Mendigorritxu, 138. Pabellón 3 · 01015 Vitoria-Gasteiz
45

Análisis estructural Módulos Fachada EcoPaja 45 cm.

1 OBJETO

2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

  1. BASTIDOR DE MADERA
  2. PANELES
  3. CONECTORES TABLERO-BASTIDOR
  4. PESO PROPIO DEL SISTEMA

3 MÉTODO DE CÁLCULO

4 BASES DE CÁLCULO

  1. 4.1 NORMATIVA DE REFERENCIA
  2. 4.2 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
  • MADERA MACIZA
  • TABLERO OSB 3
  1. HIPÓTESIS DE CÁLCULO
  • CLASES DE SERVICIO
  • DURACIÓN DE LA CARGA
  • COEFICIENTES DE LOS MATERIALES Y LAS ACCIONES

5 RESULTADOS

6 CONCLUSIONES

  1. NECESIDAD DE REPARTO DE LAS CARGAS VERTICALES
  2. COMPRESIÓN PERPENDICULAR A LA FIBRA
  3. BUEN COMPORTAMIENTO FRENTE AL VIENTO PERPENDICULAR
  4. 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

2.1 BASTIDOR DE MADERA

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

Se ha realizado un modelo de elementos finitos del bastidor de madera y los tableros estructurales, simulando la conexión entre ambos con barras rígidas articuladas a traslación con una constante elástica igual al módulo de deslizamiento instantáneo correspondiente a un tirafondo Ø6.

Para evaluar el comportamiento del sistema en su forma real de trabajo dentro de una fachada se han considerado las siguientes situaciones de cálculo:

Cargas permanentes:

aplicadas como cuatro cargas puntuales en el extremo superior de los montantes. Corresponde con la carga transmitida desde la cubierta o un forjado intermedio apoyados sobre los módulos de fachada.

Cargas de uso:

aplicadas como cuatro cargas puntuales en el extremo superior de los montantes. Corresponde con la carga transmitida desde la cubierta o un forjado intermedio apoyados sobre los módulos de fachada.

Acción de viento en fachada:

aplicada como una carga superficial sobre la superficie del tablero exterior de OSB.

Acción de viento de descuadre:

aplicada como dos cargas lineales sobre los testeros superiores.

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.