CURSO CONSTRUCIÓN EN MADEIRA - Ing. Carlos … · de la dirección del esfuerzo respecto a la...
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CURSO CONSTRUCIÓN EN MADEIRA CÁLCULO ESTRUTURAS
23-24 Outubro 20086-7 Novembro 2008
Título: Propiedades físicas e mecánicas da madeira
Ponente: Azahara Soilán Cañás
Organismo/Empresa: CIS Madeira
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
ESTRUCTURA MICROSCÓPICA
CONÍFERAS
90 % traqueidas: función conductora y de sostén
Sección A. Transversal.1. Canal resinífero longitudinal2. Radios leñosos3. Traqueidas longitudinales4. Células epiteliales5. Sección de punteadura areolada
Sección B. Radial.6. Punteaduras aeroladas7. Punteaduras tipo ventana8. Traqueidas radiales9. Células parénquima radial
Sección C. Tangencial.10. Canal resinífero.
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Fuente: García Esteban y otros. 2003
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
ESTRUCTURA MICROSCÓPICA
FRONDOSAS
Células más especializadasEstructura más complejaTraqueidas: función de sosténVasos: función conductora
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Fuente: García Esteban y otros. 2003.
Sección A. Transversal1. Vaso2. Parénquima longitudinal3. Radio leñoso
Sección B. Radial4. Elemento vasal5. Parénquima longitudinal8. Radio leñoso9. Fibrotraquiedas
Sección C. Tangencial10. Radio leñoso11. Fibrotraqueidas
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
Fuente: Vignote y Martínez, 2006.
Lámina media: lignina + hemicelulosa. Elemento de cohesión entre células para formar tejidos.
Pared primaria: microfibrillas incrustadas en un fondo de lignina.
Pared secundaria: microfibrillas incrustadas en pequeñas proporciones de lignina donde se distinguen tres capas que contienen microfibrillas con distintas orientaciones.
Tubos de cadenas de celulosa dispuestos según el eje del árbol ligados entre sí mediante lignina.
ESTRUCTURA ULTRAMICROSCÓPICA
COMPOSICIÓN DE LA PARED CELULAR
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CORTEZA: constituida por células muertas.
CAMBIUM: tejido que origina corteza hacia el exterior y madera hacia el interior.
DURAMEN: madera de la parte interior del tronco. Madera más oscura, más densa (mayor resistencia mecánica) y mayor resistencia a los ataques de insectos.
ALBURA: madera de la parte más próxima a la corteza. Madera fácil de tratar y de trabajar.
CORTEZA
CAMBIU
M
ALBURA
DURAMEN
ESTRUCTURA MACROSCÓPICA
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ANILLOS DE CRECIMIENTO
MADERA JUVENIL
ANILLOS DE CRECIMIENTO: crecimiento anual. Diferencia madera de primavera y madera de verano.
MADERA JUVENIL: madera producida durante los 5-20 primeros anillos de crecimiento. Más marcada en coníferas. Menor resistencia y rigidez y mayor hinchazón y merma.
Se encuentra en la zona del duramen. En árboles de crecimiento rápido con alta proporción de madera juvenil, el duramen puede tener características mecánicas inferiores a la albura.
MADERA DE REACCIÓN: madera modificada como respuesta a un esfuerzo adicional en una dirección. En el caso de la madera a compresión, la densidad es mayor (mejores características mecánicas) y tiene mayores deformaciones durante el secado y tendencia a la rotura frágil.
ESTRUCTURA MACROSCÓPICA
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
Las propiedades físicas y las características mecánicas de la madera dependen de la dirección del esfuerzo respecto a la dirección de las fibras.
En la madera se consideran 3 direcciones principales:
- Axial: paralela al eje de crecimiento del árbol
- Radial: perpendicular a la axial y cortando al eje del árbol
- Tangencial: perpendicular a la dirección axial y a la radial.
Fuente: Vignote 1995
Para definir las propiedades de la madera, se distinguen dos direcciones principales:
- Paralela a la fibra
- Perpendicular a la fibra
ANISOTROPÍA
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Árbol recién apeado: 60-150 % de humedad.
Humedad de equilibrio higroscópico (HEH): humedad de la madera en la que se equilibra la fuerza de absorción de humedad de la madera con la fuerza desecante del aire.
Estimación de humedad :
En obra: Xilohigrómetro
HUMEDAD
seco peso :Phúmedo peso:P
% humedad :h
x100P
PPh
0
h
0
0h −=
En laboratorio:
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Condiciones de ensayo de las propiedades mecánicas de la madera:
20 ºC y 65% humedad relativa del aire.
HEH: 12%
Kollman 1959
HUMEDAD
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CTE : SE-M Anejo F. Valores orientativos de humedad de equilibrio de la madera, con uso en exterior protegido de la lluvia.
En medios muy húmedos 25-30 %Expuestas a la humedad (no cubiertas) 18-25 %Obras cubiertas pero abiertas 16-20 %Obras cubiertas y cerradas 13-17 %En local cerrado y calefactado 12-14 %En local con calefacción continua 10-12 %
HUMEDAD
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Anisotropía de la madera: variaciones dimensionales diferentes en las tresdirecciones: longitudinal, radial y tangencial.
Mayor variación dimensional Dirección tangencial
Variación radial 50-60 % dirección tangencial
Variación longitudinal 2-4 % dirección radial
Punto de saturación de la fibra (PSF): H=30%.
Si H% > PSF No efecto hinchazón y merma.
Dirección tangencial
Dirección radial
HINCHAZÓN Y MERMA
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Coeficiente de contracción volumétrica: variación de volumen que experimenta la madera, cuando la humedad varía un 1%.
·100·HV
VV(%)0
0−= hν
Coeficiente de contracción radial: ·100·HRRR
0
0hR
−=ν
Coeficiente de contracción tangencial: ·100·HT
TT0
0hT
−=ν
Coeficiente de contracción lineal (tangencial o radial): % de variación dimensional en la dirección considerada para una variación de 1% en el contenido de humedad.
HINCHAZÓN Y MERMA
H %Th
Rh
H= 0%T0
R0
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Maderas nerviosas: diferencias acusadas entre coeficientes de contracción tangencial y radial, mayor tendencia al alabeo durante el secado.
Maderas nobles: diferencias pequeñas entre coeficientes de contracción tangencial y radial, menor tendencia al alabeo durante el secado.
Variaciones dimensionales según la dirección que se considere
Fuente: Medina (1988)
Corte tangencial: mayor alabeo
Corte radial: menor alabeo
HINCHAZÓN Y MERMA
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La contracción de la madera afecta a:
- Tensiones originadas en los medios de unión: pueden originarse grietas en la madera próxima a los medios de fijación.
- Desajustes y holguras en los medios de unión.
- Aparición de fendas de secado.
Densidad = Masa/Volumen
> Densidad >Resistencia
Madera maciza de coníferas: 290-460 kg/m3
Madera maciza de frondosas: 530-900 kg/m3
Madera laminada encolada coníferas: 380-450 kg/m3
Densidad característica:
HINCHAZÓN Y MERMA
DENSIDAD
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Fuente: Vignote (1995)
Resistencia elevada:FlexiónTracción paralelaCompresión paralela
Resistencia intermedia:Cortante
Resistencia reducida:Compresión perpendicular (1/5 paralela)
Resistencia muy reducida: Tracción perpendicular (1/30 paralela)
Módulos elasticidad: Longitudinal: E: 7.000-12.000 N/mm2
Transversal: G: E/16
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
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Coníferas: ft,0,k = 8-18 kN/mm2
Frondosas: ft,0,k = 18-24 kN/mm2
Madera laminada: ft,0,g,k =16,5-19,5 kN/mm2
Pendolón de cercha
TRACCIÓN PARALELA A LA FIBRA ft,0,k
f: valor de resistenciat: tracción0: ángulo respecto a la fibrak: valor carcterístico
ft,0,k
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
Pilares
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COMPRESIÓN PARALELA A LA FIBRA
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
f: valor de resistenciac: compresión0: ángulo respecto a la fibrak: valor carcterístico
fc,0,k
Coníferas: fc,0,k = 16-23 kN/mm2
Frondosas: fc,0,k = 23-26 kN/mm2
Madera laminada: fc,0,g,k =24-26,5 kN/mm2
fc,0,k
Montantes arriostramiento
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
Vigas de forjado y viguetas de forjado
FLEXIÓN
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
fm,k
f: valor de resistenciam: flexiónk: valor característico
fm,k
Coníferas: fm,0,k = 16 - 30 kN/mm2
Frondosas: fm,0,k = 30 - 40 kN/mm2
Madera laminada: fm,0,g,k = 24-28 kN/mm2
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
Piezas de directriz curva
Soluciones constructivas incorrectas
Fuente:Arriaga et al.,2.000
TRACCIÓN PERPENDICULAR Á FIBRA
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
f: valor de resistenciat: tracción90: perpendicular á fibrak: valor característico
ft,90,k
Coníferas: ft,90,k = 0,4 – 0,6 kN/mm2
Frondosas: ft,90,k = 0,6 kN/mm2
Madera laminada: ft,90,g,k = 0,4 – 0,45 kN/mm2
ft,90,k
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Apoyo de vigas: forjado, vigas principales de pasarela.
COMPRESIÓN PERPENDICULAR Á FIBRA
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
fc,90,k
f: valor de resistenciac: compresión90: perpendicular á fibrak: valor característico
fc,90,k
Coníferas: fc,90,k = 2 – 2,7 kN/mm2
Frondosas: fc,90,k = 8 – 8,8 kN/mm2
Madera laminada: fc,90,g,k = 2,7 – 3 kN/mm2
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
En flexión: Cortadura + deslizamiento
CORTANTE
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
fv,k
f: valor de resistenciav: cortantek: valor característico
fv,k
Coníferas: fv,k = 1,7 - 3 kN/mm2
Frondosas: fv,k = 3 – 3,8 kN/mm2
Madera laminada: fv,g,k = 2,7 – 3,2 kN/mm2
Fuente: Arriaga et al.,2.000
Fuente: Arriaga et al.,2.000
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
Valor medio módulo de elasticidad longitudinal paralelo a la fibra (E0,medio):Coníferas: 7 - 12 kN/mm2
Frondosas: 10 - 11 kN/mm2
Madera laminada: 0,39-0,42 kN/mm2
Valor medio módulo de elasticidad longitudinal perpendicular a la fibra (E90,medio):Coníferas: 0,23 - 0,40 kN/mm2
Frondosas: 0,64 - 0,75 kN/mm2
Madera laminada: 0,39 - 0,42 kN/mm2
Valor medio módulo de elasticidad transversal (Gmedio):Coníferas: 0,44 - 0,75 kN/mm2
Frondosas: 0,60 - 0,70 kN/mm2
Madera laminada: 0,72 – 0,78 kN/mm2
MÓDULO DE ELASTICIDAD
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
-Contenido de humedad
-Duración de la carga
-Tamaño de la pieza
-Carga compartida
-Calidad de la madera
kmod
Propiedades mecánicas. Clases resistentes.
ksys
kvol
Variación en las propiedades mecánicas de madera libre de defectos para una variación del 1 % de humedad.
Propiedad VariaciónCompresión paralela 5 %Compresión perpendicular 5 %Tracción paralela 2,5 %Tracción perpendicular 2 %Flexión 4 %Cortante 3 %Módulo de elasticidad paralelo 1,5 %
Clases de servicio
FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
HUMEDAD
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
Condiciones de ensayos de determinación de propiedades mecánicas:
DURACIÓN DE LA CARGA
HEH:12%
Humedad relativa del aire: 65 % aprox
Temperatura: 20 ºC.
La resistencia de la madera depende de la duración de la carga.
Carga de duración permanente: resistencias un 60 % menores que en los resultados del ensayo (5+-2 min).
CLASE DE SERVICIO
+
DURACIÓN DE LA CARGA:
kmod
FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
TAMAÑO DE LA PIEZA
A mayor volumen, menor tensión de rotura.
Factor de altura kh Madera aserrada: canto menor que 150 mm, mejora la resistencia característica a flexión y a tracción paralela a la fibra.
Madera laminada: canto menor que 600 mm, mejora la resistencia característica a flexión y a tracción paralela a la fibra.
Madera microlaminada: canto diferente a 300 mm, afecta al valor de la resistencia característica a flexión.
Factor de volumen kvol Madera laminada: volumen a comprobar mayor que V0=0,01 m3
afecta a la resistencia característica a tracción perpendicular.
Factor de longitud kLMadera microlaminada: longitud diferente de 3.000 mm, afecta a la resistencia a característica a tracción paralela.
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FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
CALIDAD DE LA MADERA: CLASIFICACION VISUAL
NORMA UNE 56.544:2003
Clasificación visual de la madera para uso estructural. Madera de coníferas.
Clasificación:
ME-1: Mejor calidad
ME-2: Calidad media
MER: Rechazo
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FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
Nudo de cara
Nudo de canto
Nudo de margen
NUDOS
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
CALIDAD DE LA MADERA. CLASIFICACION VISUAL
FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
NUDOS
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
CALIDAD DE LA MADERA. CLASIFICACION VISUAL
FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
FENDAS
BOLSAS DE RESINA
d
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CALIDAD DE LA MADERA. CLASIFICACION VISUAL
FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
MADERA DE COMPRESIÓN
DESVIACIÓN DE LA FIBRA
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
CALIDAD DE LA MADERA. CLASIFICACION VISUAL
FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
ALTERACIONES BIOLÓGICAS
AZULADO MUÉRDAGO
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GEMA
CALIDAD DE LA MADERA. CLASIFICACION VISUAL
FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
CURVATURA DE CARA
CURVATURA DE CANTO
ATEJADO
ALABEO
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DEFORMACIONES
CALIDAD DE LA MADERA. CLASIFICACION VISUAL
FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA
Clasificación manual Clasificación mecánica
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
CLASIFICACIÓN DE CALIDAD DE MADERA
ESPECIE Y PROCEDENCIA
CARACTERIZACIÓN DE PROPIEDADES MECÁNICAS
ENSAYOS EXPERIMENTALES según: prEN-408:2003 Estructuras de Madera. Madera Aserrada y Laminada Encolada Uso structural. Determinación de Propiedades Físicas y Mecánicas
Módulo de Elasticidad en flexión estática de la PiezaResistencia a la flexiónCarga de RoturaHumedad y Densidad
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
CLASIFICACIÓN VISUAL
CLASIFICACIÓN ESTRUCTURAL
LABORATORIO DE MADERAS. INIA. M.GUAITA
F/2F/2
F/2
F/2
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prEN-408 DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS
F/2F/2
F/2
F/2Mmáx = a * F/2
a = 6H
LABORATORIO DE MADERAS. INIA. M.GUAITA
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
prEN-408 DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS
F/2 F/2
6H
5H
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
prEN-408 DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS
DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DE ELASTICIDAD
Em,l = )w16·I·(w
)F·(Fa·l
12
122
1
−−
LABORATORIO DE MADERAS. INIA. M.GUAITA
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
2·W
a·Fmáxfm(MOR) =
RESISTENCIA A FLEXION ESTATICA ( MOR )
LABORATORIO DE MADERAS. INIA. M.GUAITA
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
CTE DB SE-M. ANEJO C
Eucalipto España D40 Clasificada según UNE 56.546CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
ASIGNACIÓN DE CLASES RESISTENTES. MADERA ASERRADA.
UNE EN 1912:2004
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
VALORES DE PROPIEDADES DE RESISTENCIA, RIGIDEZ Y DENSIDAD. Madera aserrada, madera laminada encolada y tableros
CTE DB SE-M. ANEJO E
Clasesresistenteshabituales: C18 y C24
ConíferasConíferas
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
VALORES DE PROPIEDADES DE RESISTENCIA, RIGIDEZ Y DENSIDAD. Madera aserrada, madera laminada encolada y tableros
CTE DB SE-M. ANEJO E
Clases resistentes habituales : D40
FrondosasFrondosas
CÁLCULO ESTRUTURAS / CURSO CONSTRUCIÓN MADEIRA 2008
VALORES DE PROPIEDADES DE RESISTENCIA, RIGIDEZ Y DENSIDAD. Madera aserrada, madera laminada encolada y tableros
CTE DB SE-M. ANEJO E
Clases resistentes habituales : Gl24h y Gl28h
Madera laminada encolada