uniones un reto para construir en madera

UNIONES: UN RETO PARA CONSTRUIR CON MADERA

REAL ACADEMIA DE INGENIERA

UNIONES: UN RETO PARA CONSTRUIR CON MADERA

DISCURSO DEL ACADMICO

EXCMO. SR. D. RAMN ARGELLES LVAREZ

LEDO EN LA SESIN INAUGURAL DEL AO ACADMICO

EL DA 26 DE ENERO DE 2010

MADRID MMX

Editado por la Real Academia de Ingeniera

2010, Real Academia de Ingeniera

2009 del texto, Ramn Argelles lvarez

ISBN: 978-84-95662-34-7

Depsito legal: M-3.080-2010

Impreso en Espaa

LECCIN INAUGURALDEL AO ACADMICO 2010

PRLOGO

Ante todo deseo agradecer al Presidente y a la Junta de Gobierno de la RealAcademia de Ingeniera la distincin que supone la invitacin a impartir esta con-ferencia.

Voy a explicar los motivos por los que he elegido este tema para la sesin inau-gural de este ao acadmico. Recuerdo que en mis estudios de Clculo de Es-tructuras en la ETSI de Montes no se explicaba, prcticamente, ningn contenidorelacionado con las Estructuras de Madera. No era culpa del magnfico cate-drtico D.Alfredo Crespo Mocorrea sino de la poca importancia que en aque-llos tiempos se le daba a esta disciplina, olvido que se extenda a toda laUniversidad.

En el ao 1969, al preparar la oposicin a la Ctedra de Clculo de Estructu-ras de la ETSI de Montes, me pareci oportuno introducir en una parte del pro-grama de la asignatura que deba proponer, esta materia. Para ello, animadopor el catedrtico de Tecnologa de la Madera de esta misma Escuela, D. C-sar Peraza Oramas, verdadero impulsor y adelantado en todos los temas rela-cionados con la madera, redact el libro Calculo de Estructuras de Maderapublicado por AITIM, asociacin de la que el propio profesor Peraza era su di-rector tcnico. Desde entonces, apreciando las posibilidades que aporta la ma-dera como material estructural, me siento obligado a divulgar y promocionar suuso en las aulas y, tambin, entre los profesionales de la construccin. Para ellohe contado con la inestimable ayuda de mis compaeros de Unidad Docente,profesores: Juan Jos Martnez Calleja, Francisco Arriaga Martitegui, Miguel Es-teban Herrero y Guillermo iguez Gonzlez.

Permtanme por tanto que aproveche esta conferencia como excusa paradar a conocer a los menos informados las posibilidades que presenta lamadera como material estructural y a los ms, el estado del arte de lasuniones.

En las fechas en las que estaba preparando est publicacin se ha producidoel fallecimiento de un amigo y colaborador inestimable: D. Flix Vela Fernndezque desde los aos setenta ha realizado casi todas las ilustraciones y repre-sentaciones grficas de las publicaciones de las que soy autor. Solamente unapalabra define su persona y buen hacer: excelencia. A l le dedico este trabajoque con seguridad echar en falta su ausencia.

He elegido para iniciar esta sesin inaugural una frase del arquitecto nortea-mericano Frank LloydWright: Para utilizar la madera con inteligencia, primerodebemos comprenderla.

8 RAMN ARGELLES LVAREZ

1. LA MADERA COMO PRODUCTO ESTRUCTURAL

1.1. EL RBOL: ANATOMAYTENSIONES

La madera est formada por un conjunto de clulas especializadas en teji-dos que llevan a cabo las tres funciones fundamentales del vegetal: la con-duccin de la savia; la transformacin y almacenamiento de los productosvitales y el sostn del vegetal.

Las fibras de madera tienen una seccin hueca, lo que les permite ademsde la conduccin de sustancias, disminuir su peso con un alto rendimientopara resistir tensiones de traccin (100 N/mm2) y de compresin. En esteltimo caso, las fibras de madera trabajan como columnas comprimidasayudadas por capas de microfibrillas que actan como zunchos evitandosu pandeo.

Esta organizacin resulta muy eficaz para soportar las tensiones que recibeel rbol en vida ya que las solicitaciones de mayor relevancia, debidas a laflexin originada por el viento, son tensiones axiales, parte de traccin yparte de compresin, que se distribuyen casi linealmente.

La madera que se extrae del rbol es ya por s misma un material estruc-tural, lo que la diferencia del hormign y del acero, materiales que requie-ren de un proceso de transformacin ms largo y ms costoso en trminosde energa.

UNIONES: UN RETO PARA CONSTRUIR CON MADERA 9

Figura 1.1 Grupo de rboles.

1.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES FSICASY MECNICAS DE LA MADERA

1.2.1.Anisotropa

La madera, debido a su heterogeneidad, es un material anistropo. Sus pro-piedades fsicas y en particular sus caractersticas mecnicas dependen dela direccin del esfuerzo con relacin a la orientacin de las fibras.

En el estudio de una pieza de madera como material orttropo que real-mente es deben considerarse tres direcciones principales:

Axial. Paralela al eje de crecimiento del rbol.Radial. Perpendicular a la primera y cortando al eje del rbol.Tangencial. Normal a las dos anteriores.

Como ya se ha dicho, la madera puede considerarse como un material for-mado por un haz de tubos de gran longitud orientados en direccin longi-tudinal y unidos a travs de las paredes. Con esta simplificacin se entiendela diferencia de propiedades que existe entre las dos direcciones principa-les: paralela y perpendicular a la fibra; o lo que es lo mismo: axial y trans-versal (radial o tangencial).

Como valores porcentuales representativos de esta ortotropa se indicaque si en direccin axial la madera resiste tensiones normales de valor 100en la direccin radial resiste 15 y en la tangencial 9. En cuanto a las defor-


Figura 1.2 Ortotropa de la madera.

Planos principales de la madera. Corte microscpico delos vasos de la madera.

maciones de origen higroscpico se puede decir, para la misma variacin delcontenido de humedad, que si la madera en direccin longitudinal se de-forma la unidad, en las direcciones radial y tangencial se deforma veinte ycuarenta veces ms, respectivamente.

De lo dicho se desprende que el comportamiento estructural de la ma-dera es muy bueno si existe acuerdo entre la direccin del esfuerzo y laorientacin de las fibras. A medida que se desvan las direcciones de ten-siones y fibras su rendimiento empeora llegando a comportarse franca-mente mal para alguna solicitacin especfica como la traccin perpendi-cular a las fibras, solicitacin para la que la madera apenas tiene capacidadde respuesta.

Por tanto, al citar una propiedad fsica o mecnica debe especificarse a qudireccin respecto a las fibras se refiere. En la prctica del clculo de es-tructuras de madera este problema se simplifica a dos direcciones:

1. Paralela a la fibra (axial o longitudinal).

2. Perpendicular a la fibra (o transversal), que engloba las direccionesradial y tangencial debido a que las diferencias entre ambas son de unorden mucho menor que las existentes con relacin a la direccin pa-ralela a la fibra.Adems, en muchos cortes no es posible separar o dis-tinguir en piezas que trabajen en direccin perpendicular, la orientacinradial de la tangencial.


Figura 1.3 Influencia de la anisotropa en la resistencia y variaciones dimensionales.

a) Diferentes propiedades resistentes segn la direccin de la fuerza b) Variaciones porcentuales porcambios de humedad

Esta anisotropa marca claramente las diferencias con el hormign y el acero,e impide que, soluciones constructivas sencillas, que son prctica habitual enconstruccin metlica y de hormign, puedan utilizarse con la madera.

1.2.2. Higroscopicidad

La variacin del contenido de humedad produce en la madera, por tratarsede un material higroscpico, una modificacin de sus dimensiones. Cuandose incrementa, la madera se hincha y, cuando disminuye, se contrae o merma.Por ello la madera deber tener un contenido de humedad lo ms pare-cido al equilibrio higroscpico correspondiente a las condiciones higrotr-micas ambientales, siempre que el proceso de fabricacin lo permita.De estamanera se reducen los movimientos debidos a esta causa.

Para dar una idea ms clara del comportamiento de la madera frente a lahumedad se utiliza el coeficiente de contraccin lineal (tangencial o radial),que expresa el porcentaje de variacin de las dimensiones en la direccinconsiderada para una variacin de un grado del contenido de humedad:

- El coeficiente de contraccin tangencial vara con la especie. En la di-reccin tangencial oscila alrededor del 0,2% para las conferas. En estadireccin se presenta la mayor variacin dimensional.- En la direccin radial, la variacin dimensional es menor, del ordende un 50 o 60% de la que se produce en la direccin tangencial.- Y en la direccin longitudinal la variacin dimensional es muy redu-cida, prcticamente despreciable. Puede estimarse en tan slo de un2% a un 4% de la correspondiente a la direccin radial.

Un coeficiente de contraccin de 0,2% implica que una variacin del con-tenido de humedad del 5% (lo que no es excesivo en determinadas situa-ciones) provoca en una pieza de madera laminada de 1 metro de altura,aumentos o disminuciones de 1 cm. Estos movimientos pueden tener re-percusiones en la seguridad de la estructura, tales como:

-Tensiones de valores no despreciables en aquellas uniones que impi-den el movimiento libre de la madera. En estos casos se pueden pre-sentar fendas en las proximidades de los medios de fijacin.- Desajustes y holguras de los medios de unin, si la madera fue colo-cada con un excesivo contenido de humedad y- Aparicin de fendas de secado que disminuyen la calidad de la piezay en algunos casos favorecen el ataque de organismos xilfagos.


En resumen, la higroscopicidad de la madera obliga a un cuidadoso estudiode las uniones y detalles constructivos, que si no estn bien resueltos po-nen en peligro la seguridad y durabilidad de la construccin. Las buenas so-luciones constructivas tratan de permitir que la madera se muevalibremente.

1.2.3. Calidad y clases resistentes de la madera

La calidad de la madera es el factor de mayor relevancia en su resistencia.Las singularidades del crecimiento del rbol, denominadas indebidamentedefectos de la madera, suponen una disminucin de sus propiedades me-cnicas. Los principales defectos son los siguientes:

- Nudos: originados por las ramas del rbol, constituyen el defecto de ma-yor importancia.- Fendas: son agrietamientos longitudinales que cortan radialmente los ani-llos de crecimiento en una seccin transversal. Se producen durante el se-cado de la pieza y son de mayor tamao en las piezas de gruesas escuadras.- Desviacin de la fibra: se mide por la pendiente de la direccin de la fibracon respecto al eje de la pieza. Suele distinguirse entre desviacin generaly desviacin local (cuando afecta a una zona de longitud reducida). Su ori-gen se encuentra en la conicidad del fuste del rbol y en las distorsiones lo-cales de la direccin de la fibra, debidas generalmente a la presencia denudos.


Figura 1.4 Fendado en uniones mal concebidas debidas a la merma de la madera.

- Acebolladuras: son agrietamientos longitudinales producidos por la sepa-racin de los anillos de crecimiento.- Gemas: se producen por la falta de madera en las aristas de la pieza. Seoriginan cuando el aserrado intercepta la superficie del tronco del rbol.

Los defectos como nudos y desviacin de la fibra explican, por ejemplo,por qu la resistencia a la traccin en direccin paralela a la fibra desciendede 100 N/mm2 en la madera libre de defectos hasta los 10 N/mm2 de lamadera comercial de baja calidad.

Para simplificar el clculo de las estructuras de madera se ha establecido enEuropa el sistema de clases resistentes en el que se pueden encuadrar to-das las combinaciones de especie-procedencia-calidad. Este sistema estdefinido en la norma UNE-EN 338 la cual incluye las siguientes clases:

Conferas y chopo: C14, C16, C18, C20, C22, C24, C27, C30, C35, C40,C45 y C50.Frondosas: D18, D24, D30, D35, D40, D50, D60 y D70.


Figura 1.5 Defectos de la madera.

Nudo

Fenda

Gema

La inicial C o D hace referencia al trmino en ingls para denominar la fa-milia de las especies (C: Coniferous y D: Deciduous)

El nmero que acompaa a la inicial representa la resistencia caractersticaa la flexin en N/mm2.

Para la madera laminada encolada existen dos grupos: GLh (homognea)y GLc (combinada). Las clases resistentes son las siguientes:

Homognea: GL 24h, GL 28h, GL 32h y GL 36h

Combinada: GL 24c, GL 28c, GL 32c y GL 36c

1.3. LA MADERA COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

1.3.1. Productos

Madera enteriza en rollo: procede de las prcticas de aclareo forestales. Losdimetros estn comprendidos entre los 10 y 20 cm, aproximadamente,con largos que normalmente no llegan a los 10 m.


Figura 1.5 Construcccin de madera enteriza en rollo.

Madera aserrada estructural: se utiliza principalmente en estructuras de lu-ces pequeas (4 a 6 m) y medias (6 a 17 m). Se presenta con gruesos di-versos. Para grandes escuadras sus dimensiones son: 15 x 20 cm; 20 x 20cm y 20 x 25 cm. La norma UNE-EN 1912 aporta un listado completo deespecies, procedencias, calidades y asignaciones a clases resistentes.

Madera empalmada estructural: se realiza empalmando mediante dentadomltiple madera aserrada estructural. Las especies habituales son picea,pino, abeto y alerce. Los largos llegan a 14 m. Las dimensiones transversa-les varan de 60 a 120 mm de espesor y de 120 a 240 mm de altura. Unacaracterstica muy importante es que se trata de una madera seca y enconsecuencia mucho ms estable. Las clases resistentes habituales corres-ponden a las clases C24 y C30. Su uso est limitado a las clases de servi-cio 1 y 2 debido a los tipos de colas.

Madera aserrada encolada: corresponde a los denominados dos y tros. Eldo est formado por dos piezas encoladas cara con cara ms la unin endentado mltiple. La longitud llega hasta 18 metros y las escuadras de an-chos que varan de 80 a 160 mm alcanzan hasta los 240 mm de altura. Encuanto al tro sus anchos varan de 180 a 240 mm y sus alturas de 120 a220 mm. Clases resistentes habituales: C24 y C30.

Madera laminada encolada: estructuralmente es el producto ms relevante.Su consumo en nuestro pas es an, en comparacin con el existente enotros paises, muy reducido. Al estar compuesta de lminas de pequeosgrosores existe un mayor control de calidad y del contenido de humedad.Habitualmente se utilizan las clases resistentes: GL 24h, GL 28h y GL 28c.Los adhesivos que se utilizan actualmente son resinas de melamina-urea-for-maldehdo (MUF) muy eficaces en situaciones de exterior y de incendio y


Figura 1.7 Madera aserradaencolada. Dos y tros.

de menor incidencia en el medio ambiente, con la ventaja aadida al tenerun color blanco trslucido de no mostrar lneas oscuras habituales en los ad-hesivos de resorcina-fenol-formadehdo (PF). Su incoveniente es una mayorexigencia en las variables de fabricacin y en su control. La gama de anchu-ras habituales es la siguiente: 80, 100, 110, 130, 140, 160, 180, 200 y 220 mm.De precisarse anchos mayores puede recurrirse a acoplar en cada lminados tablas, contrapeando las juntas al tresbolillo. La altura mxima depededel fabricante pero est en el entorno de los 2.400 mm.

Madera reconstituida

Se obtiene aplicando calor y presin a chapas, tiras o virutas de madera, en-coladas previamente, en las que predomina su longitud frente a las dimen-siones de su seccin transversal.

Los productos comercializados son los siguientes:

PSL (Parallel Strand Lumber). Perfiles de chapas de madera, la marca regis-trada, Parallam. La materia bsica son recortes de chapas obtenidas por de-senrollo. Las tiras tienen una longitud de hasta 2.400 mm, una anchura deunos 13 mm y un grueso de unos 3 mm.

LSL (Laminated Strand Lumber). Parecido al PSL, utiliza virutas ms gruesas yanchas encoladas segn la direccin longitudinal del tablero. Las dimensionesde las virutas son: largos de 50 mm hasta 300 mm y anchos de 5 a 25 mm.


Figura 1.8Madera laminada.

Viga de maderalaminada

Vigas de 26,50 metros de la cubierta de Piscina en Porto Moniz.Madeira. Portugal (2004)


OSL (Oriented Strand Lumber). Perfiles de macro-virutas de madera orien-tadas. La marca registrada esTimber Strand. El producto resulta parecidoal LSL pero con las virutas ms estrechas y largas. Longitudes de 472 a 945mm y anchos de 2 a 5 mm.

Madera microlaminada: piezas formadas por el encolado de chapas de maderade poco espesor con la direccin de la fibra sensiblemente paralela. En Eu-ropa slo la fabrica la empresa finlandesa Finnforest con el nombre comer-cial de kerto.Y en EE.UU la fabrica MacMillan con el nombre Microlam.

Por tratarse de lminas de poco espesor su fabricacin permite la casicompleta eliminacin de defectos alcanzndose resistencias a flexin quevaran entre 32 y 50 N/mm2.

El kerto, utilizado en la fabricacin de elementos estructurales, paneles yelementos en cajn, tiene dos posiblidades de suministro:

- El kerto S con todas sus lminas orientadas en el mismo sentido. Pre-senta una mayor resistencia axial. Es utilizado para la fabricacin de ele-mentos estructurales.

- El Kerto-Q. Producto en el que el 20 % de las lminas, aproximadamente,estn cruzadas, lo que confiere una mayor estabilidad dimensional, aunqueproporciona menores resistencias (excepto en uniones).

Sus dimensiones incluyen grosores de 21 a 75 mm. Anchos de 200 a 600 mm.Y largos de hasta 23 metros.

Otros productos: en este grupo se incluye el resto de los productos deriva-dos de la madera que no presentan dificultades en cuanto a uniones.Vi-

Figura 1.9 Parallam (PSL).

guetas, tableros (contrachapados, OSB, fibras duros, de partculas, de ce-mento madera y contralaminados), paneles (prefabricados masivos, prefa-bricados ligeros y sndwich) y vigas mixtas (madera-madera y madera-hormign).

1.3.2. Propiedades de clculo de los productos derivados de la maderacomparadas con las del acero S 275 y del hormign H 25

El valor relativamente bajo de la densidad aparente de la madera con rela-cin a su resistencia y mdulo de elasticidad longitudinal, la convierte en un


Figura 1.10Madera microlaminada fabricada por la empresa finlandesa Finnforest.

Figura 1.11 Piscina de la Matanza en Tenerife. Cercha lucernario tridimensional de 42 m construida con maderamicrolaminada kerto soportando vigas de madera laminada de 20 m.

Kerto-S Kerto-Q

material especialmente atractivo y adecuado para algunas aplicaciones es-tructurales. Las soluciones, constructivas clsicas en madera resultan ms li-geras que las de acero y mucho ms que las del hormign armado.

Para conocer las posibilidades estructurales de la madera es obligado anali-zar sus propiedades y compararlas con las de los otros materiales. Para quela comparacin sea ms real han de tomarse como referencia las tensionesde clculo para diferentes calidades de madera, acero y, tambin, de hormi-gn. Los valores de clculo de la madera incluyen una penalizacin media de-bida a las condiciones ambientales y al tiempo de duracin de la carga. Se haconsiderado un kmod= 0,8 (coeficiente al que corresponde una clase de ser-vicio 2 y cargas de duracin media). Los coeficientes de seguridad de los ma-teriales, M, son los recomendados por el CdigoTcnico de la Edificacin.

Tabla 1.1. Comparacin de las tensiones de clculo en Nlmm2 entre maderas, aceros S275y D355 y hormign H25

Flexin Traccin Compresin Cortante Modulo deelasticidadmedio

Paral. Perp. Paral. Perp.

MADERA

Aserrada C24 14,77 8,61 0,25 13,54 1,54 2,50 11.000

Aserrada C30 18,46 11,07 0,25 14,15 1,66 2,50 12.000

Laminada Gh28h 17,92 12,48 0,29 16,96 1,92 2,05 12.600

Microlaminada paralela 29,33 23,33 0,53 23,33 4,00 2,73 13.800

Microlaminada mixta 21,33 17,33 4,00 26,00 6,00 3,00 10.500

ACERO

S 275 262 262 262 151 210.000

S 355 338 338 338 195 210.000

HORMIGN

H 25 1,20 1,20 16,7 1,20 37.200

De estos datos se pueden extraer las siguientes conclusiones:- Muy elevada resistencia a la flexin, sobre todo si se asocia a su peso.- Buena capacidad de resistencia a la traccin y a la compresin para-lelas a la fibra.- Moderada resistencia al corte. No obstante esta limitacin rara vezes decisiva en el dimensionado de las piezas de madera.


- Moderada resistencia a la compresin perpendicular a la fibra que engeneral no corresponde a ninguna comprobacin crtica.- Muy baja resistencia a la traccin perpendicular. Caracterstica muy par-ticular y negativa frente a otros materiales.- Bajo mdulo de elasticidad longitudinal. Unas treinta veces menorque el del acero. Los valores alcanzados por el mdulo de elasticidadinciden sustancialmente sobre la deformacin de los elementos resis-tentes y sus posibilidades de pandeo y vuelco lateral. Este valor neu-traliza parte de la buena resistencia a la compresin paralela.

Si se comparan los ratios correspondientes a determinadas propiedades re-sistentes de algunos productos de la madera con relacin a su peso, con losdel acero S 275 y del hormign H 25, se pone de manifiesto que los valoresson similares y en algunas propiedades (flexin, traccin y compresin), espe-cialmente para la madera microlaminada en direccin paralela, francamentefavorables, figura 1.12.

Si en lugar del criterio de resistencia se emplea el de la deformacin (queconstituye por lo general el criterio ms restrictivo en piezas trabajando aflexin), la madera resulta 1,3 veces ms rgida, a igualdad de peso que elacero (comparando secciones rectangulares de madera con perfiles IPE deacero). Resultado que debe reducirse al considerar la influencia de las de-formaciones diferidas, que en determinadas condiciones llegan a duplicar lasdeformaciones instantneas.


Figura 1.12 Comparacin de rendimientos de diferentes maderas con acero S 275 y hormign H 25.

Si se introduce el costo (con la relatividad que esto supone), la construc-cin con acero resulta 1,5 veces ms favorable.

Finalmente, si se tiene en cuenta la energa necesaria para la fabricacindel material (1 109 julios en la madera aserrada y 60 109 julios en elacero, por tonelada), el resultado de la relacin entre rigidez y energa esdel orden de 80 veces ms favorable para la madera aserrada. La ma-dera podemos considerarla como una materia prima renovable que con-sume CO2.

2. ANTECEDENTES Y ESTADO ACTUAL

2.1. INTRODUCCIN

El progreso de la construccin de las estructuras de madera est ntima-mente relacionado con el desarrollo tecnolgico de los medios de unin.Las uniones tienen una importancia especialmente relevante en el diseoy clculo estructural, an ms que en las construcciones de acero. La difi-cultad de su proyecto y ejecucin se debe, como ya se ha dicho, al com-portamiento anistropo de la madera que se manifiesta con propiedadesresistentes muy diferentes segn la direccin de los esfuerzos respecto a laorientacin de las fibras, lo que requiere, en general, la aportacin de he-rrajes metlicos. La unin es un posible punto dbil que es necesario estu-diar minuciosamente. Su fallo puede arrastrar a un colapso total o parcialde la estructura.

El costo de las uniones es en general elevado, siendo frecuente que elconjunto de los elementos de conexin y sus operaciones anexas cons-tituyan entre el 20 y 25%.Y an lo es ms en lo que respecta al proyecto.

Hasta prcticamente el siglo XX solamente se realizan uniones carpinterasacompaadas de algn elemento metlico utilizado como medio de afian-zamiento. Al intervenir en esta clase de uniones casi exclusivamente la ma-dera se transmiten por contacto y sin dificultad los esfuerzos de compresin.Los esfuerzos de traccin entre piezas de madera son difciles de transfe-rir, idendose soluciones ms o menos ingeniosas. Dos ejemplos de stascorresponden a la construccin de puentes:En uno, IthielTown (1784-1844), sustituye los montantes y diagonales de las


vigas trianguladas principales del puente por una celosa de dos planos,mu-cho ms tupida, en la que se reparten entre varias barras los esfuerzos detraccin o compresin que debera asumir una sola ellas. La doble celosadel alma intercalada entre las dos piezas que forman los cordones se en-laza utilizando clavijas de madera que transmiten los esfuerzos mediantesolicitaciones de corte. Un ejemplo es el puente de Rotenbrcke cons-truido en el cantn Appenzeil Ausserhoden en 1862 de 16 metros de luz,figura 2.1,

En otro,William Howe (1803-1852) resuelve un problema similar con unaocurrencia brillante: incorpora como montantes de la viga principal redon-dos de hierro pretensados. A los esfuerzos de traccin generados por lascargas han de sumarse las compresiones aportadas por los redondos deacero dando como resultado fuerzas resultantes de compresin, lo quepermite resolver fcilmente la unin, figura 2.2. Uno de los puentes msatrevidos realizado con este sistema es el construido en 1857 en Suiza enel cantn de Graubnden de 56,2 metros de luz.


Figura 2.1 Puente de Rotenbrcke. Sustitucin de montantes y diagonales por una celosa doble del alma.

a) Vista interior del puente de Rotenbrcke

c) Sustitucin de montantes y diagonales poruna celosa de tablas tupidas

b) Detalle de los pasadores de madera parael enlace de celosa y cordn

d) Esfuerzos en las barras de la celosa

2.2. EVOLUCIN DE LOS MEDIOS DE UNIN

Durante siglos el desarrollo de las uniones dependi de la experiencia yhabilidad de los maestros carpinteros, desconocedores en cierta medidade los esfuerzos que deba soportar el medio de unin e ignorantes, tam-bin, de su capacidad de carga.

Realmente, hasta el siglo XIX y principalmente en el XX, coincidiendo conla presencia de nuevos medios de fijacin, no se pudieron despejar estas in-certidumbres con la fiabilidad suficiente. Es entonces cuando se produce


Figura 2.2 Puente de Graubnden.

a) Montantes de barras tensadas de acero

b) Alzado del puente

una verdadera explosin de diferentes modelos estructurales de maderaque compiten, a veces con ventaja, con las estructuras de acero.

Es en los comienzos del siglo XX cuando los tacos de madera (principal-mente roble), utilizados hasta entonces para formar piezas compuestas conel fin de realizar empalmes de barras sometidas a esfuerzos de traccin, opara incrementar la capacidad de resistencia a la flexin de las vigas, sonreemplazados por conectores de acero que en sus comienzos son placasdobladas en forma de U o deV, figura 2.3.


Figura 2.3 Conectores iniciales de tacos de madera y metlicos.

Acoplamiento de piezas mediante tacos de madera

Acoplamiento de piezas mediante placas dobladasen forma de V

Posteriormente, al comienzo del siglo XX se desarrollan conectores de ani-llo introducidos de modo ajustado entre dos piezas de madera, figura 2.4.

Estos conectores permiten transmisiones de cargas ms elevadas en piezasde mayor escuadra, principalmente en estructuras de madera laminada en-colada. El uso de un material ms resistente facilita el diseo de uniones de apa-riencia ms ligera. Entre los aos 1920 y 1930 se produce un autntico augede esta clase de llaves registrndose ms de 60 patentes en EEUU.


Figura 2.4 Conectores de anillo.

Figura 2.5 Torre de radio en Ismaning de 163 metros de altura.

El clavo, subordinado a un papel secundario durante muchos aos al noconcedrsele una capacidad de carga significativa, no alcanza protagonismohasta que los ensayos, hacia 1925, demuestran que su comportamiento re-sistente y su rigidez son los de un buen conector, permitiendo disear unio-nes de barras de secciones reducidas con gran facilidad. Su aplicacin en lafabricacin de cerchas y vigas de celosa se intensifica durante la segundaguerra mundial.

En la figura 2.6. se representa una cercha fabricada en esta poca en la quese realizan las uniones de los nudos con clavos y se analiza su comporta-miento mediante una prueba de carga suspendiendo sacos de cemento delos nudos de la celosa. En estas pruebas se pone de manifiesto que estasuniones se corresponden con el de un enlace semirrgido con presenciade tensiones secundarias en las barras.

Es en los aos cincuenta es cuando, segn las exigencias de los esfuerzos,se realizan prticos y vigas de seccin en doble te, cuyas cabezas estn for-madas por dos o ms piezas de madera aserrada clavadas al alma, consti-tuida, segn el caso, por dos planos contrapeados de tableros de tablasaserradas o por una celosa doble de tablas. En los prticos principales delalmacn de carbn construido en Altdorf (canton Uri) en 1954 se combi-nan dentro de la misma barra estos dos modelos de almas, en funcin delos esfuezos cortantes que recibe la zona afectada.


Figura 2.6 Prueba de carga de cercha con uniones clavadas de los nudos.

Entre los aos 1950 y 1960 se presenta en Estados Unidos un desarrolloespectacular en la fabricacin de piezas de seccin en doble te con almade tablas aserradas y cabezas de madera clavadas.


Figura 2.7 Esquema de prtico de piezas en doble te clavadas (almacn de carbn en Altdorf, 1954).

Figura 2.8 Viga de seccin en doble te con alma de tablero aserrado clavada a los cordones.

2.3. LA MADERA LAMINADA ENCOLADAY SUSADHESIVOS

Las estructuras de madera laminada aparecen a principios del siglo XXcuando el maestro carpintero alemn Friedrich Otto Hetzer patenta porprimera vez en 1901 las vigas rectas. Posteriormente, el 22 de junio de 1906registra tambin con el nmero 197773, una patente de un sistema de vi-gas curvas. La estrategia que sigue es utilizar piezas de pequea escuadrallegando a formar piezas de tamao casi ilimitado. Es a partir de la exposi-cin mundial de Bruselas en 1910 cuando se conoce el producto que tuvoun desarrollo espectacular en Europa, sobre todo en Suiza. En 1920 exis-tan ms de doscientos edificios fabricados con la patente de Hetzer.

En 1923 Max Hanisch, socio de Hetzer, emigra a Estados Unidos para pro-mocionar la madera laminada encolada. Inicialmente tuvo poco xito. Suprimera obra de cierta relevancia fue un gimnasio en Pesthigo (Wisconsin)con prticos de 19,50 metros de luz. Fue el Forest Products Laboratory elque colabor en su desarrollo a travs de un programa de ensayos de laspiezas destinadas a la construccin del propio laboratorio.

Durante la segunda guerra mundial, debido a las restricciones existentesen el suministro de acero, se produce un desarrollo espectacular. Se estimaque en 1942 se ahorraron ms de 300.000 toneladas de acero al construircon madera. En esta poca la evolucin de los adhesivos sintticos permi-ti utilizar la madera laminada en cualquier situacin, sin las limitaciones deadhesivos para interior.


Figura 2.9 Patente de Friedrich Otto Hetzer. Y unin en dentado mltiple.

Pat. N 197773OTTO HETZER Ao 1906a) Patente de Otto Hetzer

b) Ejecucin actual de unin en dentado mltipley encolado posterior.

Su aplicacin actual ms caracterstica son las vigas de cubiertas de gran-des luces y los edificios de uso pblico.

Si bien las posibilidades del material desde el punto de vista estructural songrandes, hay cierta tendencia a repetir tipos estructurales y sistemas de co-nexin. Aqu es donde se encuentra el reto para el diseo estructural, prin-cipalmente en la resolucin de los detalles de encuentros.

En lo que respecta a los adhesivos, tras el uso de las resinas de resorcina for-maldehdo con elevadas prestaciones en situaciones de exterior y de incen-dio, existe la tendencia a la utilizacin de otros adhesivos con menor incidenciaen el medio ambiente como ocurre con las resinas de melamina, que ade-ms tienen, como ya he dicho, un color blanco traslcido, pero con el incon-veniente de una mayor exigencia en las variables de fabricacin y control.

2.4. ESTADOACTUAL

A mediados del siglo pasado, dos ingenieros, Paul Metzer (Alemania) y Kom-rad Sattler (Austria), pusieron los cimientos que potencian la capacidad de re-sistencia de las uniones. La idea es la siguiente: una clavija es un vstago, engeneral de acero, que penetra en la madera y le transmite esfuerzos en di-reccin perpendicular a su eje.Debido a que la clavija es en general una piezaesbelta, su influencia sobre la madera que la rodea est limitada solamente auna parte de su longitud. Para mejorar la eficiencia de la unin se puede op-tar por sustituir la seccin completa por dos o ms secciones de madera demenor tamao o, lo que es ms operativo, insertar una o ms placas de aceroque generen para la misma seccin varias superficies de corte. Fundamentode la mayora de los sistemas de conexin desarrollados, entre otros, porWal-ter Greim,Willi Menig, Julius Natterer, Ernst Gehri y Herman Blumer.


Figura 2.10 Piscina Parquesol en Valladolid. Cpula de 50 metros de luz. Arquitectos Doblas & Fonseca.

Con estas ideas se han ido desarrollando modelos de conexin en los quese pone a prueba el ingenio y conocimiento de los proyectistas. Las unio-nes ideadas que reproducen comportamientos estructurales de rtulas,enlaces rgidos, empotramientos en la cimentacin, empalmes de barras,


Figura 2.11 Se intercalan placas de acero para mejorar el rendimiento de la unin.

Figura 2.12 Algunos modelos de uniones.

a) Articulacin de la clave de un arco

c) Nudo y empalme del cordn de una viga triangulada

b) Empotramiento de pilar

d) Nudo encolado de una viga de celosa

ensambles viga/pilar, nudos de celosas, nudos de emparrillados, nudos deestructuras espaciales etc., estn presentes en numerosas construcciones yarealizadas y su buen comportamiento est suficientemente sancionado porla experiencia adquirida.

El exceso de elementos metlicos en determinadas estructuras de maderaaconseja considerar dichas construcciones como un hbrido madera-acero.En esta clasificacin se podra incluir el voladizo de 20 metros del centro deinterpretacin de la naturaleza de Salburua en Vitoria. Los cordones for-mados por tres piezas de kerto-Q tratadas en autoclave alojan en el inte-rior de los nudos dos placas de acero, figura 2.13.

A este mismo grupo se puede incorporar la estructura de madera del Edi-ficio Residencial E3 de 7 alturas sito la calle Esmarch de Berln.


a) Vista general b) Vista inferior

c) Detalle del apoyo principal

Figura 2.13 Voladizo de 20 metros del Centro deInterpretacin de de la Naturaleza de Salburua enVitoria.

3. ESTRATEGIAS DE DISEO

3.1. INTRODUCCIN

La unin es un posible punto de ruptura del material debido a la presen-cia de taladros, hendiduras, etc. y, a menudo, la combinacin de dos o msmateriales con propiedades diferentes. Para su correcta ejecucin, ademsde verificar su capacidad de resistencia, su comportamiento en situacinde incendio y su durabilidad, se deben tener presentes las particularidadesque acompaan a la madera: anisotropa, variaciones de sus dimensionesprovocadas por cambios de humedad (especialmente las transversales) yescasa resistencia a la traccin perpendicular.

3.2.ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

Hay que garantizar las holguras suficientes entre el herraje y la madera ase-gurando su asentamiento, previo a su puesta en carga. Por otro lado se de-


Figura 2.14 Edificio residencial E3 de 7 alturas con estructura de madera en al calle Esmarch, Berln. Agosto 2007-Mayo 2008.

a) Vista del edificio b) Detalle de nudo

ben considerar detalles de proyecto como puede ser el impedimento quese genera al giro en el apoyo de una viga al colocar herrajes en la zona su-perior o la sujecin lateral en el extremo de la viga en el apoyo impidiendosu hinchazn o merma.

3.3. SOLUCIONES QUE EVITEN O NEUTRALICEN LA PRESENCIADE LATRACCIN PERPENDICULAR

En todos los encuentros debe analizarse la posible presencia de la traccinperpendicular a la fibra y adoptar la solucin constructiva que la resista ola evite. Para ello se proyectarn disposiciones constructivas como las ele-gidas para las articulaciones intermedias de las vigas gerber en las que eltramo apoyado cuelga del tramo volado y no descansa sobre l, situacinen la que se presentan tracciones perpendiculares a la fibra, figura 3.2.


Figura 3.1 Aspectos constructivos de las uniones.

a) Se deben garantizar las holguras y asientos adecuados de las piezas de madera

b) Se debe evitar la colocacin de herrajes inadecuados

La otra alternativa es reforzar la resistencia a la traccin perpendicular enaquellas zonas en las que est presente. Para ello se utilizan conectores me-tlicos especiales, como en los casos siguientes: vigas entalladas en apoyos, vi-gas con huecos y zonas de vrtice de vigas curvas o a dos aguas, figura 3.3.


Figura 3.2 Soluciones de cuelgue que evitan la traccin perpendicular en las vigas gerber.

Vista del tirante insertado del que est colgadoel tramo izquierdo

Figura 3.3 Utilizacin de herrajes que cosen la traccin perpendicular.

Viga entallada en apoyo Viga con huecos

Viga curva

Vista del trozo de perfil insertado para apoyarel tramo derecho

El tramo izquierdo queda colgado del derecho

Se intercala un trozo de perfil para apoyar eltramo derecho

3.4. HINCHAZNY MERMA

Los dispositivos de unin no deben restringir el movimiento de la maderaen sentido transversal o, al menos, deben reducir su efecto al mnimo po-sible. Estos movimientos hacen poco adecuadas, por impedir el movimientotransversal de la madera, las fijaciones entre madera y metal que abarquentodo el canto de la pieza.

As, si el empalme de una pieza de madera laminada encolada se realizamediante cubrejuntas laterales metlicos que alcanzan su altura total, lascontracciones por humedad pueden producir grietas longitudinales detraccin perpendicular concentradas en las lneas de los elementos de fi-jacin ms prximas al eje y orientadas en la direccin de las fibras. Estasgrietas se pueden evitar sustituyendo los cubrejuntas metlicos por cu-brejuntas de madera con las fibras en la misma direccin ya que tomaniguales variaciones de altura.Tambin pueden sustituirse los cubrejuntasintegrales de acero por llantas, tambin de acero, situadas en los bordesde la viga de madera con un refuerzo central para resistir el esfuerzo cor-tante, figura 3.4.


a) Llantas en los bordes

c) Fendado provocado por cubrejuntas integralesde acero

b) Cubrejuntas integrales de maderaFigura 3.4 Empalmes de vigas.

Tambin puede producirse el fendado en uniones en las que intervienenpiezas de madera de cierta altura con diferentes orientaciones de sus fi-bras, figura 3.5.

Otro ejemplo son las grietas que se producen en el dintel de un prticode pilar en V si las uniones de las barras del pilar impiden el movimientotransversal de la madera. En este caso el efecto de la retraccin por pr-dida de humedad puede neutralizarse concentrado en el lado de la barracomprimida los medios de unin en el borde inferior del dintel y dispo-niendo en el borde superior un taladro ovalado. En el lado de la barra delpilar solicitada a traccin los medios de unin deben situarse en posicio-nes alternadas con las anteriores, figura 3.6.


Figura 3.5 Riesgos de fendado en uniones de piezas de madera con diferentes orientaciones de sus fibras.

Figura 3.6 Disposiciones constructivas para evitar los riesgo de fendado por hinchazn y merma.

Unin fendada por no permitir movimientos Solucin adoptada para permitir movimientos

3.5. DURABILIDAD

Es necesario impedir cualquier disposicin constructiva que entrae riesgosde infiltracin de agua o posibilidad de que el agua, procedente de hume-dades de condensacin, quede estancada. En uniones realizadas al exteriordebe facilitarse su evacuacin mediante desages, drenaje y evaporacin.

No se deben daar las barreras de proteccin formadas por productos ac-tivos aplicados para la conservacin de la madera. As en estructuras demadera aserrada, en clases de uso 3 y 4 (obras al exterior) el tratamientopreventivo se realiza en autoclave.Y en clases de uso 1 y 2 (obras bajo cu-bierta) es suficiente un pintado.

En las estructuras de madera laminada encolada en clases de uso 1 y 2 nose presentan dificultades especficas ya que el tratamiento se realiza des-pus de la fabricacin sobre piezas terminadas lijadas y taladradas para elpaso de los medios de unin. Como contrapartida en clases de uso 3 y 4el tratamiento se realiza sistemticamente, en autoclave, para las lminasantes de encolar.

En obras realizadas al exterior esaconsejable para rebajar la clase deuso que la estructura principal quedeprotegida por un tejado, figura 3.7.

La durabilidad de una construccindepende de la estrategia a seguirdebiendo cuidarse la proteccin dela madera y dar un tratamientoadecuado a los detalles de cons-truccin y uniones. Un buen ejem-plo es el puente de Saint Georgenconstruido en Austria en el ao1993, figura 3.8. Para su construc-cin se analizaron detenidamentelos aspectos siguientes:


Figura 3.7 Proteccin con tejados de la estructuraprincipal.

- Concepcin de la obra,- Eleccin de la madera y-Tratamiento de los detalles constructivos.

A esta estructura de madera, por estar situada en un ambiente exteriorno protegido, le correspondera una clase de uso 4.Al quedar resguardada por el tablero prefabricado de hormign de la ac-cin del agua se rebaj a una clase de uso 2.

Al utilizar una especie de madera, en este caso alerce, adaptada perfecta-mente a la clase uso 2, no se trat en autoclave.

Para los detalles de construccin se adoptaron las disposiciones siguientes:- Proteccin de las caras superiores de los arcos con placas metlicasgalvanizadas.- Sellado de las testas.- Separacin del suelo de las bases de pilares y arcos.

En ms de cuarenta puntos previamente identificados, correspondientesa las zonas de unin de las bases de pilares y arcos, la madera fue im-pregnada (1 bar de presin) a travs de taladros realizados a estos efec-tos. Tambin se inyect (bajo 3 bar) una resina sinttica para impedircualquier ascenso de humedades. Adems, el conjunto de las piezas me-tlicas, incluidas aquellas que estn alojadas en la propia madera, son deacero galvanizado.


Figura 3.8 Puente de Saint Georgen en Austria.

3.6. PROTECCIN CONTRA EL FUEGO

La resistencia al fuego de la estructura comprende la comprobacin de laspiezas de madera y de las uniones. La madera tiene buen comportamientofrente al fuego, por lo que es relativamente fcil alcanzar tiempos de resis-tencia de 30 y 60 minutos, cuando el grueso de la pieza es de al menos100 o 180 mm, respectivamente. Sin embargo, las uniones constituyen elpunto dbil de la estructura frente al fuego, particularmente en el caso delas uniones con elementos de fijacin metlicos.

El comportamiento de las uniones carpinteras, en las que los elementosmetlicos, o no existen, o estn presentes en cantidades mnimas y sin re-levancia estructural, es el correspondiente al de la madera por s misma.Su respuesta al fuego en general es buena ya que nicamente se produceuna prdida de seccin en las superficies expuestas. No obstante, pue-den alcanzarse situaciones crticas en las cajas o rebajes con profundida-des escasas, en los que es fcil llegar a su desaparicin en el tiemporequerido de resistencia al fuego. En estos casos, es sencillo aadir unapieza de madera que sirva de proteccin adicional como material de sa-crificio.

En el caso de las uniones mecnicas, en las que se emplean elementos me-tlicos para realizar la conexin, la situacin puede ser menos favorable. Elacero sin proteger tiene una elevada conductividad trmica y sus propie-dades mecnicas disminuyen con el aumento de la temperatura. El pro-blema de la resistencia al fuego de las uniones mecnicas se puede dividiren los tres grupos siguientes: uniones entre piezas de madera (madera-ma-dera-madera), uniones entre madera y acero al interior (madera-acero-madera) y uniones con herrajes expuestos.

Una unin del primer caso (madera-madera-madera) realizada con ele-mentos de fijacin metlicos expuestos, dimensionados para una situacinnormal de clculo, queda asignada a una resistencia al fuego de 15 a 20 mi-nutos dependiendo del medio de fijacin utilizado. Los pasadores son losque presentan un mejor comportamiento al fuego.

Con un sobredimensionado de la capacidad mecnica de la unin, que in-cluye al aumento de las secciones de las piezas con respecto a la situacinde clculo en temperatura normal, es fcil alcanzar una resistencia al fuego


R30. Este valor permite resolver la mayora de las situaciones de las es-tructuras de madera segn las exigencias de la normativa.

Las uniones con chapas metlicas en el interior (madera-acero-madera)pueden con relativa facilidad alcanzar resistencias al fuego de R30 y R60.Yfinalmente, el caso ms desfavorable de las chapas metlicas expuestas alfuego, como es el caso de los herrajes visto de apoyo de correas requiereun estudio ms detallado de su comportamiento y la norma de maderaremite al clculo siguiendo la normativa de acero en caso de incendio. Enesta situacin es ms difcil superar la resistencia R30, salvo que se dispongade una proteccin aadida con otros materiales o elementos.


Figura 3.9 Uniones no protegidas en situacin de incendio.

4. UNIONES TRADICIONALES

4.1. INTRODUCCIN

Las uniones tradicionales, procedentes de un saber ancestral y emprico,cayeron en desuso por la dificultad de encontrar carpinteros especializa-dos y por el excesivo costo de su fabricacin.Actualmente han recuperadoespecial protagonismo, gracias a la fabricacin asistida por ordenador, al re-ducirse costos y aumentar la precisin de la ejecucin. La limpieza de estaclase de uniones es muy superior a la de las uniones mecnicas en las quepriman los elementos metlicos que implican, a menudo, un sobredimen-sionado de las escuadras.

El comportamiento de las uniones tradicionales responde en general al deuna articulacin, estrategia que da una buena respuesta a los cambios di-mensionales de la madera.

La tendencia actual consiste en realizar uniones tradicionales sin aporta-cin alguna de herraje metlico que, de utilizarse, es solamente como me-dio de afianzamiento.


Figura 4.1 Fotografa de unin tradicional viga / soporte.

4.2.TIPOS DE UNIONESTRADICIONALES

Entre las uniones tradicionales se distinguen los tipos siguientes:

Ensambles por barbilla:- Se utilizan para realizar uniones entre dos piezas que forman un n-gulo inferior a 90.- Pueden corresponder a la unin de par y tirante o de pendoln y tor-napunta, etc.- La pieza comprimida apoya sobre un rebaje en la pieza que la recibe.- Resultan indispensables pernos o bridas metlicas para afianzar launin.

Ensamble de caja y espiga:En esta clase de ensamble una pieza tiene en su extremo una parte adel-gazada que se aloja en una entalladura de la otra pieza denominada caja omortaja. Entre otras se presentan las uniones siguientes, figura 4.3:

Pie derecho sobre durmiente.Apoyo de viga sobre pie derechoApoyo de viga sobre cara de pie derechoEnsamble de jabalcn sobre viga


Figura 4.2 Embarbillados.

a) Embarbillado simple b) Embarbillado trasero

c) Embarbillado doble d) Ejemplo de embarbillado doble en viga de puente

Empalmes de llave y de rayo de JpiterEstos empalmes permiten realizar de dos piezas solicitadas a traccin por sustestas, como es el caso de los tirantes de las cerchas, figura 4.4. En este casola seccin eficaz queda reducida a menos de la mitad de la seccin completa.


Figura 4.3 Ensambles de caja y espiga.

Figura 4.4 Empalme en rayo de Jpiter del tirante de una cercha.

Apoyo de viga sobre pilar

Ensamble de jabalcn sobre viga

Apoyo de viga sobre cara de pie derecho

Apoyo de viga sobre cara de pie derecho

En el empalme de llave las dos piezas presentan rebajes que se acoplan en-tre s evitando su deslizamiento. La llave la constituye la clavija rectangularque sirve para ajustar el empalme, figura 4.5.a.

En el empalme en rayo de Jpiter el escalonado entre piezas es oblicuo,precisando bridas para su afianzamiento. La longitud del empalme est com-prendida entre 2 y 5 veces la altura de la seccin, figura 4.5.b.

Uniones en cola de milano:El extremo de una de las piezas se adelgaza a media madera con una formaque recuerda a la cola del milano. Este extremo encaja en el vaciado de laotra pieza. Estos ensambles entre barras pueden resistir solicitaciones detraccin o compresin perpendicular y traccin oblicua o axial, figura 4.6.


Figura 4.5 Empalmes de llave y en rayo de Jpiter.

a) Empalme de llave

Figura 4.6 Uniones en cola de milano.

c) Traccin o compresin perpendicular d) Traccin o compresin axial

a) Compresin oblicua b) Traccin o compresin axial

b) Empalme en rayo de Jpiter

Muy utilizado ltimamente es el enlace en cola de milano resistente al corteproyectado para realizar uniones entre vigas secundarias y vigas principa-les de cubiertas. Unin que permite un montaje sencillo y extremadamenterpido con el inconveniente de presentar una baja resistencia al fuego (R20)y un posible fallo por rotura frgil. Para evitarlo se debe incorporar algntirafondo, figura 4.7.

Acoplamientos:Corresponden a la unin de dos o ms piezas por sus caras para formaruna seccin mayor.Tradicionalmente para conseguir una seccin mayor serecurra al acoplamiento de dos ms piezas de madera enlazndolas me-diante llaves de madera o superficies dentadas realizadas en la zona de con-tacto, afianzadas con bridas, vase figura 2.3.

4.3. CLCULO

El clculo de las uniones tradicionales se efecta comprobando las tensio-nes tangenciales y de compresin desarrolladas entre las piezas enlazadas.Para ello se realizan hiptesis de clculo muy simplificadas, suficientemente


Figura 4.7 Unin en cola de milano resistente al corte.

c) Rotura del ensamble d) Fotografa de las viguetas embrochaladasa la viga principal

a) Viguetas fabricadas con el extremo en cola de milano b) Ensayo

sancionadas por la experiencia. El Cdigo Tcnico de la Edificacin pro-porciona recomendaciones para la comprobacin de uniones embarbilla-das y en cola de milano.

En algunos casos, donde la justificacin del clculo no es fiable se procedeal ensayo de modelos.

En la actualidad la aplicacin del Mtodo de los Elementos finitos es unaherramienta muy potente que permite evaluar con mayor fiabilidad elcomportamiento de esta clase de uniones. En nuestro pas los profeso-res Manuel Guaita Fernndez de la Universidad de Santiago de Com-postela y Pablo Vidal Lpez de la Universidad de Extremadura handesarrollado lneas de investigacin para esta clase de uniones. En las si-mulaciones numricas de las uniones embarbilladas se aprecia que la fric-cin entre superficies en contacto adquiere una alta impor tancia,poniendo de manifiesto que el clculo convencional en el que se basa elCdigoTcnico Espaol de la Edificacin, queda ampliamente del lado dela seguridad.


Figura 4.8 Clculo de embarbillados. Articulo 8.5.3 del CTE.

Figura 4.9 Desplazamientos de los nodos de un ensamble embarbillado para un ngulo de encuentro = 25

a) Embarbillado simple

a) Fotografa de nudo embarbillado b) Mallado del nudo

a) Embarbillado doble

5. UNIONES MECNICAS

5.1. INTRODUCCINSon las ms empleadas actualmente. Con esta denominacin se incluyentodos los sistemas de unin que emplean elementos metlicos a modo depasadores y placas, lo que implica la colaboracin de otro material para latransmisin de los esfuerzos. Su aportacin mejora sustancialmente los ba-jos rendimientos de las uniones tradicionales. Debe evitarse un exceso deelementos metlicos, ya que la unin estar tanto mejor resuelta cuantomenos piezas metlicas contenga y ms simple sea su ejecucin.

Se dividen en dos grupos:

1) En el primer grupo los conectores tipo clavija (clavos, tornillos, tira-fondos, pasadores, grapas) constituyen la base de este medio de unin.Sus posibilidades estn relacionadas con el nmero de secciones de ma-


Figura 4.10 Distribucin de tensiones normales a las superficies de contacto en un ensamble embarbillado.

dera solicitadas a cortadura y con las pro-piedades resistentes de la madera y delacero. Para conseguir una eficacia plena laspiezas de madera deben tener un espesormnimo con el fin de que la ruptura no sepresente prematuramente por aplasta-miento local antes de alcanzarse la resis-tencia lmite del conector.

Se puede hablar de una esbeltez lmite de la clavija definida como la rela-cin ente la longitud de penetracin en la madera y su dimetro, esbeltezque limita los gruesos de las piezas a unir por solape al existir un lmite apartir del cual se alcanza el valor mximo de la resistencia de la unin. Estelmite corresponde a 8 o 10 dimetros de la clavija. Si la pieza de maderasupera esta dimensin se deben realizar hendiduras y colocar en ellas pla-cas embutidas. Ha de tenerse en cuenta, adems, que debido a la aniso-tropa y a la fragilidad de la madera en direccin perpendicular a la fibra laseparacin entre conectores tipo clavija debe respetar unas distancias m-nimas para evitar fisuras.

2) En el segundo grupo se incluyen los conectores de superficie (anillos,placas y conectores dentados) que resisten tambin fuerzas de corte y sonan ms exigentes en lo que se refiere a su separacin.

5.2 CONECTORESTIPO CLAVIJA

5.2.1. Conectores tradicionales

Los clavos constituyen el medio de unin ms comn en los sistemas deentramado ligero. El tipo de clavo ms utilizado es el de fuste de adheren-cia mejorada, con resaltos en forma de cuas o de helicoide. Los clavos li-sos tienen una muy baja resistencia a la extraccin. El dimetro de los clavosvara entre los 3 y 8 mm y la longitud entre 40 y 200 mm.Tambin se uti-lizan para la fijacin de herrajes de apoyo o cuelgue, como los estribos deapoyo de correas en las piezas principales de madera laminada encolada.La resistencia mnima a traccin exigida al acero es de 600 N/mm2.

El empleo de clavos para unir madera/madera o madera/tablero suele que-dar limitado a piezas de un grueso moderado, entre 35 y 140 mm.Cuando


se utilizan para la fijacin de herrajes son siempre de adherencia mejoradapudiendo penetrar en piezas de gran espesor. Los esfuerzos que transmi-ten estn comprendidos entre 0,5 y 1,5 kN.

En los pases anglosajones es frecuente su uso para la unin de pilares y vigasen nudos de prticos, o en las uniones de cordones y celosa del alma en lasvigas trianguladas cuando se utilizan cartelas de tablero contrachapado.

En la actualidad su colocacin se facilita con clavadoras de clavo en rollo o en tira.

Los tirafondos o tornillos para madera clsicos o tradicionales se fabrican, engeneral, con dimetros que varan entre 4 y 20 mm y longitudes de 25 a300 mm, aproximadamente, con cabeza hexagonal.Acero de calidades de3.6 a 5.8. El 60% de la totalidad del vstago est roscado. Exigen pretaladropara que no se produzcan fisuras si el dimetro es superior a 5 mm. Su di-ferencia principal con los clavos es su mejor respuesta ante esfuerzos de ex-


Figura 5.1 Uniones clavadas.

a) Unin de par / tirante mediante clavos b) Estribo externo

Figura 5.2 . Ejemplos de uniones clavadas con tableros contrachapados.

Nudo de unin viga / pilar Cercha con cartelas de tablero contrachapado

traccin. Se utilizan tambin en uniones acero/madera y para la unin deelementos secundarios de arriostramiento. La capacidad de carga ante es-fuerzos de corte es algo superior a la de los clavos.

Los pernos: tienen fuste cilndrico con cabeza y tuerca. De dimetros supe-riores a clavos y tirafondos, entre 12 y 30 mm, permiten la transmisin decargas ms elevadas. Se emplean para las uniones de piezas de madera ase-rrada con gruesos mnimos de 40 mm y de piezas de madera laminada.Pueden utilizarse para la unin directa madera/madera o acero/madera. Eldimetro del agujero es hasta 1 mm mayor que el del propio perno, hol-gura que disminuye la capacidad de transmisin de carga y genera mayo-res deslizamientos que los que se presentan en las uniones realizadas conclavos, tirafondos o pasadores, de ah que lo normal sea que el perno se uti-lice como elemento de fijacin de otro tipo de conector. La capacidad detransmisin de esfuerzos es de 6 a 15 kN.


Figura 5.3 Clavos en rollo y en tira.

Figura 5.4 Tirafondos.

Los pasadores son barras lisas de acero de seccin circular con dimetroscomprendidos entre 8 y 24 mm, largos de 50 a 500 mm y extremos de em-bocaduras biseladas. Dan a la unin un aspecto esttico mejor que los per-nos al no tener cabeza, tuerca ni arandelas. El taladro es de un dimetroligeramente inferior (de 0,8 a 1 mm) lo que obliga a su ajuste con cierta pre-sin que garantiza su eficacia en la transmisin de esfuerzos. Es sencillo ocul-


Figura 5.5 Fijacin del herraje mediante tornillos de cabeza avellanada de roscado completo.

Figura 5.7 Pasadores.

Figura 5.6 Pernos.

Perno de cabeza hexagonal

Detalle de unin realizada con pasadores

Ensamble par/ tirante realizado con pernos

tar los pasadores, con lo que se consiguen mejores prestaciones en caso deincendio. Se emplean en uniones de piezas de madera laminada encoladacombinados, en general, con placas metlicas. Exigen una puesta en obra muyprecisa y un control muy estricto del contenido de humedad para evitar mo-vimientos indebidos.

5.2.2. Conectores de ltima generacin

1) Pasadores autotaladrantes

Son de acero al carbono. Se fabrican con dimetros de 5 a 7 mm y largosque varan de 73 a 193 mm y de 113 a 233 mm, respectivamente. Se apli-can en uniones acero / madera con un mximo de 3 placas de acero em-butidas de 5 mm de espesor o una sola placa de 10 mm, figura 5.8.

En general se trata de uniones en las que la parte metlica queda prote-gida proporcionando una respuesta al fuego excelente.

El comportamiento de estas uniones ha sido analizado tericamente y tes-tado experimentalmente. Su rotura es dctil, presentndose el fallo tras unadeformacin considerable de los pasadores.

El campo de aplicacin es muy extenso. Comprende nudos de vigas trian-guladas; nudos de esquina de prticos a dos aguas; empalmes de piezas demadera; empotramientos de pilares; uniones viga pilar y apoyos sobre pila-res.


Figura 5.8 Pasadores autotaladrantes.

2) Conectores de doble rosca autoperforantes

Son elementos de enlace concebidos para unir piezas de madera/madera.Se diferencian de los tirafondos tradicionales por sus dos roscas, una deavance y otra de apriete. Entre las dos zonas roscadas hay una zona no ros-cada, denominada caa, de 30 mm de longitud. Las longitudes disponiblesson: 160, 190, 220, 245 y 300 mm.

Gracias a las dos roscas, estos conectores, adems de fuerzas de corte, pue-den resistir fuerzas axiales de traccin y, tambin, de compresin, resultandoenlaces particularmente eficaces y rgidos. El ensamblaje para la suspensinde viguetas, uniones de vigas cruzadas sobre los apoyos y refuerzo de vi-gas por acoplamiento de dos o ms piezas son algunas de sus aplicacionesms habituales, figura 5.11.


Figura 5.9 Uniones realizadas con pasadores y placas embutidas.

Figura 5.10 Conectores de doble rosca.

Nudo de viga triangulada Nudo de esquina Empalme de pieza

Empotramiento de pilar Unin viga pilar Detalle de apoyo

Una ventaja adicional es que en las solicitaciones a cortadura se desarro-lla, adems, un efecto soga que permite incrementar el valor de la capaci-dad portante deducida mediante las ecuaciones de Johansen.

Con estos conectores se realizan refuerzos parciales de las piezas de ma-dera en aquellas zonas en las que est presente la traccin perpendicular,vase la figura 3.3, lo que evita refuerzos ms complejos con varillas rosca-das encoladas.

Tambin se disponen como refuerzo en zonas en las que se presentan ten-siones importantes de compresin perpendicular a la fibra, como sucede enlas uniones viga/pilar de edificaciones de uno, dos o ms niveles, figura 5.12.


Figura 5.12 Uso de los conectores de doble rosca para refuerzo de zonas de compresin perpendicular.

Figura 5.11 . Algunas aplicaciones de los conectores de doble rosca.

Embrochalado de vigas Ejecucin en obra del embrochalado de vigas

Suspensin de viguetas Acoplamiento de dos o ms vigas

3) Los tornillos todo rosca de cabeza cilndrica con punta autoperforante de-sarrollan anlogas funciones que los de doble rosca.

4) Los tornillos todo rosca de cabeza avellanada con punta auto perforante seemplean para uniones madera / acero, figura 5.14.

5) Los conectores madera / hormign se utilizan en obras de rehabilitacinpara hacer solidaria la losa de hormign con la viga de madera consi-guindose una viga mixta cuya capacidad de carga llega a duplicar a la dela madera, figura 5.15.

6) Barra todo rosca

Corresponde a un sistema de refuerzo en zonas de traccin perpendiculara la fibra (zonas de vrtice, vigas entalladas y refuerzo en superficies de trac-cin perpendicular), vase la figura 3.3. Se trata de barras sin cabeza, de di-metro de 16 mm o 20 mm con largos de 3 metros de las que se obtiene porcorte la longitud deseada. Resistencia a la traccin del acero: 800 N/mm.


Figura 5.13 Tornillo todo rosca con punta autoperforante con cabeza cilndrica.

Figura 5.14 Tornillo todo rosca con punta autoperforante con cabeza avellanada.

Tornillo todorosca decabezaavellanada

Unionesmadera/acero

Requieren pretaladro:- Dimetro 16 mm: pretaladro de 12 mm- Dimetro 20 mm: pretaladro de 15 mm

Precisan de cabezal para la puesta en obra.

5.3. CONECTORES DE SUPERFICIE

El conector de superficie es un elemento de fijacin de forma circular orectangular que se introduce entre dos piezas de madera y se afianza me-diante un perno. Los conectores se clasifican en los tipos siguientes: de ani-llo, de placa, dentados y de madera.


Figura 5.16 Barra todo rosca sin cabeza.

Figura 5.17 Apoyo de cercha realizado con conectores de superficie fijados con pernos.

Figura 5.15 Conectores madera/hormign.

Conector Disposicin en obra de los conectores

Distribucin de los conectores a lo largo de la viga mixta madera/hormign

Obra de rehabilitacin

Los conectores de anillo y de placa abarcan dimetros de 48 hasta 117 mmy los conectores dentados desde 38 hasta 165 mm. En las construcciones demadera laminada encolada se emplean los dimetros mayores y en las demadera aserrada no se alcanzan dimetros superiores a 75 mm.

Los conectores de anillo solamente se emplean para uniones madera / ma-dera y los de placa pueden utilizarse en uniones madera / madera y ma-dera / acero, figura 5.18.

Los conectores dentados incluyen dos grupos: el primero, con dientes de as-pecto triangular (pas) que pueden situarse a uno o a ambos lados de laplaca y el segundo, con dientes de forma troncocnica dispuestos en unao en las dos caras, figura 5.19.


Figura 5.18 Conectores de anillo y de placa.

Figura 5.19 Conectores dentados.

Conectores de pas Conectores de dientestroncocnicos

Transmiten la carga por aplastamiento entre la madera y el conector a tra-vs de un rea mayor que la de las de los conectores tipo clavija. Son ade-cuados en el caso de grandes esfuerzos y escuadras. Cada elemento escapaz de resistir solicitaciones comprendidas entre 10 y 50 kN.

Los conectores de placas-clavo, son elementos de fijacin que constan deuna placa metlica de espesor reducido con una elevada densidad de pun-tas extradas por estampacin de la misma chapa y dobladas en direccinperpendicular.

Se emplean en uniones de piezas de maderacon gruesos reducidos (35 a 70 mm) dispo-niendo las placas en las superficies exteriores.Su clavado se realiza con prensa hidrulica.De-bido a sus posibilidades de estandarizacin sonrelativamente econmicas. Su principal incon-veniente es su mal comportamiento al fuego,consecuencia del reducido grueso de las sec-ciones de madera y de las placas metlicas, loque exige una proteccin total del falso te-cho. Los clculos se realizan en general utili-zando programas informticos desarrolladospor los propios fabricantes. Estos programaspermiten adems el diseo de la estructura ysu fabricacin.

5.4. CLCULO

5.4.1. Conectores tipo clavija

La capacidad de carga generada por medios de unin tipo clavija se de-termina evaluando su capacidad de resistencia al cor te aplicando lasecuaciones de Johansen (1949), adoptadas por el Eurocdigo 5. Su plan-teamiento consiste en la determinacin de las diferentes capacidades decarga de la unin al corte atendiendo a los posibles modos de rotura.La capacidad de carga real es la que corresponde al modo de roturams dbil.


Figura 5.20 . Placas clavo.

La capacidad de carga al corte est relacionada con:- El aplastamiento de la madera en contacto con la clavija- La plastificacin por flexin de la clavija- La resistencia a la extraccin

En el CTE se incluye el clculo de las uniones correspondientes a: ma-dera/madera, madera/tablero y madera/acero, analizando el fallo a simpley doble cortadura con las dos consideraciones siguientes:

1. La clavija se comporta como un elemento rgido presentndose el ago-tamiento por aplastamiento de la madera.2. La clavija es ms esbelta y el fallo se presenta por aplastamiento de lamadera y agotamiento de la clavija al formarse rtulas plsticas.


Ecuaciones de Johansen

Figura 5.21 Fallo de una conexin realizada con clavija.

1. Aplastamiento

2. Plastificacin de laclavija.

3. Resistencia a laextraccin.

De los ensayos de las uniones se obtiene la representacin de los diagra-mas que relacionan cargas/deslizamientos.

Para valorar la ductilidad de las clavijas se efectan pruebas de doblado a180 con la exigencia de la no presencia de fisuras. Esta capacidad de do-blado es muy conveniente para resistir el sismo y tambin para acomo-darse a los movimientos de la madera en las uniones madera/madera.


Figura 5.22Modos de fallo en uniones de madera con madera y de madera con tablero segn el CTE.

Figura 5.23Modos de fallo en las uniones entre acero y madera segn el CTE.

Debido a que las frmulas de Jo-hansen no tienen en cuenta losmecanismos de rotura frgiles, lanormativa impone la necesidadde determinadas separaciones ydistancias mnimas entre clavijasy entre clavijas y bordes.


Figura 5.24 Pruebas de resistencia al corte de conectores tipo clavija. Ensayos realizados en el Instituto de la maderapara la construccin de la Universidad Tcnica de Graz.

Dos simples cortaduras con doblertula plstica.

Fallo doble cortadura por aplastamientode la madera.

Diagrama cargas/desplazamientos del ensayo.

Fallo de la clavija y de la madera poraplastamiento en doble cortadura.

1. Testa cargada.

2. Testa sin carga.

3. Borde cargado.

4. Borde no cargado.

1. 2. 3. 4.

Figura 5.25 Prueba de doblado de las clavijas.

Figura 5.26 Distancias mnimas entre clavijas segn el CTE.

5.4.2. Conectores de superficie

En los conectores de anillo y de placa se generan tensiones de aplasta-miento entre el anillo y la madera. El perno no llega a trabajar debido aque normalmente se aloja en agujeros sobredimensionados, entrando so-lamente en carga cuando ha fallado la unin. Su misin queda reducida amantener la posicin de las piezas. El artculo 8.4.1 del CTE est dedicadoal clculo de estos conectores.

En los conectores dentados la carga se transmite por aplastamiento de lamadera, bajo la accin de los dientes del conector y del fuste del perno,combinndose a veces con la flexin de los dientes. La rotura de estas unio-nes muestra un comportamiento plstico, por lo que es posible sumar lascapacidades de carga de perno y conector. El CTE en el artculo 8.4.2, con-templa su clculo.

5.5. DESLIZAMIENTO

Las uniones realizadas con elementos de fijacin tipo mecnico sufren des-lizamientos cuando entran en carga. La magnitud del deslizamiento dependede los esfuerzos que intervienen y de la rigidez propia del medio de unin(el deslizamiento es mayor en clavos y pernos que en pasadores).

Cada medio de unin tiene una rigidez diferente. Esta caracterstica impideconsiderar como capacidad de carga de la unin la suma de las capacidadesde carga de los diferentes elementos de unin que se combinan. Por ejemplo,al ser la unin encolada mucho ms rgida que la unin clavada, los clavos noasumirn carga alguna hasta que se haya producido el fallo del encolado.


Figura 5.27 Pruebas de resistencia al corte de conectores de anillo y dentados. Ensayos realizados en el Instituto de lamadera para la construccin de la Universidad Tcnica de Graz.

Es obligado considerar en el clculo de esfuerzos y deformaciones la in-fluencia de estos deslizamientos. As, por ejemplo, en los prticos de ma-dera laminada con nudos de esquina realizados con una o ms coronas depernos el anlisis de su comportamiento debe considerar que estas unio-nes son semirrgidas y no rgidas, lo que provoca cierta diferencia de giroentre pilar y dintel, con reduccin de momentos flectores en los nudos yamplificacin de momentos y flechas en los vanos.

A las uniones se les debe exigir no slo la resistencia adecuada sino tam-bin una buena ductilidad.

Las curvas cargas/deslizamientos propias de cada medio de unin o sis-tema de conexin son muy variables. La unin encolada es la ms rgida ysu comportamiento es elstico-frgil. Las uniones empernadas presentan


Figura 5.28 Prticos con nudos de esquina con corona de pernos.

Figura 5.29 Curvas de cargas / deslizamientos en funcin de resistencia y ductilidad.

a) Nudo con corona de pernos b) Prticos de nave

un comportamiento semirrgido con una ductilidad pronunciada. Las unio-nes realizadas con clavos tienen un comportamiento frgil si la densidaddel clavado es fuerte y muy dctil si es dbil. Las uniones en las que parti-cipan conectores de anillo y conectores dentados presentan una cierta duc-tilidad. Las uniones en las intervienen placas metlicas tienen uncomportamiento acentuadamente semirrgido y relativamente dctil.

5.6. COMPORTAMIENTOAL SISMO

Todos los conectores metlicos y, en particular, los de tipo clavija tienen,debido a su mayor capacidad de plastificacin, la particularidad de consti-tuir uniones semirrgidas elastoplsticas, lo que es muy favorable ante soli-citaciones ssmicas y dinmicas al reducir los picos de tensiones en la primerafrecuencia natural, mejorar el coeficiente de amortiguamiento y alejar a laestructura del riesgo de resonancia.

Para analizar el comportamiento de las construcciones de madera antesismos se ha llevado a cabo el Proyecto de investigacin sobre edifica-cin sostenible Sofie cuyo objetivo principal es evaluar el potencial ydefinir la ejecucin de un sistema constructivo destinado a edificios devarias plantas, en los cuales, la estructura portante est formada por pa-neles masivos contralaminados de madera certificada procedente de la re-gin deTrentino.

Este sistema constructivo se caracteriza por la baja demanda energticapara su realizacin, los altos niveles de seguridad en caso de incendio, elelevado aislamiento acstico, su alta resistencia en caso de sismo y la ele-vada durabilidad. El sistema denominado X-LAM, consiste en una solucinque utiliza como elemento base paneles contralaminados de madera.

Por la magnitud y lo novedoso se proyectar, a continuacin, un video deuno de los ensayos (23 de octubre de 2007) en el que se simula el terre-moto de Kobe (7,3 de magnitud en escala Richter y ms de 6.000 vctimasen 1995) que est considerado como el peor desastre natural de Japn enla posguerra mundial. Para reproducir los sismos ms devastadores y po-der ensayar estructuras a escala real se construy en Miki (2000-2005) lamesa vibratoria ms grande del mundo (de 15 x 20 m y 1.200 toneladasde capacidad de carga).


El edificio probeta de madera construido a escala real tiene 7 plantas y 24metros de altura. Los muros estn conectados entre s, mediante tornillosauto perforantes y los forjados de paneles contralaminados de 142 mm deespesor se unen a los muros mediante grapas metlicas y tornillos. Los re-sultados fueron muy satisfactorios.

6. SISTEMAS DE CONEXIN

6.1. INTRODUCCIN

El desarrollo de la ingeniera de las estructuras de madera est ntimamenterelacionado con el progreso de las conexiones.A mediados del siglo pasadodos ingenieros Paul Metzer (Alemania) y Komrad Sattler (Austria) pusie-ron los cimientos que potencian la capacidad de las uniones. La idea es lasiguiente: una clavija es un vstago, en general de acero, que penetra en lamadera y le transmite esfuerzos en direccin perpendicular a su eje. De-bido a que la clavija es habitualmente una pieza esbelta en relacin con su


Figura 5.30 Ensayos de sismo en edificios de madera de 3 y 7 plantas.

longitud, su influencia sobre la madera que la rodea est limitada sola-mente a una parte de esta longitud. Para mejorar la eficiencia de la uninse puede optar por sustituir la seccin completa de madera por dos oms secciones de menor tamao o, lo que es ms operativo, insertar va-rias placas de acero que generen para la misma seccin, dos o ms super-ficies de corte. Esta conexin mltiple a corte es la base de la mayora delos sistemas de conexin. Sistemas que, en general patentados, se aplicana problemas especficos y repetitivos en los que su utilizacin es rentable.De todos ellos solamente se presentan algunos de los ms conocidos.

6.2. SISTEMA DE FIJACIN CTBA- HILTI

Utiliza placas metlicas de unos 6 mm insertadas en el interior de las pie-zas de madera. Como medio de fijacin se utilizan clavos.

6.3. SISTEMA GREIM

Desarrollado por Walter Greim (Munich, Alemania) trata de conseguir lamxima eficiencia de las uniones clavadas. Se utiliza principalmente en la fa-bricacin de vigas trianguladas.Varias placas de acero, hasta 6, de 1,0 a 1,75mm de espesor, quedan hendidas en la madera, separadas entre 16 y 30 mmy unidas con clavos de 2,5 a 4,2 mm. El espesor mximo de las hendidurasde la madera realizadas con sierra circular es de 2 mm. Los clavos se in-troducen sin pretaladro a travs de 3 o 4 placas, lo que facilita la rapidezde ejecucin. Debido al incremento del nmero de secciones de corte yal aplastamiento local de las placas la capacidad de carga transmitida por elclavo es del orden de cuatro a seis veces mayor que la correspondiente auniones madera/madera.


Figura 6.1 Sistema de conexin CTBA- Hilti.

Vigas trianguladas de luces de 25 o ms metros responden de la eficacia deeste sistema. En la figura se representan las vigas de la cubierta de 26,4 me-tros del pabelln de deportes de Ekibon (cantn de Lucerna) construidoen 1974 y proyectado por Hans Banholzer.

6.4. SISTEMA BSB (BLUMER-SYSTEM-BINDER)

Este sistema, cuyos comienzos datan de los aos cincuenta del siglo pasado,es un hito en la historia de las conexiones de madera. La puesta a puntodel sistema se debe a las investigaciones realizadas en el ETH de Zurich apartir de 1980 y a los trabajos de Hermann Blumer (Waldst). Utiliza pla-


Figura 6.2 Sistema de conexin Greim.

Figura 6.3 Vigas trianguladas realizadas con el sistema de conexin Greim.

Esquema de las vigasde la cubierta de 26,4metros del pabelln dedeportes de Ekibon (1974)

Cercha fabricada conel sistema Greim

Detalle de nudo tipo Greim

cas de acero intercaladas en las piezas de madera unidas por pasadores deacero. Permite realizar uniones de los nudos de vigas trianguladas, prticos,emparrillados y estructuras espaciales. Una ventaja muy importante es quelos elementos de conexin quedan ocultos. Los resultados de los ensayosrealizados ponen de manifiesto que el fallo de la unin corresponde a uncomportamiento dctil.

Un programa informtico, desarrollado especficamente, facilita el clculo, eldiseo y la fabricacin. Los agujeros en la madera y placas destinados alpaso de los vstagos se realizan con precisin suficiente para alojar hasta seisplacas. Los pasadores son de dimetro pequeo, hasta 6 mm, debido a laexigua separacin de las cartelas. La distribucin de los pasadores puede serlineal o circular.

En cualquier caso la comprobacin de la unin puede realizarse por me-dio de tablas o, lo que es mejor, depositar en la propia empresa la respon-sabilidad del clculo ya que integra un departamento de ingeniera.

Este sistema que es de lo ms competitivo permite realizar grandes es-tructuras. Sirvan como ejemplo el Selgis Road Bridge construido sobre elMuota en el cantn Schwyz en 2001.Y las vigas principales del pabelln dedeportes de Gurlaina construidos en 1998.

De las experiencias realizadas entre 1982-1983 el ETH de Zrich desa-rroll, basado en este sistema, un modelo de nudo de estructuras espa-ciales de madera. La malla espacial de 27 x 45 metros que soporta lacubierta del Arbon Seepark (CantnThurgau) se mont a pie de obra izn-dose posteriormente en pocas horas. Los mdulos de 3 x 3 metros son pi-


Figura 6.4 Nudo de una viga triangulada realizada el sistema de conexin BSB.

rmides de cuatro caras cuyos vrtices quedan enlazados por una retculade barras de madera.

El desarrollo constructivo basado en este sistema de nudos de estructuras r-gidas espaciales ha permitido realizar la cubierta del Centro Nacional de Cul-tura y Deportes en Kirchberg (Luxemburgo) de 25.000 m2 de superficie.Constituida de varias cscaras fabricadas con una estructura de madera lami-nada apoya solamente en nueve puntos. Dado el descomunal tamao de lacubierta las uniones deben resistir y transferir esfuerzos muy importantes. Laestructura bsica principal esta constituida por mdulos triangulares de barrasenlazadas rgidamente en los nudos utilizando el sistema BSB, que permiti unsencillo y rpido ensamblaje de los diferentes componentes de la cubierta.


Figura 6.5 Esquema de la estructuradel Selgis Road Bridge (2001).

Figura 6.6 Esquema de las vigastrianguladas del Pabelln de deportesde Gurlaina (1998).


Figura 6.7 Cubierta espacial del Arbon Seepark.

Detalle de nudo

Figura 6.8 Cubierta del Centro Nacional de Cultura y Deportes en Kirchberg (Luxemburgo).

Vista general de la cubierta

Mdulos triangulares

Detalle de nudo utilizando el sistema BSB

Mdulo de cubierta espacial

6.5. PLACAS MENIG

En este sistema se disponen a intervalos muy cortos, sobre una placa de re-sina armada con fibra de vidrio a la que se incorpora una mezcla sintticade 3 mm separada por una lmina de aluminio muy delgada, clavos de acerode 1,6 mm de dimetro con los dos extremos apuntados con una resistenciaa la traccin de 800 N/mm2. Los clavos penetran mediante prensado en lasdos piezas a ensamblar. Las placas se fabrican en formato de 500 x 700 mmajustndose con gran facilidad a las dimensiones requeridas. Se utilizan prin-cipalmente para la fabricacin de armaduras trianguladas.

Willy Menig realiz sus propios ensayos para comprobar la capacidad decarga de su sistema poniendo de manifiesto que estas placas ofrecen unaresistencia y rigidez relativamente elevadas y, al quedar ocultas, proporcio-nan unas condiciones estticas muy favorables y un excelente comporta-miento al fuego. Su clculo se realiza como el de una unin encolada.

La cubierta del centro comer-cial CCA en Jona (cantn deSt Gallen) construida en 1974y formada por vigas armadastipoWarren con luces de 60,4metros, es un ejemplo de laeficacia de esta conexin.


Figura 6.9 Conectores de superficie tipo Menig.

Figura 6.10 Perspectiva de las vigas de lacubierta del centro comercial CCA en Jona.

Placa Menig Nudo de viga triangulada

6.6. SISTEMA JANEBO-BULLDOG

Permite enlazar pilares y vigas de edificacin. Consta de placas metlicas in-sertadas en el alma de la viga cuyo borde extremo en forma de ganchoenlaza con una placa metlica insertada, tambin, en el alma del pilar dise-ada con los rebajes adecuados para recibir los extremos de las placas dela viga. El contacto entre ambas placas materializa un comportamiento dertula. Las placas quedan unidas a la madera mediante vstagos.

6.7.ANCLAJE BERSCHTE VERPRESS DBEL (BVD)

Corresponde a una unin bastante extendida en Europa. Se comporta demanera similar a de un vstago roscado encolado en la madera. El anclajeest constituido por un tubo de fundicin de forma cilndrica con partes delcontorno vaciadas para permitir el paso de vstagos incorporados a travsde taladros en las piezas de madera. Su extremo dispone de una rosca quele permite enlazarse con otros materiales. Una inyeccin de mortero de re-sina hace solidario todo el conjunto. Este sistema transmite esfuerzos detraccin importantes, 350 kN de carga admisible, con secciones de piezasde madera relativamente dbiles, 140 x 160 mm. Puede utilizarse para so-portar esfuerzos de traccin, compresin, cortante y solicitaciones de fle-xin.


Figura 6.11 Nudo de uninvigas/pilar realizado consistema Janebo-Bulldog.

6.8. SISTEMAVARAX

En este sistema la unin se realiza con llantas de acero, cosidas con pernospasantes, abrazando lateralmente los extremos de los bordes de las vigasde madera laminada. Disposicin que permite construir nudos de estruc-turas espaciales de grandes luces.

La cpula deTacoma, EEUU, con un vano de 162 m y una altura de 48 m,construida en 1982, es rcord mundial de esta clase de estructuras y ejem-plo de las posibilidades de la madera laminada cuando se resuelven ade-

cuadamente sus enlaces. Las piezascurvas de madera de 15 metrosde longitud, 76 cm de canto y an-chos de 17/22 cm forman lostringulos base de la superficie.

Un total de 1.608 piezas, incluidasvigas principales y secundarias de


Figura 6.12 Sistema de conexin BERSCHTE (BVD).

Figura 6.13 Perspectiva de nudo espacia sistema Varax.

a) Perspectiva del anclaje b) Detalle de nudo esquina de prtico

c) Proyecto de nudo espacialcon el sistema BVD

madera laminada, se unieron en menos de dos meses. En trminos eco-nmicos represent la oferta ms ventajosa, un 20% menos que la de acero.

Para el clculo de esta cpula se supuso que las uniones en los nudos co-rrespondan a enlaces semirrgidos a los que se asignaban unos determi-nados mdulos tericos de rigidez a la rotacin que la realidad mejorsensiblemente. La medicin de la flecha efectuada en una construccin muysimilar tras una nevada de carga equivalente a la considerada en los clcu-los slo alcanz 1/2 pulgada cuando la previsin era de nueve. Esta diferenciase debe no slo a la mayor rigidez de las uniones sino tambin a la cola-boracin del entablado de cubierta.

En el montaje se emplearon cinco postes de madera como apeo auxiliarhasta completar cada anillo. Un anillo ya terminado es una estructura esta-ble. Despus de la construccin se comprob que el plomo de la claveslo tena un error de 1/2 pulgada.


Figura 6.14 Fotografas de la cpula de Tacoma.

Vista general Detalle del nudo

Vista interior de la estructura Montaje mediante anillos autoportantes

Un ao despus de la construccin se construy una nueva cpula prcti-camente idntica pero con dos pulgadas ms de vano.

7. UNIONES ENCOLADAS

7.1. BARRAS ENCOLADAS

7.1.1. Introduccin

En Alemania, Rusia y pases escandinavos, existe una experiencia de unoscuarenta aos en la utilizacin de barras encoladas para el refuerzo o co-nexin de piezas de madera. El inicio de este medio de unin se debe ala necesidad de realizar reparaciones puntuales de vigas en zonas de apoyoo en zonas de fallo a cortante, figura 7.1

Refuerzos similares se emplean para evitar posibles grietas provocadas porla traccin perpendicular a la fibra en zonas de vrtice de vigas a dos aguas,vigas curvas, en apoyos entallados y en huecos de vigas, figura 7.2.


Figura 7.1 Refuerzos en apoyos.

Figura 7.2 Disposicin de armaduras de barras encoladas como refuerzo a la traccin perpendicular.

7.1.2.Aplicaciones

7.1.2.1. Enlaces rgidos viga/pilar y pilar/zapata

La aplicacin ms prometedora de este sistema de conexin es la obten-cin de enlaces rgidos, como corresponde a la realizacin de nudos rgidosy a la ejecucin de empotramientos en cimentacin de pilares o de arcos.Para estos enlaces existen dos sistemas:

1. Barras encoladas paralelas a la fibra

En las uniones de ngulo Aicher y Herr (1998) realizaron ensayos con pie-zas de dimensiones estructurales. En la unin intervienen tres elementos:barras roscadas encoladas en los elementos de madera laminada, un ele-mento de contrachapado y chapas de acero de conexin.Tambin Kuhlman(2001) realiz ensayos que llevaron al planteamiento de algunas mejoras ne-cesarias ideadas para encuentros de prticos a dos aguas que posibilitan laprefabricacin en taller y el transporte de elementos estructurales de formaaislada, ensamblndolos en obra mediante pasadores; operacin que re-duce tiempos y costos.

Buchanan, de Universidad Canterbury realiz estudios sobre nudos rgidosen ngulo, en especial los de esquina de los prticos a dos aguas.De las so-luciones propuestas, figura 7.4, las mejores son: acartelar el dintel de maderapara compensar la prdida de seccin debida a los anclajes verticales o dis-poner de un marco rgido metlico, sistema que posibilita la fabricacin yel montaje de forma aislada de los elementos estructurales ensamblndo-los en obra mediante pasadores.Otra alternativa, colocar en la bisectriz dela unin una placa, ofrece un mal comportamiento ante una posible inver-sin de esfuerzos. En este tipo de uniones es importante reforzar las zonas


Figura 7.3 Unin de esquina ensayada por Aicher y Herr (1998).

de madera sometidas a compresin o las que puedan estar afectadas portracciones perpendiculares.

En edificacin existen diferentes alternativas para la ejecucin de nudos r-gidos. Todas ellas tienen un comportamiento bastante dctil, figura 7.5.


Figura 7.4 Nudos de esquina con barras encoladas de prticos a dos aguas.

Figura 7.5 Nudos rgidos viga pilar en edificacin.

Barras

uniones un reto para construir en madera

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