Cercha Union Dentada

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Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniera Escuela Ingeniera Civil en Obras Civiles

ENSAYO DE CERCHAS CON UNIN DENTADA Y SU COMPARACIN CON UNIONES CONTRACHAPADAS Y PLACAS DE ACERO

MEMORIA DE TITULO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL EN OBRAS CIVILES PROFESOR GUIA: HERNAN ARNES VALENCIA

ROXANA LORETO ALIQUINTUI NEIRA VALDIVIA, AGOSTO DE 2006

AGRADECIMIENTOS

A Dios, por acompaarme, cuidarme y apoyarme en los momentos ms difciles de mi vida. A mi familia, en especial a mi Mam Gaby Neira, a mi Pap Marcial Aliquintui, quienes han sido un pilar muy importante en mi formacin, ya que con su amor y preocupacin han conseguido que obtenga uno de los logros mas importante de mi vida, y se que con su apoyo seguir dando frutos tanto o mas importante que este. A mis hermanas, Carolina, Nicol, a mi sobrinita Zakin y mi cuado Carlos Torres, por darme fuerzas y animo para ser siempre alguien mejor. A mi pololo Manuel Antonio Oyarzn L., por su apoyo incondicional...Te amo... A mis amigas y amigos, en especial a Soledad Pea, Janette Matus, Rut Salvo, Romina Saldivia, Luis Carcamo, Jos Luis Miranda, por el apoyo y ayuda incondicional en la realizacin de esta memoria...Los quiero mucho... A mi profesor gua, Sr. Hernn Arns V., por su paciencia y disponibilidad para ayudarme siempre para la realizacin de esta memoria.

Roxana

INDICE

PGINA

CAPITULO I. PROPIEDADES FISICAS, MECANICAS Y GEOMETRICAS DE LA MADERA 1.1- Propiedades Fsicas 1.1.1-Estructura de la Madera. 1.1.2- Contenido de Humedad. 1.1.3-Peso Especfico. 1.1.4-Estabilidad Dimensional. 1.1.5- Propiedades Trmicas. 1.1.5.1- Conductividad. 1.1.5.2- Calor Especfico. 1.1.5.3- Dilatacin. 1.1.6- Propiedades Acsticas. 1.2- Propiedades Mecnicas. 1.2.1- Tensiones Mximas. 1.2.2- Tensiones Bsicas. 1.2.3- Tensiones Admisibles. 1.2.3.1- Tensiones Admisibles para Madera Estructural. 1.2.4- Factores de Modificacin y Tensiones de Diseo. 1.2.4.1- Factores de Modificacin de Aplicacin General. 1.2.4.1.1- Factores de Modificacin por Duracin de la Carga. 1.2.4.1.2- Factor de Modificacin por Peligro de Pudricin. 1.2.4.1.3- Factor de Modificacin por Tratamiento de la Madera. 1.2.4.1.4- Factor de Modificacin por Temperatura. 1.2.4.1.5- Factor de Modificacin por Contenido de Humedad. 1.2.4.2- Factores de Modificacin de Aplicacin Particular. 1.3- Propiedades Geomtricas de las Secciones. 1.3.1- Generalidades. 1.3.2- Secciones Rectangulares Aserradas. 1.3.2.1- Dimensiones. 1.3.2.2- Volumen. 1.3.2.3- Propiedades Geomtricas. 1.3.3- Secciones Rectangulares Elaboradas. 1.3.3.1- Dimensiones. 1.3.3.2- Propiedades Geomtricas. CAPITULO II. PROPIEDADES FISICAS, MECANICAS Y GEOMETRICAS DE LOS CONECTORES. 2.1- Conectores de Placa Dentada. 2.1.1- Caractersticas. 21 21 01 01 02 04 05 06 06 07 07 07 08 08 08 09 09 11 12 12 13 14 14 14 14 15 15 15 16 17 17 19 19 19

2.1.2- Capacidades Admisibles. 2.1.3- Propiedades del conector. 2.1.4- Mecanismo de funcionamiento. 2.2- Conector de Placa Metlica de Acero. 2.2.1- Descripcin. 2.2.2- Requisitos Mecnicos. 2.2.3- Protecciones contra la corrosin. 2.3- Conector Tablero Contrachapado De Pino Radiata. 2.3.1- Descripcin. 2.3.2- Formatos de Comercializacin. 2.3.3- Esfuerzos Permitidos. CAPITULO III CARGAS 3.1- Cargas Permanentes y Sobrecarga de Uso. 3.1.1- Cargas Permanentes. 3.1.1.1- Peso de los Elementos Incorporados. 3.1.1.2- Tabiques mviles. 3.1.1.3- Pesos y Empujes de Tierras y Lquidos. 3.1.2- Sobrecargas de Uso. 3.1.2.1- Barandas de Escaleras y Balcones. 3.1.2.2- Sobrecargas de Uso Concentradas ( qK ). 3.1.2.3- Reduccin de Sobrecargas de Uso. 3.1.2.3.1- Reduccin de Sobrecarga de Uso para Techos. 3.1.2.3.2- Reduccin de Sobrecargas de Uso para Pisos. 3.2- Cargas Eventuales. 3.2.1- Cargas Debido a la Accin del Viento. 3.2.1.1- Presin Bsica del Viento. 3.2.1.2- Accin Simultnea del Viento y Otras Cargas. 3.2.1.3- Factor de Forma. 3.2.1.4- Presin del Viento. 3.2.1.5- Comprobaciones. 3.2.2- Cargas a la Accin de la Nieve. 3.2.2.1- Sobrecarga Bsica de Nieve. 3.2.2.2- Sobrecarga de Nieve Uniformemente Repartida. 3.2.2.3- Sobrecarga de Nieve Desuniformemente Repartida. 3.2.2.4- Sobrecarga Bsica de Nieve para Zonas sin Antecedentes. 3.3- Combinacin de Cargas. CAPITULO IV .CERCHAS. 4.1- Clasificacin de las Cerchas. 4.2- Seleccin del Tipo de Cercha. 4.3- Geometra de la Cercha.

22 23 24 25 25 26 26 27 27 30 30

31 31 31 31 32 32 32 33 33 33 34 36 36 37 37 38 38 38 38 39 40 40 41 41

43 44 44

4.4- Reglas Generales para el Diseo de Cerchas. 4.5- Cerchas Estndares. CAPITULO V. DISEO 5.1- Factores de Modificacin. 5.1.1- Factor de Modificacin por Contenido de Humedad ( KH ). 5.1.2- Factor de Modificacin por Duracin de la Carga ( KD ). 5.1.3- Factor de Modificacin por Trabajo Conjunto ( KC ). 5.1.4- Factor de Modificacin por Temperatura (KT). 5.1.5- Factor de Modificacin por Tratamiento Qumico (KQ). 5.1.6- Factor de Modificacin por Esbeltez (K ). 5.1.7- Factor por Concentracin de Tensiones (Kct ). 5.1.8- Factor de Modificacin por Altura (Khf). 5.1.9- Factor de modificacin por Volcamiento (Kv). 5.2- Elementos en Compresin Paralela. 5.2.1- Longitud Efectiva de Pandeo ( lp ). 5.2.2- Restricciones de Esbeltez. 5.2.3- Piezas Simples. 5.2.3.1- Tensin de Trabajo. 5.2.3.2- Tensin de Diseo. 5.3- Elementos en Traccin Paralela. 5.3.1- Tensin de Trabajo. 5.3.2- Tensin de Diseo. CAPITULO VI. METODOLOGIA 6.1- Procedimiento. CAPITULO VII UNIONES EN LA MADERA ESTRUCTURAL 7.1- Elementos Mecnicos de Unin. 7.2- Uniones Clavadas. 7.2.1- Solicitaciones de Extraccin Lateral. 7.2.2- Uniones de Cizalle Simple. 7.2.3- Uniones de Cizalle Mltiple. 7.2.4- Hileras de Clavos en Elementos Traccionados. 7.2.5- Perforaciones Guas. 7.2.6- Espaciamientos. CAPITULO VIII. UNIONES 8.1- Uniones con Pacas Metlicas Dentadas (referencia Nch 1198). 8.1.1- Generalidades. 8.1.2- Capacidad de carga de diseo del endentado de placa. 8.1.3- Verificacin del endentado de placa. 8.1.3.5-Solicitaciones combinadas de traccin y cizalle. 8.1.3.6-Solicitaciones combinadas de compresin y cizalle.

45 46

47 47 48 48 49 49 50 51 51 52 53 53 54 54 54 55 55 55 56

57

60 60 60 62 63 64 64 65

67 67 71 71 73 74

8.1.4- Excentricidad en la unin. 8.1.5- Verificacin de la placa metlica dentada. 8.1.6- Verificacin de solicitaciones de traccin perpendicular a la direccin de la fibra en la madera 8.2- Uniones Clavadas con Planchas de Acero (referencia Nch 1198). 8.2.1- Generalidades. 8.2.2- Factores de modificacin. 8.2.3- Carga de diseo para las placas metlicas ( Qdis ). 8.3- Unin con Conector de Placa Terciado (referencia Nch 1198). 8.3.1- Generalidades. 8.3.2- Capacidad Admisible de Carga. 8.3.3- Uniones de cizalle simple. 8.3.4- Uniones de cizalle mltiple. 8.3.5- Factores de modificacin 8.3.6- Verificacin del contrachapado 8.3.7- Espaciamientos. CAPITULO IX. MEMORIA DE CALCULO 9.1- Generalidades. 9.2- Diseo Cercha triangular tipo Fink. 9.2.1- Caractersticas. 9.2.2- Cargas solicitantes. 9.2.2.1-Sobrecarga de uso. 9.2.2.2-Peso Propio. 9.2.2.3-Cargas eventuales. 9.2.2.3.1- Sobrecarga de Nieve Uniformemente repartida. 9.2.2.3.2-Sobrecarga de Viento. 9.2.3- Combinacin de Cargas. 9.2.4- Solicitacin proveniente de las cargas verticales. 9.2.5- Solicitacin proveniente de las cargas de viento. 9.2.5.1- Presin. 9.2.5.2- Succin. 9.2.6- Calculo de solicitaciones en las barra. 9.2.6.1-Para las cargas verticales. 9.2.6.2-Para las cargas normales a la techumbre (viento). 9.2.7- Resumen de Solicitaciones. 9.2.8- Tensiones de Diseo de la Madera Usada. 9.2.9- Calculo Factores de Modificacin. 9.2.9.1-Calculo factor de modificacin por humedad, KH. 9.2.9.2-Calculo factor de modificacin por duracin de la carga, KD. 9.2.9.3-Calculo factor de modificacin por trabajo conjunto, Kc.

74 75

76 79 79 82 83 83 83 83 84 85 86 87 87

88 88 88 89 89 90 90 90 90 92 92 94 94 95 97 97 99 103 103 104 104 104 104

9.2.9.4-Calculo factor de modificacin por temperatura, KT. 9.2.9.5-Calculo factor de modificacin por tratamiento qumico, KQ. 9.2.9.6-Calculo factor de modificacin por concentracin de tensiones, Kct. 9.2.10- Diseo del cordn superior. 9.2.10.1- Verificando EJE X-X. 9.2.10.2- Verificando EJE Y-Y. 9.2.10.3-Calculo factor de modificacin por esbeltez, K 9.2.10.4-Calculo Factor de modificacin por altura, Khf. 9.2.10.5-Calculo factor de modificacin por Volcamiento, Kv. 9.2.10.6-Tensiones de Diseo. 9.2.10.6.1-Compresin Paralela. 9.2.10.6.2-Flexin. 9.2.10.7-Tensiones de Trabajo. 9.2.10.7.1-Compresin paralela. 9.2.10.7.2-Flexin. 9.2.10.8-Flexin y Compresin Paralela. 9.2.11- Diseo del cordn inferior. 9.2.11.1- Factores de Modificacin. 9.2.11.1.1- Factor de Modificacin por Altura K hf . 9.2.11.1.2- factor de Modificacin por Concentracin de Tensiones K ct . 9.2.11.2- Tensin de Diseo. 9.2.11.2.1-Traccin paralela. 9.2.11.3- Tensin de Trabajo. 9.2.11.4- Verificacin. 9.2.12- Diseo de diagonales (elementos 8, 9, 10 y 11). 9.2.12.1- Factor de modificacin por esbeltez. 9.2.12.2- Tensin de Diseo. 9.2.12.2.1- Compresin Paralela. 9.2.12.3- Tensin de Trabajo. 9.2.12.4- Verificacin. 9.2.13- Resumen. 9.2.14- Descenso Vertical. 9.3- Diseo Uniones con Conector de Placa Dentada. 9.3.1- Caractersticas del conector de placa dentada. 9.3.2- Diseo Unin 01 y 05. 9.3.2.1-Capacidad de carga de diseo del endentado de placa. 9.3.2.2-Excentricidad en la unin. 9.3.2.3-Verificacin del endentado de placa. 9.3.2.4-Solicitaciones combinadas de compresin y cizalle. 9.3.2.5-Verificacin de la placa metlica dentada.

104 104 105 105 106 108 108 108 108 109 109 110 110 110 110 110 111 111 111 111 112 112 112 112 112 113 113 113 113 114 114 114 116 116 117 117 118 118 120 122

9.3.2.6-Verificacin de solicitaciones de traccin perpendicular a la direccin de la fibra en la madera. 9.3.3-Diseo Unin 02 y 04. 9.3.3.1-Capacidad de carga de diseo del endentado de placa. 9.3.3.2-Verificacin del endentado de placa. 9.3.3.3-Solicitaciones combinadas de compresin y cizalle. 9.3.3.4-Verificacin de la placa metlica dentada. 9.3.3.5-Verificacin de solicitaciones de traccin perpendicular a la direccin de la fibra en la madera. 9.3.4- Diseo Unin 03. 9.3.4.1-Capacidad de carga de diseo del endentado de placa. 9.3.4.2-Verificacin del endentado de placa. 9.3.4.2-Verificacin de solicitaciones de traccin perpendicular a la direccin de la fibra en la madera. 9.3.5- Diseo Unin 06 y 07. 9.3.5.1-Capacidad de carga de diseo del endentado de placa. 9.3.5.2-Verificacin del endentado de placa. 9.3.5.3-Verificacin de la placa metlica dentada. 9.3.6- Diseo Unin 08. 9.3.6.1-Capacidad de carga de diseo del endentado de placa. 9.3.6.2-Verificacin del endentado de placa. 9.3.6.3-Solicitaciones combinadas de traccin y cizalle. 9.3.6.4-Verificacin de la placa metlica dentada. 9.4- Diseo Uniones con Conector de Placa Metlica. 9.4.1- Capacidad Admisible de Carga de una Superficie de Cizalle de un Clavo. 9.4.2- Espaciamientos. 9.4.3- Factores de modificacin. 9.4.4- Carga de Diseo del Clavo. 9.4.5- Numero de clavos requeridos para cada unin. 9.4.5.1- Diseo Unin 01 y Unin 05. 9.4.5.1.1- Numero de Clavos Requeridos. 9.4.5.1.2- Calculo de espaciamientos. 9.4.5.1.3- Carga de diseo para las placas metlicas ( Qdis ) 9.4.5.2- Diseo Unin 02 y Unin 04. 9.4.5.2.1- Numero de Clavos Requeridos. 9.4.5.2.2- Calculo de espaciamientos. 9.4.5.2.3- Carga de diseo para las placas metlicas ( Qdis ) 9.4.5.3- Diseo Unin 03. 9.4.5.3.1- Numero de Clavos Requeridos. 145 146 147 148 149 149 149 150 151 151 151 152 153 154 154 134 135 135 136 138 139 139 140 141 143 145 131 132 132 133 124 125 125 126 128 129

9.4.5.3.2- Calculo de espaciamientos. 9.4.5.3.3- Carga de diseo para las placas metlicas ( Qdis ) 9.4.5.4- Unin 06 y Unin 07. 9.4.5.4.1- Numero de Clavos Requeridos. 9.4.5.4.2- Calculo de espaciamientos. 9.4.5.4.3- Carga de diseo para las placas metlicas ( Qdis ) 9.4.5.5- Diseo Unin 08. 9.4.5.5.1- Numero de Clavos Requeridos. 9.4.5.5.2- Calculo de espaciamientos. 9.4.5.5.3- Carga de diseo para las placas metlicas ( Qdis ) 9.5- Conector de Placa Contrachapado. 9.5.1- Capacidad Admisible de Carga de una Superficie de Cizalle de un Clavo. 9.5.2- Factores de modificacin. 9.5.3- Carga de Diseo del Clavo. 9.5.4- Numero de clavos requeridos para cada unin. 9.5.4.1- Diseo Unin 01 y Unin 05. 9.5.4.1.1- Numero de Clavos Requeridos. 9.5.4.1.2- Verificacin del contrachapado. 9.5.4.1.3- Calculo de los espaciamientos. 9.5.4.2- Diseo Unin 02 y Unin 04. 9.5.4.2.1- Numero de Clavos Requeridos. 9.5.4.2.2- Verificacin del contrachapado. 9.5.4.2.3- Calculo de los espaciamientos. 9.5.4.3- Diseo Unin 03. 9.5.4.3.1- Numero de Clavos Requeridos. 9.5.4.3.2- Verificacin del contrachapado. 9.5.4.3.3- Calculo de los espaciamientos. 9.5.4.4- Diseo Unin 06 y Unin 07. 9.5.4.4.1- Numero de Clavos Requeridos. 9.5.4.4.2- Verificacin del contrachapado. 9.5.4.4.3- Calculo de los espaciamientos. 9.5.4.5- Diseo Unin 08. 9.5.4.5.1- Numero de Clavos Requeridos. 9.5.4.5.2- Verificacin del contrachapado. 9.5.4.5.3- Calculo de los espaciamientos. CAPITULO X. ENSAYOS 10.1- Objetivos. 10.2- Hiptesis.

154 155 156 156 156 158 158 158 159 160 160

160 162 164 164 165 165 165 166 167 167 168 169 170 170 170 171 172 172 173 174 175 175 175 176

178 178

10.3- Equipo y Descripcin del Ensayo. 10.4- Ensayo de Cercha con Conectores de Placa Dentada. 10.4.1- Procedimiento. 10.4.2- Conclusin. 10.5- Ensayo de Cercha con Conectores de Placa Metlica. 10.5.1- Procedimiento. 10.5.2- Conclusin. 10.6- Ensayo de Cercha con Conectores de Placa Contrachapado. 10.6.1- Procedimiento. 10.6.2- Conclusin. CONCLUSIONES ANEXOS Y APNDICES Anexo A. Resultados Obtenidos por el Modelo Computacional AVWIN 98. A.1- Anexo I. A.2- Anexo II. A.3- Anexo III. Anexo B. Norma Alemana para el clculo y ejecucin de estructuras de madera Calculo de Placas Dentadas. B.1 Verificacin del Endentado de Placa. B.2- Verificacin de la Placa Metlica dentada. B.3- Figura de referencia para las Tablas de los Anexos B1 y B2. Anexo C. Certificacin de Placa Dentada. C1. Certificacin Placa Metlica Dentada Tecsol S.A. Anexo D. D.1- Configuracin con Conectores de Placa Dentada. D.2- Configuracin con Conectores de Placa Metlica. D.3- Configuracin con conectores de Placa Contrachapado. D.4- Dimensiones de los Conectores de Placa Dentada. D.5- Dimensiones Cercha. Anexo E. Uniones de las tres cerchas con sus respectivos conectores. E.1- Uniones de Conectores de Placa Dentada. E.2- Uniones de Conectores de Placa Metlica de Acero. E.3- Uniones de Conectores de Placa Contrachapado. BIBLIOGRAFA.

178 183 183 187 189 189 193 195 195 199 201

204 204 207 210

213 213 214 215 216 216 217 217 218 219 220 221 222 222 223 224 225

RESUMEN

La presente investigacin implico el ensayo de tres cerchas de similares caractersticas, pero cada una con tipo de conector distinto, utilizados en la fabricacin de cerchas de madera cepillada de Pino Insigne. Los conectores utilizados para la comparacin fueron Placa Dentada, Placa Metlica de Acero y Placa de Contrachapado. Los ensayos efectuados permitieron observar las caractersticas y comportamiento de estos elementos estructurales.

En el diseo se utilizo una cercha triangular tipo FINK, en madera cepillada. Las dimensiones de la madera se obtuvieron utilizando el mximo esfuerzo en compresin paralela, y para el diseo de las uniones se utilizo la mayor carga que llego a la unin.

Los ensayos se ejecutaron en el Laboratorio de Ensaye de Materiales de Construccin (LEMCO), utilizndose el Marco de Prueba o Prensa. El mtodo utilizado para ensayar las uniones fue de carga puntual en la uniones, de esta forma, se pudo obtener esfuerzos, deformaciones y se observo el comportamiento de cada una de las cerchas y sus uniones, frente a la solicitacin de carga.

SUMMARY

The present investigation implied the test of three Cerchas of similar characteristic, but each one with a type of different connector used in the production of celebrated Pine brushed wood. The connectors used for the comparison were tooted plate connector, Metallic Steel plate connector and Plywood plate connector. The test allowed observing the characteristic and behaviour of these structural elements.

In the design we used a FINK brushed wood triangular Cercha. The wood dimensions were obtained using maximum parallel compression effort and for the design of the junction we used the mayor load at the junction.

The tests were realized at construction materials assay laboratory (LEMCO), being used a Press for them. The used method to try the junctions was Point load at junctions, of this way, we could obtain effort, strains and we could look cerchas and junctions behaviour due to the load applicant.

We evaluated cerchas test data for each connector.

INTRODUCCION

En general, las estructuras de madera estn formadas por piezas unidas entre s. Las uniones constituyen posibles puntos dbiles que es necesario estudiar con todo detalle, ya que el agotamiento de una estructura se puede presentar

simplemente por la falta de resistencia de una de ellas.

Uno de los elementos ms importantes en las construcciones de madera es el conector. De hecho, esta establecido que la respuesta global de una estructura de madera es funcin del comportamiento de sus conectores. Dado que la madera bajo tensin puede presentar una falla frgil, los edificios se debieran disear de manera que las deformaciones no lineales se produzcan en los conectores antes que en los elementos de madera.

El sistema de cerchas prefabricadas de madera, consiste en que las uniones de piezas componentes de una estructura son realizadas mediante conectores, ya sea placas dentadas, placa de acero y tambin en placa contrachapada. Estos son ubicados en ambas caras de la unin.

La aplicacin de estos mtodos de fabricacin de las estructuras, se traduce en que estas pueden tener escuadrias menores que las tradicionales, que sin embargo, garantizan un comportamiento ptimo.

Las cerchas son fabricadas en pino insigne estructural, calibrado, cepillado y seco. Se utilizan piezas impregnadas de acuerdo a su ubicacin.

La cercha es una de las estructuras ms importantes y menos estudiada en nuestro pas. Por esto, surgieron una serie de preguntas, como Cul es el comportamiento de la cercha frente a solicitaciones de carga?, Cul es el comportamiento de las uniones en la cercha?, Qu comportamiento tienen los distintos tipos de uniones?, El modelo matemtico expuesto en la Norma Chilena NCh 1198 Of 91- Madera Construcciones en Madera Calculo, se acerca a la realidad?

Por esto se disearan tres cerchas de un mismo estilo, pero cada una conformada por un tipo diferente de conector, para este caso los conectores utilizados sern:

Conectores de placa dentada. Conectores de placa contrachapada. Conectores de placa de acero.

Posteriormente, se ensaya cada una de las cerchas, obtenindose una serie de datos los cuales fueron analizados, para luego obtener respuestas a las incgnitas planteadas, donde se realizara una evaluacin de cada tipo de unin, siendo factores preponderantes en esta evaluacin la resistencia de carga y su comportamiento.

OBJETIVOS Determinar las principales vulnerabilidades de las cerchas, para poder estimar la magnitud de cargas que pueden resistir determinadas configuraciones de estas, de manera que no produzcan corrimientos relativos en las uniones, deflexiones o giros excesivos en las piezas de madera.

Estudiar una cercha de madera, tanto de sus elementos componentes como de sus uniones, ya que justamente de ellas depende el comportamiento de la estructura.

Determinar cmo trabajan distintos sistemas de conectores al aplicar el ensayo de carga puntual en los nudos, para despus realizar la comparacin de datos obtenidos.

Prever el detalle de la conexin ms efectivo para lograr una conexin ideal.

Se desea realizar un diseo analtico, para lo cual es necesario calcular reacciones y momentos, con las respectivas caractersticas de los materiales y posteriormente ser llevado al laboratorio para poder optimizar el diseo de los elementos y zonas de unin.

Analizar el modo de falla de cada tipo de conector.

Conociendo el comportamiento de las uniones ser posible en un futuro poder estimar el comportamiento carga vs. deformacin de estructuras de madera, de manera de avanzar en el desarrollo de una metodologa de diseo efectivo, econmico y por sobre todo confiable y segura.

Determinar si la especie pino insigne (pino radiata) es adecuada desde el punto de vista de tensiones y deformaciones admisibles, en relacin a los esfuerzos en los elementos y en las uniones de acuerdo a las dimensiones de los elementos.

Tambin se desea hacer el anlisis tcnico y econmico del sistema de cerchas con conectores de placa dentada, placa de acero y placa contrachapada, con el fin de entregar una real alternativa al sistema tradicional de estructuras de techumbre, esto debido a la gran demanda de viviendas que existe en el pas.

Obtener

un

archivo

fotogrfico,

donde

se

muestre

los

distintos

comportamientos de las uniones y la cercha.

CAPITULO I

PROPIEDADES FISICAS, MECANICAS Y GEOMETRICAS DE LA MADERA

1.1- Propiedades Fsicas.

1.1.1- Estructura de la Madera.

En si, la madera es un material orgnico, no homogneo, compuesto por celulosa, que constituye la estructura de las paredes celulares y lignina, que es el material ligante de las clulas entre si. Es esta la que afecta mas a la apariencia y las propiedades de las diferentes especies. Las clulas de la madera, llamadas tambin fibra o grano, son huecas, de longitud variable desde 1mm a 8mm aproximadamente y se encuentra distribuidas tanto vertical como horizontalmente. Esta estructura celular es, en gran medida, la responsable de las diferentes respuestas estructurales de la madera segn sea las caractersticas y el sentido de la solicitacin. Si se analiza la seccin transversal de un rbol, se obtendrn las siguientes zonas:

a) Corteza exterior, que cumple una funcin de proteccin. b) Corteza interior, cuya labor fundamental es el transporte de savia elaborada desde el follaje a las races. c) Cambium, que es la zona en la cual se efecta el crecimiento del rbol, aqu se generan nuevas clulas. d) Albura, zona de tejido vivo cuya funcin principal es el transportar savia hacia las hojas y el almacenamiento de substancias y sales minerales. e) Duramen, tejido inactivo, de pigmentacin mas oscura que la albura, esta proporciona la resistencia al rbol. f) Medula, tejido inactivo en el rbol adulto.

Las propiedades mecnicas de la albura y el duramen son aproximadamente similares, sin embargo, el duramen tiene mayor resistencia a los hongos.

1

Las especies forestales se clasifican de la siguiente forma:

a) Latifoliadas b) Conferas.

Las diferencias de ambos grupos son de origen botnico, pero se cree errneamente que estas clasificaciones se pueden llevar al campo de las propiedades fsicas y mecnicas. Este error deriva, de la denominacin inglesa de ambos grupos: HARDWOOD (maderas duras) para latifoliadas y SOFTWOOD (maderas blandas) para las confieras. Este concepto no es aplicable en chile, ya que existen confieras con mejores propiedades mecnicas y fsicas que muchas latifoliadas y viceversa.

Figura N 1. Seccin Transversal de un rbol

1.1.2- Contenido de Humedad.

Se entiende por contenido de humedad la masa de agua contenida en una pieza de madera, expresada como porcentaje de la masa de la pieza anhidra. La madera es un material que absorbe agua segn sean las condiciones de temperatura y humedad relativa del ambiente que la rodea. Al comienzo la madera se encuentra con sus cavidades y paredes celulares llenas de agua (savia).2

Al iniciarse un proceso de perdida de humedad, la madera entrega al ambiente el agua libre contenidas en sus cavidades, hasta alcanzar un punto conocido como punto de saturacin de la fibra, que corresponde a un estado en el cual se ha eliminado toda el agua libre y las paredes permanecen saturadas. El contenido de humedad en el punto de saturacin de la fibra, depende de diversos factores y vara entre las diversas especies; sin embargo, se acepta un 28% como promedio para la madera en general. Por debajo del punto de saturacin de la fibra y al continuar el proceso de evaporacin, la madera cede el agua contenida en sus paredes celulares hasta alcanzar un punto en el cual el proceso se detiene. Este punto se llama humedad de equilibrio de la madera y depende, fundamentalmente, de la especie, la temperatura y la humedad relativa del ambiente. La perdida de humedad por debajo de este estado de equilibrio solo podr conseguir por medio de tratamientos especiales de secado en hornos o estufas. De esta manera es posible obtener la sequedad completa o madera anhidra. La norma chilena de clculo de construcciones de madera (Nch 1198) define como madera en estado verde a aquella cuyo contenido de humedad es superior al 30% y como madera seca aquella cuyo contenido de humedad es menor a 20%. En general, no se recomienda el uso con fines estructurales de maderas cuyo contenido de humedad este comprendida entre 20 y 30 %. Es deseable que las piezas estructurales sean de madera cuyo contenido de humedad esa similar a la humedad de equilibrio del lugar en que ellas presten servicios. El valor que se da usualmente como humedad de equilibrio de un lugar se puede determinar con las medias anuales de la temperatura y de la humedad relativa ambiental. Dado que las condiciones atmosfricas varan continuamente, la aplicacin de los valores tericos conduce a notables diferencias con los valores encontrados en la prctica. Adems, la humedad de equilibrio en la madera depende, en gran parte, de las caractersticas propias de cada especie y de la escudara de la madera en cuestin. Por estas razones, es ms interesante la determinacin emprica de su valor, lo cual se consigue solamente a travs de ensayos.

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Tabla N 1 Humedad de Equilibrio de las Zonas Climticas definidas en NCh 1079 Zona climtica - habitacional Note litoral Norte desrtica Norte valle transversal Centro litoral Centro valle longitudinal Sur litoral Sur valle longitudinal Sur extremo Humedad de equilibrio promedio anual 14% 7% 15% 15% 13% 18% 18% 18%

1.1.3-Peso Especfico.

El peso especfico de la madera es directamente proporcional al contenido de la humedad de ella. Sin embargo, para los propsitos de un diseo estructural se considera satisfactorio asignar a las distintas especies madereras los valores indicados en la Tabla N 2.Tabla N 2 Peso Especfico de Maderas Chilenas. Especies lamo Alerce Avellano Canelo Ciprs Coihue Eucalipto Laurel Lenga Lingue Olivillo Pino Araucaria Pino Insigne Raul Roble Tepa Tineo Ulmo Peso Especifico (kg/m) Estado Verde Estado Seco 750 530 920 600 900 580 870 560 750 530 930 640 1150 800 930 610 780 600 900 640 930 640 1100 830 750 530 910 620 1060 870 910 600 1080 870 1040 800

* Determinacin en base al peso y volumen al estado que se indica (peso especfico aparente) *

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1.1.4- Estabilidad Dimensional.

La madera, al igual que otros materiales de construccin, se dilata o contrae al aumentar o disminuir la temperatura; sin embargo, en la mayora de los elementos estructurales este efecto es de muy pequea magnitud y las tensiones secundarias generadas por dilatacin o contraccin resultan despreciables. El efecto de dilatacin o contraccin debe ser debidamente analizado en aquellos elementos de gran longitud o que se encuentra sometido a grandes cambios de temperatura. La madera es un material que absorbe o entrega agua, segn sean las condiciones de humedad relativa y temperatura del ambiente que la rodea. Mientras el aumento o disminucin del contenido de humedad se realiza dentro de los rangos correspondientes al estado verde, la madera es dimensionalmente estable. Pero en algunas especies se observa una reduccin dimensional antes de alcanzar el punto de saturacin de la fibra. Este fenmeno se conoce como colapso y se debe al aplastamiento de las paredes celulares. Cuando la variacin del contenido de humedad se produce bajo el punto de saturacin de la fibra (28%), el fenmeno origina un aumento disminucin de las dimensiones iniciales de la madera. Se define la contraccin como la reduccin de dimensiones de una pieza de madera, causada por la disminucin del contenido de humedad, a partir del punto de saturacin de las fibras. Esta contraccin se debe a la disminucin de tamao experimentada por las paredes celulares y se conoce como contraccin normal. Cuando la contraccin se determina para una direccin particular, se denomina contraccin lineal y cuando se determina la reduccin de un volumen dado, se denomina contraccin volumtrica. El problema de la determinacin de la contraccin normal con fines estructurales se resuelve con suficiente aproximacin suponiendo que la contraccin normal es directamente proporcional a la variacin del contenido de humedad. La contraccin longitudinal provocada por una variacin en el contenido de humedad de la madera alcanza valores muy reducidos y es perfectamente despreciable en trminos prcticos. Con respecto al fenmeno de dilatacin (Hinchamiento), es decir, el incremento dimensional producido en una madera seca al aumentar su contenido de humedad, se puede suponer, sin gran margen de error, que su comportamiento es

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regulado por las mismas relaciones que rigen la contraccin, por consiguiente se puede aplicar los valores dados en la Tabla N 3.

Tabla N 3 Contraccin Normal Mxima de Especies Chilenas y Exticas Aclimatadas Cuando la humedad vara desde verde a anhidra. Contraccin Normal Mxima Especies lamo Alerce Araucaria Avellano Ciprs Coihue Eucalipto Laurel Lenga Lingue Luma Maio Macho Olivillo Pino Insigne Pino Oregn Raul Roble Tepa Tineo Ulmo Porcentaje de la Dimensin Verde (18%) Tangencial 8,00 6,30 8,30 8,60 6,40 9,30 11,70 8,00 7,20 9,00 9,00 6,80 8,20 7,00 9,20 7,80 8,30 8,30 11,40 11,20 Radial 3,40 3,80 4,60 3,60 3,80 4,80 6,50 3,80 3,30 4,50 5,50 3,50 4,30 4,20 5,70 4,30 4,60 3,70 4,40 6,40 Volumtrica 11,40 10,10 12,90 12,20 10,20 14,10 18,20 11,80 10,50 13,50 15,50 10,30 12,50 11,20 14,90 12,10 12,90 12,00 15,80 17,60

1.1.5- Propiedades Trmicas.

1.1.5.1- Conductividad.

Es la transmisin del calor y est dada por el coeficiente de conductividad interna, el cual se define como aquella cantidad de calor que atraviesa por hora, en estado de equilibrio, un cubo de 1 metro de arista, desde una de sus caras a la opuesta, cuando entre estas existe una diferencia de temperatura de 1C. En la prctica, la madera, contiene en sus clulas agua fija y/o libre, que contribuye notablemente a la transmisin del calor. Por consiguiente, la

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conductividad calrica del agua ejerce su influencia correspondiente, complicando este fenmeno, dado que eso hay que aadir la anisotropa de la madera. En general, debido a la constitucin de la madera por clulas y lignina, as como a su estructura porosa, la madera es considerada como un material de baja conductividad trmica.

1.1.5.2- Calor Especfico.

Es la cantidad de calor necesario para aumentar en 1C la temperatura de 1 Kilogramo de madera. La madera tiene un calor especfico muy elevado, es decir, requiere que se le suministre una mayor cantidad de calor que a otros cuerpos para alcanzar una temperatura determinada. El calor especfico es, en parte, funcin de la humedad y en la madera vara entre 0,4 y 0,7 Kcal/KgC.

1.1.5.3- Dilatacin.

Es el incremento de volumen de la madera por cada grado que se eleve la temperatura. La dilatacin de la madera es nfima en comparacin a los trastornos que provoca la humedad, motivo por el cual ella es despreciada en la madera.

1.1.6- Propiedades Acsticas.

La propagacin del sonido a travs de la madera es un fenmeno muy complejo, difcil de determinar. Por su constitucin y caractersticas anisotrpicas la madera es un buen conductor del sonido, a pesar de su porosidad. La velocidad de propagacin a lo largo de la fibra es casi igual a la de los metales. La absorcin del sonido, es decir, la relacin entre la energa sonora absorbida y la incidente es pequea, a pesar de ser un material poroso. Los diferentes valores de velocidad de propagacin del sonido para los materiales que a continuacin se sealan son:

Aire (t = 20 C) 343 Agua .. 1450 Madera 4180 Acero .. 5050

m/seg m/seg m/seg m/seg

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1.2- Propiedades Mecnicas.

1.2.1- Tensiones Mximas.

Las tensiones mximas se determinan a travs del ensayo de probetas libres de defectos. Estos ensayos se realizan en estado verde y seco (H = 12%) de acuerdo a las prescripciones de las Normas Chilenas correspondientes.

1.2.2- Tensiones Bsicas.

Las tensiones bsicas, ya sea en estado verde como en estado seco (H = 12%), se establecen tomando como base la tensin de rotura mnima probable, modificada por un coeficiente o factor de seguridad que simultneamente con llevar dicho valor a la zona elstica del material considera, entre otras, reducciones por accin prolongada de la carga. Para el caso de las tensiones bsicas correspondientes a la flexin, cizalle y compresin paralela, la tensin de rotura mnima probable se determina con un intervalo de confianza de un 99 %, es decir, se acepta como probabilidad razonable la de obtener 1 vez en 100 una resistencia menor que la resistencia mnima probable. Para el caso de compresin normal a la fibra, se acepta una confiabilidad de un 60 %. Con respecto al factor de seguridad, ste es variable de acuerdo con la solicitacin en estudio, adoptndose los siguientes valores:

Flexin, Cizalle y Compresin normaln = 2,25 Compresin Axial. n = 1,40

El Mdulo de elasticidad bsico a la flexin es igual al promedio de los valores resultantes de los ensayos de probetas libres de defectos, en el estado respectivo. Sin embargo para el diseo de los elementos en los cuales sea esencial limitar su deformacin, se recomienda el uso del Mdulo de elasticidad a la flexin mnimo probable.

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1.2.3- Tensiones Admisibles.

La madera tiene una serie de defectos (nudos, grietas, etc.) que reducen su capacidad resistente y por lo tanto es necesario modificar el valor de la tensin bsica a travs de un coeficiente que de alguna manera tome en consideracin este hecho. Dicho coeficiente recibe el nombre de razn de resistencia y es igual al cuociente entre la resistencia de la madera con defectos y la tensin bsica (madera libre de defectos). As, por ejemplo, una razn de resistencia de 40 % significa madera con defectos tales que disminuyen su resistencia bsica en 60 %, permaneciendo disponible, en consecuencia, el 40 % de la misma. La clasificacin por resistencia establece distintos grados o niveles de resistencia y especifica las dimensiones mximas admisibles de los defectos correspondientes a cada grado. El desarrollo de un sistema de clasificacin por resistencia, para uso general, se basa en la hiptesis: caractersticas reductoras de resistencia similares producen el mismo efecto en las diferentes especies madereras. La norma chilena NCh 993 establece especificaciones para diferentes razones de resistencia, de las cuales la norma de clculo NCh 1198 recomienda las razones: 75%, 65% y 55%. Para el pino Insigne se ha establecido una clase o grado nico, con razn de resistencia 50% (NCh 1207 c.76).

1.2.3.1- Tensiones Admisibles para Madera Estructural.

Se establece doce clases estructurales para la madera, cada una de las cuales contiene valores para tensiones admisibles de flexin, compresin paralela, traccin paralela, cizalle y para el mdulo de elasticidad en flexin. Cada clase estructural puede ser asignada a piezas pertenecientes a una determinada especie maderera, clasificadas visual o mecnicamente de acuerdo a su resistencia. Estas tensiones admisibles solo pueden ser aplicadas a maderas destinadas a uso estructural. Las tensiones admisibles anteriormente nombradas se incluyen en la Tabla N 3.1 para las doce clases estructurales. La tensin Admisible para compresin normal de una determinada madera depende del grupo al cual ella pertenece, establecido segn norma NCh 1989, y su valor se incluye en Tabla N 3.2.

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Tabla N 3.1 Tensiones Admisibles y Mdulo de Elasticidad a la Flexin para Madera Estructural Tensiones Admisibles (Kg/cm) Flexin 345 275 220 170 140 110 86 69 55 43 34 28 Compresin Paralela 260 205 165 130 105 83 66 52 41 33 26 21 Traccin Paralela 207 165 132 102 84 66 52 41 33 26 20 17 Cizalle 24,5 20,5 17 14,5 12,5 10,5 8,6 7,2 6,2 5,2 4,3 3,6 Modulo de Elasticidad (kg/cm) 181500 150000 126000 106000 91000 79000 69000 61000 55000 50000 46000 43500

Clase Estructural F 34 F 27 F 22 F 17 F 14 F 11 F8 F7 F5 F4 F3 F2

La Asignacin de las tensiones admisibles se separa en madera en estado verde y madera en estado seca.Tabla N 3.2. Tensiones Admisibles para Compresin Normal a las Fibras. Agrupacin para madera en estado Verde Seco ES 1 ES 2 ES 3 ES 4 ES 5 ES 6 ES 7 Tensin Admisible para Compresin Normal (kg/cm) 104 90 78 66 52 41 33 26 21 17

E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7

La asignacin de las tensiones admisibles a madera en estado verde se realiza mediante la relacin entre: el agrupamiento de las especies madereras, la clase estructural con sus correspondientes tensiones admisibles y el grado estructural proveniente de la clasificacin visual. Esta relacin se incluye en la Tabla N 3.3.

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Tabla N 3.3. Relacin entre el Agrupamiento de Especies, la Clase Estructural y La Clasificacin Visual de Madera en Estado Verde. Clasificacin Visual Identificacin del Grado Grado Estructural N 1 Grado Estructural N 2 Grado Estructural N 3 Grado Estructural N 4 Razn de Resistencia 0,75 0,60 0,48 0,38 E1 F 27 F 22 F 17 F 14 E2 F 22 F 17 F 14 F 11 Agrupamiento de Especies E3 E4 E5 Clase Estructural F 17 F 14 F 11 F8 F 14 F 11 F8 F7 F 11 F8 F7 F5 E6 F8 F7 F5 F4 E7 F7 F5 F4 F3

La asignacin de las tensiones admisibles a madera en estado seco (H = 12%) se realiza mediante la relacin entre: el agrupamiento de las especies madereras, la clase estructural con sus correspondientes tensiones admisibles y el grado estructural proveniente de la clasificacin visual. Esta relacin se incluye en la Tabla N 3.4.Tabla N 3.4. Relacin entre el Agrupamiento de Especies, la Clase Estructural y La Clasificacin Visual de Madera en Estado Seco (H = 12%). Clasificacin Visual Identificacin del Razn de Grado Resistencia Grado Estructural N 1 0,75 Grado Estructural N 2 0,60 Grado Estructural N 3 0,48 Grado Estructural N 4 0,38 Agrupamiento de Especies ES 3 ES 4 ES 5 Clase Estructural F 27 F 22 F 17 F 22 F 17 F 14 F 17 F 14 F 11 F 14 F 11 F8

ES 1

ES 2 F 34 F 27 F 22 F 17

ES 6 F 14 F 11 F8 F7

ES 7 F 11 F8 F7 F5

F 34 F 27 F 22

1.2.4- Factores de Modificacin y Tensiones de Diseo.

En el proceso de obtencin de las tensiones admisibles a partir de la tensin de rotura, se han hecho suposiciones de carcter muy general con respecto a las condiciones de carga y servicio a que se ver sometido el elemento, lo que se traduce en valores de la tensin admisible que a menudo resultan muy conservadores y que dan origen a disear un elemento determinado conoce de antemano las condiciones en que se desempeara dicho elemento y por consiguiente es posible modificar el valor de la tensin admisible para conseguir una mejor aproximacin a la realidad, impuesta por condiciones de carga y servicio bien11

determinadas y especificas. El factor o factores que expresan esta modificacin se conocen con el nombre de Factores de Modificacin y el valor as modificado de la tensin recibe el nombre de Tensin de Diseo. Se distinguen dos clases de factores de modificacin: Factores de modificacin de aplicacin General y Factores de modificacin de aplicacin particular.

1.2.4.1- Factores de Modificacin de Aplicacin General.

Son aquellos que afectan por igual a todas las tensiones admisibles, cualquiera que sea el tipo de solicitacin.

1.2.4.1.1- Factores de Modificacin por Duracin de la Carga.

La resistencia de la madera vara en forma inversamente proporcional a la duracin de la carga. Las tensiones admisibles han sido establecidas considerando cargas cuya duracin es del orden de 10 a 15 aos. Al disear elementos que soportan cargas de duracin distinta a la indicada, tendr que adoptarse una tensin de diseo igual al producto de la tensin admisible por el factor de modificacin correspondiente a la duracin real. En aquellos casos en que se apliquen simultneamente cargas de duracin distinta, en general ser suficiente disear con el total de las cargas y utilizar el factor de modificacin correspondiente a la carga de menor duracin. Sin embargo, al utilizar este procedimiento es posible que el elemento resulte mal diseado al ser sometido a la accin de las cargas de mayor duracin. Para prevenir la situacin anterior se recomienda proceder de la siguiente manera:

a) Computar la magnitud de todas las combinaciones posibles de cargas. b) Dividir el total de cada combinacin por el factor de modificacin correspondiente a la carga de menor duracin en dicha combinacin. c) El mayor cuociente as obtenido indica cul es la combinacin critica. d) Disear el elemento para resistir el total de las cargas de la combinacin critica, utilizando el factor de modificacin correspondiente a la carga de menor duracin de ella.

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Tabla N 4 Factores de Modificacin por Duracin de la Carga. Duracin de la Carga 1 segundo 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1 minuto 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 F.M 2,05 2,02 1,99 1,97 1,94 1,90 1,88 1,86 1,83 1,81 1,78 1,76 1,73 1,71 1,69 1,67 1,65 1,62 1,60 1,58 1,56 1,54 1,52 1,50 Duracin de la Carga 1 hora 5 10 15 20 1 dia 5 10 15 20 25 1 mes 3 6 9 1 ao 5 10 20 30 40 50 F.M 1,47 1,44 1,40 1,37 1,34 1,31 1,28 1,26 1,24 1,21 1,19 1,17 1,14 1,12 1,09 1,07 1,04 1,00 0,98 0,97 0,96 0,94

1.2.4.1.2- Factor de Modificacin por Peligro de Pudricin.

Cuando se usa madera sin impregnar las condiciones son favorables a la putrefaccin y el elemento puede perder parte de su resistencia antes que el defecto sea detectado. En este caso, conviene reducir las tensiones admisibles con el nico fin de proveer a la pieza de una proteccin temporal hasta que el defecto sea ubicado y proceder a tomar las providencias del caso. Es necesario insistir en que no existe una tensin admisible que de resistencia a una madera podrida. Se recomiendan los siguientes valores para este factor de modificacin: a) Si existe peligro de pudricin moderada, por ejemplo, madera que ocasionalmente se humedece y seca, el Factor de Modificacin es 0,85. b) Si el peligro es de una putrefaccin severa, como es el caso de madera que permanecer siempre hmeda, el Factor de Modificacin es 0,70.

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1.2.4.1.3- Factor de Modificacin por Tratamiento de la Madera.

Aun cuando se ha demostrado que la Impregnacin bien realizada no afecta la resistencia de la madera, es conveniente adoptar un factor de modificacin a fin de prevenir reducciones de la resistencia debido a las elevadas presiones y temperaturas de un proceso de impregnacin. Por lo anterior es recomienda que cuando se use madera Impregnada mediante un proceso que involucre altas temperaturas y/o presiones se tome un factor de modificacin igual a 0,75.

1.2.4.1.4- Factor de Modificacin por Temperatura.

Las tensiones admisibles son aplicables a maderas que van a utilizarse a temperaturas ordinarias. La resistencia de la madera no sufre variaciones cuando se la expone temporalmente a temperaturas ligeramente superiores a 65 C. Cuando el periodo de exposicin es prolongado y, especialmente, cuando las temperaturas son mayores a la indicada, debern hacerse reducciones especiales. Los valores a adoptar debern ser elegidos por el calculista.

1.2.4.1.5- Factor de Modificacin por Contenido de Humedad.

Las tensiones bsicas en estado seco corresponden a un contenido de humedad de 12 %. Si la humedad de equilibrio del lugar donde se usar la estructura es menor que 20 %, pero distinto a 12 %, se debern corregir las tensiones bsicas por humedad de acuerdo a los valores indicados en la Tabla N 5.

1.2.4.2- Factores de Modificacin de Aplicacin Particular.

Depende del tipo de solicitacin y afectan solamente a la tensin admisible correspondiente. Existen factores de modificacin aplicables a la flexin, a la compresin, etc. Estos factores sern vistos puntualmente cuando se realice el diseo de la estructura a analizar, que este caso es la cercha y las uniones.

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Tabla N 5 Porcentaje de Variacin de las Distintas Tensiones Bsicas por cada 1 % de Variacin de Contenido de Humedad Tensin Bsica Afectadas Flexin Esttica Tension Bsica Modulo de Elasticidad Compresin Paralela Tension Bsica Compresin Normal Tension Bsica Cizalle Tension Bsica 5,5 3,0 5,0 5,0 2,0 Porcentaje de Variacin

1.3- Propiedades Geomtricas de las Secciones.

1.3.1- Generalidades.

Las escuadras y dimensiones de madera aserrada y elaborada sern, preferentemente, las establecidas en la norma oficial de la Repblica de Chile NCh 174, la cual establece:

a) Las dimensiones de una pieza de madera aserrada se representarn en el siguiente orden: Espesor, Ancho y Longitud. b) Toda pieza de madera deber designarse por las siguientes caractersticas: Especie, Clase, Dimensiones, Estado de preparacin, Grado de secamiento en % de humedad e Impregnacin, que se divide en retencin y penetracin.

1.3.2- Secciones Rectangulares Aserradas.

La norma NCh 174 establece para las piezas de madera aserrada de seccin rectangular las siguientes especificaciones:

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1.3.2.1- Dimensiones.

Las dimensiones de la escuadra de una pieza de madera aserrada se representarn en pulgadas. Las escuadras sern las indicadas en la Tabla N 6.Tabla N 6 Escuadras de Piezas de Madera Aserrada. Especies Aromo, Coihue, Eucalipto, Laurel, Lingue, Maio, Olivillo, Raul, Tepa y otras. Roble, Tineo y Ulmo lamo, Ciprs y Pino Insigne Alerce y Araucaria X X X X X Espesor (pulg.) 1 1 2 3 4 6 4 5 Ancho (pulg.) 6 7 8 10 12

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X X X

X X X

X X X

X

X X

X X X

X X X X

X X X

X X X X

X

X

La Longitud de una pieza de madera aserrada se presentar en pies. Adems, las maderas aserradas con un 30 % o ms de humedad debern tener las sobredimensiones que se indican en la Tabla N 7.Tabla N 7 Sobredimensiones Exigidas para Madera Aserrada con 30 % o ms de Humedad. Sobre Dimensin (pulg.) Espesor (*) 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 (*) Solo Pino Insigne X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Ancho

Dimensin Nominal (pulg.,)

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1.3.2.2- Volumen.

El volumen de una pieza de madera aserrada se expresar en pies madereros. Por ejemplo 1 x 12 x 12.

1.3.2.3- Propiedades Geomtricas.

Las propiedades de las secciones de madera aserrada, utilizadas en la determinacin de esfuerzos internos, sern las indicadas en la Tabla N 8.1. para madera en estado seco y en la Tabla N 8.2. para madera en verde. Las tablas solamente mostraran como ejemplo, para un espesor 2 pulgadas.Tabla N 8.1. Propiedades Geomtricas de las Secciones de Madera Aserrada Seca Dimensin Nominal Neta * Seccin Propiedades Geomtricas Eje X - X Eje Y - Y

Espesor Ancho Espesor Ancho Transversal Momento Modulo Radio Momento Modulo Radio Neta Inercia Flexin Giro Inercia Flexin Giro b h b h St Ix Wx rx Iy Wy ry pulg. pulg. cm cm cm cm4 cm cm cm4 cm cm 2 2 49,3 49,3 24,3 49 20 1,42 49 20 1,42 2 61,3 30,4 96 31 1,78 61 25 1,42 3 74,7 36,8 171 46 2,16 74 30 1,42 3 87,1 42,9 272 62 2,51 87 35 1,42 4 99,6 49,1 405 81 2,87 99 40 1,42 5 124,5 61,3 792 127 3,59 124 50 1,42 6 149,4 73,6 1368 183 4,31 149 60 1,42 7 174,4 85,9 2172 249 5,03 174 71 1,42 8 199,1 98,1 3243 326 5,75 199 81 1,42 9 224 110,4 4617 412 6,47 223 91 1,42 10 248,9 122,7 6333 509 7,19 248 101 1,42 11 273,8 134,9 8430 616 7,9 273 111 1,42 12 298,7 147,2 10944 733 8,62 298 121 1,42 13 323,6 159,5 13914 860 9,34 323 131 1,42 14 348,5 171,7 17379 997 10,06 347 141 1,42

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Tabla N 8.2. Propiedades Geomtricas de las Secciones de Madera Aserrada Verde Dimensin Nominal Neta * Seccin Propiedades Geomtricas Eje X - X Eje Y - Y

Espesor Ancho Espesor Ancho Transversal Momento Modulo Radio Momento Modulo Radio Neta Inercia Flexin Giro Inercia Flexin Giro b h b h St Ix Wx rx Iy Wy ry pulg. pulg. cm cm cm cm4 cm cm cm4 cm cm 2 2 50,8 50,8 25,8 55 22 1,47 55 22 1,47 2 63,5 32,3 108 34 1,83 69 27 1,47 3 76,2 38,7 187 49 2,2 83 33 1,47 3 88,9 45,2 297 67 2,57 97 38 1,47 4 101,6 51,6 444 87 2,93 111 44 1,47 5 127 64,5 867 137 3,67 139 55 1,47 6 152,4 77,4 1498 197 4,4 166 66 1,47 7 177,8 90,3 2379 268 5,13 194 76 1,47 8 203,2 103,2 3552 350 5,87 222 87 1,47 9 228,6 116,1 5057 442 6,6 250 98 1,47 10 254 129 6937 546 7,33 277 109 1,47 11 279,4 141,9 9233 661 8,07 305 120 1,47 12 304,8 154,8 11987 787 8,8 333 131 1,47 13 330,2 167,7 15241 923 9,53 361 142 1,47 14 355,6 180,6 19036 1071 10,27 388 153 1,47

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1.3.3- Secciones Rectangulares Elaboradas.

1.3.3.1- Dimensiones.

Las dimensiones de la escuadra de una pieza de madera elaborada se representarn en pulgadas nominales con su correspondencia en milmetros. La correspondencia entre las dimensiones efectivas de las piezas de madera elaborada y las medidas de las piezas de madera aserrada se indica en la Tabla N 9.Tabla N 9 Escuadras de Piezas de Madera Elaborada. Ancho pulg mm mm 16 22 34 45 70 95

16 X

Espesor pulg

1 22 X X

1 34 X X X

2 45 X X X X

3 70 X X X X

4 95 X X X X X

5 120 X X X X X X

6 145 X X X X

8 195

10 245

1 1 2 3 4

X X X

X X X

Las diferentes tolerancias sern las siguientes; para el espesor 0,3 mm y para el ancho 1%. Adems, la longitud de una pieza de madera elaborada se representar en metros con una sola cifra decimal. La madera elaborada solo debe provenir de madera en estado seco por lo tanto, las tolerancias sealadas anteriormente deben ser aplicadas solo en piezas en dicho estado.

1.3.3.2- Propiedades Geomtricas.

Las propiedades de las secciones de madera elaborada, utilizadas en la determinacin de esfuerzos internos, sern las indicadas en la Tabla N 10.

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Tabla N 10 Propiedades Geomtricas de las Secciones de Madera Elaborada. Dimensin Nominal Neta * Seccin Propiedades Geomtricas Eje X - X Eje Y - Y

Espesor Ancho Espesor Ancho Transversal Momento Modulo Radio Momento Modulo Radio Neta Inercia Flexin Giro Inercia Flexin Giro b h b h St Ix Wx rx Iy Wy ry pulg. pulg. cm cm cm cm4 cm cm cm4 cm cm 2 5 45 120 54 648 108 3,46 91 40,5 1,29

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CAPITULO II

PROPIEDADES FISICAS, MECANICAS Y GEOMETRICAS DE LOS CONECTORES

2.1- Conectores de Placa Dentada.

Figura N 2. Conector de Placa Dentada.

2.1.1- Caractersticas. Los conectores corresponden a planchas de acero galvanizado, cumpliendo con los siguientes requisitos mecnicos mnimos antes del punzonado: Limite de fluencia: Resistencia a la rotura: Tensin admisible: Tensin admisible al Corte: Alargamiento especifico: Espesor nominal: 2400kg / cm 2 (mn) 3400kg / cm 2 (mn) 1200kg / cm 2 1000kg / cm 2

20%(mn) 1, 0mm

Para el modelo de Plancha Tecsol S.A. Calibre GNA -20, se tienen los valores de la Tabla N 11.

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Tabla N 11 Cantidad de clavos por plancha en tamaos de Comercializacin usual. LONGITUD DE PLANCHA (mm) 100 120 140 80 110 112 154 196

ancho (mm)

35 55 75 99

80 40

160

132

176 224

2.1.2- Capacidades Admisibles.

Capacidades admisibles de anclaje para placas GN 20 A en uniones traccionadas (comprimidas), y de cizalle con maderos de pino insigne. (Mtodo de reas Efectivas).Tabla N 12 Capacidades Admisibles de Anclaje Desangulacin Fuerza Fibra 0 FALL Desangulacin fuerza eje axial de placa kp/cm 0 - 30 60 90 11 10 9,5 90 FALL Kp/cm 7,4 7,4 7,4

El acero ha sido baado en zinc mediante el proceso de inmersin en caliente, con un peso total en ambos lados de la chapa de 276 gr / mm 2 , este bao de zinc es ms que suficiente para evitar el ataque de la corrosin normal en la atmsfera rural o costera. De todos modos, en atmsferas en las que son posibles ataques qumicos, como industrias, establos, etc, se deber proveer un cuelo a prueba de vapor o si esto no es posible, los conectores debern ser cubiertos en el lugar de trabajo, con una pintura especial protectora para esta atmsfera. Capacidades Admisibles de carga para placas GN 20 en traccin Fpt (compresin Fpc) y cizalle Fpv.

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Tabla N 13. Capacidad Admisible de Carga para Placas Desangulacion 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 Fpt (Fpc) Kp/cm 36 48 60 73 60 48 36 Fpv Kp/cm 26 33 40 50 60 44 27 25,5 24 24,5 25 25,5 26

2.1.3- Propiedades del conector.

La geometra y dimensiones de las planchas difieren de patente en patente. En Chile se comercializan los productos Tecsol S.A., especficamente la plancha disponible es la de calibre GN20 A, cuyas caractersticas son:

Numero de clavos: Peso: Espesor: Acero efectivo longitudinal: Acero efectivo transversal:

1,11clavos / cm 2 0.833 gr / cm 2 1, 0mm 32, 7% 70, 2%

La resistencia para el diseo de un para de conectores Tecsol S.A.

Tensin longitudinal: Tensin Transversal: Corte longitudinal: Corte transversal:

205kg / cm ancho del conector 95kg / cm largo del conector 80kg / cm largo del conector 170kg / cm ancho del conector.

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Los dientes del conector se obtienen mediante un proceso de estampado, resultando absolutamente solidarios a esta, considerando que el proceso de fabricacin de placas se realiza con maquinaria especializada, se asegura que la densidad de pas por unidad de superficie sea constante, tambin debemos considerar que con la materializacin del estampado para la obtencin de los dientes de agarre, la seccin neta de acero de la placa disminuye.

2.1.4- Mecanismo de funcionamiento.

La placa dentada es un medio de unin de efecto resistente superficial, de alta rigidez que permite traspasar fuerzas por medio de anclaje entre la madera, la placa y efectos axiales o de cizalle en la placa. EI mecanismo resistente de las placas dentadas se materializa, segn dos fases. En primera instancia debe resistir la fuerza creada por el miembro de madera en la interfase placa-madera, esto lo logra con la capacidad de anclaje del diente o pa, que se traduce en una transmisin de fuerzas desde el miembro de madera a la placa, paralelamente la placa debe ser capaz de transmitir los esfuerzos a travs de si misma, lo que logra mediante la resistencia que ofrece su seccin transversal, en un plano perpendicular a la placa de la cara. La inclinacin que adopte la junta de unin de maderos, con respecto a la direccin de la placa, determina la seccin transversal neta de acero y condicionara obviamente la capacidad resistente de esta Como se puede apreciar entonces, para que una unin de maderos soporte una carga

especifica con placas dentadas, se deber asegurar que el ancho de la placa sea tal que la seccin de acero resista dicho esfuerzo y luego se deber dimensionar su longitud para que la adherencia a los maderos sea suficiente para no permitir desgarramientos, desanclajes o deformaciones excesivas.

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2.2- Conector de Placa Metlica de Acero.

Figura N 3. Conector de Placa Metalica de Acero.

2.2.1- Descripcion.

Atrs est quedando el tradicional sistema de ensamblaje o, simplemente el de los clavos, para unir la madera con diversos materiales. Hoy en nuestro pas, los profesionales y los ingenieros calculistas han ido, poco a poco, introduciendo la tecnologa de los conectores metlicos. Se trata de piezas metlicas que permiten trasladar la fuerza desde un punto a otro, a travs de s mismas. Es un mtodo para construir armaduras ligeras, se emplean conectores de placas de acero para armaduras, como aparece en la Figura N 3, son placas rectangulares, fabricadas de lmina de acero galvanizada de calibre 20, colocadas en ambos lados sobre la interseccin de los miembros de madera y se sujetan con clavos 8d, de 1 . Estas placas para armadura se usan en las armaduras ligeras de un solo plano y, proporcionan un sistema ms econmico y eficiente. Las placas deben ser colocarse en las armaduras exactamente como se

indica en los dibujos de los diseos, y las placas opuestas de un nudo debern estar desfasadas entre si 1/4. Los dibujos de diseo de las armaduras de varios claros e inclinaciones deben indicar la contreflecha exacta que deben tener los nudos inferiores de la cuerda. Se deber tener cuidado de que durante la fabricacin se de esta contraflecha. Uno de los grandes propsitos que se persiguen con la utilizacin de estos instrumentos es entregar seguridad en la construccin. Esto, porque se est

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incorporando una conexin ya calculada en un laboratorio de ensayo independiente donde se sabe, con exactitud, la fuerza que sea capaz de soportar. De esta manera, al juntar madera con madera, madera con hormign o con fierro, hay un conocimiento preciso acerca de la resistencia de las uniones en un debido punto. Lo que ocurre hoy es que, como recin estamos empleando esta tecnologa, las uniones entre la madera y otros materiales se materializan de manera muy pobre. Con la utilizacin de estos conectores se industrializa la construccin y, por tanto, se produce una mayor rapidez en obra. Cortar y hacer los ensambles causa demoras significativas porque cada elemento de madera en un tijeral es, de alguna manera, distinto al otro. Con los conectores, en cambio, permite realizar una plantilla tipo, la que permite que una cercha se repita la cantidad de veces requerida. De esta manera, la mayor productividad que se alcanza y el empleo de menos cantidad de material, pues se dimensiona exactamente lo que se necesita, hace que esta tecnologa redunde en una notable disminucin de costos. En Chile an se construye mal en madera.

2.2.2- Requisitos Mecnicos.

Los conectores corresponden a planchas de acero galvanizado, cumpliendo con los siguientes requisitos mecnicos mnimos antes del punzonado: Limite de fluencia: Resistencia a la rotura:

2400kg / cm 2 (mn) 3400kg / cm 2 (mn)

2.2.3- Protecciones contra la corrosin.

Galvanizado: que consiste en sumergir la barra de acero en Zn fundido a unos 500C. Este proceso da una durabilidad mayor que la pintura (20 aos), aunque es difcil hallar baos grandes para producir la electrlisis.

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2.3- Conector Tablero Contrachapado De Pino Radiata

Figura N 4. Placas de Madera Contrachapadas.

2.3.1- Descripcin.

El tablero contrachapado, o plywood, como se conoce a nivel mundial, es un tablero construido a partir de lminas de madera, comnmente llamadas chapas, que se apilan en nmeros impares de capas, una perpendicular a la otra, agregando adhesivo entre ellas hasta completar el espesor de panel deseado. El proceso de fabricacin de los paneles comienza con la fabricacin de la chapa. Para esto, se hace la seleccin de trozos buscando obtener la mejor calidad de lmina y el proceso ms eficiente. Una vez elegidos los trozos se descortezan y se someten a un tratamiento trmico para luego ser debobinados, formando largos paos. Finalmente, son guillotinados de acuerdo al largo y ancho deseados. Despus de una clasificacin inicial, se da paso al proceso de secado de las chapas, donde posterior a una clasificacin final de acuerdo a la calidad, quedan en condiciones de ser usadas para la fabricacin de los tableros. Los tableros estructurales son los ms usados en aplicaciones industriales y en el rea de la construccin, por la estrecha dependencia que existe con la resistencia y duracin de los tableros, bajo condiciones de gran esfuerzo. La madera es un material marcadamente anisotrpico, teniendo resistencias entre 20 y 35 veces superiores en un sentido que en los otros dos. Alternando la direccin de la fibra en 90, muchas de las propiedades tienden a igualarse,

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generndose un material con propiedades en dos sentidos, lo que le da, adems, gran estabilidad dimensional frente a condiciones variables de humedad y temperatura. Por ejemplo, la madera puede cambiar sus dimensiones hasta en un 12% en el sentido perpendicular a la fibra, y menos de un 1% en el paralelo a la fibra. Por el contrario, el contrachapado cambia de dimensin, tanto perpendicular como paralela al sentido de la fibra, rara vez sobre 1% 2%. Esto por la orientacin perpendicular de las diferentes capas. La resistencia y rigidez del contrachapado no resultan de una prediccin de acuerdo a las propiedades de la especie utilizada. El adhesivo utilizado y la forma de llevar a cabo el proceso, son determinantes en la obtencin de un producto de alta calidad. Debido a la gran diferencia de propiedades mecnicas que existen entre la direccin paralela a la fibra o perpendicular a ella, una buena aproximacin para determinar valores de tensin y compresin, puede obtenerse considerando slo aquellas capas que se encuentran orientadas con la fibra paralela a la direccin de la carga aplicada, dejando de lado aquellas capas que se encuentran en el otro sentido, es decir, despreciando el aporte de las capas en que la madera tiene poca resistencia, pero valorando la resistencia que aportan estas capas al alejar del centro de gravedad a las otras. De forma similar, cuando se desea determinar la resistencia a la flexin, las capas que tiene el grano perpendicular a la direccin de la carga, pueden ser omitidas del clculo. Las ms de 70 especies utilizadas en la fabricacin de contrachapado estructural, se clasifican en cinco grupos de acuerdo a su resistencia y rigidez. Las especies de mayor resistencia, entre las que se encuentra el Pino Radiata, se clasifican en el grupo 1, mientras que las de menor resistencia se agrupan en el nmero 5. Hoy en da, prcticamente todo el contrachapado estructural que se fabrica, en vez de llevar el grupo al que pertenece, lleva dos nmeros, como por ejemplo, 32/36. Esto en ingls se conoce como Span Rating y es un ndice numrico en pulgadas que identifica el espacio mximo de apoyo recomendado centro a centro, segn el uso final especificado y bajo condiciones normales.

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El nmero de la izquierda representa el espacio mximo de apoyo recomendado cuando el panel se utiliza como recubrimiento para techo. El nmero de la derecha significa lo mismo pero cuando el panel se utiliza como recubrimiento de piso. Con estas recomendaciones no es necesario tener que conocer los valores de esfuerzos mnimos permitidos para cada tipo de panel. El Span Rating o clasificacin de tramo, como tambin se le conoce, asegura por s solo que el panel se comportar de acuerdo a lo especificado si se utiliza correctamente. Si se comparan el contrachapado y la madera slida, esta ltima siempre tendr mayor resistencia y rigidez que el contrachapado en la direccin paralela a la fibra de las caras, y ser menos resistente en la direccin perpendicular a la fibra de las caras. La diferencia depender del nmero de capas. Por ejemplo, la resistencia perpendicular a la fibra de las caras de un panel de 9mm 3 capas, es dos veces mayor que la madera slida y en un panel de 18mm con 7 capas, es 8 veces mayor. Si las cargas o esfuerzos actan principalmente en una direccin, la madera slida puede presentar mayor resistencia, por ejemplo, en el caso de una repisa para libros o pies derechos. Por otro lado, el contrachapado estructural pasa a ser una mejor eleccin cuando se requiere resistencia a la traccin en el plano del panel. Esto se debe a la compensacin que existe en las propiedades tanto paralelas como perpendiculares a la direccin de la fibra de las caras. Otro detalle importante de nombrar, es que mientras mayor es el nmero de capas que tiene el panel, mayor es la compensacin de las propiedades mecnicas en ambas direcciones, y mejor es la distribucin de las cargas. En resumen, el contrachapado contina demostrando sus bondades para aquellos que lo utilizan para muebles y otros productos donde prima la esttica y en los que las propiedades estructurales son menos importantes, y tendr cada vez ms importancia para aquellos que estudian materiales para la construccin y el rea industrial, debido a que se han logrado propiedades isotrpicas y se han estandariazado las propiedades, cambiando la visin de la madera desde un producto de propiedades desconocidas y variables a propiedades conocidas y estables.

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2.3.2- Formatos de Comercializacin.

Espesores (mm): Medida Estndar:

9 -12 -15 -18 1,22 x 2,44 m.

Tabla N 14. Caractersticas del producto en el comercio Caractersticas y Formatos de Comercializacin Espesor nominal (mm) 9 12 15 18 N de lminas (unid.) 3 5 5 7 Espesor lmina cara (mm) 3,2 2,54 3,2 2,54 Peso promedio (kg/m2) 4,9 6,5 8,1 9,7 Peso por tablero (kg) 14 19 24 28 Tableros por Dimensiones Peso por paquete del tablero paquete (kg) (unid.) (m) 108 80 65 54 1.617 1.592 1.607 1.600 1,22 x 2,44 1,22 x 2,44 1,22 x 2,44 1,22 x 2,44

2.3.3- Esfuerzos Permitidos.

Se puede mencionar que los esfuerzos mnimos se establecen en la Tabla N 15, diferencindose para cada grupo.Tabla N 15. Mnimos Esfuerzos Permitidos. Mnimos esfuerzos permitidos Tipo de esfuerzo Flexin y Traccin Grupo 1 2,3 4 1 2 3 4 1 2,3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Seco en kPa 9.860 6.757 6.480 6.690 5.030 4.200 4.200 1.070 830 760 482.650 413.700 344.750 310.270 10,6x106 8,9x06 7,6x106 6,2x106 Humedad en kPa 13790 9650 9170 11300 8270 7300 6890 1300 970 900 620500 517000 413700 344750 12,4x106 10,3x106 8,3x106 6,2x106

Compresin

Traccin

Modulo de Rigidez

Modulo de elasticidad

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CAPITULO III

CARGAS

3.1- Cargas Permanentes y Sobrecarga de Uso.

3.1.1- Cargas Permanentes.

La carga permanente es la accin cuya variacin en el tiempo es despreciable en relacin a sus valores medios o aquella para la cual la variacin tiende a un valor constante.

3.1.1.1- Peso de los Elementos Incorporados.

La masa de un material se calcula de acuerdo con los valores indicados en los Anexos A y B de la norma NCh 1537, entre las pginas 10 y 21. Adems, se debe tener en cuenta que la carga permanente esta expresada en newton lo cual es igual a la masa en Kilogramos multiplicada por 9,81; para los efectos prcticos puede adoptarse el factor 10. Se debe tomar en cuenta el peso de los tabiques fijos indicados en los planos de estructuras debe incluirse en las carga permanente.

3.1.1.2- Tabiques mviles.

Los tabiques mviles y a futuro se tomaran en cuenta como carga equivalente uniformemente repartida por metro cuadrado igual al 33% de peso por metro lineal de tabique terminado, con un mnimo de 1KPa , salvo que la sobrecarga de uso correspondiente sea igual o superior a 4KPa , en cuyo caso no se requiere considerar el peso de estos tabiques.

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3.1.1.3- Pesos y Empujes de Tierras y Lquidos.

Las cargas causadas por las tierras y los lquidos retenidos, y por la presin y subpresin (empuje vertical) de las aguas subterrneas, deben ser consideradas en el diseo de las estructuras como cargas permanentes.

3.1.2- Sobrecargas de Uso.

La sobrecarga de uso, puede definirse como la accin variable en el tiempo que se determina por la funcin y uso del edificio. Presenta variaciones frecuentes o continuas, no despreciables en relacin a su valor medio. Los pisos y techos utilizables como terraza deben disearse considerando el efecto ms desfavorable originado por una de las sobrecargas siguientes:

a) sobrecarga mnima uniformemente distribuida, qK , igual al valor caracterstico indicado en la Tabla N 18 para las diferentes clases de edificios y afectada por las reducciones que establecen en 3.1.2.3.2. b) Sobrecarga mnima concentrada, qK , segn lo indicado en 3.1.2.2.

Los techos deben disearse considerando una sobrecarga mnima de,

qK = 1KPa , uniformemente distribuida sobre la proyeccin horizontal de la superficiey afectada por las reducciones que se establecen en 3.1.2.3.1, en lo que no contradiga lo dispuesto para las sobrecargas de nieve (NCh 431). Los envigados de cielo con acceso slo para Mantencin y las costaneras de techos deben disearse para resistir una carga de 1KN en la posicin ms desfavorable. Est carga no debe considerarse actuando simultneamente con las sobrecargas de uso de techos.

3.1.2.1- Barandas de Escaleras y Balcones.

Las barandas de escaleras y balcones deben ser diseadas para resistir, en general, una fuerza de 500N por metro lineal aplicada en sentido perpendicular a la

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baranda y a la altura del pasamano. En el caso de barandas de teatro, salas de reunin, edificios deportivos y tribunas esta fuerza debe ser de 1000N metro lineal.

3.1.2.2- Sobrecargas de Uso Concentradas ( qK ).

Adems de calcular los elementos de los pisos bajo la accin de sobrecargas de uso uniformemente repartidas debe efectuarse un clculo separado para una carga concentrada impuesta al elemento en la posicin ms desfavorable. A falta de datos particulares referentes a esta carga concentrada debe considerarse que ella est aplicada sobre una superficie cuadrada de 0,1m de lado y que tiene un valor igual al de la sobrecarga de uso uniformemente repartida por m. Esta carga puntual es mutuamente excluyente con la sobrecarga de uso o cualquier otra carga variable.

3.1.2.3- Reduccin de Sobrecargas de Uso.

Para el diseo de elementos estructurales tales como costaneras, cerchas, losas planas, vigas, columnas, muros y fundaciones, se permite reducir las sobrecargas de uso mnimas para techos y para pisos.

3.1.2.3.1- Reduccin de Sobrecarga de Uso para Techos. La sobrecarga mnima de uso para techos, qK = 1KPa , puede reducirse de acuerdo con la siguiente expresin:

qk ,real = C * C A * qK 0.3KPa

En que:C

= coeficiente de reduccin por pendiente de techo dado por la expresin:

C = 1 2,33* tan g 0,3 CA= coeficiente de reduccin por rea tributaria soportada por el elemento

estructural considerado; su valor se determina por las expresiones siguientes:

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C A = 1 , para A 20m 2 ; C A = 1 0.008* A , para 20m 2 < A < 50m 2 ; C A = 0.6 , para A > 50m 2 .

En la Tabla N 16, se entregan valores reducidos de la sobrecarga de uso para techos en funcin de su pendiente y del rea tributaria del elemento considerado.Tabla N 16 Sobrecargas de Uso Reducidas Uniformemente Distribuidas para Techos, qk,red, kPa. Pendiente del Techo, tg, % 0 5 10 15 20 25 30 rea Tributaria A, m 20 1,00 0,88 0,77 0,65 0,53 0,42 0,30 25 0,80 0,71 0,61 0,52 0,43 0,33 0,30 30 0,76 0,67 0,58 0,49 0,41 0,32 0,30 35 0,72 0,64 0,55 0,47 0,38 0,30 0,30 40 0,68 0,60 0,52 0,44 0,36 0,30 0,30 45 0,64 0,57 0,49 0,42 0,34 0,30 0,30 50 0,60 0,53 0,46 0,39 0,32 0,30 0,30

3.1.2.3.2- Reduccin de Sobrecargas de Uso para Pisos.

Las sobrecargas mnimas de uso para pisos indicadas en la Tabla N 17 se pueden reducir en funcin del rea tributaria total A que incide sobre el elemento estructural. Los coeficientes de reduccin no se aplican a reas pblicas ni a reas con sobrecargas de uso qK mayor que 5KPa . La sobrecarga de uso de cualquier elemento que soporta un rea tributaria igual a mayor que 15 m puede reducirse de acuerdo a la expresin:

qk ,red = C A * qKEn que:

C A = 1 0.008* A

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Sin embargo, el valor de C A no debe ser inferior a 0,60 para elementos horizontales y para elementos verticales que reciben carga de un piso solamente, ni a 0,40 para otros elementos verticales, y en ningn caso inferior al valor determinado por: g 1 0, 23 1 + k qk

Tabla N 17. Sobrecargas de Uso Uniformemente Distribuidas para Pisos. Tipo de Edificio Descripcin de Uso reas de lectura reas de archivo: a) apilamiento de hasta 1,8m de altura b) por cada 0,30m adicionales sobre 1,8m reas para mercadera liviana reas para mercadera pesada reas para frigorficos reas de celda Salas de clases con asientos fijos Salas de clases con asientos mviles reas para estacionamientos y reparacin de vehculos, incluyendo las vas de circulacin. reas con maquinaria liviana reas con maquinaria pesada reas para internados reas para quirfanos, laboratorios, etc. reas para piezas reas para cocinas, lavanderas reas para salones, comedores y lugares de reunin. reas para culto con asientos fijos reas de culto con asientos mviles reas privadas sin equipos reas publicas y reas privadas con equipos reas con asientos reas para escenarios reas de uso general reas de ventas al por menor reas de ventas al por mayor Buhardillas no habitables reas de uso general Balcones, terrazas y escaleras Sobrecarga de Uso qk, Kpa 3,00 4,00 0,50 6,00 12,00 15,00 2,50 2,50 3,00 5,00 4,00 6,00 2,00 3,00 2,00 4,00 5,00 3,00 5,00 2,50 5,00 3,00 4,50 5,00 4,00 5,00 1,00 2,00 2,50

Bibliotecas

Bodegas Crceles Escuelas Estacionamientos Fabricas Hospitales Hoteles Iglesias Oficinas Teatros Tiendas Viviendas

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En que: g k = carga permanente uniformemente distribuida para el elemento.

qk = sobrecarga mnima uniformemente distribuida para el elemento.Los valores de C A para algunos valores de A se indican en la Tabla N 18.Tabla N 18. Valores del Coeficiente de Reduccin de Sobrecargas de Uso para Pisos. A, m 2 ) el factor de modificacin por Volcamiento, Kv se calcula en funcin a la esbeltez de Volcamiento, v, de acuerdo a lo establecido en la tabla 27 (Nch 1198).

Tabla 26. Grado sujecin lateral para diferentes razones mximas (h/b) de una viga simple de madera aserrada (Nch 1198). Grado de sujecin lateral a) Solo los extremos cuentan con apoyos laterales b) El elemento tiene sus extremos apoyados lateralmente y su desplazamiento lateral es impedido por riostras, tirantes o costaneras apoyadas sobre el. Razn mxima h/b 3 4 5 6 7

El elemento tiene sus extremos apoyados lateralmente y su desplazamiento del c) canto comprimido es impedido por entablados o viguetas distanciadas en no mas 610mm entre si, apoyadas contra las caras de la viga. El elemento cumple con el caso c) y adems dispone de puntales laterales separados a una distancia que no exceda de ocho veces la altura de la viga El elemento tiene sus extremos apoyados lateralmente y adems, se impide el e) desplazamiento lateral de ambos cantos ( comprimido y traccionado) d)

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Tabla 27. Factor de modificacin por Volcamiento, Kv (Nch 1198). SI Valor de Kv En que

v 1010 < v vo

Kv = 1, 01 Kv = 1 * v 3 vo Kv = 0, 4* E f ,dis4

vo = 0, 775* v =IV * h b2

E f ,dis F ' f , dis

vo < v 50

v 2 * F ' f ,dis

En que:

vo v

= Esbeltez del lmite elstico; = Esbeltez de Volcamiento;

F ' f ,dis = Ff * K H * K D ; E f , dis = E f * K H * K C .

5.2- Elementos en Compresin Paralela.

Las especificaciones de esta seccin son aplicables a piezas estructurales solicitadas en forma centrada (con respecto a su eje) por fuerzas de compresin orientadas segn la direccin de la fibra.

5.2.1- Longitud Efectiva de Pandeo ( lp ).

La longitud efectiva de pandeo, l p , debe considerarse como la distancia entre dos puntos de inflexin adyacentes, entre los que el elemento comprimido se deforma adoptando una curvatura simple. Para piezas comprimidas rectas, sujetas en sus extremos por medio de elementos de unin mecnicos (clavos, conectores, pernos, etc.) los valores de l p pueden adoptarse ya sea de Tabla N 28, en la que la longitud real de la pieza se ha designado como l , o bien de las recomendaciones establecidas en la NCh 1198, Anexo K.

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Tabla N 28 Longitudes Efectivas de Pandeo, l p , de Piezas Comprimidas. Configuracin de Pandeo Empotramiento en ambos extremos Empotramiento en un extremo y articulacin en otro Empotramiento en un extremo y, en el otro, empotramiento deslizante (no hay giro, pero si deslizamiento) Articulaciones en ambos extremos Empotramiento en un extremo y libre el otro Articulacin en un extremo y, en el otro, empotramiento deslizante (no hay giro, pero se deslizamiento) Valores para: lp/l 0,70 0,85 1,50 1,00 2,50 2,50

5.2.2- Restricciones de Esbeltez. La esbeltez = l p / i no debe exceder de 170 para piezas principales o de 200 para elementos constituyentes de sistemas arriostrantes que quedan comprimidos nicamente bajo los efectos de estados de carga eventuales, que incorporan las solicitaciones de viento y sismo. En la expresin de la esbeltez, i correspondiente al radio de giro que condiciona el pandeo relativo a la longitud efectiva de pandeo l p .

5.2.3- Piezas Simples.

5.2.3.1- Tensin de Trabajo.

La tensin de trabajo de una columna simple sometida a compresin paralela a su fibra se calcula de acuerdo a la siguiente expresin:

f cp =En que:

N *103 A

( MPa )

f cpN

= tensin de trabajo por compresin paralela ( MPa ). = carga axial aplicada ( KN ). = rea de la seccin transversal ( mm 2 ).

A

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5.2.3.2- Tensin de Diseo.

Si el elemento no presenta problemas de inestabilidad lateral (l < 5), la tensin de diseo se determina mediante la siguiente expresin:

Fcp ,dis = Fcp * K H * K D * K cEn que:

Fcp ,dis = tensin de diseo en compresin paralela. Fcp KH KD Kc= tensin admisible en compresin paralela. = factor de modificacin por contenido de humedad. = factor de modificacin por duracin de la carga. = factor de modificacin por trabajo conjunto. Si el elemento presenta problemas de inestabilidad lateral ( > 5), la tensin de diseo se determina mediante la siguiente expresin:

Fcp , ,dis = Fcp ,dis * K En que:

Fcp , ,dis = tensin de diseo en compresin paralela considerando inestabilidad lateral. Fcp ,dis = tensin de diseo calculada segn punto anterior K= factor de modificacin por esbeltez

5.3- Elementos en Traccin Paralela.

5.3.1- Tensin de Trabajo.

La tensin de trabajo en traccin paralela a la fibra se calcula considerando el rea neta, mediante la expresin:

f cp =

T An

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En que:

f cp T An

= tensin de trabajo en traccin paralela ( kgf / cm 2 ). = solicitacin de traccin axial ( kgf ). = rea neta de la seccin ( cm 2 ).

El rea neta no puede ser inferior al 75% de la seccin transversal neta bruta.

5.3.2- Tensin de Diseo.

La tensin de diseo en traccin paralela a la fibra, Ftp ,dis , se determina de la expresin:

Ftp ,dis = Ftp * K H * K D * K c * K hf * K ctEn que:

Ftp ,dis = tensin de diseo en traccin paralela. Ftp KH KD Kc K hf K ct= tensin admisible en traccin paralela. = factor de modificacin por contenido de humedad. = factor de modificacin por duracin de la carga. = factor de modificacin por trabajo conjunto. = factor de modificacin por altura. = factor de modificacin por concentracin de tensiones.

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CAPITULO VIMETODOLOGIA

6.1- Procedimiento. Se realizara el diseo terico del estilo de la cercha a utilizar, para despus poder comparar los resultados tericos de los obtenidos en los ensayos realizados en laboratorio. Se fabricaran cerchas de madera de pino insigne, las cuales sern construidas en sus uniones con conectores, de placa dentada, placa de acero y placa contrachapada. El proceso de fabricacin de las cerchas se inicia con la recepcin de la madera. Para que la recepcin de la madera sea aprobada debe pasar el primer control de calidad segn Norma Chilena Oficial, para la madera aserrada de pino insigne, esta Norma establece una clasificacin por resistencia, para la madera aserrada de pino insigne de acuerdo a los defectos que se registren al momento de efectuar la clasificacin. El mtodo de clasificacin que se establece se basa en una inspeccin visual de los defectos, destinados a elementos estructurales, con un contenido de humedad igual a la humedad de equilibrio del lugar donde dicha madera quede en servicio. La madera de pino insigne se clasificara en un solo grado, correspondiente a una razn de resistencia del 50% adems otro factor importante en la clasificacin de la madera es el calibrado, ya que se requiere una tolerancia de 1mm. Adems de tener en stock la madera es necesario tener los conectores, conector de placa dentada, conector de acero, y conector de placa contrachapada. Cabe destacar que la configuracin de las cerchas debe ser elegida de tal manera que el numero de ngulos de corte sea mnimo, algunas disposiciones especiales de las cerchas estndar, permite obtener una repeticin de los mismos ngulos en las diferentes diagonales. Tambin hay que sealar que los conectores de placa dentada no han sido diseados para transmitir esfuerzos de compresin en nudos abiertos, es decir no son permitidos espacios de ms de 1mm.

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Las estructuras se prepararan sobre el suelo donde se colocan los conectores. En el caso de las cerchas con conectores de placa dentada se colocan los conectores, disponindose de planchas de a pares en cada una de las uniones y/o empalmes, sobre y bajo las caras de los maderos para ser prensados, Para este prensado de las planchas se requiere una carga de 30 toneladas. Estas cerchas sern ensayadas en el laboratorio de resistencia de materiales LEMCO. Por consiguiente el proyecto contara de dos partes, la primera ser la terica y la segunda ser la experimental. A estas cerchas se le aplicara un ensayo de carga puntual en los nudos, para ver cual es la reaccin de cada uno de estos conectores, para despus poder compararlos Si cargamos la cercha, podremos saber la resistencia de los materiales, comparando los resultados obtenidos con cada una, adems se obtendrn los esfuerzos longitudinales de traccin y compresin. Se marcan previamente la posicin de todos los agujeros usando moldes de papel como gua. En el caso de los conectores de placa metlica de acero, y es preferible hacer los agujeros, de la placa con una broca ms pequea, para luego poder corregir algn desajuste menor. Para los conectores de placa de contrachapado tambin se utilizan moldes de papel donde va indicado claramente donde se debe colocar el clavo. Despus de construir las cerchas, se ensayaran en el Marco de Prueba o Prensa (Figura N 6 y 7), donde se obtendrn los resultados del comportamiento de cada una. Posteriormente se analizaran grficamente los resultados y se sacaran las respectivas conclusiones.

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Figura N 6.Marco de prueba, Laboratorio de ensayo de materiales (LEMCO)

Figura N 7.Marco de prueba, Laboratorio de ensayo de materiales (LEMCO)

Figura N 8. Marco de prueba, Laboratorio de ensayo de materiales (LEMCO)

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CAPITULO VII

UNIONES EN LA MADERA ESTRUCTURAL

7.1- Elementos Mecnicos de Unin.

Son aquellos que, al quedar solicitados por fuerza de cizalle, admiten corrimientos relativos entre las piezas conectadas, los que se originan como consecuencia de las deformaciones por aplastamiento de la madera en la zona de contacto entre ella y elemento de unin, y adicionalmente, en el caso de medios de unin de forma cilndrica, por las deformaciones de flexin que ellos experimentan. Dependiendo de su disposicin en la unin pueden, tambin, quedar solicitados segn su direccin axial. Las disposiciones del presente captulo se aplican al diseo estructural que hace uso de elementos mecnicos, tales como: clavos, pernos, conectores para madera y adhesivos de contacto.

7.2- Uniones Clavadas.

Las presentes especificaciones para uniones clavadas en construcciones de madera rigen para empleo de los tipos de clavos fabricados segn NCh 1269.

7.2.1- Solicitaciones de Extraccin Lateral.

Figura N 9.Solicitacin de extraccin lateral.

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7.2.1.1- En general se exige la presencia de al menos cuatro clavos en cada uno de los planos de cizalle que presenten en una unin clavada de dos o ms piezas de madera. La exigencia anterior no rige para la fijacin de revestimientos, entablados y contraventaciones.

Figura N 10. Clasificacin de clavos segn los distintos tipos de cabezas, Norma Nch 1269 Tabla N 29 Dimensiones y Tolerancias de los Clavos. Designacin mxm 150 x 5,6 125 x 5,1 100 x 4,3 90 x 3,9 75 x 3,5 65 x 3,1 50 x 2,8 50 x 2,2 45 x 2,2 40 x 2,2 30 x 2,0 25 x 1,7 20 x 1,5 15 x 1,3 Largo Lc mm 150 125 100 90 75 65 50 50 45 40 30 25 20 15 Diam. dc mm 5,6 5,1 4,3 3,9 3,5 3,1 2,8 2,2 2,2 2,2 2 1,7 1,5 1,3 Dimetro mnimo "d" para A - B y C 13,4 11,9 10,3 8,7 7,9 7,1 6,7 6,7 6,3 6,3 5,1 4,3 3,8 3,3 Cant. Clavos Kg 24 37 66 103 145 222 362 405 559 647 1195 2042 3362 6026

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7.2.1.2- La capacidad admisible de carga de una superficie de cizalle de un clavo solicitado normal a la direccin de su eje, Pcl ,ad , se calcula independientemente del ngulo que forma la direccin de la carga con la fibra de la madera, a travs de la expresin:0,5 Pcl , ad = 3,5* D1,5 * o ,k

En que:

D

= dimetro del clavo ( mm ) = densidad anhidra caracterstica basada en masa y volumen anhidro ( kgf / m3 ).

o ,k

La expresin anterior exige respetar un espesor mnimo de madera, emin , de magnitud:

emin emin

= 7 * D en uniones de clavado directo. = 6* D en uniones con perforacin gua, en que e y D se expresan en mm .

En todo caso, para elementos constituyentes de uniones estructurales, se deben usar espesores mayores o iguales que 18mm , en uniones de clavado directo y16mm en uniones con perforacin gua.

En vigas compuestas de alma llena, constituida sta por dos capas de entablados cruzados y considerando el efecto confinante generado por el clavado a cizalle doble de los cordones, el valor de emin calculado con la expresin anterior puede ser reducido a 2/3 de su valor, siempre que el ancho individual de las tablas que conforman el alma no exceda de 150mm .

7.2.2- Uniones de Cizalle Simple.

La expresin establecida para Pcl ,ad , es aplicable cuando la penetracin efectiva de clavado, p, satisface la condicin:

p 12* D ( mm )

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en que:

D

= dimetro del clavo ( mm ) Las penetraciones efectivas, p, menores que 6* D no se aceptan en uniones

estructurales de cizalle simple. Cuando la penetracin efectiva, p, es tal que:

6* D p < 12* D

La capacidad admisible de carga, Pcl ,ad de la superficie de cizalle adyacente a la punta del clavo debe ser afectada por el factor de modificacin, K pcs , siguiente:

K pcs =

p 12* D

7.2.3- Uniones de Cizalle Mltiple.

En uniones de cizalle mltiple la capacidad admisible de cada clavo, Pcl ,ad , se calcula de acuerdo con la expresin:Pclm ,ad = ( m 0.25 ) * Pcl ,ad

en que:m

= nmero de planos de cizalle que atraviesa el clavo. = capacidad admisible de carga de una superficie de cizalle del clavo. Se exige para estos efectos que la penetracin efectiva, p, en la pieza que

Pcl ,ad

recibe la punta del clavo sea mayor que 8* D . Si la penetracin efectiva es menor que 4* D , la superficie de cizalle ms cercana a la punta del clavo no se debe considerar en los clculos. Si la penetracin efectiva, p, cumple con:

4* D p < 8* D

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La capacidad de carga admisible de superficie de cizalle ms cercana a la punta del clavo, debe ser afectada por el factor de modificacin, K pcd , siguiente:

K pcd =

p 8* D

En este caso la capacidad de carga de cada clavo se debe evaluar con:

Pclm ,ad = Pcl ,ad * ( m 1) + 0.75* K pcd

En uniones clavadas de cizalle doble o mltiple, el clavado debe ejecutarse alternadamente desde ambos lados.

7.2.4- Hileras de Clavos en Elementos Traccionados.

Si en un empalme o unin de elementos traccionados se disponen hileras de ms de 10 clavos, en cada hilera se debe reducir en 1/3 las capacidades de carga de los clavos adicionales. Para efectos de clculo se puede considerar un mximo de 30 clavos por hilera.

7.2.5- Perforaciones Guas.

Si los agujeros de clavado se perforan previamente con un dimetro de aproximadamente 80% del dimetro del clavo, respetando la penetracin mnima, p, establecida en 7.2.2, se puede incrementar en un 20 % la capacidad admisible de carga de cada clavo. Para espesores de madera, e, menores de 6* D , las capacidades admisibles de carga, Pcl ,ad , deben ser afectadas por el factor de modificacin, K cpg , siguiente:

K cpg =

e 6* D

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7.2.6- Espaciamientos.

La distribucin del clavado debe definirse respetando los espaciamientos mnimos especificados en la Tabla N 30, tomando en consideracin el dimetro del clavo, D , y el ngulo, , que forma la fibra con la direccin de la fuerza.

Figura N 11. Disposicin de clavado.

En general los clavos se deben alternar, desplazndolos en un dimetro de clavo con respecto al gramil de clavado.Tabla N 30 Espaciamientos Mnimos de Clavos de Dimetro, D, en mm. Clavado con perforacin gua Para cualquier Para cualquier D 5D 5D 10D 5D 5D 5D

Clavado sin perforacin gua Separacin mnima 0 < 30 D 4,2 D > 4,2 Entre Clavos Desde el borde cargado Desde el borde descargado // a la fibra (sp) a la fibra (sn) // a la fibra (sbcp) a la fibra (sbcn) // a la fibra (sbdp) a la fibra (sbdn) 10D 5D 15D 5D 7D 5D 12D 5D 15D 7D 10D 5D 30 90 D 4,2 D > 4,2 10D 5D 15D 7D 7D 5D 12D 5D 15D 10D 10D 5D

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Cuando en una unin de tres maderos, los clavos hincados desde lados opuestos, se traslapan en el madero central de una unin, se deben respetar las siguientes disposiciones: a) Si la punta del clavo dista al menos 8* D de la superficie de cizalle de los clavos