Conceptos avanzados del diseño estructural con madera. Pablo Guindos
clavija. De este modo permiten transmitir cargas significativamente mayores.
Los conectores de superficie se emplean principalmente para traspasar grandes esfuerzos en estructura pesada, mayormente para cuando la condicionante de diseño es una acción de naturaleza estática. Para muchos de ellos, asegurar el correcto apriete de las piezas es vital para poder garantizar la capacidad y rigidez de diseño. Por lo anterior, ciclos con grandes oscilaciones de temperaturas y humedades pueden ser peligrosos si no se diseña en concordancia. En esta sección se expone brevemente consideraciones de cálculo y diseño de los principales conectores de superficie.
1.3.6.1 Conectores de precisión rectangulares
Consisten en elementos de fijación con forma de prisma rectangular que permiten transmitir el cortante entre dos piezas que fueron ranuradas para permitir la propia inserción del conector entre ambas, ver Figura 1.3.6.1. Este tipo de conectores pueden ser de acero o también de madera —siendo obligatorio en este último caso según la NCh1198 que tengan una densidad anhidra superior a 500 kg/m3 y se encuentren en condición seca para evitar desajuste por contracción y la dirección de la fibra sea paralela a la de las piezas que conecta. La normativa nacional permite emplear un máximo de 4 conectores consecutivos, a excepción de piezas compuestas en donde se permite incrementar este número, las cuales deben llevar en todo caso a los extremos 2 pernos con arandelas que neutralicen el momento volcante provocado por la excentricidad inherente. Véase detalles de cálculo en la Sección 1.2.15 bajo la consideración de que en este caso la excentricidad en cada madero puede aproximarse a t/2-Pc/2, ver Figura 3.3.6.1.
| figura 1.3.6.1 Consideraciones geométricas de un conector de precisión rectangular según la NCh1198. |
El funcionamiento mecánico de este tipo de conectores es muy simple, por un lado, los maderos a conectar se solicitan a compresión simple en una sección rectangular equivalente a la mitad de la sección del conector, por el otro lado, el propio conector se encuentra solicitado a tensiones cortantes. Mientras tanto, los pernos extremos permiten neutralizar los momentos cortantes que surgen como consecuencia de la excentricidad de la fuerza transmitida por un madero y la reacción del conector. Por tanto, para el cálculo de este tipo de uniones se considera simplemente que el conector de precisión es un conector convencional tal que la resistencia al aplastamiento se corresponde con una fracción de la tensión admisible en compresión paralela de los maderos, ver Tabla 1.3.6.1
| tabla 1.3.6.1 Tensión admisible de aplastamiento a considerar según la NCh1198 para el cálculo simple como cualquier otro tipo de conector de un conector de precisión rectangular. La tensión de aplastamiento depende de la relación de aspecto, número de conectores y especie de los maderos a conectar. | ||||
| Razón entre el largo del conector Ic y la profundidad de rebaje pc | Cantidad de conectores dispuestos consecutivamente según la dirección de la fuerza | |||
| 1 o 2, y en vigas compuestas | 3 y 4 | |||
| Coníferas | Latifoliadas | Coníferas | Latifoliadas | |
| 1. Lc ⁄ pc ≥ 5 | Fcp,dis | Fcp,dis | 0,85 ∙ Fcp,dis | 0,9 ∙ Fcp,dis |
| 2. 3 ≤ Lc ⁄ pc < 5 | 0,45 ∙ Fcp,dis | 0,5 ∙ Fcp | 0,4 ∙ Fcp,dis | 0,45 ∙ Fcp,dis |
La minoración de la tensión de compresión paralela de la Tabla 1.3.6.1 se debe a que en realidad la distribución de tensiones no es homogénea, sino que presenta picos, y la homogeneidad de la misma se incrementa al aumentar la esbeltez Lc/Pc del conector, la cual en todo caso debe ser ≥ 3. Además de las verificaciones habituales de los conectores, es necesario verificar que el conector es capaz de resistir la tensión cortante admisible, y que los pernos pueden neutralizar el momento volcante. Para el diseño de conectores de acero se permite en todo caso emplear como tensión de aplastamiento Fcp,dis, aún cuando la relación Lc/Pc es inferior a 5. Las disposiciones constructivas de los conectores de precisión metálicos se detallan en 9.7.2, PG 103.
1.3.6.2 Conectores de anillo
El fundamento de los conectores en anillo es similar al anterior, pero en este caso los conectores tienen forma de anillo y los pernos, sobre los cuales se asume que no transmiten ningún corte y solo sirven para asegurar el apriete axial sobre el plano de corte, se colocan en el interior del anillo. Véase las características geométricas del anillo y la herramienta típica empleada para ejecutar las ranuras sobre las que se incrusta el anillo en la Figura 1.3.6.2. Los principios mecánicos son similares a los anteriores; la tensión de aplastamiento de los maderos, el cortante en el anillo, y el vuelco en los pernos gobiernan el diseño. Por tanto, la filosofía de diseño es similar. Sin embargo, una ventaja importante respecto de los anteriores reside en la posibilidad de materializar uniones en ángulo. En tal caso es obviamente necesario aplicar la fórmula de Hankinson considerando la resistencia al aplastamiento paralelo y perpendicular de los maderos. Dichas resistencias se obtienen directamente de acuerdo al tipo de anillo y maderos de acuerdo a la T41, PG 105. Las medidas normalizadas de conectores, ranuras, pernos y arandelas se detallan en 9.7.2, PG 103.
Tanto los espaciamientos de borde y testas, como los espaciamientos entre conectores son definidos de acuerdo al ángulo conformado entre la fuerza y la dirección de la fibra. Esto difiere de los medios de unión vistos anteriormente en los que, a lo sumo se diferenciaba entre angulaciones de 0˚ y 90˚. También se diferencia de las uniones anteriores, en que en este tipo de conectores se define un espaciamiento básico y un espaciamiento mínimo. Así, al diseñador se le permite reducir el espaciamiento básico hasta el límite definido por el espaciamiento mínimo, al precio de aplicar un factor de modificación por separación de los conectores, Ksc, que minora la capacidad de la unión. Estos conceptos son detallados en las clausulas 9.7.3.5.3, PG 107 hasta 9.7.3.7, PG 109.
Con respecto al área neta para las verificaciones de la madera de unión, ésta debe calcularse como el área bruta menos el área de la ranura y la parte correspondiente del perno. En caso de distribuciones alternas, se considera que 2 conectores se encuentran en la misma sección transversal si el espaciamiento longitudinal es inferior al doble del diámetro del conector.
| figura 1.3.6.2 Características geométricas de un conector de anillo según NCh1198 y típica herramienta empleada en su instalación. Nótese que en el interior de cada uno de estos anillos debe instalarse un perno para asegurar debidamente el apriete del plano de corte. |
Tal como se mencionó anteriormente, es crucial asegurar el apriete de los maderos en el plano de corte via pernos. Dicho apriete debe ser consistente con los posibles cambios debidos a la humedad de la madera y en tal caso deberá procederse a un re-apriete. Si este apriete no se garantiza, por muy alta que sea la capacidad de la unión esta no será efectiva.
1.3.6.3 Conectores dentados
Son similares a los anteriores pero en este caso en lugar de realizar una ranura, el conector posee una parte dentada que permite la inclusión en los maderos sin más que ejercer una presión y por tanto sin necesidad de mecanizar una ranura. De este modo, presenta la ventaja respecto los conectores anteriores de no requerir ranura, y en la mayoría de casos la rigidez inicial es superior debido a la ausencia de tolerancias durante el clavado. Sin embargo, debido a la dificultad del clavado, tan sólo se permite su uso en maderas con una densidad normal característica entre 350 y 500 kg/m3. Por otra parte, los resultados experimentales han demostrado que, el fallo dúctil en este tipo de conectores es más factible debido a la posibilidad de flexión plástica de los dientes. Sin embargo se desaconseja el uso de este tipo de conectores en uniones condicionadas por acciones dinámicas, principalmente por la incertidumbre respecto del apriete.
Los conectores dentados se pueden ensamblar como un único conector dentado en ambas caras, o bien como dos conectores dentados únicamente en una cara. También es posible encontrar conectores dentados únicamente en una cara para unir placas metálicas con piezas dee madera; véase una ilustración de las tres variantes en la Figura 1.3.6.3.1.
| figura 1.3.6.3.1 |