Estudio de maderas y de perfiles de madera laminada encolada

Revis ta de Edificación. RE • Nº 17 • Mayo 1994 15 Estudio de maderas y de perfiles de madera laminada encolada JESUS BARRIOS, DR EN CiENCIAS QUIMICAS JORGE POLO VELASCO, ARQUITECTO TÉCNICO ANGELA BARRIOS PADURA, ESTUDIANTE ARQUITECTURA RESUMEN. El artículo aborda el resurgimiento de la madera como elemento constructivo, en parte gracias a la utilización de perfiles de madera encolada. Los ensayos realizados dan muestra de ellos, si bien siempre son necesarios los controles intensivos, por la heterogeneidad de la madera, y la utilización de coeficientes de seguridad adecuados que eviten patologías estructurales. SUMMARY. The article faces the resurgences of wood as a constructive e/ement , partially thanks to the utilization of g/ue wooden profi/es. The tria/s that have been made , show it, although the intensi- ve contro/s are a/ways necessary, because of the heterogeneousity of wood and the use of right security coefficients to avoid structura/ path%gies. INDICE GENERAL 1. Introducción 2. Ensayos realizados en madera 3. Ensayos a la madera laminada encolada 1. INTRODUCCION La madera ha sido uno de los materiales más utilizadas como elemento constructivo hasta finales del pasado siglo y comienzo del presente. Su empleo como tal fue progresivamente desplazado por el hormigón y el acero fundamentalmente. Las causas, como es bien sabido, son la durabilidad y la falta de respuesta a los problemas estructurales que las nuevas construcciones demandaban. En los últimos años estamos asistiendo a un resurgir de la madera como elemento estructural, al haber desaparecido el grado de incertidumbre anterior a la utilización de perfiles de madera laminada encolada. Puede decirse por tanto que la madera empieza a recuperar un papel importante en la construcción una vez resueltos los problemas estructurales y de durabilidad. En este trabajo se estudia una construcción cuya estructura se realiza a base de perfiles de madera laminada encolada. Se ha procedido a realizar una serie de ensayos que determinen las propiedades físico - mecánicas de la madera empleada , y las de los perfiles con ella fabricados, con el fin de detectar posibles defectos estructurales. En esencia se han estudiado: -Las propiedades mecánicas de la madera a partir de muestras tomadas exentas de defectos de los perfiles. -Las propiedades mecánicas de la madera a partir de piezas laminadas con el nivel de defectos correspondientes a la clasificación de la madera según la norma francesa NFB-52001. TEORIA y TECNICAS DE LA EDIFICACION 16 2. ENSAYOS REALIZADOS A LA MADERA Se han realizado como ya se ha indicado sobre muestras tomadas de los listones o láminas que conforman los perfiles. Antes de realizar los ensayos se determinó la humedad y densidad. La primera ha dado valores comprendidos entre 10.5 % Y 11 %, la segunda ha dado valores entre 0,55 y 0,57 gr/c.c. 2.1 Ensayos a compresión Se trata de realizar la rotura a compresión de la probeta sin pandeo . Para ello la UNE 56.535 propone probetas prismáticas 2x2x6 cm., es decir, con una esbeltez de 3. Para la ejecución del ensayo se han fabricado probetas 4 x4 x 12, manteniendo la misma esbeltez. Se han considerado mayores dimensiones para asu - mir de esta forma la heterogeneidad del material por la presencia de nudos u otros defectos. Se colocan las probetas es una prensa universal de ensayos, disponiendolas de forma que la dirección longitudinal de las fibras sean perpendiculares a los platos, es decir, el esfuerzo paralelo a las fibras. Se aplica para ello una carga a velocidad uniforme hasta que se produzca la rotura . Se han utilizado tres clases de probetas en este ensayo de resistencia a compresión: a) Probetas de madera sin encolar (6 unidades). b) Probetas con unión encolada (4 unidades) e) Probetas con unión encoladas sumergidas previamente en agua a 60º e durante dos horas. Los resultados obtenidosse en estos ensayos se indican en los cuadros 1, 2, Y 3 respectivamente. 2.2 Ensayos a tracción Se trata de conocer la resistencia a tracción de la madera en dirección longitudinal de las fibras. No se ha seguido el ensayo previsto en la UNE 56.538, por cuanto el objetivo marcado es el de obtener la resistencia a tracción perpendicular a las fibras. Por ello se han tallado probetas prismáticas con una considerable disminución de sección en la zona central (al igual que se hace con los perfiles de acero cuando se confeccionan las probetas para el ensayo a tracción). Estas probetas se disponen en una prensa de tracción, cogidas por la zona de mayor sección, de manera que quede la dirección longitudinal de las fibras perpendiculares a las mordazas, es decir, el esfuerzo paralelo a las fibras. La máquina de ensayos está provisto de un registrador gráfico de tensiones y deformaciones, útil para determinar el límite de proporcionali- Revista de Edificación. RE • Nº 17 • Mayo 1994 Cuadronº 1 COMPRENSION AXIAL EN PROBETAS = -, t, DE ~DERA SIN ENCOLAR Probeta S Cr Re Observaciones nº cm 2 Kp Kp/cm2 1 15.935 6.670 419 Tensión mín. Rotura por nudo 2 16.023 7.900 493 - 3 15.952 8.020 503 - 4 15.935 9.000 564 Tensión máx. 5 15.978 8.050 504 - 6 16.174 7.290 451 - MEDIA --489 - Cuadronº 2 It COMPRESION PARALELA A LAS FIBRAS CON UNION ENCOLADA Probeta S Q Re Observaciones nº cm 2 Kp Kp/cm2 7 15.787 7.150 453 Tensión mín. 8 15.972 8.140 509 Tensión máx . 9 15.996 7.720 483 - 10 15.839 7.730 488 Rotura de nudo MEDIA --483 - Cuadro nº3 COMPRESION PARALELA A LAS FIBRAS CON UNION ENCOLADA. SUMERGIDAS PREVIAMENTE EN AGUA A 60° C DURANTE 2 HORAS Probeta S Q Re Observaciones nº cm ' Kp Kp/cm2 11 16072 4130 257 Tensión máx . 12 15968 3820 239 Tensión mín. 13 15971 3830 240 - MEDIA - - 245 - dad. Por tratarse de valores pequeños no ha sido posible la determinación del Módulo de Elasticidad (E). La velocidad de carga ha sido constante con un valor de 400 Kp por minuto . Se han utilizado dos clases de probetas en este ensayo de resistencia a tracción: a) Probetas de madera sin encolar (6 unidades). b) Probetas con unión encolada en el centro (4 unidades). TEORIA y TECNICAS DE LA EDIFICACION Revis ta de Edificación. RE • Nº 17 • Mayo 1994 Los resultados obtenidos en estos ensayos se indican en los cuadros 4 y 5, respectivamente . 2.3 Ensayos a flexión estática Este ensayo tiene como objeto determinar la resistencia a flexión estática de una madera al aplicar una carga central en la parte superior, estando apoyada la probeta en sus extremos. La rotura se debe producir en la zona traccionada. Las probetas ensayadas son de 2 x 2 x 32 cm, siendo la separación entre apoyos de 28 cm. (como indican algunos autores, entre ellos, el Dr. D. Ramón Argüelles). La resistencia a flexión se determina aplicando la siguiente fórmula : 3 x P x 1 ()=---- 2 x b x h2 siendo : O" = resistencia a flexión estática (Kp/cm2) P= carga de rotura (Kp) 1 = lu z de ensayo (cm) by h = sección de la probeta (cm) 17 Una vez fabricadas las probetas se colo can en una prensa universal de ensayos, apoyada s en sus extremos con la dirección de las fibras paralela s a la longitud mayor de la probeta, y su cara radial hacia arriba . La carga se aplica en el centro de la luz con una velocidad constante de 5 mm. por minuto ha s ta rotura. Durante el ensayo se han determinado la s deformaciones (fl e chas) , para así pod er dete rminar el Módulo de Elasticidad, según P x 13 E= - -- -- 4 x f x b x h3 siendo : E = Módulo de elasticidad (Kp / cm 2) f = flecha instantánea (cm) by h = sección de la probeta (cm) Los resultados obtenidos se indican en el cuadro número 6 . . ~. Cuadro nº4 , TRACCION PARALELA A LAS FIBRAS EN PROBETAS DE MADERA SIN ENCOLAR - Probeta S Q Rt Observaciones nº cm ' Kp Kp/cm ' 1 4.268 2.390 560 Límite de proporc. y chasquidos aparecen a 1080 Kp (máx .) 2 4.267 1.650 387 Límite de proporc. y c hasquidos aparecen a 1040 Kp 3 4.272 1. 290 302 La rotura se produce por un nudo (mín.) 4 4.446 2.441 549 Límite de proporc. y chasquidos aparecen a 990 Kp 5 4.352 2. 140 492 Límite de proporc. y chasquidos aparecen a 990 Kp 6 4.418 2.020 457 Límite de proporc. y chasquidos aparecen a 1080 Kp MEDIA - - 489 Límite de proporcionalidad media: 238 Kp/cm2 .• " '''/'~ Cuadro nº 5 .)~. ;:;ff~ , ~p" TRACCION PARALELA. A LAS FIBRAS EN PROBETAS DE MADERA t .,<, CON UNION ENCOLADA IN EL CENTRO , r\ ; Probeta S Q Rt Observaciones nº cm ' Kp Kp/cm 2 1 4.170 1.280 306 Límite de proporcionaldad 970 kp. Rotura por la unión (mín .) 2 4. 382 1.620 370 Límite de proporcionaldad 940 kp . Rotura por la uni ón 3 4.272 2. 020 484 Límite de proporcionaldad 960 kp. Rotura por la uni ón (máx.) 4 4.446 1.440 320 Límite de proporcionalidad 960 Kp . Rotura por la unión MEDIA -- 370 Límite de proporcionalidad media : 199 Kp / cm 2 TEORIA y TECNICAS DE LA EDIFICACION 18 Revista de Edificación. RE • N° 17 • Mayo 1994 ,,~.," . ~ Cuadro nl! 6' e " e . n c" · • ,'le . ;v: ~\ . , RESISTENCIA A FLEXION , Probeta 1 W nº cm' cm ' 1 28 1,24 2 28 1,23 3 28 1,23 4 28 1,24 5 28 1,28 6 28 1,24 MEDIA -- Cuadronº .7 ·CORTADURÁ DOBLE EN PROBETAS DE MADERA.ENCOLADA A tEMPtRATURA , , HUMEDAD AMBIENTES Probeta S 2xS Q C nº cm ' cm ' Kp Kp/cm' 1 86,54 173,03 9640 55,7 (mín.) 2 86,69 173,38 1810 79,6 (máx.) 3 85,85 171,70 13310 77,5 4 85,33 170,65 10680 62,5 MEDIA -- - 68,85 -Cuadro nl! 8 CORTADURA DOBLE EN PROBETAS DE . MADERA l~N€OLADA DES PUES D1; SUMEItGI- DAS EN AGUA A 60° C l}URANTE 2 HORAS Probeta S 2xS Q C nº cm ' cm ' Kp Kp/cm' 1 88,37 176,74 9500 53,75 (mín.) 2 87,83 175,66 8850 50,38 (máx.) MEDIA --- 52,07 2.4 Ensayos de cortadura doble Con este ensayo se trata de determinar la resistencia de las líneas de adhesivo a la cortadura al dividir la carga máxima por el área de los planos adheridos. Para el ensayo se han fabricado probetas en forma de Y las cuales tienen dos planos con adhesivo. Q Kp 98 124 123 92 80 103 - M crf E cmxKp Kp/cm' Kp/cm' 686 553,22 70.722 868 709,69 76.222 (máx.) 861 700,00 79.459 644 519,35 71.188 560 437,50 63.520 (mín.) (mín.) 721 581,45 82.650 (máx .) - 584 73.960 Cuadro nl! 9' "'- CORtADURA EN PROBETAS . DE MADERA ENCOLADA DESPUES DE LA INMERSION EN AGUA Probeta S Q Re Observaciones nº cm ' Kp Kp/cm2 1 84,2 2.605 30,9 Rotura cola parcial 2 84,3 3.310 39,3 Rotura cola parcial (máx .) 3 84,4 3.204 38,0 Rotura por cola 4 84,3 4.194 37,8 Rotura por cola parcial 5 83,8 2.808 33,5 Rotura por cola 6 84,0 2.575 30,7 Rotura por cola (mín.) MEDIA - - 35 - Estas probetas se disponen en una prensa universal, aplicando una carga de compresión, de tal manera que la dirección de las fibras sea paralela a los esfuerzos. Se han utilizado dos tipos de probetas en este ensayo de resistencia a cortadura doble: a) Probetas de de madera encolada a temperatura y humedad ambiente (4 unid .). b) Probetas de madera encolada sumergidas previamente en agua a 60 ° C durante dos horas (2 unid.). Los resultados obtenidos se indican en los cuadros números 7 y 8 respectivamente. 2.5 Determinación de la resistencia a cortadura de las líneas de adhesivos Se trata de determinar la resistencia de las líneas de adhesivo a la cortadura como resultado de divi- TEORIA y TECNICAS DE LA EDIFICACION Revista de Edificación. RE • Nº 17 • Mayo 1994 Probeta S Q Rt nQ cm 2 Kp Kp/cm 2 1 57,0 5600 98 ,3 (máx.) 2 57,8 5445 94,2 3 56,9 5500 96,5 4 57,6 4800 83,3 mín. MEDIA 93 dir la fuerza máxima por el área de contacto. Para la realización del presente ensayo se ha seguido la norma UNE 56777 (parte 1 y 2). En este caso se colocan las probetas en la prensa universal y se aplica una carga a compresión. La dirección de las fibras se dispone paralela a los esfuerzos. Se han utilizado dos tipos de probetas en este ensayo de resistencia de las líneas de adhesivos: a) Probetas de madera encolada después de inmersión en agua (6 unidades). b) Probetas de madera encolada a temperatura ambiente. Los resultados obtenidos se indican en los cuadros números 9 y 10, respectivamente. 3. ENSAYOS A LA MADERA LAMINADA ENCOLADA Se realizan ensayos de flexión a diversos perfiles realizados con madera laminada encolada. Con ello se pretende determinar las características mecánicas, que permiten establecer criterios comparativos . 3.1 Ensayos a flexión d diversos perfiles Tiene como objeto determinar la resistencia a flexión del elemento al aplicar unas cargas en la parte superior. Para ello se ha empleado un gran pól'tico de ensayos con una capacidad de carga de hasta 150 toneladas. En este caso la rotura debe producirse en la zona traccionada del elemento. Para conocer la resistencia se aplicará la fórmula : M (5=- W siendo : O" = resistencia a flexión (Kp/cm 2) M = momento flector (m x kp) Observaciones Rotura cola parcial Rotura cola parcial Rotura por cola Rotura cola W = Módulo resistente bh 2 /6 (cm 3) b y h = sección del perfil (cm) 19 Los elementos a ensayar se colocan en el pórtico de ensayo , apoyados en sus extremos de forma que se permita el libre giro de éstos. La carga se aplica en dos puntos en la cara superior, mediante un dispositivo de ensayo sobre el que actúa un cilindro hidráulico accionado y regulado mediante la correspondiente bomba hidráulica. La fuerza total ejercida por dicho cilindro hidráulico sobre el dispositivo citado se mide mediante una célula de carga, por lo que la carga que indica dicha célula es la suma de las dos aplicadas sobre el elemento ensayado . 3.2 Ensayo de la viga La pieza ensayada está conformada por 23 listones encolados, con una altura h = 98 cm . y ancho b = 13.5 cm. Las condiciones del ensayo son las que se indican en la figura número l. Los resultados obtenidos se indican a continua- . ción y en el cuadro número1l. M W f E P - x 36 2 ' P x a 48 x E x l P x a 48 x f x 1 1,8 P m·Kp 13,5 x 98 2 6 13,5 x 98 3 12 21.609 cm 3 1.058.841 cm 4 57 . 000 Kp / cm2 TEORIA y TECNICAS DE LA EDIFICACION 20 Revista de Edificación. RE • NQ 17 • Mayo 1994 P Flecha (mm) M (j Observaciones (Kp) f1 f2 f3 (m· Kp) Kp/cm2) O 0,00 0,00 0,00 O O 12.000 23,35 22,30 21,55 21.600 100 18.000 46 , 10 37,30 38,05 32.400 150 21.900 53,50 51,05 52,55 39.420 182 24.200 58,30 61,20 62,60 43.560 202 24. 500 71,30 65,05 68,40 44 . 100 205 Aparece primera fisura. Chasquido 26.370 47.466 220 Rotura total P Flecha M (j Observaciones (Kp) (mm) (m· Kp) (Kp/cm2) O 0,00 1.100 5,30 550 54 3.000 12,40 1.500 148 3.600 1.800 177 Aparece primera fisura 5. 640 2. 820 277 Rotura total P Flecha M (j Observaciones (Kp) (mm) (m : Kp) (Kp/cm2) 0,0 0.00 500 7,28 420 41 1.000 13,94 840 83 1.700 23,20 1.430 140 2.000 27,7 1.680 165 2,500 34,30 2.100 207 2.800 37,70 2352 231 3.000 40,70 25,20 248 3.400 45,90 2.856 280 3.700 49,90 3.108 305 4.000 54,30 3.360 330 4.300 59,60 3.612 354 4.500 62,60 3.780 371 Chasquido primera fisura 4.720 3.965 389 Rotura total TEORIA y TECNICAS DE LA EDIFICACION Revista de Edificación. RE • Nº 17 • Mayo 1994 21 P Flecha M (j Observaciones (Kp) (mm) (m · Kp) (Kp/cm 2) O 0. 00 500 2,51 240 24 1.000 5,20 480 47 1.500 7,03 720 70 2. 000 9, 05 969 94 2.500 11,10 1.200 118 3.000 13,15 1.440 141 4.000 15,95 1.920 189 4. 500 19,20 2. 160 212 5.000 21,25 2.400 236 5.500 23,55 2. 640 259 6.000 26,05 2.880 283 6.500 28,75 3.120 306 7.000 31 , 40 3.360 330 7. 500 34,35 3. 600 354 8.000 37,70 3. 840 377 8450 41, 80 4.056 398 Chasquido 1 º fisura 9.600 4.608 452 Rotura total P Flecha M (j Observaciones (Kp) (mm) (m· Kp) (Kp/cm 2) O 0,00 1.000 4,91 485 48 2.000 7,20 970 95 2.500 8,7 1.213 120 3.000 10,15 1.455 143 3.500 11,75 1.698 167 4.000 13,15 1.940 191 4. 500 14,75 2.183 214 5.000 16,15 2.450 238 5.500 17,85 2.668 262 6.000 19,40 2.910 286 6.700 21,05 3.250 319 Chasquido. Despegue de junta 6840 3.317 325 Rotura total TEORIA y TECNICAS DE LA EDIFICACION 22 La rotura del elemento se inicia en los nudos y posteriormente aparece en secciones con uniones encoladas . 3.3 Ensayos de correas Las cuatro piezas ensayadas están conformadas por 6 listones encolados resultando una sección h = 26,8 cm y b = 8,5 cm y son de longitudes diferentes. Las condiciones generales d~ ensayo de dicha pieza son las que se indican en la figura 2. Los resultados obtenidos en cada uno de los cuatro casos se indican a continuación y en los cuadros números 12, 13, 14 Y 15. P M = - x a m · Kp 2 b x h2 2 W 8,5 x 26,8 1.018 cm 3 6 6 bxh 3 3 8,5 x 26,8 13.635 cm 4 = 12 12 f P x a (312 - 40 2) = 48 x E x 1 P/2 P /2 L Q = 3,60 f 1,90 1 Q = 3,60 í L = 9,10 Revista de Edificación. RE • NQ 17 • Mayo 1994 E = P x a 48 x f x 1 3.3.1 Correa número 1 Las condiciones de ensayo de esta correa se indican en la figura número 3. Los resultados obtenidos se indican a continuación yen el cuadro número 12. M=0,5 P m·Kp E = 75 .927 Kp/cm2 3.3.2 Correa número 2 Las condiciones de ensayo de esta correa se indican en la figura número 4. Los resultados obtenidos se indican a continuación y en el cuadro número 13. M = 0,84 P m· kp E = 119.784 Kp/cm2 3.3.3 Correa número 3 Las condiciones de ensayo de esta correa se indican en la figura número 5. P/2 P/2 ~ t L 1,00 I 0,86 1,00 í 2,86 ~ ________________ F_i_9_u_ra __ l ________________ ~1 ~1 __________________ Fi_9_u_ra __ 3 ________________ -J P/2 P/2 P/2 P/2 1 Q Q ~ t L 1,68 I 1,68 1,68 í L 5,04 ~ ________________ F_i_gU_r_O_2 ________________ --J11 ~ _________________ F_i_ 9 _u_rO_4 ________________ --J TEORIA y TECNICAS DE LA EDIFICACION Revista de Edificación. RE • Nº 17 • Mayo 1994 Los resultados obtenidos se indican a continuación y en el cuadro número 14. M P - xO,96 2 0,48 x P m·Kp E = 65.977 Kp/cm2 3.3.4 Correa número 4 Las condiciones de ensayo de esta correa se indican en la figura número 6. Los resultados obtenidos se indican a continuación y en el cuadro número 15. P M = - X 0,97 = 0,485 x P m· Kp 2 E = 99.196 Kp/cm2 3.3.5 Resumen del comportamiento de las correas ensayadas -Tensión máxima de rotura .. ...... .. .... .. . 452 kp/cm 2 -Tensión mínima de rotura .. ................ 277 kp/cm 2 -Tensión media de rotura ....... .. ........... 361 kp/cm 2 - Módulo de elasticidad máxima .. 119.784 kp/cm 2 - Módulo de elasticidad mínimo .. . .. 65.977 kp/cm 2 -Valor medio de E. ........ ........... ........ 90.221 kp/cm 2 En todas las correas ensayadas la rotura se inicia por los nudos y posteriormente el fallo se localiza en las secciones con uniones encoladas. 4. CONCLUSIONES 4.1 Los ensayos realizados a las muestras de madera tomadas de los perfiles, ponen de manifiesto la dispersión de resultados en parámetros tan importantes como la compresión axial, tracción paralela a las fibras con o sin unión encolada en el P/2 P/2 ~ t L 0,96 I 0,96 0,96 í 2, 88 23 centro, flexión estática y cortadura . El módulo de elasticidad obtenido es igualmente disperso estando comprendido entre 63. 520 kp/cm 2 y 82.650 kp/cm 2• 4.2 Los ensayos realizados a las correas de madera laminada encolada ofrecen resultados que muestran oscilaciones entre un mínimo de 65.997 kp/cm 2 y un máximo de 119.977 kp/cm 2 para el módulo de elasticidad. La viga de 98 cm de canto y 9,10 m. de luz da un valor de módulo de elasticidad E = 57.000 kp/cm 2 Estas dispersiones y bajos resultados obtenidos se debe además de la diferente calidad de la madera empleada, a la existencia de defectos como pueden ser la presencia de nudos , deficiencias en las uniones, defectuoso encolado, etc. 4.3 Si realizamos una comparación entre la tensión de rotura en el ensayo de flexión de probetas de madera con la de los elementos laminados , apreciamos una diferencia notable de comportamiento . Mientras en las probetas obtenemos resultados de 582 kp/cm 2, en las piezas encoladas se obtienen 220 kp/cm 2 en vigas y 361 kp/cm 2 en correas , lo que nos indica que con mayor sección del elemen- to se produce una notable disminución como consecuencia de una mayor presencia de nudos, uniones y defectos. 4.4 Con estos datos obtenidos en este estudio, consideramos que debe establecerse un nivel de control intensivo dada la posible heterogeneidad de las maderas empleadas. Para ello proponemos inspecciones a base de durómetro y ultrasonidos que pueden hacerse extensivo a las uniones encoladas. 4.5 Por otra parte estimamos que a efectos de cálculo deben emplearse coeficientes de seguridad adecuados , en previsión de defectos o concentración de éstos, que puedan generar patologías estructurales. P/2 P/2 ~ t L 0,97 I 0,97 0,97 í 2, 91 ~ _________________ F_i_gU_r_a_5 __________________ -J1 1~ _________________ F_ig_U_r_a_6 __________________ ~