Consideraciones en el diseño de estructuras de madera

La madera es un material perfectamente válido para la construcción: resistente y durable, además de ser ecológico, natural, sostenible, renovable, reciclable y no tóxico.

Si bien tiene ciertas peculiaridades en su comportamiento estructural, que comentaremos a continuación, estas solo resultan confusas por haber sido un tema poco tratado en las diversas formaciones técnicas con atribuciones en la materia.

Todos los fenómenos descritos aquí, sus limitaciones, definiciones técnicas y formas de cálculo están desarrollados en el código técnico de la edificación. De necesitar explicaciones más extensas recomendamos el recurrir a literatura especializada.

Consideraciones en el diseño de estructuras de madera

Anisotropía

La madera se trata de un material anisótropo, es decir, no se comporta igual en todas las direcciones. Antes de ser una pieza de madera fue un árbol y este optimizó su estructura según las características del sitio el que creció, su lugar y función dentro del tronco.

Debe tenerse en cuenta la dirección de la fibra a la hora de diseñar y calcular las distintas uniones y encuentros, así como el agotamiento de las secciones. El sentido más resistente a esfuerzos de tracción y compresión es el paralelo a la fibra (eje longitudinal) pues es en el que el árbol soporta la mayoría de cargas y en el que deberán trabajar principalmente los elementos longitudinales usados en construcción.

Esta propiedad puede dar lugar a pequeños errores que comprometan la estructura, como la rotura por carga axial, aparición de tracciones perpendiculares a la fibra en arcos o el fallo en bloque.

Heterogeneidad

Según la especie, calidad y origen de la madera, tendrá unas propiedades distintas. Para simplificar el cálculo se agrupan en las llamadas clases resistentes. Esta debe ir especificada en el marcado CE de la pieza. Para piezas importadas, existen tablas de conversión a la norma española.

Humedad

La principal característica a tener en cuenta en la construcción con madera es la humedad. Esta influye principalmente de tres formas: inestabilidad dimensional, disminución de propiedades mecánica y durabilidad; aunque pueden ser sorteadas con las adecuadas soluciones constructivas.

Tanto el acero como el hormigón varían su tamaño de forma proporcional a la temperatura, pero la madera lo hace con la humedad. La humedad ambiental a su vez depende de la temperatura: a más temperatura este la madera, menos humedad tendrá. Al final nos encontramos que la madera se comporta de forma inversa al acero y el hormigón frente a las variaciones de temperatura.

Puesto que normalmente las cimentaciones son de hormigón y las uniones son de acero, se producirán comportamientos distintos entre los materiales.

Una opción es minimizar el uso de acero mediante uniones carpinteras, en las que con un diseño preciso se encajan las piezas entre si y los herrajes solo ayudan a mantener su posición, pero no a soportar los esfuerzos principales. Esto incluye desde las técnicas tradicionales a los complejos mecanizados por control numérico que podemos encontrar a día de hoy. En el caso de ser necesario las uniones metálicas, priorizar las soluciones con uniones articuladas frente a las rígidas para permitir absorber estas variaciones con su holgura.

Salvando este malentendido entre los materiales, las uniones son el punto principal de las estructuras de madera y se ve reflejado en el peso que tienen en el manual de seguridad estructural de código técnico.

En sus interacciones con el hormigón, generalmente cimentación o apoyo en muros, las uniones empotradas se vuelven sumamente complicadas e inestables. Los procesos de hinchazón y merma producidos en la madera por variaciones de humedad hacen que se cree holgura en la unión, perdiendo su rigidez y afectado al resto de la estructura. Si además esta holgura acumula humedad, por ejemplo, una cimentación, facilita la aparición de agentes del deterioro de la madera como hongos e insectos xilófagos. La solución típica suele ser colocar herrajes intermedios, que son los que se unen rígidamente al hormigón y aíslan la madera del contacto con el suelo.

A su vez la humedad también influye en las propiedades mecánicas de la madera. Estas se disminuyen mediante un coeficiente que variará según la situación a la que se vaya a enfrentar la estructura, agrupadas para simplificar su cálculo en las clases de servicio:

Clase de servicio 1. Estructuras de madera expuestas a un ambiente interior.

Clase de servicio 2. Estructuras de madera abiertas al exterior, pero cubiertas o interiores húmedos como piscinas.

Clase de servicio 3. Estructuras de madera expuestas a un ambiente exterior sin cubrir.

Respecto a la durabilidad nos encontramos con las clases de uso, las cuales también agrupas las situaciones de exposición a la humedad. Los niveles de protección, el producto usado y las especies recomendadas dependerán de en qué clase se encuentre la pieza.

Clase Uso 1. Interior

Clase Uso 2. Exterior bajo cubierta/ interior húmedo

Clase 3.1. Exterior protegido

Clase 3.2. Exterior expuesto

Clase 4. Contacto con el suelo o agua duce

Clase 5. contacto con agua salada

Por tanto, un diseño constructivo que busque una protección pasiva de la madera lograr una mayor resistencia y vida útil de sus piezas. Un ejemplo muy usado es la construcción tradicional japonesa con cimentaciones de piedra y gran presencia de aleros en el diseño.

Duración de la carga

La madera, a diferencia de su buen comportamiento frente al fenómeno de la fatiga, sufre un efecto de debilitamiento a cargas prolongadas en el tiempo, las cuales disminuyen su resistencia mecánica y aumentan la deformación de la pieza. Se clasifican según la duración de la carga (acciones) y junto la clase de servicio en la que se encuentre se le aplica el factor k_mod para el cálculo de su resistencia.

Permanente: más de 10 años. Peso propio

Larga: de 6 meses a 10 años. Apeos o estructuras provisionales no itinerantes

Media: de una semana a 6 meses. Sobrecarga de uso; nieve en localidades de >1000 m

Corta: menos de una semana. Trafico, peatones y viento; nieve en localidades de < 1000 m.

Instantánea: algunos segundos. Sismo

Deformaciones diferidas

La madera, debido al fenómeno de la fluencia, sufre una deformación diferida en el tiempo cuando se ve sometida a cargas permanentes. Esta deformación tiene una componente elástica que sí se recupera tras el fin de la acción y una componente plástica permanente. Este fenómeno es de suma importancia el en cálculo de los estados limite últimos y de servicio tal y como se refleja en el código técnico en la ponderación de las acciones según su duración.

Esto también se hace visible en las uniones, donde se produce un aplastamiento de la madera entorno al elemento metálico y puede dar lugar a deslizamientos.

Incendio   

A pesar de ser un material combustible la madera tiene unas propiedades frente a encendidos muy elevadas. Al arder (temperatura de ignición 400ºC, 300ºC con llama directa) solo se ve afectada la capa externa, la cual al carbonizarse crea una superficie aislante que protege el interior de la pieza ralentizando su combustión. A mayor sección de la pieza más se incrementa este efecto por el aumento de la relación área/perímetro, pudiendo aumentarse más reduciendo el número de caras expuestas, por ejemplo, la cara superior de una viga. Esto ayuda a retrasar el tiempo de colapso de la estructura, facilitando así la evacuación y extinción del fuego. El tiempo de colapso queda definido en el código técnico según el tipo de edificio, siendo el mínimo de 30 minutos. El tiempo de colapso se obtiene mediante el caculo de la velocidad de carbonización y la resistencia de la pieza en función la sección eficaz intacta, ambos reflejados en el documento seguridad en caso de incendio del código técnico (CTE DB-SI 2019).

Frente a temperaturas similares a las necesarias para iniciar la combustión, el acero pierde gran parte de sus propiedades mecánicas, tanto que en gran parte de los casos el material limítate son los componentes metálicos que unen piezas de madera. Es pues necesaria la protección de los herrajes expuestos o diseños constructivos que los oculten dentro de la madera.

Tras el incendio la madera pierde resistencia de forma proporcional al volumen quemado de la pieza, pero manteniendo el resto de propiedades, mientras que en acero y hormigón se compromete la estructura por su deformación y deterioro.

Diego Isaac de Pedro Esteban

Fuentes:

Condigo técnico de la edificación: documento básico de seguridad en caso de incendio.

Condigo técnico de la edificación: documento básico de seguridad estructural, Madera.

Ramón Agüelles y F. Arriaga (2018)  “Estructuras de madera, bases de cálculo”. AITIM