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
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.
¿Cómo leer este libro?
Para facilitar la comprensión de este libro, el texto debería leerse secuencialmente ya que la mayoría de contenidos requieren la comprensión de temas precedentes. Para lectores familiarizados con la materia, la lectura de capítulos independientes sí es adecuada. Sin duda, todos aquellos lectores interesados en la segunda y tercera parte de la trilogía deberían sentir que los contenidos de este libro han sido afianzados antes de abordar los otros libros, en especial la parte relativa al cálculo y los sistemas constructivos y estructurales lo que comprende desde el Capítulo 6 al Capítulo 11.
Algunas partes de este libro hacen referencia directa a la principal normativa de diseño estructural con madera de Chile, la NCh1198, lo que se destaca con un formato de letra diferente. En concreto las tablas específicas de la normativa NCh1198:2010 se referencian como T seguido por el número de tabla, las páginas como PG seguidas por el número de página, las secciones se referencian directamente con los dígitos de la sección correspondiente como por ejemplo 6.8 y los anexos se referencian como A, seguido por la correspondiente letra del anexo al que se hace referencia.
La estructura global del libro es la siguiente: tras una breve reseña histórica, en los Capítulos 2 a 5 se introducen conceptos básicos de tecnología de la madera; el Capítulo 6 sirve como transición entre tecnología de la madera y cálculo; los Capítulos 7 a 9 introducen las bases del cálculo; los Capítulos 10 a 12 introducen los sistemas estructurales y constructivos, como también la industrialización y prefabricación; los Capítulos 13 y 14 introducen conceptos básicos de protección de la madera frente a incendios y degradación por organismos xilófagos y agentes abióticos. Finalmente, se incluye un anexo de ayudas básicas al predimensionado (ayudas más avanzadas al cálculo se facilitan en el tercer libro), otro anexo de detalles constructivos, y un glosario de términos que puede ser muy necesario, especialmente cuando los capítulos se leen de forma independiente.