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Diagnóstico

ETSI Montes, UD Cálculo de Estructuras - Universidad Politécnica de MadridGrupo de Investigación Construcción con Madera 1

ETSI Montes, UPM - 2012

Evaluación de estructuras existentes de madera. Capacidad portante de estructuras antiguas

Egurtek 2012

Unidad docente: Cálculo de estructurasETS Ingenieros de Montes

Departamento de Construcción y Vías RuralesUniversidad Politécnica de Madrid

Francisco Arriaga Martitegui


-Planteamiento del problema

-Normativa actual

-Reglas originales

-Evaluación de daños (abióticos y bióticos)

-Evaluación estructural (especie, calidad, dimensiones, TND).

-Conclusiones o propuestas

Índice

Diagnóstico



- Evaluación de una estructura existente de madera:- Propiedades del material: calidad estructural- Reglas de cálculo (Eurocódigo 5, CTE DB SE Madera)- Definición de acciones (Eurocódigo 1, CTE DB SE Acciones)- Definición de prestaciones (Eurocódigo 0, CTE DB SE)

- Otras consideraciones:- Daños de origen biótico- Geometría definida- Modelo de cálculo aproximado a la realidad

Introducción


Introducción

Diagnóstico



Normativa específica

• CTE: Anejo D: Evaluación estructural de edificios existentes. DB SE Resistencia y estabilidad y Aptitud al servicio, 2009.

• Eurocódigos: CEN/TC 250/WG2: Assessment and retrofitting of existing structures (2010 a 2015).

• CEN/TC 346: Conservation of cultural heritage. WG 10: Historic Timber Structures

• UNE 41805-1 a 14:2009. Diagnóstico de edificios.

• Normas italianas, 2004: Bienes culturales


CTE: Anejo D: Evaluación estructural de edificios existentes. DB SE Resistencia y estabilidad y Aptitud al servicio, 2009

Condiciones para su aplicación:

a) Se ha concebido, dimensionado y construido de acuerdo con las reglas en vigor en el momento de su realización;

b) Se ha construido de acuerdo con la buena práctica, la experiencia histórica y la práctica profesional aceptada.

Diagnóstico




Consideraciones previas:

No es adecuada la utilización directa de las normas y reglas establecidas en este CTE en la evaluación estructural de edificios existentes por los siguientes motivos:

a) La evaluación debe realizarse teniendo en cuenta las características y las condiciones reales del edificio;

b) Las normas actuales suelen estar basadas en exigencias diferentes y generalmente más estrictas que las vigentes en el momento en que se proyectó el edificio, por lo cual, muchos edificios existentes se clasificarían como no fiables si se evaluaran según las normas actuales;

c) Se puede considerar, en muchos casos, un período de servicio reducido, lo que se traduce también en una reducción de las exigencias;

d) Se pueden emplear modelos de análisis más afinados (a través inspecciones, ensayos, mediciones in situ o consideraciones teóricas).



Evaluación cuantitativa:

Toma de datos:Acciones: medición de pp, reducción de c. uso, medición directa de c. climáticasDimensionesMateriales: ensayos destructivos o no destructivos

Análisis y verificación estructural:Modelo incluyendo mecanismos de deterioroMétodo semi-probabilístico o probabilísticoValores representativos de acciones y coeficientes parciales modificados

Evaluación cualitativa:Tiene vida anterior larga y no hay anomalías;Tiene una durabilidad futura adecuada;Queda obligado a controles periódicos.

Diagnóstico



CEN/TC 250 (Eurocódigos). Grupo de trabajo 2: Evaluación y reparación de estructuras existentes

Ámbito de aplicación:

Evaluación y reparación de estructuras existentes de edificación y obra civil incluyendo los aspectos geotécnicos. No incluye acciones sísmicas (EC8).

Desarrollo: 2010 + 5 años: 2015. (1ª reunión 2011)

Informe sept. 2011:• Relación con CEN/TC 346 (edificios históricos no excluidos);• Información detallada de la estructura sin las incertidumbres

del proyecto de nuevas estructuras;• Consideración del deterioro.


CEN/TC 346: Conservación del patrimonio cultural. Grupode trabajo 10: Estructuras de madera históricas – Guía

para la evaluación.

Ámbito de aplicación:

Establece criterios para la evaluación de la capacidad portante de estructuras de madera en edificios del patrimonio histórico.

Desarrollo: Propuesta de nuevo tema de trabajo, marzo 2012Creación del Grupo de trabajo 10: Estructuras de madera históricas.

Objetivos: Pretende garantizar que la inspección y las medidas de evaluación aporten los datos necesarios para el análisis histórico, la evaluación de la seguridad estructural y la planificación de las obras, con un mínimo impacto en la obra (materiales, sistemas y técnicas originales).

Diagnóstico



CTN 41 Construcción. SC 8: Conservación de edificiosUNE 41805 IN:2009 Diagnóstico de edificios. 14 partes.

1. Generalidades;2. Estudios geotécnicos;3. Estudios constructivos y patologías;4. Estudio patológico de la estructura del edificio. Terreno y cimentaciones;5. Estudio patológico de la estructura del edificio. Estructuras de fábrica;6. Estudio patológico de la estructura del edificio. Estructuras de hormigón;7. Estudio patológico de la estructura del edificio. Estructuras metálicas;8. Estudio patológico de la estructura del edificio. Estructuras de madera;9. Estudio patológico del edificio. Cubiertas;10. Estudio patológico del edificio. Fachadas no estructurales;11. Estudio patológico del edificio. Carpintería de ventanas y cerrajería;12. Estudio patológico del edificio. Particiones interiores y acabados;13. Estudio patológico del edificio. Instalaciones;14. Informe de diagnóstico.


UNE 41805-8 IN:2009. Diagnóstico de edificios. Estudio patológico de la estructura del edificio. Estructuras de

madera

Objeto: establece pautas para el diagnóstico de la estructura resistente.

Contenido:

• Terminología;• Patología y toma de datos;• Singularidades de la madera;• Deformaciones;• Sección insuficiente;• Lesiones mecánicas.

Diagnóstico



Normas italianas, 2004: Bienes culturales

UNI 11138:2004. Bienes culturales. Estructuras de edificación. Criterios para la evaluación preliminar, el cálculo y la ejecución de las obras.

UNI 11119:2004. Bienes culturales. Construcciones de madera. Estructuras. Inspección in situ para la diagnosis de piezas de madera.

UNI 1118:2004 Bienes culturales. Criterios para la identificación de las especies leñosas.

UNI 11130:2004. Bienes culturales. Elementos de madera. Terminología de la degradación de la madera.


Normas italianas, 2004: Bienes culturales

UNI 11138:2004. Bienes culturales. Estructuras de edificación. Criterios para la

evaluación preliminar, el cálculo y la ejecución de las obras.

Evaluación estado actualAnálisis históricoCaracterización del material, ensayosGeometríaDeterioroAnálisis estructural (Acciones, coeficientes seguridad)

Proyecto de intervención

Control, Ejecución e Inspección periódica

UNI 11119:2004. Bienes culturales. Construcciones de madera. Estructuras. Inspección in situ para la diagnosis de piezas de madera.

Especie, Humedad, Clase de riesgo, GeometríaDefinición de zonas críticas, Clasificación estructural, Tensiones admisibles

Diagnóstico



Reglas originales


Reglas originales (Bails 1731-1797)

Caracterización de la madera:Especie (albura y duramen)Época de cortaAnillado (muerte en pie)Influencia del lugar de crecimientoDesviación de la fibra

Resistencia de la madera (flexión):Capacidad de la viga y el cuadrado de la altura de la secciónEnsayos y reglas de dimensionado: tensión de rotura implícita,

pino: 41 N/mm2

roble: 34 N/mm2

Diagnóstico



Reglas originales (Bails 1731-1797)

“Seguridad” en la resistencia a flexión:• Variabilidad de propiedades (procedencia, parte del árbol, desviación fibra): 0,50• Duración de la carga: 0,5 (0,6 actualmente)• Para evitar flecha excesiva: 0,75

Tensiones de trabajo: pino: 41·0,5·0,5 = 10 N/mm2

roble: 34·0,5·0,5 = 8,5 N/mm2

Resistencias características: pino: 41·0,5 = 20,5 N/mm2 (C20 a C22)roble: 34·0,5 = 17 N/mm2 (D16 a D18)

Acciones: forjados de pisoCarga permanente: 2,58 kN/m2

Carga de uso: 1 kN/m2, equivalente a 2 k/m2 si se reparte en el vano en lugar de concentrarla.


- Evaluación de los daños de origen abiótico:- Radiación solar- Agua de lluvia- Fuego- Edad de la estructura

- Evaluación de los daños de origen biótico:- Hongos de pudrición- Insectos de ciclo larvario- Termitas

Evaluación de daños

Diagnóstico



Daños de origen abiótico


Fotodegradación (1 - 3 mm / siglo)

Diagnóstico



Edad de la estructura Techumbre catedral de Teruel, finales siglo XIII

Resistencia no varíaFase postlineal acortada (sobre todo en dirección radial)Edad: 19 a 1583 años (Yokoyama et al. 2009)


Daños de origen biótico

Diagnóstico



Apoyo de vigas: problema de estabilidad por falta de superficie de apoyo.

Evaluación de daños: Pudrición


Diagnóstico



Pérdida de sección en la zona de albura.

Acompaña a la pudrición con frecuencia.

Evaluación de daños: Anóbidos


Pérdida de sección en la zona de albura.Disminución de la rigidez y en menor grado la resistencia.

Evaluación de daños: Cerambícidos

Diagnóstico



Proporción habitual: h/b = 1,4

h

b

br

hr

d

d

h

b

hr

d

2

hkd

h

hhk

h

rh

hkdh

hhk

h

rh


Evaluación de daños: Termitas

Diagnóstico



Peritación estructural


- Clasificación visual:

- Identificación de la especie de madera

- Calidad de la madera

- Asignación de la clase resistente

- Otros métodos:

- Densidad

- Métodos acústicos: velocidad de transmisión + densidad

- Prueba de carga: determinación del módulo de elasticidad mecánico

- Método de análisis de vibración

Evaluación estructural

Diagnóstico



Determinación de propiedades mecánicas de la madera en obra nueva

Especie y procedencia

Calidad visual estructural

Asignación según EN 1912

Clase resistente según EN 338

d

Evaluación estructural: clasificación visual


Estimación de las propiedades mecánicas de la madera en una estructura existente

Identificación especie-procedencia

Clasificación visual resistente

Clase resistente

Especies en edificación antigua en España:

Coníferas: Pino silvestrePino laricioPino pinasterPino CanarioPino Amarillo del Sur

Frondosas: RobleCastañoChopo


Diagnóstico






Clase resistente

Especies en edificación antigua en España:

Coníferas: Pino silvestrePino laricioPino pinasterPino CanarioPino Amarillo del Sur

Frondosas: RobleCastañoChopo





Clase resistente

Dificultades de acceso:

• No hay acceso visual a la madera.• Polvo y pintura.



Diagnóstico



Reglas de clasificación para madera existente:

• Generalmente no clasificada: alta variación de las propiedades.

• Normas de clasificación visual no siempre son adecuadas para este material: elevado porcentaje de rechazo.



Clase resistente




Reglas de clasificación para madera existente:

• Generalmente no clasificada: alta variación de las propiedades.

• Normas de clasificación visual no siempre son adecuadas para este material: elevado porcentaje de rechazo.

• Generalmente elevada presencia de fendas y gemas.

• Daños de origen biológico



Clase resistente



Diagnóstico



Efecto de las fendas

(Esteban et al. 2010)



Efecto de las gemas (Arriaga

et al. 2007)


Diagnóstico



Irregularidad de dimensiones de la sección:

• Variabilidad de propiedades a veces más importante por las dimensiones que por el material.



Clase resistente





A) Dimensiones medias de la escuadría:

bmedia = 140 mm (CoV = 9%)hmedia = 175 mm (CoV = 5 %)Wb,h,med = 140·1752/6 = 714.583 mm3

B) Módulo resistente medio:

Wmedio = 724.009 mm3 (CoV = 15 %)Wmin = 500.521 mm3

Wrel = Wmedio/Wmin = 1,446

WB/WA = 724.009/714.583 = 1,01

Diagnóstico



- Identificación de la especie:- Coníferas: pino silvestre, pino laricio, pino pinaster- Frondosas: roble, castaño

- Calidad de la madera (coníferas):- Norma de clasificación: UNE 56544- Asignación (madera vieja de gran escuadría): MEG: C14 a C22

- Calidad de la madera (frondosas):- Norma de clasificación: UNE 56546, BS 5756, DIN 4074-5- Asignación clase resistente: D18 a D40

Clasificación visual


Edificio S XVIII Madrid. Pino silvestre. Muy buen estado de la madera. Clasificación visual según norma BS 4978: aprox. SS: 20%, GS: 60 % y rechazo: 20 %.

Diagnóstico



Típicos resultados prácticos:

Conjunto de 25 viguetas (P. sylvestris 140x200 mm, 4,5 m) de un mismo forjado clasificadas con norma UNE.

La madera clasificada MEG tiene una menor dispersión que la rechazada, pero no se diferencia de manera relevante.

c=0

0 10 20 30 40 50 60

c=1

7

4

1

2

5

8

freq

uenc

y

Rejected timber

Graded timber

Tensión de rotura a flexión (N/mm2)



- Métodos no destructivos:

- Densidad

- Métodos acústicos: velocidad de transmisión + densidad

- Método de análisis de vibración

- Prueba de carga: determinación del módulo de elasticidad mecánico


Diagnóstico



Densidad: penetrómetroParámetro físico medido: profundidad de penetración, mm

Profundidad densidad


Densidad: arranque de tornilloParámetro físico medido: fuerza de extracción, kN

Fuerza de extracción densidad

Diagnóstico



Densidad: resistógrafoParámetro físico medido: potencia consumida, W

Gráfico densidad (área bajo la curva)


2d

d

vE

E din., elast. de M.

v Velocidad ,

Velocidad: ultrasonidos

Diagnóstico


ETSI Montes, UPM - 2012Transmisión de ondas de impacto


Vibración

Diagnóstico



Resultado de la clasificación visual en un caso práctico

176 vigas de pino silvestre 150x250 mm, madera aserrada nueva

Clasificación MEG según UNE 56544 (2007)

F27-E22-D45C2244010500222944MEG+Vus≥ 4900

F30-E22-D45C2244010500233072E ≥ 9000

F22-E16-D40C164108200222228E < 9000

F22-E16-D40C164208700262340Vus < 4900

F27-E22-D45C2244010400232860Vus ≥ 4900

F24-E22-D40C224209800252473MEG

F22-E20-D40C2042097002723100Todo

CoV

(%)

fm,05

PRCRDensidad

(kg/m3)

ρk

Módulo elasticidad

(N/mm2)

Emean

Resistencia flexión

(N/mm2)

Rend.

%





F27-E22-D45C2244010500222944MEG+Vus≥ 4900

F30-E22-D45C2244010500233072E ≥ 9000

F22-E16-D40C164108200222228E < 9000

F22-E16-D40C164208700262340Vus < 4900

F27-E22-D45C2244010400232860Vus ≥ 4900

F24-E22-D40C224209800252473MEG

F22-E20-D40C2042097002723100Todo

CoV

(%)

fm,05

PRCRDensidad

(kg/m3)

ρk

Módulo elasticidad

(N/mm2)

Emean


(N/mm2)

Rend.

%

Diagnóstico






F27-E22-D45C2244010500222944MEG+Vus≥ 4900

F30-E22-D45C2244010500233072E ≥ 9000

F22-E16-D40C164108200222228E < 9000

F22-E16-D40C164208700262340Vus < 4900

F27-E22-D45C2244010400232860Vus ≥ 4900

F24-E22-D40C224209800252473MEG

F22-E20-D40C2042097002723100Todo

CoV

(%)

fm,05

PRCRDensidad

(kg/m3)

ρk

Módulo elasticidad

(N/mm2)

Emean


(N/mm2)

Rend.

%



43683683216,184Clasificada

4368945351648Clasificada + vel ≥ 4900 m/s

4368225389,6100Sin clasificar

ρk

(kg/m3)

Emean

(N/mm2)CoV

(%)

fm,05

(N/mm2)

Resistencia flexiónRend.

%

25 vigas de pino silvestre 140x200 mm, 4,5 m, madera antigua.

Clasificación MEG según UNE 56544 (Nudos y desviación fibra)

F16-E16-D40C16Clasificada

F16-E18-D40C16Clasificada + vel.

F9-E16-D40“C9”Sin clasificar

Perfil resistenteClase resistente

Diagnóstico



Conclusiones sobre la evaluación estructural

•Clasificación visual simple: Nudos + desviación fibra

•Perfiles resistentes en lugar de asignación a clase resistente

•Clasificación mediante TND

•Combinación de clasificación visual + TND


Diagnóstico




Bibliografía:

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Arriaga, F. (1996). Los diez libros de arquitectura de Vitruvio y la carpintería. Texto y comentarios de lo tratado en el capítulo IX “De la madera” del libro segundo. AITIM nº 180 (Págs. 53-60).

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Diagnóstico



Arriaga, F., Esteban, M., Argüelles, A., Bobadilla, I. e Íñiguez, G. (2007). Efecto de las gemas en la resistencia a flexión de piezas enterizas de madera (The effect of wanes on the bending strength of solid timber beams). Materiales de Construcción (mater construcc). Vol. 57, nº 288, pp: 61-76.

Bobadilla, I., Esteban, M., Íñiguez, G., Arriaga, F., Ballarín, D. y Palacios, J. (2007). Estimación de la densidad de la madera aserrada de conífera mediante técnicas no destructivas de arranque de tornillos y penetrómetro y su aplicación en la estimación del módulo de elasticidad. Informes de la Construcción. Vol. 59, 506, 107-116, abril-junio 2007.

Esteban, M., Arriaga, F., Íñiguez, G., Bobadilla, I. y Mateo, R. (2010). Influencia de las fendas en la resistencia de la madera estructural (The effect of fissures on the strength of structural timber). Materiales de Construcción. Mater. Construcc., Vol. 60, 299, 115-132, jul.-sept.

Gómez Sánchez, M.I. (2006). Las estructuras de madera en los tratados de arquitectura (1500-1810). Ed. AITIM, Madrid, 373 pp.Llana, D. F.; Íñiguez-González, G.; Montero, M. J.; Arriaga, F.; Esteban, M. Non destructive evaluation procedure for structural grading of sawn timber: preliminary works in Spain. 2012 IUFRO Conference. Division 5. ForestProducts. Estoril, Portugal, julio 2012. Abstract (OP127) publicado en las actas del 2012 IUFRO Conference. Division 5. Forest Products. Pág. 114.

González Bravo, C. 2007. Tesis Doctoral. Recuperación de la capacidad mecánica en piezas de madera solicitadas a flexión en estructuras tradicionales operando por la cara superior mediante refuerzos y prótesis metálicas. ETSAM, UPM.

Yokoyama, M., Gril, J., Matsuo, M., Yano, H., Sugiyama, J., Clair, B., Kubodera, S., Mistutani, T., Sakamoto, M., Ozaki, H., Imamura, M., Kawai, S. (2009). Mechanical characteristics of aged Hinoki wood from Japanese historical buildings. C.R. Pys. 10, 601-611.

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