Читать книгу Fundamentos del diseño y la construcción con madera - Pablo Guindos - Страница 13
ОглавлениеCAPÍTULO 4
PRODUCTOS DE INGENIERÍA DE MADERA
PRINCIPALES CONTRIBUIDORES: VANESA BAÑO (UNIV. DE LA REPÚBLICA,
URUGUAY) Y LAURA MOYA (UINV. ORT, URUGUAY)
4.1 Introducción
Los productos de madera aptos para su uso estructural, denominados habitualmente como madera estructural, pueden clasificarse en dos grandes grupos: productos de madera sólida, sin ingeniería, y productos de ingeniería de la madera (Engineered Wood Products-EWP). Estos últimos son productos de madera cuya elaboración ha incorporado cierto grado de ingeniería, lo cual habitualmente comprende el uso de madera aserrada, chapas, fibras, virutas o partículas de madera, las cuales son unidas con adhesivos estructurales o mediante otros medios de fijación. En esta sección se detallan las principales características de ambas familias de productos estructurales.
La característica esencial de estos productos es que poseen aptitudes mecánicas y de densidad conocidas, que los convierten en elementos aptos para su uso estructural. Además de dicha aptitud estructural, la calidad geométrica y el contenido de humedad son aspectos imprescindibles a tener en cuenta, como por ejemplo para poder garantizar su capacidad frente a inestabilidad frente al pandeo, estabilidad dimensional, calidad de las terminaciones y lograr, hasta donde sea posible, constancia de sus propiedades mecánicas en el tiempo. Un aspecto muy importante de estos productos es su grado de homogeneidad. Por lo general puede asumirse que cuanto menor sea el tamaño de la partícula, pieza o laminación de madera que compone un producto, mayor será su homogeneidad estructural, por lo que uno podrá esperar una dispersión inferior de los valores físicos y mecánicos.
Generalmente estos productos son regulados mediante especificaciones establecidas en documentos técnicos o normas, y se garantizan a través de certificados, sellos o rotulados de calidad estructural. Dichos sellos brindan información, entre otras cosas, de la especie de madera, de la calidad visual y de su clase resistente o grado estructural, asociado a los valores característicos de sus propiedades mecánicas. Otros datos adicionales pueden incluir el tipo de tratamiento químico y la procedencia de origen.
4.2 Productos de madera sólida
Los productos de madera sólida son:
1 Los rolos o los fustes de los árboles descortezados. Consisten en la utilización directa del elemento primario de soporte de los árboles. Dado que todas las fibras tienen continuidad, normalmente ofrecen alta resistencia mecánica.
2 La madera cilindrada, que son los fustes cilindrados a un diámetro constante en toda su longitud.
3 La madera aserrada, que son piezas sección rectangular, cortadas del fuste del árbol.
La Figura 4.2 muestra la nomenclatura para denominar estructuralmente las distintas partes de una pieza de madera de sección rectangular.
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| figura 4.2 Denominación de los elementos de una pieza estructural de madera aserrada. |
Las dimensiones comerciales más comunes de piezas de madera aserrada tienen un espesor (b) que varía entre 25 y 100 mm, un canto o altura (h) entre 50 y 210 mm, y una longitud (L) de 2 a 6 metros aproximadamente. En Chile, la norma NCh2824 establece las dimensiones comerciales de pino radiata, tanto con madera aserrada en bruto (Tabla 4.2.1.) como para madera cepillada (Tabla 4.2.2); esto es un proceso de lijado que ofrece una geometría y superficie con mejor acabado. Por otra parte, la NCh174 establece las dimensiones comerciales del resto de especies en lo relativo a madera aserrada en bruto (Tabla 4.2.3) y madera cepillada (Tabla 4.2.4). Los tamaños más habituales de las piezas empleadas en la construcción ligera son 2”·4” y 2”·6”. Finalmente, la NCh2122 establece las dimensiones de postes de pino radiata según su clase resistente (Tabla 4.2.5). Es importante notar que, en la práctica, se observan desviaciones importantes respecto de las tablas anteriores. En concreto es muy habitual que el espesor de las piezas varía entorno a unos pocos milímetros según el productor, también es importante que varias de las dimensiones proporcionadas en las tablas no están disponibles comercialmente. Es por ello, que en la actualidad las tablas de dimensiones de la NCh se están actualizando para reflejar de la mejor manera posible la realidad del mercado.
| tabla 4.2.1 Dimensiones comerciales de pino radiata aserrado en bruto, NCh2824.Madera aserrada en bruto de Pino radiata. Dimensiones efectivas según NCh 2824, H=12% | |||||||||||
| Ancho[mm] | 2’’45 | 2 ½’’57 | 3’’69 | 3 ½’’82 | 4’’94 | 5’’118 | 6’’142 | 7’’166 | 8’’190 | 9’’214 | 10’’235 |
| Espesor[mm] | |||||||||||
| ½’’10 | * | * | * | ||||||||
| ¾’’17 | * | * | * | * | |||||||
| 1’’21 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 1 ½’’36 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 2’’45 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 2 ½’’57 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | * | |
| 3’’69 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 3 ½’’82 | * | * | * | * | * | * | * | * | |||
| 4’’94 | * | * | * | * | * | * | * |
| tabla 4.2.2 Dimensiones comerciales de pino radiata cepillado, NCh2824.Madera cepillada de Pino radiata. Dimensiones efectivas según NCh 2824, H=12% | |||||||||||
| Ancho[mm] | 2’’41 | 2 ½’’53 | 3’’65 | 3 ½’’78 | 4’’90 | 5’’114 | 6’’138 | 7’’162 | 8’’185 | 9’’210 | 10’’230 |
| Espesor[mm] | |||||||||||
| ½’’8 | * | * | * | ||||||||
| ¾’’14 | * | * | * | * | |||||||
| 1’’19 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 1 ½’’33 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 2’’41 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 2 ½’’53 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | * | |
| 3’’65 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 3 ½’’78 | * | * | * | * | * | * | * | * | |||
| 4’’90 | * | * | * | * | * | * | * | ||||
| Largos nominales: 2,40m; 3,00m; 3,20m; 3,60m; 4,00m; 4,80; Tolerancias: +2mm |
| tabla 4.2.3 Dimensiones comerciales de especies distintas al pino radiata aserradas en bruto según NCh174.Madera aserrada en bruto, excepto Pino radiata. Dimensiones efectivas según NCh 174, Of2007, H=12% | |||||||||||
| Ancho[mm] | 2’’50 | 3’’75 | 4’’100 | 5’’125 | 6’’150 | 7’’175 | 8’’200 | 9’’225 | 10’’250 | 11’’275 | 12’’300 |
| Espesorplgd [mm] | |||||||||||
| ½’’12 | * | * | * | ||||||||
| ¾’’19 | * | * | * | * | |||||||
| 1’’25 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 1 ½’’38 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 2’’50 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 3’’75 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | * | |
| 4’’100 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 5’’125 | * | * | * | * | * | * | * | * | |||
| 6’’150 | * | * | * | * | * | * | * | ||||
| 8’’200 | * | * | * | * | * | ||||||
| 10’’250 | * | * | * |
| tabla 4.2.4 Dimensiones comerciales de especies distintas al pino radiata cepilladas según NCh174.Madera cepillada excepto Pino radiata. Dimensiones efectivas según NCh 174, H=12% | |||||||||||
| Ancho[mm] | 2’’45 | 3’’70 | 4’’90 | 5’’115 | 640150 | 7’’165 | 8’’190 | 9’’215 | 10’’240 | 11’’265 | 12’’290 |
| Espesorplgd [mm] | |||||||||||
| ½’’9 | * | * | * | ||||||||
| ¾’’12 | * | * | * | * | |||||||
| 1’’20 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 1 ½’’30 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 2’’45 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 3’’70 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | * | |
| 4’’90 | * | * | * | * | * | * | * | * | * | ||
| 5’’115 | * | * | * | * | * | * | * | * | |||
| 6’’140 | * | * | * | * | * | * | * | ||||
| 8’’190 | * | * | * | * | * | ||||||
| 10’’240 | * | * | * | ||||||||
| Largos nominales: 1,20 a 6,00m con incrementos de 0,30m, incluyendo 3,20m. Sobredimensión: 5 cm |
| tabla 4.2.5 Dimensiones habituales de postes de pino radiata según NCh2122.NCh 2122 Dimensiones de postes de Pino radiata por clases(dimensiones derivadas considerando MRf.prom=52MPa) | ||||||
| Clase | 4 | 5 | 6 | 7 | 9 | |
| Carga máxima resistida a 60 cm del extremo superior del poste[N] (kgf) | 10.689(1.090) | 8.453(862) | 6.669(680) | 5.334(545) | 3.295(336) | |
| Dimensiones del poste | Perímetro extremo superior | 534 | 483 | 430 | 380 | 380 |
| Diámetro extremo superior | 170 | 154 | 137 | 121 | 121 | |
| Longitud del poste | Distancia entre la Línea de Tierra y el extremo inferior | Perímetro C y diámetro mínimo ø medidos a 1,85 m del extremo inferior del poste(mm) | ||||
| m | m | mm | mm | mm | mm | mm |
| 6,0 | 1,20 | C = 616Ø = 196 | C = 570Ø = 181 | C = 526Ø = 167 | C = 489Ø = 156 | C = 416Ø = 132 |
| 7,5 | 1,50 | C = 692Ø = 220 | C = 640Ø = 204 | C = 591Ø = 188 | C = 549Ø = 175 | C = 467Ø = 149 |
| 8,0 | 1,56 | C = 714Ø = 227 | C = 660Ø = 210 | C = 610Ø = 194 | C = 566Ø = 180 | C = 482Ø = 153 |
| 8,5 | 1,61 | C = 734Ø = 234 | C = 679Ø = 216 | C = 627Ø = 200 | C = 583Ø = 185 | C = 496Ø = 158 |
| 9,0 | 1,66 | C = 754Ø = 240 | C = 697Ø = 222 | C = 644Ø = 205 | C = 598Ø = 190 | C = 509Ø = 162 |
| 9,5 | 1,71 | C = 772Ø = 246 | C = 714Ø = 227 | C = 660Ø = 210 | C = 613Ø = 195 | C = 522Ø = 166 |
| 10,0 | 1,76 | C = 790Ø = 251 | C = 731Ø = 233 | C = 675Ø = 215 | C = 627Ø = 200 | C = 534Ø = 170 |
| 10,5 | 1,81 | C = 807Ø = 257 | C = 746Ø = 238 | C = 690Ø = 219 | C = 640Ø = 204 | C = 545Ø = 174 |
| 11,0 | 1,83 | C = 823Ø = 262 | C = 761Ø = 242 | C = 703Ø = 224 | C = 653Ø = 208 | C= 556Ø = 177 |
| 11,5 | 1,83 | C = 839Ø = 267 | C = 776Ø = 247 | C = 217Ø = 228 | C = 666Ø = 212 | C = 567Ø = 180 |
| 12,0 | 1,83 | C = 854Ø = 272 | C = 790Ø = 251 | C = 730Ø = 232 | C = 678Ø = 216 | C = 577Ø = 184 |
4.3 Paneles tipo Brettstapel
El sistema Brettstapel, fue inventado por el Ing. Julius Natterer en la década de los 70 en Suiza, de modo que, al igual que en el caso del CLT, es en Centroeuropa donde más se ha desarrollado este sistema, habitualmente utilizando madera de picea y de abeto con bajas propiedades mecánicas. Este tipo de paneles se conforman a partir de piezas de madera aserrada colocadas de canto conectadas por las caras mediante fijación mecánica. Los fabricantes pueden producir paneles de hasta 12-15 m de longitud, siendo las longitudes más comunes de 6-7 m, y con espesores de hasta 240 mm aproximadamente. Junto con forjados de glulam, CLT, mass LVL y mass Plywood, el Brettstapel constituye un método de construcción mass timber.
En función del tipo de conexión se denominan: i) Nailed Brettstapel o Nail Laminated Timber (NLT), cuya fijación entre tablas se realiza a través de clavos; y ii) Dowel Brettstapel o Dowel Laminated Timber (DLT), Fig. 4.5.e, realizado totalmente en madera y que utiliza conectores de madera de latifoliada (principalmente haya) como pasadores insertos perpendicularmente a las tablas de madera. Para ello se realiza un pre-taladro en las tablas, con un contenido de humedad entre el 12 y el 15%, y se introducen los pasadores a un contenido de humedad del 8% aproximadamente. El panel queda unido sólidamente cuando la madera hincha hasta alcanzar la humedad de equilibrio con el ambiente. Con el fin de mejorar el comportamiento de conexión cuando los paneles estaban sujetos a fuertes variaciones de Tª y HR, se desarrollaron paneles con conectores colocados de forma oblicua (incremento substancial de la rigidez). Este tipo de paneles muestra la desventaja respecto del CLT, de que lógicamente resultan mucho más efectivos en la dirección longitudinal de las piezas, y también por este motivo, no resultan ser tan estables dimensionalmente.
4.4 Productos de chapas de madera
Madera microlaminada (LVL)
La madera microlaminada (LVL-Laminated Veneer Lumber), Fig. 4.4.a, es un producto fabricado a partir del encolado y prensado de chapas de madera, de 3 mm de espesor aproximadamente, que en la mayoría de los casos se orientan paralelamente, aunque existen variantes diferentes como por ejemplo, láminas de LVL dispuestas perpendicularmente (XLVL). Las chapas son obtenidas a partir del debobinado de trozas4.1 y se secan y clasifican estructuralmente previo a la fabricación del producto final. Los elementos que se pueden obtener a partir de la madera microlaminada son, principalmente, vigas, paneles y studs o pies derechos4.2. Los espesores habituales de las vigas varían entre 27 y 90 mm y el canto entre 200 y 600 mm. En los últimos tiempos también se ha introducido el concepto de mass LVL, que análogamente al CLT, consiste en fabricar muros de gran canto, pero en este caso mediante el encolado de láminas de pequeño espesor. Los supuestos beneficios que permite este sistema frente al CLT, son que permite ajustar más finamente la cantidad de madera a emplear, aunque el precio se encarece debido a la mayor cantidad de adhesivo.
En general el LVL es considerado como un producto de una calidad muy elevada. Las laminaciones normalmente tienen un grado de defectos muy bajo, y los acabados de fabricación suelen ser excelentes, por lo que las propiedades mecánicas son tremendamente elevadas. En algunos países, el LVL es una buena alternativa para dar uso a especies que no son tan habitualmente empleadas con fines estructurales debido a que las laminaciones son muy finas, lo que permite el uso de troncos más irregulares, pequeños, con mayor dificultad de secado, etc. Un ejemplo se encuentra en Alemania, donde tienen una gran disponibilidad de haya; en los últimos tiempos se está impulsando la comercialización de LVL de haya, el cual tiene propiedades mecánicas realmente sobresalientes. Por ejemplo, si bien la resistencia última al aplastamiento perpendicular de la madera común con fines de diseño se puede estimar entorno a los 3 N/mm2, la resistencia del LVL de haya puede llegar a los 18 N/mm2.
En Latinoamérica, el LVL tiene una presencia muy minoritaria. Sin embargo, este producto, al igual que otros productos de ingeniería de madera con mayor elaboración, podría adquirir un mayor protagonismo en el futuro si se incrementase el grado de industrialización. Por lo general los productos más homogéneos como el LVL, y también aquellos más masivos como el CLT, permiten emplear madera de una calidad de partida relativamente baja. Este es el caso de muchas maderas de rápido crecimiento en Latinoamérica; existe una gran disponibilidad y renovación del recurso, como para generar mass timber, y las maderas tienen habitualmente resistencias ligeramente inferiores a los ejemplares homólogos de climas más fríos.
Tableros de contrachapado (terciado o plywood)
Los tableros contrachapados (plywood, multilaminado o terciado), Figura 4.4.b, al igual que el LVL, son productos fabricados a partir del encolado de chapas de debobinado de fustes de madera, pero que, en este caso, se encolan de modo que la orientación de la fibra de cada chapa con respecto a la contigua sea de forma ortogonal. Las medidas de estos productos son de 1,22 x 2,44 m2 de superficie y los espesores varían habitualmente entre 3 y 36 mm. De forma similar al mass LVL también es posible fabricar mass Plywood, siendo su estructura muy similar al CLT, pero con menor espesor de lámina. De forma progresiva, el terciado ha ido perdiendo protagonismo frente al OSB para la ejecución de muros de corte de entramado ligero, debido fundamentalmente al menor precio de este último. El uso del terciado en la actualidad suele estar asociado a aplicaciones donde se requiere una mejor calidad visual, puesto que sus propiedades mecánicas son bastante parecidas a las del OSB.
figura 4.4 Productos fabricados a partir de chapas, fibras y partículas de madera.
4.5 Productos de madera encolada
Se consideran productos de madera encolada estructurales, a aquellos que están formados por la unión, mediante un adhesivo estructural (ver 1.9), de piezas de madera aserrada. La característica básica de tal adhesivo estructural, no es otra que la de garantizar que, para un determinado rango de temperaturas y humedades, la rotura mecánica siempre se producirá antes en la madera que en el plano del adhesivo; es decir, como diseñadores podemos suponer que la limitación de resistencia está dada por la madera y no por la resistencia a la delaminación del adhesivo. Es por tanto fundamental, que estos productos tengan un certificado que garantice dicha propiedad de acuerdo al estándar y uso con condiciones ambientales correspondientes. Otra circunstancia que es básica conocer a priori, es que las uniones con adhesivo requieren en la gran mayoría de los casos de un alto grado de perfección para ser efectivas. Es decir, se requiere siempre que la limpieza, preparación de superficies, aplicación, prensado y curado satisfaga estrictamente lo indicado por el fabricante, de otro modo la unión pierde súbitamente su efectividad estructural. Es por ello que el control de calidad resulta crucial para este tipo de uniones.
El encolado suele darse en dos planos de las piezas: en las testas, muy habitualmente mediante una unión dentada (finger joint), aunque otros tipos de uniones también son posibles, y en las caras. Existen principalmente tres familias de adhesivos estructurales: de naturaleza fenólica y aminoplástica (MUF, MF, PRF, UF, etc.); de poliuretano monocomponente de curado en húmedo (PUR) y aquellos basados en isocianato y polímeros de emulsión (EPI).
Las características más importantes de los adhesivos estructurales se resumen a continuación:
1 Fenólicos y aminoplásticos (MUF, MF, UF, PRF, PF, RF): color transparente (MUF, MF, UF) y oscuro (PRF, PF, RF), muy alta resistencia mecánica, muy elevada rigidez, bajo precio (aproximadamente 4,4 USD/kg), uso exterior (RF, PRF, PF), semi-exterior (MF, MUF) e interior (UF). Toxicidad debida a la emisión de formaldehido (cancerígeno), especialmente MF, MUF y UF cuando se encuentran sometidos a ambientes de altas temperaturas y humedades. Las emisiones de estos compuestos se encuentran cada vez más normadas y restringidas. MF, MUF y UF prácticamente no sufren creep. RF, PRF y PF presentan muy poca tolerancia al error de fabricación, lo que significa que la preparación de superficies, grados de humedad, aplicación y curado deben seguir protocolos muy estrictos, para poder lograr encolados con la resistencia estructural esperada. Tiempos de prensado prolongados.
2 Poliuretano (PUR): color transparente, menor resistencia mecánica, mayor precio (aproximadamente 10,7 USD/kg), cura en condiciones húmedas, menores tiempos de prensado, no es tóxico.
3 Isocianato y polímeros de emulsión (EPI): los más comunes suelen ser acetatos de vinilo (PVA), color transparente, alta resistencia mecánica, precio intermedio (aproximadamente 7,7 USD/kg), usualmente poco resistentes a la humedad y altas temperaturas - aplicación interior, muy bajos tiempos de fabricación y prensado, fácilmente trabajable.
Adicionalmente, en algunas aplicaciones tales como refuerzos, se emplean también resinas epoxi, ya que resultan muy fáciles de trabajar y admiten una relativa alta tolerancia al error por lo que es bastante habitual aplicar estos productos en obra, donde es mucho más complicado asegurar las condiciones de aplicación que en planta. Las propiedades mecánicas de estos adhesivos son las más elevadas, pero el coste resulta también muy alto. Finalmente, es importante mencionar que en la actualidad se están ensayando y mejorando adhesivos con base natural, tales como la lignina, que ofreciendo buenas características mecánicas no resultan tóxicos en absoluto y son ecológicamente sustentables. Incluso en la actualidad, algunas investigaciones han tratado de encolar la madera sin adhesivo, lo que se consigue mediante ciertos procesos químicos de polarización.
Los productos estructurales de madera encolada fabricados a partir de tablas de madera aserrada son:
1 Madera maciza con empalmes por unión dentada (finger-joint).
2 Madera maciza encolada (MME).
3 Madera laminada encolada (MLE).
4 Madera contralaminada (CLT).
Ver una ilustración de estos productos en la Figura 4.5.
| figura 4.5 Productos de madera estructural a partir de tablas de madera aserrada, nótese que el CLT y el Brettstapel son a su vez considerados productos madera masiva. |
Madera maciza con empalmes por unión dentada
La madera maciza con empalmes por unión dentada (finger joint) en sus testas, permite conseguir piezas de madera aserrada de sección rectangular y de la longitud deseada, sin estar limitado por la altura del árbol o longitud de la troza. Se consideran piezas de madera aserrada y se clasifican estructuralmente como tal.
Madera maciza encolada (MME)
La madera maciza encolada se conforma por 2 a 5 láminas de madera aserrada de entre 25 y 85 mm de espesor aproximadamente, con las fibras orientadas de forma paralela, y encoladas por las caras. La orientación de las láminas de madera aserrada es en forma vertical, tal y como se muestra en la Figura 4.5.b, con cantos de hasta 250 mm aproximadamente y longitudes de hasta 12-16 m. Cada una de las láminas puede estar formada por varias piezas de madera aserrada unidas por las testas mediante unión dentada. Las piezas de madera maciza encolada más comunes son las conformadas por dos o tres láminas, denominadas “Dúo” y “Trío” respectivamente y, comparado con las piezas de madera aserrada, presentan como principal ventaja una mayor estabilidad dimensional. Se clasifican estructuralmente como si de piezas de madera aserrada se tratase, y son comúnmente usadas en Europa como elementos secundarios de las cubiertas (cabios y correas), aunque no son productos muy comunes en Latinoamérica.
Madera laminada encolada (MLE)
La madera laminada encolada (MLE), también conocida como glulam en inglés (glued laminated timber), Figura 4.5.c, se define como un elemento estructural constituido por un mínimo de dos láminas de madera aserrada con la dirección paralela a la fibra, y encoladas entre sí por la cara con adhesivos estructurales; comúnmente, las láminas tienen espesores (t) que varían entre 6 y 45 mm. Muy habitualmente dichas láminas se orientan horizontalmente, lo que es denominado laminación horizontal, aunque también es posible disponer las láminas según su eje fuerte de inercia, refiriéndose en tal caso a una laminación vertical. Cada una de las láminas puede estar unida en las testas mediante uniones dentadas o finger-joints para conseguir la longitud deseada. Las secciones habituales tienen anchuras que varían entre 70 y 250 mm aproximadamente, y cantos de hasta 2 metros o más. Las longitudes estándar de las piezas rectas suelen ser de 13 m, aunque, dependiendo de las instalaciones del fabricante, se fabrican piezas de mayor tamaño (hasta 32 m. aproximadamente) y también piezas con curvatura, lo que se consigue encolando las láminas con cierto grado de humedad y temperatura sobre moldes curvados. El radio de curvatura define el espesor de lámina a utilizar, de modo que, a mayor curvatura menor espesor de lámina. Tal como se mostrará en secciones posteriores, la curvatura influye en las propiedades mecánicas, principalmente cuanto mayor sea la curvatura, mayores son las tensiones residuales que a priori tendremos en el miembro estructural, y también mayores serán los riesgos por tensiones no paralelas.
Dado que la MLE se emplea muy habitualmente en flexión, es relativamente normal emplear láminas de mayor calidad en los bordes flexotraccionados y flexocomprimidos. En este caso se suele referir a MLE no homogénea o combinada para distinguirla de la MLE homogénea, en la cual todas sus láminas tienen la misma calidad estructural. Además, las láminas de calidad superior pueden incluso no ser de la misma especie lo que se denomina como MLE híbrida. Este último tipo de productos híbridos habitualmente debe de tener condiciones de control de humedad muy estrictas tanto en fabricación como en servicio, debido ello a que las tensiones internas generadas por diferentes coeficientes de contracción pueden llegar a ser importantes.
Las ventajas de la MLE frente a la madera aserrada radican en una menor influencia de defectos (homogeneidad), y por tanto resistencia superior, mayor sección y longitud de piezas que se pueden fabricar y versatilidad de formas (curvaturas). La menor influencia de defectos es debida principalmente a 2 circunstancias:
1 Las láminas suelen seleccionarse y recortarse para contener menor cantidad de defectos, o incluso en algunos casos madera totalmente limpia. Esto es posible debido a que las laminaciones longitudinales (finger joints) permiten emplear pequeños trozos de madera.
2 Aun cuando la cantidad de defectos pudiese ser igual que en la madera aserrada, estos muestran una continuidad muy limitada. Es decir, las interrupciones en la rectitud de la fibra se producen de forma más discreta, porque hay bastantes posibilidades de que los nudos de tamaño considerable sean recortados por una laminación, por lo que las zonas de baja rigidez y resistencia se encuentran más localizadas que en la madera aserrada; en otras palabras, la MLE puede considerarse como un producto más homogéneo.
Estas ventajas, unidas con la buena relación resistencia-peso propia de la madera, hacen que sean elementos muy competitivos con otros materiales (como el hormigón y el acero) cuando hay que salvar grandes luces, como por ejemplo cubiertas de edificios públicos o industriales.
Aunque la MLE se suele emplear como elemento tipo viga, en tiempos recientes también se ha empleado para conformar placas de forjado. En estos casos varias vigas de MLE son dispuestas según su eje débil de inercia y encoladas paralelamente. Dada la gran cantidad de madera empleada en este sistema constructivo, cuando la glulam se emplea de esta forma uno se refiere a ella como una técnica de mass timber (madera masiva).
Madera contralaminada (CLT)
Los paneles de madera contralaminada son conocidos internacionalmente como CLT (Kreuzlagenholz, Brettsperrholz, Cross Laminated Timber, CrossLam o Xlam). Normalmente están conformados por tablas de madera aserrada de espesores entre 20 y 40 mm, vinculadas entre sí mediante adhesivos estructurales y colocándose en capas superpuestas unas sobre otras, de modo que la dirección de las tablas en cada capa es perpendicular a la anterior, Figura 4.5.d. Las tablas pueden estar vinculadas entre sí únicamente mediante las caras, o las caras y los bordes. La mayoría de los paneles están formados por 3, 5 o 7 capas, aunque pueden ser más, siendo simétricos desde la capa central. Los espesores de panel varían en función del espesor de la tabla y de la cantidad de capas, situándose habitualmente entre los 51 y los 400 mm. El ancho y el largo del panel se define en función de cada proyecto, y depende de la capacidad de prensado de la industria que lo fabrica, siendo las dimensiones máximas actuales aprox. 3.5 · 18 m. Esto genera un producto de ingeniería en madera sólido que permite su utilización en forjados, cubiertas y muros de carga en edificación. Generalmente, estos paneles se realizan con madera de coníferas, provenientes de bosques con gestión silvícola4.3 para su explotación comercial. Estas especies son seleccionadas debido a su facilidad de mecanización y a su bajo costo, aspecto fundamental para la competitividad del sistema ya que utiliza un gran volumen de madera.
Aunque la mayoría de CLT se produce por encolado, existen también otras variantes. Así, por ejemplo, existe CLT cuyas capas se unen mediante clavos, pasadores y pernos, estos dos últimos pudiendo incluso ser producidos a partir de una madera de mayor calidad, habitualmente una frondosa como el haya. El CLT unido mediante conectores mecánicos se caracteriza por tener una rigidez considerablemente inferior al encolado, y también por disponer capas diagonales que tratan de arriostrar los conectores, limitando la caída de rigidez. Es relativamente habitual observar CLT con espesores no constantes, especialmente cuando se espera que el esfuerzo mayoritario ocurra en una dirección; en ocasiones hasta el 80% del material puede estar dispuesto axialmente en muros, mientras que el 20% se dispone horizontalmente. En cualquier caso, al igual que en el resto de compuestos laminados (teoría clásica de laminación), la disposición de láminas idealmente debe ser simétrica (las capas y espesores muestran simetría de espejo respecto centro geométrico) y balanceada (la angulación de cada lámina de la parte superior tiene su contraparte en la zona inferior). La simetría permite desacoplar la respuesta del plano respecto de los esfuerzos a flexión, esto significa que un esfuerzo de flexión apenas produce deformación en el plano y viceversa. Por su parte, el balanceado permite desacoplar la respuesta axial respecto de la cortante; el CLT no sufrirá deformación de cortante al solicitarse axialmente y viceversa. Además, el balanceado tiende a desacoplar también la flexión de la torsión, de modo que un momento flector tan sólo tiende a producir un pequeño momento torsor. En definitiva, la estabilidad mecánica es claramente superior con simetría y balanceado, y por ello, el número de capas tiende a ser impar lo que ocurre habitualmente con otras configuraciones de productos de ingeniería ‘por capas’, tales como el terciado (ver secciones posteriores), aunque lógicamente se observan excepciones a esta regla.
Es también relativamente habitual emplear una capa de hormigón de aproximadamente unos 4 cm sobre el CLT para mejorar las propiedades de aislamiento acústico y vibraciones. En este caso el hormigón puede estar conectado al CLT mediante encolado o algún tipo de conector mecánico capaz de transmitir los esfuerzos cortantes, muy habitualmente tornillos dispuestos con una inclinación de 45°, los cuales tienden a ser prefabricados y mecanizados antes de aplicar la mezcla de hormigón en obra.
Una de las principales ventajas del CLT reside en una elevada rigidez lateral, lo que permite la realización de edificaciones de mediana a gran altura, cumpliendo con los restrictivos límites de desplazamiento entre piso o drift que se estipulan en la mayoría de normativas internacionales. Por otra parte, la influencia de los defectos es incluso menor que en la MLE dada la gran masividad del producto, por lo que en principio es posible emplear maderas de inferior calidad, especialmente en las capas centrales; este aspecto podría ser muy importante para países productores de especies de rápido crecimiento, tales como los países de Latinoamérica. La masividad también le atribuye a este producto una resistencia al fuego muy elevada —se han reportado resistencias de hasta 150 minutos sin perder la integridad estructural. Finalmente, a diferencia de la madera maciza y la MLE, el CLT muestra una gran estabilidad dimensional ya que los cambios dimensionales transversales de una lámina son contrarrestados por la estabilidad longitudinal de la lámina vecina.
4.6 Productos de fibras y partículas de madera
Tableros de fibras
Los tableros de fibras, Figura 4.4.c, están fabricados a partir de fibras de madera, mediante un proceso mecánico de desfibrado. Se clasifican, en función de su densidad, en tableros de densidad media (MDF, Medium Density Fibreboard), con una densidad aproximada de 600 Kg/m3, o tableros de alta densidad (HDF, High Density Fibreboard), con una densidad mayor a 800 Kg/m3. Los MDF son fabricados a partir de la unión de las fibras mediante adhesivos y un proceso de prensado en caliente, y sus aplicaciones están asociadas a la carpintería y mobiliario principalmente. Los HDF se caracterizan por no usar adhesivos en su proceso de fabricación, sino que las fibras se entrelazan a través de sus propiedades termoplásticas mediante el prensado. Las aplicaciones son más diversas: mobiliario, industria del automóvil, juguete o calzado, aislamiento, etc. Finalmente, también existen paneles “blandos” de fibras de madera (LDF, low density fiberboard), cuyas densidades se sitúan en torno a los 100-200 kg/m3. Al igual que los anteriores, estos paneles no emplean adhesivos en el proceso de fabricación. Sus principales aplicaciones son como elemento aislante, ya que sus propiedades térmicas son parecidas a las de los materiales derivados del petróleo que se emplean más habitualmente. El uso de este tipo de paneles de aislamiento es muy habitual en Centroeuropa.
Tableros de partículas
Los tableros de partículas, Figura 4.4.d, están formados por varias capas de partículas de madera de unos pocos mm de espesor y longitudes de hasta 30 mm, secas y posteriormente encoladas y prensadas. Los espesores habituales del tablero varían entre 3 y 50 mm. El uso de prensas continuas permite obtener cualquier longitud, quedando limitada la anchura a la de la prensa. La densidad habitual ronda los 650 Kg/m3.
Los tableros de partículas se clasifican en 7 tipos, siendo los P1, P2 y P3 tableros no estructurales, y entre P4 y P7 los tableros estructurales para diferentes usos en función de la humedad ambiente. Si bien las propiedades mecánicas de estos productos son muy homogéneas, se pierde la calidad de “fibra” por lo que las resistencias son mucho más bajas que un tablero de terciado o OSB. La ventaja de estos productos radica principalmente en su precio, y la ventaja de poder emplear maderas y trozos de madera de baja calidad, incluso madera reciclada.
4.7 Productos de virutas de madera
Parallel strand lumber (PSL), Laminated strand lumber (LSL) y Oriented strand lumber (OSL)
Los PSL, Figura 4.7.a, son productos formados por virutas de madera, con una relación longitud-espesor de aproximadamente 300, orientadas de forma paralela, encoladas y prensadas, para formar vigas, postes y otros elementos estructurales. Las secciones habituales de las vigas cuentan con anchuras de hasta 180 mm y cantos de hasta 500 mm aproximadamente.
En función de la relación longitud-espesor de las virutas, se definen otros productos similares, como son el LSL (Laminated Strand Lumber) cuya relación es de aproximadamente 150, y el OSL (Oriented Strand Lumber) con una relación de 75, Figuras 4.7.b y 4.7.c, respectivamente. Estos tres productos, junto con el LVL, suelen ser agrupados en literatura de habla inglesa como structural composite lumber (SCL).
Tableros de virutas orientadas (OSB)
Los tableros OSB (Oriented Strand Board), Figura 4.7.d, están formados por varias capas de virutas de madera, orientadas de tal modo que, en cada capa, las virutas estén orientadas (aproximadamente) de forma ortogonal a la siguiente capa. Las virutas se encolan con adhesivos y se prensan en caliente para conformar el tablero. Las dimensiones habituales son 1,22 x 2,44 m y los espesores oscilan entre 6-28 mm. Su densidad varía con la especie de madera utilizada, pero suele rondar los 650 Kg/m3. Existen cuatro tipos de tableros OSB, siendo los comprendidos entre los tipos 2 y 4 los considerados estructurales y variando su aptitud en función del contenido de humedad ambiental donde se coloquen. Los usos más comunes son como cerramientos de paredes y cubiertas.
figura 4.7 Productos fabricados a partir de virutas de madera.
4.8 Productos compuestos
Existen multitud de productos compuestos de madera y celulosa. Tal como resulta habitual en cualquier tipo de material compuesto, la composición de diferentes materiales dentro del mismo producto se fundamenta en aprovechar las principales ventajas de cada producto. Por ejemplo, en la fabricación de vigas en I es habitual combinar el OSB en el alma por su gran resistencia al corte, con el LVL por su gran resistencia axial en las alas. En los productos de ingeniería de madera, dichas combinaciones son muy factibles debido a la facilidad de unión ya sea mediante encolado o uniones mecánicas. En el libro “Conceptos avanzados del diseño estructural con madera. Parte I” se dedica un capítulo al diseño y cálculo de algunos de los elementos compuestos más habituales.
Nótese que existe una gran cantidad de elementos compuestos, y las combinaciones posibles son prácticamente infinitas. En esta sección se describen brevemente únicamente las combinaciones más comunes desde el punto de vista material, una descripción más detallada de los productos compuestos se detalla expone en el capítulo referente a la construcción.
Vigas I
Las vigas I (I-joists)4.4 están compuestas habitualmente por alas de madera aserrada o LVL y alma de contrachapado o OSB, entre otros. Los anchos de viga varían entre 38 y 89 mm y los cantos entre 241 y 508 mm aproximadamente, con longitudes habituales hasta 20m, ver una ilustración en Figura 4.8.a.
Compuestos madera-hormigón
Denominados en inglés como timber-concrete composites son elementos estructurales que combinan la madera y el hormigón para la creación de un compuesto que, en la mayoría de los casos, trabaja solidariamente, ver Figura 4.8.b. En su conformación pueden usarse vigas de madera aserrada u otros productos de ingeniería de madera, unidos mediante conectores metálicos, a una capa de compresión de hormigón. Son principalmente usados en forjados, aunque también pueden usarse en muros.
Wood plastic composites (WPC, compuestos de madera-plástico)
Los compuestos de madera plástico suelen estar formados por aproximadamente 50% de restos de aserrín mezclados con un 40% de termoplástico y 10% de agentes químicos, fundamentalmente compatibilizadores que mejoran la adhesión de la madera al plástico y substancias que facilitan la manufactura. Los termoplásticos, a diferencia de los plásticos termoestables, son plásticos que reblandecen con la acción del calor y se endurecen al enfriar de forma reversible, lo que permite fundirlos y mezclarlos con los restos de madera para su fabricación mediante procesos de inyección, extrusión y compresión en moldes. El plástico puede ser normal (derivado del petróleo), reciclado o bioplástico (extraído de aceites vegetales), siendo estos 2 últimos mucho más sustentables. Las propiedades positivas por las cuales se emplean estos productos son básicamente durabilidad y estabilidad dimensional superior. Siendo las principales aplicaciones la elaboración de elementos de fachada, elementos muy expuestos, pasarelas en ambiente marino e incluso piezas interiores de automóviles.
| figura 4.8 Principales productos compuestos de ingeniería de madera habitualmente empleados en la construcción. |
Las principales desventajas de los WPC son una pronunciada reología (creep) propia de los termoplásticos (muy sensibles a la temperatura) y reducida capacidad estructural, por lo que su uso en la práctica es mayormente no-estructural o semi-estructural. La capacidad estructural puede ser incrementada sustancialmente al emplear fibras en lugar de aserrín, producto que habitualmente es más referenciado con el término compuestos reforzados con fibras naturales (Natural Fiber Reinforced Polymers, NFRP) en lugar de WPC, aun cuando las fibras que se emplean son de madera. La determinación de las propiedades físicas y mecánicas de estos compuestos se realiza en Chile según la norma NCh3177:2008.
Natural Fiber Reinforced Polymers (NFRP, compuestos reforzados con fibras naturales)
Estos compuestos son similares a los anteriores, con la excepción de que los compuestos celulósicos suelen ser fibras en lugar de partículas y el polímero suele ser de tipo de epoxi. Pese a que se pueden emplear fibras de madera, es muy habitual emplear fibras de otros vegetales de gran disponibilidad y resistencia tales como el lino o el cáñamo. El precio y las prestaciones mecánicas de estos compuestos son superiores a los anteriores. Las aplicaciones estructurales de este tipo de fibras son predominantemente en ingeniería mecánica (p.ej. para fabricación de partes de vehículos), pero no tanto en ingeniería civil, aunque también han sido probados efectos positivos en infraestructura, como por ejemplo para el refuerzo de estructuras de hormigón.
Placas de yeso cartón (drywall, gypsum board, durlock, volcanita)
Es un compuesto no estructural que habitualmente consiste en un elemento tipo sándwich formado por una placa de yeso laminado (interno), el cual resiste relativamente bien las compresiones, y dos capas (externas) de celulosa que aportan flexibilidad a flexión. Una variante también posible es en lugar de formar un material por capas, constituir un compuesto de yeso con fibras de celulosa. En estructuras de madera se emplea fundamentalmente para el revestimiento (interior y en la mayoría de países también exterior) con el fin de aportar resistencia al fuego. La resistencia al fuego de este compuesto es, relativamente a su espesor, muy elevada si se instala sin fisuras (encapsulado), debido a que no es un compuesto inflamable y las moléculas de agua incluidas en la estructura química del sulfato de calcio se evaporan al reaccionar al fuego, lo que otorga una resistencia prolongada a las altas temperaturas. Este producto presenta la desventaja de que admite mucha menor deformación que la madera y es extremadamente frágil, por lo que en zonas sísmicas se han reportado grandes costos de reparación no estructural debida a la falla del yeso cartón (en ocasiones los costos asociados representan más del 90% de la reparación). Sin duda, el aporte de este producto en la rigidez del entramado ligero, y el precio total de la construcción es un aspecto notable a considerar.
