Este documento presenta la tesis de doctorado de Pablo Adrián Lacourt sobre la modelación numérica y el estudio experimental de uniones dúctiles tipo clavija para estructuras de madera. El objetivo principal es desarrollar macromodelos numéricos de uniones clavadas capaces de representar su comportamiento no lineal y disipación de energía, calibrados a través de ensayos de laboratorio. La tesis describe la caracterización mecánica de la madera de pino usada, los ensayos realizados sobre uniones individuales y a escala estructural, y

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO
FACULTAD DE INGENIERÍA
DOCTORADO EN INGENIERÍA
TESIS DE DOCTORADO
Pablo Adrián Lacourt
Director: Francisco J. Crisafulli, Codirector: Anibal E. Mirasso
Mendoza, 2017
1

2. 2
MODELACIÓN NUMÉRICA Y ESTUDIO EXPERIMENTAL
DE UNIONES DÚCTILES TIPO CLAVIJA PARA
ESTRUCTURAS DE MADERA
P.A. Lacourt, F.J. Crisafulli, A.E. Mirasso
• Finite element modelling of hysteresis, degradation and failure of dowel type timber joints.
Engineering Structures 123 (2016) 89–96.
• Modelación numérica de uniones clavadas de madera capaces de disipar energía
XXIII Jornadas AIE, Asociación de Ingenieros Estructurales, Buenos Aires (Sept/2014)
• Modelado de falla en uniones tipo clavija de elementos estructurales de madera sometidas a corte
XX Congreso sobre Métodos Numéricos y sus Aplicaciones - ENIEF 2013, AMCA-
FRM UTN, Mendoza, (Nov/2013)

3. 3
Descripción del problema y motivación
• Argentina: importantes recursos
forestales, bosques cultivados con
especies de rápido crecimiento. Gran
parte se usa en productos estructurales
• Sistemas constructivos en Madera:
respuesta al déficit habitacional,
adaptables a zonas sísmicas, bajo
impacto ambiental, bajos costos
monetarios , energéticos, construcción y
uso. Fuentes renovables (sustentable)
• Madera como material estructural:
uso es relativamente bajo en zonas de
marcada actividad sísmica en Argentina.
• Reglamento Argentino de
Estructuras de Madera CIRSOC 601:
creación y publicación reciente (2013,
participación en Comisión Permanente)
• Sismorresistencia: respuesta (Carga vs
Desplazamiento), cargas horizontales
• Disipación: comportamiento elástico
anisotrópico, ocurre en sus uniones
(elementos dúctiles, tipo clavija)
• Modelación numérica: balance entre el
costo computacional y la precisión.
Macromodelación vs micromodelación

4. 4
Objetivos
ANÁLISIS Y MODELACIÓN DE ESTRUCTURAS DE MADERA
(Material, Estructural, Experimental, Computacional, Sismorresistente)
a. Modelar ESTRUCTURAS sismorresistentes de madera
b. Modelar UNIONES de elementos estructurales
-formulación elástica
-modelación de elementos de fijación
-macromodelado (conexiones complejas)
c. Modelar INTERACCIÓN entre las estructuras y sus uniones:
-comportamiento estructural del sistema
-predicción de modos de falla
-representación numérica
d. Desarrollar MACROMODELOS de las uniones (modos de falla)
e. Calibrar los modelos numéricos con ENSAYOS DE LABORATORIO
f. ANÁLISIS de estructuras sismorresistentes de madera

5. 5
ALCANCE
-Tipo de miembro estructural: TOPOLOGÍA RECTILÍNEA (una dimensión predominante) correas,
vigas y columnas, de madera aserrada maciza.
-Tipo de unión: mecánicas con elementos de fijación metálicos, UNIONES TIPO CLAVIJA,
clavadas neumáticamente (experimental).
-Madera elegida (experimental): disponible comercialmente con valores característicos conocidos y
publicados en el Reglamento CIRSOC 601, madera de PINO TAEDA/ELLIOTTI.
HIPÓTESIS
-La incorporación de UNIONES DÚCTILES en las estructuras de madera tiene un efecto significativo
en el comportamiento estructural
-La MACROMODELACIÓN permite representar sistemas complejos adecuadamente
-Los resultados de ENSAYOS a escala permiten la CALIBRACIÓN de los modelos numéricos
-El comportamiento estructural de los distintos elementos y secciones se puede representar
mediante CICLOS DE HISTÉRESIS que relacionen las principales variables intervinientes.

6. 6
Degradación
Rigidez
Comportamiento
Histerético
IMPLEMENTACIÓN
Simulación MEF
Elementos beam unidos por el
macro modelo (ANSYS)
MODELO
PROPUESTO
Elementos 1D
Conector tipo clavija
ENSAYO DE
LABORATORIO
Unión Clavada Múltiple
curva Carga-Deslizamiento
Parámetros de
calibración
Modo de Falla
COMPARACIÓN
Ensayo vs Simulación
Resumen de la metodología implementada

7. 7
Tensor Elástico Transversalmente Isotrópico
Isotropía Transversal
Ortotropía Cilíndrica CondicionesLey de Hooke
(1 plano isotrópico)1) Rotación en 3=3´
2) Valor medio
9 ctes. elásticas independientes
(5 ctes. Indep.)

8. 8
• Longitud de penetración/espesor, t
• Diámetro de clavija, D
• Resistencia al aplastamiento de la madera Fe(G)
• Resistencia a momento de la clavija, My,k
Frecuencia de aparición:
96% en el rango de
parámetros considerado
Uniones Tipo Clavija en Corte: Modos de falla

9. -1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
-3 2
Fuerza[N]
Deslizamiento [mm]
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80
Fuerza[N]
Desplazamiento [mm]
Dx0.05
Lím.prop.
fluencia
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0,00 0,50 1,00
Carga[N]
Desplazamiento [mm]
Tensión[Mpa]
Deformación [mm/mm]
9
Uniones Tipo Clavija en Corte: Modelación MEF Refinada
CONTACTO
HISTERÉTICAMONOTÓNICA
MODO IV
PLASTICIDAD
MEF 3D
ZCC, Contacto Friccional,
Coef. Fricción 0.5
FKN 0.1, Actualiza rigidez

10. 10
Comportamiento histerético y monotónico de una unión dúctil
Carga
Curva monotónica
Desplazamiento
Degradación de la
resistencia
Conector moviéndose
por el gap (rigidez
reducida)
Conector retomando contacto
(aplastamiento de la madera)
Fu,Du
Fy,Dy
Curva histerética
Kfund
Kmed
Ktan Kdes
Curva histerética
Curva monotónica
Curva poligonal

11. 11
Macromodelo propuesto: Elementos constitutivos
Elemento
COMBIN40
(ANSYS)
E1
E2
E3
E4
E5
Fslide.1
Fslide.2
Fslide.3
Fslide.4
K1.1
K2.2
K1.2
Gap.2
Gap.5K2.5
K1.3
K1.4
K2.4
Carga
Desplazamiento
F0
Región
estrechada
Región de
contacto
Dy,Fy
Du,Fu
Kdes
Ciclo Primario
Ciclo Secund.

12. Carga
Deslizamiento
Du,Fu
Dy,Fy
Fslide.1
Fslide.3
Fslide.2
12
Macromodelo: contribución y parámetros de cada elemento
Du, Fu, F0, Fy, Dy, Kdes
Kfund = Fy/Dy
Kmed = (Fu-Fy)/(Du-Dy)
Ktan = 0.001 KfundE4
E5E1
E2
E3
E1
E2
E3
E4
E5

13. 13
Representación esquemática de las uniones ensayadas
Corte doble, n=21, D= 2.2 mm, L= 65 mm, t= 25 mm
Programa Experimental

14. 14
Caracterización de las maderas: Pino Taeda/Ellioti
Gravedad específica G0% [#] G12% [#]
Ensayos, p0.05 (n=14) 0,359 0,388
CIRSOC 601 Tabla C2 0,360 0,390
E(EN 408:2010) Módulo de
elasticidad global
E [Mpa] E0,05 [Mpa] Emin [Mpa]
CIRSOC 601 Tabla C2 6000 4000 2600
Ensayos (n=12) 7857 (9160) 3098 (3757) 2430 (2952)
G = ?  G = ∞ o G = 650 N/mm2
Fb (EN 408:2010)
Resistencia a flexión paralela a las fibras Fb [Mpa]
Ensayos (n=11) p0.05 3,17
CIRSOC 601, Madera aserrada C2 3,20
G (IRAM 9532) secado a 105°C por 20 hs

15. 15
Configuración de los ensayos sobre las uniones

16. 16
Resumen de los resultados de laboratorio
Kfund = Fy/Dy
Kmed = (Fu-Fy)/(Du-Dy)
CdV = Desv. Est./Promedio
Monotónico: P1, P2
Carga/descarga en tracción: P3
Carga cíclica reversible: P4, P5 y P6

17. 17
CONTROL
HIDRÁULICO
LVDT
ADQUISICIÓN DE DATOS
ENSAYO ESTRUCTURA A ESCALA

18. 18
Representación esquemática del
comportamiento mecánico
MACROMODELO: Configuración de simulación MEF
Du, Fu, F0, Fy, Dy, Kdes: ensayos
Gap.2 = 0.001 mm (paso)
Gap.5 = 56 mm (10% Fu)
Kfund = Fy/Dy
Kmed = (Fu-Fy)/(Du-Dy)
Ktan = 0.001*Kfund
ANSYS Parametric Design Language
1. Seleccionar los nodos a utilizar: NSEL
2. Etiquetar los nodos elegidos: *GET
3. Definir los tipos de elemento: ET
4. Definir los parámetros del modelo: *SET
5. Asignar los parám. a un conjunto de ctes reales: R
6. Activar el tipo de elemento definido: TYPE
7. Activar el conjunto de ctes. para el elemento: REAL
8. Crear los elementos necesarios: E
APOYOS
FIJOS
NODOS DE
CONEXIÓN
DESPLAZAMIENTO
IMPUESTO
Mm

19. 19
MACROMODELO MEF: Carga Monotónica, respuesta vs ensayo
0
5
10
15
20
25
30
35
0 4 8 12
Carga[kN]
Desplazamiento [mm]
P1
0
5
10
15
20
25
30
35
0 20 40 60 80 100
Carga[kN]
Desplazamiento [mm]
P2
-2
0
2
4
6
8
10
12
0 200
Desplazamiento[mm]
Tiempo [s]
0
20
40
60
80
100
0 200400600800
Desplazamiento[mm]
Tiempo [s]

20. 20
MACROMODELO MEF: Carga cíclica reversible, respuesta vs ensayo
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-4 0 4 8
Carga[kN]
Desplazamiento [mm]
P4
-15
-10
-5
0
5
10
15
-0,3 -0,1 0,1 0,3
Load[kN]
Slip [mm]
-20
-10
0
10
20
-1 0 1
Load[kN]
Slip [mm]
-25
-15
-5
5
15
25
-2 0 2
Load[kN]
Slip [mm]
-30
-10
10
30
-4 6
Load[kN]
Slip [mm]
-4
-2
0
2
4
0 200 400 600
D[mm]
T [s]

21. 21
MACROMODELO MEF: Carga/descarga en tracción, Carga cíclica rev.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 4 7
Carga[kN]
Desplazamiento [mm]
P3
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-15 -5 5 15
Carga[kN]
Desplazamiento [mm]
P6
0
2
4
6
8
0 100 200
D[mm]
T [s]
-20
-10
0
10
20
0 900 1800
D[mm]
T [s]

22. 22
Implementación
• D = 2.5 mm, n = 18, 21
• G12% = 0.420
• Fy = 932 N (CIRSOC 601)
• Dy = Deslizamiento
instantáneo (CIRSOC 601)
• Du = u x Dy = 10 x Dy
• Kfund = Fy/Dy
• Kmed = (Fu-Fy)/Du-Dy)
• Kdes = 0.27 x Kmed
• F0 = 0.09 x Fu
• Tensor Transversalmente
Isotrópico E(G=0,420)
0
100
200
300
0 50 100
Reacción[kN]
Desplazamiento [mm]
Resp.Glob.
0
20
40
60
80
100
0 10 20
Tensiónaxial[kN]
Desp. relativo [mm]
Union Riostra-Viga
-10
40
90
140
0 1 2 3
ReacciónH.[kN]
Desp. Relativo [mm]
Unión V-C
-300
-100
100
300
-3% -1% 1% 3%
Reacción[kN]
Distorsión de piso [%]
-80
-30
20
70
-2 -1 0 1 2
C.axialenR[kN]
Desp. Rel. R-V [mm]
-150
-100
-50
0
50
100
150
-15 -5 5 15
RH.[kN]
Desp. Rel. V-C [mm]
duy0
duz0

23. 23
Implementación
F0, Fy, Fu, Dy, Du: ensayos (misma madera y clavos)
Montante
Unión
C-R
Cordón
superior
Unión
C-M
Conexión con
macromodelo
Cordón
inferior
R1
R2 R3
APOYO
DESPLAZAMIENTO
dY=0
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15
Carga[kN]
Flecha [mm]
Modelo
Ensayo
ENSAYO ESTRUCTURA A ESCALA

24. 24
Resumen y Conclusiones
Comportamiento elástico: cálculo del tensor TI para simulaciones MEF 3D,
usando datos publicados en la bibliografía.
Modelación numérica de uniones de madera tipo clavija bajo cargas de corte:
• Modelación MEF refinada: comportamiento carga-deslizamiento, muy costosa a
numérica y computacionalmente
• Macromodelación MEF: elementos unidimensionales no lineales, representa
comportamiento histerético, degradación de la rigidez y falla
• Parámetros de calibración: datos propios de programa experimental de ensayos
• Bajo costo de procesamiento computacional: aplicable en análisis no lineal de sistemas
estructurales complejos (gran número de conexiones)
• Implementado satisfactoriamente en simulaciones complejas

25. 25
Recomendaciones para futuras investigaciones
 Determinación del tensor elástico transversalmente isotrópico:
 especies de madera estructural disponibles comercialmente en la región
 especies listadas en los suplementos del Reglamento CIRSOC 601
 otras especies de interés en sus diversas formas de presentación (madera encolada laminada)
 Estudio del comportamiento mecánico de diferentes sistemas estructurales que
incorporan conexiones tipo clavija: clavo, grampa, tirafondo, perno, tornillo, etc.
 Micro y macromodelación numérica de diferentes tipos de conexiones
madera, de comportamiento mecánico similar al de las conexiones tipo clavija.
 Macromodelos capaces de representar uniones resistentes a momento, con
grados de libertad rotacionales y translacionales, así como también la
incorporación de variables dinámicas.

26. 26
AGRADECIMIENTOS
• Agradezco a Francisco J. Crisafulli, Director de
Tesis, por su dedicación y comprensión para guiar mis
estudios e investigación. A Anibal E. Mirasso,
Codirector de Tesis, por sus consejos y buena
predisposición siempre que necesité su ayuda.
• A Carlos Llopiz por su autorización para trabajar en
el Instituto de Mecánica Estructural y Riesgo Sísmico
de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional
de Cuyo.
• A Eduardo Vega, Federico Martinez, Guillermo
Cantón y por su gran ayuda en la realización de las
tareas experimentales, también a Daniel Antonucci y
Emanuel Montoneri por el soporte técnico.
• A Daniel Ambrosini por su colaboración para la
realización de los cursos de postgrado de la
Maestría en Ingeniería Estructural y al excelente
cuerpo docente de la misma.
• A Juan Carlos Piter y al grupo GEMA (UTN-FRCU)
por su apoyo y buena predisposición.
• A mis compañeros de cursos, por su ayuda
significativa, en especial a Tomás, Ramón, Gonzalo,
Hernán y Martín.
• A Elbio Villafañe por motivarme a investigar y
ayudarme a iniciar este camino.
• A CONICET por el financiamiento de la Beca
Doctoral sin la cual este trabajo no habría sido posible,
y al personal de CCT-MENDOZA por su
colaboración.
• Por último quiero expresar mi agradecimiento a todas
las personas que de alguna manera colaboraron
conmigo y dedicaron su tiempo para que pudiera llevar
a cabo este trabajo de Tesis, entre ellos Ramón Leva,
Melisa Hernández, entre otras personas.

27. 27