas Andinos 9.19 Clima Tropical de Llano o Mixto 9.20 Clima Tropical Húmedo 9.21 Clima Subtropical Árido Marítimo 9.22 Clima Subtropical Húmedo de Altura 9.23 Clima Subtropical Árido de Altura 9.24 Clima Templado de Altura 9.25 Clima Frío de Altura Capitulo 10. COMPORTAMIENTO DE LA MADERA ANTE EL MEDIO AMBIENTE. 10.1 Elementos del Medio Ambiente 10.2 Calor 10.3 Ruido 10.4 Humedad I 10.5 Humedad II 10.6 Viento Capitulo 11. COMPORTAMIENTO Y PROTECCIÓN CONTRA SISMOS 11.1 El Sismo


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11.2 Características de la Onda Sísmica 11.3 Factores que Alteran los Efectos del Sismo en las Edificaciones 11.4 Comportamiento de la Cons trucción con Madera 11.5 Protección Contra Sismos en Construcción de Madera – Cimentación 11.6 Protección Contra Sismos en Construcción de Madera – Muros 11.7 Protección Contra Sismos en Construcción – Techo. Capitulo 12. COPORTAMIENTO Y PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS 12.1 El Incendio 12.2 Comportamiento Estructural de los Materiales ante el Fuego 12.3 Comportamiento Estructural de la Madera ante el Fuego 12.4 Fuentes de Incendios y Sistemas de Protección 12.5 Sistemas de Prevención I 12.6 Sistemas de Prevención II 12.7 Sistemas de Previsión I 12.8 Sistemas de Previsión II IV. INGENIERIA DE LA MADERA Capitulo 13. SISTEMAS ESTRUCTURALES 13.1 Fuerza 13.2 Equilibrio del Cuerpo Libre 13.3 Cargas 13.4 Esfuerzos 13.5 Acciones sobre los Elementos 13.6 Esfuerzo de Compresión 13.7 Esfuerzo de Tracción 13.8 Esfuerzo de Corte 13.9 Flexión 13.10 Ejemplos de Localización de Esfuerzos 13.11 Forma y Rigidez 13.12 Deflexión, Carga y Forma 13.13 Deflexión y Proporciones de los Elementos 13.14 Eficiencia de las Secciones en Comprensión 13.15 Formación de Unidades Rígidas 13.16 Armaduras I 13.17 Armaduras II 13.18 Organización del Material. Capitulo 14. UNIONES ESTRUCTURALES 14.1 Función de las Uniones 14.2 Elementos de Unión 14.3 Comportamiento de las Uniones 14.4 Tipos de Uniones Estructurales 14.5 Uniones Amarradas 14.6 Uniones Clavadas I 14.7 Uniones Clavadas II 14.8 Uniones Clavadas III 14.9 Uniones Atornilladas 14.10 Uniones Empernadas I 14.11 Uniones Empernadas II 14.12 Uniones con Conectores y Pletinas 14.13 Uniones con Anclajes V. CONSTRUCCIÓN CON MADERA Capitulo 15. COORDINACIÓN MODULAR 15.1 Coordinación Modular 15.2 La Coordinación Dimensional 15.3 Factores Dimensiónales 15.4 El Módulo y la Modulación de Elementos constructivos 15.5 Medidas, Errores y Tolerancia


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15.6 Clasificación de los Elementos 15.7 Ganas y Tamaños 15.8 Las Tramas y las Construcciones con Madera. Capitulo 16. LA MADERA EN LA CONSTRUCCIÓN 16.1 Proceso de Fabricación 16.2 Fabricación – Etapas 16.3 Adquisición de Material 16.4 Recepción, Acondicionamiento y Suministro 16.5 Habilitado y Precortado 16.6 Prearmado y Armado 16.7 Almacenaje, Embalaje y Transporte 16.8 Tolerancias de Fabricación. Capitulo 17. PROCESOS CONSTRUCTIVOS 17.1 El Proceso 17.2 Elección del Sistema Constructivo 17.3 Documentación Básica 17.4 Programación de la Obra 17.5 Obras Preliminares 17.6 Cimentación de Hormigón 17.7 Cimentación de Madera – Pilotes 17.8 Estructura – Piso de Paneles y Piso Entramado 17.9 Estructura – Columnas y Paneles Portantes 17.10 Estructura – Entramados de Pared 17.11 Estructura – Pórticos 17.12 Estructura – Armaduras 17.13 Estructura – Entramados de Techo 17.14 Barreras y Aislantes 17.15 Revestimientos Exteriores de Pared 17.16 Revestimiento Interiores de Pared 17.17 Revestimiento de Cubierta y Cielo Raso 17.18 Revestimiento de Piso y Entrepiso 17.19 Puertas, Mamparas y Ventanas 17.20 Escaleras y Muebles Fijos 17.21 Instalaciones Sanitarias 17.22 Instalaciones Electromecánicas 17.23 Acabados 17.24 Mantenimiento y Reformas VI. ANEXOS Capitulo 18. HERRAMIENTAS Y EQUIPO DE CARPINTERÍA 18.1 Clasificación y Evolución 18.2 Medición, Trazado y Control 18.3 Medición 18.4 Trazado 18.5 Control 18.6 Sujeción y Armado 18.7 Sujeción 18.8 Armado 18.9 Modificación de la Forma 18.10 Modificación de la Forma – Cortado 18.11 Cortado con Herramientas Manuales 18.12 Cortado con Máquinas Herramientas Portátiles 18.13 Cortado con Máquina Herramienta de Mesa 18.14 Cortado con Máquina Herramienta de Mesa 18.15 Modificación de la Forma – Alisado 18.16 Alisado con Herramientas Manuales 18.17 Alisado con Máquina s Herramientas Portátiles


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18.18 Alisado con Máquina Herramienta de Banco 18.19 Alisado con Máquina Herramienta de Banco 18.20 Modificación de la Forma – Labrado 18.21 Labrado con Herramientas Manuales 18.22 Labrado con Máquinas Herramientas Portátiles 18.23 Labrado con Máquina Herramienta de Banco 18.24 Labrado con Máquina Herramienta de Mesa Capitulo 19. DETALLES TIPICOS EN CONSTRUCCIÓN CON MADERA 19.1 Tipo de Construcción 19.2 Cuadros de Elementos y Componentes 19.3 Precauciones en Componentes según clima 19.4 Detalles Constructivos Capitulo 20. GLOSARIO TÉCNICO ILUSTRADO DE CONSTRUCCIÓN CON MADERA 20.1 Glosario 20.25 Componentes Constructivos 20.27 Relación de Términos – Bolivia 20.28 Relación de Términos – Colombia 20.29 Relación de Términos – Ecuador 20.30 Relación de Términos – Perú 20.31 Relación de Términos – Venezuela Relación de Términos – PADT – REFORT


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4. PROPIEDADES DE LA MADERA 4.1 Propiedades Físicas – Densidad y Contenido de Humedad Densidad (d) Es la relación entre la masa (m) de una pieza de madera con su volumen (V) y se la 3 expresa en gramos por centímetro cúbico (g/cm ).

d

m V

La densidad denominada aparente, se refiere al conjunto de material leñoso, extractivo y espacios intercelulares que forman la estructura de la madera. La densidad o peso específico aparente varía de acuerdo con la estructura anatómica, en contraposició n con a densidad real o peso específico real que se refiere únicamente al material leñoso 3 y que tiene un valor aproximado de 1,50 g/cm , que es prácticamente constante para todas las especies. Las formas de expresión de la densidad en función del contenido de humedad son diversas; la más común es relacionar el peso y el volumen de una muestra en estado verde, al 12% contenido de humedad o en estado anhidro. También se puede relacionar el peso anhidro de la madera con su volumen verde. Dicha relación se denomina DENSIDAD BASICA, que es la que determina con mayor frecuencia y permite establecer relaciones con otras propiedades de la madera y hacer comparaciones con otras especies. En general, la densidad se relaciona directamente con otras propiedades de la ma dera. Proporciona una primera indicación acerca de su comportamiento probable frente a la absorción y pérdida de agua y su correspondiente grado de variación dimensional bajo el punto de saturación de las fibras. Igualmente permite estimar el comportamient o mecánico de la madera ante ciertos esfuerzos y su aptitud para trabajabilidad y acabado. Contenido de Humedad (CH) Es la cantidad de agua presente en la madera; se expresa como porcentaje del peso de madera seca o anhidra y se calcula mediante la fórmula siguiente:

CH %  donde:

CH P Po

Pi  Po  x100 Po

= Contenido de Humedad % = Peso inicial g. = Peso en estado anhidro, g.

Madera Húmeda – Pi Contenido de Humedad – CH Madera Seca - Po EL AGUA EN LA M ADERA PUEDE ENCONTRARSE EN LAS SIGUIENTES FORMAS: Agua libre.- Ocupa los espacios intercelulares y el lumen o cavidad celular. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Agua Giroscópica.- Es la retenida por las paredes de las células; está comprendida entre 0% y 30% de contenido de humedad. Punto de saturación de las fibras es la máxima cantidad de agua que puede ser retenida por las paredes celulares; oscila entre 28 y 30% de contenido de humedad. Agua de constitución.- Es la que está adherida a las superficies de las partículas sólidas por atracción molecular. Solo puede ser eli minada por carbonización y no se la toma en cuenta para la determinación del contenido de humedad.

4.2 Propiedades físicas – Medición del Contenido de Humedad En la práctica, la cantidad de agua existente en la madera se determina según dos métodos principales: directo, por diferencia de peso, e indirecto, con ayuda de xilohigrómetros eléctricos.

Método por diferencia de peso Es el más confiable de todos y consiste en determinar el peso de agua y relacionarlo con el peso de la madera seca. Para ello ba sta pesar la madera húmeda; secarla, después, en una estufa a 103°C ± 2°C hasta que alcance un peso constante o peso anhidro (para una muestra pequeña es suficiente un período de 48 horas). Luego, se la pesa nuevamente en este estado. Aplicando la fórmula antes establecida, se determina directamente el contenido de humedad. Método de Xilohigrometro Eléctrico Se basa en la respuesta de la humedad contenida en la madera, al paso de la corriente eléctrica. Los instrumentos utilizados pueden ser de dos tipos: Xilohigrometros de Resistencia Se basan en la resistencia eléctrica de la madera. Son muy utilizados en la actualidad y permiten determinar la humedad con bastante aproximación, hasta un contenido de humedad de 25%, punto sobre el cual su confiabilidad dism inuye. Xilohigrometros de Capacidad Se basan en relación entre el contenido de humedad y la capacidad eléctrica de la madera.


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4.3 Propiedades Físicas – Contenido de Humedad de Equilibrio La madera es un material higroscópico; es decir, puede ganar o perder a gua fácilmente según el contenido de humedad que tenga y en función de las condiciones de humedad relativa y temperatura del medio ambiente en que se encuentre. Humedad de Equilibrio es el contenido de humedad que adquiere la madera cuando es expuesta al ambiente durante un tiempo prolongado. En estas condiciones, la madera perderá o ganará agua hasta alcanzar un estado de equilibrio entre la humedad que contiene y la del aire. En la práctica, las condiciones de temperatura y humedad del medio no son consta ntes y, en consecuencia, el valor de la humedad de equilibrio en la madera generalmente está sujeto a fluctuaciones estaciónales o anuales, de acuerdo con el clima del lugar.

En el cuadro adyacente vemos que la madera, dentro de un ambiente que permanec es constante a 25°C de temperatura y 65% de humedad relativa, tendrá un contenido de humedad de equilibrio de 12%. En los laboratorios de los países de la Sub -región, la humedad de equilibrio puede fluctuar entre 12% y 17% de contenido de humedad aproximad amente.


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Curvas típicas de Humedad de Equilibrio de 9, 12 y 15% en función de la Temperatura y la Humedad Relativa del aire. 4.4 Propiedades Físicas – Contracción y Expansión

La Magnitud de la Contracción varia según las características de la especie, las secciones y la orientación anatómica del corte. Magnitud de la contracción.- Se expresa como superficie de la dimensión original de la pieza de madera se calcula mediante la formula siguiente:

C % 

Dv  Do x100 Dv

Donde:

C = Contracción Dv = Dimensión en verde = Dimensión final a determinado contenido de

Do Humedad Para evitar problemas de contracción en una determinada pieza, es conveniente utilizar madera con un contenido de humedad lo más próximo posible a aquel que se encuentre en equilibrio con el clima del lugar.


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La higroscopicidad de la madera, así como su anisotropía, explican la gran diferencia en la magnitud de contracción que existe entre los tres sentidos anatómicos de la madera. La contracción en el sentido tangencial es más o menos el doble de la radial, mientras que la longitudinal es mínima, por lo que no se la toma en cuenta para el cálculo de la contracción volumétrica. Es decir, si se requiere que una pieza de madera tenga mayor estabilidad dimensional en su ancho, debe utilizarse un corte radial. 4.5 Propiedades Físicas – Aislamiento Térmico.- Por su estructura anatómica, así como por su constitución lignocelulósica, la madera es un excelente aislante térmico. La cantidad de calor conducida por la madera varía con la dirección de la f ibra, el peso específico, la presencia de nudos y rajaduras y con su contenido de humedad. La conducción de calor será mayor cuanto más densa sea la madera y cuanto más agua contenga.

Acústico.- La madera tiene buena capacidad para absorber sonidos incid entes. Esta propiedad puede ser aprovechada ventajosamente en el diseño de divisiones. El aislamiento acústico puede incrementarse notablemente si se dejan espacios vacíos entre los tabiques o se utilizan materiales aislantes tales como fibra de vidrio, ye so.

Eléctrico.- La madera seca es mala conductora de la electricidad. Su conductividad aumentará rápidamente al aumentar su contenido de humedad, a tal punto que la madera saturada puede llegar a ser conductora. La capacidad aislante de la madera tiene n umerosas aplicaciones prácticas en la transmisión protección de la energía eléctrica. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Propiedades Mecánicas – Comprensión y Tracción

4.6

Comprensión Perpendicular al grano La madera se comporta a manera de un conjunto de tubos alargados que sufriera una pres ión perpendicular a su longitud; sus secciones transversales serán aplastadas y, en consecuencia, sufrirán disminución en sus dimensiones bajo esfuerzos suficientemente altos. En la práctica, la madera se somete a esfuerzos de comprensión perpendicular cua ndo se la utiliza en forma de soleras, durmientes, cartelas de cerchas, etc. Comprensión paralela al grano La madera se comporta como si el conjunto de tubos alargados sufriera la presión de una fuerza que trata de aplastarlos. Su comportamiento ante este tipo de esfuerzos es considerado dentro de su estado elástico, es decir mientras tenga la capacidad de recuperar su dimensión inicial una vez retirada la fuerza. Tracción Perpendicular La capacidad de resistencia, en tracción perpendicular al grano, es asumida básicamente por la lignina de la madera que cumple una función cementante entre las fibras. La madera tiene menor resistencia a este tipo de esfuerzo en relación con otras solicitaciones. Tracción paralela al grano La madera tiene gran resistenci a a la tracción paralela a las fibras, debido a que las uniones longitudinales entre las fibras son de 30 a 40 veces más resistentes que las uniones transversales. Sin embargo, esta cualidad debe considerarse con sumo cuidado, pues los defectos de la madera tienen influencia negativa en la tracción paralela a la fibra.

4.7 Propiedades Mecánicas – Corte y Flexión Corte o Cizallamiento El comportamiento al corte o cizallamiento de la estructura interna de la madera es semejante al comportamiento de un paquete de tubos que se hallan adheridos entre ellos; por esta razón, en el caso de “corte o cizallamiento paralelo al grano” (Fig. A), el esfuerzo de corte es resistido básicamente por la sustancia cementante, es decir, la lignina, mientras que en el esfuerzo de “corte o cizallamiento perpendicular al grano” (Fig. B), son las fibras las que aumentan la resistencia al cizallamiento. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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La madera es mucho más resistente al corte perpendicular que al corte paralelo.

Flexión El comportamiento en flexión de una pieza d e madera combina, simultáneamente, los comportamientos a tracción, comprensión y corte, repitiéndose los mismos fenómenos anteriormente descritos. La madera es un material particularmente apto para soportar tracción y compresión paralela, debido a su alta capacidad por unidad de peso. En la práctica, la madera es solicitada a flexión cuando se la utiliza en forma de vigas, viguetas, solera superior, entablado, dinteles, etc.

4.8 Comportamiento de elementos según el tipo de esfuerzo Si ordenamos las formas que puede adoptar la materia en una combinación múltiple de líneas, superficies y sólidos, podemos sistematizar el comportamiento de cada una de estas formas y sus agrupamientos ante la acción de los esfuerzos. De esta manera, un trozo de madera se puede comparar con una gran cantidad de sorbetes que han sido unidos entre sí. Por esta razón la madera tiene características anisotrópicas, es decir, resiste la acción de fuerzas exteriores, de manera diferente, según la dirección que tomen dichas fuerzas.


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ENCOFRADOS FIERRERÍA SECADO DE LA MADERA

6.1

Proceso de Secado – Variables

La madera, como material orgánico, contiene agua en su estructura. Para ciertas aplicaciones es conveniente trabajar con madera seca, es decir con un contenido de humedad relativamente bajo. El secado es el proceso por el cual la madera pierde agua paulatinamente; primero, por un proceso de evaporación desde la superficie, que luego va acompañado por la traslación de agua desde las capas internas a las externas por capilaridad y difusión. La diferencia en el contenido de humedad entre las capas externas e internas de una pieza de madera, se denomina gradiente de humedad, el cual será mayor cuanto más intensas sean las condiciones del secado. Se deberá regular la intensidad del secado para evitar un gradiente muy pronunciado que podría contribuir a la aparición de defectos.

En este gráfico, se muestran secciones transversales de una pieza de madera cortadas a diferentes intervalos de tiempo, a una cierta distancia de los extremos, mostrando el tipo de distribución de humedad típico durante el secado. Variables que intervienen en el secado .- Se considera dos variables: 1.

Propias del material.-La especie y sus dimensiones especialmente el espesor:

La especie influye en las características del secado, especialmente en función de su densidad. Generalmente, la madera de baja densidad se seca en forma relativamente rápida; en cambio, la madera de alta densidad se seca lentamente.

Las piezas de madera de dimensiones pequeñas se secan rápidamente y por el contrario tablones y piezas estructurales se secan más lentamente. 2. Propiedades del medio ambiente.- La temperatura, la humedad relativa y el movimiento del aire actúan en estrecha relación durante el proceso de secado. La Temperatura.- Cuando mayor es la temperatura, m ayor es la velocidad de secado. Además, conforme disminuye el contenido de humedad de la madera, mayor es la cantidad de calor necesaria para acelerar el secado. Sin embargo, las temperaturas de secado demasiado altas pueden degradar la calidad de la mader a.


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La Humedad Relativa.- Humedad relativa es la cantidad de vapor de agua que contiene el aire a una temperatura determinada, expresada como porcentaje de su capacidad máxima de retención de vapor de agua, a esa temperatura. Cuanto menor es la humedad relativa ambiental, mayor es la rapidez de secado, especialmente cuando la madera tiene un alto contenido de humedad.

El Movimiento del aire.- Afecta la velocidad de secado en forma indirecta, ya que, al removerse el aire húmedo alrededor de la madera se e vita que la humedad relativa en la superficie de ésta llegue al punto de saturación, y detenga el proceso de secado.

6.2

Métodos de Secado

Existen diversos métodos de secado, pero los que se utilizan a escala comercial son: secado al aire, presecado en ambie ntes controlados y secado en hornos. El secado solar, desarrollado en los últimos años, tiene también posibilidades de uso en la Sub región. Es importante que el usuario conozca los principios de cada método y las posibilidades que ofrece respecto a la calidad de la madera obtenida con el proceso. En la práctica, es posible combinar estos métodos para aprovecha más las ventajas de cada uno de ellos. En gran parte de la Sub-región se puede utilizar con ventaja el método de secado al aire, que es a la vez simple y relativamente económico. Sin embargo, en aquellos sitios con condiciones ambientales desfavorables se le puede reemplazar en las etapas iniciales por presecado que luego puede complementarse con un secado al horno una vez que la madera alcance un contenido de humedad de 30 – 35%.


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Secado al Aire

Hay dos condiciones esenciales que controlan la calidad de la madera que es obtiene al final del secado al aire: que exista suficiente circulación de aire a través de las pilas y que se utilicen técnicas de apilado que reduzcan los defectos a un mínimo.

Apilado Horizontal.- De planos. Deben colocarse las bases o pilotes a unos 40 – 45 cm. del suelo para facilitar la circulación de aire y evitar la acumulación de humedad. La madera se apila alternándola con listones transversales para dejar espacios por donde circule el aire; estos listones deben ubicarse alineados verticalmente y a espacios convenientes para que no se originen deformaciones de las tablas. Además, la pila deberá estar protegida por una cubier ta superior o techo para evitar la acción de la lluvia y la incidencia directa del sol. Apilado en triángulo.- Se utiliza especialmente para tablones.

Apilado en caballete.- Utilizado con especies que tienen un alto contenido de humedad inicial y que no son susceptibles a sufrir deformaciones inmediatamente después del aserrado.

6.4

Presecado

El Presecado reemplaza al secado al aire cuando se quiere acelerar el proceso. Es más eficiente en el secado de madera desde el punto verde o húmedo hasta un contenido de humedad de 20%. Si se lo utiliza para secar la madera hasta la humedad de equilibrio, el proceso se torna más lento. En climas tropicales basta proteger a la madera de la lluvia y aumentar la velocidad de circulación del aire para acelerar el secado. E n climas estaciónales fríos es necesario un sistema de calefacción durante las épocas del año donde hay bajas temperaturas. TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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Este calor puede ser generado por combustión, electricidad o mediante el uso adecuado de la energía solar.

6.5

Secado al Horno

El secado en hornos se realiza bajo condiciones controladas de temperatura, humedad relativa y circulación de aire. Permite obtener madera con cualquier contenido de humedad según al que esté destinada y en un tiempo mucho menor que con otros métodos.


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Defectos originados por el Secado y Formas de Reducirlos

Los más comunes son grietas, rajaduras y alabeos originados por las tensiones internas que se establecen durante el secado. Un tipo especial de defecto es el colapso, que se produce debido a tensiones hidrostáticas creadas en los finos capilares del tejido leñoso por el fenómeno de tensión superficial. Muchas veces se observa, y puede ser característico de la especie, un oscurecimiento superficial de la madera que puede ser localizado o extendido. Grietas y Rajaduras Las grietas y rajaduras se originan, en general, debido a un secado muy rápido, especialmente durante las primeras etapas o como consecuencia de un secado irregular a lo largo de una pieza de madera. Las grietas pueden ser superficiales, terminales o internas. Pueden reducirse con un secado gradual, sea disminuyendo la velocidad del viento entre las pilas, o manteniendo una alta humedad relativa. Es recomendable además, evitar la evaporación del agua en los extremos con la aplicación del alguna sust ancia impermeabilizante. Colapso El colapso se origina en las primeras etapas del secado y causa una deformación irregular de la madera, muchas veces acompañada de grietas internas de forma ovalada típica. Se puede disminuir su efecto con un secado gradual y, además es posible su eliminación casi total al final del secado, usando un tratamiento de vaporización en ambiente saturado, a 100°C.

6.7

Control de Secado

Al final del proceso de secado, cualquiera que sea el método empleado, es probable que se hayan originado tensiones internas en la madera, cuya magnitud dependerá de la especie, de sus dimensiones y de las condiciones de secado. La existencia de tensiones internas en una pieza de madera se manifiesta en el reaserrado, ya que su liberación ocasiona defo rmaciones que depende precisamente de la intensidad de dichas tensiones. En el secado al horno se puede disminuir notablemente este efecto, reduciendo al final del proceso el gradiente de humedad de la madera mediante un tratamiento de vaporización. Las tensiones de tracción y comprensión entre la madera de la superficie y la madera de interior de una pieza, son producto de la acción combinada de variaciones de humedad que se establecen en el secado y del fenómeno de contracción que se TEMA: MADERA ESTRUCTURAL AUTOR: MANUAL DE DISEÑO PARA MADERA DEL GRUPO ANDINO – JUNTA DE CARTAGENA SENCICO

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manifiesta en la madera bajo el punto de saturación de las fibras, aproximadamente a 30% de contenido de humedad.

(a) Probeta de madera en estado verde (b) La probeta en cortes a modo de tenedor (c) (d) Evidencia de la presencia de tensiones internas por secado no uniforme (e) Madera seca libre de tensiones de secado Para comprobar la existencia e intensidad de las tensiones se puede recurrir al ensayo de probetas tenedor, tal como se muestra en la figura. En la sección transversal de una pieza de madera que está secándose, como se muestr a en la figura, se observa los siguiente: 1. En una pieza de madera el secado comienza desde la superficie. La madera, una vez que su contenido de humedad baja del punto de saturación de las fibras empieza a contraerse. La contracción, sin embargo, no alcanza a manifestarse en toda su magnitud debido a la restricción impuesta por la madera, todavía húmeda, del interior. En estas circunstancias, las capas exteriores de la madera se estabilizan en una dimensión mayor que la que les correspondería si pudiesen contraerse libremente, quedando en estado de tracción. A su vez tratan de reducir el interior a una menor dimensión, pero como éste todavía no empieza a contraerse, queda en estado de compresión. 2. Al continuar el proceso de secado, las capas interiores empieza n a secar bajo el punto de saturación de las fibras y se contraen, pero en magnitud inferior a la normal, pues se lo impiden las capas exteriores estabilizadas en un estado de dilatación forzada. De esta manera, se produce una inversión de tensiones quedando el centro de la pieza en estado de tracción y el exterior en estado de compresión.


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