Estructuras de madera I/III. El material y su capacidad estructural

La madera no es un material sólo para bungalows de camping. La madera es el material más sostenible que conocemos y también un material que tiene unas prestaciones estructurales muy altas. Prueba de ello es que recientemente se ha construido el edificio más alto de España con madera, se ha realizado con paneles contralaminados y tiene una altura planta baja y 6 plantas.

Cuando hay alguna deficiencia en la madera de nuestro edificio. Antes de plantear cualquier tipo de rehabilitación ya sea estructural o de elementos constructivos hay que conocer el material. Hay que saber, por ejemplo, que la madera no se comporta estructuralmente del mismo modo que el hormigón armado, ni le afectan los mismos agentes ambientales, ni tiene el mismo mantenimiento que este material.  El paso previo a la rehabilitación siempre es la inspección. Esto conlleva el conocimiento del elemento que se va a rehabilitar.

itearquitectes-lake forest

 

1. El material

1.1. Características generales y composición de la madera

La madera se define como la sustancia vegetal más o menos dura, compacta y fibrosa que se extrae del tronco, ramas o raíces de las plantas leñosas (plantes con tronco). La madera está compuesta por células de formas muy variadas de diferentes tamaños y características, por lo tanto, es un material heterogéneo y no tiene una estructura uniforme.

La composición básica de este material orgánico son fibras de celulosa unidas con lignina. La celulosa es un polisacárido resistente a los agentes químicos y inalterable en condiciones de un ambiente seco, básicamente formada por glucosa y es la que aporta resistencia a la estructura de los árboles.

La madera es un material poroso, combustible, higroscópico, sufre alteraciones por la exposición a rayos solares y es deformable por los cambios de humedad ambiental. Es un material delicado y que además es atacable por mohos, insectos y otros seres vivos.

Los factores importantes que influyen en la selección de la madera para su empleo en la construcción son:

  • El color: es originado por la presencia de sustancias colorantes y otros compuestos secundarios. Tiene importancia en la diferenciación de las maderas y, además, sirve como indicador de su durabilidad. Son en general, maderas más durables y resistentes aquellas que poseen un color oscuro.
  • Olor: es producido por sustancias volátiles como resinas y aceites esenciales, que en algunos tipos producen olores característicos.
  • Textura: esta relacionada con las fibras de la madera, que dependen, de la disposición, tamaño, forma, color y abundancia de los distintos elementos anatómicos del árbol del que proviene cada pieza. De este modo encontramos que cada la madera de cada árbol es única.
  • Orientación de las fibras: es la dirección que siguen los elementos leñosos longitudinales. Tiene importancia en la trabajabilidad de la madera y en su comportamiento estructural.

1.2 Elementos anatómicos de los tallos leñosos.

En la siguiente imagen puede apreciarse las diferentes partes de un tallo leñoso (tronco). Corteza

01 sección tallo leñoso

  • Corteza: Es la capa más exterior del tronco y está formada por células muertas; es impermeable y resistente. Su función principal es la de proteger el árbol de los agentes atmosféricos.
  • Cámbium: Formado por dos capas, la xilema y el floema; El primero se encarga de crecer hacia el interior, produciendo los reconocidos anillos de crecimiento que se producen en cada periodo vegetativo. El segundo se encarga de crecer hacia el exterior produciendo la capa de la corteza.
  • Albura: Es la zona mas joven y corresponde a los últimos círculos de crecimiento, por ella circulan todos los componentes de la sabia, substancia por la cual los arboles transportan sus los nutrientes a través de sus diferentes partes.
  • Duramen: Es la zona anillada más antigua y céntrica del tronco, es la mas resistente ja que la celulosa que lo compone se a lignificado debido a que la sabia ya no circula por su interior.
  • Medula: Es la zona más céntrica del tronco, siendo el residuo del tallo que un día fue el tronco y el núcleo del árbol.

 

1.3 Tipos de árboles

Las características físicas de la madera dependen en gran medida de la especie de árbol del que se extrae, clasificándose en dos grandes grupos:

  • Arboles caducifolios:

Son los arboles que pierden las hojas durante el otoño y el invierno. Se caracterizan por tener la madera dura y resistente. Algunos ejemplos son el roble, el castaño o el ébano.

Las maderas duras son las más densas y provienen de los arboles con crecimiento lento, por este motivo son más caras que las blandas. Las ventajas respecto a las blandas residen únicamente en las características mecánicas, sino que además resisten con mayor facilidad los cambios de temperatura y humedad. Estos motivos llevan a la madera dura a ser la más solicitada en el mundo de la construcción y la decoración de elementos constructivos.

ite arquitectes - abedul

  • Arboles perennes

Son los arboles que mantienen las hojas durante todo el año. Se caracterizan por tener la madera más blanda y manipulable.  Algunos ejemplos son el pino, olmo o el ciprés.

Las maderas blandas son mas ligeras y provienen de árboles de rápido crecimiento, facilitando así su abaratamiento. Estas maderas disponen de ventajas en los campos en los que no se le requiera al material una resistencia a esfuerzos mecánicos ya que son más dúctiles y fáciles de trabajar.

ite arquitectes - abeto

1.4 Propiedades mecánicas y clasificación estructural

Al ser un material anisotrópico hay que tener en cuenta que, según la dirección y orientación de las fibras de cada pieza, esta presentará resultados diferentes en su comportamiento físico y mecánico. Como en la mayoría de los materiales, las propiedades de la madera se evalúan a través de ensayos normalizados que se aplican al material y determinan los esfuerzos a los que puede estar sometida. Mediante los ensayos se obtienen datos como el numero de nudos, la desviación de las fibras y posibles fisuras o taras. Con estos datos se obtiene una estimación de los esfuerzos a flexión, a cortante o a axil que puede absorber una pieza en los dos ejes de esfuerzos (vertical o horizontal).

A continuación se resumen los tipos de esfuerzos a los que normalmente puede estar sometida una estructura de madera:

  • Tracción

types-of-stress.jpg

  • Compresión

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  • Cortante

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  • Flexión

types-of-stress2.jpg

 

1.4.2 Esfuerzos de compresión

ite arquitectes - estructura madera pilar

La resistencia de la madera a los esfuerzos axiles esta estrechamente ligada a la dureza de la madera, como la gran mayoría de materiales, como más dura es la pieza mejor reacciona frente a los esfuerzos de compresión. Por eso siempre priorizaremos maderas duras al buscar elementos con resistencia a los esfuerzos axiles. La dureza en la madera depende del grado de cohesión entre sus fibras y de su estructura interna.

Estas cualidades a flexión son fundamentales al valorar la madera en elementos de la estructura vertical como son los pilares.

1.4.2 Esfuerzos de tracción

ite arquitectes - estructura tirante madera.jpg

El esfuerzo de tracción en un esfuerzo que igual que el de compresión se da en un plano axial del elemento estructural. Pero al contrario del esfuerzo de compresión este es un esfuerzo que implica una deformación de estiramiento.

Lo encontramos en elementos constructivos tales como tirantes, en elementos concretos dentro de cerchas estructurales, etc.

1.4.3 Esfuerzos a cortante

ite arquitectes - estructura uniones madera

La madera reacciona de maneras muy distintas a estos esfuerzos, dependiendo de la orientación y dirección de las fibras de la pieza y de la orientación y dirección del esfuerzo.

Con los cortantes en dirección paralela a las fibras de la madera son fácilmente soportables por las piezas mientras que, los cortantes en dirección perpendicular a las fibras son entre 30 y 60 veces menos soportables para las piezas. Este es otro de los motivos por los cuales la orientación de las piezas debe ser estudias incluso antes de su producción.

Se da con mayor intensidad en las vigas en las zonas próximas a los apoyos.

1.4.4 Esfuerzo a flexión

ite arquitectes - estructura madera viga

La flexión es un esfuerzo combinado de tracción y compresión, que se da en un elemento lineal apoyado en sus dos extremos a raíz de la aplicación de una fuerza en el centro.

Dentro del mundo de la construcción de estructuras la madera es uno de los materiales más elásticos, sobre todo comparada con su densidad, del sector y tiene un muy buen comportamiento frente a los esfuerzos a flexión. Las maderas más jóvenes y con orígenes más húmedos son las que tienen una capacidad a flexión más buenas, priorizando así las maderas blandas sobre las maderas duras.

Estas cualidades a flexión son fundamentales al valorar la madera en elementos como viguetas, vigas o pares de cubiertas.

 

Podríamos decir que la madera tiene comportamientos mecánicos similares al acero: resiste y es adecuada para aguantar  la tracción (el estiramiento) y los esfuerzos de flexión (los esfuerzos propios de una viga). Por ese motivo, igual que el acero, se ha utilizado tradicionalmente para la construcción de vigas y cerchas.

Si quieres conocer más sobre la madera en las estructuras arquitectónicas consulta nuestros siguientes artículos:

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