LA MADERA USO ESTRUCTURAL CÁTEDRA
: CONSTRUCCIÓN III
CATEDRÁTICO : ARQ.RUBÉN VENTURA ALUMNO
: MAX ANTONY MACHACUAY DOMÍNGUEZ
FECHA
:05/12/17
CONSTRUCCIÓN III
La Madera Madera:: Uso estructu estru ctural ral Contenido USOS ESTRUCTURALES ESTRUCTURALES DE LA MADERA MADERA ........... ....................... ................................. ................................. ................................. ............................ ....... 4 Introducción........... Introducción ........................ ................................. ................................ ................................. ................................. ................................. ................................. ..................... ......... 4 Naturaleza y estructura de la madera ........... ....................... ................................. ................................. ................................. ................................. ............... ... 4 Propieda Propiedades des físicas físicas ............ ........................ ................................. ................................. ................................ ................................ ................................. .......................... ..... 4 Propieda Propiedades des mecá mecánica nicas......... s...................... ................................. ................................ ................................. ................................. ................................. ....................... 8 Construcción en madera ........... ....................... ................................. ................................. ................................ ................................ ................................. .....................10 10 Maderas Mad eras para edi edificaci ficación.................. ón.............................. ................................. ................................. ................................. ......................................... ...................... 11 Formas del material........... material ....................... ................................ ................................. ................................. ................................ ................................. ............................. ........ 11 Madera Mad era maci maciza za ........... ....................... ................................. ................................. ................................ ................................ ................................. ................................ ........... 11 Madera Mad era lami laminada nada o enco encolada........ lada.................... ................................ ................................ ................................. ................................. .......................... .............. 13 Tipos estructurales en cubiertas ........... ....................... ................................. ................................. ................................ ................................ ...................... .......... 14 Vigas de alma llen llenaa ........... ....................... ................................ ................................. ................................. ................................ ................................. ............................. ........ 14 Vigas atir atirantad antadas as ........... ....................... ................................. ................................. ................................ ................................ ................................. ................................ ........... 15 Celosías Celo sías trian triangulad guladas................... as............................... ................................ ................................ ................................. .......................................... .............................. ......... 16 Barrass apun Barra apuntalas talas tri-a tri-articu rticulada ladass ............ ........................ ................................ ................................ ................................. ................................. ...................... .......... 17 Pórtico Pórti co bi o tri-a tri-articu rticulado...... lado.................. ........................ ................................ ................................. ................................. ................................ ........................... ............... 18 Arco bi o tri-a tri-articu rticulado lado ............ ........................ ................................. ................................. ................................ ................................ ................................. ........................ ... 19 Mallas Mall as espa espacial ciales es........... ....................... ................................. ................................. ................................ ................................ ................................. ................................ ........... 20 Láminas Lámi nas pleg plegadas adas............ ........................ ................................. ................................. ................................. ................................. ................................ ............................. ......... 21 Piezas de unión y enlace........... enlace ....................... ................................. ................................. ................................ ................................ ................................. .....................22 22 Conclusiones............ Conclusiones ........................ ................................. ................................. ................................. ................................. ................................ ................................ ................. ..... 25
2
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Pórt
ANEXOS ..................................................................................................................................... 26 La arquitectura y el concreto.................................................................................................... 27 La arquitectura y el concreto.................................................................................................... 28 La arquitectura y el concreto.................................................................................................... 29
3
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
USOS ESTRUCTURALES DE LA MADERA INTRODUCCIÓN La madera tiene una larga historia de uso con fines estructurales, en especial en las regiones donde existen grandes cantidades de madera en pie. A principios de la época de la colonizaci6n de Estados Unidos, extensas zonas de este país estaban cubiertas de bosques. Realmente era un gran problema para los primeros colonizadores de las regiones del Este, del Sureste y del Oeste medio. EI transito se dificultaba debido a la densidad de los bosques, y hasta mediados del siglo XIX, se realizaba principalmente a través de los numerosos ríos navegables. Como en muchos otros países en la actualidad, tenía que obtenerse tierra para el cultivo o para el apacentamiento de animales por medio de la quema o destrucci6n de zonas forestales. Si bien se perdió gran parte de ese bosque denso primigenio (especialmente grandes extensiones de árboles en pie de especies de latifoliadas o maderas duras), se utilizó una gran cantidad de madera para la construcción. Así, se inició una tradición de construcción con madera y se estableció una vasta industria. Esta industria continua en la actualidad, y la madera sigue siendo un recurso principal en la construcción de edificios. Ya no se construye extensamente con este recurso. Las cabañas de troncos, las tablas cortadas toscamente con hacha y las construcciones de postes con troncos descortezados no constituyen la mayoría de los edificios. En la actualidad, la madera como material de construcción se utiliza como un producto industrializado, que recibe un tratamiento considerable en su camino al lugar de la obra. Un uso principal que prevalece es el de las piezas de madera que se someten a un proceso ligero, en el que se cortan directamente de los troncos, se cepillan un poco y se usan tan rápido como sea posible en su forma salida cortada. En este capítulo se tratan algunos de los temas básicos acerca de la utilización de la madera, y se hace énfasis en su uso directo como madera estructural.
NATURALEZA Y ESTRUCTURA DE LA MADERA PROPIEDADES FÍSICAS Macroestru ctura d e la madera La madera es el tejido leñoso de fibras, liberado de la corteza exterior, que contiene el tronco del árbol, el cual se halla constituido por células que tienen distinto destino durante su crecimiento y, por tanto, diferente forma y tamaño. En la composición química de la madera intervienen dos sustancias básicas, la celulosa y la lignina, además de un conjunto de compuestos secundarios, tales como hemicelulosa, colorantes, resinas, taninos, grasas, ceras, albúminas, etc. - Celulosa (C6H10O5): alcanza una proporción que oscila entre 40% y 50% de la total de la madera. Es inalterable en seco, pero en contacto con agua sufre putrefacción, perdiendo su resistencia. Forma parte primordial de las paredes celulares. - Lignina (C19H24O14): se encuentra en la madera de forma aleatoria, dispuesta entre la red cristalina de la celulosa. De color oscuro, dura y frágil, confiere a la madera resistencia y rigidez, a la vez que la protege. Representa un porcentaje del total de25a 30%.
4
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Composición de la madera
Puede observarse mediante los tres cortes clásicos: uno transversal, perpendicular al eje del tronco, y dos longitudinales, el radial, que pasa por el eje, y el tangencial, paralelo al anterior en una posición cualquiera. La madera del tronco consta de una serie de anillos concéntricos de crecimiento anual: la madera de primavera (interior), compuesta por células grandes de paredes finas, y la madera de verano (exterior), formada por células menores, tiene un color más oscuro y es más densa y resistente que la madera de primavera. Por ello la resistencia mecánica de la madera crece al aumentar en ella la cantidad relativa de madera estival. En el tronco del árbol se observan tres tipos diferenciados de madera: - Médula: es el tejido primario ligero, constituido por células de paredes finas, con poca resistencia y fácil pudrición. Por ello, el caño de la médula no debe ser utilizado en tablas o maderos finos destinados a elementos estructurales sometidos a tracción o flexión. Ni en ebanistería por su progresiva disgregación. - Duramen: es la madera madura que constituye el interior del tronco. Se distingue por su color obscuro ya que está formado por células que cambian paulatinamente su composición: en las coníferas se impregnan con resina y en las frondosas acumulan taninos. Por ellas no circula el agua, gracias a lo cual la madera de duramen posee mejores resistencias mecánicas y mayor durabilidad que la madera de albura. - Albura: compuesta de anillos de madera más joven que rodean al duramen. Por las células vivas de la albura de un árbol en crecimiento circula la savia; es más húmeda y blanda que el duramen, se pudre con mayor facilidad y, a causa de sus mayores contracciones, tiende al abarquillamiento.
5
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Material Anisótro po Del anterior análisis de la “estructura” de la madera se desprende, que las propiedades mecánicas del material dependerán de la orientación de sus fibras en relación a la dirección del esfuerzo considerado. Por su estructura tubular longitudinal, es clara la diferente respuesta, frente a los esfuerzos paralelos o perpendiculares a las fibras. También la diferencia de espesor de la pared celular entre la madera de primavera o la de verano (delgada - gruesa) y la existencia de los radios leñosos, justifica las diferencias entre los comportamientos de los cortes tangenciales y radiales de la madera. Es por tanto un material claramente Anisótropo. Material Ortótr opo Por su condición de anisótropo, el material se estudia considerando las tres direcciones principales, las cuales presentan 3 planos de simetría elástica perpendiculares entre sí. Estas tres direcciones se deducen de la descrita constitución anatómica de la madera: haz de tubos longitudinales y conjunto de fibras radiales (radios leñosos) que atan transversalmente las fibras longitudinales. Y responde a los tres cortes diferenciados: - “Transversal” (perpendicular a la dirección longitudinal o axial) - “Radial” (perpendicular al anterior y pasando por el eje) - “Tangencial” (perpendicular a los 2 anteriores)
Son necesarias 12 constantes elásticas: 3 módulos elásticos longitudinales “E”, 3 módulos elásticos transversales “G” y 6 coeficientes de Poisson ““, que pueden reducirse a 9 constantes a partir de sus relaciones. Si el material fuera isótropo, se definirían simplemente 3 constantes elásticas, que podrían reducirse a sólo a 2 por sus relaciones entre sí. Material Higroscópi co Previamente distinguiremos entre el agua de constitución, impregnación y libre, según el agua forme parte del material, se ubique en las paredes de las células o dentro de ellas, saturándolas. La madera mantendrá un equilibrio dinámico con el medio ambiente que le rodea (%H relativa y ºC), intercambiando vapor de agua con la atmósfera, variando el agua de impregnación de la propia madera hasta llegar a un equilibrio higrotérmico. Veamos algunos % de la humedad de la madera: Madera recién cortada: Madera secado natural:
6
50 -110% H 16 - 20% H
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Madera secado artificial en cámara: 10 - 15% H Madera anhidra: 0% H Si se elimina el agua de constitución totalmente, se produciría la destrucción del material. El agua de impregnación influye en la resistencia mecánica, ya que a menor %H mayor resistencia, aunque con una tenacidad menor. Si aumentamos la cantidad de agua, quedando libre hasta saturar la pieza, ya no influirá en sus capacidades mecánicas, a partir de este punto. Los cambios en la humedad, si hacen, sin embargo, variar las dimensiones de la madera en movimientos de “hinchazón y merma”, que tienen lugar sólo cuando el contenido de humedad se encuentra por debajo del punto de saturación de las fibras (es decir, antes de la presencia de agua libre en el interior de las células). Se produce hinchazón al aumentar el % H y merma al disminuir la cantidad de agua entre las células. - La variación dimensional es máxima en la dirección tangencial. - Es de un 50-60% de la tangencial en la dirección radial. - Y de un 2-4% de la tangencial en la dirección longitudinal. El Coeficiente de contracción lineal, expresa el porcentaje de los cambios de las dimensiones en la dirección indicada para una variación de 1 grado del contenido de humedad higroscópica en la madera. Se aprecia que longitudinalmente los movimientos son casi inexistentes. En cambio, la diferencia entre las variaciones dimensionales tangencial y radial es la causa de deformaciones y movimientos diferenciales de la madera durante el secado. La Contracción volumétrica total, llamada Cv, nos da la variación de volumen de la pieza. Densidad La densidad real de las paredes celulares es constante para todas las especies, siendo de 1500 Kg/m3. Por ello, la diferencia de densidades aparentes de las diversas especies, es debida a una mayor o menor proporción de huecos interiores. La humedad también influye en la densidad. El incremento de agua libre en el interior de las células aumenta lógicamente el peso. Por ello las densidades se toman como referencia siempre al 12% de humedad de la madera. Los ensayos son a 20ºC y al 65% H relativa del ambiente. Como ejemplos:
7
300 kgs/m3 madera de balsa 1200 kgs/m3 guayacán 500 kgs/m3 coníferas 650 kgs/m3 frondosas
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
PROPIEDADES MECÁNICAS Recordemos que la madera es un material Anisótropo. El árbol produce una estructura tubular hueca que tiene una elevada eficacia para resistir los esfuerzos a los que va estar sometido durante su vida: esfuerzos de flexión debidos al viento esfuerzos de compresión por su propio peso Ambos esfuerzos, generan tensiones paralelas a las fibras. Recordemos también su Ortotropía, por lo que han de diferenciarse, como mínimo 2 de sus tres direcciones principales: la PARALELA y la PERPENDICULAR a la FIBRA. Tracción Paralela En madera clasificada los valores característicos oscilan entre 8 y 18 N/mm, pero en la madera libre de defectos, se alcanzan valores superiores a los conseguidos en flexión. El diagrama tensión-deformación para la tracción es prácticamente lineal hasta la rotura. Compresión Paralela En la madera clasificada, los valores característicos son 16 - 23 N/mm. Hay que tener en cuenta que al calcular piezas comprimidas incidirá el Pandeo interviniendo el Módulo Ek, lo que reducirá la capacidad real de las piezas comprimidas. En el ensayo se aprecia un comportamiento lineal en la 1ª fase, y no lineal en la 2ª fase. En comparación con la tracción, se aprecia menor “E” a compresión y también menor resistencia a compresión, para la madera sin defectos. Sin embargo, si habláramos de madera clasificada con defectos, esta relación se invierte, debido a la mayor influencia de los defectos (nudos) en la tracción. Flexión Los valores característicos de la resistencia a flexión en las coníferas varían entre 14 y 30 N/mm2. Aunque la flexión esté formada por la combinación de una tracción y una compresión, de las que ya hemos hablado, el comportamiento a flexión conjunto es distinto, ya que generalmente rompe a tracción y hay capacidad de plastificación a compresión. Tracción Perpendicular El valor característico de la resistencia a tracción perpendicular en la madera conífera es muy bajo, de 0,4 a 0,6 N/mm2.Esto se debe a las escasas fibras perpendiculares al eje (radios leñosos) y la consiguiente falta de trabazón transversal de las fibras longitudinales. De hecho, el árbol tiene pocas solicitaciones en este sentido. Es importante la consideración de la tracción transversal en las piezas estructurales curvas.
8
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Compresión Perpendicular Los valores característicos oscilan entre 2 y 3,2 N/mm2, muy inferiores a la compresión // a la fibra (15%). En el ensayo nos da un diagrama que es lineal sólo en un primer tramo y luego pasa a un “aplastamiento”, por plastificación, sin llegar a la rotura.
Cortante En función de la orientación de la fibra en relación al esfuerzo, el cortante puede generar diferentes tipos de tensiones tangenciales: Cortante, Rasante y Rodadura. Los valores característicos oscilan de 2,5 a 3 N/mm2, aunque a rodadura es bastante menor. (30%) En las piezas sometidas a flexión y cortante, se dan rasantes y cortantes y la rotura se produce por rasante en las proximidades de la línea neutra, que es el plano más débil.
Módulo de Elasticidad Aunque hemos visto que son distintos los valores del “E “paralelo a la fibra, en las gráficas a compresión y a tracción, en la práctica se utiliza en flexión un Valor Aparente (intermedio entre ambos) entre 7.000 y 12.000 N/mm, de E medio, según la calidad de la madera. Si se trata de una solicitación perpendicular a la fibra, se toma aproximadamente E / 30, en relación al longitudinal. (de 230 a 450 N/mm) El módulo de elasticidad transversal G, es aproximadamente igual a E/16.
9
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
CONSTRUCCIÓN EN MADERA La utilización de la madera como sistema constructivo o como elemento estructural ha acompañado al hombre a lo largo de toda la historia. Al principio, junto a la piedra, era el principal elemento constructivo. Posteriormente aparecieron nuevos materiales que relegaron su utilización. Actualmente la evolución de su tecnología permite obtener productos estructurales más fiables y económicos, y su mejor conocimiento, tanto desde el punto de vista estructural como ecológico y medioambiental, la permite competir con el resto de los materiales estructurales. Desde el punto de vista ecológico, la energía necesaria para la fabricación de la madera es nula (el árbol utiliza la energía solar) y la energía consumida en el proceso de su transformación es muy inferior a la requerida por otros materiales: - 1 tonelada de madera: 430 Kwh - 1 tonelada de acero: 2.700 Kwh - 1 tonelada de aluminio: 17.000 kwh
Triángulo para la horticultura BELVEDERE, COBLENZA (ALEMNIA)
Si se comparan las propiedades de la madera como material estructural con las del acero o el hormigón, se pueden extraer las siguientes conclusiones: a) Elevada resistencia a la flexión, sobre todo en relación a su peso propio (la relación resistencia/peso es 1,3 veces superior a la del acero y 10 veces la del hormigón). b) Alta capacidad de resistencia a tracción y compresión en dirección paralela a la fibra. c) Escasa resistencia a cortante. Esta limitación se presenta también en el hormigón, pero no en el acero. d) Escasa resistencia a compresión y a tracción en dirección perpendicular a la fibra. Sobre todo, en tracción, lo que supone una característica muy particular frente a los otros materiales. e) Bajo módulo de elasticidad, mitad que el del hormigón y veinte veces menor que el del acero. Los valores alcanzados por el módulo de elasticidad inciden sustancialmente sobre la deformación de los elementos resistentes y sus posibilidades de pandeo. Este valor neutraliza parte de la buena resistencia a la compresión paralela a la cual se ha hecho referencia anteriormente. f) Buen comportamiento en situación de incendio.
10
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
MADERAS PARA EDIFICACIÓN A) Coníferas Las especies coníferas o resinosas abundas en zonas frías y templadas; poseen acícula perenne, y son resistentes y durables. Entre ellas destacan las siguientes: - Pino: de madera blanda y resistente, que se trabaja con facilidad. Se utiliza en rollizos o en piezas escuadradas para estructuras de construcción, carpintería, revestimientos y solados, ebanistería y para producir madera contrachapada. - Abeto: de madera más clara y ligera que la del pino, aunque más difícil de trabajar por la abundancia de nudos duros. Se emplea en carpintería y construcción, además de constituir abundante materia prima para pasta celulósica y papel. Una variedad nórdica, la picea, se usa, entre otras, para fabricar madera laminada encolada. - Otros: alerce, de madera dura y resistente, buena para obra civil, minería y madera contrachapada. Ciprés y cedro: para ebanistería y carpintería de primera calidad. Enebro: mobiliario. B) Frondosas Son características de las zonas templadas y tropicales; de hojas caducas, son las que ofrecen mayor calidad, normalmente utilizadas en carpintería y revestimientos. - Roble: de madera obscura, densa, muy resistente y dura, por lo que se empleó tradicionalmente para elementos estructurales muy cargados. Es corriente en parqués, carpintería de taller, mobiliario y madera contrachapada. - Otros: fresno, olmo, abedul, haya, castaño, chopo, aliso, eucalipto, etc.: suelen poseer madera densa, dura y flexible siendo muy utilizados en ebanistería, parqués, carpintería y contrachapados. También algunos frutales, como nogal (carpintería de taller, chapados), el olivo (parqué), peral, etc. C) Exóticas Especies foráneas, generalmente frondosas procedentes de países tropicales, de alta calidad de aspecto, caras y generalmente empleadas en ebanistería, carpintería de taller y chapados: ébano, okume, caoba, balsa, abebay, embero, sapely, etc.
FORMAS DEL MATERIAL Madera Maciza Entendemos por madera “maciza” la que ha sufrido, desde el árbol, las mínimas manipulaciones necesarias para constituir una escuadría lista para ser aplicada. A diferencia de otros tipos de madera más industrializada y transformada.
11
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Por fuera de la consideración de aserrada pura, la que recibe la menor transformación posible, es la madera en “rollizo”, a la que simplemente se le han extraído la corteza y desbastado o ranurado alguna cara, si se ha estimado necesario. Para éste tipo los diámetros habituales oscilan de 15 a 35 cm, y sus longitudes de 4 a 8 m, en correspondencia con las medidas normales de troncos. Si el tronco se despieza, las diferentes “escuadrías aserradas” oscilan de 100 a 300 mm de altura por 35 a 200 mm de grueso. Con estas escuadrías y con las cargas habituales se salvan luces, de una forma económica, que oscilan de los 3 a los 6 m, tratándose de vigas, o desde los 6 a los 15 m, formando celosías ligeras de barras. Para luces mayores resulta más adecuado acudir a la madera laminada encolada. Si construimos pilares, con escuadrías de una sola pieza, de 15x15 o 20x20 cm, pueden llegarse a alturas de 3 a 4 m. Para conseguir mayores secciones o alturas habrán de adicionarse escuadrías, con uniones solidarias, o desdoblarse en piezas paralelas unidas entre tramos. Dado que, para la madera aserrada, es una limitación el conseguir mayores secciones, una alternativa es emplear pequeños entramados de cerchas ligeras de barras de sección reducida, 40x140 mm, situadas muy próximas, con interejes cercanos a los 70 cm, sin correas secundarias, y con uniones industrializadas entre barras con placas dentadas, salvando así luces de hasta los 16 m Para luces mayores, las barras pasaran a ser de secciones compuestas y las uniones con conectores metálicos.
Otro tipo estructural característico y resuelto con madera aserrada, que todavía encontramos en abundancia en algunos edificios de viviendas antiguos, son los forjados formados por vigas de madera, bovedillas y material de relleno. Son soluciones predominantemente isostáticas, sobre todo en caso de apoyarse en paredes de fábrica, y cualquier solución de refuerzo debe mantenerse así, para evitar transmitir momentos a los muros portantes. En función de las cargas reales, es admisible llegar a los 4 m. de luz, con las escuadrías de 13x18 situadas cada 60 cm. En caso de mayores secciones, como 15x20, es admisible llegar alrededor de los 5 m. En estos edificios antiguos se constata que, con mayores luces, las deformaciones excesivas pueden ocasionar problemas en divisiones interiores y pavimentos. Con el paso de los años la fluencia propia de la madera puede provocar el hiperapoyo de los techos en la tabiquería inferior, transversal a las viguetas, descendiendo y acumulando, de este modo, la carga planta a planta.
12
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Madera Laminada Encol ada Formación de elementos estructurales a partir de la adición solidaria de láminas de madera, en general encoladas entre sí. El objetivo es conseguir mayores secciones y longitudes, además de aprovechar la facilidad de conformación o curvabilidad individual de cada lámina, atributos no conseguidos en la madera aserrada. El grueso de las láminas puede oscilar de 22 a 45 mm, excepcionalmente 13 mm., y el área de la sección de la lámina ha de acotarse entre 60 y 100 cm. Ambos parámetros están limitados por la “Clase de Servicio” y la especie. Con peores condiciones ambientales, menores gruesos y áreas. Sin embargo, los mayores gruesos tienden a ser los más utilizados, por razones económicas. Los anchos de la sección total oscilan de 9 a 22 cm, para evitar diferenciales higrotérmico entre las capas exteriores e interiores de la sección y atejamientos de las láminas. Es difícil encontrar tablas mayores en el mercado. En algún caso excepcional puede llegarse a los 30 cm de ancho, doblando láminas a rompejuntas, y tomando precauciones, como su ranurado. Las secciones estructurales suelen ser muy esbeltas, con relaciones entre anchura y altura de 1:5 a 1:8, para la estructura principal y de 1:2 a 1:3,5 para las piezas secundarias. Siendo los anchos más habituales de 11 a 22 cm o de 9 a 16 cm, en cada caso. La altura de la sección tiene limitaciones de fabricación, ya que la maquinaria cepilladora de acabado admite poco más de los 230 cm de ancho. También de transporte, según los giros y pasos necesarios hasta llegar a la obra. La adición de las láminas de madera se produce por su unión molecular, entre los conductos fibrosos de la madera y la resina de las colas. La celulosa da facilidades para combinarse con substancias macromoleculares como las colas. Podemos decir que existe “afinidad” entre la madera y las colas.
Para unir dos láminas se provoca su mojadura y penetración, interponiendo una pequeña capa de resina flexible, donde se combinan sus moléculas, entre sí y con las propias de la madera, constituyendo uniones mecánicas soldadas de fuerza superior a las piezas de madera única. Se produce además una estabilización de la madera al neutralizarse sus tensiones internas. Las colas son substancias susceptibles de formar polímeros viscosos que, a través de una reacción química, endurecen formando un sólido duro, altamente reticulado y resistente, carente de fluencia, insoluble al agua, aplicable en frío y con buen comportamiento frente a la temperatura y el fuego. De la Caseína y Urea formol iniciales, se ha pasado en la actualidad a utilizar Resorcina fenol formol (RFF) o Melanina Urea formol (MUF). Las RFF han de combinarse con el endurecedor y ha de cuidarse la dosificación, mientras que en las MUF el reactivo está contenido en la misma resina.
13
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
El tipo MUF es de color translúcido, no tiene problemas ambientales con los residuos, al carecer de fenoles y, en los últimos años, está substituyendo en la práctica a las RFF. TIPOS ESTRUCTURALES EN CUBIERTAS A partir de la forma de la planta a cubrir, los posibles puntos de soporte, la función a alojar, y los medios constructivos, entre otros condicionantes, se elegirá los tipos estructurales más adecuados. En general habrá una primera decisión: se tratará de una estructura jerárquica, con piezas principales y secundarias, o de una estructura global, más compleja, y sin distinción clara del carácter específico de sus partes. Se tratará de una estructura basada en mecanismos resistentes de flexión, o en una combinación de axiales de compresión y tracción, o basada en la configuración como forma espacial, en cáscara o membrana, aptas para trabajos fundamentalmente axiales. Se ha escogido el orden de la descripción, de los tipos estructurales de cubierta, en función de su capacidad y optimización para salvar un orden creciente de luces en el plano, dejando para el final dos tipos claramente espaciales: · Vigas de alma llena. · Vigas atirantadas. · Celosías trianguladas. · Barras apuntaladas tri-articuladas. · Pórtico bi o tri-articulado. · Arco bi o tri-articulado. · Mallas espaciales. · Láminas plegadas. Vigas de alma llena Se considera un tipo apto para luces hasta los 25 o 30 m, ya que, a partir de necesitar cantos de unos 2 m, puede resultar mucho más óptima una solución aligerada de barras de celosía, que proporciona un ahorro importante de material, aunque a cambio de un mayor trabajo en las uniones. Hay una gran variedad de vigas, dentro de este tipo, según su canto sea “constante” o “variable”. Como canto variable pueden considerarse las de pendiente a una vertiente, a doble vertiente, las peraltadas, y todas las curvadas. Las vigas curvadas pueden serlo por la parte superior o la inferior. También en su misma directriz, con una o varias curvaturas acopladas. Analizada una sección, su limitación vendrá motivada, en general, por la comprobación de la deformación, considerando la flecha instantánea y la diferida, por la fluencia del material. En el caso de canto variable y a doble vertiente, este punto tiene todavía mayor incidencia.
14
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
En el caso de canto variable, será necesario además comprobar los puntos de máxima tensión, ya que pueden no corresponder con los de máximo momento. Han de realizarse correcciones tensionales, perpendiculares a la sección, por la inclinación de las fibras, y en puntos singulares, como el vértice, por ejemplo. Así, en vigas de canto variable con cambio de directriz de la pieza, como las vigas a dos aguas o peraltadas, el punto crítico puede ser la capacidad de resistencia a la tracción perpendicular a la fibra. En piezas curvas también se analizarán las tensiones de tracción, perpendiculares a las fibras. Acompañando a la flexión de las vigas habrá que comprobar el vuelco, o inestabilidad lateral de sus fibras comprimidas, por lo que se tomarán medidas desde el diseño, inmovilizando sus extremos, y arriostrando con un sistema estabilizante basado, por ejemplo, en las correas diagonalizadas. Vigas atirantadas Este tipo estructural se encuentra en el camino de la evolución lógica de las vigas de alma llena, hacia las celosías de barras. En el punto en que las vigas macizas están al límite de sus capacidades, y con una alta repercusión de su peso propio, es un recurso habitual ganar canto sin aumentar volumen, apuntalándola con montantes acodalados contra un tirante inferior, que actúan como apoyos elásticos del par superior de la viga. Este tipo toma el nombre de viga Fink y, en condiciones normales, no ganamos un sector de luz mucho más amplio, pero lo conseguimos de una forma mucho menos pesada, física y espacialmente. Habitualmente podemos llegar hasta los 35 m de luz, o en casos excepcionales superarlos largamente, desdoblando el par superior en dos y multiplicando el número de montantes de apoyo, con los necesarios cambios de dirección del tirante, con un cierto ángulo, en cada punto de encuentro. Cada barra de la viga se especializa en un tipo de esfuerzo: el par superior queda solicitado fundamentalmente como una viga continua a flexo compresión, apoyada flexiblemente sobre los montantes, que estarán fuertemente comprimidos por la reacción contra el tirante inferior, traccionado. Todas las barras se pueden diseñar en madera, pero es habitual que el tirante se resuelva en acero, para ganar esbeltez.
15
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Es un tipo estructural que ha de hacerse entrar en carga previamente, para que no se produzcan deformaciones importantes por deslizamiento de las uniones al recibirla. Un tirante regulable de acero favorece la facilidad de contra flechar el conjunto. Todas las uniones han de diseñarse para transmitir correctamente los esfuerzos, fundamentalmente las tracciones extremas del tirante contra el par de madera flexo comprimido. Las uniones de los montantes con el par han de quedar inmovilizadas transversalmente, por el empotramiento del propio nudo o, mejor, por un sistema de arriostramiento transversal. Esta es una cuestión importante para asegurar que el vuelco, por exceso de flexión del par, o cualquier excentricidad de las cargas no produzca el inicio de una deformación lateral, con la consiguiente pérdida de geometría y de canto, que origine un proceso de posible colapso. Las cubiertas de madera acostumbran a estar solicitadas por cargas permanentes ligeras, por lo que una acción del viento de succión exterior o de presión interior o su combinación, según la pendiente de la cubierta o la superficie de aberturas en fachada, puede llegar a contrarrestar a las cargas gravitatorias y a invertir los esfuerzos de las piezas, colocando el tirante a compresión que, en general muy esbelto, no podrá soportar. Celosías trianguladas Las celosías trianguladas pueden entenderse a partir de ir complicando las soluciones de las vigas Fink, cruzando barras y uniéndolas. Se sigue consiguiendo perder peso, con respecto al tipo de alma llena, y llegar a cubrir hasta los 50 m de luz. Las condiciones genéricas de diseño para las estructuras trianguladas articuladas, son también de aplicación en el caso de las celosías de madera. Así los ejes de las barras han de cruzarse en un punto, para evitar excentricidades en la transmisión de los axiales, y la carga de las correas es mejor aplicarla directamente sobre los nudos entre barras, para evitar que se generen flectores en los pares. Los condicionantes para el dimensionado suelen ser: el pandeo de las barras comprimidas, la transmisión de las tracciones en los enlaces, así como la consideración de los deslizamientos de éstos enlaces en la evaluación de la deformación. La de formación teórica de estas estructuras de gran canto, acostumbra a ser de pequeña cuantía, pero las reales son algo mayores, debido al deslizamiento de las clavijas de los nudos en la madera.
16
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Barras apuntaladas tri -articuladas Este sistema se conforma a partir del apoyo mutuo de dos barras apuntaladas entre sí, en general con una importante pendiente en las vertientes. Es habitual que se articulen en sus arranques, y también en la clave. Este tipo estructural permite cubrir luces importantes, hasta unos 40 m, en función de la altura que tome la estructura. La relación entre la luz y la altura es fundamental para evaluar los esfuerzos de flexo compresión y los empujes o reacciones en los arranques. Cuanta más pendiente tenga la estructura, estará más solicitada a esfuerzos axiales y menos a flectores, y a la inversa. Al mismo tiempo, cuanta menos pendiente tenga la estructura, mayores serán las reacciones horizontales y a la inversa. Es un tipo apto para edificaciones que tomen altura, así dominará la compresión sobre el momento, y donde haya posibilidades de recoger los empujes, sin sufrir deslizamientos en los apoyos. Por ello ha de pensarse en llevarlos contra el terreno, o contra unos contrafuertes resistentes, e incluso incluir un tirante postensado, enterrado a cota de solera, uniendo las dos articulaciones de arranque, evitando los desplazamientos de las bases y aumentando la verticalidad de las reacciones. También la rigidización del nudo de la clave reduce las reacciones horizontales. Una variante de este tipo, es la que eleva el tirante hasta una altura indistinta, en el interior de la nave, lo que provoca cambios en la distribución de los flectores en las dos barras de cubierta y reduce la componente horizontal de las reacciones.
17
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Pórticos bi o tri-articulados Consideramos un pórtico, a la estructura formada por dos o tres barras, de diferentes características y tipos de unión entre sí, que cierran un espacio, en general con pendientes de cubierta bajas. Las posibilidades de cubrir espacios varían en función de los enlaces, oscilando entre los 20 y 50 m, según el número de articulaciones y el modo de rigidizar los nudos. El mayor rango de luz se consigue con la continuidad de las láminas curvadas. En el caso bi-articulado, tendremos una estructura hiperestática, más sensible a los asientos diferenciales y, según las dimensiones de las barras, con posibles dificultades de transporte. Contrariamente, en el caso tri-articulado, la estructura será isostática, más adaptable a diferentes comportamientos del suelo, y con piezas más cortas que pueden montarse en obra. Dada la dificultad para constituir empotramientos en la cimentación, se acostumbra a dar prioridad a las articulaciones en éstos puntos. El pórtico va tomando forma en función de éstas decisiones, y la ubicación o no de la tercera articulación, junto con el modo de diseñar los nudos rígidos. Éstos nudos rígidos han de ser capaces de transmitir cualquier tipo de esfuerzo. Pueden constituirse por continuidad de las mismas lamas curvas, o por la unión lateral de las piezas a través de una corona de pernos, o por el enlace por las testas de las piezas, con uniones dentadas o con barras corrugadas dobladas y pasadores anclados con resina. Este tipo estructural tiene sus comprobaciones generales y las propias de los puntos singulares, como las concentraciones de tensiones en los bordes cóncavos de las zonas curvas, junto con las tensiones inducidas de la fabricación. O la tendencia al despegue de las láminas en los bordes convexos, limitada si se dispone de un elemento continuo de acabado, como cinturón.
18
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Arcos bi o tri-articulados Es con este tipo estructural con el que podemos llegar a luces más grandes, unos 100 m, con el tipo de alma llena y todavía mayores con arcos de celosía triangulada. En este caso interviene el mecanismo resistente de la “forma” y, dependiendo de su trazado, tiene un comportamiento donde dominan claramente los esfuerzos de compresión, por encima de la flexión. Por ejemplo, para una carga uniformemente distribuida en proyección horizontal, el trazado parabólico es el que produce un comportamiento de axial más puro; para la acción del peso propio será el trazado en catenaria. En cualquier caso, como la simetría de cargas no se produce siempre, también habrán de evaluarse las flexiones por fuerzas laterales de viento o por el posible asentamiento de apoyos, etc. Las reacciones inclinadas, con su componente de empuje horizontal, volverán a ser determinantes en esta tipología, como lo fueron en el caso estudiado de las barras apuntaladas, para diseñar las articulaciones y su relación con el terreno, con contrafuertes o tirantes. La intensidad del empuje será inversamente proporcional a la altura o flecha desde la clave hasta la línea de arranque. Esta relación es aceptable si el arco se eleva hasta un 1/5 de la luz, para arcos más rebajados ya no puede soslayarse la consideración de la deformación axial del arco, fuertemente comprimido. El axil es casi constante a lo largo de su directriz y los momentos máximos se presentan entre 1/4 y 1/5 de la luz hasta la clave, según se trate de arcos bi o tri-articulados. Como en todo elemento solicitado a esfuerzo de compresión, tendremos que considerar las inestabilidades por pandeo, que puede ser lateral o producirse en el mismo plano vertical del arco. Lateralmente trabajaremos con la estructura secundaria de correas, de forma que éstas se constituyan en apoyos elásticos en la estructura de arriostramiento. En el plano principal, es recomendable mantenerse en esbelteces no mayores a mec. =120.
19
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Mallas espaciales Con el cruce, en un mínimo de dos direcciones, de vigas de rigidez parecida se produce el inicio del trabajo conjunto entre ellas y un mejor reparto de los esfuerzos. Las proporciones entre estos esfuerzos se producirán en función de las inercias y luces de las piezas, siendo más uniformes, cuanto más iguales entre sí sean estos parámetros. Se dice que una estructura bidireccional tiene un mejor comportamiento que una unidireccional, hasta una proporción límite en planta de L x 2L, donde las reacciones, por ejemplo, ya varían de 1 a 8, en los extremos cortos a los largos, perdiéndose el modo óptimo de trabajo bidireccional. Esta transmisión biaxial se produce por la rigidez de las uniones, en los encuentros entre las barras. Variando desde igualar solamente la deformación en el punto de cruce, hasta la redistribución de las flexiones por la rigidez a torsión de los nudos, al ser equivalente a un empotramiento en el espacio y reducir así la flexión de las barras transversales. Es una estructura altamente hiperestática, donde cada encuentro es un nudo rígido. En el caso de vigas de alma llena cruzadas, las uniones tienen alta dificultad y coste. Dada la tendencia a la relajación de los enlaces del tipo clavija, puede presentarse una excesiva flexibilidad de la solución y por tanto un trabajo menos bi direccional de lo esperado. Es por ello que en ocasiones se trata de falsas mallas, ya que sólo es continua una familia de barras y la otra son piezas de relleno. El ángulo en planta en que se cruzan habitualmente las dos direcciones de barras es el de 90º, pero para una planta alargada resulta más beneficioso, en el reparto de esfuerzos, hacerlo a 45º, y para plantas poligonales pueden diseñarse cruces de barras a 60º, etc. Los tipos de mallas de madera de pequeña escuadría y cables de acero tensados, presentan una adecuada correspondencia entre el material y el tipo. Basan la forma que toman en el deslizamiento de los nudos y en la deformación de la superficie. Por su poca rigidez, se adecuan a las variaciones de carga, con notables variaciones de forma. Adaptan su necesario equilibrio a los esfuerzos internos. No hacen uso de su resistencia tangencial y los esfuerzos flectores locales son casi inexistentes. En estos tipos es necesario evitar vibraciones, a partir de un trazado en doble curvatura y con la adición de esfuerzos activos de pretensado a través de los cables.
20
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Láminas plegadas Son nuevas soluciones espaciales de cubierta, elaboradas a partir de tableros de derivados de madera transformada, como los contrachapados o los de virutas orientadas O.S.B., tipos 3 o 4, y basándose en los conceptos clásicos de las láminas plegadas de hormigón. El ángulo de cada faldón con la horizontal oscila de los 25º a los 45º.Pueden llegar a luces de 35 m. Son cubiertas de apariencia unidireccional, arriostradas por los tímpanos extremos y con soportes fundamentalmente extremos o en algún punto central. Cada vertiente de la plegadura trabaja longitudinalmente como viga, y transversalmente apoyadas desde el vértice de la cubierta hasta el borde inferior, donde se ubica un nervio o viga. Pueden agruparse lateralmente, formando un conjunto, y compensando entre sí los empujes laterales. Las vertientes extremas quedan descompensadas y habrá de disponerse tirantes entre las vigas de borde de ambos extremos más alejados, o los pilares deberán estar preparados para recibir los empujes laterales del faldón. En ocasiones pueden añadirse en los extremos dos medios módulos volados, que compensan las componentes horizontales del último tramo. Acostumbran a construirse a partir de piezas o nervios superiores e inferiores de madera aserrada o laminada encolada, relacionados entre sí por rigidizadores perpendiculares y dos capas de tableros: la exterior y la interior, unidos rígidamente y formando un cajón vacío. Es un tipo estructural con futuro, pues tiene a su favor la ligereza de la solución, la facilidad de montaje y las amplias posibilidades de prefabricación.
21
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
PIEZAS DE UNIÓN Y ENLACE La elección del enlace es inseparable del tipo estructural, ya que su comportamiento condicionará la distribución de los esfuerzos y la estabilidad general del sistema. Las uniones se encargan de transmitir los esfuerzos entre barras, como por ejemplo en el caso de las vigas de celosía; o de descargar la estructura en los soportes, como los apoyos deslizantes, o las articulaciones, o los empotramientos; o de facilitar el transporte de piezas de considerables dimensiones, gracias a las juntas de transporte, capaces de dividir la estructura, pero también de dar continuidad a los esfuerzos. Los enlaces los hemos de diseñar y comprobar desde varios puntos de vista: Diseño Geométrico: Por cada sistema de unión, sea de clavija o de placa de superficie, han de cumplirse las distancias mínimas entre los elementos que forman la unión y de éstos con respecto a los bordes de la pieza. Evitaremos así los posibles fallos en bloque del enlace. En el diseño de la unión debemos procurar no generar excentricidades. Protección Pasiva: Según si la posición del enlace es interior o exterior, tendrán menor o mayor importancia estas consideraciones. Sin ninguna protección constructiva, totalmente al exterior, la durabilidad queda más comprometida y el enlace es uno de los puntos más sensibles de la estructura. Es entonces cuando toma relevancia que el diseño asegure la evacuación del agua y la ventilación de la madera, para evitar acumulaciones y condensaciones. Por ello no ha de embeberse en la cerámica o el hormigón, por ejemplo. En relación al fuego los enlaces también son puntos débiles de la estructura. Para mejorar su comportamiento es recomendable introducir totalmente los elementos metálicos en el interior de las escuadrías, quedando así protegidos por la propia madera. Comportamiento Resistente General: Se favorecerán o evitarán los movimientos, según el comportamiento óptimo de la estructura demande. Por ejemplo: Impedir el vuelco en los extremos de las vigas esbeltas con pilares ahorquillados. Garantizar el deslizamiento de los apoyos en el caso de vigas curvadas, para impedir su trabajo como arco y los consiguientes empujes. Evitar levantamientos no deseados de los apoyos deslizantes, por inversión de esfuerzos. Comprobación d e Tensiones: Han de comprobarse las dos partes que forman la unión, en general los dos materiales: madera y acero. Se hará, recordando que la madera tiene poca resistencia a cortante, que las resistencias a tensiones perpendiculares a las fibras son escasas, fundamentalmente a tracción (hienda), y la influencia de la dirección del esfuerzo en relación a la dirección de las fibras. Por parte del acero habrá dos comprobaciones importantes a realizar: el cortante de los elementos de unión tipo clavija y su flexión o momento plástico. Comprobaciones de Deformaciones: Se considerará la influencia del deslizamiento de los medios de unión Kser. y su flexibilidad al evaluar la deformación de la estructura. Algunas uniones, incluso sometidas a poco esfuerzo, tienen desplazamientos de un milímetro, por su propia naturaleza. También son importantes los cambios de volumetría que sufre la madera por cambios higrotérmicos, principalmente en sentido transversal. Por ello se utilizan recursos de diseño: como prever agujeros “colisos” o rasgados para el paso de pasadores en las articulaciones, o limitar las dimensiones máximas, como en el caso del tamaño de los nudos rígidos con uniones por corona de pernos.
22
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Medios d e unión
Clavijas: Pernos y Pasadores: La problemática de estos tipos de uniones es la concentración de los esfuerzos, ya que trabaja muy poca sección de madera alrededor de ellos. Para los pernos, que tienen cabeza y tuerca roscada, se practica una perforación previa con un milímetro mayor al diámetro de juego. Los pasadores son lisos, sin cabeza, y entran a presión en la pre perforación. ´
Conectores: La evolución actual de las llaves de madera-dura antiguas son los conectores. La carga se transmite por “aplastamiento” entre la madera y el conector. Se emplean para las mayores cargas, ya que reparten mucho mejor los esfuerzos y sus capacidades pueden asociarse, en algún caso, a los medios del tipo clavija que les acompañen, constituyendo una unión mixta de pernos y conectores del tipo dentado, pudiendo alcanzar asociados, si la capacidad de trabajo de un perno es de 1, hasta 4 veces su valor. Son del tipo: · “Conector dentado”: Son para uniones madera-madera. Tienen una o dos caras dentadas y disponen de una perforación central, por donde puede hacerse pasar un perno asociado. Se clavan por presión, en taller o en la propia obra, en maderas de hasta 500 kg/m3 de densidad. Pueden ser dentadas con púas o con dientes troncocónicos más gruesos, y pueden ser desmontables los que tienen una sola cara dentada. Sus diámetros oscilan de 38 a 165 mm (Bulldog), y de 50 a 115 mm (Geka), respectivamente.
·
23
“Conector de Placa”: Se incrustan en la madera, en una perforación previa y también permiten el paso de un perno central para su fijación. Se puede utilizar tanto en uniones madera-madera, como en madera-acero. Permiten la transmisión de esfuerzos rasantes, en los planos de contacto con la madera. Su diámetro oscila de 65 a 190 mm.
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
24
·
“Conector de Anillo”: Se introducen en surcos realizados en la madera. Se hacen partidos para adaptarse mejor a la unión de las dos maderas y a los cambios higrotérmicos. Se utilizan únicamente en uniones madera -madera. Su diámetro oscila de 65 a 260 mm.
“Placas de clavos”: Son chapas con clavos soldados o con dientes estampados o troquelados en ella, por una o las dos caras de la chapa, que evitan así la proliferación de clavos o tirafondos y distribuyen al máximo el esfuerzo. Son aptas para cargas bajas o medias y para piezas de madera con espesores no superiores a los 60 mm. (Twinaplate, Menig)
*Conectadores Encolados: Son cilindros de fundición modelada exteriormente en forma de helicoide y con rosca interior. Su diseño es adecuado para distribuir esfuerzos en una gran longitud de madera, al penetrar por la testa de la escuadría y coserse transversalmente a ella, con pasadores a través de las muescas del cilindro y con inyección de resina. El interior roscado permite la transmisión axial de esfuerzos y la continuidad con otras piezas. (Berschte)
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
CONCLUSIONES
I. II.
III.
La madera como material es el más utilizado del sistema constructivo, por su contextura, condiciones físicas, mecánicas, trabajabilidad y precios. Gracias a la gran variedad existente en el país, y las diferentes características que posee, es lo que la hace estar en un lugar privilegiado dentro del rubro de la construcción, ya sea en obra gruesa, terminaciones, o como ornamento. Además, debemos considerar que el costo que tiene este producto en el mercado, tiene directa relación con tipo de madera y su utilización. La madera debe tener interés fundamental en el desarrollo del país y nos conlleva a analizar en usarla con fines estructurales en viviendas, por lo siguiente: 1.Hay zonas sísmicas en un 60% dentro del país, y la madera es fuerte, elástica y de poco peso. 2.Puede dar soluciones permanentes y económicas. 3.Es un recurso natural comparable solamente con el petróleo y la pesca y es renovable. 4.Su habilitación en la construcción demanda de menos costo. 5.La técnica ya está desarrollada, existes diversos tipos de utilización y formas de aplicación en la arquitectura, no necesitamos comprar tecnología para poder usarla.
25
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
BIBLIOGRAFÍA
26
EL CONCRETO Y OTROS MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN – Libia Gutiérrez López, Universidad de Colombia ESTRUCTURAS DE MADERA – Francisco Arriaga Martitegui http://www.monografias.com/trabajos93/estructura-y-propiedades-madera/estructura-y-propiedadesmadera.shtml#conclusioa#ixzz50OUa4Sr8
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
ANEXOS: Archivo y centro de estúdios – Peter Maddison Arquitectos
27
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
House of Would – Uriel Fogue , Carlos Palacios
28
FAU - UNP
CONSTRUCCIÓN III
Slow Horse – Elasticospa + 3
29
FAU - UNP
