Fundamentos del diseño y la construcción con madera

EDICIONES UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE

Vicerrectoría de Comunicaciones

Av. Libertador Bernardo O’Higgins 390, Santiago, Chile

editorialedicionesuc@uc.cl

www.ediciones.uc.cl

FUNDAMENTOS DEL DISEÑO

Y LA CONSTRUCCIÓN CON MADERA

Pablo Guindos B.

© Inscripción Nº 309.667

Derechos reservados

Octubre 2019

ISBN edición impresa Nº 978-956-14-2453-1

ISBN edición digital Nº 978-956-14-2454-8

Dibujos: Francisca Evans Zaldívar y Francisca González Rosas

Diseño de portada: Francisco López Urquieta

Fotografía de portada: Edificio Mjøstårnet de 18 pisos en Noruega, cortesía de Moelven

Diseño: Francisca Galilea

Diagramación digital: ebooks Patagonia

www.ebookspatagonia.com info@ebookspatagonia.com

CIP-Pontificia Universidad Católica de Chile

Guindos Bretones, Pablo, autor.

Fundamentos del diseño y la construcción con madera / Pablo Guindos; ilustraciones de Francisca Evans y Francisca González.

1. Construcciones de madera – Chile.

2. Estructuras de madera.

3. Propiedades de la madera.

4. Filosofía del diseño arquitectónico.

I. t.

II. Evans, María Francisca, ilustrador.

III. González Rosas, Francisca, ilustrador.

2019 721.04470983 DCC23 RDA

Dedicado a Björn

Tabla de contenidos

Prólogo

Prefacio

¿Cómo leer este libro?

1. Introducción a la construcción con madera

1.1 Breve reseña histórica

1.2 Una mirada hacia el futuro

1.3 Lecturas adicionales

2. Anatomía y física de la madera

2.1 Singularidades

2.1.1 Nudos

2.1.2 Inclinación de las fibras

2.1.3 Madera de reacción

2.1.4 Fisuras y deformaciones

2.1.5 Ataques biológicos

2.1.6 Otras singularidades

2.2 Estructura interna

2.3 Propiedades físicas de la estructura: humedad y densidad

2.3.1 Contenido de humedad

2.3.2 Densidad aparente

2.3.3 Estabilidad dimensional

2.4 Lecturas adicionales

3. La madera como material de construcción

3.1 Comparación fundamental cuantitativa

3.2 Comparación fundamental cualitativa

3.3 Estructura idealizada y respuesta mecánica instantánea

3.4 Resumen y simplificación de la respuesta mecánica instantánea

3.5 Leyes elásticas constitutivas de la madera

4. Productos de ingeniería de madera

4.1 Introducción

4.2 Productos de madera sólida

4.3 Paneles tipo Brettstapel

4.4 Productos de chapas de madera

4.5 Productos de madera encolada

4.6 Productos de fibras y partículas de madera

4.7 Productos de virutas de madera

4.8 Productos compuestos

5. Clasificación y caracterización

5.1 Clasificación de la madera

5.1.1 Clasificación visual

5.1.2 Clasificación mecánica

5.2 Caracterización: ensayos mecánicos

5.2.1 Muestreo

5.2.2 Caracterización en Chile

5.2.2.1 Determinación de las propiedades fundamentales

5.2.2.2 Determinación de las tensiones admisibles media

5.2.2.3 Ensayos mecánicos adicionales

5.2.5 Resumen de los parámetros fundamentales de cálculo en Chile, EE.UU. y Europa

5.2.6 Lecturas Adicionales

6. Factores que influyen en el desempeño mecánico

6.1 Efecto de las variables físicas

6.1.1 Temperatura

6.1.2 Influencia de la humedad

6.1.3 Densidad y espesor de anillos

6.2 Influencia del volumen

6.3 Efecto del tiempo

6.3.1 Efecto de la duración de la carga o ratio de deformación

6.3.2 Deformación diferida (creep) y relajación

6.3.3 Fatiga

6.3.4 Envejecimiento

6.4 Efecto de las características anatómicas

6.4.1 Efecto de las singularidades

6.4.2 Madera juvenil

6.4.3 Pudrición y degradación

6.5 Efecto de la durabilidad

6.5.1 Tratamientos químicos

6.6 Efecto de desangulación carga-dirección de fibra

6.7 Efecto de colaboración en grupo (redundancia)

6.8 Efecto de la inestabilidad

6.8.1 Por pandeo

6.8.2 Por vuelco lateral-torsional

6.9 Efectos debidos a la concentración de tensiones

6.9.1 Rebajes (entalladuras)

6.9.2 Perforaciones

6.9.3 Concentración de compresión perpendicular

6.10 Efectos propios en las uniones

6.10.1 Efecto hilera en conectores mecánicos

6.10.2 Profundidad de penetración

6.10.3 Espaciamiento

6.10.4 Excentricidad

6.11 Efectos de curvatura en MLE

6.12 Efectos en piezas de sección circular

6.13 Resumen de efectos

6.14 Lecturas adicionales

7. Fundamentos para el cálculo

7.1 Introducción

7.2 Concordancia entre enfoques de cálculo

7.3 Seguridad estructural

7.4 Lecturas adicionales

8. Dimensionamiento de miembros estructurales

8.1 Planteamiento general para asignación de propiedades mecánicas

8.2 Asignación de propiedades en Chile

8.3 Dimensionamiento de miembros en flexión simple

8.3.1 Riesgos de los elementos en flexión

8.3.2 Verificaciones en Chile

8.3.2.1 Vigas simples rectangulares

8.3.2.2 Vigas simples circulares

8.3.2.3 Vigas de MLE y LVL

8.3.3 Riesgos singulares en vigas de canto variable y/o curvas

8.3.3.1 Verificación en Chile

8.4 Dimensionamiento de miembros en compresión simple

8.4.1 Riesgos de los elementos en compresión simple

8.4.2 Verificación en Chile

8.4.2.1 Piezas rectangulares de madera aserrada o MLE

8.4.2.2 Piezas circulares

8.5 Dimensionamiento de miembros en tracción simple

8.5.1 Riesgos de los elementos en tracción simple

8.5.2 Verificación en Chile

8.6 Esfuerzos combinados

8.6.1 Tipos de esfuerzos combinados

8.6.1.1 Flexión esviada

8.6.1.2 Flexión simple o esviada y tracción paralela

8.6.1.3 Flexión simple o esviada y compresión paralela

8.6.1.4 Esfuerzos de segundo orden en vigas-columnas

8.6.1.5 Cortantes en flexión esviada

8.6.1.6 Cortantes en flexión simple o esviada y torsión

8.6.2 Verificación en Chile

8.7 Lecturas adicionales

9. Introducción al diseño de uniones

9.1 Tipos de uniones

9.2 Filosofía de uniones

9.3 Principales parámetros que determinan el desempeño mecánico de una unión mecánica

9.4 Teoría de Johansen para uniones laterales con conectores rígidos

9.5 Tornillos inclinados

9.6 Lecturas adicionales

10. Sistemas estructurales

10.1 Introducción

10.2 Componentes básicos de una cubierta

10.3 Componentes básicos de un entrepiso o forjado

10.3.1 Losa clásica (timber floor with joists)

10.3.2 Losa con vigas en I (timber floor with I-joists)

10.3.3 Losa de madera masiva (massive timber floor)

10.3.4 Losa nervada (rib slab)

10.3.5 Entrepisos de madera-hormigón

10.3.6 Luces habituales de entrepisos de madera

10.4 Morfología de vigas principales de entrepiso y cubierta

10.4.1 Elementos simples de madera aserrada

10.4.2 Vigas curvas y de sección variable

10.4.3 Vigas compuestas

10.4.4 Elementos en base a reticulados

10.4.4.1 Cerchas (tijerales)

10.4.4.2 Vigas en celosía de cordones paralelos

10.4.4.3 Otros tipos de reticulados

10.5 Sistemas de envigados para transmisión de cargas perpendiculares en cubiertas y entrepisos

10.6 Columnas

10.7 Sistemas de muros

10.8 Pórticos (marcos)

10.9 Sistemas resistentes a la carga lateral (SRCL) y sistemas de arriostramiento

10.10 Continuidad de carga

10.11 Predimensionado

10.12 Lecturas adicionales

11. Introducción a los sistemas constructivos

11.1 Sistemas constructivos

11.2 Sistema poste-viga

11.3 Sistema de marco-plataforma

11.4 Sistema de balloon-frame

11.5 Sistema de construcción masiva con CLT

11.6 Otros sistemas constructivos

11.7 Límites aproximados en el número de pisos

11.8 Lecturas adicionales

12. Introducción a la construcción industrializada

12.1 Introducción

12.1.1 Definiciones preliminares

12.1.2 Estructuración del capítulo

12.2 Reseña histórica

12.2.1 Primeros sistemas

12.2.2 Primera revolución industrial

12.2.3 Post Segunda Guerra Mundial

12.3 Progresión de la producción digital

12.4 Conceptos importantes en relación al diseño arquitectónico industrializado

12.4.1 Sistemas

12.4.2 Materiales

12.4.3 Método

12.4.4 Producto

12.4.5 Clase

12.4.6 Cuadrículas (grid)

12.5 Componentes, paneles y módulos

12.5.1 Componentes

12.5.2 Paneles

12.5.3 Módulos y construcción modular

12.6 Prefabricación e industrialización en fábrica

12.6.1 Planificación de pedidos y sistemas de control en fábrica

12.6.1.1 Características esenciales del sistema APS

12.6.1.2 Características esenciales del sistema PPS

12.6.1.3 CAD/CAM

12.6.2 Esquemas de producción en fábrica

12.6.3 Área de mecanizado (preparación) de piezas

12.6.4 Área de ensamblado de componentes

12.6.5 Manipulación y transporte de material y componentes

12.6.6 Flujo de material en fábrica

12.6.7 Consideraciones generales acerca del diseño de la nave de planta de industrialización

12.7 Logística y montaje en obra

12.7.1 Logística, carga y transporte

12.7.1.1 Logística

12.7.1.2 Carga

12.7.1.3 Transporte

12.7.2 Preparación en la zona de construcción

12.7.2.1 Cimientos

12.7.2.2 Acceso a la obra

12.7.2.3 Zona de almacenamiento

12.7.2.4 Alojamientos para uso de los trabajadores

12.7.2.5 Grúa de montaje

12.7.2.6 Suministro de energía y agua

12.7.2.7 Eliminación de residuos

12.7.3 Instalación y montaje

12.7.3.1 Preparación

12.7.3.2 Organización

12.7.3.3 Fases de montaje

12.8 Lecturas adicionales

13. Fundamentos de la protección frente al fuego

13.1 Introducción

13.2 Reacción al fuego en la madera

13.2.1 Reacción físico-química

13.2.2 Reacción mecánica

13.3 Tasa de carbonización

13.4 Métodos predictivos del efecto del fuego

13.4.1 Soluciones constructivas in situ o prefabricadas con certificación de la resistencia al fuego

13.4.2 Método de las componentes aditivas

13.4.3 Método de la sección eficaz

13.4.4 Método de la resistencia y rigidez reducidas

13.4.5 Métodos basados en la modelación del fuego

13.4.5.1 Métodos de modelación estocástica

13.4.5.2 Métodos de modelación determinística

13.5 Prescripciones y desarrollo normativo en Chile

13.6 Nota sobre las disposiciones constructivas

13.7 Lecturas adicionales

14. durabilidad y protección de la madera

14.1 Introducción

14.2 Agentes bióticos y estrategias de protección

14.2.1 Hongos

14.2.2 Estrategias de protección frente a hongos

14.2.3 Insectos y perforadores marinos

14.2.4 Estrategias de protección frente a animales xilófagos

14.3 Agentes abióticos

14.4 Riesgo de ataque biológico y durabilidad natural

14.5 Tratamientos preservantes de la madera

14.6 Tratamientos de ignifugación de la madera

14.7 Durabilidad y protección en Chile

14.8 Lecturas adicionales

ANEXO A. ayudas al predimensionado

ANEXO B. ejemplos de configuraciones constructivas en fundaciones

Glosario de términos

Capítulo 1

Capítulo 2

Capítulo 3

Capítulo 4

Capítulo 5

Capítulo 6

Capítulo 7

Capítulo 8

Capítulo 9

Capítulo 10

Capítulo 14

Prólogo

La construcción de mejores ciudades conlleva a la necesidad constante de buscar nuevos elementos y materiales que contribuyan a mejorar la calidad de vida de las personas. Así es como desde hace unos años el uso de la madera se alzó como una alternativa en la construcción de viviendas sociales, con variados atributos que las hacen soluciones más sustentables e innovadoras.

La relación entre Chile y el desarrollo en el uso de la madera está viviendo una época atractiva que invita a hacerle seguimiento para potenciar su inclusión en la industria. Somos uno de los diez países productores más importantes a nivel internacional y se trata del segundo sector exportador a nivel nacional y el primero basado en fuentes renovables.

Claro que para trazarse nuevos desafíos lo primero es avanzar en productividad, industrialización e innovación y así cumplir con un compromiso tan clave como necesario: duplicar su uso en la construcción de viviendas al año 2035.

En el Ministerio de Vivienda y Urbanismo hemos avanzado en hacer alianzas colaborativas con representantes del mundo académico, sectorial e interinstitucional, que nos han permitido impulsar varias iniciativas para que la madera se convierta en una alternativa competitiva en el mercado, potenciando su versatilidad para generar soluciones sustentables, innovadoras, y con alto nivel de prefabricación, apuntando a la productividad y al potencial de crecimiento del sector.

Por cierto, para garantizar el éxito y potenciar el uso avanzado de la madera en la construcción en Chile, es indispensable el esfuerzo conjunto y coordinado de todos los actores, a través de una cooperación público-privada. Lo logrado hasta ahora es fruto de un trabajo del Estado con el sector privado, con las entidades gremiales, los académicos y profesionales del área, para avanzar sostenidamente y garantizar impactos positivos en la calidad de vida de las familias, en términos del estándar y la durabilidad de las construcciones que habitan.

Estamos conscientes de que aún queda camino por recorrer frente a este tema, pero nos motiva hacer de Chile un referente a nivel mundial. Por eso, valoro el significativo aporte de esta publicación, que establece una base tecnológica sólida que permite abordar las construcciones en madera con mayor eficiencia, calidad y modernidad.

Cristián Monckeberg Bruner

Ministro de Vivienda y Urbanismo

Prefacio

Este libro conforma la primera parte de una trilogía, en la cual se introducen los fundamentos del diseño y la construcción con madera. Introducir a arquitectos, ingenieros y constructores en el empleo de la madera como material estructural en la construcción es el principal objetivo de esta publicación. Desde una perspectiva global se introducen los aspectos necesarios para emplear la madera con confiabilidad y eficiencia, lo que incluye aspectos relacionados con la tecnología de la madera, las bases del diseño y el cálculo, los sistemas constructivos, la industrialización y la protección del material.

Los otros dos libros de esta trilogía profundizan en el diseño estructural y tienen como principal objetivo consolidar y facilitar el cálculo de tal modo que se fomente el uso de la madera como alternativa estructural para multitud de obras, en especial para la construcción de edificios. Así pues, el segundo y tercer libro están principalmente destinados a ingenieros e investigadores. El segundo libro se titula Conceptos avanzados del diseño estructural con madera. Parte I y consiste en un texto especializado, en el cual, partiendo de las bases expuestas en este texto introductorio, se profundiza en el diseño y el cálculo estructural de uniones, refuerzos, elementos compuestos, pórticos y edificios construidos con el sistema de marco plataforma incluyendo el diseño anti-sísmico. El tercer libro, titulado Conceptos avanzados del diseño estructural con madera. Parte II, incluye el diseño estructural con CLT, la modelación numérica, la protección anti-incendios y un compendio de tablas y otras ayudas al cálculo.

Son dos las principales razones que me han llevado a escribir esta trilogía. La primera razón es que, si bien existen algunas obras de excelente calidad y profundidad en español, la mayoría aborda de una forma más bien específica o introductoria los contenidos relativos a esta materia. La segunda razón es que en los últimos años se han realizado avances muy relevantes en este campo que han ampliado enormemente el espectro de aplicación de la madera en la construcción. De este modo, la trilogía trata de abordar la materia de la forma más global posible, de hecho, los métodos de diseño a menudo se presentan de acuerdo a distintas metodologías internacionales, más que presentar exclusivamente un único método de cálculo. Por otra parte, también se presentan los contenidos de la forma más actualizada posible con el fin de abarcar todas las aplicaciones estructurales que se han propiciado en las últimas dos décadas, tales como el diseño estructural con CLT, las consideraciones para el diseño de edificios, productos innovadores, industrialización moderna, modelación numérica, etc.

La principal motivación, sin embargo, para haber editado estos tres libros es la firme convicción de que construir una parte razonable de obras e infraestructura con madera ofrece múltiples ventajas que no deberían obviarse en estos tiempos. Principalmente construir con madera genera, en mi opinión, un entorno más sostenible desde el punto de vista ecológico, pero también la posibilidad de lograr un beneficio socioeconómico que se destaque por repercutir en un espectro muy amplio de la sociedad, llegando hasta las poblaciones rurales. Dichos potenciales beneficios deberían ser especialmente relevantes en Ibero-Latinoamérica, debido no solo a sus tendencias de poblaciones urbanas y su moderada/baja tasa de construcción con madera, sino también debido al carácter forestal de muchos de sus países, los cuales por cierto tienen una capacidad de renovación forestal envidiable en comparación a otros lugares del mundo.

En el recorrido que ha supuesto la edición de estos libros, quisiera agradecer primeramente a los autores que han colaborado conmigo en la escritura de multitud de capítulos y anexos, lo que incluye a Vanesa Baño, Laura Moya, Juan Carlos Píter, Rocío Ramos, Minia Rodríguez, Mauricio González, Peter Dechent, Jairo Montaño y Sebastián Berwart, como también mis estudiantes Raúl Araya, Felipe Arriagada y Sebastián Zisis. En esta labor quisiera también destacar el enorme trabajo de excelente calidad, y la interminable paciencia de las arquitectas y dibujantes Francisca Evans, Francisca González y Marcela Pasten. Sin todos estos profesionales esta obra no hubiese sido posible en extensión, ni mucho menos en calidad y rigurosidad. También quisiera agradecer el trabajo de los autores precedentes en la materia por su invaluable conocimiento e inspiración. Por supuesto agradezco a mi familia, Minia, Björn, Gael, mis hermanos y mis padres por su comprensión, ánimo y cariño. También quisiera agradecer el apoyo y disposición de Juan José Ugarte, Mario Ubilla, Alexander Opazo y José Luis Almazán, y por supuesto la inmejorable labor en la revisión y mejora por parte de Gonzalo Hernández, Mario Wagner, Felipe Victorero, José Luis Salvatierra, Jairo Montaño, Hernán Santa María y Franco Benedetti. Quisiera expresar especial agradecimiento en esta labor de revisión a Minia Rodríguez e Ignacio González quienes con su enorme generosidad revisaron una gran parte de los contenidos de la extensa trilogía. Finalmente quisiera agradecer a la Escuela de Ingeniería UC y a Ediciones UC por su excepcional apoyo en la publicación simultánea de esta trilogía, y muy especialmente al Centro de Innovación en Madera CIM-UC CORMA y su Directorio por su contagiosa motivación y apoyo continuado.