Estructuras en MaderaAlumna: Maria Eugenia Peña

Estructuras IV

Introducción:La madera, es el material por excelencia más noble que jamás la especie humana ha utilizado tanto en la industria como en la construcción. Prácticamente todas las culturas de la humanidad han empleado la madera en la agricultura, pesca, ingeniería, vivienda, etcLa madera es probablemente el único recurso renovable que se utiliza a gran escala y que su aprovechamiento no daña al medio ambiente. La madera no puede circunscribirse a un período más o menos largo de la humanidad, ya que es un material que de forma permanente se ha utilizado en la construcción, estando presente a lo largo de toda la historia de la civilización. Así, en las zonas de abundantes bosques la madera constituía la totalidad de la edificación, desde su estructura, hasta los cerramientos y cubierta. En zonas con menor cantidad de madera, ésta se usaba en la cubierta y en su estructura horizontal. Actualmente hay cierto rechazo a utilizar la madera como material estructural, siendo más habitual el uso del acero y del hormigón. Ello es debido, en gran medida, a dos condicionantes, que son la durabilidad de las estructuras de madera y su comportamiento frente al fuego. Sin embargo, se tiene en muchas ciudades numerosos ejemplos de edificios construidos de madera que han llegado a nuestros días en un excelente estado de conservación.

Fundaciones en estructuras de madera

• El tipo de esfuerzo relevante a que se somete el suelo es el de compresión, producto del peso propio de la fundación, muros, entrepisos y techumbre, más las sobrecargas de uso y las accidentales, de diversas magnitudes y en distintas direcciones, como por ejemplo sobrecargas accidentales por sismo, nieve o vientos y esfuerzos normales no uniformes transmitidos a la fundación en estado de presiones no uniformes. La fundación aísla del terreno, tanto de humedad como de ataque de termitas y de otros insectos, factores gravitantes en la pérdida de resistencia de una estructura en madera. Para diseñar y dar solución a la fundación adecuada, se deben considerar:

- Condiciones de carga - Características del suelo - Restricciones constructivas de la obra

La importancia fundamental para que una solución de fundación sea adecuada, reside en que es la parte de la obra con menos probabilidad de ser reparada o reforzada, en caso de falla futura.Toda edificación requiere una base de sustentación encargada de recibir diferentes esfuerzos y transmitirlos al suelo. A esta base de sustentación se le denomina fundación. El tipo de esfuerzo relevante a que se somete el suelo es el de compresión, producto del peso propio de la fundación, muros, entrepisos y techumbre, más las sobrecargas de uso.Por otra parte, la fundación aísla la edificación del terreno, resguardándola tanto de humedad como del ataque de termitas y de otros insectos, factores gravitantes en la pérdida de resistencia de una estructura en madera.

La presencia de agua en el terreno afecta:• La capacidad de soporte del suelo• El diseño de la fundación• Materializacion de la fundacion

Fallas en las Fundaciones:• La falla más común que se presenta en las fundaciones es el

asentamiento, o sea, un descenso ocasionado por variadas razones:

- Calidad del suelo- Deficiente compactación del terraplén- Vibraciones recibidas por el terreno que producen reubicación de

los estratos finos.- Peso de la estructura.

Diseño de ColumnasLas columnas son elementos donde las cargas principales actúan paralelas al eje del elemento, y por lo tanto trabaja principalmente a compresión; cuya longitud es varias veces mayor que su dimensión lateral más pequeña. El esfuerzo de compresión es muy peligroso en este tipo de elemento estructural, por la presencia de pandeo, que es una falla por inestabilidad.El tipo de columna que se usa con mayor frecuencia es la columna sólida sencilla, que consiste en una sola pieza de madera, cuya sección transversal es cuadrada u oblonga.Las columnas sólidas de sección transversal circular son usadas con menos frecuencia. Una columna formada por varios miembros es un ensamble de dos o más miembros cuyos ejes longitudinales son paralelos; se impide que se toquen los elementos mediante unos bloques separadores colocados en los extremos y punto medio de su longitud.Otros tipos de columnas son las llamadas columnas compuestas, que están conectadas mediante sujetadores mecánicos. Los pie-derechos en marcos ligeros de madera y en entramados también son columnas.

Para compresión axial:

1. Definir las bases de cálculo. a) Grupo estructural de la madera a utilizarse b) Cargas a considerarse en el diseño c) Condiciones de apoyo, y factor de longitud efectiva. 2. Determinar efectos máximos. 3. Establecer los esfuerzos admisibles, modulo de elasticidad, así como el valor de Ck. 4. Asumir una escuadría, y extraer sus propiedades geométricas. 5. Calcular la esbeltez para cada dirección. 6. Calcular la carga admisible, y compararla con la carga solicitante.

Para flexocompresion:

1. al 6. Se determina de la misma manera que para Compresión Axial.7. Determinar la carga crítica de Euler.8. Calcular el factor de amplificación de momentos km.9. Verificar que la ecuación general de elementos a flexocompresión sea satisfecha (que de un valor < a 1).

El Manual de Diseño para Maderas del Grupo Andino recomienda que en ningún caso se tome una longitud efectiva menor que la longitud real no arriostrada

Diseño de Vigas

Una viga es un elemento estructural que resiste cargas transversales. Generalmente, las cargas actúan en ángulo recto con respecto al eje longitudinal de la viga. Las cargas aplicadas sobre una viga tienden a flexionarla y se dice que el elemento se encuentra a flexión. Por lo común, los apoyos de las vigas se encuentran en los extremos o cerca de ellos y las fuerzas de apoyo hacia arriba se denominan reacciones

Propiedades de las secciones:

Además de la resistencia de la madera, caracterizada por los esfuerzos unitarios admisibles, el comportamiento de un miembro estructural también depende de las dimensiones y la forma de su sección transversal, estos dos factores se consideran dentro de las propiedades de la sección.- Centroides: El centro de gravedad de un sólido es un punto imaginario en el cual se considera que todo su peso está concentrado o el punto a través del cual pasa la resultante de su peso. El punto en un área plana que corresponde al centro de gravedad de una placa muy delgada que tiene las mismas áreas y forma se conoce como el centroide del área. Cuando una viga se flexiona debido a una carga aplicada, las fibras por encima de un cierto plano en la viga trabajan en compresión y aquellas por debajo de este plano, a tensión. Este plano se conoce como la superficie neutra. La intersección de la superficie neutra y la sección transversal de la viga se conoce como el eje neutro.- Momento de inercia: El momento de inercia se define como la suma de los productos que se obtienen al multiplicar todas las áreas infinitamente pequeñas por el cuadrado de sus distancias a un eje.

Propiedades de las secciones:

- Radio de Giro: Esta propiedad de la sección transversal de un miembro estructural está relacionada con el diseño de miembros sujetos a compresión. Depende de las dimensiones y de la forma geométrica de la sección y es un índice de la rigidez de la sección cuando se usa como columna. El radio de giro se define matemáticamente como r= , donde I es el momento de inercia y A el área de la sección. Se expresa en centímetros porque el momento de inercia está en centímetros a la cuarta potencia y el área de la sección transversal está en centímetros cuadrados. El radio de giro no se usa tan ampliamente en el diseño de madera estructural como en el diseño de acero estructural.

Diseño de CerchasLas cerchas de madera se pueden clasificar de acuerdo a los siguientes criterios:a) Según su forma: con cordón superior triangular, rectangular, curvo o combinaciones de ellos.b) Según distribución de diagonales: Howe, Pratt, Warren, etc.c) Según tipo de madera: aserrada, elaborada o cepillada, laminada encolada o mezclas de estas.d) Según tipo de cordones: ya sean de uno, dos o varios elementos. En el caso de cordones superiores e inferiores con dos elementos, las diagonales se ubicarán entre ellos.La introducción de los conectores metálicos ha hecho posible el aprovechamiento más eficiente de la madera en el diseño de cerchas. Antes eran necesarias grandes secciones transversales a fin de tener uniones seguras y sólo se utilizaba entre el 40 y el 60 % de capacidad de resistencia de la madera. Ahora, al utilizar conectores metálicos, es posible obtener el 80 y hasta el 100 % de la resistencia de los diferentes elementos de madera que conforman una cercha.

Selección del tipo de cercha:El tipo de techumbre, los requerimientos arquitectónicos y la economía son los factores que, por lo general, gobiernan la selección del tipo de cercha.Se ha demostrado que la cercha del tipo cordón superior curvo es la más económica cuando las cargas solicitantes son uniformemente repartidas, ya que en ella estas cargas inducen esfuerzos pequeños en las diferentes barras, sean estas internas o externas. Esto es particularmente importante, debido a que resultan elementos de unión simples y compactos.

Selección del tipo de cercha:

La cercha del tipo triangular se recomienda cuando las cargas se transmiten a la cercha en puntos específicos (cargas concentradas y/o puntuales). Para las barras traccionadas es aconsejable utilizar tensores de acero. En cuanto a cerchas de madera laminada encolada, éstas son recomendables para salvar grandes luces y además permiten obtener mayores tensiones de diseño, pueden curvarse con facilidad y variar su sección transversal a lo largo de su longitud.Las cerchas fabricadas con elementos constituidos por una pieza soportaran cargas a lo menos iguales que aquellas fabricadas con elementos conformados por dos o más piezas que proporcionen igual sección transversal, pero estarán propensas a pandearse con mayor facilidad.

Reglas generales para el diseño de cerchas

• El procedimiento a seguir en el diseño de cerchas es el siguiente:

a) Determinación de las cargas solicitantesb) Calculo de las solicitaciones en los diferentes elementos de la cercha.c) Selección de la especie y grado de calidad a usard) Determinación de las escuadrías requeridas en los distintos elementos de la cercha.e) Diseño de las uniones.

Diseño de EntrepisosLa construcción de un entrepiso es una forma de ganar espacio, reducir la altura de una construcción, y ambientar una habitación reciclada para que se ajuste mejor a la forma moderna de vida.Un entrepiso puede conferirle un toque de originalidad y atractivo a un ambiente, permitiendo articular de un modo más interesante el espacio y darle una funcionalidad mayor.No siempre es posible crear un entrepiso, la habitación debe contar con ciertas dimensiones y altura mínimas, de lo contrario, se convertirá en un estorbo. La altura mínima de la habitación, no debe ser inferior a los 4m. la superficie que abarque puede ser igual a la de la habitación, o parcial, para que se tenga una visión del entrepiso, a modo de terraza, eso depende del gusto y las necesidades

Variantes de la construcción de un entrepiso

Una variante muy económica y liviana, son los entrepisos de madera, con una estructura simple de vigas, sobre las cuales se apoya un piso de madera machihembrada. En estos casos, e importante que se realice un cálculo meticuloso previo, de los esfuerzos a que estará sometida la estructura. En las vigas descarga todo el peso del entrepiso, el mobiliario y el peso en movimiento de las personas. De acuerdo al esfuerzo calculado, se decidirá la manera en que se descargará el peso de la estructura, ya sea apoyándose sobre pilares, vigas laterales de apoyo, o sobre soportes amurados, o recurriendo a trabajos de albañilería, amurando las vigas. La luz recomendada entre vigas, no debe superar los 70cm, de eje a eje de viga.

Variantes de la construcción de un entrepiso

Los materiales más resistentes para vigas son los laminados o compensados de pino, que no tienen nudos ni deformaciones en su línea, y son fabricadas especialmente para este uso. Si se desea un aspecto rústico, se puede emplear maderas semi duras como el ibirapitá o el anchico, en longitudes de hasta 6m.

El piso más recomendado es el machihembrado de una pulgada, que puede acomodar sus piezas a los esfuerzos. Preferiblemente debe emplearse el pino elliotis, secado en horno, o el saligan o el grandis. Sobre el machihembrado puede colocarse una alfombra de lana o de goma, para amortiguar las pisadas.

Diseño de TechosEl techo de madera es un sistema que puede estar compuesto de un sistema de vigas, casi siempre inclinadas, un conjunto de armaduras o la combinación de ambos. Se apoyan sobre tabiqus de madera, muros de mampostería o sobre vigas principales de madera u otro material.La cubierta final (lamina, teja, baldosa, etc) se apoya por medio de costaneras o vigas secundarias a la estructura principal de techo.Las uniones entre miembros de una armadura de techo o entre vigas inclinadas y sus apoyos juegan un papel importante para el buen comportamiento de este sistema estructural.