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COMPLEMENTOS DE ESTRUCTURAS

ESTRUCTURAS DE MADERA (1)

ANTONIO DELGADO TRUJILLODr. Arquitecto. Profesor Titular

Departamento de mecánica de medios continuos, teoría de estructurase ingeniería del terreno. E.T.S. de Arquitectura. Universidad de Sevilla

COMPLEMENTOS DE ESTRUCTURAS – ESTRUCTURAS DE MADERA (1) 2

ÍNDICE

0. Bibliografía1. Introducción a la madera en estructuras2. Propiedades de la madera3. Ventajas e inconvenientes de las estructuras de madera4. Terminología de barras de madera5. Tipologías de estructuras de madera


0. BIBLIOGRAFÍA

NORMATIVA

• CTE-DB-SE-M. Código Técnico de la Edificación, Documento Básico, Seguridad Estructural, Maderas. Ministerio de Vivienda, 2006.

• CTE-DB-SE. Código Técnico de la Edificación, Documento Básico, Seguridad Estructural. Ministerio de Vivienda, 2006.

• CTE-DB-SE-AE. Código Técnico de la Edificación, Documento Básico, Seguridad Estructural, Acciones en la Edificación. Ministerio de Vivienda, 2006.

ALGUNA BIBLIOGRAFÍA BÁSICA

• R. Argüelles, F Arriaga y J.J. Martínez Calleja. Estructuras de Madera, diseño y cálculo. Ed. Aitim, 2ª ed. Madrid, 2000.

• J.M. Izquierdo. Estructuras de Madera. Monografías de Intemac, Nº 7. Ed. Intemac, Madrid, 2005.

ALGUNA BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA

• N. Stungo. Arquitectura en madera, nuevas tendencias. Ed. Blume, Barcelona, 2003.

• Wood, legno, madera. Ed. Gribaudo, Savigliano, Italia, 2005.

• Madera. Revista Detail,año 2003 Nº 3. Ed. Reed Business Information, Bilbao.


1. INTRODUCCIÓN A LA MADERA EN ESTRUCTURAS

ALGUNAS CARACTERÍSTICAS DE LA MADERA• Buena resistencia a compresión, tracción y flexión.

Uso tradicional:– Fábricas: a compresión (poca resistencia a tracción).

– Madera: sobre todo a flexión; también a tracción y a compresión.

• Fácil de trabajar. En la edificación los procesos constructivos son fundamentales en las tipologías estructurales.

• Dificultad para obtener secciones y longitudes grandes.Históricamente:

– Estructuras adinteladas: luces pequeñas o medias (hasta unos 12 m).

– Estructuras abovedadas: luces grandes (hasta unos 40 m).

• Problemas de durabilidad.Principales destructores de la madera:

– Agentes abióticos (incendio, humedad, temperatura, sol, ...)

– Agentes bióticos (insectos, hongos, ...)


1. INTRODUCCIÓN A LA MADERA EN ESTRUCTURAS


2. PROPIEDADES DE LA MADERA

ESTRUCTURA• La madera es un material vegetal con fibras longitudinales, que

determinan un comportamiento anisótropo.

• Estructura macroscópica (sección transversal):– Corteza externa.

– Corteza interna o liber.

– Cambium.

– Albura (zona más joven y húmeda, funcional).

– Duramen (zona más vieja y seca, poco funcional)

• Estructura microscópica:– Haz de tubos de gran longitud orientados en la dirección longitudinal,

unidos por las paredes.



ESTRUCTURA



EL AGUA EN LA MADERA• Agua de constitución:

– Está en los componentes de las células.

• Agua de impregnación:– Está en las paredes celulares.

– Tiene gran influencia en las propiedades.

– A mayor grado de humedad, menor resistencia.

– Como máximo alcanza un 30%.

– Se elimina por desecación en estufa a 103 ºC.

• Agua libre:– Está en el interior de los tubos o conductos.

– Sólo existe cuando el agua de impregnación ha llegado a la saturación.

– No influye en las propiedades, salvo en la densidad aparente.



HIGROSCOPICIDAD• La madera tiende a tener una humedad de equilibrio con las

condiciones ambientales: temperatura y humedad relativa del aire.

• La madera verde puede tener un grado de humedad comprendido entre el 60 y el 200%.

• Es conveniente colocar la madera en obra con un grado de humedadsimilar a la humedad de equilibrio durante su utilización posterior.

• En la madera de estructuras el grado de humedad suele estar comprendido entre el 8 y el 20%.



HIGROSCOPICIDAD



HINCHAZÓN Y MERMA• Hinchazón: aumento de volumen de la madera con el aumento de

humedad

• Merma (o contracción): disminución de volumen de la madera con la disminución de humedad.

• Sólo se producen cuando el contenido de humedad está por debajo del punto de saturación de las fibras (es decir, cuando no hay agua libre).

• La mayor variación dimensional se produce en la dirección tangencial.

• En la dirección radial es del orden de un 50 a 60% de la tangencial.

• En la dirección longitudinal es tan sólo de un 2 a 4% de la radial.

• El proceso de secado (natural o artificial) de la madera desde el árbol hasta la colocación en obra, es muy importante para evitar deterioros por la merma, en especial fendas y acebolladuras.



DENSIDAD• Densidad real (de los componentes de la madera):

En torno a 1500 kg/m3

• Densidad aparente: (masa total, incluida agua, dividida por el volumen total, incluidos poros y tubos de aire):

– Es muy variable, dependiendo sobre todo de la especie y del grado de humedad.

– Es preciso referirla a una determinada humedad, habitualmente el12%, para establecer relaciones.

– Coníferas: 350 a 550 kg/m3 (CTE-M)

– Frondosas: 640 a 1.080 kg/m3 (CTE-M)

– Madera verde: tiene agua libre además del agua de impregnación, y es frecuente que no flote (densidad superior a 1.000 kg/m3)



ANISOTROPÍA• La madera es un material vegetal con fibras longitudinales, en la

dirección de crecimiento, que determinan un comportamiento anisótropo.

• En el comportamiento de la madera hay propiedades con valores diferentes en las tres direcciones principales (material ortótropo):

– Axial. Paralela al eje de crecimiento del árbol.

– Radial. Perpendicular a la primera y que pasa por el centro.

– Tangencial. Normal a las dos anteriores.

• En la práctica del cálculo de estructuras de madera se simplifica a dos direcciones:

– Dirección paralela a la fibra (axial o longitudinal).

– Dirección perpendicular a la fibra (transversal).



ANISOTROPÍA



PROPIEDADES MECÁNICAS• Elevada resistencia a flexión.

• Elevadas resistencias a tracción y a compresión paralelas a la fibra.

• Las resistencias a flexión, a tracción y a compresión paralelas a la fibra no son iguales, debido a la estructura de la madera.

• Baja resistencia a cortante.

• Baja resistencia a compresión perpendicular a la fibra.

• Muy baja resistencia a tracción perpendicular a la fibra.

• Bajo módulo de elasticidad paralelo a la fibra, lo que influye negativamente en el pandeo en piezas comprimidas y en la flecha en piezas flectadas.

• Muy bajo módulo de elasticidad perpendicular a la fibra.



PROPIEDADES MECÁNICAS

Máximas tensiones de trabajo aproximadas (MPa)

Tracción Compresión Módulo deelasticidad

paralelaa la fibra

perpen-dicular

a la fibra

paralelaa la fibra

perpen-dicular

a la fibra

paraleloa la fibra

perpen-dicular

a la fibra

Madera(C24) 13,2 7,7 0,28 11,5 1,4 1,4 11.000 370

Hormigón(H25) 11,9 1,2 11,9 1,2 27.000

Acero(S235) 160 160 160 92 210.000

CortanteMaterial Flexión



PROPIEDADES MECÁNICASCOMPRESIÓN Y TRACCIÓN LONGITUDINALES

• Diferente relación tensión-deformación: diferentes módulos de elasticidad y límites elásticos y resistencias.

• La relación entre las resistencias a tracción y a compresión dentro de la misma especie de madera depende de su calidad. La disminución de la calidad influye más en la resistencia a tracción que a compresión.

• En el cálculo vamos a suponer comportamiento lineal-elástico con el mismo E.



PROPIEDADES MECÁNICASFLEXIÓN

• En algunos casos, cerca de la rotura plastifican las fibras a compresión, desciende el eje neutro, y la rotura se produce a tracción.



PROPIEDADES MECÁNICASFLEXIÓN

• En algunas especies se produce un pretensado natural durante el crecimiento para resistir la peor acción sobre el tronco: el viento.(Fig. J.E. Gordon)



PROPIEDADES MECÁNICASCORTANTE

• En la madera, debido a sus características anisótropas, las tensiones tangenciales producidas por el cortante pueden originar cortadura, deslizamiento o rodadura.

• La resistencia a cortadura es la mayor, después la resistencia al deslizamiento, y la más baja es a la rodadura: un 20 a 30% de la de deslizamiento.



PROPIEDADES MECÁNICASCORTANTE

• En las vigas sometidas a flexión y a cortante las tensiones tangenciales producen intento de cortadura y deslizamiento simultáneamente, pero no de rodadura.

• La rotura a cortante se produce por deslizamiento entre las fibras (tensiones rasantes).



PROPIEDADES MECÁNICASCOMPRESIÓN PERPENDICULAR A LA FIBRA

• La resistencia a compresión perpendicular a la fibra es baja.

• Esta compresión se da en los apoyos y en las cargas puntuales sobre las vigas.



PROPIEDADES MECÁNICASTRACCIÓN PERPENDICULAR A LA FIBRA

• La resistencia a tracción perpendicular a la fibra es muy baja.

• Este tipo de tracción es infrecuente. Se da en elementos curvos, y en los apoyos de unas vigas en el alma de otras.


3. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS ESTRUCTURAS DE MADERA

ALGUNOS PUNTOS FUERTES

• Buena resistencia a compresión, tracción y flexión.

• Densidad baja. Estructuras muy ligeras.

• Fácil de trabajar, adaptable, manejable.

• Aspectos estéticos: calidez, nobleza.

• Aspectos medioambientales:

– Inagotable (si hay reforestación sostenible).

– Reciclable.

– Biodegradable.


3. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS ESTRUCTURAS DE MADERA

ALGUNOS PUNTOS DÉBILES

• Durabilidad. Atacable por muchos agentes:

– Agentes abióticos (humedad, temperatura, sol, ...)

– Agentes bióticos (insectos, hongos, ...)

– Incendio. La madera es combustible, aunque arde lentamente.

• Uniones entre elementos: dificultad de ejecución.

• Anisotropía. Resistencia mucho más baja en dirección perpendicular a las fibras.

• Dimensiones reducidas, en longitud y sección. Actualmente este inconveniente se evita con la madera laminada.


4. TERMINOLOGÍA DE BARRAS DE MADERA

• Nomenclatura de entramados de muro (J.M. Izquierdo)


4. TERMINOLOGÍA DE BARRAS DE MADERA

• Nomenclatura de entramados de cubierta (J.M. Izquierdo)


5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA

• Tipologías primitivas

– La tienda india

– La cabaña

– El templo arcaico (oriente medio, griego, romano, japonés...)

• La estructura vertical

– Los entramados

– Los muros continuos

• La estructura horizontal

– Los forjados



• La estructura de cubierta

– Las estructuras de pares

– Las cerchas

– Las vigas trianguladas

• Tipologías recientes

– Las mallas espaciales

– Los nuevos muros continuos

– Las estructuras mixtas:

- Los forjados de madera-hormigón

- Las cerchas y mallas espaciales con barras de madera y cables de acero



• Tipologías primitivas– Las barras formando un cono

El primer edificio habitado, según Viollet Le Duc

La tienda india(Abasolo)



• Tipologías primitivas– La cabaña o casa de troncos

Versión actual de la cabaña, con paredes estructurales de barras horizontales



• Tipologías primitivas– El templo de madera



• Arco en madera– Puente romano (Choisy)



• Los entramados (E. Nuere)



• Los entramados– Pórticos de nudos rígidos



• Los entramados– Pórticos de nudos

rígidos y pares de cubierta



• Los entramados y los forjados (arq. O. Koponen)



• Los entramados Arriostramiento con diagonales con tensores(arq. Herzog)



• Evolución de la estructura de pares a la cercha– Eliminación de los empujes horizontales en los muros mediante el

tirante



• Evolución de la cercha– Armadura romana



• Evolución de la cercha– Cubiertas con cerchas de madera sobre bóvedas en iglesias y

catedrales góticas (F. Escrig y P. Valcarcel).



• Evolución del entramado la cercha– Cubiertas con cerchas de madera sobre bóvedas en iglesias y

catedrales góticas (F. Escrig y P. Valcarcel).



• Evolución de la cercha– Cercha de pendolón y tornapuntas o cuchillo español

(F. Escrig y P. Valcarcel).



• Evolución de la cercha– Complejización de cerchas trianguladas (F. Regalado)



• Las vigas trianguladas (F. Regalado)



• Los arcos triangulados (Niels Torp Arqs.)



• Tipologías recientes– Las mallas espaciales (arqs. Samyn et associés)



• Tipologías recientes– Evolución de los

entramados hacia los nuevos muros continuos(Cutler Anderson arqs.)



• Tipologías recientes– Los nuevos muros continuos (arqs. Quirot-Vichart)



• Tipologías recientes–Estructuras mixtas: barras de madera y cables de acero (arq. Kajima)

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