Documentacion Estructuras Madera

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ESTRUCTURAS: ESTRUCTURAS DE MADERA (Jornadas de Introducción) Francisco ARRIAGA Martitegui Joan Ramon BLASCO Casanovas

Versión 1-07

2 ÍNDICE.-

1.- EL MATERIAL 1.1 Propiedades Físicas: 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6

Estructura del Material Material Anisótropo Material Ortótropo Material Higroscópico Densidad Otras Características

1.2 Propiedades Mecánicas: 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.2.8 1.2.9

Tracción Paralela Compresión Paralela Flexión Tracción Perpendicular Compresión Perpendicular Cortante Módulo de Elasticidad Comparativo entre Materiales Método de Ensayos

1.3 Formas del Material: 1.3.1 Madera Aserrada 1.3.2 Madera Laminada Encolada 1.3.3 Productos Derivados de la Madera

2.- CLASE RESISTENTE 2.1 Factor Calidad de la Madera 2.1.2 Singularidades o Defectos

2.2 Propiedades del Material 2.2.1 Clases Resistentes Madera Aserrada 2.2.2 Clases Resistentes Madera Laminada Encolada 2.2.3 Valores del Material

3 3.- BASES DE CÁLCULO 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Método de los Estados Límite Factor Ambiental y Clases de Servicio Factor Duración de la Carga Otros Factores Modificadores: Carga Compartida y Altura Combinatorias de Acciones Comprobación de Deformaciones: Instantánea y Diferida Comprobaciones sobre la Estabilidad: Pandeo y Vuelco

4.- COMPROBACIONES EN SITUACIÓN DE INCENDIO 4.1 La Situación de Incendio 4.1.1 La Combustión 4.1.2 Comportamiento del Material 4.2 4.3 4.4 4.5

Bases Generales de Cálculo Sistema de Cálculo de la Sección Eficaz Comprobación de las Uniones Ignifugación. 4.5.1 Métodos ignifugación

4.6 Ejemplo de Cálculo

5.-

TIPOLOGIAS DE CUBIERTAS 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12

6.-

Introducción Vigas de Alma Llena Vigas Atirantadas Celosías Trianguladas Barras Apuntaladas tri-articuladas Pórtico bi o tri-articuladas Arco bi o tri-articulado Mallas Espaciales Laminas Plegadas Laminas Cilíndricas Sistemas de Estabilidad General Ejemplo de Cálculo

PATOLOGÍAS, DIAGNOSIS Y CONSOLIDACIÓN ESTRUCTURAL 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Durabilidad y Clases de Riesgo Agentes Destructores: Bióticos y Abióticos Detección e Inspección de Lesiones Actuaciones Correctoras Evaluación de la Capacidad de Carga

4 6.6 Reparación y Consolidación Estructural 6.7 Forjados Mixtos Madera - Hormigón 6.8 Protección química preventiva

7.-

PIEZAS DE UNIÓN Y ENLACE 7.1 Diseño de Uniones y Enlaces 7.2 Medios de Unión 7.3 Aproximación al Dimensionado

5 1.- EL MATERIAL

1.1 Propiedades Físicas :

1.1.1 Estructura del Material La madera es un material natural no homogéneo, al estar constituida por las células especializadas en conducción, almacenamiento, y sostén, propias del árbol. Por lo tanto, tendrá un comportamiento desigual según la dirección que estemos analizando: paralela o perpendicular a las fibras. Si hacemos una aproximación sucesiva, podemos observar:

Estructura macroscópica : A este nivel, podemos diferenciar: Según la dirección de los tres cortes efectuados, las secciones: transversal, radial y tangencial, propias del estudio de la madera, según los tres ejes. En un corte transversal del tronco distinguimos: La “corteza externa” de células muertas. La “corteza interna” o liber, con circulación de savia descendente. El “cambium”, a partir de donde crece la corteza y el xilema. El “leño”, con la albura más exterior con savia ascendente, y el duramen más interior, hasta la médula central. En los cortes tangencial y fundamentalmente el radial podemos apreciar los radios leñosos, que son discontinuidades del tejido, perpendiculares al eje del árbol, que producen un efecto de trabazón sobre las fibras longitudinales.

Estructura microscópica : Coníferas: Con abundancia de células traqueidas, que tienen una forma alargada de 2 a 5 mm., y de 10 a 50 micras de diámetro (lo que significa una esbeltez de # 100). Crecen en capas anulares, alrededor del eje longitudinal del árbol, en madera de primavera y madera de verano, formando los anillos de crecimiento. En la mayoría de las coníferas de nuestras latitudes, la madera de primavera suele mostrarse en anillos de mayor espesor, pero por contra a partir de células de menor grueso de pared, lo que motiva su menor densidad (obteniéndose con respecto a la madera de los anillos de verano diferencias de 1 a 3).

6 Radialmente se estructuran las células parénquimas (radios leñosos) con misión de transporte y almacenamiento. Aunque tienen menor presencia en las coníferas, que en las frondosas, pueden dar origen a unas manchas oscuras o espejuelos. Son parcialmente responsables de la contracción de la madera.

Frondosas: Las células son de mayor espesor y menor luz interior, con una longitud de 1 mm. Las diferencias entre la madera de verano y de primavera son menos acusadas. Esta madera tiene vasos interiores o conductos de cierta entidad. Los radios leñosos son de mayor tamaño en comparación con los de las coníferas.

Estructura submicroscópica : Las paredes celulares están constituidas por celulosa, o moléculas de glucosa encadenadas, embebida en una matriz de grandes células amorfas de lignina, formando un conjunto de sección hueca y ligero de peso, que permite el transporte de substancias. Estas estructuras tubulares son altamente eficaces, y pueden trabajar bien a compresión, zunchándose entre sí con las capas vecinas, reduciendo su posible pandeo individual. El 75% de la masa total es celulosa, con una resistencia nominal a tracción de 1.000 N/mm2, y que funciona como una armadura helicoidal del aglomerante lignina, que tiene una resistencia a compresión de 240 N/mm2.

1.1.2 Material Anisótropo 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.

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8 1.1.3 Material Ortótropo 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 “Q“, 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.

1.1.4 Material Higroscópico 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: 50 -110% H Madera secado natural: 16 - 20% H 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

9 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.

1.1.5 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: 300 kgs/m3 1200 kgs/m3 500 kgs/m3 650 kgs/m3

madera de balsa guayacán coníferas frondosas

10 Es interesante ver la comparación entre el acero y la madera clasificada, de resistencia y rigidez en relación a su densidad. Son óptimos los cocientes entre su capacidad tensional y módulo de elasticidad, respecto a su peso. Por lo que es apreciable su eficacia estructural en relación a su baja densidad. Así, se considera un material adecuado para aplicaciones estructurales de grandes luces y cargas ligeras:

Acero

Madera

RESISTENCIA / DENSIDAD.................. 1 ........ 1 - 1.1 RIGIDEZ / DENSIDAD .......................... 1 ......... 1.3 - 1.5

1.1.6 Otras Características

El coeficiente de dilatación térmica del material, que influirá en la disposición de las juntas constructivas y de dilatación, es también diferente según se analice longitudinal o transversalmente (radial y tangencial), así una media entre especies sería: D long.

=

3.6 x 10-6 1/ºC

D rad./tang. = 64 x 10-6 1/ºC

Vemos que longitudinalmente tiene un valor muy bajo, lo que no provocará la aparición de juntas en tramos cortos o medios. También hay que considerar que, por ejemplo, un aumento de temperatura ocasiona una desecación del material y su consiguiente merma, que compensa con creces la dilatación térmica. Transversalmente, al aplicarse el coeficiente sobre las dimensiones más acotadas de las secciones, tampoco tendrá mayores incidencias, desde este punto de vista exclusivamente térmico, aunque sí desde consideraciones higrotérmicas, por cambios de humedad. El coeficiente de conductividad térmica , que depende del calor específico del material, es bajo al ser mala conductora del calor, por lo que se ha usado históricamente como aislante térmico. Varía según la dirección de las fibras, la especie y el grado de humedad. Aumentando con la densidad y la humedad. Ȝ long.= 5,62 Kcal / h m °C

Ȝ transv.= 0,36 Kcal / h m °C

En relación al sonido y la madera: la velocidad de propagación longitudinal de las ondas es proporcional al módulo de elasticidad dinámico y relacionado con el estático, lo que da información de valores de rotura en ensayos no destructivos. El comportamiento aislante de la madera en la transmisión del sonido aéreo es bajo, al tener poca masa. Es mejor si se utiliza en capas sueltas, sin relación entre sí.

11 La característica absorbente de la madera en general también es pobre si se coloca adherida a una base rígida. Esta propiedad se invierte en caso de tratarse de placas porosas de fibras. Un mejor comportamiento resonante tienen los tableros contrachapados si se colocan separados de la base soporte. En cuanto a su capacidad de aislamiento a impacto es muy crítica, por lo que han de buscarse mecanismos adicionales de flotabilidad y masa.

Sosteniblemente es un material que precisa de poca energía para su fabricación, y en todo caso es una energía lenta y difusa, de baja intensidad. Esta propiedad se acentúa si consideramos su densidad, en relación a otros materiales estructurales. Para que sea real su sostenibilidad, la madera debe proceder de bosques de explotación con certificación forestal y ecoetiqueta, como los sellos PEFC o FSC.

12 1.2 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 ( ŏ ) a la FIBRA.

1.2.1 Tracción paralela En madera clasificada los valores característicos oscilan entre 8 y 18 N/mm2, 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.

1.2.2 Compresión paralela En la madera clasificada, los valores característicos son 16 - 23 N/mm2. 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.

1.2.3 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.

13 1.2.4 Tracción ŏ 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. 1.2.5 Compresión ŏ 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.

1.2.6 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 próximidades de la línea neutra, que es el plano más débil.

1.2.7 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/mm2, de Emedio, 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/mm2) El módulo de elasticidad transversal G, es aproximadamente igual a E/16.

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16 1.2.8 Comparativo entre Materiales Veamos el siguiente cuadro comparativo de unas posibles tensiones finales admisibles, no características, en Kg/cm2, entre: MADERA / HORMIGÓN / ACERO. Se distingue para la madera entre la dirección paralela y perpendicular a las fibras.

Flexión

Madera Hormigón Acero

120 100 1700

Tracción // 120

ŏ 1.5

5 1700

Compresión

Cortante

// ŏ 110 28 105 1700

12 3 1000

Modulo E

110000 200000 2100000

Conclusiones. - Alta resistencia a flexión (principalmente si se relaciona con su peso). - Buena resistencia a tracción y a compresión // a la fibra. - Escasa resistencia al corte. - Baja resistencia a compresión y muy baja a la tracción ŏ a la fibra. - Bajo Módulo E, que incide substancialmente sobre la deformación y pandeo. - Muy Bajo Módulo G, que incide en las deformaciones por cortante.

1.2.9 Métodos de Ensayos En la metodología anterior los ensayos se hacían con probetas pequeñas y sin defectos. En la actualidad, los ensayos están normalizados con probetas tamaño similar al Tablón, de longitud de 3 a 4 m. y alrededor de los 15 cm de canto, para la madera aserrada, y mayores para la madera laminada, con defectos (madera clasificada), a temperatura normalizada de 20o C ± 2 , humedad relativa del aire normalizada del 65% ± 5 y con una duración de 5 minutos ±2.

17 1.3 Formas del Material :

Madera Maciza o Aserrada Madera Laminada Encolada Productos Derivados Madera

1.3.1 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. 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 “escuadrias aserradas” oscilan de 100 a 300 mm de altura por 35 a 200 mm de grueso. Con estas escuadrias 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 escuadrias 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 escuadrias, 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.

18 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 escuadrias 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, las cargas planta a planta.

1.3.2 Madera Laminada Encolada 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 cm2. 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 higrotérmicos 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.

19 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 Melamina 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. 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.

El proceso de fabricación, se realiza en la industria y bajo los controles normativos. La madera en tabla, antes de cortarse en láminas, ha de secarse y estabilizarse en la nave de fabricación hasta conseguir una humedad de equilibrio del 8 al 15%. El saneamiento de las tablas elimina los defectos como gemas, nudos muertos, fendas, desviaciones excesivas. Pueden practicarse ranuras para evitar su atejamiento. En las tablas selecccionadas se practican los empalmes por entalladura múltiple (“finger joint”) en las testas para su unión longitudinal y se cortan a la longitud necesaria. Posteriormente se regruesan y cepillan las dos caras mayores de las tablas y se deja caer la cortina de cola, colocándose en las prensas, para su unión. Los postes de apriete se sitúan cada 40 cm y se inicia la operación desde el centro hacia los extremos, así se evitan marcas y pliegues en la madera al favorecer la adaptación longitudinal de cada lámina. El proceso de encolado en taller, es sobre superficies recién cepilladas (<48h.) y planas, sin polvo ni pelusa, con poca variabilidad entre láminas del %H higroscópica (d4%). El adhesivo se aplica y se prensa uniformemente a una presión entre 0,8 y 1,2 N/mm2, durante el tiempo de polimerización de las colas. Después del prensado las piezas no pueden someterse a esfuerzos entre las 24 y 72 horas siguientes, según el tipo de cola.

20 Se ensayan las juntas de encolado en probetas extraídas de cada pieza o grupo, por cada 10 m3 fabricados, comprobándose la calidad del encolado mediante ensayos normalizados. Después de la polimerización se procede al cepillado general de la pieza entera por sus caras laterales, al recorte de la forma final y al biselado de sus cantos. La pérdida en mermas de material inicial se estima en un 30%.

1.3.3 Productos Derivados de la Madera Son productos transformados de la madera, de los que analizaremos algunas nuevas formas de presentación del material. El objetivo de su manipulación, está en la pretensión de superar la escasez de madera de calidad, aprovechando troncos más jóvenes y de menor diámetro, minimizando las singularidades o defectos y tratando de reducir las deformaciones diferenciales, acercándose a un comportamiento más homogéneo de la madera. Relacionamos a continuación algunos de los tipos con aplicaciones estructurales:

Tableros Contrachapados Formados por un número impar de chapas delgadas, de gruesos menores a los 7 mm, obtenidas del desenrollado o por el corte al hilo, orientadas en cruz, en general a 90º, con gruesos totales de hasta los 30 mm, y prensadas a presiones variables, con resinas fenólicas. Son maderas de origen americano (pino Oregón), finlandés (abedul y coníferas) y francés o nacional (coníferas). Tienen aplicaciones especiales: usos marinos, superficies de rodadura, y según las adiciones pueden llegar a ser M-1, con respecto a su reacción al fuego. Su densidad oscila, según la presión y sus transformaciones, de 500 a casi 1400 kg/m3, denominándose a partir de los 1000 kg/m3 de “alta densidad”. Como sabemos las propiedades resistentes de la madera varían según la relación entre la orientación de las fibras y los esfuerzos. En los contrachapados, los valores resistentes longitudinales y transversales van igualándose cuantas más capas se dispongan: Los valores característicos y “aparentes”, para contrachapados de 3-5 capas, consiguen casi doblar la tensión de la madera origen, al reducir los defectos: Flexión paralela 20 - 36 Flexión perpendicular 13 - 20 Modulo E longit. 7.000 –10.000 Modulo E transv. 3.500 – 4.800

N/mm2 N/mm2 N/mm2 N/mm2

21 Son datos que han de confirmar los propios industriales, y en general se refieren a valores “aparentes”, que ya descuentan el aporte de las chapas cuyas fibras no siguen la dirección de lo esfuerzos, por lo que puede considerarse la sección completa. Sino fuera así debería considerarse la “sección incompleta”. Por ejemplo en el cálculo a flexión, con cargas sobre el plano de la viga, se trataría de considerar sólo las chapas en la dirección paralela a la viga.

Tablero de virutas orientadas OSB

(oriented strand board)

Están fabricados con virutas de mayor tamaño que las fibras, unos 80x10 mm., de especies de crecimiento rápido como el pino o el chopo, mezcladas con adhesivos de urea-formol o fenol-formaldehído. Su principal rasgo distintivo es la orientación longitudinal de las virutas, en una proporción mínima del 70%, principalmente en las capas más externas. Por ello se consiguen unas mejores propiedades en esta dirección del tablero, en correspondencia a las mayores prestaciones longitudinales de la madera base. Se consideran aptas para uso estructural las OSB 3, y altamente adecuadas las OSB 4. Provienen de Francia, Canadá y EE.UU. Su densidad es superior a los 650 kg/m3. Los valores característicos son, para gruesos de 18 a 25 mm. Flexión Flexión Modulo Modulo

longitudinal transversal E longit. E transv.

18 - 26 9 - 14 3.500 – 4.800 4.000 – 1.900

N/mm2 N/mm2 N/mm2 N/mm2

Perfiles de Virutas de Madera (Timber Strand), LSL. (laminated strand lumber) “Intrallam”

Es similar al tablero de virutas OSB, pero en masa o en volumen, formando barras o piezas de hasta 14 cm. de grueso. Los valores admisibles orientativos y a confirmar por el fabricante son : Flexión paralela Flexión perpendicular Tracción paralela Compresión paralela Compresión perpendicular Cortante Módulo E

13,6 11,6 11,4 12,9 2,6-5,5 1,2-2,9 10.300

N/mm2 N/mm2 N/mm2 N/mm2 N/mm2 N/mm2 N/mm2

22 Madera Micro laminada LVL. (laminated veneer lumber) Se trata de perfiles de sección rectangular, fabricados con chapas de madera encoladas con las fibras orientadas en paralelo, de espesores de 2,5 a 4,8 mm por chapa. Se consiguen gruesos totales de 64 mm, anchos de hasta 122 cm y longitudes de fabricación de 24,4 m. Se utilizan estructuralmente para conformar vigas. También es útil como cabeza de viguetas en doble T, (I-Joist), muy ligeras de 3 a 9 kg/m de peso, con altura total de 241 a 508 mm, grueso de alma en OSB de 9,5 a 12,7 mm.

Madera de Tiras laminadas PSL. (parallel strand lumber) “Parallam” Formada por tiras orientadas longitudinalmente, de ancho 10 a 15 mm, de espesor 2 a 4 mm y de longitud de 1 a 2,5 m, provenientes de chapas desenrolladas. Son encoladas y prensadas. Se consiguen secciones de hasta 28x49 cm y con longitudes de fabricación de hasta 24m. Los valores característicos para la PSL y también la LVL, son :

Flexión paralela 32-44 Tracción paralela 26-35 Compresión paralela 26-35 Compresión perpendicular 3-9 Cortante 4-5 Modulo E 11.600 -14.000

N/mm2 N/mm2 N/mm2 N/mm2 N/mm2 N/mm2

NOTA: En el próximo apartado se dan datos de resistencia y rigidez para la Madera Aserrada “C”, “D” y la Laminada Encolada “GL”.

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27 2.-

CLASE RESISTENTE

2.1 Factor Calidad de la madera Adquiere importancia la “Clasificación de Calidad” según las singularidades o defectos y la especie del material. A la combinación de especie+calidad se le asigna una “Clase Resistente”, con valores físico-mecánicos característicos a los que aplicar coeficientes parciales de seguridad. Los métodos de clasificación están, en general basados, en el aspecto externo (clasificación visual) o en métodos mecánicos automatizados, en función del módulo de elasticidad longitudinal E.

2.1.1 Singularidades o Defectos En la norma UNE 56.544 “Clasificación visual de la madera aserrada para uso estructural: Madera de Coníferas”, aplicable para escuadrias rectangulares, sin uniones dentadas, se evalúan las: “Características”, como humedad, densidad y medidas. “Singularidades de la propia estructura del material”, como anillos, nudos, fendas, acebolladuras, desvíos de fibras y bolsas de resina. “Singularidades de aserrado”, como gemas, médula. “Alteraciones”, como hongos, insectos xilófagos, plantas parásitas. “Deformaciones”, como curvaturas, alabeo, abarquillado o atejamiento. Las alteraciones biológicas son novedad en la últimas normativas y las deformaciones suelen tener poca consideración desde el punto de vista estructural. Se definen los defectos o singularidades y la forma de medirlos y se concretan las especificaciones para cada una de las calidades que distingue la norma: 2 CALIDADES (ME-1 / ME-2 ) y una calidad (ME-G) para madera de gruesa escuadría (anchos superiores a 70 mm). En la UNE 56.546 “Clasificación visual de la madera aserrada para uso estructural: Madera de Frondosas”, actualmente se contempla sólo una especie, el eucalipto, con una calidad MEF. Las condiciones de las clasificaciones son: - Se clasifican al 20% de humedad (cuando la madera está en el aserradero). Ya que hay algunos defectos, como las fendas, que varían según la humedad. - Si la pieza clasificada se volviera a cortar transversalmente, su clasificación estaría del lado de la seguridad. Pero si se cortara

28 longitudinalmente, o se cepillara fuertemente, debería volverse a clasificar, pues varia la relación entre defectos y sección o cara. - La clasificación exige el examen visual de las cuatro caras de cada pieza a marcar. Un experto especialista, en una línea de aserrado, emplea un tiempo de 2 a 4 segundos por pieza. Esta condición de “calidad” de la madera influye decisivamente en las propiedades mecánicas de la misma. En este sentido una primera evaluación previa puede ser la densidad, ya que si se encuentra un 30% inferior a la “típica” de la especie, puede indicar la existencia de alteraciones biológicas o de tratarse de maderas jóvenes.

Anillos.- Describen la forma del crecimiento en la sección transversal del tronco. En las coníferas, cuanto menor es el espesor de los anillos suele ser mayor la densidad del material. En las frondosas ocurre lo contrario. Sabemos que la densidad está directamente relacionada con la resistencia. El espesor de los anillos (radio/nºanillos) nos pueden facilitar otras informaciones, como la existencia de la denominada ”madera juvenil”, cuando son excesivamente anchos en las cercanías de la médula.

Nudos.- Significan una perdida de homogeneidad de la sección, al representar una zona con la dirección de las fibras diferente a la del resto. Las fibras periféricas también se desvían y se produce una alteración en las propiedades mecánicas. En algún caso puede llegar a asimilarse a una pérdida de sección resistente. Tienen mayor incidencia en las zonas traccionadas que en las comprimidas (5 a 1), valorándose más la proporción de su área respecto al total de la sección, que su posición. Por contra, en el caso de piezas flexionadas, la importancia del nudo es mayor en los bordes superior o inferior, que en el centro de la sección. Fendas.Son fisuras longitudinales que cortan, más o menos perpendicularmente, los anillos de crecimiento. Su origen es de crecimiento, por secado, acebolladura, heladura. Para el caso de tracción ŏ a la fibra, este defecto puede tener mucha incidencia. En el caso de tracción y compresión // a la fibra, su repercusión es mucho menor, aunque se produce un reparto más irregular del esfuerzo y pandeo en caso de compresión. Para el caso de flexión, tendrá incidencia la posición del plano de la fenda en relación a los planos de flexión de la sección de la pieza. En el plano de flexión horizontal y si las profundidades de las fendas son tales que puedan materialmente subdividir la sección en dos partes, se producirá un aumento de la tensión y de la deformación, por mal comportamiento frente a los rasantes.

29 No se produce incremento si las fendas están contenidas en el plano vertical y no es el de flexión. Acebolladuras.- Se denomina así a las fisuras longitudinales que separan anillos de crecimiento. Pueden están ligadas a defectos durante el crecimiento del árbol. Producen efectos similares a los anteriores. Desviación de fibras.- Pueden tener su origen en la existencia de nudos, o en la conicidad del tronco. Los esfuerzos afectan de diferente manera según la dirección de las fibras, ( // ŏ ). Por tanto, cualquier desviación de las fibras respecto a la teórica, repercutirá en la resistencia de la pieza. La normativa limita la desviación de la fibra, medida en un corte radial de la madera. Tienen más incidencia mecánica las desviaciones en piezas traccionadas o flectadas, que en las comprimidas. Gemas.- Son faltas de madera en las aristas, en piezas excesivamente apuradas en el corte. Suele aparecer en los extremos a causa de la conicidad del tronco. Es una perdida de la sección resistente. No se acepta en las láminas destinadas a la fabricación de madera laminada encolada, ya que disminuiría el plano de encolado i/o podría quedar oculta en el interior de la pieza. Bolsas de Resina.- Son discontinuidades en la madera, originada por depósitos de resina, de efectos parecidos a los anteriores. Movimientos de la madera.- Debido a los efectos de la contracción volumétrica al mermar la madera y a las diferencias en cada dirección se producen tensiones internas, con curvaturas, alabeos y atejamiento.

30

31 2.2 Propiedades del Material

2.2.1 Clases Resistentes en Madera Aserrada Como vemos en los cuadros de las páginas siguientes, para las coníferas (C coniferous) y chopo tenemos 12 clases de madera aserrada, y en frondosas (D deciduous) son 6 las clases de madera aserrada. La altura de referencia considerada es de 15 cm, para así tener en cuenta el efecto del tamaño de la pieza. La norma establece una útil correspondencia, para los diferentes países, entre sus diferentes “especies clasificadas y denominaciones de calidades” con nuestras “CLASES RESISTENTES” del cuadro.

2.2.2 Clases Resistentes en Madera Laminada Encolada Como vemos en los cuadros correspondiente de las páginas siguientes, se distinguen 8 clases resistentes: 4 de composición homogénea de láminas y 4 de combinada. También se considera el efecto del tamaño de la pieza, siendo la altura de referencia 60 cm, pudiéndose aumentar la resistencia para H menores. Existe un cuadro de correspondencias entre las clases resistentes de madera laminada (GL) y de su madera aserrada (en general C) que forman las láminas de aquella. Donde se puede apreciar que se consiguen mejorar las resistencias de una madera aserrada al laminarla y encolarla, pues se eliminan los defectos. Ello es cierto tanto para las clases resistentes menores, como para las clases altas, si consideramos el factor altura, que mayora la resistencia para una lama de la madera laminada.

2.2.3

Valores del Material

Las Tablas proporcionan valores característicos de resistencia y rigidez, obtenidos a partir de ensayos normalizados en condiciones de 5’ / 20oC / 65% . Como valor se toma el 5º percentil, que es el que separa los datos de la muestra, entre el 5% y el 95% restante, ello indica que sólo existe una probabilidad del 5% de encontrar resistencias o módulos E inferiores. Para las comprobaciones de INESTABILIDADES A PANDEO, se utilizará este valor del módulo Ek, característico. Para la comprobación de DEFORMACIONES, se utilizará la media de la población ensayada, o sea el módulo medio Em, que es mayor que el característico. Para las valoraciones de los pesos propios, los deslizamientos de las uniones y los conectores de las vigas compuestas se tomará la densidad media Um. Sin embargo la densidad característica Uk es una referencia para predecir el avance de la carbonización en situación de incendio.

32

Valor característico Ejemplo: Resultados de la tensión de rotura a flexión en pino silvestre de una determinada calidad: - Número de ensayos: 110 - Valor mínimo: 18,2 - Valor máximo: 78,1 N/mm2 - Valor medio: 46,8 N/mm2 - Valor característico: 25,9 N/mm2

1

33

34

35

36

CTE DB SE Seguridad Estructural : Madera

1. Generalidades 2. Bases de Cálculo 3. Durabilidad 4. Materiales 5. Análisis 6. Estados límites últimos 7. Estados límites de servicio 8. Uniones 9. Fatigas 10. Sistemas estructurales de madera y productos y derivados 11. Ejecución 12. Tolerancias 13. Control Anexo A Terminología Anexo B Notación y unidades Anexo C Asignación de clase resistente Madera Aserrada Anexo D Asignación de clase resistente Madera Laminada Anexo E Resistencia, rigideza y densidad Anexo G Humedad de equilibrio de la madera Anexo H Fallo de uniones a cortante Anexo I Relación de normas UNE

37 3.-

BASES DE CALCULO

3.1 Método de los Estados Límite Cuando una estructura supera los Estados Límites se sitúa fuera de servicio, ya sea por un defecto de resistencia, lo que afectaría a la seguridad de la estructura, como por un problema de deformación, lo cual afectaría a la funcionalidad de la estructura. Es a partir de la aparición del EUROCÓDIGO-5, que el anterior método de cálculo habitual de las “Tensiones Admisibles” se substituye por el actual de los “Estados Límite”. Reconocido también en el Código Técnico de la Edificación sobre Estructuras de Madera SE-M. El anterior método llegaba a los valores de las tensiones admisibles a partir de las tensiones básicas de cada especie, afectadas por varios coeficientes modificadores. El método actual introduce para el cálculo de las tensiones unos valores numéricos únicos de servicio o “característicos” y unos coeficientes parciales de seguridad, que afectan dividiendo a la resistencia del material (JM) y ponderando a las acciones, en general mayorándolas (JF). Estos valores se ven también, posteriormente, afectados por un factor modificador conjunto, según el “ambiente” y la “duración de carga” (Kmod) y también por un factor de tamaño como el de “altura” (Kh), o el de “carga compartida” (Ksys).

3.2 Factor Ambiental y Clases de Servicio Las propiedades mecánicas varían en función del contenido de humedad. Así, si aumenta el % humedad, bajan la RESISTENCIA y el Módulo E. Concretamente, esto se produce si el contenido de agua está por debajo del punto de saturación. Por encima de este valor, no influye. Esta es la razón por la que los ensayos se realizan bajo condiciones de ambiente normalizadas (20oC ± 2o , HR 65% ± 5%, que equivale al 12% correspondiente al EQUILIBRIO HIGROSCOPICO de la madera). En maderas ideales libres de defectos, por cada 1% de variación del grado de humedad, las propiedades mecánicas varían desde el 5% (en compresión) al 2% (en tracción ŏ ). Sin embargo, en maderas clasificadas, con singularidades, esta correspondencia entre humedad y propiedades mecánicas es algo menos acentuada. Por ejemplo: En una madera con defectos, su resistencia a tracción // a las fibras baja por la influencia de dichos defectos, y el % de Humedad no incide.

38 En compresión // , como los defectos influyen en menor cuantía, es algo mayor la incidencia del % de Humedad. El Código Técnico tiene en cuenta estas condiciones ambientales con el sistema de las tres “Clases de Servicio”. CLASE 1 Cuando el material madera estará en servicio con un contenido de humedad, el correspondiente a unas condiciones de temperatura 20 r 2ºC y una humedad relativa del aire que no supere el 65%, más que sólo unas pocas semanas al año, el resto por debajo de este índice. Estas condiciones vienen a corresponder a una edificación protegida, con una humedad de equilibrio higroscópico de la madera <= 12% para coníferas. CLASE 2 Si la humedad relativa del aire ambiente, donde la madera está en servicio, no supera el 85%, más que sólo unas pocas semanas al año. Estas condiciones pueden corresponder a una piscina cubierta o a cobertizos o marquesinas abiertas, con una humedad de equilibrio higroscópico <= 20%. CLASE 3 Cuando se superan los contenidos de humedad anteriores. Como ejemplo puede darse en una pasarela o puente, totalmente exterior y expuesto.

3.3

Factor Duración de la Carga

Es preciso saber que, ante cargas de duración permanente, se obtienen resistencias del orden del 60% de las deducidas de un ensayo de corta duración (5 ± 2 minutos). Este comportamiento es característico de la madera, a diferencia de otros materiales. Es tanto más acentuado cuanto mayor sea la calidad de la madera. Para maderas de baja calidad, se produce concentración de tensiones alrededor de los defectos, en actuaciones rápidas de cargas de corta duración. Por contra en cargas lentas y de larga duración, se moviliza un comportamiento viscoso alrededor de los defectos, y las tensiones tienden a redistribuirse y reducirse. Este recurso es más propio de las maderas de baja calidad, y no lo tienen tan acentuado las maderas de alta calidad. La influencia de este factor hace que la madera sea un material de gran eficacia ante cargas de origen dinámico y de duración instantánea (viento o sismo). Es también un material altamente resistente a la acción cíclica de cargas alternas, que ocasionan disminución de la resistencia o rotura (fatiga). Una estructura de madera será más económica cuanto menor sea su peso propio y el resto de las cargas permanentes, quedando libre, de esta forma, una gran capacidad resistente para las cargas de menor duración. Estos dos conceptos modificadores: “ambiental” y “duración de la carga”, están dirigidos a asignar valores resistentes, unificadamente a través del valor conjunto Kmod, y al cálculo de deformaciones por fluéncia con el valor de Kdef, que veremos más adelante.

39 Se consideran los mismos valores tabulados de Kmod para todas las propiedades mecánicas, ya que se parte de datos iniciales de resistencia corregidos, para que sea válida esta simplificación. Si en las Hipótesis Combinatorias intervienen cargas de diferente duración, puede utilizarse el Kmod correspondiente al de menor duración de las cargas que intervengan, o sea el mayor valor de Kmod. Por ejemplo en cubiertas de gran luz, suele ser la peor combinatoria de acciones, la de cargas permanentes y nieve, usándose un valor de Kmod igual a 0.9 para los valores resistentes, si suponemos una clase de servicio 1 ó 2 y una duración corta de la nieve.

3.4 Otros Factores Modificadores Carga compartida (Ksys) Si el sistema estructural está formado por varias piezas de iguales características y unidas entre si por otra estructura secundaria, la RESISTENCIA puede MAYORARSE por 1,1, ya que así se valora una cierta ayuda de los elementos descargados hacia el sobrecargado. Este criterio se puede utilizar para los casos siguientes, de elementos cercanos: - viguetas de forjado y de cubierta ” 6m - cerchas próximas de cubierta ” 12m - montantes verticales de muros h ” 4m Considerando la redistribución por los tableros continuos de cubierta, los entrevigados de forjado, o los tableros del cerramiento.

Temperatura A temperaturas inferiores a 0oC, los valores característicos a flexión y compresión, y impacto, son ligeramente mayores que a temperatura normal. Si consideramos madera a temperaturas por encima de los 40oC, se deberían reducir sus resistencias, aunque también se reduciría la humedad aumentando algo la resistencia.

40 Tamaño de la pieza. Factor altura (Kh) Existe relación entre el tamaño de la pieza y la resistencia de la madera, de forma que cuanto mayor sea su volumen, menor es la tensión de rotura, considerada en su valor característico. En la normativa, este fenómeno se contempla con el coeficiente Kh, en función de la altura de la pieza en relación a la altura patrón de los ensayos. - Para valores menores de la altura de referencia permite MAYORAR resistencias. (referéncias de 150 mm para la madera aserrada y 600mm para la laminada encolada). - Para valores mayores de la altura, NO afecta a la resistencia. Kh = 1. Se aplica en la tracción paralela y en flexión, por lo que no se aplica en las comprobaciones a cortante, ni en los demás esfuerzos por su insignificante incidencia. Madera Aserrada: Kh = (150/h)0,2 <= 1,30 Madera Laminada: Kh = (600/h)0,1 <= 1,10 En flexión, para explicar este comportamiento, podemos remitirnos a la antigua teoría de Newlin/Trayer y el efecto ayuda de las fibras centrales, menos tensionadas, sobre las fibras extremas más comprimidas. Las fibras más descansadas, están más próximas de las sobrecargadas extremas, cuanto menor es la altura de la pieza y ejercen mayor porcentaje de ayuda. En tracción paralela es la teoría del eslabón débil de una cadena la que puede relacionarse con el mayor tamaño de las piezas. 3.5 Combinatoria de Acciones: El factor de ponderación JF afecta a las acciones, según sean cargas permanentes G (1,35), o sobrecargas variables Q, de uso, nieve, viento o sismo (1,50). La normativa permite utilizar, después de la primera acción variable, el factor 1,05 (1,50 x 0,7) para las restantes variables que actúen simultáneamente. En caso de viento de succión las CP se ponderarán por 0,80, en lugar del 1,35. Combinatorias posibles: 0) 1.35 CP I) 1.35 CP + 1.50 SU II) 1.35 CP + 1.50 N III) 1.35 CP + 1.50 V IV) 1.35 CP + 1.50 SU V) 1.35 CP + 1.50 SU VI) 1.35 CP + 1.50 N VII) 1.35 CP + 1.05 N VIII) 1.35 CP + 1.05 SU IX) 1.35 CP + 1.05 SU X) 1,35 CP + 1,50 SU XI) 1.35 CP + 1.05 SU XII) 1.35 CP + 1.05 SU

+ + + + + + + + +

1.05 N 1.05 V 1.05 V 1,50 V 1,50 N 1,50 V 1,05 N + 1,05 V 1,50 N + 1,05 V 1,05 N + 1,50 V

41 En caso de sismo S, actuando simultáneamente con SU, N y V : 1.00 CP + 1.00 S + 0,70 ( SU+N+V) A modo de ejemplo: en clase de servicio 1 ó 2, se han marcado en negrita las acciones de más corta duración, para cada hipótesis combinatoria, considerando una ubicación geográfica con nieve de “corta” duración y la sobrecarga de uso de “media” duración (ya que se considera una parte como permanente y otra como corta), lo que determinará los valores de Kmod a utilizar para encontrar las diferentes tensiones “comparativas” máximas Xd del material, que no hemos de superar con las tensiones debidas a los esfuerzos de las combinatorias de acciones. Así : ( Xk / JM ) x Kmod = Xd . Siendo Xd el valor de cálculo de las propiedades del material : f, E,G. Para las combinatorias 0, el Kmod I, Kmod II=IV = VIII Kmod Restantes Kmod

= = = =

0,6 (permanentes) 0,8 (viv.) ó 0,7 (almacén) 0,9 (nieve corta) ó 0,8 (n. media) 0,9 (viento)

Para el caso de sismo S, el K mod seria 1,1. Considerando, según las condiciones ambientales, una “clase de servicio” 1-2. Bajo una clase de servicio 3, los valores de Kmod serian diferentes. La seguridad sobre el material JM varía según el material de que se trate, en función del grado de incertidumbre que exista: Para madera maciza C, D JM = 1,30 Para madera laminada GL JM = 1,25 Para microlaminada LVL JM = 1,20 El proceso general y completo puede enunciarse según la siguiente secuencia, a partir de la calidad del material origen: CLASES FACTOR CALIDAD RESISTENTE HUM.+ DURAC SEG.MATERIAL

ME

C/D/GL/LVL

Kmod.

1/JM

>=

TENSIONES SEG. ACCIONES COMBINATORIAS

JF

V W (G + Q)

G acciones permanentes: C.P. Q acciones variables: S.U., N., V. De modo que la capacidad minorada de la estructura sea mayor o igual a la actuación ponderada de las acciones. Considerando que las resistencias comparativas pueden variar en diferente proporción a las acciones características ponderadas, ya que en un corto espacio de tiempo puede pronosticarse un mejor comportamiento del material.

42

43

Flexotracción

V t , 0, d f t , 0, d

V t , 0, d f t , 0, d



V m, y , d f m, y,d

 km ˜

 km ˜

V m, z ,d f m, z ,d

V m, y,d V m, z ,d f m, y,d



f m, z ,d

d1

km

Factor con valor: 0,7 sección rectangular 1,0 otras secciones

d1

Flexión esviada M y ,d

V m, y ,d

Wy

V m, y ,d f m, y ,d km ˜

km

; V m, z ,d

 km ˜

V m, y ,d f m, y ,d



V m, z ,d f m, z ,d

V m, z ,d f m, z ,d

M z ,d Wz

d1 d1

Factor con valor: 0,7 sección rectangular 1,0 otras secciones

1

44 3.6 Comprobación de Deformaciones

Analizaremos varios tipos de deformación, el conjunto de las cuales tiene incidencia en las estructuras de madera: -Deformación inicial (instantánea, debida a la flexión y al cortante) -Deformación diferida, por la fluencia del material. - La deformación inicial por flexión y cortante, se calcula mediante las expresiones habituales de la resistencia de materiales utilizando el valor medio del Módulo de Elasticidad Longitudinal. (Eo,med) y del Módulo de Elasticidad Transversal G . La deformación por cortante tiene, para algunos tipos de estructuras de madera, cierta incidencia, en relación a la deformación por flexión, debido al reducido valor del módulo de elasticidad transversal G, respecto al longitudinal E, aunque suele despreciarse. Consideremos que mientras en la madera la relación de E/G es de 16, ya que G vale de 6.000 a 7.000 kp/cm2, en otros materiales, como el acero u el hormigón, es de 2,6 o 2,5, respectivamente. El grado de esta incidencia depende de: - la esbeltez geométrica de la pieza (luz/canto) - del tipo de carga. - de las condiciones de enlace. A mayor canto, mayor influencia porcentual del cortante, aunque no en valor absoluto. Así, por ejemplo, para una relación de L/H de 17, habitual para piezas biapoyadas de canto constante y carga uniformemente repartida, la deformación por cortante representa un 5,5% del total. Si el dimensionado se ha realizado para L/H igual a 10, la deformación será menor pero el porcentaje del cortante llegará al 10% del total. Si el canto de la pieza es variable, L/H de 15 en el centro y de 30 en los extremos, con idénticas condiciones de enlace y de carga, la proporción de la deformación por cortante aumenta hasta el 6%. Para un cálculo manual de casos sencillos, se pueden utilizar fórmulas para considerar la aportación de esta deformación por cortante, bajo carga puntual central o para carga uniformemente repartida. Para un cálculo informatizado, como la mayoría de los programas comunes no contemplan este porcentaje puede trabajarse con un módulo “E ficticio”, menor en un 6 a un 8%, de modo que las deformaciones instantáneas facilitadas, ya se vean afectadas por este porcentaje y den resultados más reales y completos.

45

46 - Deformación Diferida. Para ciertos materiales, y la madera entre ellos, la deformación instantánea o elástica no es la deformación final, ya que se produce un aumento de deformación a lo largo del tiempo. Este incremento de deformación esta relacionado con la duración de las cargas, pero también puede llegar a estabilizarse a medida que aumenta el tiempo y si, en un punto, se suprime la aplicación de las cargas, pueden restar deformaciones residuales o viscosas, en la estructura. Así las cargas permanentes producen un importante aumento de la deformación. Y además influyen otros factores como el proceso de carga, el nivel de tensión alcanzado, el contenido de humedad y la temperatura. Este comportamiento se concreta en la normativa, con el factor K def para cargas cuasipermanentes, que se encuentra tabulado según el tipo de material, en función de las condiciones ambientales de la estructura o “clases de servicio 1/2/3”. Los valores de la tabla K def indican el porcentaje de la flecha instantánea, que representa la flecha diferida de las cargas permanentes, por lo que la deformación final, į ó w, viene dada por la expresión: w fin = w ini + w dif = w ini ( 1 + ȥ2 · K def ) Siendo ȥ2 el coeficiente de simultaneidad de las acciones, lógicamente de valor unidad si se trata de las propias acciones permanentes. Los valores de ȥ2, según el origen de las acciones variables que actúan simultáneamente con las permanentes, ponderan una intensidad o duración determinada en relación a las permanentes a efectos de fluencia y son, según reproduce la tabla del apartado de Seguridad Estructural del Código Técnico: ORIGEN SOBRECARGAS Viviendas Oficinas Locales de Reunión Áreas Comerciales Almacenes Vehículos < 3.000 Kg. Cubiertas no transitables Nieve para H < 1000 m. Nieve para H > 1000 m.

Ȍ2 0,3 0,3 0,6 0,6 0,8 0,6 0 0 0,2

Donde ȥ2 representa el porcentaje estimado de las cargas variables que actuarán casi permanentemente. En resumen la fluencia de las variables ha perdido importancia con el sistema actual, lo cual ayuda a que los límites deformatorios descritos a continuación, ahora comunes a todos los materiales, sean más asumibles. - Otros Factores Si la madera ha sido colocada en obra verde o saturada de agua, y ha de proceder a su secado en obra, las deformaciones serán mayores y se evaluarán tomando un (K def + 1), en las anteriores consideraciones.

47 En las estructuras formadas por piezas, para que los esfuerzos se transmitan entre ellas, los enlaces han de entrar en carga lo que produce deslizamientos en los medios de unión que influirán en la deformación global. En los nudos de las cerchas o en las coronas de los pórticos se produce un incremento de deformaciones significativo, por este motivo. La norma define un Kser, para estimar estos deslizamientos de los medios de unión, en función del esfuerzo de servicio F por plano de corte, entre maderamadera o acero-madera u hormigón-madera, necesario para hacer deslizar 1 mm., para una densidad media Um de la madera y un diámetro d del herraje tipo clavija o de penetración. w ini = F / K ser, para valores de Kser formulados y calculados. Se deberá valorar también la fluencia en los deslizamientos, por lo que el deslizamiento final será: w fin = w ini ( 1 + Kdef) En caso que los herrajes dispongan de perforación previa o pretaladro, como en los pernos, el deslizamiento calculado se aumentará en un 1 milímetro, valor correspondiente al juego inicial del enlace. También ciertas situaciones ambientales pueden influir en las deformaciones, a partir de movimientos de la estructura por cambios higrotérmicos. Así, por ejemplo, vigas curvas isostáticas pueden desplazarse en su apoyo deslizante al aumentar la humedad en la madera.

SITUACIONES de Proyecto para las Deformaciones.Las deformaciones se calculan bajo acciones características o incluso menores (JF ” 1), como estado límite de servicio E.L.S. Las llamadas situaciones de proyecto o combinaciones en E.L.S. , que pueden verse en las fichas de la documentación adjunta, son: Combinación CARACTERÍSTICA, que evalúa los efectos de corta duración de las que pueden resultar consecuencias irreversibles (w act), o sea valora la “integridad”. Interviene el factor de simultaneidad ȥ0 de las acciones concomitantes, con un valor conservador de 0,7 excepto para el uso de almacén. El “confort” (w3) también es una combinación del tipo característica, de las acciones variables Q. Combinación FRECUENTE, que evalúa los efectos de las acciones de corta duración, de las que puedan resultar consecuencias reversibles, como tales es poco considerada en deformaciones. Intervienen los coeficientes ȥ1 y ȥ2.

48 Combinaciones CUASI-PERMANENTES, que evalúa los efectos de las acciones G de larga duración, o sea valora la “apariencia” (w max). Interviene ȥ2, como hemos visto. La flecha total se calculará como la suma de contribuciones individuales de las cargas permanentes y variables, considerando las deformaciones iniciales y las diferidas : w total = w1 + w2 + w3 Siendo w1 = w2 = w3 = wc =

flecha inicial de permanentes flecha diferida de permanentes flecha inicial de variables contraflecha de fabricación

En madera laminada encolada es donde puede darse la contraflecha de fabricación wc. Suele tener un valor fijo, igual a 1 /300 de la luz. Aunque podría oscilar entre la flecha debida a las cargas permanentes y 1,5 por este valor, como máximo. Por lo que w1 puede partir de este valor de contraflecha wc. Es importante controlar la flecha activa que es el valor que puede producir daños en los acabados i/o instalaciones (“integridad”): w act = diferida permanentes w2 + inicial variables w3 Si se trata de forjados o pasarelas transitables, se ha de evitar la sensación de falta de “confort”, debido a las vibraciones. Se considera que las acciones variables (w3 sólo inicial ya que la parte diferida no da tiempo que se produzca debido a su corta duración) no deben ocasionar una deformación instantánea excesiva (también, para forjados ligeros no se considera recomendable superar los 13 mm de valor absoluto de flecha máxima, para todas las acciones). El Código Técnico analiza las vibraciones con mayor profundidad a partir de las frecuencias propias de las estructuras y limitándolas según el tipo de uso. Desde el punto de vista de la “apariencia” se han de evitar excesivos movimientos con respecto a la situación inicial, que puedan afectar a la estética. La flecha neta se entiende como máxima: w max = total w tot – contraflecha wc Se utilizará la combinación característica para “integridad” y “confort”, y la combinación cuasipermanente para comprobar la “apariencia”.

49 Limitaciones a deformaciones VERTICALES: Según el art. 4.3.3 del Documento Básico de Seguridad Estructural SE 2 (Aptitud al Servicio) las deformaciones se limitan con varios objetivos: - Para que sean compatibles constructivamente con el resto de elementos y instalaciones, o sea de integridad. - Bajo criterios de confort. - Por cuestiones funcionales o estéticas, o sea de apariencia. Las limitaciones de deformaciones verticales, bajo criterios de “integridad”, para w act (w act = w2+w3), según los sistemas constructivos son: L/500 para pisos con tabiques frágiles o pavimentos rígidos sin juntas. L/400 para pisos con tabiques ordinarios o pavimentos rígidos con juntas. L/300 en el resto de los casos. Bajo criterios de “confort”: L/350 será el límite para w3 (instantánea de las variables) Bajo criterios de “apariencia”: L/300 será el límite para w max

( w max = w1+w2+w3-wc)

En caso de tratarse de voladizos estos límites se reducen a la mitad en relación al vuelo, o, lo que es equivalente, la luz L se tomará como dos veces el vuelo del voladizo. Estás condiciones deberán cumplirse en dos direcciones ortogonales de la planta. Limitaciones a desplazamientos HORIZONTALES: Se utilizará la combinación característica para comprobar la “integridad” y la combinación cuasipermanente para valorar la “apariencia”. Desplazamiento horizontal o desplome total u, sobre la altura total del edificio. Desplazamiento horizontal o desplome relativo ui, sobre la altura de su planta. Altura total del edificio H. Altura de una planta Hi. Bajo criterios de “integridad” los desplomes límite serán: H/500 de desplome total u en relación a la altura total H. Hi/250 de desplome local ui en relación a la altura de su planta Hi. Bajo criterios de “apariencia” el desplome relativo será: Hi/250 de desplome local ui en relación a la altura de su planta Hi. Estás condiciones deberán cumplirse en dos direcciones ortogonales de la planta.

50

51

52 3.7 Comprobaciones sobre la Estabilidad

El Pandeo Una pieza: con comportamiento elástico-lineal de directriz perfectamente recta sometida a compresión axial de sección circular ‡, o rectangular de enlaces biarticulados en sus extremos Pandea, si la solicitación axial supera la P crítica, y la consiguiente V critica, para la esbeltez mecánica O = Lef. / i, según: Pcrit = (S2 · Eo,k · I) / Lp2

V crit = (S2 · Eo,k) / Om2

Donde interviene el módulo de elasticidad longitudinal característico. Para la madera, que no tiene un comportamiento elástico-lineal en todas sus fases, ni es isótropa y puede tener defectos o singularidades, el método práctico consiste en reducir la capacidad de resistencia a compresión. Se establece un coeficiente “ Ȥ c ”, que es menor a 1, y que afecta la resistencia a compresión paralela por este factor, de modo que pueda considerarse que con la reducción de tensión, no se alcanzará la P crit. Se dispone de unas tablas de

Ȥ c , en función del tipo de material, de la Clase

Resistente y de la esbeltez mecánica O. La longitud eficaz de la pieza con posibilidades de pandeo depende de E, o coeficiente según las condiciones de restricción de los enlaces extremos de las barras. Los valores recomendados de E son mayores en general, que los teóricos, para así contemplar la dificultad de conseguir la rigidez deseada en los enlaces, y considerar su deformabilidad relativa. En todos los casos podemos utilizar la misma P crítica si variamos la longitud eficaz, según los diferentes casos de enlaces o restricciones, Lef = E x L real. Para casos especiales de piezas comprimidas en sistemas estructurales traslacionales o intraslacionales deberá buscarse la longitud de pandeo, a partir de la rigidez de los enlaces reales. También puede analizarse el pandeo mediante un cálculo iterativo, considerando la variación sucesiva de excentricidades del axial. Las esbeltezas mecánicas se obtienen dividiendo las longitudes eficaces a considerar por los radios de giro respectivos, ya que los enlaces y las inercias pueden ser diferentes en cada plano principal de la sección axialmente comprimida. El pandeo puede estar más restringido en el plano lateral que en el principal, o a la inversa, y la comprobación se efectuará para ambos.

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58 4.- COMPROBACIONES EN SITUACIÓN DE INCENDIO

4.1 La Situación de Incendio

4.1.1 La Combustión Es la combinación de los componentes de la madera: carbono e hidrógeno, con el oxígeno, produciendo anhídrido carbónico (no combustible) y agua. Es una reacción con desprendimiento de calor (exotérmica), produciéndose la combustión en dos fases que en parte coinciden en el tiempo: - Primero una pérdida de vapor de agua y gases, formándose carbón vegetal. - Segundo una combustión del carbón vegetal formado. Quema en presencia de oxígeno (son necesarios 4,6 m3 de aire para quemar 1 kg de madera a 0º y 700 mm de presión), manteniendo la temperatura entre 400 y 500 ºC. Proceso Combustión: 100ºC 300ºC

350ºC 500ºC 800ºC 1200ºC

CALENTAMIENTO + IGNICIÓN + CARBONIZACIÓN

Secado de la madera con desprendimiento vapor de agua. Destilación madera, desprendiendo gases. Se inflama a ésta temperatura superficial en presencia de llama. Sin élla a 400ºC Más gases, como el monóxido de carbono e hidrocarburos . “combustión viva exotérmica” Combustión de gases y del carbón vegetal Van agotándose los gases Se agota el carbón vegetal

Iniciada la combustión, el calor genera la pirolisis (descomposición con desprendimientos, fase endotérmica), apareciendo alquitranes, que originan humos y vapores. Queda un esqueleto de carbón poroso incandescente, que se consume sin llama (oxidación luminosa) hasta las cenizas.

4.1.2 Comportamiento del Material. Características del material, en relación al fuego y a la combustión: -La madera tiene una Baja reacción al fuego, pero una Alta estabilidad al fuego. La madera pierde al calentarse resistencia y rigidez, por lo que descienden los valores tensionales y el módulo de elasticidad. Sin embargo su capacidad de aislamiento térmico impide que la temperatura aumente en el interior de la pieza, por lo que este efecto de pérdida de resistencia es despreciable en la práctica, comparado con otros materiales.

59 -El calor específico del material es de 0,4 a 0,7 Kcal/kgºC, por lo que el coeficiente de conductividad térmica (Ȝ = 5 a 6 kcal/h mºC) es bajo, especialmente en la dirección perpendicular a las fibras, por ello es dificultoso que la combustión supere las capas exteriores. -La reacción al fuego M depende del espesor de la muestra. Por ejemplo en:

Frondosas al 12%H: si e”14mm se considera M4 el índice de inflamabilidad. e>14mm M3 Coníferas

e”18mm e>18mm

M4 M3

- La densidad es un parámetro importante. Así, las maderas ligeras, con mayor número de poros, arden más deprisa que las pesadas, al desprender más gases. Es por lo que la combustión depende de la “especie”.

-La humedad de la madera, además de afectar a la resistencia, también tiene su incidencia. A mayor cantidad de agua más tardará en evaporarla y permanecerá en los 100ºC, retrasando la combustión. Por ejemplo al 15% de equilibrio higroscópico ha de evaporar 150 kg de agua antes de iniciar la combustión, aunque no se considera esta influencia de manera específica en el cálculo.

En conclusión, en la madera la velocidad de avance de la combustión depende de varios factores, así como del posible tratamiento ignífugo, superficial o profundo, que haya podido tener. Aunque el sistema normativo de comprobación que comentaremos contempla algunos de ellos y predice una velocidad de avance casi constante, con pequeñas variaciones según los casos.

60 4.2 Bases Generales de Cálculo La combustibilidad de la madera depende de la relación entre superficie y volumen de la pieza. Los entrantes en las secciones o las aristas, que aumentan la superficie, reducen esta relación, siendo por ello los puntos más atacables de la sección. Del mismo modo que las fendas proporcionan mayor superficie expuesta de la madera. O la madera laminada carboniza a menor velocidad aparente al carecer de ellas. Pero en general puede hablarse de una velocidad de carbonización básica ßo aproximadamente constante, lo que permite establecer una relación lineal entre el tiempo de exposición al fuego y profundidad carbonizada. La profundidad de carbonización será: dchar= ß o * t Además se produce el redondeo de las aristas de la pieza. Los métodos de cálculo se basan en encontrar la sección que resta después del incendio y en su estado, para comprobar su viabilidad. Se realiza con un planteamiento similar al realizado para una situación normal, sin incendio, pero utilizando: - MAYORES RESISTENCIAS de CALCULO. - MENOR EFECTO de las ACCIONES. En el método de la “Sección Reducida (Eficaz)”, véase la tabla sobre la velocidad de carbonización nominal ßn (mm/minuto) en función de la densidad y de la especie de la madera. Este método simplificado considera las secciones con las aristas vivas, pero contempla una mayor reducción de la sección por el efecto del redondeo real de las aristas durante el incendio y por la menor resistencia de la madera caliente, junto a la pirolisis . El método de la “Resistencia y Rigidez reducida”, a partir de las ß y del estudio pormenorizado del redondeo, en función del tiempo y la consiguiente reducción de inercia permite afinar los resultados. En el Código Técnico de “Seguridad en caso de Incendio” y concretamente en el anejo “E” se describe el método de cálculo llamado de la “Sección Reducida” que es el que desarrollamos en estos apuntes, buscando la sección eficaz, después de sufrir el incendio.

61

62 Propiedades del Material en situación de Incendio

Valor de cálculo de la RESISTENCIA:

ff,d= Kmod f . kf . (fk /JM,f )

Kmod f Es el Kmod para incendio, considera los efectos de temperatura y humedad sobre la resistencia y la rigidez. Su valor es menor o igual a 1, según el sistema de cálculo empleado. kfi Coeficiente transformador del valor característico en un valor similar al percentil 20 a fuego: kfi = 1,25 para madera aserrada kfi = 1,15 para madera laminada Jm,f Coeficiente de seguridad en incendio de valor = 1. fk

Resistencia característica de la madera.

Valor de cálculo de los Módulos de ELASTICIDAD: Ef,d = Kmod f . kfi . (Ek / JM,f) para comprobación a vuelco y pandeo (E.L.U.) Ef,med = Kmod f . (Emed / JM,f) para verificar deformaciones (E.L.S.)

Combinatoria de Acciones en situación de incendio: Según el Código Técnico, en el apartado de Seguridad Estructural, las combinaciones de acciones considerando los coeficientes de simultaneidad son: 1 CP + (0,5 ó 0,7) SU 1 CP + 0,2 N (para nieve media o corta). 1 CP + 0,5 V (viento) 1 CP + (0,3 ó 0,6) SU + 0,2 N 1 CP + (0,3 ó 0,6) SU + 0,5 V Se tomará uno u otro factor corrector de la sobrecarga de uso SU, según se trate de viviendas y oficinas privadas o de comerciales y locales públicos, tratando así de predecir la intensidad de carga, coincidiendo con el incendio, para cada uno de los dos casos. Con nieve de larga duración habrá de tomarse el factor 0,6.

63

64 4.3 Sistema de Cálculo de la “Sección Reducida Eficaz” Se comprueba la denominada sección eficaz, sin considerar pérdida de la capacidad resistente del material por la temperatura. Se estima una carbonización mayor de la real, para cubrir esta simplificación en las resistencias y para evitar tener en cuenta el redondeo de las aristas de la escuadría por efecto de las llamas. Profundidad de carbonización eficaz:

def= dcar + ko * do

Siendo dcar la profundidad de carbonización (dcar= ßn x t). Con un valor fijo de do = 7mm, que es la profundidad de carbonización añadida para contemplar los descensos de resistencia en la zona inmediata a la carbonización y pirolisis. Se hace equivalente este efecto a una mayor reducción de la sección. Se considera que a los 25 mm de profundidad de la línea carbonizada, la temperatura ya se mantiene constante, así como las resistencias, por lo que se toma como mediana de la afectación un 30% de esta profundidad: 30% x 25 mm = 7 mm, como valor de sobrecarbonización do y de reducción de la sección. Siendo ko, factor corrector sobre “do” para los instantes iniciales del incendio, ya que una vez sobrepasados los 20 minutos, se estabiliza la onda de calor y por tanto las resistencias. Valor tabulado, en función del tipo de superficie de la pieza y del tiempo requerido de R. A partir de la sección inicial, a validar, pasamos a la sección residual para apurar hasta la sección “eficaz”, donde no se consideran modificaciones de las propiedades mecánicas.

Conclusión Para las estructuras vistas, sin revestimiento de protección, el conseguir una estabilidad al fuego no presenta grandes problemas si se trata de las escuadrías comprobadas para las hipótesis en situación normal, principalmente si se han diseñado previamente pensando en que no tengan unos anchos demasiado apurados. Por ello los peores comportamientos se presentan en las pequeñas piezas de sección reducida, donde es difícil sobrepasar la R de 15-20 minutos sin protecciones adicionales. En general puede cumplirse con cierta facilidad una R de 30 minutos para la estructura principal, y es a partir de la R-60 donde suele ser necesario un incremento de sección, que contemple la posterior reducción por incendio.

65 Por ello, de un modo orientativo, como anchos mínimos previos a la comprobación, pueden tomarse: Para luces medias-grandes, de madera laminada: en estructura principal >= 12 y en estructura secundaria >= 10 cm Para luces menores, de madera aserrada: en estructura secundaria >= 10 cm En las escuadrias adosadas, no se consideraran expuestas las caras en contacto, si la separación entre adosadas es de hasta 1 mm No se considerará la acción del fuego en la cara de la sección en contacto con el panel del techo o de la cubierta, por su efecto protector. Sin embargo estos elementos, considerados de cerramiento de cubierta, no pueden mantener la misma R que la estructura, debido a su pequeño espesor y por que sufren una rápida carbonización en las juntas entre paneles. Esta es una de las razones que dificultan su uso combinado como elemento de arriostramiento de la estructura. En general toda estructura de trabazón puede considerarse que, después del incendio, sigue cumpliendo con su misión si mantiene un 60% de su capacidad portante. No se efectuaran, en general, comprobaciones de deformación de las estructuras, bajo situación de incendio, sino forman parte de un elemento parallamas o separador de sectores de incendio. En este caso la comprobación se hará para una hipótesis combinada de servicio E.L.S., que simule las intensidades de las cargas en la situación de incendio, y que se hará coincidir con las de la comprobación última a fuego E.L.U., al ser las J menores a 1.

4.4 Comprobación de las Uniones

Basándose en el DB-SI y para R<=60 minutos, comprobaremos las uniones en situación de incendio, ya que son el punto débil en las estructuras bajo la acción del fuego. Las uniones, calculadas exclusivamente para la situación de cargas normal, diseñadas con sólo piezas laterales de madera, o con placa metálica central entre maderas, o con placas de acero al exterior y no protegidas, llegan a una R de 15 a 20 minutos (tfi,d), según el tipo de unión, pues son 20 minutos para los pasadores. Para mejorar este comportamiento hasta R de 30-60 se precisará:

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Incrementar los espesores de las piezas laterales y las distancias a testa y borde de los medios de unión y la longitud - anchura de los laterales.

Este aumento de las distancias a la testa y a los bordes en la medida de afi mm. se calcula para afi = ßn . k flux (treq - tfi,d) Para treq el tiempo de R requerido en minutos, ßn la velocidad de carbonización eficaz, y k flux igual a 1,5, como flujo de ca lor a travé s del elemento. Por ejemplo para una EF-60

a fi = 0.8 · 1,5(60 –15) = 54 mm de incremento

En caso de protecciones por capas de tableros con una estabilidad al fuego de la protección: tch• treq – 0,5 tfi,d Siendo tch el tiempo en el que se inicia la carbonización, y equivaliendo al cociente entre el grueso de los tableros y la velocidad de carbonización bá sica. Ha de evitarse el fallo prematuro del modo de unión, situando las fijaciones a la distancia afi del borde y a distancias entre sí de 100 mm. en los bordes y de 300 mm. en el interior. La penetración de las fijaciones en la protección adicional ha de ser mayor de 6 diá metros. Los gruesos de los parches y tapones sobre las fijaciones se determinará n como afi . Las placas de espesor < 3 mm pueden protegerse mediante retranqueos dg, o filetes encolados de espesor dg, o paneles fijados de grueso h p: > 20 mm. dg dg > 60 mm. dg - hp > 10 mm. dg - hp > 30 mm.

R-30 R-60 R-30 R-60

En caso de placas exteriores de acero sin protección se comprobaran como el acero bajo incendio, considerando la cara del acero en contacto con la madera como no expuesta. Si se protegen con tableros, su grueso afi , será : para tfi,d de 5 minutos afi = ßn . k flux (treq - tfi,d) Por ejemplo utilizando una protección de contrachapado y para una EF-60 afi = 1 · 1,5(60 –5) = 82,5 mm de grueso. Para uniones con piezas laterales de madera (espesor t1•45 mm) y sin protección. Con la misma fórmula y para tfi,d de 15 minutos, vemos un ejemplo de protección con madera: afi = 0,8 · 1,5(60 –15) = 54 mm de grueso. Consultar otras fichas en la documentación facilitada.

67 Criterios generales de diseño y constructivos de los enlaces en situación de incendio:

Como hemos visto, para las pletinas vistas, sus espesores son determinantes para conseguir estabilidades al fuego, así para los elementos principales los enlaces orientativamente han de confeccionarse con gruesos de 6 a 8 mm y para los elementos secundarios de 3 a 4 mm. Las dimensiones mínimas en planta de la pletina también tiene su incidencia, así oscilará de 200 a 280 mm para una R-30 o R-60, respectivamente. Es un buen recurso clavetear los herrajes a la madera para evitar el pandeo de las placas. (1 clavo cada 12x12 cm). Con los herrajes vistos y adosados se produce el efecto “plancha” sobre la madera, que la calienta y inicia la combustión, pero la falta de oxígeno la detiene y acaba exponiéndose el acero y protegiendo a la madera. Para los herrajes embutidos en el interior de la madera, la mejora de comportamiento es completa si quedan totalmente ocultos, para no captar calor exterior y conducirlo hasta el corazón de la escuadría de madera, donde también se produciria un inicial sobrecalentamiento interno. En cuanto a las fijaciones puede actuarse reduciendo el valor de trabajo de cada medio de unión, aumentando su número o colocándolos de mayor capacidad, o sea sobredimensionando la unión. Así en los tirafondos sometidos a carga axial y protegidos de la exposición al fuego, se obtiene su capacidad de carga multiplicando la normal por un coeficiente reductor o factor de conversión Ș conn en función de las distancias a los bordes d1 y del tiempo requerido tfi,d de estabilidad al fuego.

68 4.5

Ignifugación

La práctica habitual en el sector de la madera estructural no es tratar la madera con métodos de ignifugación. No hay tradición en este sentido y se opta por el redimensionado bajo la situación de incendio, tal como hemos visto. Ignifando la madera se busca influir sobre el inicio de la combustión, retardándola. Si se mejora su reacción al fuego, se baja su índice de inflamabilidad y combustibilidad o reacción M, y como consecuencia se aumenta su resistencia y estabilidad al fuego R. Se utilizan tratamientos químicos o protecciones que actúan como “pantalla”. Son productos de fuertes características, ya que son precisas altas retenciones de producto para esta misión. Son, en general, compuestos hidrosolubles del tipo: - Cloruro de cinc cromado. -”Pyresote” (cloruro cinc, sulfato amónico, ácido bórico, principalmente) -”Minalith” (sulfato amónico y ácido bórico, principalmente) Oscilando de 25 a 95 Kg de retención de producto ignífugo necesaria, por m3 de madera. - Modo de Actuación: Estos productos están pensados para conseguir su objetivo, en base a: Aumento de la humedad de la madera, al ser higroscópicos, produciendo una elevación de la temperatura de descomposición de la madera (como los silicatos alcalinos). Aumento del carbón vegetal y disminuyendo los gases combustibles y la incandescencia del carbón (como los fosfatos). Desprendimiento de gases NO combustibles propios de los materiales de protección y de la propia madera, retrasando la propagación. En algún caso, los gases no combustibles pueden ser tóxicos. Formación de barreras frente al aire. Al fundirse a temperaturas menores a la combustión de la madera, rellenan sus poros taponando la entrada de aire y la evacuación de gases combustibles (productos como el bórax). Al mismo grupo pertenecen los productos intumescentes, que forman espumas estables como barrera (productos del tipo urea, caseína y los fosfatos amónicos) Inhibición química. Formando combinaciones químicas, en la reacción en cadena de la combustión, más inertes y menos reactivas. (son del tipo halógenos como el flúor, cloro, boro, yodo). Como contrapartida pueden originar gases tóxicos que hay que contrarrestar con la adición de otros productos.

69 4.5.1 Métodos de ignifugación

La madera se elige en función de sus características resistentes o aparentes, por lo que su facilidad de ser impregnada es un valor añadido no determinante, en el momento de su elección, por lo que en ocasiones puede haber dificultades para conseguirlo. Hay varios métodos de aplicación, aunque no se contempla en los cálculos de carbonización para establecer la R, puede llegarse a un M2, o incluso a un M1, con un tratamiento en masa de la madera.

- Ignifugación profunda Por inyección a presión, sistema Bethell o de célula llena, eliminando el aire previamente por vacío en autoclave, consiguiendo altas penetraciones y retenciones. Es eficaz si penetra un mínimo de 1 cm en el duramen. También puede hacerse por simple inmersión, con reposo posterior para favorecer la dispersión. Se facilita el proceso si se produce en caliente, a temperatura entre 60º - 90º C. Es necesario el secado posterior, mejor al aire. En esta operación de secado puede producirse una cierta migración de los ignífugos.

- Ignifugación superficial Más económica y con la doble misión de ignifugar y tratar la madera como acabado, en forma de pintura o barniz. Son los mismos productos, con mayor concentración (1 kg/m2) para aumentar la resistencia con una sola capa. Si son pinturas o barnices del tipo “intumescente”, precisan menores concentraciones (250 gr/m2) y forman con el calor un capa espumosa que impide la entrada de calor y la salida de gases. (Silicato sódico o fosfato amónico + resinas termoendurecibles, como epoxis o siliconas) La ignifugación superficial se ha de renovar periódicamente para mantener la eficacia. Hay empresas especializadas que aseguran una R-90, con un tratamiento superficial.

- Recomendaciones Genéricas para las piezas ignifugadas Es recomendable usar sales no higroscópicas, para evitar que capten la humedad ambiente, dañando la madera. No es recomendable la utilización exterior de las piezas tratadas, pues la lluvia irá lavando la protección, ya que en general, son sales del tipo hidrosolubles.

70 No es posible un cepillado enérgico de las piezas tratadas superficialmente, pues disminuye el grueso protegido. En la madera laminada encolada, el tratamiento ignífugo previo puede afectar a la calidad del encolado. A su vez, un tratamiento posterior, puede dificultar la penetración de la solución acuosa del ignífugo, por la resistencia al producto de las capas de cola. - Recubrimientos Ignífugos Además de estos tratamiento descritos sobre el propio material, existen los sistemas tradicionales de Recubrimientos ignífugos, a base de materiales aislantes o difícilmente combustibles, que son útiles para especies poco absorbentes, como el abeto o el cedro, o sobre estructuras con fuertes requerimientos de EF y que no deban cumplir con consideraciones estéticas. Recubrimientos de capas aplicadas o de placas rígidas de: Yeso + tela metálica (al ser mal conductor y evacuar agua) Placas amianto, fibrocemento, lana vidrio Vermiculita Tableros de fibras (con adhesivo tratado) Tableros de partículas (mezcladas con ignífugos) Cartón – yeso, o yeso con fibras. Resistencias al Fuego, por especies.MUY ELEVADA

Eucaliptus Laurel Teca

ELEVADA

Haya Castaño Pino Oregón Roble Arce

MEDIANA

Abedul Ciprés Cedro Olmo

BAJA

Cerezo Abeto blanco Pino silvestre Abeto rojo

MUY BAJA

Chopo Sauce Tilo

71 COMPROBACIÓN AL FUEGO PARA UNA EF-60 PORTICO: 18,5 x 170 GL-24h q variables = 50 kg/m2 2 M+ = 6·0,05 x 28 8 = 29,4 m·T

q permanentes = 50 kg/m2 M+ = 29,4 m·T

Hipótesis II a fuego 1 C.P. + 0,2 N. 29,4 + (0,2 · 29,4) = 35,28 m·T. * ȕn = 0,7 mm/min. velocidad carbonización. eficaz. (ȕn > ȕo)

(Tablas para madera L.E) ȡ k t 290 Kg/m3

d car = ǃn × t'= 0,7 × 60'= 42 mm.

profundidad

d ef = d car  K o ˜ d o

* prof. eficaz

42  1 ˜ 7mm

49 mm.

* 3 caras expuestas b’ = 18,5 – 4,9 – 4,9 = 8,7 cm. 8,7 x 165,1 h’ = 170 – 4,9 = 165,1 cm. 8,7 u 165,13 3.262.715 cm3 * Inercia sección reducida 12 2I modulo resist. reducido 39524 cm2. h

ı y fuego f fd

35,28 u 10 5 39524 K mod,f ˜ K f ˜

fk Ȗm ˜ f

89,26 Kg/cm2 << 276

1˜ 1,15 ˜

240 1

Correcto

276 Kg/cm2

* Comprobación a vuelco (Considerando el sistema de traba general) l ef Ce

ȕv ˜ l r 7˜

1˜ 7

1,651 0,087 2

7 m. 39 Tablas C e = 39 K crit = 0,1923

GL-24 f f,d = 276 Kg/cm2 f f,d con vuelco x 0,1923 = 53,1 Kg/cm2

<

89,26 calculada

72

* No cumple para una EF-60 Opciones: *Aumentar sección (b > 18,5 cm.) *Aumentar traba (lef < 7m.) *Reducir R (R < 60 ) Ya que la carga permanente de esta cubierta es menor de 100 Kg/m2, y se puede considerar R-30.

Tomamos la decisión de rediseñar la traba, implicando todas las correas (c/350 cm.) de forma que reduzca mucho la esbeltez. l ef

ȕv ˜ lr

1 ˜ 3,5

3,5 m C e

3,5 ˜

1,651 0,087 2

f f,d = 276 Kg/cm2 f f,d con vuelco = 276 x 0.4 = 110 Kg/cm2

27,63

Tablas K crit = 0,4

>> 89,26 calculada Correcto

No se comprueba la deformación al fuego en situación de incendio. Solo debe hacerse en el caso que la pieza forme parte de un elemento separador de sectores de incendio.

73 5.- TIPOS ESTRUCTURALES EN CUBIERTAS 5.1 Introducción 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: x x x x x x x x x

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. Láminas cilíndricas.

En el caso del tipo basado en la división en estructuras principales y secundarias, la relación más económica entre las luces es de 4.5 x 1, lo que ocasiona importantes luces de correas, para agotar la capacidad del material. El peso propio conjunto, para ambas estructuras de cubierta que cumplan dicha relación, puede predimensionarse como una repercusión de kg/m2, para el caso de vigas biapoyadas y de canto constante, aproximadamente igual a: 1 /120 (L principal + L secundaria) x Q aplicada / m2 De un modo orientativo, la comprobación resistente de las piezas con un trabajo predominantemente a flexión, puede iniciarse por la flecha en caso que la relación entre el canto y la luz sea mayor a 1:16; o por las tensiones normales V de flexión, en caso que la relación esté comprendida entre 1:10 y 1:16; o por los cortantes, en caso que la relación sea menor a 1:10. De este modo la aproximación al resultado final es más rápida y convergente. En las estructuras de madera no suele ser necesario la disposición de juntas de dilatación, para longitudes menores a los 200 m, ya que los efectos de un aumento de temperatura producen, junto a una mínima dilatación térmica, una contracción semejante, por reducción de la tasa de humedad higroscópica.

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79 5.2 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 incidéncia. 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.

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5.3 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 flexocompresión, 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. 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.

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5.4 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 deformación 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.

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5.5 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.

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5.6 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. Algunas de estas soluciones para rigidizar un enlace, tienen limitaciones geométricas. Por ejemplo en la curvatura de las lamas, que ha de tener un radio de alrededor de 200 veces el grueso de la lama, para evitar excesivas tensiones inducidas en las lamas, por la propia flexión de fabricación. O en la corona de pernos, donde las deformaciones higrotérmicas de la madera en el sentido transversal, impiden diseñar coronas de 0,80 a un metro de diámetro aproximadamente. 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.

84 5.7 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 Omec.=120. Para la elección entre bi o tri-articulación, volveremos a decidir de acuerdo con las mismas posibilidades enunciadas en el apartado anterior, referidas a los pórticos. En presencia de momentos flectores y curvas, volveremos a comprobar las tensiones de tracción perpendiculares a las fibras.

85 5.8 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 varian 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 hiperestàtica, 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. Estas redes también pueden solucionarse como cruces de celosías espaciales de barras, con nudos prefabricados metálicos aptos para recibir barras en cualquier ángulo y transmitir esfuerzos entre ellos. 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.

86 5.9 Laminas 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.

87 5.10 Laminas Cilíndricas Es otra tipo estructural que intenta aprovechar los recursos de las estructuras espaciales, con un claro “comportamiento de membrana”, minimizando las acciones flectoras y tratando de distribuir las tensiones lo más uniforme posible por toda la sección. Pueden llegar a los 35 m de luz. En este caso están formadas por escuadrias longitudinales rectas y continuas, trabadas con piezas transversales cortas y siguiendo la curva. A este entramado de madera aserrada o laminada encolada, según la luz y curvatura, se le clavan dos capas de tableros contrachapados a rompejuntas. Son importantes las uniones de continuidad de las piezas longitudinales y también de las transversales en ambos testeros, ya que los tímpanos han de ser rígidos. Los empujes laterales, de una o varias láminas agrupadas, han de equilibrarse, sin perder las condiciones de borde para que sigan funcionando como membranas. De forma simplificada, da resultados aceptables la doble comprobación: como “vigas” longitudinales, apoyadas en los tímpanos, y como “arcos” transversales empotrados elásticamente en los arranques longitudinales de la superficie cilíndrica. Las proporciones adecuadas en sección, son fundamentales para que el conjunto trabaje como esperamos. La relación entre la luz longitudinal que salva y el radio de curvatura acostumbra a estar alrededor del factor 2,5. La anchura de cada módulo de lámina puede tomarse cómo 1/5 de la luz.

88 5.11 Sistemas de Estabilidad General Además de las comprobaciones de resistencia y de rigidez, con consideraciones de estabilidad local de las piezas, también hemos de prever los criterios de estabilidad general del conjunto. Los tipos estructurales de gran luz acostumbran a ser exteriormente isotáticos. Estos vínculos y su propia rigidez han de asegurar una deformación admisible en el propio plano, en general el de las cargas gravitatorias, pero también en cualquier otro plano susceptible de deformarse, por acciones horizontales como el viento o el sismo, o por la excentricidad de una carga gravitatoria, por ejemplo. El análisis puede hacerse por partes: Transversalmente, en la dirección de la estructura principal, a partir de sus enlaces. Longitudinalmente, a partir de sistema de arriostramiento añadido. Globalmente, pueden considerarse las dos estabilizaciones a la vez, en el caso de estructuras con simetría cerrada de forma. Según las características de los mecanismos de rigidización los podemos agrupar en: Planos de Barras Trianguladas, que son geométricamente indeformables, formados por algunas de las piezas de la estructura principal, las correas secundarias y nuevas diagonales traccionadas o comprimidas, según sea el sentido de las fuerzas a estabilizar. Planos Continuos muy rígidos, indeformables por la continuidad del material en el propio plano, formando “diafragmas”. Como, por ejemplo: los tableros contrachapados o de OSB, o las latas clavadas adaptándose a la forma, aunque con menor eficacia. Planos de Barras Rígidas, indeformables por la rigidez de sus enlaces, formados por las mismas piezas del caso anterior, pero sin las diagonales que triangulan. La dificultad de conseguir nudos rígidos con madera, hace que sea poco usual éste sistema. Según su situación en la estructura, las podemos clasificar en : Arriostramiento en el “Plano de Cubierta”, que pueden localizarse en ambos extremos y además en los dos laterales de la planta. O extenderse a lo largo de toda la cubierta, con intensidades variables a lo largo de su superficie. Arriostramiento Vertical, que pueden localizarse en los laterales y además en los testeros, o longitudinalmente en el interior, para evitar el vuelco y mantener

89 la vertical de la estructura principal. Los testeros pueden ser macizos y estabilizar el conjunto. Todo lo anteriormente relacionado produce el efecto deseado de estabilizar el conjunto, si existe posibilidad de continuidad del plano de cubierta. El arriostramiento en el plano superior de cubierta colabora en el soporte de parte de los esfuerzos en cubierta, producidos por la presión y succión del viento. Se diagonalizan los dos tramos extremos para evitar que las correas del resto de tramos centrales queden sometidas a compresión. Previendo los dos posibles sentidos del viento, las diagonales también son dobles, en X. Si se resuelven con elementos metálicos muy esbeltos, pueden considerarse en cada caso solamente los sometidos a tracción, despreciando las comprimidas. Si son de madera pueden disponerse diagonales en V, por su capacidad a compresión con pandeo, al ser menos esbeltas. En las correas de estos tramos extremos, han de considerarse los efectos del pandeo, ya que algunas están comprimidas, al actuar como montantes de estas celosias extremas que se han organizado en el plano de cubierta. Para completar el sistema, será importante transportar sus reacciones en cabeza de pilares, hasta el plano del suelo. En general se hará a través de la diagonalización de unos tramos verticales. En el caso de longitudes en planta de más de 50 o 60 m, entre los tramos extremos diagonalizados, será necesario disponer otros de centrales, que divida en más sectores la cubierta. Acompañando a los sistemas de traba de ambos extremos, pueden disponerse arriostramientos laterales en cubierta, a lo largo de las fachadas longitudinales. Recogerán los esfuerzos que llegan sobre los soportes centrales, rozando las fachadas, y que podrían descuadrar los tramos de correas intermedias. Serán más necesarios, cuanto mayor sea la longitud de dichas fachadas. Los sistemas de arriostramiento completos, de toda la cubierta, acostumbran a implicar mayor número de soportes perimetrales en la estabilización y van dibujando en el plano de cubierta una planta de canto variable o parabólica, con diagonales de “igual resistencia”.

La trabazón vertical de las propias fachadas longitudinales, actúa conjuntamente con la necesidad de diagonalizar, o alternativamente rigidizar los nudos, de un tramo vertical en cada fachada, para recoger las reacciones de las celosías de cubierta. Esta traba también puede lograrse mediante el macizado de alguno de los tramos, de modo que pueda considerarse la formación interna de una biela de compresión que transmita las reacciones al suelo.

90 Las trabas verticales interiores, son necesarias para evitar el giro transversal y el posible vuelco de soluciones aligeradas y esbeltas de celosías de poca rigidez lateral. Ello se puede producir aunque tengan los extremos sujetos y formen parte del sistema general, entre las dos tramos de traba extremos. Para luces superiores a los 25 m se disponen, en zonas centrales, diagonales verticales perpendiculares a las celosias. No se colocaran cordones inferiores para evitar que la estructura, al entrar en carga, actúe indiscriminada y bidireccionalmente, pues es preferible separar el sistema resistente del de arriostramiento. Arriostramientos en diferentes planos. Es el que ha de formarse cuando la forma de la cubierta no permite la formación de un plano continuo a nivel de los cordones superiores, en general de los comprimidos. Esta es la situación que se presenta en las cubiertas en “diente de sierra”, por ejemplo, donde es necesario arriostrar cada vertiente con independencia de las demás. También en las cubiertas resueltas en cuelgue del cordón traccionado, quedando el cordón superior comprimido, libre y sin arriostramiento, por lo que habrá de considerarse esta circunstancia en su diseño y cálculo.

La consideración de los Diafragmas de Cubierta, trata de movilizar el tablero de la cubierta y las correas de soporte, así como algunos elementos de la estructura principal, como si constituyeran una viga de gran canto, frente a las fuerzas horizontales de viento o de cualquier inestabilidad lateral, para mantener estable el conjunto. Los tableros a utilizar han de tener capacidad resistente, del tipo de virutas orientadas OSB 3 o 4, o mejor contrachapado. Se dispondrán al tresbolillo, perpendiculares a las correas o a la estructura principal, y densamente clavados. Se utilizarán clavos corrugados o tornillos, colocados cada 15 cm en los extremos y cada 30 cm en los apoyos centrales, empotrados 8 diámetros. En caso de que se produzcan juntas entre tableros fuera de un apoyo, se reforzará la unión con un cubrejuntas clavado o machihembrando y encolando la junta, ya que el colapso del diafragma suele producirse por los medios de unión, antes que por los propios tableros. Geométricamente se fija el canto eficaz “b” del diafragma entre 1/6 y ½ de la luz de la estructura principal a estabilizar. En las piezas de borde largo, se producirán axiales de compresión y tracción, equivalentes al momento flector producido por las fuerzas horizontales dividido por el canto “b” del diafragma, que pueden absorberse por zonas de la propia estructura principal o mejor por piezas independientes, especialmente para este fin. El cortante habrá de absorberse por el área lateral, del borde corto, formada por el espesor del tablero y el canto eficaz “b”.

91 Sistemas de estabilización “general” y la estabilidad “local”: Su relación. Dado la viga isostática de L = 28 m, situada cada 6 m, de sección de 18,5 x 170 cm, con madera laminada encolada GL-24h, y para un estado de cargas como sigue: Peso própio estruc. 30 kg/m2 Material cobertura 15 Sob. Mant.+ nieve 50 Instalaciones 5 ________________________ Total 100 kg/m2 = Q/m2 Comprobar la tensión de flexión y evaluar la necesidad de una estructura de trabazón y sus diferentes posibilidades. Q/m = 0,1 T/m2 x 6m = 0,6 T/m2 M+ total = (0,6 x 28 ) / 8 = 58,80 m·T Consideración del vuelco: Para calcular la Lef. tomamos Ev = 0,95, según las tablas, para una carga uniformemente distribuida. Lef.= 28 m x 0,95 = 26,6 m . La esbeltez geométrica será: Ce =

Lef × h / b = 26,6 × 1,70 / 0,185 = 36,65

En las tablas, del método simplificado a vuelco, en función del tipo de material y esta esbeltez, encontramos el valor del coeficiente Kcrit., que reduce la tensión. Kcrit = 0,2335, que al ser menor a 1 minorará la tensión comparativa: Fm,y,d = 0.8 x 240/1,25 = 153,6 kp/cm2 Considerando un Kmod de 0,8, al comprobar una Combinada II, con nieve de media duración. Fm,y,d, con vuelco = 153,6 x 0,2335 = 35,86 kp/cm2 de tensión comparativa. Veamos, para esta Comb. II de esfuerzos con JF de 1,35 x 50 kp/m2 y 1,5 x 50 kp/m2, ó lo que es lo mismo un JF promedio de 1,425, cual es la tensión obtenida, siendo 89.108 cm3 , el módulo resistente W de la sección respecto al eje y: Wy = 2 Iy / h = bh2 / 6 V m,y,d = (58,8 x 1,425 x 10 ) / 89.108 = 94,03 kp/cm2 ! 34,48 kp/cm2

Como vemos, superamos ampliamente la tensión comparativa, por lo que deberemos considerar una disposición constructiva, que evite una

92 Lef. = 26,6 m, mediante la implicación de la estructura secundaria de correas, como elementos estabilizadores frente al vuelco lateral de la viga flexionada. Según la planta adjunta, disponemos de 9 vigas, asociadas y ligadas a dos sistemas estabilizadores extremos. La estructura secundaria está formada también por 9 correas, cada 3,5 m Los dos vanos extremos, se triangulan cada dos correas, como sistema de trabazón general, de modo que pueden considerarse como fijos puntos, cada 7 m, que actúan como apoyos elásticos laterales para la viga.

En esta nueva situación: Lef.= Ev · L = 1 x 7 = 7 m Ce =

7 × 1,70 / 0,1852 = 18,65

Según tablas: Kcrit = 0,75 Por lo que la tensión comparativa, con la consideración de vuelco, será: F m,y,d = 0,8 x 0,75 x 240/1,25 = 115,20 kp/cm2 Recordemos que Vm,y,d = 94,03 kp/cm2, por lo que el índice es correcto: i = 94,03 / 115,2 = 0,816  1

93 6.- PATOLOGÍAS, DIAGNOSIS Y CONSOLIDACIÓN ESTRUCTURAL

6.1 Durabilidad y Clases de Riesgo La durabilidad de la madera es elevada en condiciones ambientales que le sean soportables. En relación con otros materiales tienen un buen comportamiento, sin embargo, en condiciones que le sean adversas sufre un rápido deterioro. En general, puede decirse que una mala respuesta del material está relacionada con el aumento del grado de humedad y sus ciclos húmedo - seco. La durabilidad es variable según la especie; por ejemplo la encina , el roble y el haya son durables. También puede influir el momento del talado y el modo de secado, o si se trata de una escuadría del duramen o de la albura. Se utiliza el sistema de clasificación de riesgo biológico, según la situación de la madera en servicio, denominado de las “clases de riesgo”, basado en las normas europeas. La asignación a estas clases, se hace en función del diseño constructivo. Los aleros, las protecciones, su elevación respecto del suelo, las ventilaciones, etc... para evitar exposiciones, contactos, condensaciones, etc... Son medidas pasivas que pueden incidir en la consideración de una u otra clase de riesgo.

CLASE RIESGO 1: Pieza de madera protegida bajo cubierta, con contenido de humedad higroscópica en servicio inferior al 20%. Con este porcentaje no existe riego de ataque de hongos. Puede ser atacada por insectos. Como ejemplo: las estructuras vistas de polideportivos. CLASE RIESGO 2: Pieza protegida pero que puede alcanzar una humedad higroscópica superior al 20% en algún momento. En este caso aumenta el riesgo de ataque de hongos. Suelen clasificarse así elementos de cubierta ocultos o cercanos a desagües, o en ambiente de piscinas cubiertas. CLASE RIESGO 3: Se da en piezas a la intemperie y no protegidas con un porcentaje de humedad mayor del 20 %, aunque sin contacto directo con el suelo. Tienen riesgo de ataques más acentuados. Son piezas exteriores como pasarelas, pérgolas, etc...

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96 CLASE RIESGO 4 : La pieza toma contacto con el suelo o con agua dulce, superando siempre el 20% de contenido de humedad. El riesgo de ataques y podredumbres es alto. Son postes hincados en el suelo, etc. CLASE RIESGO 5: Si el contacto es con agua salada. Adquiere, además, el riesgo de ser atacado por los organismos xilófagos de mar, moluscos y crustáceos.

6.2 Agentes Destructores Bióticos y Abióticos Relacionemos, a continuación, los agentes que pueden atacar la madera para poder detectarlos con mayor facilidad. Pueden ser de origen biótico (hongos e insectos) y abiótico (radiación solar, fuego y lluvia); por ejemplo: la madera sufre fotodegradación debido a los rayos ultravioletas, que la decoloran al degradar la lignina. Hongos cromógenos: Estos hongos se alimentan de las substancias de reserva de la madera sin afectar a su estructura. Para que éstos entren en acción el contenido de humedad en la madera ha de ser superior al 20 %. No producen una reducción significativa de la resistencia estructural de la madera, pero si que producen cambios de coloración, tomando la madera tonos agrisados y azulados. Hongos de pudrición: Se alimentan de la celulosa o de la lignina, por lo que se denominan xilófagos. Para que entren en acción es necesario un contenido de humedad por encima del 20%. Destruyen la estructura de la madera y reducen de forma importante su resistencia. -Pudrición parda o cúbica: Es la más común, destruye la celulosa blanca y deja la lignina de color terroso, que se convierte al presionarla en polvo. Transforma la madera en tonos marrón oscuro y la cuartea cúbicamente. -Pudrición blanca o fibrosa: Se alimenta de la lignina y no ataca fuertemente la celulosa. La madera se vuelve blanquecina y fibrosa, desmembrándose. -Pudrición blanda o esponjosa: Ataca la celulosa. Afectando a maderas con un alto porcentaje de humedad, estas maderas se ablandan. Suele atacar a piezas en contacto con el suelo. Estas pudriciones, suelen producirse en piezas apoyadas en muros o pilares embebidos, con exceso de humedad, producida por escapes o retenciones de

97 agua, o por capilaridad. Puede mejorarse el comportamiento de la madera aumentando su ventilación.

Insectos de ciclo larvario: Son insectos coleópteros, que producen daños en la madera en su fase de larvaria. Se alimentan de la madera, creando las larvas galerías paralelas a las fibras, y realizando orificios de salida, tras su periodo de pupación, en el que se transforman en insectos adultos. El proceso puede repetirse varias generaciones, en algunas especies sin tanta dependencia de la humedad, a diferencia de los hongos, de la que son más dependientes.

- Polilla (Lictidos): Ataca a maderas de frondosas. Hacen orificios de salida circulares de diámetro entre 1 y 2 mm. y excavan galerías, produciendo un serrín muy fino, tipo talco. - Carcoma (Anobidos): Ataca tanto a maderas de frondosas como de coníferas. Se inicia en zonas húmedas y oscuras, a veces con pudriciones previas. En su fase larvaria precisa un 60% de humedad en el aire. Los orificios de salida son circulares y de diámetro entre 2 y 3 mm. Se detecta su presencia por el serrín compacto que evacuan al exterior. Su ciclo de vida es de 3 años. - Carcoma grande (Cerambícidos): Ataca la albura de las maderas de coníferas, y a la albura de alguna frondosa. Los orificios de salida son ovalados y con unos 7 mm de diámetro mayor. La superficie presenta algún abultamiento, ocultando galerías muy estriadas, llenas de un serrín muy compacto, con una alta afectación diaria. Tienen un ciclo de vida de 7 a 10 años.

Insectos de tipo social.-

Termita subterránea: Tienen su nido en la tierra y ascienden hasta la madera, por galerías protegidas de la luz y confeccionadas con material terroso amasado con sus secreciones. Generalmente atacan zonas húmedas y calientes, de madera de conífera y frondosa, preferentemente de la albura o, con pudrición previa, también del duramen. Se pueden apreciar, en algunos casos, las “chimeneas” o conductos de circulación sobre los muros, pero no existen orificios de salida en la madera. El serrín está oculto y es sucio y apelmazado con tierra.

98 6.3 Detección e Inspección de Lesiones Se tratará normalmente de peritar el posible estado de ruina de una construcción, evaluando el riesgo, justificar un apuntalamiento, o incluso la evacuación de un edificio. Otros tipo de inspecciones rutinarias de mantenimiento o motivadas por un cambio de uso de la estructura, que provoquen su refuerzo, pueden basarse en criterios y operaciones similares, aunque no se evalúan aquí. Acompañando a la inspección visual se emplearán herramientas sencillas (martillos, espátulas, destornilladores, punzones), para determinar la profundidad del ataque. Se rascará la superficie, extraerán muestras para su identificación, y se datará su humedad mediante un higrómetro. Ha de poder accederse con facilidad, extrayendo los falsos techos, e iluminar los lugares a inspeccionar. Tocar la madera, para conocer la consistencia, y el modo en que se produce la rotura superficial de fibras. Oler, por si podemos localizar podredumbres y los focos húmedos. Observar manchas, desprendimientos de pintura, oxidación de metales. Se evaluará la resistencia y el sonido al realizar percusiones y punzonamientos con las herramientas. Controlándose las virutas por medio de los taladros y las muestras profundas de unos 5 mm de I. Pondremos atención a las singularidades o defectos, como los grandes nudos y las fendas acentuadas, pudiendo explorarse su profundidad y trayectoria, introduciendo elementos de acero finos y flexibles, (galgas). Como hemos mencionado buscaremos la continuidad de los caminos de acceso o los “conductos” de termitas a la vista.

La inspección de la construcción ha de empezar por las zonas de mayor riesgo, donde es probable encontrar mayores daños de origen biótico, y ha de abarcar del orden de un 20% del total de las unidades, concentradas mayoritariamente en estas zonas: - Zonas próximas a fuentes de humedad y/o poco ventiladas. - Piezas cercanas al suelo (arranque de pilares, vigas de forjados en planta baja...) donde existe el riesgo de pudrición por humedad de capilaridad. - Apoyo de piezas de madera en muros exteriores de fachadas y patios (viguetas de forjado, pares y tirantes de cerchas...)

99 - Piezas con apoyos orientados a “Norte”, o próximos a canales, cornisas, balcones, salientes horizontales que puedan retener el agua. En estos casos, al existir fuentes de humedad, el principal riesgo es por pudrición y por termitas. -

Zonas cercanas al paso de instalaciones de fontanería. Frecuentemente existen soluciones defectuosas de saneamiento y ventilación, permitiendo la aparición de condensaciones o fugas de agua que empapan muros y forjados. Dichas humedades permiten la aparición de hongos de pudrición pudiendo, a la vez, favorecer el avance de las termitas.

-

Dinteles fisurados, que ofrecen pasos abiertos al agua y refugio a los insectos.

- Estructuras de las cubiertas, principalmente en los puntos con filtraciones y goteras, o cámaras poco ventiladas. - Las piezas resueltas con madera de peor calidad, como algunas carpinterías o correas, latas y rastreles. Las fendas, rugosidades, recovecos de la madera, etc.. Donde los insectos tienen facilidad para instalarse y depositar sus huevos. En las piezas a flexión, la “deformación” excesiva es la señal inequívoca de alguna situación anómala. En la madera, no suelen darse colapsos súbitos, y por ello pueden detectarse éstos avisos previamente. Por ejemplo en vertientes de cubierta que se aprecian deprimidas desde el exterior. En el caso de forjados leñosos, en fincas de vecinos, la problemática se presenta al variar o eliminar la distribución de los tabiques de una planta, que han estado actuando como apoyos auxiliares del forjado de viguetas de madera. Se acumulan las cargas de las plantas superiores y se evidencia entonces la deformación real, con lesiones en pavimentos, falsos techos y tabiques superiores. En ocasiones actuaciones posteriores a la deformación inicial, acentúan el proceso, como en las sucesivas nivelaciones de pavimento, en un forjado previamente deformado, cargándolo de peso muerto y agravando la deformación por la fluencia propia de la madera. El análisis “resistente”, nos lleva a controlar las roturas de las piezas, localizadas, en general, donde se acentúan los defectos o singularidades, como son los nudos, las fendas y los cambios de dirección de las fibras. También en los puntos débiles que constituyen los enlaces entre las barras. Los refuerzos añadidos, en anteriores ocasiones, pueden haber cambiado el comportamiento estructural, aumentando los esfuerzos en algún punto y concentrando tensiones, fundamentalmente al utilizar materiales de muy diferente módulo elástico a la madera original.

100 6.4 Actuaciones Correctoras La medida más importante es la corrección de los defectos constructivos que han originado los daños. Estas medidas correctoras pasivas también las usaríamos, de forma preventiva, si las lesiones no se han iniciado, o son todavía incipientes. En las medidas correctoras de índole química se distinguen tres modos de actuación, según sea el origen del daño: A) Contra los ataques por hongos de pudrición: Después de eliminar la fuente de humedad que ha permitido el desarrollo de los hongos, asegurándose que el contenido de humedad de la madera no supere el 20%, se limpiarán y eliminarán los restos de madera afectada, sustituyéndola por una de similar o consolidándola con productos adecuados, según el grado de su deterioro. El tratamiento químico suele consistir en la inyección en la madera y/o en la pulverización de productos químicos fungicidas. B)_Contra los ataques de insectos de ciclo larvario: Se limpiarán las zonas degradadas y posteriormente pulverizaremos con un producto insecticida, asegurándonos de que el producto a aplicar impregne adecuadamente las zonas degradadas. Esta pulverización supone únicamente una protección de tipo superficial, pero no la eliminación de las larvas que puedan encontrarse en su interior. Así, deberemos inyectar, además, un producto a presión por taladros, hasta el interior de la madera. C) Contra los ataques de termitas: Después de suprimir las fuentes de humedad y evitar el contacto y la cercanía de la madera con el suelo, se eliminará la madera atacada. El tratamiento químico, consiste en : - Pulverización e inyección de productos químicos, por perforaciones de 6 a 8 mm, cada 30 cm, en el ¼ superior de la altura. - Barreras químicas en los muros, sobre los que se apoyan las piezas de madera, con perforaciones de 20 mm, intentando impedir el acceso de las termitas a las vigas. - Barreras químicas en el suelo, rodeando en forma de anillo a 20 cm, los arranques de los muros, con perforaciones de 20 mm, evitando su acceso desde el terreno. Otros sistemas detectan, con aparatos de escucha, si hay actividad de los insectos, por las vibraciones. Una vez conocidos sus recorridos, se disponen cebos de celulosa impregnada con un producto químico que inhibe la formación de la quitina, que producen una eliminación lenta y selectiva de los insectos. Este sistema tiene ventajas medioambientales, al no precisar la impregnación de la madera ni otras partes de la obra, pero no asegura la protección para un posible ataque futuro, por lo que ha de mantenerse la madera seca. En obra nueva pueden usarse barreras físicas a base de una capa de partículas graníticas o mallas de acero superfinas, también disponiendo polietilenos o poliuretanos con biocidas.

101 6.5 Evaluación de la capacidad de carga El determinar la capacidad portante de la estructura existente o residual, suele ser el punto de más difícil resolución. Un buen levantamiento de la estructura, con los detalles de apoyos y enlaces, ayudará a adecuar los cálculos a la realidad constructiva, en cuanto a la rigidez o deslizamiento del sistema. El desconocimiento exacto de la reducción de la capacidad mecánica producida por los ataques bióticos, es otra incógnita. Puede concentrarse en los apoyos extremos, húmedos, o a lo largo de la pieza al destruirse la albura, más blanda que el duramen. En definitiva, necesitamos conocer el esquema de funcionamiento, las secciones residuales y asignar una “clase resistente” a una madera que puede llegar a estar parcialmente oculta. Esta asignación puede estimarse con ultrasonidos, averiguando el módulo elástico dinámico, si se conoce la densidad media de la madera. Las especies más utilizadas, son en general, roble, haya, olmo o castaño para las frondosas y pino silvestre, pinaster o laricio, para las coníferas. En el caso de las coníferas, sus propiedades resistentes no varían mucho para una misma calidad. Por ello es más importante determinar la calidad que la especie. La calidad se fijará a partir de una inspección visual, basándose en la norma UNE 56544. Dicha calidad corresponderá a una “clase resistente”, con sus respectivas capacidades mecánicas tabuladas. La norma UNE no esta pensada para madera antigua y colocada en obra, por lo que, para grandes escuadrias, la medición de sus singularidades o defectos nos puede llevar a una infravaloración de su calidad o a una lectura incompleta, al quedar partes ocultas. También suelen existir divergencias entre las piezas, por lo que hemos de clasificar a partir de las más representativas. El criterio de los nudos, es el más relevante, junto con la desviación de la fibra. La siguiente asignación es orientativa y para madera de gran escuadría. Ha sido realizada a partir de una campaña de ensayos de vigas antiguas y usadas:

Para coníferas : calidad ME-G .......................clase resistente C-16 C-18 Para frondosas: .............................................clase resistente D-30

102 6.6 Reparación y Consolidación Estructural Una vez intervenidas las causas que han originado las lesiones: - Eliminando humedades. - Mejorando el diseño constructivo. -Tratando y protegiendo químicamente. - Racionalizando las cargas y los usos. Actuaremos consolidando o reforzando las zonas con lesiones, eligiendo el modo que mejor responda a la estructura original, variando mínimamente su forma de trabajo e introduciendo pocos materiales o elementos nuevos. A modo de orientación describimos varios: -Inyectar con resinas, acrílicas o epoxídicas, de baja viscosidad para colmatar las galerías abiertas por insectos xilófagos. En general se aplican para consolidación no estructural. Se realiza a presión, desde boquillas, aunque no hay una total seguridad de que quede completamente rellena la pieza. Se utilizan formulaciones especiales que al endurecer no producen tensiones internas. - Prótesis de madera, encoladas y ensambladas, preferentemente del mismo tipo y mejor obtenida de otras partes del mismo edificio, después de sanear hasta llegar a las fibras no dañadas. - Morteros de resina epoxi, utilizados para completar zonas degradadas y eliminadas. Conectadas con resinas epoxi a la madera sana, mediante armados con barras de fibra de vidrio y resina de poliéster. En los casos en que se produce una manipulación de la pieza, que comporta una eliminación importante de material, deben iniciarse las operaciones por la descarga y el apeo preventivo de la zona afectada. -Reducción de luz libre por cambios en los apoyos. Al ser éstos la zona más atacable por humedades e insectos, puede ser suficiente su refuerzo, para aliviar considerablemente el conjunto. Así mediante ménsulas o tornapuntas o empotrando piezas de acero o mediante una viga adosada al muro se mejoran las condiciones de apoyo. -Adición de losa hormigón constituyendo una sección mixta. Se consigue un considerable aumento de rigidez del techo, de monolitismo frente a fuerzas horizontales y de capacidad a flexión. Después de la extracción del pavimento y del vaciado de otros materiales de relleno, se arma una losa, conectada necesariamente a las vigas y a los muros de apoyo. Si hay posibilidad, mejor apuntalar previamente para recuperar algo la deformación existente de la madera y soportar la carga añadida del hormigón fresco y la sobrecarga de construcción (50 kg/m2), antes del trabajo efectivo como viga mixta.

103 Utilizar hormigón de resistencia alta, por su mayor módulo E, y mejor con áridos ligeros, para evitar sobrecargas excesivas. Tender capa separadora, impermeable pero transpirable, entre la madera y el hormigón. A pesar de los conectadores, la rigidez del conjunto no es perfecta, debido a la flexibilidad de la unión, por lo que se producen deslizamientos que influyen en la distribución de los esfuerzos en la sección. En general a largo plazo se incrementarán las tensiones sobre la madera. Pueden existir también deformaciones diferidas por los efectos reológicos del hormigón. Véase ampliación en el epígrafe siguiente, sobre ésta solución.

104 6.7 Estructuras Mixtas de Madera-Hormigón Solución que puede ser utilizada en el caso de una obra nueva, aunque generalmente es un recurso interesante para obras de consolidación, para evitar vibraciones o suplir degradaciones de la madera; y en obras de refuerzo, para cambiar de uso. Se trata de construir una sección mixta entre una escuadría de madera y una capa continua de hormigón superior. Por este motivo es necesario unir las dos partes de la sección, de forma que trabajen conjuntamente como una sección única. Se pueden utilizar diversos sistemas o tipos de conectador que pueden agruparse en dos gran apartados: Conectadores Continuos y Conectadores Puntuales. CONTÍNUOS: a) Ranura en la madera y conexión por la adherencia del hormigón. b) Resaltes longitudinales en la madera y adherencia del hormigón y tirafondos. c) Resaltes transversales en la madera y en cola de milano. d) Barra en zig-zag anclada. e) Chapa perforada o grecada. (Traliccio) PUNTUALES: a) b) c) d) e)

Clavos o tornillos en seco. (SFS ws, Tecnaria) Barras ancladas con resina. Tubos dentados a presión y con pre perforación. (Sylvabat, Flap) Chapas dobladas, ancladas. Cilindros de hormigón empotrados en perforaciones de la madera.

El comportamiento a flexión de la sección conjunta de la madera y el hormigón depende de la rigidez del conectador. Esta rigidez varía según los anteriores tipos utilizados y su relación con la madera y el hormigón. Es habitual que los dos materiales estén en contacto y que el conectador esté solicitado a esfuerzo cortante-rasante. Si los conectadores están inclinados entre 45 y 60º, trabajan también a esfuerzos axiales. En ocasiones han de mantenerse parte de los elementos existentes, entre la madera y el hormigón, por ejemplo antiguos entablados, de manera que el hormigón añadido y la madera están separados por este grueso y el conectador trabaja a flexión, debido a ésta excentricidad, y a cortante. Ésta separación entre ambos es también un recurso para mejorar la capacidad de la sección mixta, al aumentar su inercia. Un buen sistema es disponer unas planchas de poliestireno como elemento separador y aligerante a la vez. Como hemos visto será determinante, en el dimensionado de la sección mixta, el factor K de rigidez del conector, que es indicativo de su flexibilidad. Ceccotti formula, para el caso de barras de acero perpendiculares al plano de contacto,

105 este aspecto en Kser = 0,125·d·Em, siendo d (mm) el diámetro de la barra y Em (N/mm2) el módulo de elasticidad medio de la madera. La conexión no puede considerarse totalmente rígida, al ser la madera un material blando que sufre aplastamiento bajo la compresión debida a las fuerzas rasantes, lo que equivale a un deslizamiento, que influye en la distribución de las tensiones de flexión en la sección. Las conexiones habitualmente realizadas son del tipo flexible. Se considera que las secciones transversales se mantienen planas, antes y después de deformarse por flexión el hormigón y la madera. La flecha de las dos partes de la sección mixta es la misma, y el comportamiento de la sección se considera elástico-lineal. La conexión entre las partes ha de ser “total”, si es necesario agotar la sección bajo criterios de resistencia a flexión. En cambio la conexión puede ser “parcial”, y admitir un cierto deslizamiento entre los dos materiales, si sólo ha de garantizar su eficacia a efectos de deformación de la pieza, al aumentar considerablemente su rigidez. Por las características del material madera, sensible a la fluencia bajo cargas permanentes, no es adecuado aumentar de manera importante el peso propio. La chapa de hormigón introducida en la sección será de pequeño espesor y confeccionado con árido ligero, pero de resistencia alta: fck 300 kg/cmÇ. Se dispondrá un armado constructivo en esta capa, I5.5 10x10, para contrarrestar sus efecto reológicos y repartir las cargas, a pesar de que no se considera en el cálculo. Los conectadores mas utilizados hasta el momento, antes de la proliferación de patentes especificas, son los calificados como “conectadores flexibles y puntuales”, formados por barras corrugadas de I 10,12,14 mm. Situados, según sea su tipo, cada 10 a 35 diámetros, en una perforación con un exceso de 2 a 5 mm, rellena de resinas sintéticas. El anclaje de las barras es de 15 a 18 I en el interior de la madera, y de 10 a 12 I como pata horizontal en el interior del hormigón, para conseguir la adherencia. Estas patas han de orientarse en dirección al apoyo que tengan mas próximo, excepto en el caso de los conectadores axiales que se dispondrán alternadamente, con el que trabaja a tracción ligeramente por encima del comprimido. En el anexo “B” de Eurocodigo 5 se esboza un método y unas formulaciones para resolver “Vigas Compuestas con uniones mecánicas”, siendo el caso tercero de la figura B,1 de esta publicación el que nos ocupa.

106 La metodología será: a) Comprobar el estado inicial, en cuanto a la tensión y deformación. b) Comprobar el E.L.U. de la sección mixta, sin fluencia, basándose en el mencionado anexo B, y comprobar los conectadores. c) Comprobar el E.L.U de la sección mixta, con fluencia, lo que provoca una cierta redistribución de tensiones: aumentando en la madera y disminuyendo en el hormigón. Así suele disminuir la tensión en la madera respecto al estado inicial, en un 15% aproximadamente, para el ejemplo que se propone. d) Comprobar el E.L.S. de la sección mixta. Suele conseguirse una reducción de flechas del orden del 50%, como en el caso propuesto.

6.8 Protección química preventiva Los tratamientos de protección, y su eficacia, dependerán de la capacidad de absorción y la profundidad de penetración en la madera de los productos de tratamiento. Según la especie sea fácilmente impregnable (haya, algunos pinos...) a muy difícilmente impregnable (abeto, cedro...), se clasificará en 4 categorías. Estos tratamientos también pueden utilizarse de un modo curativo. El tipo de protección puede ser “superficial”, “medio” o “profundo” según el grado de penetración sea de hasta 3 mm, superior a 3 mm, o del 75 % del volumen impregnable de la pieza respectivamente. Los sistemas más adecuados para cada caso son pulverizado, inmersión y la impregnación en autoclave (vacío-presión-vacío para CR 4-5) o (vacío-atmosférica-vacío para menores CR). Los productos protectores son substancias químicas del tipo; “sales hidrosolubles”, “productos hidrodispersables”, “con disolventes orgánicos” y “orgánicos naturales”.

Véase la norma UNE-EN 350-2 (Durabilidad e Impregnación) y las tablas 3.2 y 3.4 del Código Técnico, para la elección del tipo de protección según las clases de riesgo y de servicio, respectivamente, en la madera y los herrajes.

107 7.-

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 escuadrias, 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.

108 Comprobación de 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.

109 Medios de 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. - “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. - “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)

110 7.3 Aproximación al Dimensionado Con el objetivo de conocer el orden de magnitud de las capacidades portantes de los medios de fijación de tipo mecánico, como los clavos, los tirafondos, los pernos y los conectores; se dan los siguientes valores de cálculo y para un solo plano de corte. Son valores aproximados, que se han calculado mediante simplificaciones, para Clases de Servicio 1 o 2, para una duración permanente de las cargas, y con una Clase Resistente del material igual a C-18. Si se trata de casos de doble cortadura los valores serán dobles a los indicados. - Clavos: Valores aplicables a clavos lisos con una resistencia mínima del acero a tracción de 6000 kp/cm2. I de 2,75 mm a 8 mm. Longitudes de 40 a 200 mm. Separaciones, según croquis.

I

Clavos en mm. 3 4 5 6

Resistencia Rd en Kp 39 64 94 127

- Tirafondos: Valores aplicables a tirafondos con una resistencia mínima del acero a tracción de 5500 kp/cm2. Por sus características, además de a corte tienen también resistencia a la extracción.

I de 6 mm a 20 mm. Longitudes de 25 a 300 mm. Separaciones como los clavos, según diámetros.

I

Tirafondos en mm. 3,45 4,88 5,59 7,01

Resistencia Rd en Kp 32 74 108 171

111

- Pernos y Pasadores: Valores aplicables a pernos y pasadores de calidad 4.6. El primer mecanismo de trabajo entre perno y madera es el rozamiento, en un segundo estado el perno entra en flexión y se deforma y por último se deforma aplastándose la madera y aparecen en ella esfuerzos laterales de tracción. En Pernos: I de 12 mm a 30 mm. En Pasadores: I de 16 mm a 25 mm. Separaciones, según croquis. Con los pernos colocados al tresbolillo, puede evitarse la reducción por trabajo en la misma línea. Se recomienda no sobrepasar la siguiente proporción de área de madera en relación con la de acero: ¦ área pernos d 20% sección

I en mm.

10 12 16 20

Esp. Menor Simple Kp. en mm. 0º 35 150 44 225 47 300 60 460

Cortadura 90º 100 150 190 280

en

Doble Cortadura en Kp. 0º 260 370 620 950

90º 200 290 460 680

112