Diseño y cálculo de uniones en estructuras de madera

 

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Documento de aplicación al Codigo Técnico de la Edificación. Editado por Maderia, Sociedad Española de la Madera. www.maderia.es

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1 k v min k n e1 11 i1 ,5 e h diseño y cálculo de uniones en estructuras de madera x 1 h e 1 0 ,8 2 e h fc ,d fc ,0 ,d f 2 b he k z kv fv ,k fc ,0 ,d f sen2 o f c ,0 ,d sencos o cos 4 fc ,90 ,d 1 5 fv ,d 2 2 r min 3 k 1,7 b lc ,ef fc ,90 ,k 03 documento de aplicación del cte documento técnico sociedad espaÑola de la madera

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edición maderia construcción © maderia sociedad española de la madera maderia sociedad española de la madera c cerro de valdecahonde 8 28023 madrid tfno 91 357 32 77 www.maderia.es créditos fotográficos dibujos esquemas y fotografías autores figuras francisco arriaga martitegui © de los textos francisco arriaga martitegui depósito legal m-48979-2011 isbn 979-84-695-0984-5 autores francisco arriaga martitegui 1 guillermo ÍÑiguez gonzÁlez 1 miguel esteban herrero 1 ramÓn argÜelles Álvarez 1 josÉ luis fernÁndez cabo 2 1 dirección y coordinación marta conde garcÍa maderia sociedad española de la madera juan queipo de llano moya unidad de calidad en la construcción instituto de ciencias de la construcción eduardo torroja csic escuela técnica superior de ingenieros de montes escuela técnica superior de arquitectura 2 universidad politécnica de madrid upm

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1 i Índice 1 introducción 1.1 generalidades 1.2 consideraciones iniciales 2 diseño de la unión 2.1 introducción 2.2 criterios para la selección del medio de unión 2.3 ejemplos de uniones 3 uniones carpinteras 3.1 introducción 3.2 apoyos y compresión oblicua concentrada 3.3 apoyos con entalladuras 3.4 unión de caja y espiga 3.5 embarbillados 3.6 empalmes 3.7 ensamble en cola de milano 4 uniones con clavijas 4.1 generalidades 4.2 clavos 4.3 grapas 4.4 tirafondos 4.5 pernos 4.6 pasadores 4.7 tirafondos de doble rosca 4.8 tirafondos de rosca completa 5 uniones con conectores 5.1 generalidades 5.2 conectores de anillo 5.3 conectores de placa 5.4 conectores de placa dentada 5.5 conectores de madera 5 5 6 9 9 9 11 27 27 27 30 31 33 42 50 55 55 56 57 59 62 65 67 68 71 71 71 73 76 84

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2 diseño y cálculo de uniones en estructuras de madera 6 situación de incendio 6.1 introducción 6.2 cálculo en situación de incendio 6.3 uniones carpinteras 6.4 uniones mecánicas clavijas y conectores 7 protección de los herrajes contra la corrosión 7.1 introducción 7.2 la corrosión 7.3 categorías de ambientes 7.4 protección frente a la corrosión 7.5 especificaciones de protección anexos anexo a acero inoxidable anexo b cálculo de la capacidad portante de piezas de acero en situación de incendio 85 85 85 92 97 125 125 125 126 127 131 135 145

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3 a agradecimientos en el proyecto de las uniones en estructuras de madera existe una gran diversidad tanto en los diferentes medios de fijación que ofrece el mercado con distintas calidades y propiedades como en el propio enfoque del diseño de la unión por esta razón durante el desarrollo de este trabajo se consideró oportuna la consulta a especialistas que desarrollan su actividad en empresas del sector el objetivo de esta consulta es conocer los detalles de carácter práctico que ayudan al proyectista en la toma de decisiones en el proyecto medios de fijación y dimensiones más habituales criterios de selección incluyendo las ventajas e inconvenientes que ofrecen la colaboración de todas las personas consultadas ha sido muy decidida y llena de contenido es obligado reconocer nuestro sincero agradecimiento a los siguientes expertos albert admetlla font estructuras y tejados arcor sl albino angeli rotho blaas srl myriam durana duque american lh sl santiago muelas peña american building system sl diego núñez jiménez madergia sl basilio ovejero dueñas zurtek sl josé antonio tellechea martínez aginco sl julio vivas padilla media madera sl y especialmente a jesús cortizo cambra holtza sa quien además ha realizado una importante revisión de los textos.

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5 1 introducción 1.1 generalidades en general las estructuras de madera están formadas por piezas unidas entre sí las uniones constituyen puntos singulares que es necesario estudiar con todo detalle ya que el agotamiento de una estructura se puede presentar simplemente por la falta de resistencia de una cualquiera de ellas el costo de las uniones es en general elevado siendo frecuente que el conjunto de los elementos de conexión y sus operaciones anexas constituyan entre el 20 y 25 del costo total de la estructura las uniones entre piezas de madera pueden clasificarse atendiendo a diversos criterios a por la forma del encuentro se denominan empalmes cuando las piezas se enlazan por sus testas ensambles cuando las piezas se cortan formando un determinado ángulo y acoplamientos cuando las piezas se superponen por sus caras figura 1.1 b por el medio de unión empleado figura 1.2 uniones carpinteras aquellas en las que las piezas se unen mediante un trabajo de carpintería caja y espiga rebajes esperas etc se tratan en el capítulo 3 uniones mecánicas aquellas que utilizan herrajes para la transmisión de esfuerzos clavos pernos tirafondos conectores dentro de las uniones mecánicas se diferencian dos tipos de medios de unión en función del modo de transmisión de los esfuerzos el primer tipo recoge a las denominadas clavijas y corresponde a los clavos grapas tornillos pernos y pasadores el esfuerzo se transmite de una pieza a otra mediante cortante y flexión de la clavija provocando también tensiones de aplastamiento en la madera a través del área proyectada de la clavija se tratan en el capítulo 4 el segundo tipo está constituido por los conectores anillo placa dentados y placa clavo el esfuerzo se transmite a través de una mayor superficie se tratan en el capítulo 5 ¬¬ figura 1.1 empalmes ensambles y acoplamientos.

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6 diseño y cálculo de uniones en estructuras de madera uniones encoladas cuando se utilizan adhesivos para la transmisión de los esfuerzos madera laminada encolada enlaces rígidos mediante barras encoladas etc no son objeto de esta publicación el diseño de las uniones puede llegar a requerir una parte importante de tiempo y esfuerzo en el conjunto del proyecto de la estructura el hecho de que esta fase se realice al final del proceso de cálculo propicia una atención menor que la debida ¬¬ figura 1.2 unión de empalme carpintera mecánica y encolada 1.2 consideraciones iniciales en el diseño y cálculo de las uniones deben tenerse presentes algunas consideraciones previas que a continuación se resumen desgarramiento¬en¬las¬uniones cuando se diseña una unión en la que existen muchos elementos de fijación colocados en línea o un conjunto de elementos agrupados en una área de la pieza existe la posibilidad de que la capacidad de carga de la unión quede limitada por un desgarramiento de un trozo de la pieza sin llegar al agotamiento de la capacidad de cada elemento figura 1.3 estas situaciones son poco frecuentes pero pueden darse en casos de piezas de grandes escuadrías sometidas a grandes esfuerzos en la norma se recoge el procedimiento para su comprobación deslizamiento¬de¬las¬uniones las uniones mecánicas sufren unos deslizamientos en su puesta en carga que pueden estimarse mediante el módulo de deslizamiento kser definido en la normativa este deslizamiento se origina como consecuencia del aplastamiento de la madera sometida a compresiones locales elevadas cada medio de unión tiene un módulo de deslizamiento diferente por lo que no se pueden sumar directamente las capacidades de carga de cada uno por tanto es importante tener presente que la capacidad de carga de un conjunto de diferentes medios de unión es con frecuencia menor que la suma de las capacidades de carga individuales por ejemplo las uniones encoladas y mecánicas tienen muy diferentes propiedades de rigidez y no debe suponerse que trabajan solidariamente excentricidad¬de¬las¬uniones en los nudos de la estructura el encuentro de las piezas debe realizarse siempre que sea posible de forma simétrica y concéntrica con el fin de evitar excentricidades a veces no es fácil evitar la excentricidad y en estos casos deberá tenerse en cuenta en el cálculo no obstante si se puede modificar la posición y composición de las piezas a veces es posible eliminar su excentricidad figura 1.4 ¬¬ figura 1.3 desgarramiento en una unión de empalme rígido con elementos concentrados en línea.

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introducción 7 ¬¬ figura 1.4 excentricidad de la unión de la figura a corregida en la figura b hinchazón¬y¬merma en el diseño de la unión no deben olvidarse los efectos de hinchazón y merma de la madera originados como consecuencia de la variación del contenido de humedad la práctica correcta es la colocación en obra de la madera con un contenido de humedad lo más próximo posible a la humedad de equilibrio higroscópico media de su situación en servicio sin embargo hay situaciones donde no es posible evitar una variación del contenido de humedad las piezas situadas en contacto con el ambiente exterior sufrirán los cambios de las condiciones climáticas otro caso es el de las piezas situadas en interiores acristalados donde se pueden alcanzar altas temperaturas por efecto del soleamiento estas situaciones conducen a una variación de las dimensiones que es despreciable en la dirección longitudinal pero considerable en la transversal si los herrajes de unión se disponen de manera que impidan el libre movimiento de la madera y las dimensiones de las piezas son de cierta entidad del orden de 80 o 100 cm se originarán fendas cuando la madera pierda humedad en la figura 1.5 se muestran varios casos típicos en los que puede producirse el fendado a apoyo de viga con restricción del movimiento en todo su canto la solución puede ser dejar las fijaciones en la zona inferior b empalme rígido entre dos piezas de madera con chapas metálicas que impiden su contracción una alternativa es la colocación de herrajes independientes para transmitir la flexión c nudo de esquina de pórtico con corona de pernos el encuentro de los pilares y el dintel con la dirección de la fibra prácticamente ortogonal desemboca en un movimiento diferencial que origina el fendado si las dimensiones de las piezas son grandes tracción¬perpendicular¬a¬la¬fibra¬en¬las¬uniones ciertas disposiciones de uniones figura 1.6 originan tensiones de tracción perpendicular a la fibra que pueden ¬¬ figura 1.5 fendado en uniones debidas a la merma de la madera.

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8 diseño y cálculo de uniones en estructuras de madera limitar la capacidad resistente de la unión en la norma se recoge la comprobación a realizar en estas situaciones para disminuir o evitar estas tensiones perpendicu lares a la fibra el diseño de la unión debe procurar que la posición del elemento de fijación que define la distancia he esté lo más cerca posible del borde no cargado ¬¬ figura 1.6 ejemplo de unión donde se presentan tensiones de tracción perpendicular a la fibra.

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9 2 diseño¬de¬la¬unión 2.1 introducción las posibilidades creativas en el diseño de las uniones son enormes y no es posible definir una solución única para cada situación el éxito del diseño de una unión se basa en cumplir los tres requisitos siguientes simplicidad cuanto más sencilla sea la unión mejor será el resultado estético y mecánico así como su cálculo mínimo material auxiliar cuantos menos herrajes se necesiten mejor será el comportamiento al fuego y más limpio será su aspecto fabricación y montaje serán preferibles las soluciones que requieran un proceso de fabricación y de montaje más sencillo en los últimos 20 años se ha podido observar un cierto cambio en el estilo de las uniones en estructuras de madera de uniones con grandes herrajes vistos y muchas veces pintados para hacerse más visibles se ha llegado a unas uniones con menor presencia del acero al exterior con protección por galvanizado y muchas veces con clavijas ocultas o de poca presencia al exterior pasadores tirafondos de doble rosca los herrajes de apoyo de correas utilizados en las estructuras de madera laminada encolada por lo general están fabricados con chapa plegada galvanizada y vista al exterior sin embargo en europa existe una tendencia al herraje oculto en la testa de la correa y posiblemente cada vez se use menos el herraje visto todo este proceso de cambio viene motivado por varias razones entre las que se encuentran las especificaciones de incendio que conducen al ocultamiento y protección del metal a los avances técnicos de materiales empleados en los herrajes pero también a una evolución de la estética en el diseño de la estructura que puede interpretarse como una mayor confianza en la madera como material estructural sin recurrir a la presencia del acero como acompañante o garantía de su eficacia 2.2 criterios para la selección del medio de unión los medios de unión pueden clasificarse en los grupos siguientes uniones carpinteras uniones mecánicas · clavijas · grapas · clavos · tirafondos · pernos · pasadores · conectores · anillo · placa · dentados · placas clavo uniones encoladas cada medio de unión tiene una adecuación que es función principalmente de la escuadría de las piezas y del tipo estructural a continuación se expone la práctica más habitual a uniones carpinteras constituyeron en el pasado el sistema de unión tradicional en la carpintería de armar actualmente ha recuperado su vigencia gracias a la fabricación mediante el control numérico la precisión alcanzada es muy elevada y el costo se ha reducido notablemente actualmente se emplean en estructuras de luces reducidas hasta 10 o 12 m y en obras de rehabilitación las razones que llevan a utilizar este tipo de unión son generalmente de carácter estético buscando una apariencia tradicional para la construcción sin embargo también resultan más económicas y presentan un mejor comportamiento al fuego en estructuras de luces mayores generalmente con madera laminada encolada las uniones carpinteras con cajas y otros rebajes no se emplean porque se llega a un sobredimensionado de las secciones que las harían poco económicas.

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10 diseño y cálculo de uniones en estructuras de madera una de las uniones carpinteras más utilizadas en cubiertas de viviendas unifamiliares es la de la cola de milano redondeada para las uniones entre pares o correas y vigas principales b uniones mecánicas agrupan diversos tipos de elementos de fijación por lo que existen tipos adecuados para cada situación a continuación se resumen los casos más frecuentes clavijas grapas generalmente se emplean para la conexión entre tableros y piezas de madera aserrada de pequeña escuadría con gruesos comprendidos entre 38 y 50 mm aproximadamente la aplicación característica es la fabricación de entramados ligeros de muros y forjados para la construcción prefabricada clavos adecuados para la construcción ligera de madera en la unión entre tableros y piezas de madera aserrada y entre las propias piezas de madera aserrada de pequeña escuadría grueso de 38 a 50 mm tienen capacidad de carga frente a esfuerzos laterales o de cortante pero rara vez se aceptan para cargas axiales o de extracción también son utilizados en las uniones entre piezas de mayor escuadría como es el caso de las correas de madera laminada donde se emplean para fijar el herraje de apoyo a la viga principal en estos casos los herrajes ya están pretaladrados para el alojamiento de los clavos en algunos casos se han utilizado para uniones de gran capacidad de transmisión de esfuerzos como elemento de fijación de las chapas de acero con espesores generalmente de 6 mm en estos casos es frecuente el uso de clavos especiales de sección rectangular redondeada denominados remaches para madera timber rivets tirafondos se emplean en la fijación de piezas de madera de escuadría pequeña y mediana con similares funciones a la de los clavos pero con la ventaja de poder resistir esfuerzos axiales esto último los hace especialmente indicados para el anclaje de herrajes o piezas en general sometidas a esfuerzos de arranque además del cortante así ejemplos típicos son las fijaciones de los herrajes de anclaje de tirantes de arriostramiento fijación de las correas sobre los pares elementos auxiliares de afianzamiento en las uniones carpinteras etc también se pueden utilizar en las uniones entre piezas de mayor sección por ejemplo madera laminada encolada como elemento de fijación de chapas de acero auxiliares pernos se emplean en uniones entre piezas de madera maciza y madera laminada encolada por tanto resultan adecuados para cargas pequeñas y grandes utilizando diámetros adecuados permiten la conexión entre piezas de madera a través de chapas metálicas tanto si están situadas en el interior como en el exterior pasadores generalmente utilizados en las uniones entre piezas de mediana y gran escuadría tienen la ventaja de un mejor comportamiento al fuego siendo más fácil su ocultación comparada con el caso de los pernos permiten la conexión mediante chapas de acero interiores pero no al exterior se colocan con un grado de ajuste muy alto lo que exige mucha precisión en el mecanizado de los agujeros en uniones que puedan sufrir un esfuerzo transversal que provoque el desarmado del conjunto deberán acompañarse de algunos pernos conectores los conectores tienen mayor capacidad de transmisión de carga que los pernos y pasadores pero también requieren separaciones mayores generalmente se recurre a ellos cuando la capacidad de los pernos por sí mismos no es suficiente conectores de anillo se emplean en uniones entre piezas de gran y mediana escuadría el mecanizado se hace en fábrica y el montaje se puede hacer en obra requieren un perno para afianzar la unión pero su capacidad portante no se suma a la del conector conectores de placa adecuados en uniones entre piezas de gran y mediana escuadría hay tipos para uniones entre madera y madera y otros para uniones entre acero y madera el mecanizado se hace en fábrica y el montaje se puede hacer en obra requieren un perno para afianzar la unión pero su capacidad portante no se suma a la del conector conectores dentados adecuados para escuadrías grandes y medianas se colocan en fábrica y una vez insertados no pueden desmontarse el perno que se emplea para afianzar la unión también colabora en la transmisión de esfuerzos placas clavo son herrajes de conexión específicos para las uniones en estructuras ligeras construidas con piezas de madera aserrada de grueso reducido 38 a 45 mm son características de las armaduras de cubierta en la construcción prefabricada de entramado ligero.

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diseño de la unión 11 c uniones encoladas sistema de unión cuya característica principal es la de permitir los enlaces rígidos con plena capacidad de transmitir momentos flectores además su aspecto externo es muy limpio al no tener herrajes al exterior sin embargo no es un sistema extendido ni habitual en las empresas sino que únicamente hay algunas que ofrecen este sistema como opción generalmente consisten en barras de acero o de materiales compuestos que se encolan a la madera en taladros interiores con formulaciones epoxi y otros adhesivos adecuados también son uniones encoladas los enlaces entre piezas mediante un dentado múltiple de gran tamaño macrodentado similar al empalme de las láminas de madera laminada encolada pero con la posibilidad de realizar uniones en ángulo como las uniones de esquina en pórticos finalmente existen varios factores que influyen en la toma de decisiones para la configuración de la unión que a continuación se recogen especificaciones de incendio si existen requisitos de resistencia al fuego es relativamente sencillo llegar a tiempos de 30 minutos pero para alcanzar los 60 minutos se requiere un diseño más elaborado véase capítulo 6 para cumplir las especificaciones con más facilidad son preferibles las uniones que no utilicen chapas metálicas expuestas al exterior sino en todo caso situadas en el interior de las piezas y sin asomar por los bordes también presentan mejor comportamiento los pasadores que los pernos durabilidad en uniones entre piezas que queden expuestas al exterior es muy importante que el diseño de la unión no permita la retención de agua de lluvia con el fin de aumentar su durabilidad frente a la corrosión deberán utilizarse materiales metálicos adecuadamente protegidos para cada situación ambiental véase capítulo 7 sismo en localizaciones en las que la acción sísmica es relevante la ductilidad de la estructura se consigue con facilidad utilizando uniones con elementos de tipo clavija que presentan un comportamiento de alta ductilidad 2.3 ejemplos de uniones un encuentro entre piezas de madera puede resolverse de diferentes maneras llegando en muchos casos a resultados eficaces unos sistemas tendrán algunas ventajas e inconvenientes comparados con otros sin que exista una solución única el proceso del diseño de la unión es por tanto un proceso abierto que se fundamenta en la experiencia del proyectista cuando se proyecta una unión sin tener una experiencia importante es habitual y recomendable estudiar soluciones de encuentro construidas en obras existentes con el fin de servir de guía o inspiración a veces para evitar repetir errores por este motivo en este apartado se recogen uniones procedentes de obras existentes ordenadas por tipo de encuentro incluyendo un breve comentario que reflexiona sobre las características de la unión no pretende ser exhaustiva ni tampoco todas las soluciones presentadas pueden considerarse las mejores sino que simplemente servirán de ayuda en el proceso de la decisión para diseñar la unión a apoyo de pilares pilar empotrado o en contacto con el suelo que requiere un tratamiento químico en profundidad el pilar está compuesto por dos cordones con separadores fijados con pernos la vida útil de la estructura queda limitada a la vida de la madera tratada en contacto con el suelo 10 a 20 años

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12 diseño y cálculo de uniones en estructuras de madera pequeño poste que descansa sobre una basa de piedra que a su vez arranca de un basamento corrido queda alejado del contacto con el suelo y de la humedad no obstante presenta decoloración por las salpicaduras en la parte baja pero se encuentra bien ventilado su reposición en caso de fuerte deterioro es sencilla pie derecho de madera maciza con un apoyo sobre una basa de piedra a través de un herraje de acero que encierra la pieza el herraje no permite la ventilación de la madera en caso de entrada de agua al interior aunque el alero puede llegar a impedir la llegada del agua de lluvia pie derecho de madera maciza que descansa sobre una pieza metálica que lo separa del suelo la carga se transmite a través de una chapa de asiento en la base con dimensiones ligeramente inferiores a la sección del pilar las chapas laterales sirven para afianzar la unión mediante un perno esté permitiría resistir cierto esfuerzo de tracción en caso de succión del viento el pie derecho de esta estructura de una cubierta de aparcamiento está formado por dos piezas de madera con una separación entre sí donde se aloja una lengüeta de tablero su apoyo en el suelo se realiza a través de una chapa de acero inoxidable de igual espesor a la separación entre perfiles para evitar el contacto con el suelo.

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diseño de la unión 13 cubierta en visera de un graderío el pilar de madera laminada esta compuesto por dos cordones y su apoyo en la base es una articulación que queda ligeramente separada del suelo en encuentro con el dintel podría ser una articulación pero también un enlace rígido la estabilidad de la estructura considerando el apoyo articulado de la base del pilar queda garantizada por el encuentro articulado del dintel en la estructura de hormigón una opción muy interesante para conseguir un pilar empotrado sin recurrir a grandes herrajes consiste en emplear pilares de celosía como el ejemplo de la figura cada cordón del pilar se articula a la base de forma sencilla aunque se consigue que el conjunto quede empotrado de esta manera la estabilidad del conjunto es fácil de alcanzar cada cordón del pilar está formado por dos piezas de madera y en la base la conexión se realiza mediante una chapa de acero colocada en el interior de ambas piezas la madera queda también separada del nivel del solado.

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