7/25/2019 Refuerzo de estructuras de madera

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Recuperacin de forjados de madera mediante refuerzos yprtesis metlicas (I)

Carlos Gonzlez-BravoProf. Dr. Arquitecto

Universidad Antonio de Nebrija de Madrid

Los forjados de madera son, desde la ms remota antigedad (Chilton, 1995),un sistema constructivo que ha llegado hasta nuestros das en un estado, ensentido conceptual, inmejorable. Su empleo ha sido variado, combinado,alternado y en una poca concreta, desechado. Hoy en da vuelve a ocupar unde los lugar preponderante en la construccin.

Pese a todo ello, el volumen de obra construida con madera y preexistente enla actualidad, tanto en el mbito del patrimonio, como fuera de este, esabrumador.

El enfoque habitual que se le suele dar a este tipo de intervenciones suele sertmida y, la mayora, con escasez de datos acerca del comportamientomecnico-residual de las estructuras de madera. Esto es debido a la mala famaque este material posee, ligado a las caractersticas tan particulares de unmaterial estructural como la madera.

Si bien la madera tiene un origen biolgico, eso no implica en ningn caso que

su constitucin sea ms susceptible de ser atacada que otros como el acero oel hormign. Muestra de ello es la comparativa (ver fotografa n 1) quepodemos establecer entre el acero y la madera usados como elementosestructurales de forjado .

Fotografa n 1Forjado de viguetas IPN de acero laminado de 10 aos de

antigedad.

Fotografa n 2Forjado de madera de confera de 130 aos de antigedad

de la misma vivienda.

Tanto por lo que se refiere a la humedad la madera posee una estabilidadresidual considerable comparada con el acero como podemos comprobar enlas fotografas n 1 y n 2. Como podemos observar, el estado del forjadometlico (en el que la madera fue sustituida por acero laminado hace unos 10

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aos) posee un deterioro considerable, comparado con el forjado de madera deconfera, de 130 aos de antigedad, con un ataque por hongos de pudricinparda.

Por otro lado, es bien conocido el comportamiento de las estructuras de

madera frente al fuego y como la capa de pirlisis tiene un retardamiento sobreel avance de este (0,7 mm/hora) en la carbonizacin de la seccin estructural(Arriaga, 2002).

Esto puede hacer que nos preguntemos por qu, a pesar de las buenascondiciones que posee la madera como material estructural, sufre una polticasocial de abandono y sustitucin cuando se le detecta algn tipo de lesin.

Los procesos patolgicos en forjados de madera son habituales, pero tambinadolecen de exageracin. Un examen de la capacidad mecnica residual de laestructura de madera, es decir de su rigidez y de su resistencia residual, es

paso previo imprescindible antes de plantear cualquier tipo de intervencin eneste tipo de estructuras. Los datos que se suelen recoger dependen de variosparmetros como la clasificacin estructural, deformacin diferida, luz, etc.

Fotografa n 3Ataque por hogos de pudricin parda.

Fotografa n 4Detalle de nudo en ataque por hogos de pudricin parda.

En la actualidad (Arriaga, 2002) se estn probando in situ Tcnicas NoDestructivas (TND) como el resistogrfo, los ultrasonidos, etc, con resultados

bastante aceptables, y que establecen clases resistentes acordes con losensayos destructivos realizados en laboratorio.

La mayora de las intervenciones en forjados de madera, pasa por sudemolicin y sustitucin indiscrimina por otro tipo de material, generalmenteacero laminado.

En los ensayos y estudios llevados a cabo sobre este tipo de estructuras(Gonzlez-Bravo, 2007), se han comprobado valores resistentes de la maderaconsiderables, en el caso de ataque por hongos e incluso en ataques deinsectos de ciclo larvario como los anbidos (fotografas n 5 y n 6).

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Fotografa n 5

Testa de vigueta de madera con ataque porinsectos de ciclo larvario.

Fotografa n 6Detalle de orificios circulares de salida y restos de carcoma

existentes en la galera.

Si consideramos el dao sufrido por la seccin de madera, ya sea perimetral o

en su canto nicamente (Gonzlez-Bravo, 2008), podemos llegar a estimarcon cierta precisin la disminucin de la rigidez y de la resistencia de una formagrfica (imagen n 1) que nos aporta la variacin de la capacidad mecnica al irperdiendo seccin la pieza de madera.

Imagen n 1Escuadra de madera con prdida perimetral de seccin y grfica de la relacin de prdida de resistencia y rigidez

relacionada con la prdida de seccin.

La problemtica de la intervencin en elementos de patrimonio histricoartstico, por la cara superior (como los artesonados de madera) o en edificiosde viviendas, constituy el punto de partida para concebir un sistemaconstructivo que diera una respuesta eficaz a este problema.

La idea consisti en partir de una serie de premisas y parmetros con lavoluntad de marcar una metodologa de trabajo sistemtico y de mejora de lacapacidad mecnica de forjados de madera preexistente.

Los parmetros de trabajo fueron los siguientes:

1. Aplicacin tanto a piezas daadas como a aquellas, que estando sanas,son objeto de incremento de su capacidad.

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2. Intervencin con mnima incisin, sin apeo y por la cara superior delforjado.

3. Economa de materiales y mano de obra (en especializacin y tiempo detrabajo).

4. Facilidad de manipulacin y montaje.

5. Aumento significativo de la rigidez y de la resistencia.6. Reduccin significativa de la demolicin y produccin de residuos

urbanos.7. En determinados casos, aumento significativo del aislamiento acstico y

de la vibracin.8. Dotar a los entramados horizontales preexistente de una losa superior

de forjado que homogenice el reparto de esfuerzos sobre la misma yacodalara los elementos de carga vertical.

Como ya se explic ms arriba, la madera estructural posee resistenciamecnica aprovechable, a pesar de los ataques y posible reduccin de su

seccin.

Por tanto, y de cara a que ese aprovechamiento sea ptimo, planteamos quese realiza conjuntamente y de forma mixta acero-madera. As cada materialfuncionar segn un esfuerzo diferente dependiendo en qu zona del bloquede tensiones se encuentre.

La intervencin se efecta por la cara superior (imagen n 2 y n 3), una vezdescubierta la madera del forjado. La eliminacin de la capa de agarre suponeuna reduccin de peso para la estructura de madera ya deformada (flechadiferida). En el espacio que antes ocupaba el solado y su agarre, se puededisponer el refuerzo y una losa superior de forjado.

Imagen n 2Zonas de trabajo por encima de la cara superior del forjado.

Imagen n 3Zona de aplicacin de refuerzo sobre el forjado.

Dado que los forjados de madera carecen de la hoy preceptiva losa superior deforjado, las deformaciones de los elementos lineales sometidos a flexin esdiferente unas piezas de otras. Las ondulaciones convierten al forjado en unasuperficie, a veces de gran complejidad y con numerosas curvaturas en variossentidos.

Con el refuerzo metlico planteado se homogeniza no solo la superficie delforjado sino su comportamiento como conjunto estructural.

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Imagen n 4

Solucin de refuerzo con doble pletina inferior.Fotografa n 7

Refuerzo de acero de doble pletina inferior sobre la madera.

Con este tipo de intervencin se est pretendiendo realizar actuaciones de

mnima incisin

, en las que los trabajos por debajo del forjado como apeos nose llevan a cabo. Esta posibilidad de intervenir slo por una de las caras, facilitael rgimen de programacin de las obras, la afectacin de zonas delicadas enpatrimonio histrico artstico, y la ausencia de desalojo en viviendas, entre otrascosas.

Imagen n 5Solucin de refuerzo con una pletina inferior.

Fotografa n 8Refuerzo de acero de una pletina inferior sobre la madera.

Los materiales empleados en la rehabilitacin integral del forjado, siguiendoeste sistema constructivo se limitan al acero y a los elementos de conexin con

la madera de las viguetas (Gonzlez-Bravo, 2007b).

Por otro lado, y al no intervenir sistemas sofisticados de unin (resinas epoxi,fibra de carbono, etc.) no es necesario empleo de mano de obra especializada.

El refuerzo metlico se coloca atornillando sobre la madera previa incisin en lamisma de una acanaladura que aloja la pletina o pletinas verticales inferiores.La pieza se acopla desde arriba sobre la madera, quedando ligeramenteseparada de la cara superior de la escuadra de madera.

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Fotografa n 9

Acanaladuras en la madera practicada con sierramotorizada.

Fotografa n 10Ensamble del refuerzo de doble pletina inferior.

La completa unin refuerzo-madera, se lleva a cabo mediante el atornillado delmetal que hace que los dos materiales queden adheridos. Los tirafondos (DIN571) poseen longitud y seccin diferente segn el tipo de refuerzo que seemplea, y este depende de la capacidad mecnica que se desee adquirir y dela seccin de la pieza a reforzar.

Fotografa n 11Pretaladros en la madera.

Fotografa n 12Atornillado manual en las ltimas vueltas de rosca.

Los tornillos, que poseen una separacin de 100 mm siempre al tresbolillo entorno a las pletinas, se introducen (sobre un pretaladro) con ayuda de una

maquina de atornillado, aunque las ltimas vueltas se realizan manualmentecon una llave para evitar la rotura a torsin del tirafondos.

Uno de los objetivos perseguidos con el empleo de este sistema constructivo,como ya se expuso ms arriba, es el incremento de resistencia y rigidez en laestructura lignaria. Para conseguir esto, los valores de trabajo de las piezas seensayaron previamente mediante el Mtodo de Elementos Finitos (MEF), atravs de programas informticos que permitan simular los tres componentesdel sistema, el refuerzo, los conectores y la madera.

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Imagen n 6Proceso cclico de diseo y validacin del sistema constructivo.

El proceso se encuadr en un sistema cclico (imagen n 6) para optimizar lasdistintas etapas del diseo y el proceso de experimentacin.

Lo ensayos se llevaron a cabo sobre piezas a escala real de distinta tipologa yconstitucin (madera laminada, madera maciza y madera antigua), y seestablecieron patrones de comparacin con elementos que serva de testigo,sin reforzar. La pruebas tuvieron lugar en el INIA, Instituto Nacional deInvestigacin Agraria, que posee instrumental de ensayo para grandesprobetas (en este caso vigas de madera de hasta 4 m de longitud), similares alas piezas que podemos encontrar en un forjado convencional.

En los ensayos se obtuvieron valores de deformacin, y de tensin en distintasfases de la carga, aunque lo que prim es el ensayo a rotura de las piezassegn la UNE EN 408.

Las conclusiones de los resultados de laboratorio fueron decisivas (imagen n7), consiguindose incrementos de resistencia, en algunos casos (maderamaciza, del doble respecto de las piezas sin reforzar. Un dato muy interesantees que los CoV (Coeficientes de Variacin) de las distintas muestras seredujeron considerablemente al emplear el refuerzo, comprobndose de nuevoque este actuaba homogeneizando las piezas.

A pesar de la problemtica de la deformacin diferencial entre madera y acero,el ensamble de los materiales en el sistema constructivo, demostr que lamadera posee una capacidad mecnica residual a traccin considerable y questa se ve complementada con el acero, tras la ascensin experimentada por la

fibra neutra dentro de la seccin reforzada.

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Se posibilita as, que la lnea estructural de madera, ahora reforzada, funcioneen la franja ptima de esfuerzos, recuperndose su funcin portante en el casode piezas con cierto grado de ataque e incrementndose notablemente sucapacidad de absorber nuevas cargas para las que el forjado antiguo no estabapreparado.

Imagen n 7Resultados del incremento de resistencia en la campaa de ensayos de laboratorio.

Finalmente y tras la campaa de ensayos se decidi aplicar el sistema en unensayo de campo con problemas de ataques por hongos de pudricin.

En una vivienda del casco antiguo de Madrid, se descubri toda la estructura yse aplic el refuerzo. Dado que la escuadra de las piezas de madera era

pequea (10 cm x 15 cm), se emple un refuerzo de una sola pletina inferior, ycon unos valores de rigidez acomodados a la franja de recuperacin que sepretenda en funcin de la capacidad mecnica del forjado de la vivienda.

En los distintos paos del forjado, se comprob la capacidad mecnicaresidual, registrndose algunos casos por encima del 120%. Las flechas (inicialy final) de los paos eran altas, lo que atestiguaba un problema de ataqueantes incluso de proceder al levantamiento del solado para comprobar elestado de la madera.

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Fotografa n 13

Forjado de madera tras retirada de solado.Fotografa n 14

Vigueta con ataque por hongos de pudricin.

Tras los clculos realizados sobre los paos concretos se dise un perfil(imagen n 9) que recuperaba la capacidad mecnica de las piezas hasta el 60%.

Imagen n 8Modelo de refuerzo empleado en el ensayo de campo.

Fotografa n 15Acanaladura iniciada con sierra de disco.

Para el montaje se cort la acanaladura con sierra de disco (fotografa n 10)para posteriormente realizar la perforacin con sierra de motorizada (fotografan 10).

Fotografa n 16Corte de la madera con sierra motorizada.

Fotografa n 17Atornillado de tirafondos de forma mecncia.

El atornillado de la pieza metlica se lleva a cabo desde los apoyos hacia elcentro, y la deformacin de la pieza de va reduciendo al ir unindose acero ymadera.

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Fotografa n 18

Frojado con la pieza de refuerzo ensamblada.Fotografa n 19

Relleno de la zona de entrevigado con mortero aligerado.

inalmente, y a travs de la terminacin del solado empleando morterosaligerados as como una losa superior de forjado cuya funcin a parte de laestipulada por el Cdigo Tcnico de la Edificacin y el Eurocdigo, trata decomplementar a travs de una estructura de tres materiales (madera, acero yhormign) el refuerzo antes expuesto.

Fotografa n 20Disposicin de losa superior de forjado.

Fotografa n 21Imagen de la seccin compuesta madera-acero-

hormign armado.