Estructuras de Madera (2)

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COMPLEMENTOS DE ESTRUCTURAS
ESTRUCTURAS DE MADERA
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, ...)
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 humedad
similar 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 el
12%, 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
paralela
a la 
fibra
perpen-
dicular
a la 
fibra
paralela
a la 
fibra
perpen-
dicular
a la 
fibra
paralelo
a 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 MECÁNICAS
COMPRESIÓN 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 MECÁNICAS
FLEXIÓN
• En algunos casos, cerca de la rotura plastifican las fibras a compresión,
desciende el eje neutro, y la rotura se produce a tracción.
PROPIEDADES MECÁNICAS
FLEXIÓN
• 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 MECÁNICAS
CORTANTE
• 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 MECÁNICAS
CORTANTE
• 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 MECÁNICAS
COMPRESIÓN 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 MECÁNICAS
TRACCIÓN 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. Resistenciamucho 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
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
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• 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
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Tipologías primitivas
– Las barras formando un cono
El primer edificio habitado, 
según Viollet Le Duc
La tienda india
(Abasolo)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Tipologías primitivas
– La cabaña o casa de troncos
Versión actual de la cabaña, con paredes estructurales de barras horizontales
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Tipologías primitivas
– El templo de madera
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Arco en madera
– Puente romano (Choisy)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Los entramados (E. Nuere)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Los entramados
– Pórticos de nudos rígidos
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Los entramados
– Pórticos de nudos
rígidos y pares de
cubierta
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Los entramados y los forjados (arq. O. Koponen)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Los entramados
Arriostramiento con
diagonales con
tensores
(arq. Herzog)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Evolución de la estructura de pares a la cercha
– Eliminación de los empujes horizontales en los muros mediante el
tirante
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Evolución de la cercha
– Armadura romana
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Evolución de la cercha
– Cubiertas con cerchas de madera sobre bóvedas en iglesias y
catedrales góticas (F. Escrig y P. Valcarcel).
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Evolución del entramado la cercha
– Cubiertas con cerchas de madera sobre bóvedas en iglesias y
catedrales góticas (F. Escrig y P. Valcarcel).
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Evolución de la cercha
– Cercha de pendolón y tornapuntas o cuchillo español
(F. Escrig y P. Valcarcel).
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Evolución de la cercha
– Complejización de cerchas trianguladas (F. Regalado)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Las vigas trianguladas (F. Regalado)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Los arcos triangulados (Niels Torp Arqs.)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Los arcos triangulados (Niels Torp Arqs.)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Tipologías recientes
– Las mallas espaciales (arqs. Samyn et associés)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Tipologías recientes
– Las mallas espaciales (arqs. Samyn et associés)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Tipologías recientes
– Evolución de los
entramados hacia los
nuevos muros continuos
(Cutler Anderson arqs.)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Tipologías recientes
– Los nuevos muros continuos (arqs. Quirot-Vichart)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Tipologías recientes
–Estructuras mixtas:
barras de madera y cables
de acero (arq. Kajima)
5. TIPOLOGÍAS DE ESTRUCTURAS DE MADERA
• Tipologías recientes
–Estructuras mixtas: barras de madera y cables de acero (arq. Kajima)