Análisis estructural Módulos Fachada EcoPaja 45 cm.
1 OBJETO
2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
- BASTIDOR DE MADERA
- PANELES
- CONECTORES TABLERO-BASTIDOR
- PESO PROPIO DEL SISTEMA
3 MÉTODO DE CÁLCULO
4 BASES DE CÁLCULO
- 4.1 NORMATIVA DE REFERENCIA
- 4.2 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
- MADERA MACIZA
- TABLERO OSB 3
- HIPÓTESIS DE CÁLCULO
- CLASES DE SERVICIO
- DURACIÓN DE LA CARGA
- COEFICIENTES DE LOS MATERIALES Y LAS ACCIONES
5 RESULTADOS
6 CONCLUSIONES
- NECESIDAD DE REPARTO DE LAS CARGAS VERTICALES
- COMPRESIÓN PERPENDICULAR A LA FIBRA
- BUEN COMPORTAMIENTO FRENTE AL VIENTO PERPENDICULAR
- EXCENTRICIDAD EN LA RESISTENCIA AL DESCUADRE
1. Objeto
El objeto del presente informe es la justificación del análisis estructural de los diafragmas de muro de fachada de entramado EcoPaja de 45 cm.
Se recoge una descripción del sistema, las características de los materiales empleados y los condicionantes de cálculo considerados según la normativa vigente.
2. Descripción del sistema
El bastidor de los módulos se fabrica a partir de piezas de madera estructural de clase resistente C18 o superior de sección cuadrada de 70×70 mm.
2.2 PANELES
Una de las caras del bastidor así como los laterales del mismo se revisten con tablero OSB 3 de 15 mm de espesor.
2.3 CONECTORES TABLERO-BASTIDOR
La conexión entre los tableros estructurales y el bastidor de madera se realizará mediante tirafondos de rosca parcial con las siguientes características:
| Diámetro núcleo (interior zona roscada) | d2 (mm) | ≥ 3,95 |
| Resistencia característica a tracción del alambre | fu (N/mm²) | ≥ 600 |
| Momento plástico característico | My,k (N·mm) | ≥ 8204,38 * |
Los cálculos se han realizado considerando una separación entre conectores de 150 mm. Para garantizar una correcta conexión entre los elementos no se recomienda aumentar dicha separación.
2.4 PESO PROPIO DEL SISTEMA
El peso propio del sistema considerando los elementos del bastidor de madera, los tableros estructurales y el aislamiento a base de paja compactada es de 65,9 kg/m² de fachada.
3. Método de cálculo
Para evaluar el comportamiento del sistema en su forma real de trabajo dentro de una fachada se han considerado las siguientes situaciones de cálculo:
Estas situaciones de cálculo se han combinado para evaluar el modo de fallo en las situaciones más desfavorables de trabajo y obtener la capacidad máxima del sistema. Puesto que los dos casos de carga de viento empleados actúan en sentido perpendicular entre sí y de forma no concomitante, se han analizado dos situaciones:
- Carga permanente + Carga de uso + Viento en fachada
- Carga permanente + Carga de uso + Viento de descuadre.
Para cada situación se han realizado cálculos sucesivos aumentando los valores de las cargas hasta alcanzar el fallo del sistema.
4. Bases de cálculo
4.1 Normativa de referencia
En la elaboración de la presente memoria se ha tenido en cuenta la siguiente normativa:
- Código Técnico de la Edificación (CTE):
o CTE-DB-SE: Seguridad estructural.
o CTE-DB-SE AE: Acciones en la edificación. o CTE-DB-SE M: Madera. - Norma UNE-EN 1995-1-1 Eurocódigo 5: Proyecto de estructuras de Madera.
o CTE-DB-SE: Seguridad estructural. - Norma UNE-EN 338: 2016 Madera estructural. Clases resistentes.
- Norma UNE 56544: 2011 Clasificación visual de la madera aserrada para uso estructural. Madera de coníferas.
- Norma UNE-EN 1912:2012/AC Madera estructural. Clases resistentes. Asignación de calidades visuales y especies.
- Norma UNE-EN 14081-1:2006+A1 Estructuras de madera. Madera estructural con sección transversal rectangular clasificada por su resistencia. Parte 1: Requisitos generales.
- Norma UNE-EN 12369-1:2001 Tableros derivados de la madera. Valores característicos para el cálculo estructural. Parte1: OSB, tableros de partículas y tableros de fibras.
- Borrador Anexo Nacional de la norma UNE-EN 1995-1-1. Ejemplos de asignación a las clases de servicio.
- Norma: EN 335: 2013 “Durabilidad de la madera y de los productos derivados de la madera. Definición de las clases de uso”.
4.2 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
MADERA MACIZA
En la fabricación de los bastidores del entramado se emplean secciones de madera aserrada de clase resistente C18 ó 24, habiéndose realizado los cálculos con la clase resistente de menor capacidad mecánica.
Según Norma “UNE-EN 338:2016 Madera estructural. Clases resistentes” la clase resistente C24 presenta los siguientes valores de resistencia característica:
Según Norma “UNE-EN 338:2016 Madera estructural. Clases resistentes” la clase resistente C18 presenta los siguientes valores de resistencia característica:
Propiedades resistentes |
C18 |
|
|---|---|---|
|
Flexión |
fm,k |
18.00 N/mm2 |
|
Tracción paralela |
ft,0,k |
10.00 N/mm2 |
|
Tracción perpendicular |
ft,90,k |
0.40 N/mm2 |
|
Compresión paralela |
fc,0,k |
18.00 N/mm2 |
|
Compresión perpendicular |
fc,90,k |
2.20 N/mm2 |
|
Cortante (cortante y torsión) |
fv,k |
3.40 N/mm2 |
Rigidez |
||
|
Modulo elasticidad paralela medio |
E0,mean |
9000 N/mm2 |
|
Modulo elasticidad paralela 5% |
E0,05 |
6000 N/mm2 |
|
Módulo elasticidad perpendicular medio |
E90,mean |
300 N/mm2 |
|
Módulo cortante medio |
Gmean |
560 N/mm2 |
Densidad |
||
| Densidad característica | ρk | 320 Kg/m3 |
|
Densidad media |
ρmean |
380 Kg/m3 |
Según Norma “UNE-EN 338:2016 Madera estructural. Clases resistentes” la clase resistente C24 presenta los siguientes valores de resistencia característica:
Propiedades resistentes |
C24 |
|
|---|---|---|
|
Flexión |
fm,k |
24.00 N/mm2 |
|
Tracción paralela |
ft,0,k |
14.50 N/mm2 |
|
Tracción perpendicular |
ft,90,k |
0.40 N/mm2 |
|
Compresión paralela |
fc,0,k |
21.00 N/mm2 |
|
Compresión perpendicular |
fc,90,k |
2.50 N/mm2 |
|
Cortante (cortante y torsión) |
fv,k |
4.00 N/mm2 |
Rigidez |
||
|
Modulo elasticidad paralela medio |
E0,mean |
11000 N/mm2 |
|
Modulo elasticidad paralela 5% |
E0,05 |
7400 N/mm2 |
|
Módulo elasticidad perpendicular medio |
E90,mean |
370 N/mm2 |
|
Módulo cortante medio |
Gmean |
690 N/mm2 |
Densidad |
||
| Densidad característica | ρk |
350 Kg/m3 |
|
Densidad media |
ρmean |
420 Kg/m3 |
TABLERO OSB 3
Según norma “UNE-EN 12369-1, Tableros derivados de la madera. Valores característicos para el cálculo estructural. Parte 1: OSB, tableros de partículas y tableros de fibras”, tiene los siguientes valores característicos para tableros de espesor entre 10 y 18 mm:
Valores característicos de los tableros |
OSB/3 [e: >10 a 18 mm] |
|
|---|---|---|
|
Densidad característica |
ρk |
550 Kg/m3 |
|
Flexión paralela a la fibra |
fm,0 |
16.40 N/mm2 |
|
Flexión perpendicular a la fibra |
fm,90 |
8.20 N/mm2 |
|
Tracción paralela a la fibra |
ft,0 |
9.40 N/mm2 |
|
Tracción perpendicular a la fibra |
ft,90 |
7.00 N/mm2 |
| Compresión paralela a la fibra | fc,0 | 15.40 N/mm2 |
| Compresión perpendicular a la fibra | fc,90 | 12.70 N/mm2 |
| Cortante de cizalladura | fv | 6.80 N/mm2 |
| Cortante de rodadura | fr | 1.00 N/mm2 |
| Módulo elasticidad flexión paralela | E0,m | 4930 N/mm2 |
| Módulo elasticidad flexión perpendicular | E90,m | 1980 N/mm2 |
| Módulo elasticidad tracción paralela | E0,t | 3800 N/mm2 |
| Módulo elasticidad tracción perpendicular | E90,t | 3000 N/mm2 |
| Módulo elasticidad compresión paralela | E0,c | 3800 N/mm2 |
| Módulo elasticidad compresión perpendicular | E90,c | 3000 N/mm2 |
| Cortante de cizalladura | Gv | 1080 N/mm2 |
| Cortante de rodadura | Gr | 50 N/mm2 |
4.3 HIPÓTESIS DE CÁLCULO
CLASES DE SERVICIO
Las piezas de madera de la estructura se clasifican atendiendo a las condiciones ambientales a las que estén expuestas según borrador del Anexo Nacional de la norma UNE-EN 1995-1-1.
Componente estructural |
Exposición |
Clase de servicio |
|---|---|---|
| Muros de entramado de fachada e interiores | Interior, bajo cubierta | 1 |
DURACIÓN DE LA CARGA
La duración de las cargas influye de manera significativa en la resistencia de la madera y se define por cada acción de carga según el Código Técnico de la Edificación:
Acción |
Duración de la carga |
|---|---|
| Peso propio de los materiales estructurales | Permanente |
| Peso de los materiales de cubierta y revestimiento | Permanente |
| Sobrecarga de uso Tipo A: Residencial |
Media |
| Sobrecarga de uso Tipo G: Cubiertas accesibles únicamente para mantenimiento |
Corta |
| Viento | Corta |
COEFICIENTES DE LOS MATERIALES Y LAS ACCIONES
Coeficientes parciales de seguridad del material:
5. RESULTADOS
Los resultados de cálculo se presentan en forma de tabla con las siguientes variables de entrada:
- Ancho de carga (m): es el ancho de carga tributario de la carga que le transmite la estructura superior (cubierta o forjado intermedio) al muro. Corresponde con la mitad de la luz libre entre muros.
- Carga permanente y de uso (kN/m²): valor de las cargas transmitidas desde la estructura superior (cubierta o forjado intermedio) al muro.
- Carga de viento en fachada (kN/m²): valor de la acción del viento en perpendicular a la fachada.
- Carga de viento de descuadre (kN): valor de la carga concentrada de viento de descuadre en el plano de la fachada.
Para cada combinación de cargas y geometría se ofrecen los índices de solicitación de las siguientes comprobaciones efectuadas:
- Montantes en flexocompresión
- Durmientes en compresión perpendicular a la fibra
- Conectores metálicos en cortante
Por ejemplo, para un ancho de carga de 4 metros, con unas cargas permanentes de 1,5 kN/m², una carga de uso de 2,0 kN/m² y un viento en perpendicular a la fachada de 1 kN/m², el índice de solicitación del módulo es del 82% y se produce en la comprobación de compresión perpendicular a la fibra de los durmientes.
6. CONCLUSIONES
6.1 NECESIDAD DE REPARTO DE LAS CARGAS VERTICALES
Dada la reducida escuadría de los elementos de madera del bastidor y la separación entre los montantes es muy importante que se cuente con un elemento de mayor rigidez sobre los módulos de fachada de forma que las cargas transmitidas desde la parte superior (por el apoyo de la cubierta o los forjados intermedios) se transmitan a través de este elemento hasta los montantes sin afectar a los testeros de los muros, cuya capacidad mecánica en flexión es muy reducida.
INCORRECTO
CORRECTO
6.2 COMPRESIÓN PERPENDICULAR A LA FIBRA
En gran parte de las situaciones de cálculo la comprobación más limitante es la de la compresión perpendicular a la fibra en los durmientes. Esto es razonable dado que el empleo de escuadrías reducidas se traduce en menores áreas de contacto entre elementos y mayores tensiones de compresión.
Si, en función de la configuración del proyecto es necesario aumentar esta resistencia sería viable emplear montantes de mayor escuadría o colocar dos montantes en paralelo dentro del bastidor para duplicar la superficie de compresión y reducir la tensión a la mitad.
6.3 BUEN COMPORTAMIENTO FRENTE AL VIENTO PERPENDICULAR
Al contar con un módulo de gran espesor y conectar los montantes laterales con tableros se genera una especie de viga mixta con alas de madera y alma de OSB, de 450 mm de canto y una luz de 2,5 m. De esta forma, la acción del viento en perpendicular a la fachada que, en general, no será superior a 1 kN/m² no tiene un efecto relevante en el comportamiento estructural del sistema.
6.4 EXCENTRICIDAD EN LA RESISTENCIA AL DESCUADRE
Puesto que únicamente se emplea tablero estructural en una de las caras del bastidor, la resistencia al descuadre lateral se concentra en este plano. La acción lateral del viento se traduce en que las tracciones y compresiones en los montantes más cercanos al tablero estructural son muy superiores a las que deben soportar los otros dos.
Modo de deformación:
Aunque la fuerza de descuadre se ha distribuido uniformemente sobre los dos testeros superiores el plano con tablero estructural sufre deformaciones mucho menores que el opuesto.
Diagrama de axiles:
Los esfuerzos de tracción y de compresión se concentran en los montantes arriostrados por el tablero estructural.
