Semestre Otoño Prof. Ayudante: Marcelo González

Transcripción

1 Diseño y Construcción en Madera Semestre Otoño 2009 Prof. Responsable: Tomás Karsulovic Prof. Ayudante: Marcelo González

2 Material de construcción n 1 en todos los estados de USA y en todas las provincias de Canadá Ventajas: Vigas grandes se carbonizan pero no colapsan Baja conductividad térmica Aislante eléctrico Belleza estética Alta relación Resistencia/Peso Material liviano Fácil montaje Es un recurso renovable variedad de formas y tipos Bajo consumo de energía ( en USA corresponde al 47% de los materiales de construcción, y s lo un 4% de la energía requerida para producir todos los materiales)

3 Desventajas: Material combustible Biodegradable Excesiva variabilidad (Paga un alto precio para ser considerada como un material estructural) Creep (deformación en el tiempo) Débil en tracción perpendicular al grano y en cizalle paralelo

4 Propiedades mecánicas: Son aquellas que indican la capacidad de los materiales para resistir fuerzas externas, de acuerdo a esta capacidad serán los usos a que los materiales son destinados y las dimensiones necesarias para asegurar una adecuada estabilidad estructural en las construcciones Ensayos mecánicos: A través de ensayos mecánicos se busca determinar las propiedades mecánicas de la madera libre de defectos La determinación de las propiedades mecánicas y físicas asociadas se La determinación de las propiedades mecánicas y físicas asociadas se efectúan mediante ensayos normalizados sobre probetas estandarizadas libre de defectos, obtenidas y ensayadas mediante los mismos métodos

5 Influencia de la anisotropía de la madera Las propiedades de la madera no son las mismas según la orientación de los esfuerzos en relación a las fibras y a los anillos de crecimiento Se distinguen el esfuerzo axial o longitudinal (paralelo a la dirección de las fibras); esfuerzo transversal o perpendicular (normal a la dirección de las fibras); y esfuerzo oblicuo (orientado según un cierto ángulo en relación a a la dirección de las fibras En el plano transversal se distingue la dirección radial y la tangencial

6 Influencia de la densidad de la madera

7 Influencia de la higroscopicidad de la madera Resistencia probetas de madera v/s contenido de humedad

8 Flexión estática

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10 Flexión dinámica (Tenacidad)

11 Compresión axia

12 Tracción normal

13 Cizalle longitudinal

14 Propiedades mecánicas de especies madereras que crecen en Chile. Estado verde

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16 Propiedades mecánicas de especies madereras que crecen en Chile. Estado seco

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19 Propiedades Mecánicas El primer paso es la obtención de resistencias de probetas libres de defectos según ensayos normalizados Análisis estadístico

20 Ejemplo análisis estadístico límite de exclusión del 1%

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22 Tensiones básicas Los valores obtenidos para el límite con exclusión del 5% son los de las diferentes propiedades mecánicas de la madera (flexión, compresión paralela, tracción paralela, cizalle) Estos valores más los valores medios de compresión normal y módulo de elasticidad en flexión son divididos por un factor de ajuste n que incluye la corrección para considerar la aplicación de una carga de duración permanente (10 años) y un factor de seguridad Los resultados de estos cálculos entregan las Tensiones básicas, que sólo son aplicables a madera libre de defecto

23 Factores de ajuste aplicables en las propiedades mecánicas de madera libre de defectos

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25 Clasificación estructural La madera de uso estructural presenta nudos, desviaciones de fibra, grietas, y otros defectos y deformaciones que reducen la resistencia Se procede a realizar una clasificación estructural, para agrupar piezas con características estructurales semejante Clasificación Mecánica: MSR: Machine stress rating Método de cargas de prueba (Proof-Grading o Proof leading) Ing. Grade Testing

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27 Clasificación visual: RAN: Concepto de razón de área nudosa (Pino radiata, ver NCh 1207) RR: Concepto de razón de resistencia (resto de las especies)

28 Concepto de Razón de resistencia (RR)

29 Normas Chilenas de clasificación visual para madera de uso estructural (excepto Pino radiata)

30 Según NCh 1970 la madera de latifoliadas y coníferas para uso estructural, aserrada o cepillada se clasifica en cuatro gr El método de clasificación consiste en una inspección visual de los defectos que cada pieza presenta en todas sus superficies (caras, cantos y cabezas) considerando sólo aquellos que inciden sobre su resistencia Tensión Admisible = Tensión básica * RR

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44 Uso de las NCh 1970, 1989, y 1990 para determinar las tensiones admisibles de maderas crecidas en Chile Agrupamiento de especies

45 Ejemplo 1: Eucalipto (Eucaliptus globulus)

46 Ejemplo 1: Eucalipto (Eucaliptus globulus)

47 Ejemplo 2: Ulmo (Eucryphia cordifolia)

48 Ejemplo 2: Ulmo (Eucryphia cordifolia)

49 Utilizando las NCh 1970, 1989 y 1990; determinar las tensiones admisibles para madera de Roble, Raulí y Coigüe en estado verde y seco.

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51 1. Cargas verticales o de gravedad D: Carga muerta o permanente (Dead) S: Carga de nieve (Snow) Lr: Carga viva de techo (Live roof) Lf: Carga viva de piso (Live floor) 2. Cargas laterales W: Carga de viento (Wind) E: Carga de sismo (Earthquake) Las cargas muertas (peso de las estructuras) representa un bajo porcentaje del total de cargas de diseño Los valores de cargas de diseño están dados por Normas

52 Tensión de diseño: Carga por unidad de superficie que resulta de multiplicar la tensión admisible por todos los factores de modificación pertinentes

53 KD: FM por duración de carga Según sea la duración de la carga que afecta la estructura, se aplicará el factor Según sea la duración de la carga que afecta la estructura, se aplicará el factor de modificación siguiente:

54 En aquellos casos en que se combinen cargas de diferente duración, se utilizará el factor de modificación correspondiente a la carga de menor duración (NCH 1198) El KD no afecta al módulo de elasticidad en flexión ni a la tensión admisible El K no afecta al módulo de elasticidad en flexión ni a la tensión admisible de compresión normal

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56 KH: FM por contenido de humedad Las tensiones admisibles en estado seco corresponden a un contenido de humedad (CH) del 12% Si la humedad de equilibrio del lugar donde se usará la estructura se Si la humedad de equilibrio del lugar donde se usará la estructura se encuentra entre 12% y 20%, y la pieza de madera aserrada tiene un espesor menor o igual a 100 mm, se aplica KH para madera en estado seco y madera en estado verde

57 Variación de la resistencia por cada 1% de variación en el CH. Aplicable para todas las especies excepto Pino radiata, Ver NCh Ejemplo: Una viga de roble, que forma parte de una estructura, se encuentra sometida a esfuerzos de flexión. La Obra se realiza en en la la localidad de de Valdivia

58 Kc: FM por trabajo conjunto en flexión Cuando 3 ó más elementos de madera aserrada están espaciados máximo 24 (610 mm) cada uno, y están dispuestos de tal forma que en conjunto pueden soportar la carga aplicada se aplica un Kc = 1,15 FM por temperatura Cuando por razones excepcionales, las condiciones de servicio de una estructura de madera determinan temperaturas ambientales marcadamente superiores a las normales (ver NCh 1198: Anexo H) FM por tratamiento químico Ver NCH 1198 anexo I Existen FM de aplicación particular que se ven en el estudio de la solicitación respectiva

59 Filosofía del diseño Capacidad v/s Demanda Materiales Condiciones impuestas Cargas nominales de diseño

60 Se debe verificar que: 1. Las tensiones de trabajo no sobrepasen las tensiones de diseño en flexión, corte y compresión normal 2. La flecha de cálculo no exceda los límites especificados en la NCh 1198 Chequeo de corte en vigas simples

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62 : FM por volcamiento de vigas La esbeltez de volcamiento no debe exceder el valor de 50, con: Para vigas simplemente apoyadas con carga concentrada en el el centro

63 Para vigas simplemente apoyadas con carga distribuida uniforme Para vigas simplemente apoyadas o en voladizo, con cualquier configuración de carga

64 Ff* : tensión admisible de flexión ponderada por todos los FM aplicables, excepto FM por volcamiento y FM por altura

65 Khf : FM por altura Aplicable a todas las especies forestales, excepto Pino radiata, en piezas traccionadas o vigas rectangulares de ancho o altura mayor a 50 mm h: Ancho de la pieza traccionada o altura de la viga [mm]

66 Chequeo de corte en vigas simples (se calcula según NCh 1198: (página 26) )

67 Chequeo por deformación

68 Una de las vigas principales de un puente, se encuentra sometida a una carga uniforme D +S de 600 kg/ m. La viga se encuentra soportada lateralmente en sus extremos de tal forma que no existe riesgo de volcamiento. La distancia entre apoyos (luz libre) es de 4.5 m. La viga es de madera aserrada y seca de Eucalipto Grado estructural N 1, de sección rectangular de 100 mm de espesor por 150 mm de ancho (altura). La humedad de servicio de la localidad donde se encuentra el puente es de 17%. Se pide: (a) Determinar si la viga es apropiada para las condiciones ya especificadas. (chequear en flexión, corte y deformación)

69 (b) Para la situación anterior determinar la altura mínima de la viga si el espesor (base) se mantiene en 100 mm (c) Repetir el ejercicio (b) para madera seca de Eucalipto si: (ci) La madera se clasifica en el grado estructural N 2 (cii) La madera se clasifica en el grado estructural N 3 (ciii) La madera se clasifica en el grado estructural N 4 (d) Si la sección de la viga es rectangular de 100 mm de espesor por 300 mm (d) Si la sección de la viga es rectangular de 100 mm de espesor por 300 mm de altura, y la viga no se encuentra soportada lateralmente. Determinar si la viga es adecuada para las condiciones de (a)

70 Diseño: (Ver NCh 1198 of.1991, modificada en 2006) Elementos en flexión Elementos en compresión paralela Elementos en tracción paralela Elementos en compresión perpendicular (aplastamiento) Elementos sometidos a esfuerzos combinados Uniones en la madera estructural

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