Fundamentos del diseño y la construcción con madera. Pablo Guindos
prolongadas (creep), y disminución de tensiones al someterse a deformaciones prolongadas (relajación); ambos aspectos resultan muy importantes para la construcción, y serán detallados en secciones posteriores. Un aspecto muy singular de la madera, es que la deformación incremental3.9 en el tiempo se acentúa notablemente cuando el material se somete a repetidos cambios de humedad. El incremento en el creep debido a los cambios de humedad se denomina creep de mecanosorción3.10. tabla 3.2 Comparación cualitativa de construcciones de acero y hormigón armado respecto de las principales tipologías constructivas con madera.PropiedadAceroHorm. ArmadoMaderaEntr. LigeroEntr. PesadoMadera MasivaRigidez+++++++++++Ductilidad*+++++++++++++++Amortiguamiento+++++++++++++Inflamabilidad--++++Resistencia al Fuego+++++++++++Reología(sin mecanosorción)-++++++++Reología(con mecanosorción)-++++++++++++++Influencia de humedad++++++++++++++Influencia de temperatura++++++++++Influencia del volumen-+++++++++Trabajabilidad+++++++++++++Prefabricación++++++++++++++Huella ecológica++++++++++Aislamiento térmico+++++++++++++++* En hormigón depende enormemente de la armadura, y en la madera de las uniones, ya que ambos materiales son frágiles a corte y tracción. figura 3.2.1 Comparación básica de la curva tensión-deformación en la dirección longitudinal de acero, hormigón y madera.
6 La humedad tiene cierta relevancia en el acero y hormigón armado debido a fenómenos como la corrosión y la estabilidad dimensional(ver 2.9). Sin embargo, la influencia en la madera es mucho mayor. Además de estar relacionada con el ataque de hongos e insectos, fenómenos de mecanosorción y cambios dimensionales significativos, las propiedades mecánicas disminuyen al aumentar el contenido de humedad. Por estos motivos, la humedad es uno de los factores más importantes a considerar en la construcción con madera.
7 En términos muy generales, las temperaturas y resistencias de la madera menguan al 50% en temperaturas cercanas a los 100 °C. No obstante, la madera es un aislante térmico excepcional, y más aún la capa carbonizada que se forma exteriormente en caso de incendio. Por tanto, aunque las propiedades mecánicas se vean afectadas significativamente por la temperatura, ésta tiene una influencia moderada debido a su aislamiento natural. Esto no ocurre con el acero, cuyas propiedades se reducen drásticamente con la temperatura y además, es un excelente conductor térmico. Curiosamente, la capa carbonizada de madera le otorga a esta un grado muy alto de impermeabilización, lo que la hace mucho más duradera forjando así el método Shou Sugi Ban de preservación japonés.
8 El hormigón y la madera, siendo materiales no homogéneos y cuasi-frágiles, son menos resistentes al incrementarse el volumen de material. Sin embargo, las inhomogeneidades (defectos) de la madera tales como nudos son substancialmente mayores que en el hormigón, y por tanto el efecto volumen se torna más importante. La variabilidad material de la madera se aborda empleando procedimientos de caracterización, clasificación y cálculo muy conservativos. No obstante, si los valores mecánicos son medidos en piezas de dimensiones ‘convencionales’, y se pretenden emplear piezas de dimensiones diferentes, se pueden aplicar coeficientes de seguridad adicionales que consideran los posibles incrementos o disminuciones de resistencia. Las minoraciones o mayoraciones del efecto de volumen también dependen de la homogeneidad del material a emplear. Así, por ejemplo, en la madera aserrada, en donde todos los defectos se encuentran ‘enteros’ y con continuidad material, el efecto volumen es mucho más elevado que en productos más homogéneos tales como MLE y LVL.
9 Dado que el material es flexible, ligero, impregnable y fácilmente cortable y perforable, la madera tiene claramente una trabajabilidad y facilidad de prefabricación muy superior al hormigón y al acero. De hecho, una de las particularidades de la madera es la enorme cantidad de tipos de uniones estructurales, libertad de diseño, y constante evolución de sus productos. La trabajabilidad y facilidad en la prefabricación son también una de las claves que explican los tiempos de ejecución records en obras con madera.
10 Finalmente, el precio ecológico o huella ecológica de la madera es netamente inferior a la del acero o el hormigón. Los estudios indican que la madera obtiene índices al menos 2 veces inferiores en uso de energía fósil, uso de recursos, índice GWP3.11, acidificación, eutrofización3.12, destrucción de la capa de ozono y potencial de smog. De hecho, el hormigón, duplica al menos el impacto de la madera en todos estos aspectos, y en el caso de la destrucción de la capa de ozono y la eutrofización el impacto es alrededor de 5 veces mayor. Por otra parte, la baja conductividad térmica de la madera sienta las bases para poder diseñar viviendas mucho más eficientes energéticamente. Estos hechos tienen repercusiones muy notables, especialmente en países importadores de energía y países que sufren problemas de contaminación, como es el caso de muchos países latinoamericanos pues que se estima que el sector de la construcción es responsable del consumo de 30-40% de energía y 25-35% de emisiones de CO2 a nivel global. Cabría preguntarse si el uso de la madera resulta ecológico desde el punto de vista de la deforestación. Sin embargo, se ha demostrado durante décadas, que aquellos países en donde más se ha empleado la madera en la construcción, son precisamente los países que más cuidan sus bosques porque mayor valor ha adquirido este recurso. Por otra parte, en países de carácter forestal como los países latinoamericanos, la capacidad de renovación para la construcción con madera está asegurada si esta va acompañada de una gestión forestal sostenible, la cual debe estar siempre garantizada. Otro concepto erróneo consiste en creer que los bosques atentan con los recursos hídricos. De hecho, pese a que los bosques consumen en promedio 18 veces más agua que un suelo desnudo, los árboles ayudan a regular el ciclo del agua, por lo que en terrenos forestales llueve mucho más que en terrenos desérticos; de hecho, la reforestación, es utilizada tradicionalmente como medida contra la sequía en multitud de países.
3.3 Estructura idealizada y respuesta mecánica instantánea3.13
Vista la estructura anatómica real de la madera, en este punto es importante introducir una versión más conceptual del material, que resultará muy útil para comprender su desempeño en la construcción. La Figura 3.3.1 muestra una idealización conceptual, y muy simplificada de la madera. Tal como se observa en la figura, en su versión más simplificada, el material puede considerarse como un compuesto de tubos, los cuales se corresponden en la realidad con células o fibras. Estos tubos están orientados en 3 direcciones principales o direcciones materiales que resultan ortogonales a 3 planos principales. Nótese que únicamente los ‘tubos’ longitudinales y radiales tienen fundamento físico, pues existen células orientadas de ese modo, no así los tubos tangenciales que se introducen tan sólo a modo conceptual. La respuesta mecánica instantánea a esfuerzos de tracción y compresión en estas direcciones principales se ilustra en la Figura 3.3.2.a. Mientras que la relación constitutiva a esfuerzos cortantes en los planos principales se presenta en la Figura 3.3.2.b. Aunque la respuesta mecánica pueda parecer compleja, resulta lógica al relacionar las Figuras 3.3.1 y 3.3.2. A continuación, se describen las propiedades correspondientes a cada una de las direcciones y planos.
Dirección Longitudinal (L) y plano transversal (RT)
La dirección L (también denominada dirección paralela ||, y en menor medida dirección X, dirección 1 o 11), está compuesta por un mayor número de tubos que se disponen en la longitudinalmente respecto del eje axial del tronco, es decir perpendiculares a la sección transversal del tronco o plano radial RT (también denominado YZ, 23, 5, 55, 4 o 44). En las coníferas, la mayoría de las fibras L son en realidad unas células alargadas denominadas traqueidas.
| (a) Estructura Longitudinal (L) | (b) Estructura Radial (R) |
| (c) Estructura Tangencial (T) | (d) Combinación LRT |
| figura 3.3.1 Idealización conceptual de la madera como material de construcción, incluyendo las estructuras (a) longitudinales, (b) radiales, (c) tangenciales y (d) la combinación de las anteriores. |
| (a) Respuesta a Solicitaciones Axiales |
| (b) |