muros de madera

7/29/2019 Muros de MAdera

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0 D G H U D \ % R V T X H V

Muros de cortante en estructuras de madera

V. Rubn Ordez Candelaria 1

RESUMEN

Este trabajo se realiz con el fin deobtener informacin sobre elcomportamiento estructural de muros bajocargas laterales, construidos con bastidoresde madera y algn forro que proporcione

rigidez y resistencia en su plano. Seensayaron seis forros diferentesconsiderados como los ms apropiadospara la construccin con madera en Mxico.Se presentan grficas de carga -deformacin para tener idea delcomportamiento de los muros de cortanteante las acciones horizontales (accin desismo o viento). Tambin se proponenvalores de diseo para cada uno de losforros, incluyendo informacin del tipo deconectores utilizados.

PALABRAS CLAVES

Muros de cortante, forro estructural,bastidor, aplanado de mortero, cargaslaterales.

ABSTRACT

Structural performance of shear wallswas studied in this project, using thestandard wall frame and six differentsheathings for structural uses in wallsunder racking loads. The sheathings

tested were those deemed the mostappropiate for the wood constructionindustry in Mexico. Curves of load -deflection for racking test are presented togive an idea of the behavior of shear wallsagainst racking loads (resulting fromearthquake or wind). Also included areproposed design vales for each kind ofsheathing and connector used.

KEYWORDS

Shear walls, structural sheathing, wallframe, cement mortar, racking loads.

1

Investigador. Departamento de Productos Forestales y Conservacin de Bosques. Instituto deEcologa, A.C. Apdo. Postal 63. Xalapa, Ver., 91000, Mxico.Manuscrito recibido para su publicacin el 12 de Julio de 1994.


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0 X U R V G H F R U W D Q W H 2 U G y x H ]

INTRODUCCION

Todas las estructuras estn sujetas a laaccin de fuerzas laterales generadas porla accin del viento y en algunas zonasgeogrficas pueden estar sujetas a fuerzas

laterales provocadas por el movimiento delsuelo durante la accin de un sismo. Otrostipos de cargas laterales que puedan actuaren las estructuras son las presiones detierra o explosiones. En este trabajo sepresenta una propuesta para el diseo delos sistemas construidos con madera pararesistir los diferentes tipos de cargaslaterales.

Los sistemas constructivos que resistenlas cargas laterales en una estructura demadera se muestran en la figura 1; cadauno de los subsistemas de muros, pisos ytechos forrados de duela, contrachapados uotro tipo de tableros, se debe disear de talmanera que pueda resistir cargas lateralesadems de las verticales, en este trabajosolo se estudia el muro bajo cargas lateralesen su plano. A los elementos verticales seles denominan muros de cortante y a loshorizontales diafragmas. Un aspectoimportante es el funcionamiento correcto de

estos sistemas, lo constituyen lasconexiones necesarias para asegurar questos acten como unidades integrales yque esas unidades se interconecten en laconstruccin como un todo para asegurar elfuncionamiento aceptable de la estructuracompleta.

El uso de la madera en Mxico parala construccin de estructuraspermanentes se est incrementandocada vez ms, y una aplicacin

importante es en la vivienda. Para eldiseo estructural de las construccionesse requiere informacin tcnica puestoque el uso ptimo de los materiales seda en la medida en que la informacines ms confiable. Los muros sonelementos que representan un

volumen importante de la construccin y delos cuales depende la seguridad de laestructura cuando acta sobre ellafuerzas horizontales (Fig.1). En Mxico seha empezado a generar informacin sobrela rigidez y resistencia de estos elementos

utilizando diversos materiales de forro comocontrachapados o similares, duela,aplanados, etc.

En este trabajo nos enfocaremos a larevisin de los muros de cortante, de loscuales haremos un anlisis de diversassoluciones, revisaremos elcomportamiento de algunos de ellos y conlos datos de las pruebas propondremosvalores de resistencia para el diseo orevisin de muros de cortante. Lassoluciones que planteamos son las que sepueden construir con relativa facilidadutilizando los materiales disponibles en elpas.

TIPOS DE SOLUCIONES

Las soluciones de muros de cortanteque revisaremos en este inciso son lasque cuentan como elemento bsico unbastidor sobre el cual se colocan los

diferentes materiales de recubrimiento quesirven para impartirle resistencia y rigidez almuro en su plano. Las caractersticas delbastidor se muestran en la figura 2.

La cubierta (o forro) de los muros decortante puede ser de muy diversosproductos a base de madera u otromaterial. Entre los ms comunes seencuentran los tableros decontrachapados u otro tipo de tableroscomo son los estructurales de partculas;

se utiliza tambin duela machihembrada yaplanado con mortero de cemento-arenareforzado con malla de alambre. Cadauno de stos se coloca sobre el bastidorsiguiendo las recomendaciones bsicas dela figura 3, sin que sea esta la nica formade utilizarlos, ya que la resistencia de los


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Succin del viento

Cargas de cortante

Muro lateralde cortante

Presin del viento

Diafragma horizontal Cargas de cortante

Muro frontalde cortante

Figura 1 Muros de cortante y diafragmas horizontales de una estructura de madera

paneles depende del tipo de conectores yde la separacin entre ellos, por lo tanto,si se requiere un elemento con mayorresistencia se modificara la disposicin ytamao de los conectores.

Se estudiaron experimentalmentemuros con seis recubrimientos diferentes,considerados como los de mayoresposibilidades de uso en la construccin de

viviendas, que son las siguientes:

a. Contrachapado de madera de pino de9 mm de espesor, en tableros de 122x 244 cm.

b. Contrachapado de madera de pino de12 mm de espesor, en tableros de122 x 244 cm.

c. Duela machihembrada de madera depino de 19 x 87 mm de seccin,colocada horizontalmente.

d. Duela machihembrada de madera depino de 19 x 87 mm de seccin,colocada diagonalmente, sujeta acargas de tensin

e. Duela machihembrada de madera depino de 19 x 87 mm de seccin,colocada diagonalmente, sujeta acargas de compresin.

f. Forro con aplanado de morterocemento:arena de 15 mm de espesory reforzado con malla metlica (telade gallinero).


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Figura 2. Bastidor de madera para construir muros de cortante colocndole diversos tiposde forros estructurales


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Clavo perimetralesa cada 15 cm

interiores acada 15 cm

2 clavos de2.5 plg

b) duela machihembrada de19 mm de espesor

bastidor de madera

Grapas deacero

Malla metlica

Aplanado demortero decemento-arena

c) Aplanado de mortero de cemento:arena, reforzadocon malla metlica (tela de gallinero)

1.5 cm

Clavo perimetralesa cada 15 cm

1.5 cm

Figura 3. Ejemplos de forro para usar en muros de cortante


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En la tabla 1 se presenta una descripcinde los tableros ensayados para cada unode los diferentes forros. Los bastidoresque se utilizaron para la fabricacin de losmuros cumplen con lo especificado en lasnormas de las ASTM E72-80(1981),y

utilizando madera de pino de claseestructural B clasificada conforme a laNOM-C-239-1985 (DGN, 1985) encondicin seca (CH = 18%).

Los tableros de recubrimiento (forro)se montaron sobre los bastidoresapegndose a las recomendaciones de

algunos manuales de construccin, comoSherwood and Stroh (1989). Para el casode los tableros de cemento se propuso elprocedimiento, ya que no se encontrinformacin publicada al respecto; elesfuerzo de malla metlica se fij al

bastidor utilizado grapas metlicasgalvanizadas y posteriormente se aplic elaplanado. En la tabla 1 se describen losconectores y su separacin para losdems foros y en la figura 3 se observanlos detalles de aplicacin como ya seindic.

Tabla 1. Caractersticas de los muros ensayados

TIPO DE FORRO CONECTORESSEPARACION DECONECTORES,

cmborde int

a) Contrachapado de madera de pino de 9mm de espesor.

Clavos de 51 mm(2 pulg)

15 30

b) Contrachapado de madera de pino de 12mm de espesor.

Clavos de 63.5 mm(2.5 pulg)

15 30

c) Duela machihembrada de pino, colocadaen forma horizontal. Clavos de 63.5 mm(2.5 pulg) (1) (1)

d) Duela machihembrada de pino, colocadaen diagonal sujeta a cargas de tensin.


(1) (1)

e) Duela machihembrada de pino, colocadaen diagonal sujeta a cargas decompresin.


(1) (1)

f) Aplanado de cemento-arena enproporcin de 1:3, de 15 mm de espesor,reforzado con malla de alambre.

Grapasgalvanizadas(2)

20 30

1

Se usaron dos clavos en el cruce de cada duela con los verticales del bastidor

2

Grapas iguales a las que se utilizan en las cercas con alambre de pas


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DETERMINACIN DE LA RESISTENCIA

Y RIGIDEZ

Procedimiento de pruebasLa figura 4 presenta un esquema del

montaje de las pruebas que se realizaronpara definir las resistencia y rigidez de losmuros. En esta se muestra la forma deaplicacin de la carga, y los puntos dondese midieron las deformaciones ydesplazamientos. La carga se aplic pormedio de un cilindro hidrulico de 25toneladas de capacidad tomando laslecturas de cargas con un manmetrocalibrado con la Mquina Universal conuna resolucin de 50 kg. Las

deformaciones y desplazamientos delmuro se obtuvieron por medio deindicadores de cartula; en el punto 1 setiene la deformacin total del muro (d1),en el punto 2 el posible desplazamiento(d2) de la base del muro y en el punto 3 eldesplazamiento vertical (d3) debido aposibles rotaciones del muro. Ladeformacin por cortante (d) del muro seobtiene con la siguiente expresin:

d = d1 - d2- d3

El montaje de las pruebas se efectuconforme a la norma ASTM E72-80(1981). El Procedimiento de cargaempleado consisti de cuatro etapas; en laprimera el muro se carg de 0 a 400 kgcon un rango de velocidad tal que sealcanzaran 400 kg en no menos de 2minutos; en este punto se descarg elespcimen permitido se recuperacin yregistrando la deformacin permanentecausada por este valor de carga; en la

segunda y tercera etapa se alcanzaronvalores de cargas de 800 kg y 1200 kgrespectivamente, con la misma velocidadde carga que la aplicada en la etapa 1;tambin se descarg el muro y seregistraron las deformacionespermanentes en cada una de ellas.Finalmente, en la ltima etapa se aplic

carga hasta que fallara el muro o cuandola deformacin horizontal del mismosuperara los 10 cm. En cada etapa decarga se registraron las deformacionescorrespondientes a intervalos de 100 kg.

Con el fin de observar el comportamientode cada uno de los diferentes tipos derecubrimiento se obtuvo la frmula de unacurva de ajuste de los valores de laspruebas tomando nicamente los datos deprueba como si se tratara de una cargacontinua desde cero hasta la cargamxima; los resultados de las pruebas semuestran en las grficas de la 5 a 10.

La resistencia y rigidez de los muros secalcularon conforme a lo establecido en lanorma ASTM E564-76 (1976). Laresistencia simplemente consiste en dividirla carga mxima por la longitud delespcimen, esto es:

b

PS u

u= (1)

Donde:

Su = Resistencia ltima a cortante deldiafragma, kg/m

Pu = Carga mxima soportada por eldiafragma, kg

b = Longitud del muro de cortantemedido paralelamente a la lnea deaccin de la carga, m

La rigidez a cortante de los diafragmasse calcul con la siguiente expresin:

bd

PaG=' (2)


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Figura 4. Montaje de las pruebas de muros sujetos a cargas horizontales


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Donde:

G = Rigidez a cortante del muroobtenida de la prueba,incluyendo la deformacin delsistema de conexiones, kg/m

P = Carga concentrada en el extremodel muro. Aproximadamente 1/3de la carga ltima (Pu), kg

a = Altura del muro de cortante comovoladizo, m

b = Longitud del muro de cortantemedido paralelamente a la lnea deaccin de la carga, m

d = d1 - d2 - d3. Deformacin porcortante del muro (incluye ladeformacin por cortante delrecubrimiento y la deformacin delos conectores), m

RESULTADOS

Los resultados se presentan en laTabla 2, y consisten de los valorespromedio de rigidez y resistencia de laspruebas que se hicieron con cada uno delos forros. En las figuras 5 a la 10 seobserva la curva de carga-deformacin delos muros de cortante.

Resulta importante hacer notar que elvalor de la resistencia de los diafragmascubre un rango amplio, que va desde laresistencia de la duela horizontal (Fig. 7)hasta el otro extremo representado por laduela inclinada sujeta a cargas de tensin(Fig. 8) con una resistencia diez vecessuperior a la de la duela horizontal. Con eluso de duelas colocadas horizontalmente,el muro tiene la desventaja de grandesdeformaciones bajo las cargas horizontales

con los problemas que estos generan.Cambiando la posicin del mismo material,como el caso de la duela inclinada atensin, se mejora enormemente losvalores de resistencia, esto debido alnmero de duelas de la franja central, queactan como diagonales en tensin, as

como el nmero de conectores queinteractan para obtener un diafragma conmuy alta resistencia. No ocurre lo mismocon la duela inclinada en compresin (Fig.9) porque las duelas de la franja centralgeneran cargas sobre los elementos

verticales de los extremos del bastidor,generando en algunos casos la falla deestos. Y en otros, los clavos ubicados enlos extremos de las duelas agotan sucapacidad. Pero debe tenerse en cuentaque la accin de las fuerzas ssmicas esalternada por lo que la duela inclinadaestara sujeta a cargas de tensin ycompresin cclicamente.

La falla de los muros concontrachapado (Fig. 3 y 6) est gobernadapor la deformacin de los conectores enlas esquinas con las mayoresconcentraciones de esfuerzos. No existeuna diferencia muy marcada entre ambosespesores como la que hay entre los otrostipos de forro, pero se ve que son de lospaneles con valores altos de resistencia.

Los muros con aplanado de cemento(Fig. 10) su resistencia es de valorintermedio; se observ que depende

directamente de la resistencia del alambrede la tela de gallinero, puesto que se noten todos los muros ensayados que eltablero qued prcticamente ntegro y losconectores rompieron el alambre de lamalla. Es de esperar que una mayorcantidad de conectores en el permetro deltablero incremente la resistencia de estetipo de forro; esto se deduce al analizar eltipo de falla. Otra posibilidad paraaumentar la resistencia parece ser elincremento en el dimetro del alambre o

algn tipo de refuerzo perimetral en lamalla. Los muros con este tipo de forroresultaron ser los de mayor rigidez, sinembargo tienen un comportamiento frgilcon baja absorcin de energa. Estecomportamiento no es recomendablecuando la estructura es solicitada por un


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sismo o viento. Es posible cambiar estetipo de comportamiento haciendomodificaciones al sistema constructivo,para obtener un comportamiento conmayor ductilidad en este tipo de muroscomo el que presenta una de las curvas

que se extiende mas a la derecha que lasotras dos. Para lo cual es necesariorealizar pruebas variando los factores queinfluyen en el comportamiento, tales comotipo y dimetro de la malla, separacin deconectores, etc.

Un material que se confirma comoadecuado para construir edificios que

puedan enfrentar con xito a los sismos ovientos es la madera contrachapada yaque la energa que puede absorber esmayor que el de los dems materialescomo se puede observar en las curvas decarga-deformacin.

En la tabla 2 se presenta unapropuesta de valores de diseo para cadauno de los forros estudiados, que seobtuvieron aplicando un factor deseguridad de 3 (FS = 3), en un caso, y en elotro limitando los desplazamientoshorizontales de entrepiso a 1/240 de sualtura, (DDF, 1987).

Tabla 2. Valores promedio y mnimo resistencia y rigidez de los forros estudiados

TIPO DE MURO RESISTENCIAkg/m

RIGIDEZkg/m

RESISTENCIA DEDISEO

kg/mFS = 3 H/240

a) Con forro de contrachapado de 9mm de espesor (5 pruebas).

992 115,600 331 394

b) Con forro de contrachapado de 12mm de espesor (5 pruebas).

1,183 140,200 394 465

c) Con forro de duelamachihembrada de pino colocadahorizontalmente (4 pruebas).

203 7,000 68 80

d) Con forro de duelamachihembrada de pino endiagonal y sujeta a cargas detensin (4 pruebas).

2,219 122,500 740 510

e) Con forro de duelamachihembrada de pino endiagonal y sujeta a cargas decompresin (4 pruebas).

755 80,400 252 287

f) Con aplanado de cemento:arena

en proporcin de 1:3 y refuerzocon malla metlica (3 pruebas).

785 246,800 262 388 (1)

1 Este valor de diseo corresponde a una deformacin igual a la mitad de la utilizada para losdems forros. Esto debido a su alta rigidez de este tipo de material.


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Tabla 3. Valores de diseo para muros de cortante con algunos espesores decontrachapados norteamericanos ( APA, 1987)

TIPO DE FORRO ESPESORmm

DIMENSIONES DELOS CLAVOS (1)

pulg (mm)

RESISTENCIAkg/m

9.5 2 (50) 342APA structural I ratedsheathing 12 2.5 (63)

3 (75)417506

9.5 2.5 (63) 327

APA rated sheathing 12 2.5 (63)3 (75)

387

1 Los clavos se colocan a cada 15 cm en los bordes del panel, sobre un bastidos similar al que seus en las pruebas

Figura 5. Resultados de muros con forro de madera contrachapada de 9 mm


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Figura 6. Resultados de muros con forro de madera contrachapada de 12 mm

Figura 7. Resultados de muros con forro de duela horizontal de 19 mm


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Figura 8. Resultados de muros con forro de duela inclinada de 19 mm, sujeta a tensin

Figura 9. resultados de muros con forro de duela inclinada de 19 mm, sujeta a compresin


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Figura 10. Resultados de muros con aplanado de cemento de 15 mm de espesor reforzadocon tela de gallinero

RECONOCIMIENTOS

Esta investigacin se efectu con elapoyo financiero del Consejo Nacional de

Ciencia y Tecnologa. Ref. P.127CCOT90/4901, Determinacin de la rigidez yresistencia de muros de cortante con ochorecubrimientos diferentes y recursosfiscales asignados al Departamento deProductos Forestales y Conservacin deBosques con la clave 902-13.

REFERENCIAS

American Society for Testing andMaterials. 1976. Standard Methods of

Static Load Tests for Shear Resistanceof Framed Walls for Buildings. ASTME564-76. ASTM, Philadelphia, Pa.

American Society for Testing andMaterials. 1981. Standard Methods ofConducting Strength Tests of Panels

for Building Construction. ASTM E72-80. ASTM, Philadelphia, Pa.

American Plywood Association. 1987.

APA Design, Construction Guide.Diaphragms. Tacoma, Wa.

Departamento del Distrito Federal. 1987.Reglamento de Construcciones parael Distrito Federal. Gaceta OficialDDF, Quinta Epoca No. 9, MxicoD.F. 1987. 100 pp.

Direccin General de Normas. 1985.NOM-C-239-1985. Calificacin visualpara madera de pino de usos

estructurales. SECOFI. Mxico D.F.13 pp

Sherwood, G. E. y R. C. Stroh. 1989.Wood Frame House Construction.USDA, Forest Service. AgriculturaHandbook 73.

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