Rafael Riddell C. - Diseño estructural

Figura 1.18Contracción de la madera con la pérdida del agua de saturación

Uno de los métodos para medir la humedad es el de secado al horno. Las muestras se mantienen a una temperatura ligeramente superior a 100 °C entre 12 y 48 horas hasta que se alcance un peso constante. La humedad se determina con la siguiente fórmula :

Peso seco Por su higroscopicidad, la madera es capaz de absorber y exhalar humedad por contacto con el agua o el aire. Bajo una prolongada exposición a un determinado ambiente el contenido de humedad se estabiliza, experimentando ligeras variaciones diarias y estacionales. Se dice entonces que la madera ha llegado a la humedad de equilibrio . La humedad de equilibrio de maderas expuestas a la intemperie en Chile varía en general entre 12 y 18 %; valores específicos para distintas localidades se presentan en la norma NCh1 198.Of91. La misma norma permite suponer humedades de equilibrio promedio de 9 y 12% en recintos cubiertos cerrados con y sin calefacción continua, respectivamente.

La resistencia y el módulo de elasticidad de la madera son inversamente proporcionales al contenido de humedad, como se observa en la Tabla M.1. Por ello, las tensiones admisibles y el módulo de elasticidad, que se especifican para la condición de madera seca (H = 12 %), deben reducirse cuando las condiciones corresponden a una humedad de equilibrio que excede al 12%, aplicando el factor de reducción por humedad:

en que H ses la humedad en % en condición de servicio y Δ Rel factor dado por la Tabla 1.4.

La Fig. 1.19 muestra una curva tensión-deformación de un ensayo de carga axial sobre una muestra de madera seca. El comportamiento es lineal elástico hasta la tensión σ po límite de proporcionalidad; luego la curva deja de ser lineal y se alcanza finalmente la tensión de ruptura σ r. Como puede observarse, la madera es un material eminentemente frágil, con deformaciones unitarias de rotura similares a las del hormigón en compresión. Muchos se sorprenden al oír que la madera es frágil, ello porque confunden los conceptos de ductilidad y flexibilidad, que suelen emplearse como sinónimos en el lenguaje cotidiano, aunque no lo son, y menos aún para los precisos significados que se les asigna en ingeniería estructural; mayor discusión sobre estos conceptos se presenta en la Sección 1.2.2.4.

Figura 1.19Relación tensión-deformación de una muestra de madera

Directamente de la figura puede concluirse que la resistencia a la tracción de la madera es mayor que en compresión, como se aprecia también en la Tabla M.1; naturalmente ello se debe a la constitución fibrosa del tejido vegetal. En la tabla también se aprecian notables diferencias entre las compresiones paralela y normal a las fibras, y entre las tensiones de cizalle y las longitudinales.

Estos antecedentes justifican la afirmación inicial que las propiedades de la madera dependen del tipo de solicitación. La tabla muestra pocos resultados en tracción axial, pues es un ensayo difícil de realizar, privilegiándose el ensayo de flexión y asumiéndose que la resistencia a la tracción paralela a las fibras es igual a un 60 % de la de flexión.

La especificación de tensiones de diseño admisibles de la madera es un complejo proceso de varias etapas:

• Medición de tensiones de rotura en flexión σ rf, y compresión axial σ rc, y módulo de elasticidad en flexión E f, en base a ensayos sobre probetas pequeñas libres de defectos en estado verde (H ≥ 30 %) y seco a H = 12 %. Los ensayos se realizan de acuerdo a lo especificado en las normas NCh973.Of86 y NCh987.Of86, y se resumen para cada especie maderera en términos de sus valores promedio ( ). Algunos ejemplos de estas mediciones se presentan en la ya referida Tabla M.1.

• Clasificación de la especie en alguno de los grupos que define la norma NCh1989.Of86 conforme a valores mínimos de las propiedades resistentes recién citadas. Los grupos que se basan en propiedades de la madera en estado verde (H ≥ 30 %) y seco (H = 12 %), se presentan en la Tabla M.2. Las especies de propiedades mecánicas conocidas (ver NCh1989. Of86) han quedado clasificadas en los grupos que se presentan en la Tabla M.3.

• Las propiedades resistentes de probetas libres de defectos no pueden extrapolarse a piezas de madera de dimensiones normales para uso estructural. En éstas pueden hallarse presentes una gran variedad de defectos detrimentales para la resistencia, entre ellos pueden mencionarse los nudos, grietas, deformaciones de secado, pudrición, entre muchos otros que define la norma NCh992.E0f72. Un glosario de defectos en piezas de madera se presenta en la Tabla M.4. Las normas NCh1970/1.Of88 y NCh1970/2.Of88 definen cuatro grados de calidad para la clasificación visual de la madera según la magnitud de los defectos presentes, asociando a cada grado una fracción de la capacidad resistente del mismo material libre de defectos. Tal fracción se denomina razón de resistencia y corresponde a 0,75, 0,60, 0,48 y 0,38 para los Grados Estructurales 1 a 4 respectivamente. Según el grado estructural y el grupo a que pertenece cada especie se definen Clases Estructurales (NCh1990.Of86). Estas clases, para maderas en estado verde y seco, se muestran en la Tabla M.5.

• A continuación se debe considerar el contenido de humedad de la madera en el momento de la construcción (H c) y puesta en servicio (H s), y el espesor de las piezas. Dependiendo de estos parámetros, como indica la Tabla M.6, se determina el grupo que se debe considerar (verde o seco) para escoger la clase estructural pertinente, usando la Tabla M.5.a o la M.5.b para la determinación de tensiones admisibles.

• En función de la clase estructural y la agrupación de especies se determinan las tensiones admisibles según las Tabla M.7 para todas las especies excepto pino radiata seco, para el cual se usa la Tabla M.8.

• Las tensiones admisibles todavía deben corregirse por factores de corrección general, como el factor K Hpor humedad, definido según la Ec. 1-46 y el factor de duración de la carga K Dsegún la Ec. 1-47, aparte de otros que se describirán en los capítulos siguientes que dependen del tipo de solicitación (carga axial, flexión, etc.).

La corrección por duración de carga se debe a que la resistencia de la madera es sensible a este parámetro, como se comprueba experimentalmente. Cuando una carga se aplica repentinamente y se retira en pocos segundos la madera es capaz de resistir casi el doble de lo que soportaría en un período de varios años. La norma chilena propone el factor K Dde modificación por duración de la carga dado por: