21.5.13

DISEÑO DE UNIONES EN ESTRUCTURAS DE MADERA

Introducción
1.1 Generalidades
En general, las estructuras de madera están formadas por piezas unidas entre sí. Las uniones constituyen puntos singulares 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 cualquiera de ellas.
El costo de las uniones es en general elevado, siendo frecuente que el conjunto de los elementos de conexión y sus operaciones anexas constituyan entre el 20 y 25% del costo total de la estructura.
Las uniones entre piezas de madera pueden clasificarse atendiendo a diversos criterios:
a) Por la forma del encuentro: se denominan empalmes cuando las piezas se enlazan por sus testas, ensambles cuando las piezas se cortan formando un determinado ángulo y acoplamientos cuando las piezas se superponen por sus caras, figura 1.1.
b) Por el medio de unión empleado, figura 1.2: Uniones carpinteras: aquellas en las que las piezas se unen mediante un trabajo de carpintería (caja y espiga, rebajes, esperas, etc.). Uniones mecánicas: aquellas que utilizan herrajes para la transmisión de esfuerzos (clavos, pernos, tirafondos, conectores); dentro de las uniones mecánicas se diferencian dos tipos de medios de unión en función del modo de transmisión de los esfuerzos: El primer tipo recoge a las denominadas “clavijas” y corresponde a los clavos, grapas, tornillos, pernos y pasadores.
El esfuerzo se transmite de una pieza a otra mediante cortante y flexión de la clavija provocando también, tensiones de aplastamiento en la madera a través del área proyectada de la clavija. El segundo tipo está constituido por los “conectores” (anillo, placa, dentados y placa clavo). El esfuerzo se transmite a través de una mayor superficie.


Uniones encoladas, cuando se utilizan adhesivos para la transmisión de los esfuerzos (madera laminada encolada, enlaces rígidos mediante barras encoladas, etc.). No son objeto de esta publicación.
El diseño de las uniones puede llegar a requerir una parte importante de tiempo y esfuerzo en el conjunto del proyecto de la estructura. El hecho de que esta fase se realice al final del proceso de cálculo propicia una atención menor que la debida.

Unión de empalme carpintera, mecánica y encolada

1.2 Consideraciones iniciales
En el diseño y cálculo de las uniones deben tenerse presentes algunas consideraciones previas que a continuación se resumen:
Deslizamiento de las uniones
Las uniones mecánicas sufren unos deslizamientos en su puesta en carga que pueden estimarse mediante el módulo de deslizamiento Kser, definido en la normativa. Este deslizamiento se origina como consecuencia del aplastamiento de la madera sometida a compresiones locales elevadas. Cada medio de unión tiene un módulo de deslizamiento diferente, por lo que no se pueden sumar directamente las capacidades de carga de cada uno. Por tanto, es importante tener presente que la capacidad de carga de un conjunto de diferentes medios de unión es, con frecuencia, menor que la suma de las capacidades de carga individuales. Por ejemplo, las uniones encoladas y mecánicas tienen muy diferentes propiedades de rigidez y no debe suponerse que trabajan solidariamente.
Desgarramiento en las uniones
Cuando se diseña una unión en la que existen muchos elementos de fijación colocados en línea o un conjunto de elementos agrupados en una área de la pieza, existe la posibilidad de que la capacidad de carga de la unión quede limitada por un desgarramiento de un trozo de la pieza sin llegar al agotamiento de la capacidad de cada elemento, figura 1.3. Estas situaciones son poco frecuentes pero pueden darse en casos de piezas de grandes escuadrías sometidas a grandes esfuerzos. En la norma se recoge el procedimiento para su comprobación.
Excentricidad de las uniones
En los nudos de la estructura el encuentro de las piezas debe realizarse, siempre que sea posible de forma simétrica y concéntrica, con el fin de evitar excentricidades. A veces, no es fácil evitar la excentricidad, y en estos casos deberá tenerse en cuenta en el cálculo. No obstante, si se puede modificar la posición y composición de las piezas a veces es posible eliminar su excentricidad.

Desgarramiento en una unión de empalme rígido con elementos concentrados en línea.


Excentricidad de la unión de la figura a, corregida en la figura b.

Hinchazón y merma
En el diseño de la unión no deben olvidarse los efectos de hinchazón y merma de la madera, originados como consecuencia de la variación del contenido de humedad. La práctica correcta es la colocación en obra de la madera con un contenido de humedad lo más próximo posible a la humedad de equilibrio higroscópico media de su situación en servicio. Sin embargo, hay situaciones donde no es posible evitar una variación del contenido de humedad.
Las piezas situadas en contacto con el ambiente exterior sufrirán los cambios de las condiciones climáticas; otro caso es el de las piezas situadas en interiores acristalados donde se pueden alcanzar altas temperaturas por efecto del soleamiento. Estas situaciones conducen a una variación de las dimensiones, que es despreciable en la dirección longitudinal pero considerable en la transversal.
Si los herrajes de unión se disponen de manera que impidan el libre movimiento de la madera y las dimensiones de las piezas son de cierta entidad (del orden de 80 o 100 cm) se originarán fendas cuando la madera pierda humedad.
En la figura se muestran varios casos típicos en los que puede producirse el fendado:
a) Apoyo de viga con restricción del movimiento en todo su canto; la solución puede ser dejar las fijaciones en la zona inferior.
b) Empalme rígido entre dos piezas de madera con chapas metálicas que impiden su contracción; una alternativa es la colocación de herrajes independientes para transmitir la flexión.
c) Nudo de esquina de pórtico con corona de pernos.
El encuentro de los pilares y el dintel con la dirección de la fibra prácticamente ortogonal desemboca en un movimiento diferencial que origina el fendado si las dimensiones de las piezas son grandes.
Tracción perpendicular a la fibra en las uniones
Ciertas disposiciones de uniones, figura, originan tensiones de tracción perpendicular a la fibra que pueden limitar la capacidad resistente de la unión. En la norma se recoge la comprobación a realizar en estas situaciones.
Para disminuir o evitar estas tensiones perpendiculares a la fibra, el diseño de la unión debe procurar que la posición del elemento de fijación que define la distancia he, esté lo más cerca posible del borde no cargado.

Fendado en uniones debidas a la merma de la madera


Ejemplo de unión donde se presentan tensiones de tracción perpendicular a la fibra

Diseño de la unión
2.1 Introducción
Las posibilidades creativas en el diseño de las uniones son enormes y no es posible definir una solución única para cada situación. El éxito del diseño de una unión se basa en cumplir los tres requisitos siguientes:
- Simplicidad: cuanto más sencilla sea la unión mejor será el resultado estético y mecánico, así como su cálculo.
- Mínimo material auxiliar: cuantos menos herrajes se necesiten mejor será el comportamiento al fuego y más limpio será su aspecto.
- Fabricación y montaje: serán preferibles las soluciones que requieran un proceso de fabricación y de montaje más sencillo.
En los últimos 20 años se ha podido observar un cierto cambio en el estilo de las uniones en estructuras de madera.
De uniones con grandes herrajes vistos y muchas veces pintados para hacerse más visibles, se ha llegado a unas uniones con menor presencia del acero al exterior, con protección por galvanizado y muchas veces con clavijas ocultas o de poca presencia al exterior (pasadores, tirafondos de doble rosca). Los herrajes de apoyo de correas utilizados en las estructuras de madera laminada encolada por lo general están fabricados con chapa plegada galvanizada y vista al exterior; sin embargo, en Europa existe una tendencia al herraje oculto en la testa de la correa y posiblemente cada vez se use menos el herraje visto.
Todo este proceso de cambio viene motivado por varias razones, entre las que se encuentran las especificaciones de incendio que conducen al ocultamiento y protección del metal, a los avances técnicos de materiales empleados en los herrajes, pero también a una evolución de la estética en el diseño de la estructura, que puede interpretarse como una mayor confianza en la madera como material estructural sin recurrir a la presencia del acero como acompañante o garantía de su eficacia.
2.2 Criterios para la selección del medio de unión
Los medios de unión pueden clasificarse en los grupos siguientes:
- Uniones carpinteras
- Uniones mecánicas:
· Clavijas:
· Grapas
· Clavos
· Tirafondos
· Pernos
· Pasadores
· Conectores:
· Anillo
· Placa
· Dentados
· Placas clavo
- Uniones encoladas
Cada medio de unión tiene una adecuación que es función principalmente de la escuadría de las piezas y del tipo estructural. A continuación se expone la práctica más habitual:
a) Uniones carpinteras: constituyeron en el pasado el sistema de unión tradicional en la carpintería de armar.
Actualmente ha recuperado su vigencia gracias a la fabricación mediante el control numérico. La precisión alcanzada es muy elevada y el costo se ha reducido notablemente.
Actualmente se emplean en estructuras de luces reducidas (hasta 10 o 12 m) y en obras de rehabilitación.
Las razones que llevan a utilizar este tipo de unión son, generalmente, de carácter estético, buscando una apariencia tradicional para la construcción; sin embargo, también resultan más económicas y presentan un mejor comportamiento al fuego.
En estructuras de luces mayores, generalmente con madera laminada encolada, las uniones carpinteras con cajas y otros rebajes no se emplean porque se llega a un sobredimensionado de las secciones que las harían poco económicas.
Una de las uniones carpinteras más utilizadas en cubiertas de viviendas unifamiliares es la de la cola de milano redondeada para las uniones entre pares o correas y vigas principales.
b) Uniones mecánicas: agrupan diversos tipos de elementos de fijación por lo que existen tipos adecuados para cada situación. A continuación se resumen los casos más frecuentes:
Clavijas:
- Grapas: generalmente se emplean para la conexión entre tableros y piezas de madera aserrada de pequeña escuadría (con gruesos comprendidos entre 38 y 50 mm aproximadamente). La aplicación característica es la fabricación de entramados ligeros de muros y forjados para la construcción prefabricada.
- Clavos: adecuados para la construcción ligera de madera en la unión entre tableros y piezas de madera aserrada y entre las propias piezas de madera aserrada de pequeña escuadría (grueso de 38 a 50 mm). Tienen capacidad de carga frente a esfuerzos laterales o de cortante, pero rara vez se aceptan para cargas axiales o de extracción.
También son utilizados en las uniones entre piezas de mayor escuadría como es el caso de las correas de madera laminada donde se emplean para fijar el herraje de apoyo a la viga principal. En estos casos los herrajes ya están pretaladrados para el alojamiento de los clavos.
En algunos casos se han utilizado para uniones de gran capacidad de transmisión de esfuerzos como elemento de fijación de las chapas de acero con espesores generalmente de 6 mm. En estos casos es frecuente el uso de clavos especiales de sección rectangular redondeada denominados “remaches para madera” (timber rivets).
- Tirafondos: se emplean en la fijación de piezas de madera de escuadría pequeña y mediana con similares funciones a la de los clavos, pero con la ventaja de poder resistir esfuerzos axiales. Esto último los hace especialmente indicados para el anclaje de herrajes, o piezas en general, sometidas a esfuerzos de arranque además del cortante. Así, ejemplos típicos son las fijaciones de los herrajes de anclaje de tirantes de arriostramiento, fijación de las correas sobre los pares, elementos auxiliares de afianzamiento en las uniones carpinteras, etc.
También se pueden utilizar en las uniones entre piezas de mayor sección (por ejemplo madera laminada encolada) como elemento de fijación de chapas de acero auxiliares.
- Pernos: se emplean en uniones entre piezas de madera maciza y madera laminada encolada. Por tanto, resultan adecuados para cargas pequeñas y grandes, utilizando diámetros adecuados. Permiten la conexión entre piezas de madera a través de chapas metálicas, tanto si están situadas en el interior como en el exterior.
- Pasadores: generalmente utilizados en las uniones entre piezas de mediana y gran escuadría. Tienen la ventaja de un mejor comportamiento al fuego, siendo más fácil su ocultación comparada con el caso de los pernos. Permiten la conexión mediante chapas de acero interiores, pero no al exterior. Se colocan con un grado de ajuste muy alto, lo que exige mucha precisión en el mecanizado de los agujeros. En uniones que puedan sufrir un esfuerzo transversal que provoque el desarmado del conjunto deberán acompañarse de algunos pernos.
Conectores:
Los conectores tienen mayor capacidad de transmisión de carga que los pernos y pasadores, pero también requieren separaciones mayores. Generalmente, se recurre a ellos cuando la capacidad de los pernos por sí mismos no es suficiente.
- Conectores de anillo: se emplean en uniones entre piezas de gran y mediana escuadría. El mecanizado se hace en fábrica y el montaje se puede hacer en obra. Requieren un perno para afianzar la unión, pero su capacidad portante no se suma a la del conector.
- Conectores de placa: adecuados en uniones entre piezas de gran y mediana escuadría. Hay tipos para uniones entre madera y madera y otros para uniones entre acero y madera. El mecanizado se hace en fábrica y el montaje se puede hacer en obra. Requieren un perno para afianzar la unión, pero su capacidad portante no se suma a la del conector.
- Conectores dentados: adecuados para escuadrías grandes y medianas. Se colocan en fábrica y una vez insertados no pueden desmontarse. El perno que se emplea para afianzar la unión también colabora en la transmisión de esfuerzos.
- Placas clavo: son herrajes de conexión específicos para las uniones en estructuras ligeras construidas con piezas de madera aserrada de grueso reducido (38 a 45 mm). Son características de las armaduras de cubierta en la construcción prefabricada de entramado ligero.
c) Uniones encoladas: sistema de unión cuya característica principal es la de permitir los enlaces rígidos con plena capacidad de transmitir momentos flectores. Además, su aspecto externo es muy limpio al no tener herrajes al exterior. Sin embargo, no es un sistema extendido ni habitual en las empresas, sino que únicamente hay algunas que ofrecen este sistema como opción.
Generalmente, consisten en barras de acero o de materiales compuestos que se encolan a la madera en taladros interiores con formulaciones epoxi y otros adhesivos adecuados. También son uniones encoladas los enlaces entre piezas mediante un dentado múltiple de gran tamaño (macrodentado) similar al empalme de las láminas de madera laminada encolada, pero con la posibilidad de realizar uniones en ángulo, como las uniones de esquina en pórticos.
Finalmente, existen varios factores que influyen en la toma de decisiones para la configuración de la unión, que a continuación se recogen:
- Especificaciones de incendio: si existen requisitos de resistencia al fuego es relativamente sencillo llegar a tiempos de 30 minutos, pero para alcanzar los 60 minutos se requiere un diseño más elaborado.
Para cumplir las especificaciones con más facilidad son preferibles las uniones que no utilicen chapas metálicas expuestas al exterior, sino en todo caso situadas en el interior de las piezas y sin asomar por los bordes; también presentan mejor comportamiento los pasadores que los pernos.
- Durabilidad: en uniones entre piezas que queden expuestas al exterior es muy importante que el diseño de la unión no permita la retención de agua de lluvia con el fin de aumentar su durabilidad frente a la corrosión.
Deberán utilizarse materiales metálicos adecuadamente protegidos para cada situación ambiental.
- Sismo: en localizaciones en las que la acción sísmica es relevante, la ductilidad de la estructura se consigue con facilidad utilizando uniones con elementos de tipo clavija, que presentan un comportamiento de alta ductilidad.

FRANCISCO ARRIAGA MARTITEGUI. GUILLERMO ÍÑIGUEZ GONZÁLEZ. MIGUEL ESTEBAN HERRERO. RAMÓN ARGÜELLES ÁLVAREZ. JOSÉ LUIS FERNÁNDEZ CABO