diseño de estructuras en madera

1. Estructuras en Madera
Alumna: Maria Eugenia Peña
Estructuras IV

2. Introducción:
La madera, es el material por excelencia más noble que jamás la especie humana ha
utilizado tanto en la industria como en la construcción. Prácticamente todas las culturas de
la humanidad han empleado la madera en la agricultura, pesca, ingeniería, vivienda, etc
La madera es probablemente el único recurso renovable que se utiliza a gran escala y que
su aprovechamiento no daña al medio ambiente. La madera no puede circunscribirse a un
período más o menos largo de la humanidad, ya que es un material que de forma
permanente se ha utilizado en la construcción, estando presente a lo largo de toda la
historia de la civilización. Así, en las zonas de abundantes bosques la madera constituía la
totalidad de la edificación, desde su estructura, hasta los cerramientos y cubierta. En
zonas con menor cantidad de madera, ésta se usaba en la cubierta y en su estructura
horizontal. Actualmente hay cierto rechazo a utilizar la madera como material estructural,
siendo más habitual el uso del acero y del hormigón. Ello es debido, en gran medida, a dos
condicionantes, que son la durabilidad de las estructuras de madera y su comportamiento
frente al fuego. Sin embargo, se tiene en muchas ciudades numerosos ejemplos de
edificios construidos de madera que han llegado a nuestros días en un excelente estado de
conservación.

3. Fundaciones en estructuras de madera
• El tipo de esfuerzo relevante a que se somete el suelo es el de
compresión, producto del peso propio de la fundación, muros, entrepisos
y techumbre, más las sobrecargas de uso y las accidentales, de diversas
magnitudes y en distintas direcciones, como por ejemplo sobrecargas
accidentales por sismo, nieve o vientos y esfuerzos normales no
uniformes transmitidos a la fundación en estado de presiones no
uniformes. La fundación aísla del terreno, tanto de humedad como de
ataque de termitas y de otros insectos, factores gravitantes en la
pérdida de resistencia de una estructura en madera. Para diseñar y dar
solución a la fundación adecuada, se deben considerar:
- Condiciones de carga
- Características del suelo
- Restricciones constructivas de la obra

4. La importancia fundamental para que una solución de fundación sea
adecuada, reside en que es la parte de la obra con menos
probabilidad de ser reparada o reforzada, en caso de falla futura.
Toda edificación requiere una base de sustentación encargada de
recibir diferentes esfuerzos y transmitirlos al suelo. A esta base de
sustentación se le denomina fundación. El tipo de esfuerzo relevante
a que se somete el suelo es el de compresión, producto del peso
propio de la fundación, muros, entrepisos y techumbre, más las
sobrecargas de uso.
Por otra parte, la fundación aísla la edificación del terreno,
resguardándola tanto de humedad como del ataque de termitas y de
otros insectos, factores gravitantes en la pérdida de resistencia de
una estructura en madera.

5. La presencia de agua en el terreno afecta:
• La capacidad de soporte del suelo
• El diseño de la fundación
• Materializacion de la fundacion

6. Fallas en las Fundaciones:
• La falla más común que se presenta en las fundaciones es el
asentamiento, o sea, un descenso ocasionado por variadas razones:
- Calidad del suelo
- Deficiente compactación del terraplén
- Vibraciones recibidas por el terreno que producen reubicación de los
estratos finos.
- Peso de la estructura.

7. Diseño de Columnas
Las columnas son elementos donde las cargas principales actúan paralelas al eje del
elemento, y por lo tanto trabaja principalmente a compresión; cuya longitud es varias
veces mayor que su dimensión lateral más pequeña. El esfuerzo de compresión es muy
peligroso en este tipo de elemento estructural, por la presencia de pandeo, que es una
falla por inestabilidad.
El tipo de columna que se usa con mayor frecuencia es la columna sólida sencilla, que
consiste en una sola pieza de madera, cuya sección transversal es cuadrada u oblonga.
Las columnas sólidas de sección transversal circular son usadas con menos frecuencia. Una
columna formada por varios miembros es un ensamble de dos o más miembros cuyos ejes
longitudinales son paralelos; se impide que se toquen los elementos mediante unos bloques
separadores colocados en los extremos y punto medio de su longitud.
Otros tipos de columnas son las llamadas columnas compuestas, que están conectadas
mediante sujetadores mecánicos. Los pie-derechos en marcos ligeros de madera y en
entramados también son columnas.

8. Para compresión axial:
1. Definir las bases de cálculo.
a) Grupo estructural de la madera a utilizarse
b) Cargas a considerarse en el diseño
c) Condiciones de apoyo, y factor de longitud efectiva.
2. Determinar efectos máximos.
3. Establecer los esfuerzos admisibles, modulo de elasticidad, así
como el valor de Ck.
4. Asumir una escuadría, y extraer sus propiedades geométricas.
5. Calcular la esbeltez para cada dirección.
6. Calcular la carga admisible, y compararla con la carga solicitante.

9. Para flexocompresion:
1. al 6. Se determina de la misma manera que para Compresión Axial.
7. Determinar la carga crítica de Euler.
8. Calcular el factor de amplificación de momentos km.
9. Verificar que la ecuación general de elementos a flexocompresión sea
satisfecha (que de un valor < a 1).
El Manual de Diseño para Maderas del Grupo Andino recomienda que
en ningún caso se tome una longitud efectiva menor que la longitud
real no arriostrada

10. Diseño de Vigas
Una viga es un elemento estructural que resiste cargas transversales.
Generalmente, las cargas actúan en ángulo recto con respecto al eje
longitudinal de la viga. Las cargas aplicadas sobre una viga tienden a
flexionarla y se dice que el elemento se encuentra a flexión. Por lo
común, los apoyos de las vigas se encuentran en los extremos o cerca de
ellos y las fuerzas de apoyo hacia arriba se denominan reacciones

11. Propiedades de las secciones:
Además de la resistencia de la madera, caracterizada por los esfuerzos unitarios
admisibles, el comportamiento de un miembro estructural también depende de las
dimensiones y la forma de su sección transversal, estos dos factores se consideran
dentro de las propiedades de la sección.
- Centroides: El centro de gravedad de un sólido es un punto imaginario en el cual se
considera que todo su peso está concentrado o el punto a través del cual pasa la
resultante de su peso. El punto en un área plana que corresponde al centro de
gravedad de una placa muy delgada que tiene las mismas áreas y forma se conoce
como el centroide del área. Cuando una viga se flexiona debido a una carga aplicada,
las fibras por encima de un cierto plano en la viga trabajan en compresión y aquellas
por debajo de este plano, a tensión. Este plano se conoce como la superficie neutra.
La intersección de la superficie neutra y la sección transversal de la viga se conoce
como el eje neutro.
- Momento de inercia: El momento de inercia se define como la suma de los productos
que se obtienen al multiplicar todas las áreas infinitamente pequeñas por el cuadrado
de sus distancias a un eje.

12. Propiedades de las secciones:
- Radio de Giro: Esta propiedad de la sección transversal de un miembro
estructural está relacionada con el diseño de miembros sujetos a
compresión. Depende de las dimensiones y de la forma geométrica de la
sección y es un índice de la rigidez de la sección cuando se usa como
columna. El radio de giro se define matemáticamente como r= , donde I es
el momento de inercia y A el área de la sección. Se expresa en
centímetros porque el momento de inercia está en centímetros a la cuarta
potencia y el área de la sección transversal está en centímetros
cuadrados. El radio de giro no se usa tan ampliamente en el diseño de
madera estructural como en el diseño de acero estructural.

13. Diseño de Cerchas
Las cerchas de madera se pueden clasificar de acuerdo a los siguientes criterios:
a) Según su forma: con cordón superior triangular, rectangular, curvo o combinaciones de ellos.
b) Según distribución de diagonales: Howe, Pratt, Warren, etc.
c) Según tipo de madera: aserrada, elaborada o cepillada, laminada encolada o mezclas de estas.
d) Según tipo de cordones: ya sean de uno, dos o varios elementos. En el caso de cordones superiores e inferiores
con dos elementos, las diagonales se ubicarán entre ellos.
La introducción de los conectores metálicos ha hecho posible el aprovechamiento más eficiente de la madera en
el diseño de cerchas. Antes eran necesarias grandes secciones transversales a fin de tener uniones seguras y sólo
se utilizaba entre el 40 y el 60 % de capacidad de resistencia de la madera. Ahora, al utilizar conectores
metálicos, es posible obtener el 80 y hasta el 100 % de la resistencia de los diferentes elementos de madera que
conforman una cercha.

14. Selección del tipo de cercha:
El tipo de techumbre, los requerimientos arquitectónicos y la economía
son los factores que, por lo general, gobiernan la selección del tipo de
cercha.
Se ha demostrado que la cercha del tipo cordón superior curvo es la más
económica cuando las cargas solicitantes son uniformemente repartidas,
ya que en ella estas cargas inducen esfuerzos pequeños en las diferentes
barras, sean estas internas o externas. Esto es particularmente
importante, debido a que resultan elementos de unión simples y
compactos.

15. Selección del tipo de cercha:
La cercha del tipo triangular se recomienda cuando las cargas se
transmiten a la cercha en puntos específicos (cargas concentradas y/o
puntuales). Para las barras traccionadas es aconsejable utilizar
tensores de acero. En cuanto a cerchas de madera laminada encolada,
éstas son recomendables para salvar grandes luces y además permiten
obtener mayores tensiones de diseño, pueden curvarse con facilidad y
variar su sección transversal a lo largo de su longitud.
Las cerchas fabricadas con elementos constituidos por una pieza
soportaran cargas a lo menos iguales que aquellas fabricadas con
elementos conformados por dos o más piezas que proporcionen igual
sección transversal, pero estarán propensas a pandearse con mayor
facilidad.

16. Reglas generales para el diseño de cerchas
• El procedimiento a seguir en el diseño de cerchas es el siguiente:
a) Determinación de las cargas solicitantes
b) Calculo de las solicitaciones en los diferentes elementos de la
cercha.
c) Selección de la especie y grado de calidad a usar
d) Determinación de las escuadrías requeridas en los distintos
elementos de la cercha.
e) Diseño de las uniones.

17. Diseño de Entrepisos
La construcción de un entrepiso es una forma de ganar espacio, reducir la altura de una construcción, y
ambientar una habitación reciclada para que se ajuste mejor a la forma moderna de vida.
Un entrepiso puede conferirle un toque de originalidad y atractivo a un ambiente, permitiendo articular
de un modo más interesante el espacio y darle una funcionalidad mayor.
No siempre es posible crear un entrepiso, la habitación debe contar con ciertas dimensiones y altura
mínimas, de lo contrario, se convertirá en un estorbo. La altura mínima de la habitación, no debe ser
inferior a los 4m. la superficie que abarque puede ser igual a la de la habitación, o parcial, para que se
tenga una visión del entrepiso, a modo de terraza, eso depende del gusto y las necesidades

18. Variantes de la construcción de un entrepiso
Una variante muy económica y liviana, son los entrepisos de madera, con una estructura simple de vigas,
sobre las cuales se apoya un piso de madera machihembrada. En estos casos, e importante que se realice
un cálculo meticuloso previo, de los esfuerzos a que estará sometida la estructura. En las vigas descarga
todo el peso del entrepiso, el mobiliario y el peso en movimiento de las personas. De acuerdo al esfuerzo
calculado, se decidirá la manera en que se descargará el peso de la estructura, ya sea apoyándose sobre
pilares, vigas laterales de apoyo, o sobre soportes amurados, o recurriendo a trabajos de albañilería,
amurando las vigas. La luz recomendada entre vigas, no debe superar los 70cm, de eje a eje de viga.

19. Variantes de la construcción de un entrepiso
Los materiales más resistentes para vigas son los laminados o compensados de pino, que
no tienen nudos ni deformaciones en su línea, y son fabricadas especialmente para este
uso. Si se desea un aspecto rústico, se puede emplear maderas semi duras como el
ibirapitá o el anchico, en longitudes de hasta 6m.
El piso más recomendado es el machihembrado de una pulgada, que puede acomodar sus
piezas a los esfuerzos. Preferiblemente debe emplearse el pino elliotis, secado en horno,
o el saligan o el grandis. Sobre el machihembrado puede colocarse una alfombra de lana
o de goma, para amortiguar las pisadas.

20. Diseño de Techos
El techo de madera es un sistema que puede estar compuesto
de un sistema de vigas, casi siempre inclinadas, un conjunto de
armaduras o la combinación de ambos. Se apoyan sobre tabiqus
de madera, muros de mampostería o sobre vigas principales de
madera u otro material.
La cubierta final (lamina, teja, baldosa, etc) se apoya por
medio de costaneras o vigas secundarias a la estructura
principal de techo.
Las uniones entre miembros de una armadura de techo o entre
vigas inclinadas y sus apoyos juegan un papel importante para
el buen comportamiento de este sistema estructural.