Análisis y cálculo de refuerzo de forjados de madera : el CLT como alternativa al hormigón armado (Monografías del IETcc) (Spanish Edition) [1 ed.] 8400105567, 9788400105563

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MONOGRAFÍAS DEL IETcc N.º 431

419. Francisca Puertas Maroto et al., Proceso de deterioro por descalcificación del cemento: estudio comparativo de cementos de diferente composición, 2013. 420. Ana María Guerrero Bustos, Valorización de cenizas mediante tratamiento hidrotermal para su aplicación en materiales de construcción, 2014. 421. María Inés Pernas Alonso, Escalera monástica en Galicia. Escaleras de rampas al aire: análisis gráfico, 2015. 422. César Medina Martínez, María Isabel Sánchez de Rojas Gómez y Moisés Frías Rojas, Valorización de árido cerámico de sanitarios como árido reciclado en la fabricación de hormigones estructurales eco-eficientes, 2015. 423. Samuel Domínguez Amarillo, Juan José Sendra Salas e Ignacio Oteiza Sanjosé, La envolvente térmica de la vivienda social: el caso de Sevilla, 1939 a 1979, 2016 (serie Arquitectura, 1). 424. Pablo de la Fuente Martín y Carlos Zanuy Sánchez, Fundamentos para el cálculo de estructuras prismáticas planas, 2017. 425. David Revuelta Crespo, Pedro Carballosa de Miguel y José Luis García Calvo, Guía para el empleo de hormigones expansivos, 2017. 426. Eloy Velasco Gómez y Jon Zubizarreta Sasia (coords.), Forjados activos para edificios eficientes, 2018. 427. Eloy Asensio de Lucas (coord.), Valorización de los residuos de construcción y demolición (RCD) como puzolanas alternativas, 2018. 428. Ignacio Oteiza San José (coord.), La envolvente energética de la vivienda social. El caso de Madrid en el periodo 1939-1979, 2018. 429. Ronaldo Soares Teixeira (coord.), Celulosa nanofibrilada y pulpa celulósica usada como refuerzo en materiales, 2019. 430. Esperanza Menéndez Méndez, Estrategia integral de prevención de la reacción árido-álcali, 2019.

Con el fin de asistir al proceso de toma de decisiones en fase de diseño, este documento propone un análisis comparativo de dos sistemas constructivos utilizados en el refuerzo de un forjado de madera, el más frecuente de la solución colaborante entre viguetas existentes y una nueva solera de hormigón armado sobre la parte superior del forjado, y la propuesta de sustituir esa solera por un panel de madera contralaminada (CLT). Se parte, para ello, del análisis de los aspectos constructivos, funcionales y tipológicos de este tipo de forjado, del que existen numerosos ejemplos aún en los edificios de nuestros cascos históricos, si bien su variedad complica la elección de lo que se podría llamar un forjado de referencia. Con el objeto de lograr un sentido práctico y de aplicación en la toma de decisiones, se han sintetizado los datos hallados en investigaciones previas para establecer los casos hipotéticos que en situación preexistente se pueden dar con más frecuencia y así poder utilizarlos como parámetro de comparación. Como resultado, se han obtenido una serie de muestras de las que se estudia su capacidad resistente para tener un conocimiento preciso de la situación previa. Se plantea así la necesidad de realizar un refuerzo de ese forjado por cambio de uso de vivienda a oficina, suponiéndolo en buen estado, y se desarrolla una herramienta de cálculo estructural para valorar la situación inicial de cada muestra respecto a las exigencias actuales. Se evalúan los dos sistemas de refuerzo propuestos según la normativa en cuanto a tensiones a flexión, situación de fuego y deformaciones, valorando el aprovechamiento de material y las cargas máximas soportadas por cada solución en cada una de las muestras, cuantificando la cantidad de material necesario en cada situación para cumplir con los requerimientos regulados de cada sistema. Finalmente, los resultados obtenidos se trasladan a las secciones tipo de los modelos de refuerzo seleccionados, se comprueban y se compara su eficiencia y se establecen conclusiones parciales de cada punto, complementadas con un apartado de ventajas e inconvenientes de cada una de las soluciones constructivas.

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO Fernando Martínez Soriano Enrique Martínez Sierra

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO

418. María Isabel Sánchez de Rojas Gómez, Javier Olmeda Montolío y Moisés Frías Rojas, Morteros especiales con propiedades termo-aislantes usando coque de petróleo como árido ligero, 2013.

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Fernando Martínez Soriano Doctor en Técnicas Avanzadas en la Construcción (Universidad Europea de Madrid, 2016); máster oficial en Patología, Peritación y Rehabilitación del Patrimonio Histórico de la UEM (2010/1011) y Clasificador de Madera Aserrada para Uso Estructural por INDETICMA (INIAE, 2013), actualmente es administrador del Estudio de Arquitectura Martínez Soriano SLP, con sede en El Boalo, Madrid. Conferenciante en el ciclo «Bosques, madera y arquitectura» del COAM, en la Jornada Formativa «Construir en madera» de la Asociación de Arquitectos para la Sostenibilidad y profesor en el Curso de Construcción con Madera de la UPM; es, además, autor de artículos recientes en publicaciones como The Journal of Basic and Applied Research International, Case Studies in Construction Materials y la revista AITIM, entre otras. Actualmente combina el trabajo académico con concursos y proyectos públicos y privados que desarrolla en su estudio.

Enrique Martínez Sierra Doctor arquitecto, especialidad en Edificación por la Universidad Politécnica de Madrid; director del máster de Patología, Peritación y Rehabilitación Sostenible del Patrimonio de la Universidad Europea; profesor titular en la UEM; profesor asociado en el Departamento de Estructuras y Física de la Edificación ETSAM-UPM e investigador en el campo de la edificación construida, patrimonio histórico y metodología de intervención. Cuenta con amplia experiencia en proyectos de intervención en patrimonio histórico, tales como: Puerta de la Colada de Ciudad Rodrigo, castillo de Sagunto, Real Observatorio Nacional, Salón de Reinos del Museo del Prado, Museo Arqueológico Nacional de Madrid, Museo Arqueológico de las Islas Baleares y Palacio de Tosos de Teruel, entre otros.

Imagen de cubierta: Luis Gaztelu, Carpintería de armar, 1899. CSIC

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO

MONOGRAFÍAS DEL IETcc, N.º 431

Dirección Ángel Castillo Talavera, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Secretaría Ángela Sorli Rojo, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Comité Editorial Luis Albajar Molera, Universidad Politécnica de Madrid María del Carmen Andrade Perdrix, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Moisés Frías Rojas, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Pedro Garcés Terradillos, Universidad de Alicante Ángel Leiro López, CEDEX Amparo Moragues Terrades, Universidad Politécnica de Madrid Manuel Olaya Adán, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Antonia Pacios Álvarez, Universidad Politécnica de Madrid Consejo Asesor Antonio Almagro Gorbea, Escuela de Estudios Árabes, CSIC Rigoberto Burgueño, Stony Brook University, EE. UU. Alicia Castro Lozano, Instituto de Ciencias de Materiales, CSIC Adelaida Esteve Campillo, Ministerio de Fomento Ana María Fernández Jiménez, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Luis Fernández Luco, Universidad de Buenos Aires, Argentina Antón García-Abril, Massachusetts Institute of Technology (MIT), EE. UU. Ana María Guerrero Bustos, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Aurora López Delgado, Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas, CSIC Cecilio López Hombrados, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Antoni Marí Bernat, Universitat Politècnica de Catalunya Beatriz Martín Pérez, University of Ottawa, Canadá María del Sagrario Martínez Ramírez, Instituto de Estructura de la Materia, CSIC Isabel Martínez Sierra, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC César Medina Martínez, Universidad de Extremadura Eugenio Oñate Ibáñez de Navarra, Universitat Politècnica de Catalunya Gloria Pérez Álvarez Quiñones, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Antonio Porro Garat, Tecnalia Research and Innovation Julián Rivera Lozano, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Gonzalo Ruiz López, Universidad de Castilla-La Mancha Julián Salas Serrano, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Javier Sánchez Montero, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC María Isabel Sánchez de Rojas Gómez, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Holmer Savastano Junior, Universidade de São Paulo, Brasil Peter Tanner, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO

Fernando Martínez Soriano Enrique Martínez Sierra

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS Madrid, 2019

Reservados todos los derechos por la legislación en materia de Propiedad Intelectual. Ni la totalidad ni parte de este libro, incluido el diseño de la cubierta, puede reproducirse, almacenarse o transmitirse en manera alguna por medio ya sea electrónico, químico, óptico, informático, de grabación o de fotocopia, sin permiso previo por escrito de la editorial. Las noticias, los asertos y las opiniones contenidos en esta obra son de la exclusiva responsabilidad del autor o autores. La editorial, por su parte, solo se hace responsable del interés científico de sus publicaciones.

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En esta edición se ha utilizado papel ecológico sometido a un proceso de blanqueado ECF, cuya fibra procede de bosques gestionados de forma sostenible.

ÍNDICE

1. Introducción....................................................................................................................................... 9 2.

Aproximación a los aspectos constructivos del modelo.................................................................... 11 2.1. Determinación de las luces y escuadrías.................................................................................. 12 2.2. La clase resistente de la madera encontrada............................................................................ 12 2.3. Entrevigados............................................................................................................................. 13 2.4. Tipos de forjados. Determinación de las muestras.................................................................. 14

3. Planteamiento de una metodología previa a la actuación................................................................. 17 4.

Características del tablero contralaminado (CLT)............................................................................ 21 4.1. Aproximación al tablero de madera contralaminado (CLT).................................................... 21 4.2. Especificaciones........................................................................................................................ 22 4.3. La construcción con CLT.......................................................................................................... 26 4.4. El uso del CLT en rehabilitación............................................................................................... 31

5. Análisis estructural de la situación inicial......................................................................................... 35 5.1. Consideraciones de las cargas adoptadas................................................................................. 35 5.2. Metodología utilizada en el cálculo.......................................................................................... 35 5.3. Modelo de cálculo. Herramienta informática.......................................................................... 39 5.4. Comprobaciones del cálculo en la situación inicial.................................................................. 51 6. Descripción de los sistemas de refuerzo propuestos......................................................................... 55 6.1. Sistema mixto hormigón-madera............................................................................................. 55 6.2. Sistema mixto CLT-madera...................................................................................................... 59 7. Análisis comparativo del funcionamiento estructural de los dos sistemas...................................... 63 7.1. Consideraciones de las cargas adoptadas................................................................................. 63 7.2. Metodología utilizada en el cálculo.......................................................................................... 63 7.3. Herramienta informática.......................................................................................................... 67 7.4. Posibles afecciones sobre el resto de la estructura................................................................... 75 8. Conclusiones...................................................................................................................................... 79 8.1. Estado previo, muestras, elaboración de la herramienta informática y análisis de sus aspectos estructurales.................................................................................................... 80 8.2. Análisis estructural de las dos soluciones (alcance)................................................................ 82 9. Bibliografía......................................................................................................................................... 85 10. Listado de figuras, tablas y gráficos................................................................................................... 87

1. INTRODUCCIÓN La mayor parte de las actuaciones edificatorias en los edificios de los cascos históricos de nuestras ciudades se realizan sobre forjados de madera, ya que, hasta bien entrado el siglo xx, este ha sido el sistema utilizado con más frecuencia. El creciente desarrollo que están teniendo en la actualidad los problemas relacionados con la rehabilitación de edificios antiguos plantea actuaciones con soluciones constructivas muy diversas y, si bien su elección responde con frecuencia a motivos puramente económicos, actualmente debemos tomar en consideración el posible valor histórico-artístico de la edificación sobre la que actúa y el comportamiento medioambiental de la actuación, lo que puede justificar, aunque es más costoso, el optar por el refuerzo frente a la sustitución. Cuando nos enfrentamos a este tipo de situaciones, de entre las causas que generalmente obligan a elegir el tipo de medidas a adoptar están la degradación de la madera (disminución de su sección resistente), el cambio de utilización del edificio (incremento de las cargas de servicio), los motivos funcionales (deformaciones, vibraciones) o la necesidad de adaptarse a normativas recientes (protección contra incendios, insonorización, etc.). Es cada vez más frecuente que, en estos casos, se propongan cambios de uso, con lo que nos enfrentamos a la necesidad de reforzarlos (aun estando en buenas condiciones) para incrementar su capacidad portante y su rigidez, ya que con frecuencia se rebasan las flechas máximas admisibles para determinadas cargas, al tiempo que se mantiene la tipología de la estructura original. Las exigencias en materia de seguridad hacen que estos forjados deban realizar también funciones que no se consideraban prioritarias en su época de construcción, como la capacidad para funcionar como diafragma rígido en su plano, solidarizando todos los elementos verticales enlazados a él, de manera que tengan un comportamiento de caja que permita absorber las acciones horizontales y la capacidad para redistribuir las cargas gravitatorias entre los distintos elementos lineales que

lo componen, de forma que si alguno de ellos resulta sobrecargado pueda trabajar conjuntamente con los adyacentes. Una de las soluciones de refuerzo más frecuentemente aplicadas hasta la fecha ha sido la colocación de una solera de hormigón ligeramente armado, sobre el forjado existente previamente saneado, aunque a menudo se ha ejecutado sin ningún tipo de unión entre refuerzo y preexistencia, no logrando un comportamiento conjunto madera-hormigón, con lo que apenas mejora su funcionamiento, y como se incrementa, además, el peso propio de manera significativa, da lugar a una situación incluso peor que la de partida. Nuevas líneas de investigación están aportando soluciones innovadoras y sostenibles, que hacen que la madera y sus derivados sean actualmente una opción muy a tener en cuenta a la hora de decidir el material a utilizar en este tipo situaciones, como es el caso de la madera contralaminada, y, si bien ya existen planteamientos de soluciones colaborantes entre viguetas de madera y paneles de madera contralaminada, los requerimientos normativos o el mal estado de los forjados a reforzar obligó en todos los casos a la sustitución funcional de la totalidad de estos. A lo largo de esta investigación se realizará el estudio del sistema constructivo, para poder seleccionar un «forjado de referencia» que no sea singular geométricamente, pero que contenga las características más frecuentes de la edificación tipo, en una disposición que podría darse en la realidad, aunque hay que hacer constar que no es una situación real. Para obtener un conocimiento más preciso de los materiales que proponemos para el refuerzo, plantearemos una aproximación al tablero de madera contralaminada (CLT: Cross Laminated Timber). Con el fin de asistir al proceso de toma de decisiones en fase de diseño, realizaremos el análisis de los dos sistemas constructivos. Situamos el estudio en la necesidad de realizar un refuerzo, por cambio de uso de vivienda a oficina, en el forjado de referencia, en buen estado, situado en la planta primera de la tipología estudiada:

10 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

• Como resultado de los trabajos de investigación previos, podremos obtener una serie de muestras de las que estudiaremos su capacidad resistente para tener un conocimiento de la situación preexistente. • Desarrollaremos una herramienta de cálculo estructural, mediante la que previamente analizaremos la situación inicial, para valorar la cantidad de refuerzo necesaria en cada situación. • Evaluaremos los dos sistemas según las exigencias normativas establecidas en cuanto a tensiones a flexión, en situación de fuego, y a deformaciones, valorando el aprovechamiento de material y las cargas máximas so-

portadas por cada solución en cada una de las muestras establecidas. • Los resultados obtenidos los trasladaremos a las secciones tipo de los modelos de refuerzo seleccionados, para comprobar y comparar su eficiencia y poder emitir unas conclusiones parciales de cada punto, complementadas con un apartado de ventajas e inconvenientes de cada una de las soluciones constructivas. • Realizaremos unas tablas de correspondencias, entrevigados, luces, escuadrías y refuerzos. • Finalmente, reflejaremos, a modo de resumen, las principales conclusiones y perspectivas futuras de la investigación.

2. APROXIMACIÓN A LOS ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DEL MODELO En España, tenemos que señalar la escasez de documentación sobre construcción con madera anterior al siglo xvii. Es en el tratado de Juanelo Turriano (1585) de arquitectura hidráulica donde encontramos indicaciones sobre estructuras de madera por primera vez, aunque está exclusivamente dedicado a la arquitectura civil. En el Tratado sobre Ordenanzas Urbanas de Madrid, de Teodoro de Árdemans (1791), ya existen referencias a las escuadrías utilizadas en los forjados de los siglos xviii y xix, y, aunque las dimensiones se basan en medidas antropomórficas, en la Ley de Igualación de Pesos y Medidas para todo el Reyno de 1801, promulgada por Carlos IV, ya se establecen las equivalencias entre las medidas antiguas y la nueva métrica. Si bien en España tenemos poca documentación sobre construcción con madera anterior al siglo xvii, sí sabemos que las estructuras se calculaban, en su mayoría, aplicando reglas procedentes de textos técnicos franceses. Benito de Bails, en su tratado Elementos de Matemáticas de 1783, reúne las enseñanzas de los principales textos galos del momento, y en el Tratado de Albañilería de Villanueva (1827) se describen los tipos y procesos constructivos de los entrevigados más frecuentes, según se rellenen con cascote y yeso o con bovedillas o enlistonados, realizando un repaso muy descriptivo del sistema y proceso. La construcción tradicional en madera, del mismo modo que la construcción con tierra o con piedra, permaneció prácticamente invariable hasta la aparición de la industrialización, es decir, incluso hasta el siglo xx en algunos casos. Es indudable que toda la materia y, por lo tanto, los materiales constructivos que constituyen estas edificaciones están sujetos a un constante envejecimiento que implica degradaciones con diferentes alcances, que nos obligan a renovarlos o a adaptarlos a las necesidades actuales. Pero cuestiones como el conocimiento del entorno histórico en el que se ejecutaron, su evolución a lo largo del tiempo, los modelos en los que se inspiraron, las

corrientes o estilos arquitectónicos en los que se fundamentaron, los motivos de su construcción, la mano de obra que lo realizó o las técnicas y los materiales empleados son fundamentales a la hora de actuar sobre estos inmuebles. En los casos en los que la restauración parezca indispensable después de degradaciones o destrucciones, se recomienda respetar la obra histórica y artística del pasado, sin menospreciar el estilo de ninguna época (Carta de Atenas, 1931). El marco en el que situamos el análisis es el de la necesidad de realizar un refuerzo por cambio de uso de vivienda a oficina según CTE-SE-AE, en un forjado de referencia en buen estado, situado en la planta primera de un edificio tipo de vivienda colectiva entre medianeras con desarrollo en profundidad del Madrid del siglo xix. El sistema constructivo más empleado en estas construcciones fueron los entramados horizontales de vigas de madera, con sus huecos rellenos, en su mayoría, de albañilería. Las ordenanzas que surgieron en la Villa de Madrid desde el siglo xvii como respuesta a su desarrollo urbano y sociocultural, con las regulaciones que afectaban directamente a la construcción privada, influyeron directamente en la configuración de estos edificios y provocaron la aparición de las diferentes tipologías que actualmente nos encontramos en el casco histórico. Su organización estructural variaba según las luces a cubrir; en edificios de una crujía, para luces pequeñas (3,0-4,0 metros), las viguetas se apoyaban sobre los muros de fábrica, y con luces mayores (5,0-7,0 metros) sobre jácenas en dirección transversal a los muros de carga con las viguetas en dirección longitudinal. Estos muros de carga que solucionaban los apoyos, algunas veces eran los medianeros, pero con más frecuencia se trataba de los de fachada y trasera de los extremos, y un muro entramado los centrales. El tipo de entrevigado era independiente de la luz y la escuadría, y se basaba en el relleno entre viguetas con yeso como aglomerante de diversos materiales. Hemos empleado los que la investigación ha determinado como más frecuentes; la bovedilla de yeso, con separaciones entre viguetas de 1,5 pies (= 1 codo = 41,80 cm); los botes cerámicos

12 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

y el relleno macizo, con separaciones de huecomacizo; y la bovedilla tabicada cerámica, para separaciones de viguetas entre 3 y 4 veces el espesor del madero. La variedad de forjados existentes complica la elección de lo que se podría llamar un «forjado de referencia». Es una situación compleja que se ha dado en otras investigaciones prácticas que buscan un tipo, con el objeto de lograr un sentido práctico y de aplicación en la toma de decisiones, tanto económicas como de diseño (Gómez et al., 1997).

Además, como separación entre piezas, aconseja que sea 1,25 veces el ancho de vigueta. El canto total de forjado, función del peso y superficie a cubrir, en vivienda convencional, lo estima en 14”. En cuanto a los tipos a emplear, describe, como caso general, el envigado perpendicular a los muros. El longitudinal sobre vigas lo recomienda para grandes luces o cargas.

2.1. Determinación de las luces y escuadrías

En un caso real, deberemos realizar los análisis y ensayos pertinentes para poder establecer los valores geométricos y resistentes de referencia, y corregirlos con los coeficientes de minoración en función de su estado aparente. Del mismo modo, determinaremos la clase resistente mediante la combinación apropiada de especie y calidad, siendo esta última la labor más complicada pues, normalmente, las piezas a valorar no son del todo accesibles. Podemos determinar la especie analizando una microprobeta, aunque sabemos que son el pino silvestre, el pinaster y el laricio las especies de más amplia presencia en este tipo de obra (Conde et al., 2007), y que para una misma calidad presentan propiedades mecánicas similares. Para establecer su calidad, la aplicación de los métodos de clasificación visual en rehabilitación es cuanto menos complicada. Mediante la utilización de técnicas no destructivas (ultrasonidos) y pseudo no destructivas (resistógrafo y extracción de tornillos), incluso la combinación de estas con el método de clasificación visual, determinaremos con suficiente precisión parámetros como la densidad, la resistencia o el módulo de elasticidad de la pieza estudiada, que nos proporcionarán su capacidad portante, además de otras características físico-mecánicas (Ramón et al., 2005; Basterra et al., 2009; Conde et al., 2007). La mayor parte de la madera utilizada en estructuras antiguas es de duramen, generosa de dimensiones y con pocos defectos, pues las técnicas de secado permitían reducir la presencia de fendas en piezas de cierta escuadría. Por lo tanto, en este estudio teórico establecemos que la vigueta del forjado de referencia para todas las muestras a analizar es de madera maciza, aserrada, de pino silvestre y de la clase resistente C18, con las propiedades establecidas en la tabla 2 (CTE DB-SE, 2009). Además, en este caso concreto, no consideraremos la capacidad residual de la pieza.

Las dimensiones de secciones y vanos variaban mucho, al igual que en el resto de entramados, pero Árdemans contemplaba en su tratado una serie de reglas que relacionan la longitud del forjado con las escuadrías a utilizar y que resumimos en las siguientes: • Para vanos pequeños, de hasta 3,60 m, se utilizaba el madero de a diez (8,70 × 12,18 cm), o bien la viga de sexma y octava (10,44 × 13,93 cm). • En vanos medianos, de hasta 4,10 m, se usaba el madero de a ocho o cuartón de a ocho (12,18 × 15,67 cm), y hasta 4,50 m, se solía utilizar el madero de a seis (20 × 13,93 cm). • En los vanos más grandes, hasta 5,74 m de luz, se utilizaba el madero de sexma o viga de cuarta y sexma o vigueta de a veintidós (20,89 × 13,93 cm). Benito de Bails recomienda no utilizar viguetas de más de 18 pies (5,49 m), cuya sección determina en función de su longitud (tirantez) y del peso que soporte (véase tabla 1).

Tabla 1. Dimensionado de viguetas según Bails. Luz (Pies/m)

Escuadría (Pulgadas/cm)

15/4,5

5 × 7/13 × 18

15-18/4,5-5,4

6 × 8/15 × 20

18-21/5,4-6,3

7 × 9/18 × 23

21-28/6,3-8,4

8 × 11/20 × 28

2.2. La clase resistente de la madera encontrada

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 13

Tabla 2. Características mecánicas de la madera C18 (CTE DB-SEM, 2006).

C18

f c,90 k

f h,d

E 0,med

Resis. Cortante

Resis. comp perpendicular

Resis. madera aplastamiento

Mód. Elast. paralelo

Dens. media

2,5 N/mm2

3,4 N/mm2

16 N/mm2

9 kN/mm²

3-80 kN/m3

f m,k

f v,k

Resis. flexión 18 N/mm2

Pino silvestre

2.3. Entrevigados Villanueva establece que los entrevigados que solemos encontrar se basan, generalmente, en el relleno entre viguetas con yeso como aglomerante de diversos materiales, y que los sistemas más frecuentes son: • Bovedillas de yeso con separaciones entre viguetas de 1,5 pies (= 1 codo = 41,80 cm), 2 pies (56 cm) e incluso 3 pies (83 cm), aunque, como describe, en el siglo xix lo frecuente era utilizar una separación poco mayor que el espesor de la vigueta. A este tipo de forjado se le ha denominado «hueco por macizo». Se ejecutaban encofrando la futura bovedilla con el camón o «galápago», colocado sobre las «mochetillas» o listones clavados ex profeso en los laterales inferiores de la vigueta. El relleno consistía

r med

en una mezcla de yeso y cascote de obra, hasta enrasar las viguetas por su cara superior (véase fig. 1). • Relleno de macizo, con una mezcla de yeso y cascote de obra (trozos de ladrillo, yesones, etc.) para aligerar en lo posible el relleno (véase fig. 2). • Bovedilla tabicada cerámica, que solía ser de tabicado sencillo. Su utilización era adecuada para separaciones de viguetas entre 3 y 4 veces el espesor del madero. Sobre las mochetillas se realizaba la bóveda tabicadas con ladrillo de tejar, tomado con yeso, y sobre ella se rellenaba con yeso y cascote hasta enrasar la vigueta (véase fig. 3). • Botes cerámicos con relleno completo de yeso. Los botes se colocaban entre las viguetas y pegadas entre ellas, y suelen tener

Figura 1. Sección de forjado con entrevigado de bovedilla de yeso.

Figura 2. Sección de forjado con entrevigado de bovedilla de yeso.

14 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

Figura 3. Bovedilla tabicada.

Figura 4. Forjado con entrevigado de botes cerámicos.

forma troncocónica irregular, de unos 15 cm de diámetro superior y 12 cm de diámetro inferior. Suelen colocarse a unos 25 cm de separación, a tope. Esto supone un volumen de unos 0,003 m3 (véase fig. 4).

2.4. Tipos de forjados. Determinación de las muestras Una vez determinadas las escuadrías y entrevigados que, según la investigación previa, consideramos

como más frecuentes, establecemos una clasificación de los forjados más representativos en función de la máxima longitud de vano, y a los que les corresponde una escuadría de vigueta, según hemos visto (véase tabla 3). Esta clasificación será la que tomemos como base para el estudio de muestras, realizando primero un análisis de cada una de ellas en situación inicial, para, posteriormente, establecer el refuerzo necesario en función de las exigencias que determinaremos más adelante.

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 15

Tabla 3. Tipos de forjados de la época recomendados en los tratados. DISEÑO DE FORJADO PREEXISTENTE LUZ MÁXIMA

MUESTRA 

ESCUADRIA

ENTREVIGADO

L

b

h

m

cm

cm

Tipo

Separación

Superficie

cm

cm2

PR

A1

3,60

8,70

12,18

Bov, Yeso

21,75

0,0097

PR

A2

3,60

8,70

12,18

Bote cerámico

21,75

0,0058

PR

A3

3,60

8,70

12,18

Relleno macizo

21,75

0,0159

PR

A4

3,60

8,70

12,18

Bov. Tabicada

34,80

0,0175

PR

B1

4,10

12,18

15,67

Bov. Yeso

30,45

0,0172

PR

B2

4,10

12,18

15,67

Bote cerámico

30,45

0,0119

PR

B3

4,10

12,18

15,67

Relleno macizo

30,45

0,0286

PR

B4

4,10

12,18

15,67

Bov. Tabicada

48,72

0,0315

PR

C1

4,50

13,00

18,00

Bov. Yeso

32,50

0,0220

PR

C2

4,50

13,00

18,00

Bote cerámico

32,50

0,0161

PR

C3

4,50

13,00

18,00

Relleno macizo

32,50

0,0351

PR

C4

4,50

13,00

18,00

Bov. Tabicada

52,00

0,0408

PR

D1

5,40

15,00

20,00

Bov. Yeso

37,50

0,0276

PR

D2

5,40

15,00

20,00

Bote cerámico

37,50

0,0197

PR

D3

5,40

15,00

20,00

Relleno macizo

37,50

0,0450

PR

D4

5,40

15,00

20,00

Bov. Tabicada

60,00

0,0509

3. PLANTEAMIENTO DE UNA METODOLOGÍA PREVIA A LA ACTUACIÓN Las peculiaridades que ofrecen las estructuras arquitectónicas, con su compleja historia, requieren que los estudios y propuestas se organicen en fases sucesivas y bien definidas (Martínez Sierra, 2010). La mayoría de los estudios realizados (Arriaga et al., 2002; Gemma et al., 2005; Landa, 2009; Monjo, 1998) determinan las fases a realizar previas a la actuación, deben definir las partes y el todo del sistema, detectar y especificar los daños, analizar el comportamiento y origen de estos daños y, finalmente, diagnosticar la operatividad de la intervención. De esta forma lograremos el conocimiento mecánico del estado de la estructura, para así poder decidir la técnica a aplicar, bien sea de mantenimiento, reparación o sustitución de los elementos dañados. La finalidad es poder diagnosticar correctamente las patologías del forjado y establecer su resistencia mecánica residual, para poder plantear el sistema de refuerzo más adecuado para cada situación (Álvarez et al., 2005). Previo a cualquier intervención sobre estos forjados, y antes de la puesta en valor del edificio o el elemento en cuestión, debe documentarse su estado, identificando y estimando el alcance de los posibles daños, determinando de forma previa tanto las lesiones que afectan a las viguetas como su comportamiento mecánico. Con el conocimiento exhaustivo del forjado sobre el que se plantea la rehabilitación, y de las técnicas de rehabilitación a emplear en cada situación, podremos tomar la decisión bien de mantenerlo, si es perfectamente recuperable, reparándolo o reforzándole, o bien sustituirlo funcionalmente. Deberemos establecer si la actuación es posible técnicamente y viable económicamente, para poder optar por la solución menos traumática y más sostenible, en lugar de realizar la más habitual de demoler y reconstruir con materiales y técnicas actuales, por considerarla como la más fiable desde el desconocimiento. Mediante el empleo de técnicas pseudo no destructivas y no destructivas podremos realizar la investigación, limitando al máximo la utilización

de técnicas destructivas, dado que el objetivo es conocer el estado de la madera sin alterar sus propiedades, y, con protocolos y correcciones adecuadas pueden ser lo bastante fiables como para conocer el estado de la madera. Estas técnicas suplementan la inspección visual detallada, reducen el número de calicatas y destrucciones parciales de fábricas que ocultan la estructura de madera a investigar y mejoran la predicción de las propiedades mecánicas, detectando las discontinuidades del material, los daños biológicos, los cambios de humedad o alternancia de materiales y, estableciendo relaciones entre ellas, permiten mejorar la capacidad de predicción de las propiedades físicas y mecánicas de la madera, y así aumentar la fiabilidad del cálculo estructural en los trabajos de intervención (véase fig. 5). Las limitaciones propias de cada técnica e instrumento hacen conveniente no limitarse al uso de una exclusiva, con lo que es adecuado combinarlas para obtener mejores resultados (J. Yuste, 2007). Hay que tener en cuenta, además, que las medidas de los parámetros a nivel local, obtenidas mediante estos ensayos, deben evaluarse en este contexto y comprenderse como medidas singulares, no pudiendo generalizarse a toda la estructura si no se establece un adecuado muestreo estadístico que excluya lógicamente las zonas de anomalías o la madera deteriorada por ataques biológicos u otros factores de afección a la zona, que pudiesen modificar las características propias del material. El CTE, en el anejo D.4 del DB-SE, indica la necesidad de realizar un análisis estructural de la preexistencia, haciendo especial hincapié en la adopción de generosos coeficientes de seguridad, en función de la tremenda incertidumbre sobre las características reales de los materiales y la geometría de los elementos estructurales analizados. Según el mismo documento, asignaremos a la madera una clase resistente utilizando una norma de clasificación por calidades, basándonos, por comparación, en una especie arbórea conocida y de la cual se han determinado previamente sus propiedades mecánicas utilizando ensayos normalizados. La clase resistente se determina mediante la combinación apropiada de especie y calidad. Es el factor más complejo de averiguar; cada vigueta es

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única y, aun teniendo igual sección y siendo del mismo tipo de madera, como la capacidad portante depende de factores como su humedad, disposición de sus vetas y defectos que tenga, cada una responderá de forma sensiblemente diferente a las cargas. Pero las estructuras antiguas han sido probadas en la práctica, por lo que, aunque los coeficientes de merma por aspecto, según las técnicas actuales, nos indiquen que una estructura no es apta, el tiempo ha demostrado que sigue funcionando correctamente. El conocimiento de la resistencia de la estructura existente puede llevarnos a planteamientos muy distintos a los de estructuras nuevas, como es el reducir, e incluso eliminar, el coeficiente de reducción o seguridad adoptado por la incertidumbre de una madera nueva. Para establecer la especie de madera, tras realizar la inspección visual inicial, en la que hemos podido determinar algunos datos como la porosidad, el tipo de radios, los anillos de crecimiento, etc., el método más exacto es el análisis microscópico, en laboratorio especializado, de pequeñas

microprobetas, aunque este método lo consideramos pseudo no destructivo y en obras con cierto valor patrimonial puede no ser factible. La utilización de las técnicas no destructivas, como los ultrasonidos, y pseudo no destructivas, como el resistógrafo y la extracción de tornillos, incluso la combinación de estas con el método de clasificación visual, son la manera más adecuada para poder establecer con suficiente precisión parámetros como la densidad, la resistencia o el módulo de elasticidad de la pieza estudiada, parámetros que nos permitirán aproximarnos a su calidad, además de otras características físico-mecánicas (véase fig. 6). Para la determinación de la sección resistente de las viguetas, descontada la sección afectada por el ataque, la metodología no debería variar con respecto a la de una estructura de madera nueva. Estas suelen ser piezas de sección rectangular constante, sometidas a flexión casi pura, dado que los posibles esfuerzos en su eje, derivados de los esfuerzos horizontales (viento, excentricidades de muros, etc.), son despreciables en la mayor parte de los casos.

Figura 5. L. A. Basterra, G. López, G. Ramón-Cueto, L. Acuña y M. Casado. Representación gráfica de los resultados obtenidos en la inspección visual de una cercha de la cubierta de la catedral de Segovia, edición de RILEM Publicaciones SARL, 2008, pp. 1179-1188.

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Figura 6. Resumen de algunos parámetros físicos medidos mediante técnicas no destructivas y propiedades estimadas a partir de ellas.

Por otro lado, se plantea el problema de la capacidad resistente residual de la pieza, que es la que queda después de una situación de carga determinada que ha causado cierto «daño» (Álvarez et al., 2005), pero estudios realizados (Fridley, 1992) han demostrado que la resistencia del material, antes y después de su vida de servicio, es prácticamente la misma; la diferencia entre valores de resistencia es inferior al 0,5 %, aunque igualmente se podría tener en cuenta que, al ser estructuras antiguas, existe el fenómeno de duraminización, que incrementa hasta un 150 % (Zanni, 2008) su capacidad portante de resistencia, referida a la misma especie en madera nueva. Para verificar las uniones hay que contemplar las posibles deformaciones adicionales de la estructura, ocasionadas por deslizamientos de los medios de unión, y prever los cambios volumétricos que han podido producirse en la pieza de madera, como consecuencia de los fenómenos de hinchazón y merma originados por variaciones en su contenido de humedad. Al existir, con frecuencia en el mismo paño de un forjado de este tipo, piezas desiguales, de maderas dispares, en dudoso estado y, en ocasiones, difícilmente accesibles, es complejo definir tanto la sección tipo como su capacidad resistente. Para determinar el estado general de la preexistencia deberemos establecer, en función del vano real que salvan los solivos del forjado, tanto las tensiones máximas a las que están trabajando estos (por momento en el centro del vano y por cortante en los apoyos) como su deformación (en el centro de vano), considerando, en ambos casos, tanto la escuadría de referencia estimada según la media obtenida en los estudios previos, como la clase resistente de la madera que hemos podido averiguar con las

técnicas de investigación, aplicando, en cualquier caso, los correspondientes coeficientes de minoración según el estado global en el que se encuentren. (Santa Cruz, 2012). Hay que tener en cuenta que en este análisis influye igualmente cómo se apoyan estos maderos en sus extremos, ya que definirá su grado de empotramiento, y que podemos sintetizar en apoyos o empotramientos. Podemos estimar que el solivo está apoyado cuando se permita en este punto su giro, aunque sea mínimamente, ya que en este caso estaríamos del lado de la seguridad, al estar más penalizado este tipo que el empotramiento. Este es el caso frecuente de apoyos de forjados de techos de plantas bajas en muros de fachada; con frecuencia, estos cerramientos se resuelven en este nivel con muros de piedra, que sirven, además, para arriostrar la estructura en sentido transversal al paño de forjado, y que reducen su espesor en plantas superiores que ya se solucionan con muros de entramado, lo que produce un resalte, en el encuentro de ambos, sobre el que se apoya el forjado (véase fig. 7). Otros ejemplos en los que podemos considerar que las viguetas están apoyadas son los forjados de cubierta o de última planta, ya que, normalmente, no existe una carga considerable sobre sus cabezas que impida el mencionado giro, o cuando en plantas intermedias los solivos no cuentan con una continuidad y sobre ellos no apoya muro alguno (véase fig. 8). Sin embargo, cuando sobre las cabezas de las viguetas del forjado exista una carga acentuada como la que provoca un muro superior, que no permita el giro de las mismas en su apoyo, podremos considerar que el forjado está empotrado, y

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Figura 7. Apoyo de forjado en muro de fachada.

Figura 7. Apoyo de forjado en muro de fachada.

su grado de empotramiento dependerá del número de plantas superiores, al recibir es este punto más carga cuantos más niveles existan sobre él (Santa Cruz, 2012). Uno de los problemas que se presentan en este tipo de intervenciones es la elección adecuada de los materiales, procedimientos y técnicas a aplicar, pues, con frecuencia, ha sido común recurrir a ciertos recetarios que han solucionado una determinada cuestión. Pero esta práctica, tan generalizada, ha traído consecuencias nocivas, por escoger y aplicar soluciones sin haber realizado un análisis de los pros y contras para cada caso en particular.

Una vez que hemos diagnosticado correctamente el estado del forjado, y se ha establecido su comportamiento mecánico, con el objeto de facilitar la toma de decisiones, debemos tener un conocimiento preciso de las técnicas que pueden ser aplicables respecto a su conservación, reparación, refuerzo o sustitución, y así poder resolver situaciones originadas por su antigüedad, por un cambio de uso, por la necesidad de adaptarlo a las exigencias actuales o, simplemente, porque en su momento se construyó sin conocimiento suficiente del problema, determinando los motivos de la selección de los materiales y justificando los métodos utilizados para la adopción de las decisiones propuestas.

4. CARACTERÍSTICAS DEL TABLERO CONTRALAMINADO (CLT) Los materiales que con más frecuencia se han empleado en los refuerzos de forjados de madera, a partir de la segunda mitad del siglo xx, han sido los conocidos como «contemporáneos» (acero y hormigón), frente a los «tradicionales» (los utilizados en la arquitectura histórica), en la mayoría de las ocasiones ignorando o menospreciando las cualidades y ventajas que ofrecen estos últimos. Para cada caso en concreto, hay que poner en duda si el acero o el hormigón son la mejor opción a la hora de reforzar forjados de madera, pues pueden no ser tan duraderos como la madera o causar problemas, directa o indirectamente, tras la intervención. En el refuerzo de forjados existentes, la solera de hormigón armado es una de las soluciones más utilizada, ya que proporciona al conjunto una mayor resistencia y rigidez. Es económica y cuenta con una «sencilla puesta en obra», aunque tiene los inconvenientes de que aumenta mucho el peso propio del sistema, tiene unos largos procesos de fraguado, se introduce la «humedad» en una obra en la que existe madera y las conexiones con el sistema estructural vertical existente son muy «aparatosas». En muchas ocasiones se ha dado prioridad a estas actuaciones irreversibles, por considerar que eran la única forma de restituir una estructura, ya que el poder optar por una reversible requiere del conocimiento de las técnicas y de los materiales, de su naturaleza, composición química, comportamiento, características, propiedades, saber cómo funcionan y su tiempo de vida útil, así como su etapa de envejecimiento o falla y valorar las ventajas y las consecuencias positivas y negativas que puede traer la actuación. En España, en un escenario condicionado por las exigencias europeas respecto al comportamiento medioambiental en general y de los edificios en particular, la rehabilitación es una actividad de futuro, pero hacerlo con criterios de eficacia energética es un paso más en la búsqueda de modelos sostenibles. El desarrollo industrial asociado a los materiales y sistemas de intervención estructural deberá, en

consecuencia, adaptarse al aumento del número de obras de rehabilitación, y las ayudas a este tipo de actuaciones propuestas por las Administraciones son cada vez más frecuentes en los planes especiales de recuperación de los centros históricos. Con la utilización del tablero contralaminado en el refuerzo de forjados de madera podremos aplicar criterios de sostenibilidad en la rehabilitación, al ser el impacto ambiental en su producción menor que el de los materiales «contemporáneos». Además, es ligero, manejable y adaptable, reutilizable y reciclable, y permite introducir la prefabricación en este tipo de actuaciones, reduciendo los tiempos de ejecución, pero con la sensibilidad necesaria hacia el edificio sobre el que se actúa. La ejecución se realiza en seco, minimizando el consumo de agua durante su montaje, y, una vez instalado, puede entrar en carga. El campo de la innovación y desarrollo de materiales y sistemas de refuerzo estructural, con un mayor grado de preindustrialización, así como el del desarrollo de sistemas novedosos de puesta en obra, suponen, previsiblemente, un futuro esperanzador para este sector.

4.1. Aproximación al tablero de madera contralaminado (CLT) La superficie plana representa, sin duda, uno de los elementos esenciales a tener en cuenta en el diseño de la construcción de un edificio. Esta puede ser materializada y realizada de formas diversas, según las funciones que deberá cumplir, desde la simple subdivisión de los espacios hasta una función estructural simple integrada en una estructura compleja. La madera ofrece de forma natural elementos lineales que, en el ámbito estructural, se traducen en la realización de entramados y estructuras basadas en vigas, postes y marcos. De hecho, la técnica constructiva más extendida para edificios de madera modernos se basa en la construcción de entramados, donde paredes y forjados son el resultado de la unión de un sistema de elementos lineales de madera, con paneles delgados a modo de arriostramiento, de forma que se materializa una superficie con capacidad estructural.

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No caben dudas acerca de la eficacia del sistema y menos aún del éxito resultante en su uso, ya que se adapta perfectamente a construcciones y proyectos sencillos y regulares. Pero el incremento de la flexibilidad proyectual, el aumento del número de plantas, la arbitrariedad en las formas o la disposición de los huecos constructivos hacen que su aplicación práctica sea mucho más complicada y exigente: el marco estructural o entramado casi siempre es capaz de adaptarse al proyecto, pero con resultados indeseados, con lo que su desarrollo futuro será complejo y difícil (Bernasconi, 2010). La industria de la construcción ha hecho suyo este principio y ha superado ya, desde hace varias décadas, las limitaciones naturales que la madera impone en longitud, linealidad del tronco y secciones máximas. En el ámbito de la carpintería y la ebanistería se hicieron de inmediato elementos planos (superficiales), uniendo tablas primero y luego, con la mejora de la técnica industrial, produciendo tableros «base madera» de chapa o de virutas. Los muebles de madera, al igual que los edificios, pero a escala reducida, están compuestos por superficies planas, pero los problemas estructurales y técnicos que deben abordarse en la ejecución del mueble y en la construcción son, decididamente, de diferente naturaleza y magnitud. Mientras que la carpintería y la ebanistería estaban bien servidas con tableros de pequeño formato, la construcción ha desarrollado otras técnicas, permitiendo realizar paredes y forjados portantes mediante la creación de elementos mayores, a partir de la composición y adición de productos ya disponibles. El acero y el hormigón han solucionado durante mucho tiempo la construcción de edificios de mediana altura, con lo que la madera ha sido una alternativa impensable, arcaica y poco práctica. Con la aparición de los tableros de madera contralaminada (CLT), la creación de grandes superficies estructurales, como sucede con otros materiales tradicionales, también es posible. Su utilización se abre, por tanto, a aquellas áreas que hasta hace poco eran inaccesibles a la madera o accesibles solo a costa de soluciones complejas y compromisos importantes. Este sistema destaca por hacer del edificio una verdadera estructura de traba, ya que todos sus elementos aportan al arriostramiento del edificio y, por ende, a la distribución de cargas, generando una construcción monolítica (Bernasconi, 2010).

Además, la industrialización de los procesos constructivos representa una mejora respecto a las cualidades sostenibles de un proyecto. La obra en seco permite minimizar el consumo de agua en el proceso de ejecución, reducir los residuos y facilitar el posterior reciclaje. A la vez, los sistemas prefabricados de construcción permiten acortar la planificación propia de las obras respecto a la construcción tradicional, mejorando la precisión de ejecución e incluso la seguridad. Este tipo de construcción posee como mejor cualidad el tiempo de montaje en obra y la calidad de sus acabados, todo gracias a la ejecución en cadena de producción desarrollado en fábrica. Al ser módulos normalmente repetitivos, el margen de error es ínfimo si lo comparamos con una construcción convencional, y todo esto beneficia positivamente al costo final de cualquier proyecto, siendo una alternativa rápida y eficiente. Si al valor añadido de la prefabricación incorporamos un material con bajo impacto ambiental, reciclable y sin componentes contaminantes, estaremos reduciendo considerablemente las emisiones de CO2 a la atmósfera, en relación con las soluciones basadas en el hormigón o el acero (Bestraten, 2010).

4.2. Especificaciones La estructura básica de los tableros de madera contralaminados es, en principio, la misma que la de los macizos de tipo multicapa. Se diferencian, fundamentalmente, en sus dimensiones y sus ámbitos de aplicación. El CLT es un tipo relativamente nuevo de tablero de madera maciza prefabricado. Sin embargo, no fue hasta 1996 cuando los proyectos de investigación industrial-académico dieron como resultado el desarrollo del moderno CLT; y todavía se considera una tecnología emergente, descubriendo en la actualidad metodologías de construcción diferentes e identificando nuevas capacidades (véase fig. 9). Se compone de varias capas de gruesas tablas, de entre 6 y 45 mm (EN 16351 de MDL), que se superponen entre sí giradas 90 grados, según el mismo principio que se utiliza en las chapas del tablero contrachapado. El adhesivo, como para la producción de madera laminada encolada, permite unir las tablas y las capas individuales de forma que actúen conjuntamente, obteniendo un producto homogéneo y con una forma monolítica de superficie estructural que

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Figura 9. Montaje de estructura. Vivienda en La Moraleja, Alcobendas, Madrid. Arquitecto: Fernando Martínez Soriano, 2018.

Figura 10. Muros y forjados. Vivienda en La Moraleja, Alcobendas, Madrid. Arquitecto: Fernando Martínez Soriano, 2018.

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puede alcanzar un gran tamaño, aunque la tecnología actual ofrece la posibilidad de producir grandes áreas con tableros «base madera» más pequeños. Pero el criterio determinante para el diseñador es que este tipo de tablero permite crear elementos estructurales con madera sólida, que conforma estructuras curvas e, incluso, la estructura de edificios de gran altura. Esta estructura se compone de muros (que funcionan como pilastra) y forjados (que funcionan como viga), unidos entre sí con conexiones simples (clavos y escuadras) y montadas con facilidad y rapidez (véase fig. 10).

Los materiales utilizados en su elaboración El CLT se construye mediante la composición de tableros de madera o de materiales compuestos (como la madera de chapa laminada). Normalmente, se utilizan láminas de madera aserrada empalmada, clasificadas estructuralmente: pícea (Picea spp.), pino (Pinus spp.), abeto (Abies spp.) o alerce (Larix spp.), siendo la pícea (Picea abies [L] Karst.) la especie más utilizada. La madera empleada debe estar seca y clasificada estructuralmente, aunque se admite que un pequeño porcentaje de tablas por capa no cumpla la clasificación. Las tablas de cada capa, o bien son enterizas, o bien se unen longitudinalmente mediante empalme dentado, no estando permitidas las uniones a tope por la discontinuidad estructural que producirían. El espesor de las tablas de cada capa varía, según cada fabricante, desde 6 a 45 mm, y su anchura puede estar comprendida entre 40 y 300 mm, (EN 16351 de MDL), de forma que la ratio anchura/espesor sea superior a 4. Para la unión de los tableros se utilizan adhesivos estructurales certificados, siendo los poliuretanos los más utilizados, que se pulverizan a aproximadamente 0,2 kg/m2 en los paneles. Durante su aplicación, el adhesivo se transforma, por absorción de la humedad procedente del aire o de la madera, en poliuretano inofensivo. Dado que el adhesivo, al endurecerse, reacciona con todo tipo de agua y, con ello, también sobre la superficie de la piel o sobre las mucosas de las personas que entran en contacto con él, la fase crítica al usar estos adhesivos es la aplicación. Durante dicho tiempo existe también un pequeño riesgo de que se produzcan irritaciones en las mucosas, con la posibilidad de reacciones alérgicas en personas

sensibles, con lo que la forma más segura de neutralizar los restos de adhesivo consiste en ponerlo en contacto con agua para que pueda reaccionar. Por ello, si tras la aplicación aún existieran restos del monómero sin reaccionar, estos reaccionarán espontáneamente con la humedad del aire. Con ello, queda excluida una contaminación del aire en el interior de los locales después de la aplicación, y especialmente más tarde, durante la manipulación del tablero. Cada limpieza con agua reduce adicionalmente el riesgo de que queden monómeros residuales. Por lo tanto, se deduce que los adhesivos aplicados y ya endurecidos son inocuos desde el punto de vista de la salud, incluso en contacto con productos alimenticios. Esto es aplicable también a los ocasionales productos de descomposición en la combustión: cuando la temperatura es suficientemente alta y existe un aporte de aire suficiente no se producen otros productos de combustión distintos a los que se producen en la madera sin pegar. Aunque la mayoría de los paneles están unidos con adhesivos, en algunos casos se pueden utilizar clavos o tacos de madera para sustituirlos.

El proceso de elaboración Las planchas se colocan planas y alineadas, de tal manera que los bordes laterales largos se toquen. Entonces se aplica el adhesivo y, a continuación, se coloca la siguiente capa de placas con la dirección de las fibras perpendicular a la capa anterior. Este proceso continúa hasta el espesor deseado. El compuesto se prensa para unir firmemente las capas. Una vez fabricados los paneles, se lijan y se colocan en un router CNC, para replantear las perforaciones y aberturas necesarias para ventanas, puertas y pasos de instalaciones. Algunos fabricantes realizan un corte a lo largo del borde de los tableros para inducir un alivio de la tensión de las articulaciones. El adhesivo puede curar bajo ambientes interiores, aunque el curado más rápido se produce a temperaturas más altas. Los típicos tiempos de curado varían de 1 a 4 horas, dependiendo de la temperatura. Típicamente, los paneles son simétricos alrededor del eje transversal, es decir, los paneles tienen generalmente 3, 5, 7 capas o más. Cuando se instalan, los paneles están orientados de tal manera que el eje longitudinal de la madera es paralelo al tramo más largo.

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Propiedades Contenido de humedad Se fabrican con un contenido de humedad de 12±2 %. Densidad Depende de las especies de madera utilizadas; la habitual es de una densidad media de 450-500 kg/ m3, que es la correspondiente a la mayoría de las coníferas. Estabilidad dimensional Debido a su constitución de láminas cruzadas, su estabilidad dimensional mejora respecto a la madera maciza, si bien se pueden manifestar, una vez instalada, aperturas de juntas laterales entre las tablas. Acabados Se pueden suministrar con diversas calidades estéticas de acabado, en general se fabrican como madera cruda para revestir en obra, cepillados en calidad vista industrial y calidad vista residencial; pudiendo recubrirse con otros tableros y revestimientos (normalmente tablero de cartón-yeso). Mecanizados Los tableros suelen estar mecanizados en sus cantos, para mejorar las juntas estructurales, en su cara (huecos de ventanas y puertas o inclinaciones para formar pendientes) o en su interior (canalizaciones para pasos de electricidad, tuberías, etc.). Reacción al fuego De acuerdo con la Decisión de la Comisión 2003/43/ EC y con lo especificado en el último borrador de su norma armonizada, se clasifican, sin necesidad de ensayar, como D-s2 para muros y techos y DFL-s1 para suelos. Esta reacción al fuego se puede mejorar con la aplicación de tratamientos retardadores del fuego en la madera, en cuyo caso el fabricante tiene que aportar el informe de ensayo correspondiente y la clasificación realizada de acuerdo con la norma UNE-EN 13501-1. El último borrador de su norma armonizada menciona que se puede calcular de forma teórica a través de las resistencias al fuego de sus componentes o mediante ensayo normalizado. Por otra parte, al tratarse de tableros de madera maciza, se puede calcular de acuerdo con las indicaciones del Eurocódigo 5 (UNE EN 1995-1-2) o el DB SI, siguiendo un modelo de cálculo para

secciones compuestas, teniendo en cuenta cómo se carboniza. Higiene, salud y medio ambiente Al ser un sistema masivo a base de madera, permite el intercambio de vapor de agua con el interior, independientemente de que se limite este por razones de durabilidad o de aislamiento térmico. Resistencia a la difusión del vapor de agua (“μ = rv“) Se determina mediante ensayo de acuerdo con la norma UNE-EN ISO 10456. Estanquidad al agua Esta propiedad no se considera relevante para este tipo de tableros, ya que esta función la desempeñan otros materiales específicos que forman el muro de fachada o la cubierta del edificio. Emisión de sustancias peligrosas Emisión de formaldehído. En el último borrador de su norma armonizada, que recoge las mismas especificaciones de la madera laminada encolada, se especifican las clases E1 y E2 obtenidas de acuerdo con la norma EN 120:1992. Cuando se realicen tratamientos de la madera con productos biocidas o productos retardantes del fuego, han de declararse los tratamientos realizados y el cumplimiento de la legislación vigente de cada país. Aislamiento o protección frente a las radiaciones Cuando estos tableros se usan como único elemento constructivo, el edificio funciona teóricamente como una caja de Faraday, por lo que algunos fabricantes resaltan su aislamiento o protección frente a las radiaciones electromagnéticas de cualquier origen. Aislamiento acústico a ruido aéreo No se dispone de datos. Los fabricantes aportan soluciones constructivas concretas para muros de fachada y forjados, a base de elementos tipo sándwich con sus respectivos resultados de ensayo. Aislamiento acústico a ruido de impacto Transmite bien las ondas acústicas, por lo que su comportamiento no es especialmente bueno. En su caso se puede determinar de acuerdo con las normas UNE-EN-717-1; ISO 140-3 y UNE-EN ISO 10140-1:2016.

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Absorción acústica No se dispone de datos, pero es similar a la de la madera maciza o los tableros de madera maciza. Al no disponer de poros abiertos, no es un buen absorbente acústico. En su caso, se determinará de acuerdo con la norma UNE-EN 2.0354 A1. Permeabilidad al aire Debido a la estructura cruzada de sus caras, los tableros de más de 5 capas y los de 3 capas con espesores de capa iguales o superiores a 30 mm son en sí mismos estancos al aire, si bien su punto débil, en este aspecto, lo constituyen las juntas que, salvo que lleven sistemas de sellado especial, no se suelen considerar estancas al aire. La permeabilidad al aire de las juntas entre tableros se determinará de acuerdo con la norma UNE-EN 12114. Resistencia térmica Es equivalente a la madera maciza con una R = 0,13 Kcal/mh ºC = 0,13 W/ (m·K) según la norma UNE EN 12.524. Inercia térmica Es similar a la de la madera maciza de la que está formada. Se pueden tomar los datos de la norma UNE EN 12.524, Cp= 1.600 J/(kgk). Durabilidad El uso de estos paneles está permitido en las clases de servicio 1 y 2. Si los componentes se emplean como elementos exteriores de construcción, deberán contar con una protección adicional y permanente contra agentes degradantes.

Almacenaje, transporte y acopio en obra Almacenaje en fábrica Se marcan y codifican en fábrica, señalando la ubicación de los tableros en obra (forjados, muros o cubiertas) y la dirección de sus cantos y bordes para facilitar su almacenaje e instalación. Normalmente, las piezas salen de fábrica con mecanizados o herrajes donde ajustar los elementos de cuelgue que faciliten el transporte. Transporte Los tableros se transportan por carretera, en camiones con una longitud máxima de unos 13,5 m. Para

longitudes superiores se debe estudiar, en cada caso concreto, la utilización de medios de transporte especial o específico. Los tableros deben protegerse contra la lluvia directa durante el transporte y ensamblaje, pudiendo recubrirse mediante una lámina plástica, lona plastificada o procedimiento similar, especialmente en aquellos elementos que van a quedar vistos (si bien un humedecimiento temporal no disminuye las prestaciones técnicas del material). Debido a sus dimensiones y peso es necesario prever los medios adecuados de descarga y manipulación. La descarga de los paneles debe realizarse mediante grúa (torre o autopropulsada), maquinillo o poleas, a través de eslingas simétricas sujetas a la pieza, de modo que esta quede compensada para que el camión no se desequilibre. Las piezas pequeñas podrían trasladarse con un traspale o una elevadora de carga con pluma telescópica. Acopio en obra Debido al tamaño y peso de las piezas, debe organizarse un acopio delimitado con caminos de acceso perfectamente compactados para el tránsito. El acopio se realizará en posición horizontal, sobre rastreles elevados o espaciadores que faciliten su izado. Estos rastreles, normalmente tablas, se separan unos 2 m. Lo más frecuente es acopiar en la propia losa de cimentación para minimizar los movimientos. Cuando no es así, es conveniente balizar la zona de influencia durante la colocación de los elementos. Es necesario prever los movimientos de las piezas para asegurar el suficiente espacio de maniobra necesario para su izado e instalación. Si se dispone de poco espacio, lo más recomendable es programar varios envíos según el avance esperado de los trabajos.

4.3. La construcción con CLT La construcción con CLT puede ser vista como una estructura monolítica en tres dimensiones, que se caracteriza por la continuidad del material y la distribución uniforme de la tensión mecánica en toda la estructura. Esto se traduce en menores espesores de las piezas, incrementando la relación entre superficies útil y construida de los edificios. Es, por tanto, un sistema mejorado, con un potencial que lo hace, además, ideal en caso de terremotos, y al que hay que añadir la ventaja de la prefabricación y un montaje extremadamente rápido y en seco, típico de la construcción con madera.

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Con la utilización de este sistema, la resistencia y rigidez de los edificios no tienen nada que envidiar a las estructuras conformadas con otros materiales. La prefabricación en taller de elementos completos de paredes y pisos, que pueden montarse de forma rápida y sencilla in situ, reducen el tiempo de construcción al mínimo y hacen más eficiente el proceso de diseño y construcción en todos los aspectos. Las aperturas de huecos no son un obstáculo para la realización de esta losa de madera, ya que el router CNC replantea y corta con exactitud las aberturas de ventanas, puertas y pasos de instalaciones en el interior de una losa ya calculada con estas perforaciones, por lo que no se compromete su rigidez; la apertura en una pared de una puerta o ventana no requiere, en general, la introducción de un refuerzo adicional de la estructura, como ocurre en los sistemas de entramado (véase fig. 11). La losa de la pared, con su apertura, es un elemento estructural vertical único, gracias a la composición multicapa del elemento, además de que esta solución tiene un efecto significativo en el comportamiento estructural de diferentes elementos (véase fig. 12). Este material da la posibilidad de diseñar con libertad, sin las restricciones propias de otros sistemas de prefabricación, lo que permite generar edificios con identidad propia y mejorar aspectos vinculados a la distribución, dimensiones de los espacios

con criterios de accesibilidad, aberturas en fachada, ventilación e iluminación natural. Podemos decir que el enorme tamaño de estos elementos estructurales, sin las limitaciones de la tradicional estructura de entramados ligeros o pesados en madera, y el principio de continuidad de los elementos verticales proporcionan una libertad enorme en el diseño y en la construcción de edificios, aportando la posibilidad de una gran riqueza de espacios. Su uso está limitado a Clase de Servicio 1 y 2, y su principal ventaja reside en que puede resolver, en muchos casos, varias funciones arquitectónicas al mismo tiempo. El CLT puede cumplir la función estructural y, a su vez, proporcionar cierto control sobre el fuego, sobre el ruido y sobre las pérdidas térmicas de edificio. Con el CLT es posible superar los requisitos de transmisión de sonido exigidos por la normativa en suelos y paredes. La masa adicional de un panel en una construcción realizada con CLT, en relación con edificios de entramado, ofrece un rendimiento superior. Este panel tiene una densidad mucho más elevada que cualquier otro sistema constructivo actual en madera, hecho que mejora su aislamiento acústico (véase fig. 13). Si se utiliza como parte de la envolvente del edificio, realiza funciones de aislamiento, ya sea como un solo componente o como parte de un conjunto.

Figura 11. Proceso de fabricación. Corte de huecos en tablero con CNC (fuente: Egoin).

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Figura 12. Uniones. Vivienda en La Moraleja, Alcobendas, Madrid. Arquitecto: Fernando Martínez Soriano, 2018.

Figura 13. Comportamiento térmico-acústico de diferentes compartimentaciones. Secciones. Vivienda en La Moraleja, Alcobendas, Madrid. Arquitecto: Fernando Martínez Soriano, 2018.

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Aunque su rendimiento, como hoja única, no se ajusta a los requisitos mínimos que se espera de un cerramiento moderno, con la incorporación de capas adicionales, el CLT ayuda a aumentar el rendimiento global de la envolvente, ya que aporta un aislamiento térmico y acústico global, próximo al requerido en la mayoría de los códigos de construcción (véase fig. 14). A pesar de estar hecho de material inflamable y que podría contribuir a la carga de fuego en un edificio en determinadas circunstancias, tiene excelentes calificaciones con respecto a protección contra incendios. Cuando la madera se quema, la capa externa experimenta pirolisis, se forma una capa aislante carbonizada, que protege la parte

más profunda del material, siempre que la estructura esté suficientemente dimensionada. Además, las altas temperaturas producen un movimiento hacia el interior de la pieza del agua líquida restante en el material, aumentando aún más su resistencia al fuego. El comportamiento de muros y forjados realizados con CLT ante el fuego es sensiblemente mejor que la solución convencional de prefabricados de entramado, ya que, en los paneles, la exposición es solo en una cara. En virtud del diseño y de los materiales que lo componen, los paneles CLT son relativamente rígidos y de peso moderado, pero al ser un sistema más pesado que el de entramados, proporciona un mejor rendimiento estructural; por el contrario,

Figura 14. Comportamiento térmico-acústico de diferentes fachadas. Secciones. Vivienda en La Moraleja, Alcobendas, Madrid. Arquitecto: Fernando Martínez Soriano, 2018.

30 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

este rendimiento es menor que el de los sistemas tradicionales más masivos, como los realizados con hormigón, pero se benefician de un peso mucho más ligero. Estructuralmente se utilizan en construcciones solo de madera o mixtas y, por sus cualidades resistentes, pueden emplearse en edificios de todo tipo de usos (desde viviendas hasta construcciones industriales, pasando por edificios administrativos, educacionales, etc.), pero, por sus luces moderadas y limitaciones de altura, son especialmente adecuadas para viviendas y edificios educativos (si bien se han llegado a construir edificios de viviendas de hasta nueve plantas).

Los paneles poseen una gran capacidad a cortante y a momento, lo que les permite ser utilizados como muros portantes y/o de arriostramiento (véase fig. 15). Las placas de cada capa están dispuestas de tal manera que el eje paralelo a la fibra, que es el que mejor funciona, está orientado en la misma dirección que la carga estructural. En este caso, su espesor varía entre 120 y 160 mm. Utilizado como elemento horizontal, el resultado es un tipo estructural idéntico al de las construcciones de placas de hormigón, pero mucho más ligero, con un espesor que varía entre 140 y 200 mm.

Figura 15. Sistemas de encuentro entre paneles. Vivienda en La Moraleja, Alcobendas, Madrid. Arquitecto: Fernando Martínez Soriano, 2018.

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 31

4.4. El uso del CLT en rehabilitación Si bien ya existen planteamientos de soluciones colaborantes entre viguetas de madera y paneles de madera contralaminada, los requerimientos normativos o el mal estado de los forjados a reforzar obligaron, en todos los casos, a la sustitución funcional de la totalidad de estos. En el caso de la rehabilitación del edificio Ca la Dona, proyectado por Sandra Bestraten Castells (2008), la consolidación estructural se planteó con la voluntad de mantener, en la medida de lo posible, la estructura portante del edificio existente, pero las rigurosas exigencias legales, el reducido tiempo de ejecución y el resultado poco halagüeño de la diagnosis de los forjados del edificio hicieron optar por la sustitución de la totalidad de los forjados existentes. Se eliminaron aquellos forjados cuyo estado de degradación pudiera conllevar problemas de seguridad estructural, y los que ofrecían un buen estado,

aunque insuficientes a nivel normativo, se respetaron, manteniendo la imagen original de los mismos, pero liberados de cualquier función portante, más allá de la de su propio peso (véase fig. 16). La creciente sensibilidad hacia la restauración ha llevado, en los últimos años, al estudio de técnicas menos invasivas y reversibles que las actuales en el refuerzo de forjados de madera contra el sismo, como es el caso del realizado por el Departamento de Ingeniería Civil y Arquitectura de la Universidad de Estudio de Udine en 2010, en el que los ensayos a cizalladura realizados en los paneles de madera contralaminada pusieron de relieve interesantes valores de resistencia y de módulo de elasticidad, como para justificar su uso como diafragmas de piso rígido en edificios históricos con forjados de madera, donde el entarimado tradicional de tableros, generalmente clavados, no es capaz de transferir los flujos de carga en el plano producido por tensiones sísmicas (Roensmaens et al., 2018).

Figura 16. Rehabilitación Ca La Dona. Planta despiece de CLT, techo de la planta primera (Berstraten et al., 2010).

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La técnica de construcción con tableros contralaminados permite configurar cajas de murosforjados de un alto grado de rigidez. En el caso de la rehabilitación de la Casa del Cura en Riahuelas (Barbero, 2011) mediante este sistema constructivo, se logró arriostrar el cajón rígido del edificio de 1796 cuyos muros están protegidos, evitando su desplome y consiguiendo que la nueva estructura no provocara empujes puntuales sobre la antigua (véase fig. 17).

La flexibilidad del CLT permite libertad máxima en el diseño de las distribuciones de planta, que no coinciden entre sí, logrando el mayor número posible de habitaciones con ventana para uso hostelero, con una pérdida mínima de superficie útil, y, además, lograr las superficies mínimas por estancias exigidas por la Junta de Castilla y León, para poder clasificar la rehabilitación como Posada Real. Si se hubiera establecido una estructura porticada con continuidad estructural, las distribuciones

Figura 17. Rehabilitación de la Casa del Cura (Barbero, 2011).

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 33

hubieran sufrido por la aparición de elementos portantes que, además, se tendrían que haber revestido por razones de protección contra incendios. Uno de los más amplios proyectos de investigación, en el que el CLT tiene mayor presencia, es el SOFIE, patrocinado por la provincia italiana de Trento, que tiene por objeto el suministro de documentación e información sobre el uso de paneles de madera contralaminada prefabricados como elementos estructurales, con el fin de incrementar su uso, en particular en edificios residenciales de varias plantas, teniendo en cuenta todos los aspectos del comportamiento del edificio, tales como el fuego, la

estática, la acústica, el comportamiento térmico y, en particular, su respuesta sísmica (Ceccotti, 2011). Se realizó un temblor a gran escala en un edificio de tres pisos, en el laboratorio NIED en Tsukuba, Japón, en junio de 2006 (véase fig. 18). La distribución y el diseño de las articulaciones tuvieron mucha influencia en el comportamiento global del sistema estructural. Los paneles de CLT se comportaron como casi completamente rígidos y se confirmó que toda la energía se disipaba en las conexiones. Actualmente, la investigación se lleva a cabo en el CNR-IVALSA (Consejo Italiano de Investigación – Instituto de Árboles y Maderas) de Italia.

Figura 18. Ensayo a escala real en mesa de agitación (Ceccottti, 2011).

5. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE LA SITUACIÓN INICIAL

Relleno macizo:

Establecemos una serie de condicionantes, además de los requerimientos normativos a adoptar, teniendo en cuenta que la sección del forjado de referencia es insuficiente ante los esfuerzos horizontales, lo que anula la función de atado entre los muros portantes y de arriostramiento.

5.1. Consideraciones de las cargas adoptadas En la verificación de los estados límite mediante coeficientes parciales, para la determinación del efecto de las acciones, así como de la respuesta estructural, utilizaremos los valores de cálculo de las variables, obtenidos a partir de sus valores característicos, multiplicándolos o dividiéndolos por los correspondientes coeficientes parciales para las acciones y la resistencia, respectivamente. (CTE-DBAE, 2009). Consideraremos únicamente las acciones de una situación persistente o transitoria. Determinaremos las acciones permanentes, debidas al peso propio del forjado y de los elementos constructivos que se apoyan en este, y su valor característico lo obtendremos de su valor medio deducido a partir de las dimensiones nominales y de los pesos específicos medios, determinados a partir del Anejo C del documento de Acciones en la Edificación del CTE (CTE-DB_AE, 2009). Basándonos en los cuatro tipos de entrevigados que hemos estudiado como más frecuentes, obtenemos las siguientes expresiones para establecer sus pesos propios: Peso de las viguetas de madera (kN/m2):



Bovedilla tabicada: Siendo: S: Separación media entre viguetas. b,h: Dimensiones medias sección vigueta. Vb: Área de la bovedilla. Sb: Ancho de bote cerámico. δM: Densidad de la madera. hb: Altura clave bovedilla. δE: Densidad del material de entrevigado (normalmente cascote+yeso: 1,3 t/m3). Al ser su uso actual de vivienda, adoptaremos como propio el peso de la tabiquería, una carga de 1,0 kN/m2 de superficie construida (CTE-DB-AE, 2009), y como sobrecargas de uso, al ser un caso de uso como vivienda, una uniformemente distribuida de 2 KN/m2. Para la preexistencia no tomaremos en consideración la comprobación local de capacidad portante para una carga concentrada, pero sí para el refuerzo, y tendremos en cuenta que eliminamos la totalidad de rellenos y solados existentes, ya que será necesario para ejecutar cualquiera de los tipos de refuerzo seleccionados. Las viguetas de un forjado tradicional de madera suelen ser piezas de sección rectangular constante, sometidas a flexión casi pura, dado que los posibles esfuerzos en su eje, derivados de los esfuerzos horizontales (viento, excentricidades de muros, etc.), son despreciables en la mayor parte de los casos (Santa Cruz, 2012). Por lo tanto, no se tendrán en consideración el resto de las variables, como el viento, las acciones térmicas o la nieve.

Peso del entrevigado (kN/m2): 5.2. Metodología utilizada en el cálculo Bovedilla de yeso:

Botes cerámicos:



Establecemos que todos los puntos de la sección no sobrepasan el estado elástico del material, con lo que el comportamiento de la madera sometida a flexión se puede cuantificar mediante las expresiones clásicas de resistencia de materiales.

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En este intervalo, la sección transversal de la pieza se mantiene plana y gira en torno a la línea neutra, localizada en el punto medio para una sección rectangular (véase fig. 19). Como veremos más adelante, consideraremos las viguetas como elementos isostáticos, por lo que no es posible la redistribución de momentos flectores, debido a la plastificación de las secciones más solicitadas, con lo que, en este caso, el resultado de dimensionar a partir de los esfuerzos obtenidos mediante análisis elástico es realmente el perfil mínimo necesario por resistencia.

contiguas no se pueda asegurar, con lo que consideraremos que cada vigueta trabaja de manera independiente.

Consideraciones en cuanto a estados límite Analizamos, a continuación, las consideraciones que hemos adoptado para situaciones que, en caso de ser superadas, puedan considerar que el forjado no cumple con alguno de los requisitos estructurales que exigimos. Estados límite últimos

Apoyos y funcionamiento estructural del forjado de referencia Consideraremos que nuestro forjado de referencia se apoya en el muro de fachada (reposa en los retalles que forma la reducción de sección del muro en su cara interior) y en el muro intermedio entramado (establecemos que no hay peso significativo sobre el extremo del forjado). Por lo tanto, a la vigueta no se le impide el giro en su extremo, o se le impide mínimamente, y, como las aristas de las carreras no son rectas, el punto de contacto en el apoyo se desplaza ligeramente hacia el interior del muro, por lo que estaría a 0,25 cm desde la cara interior del espesor del muro, según el DB SE-F, lo que aporta un margen de seguridad, respecto al apoyo en la cara interior, de 1,5 para la flecha y de 1,63 para las tensiones máximas. A efectos de situar correctamente el punto de giro del apoyo, tomaremos como válido el apoyo interior. El entrevigado que nos encontramos tiene poca rigidez y baja resistencia a tracción, que, junto a la escasa trabazón entre vigueta y relleno, hace que el fenómeno de flexión diferencial entre viguetas

En los estados límite últimos, en el agotamiento de secciones, tenemos en cuenta las tensiones máximas debidas al momento flector (compresión y tracción paralela a la fibra, en el centro del vano) y las tensiones máximas debidas al cortante (tensión tangencial perpendicular a la fibra, en el apoyo de vigueta), así como la deformación máxima en el centro del vano, dejando sin analizar la tracción, la compresión y la torsión, que consideramos secundarias. Además, estimamos que son absorbidos por el arriostramiento lateral, el vuelco lateral de vigas y el pandeo por flexión. Realizaremos el análisis relativo a situaciones de dimensionado permanentes, en comprobaciones de estado límite de servicio y estado límite último en régimen lineal, sin analizar la estabilidad global o local, y consideraremos el módulo elástico longitudinal Ed=Emean y el transversal Gd=Gmean, siendo valores medios según los datos de la madera C18 (CTE). Así, la formulación utilizada para la comprobación de solicitaciones, al considerarlas piezas de sección constante de madera maciza, con la dirección de las fibras sensiblemente paralela a su eje axial (CTE-DB-SE-M), ha sido la siguiente: Flexión simple Debe cumplirse la siguiente condición: Siendo: σm,d: Tensión de cálculo a flexión. fm,d: Resistencia de cálculo a flexión. Cortante

Figura 19. Localización de la fibra neutra.

Para solicitaciones de cortante, con una de las componentes paralela a la dirección de la fibra (corte paralelo), debe cumplirse la condición siguiente:

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 37

Siendo: τd: Tensión de cálculo a cortante. fv,d: Resistencia de cálculo a cortante. Estados límite de servicio En este caso solo realizaremos la comprobación de flecha, teniendo en cuenta la funcionalidad y el aspecto visual, omitiendo dos de las tres comprobaciones que prescribe el Código Técnico; no realizaremos la comprobación de flecha que considera la integridad de los elementos constructivos, ni la que considera el confort de los usuarios. A efectos de simplificación, solo verificaremos la deformación total producida por todas las cargas, y estableceremos un máximo de L/300 para verificar la validez de la pieza. Capacidad portante Consideraremos que el forjado tiene suficiente estabilidad si, para todas las situaciones de dimensionado pertinentes, se cumple la siguiente condición: Siendo: Ed,dst: Valor de cálculo del efecto de las acciones desestabilizadoras. Ed,stb: Valor de cálculo del efecto de las acciones estabilizadoras. Consideraremos que el forjado tiene suficiente resistencia si, para todas las situaciones de dimensionado pertinentes, se cumple la siguiente condición: Siendo: Ed: Valor de cálculo del efecto de las acciones. Rd: Valor de cálculo de la resistencia correspondiente. Valores de cálculo El valor de cálculo Xd, de resistencia de la madera, adoptado ha sido:

Y su capacidad de carga de cálculo Rd:

Siendo: Xk : Valor característico de la propiedad del material. Rk : Valor característico de la capacidad de carga. γM : Coeficiente parcial de seguridad, que en situación persistente y transitoria tiene valor de 1,30 (DB-SE-AE). kmod: Factor de modificación que, para el caso de madera maciza, Clase de Servicio 1 y carga permanente, es de 0,80 (DB-SE-M).

Factores de corrección adoptados Duración de las acciones Asignaremos las acciones que solicitan a la vigueta, a la clase de duración permanente, más de 10 años (permanentes y peso propio). Clase de Servicio Establecemos una Clase de Servicio 1, caracterizada por un contenido de humedad en la madera correspondiente a una temperatura de 20 ± 2 °C y una humedad relativa del aire que solo exceda el 65 % unas pocas semanas al año. Durabilidad El elemento estructural está protegido de la intemperie y no expuesto a la humedad. En estas condiciones, la madera maciza tiene un contenido de humedad menor del 20 %: Clase de Uso 1. Factores de corrección de las deformaciones Para considerar el efecto de la fluencia, es decir, para incrementar las deformaciones iniciales elásticas, consideraremos una deformación final, δu,fin , incrementada a partir de la inicial δu,ini según la siguiente relación:

Siendo: kdef: El factor de fluencia que tiene en cuenta la existencia de cargas permanentes y el contenido de humedad en la madera, y de valor para nuestro caso, según el CTE DB-SEM, 0,60 (madera maciza en Clase de Servicio 1). Factor de altura kh Cuando el canto de la sección es menor de 150 mm, el valor característico fm,k lo multiplicaremos por el factor de altura kh (CTE DB SE-M). En este caso,

38 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

debido a la variedad de secciones, extrapolaremos obteniendo un valor kh según la expresión:

Factor de carga compartida Ksys Como hemos justificado, consideramos que cada vigueta trabaja de manera independiente, por lo que adoptaremos un factor, Ksys, de 1.

Siendo: d0: De valor igual a 7 mm. De valor igual a 1, para un tiempo, t, mayor k0: o igual a 20 minutos. dchar,n: Profundidad carbonizada nominal de cálculo; distancia entre la superficie exterior de la sección inicial y la línea que define el frente de carbonización para un tiempo de exposición al fuego determinado, que incluye el efecto del redondeo de las aristas, y se determina según la expresión siguiente:

Consideraciones en situación de fuego El CTE admite que un elemento tiene suficiente resistencia al fuego si, durante el incendio, el valor de cálculo del efecto de las acciones, en todo instante, no supera el valor de la resistencia de dicho elemento. Considera que la resistencia al fuego de un elemento estructural principal del edificio (incluidos forjados) es suficiente si alcanza la clase R60 para el uso vivienda y administrativo, que representa el tiempo en minutos de resistencia ante la acción representada por la curva normalizada tiempo temperatura. Comprobaremos la capacidad portante del elemento en situación de fuego, mediante el método simplificado de cálculo (Anejo SIE del CTE DBSI) que permite determinar la resistencia de los elementos estructurales ante la acción, siguiendo el método de la sección reducida, obtenida eliminando, de la sección inicial, la profundidad eficaz de carbonización, def, en la cara expuesta, alcanzada durante el periodo de tiempo considerado (véase fig. 20). La profundidad eficaz de carbonización, def, es:

Siendo: T: Tiempo de exposición al fuego. ßn: Velocidad de carbonización nominal, que, para maderas sin protección, se considerará constante durante todo el tiempo de exposición al fuego y su valor es 0,80 para madera maciza con densidad característica ≥ 290 kg/m3. La resistencia de cálculo y los parámetros de rigidez los consideraremos constantes durante el incendio, tomando como tales los valores característicos multiplicados por el siguiente factor kfi, que para el caso de la madera maciza tiene un valor de 1,25. El factor de modificación Kmod en situación de incendio, para este caso, tiene un valor de 1. Consideraremos las siguientes hipótesis implícitas: • Analizaremos, a estos efectos, solamente los elementos estructurales individualmente, en lugar de la estructura global. • Las condiciones de contorno y apoyo, para el elemento estructural, se corresponden con las adoptadas para temperatura normal. • No consideraremos las dilataciones térmicas en los elementos de madera. • Consideramos que solo queda expuesta al fuego la cara inferior del elemento. Por lo tanto, determinaremos el efecto de las acciones en situación de incendio a partir de los efectos en situación persistente, y multiplicando los esfuerzos por el factor de reducción ηfi, siendo este valor:

Figura 20. Factores en caso de incendio.

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 39

• Las dimensiones de la vigueta de cada muestra, longitudes máximas y escuadrías, tipo de entrevigado y separación. • Una sección transversal acotada de cada muestra, que indica la geometría de cada una de ellas. • La distribución de cargas variables y permanentes de la muestra, estas últimas asociadas a cada elemento.

5.3. Modelo de cálculo. Herramienta informática Utilizando esta metodología, hemos elaborado una herramienta informática para efectuar la comprobación de la preexistencia. La verificación de los distintos «estados límite» se realiza comparando los efectos de las acciones con la capacidad de respuesta de cada elemento estructural, de acuerdo con el formato basado en los «coeficientes parciales». Para establecer las muestras a analizar, hemos tomado la clasificación indicada en apartados anteriores: 16 muestras; cuatro de cada luz máxima y escuadría correspondiente. Se inicia el cálculo con la selección de la muestra, que hemos definido en unas fichas en la que establecemos todas las características necesarias para su cálculo, además de una representación gráfica de la misma. Cada muestra se denomina con un prefijo (PR, de preexistencia), una letra y un color, que depende de la longitud máxima del forjado y a la que le corresponde la sección de vigueta establecida y se le asigna una ficha. El número y el color son en función de cada uno de los tipos de entrevigado (véase fig. 21). Cada ficha, contiene: • La denominación de la muestra correspondiente en color y nombre.

A continuación, presentamos las fichas de cada una de las muestras seleccionadas (véase fig. 21). En la primera barra de la herramienta informática, denominada análisis de muestra, seleccionamos el tipo de situación a analizar (si es de preexistencia o de refuerzo) y la muestra a verificar de entre todas las determinadas con anterioridad (véase fig. 22). En la siguiente barra, entrada de datos, se selecciona el tipo de madera localizada (si es maciza o laminada), con la clase resistente que nos encontramos en esta situación inicial (se deja la opción de poder seleccionar cualquier clase resistente del tipo de madera seleccionado), la Clase de Servicio (1, 2 ó 3), el uso de la planta que contiene el forjado (residencial, administrativo, comercial, pública concurrencia o cubierta no transitable) y el funcionamiento del forjado (si es por elementos paralelos interconectados o elemento aislado).

Figura 21a

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Figura 21b

Figura 21c

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 41

Figura 21d

Figura 21e

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Figura 21f

Figura 21g

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Figura 21h

Figura 21i

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Figura 21j

Figura 21k

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Figura 21l

Figura 21m

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Figura 21n

Figura 21ñ

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 47

Figura 21o

En la barra requerimientos normativos determinamos los requisitos que exigimos en cuanto a resistencia al fuego (R30, R60, R90, R120 y R180) y en cuanto a deformaciones máximas admitidas respecto a la flecha del forjado (L/300, L350, L400, L/500 o L/1000). Una vez establecidos estos parámetros, ya en la barra de geometría aparecen la escuadría de las viguetas, la separación entre ellas y la longitud máxima de cálculo, parámetros que dependen de la muestra a analizar y ya seleccionada con anterioridad. Si existiera voladizo alguno, se deja la opción de poder introducir la longitud de estos, uno a cada lado del vano central. Del mismo modo, la herramienta calcula automáticamente la hipótesis de carga de la muestra en cuestión en la siguiente barra, en función de los datos previos introducidos. Además, dibuja un esquema estructural de la situación planteada, donde se reflejan la sección de la vigueta, las luces entre vanos y las distribuciones de cargas variables, permanentes y pesos propios del elemento. Los valores de cálculo de las propiedades del material, con los que las tensiones se comparan, se obtienen reduciendo los valores característicos de la «clase resistente» elegida, por los coeficientes parciales de seguridad y los coeficientes de simultaneidad que el DB SE-M asigna para cada situación,

teniendo en cuenta además los «factores de corrección» correspondientes a cada situación de diseño (véase fig. 23). La herramienta incrementa el valor de las acciones características por los coeficientes parciales de seguridad que corresponden a cada una de las situaciones de cálculo elegidas, y, a su vez, por los coeficientes de simultaneidad correspondientes a cada combinación de acciones considerada. Finalmente, traduce los efectos de las solicitaciones en tensiones (normales y tangenciales) y deformaciones (flechas en vigas), teniendo en cuenta las características físicas y geométricas de cada elemento y sus condiciones de contorno, tanto en situación normal como con fuego. Le herramienta, ya en la última barra, resultados de las comprobaciones, realiza la verificación y, dando el dato de si la sección es suficiente o no en cuanto a resistencia por tensiones a flexión, a cortante a deformación por flecha o en situación de fuego. Además, se obtienen los índices de aprovechamiento del material, el vano más penalizado (por si existieran voladizos) y las cargas de servicio y máxima admitidas por la sección en cada situación. Se determina también la carga máxima admitida por la vigueta. La herramienta proporciona, en formato gráfico, la distribución de las cargas de la muestra

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Figura 22. Herramienta de cálculo. Situación preexistente.

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Figura 23. Propiedades del material y factores de corrección.

seleccionada en situación inicial, lo que nos permitirá analizar el reparto de cargas variables y permanentes en la preexistencia, para determinar cómo afectan los pesos propios a las deformaciones de cada una de ellas. También representa, en formato tabla y gráfico, el análisis comparativo de los resultados obtenidos en cada situación de la totalidad de las muestras. En las tablas se marcan en rojo los valores que sobrepasan los exigidos, como advertencia del posible fallo estructural (véase tabla 4).

Se obtienen cuatro gráficos por muestra, que se conforman en función de las tensiones máximas en sección por flexión, por cortante, por deformaciones máximas debidas a la flecha y por tensiones máximas en sección por flexión en situación de fuego (véase gráf. 1a). Además, se realiza en formato gráfico cómo varía el grado de aprovechamiento del material de una muestra a otra, lo que nos proporciona una visión muy aproximada de la que mejor se comporta para cada exigencia (véase gráf. 1b).

Tabla 4. Tablas de resultados. Muestras A y C. MUESTRA A

MA1

MA2

MA3

MA4

8,79

8,29

9,60

14,08

Max, flexión admisible (N/mm )

11,55

11,55

11,55

11,55

Grado de aprovechamiento

0,76

0,72

0,83

1,22

0,28

0,26

0,30

0,44

Máx cortante admisible (N/mm )

1,23

1,23

1,23

1,23

Grado de aprovechamiento

0,23

0,21

0,25

0,36

Flexión ELU (N/mm ) 2

2

Cortante ELU (N/mm ) 2

2

Flexión fuego (N/mm )

17,18

15,93

19,15

27,51

Max flexión fuego admisible (N/mm2)

15,01

15,01

15,01

15,01

Grado de aprovechamiento

1,14

1,06

1,28

1,83

0,35

0,33

0,39

0,57

Max, Cortante fuego admisible (N/mm )

1,60

1,60

1,60

1,60

Grado de aprovechamiento

0,22

0,21

0,24

0,35

Flecha (mm)

24,23

22,76

26,58

38,80

Flecha maxima admisible (mm)

12,00

12,00

12,00

12,00

Grado de aprovechamiento

2,02

1,90

2,21

3,23

2

Cortante fuego (N/mm2) 2

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Gráfico 1a. Gráficos Muestra A.

Gráfico 1b. Gráficos Aprovechamiento de material. A cortante y a flexión.

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5.4. Comprobaciones del cálculo en la situación inicial Reparto de cargas Es significativo que, en líneas generales, las cargas permanentes representen una mayor proporción en el conjunto conforme mayor luz salva el forjado. En referencia al peso de la tabiquería, el reparto está bastante equilibrado y el de la madera despreciable, por lo que las variaciones de las permanentes del sistema se deben, fundamentalmente, al peso del entrevigado, siendo, en el conjunto de las muestras, mayor conforme aumenta la luz, por el incremento de canto (véase gráf. 2). Las mayores cargas permanentes aparecen en las muestras 3 y 4 (relleno macizo y bovedilla

tabicada); el primero por el peso propio del relleno, y el segundo por la mayor distancia entre viguetas, que penaliza en exceso las tensiones a flexión de las secciones de la totalidad de las muestras M4 (A, B, C Y D), independientemente de su escuadría, ya que, a mayor escuadría, mayor separación entre elementos y, por lo tanto, mayor proporción en el reparto de cargas. Comprobación de las secciones Esto provoca que las tensiones a flexión de las muestras M4 (A, B, C Y D) sobrepasen la admisible, sobre todo para luces menores de 360 cm, con secciones de viguetas 8,70 × 12,18 cm (MA4), y para luces entre 450 y 540 cm, con secciones 15,00 × 20,00 cm (MD4) (véase gráf. 3).

Gráfico 2. Reparto de cargas en preexistencia.

Gráfico 3. Tensiones en ELU. Muestras MA y MD. Preexistencia.

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Las deformaciones excesivas por flecha son generalizadas en la totalidad de las muestras, siendo mucho mayores en las muestras MD. Además, es destacable que las de las muestras M4 (entrevigado de bovedilla cerámica), para todas las luces, son mucho mayores que en el resto. Sin embargo, las muestras con flecha menos acusadas son siempre las M2 (entrevigado de bote cerámico), que tienen los valores de cargas permanentes menores y entrevigado más ligero. Las flechas son mayores conforme se incrementan los pesos propios del sistema (véase gráf. 4). En situación de fuego, la totalidad de las muestras MA (secciones de viguetas 8,70 × 12,18 cm) superan las tensiones admisibles, a pesar de solo estar expuesta

la cara inferior y de que el factor de reducción, ηfi, es bajo, ya que la sección tiene muy poco canto. Las MC (luces entre 410-450 cm y sección 13,00 × 18,00 cm) tienen sus tensiones máximas por debajo de lo admisible, ya que la sección de madera es mayor; sin embargo, las MB y MD, aunque cuentan también con secciones aceptables, las que tienen el entrevigado de bóveda tabicada (4), no cumplen con la RF60 exigida, debido al exceso de carga en el reparto que la mayor separación entre viguetas produce (véase gráf. 5). Según el grado de aprovechamiento de material, independientemente de la luz que salvan, son las muestras realizadas con entrevigados más ligeros las que se comportan de manera menos exigente

Gráfico 4. Deformaciones. Muestras MC y MD. Preexistencia.

Gráfico 5. Tensiones a flexión en situación de fuego. Muestras MA y MB. Preexistencia.

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 53

en todas las variables observadas; las M2, forjados con entrevigados de bote cerámico, y las M1, entrevigados realizados con galápagos, que, en definitiva, son las de menos peso propio (véase gráf. 6). Es destacable el buen comportamiento que, en líneas generales, tiene el sistema en situación de fuego, debido, fundamentalmente, a que las viguetas se encuentran expuestas solo por una cara. Las muestras M4, entrevigado con bovedilla tabicada, son las que presentan los valores más desfavorables en cuanto a tensiones, deformaciones y situación de fuego. Se puede concluir que el principal problema de este sistema lo plantean las flechas excesivas, justificado, fundamentalmente, por el bajo módulo de elasticidad que tiene la madera.

Gráfico 6. Grado de aprovechamiento del material. Preexistencia. Flecha.

6. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DE REFUERZO PROPUESTOS A continuación vamos a describir los dos sistemas propuestos para realizar el refuerzo del forjado de referencia: la solera de hormigón armado y el tablero de madera contralaminado. En ambos casos, consideraremos que: • La cimentación y el entramado de madera vertical original siguen asumiendo su función portante, aunque finalmente realizaremos una aproximación de los posibles refuerzos a realizar por el incremento de las cargas. • Se mantiene el forjado original funcionando, incluso cuando su situación es parcialmente degradada. • La actuación se realizará por la parte superior del forjado existente, con lo que el refuerzo se plantea descargando los pesos propios de rellenos y solados y la sobrecarga de uso, mientras se ejecutan las obras de refuerzo. • Se establece que el solado posterior al refuerzo es un estratificado de madera, por lo que la comprobación no incluye este peso propio. • El refuerzo se unirá a las viguetas mediante conexiones metálicas. Una característica de estos forjados es su flecha remanente, que es patente cuando retiramos los elementos de partición y las capas de solados (véase fig. 24).

Es muy frecuente encontrar que, en las sucesivas reformas que se han realizado en estas viviendas, se han vuelto a solar los pisos nivelando las flechas existentes. Como consecuencia, suelen existir, en los vanos grandes, espesores de relleno y solados cuya sobrecarga acrecienta aún más la flecha existente. Al retirar toda esta capa de relleno y solados observamos una deformación de la madera que no es recuperable, aunque tal curvatura no implica necesariamente un deterioro de las viguetas, sino un proceso natural de adaptación de la madera (Santa Cruz, 2012). En este caso, no se tendrá en cuenta, a efectos de cálculo, la flecha remanente, pero sí a efectos de ejecución, realizando una serie de recomendaciones para solucionar la puesta en obra de los dos sistemas.

6.1. Sistema mixto hormigón-madera Descripción del sistema Esta solución se basa en la incorporación de una fina solera de hormigón armado en la parte superior del forjado existente, uniendo ambos sistemas entre sí mediante una adecuada técnica de conexión (véase fig. 25). El objetivo es lograr que el hormigón, o la mayor parte de él, trabaje a compresión, con lo que se consigue aumentar el canto resistente del forjado y el de todas las características mecánicas que condicionan su comportamiento a flexión, aunque para ello es preciso que los conectores hormigón-madera sean capaces de absorber los esfuerzos rasantes que

Figura 24. Esquema sección de flecha remanente.

56 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

Figura 25. Sección constructiva tipo del refuerzo con hormigón.

se generan en la superficie de contacto entre ambos materiales, lo que permite entender el forjado como un conjunto de vigas mixtas de madera-hormigón, cuya sección en T mejora considerablemente el comportamiento del conjunto (Basterra, 2005). A menudo se ha ejecutado la solera sin tipo de unión entre refuerzo y preexistencia, no logrando un comportamiento conjunto madera-hormigón, con lo que apenas mejora su funcionamiento y, como se incrementa, además, el peso propio de manera significativa, da lugar a una situación incluso peor que la de partida Los conectores que aseguran el trabajo solidario de los dos materiales son elementos críticos de la solución, y los hay de muy diversos tipos: continuos, puntuales, anclados con resina o mecánicamente, etc.; aunque es preferible decantarse por aquellos

desarrollados específicamente para la unión madera-hormigón, ya que el fabricante suele ofrecer un sistema de cálculo propio suficientemente ensayado y probado. Sin embargo, cualquier tipo de conector es válido, siempre y cuando cumpla con los requisitos mecánicos antes expuestos (Santa Cruz, 2012), como los tirafondos o tornillos para madera que utilizaremos en nuestro caso. Estos constan de un fuste con una zona roscada en la punta (cuerda) y un tramo liso (caña) (véase fig. 26). La forma de la cabeza puede ser lenticular, redonda, avellanada o hexagonal. Trabajan frente a cargas laterales (cortante) y, al contrario que los clavos, tienen una elevada capacidad resistente a cargas de extracción.

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 57

Figura 26. Conectores tirafondos.

Dentro de los normalizados es frecuente el uso de los siguientes: • DIN 95. Tirafondo con cabeza embutida lenticular con ranura. Diámetro de 3 a 6 mm y longitud de 12 a 80 mm. • DIN 96. Tirafondo con cabeza redonda con ranura. Diámetro de 3 a 6 mm y longitud de 10 a 80 mm. • DIN 97. Tirafondo con cabeza avellanada con ranura. Diámetro de 3 a 8 mm y longitud de 10 a 100 mm. • DIN 571. Tirafondo con cabeza hexagonal (denominado normalmente barraquero). Diámetro de 4 a 20 mm y longitud de 20 a 350 mm. Lo más habitual es utilizar tirafondos DIN 571 (barraqueros) de diámetros de 12 y 16 mm, con punta autotaladrante y con longitudes de 50 a 300 mm; la calidad del acero suele ser 10,9.

La propiedad necesaria para el cálculo de los tirafondos es la resistencia a tracción, fu, del material con el que están fabricados, y el fabricante deberá aportar este valor. En el caso de aceros de calidad no aleados con diámetro menor o igual a 16 mm, la resistencia mínima es mayor o igual a 550 N/mm2. La norma DIN 1052 especifica una resistencia mínima a tracción para los tirafondos de 400 N/mm2. En nuestro caso, el espesor de la capa de hormigón armado HA25 será de 5 a 8 cm (véase tabla 5), con mallazo de φ 5 20.20, para constituir la sección mixta de madera y hormigón y lograr el aumento de inercia. Para solucionar la conexión viga-refuerzo, colocaremos dos tornillos autorroscantes 8/100 DIN 571 en cada vigueta, inclinados 45º, con pretaladro y que sobresalgan 2,7 cm de esta. Además, se situará una lámina de impermeabilizante y transpirable entre madera y hormigón para evitar el paso de la humedad.

Tabla 5. Datos técnicos del hormigón. Datos técnicos HA25 Tipo de hormigón

HA25/P/20/IIa

Módulo de elasticidad

2000 KN/cm²

Peso

25,0 kN/m³

Calor espec. (cp)

1000 J/(kg*K)

Res. vap. agua (μ)

80

Comportamiento al fuego

REI-30  Aislamiento

Cond. térm. (µ)

2,50 W/(m*K)

Al ruido aéreo

30 dB

Al ruido impacto

24 dB

Aislamiento térmico global (U) del sistema

1,70 (W/m2K)

58 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

La conexión con el muro la solucionaremos mediante perforaciones cada 30 cm, de Ø 16 mm, armadas con barra de acero corrugada encolada, de 90 cm de longitud y curvada a 45°, insertada en el muro de entramado 40 cm, en un agujero de 30 mm de diámetro, por todo el perímetro del forjado cada 50 cm, y recibida con mortero de resinas epoxi de 1600 kg/m3 de densidad. Esta práctica constructiva dota al conjunto de una mayor resistencia y rigidez, y ha sido ampliamente empleada, no muy acertadamente, sin ningún tipo de unión entre ambos materiales, con lo que ambas partes trabajaban independientemente una de otra, sin apenas mejora en sus prestaciones estructurales. En estas condiciones, además, el hormigón incrementa el peso propio del sistema, de forma muy significativa en forjados con desniveles importantes, y, en no pocas ocasiones, con resultados incluso peores que el de partida. Proceso de ejecución Como comentamos, desde el punto de vista de la puesta en obra, la flecha remanente suele ser un inconveniente, pues casi siempre se procura nivelar la capa de compresión por su cara superior, dando lugar a espesores mayores en el centro de vano, es decir, un sobrepeso en la zona más comprometida. Posibles soluciones son, bien mantener constante el espesor y nivelar posteriormente con un solado de tarima, o bien utilizar un relleno ligero como base de solado (por ejemplo, una solera seca). Es recomendable utilizar técnicas que permitan construir una capa de hormigón horizontal y de espesor constante, ya que, si bien son más costosas, así se provoca que, en el vano, la losa quede a una cierta distancia de la cara superior de las viguetas,

con lo que estaremos introduciendo en el vano, donde el momento es máximo, una mayor separación entre las resultantes de tracción en la madera y las de compresión en el hormigón, obteniendo así una mayor resistencia a la flexión (véase fig. 27). El procedimiento de ejecución sigue estos pasos: • Demolición de los falsos techos si existen. • Apeo del forjado con sopanda superior y durmiente inferior transversal en el centro del vano, acuñados y clavados a las viguetas. • Levantado de solado y rellenos hasta descubrir las viguetas por su cara superior. • Ajuste del apeo. • Evaluación del estado de las viguetas, ejecución de posibles sustituciones y reparaciones parciales y aplicación de tratamientos fungicidas a la madera. • Colocación de lámina impermeabilizante. • Fijación de los conectores, sellando posteriormente el encuentro con la lámina. • Ejecución de taladros en los muros perimetrales, a nivel de la capa de compresión, para conectar refuerzo y muros. Colocación de las barras corrugadas y sellado de los orificios mediante mortero sin retracción o morteros de formulación epoxi. • Nivelado del forjado con material aligerado (arcilla expandida en seco o ligeramente ligada con cemento). • Colocación del mallazo y conexión con la armadura de muros perimetrales. • Hormigonado con dosificaciones de relación agua/cemento baja, que permita el bombeado. • Una vez alcanzada la resistencia mínima, desapuntalamiento.

Figura 27. Montaje (fuente: AITIM).

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Parámetros Solución económica y de fácil montaje. Tiene el inconveniente de que, además de su costosa reversibilidad, aumenta de forma importante el peso propio, lo que en madera es especialmente desfavorable, al estar más penalizadas las cargas permanentes respecto de las sobrecargas. Estas se transmiten al resto de la estructura, con sus correspondientes afecciones.

6.2. Sistema mixto CLT-madera Descripción del sistema Este sistema se plantea con la voluntad de mantener, en la medida de lo posible, el sistema estructural portante del edificio existente, aportando una solución colaborante entre las vigas de madera existentes y los paneles de madera contralaminada, manteniendo la imagen original y garantizando el arriostramiento del edificio también en fase de rehabilitación. La innovación aportada y aplicada consiste en utilizar los paneles de madera contralaminada en rehabilitación, industrializando los procesos de producción y montaje de los forjados en este tipo de obras. El proceso de industrialización comienza con un levantamiento previo de la totalidad del edificio. Seguidamente se dibuja en formato informático el despiece más adecuado en función de los requisitos estructurales y del proceso de montaje previsto. La información gráfica digitalizada se envía directamente a fábrica, donde se cortan a medida los

paneles a colocar en obra con sistemas de mecanización totalmente informatizados. Finalmente, se aplican los tratamientos fungicidas correspondientes, mediante pulverización también en fábrica. En nuestro caso, utilizaremos un tablero de madera contralaminada, de 6 a 7,8 cm, con 3 capas de tablas de madera de abeto rojo, clasificada visualmente en la clase resistente C-24 según EN 338, o S10 según DIN 4074, y un ancho de tablero de 1,025 m (véase tabla 6) para lograr una correcta modulación del ancho estándar de 2,95 m. La cola utilizada en su fabricación es una PUR 100 % libre de compuestos volátiles, homologada según EN 15425 para elementos portantes interiores. Unión a media madera entre los paneles y conexiones entre ellos mediante tirafondos autorroscantes de cabeza plana abombada, bicromatados 6/50 cada 100 cm colocados con una inclinación de 45º. Fijación a los solivos existentes mediante el mismo tipo de tornillos tirafondos de dimensiones 8/100, igualmente inclinados, que resuelve la conexión entre los dos elementos. Para solucionar los esfuerzos horizontales, el encuentro con el muro se soluciona mediante el empotramiento de las vigas existentes y escuadras 40.100.10 cada metro, ancladas a muro mediante tacos hilty (anclaje químico HIT-MM PLUS, M8 y varilla HAS-EM120)) a tresbolillo y atornilladas al tablero mediante pasador autotaladrante SFS WS-T φC71c/60. Retacado de perfiles en muro perimetral con mortero de resinas (véase fig. 28).

Tabla 6. Datos técnicos del CLT. Datos técnicos tablero CLT Tipo de madera:

C24

Módulo de elasticidad

1000 KN/cm²

Peso

5,0 kN/m³

Calor espec. (cp)

1600 J/(kg*K)

Res. vap. agua (μ)

25 a 50

Comportamiento al fuego

B-s2, d0

V. carboniz.

0,67mm/min. (1cara)

Aislamiento Cond. térm. (λ).

0,13 W/(m*K)

Al ruido aéreo

30 dB

Al ruido impacto

24 dB

Aislamiento térmico global (U) del sistema

1,08 (W/m2K

60 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

Figura 28. Sección constructiva tipo del refuerzo con CLT.

Figura 29. Montaje (Berstraten et al., 2010).

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Proceso de ejecución Los paneles son transportados desde la fábrica a la obra con un camión grúa, para una altura de trabajo de 9,50 m. Se izan en posición horizontal, con estrobo de 4 cadenas a sus 4 puntos de enganche, desde el propio camión hasta el paso de hueco exterior para su ubicación en la obra (véase fig. 29). Desde el punto de vista de su aplicación, la curvatura remanente vuelve a representar un inconveniente a la hora de tener que definir el plano horizontal para conectar de forma homogénea el panel con las vigas existentes. Se propone la modulación de los tableros dependiendo del ancho de crujía y del aprovechamiento de material, con el objetivo de garantizar su operatividad y maniobrabilidad en el interior del edificio. Las longitudes de los paneles son variables, y si bien pueden llegar hasta los 18 m de longitud, su limitación es el medio de transporte. En nuestro caso, las longitudes utilizadas son las propias de las luces de cada sala, y los espesores utilizados han sido de 60 y 72 mm. El CLT tiene la capacidad de transmitir cargas en cualquier dirección, produciendo un efecto placa realmente efectivo, que permite considerar el forjado como una unidad monolítica y rígida. El procedimiento de ejecución sigue estos pasos: • Demolición de los falsos techos si existen. • Apeo del forjado con sopanda superior y durmiente inferior transversal en el centro del vano, acuñados y clavados a las viguetas.

• Levantado de solado y rellenos hasta descubrir las viguetas por su cara superior. • Ajuste del apeo. • Evaluación del estado de las viguetas, ejecución de posibles sustituciones y reparaciones parciales y aplicación de tratamientos fungicidas a la madera. • Levantamiento exacto de forjado, estableciendo en fábrica la modulación y los espesores para solucionar las flechas remanentes. Los tableros se trasladan a obra en camiones y llegan ordenados en series según el orden de montaje establecido. • Colocación de perfil LD en la totalidad del perímetro atornillado a los muros con tacos químicos y retacado con mortero fluido. • Elevación y colocación de paneles sobre las vigas de madera. Uno de los retos más importantes de la propuesta es desplazar los paneles prefabricados por el interior del edificio, utilizando una serie de medios auxiliares que permitan desplazar, girar, elevar y colocar paneles de importantes dimensiones y pesos de una manera sencilla y sin esfuerzo físico humano relevante. • Fijación mecánica de los paneles entre sí, a las viguetas y al perfil LD perimetral. • Desapuntalamiento. Parámetros Solución reversible y de gran ligereza, con un peso propio de 5,0 KN/m3, que es asumida con facilidad por la estructura existente.

Figura 30. Montaje (Berstraten et al., 2010).

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Tiene el inconveniente de tener que definir el plano horizontal para conectar de forma homogénea el panel con las vigas existentes, debido a la flecha remanente (véase fig. 30). Aunque el tablero se dimensiona para la deformación más desfavorable, la solución pasa por variar el grosor de cada tablero en función de la fle-

cha existente, para así conseguir la planeidad por su cara superior. Según la modulación del ancho de tablero, se va rectificando su espesor en función de las necesidades (número de láminas o espesor de tablas que lo conforman). A efectos de cálculo, en este caso se ha considerado un grosor de tablero constante.

7. ANÁLISIS COMPARATIVO DEL FUNCIONAMIENTO ESTRUCTURAL DE LOS DOS SISTEMAS El estudio comparativo que se presenta ha permitido completar la herramienta elaborada para verificar las preexistencias, lo que facilita el dimensionado y análisis de las dos soluciones en los casos propuestos. Ineludiblemente, las soluciones responden a los requerimientos normativos determinados por el cambio de uso establecido del edificio, en especial los estructurales y los de incendio, con lo que el sistema deberá garantizar una resistencia al fuego de 60 minutos, necesaria para uso administrativo, con el incremento de cargas permanentes y variables correspondientes. En cuanto a la limitación de la flecha, continuaremos verificando únicamente el L/300 con el total de las cargas. La Clase de Servicio 1 y la Clase de Uso 1 (CTE, DB-SE) no sufren cambio con respecto a la situación inicial y, además, no tendremos en cuenta los DB-HE y DB-HR del CTE, ya que, como hemos justificado con anterioridad, no son de obligado cumplimiento por ser una rehabilitación de edificio existente.

7.1. Consideraciones de las cargas adoptadas Seguimos considerando únicamente las acciones de una situación persistente o transitoria, y con base en lo establecido en el CTE-DB-AE, 2009 determinamos que: • Incrementaremos las acciones permanentes en situación inicial, con los pesos propios del refuerzo considerado, cuyo valor característico, Gk, lo obtendremos de su valor medio deducido a partir de las dimensiones nominales, y de los pesos específicos medios determinados a partir de las tablas 7 y 8 (5,0 kN/m³ para el caso del CLT y 25,0 kN/ m³ para el HA25).

• Mantenemos un peso propio de la tabiquería de 1,0 kN/m2 de superficie construida. • Para las sobrecargas de uso, consideraremos que es una zona de sillas y mesas en uso administrativo, incrementando en 1 kN/m2 la inicial, con un total de 3 kN/m2. • En este caso, realizaremos las comprobaciones locales de capacidad portante, considerando una carga concentrada actuando en cualquier punto de la zona, y de forma independiente de la sobrecarga uniformemente distribuida, de 2 kN. Del mismo modo, y tal y como ocurría en la situación inicial, no se tendrán en consideración el resto de las variables como el viento, las acciones térmicas o la nieve, y se tendrá en cuenta que se han suprimido la totalidad de rellenos y solados existentes, siendo un estratificado de madera el acabado final, con lo que consideramos despreciable su peso propio.

7.2. Metodología utilizada en el cálculo Hasta finales de los años setenta, la utilización de forjados mixtos se ha basado en un puro empirismo de carácter experimental, no existiendo método alguno de cálculo con el que poder valorar cuantitativamente su funcionamiento. Pero, a partir de estos años, se han realizado numerosas investigaciones que han permitido conocer el comportamiento de los forjados mixtos. Las denominadas vigas mixtas, combinan en un solo elemento o pieza dos materiales y tecnologías, llegando a un modelo único que tenga en cuenta la superposición de ambos materiales. Su comportamiento mecánico radica en la eficacia de la conexión entre los dos materiales, que se realiza a base de elementos tales como tornillos, clavos, pasadores, etc., generalmente de forma discontinua. La normativa actual específica aplicable, CTESE-M y Eurocódigo 5, Anexo B, (Porteous, J. et al., 2013), contempla la posibilidad de calcular los forjados mixtos considerando una conexión entre los dos materiales, bien total (conectores a tracción), bien semirrígida (conectores a cortante) (véase fig. 31).

64 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

Figura 31. Metodología de cálculo de forjados mixtos.

El DB-CTE-SE-M indica que, si la sección transversal de una pieza está formada de varias partes conectadas con medios mecánicos de fijación, debe considerarse el deslizamiento de las uniones. Los cálculos pueden considerar que entre fuerza y deslizamiento existe una relación lineal que, en algunos casos, se incluye en este DB a través del coeficiente Kser. Pero el mismo documento establece que, siempre que el sistema permita la formación de un mecanismo de biela tirante con la biela inclinada formando ángulos entre 40º y 60º con el plano de contacto, y para piezas cuya luz es menor de 12 m, se puede prescindir del deslizamiento de la unión y realizar el análisis con la sección total, a través de la teoría clásica de resistencia de materiales. Para prescindir del deslizamiento de la unión y considerar una conexión total entre viga y refuerzo, los tirafondos deberán colocarse inclinados, ya que esta situación les proporciona mucha mayor rigidez que los colocados ortogonalmente a las piezas que unen. En este caso, al ser un estudio comparativo de dos sistemas de refuerzo que utilizan dos materiales diferentes, vamos a aplicar la opción de conexión rí-

gida, y el cálculo general del forjado lo realizaremos mediante la teoría clásica de materiales, en concreto, mediante el sistema de la sección homogeneizada. Básicamente, el enfoque para determinar cómo trabajan en conjunto los dos materiales, se realiza considerando la unificación de los dos en uno, transformando uno de ellos en inercias o secciones equivalentes al otro. Sección homogénea y transformada Mediante este método, la teoría de la flexión se puede aplicar de forma directa a las vigas mixtas, debido a que se asume que el material es homogéneo y las deformaciones y esfuerzos varían proporcionalmente con la profundidad del eje neutro, aunque solo es válido para materiales dentro del rango elástico-lineal. El método consiste en transformar toda la viga en un solo material homogéneo (véase fig. 32). El primer paso es transformar la sección transversal de una viga compuesta en una equivalente de una viga de un solo material. Después se analiza la viga normalmente por flexión y, por último, los es-

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 65

Como la curvatura es igual en la sección transversal, la integral queda:

Las integrales representan el primer momento de área de la sección transversal con respecto al eje neutro, por lo tanto, deben ser iguales. Si se define n como la razón modular:

Figura 32. Viga compuesta.

fuerzos en la sección transformada se convierten a los de la viga original. Se supone una viga hecha de dos materiales diferentes, el material (A) y el material (B). El eje neutro EN de la sección transformada debe localizarse en el mismo lugar de la viga original y se encuentra a partir de la condición de equilibrio horizontal; la sumatoria de fuerzas horizontales resultantes en la sección que actúa en la sección transversal es cero:

Reemplazando, se observa que el eje neutro no cambia si cada elemento de área dA del elemento B se multiplica por la razón modular:

La nueva sección transversal queda formada por dos áreas: 1. El área (A) permanece igual. 2. El área (B) con el ancho b multiplicado por n. En la superficie de contacto (véase fig. 33). Si EB > EA, utilizando la ley de Hooke, en la superficie de contacto, los esfuerzos son:

Siendo: ΣFH : El sumatorio de todas las fuerzas horizontales òAsAdA +òBsBdA : La suma de las tensiones Reemplazando:

La deformación en el nivel 2, es igual en los dos materiales; igualando las deformaciones:

Figura 33. Sección transformada y tensiones en la sección.

66 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

Los esfuerzos en el material B, en el nivel 2, son iguales a los esfuerzos en el material A multiplicado por n, en el nivel 2:

Los esfuerzos de flexión en la viga transformada se calculan asumiendo que la relación momento curvatura en la viga transformada es igual que en la viga original. El par interno resistente en la sección es:

Los esfuerzos en el material (A) de la viga original son los mismos que en la parte correspondiente de la viga transformada. Mientras que en la viga original con material (B) los esfuerzos son diferentes de los de la viga transformada:

Los esfuerzos en el material (B) de la sección transformada serán:

Conectores. Tirafondos

La integral es el momento de inercia en el área:

Factorizo EA:

Como sx=Eky, se igualan las curvaturas:

Luego los esfuerzos de flexión en el material A son:

El momento de inercia de la sección transformada es:

Hemos visto que existen múltiples maneras o métodos constructivos para lograr la unión de los dos elementos que conforman el elemento compuesto, y esta es de vital importancia para que el elemento final funcione como un todo. Si esta conexión no está bien lograda, cada parte actuará como una estructura independiente, con las complicaciones que ello puede traer, al ser concebidas como un elemento único. Los tornillos tirafondos pueden ser utilizados como elemento de conexión entre la madera y el refuerzo al atornillarlos parcialmente en la madera. En ensayos realizados con tirafondos de 12 mm y 16 mm de diámetro se determinó que la falla fue iniciada por la fluencia del acero, seguida por el aplastamiento de la madera en la interfaz. Esto resultó en deformaciones elevadas, antes de que la fuerza máxima fuese alcanzada, lo que evitó el desarrollo de su resistencia máxima en un sistema mixto (Yeoh et al., 2008). Así, el comportamiento a flexión de la sección conjunta de la madera y el refuerzo depende de la rigidez del conector, que varía según el tipo utilizado y su relación con la madera y el refuerzo. Lo más habitual es que los dos materiales estén en contacto, que el conectador esté solicitado a esfuerzo cortante-rasante y, si están inclinados entre 45º y 60º, trabajen también a esfuerzos axiales (Pardo, 2009). En este caso, al considerar una conexión «total» entre refuerzo y viga, las secciones transversales se mantienen planas, antes y después de deformarse por flexión el refuerzo y la madera.

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 67

La flecha de las dos partes de la sección mixta es la misma y el comportamiento de la sección se considera elástico-lineal. Hay que considerar que la conexión entre las partes ha de ser «total» y agotar la sección bajo criterios de resistencia a flexión. La norma determina que, en este caso, el dimensionamiento de tirafondo, que funcionan a tracción, deberá realizarse considerando la carga axial CTE DB-SE-M). Se realizará un pretaladro para los tirafondos, con un diámetro de la caña d > 6 mm y cumpliendo con los siguientes requisitos: • El agujero guía de la caña será del mismo diámetro que la caña y de la misma profundidad que la longitud de la caña. • El agujero guía para la cuerda (parte roscada) tendrá un diámetro de aproximadamente el 70 % del diámetro de la caña. • La penetración mínima de la parte roscada en la pieza de punta será 6d. • Además, se cumplirá que: • 6 mm ≤ d ≤ 12 mm • 0,6 ≤ d1 /d ≤ 0,75 Siendo: d: El diámetro exterior de la rosca. d1: El diámetro interior de la rosca. La capacidad de carga axial de los tirafondos la calcularemos según lo establecido en la normativa actual (DB-SE-M y EC5), comprobando los siguientes modos de fallo: • La capacidad al arranque de la parte roscada del tirafondo, función, entre otros factores, de la longitud roscada. • La resistencia a tracción del tirafondo. • La resistencia a la incrustación de la cabeza del tirafondo, que será determinada por el fabricante. La carga de tornillo para madera en la dirección de su axil longitudinal (carga axial) se ha calculado desde el parámetro de arrancamiento f3,k:

Siendo: rk: Densidad de la madera. d: Diámetro exterior medido en la parte roscada.

El valor para dimensionar el parámetro de arrancamiento de tornillos se ha obtenido respetando el kmod y γM = 1,3 con la expresión:

Con el cálculo de valores para dimensionar la resistencia a arrancamiento y valores para dimensionar la carga hemos obtenido el valor aplicable para dimensionar, con la expresión:

Siendo: γM: 1,1. d: Diámetro exterior medido en la parte roscada. lef: Longitud de penetración en la pieza de la parte roscada menos un diámetro. Las distancias mínimas se han tomado por la regla de carga de tornillos en dirección perpendicular al axis longitudinal (A. Midžić, 2013). Las resistencias a tracción y cortante de los tirafondos las proporciona el fabricante. Aunque, en este caso, consideremos solo la capacidad de carga axial del conector, como disponemos de tirafondos a distancias variables entre Smin y Smax ≤ 4 Smin en la dirección longitudinal, los comprobaremos para una fuerza rasante considerando una separación eficaz Sef, definida por la expresión:

7.3. Herramienta informática Utilizando esta metodología incorporamos a la herramienta, realizada para comprobar la preexistencia, una geometría específica para cada refuerzo por muestra, con los dos tipos de sistema de refuerzo planteados. A partir de las secciones establecidas en la situación preexistente, creamos dos nuevas por muestra, una por tipo de refuerzo, a las que incorporamos los pesos propios del CLT y del hormigón, además de incrementar la sobrecarga de uso a 3 kN/ m2 (véanse tablas 7 y 8).

68 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

Tabla 7. Cargas elemento reforzado con CLT. CARGAS ELEMENTO REFORZADO CON CLT PESOS PROPIO  MUESTRA

SOBRECARGAS

Peso CLT

Peso refuerzo

TOTAL

Uso oficinas

kN/m

kN/m

kN/m

kg/m2

3

2

2

REA1

5,00

0,30

2,05

300,00

REA2

5,00

0,30

1,83

300,00

REA3

5,00

0,30

2,42

300,00

REA4

5,00

0,39

2,06

300,00

REB1

5,00

0,30

2,26

300,00

REB2

5,00

0,30

2,04

300,00

REB3

5,00

0,30

2,74

300,00

REB4

5,00

0,30

2,27

300,00

REC1

5,00

0,30

2,44

300,00

REC2

5,00

0,30

2,21

300,00

REC3

5,00

0,30

2,95

300,00

REC4

5,00

0,30

2,47

300,00

RED1

5,00

0,30

2,54

300,00

RED2

5,00

0,30

2,27

300,00

RED3

5,00

0,30

3,13

300,00

RED4

5,00

0,39

2,57

300,00

Tabla 8. Cargas elemento reforzado con HA25. CARGAS ELEMENTO REFORZADO CON HA25 PESOS PROPIO MUESTRA

SOBRECARGAS

Peso HA25

Peso refuerzo

TOTAL

Uso oficinas

kN/m

3

kN/m

kN/m

kg/m2

REA1

24,00

1,44

3,19

300,00

REA2

24,00

1,44

2,97

300,00

REA3

24,00

1,44

3,56

300,00

REA4

24,00

1,92

3,20

300,00

REB1

24,00

1,20

3,40

300,00

REB2

24,00

1,20

3,18

300,00

REB3

24,00

1,20

3,88

300,00

REB4

24,00

1,44

3,41

300,00

REC1

24,00

1,20

3,58

300,00

2

2

REC2

24,00

1,20

3,35

300,00

REC3

24,00

1,20

4,09

300,00

REC4

24,00

1,20

3,61

300,00

RED1

24,00

1,20

3,68

300,00

RED2

24,00

1,20

3,41

300,00

RED3

24,00

1,20

4,27

300,00

RED4

24,00

1,68

3,71

300,00

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 69

Se incorporan las nuevas muestras, denominadas con el prefijo RE (refuerzo), manteniendo la letra, el número y el color de la muestra preexistente a reforzar, y se analizan los incrementos de peso propios de los refuerzos frente a la situación inicial en formato gráfico. En la barra análisis de muestra seleccionamos el tipo refuerzo y la muestra. En la entrada de datos se mantiene el tipo de madera encontrada, su clase resistente, la Clase de Servicio, el funcionamiento del forjado y se modifica el uso de la planta que contiene el forjado de vivienda a administrativo. En la de requerimientos normativos mantenemos, en este caso, R60 y L/300. En la barra de geometría aparece ya la de la muestra a analizar seleccionada con anterioridad. La herramienta calcula automáticamente la hipótesis de carga de la muestra en cuestión en la siguiente barra, función de los datos previos introducidos y ya con los incrementos de cargas establecidos para esta situación. Se establece que el solado posterior al refuerzo es un estratificado de madera, por lo que la comprobación no incluye este peso propio (véase fig. 34). En el esquema estructural se reflejan la sección de la vigueta, las luces entre vanos y las distribuciones de cargas variables, permanentes y los pesos propios del elemento. A continuación aparece la barra refuerzo de la muestra analizada, que contiene dos barras más de verificación de los dos sistemas de refuerzo propuestos: refuerzo con clt y refuerzo con hormigón. En ambos casos, en los apartados correspondientes a tablero de madera clt y capa de comp. hormigón se selecciona la clase resistente de la madera del tablero y su espesor, y la calidad del hormigón y el espesor de la capa de compresión. Se deja la opción de incrementar las secciones de refuerzo en el caso de que alguna exigencia no se cumpla para una determinada muestra. Los espesores de CLT son los que se pueden encontrar en el mercado. Automáticamente, la herramienta genera el módulo de elasticidad del material seleccionado y la separación entre viguetas para el cálculo por el método de la sección homogénea, transformado, el programa, los datos de la sección transversal de la viga compuesta en la equivalente de una viga solo de madera, tal y como hemos determinado en la metodología de cálculo. Se obtienen el área y la inercia de la sección equivalente, y la inercia, módulo de elasticidad, momento estático y rasante entre los dos materiales de la sección reforzada.

El paso siguiente es introducir, en la columna de los tirafondos, el diámetro y la resistencia a cortadura de los barraqueros utilizados, datos proporcionados por el fabricante, generándose el número necesario en cada caso. La herramienta analiza la viga a flexión y convierte los esfuerzos en la sección transformada a los de la viga original, verificando, en las barras refuerzo con clt y refuerzo con hormigón, si la sección es suficiente o no en cuanto a resistencia por tensiones a flexión, a cortante a deformación por flecha o en situación de fuego. Se obtienen los índices de aprovechamiento del material, el vano más penalizado (por si existieran voladizos) y las cargas de servicio y máxima admitidas por la sección en cada situación. Se proporciona, en formato gráfico, la distribución de las cargas de la muestra seleccionada por refuerzo, lo que permite analizar el incremento de cargas variables y permanentes sobre la preexistencia, para establecer la diferencia de comportamiento de cada sistema. Del mismo modo, se representa, en formato gráfico, el análisis comparativo de los resultados obtenidos en cada situación de la totalidad de las muestras. Se conforman por muestra, de las tensiones máximas en sección por flexión y por cortante, las deformaciones por flecha máximas y las tensiones máximas en sección por flexión en situación de fuego. Además, se realiza un estudio del aprovechamiento del material para cada situación. Comprobaciones con los sistemas de refuerzo Para cumplir con los requerimientos establecidos, las secciones de los refuerzos se reflejan en la tabla 9. Independientemente del sistema utilizado, todas las muestras REA necesitan 6 cm de refuerzo, menos la REA4, que hay que reforzarla con un tablero de 7,8 cm de CLT o con 8,00 cm de hormigón. A las muestras REB, REC y RED basta reforzarlas con un tablero de 6 cm de CLT o con 5 cm de HA25 para cumplir con los requerimientos, menos la RED4, en la que hay que utilizar 7,00 cm de hormigón o un tablero de 7,8 cm de CLT. Reparto de cargas Para el caso del refuerzo realizado con CLT, se aprecia que las cargas variables suponen mayor proporción respecto al total que las permanentes (véase gráf. 7).

70 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

Figura 34. Herramienta de cálculo de refuerzos (1).

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 71

Tabla 9. Secciones de refuerzo por muestra y sistema. MUESTRA

ESPESOR DEL REFUERZO (cm) CLT

HA25

RE

A1

6,00

6,00

RE

A2

6,00

6,00

RE

A3

6,00

6,00

RE

A4

7,80

8,00

RE

B1

6,00

5,00

RE

B2

6,00

5,00

RE

B3

6,00

5,00

RE

B4

6,00

6,00

RE

C1

6,00

5,00

RE

C2

6,00

5,00

RE

C3

6,00

5,00

RE

C4

6,00

5,00

RE

D1

6,00

5,00

RE

D2

6,00

5,00

RE

D3

6,00

5,00

RE

D4

7,80

7,00

En el sistema realizado con hormigón, los pesos propios de la tabiquería se igualan con los del refuerzo; en el realizado con CLT, cobran mayor importancia los del entrevigado (véase gráf. 8). Observando las muestras por luces máximas, el incremento de los pesos propios sobre la preexistencia de cada sistema es significativamente mayor en el hormigón, independientemente del espesor utilizado para el refuerzo, siendo mayores cuanto más ligero es el entrevigado de la preexistencia en ambos casos (muestras R2, entrevigado de bote cerámico). Las posibles afecciones que este incremento tenga sobre el resto de la estructura se analizarán en el apartado de conclusiones. Comprobación de las secciones Las tensiones por cortante de las secciones reforzadas en la madera existente siguen siendo despreciables. Se generaliza que la menos exigente de casi todas las muestras, en cuanto a tensiones por flexión, es la realizada con entrevigado de bote cerámico (2), y la que más se aproxima a lo admitido es la que tiene el entrevigado realizado con bóveda tabicada, menos en la REA4, que tiene la menor sección de madera (y luces menores a 3,60 m), ya que se ha

reforzado con mayor espesor, tanto en hormigón como en CLT (véase gráf. 9). En cuanto a deformaciones, teniendo en cuenta que ninguna de las muestras cumplía con los requerimientos propuestos, las secciones reforzadas se mantienen por debajo de la flecha máxima exigida, si bien, para lograrlo, las muestras REA y RED4 han requerido de más cantidad de material en los dos sistemas propuestos, y la RED4 ha necesitado aumentar únicamente la sección del refuerzo de HA25. Es, nuevamente, la muestra realizada con entrevigado de bote cerámico (2) la menos exigente de casi todas las muestras en cuanto a deformaciones, y la REA4 la menos deformada por su mayor refuerzo (véase gráf. 10). Las deformaciones de las muestras RED se aproximan más a lo admitido que en el resto, y es generalizado que las secciones reforzadas con hormigón deformen más que las realizadas con CLT (véase gráf. 11). En situación de fuego, todas las muestras se comportan dentro de lo admitido, y sus tensiones se han reducido hasta lograr no superar lo admisible, si bien la totalidad de las REA se encuentran al límite, por el menor canto de sus viguetas (véase gráf. 12).

72 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

Gráfico 7. Reparto de pesos de la sección reforzada.

Gráfico 8. Incremento de pesos propios refuerzo. Muestras REA y REB.

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 73

Gráfico 9. Tensiones por flexión de los refuerzos. Muestras REA.

Gráfico 10. Deformaciones refuerzo. Muestras REA.

Gráfico 11. Deformaciones. Muestras RED.

74 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

Gráfico 12. Tensiones en situación de fuego. Muestras REA. Refuerzo.

Gráfico 13. Tensiones en situación de fuego. Muestras RED. Refuerzo.

Sin embargo, las secciones mayores, REC y RED, se comportan bastante mejor, produciéndose tensiones muy por debajo de lo exigido. Es llamativo que las secciones reforzadas con CLT alcancen valores de tensión inferiores a las secciones reforzadas con hormigón en esta situación de fuego (véase gráf. 13). De los resultados obtenidos en esta situación inicial, es destacable el buen comportamiento que, en líneas generales, tiene el sistema en situación de fuego, debido, fundamentalmente, a que las viguetas se encuentran expuestas solo por una cara, con lo que eliminar el entrevigado para aligerar los pesos propios puede llegar a ser contraproducente, pues penalizaría en exceso la respuesta del elemento en situación de fuego.

El análisis de los resultados en situación inicial demuestra que la variable más restrictiva del sistema es la deformación por flecha. Esto es debido a que la madera tiene un módulo de elasticidad muy bajo, por lo que, para poder cumplir con los requerimientos planteados, deberemos, sobre todo, intentar aumentar la inercia de la sección. Incrementado el canto total del elemento (solución más productiva que aumentar el ancho) podremos alcanzar los valores de inercia en la sección que nos permitan lograr que la vigueta cumpla con los requerimientos de deformación exigidos. Además, ese aumento de canto deberíamos realizarlo con un sistema lo más ligero posible, para no aumentar en exceso las cargas permanentes, que penalizan esta deformación más que las variables.

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 75

Cargas máximas admitidas y grado de aprovechamiento. Afecciones El incremento de cargas máximas admitidas con respecto a la situación inicial, en ambos casos, es considerable (véase gráf. 14). El estudio comparativo demuestra que estas son muy similares en los dos sistemas, existiendo variaciones por debajo de los 0,5 kN/m2 en casi todas las muestras, tanto en limitación de tensión como de deformación, aunque puede apreciarse que las secciones reforzadas con hormigón son capaces de soportar un poco más de carga que las secciones reforzadas con CLT (véase gráf. 15). Pero la diferencia existente entre lo que la sección reforzada con hormigón soporta y lo que aguanta la reforzada con CLT no supera la diferencia existente entre los pesos propios de ambos refuerzos. Esto demuestra que gran parte del refuerzo realizado con hormigón va destinado a soportarse a sí mismo. El grado de aprovechamiento del refuerzo nos indica que en las secciones MA4 y MD4 se ha tenido que invertir más cantidad de material para cumplir con los requerimientos exigidos.

en Madrid es de 2 kg/cm2 (20 T/m2), por lo que, para las luces que manejamos y en cuatro plantas y cubierta, las zanjas deberían tener un ancho de 1 m como mínimo, cuando, cómo hemos visto, los anchos que normalmente nos encontramos son menores. Si la solución pasa por utilizar el sistema realizado con hormigón, será factible que dé lugar a tener que reforzar la cimentación afectada, sobre todo si la actuación pasa por tener que reforzar varias plantas del inmueble, ya que, en este caso, los valores de las cargas en esta zona crecen exponencialmente (véase tabla 10).

7.4. Posibles afecciones sobre el resto de la estructura Si nos centramos solo en la cimentación existente, a lo largo de la investigación hemos visto que la resistencia media del terreno que se considera

Gráfico 15. Grado de aprovechamiento del refuerzo. Muestras RFD.

Gráfico 14. Máximas cargas admitidas por muestra. Muestra RDB. Refuerzo.

76 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

Sin embargo, la solución realizada con CLT hace compatible que los muros estructurales originales del edificio sigan asumiendo su función portante gracias a la ligereza de los nuevos forjados, lo que hace que el estado de cargas permanentes sea lo más similar posible al estado de cargas original del edificio.

Si establecemos las variaciones de cargas existentes en cimentación, tras realizar el refuerzo con los dos sistemas, desglosando las cargas totales y las debidas a los pesos propios y por plantas, observamos que la presión en el terreno utilizando el sistema realizado con CLT es muy similar a la de la preexistencia, mientras que si utilizamos HA25 casi se duplica (véase fig. 35).

Tabla 10. Incremento de cargas por refuerzo (valores en kN/m). 1 PLANTA

CIMENTACIÓN

PR

RE CLT

RE HA25

PR

RE CLT

RE HA25

A1

3,16

3,70

5,75

12,63

14,79

23,00

A2

2,75

3,29

5,34

10,98

13,14

21,35

A3

3,81

4,35

6,40

15,25

17,41

25,61

A4

3,16

3,70

5,75

12,65

14,81

23,02

B1

4,02

4,63

6,97

16,06

18,52

27,87

B2

3,56

4,17

6,51

14,24

16,70

26,05

B3

4,99

5,61

7,95

19,98

22,44

31,78

B4

4,05

4,66

7,00

16,18

18,64

27,99

C1

4,81

5,48

8,05

19,23

21,93

32,19

C2

4,29

4,96

7,53

17,15

19,85

30,11

C3

5,96

6,64

9,20

23,86

26,56

36,82

C4

4,89

5,56

8,13

19,54

22,24

32,50

D1

6,06

6,87

9,94

24,22

27,46

39,77

D2

5,33

6,14

9,22

21,32

24,56

36,87

D3

7,65

8,46

11,54

30,61

33,85

46,16

D4

6,13

6,94

10,02

24,54

27,78

40,09

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 77

Figura 35. Esquema de reparto de cargas muestra MC1.

8. CONCLUSIONES Los numerosos edificios existentes en el casco histórico del Madrid entre los siglos xviii y xix, realizados con entramado de madera, forman parte de una trama urbana heredada del pasado, que se identifica con diferentes momentos asociados a la historia y a su contexto sociocultural. Es un legado histórico que hemos recibido, por lo que debemos realizar el esfuerzo de estudiarlo para conocerlo, valorarlo, tratar de conservarlo y, así, transmitirlo a las generaciones futuras. A pesar del tiempo trascurrido desde los primeros sistemas constructivos de entramado de madera, ya documentados en el siglo xvii y realizados en el marco de la arquitectura doméstica madrileña, hasta que concluye el proceso de sustitución por nuevas técnicas las soluciones llevadas a cabo durante estos tres siglos responden a un esquema análogo, con unas técnicas heredadas muy similares y que, todavía en nuestros días, a pesar de las numerosas intervenciones, mantienen los marcos de madera originales, su disposición, etc., y con ello toda la lógica del sistema constructivo original. La revisión de las ordenanzas de la villa de este periodo, así como de los tratados y manuales de construcción, nos ha permitido conocer los principios utilizados en su diseño y dimensionado, con lo que hemos podido precisar las luces y escuadrías de las muestras a analizar. Aunque no podamos considerarlos como monumentos importantes a nivel individual, sí componen un conjunto que, incluso en ausencia de edificios excepcionales, ofrece una claridad de ambiente que hace de ellos obras de arte diversas y articuladas que es necesario conservar, pues testimonian la presencia de la historia y de su importancia en nuestra vida. El sistema de entramado de madera ha tenido poca presencia en los tratados generales de arquitectura, pero algunos de estos textos ya recogen las directrices por las que se ha regido esta tipología constructiva durante siglos; tratados y manuales de construcción manejados por arquitectos y jefes de obra que nos permiten

conocer los principios utilizados en su diseño y dimensionado. El tratado de Benito de Bails Elementos de Matemáticas, de 1783, reúne las enseñanzas de los principales textos franceses del momento. En su obra De la arquitectura civil es mucho más explícito en su descripción del entramado de madera y de las distintas maneras posibles de ejecutarlo. Muestra la correcta comprensión constructiva que tienen todos sus elementos y, sobre todo, el modo solidario en que trabajan. El estudio que se presenta ha demostrado que el desconocimiento de los mecanismos estructurales y de los materiales de este tipo de edificios obligan, en muchos casos, a diseñar técnicas de refuerzo excesivamente sobredimensionadas, lo que provoca un encarecimiento de la actuación que, a veces, no se puede asumir y que hace que la demolición y reconstrucción sea la única técnica viable. Pero la decisión entre reforzar o demoler y reconstruir un elemento estructural no debe tomarse solo por criterios económicos o constructivos, sino que, en ocasiones, su valor cultural aconseja o exige su conservación, desempeñando la función que le es propia y, si procede alguna intervención, debe ser adecuada a su naturaleza, lo que lleva a soluciones que requieren procedimientos de ejecución y evaluación específicos. Estas construcciones se realizaban sin proyecto y sin reglamentación técnica obligatoria alguna, a no ser por recomendaciones de la buena práctica, las dispersas ordenanzas de la villa o los tratados de albañilería, que normalmente solo se aplicaban a edificaciones singulares, y, en el resto, los conocimientos que se adquirían por el aprendizaje de aquellas. Por eso, y con carácter general, no puede ser de aplicación el Anejo D del DB-SE del CTE, «Evaluación estructural de edificios existentes», pues el punto D.1.1 establece que su ámbito de aplicación es para edificaciones concebidas, dimensionadas y construidas de acuerdo a las reglas en vigor en el momento de su realización, o que han sido construidas de acuerdo a la buena práctica, la experiencia histórica y la práctica profesional aceptada (DBSE, CTE 2009), determinaciones imposibles de verificar en la mayoría de los casos.

80 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

No obstante, y teniendo presentes los escritos analizados, sí debemos considerar lo establecido en el punto D.3.1 del mismo anejo para determinar el estado actual del edificio, que recomienda recabar toda la información relativa a sus elementos resistentes (daños o anomalías), a su comportamiento estructural (condiciones de apoyo, etc), a su capacidad de deformación, a las acciones de todo tipo que le afecten, así como a las características de los materiales que lo conforman. Hemos descrito una metodología de trabajo en la que se determina que toda actuación ha de ser precedida de un diagnóstico exhaustivo y riguroso de las condiciones y causas de su deterioro y degradación. Este debe apoyarse en la evidencia documental, en la inspección y en el análisis material, y no solo en comprobaciones de las condiciones físicas, sino también en métodos basados en pruebas no destructivas. Mediante las técnicas de investigación podemos determinar, lo más aproximadamente posible, el estado de los elementos estructurales sobre los que se pretende actuar. De entre ellas, las más destacadas y que complementan la inspección visual detallada son las basadas en medir la velocidad de propagación de ultrasonidos, con las que obtenemos el módulo de elasticidad del elemento. Midiendo, además, la resistencia a la penetración de una varilla con un penetrómetro y la resistencia a la penetración de una broca mediante el resistógrafo podremos obtener la densidad. El diagnóstico debe finalizar con una propuesta de la línea de acción más conveniente para cada caso y aspectos clave, cualquiera que sea el objetivo o la problemática a resolver. Dependiendo del grado de intervención necesario determinado en el diagnóstico, deberemos utilizar la correspondiente técnica para recuperar la seguridad (estabilización), para devolver la capacidad de origen a un elemento que la ha perdido (reparación), para incrementar su capacidad de trabajo (refuerzo) o para reemplazarlo por otro (sustitución), aunque, con frecuencia, nos encontraremos con forjados donde parte de él se puede mantener, otra se sustituye y otra se refuerza o consolida. Cada vez debe ser más habitual y recomendable rehabilitar que demoler y reconstruir, por su mejor eficiencia energética y por ser una solución menos agresiva y más respetuosa con el entorno y con las características arquitectónicas y tipológicas del propio edificio.

8.1. Estado previo, muestras, elaboración de la herramienta informática y análisis de sus aspectos estructurales Luces y escuadrías Varían mucho, al igual que en el resto de entramado; sin embargo, los documentos encontrados, los tratados y las ordenanzas (Torija, 1728; Bails, 1783; Ardemans, 1719; Villanueva, 1827) nos indican que ya existían una serie de reglas que relacionaban la longitud del forjado con las escuadrías a utilizar y que resumimos en las siguientes (véase tabla 11):

Tabla 11. Relación escuadría-luz. L máx.

b

H

m

cm

cm

3,60

8,70

12,18

4,10

12,18

15,67

4,50

13,00

18,00

5,40

15,00

20,00

Clase resistente de la madera Podemos concretar que son el pino silvestre, el pinaster y el laricio las especies de más amplia presencia en este tipo de obra y que, para una misma calidad, presentan propiedades mecánicas similares. Además, la mayor parte de la madera utilizada en estas estructuras es de duramen, generosa de dimensiones y con pocos defectos, por lo que establecemos que la vigueta del forjado de referencia, para todas las muestras a analizar, es de madera maciza, aserrada, de pino silvestre y de la clase resistente C18. Entrevigados Se basan, generalmente, en el relleno entre viguetas con yeso como aglomerante de diversos materiales, y los sistemas más frecuentes son las bovedillas de yeso, con separación entre viguetas poco mayor que su espesor; los botes cerámicos, con relleno completo de yeso, con unos 25 cm de separación y a tope; el relleno de macizo con una mezcla de yeso y cascote de obra; con separación huecomacizo; y la bovedilla tabicada cerámica adecuada para separaciones de viguetas entre 3 y 4 veces el espesor del madero.

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 81

Muestras

Las tensiones por flexión

Determinadas las escuadrías y los entrevigados, hemos establecido una clasificación de los forjados más representativos en función de la máxima longitud de vano, y a los que les corresponde una sección de vigueta. Dependiendo de los cuatro tipos de entrevigado que podemos encontrar, obtenemos un total de 16 muestras a analizar; cuatro de cada luz máxima y escuadría correspondiente, con cuatro entrevigados diferentes (véase tabla 12). Hemos podido elaborar una ficha específica de cada muestra, asociada a la herramienta informática de cálculo.

Las tensiones por flexión de las muestras M4 sobrepasan la admisible, sobre todo para luces menores de 360 cm, con secciones de viguetas 8,70 × 12,18 cm (MA4) y para luces entre 450 y 540 cm, con secciones 15,00 × 20,00 cm (MD4). Las tensiones por cortante Son despreciables en todos los casos. Las deformaciones El principal problema del sistema en la totalidad de las muestras analizadas lo plantean las flechas excesivas, justificado fundamentalmente por el bajo módulo de elasticidad que tiene la madera, por lo que, en general, será más importante aumentar la inercia de la sección que su módulo resistente. Para que la inversión en material sea la menor posible, lo mejor es incrementar el canto total del elemento, ya que de esta manera la inercia aumenta de manera exponencial (Ix=bh3). Hay que tener en cuenta que, a efectos de flecha, las cargas permanentes penalizan más que las

La herramienta de cálculo Para su comprobación, hemos elaborado una herramienta informática en la que se han introducido variables esenciales, como la clase resistente de la madera, el uso de la zona, la forma de trabajo del elemento y las exigencias planteadas en cuestiones como el uso, la flecha o su resistencia al fuego, que se pueden modificar en caso de querer ampliar el estudio.

Tabla 12. Forjados más representativos. TIPO MA1

L máx

b

H

m

cm

cm

3,60

8,70

12,18

Tipo

Bov. yeso

MA2

Bote cerámico

MA3

Relleno macizo

MA4

Bov. tabicada

MB1

4,10

12,18

15,67

Bov. yeso

MB2

Bote cerámico

MB3

Relleno macizo

MB4

Bov. tabicada

MC1

4,50

13,00

18,00

Bov. yeso

MC2

Bote cerámico

MC3

Relleno macizo

MC4

Bov. tabicada

MD1

5,40

15,00

20,00

Bov. yeso

MD2

Bote cerámico

MD3

Relleno macizo

MD4

Bov. tabicada

82 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

variables, con lo que, en un principio, a la hora de seleccionar el sistema de refuerzo más adecuado para aumentar el canto de la sección y limitar lo que podamos esa deformación deberíamos procurar que fuera con un sistema lo más ligero posible. Las tensiones en situación de fuego De los resultados obtenidos, es destacable el buen comportamiento que, en líneas generales, tiene la preexistencia en situación de fuego, sobre todo porque las viguetas se encuentran expuestas solo por una cara. Por lo tanto, habría que tomar en consideración, previamente a la decisión del sistema de refuerzo a realizar, que suprimir el entrevigado para aligerar el peso propio del sistema no es muy acertado, ya que expondríamos tres de las caras del elemento al fuego, con lo que se incrementaría el factor de reducción ηfi y los resultados no serían tan favorables.

8.2. Análisis estructural de las dos soluciones (alcance) En el marco de la investigación, hemos propuesto el caso hipotético del cambio de uso de la situación inicial de vivienda a oficina. La herramienta de cálculo Para la comprobación de los refuerzos a ejecutar, hemos podido completar la herramienta informática elaborada para el cálculo en situación inicial con el refuerzo correspondiente para cada uno de los sistemas a comparar y por muestra, incorporando las variables necesarias por las variaciones en la metodología de cálculo por el cambio de uso, por los refuerzos, además de las exigidas por la normativa actual (CTE).

Tabla 13. Cantidad de refuerzo por tipo de forjado. PREEXISTENCIA

REFUERZO PARA USO ADMINISTRATIVO

FORJADO PREEXISTENTE L MÁXIMA

HORMIGÓN

ESCUADRIA

ENTREVIGADO

L

b

h

Tipo

Sep.

e

N.º en L/4

Diámetro

e

N.º en L/4

Diámetro

m

cm

cm

 

cm

cm

uds

mm

cm

ud

mm

3,60

8,70

12,18

Bov. yeso

21,75

6,00

6

8

6,00

5

8

Bote cerámico

21,75

6,00

5

8

6,00

5

8

Relleno macizo

21,75

6,00

6

8

6,00

5

8

Bov. tabicada

34,80

8,00

8

8

7,80

7

8

Bov. yeso

30,45

5,00

9

8

6,00

7

8

4,10

4,50

5,40

12,18

13,00

15,00

15,67

18,00

20,00

REF.

CLT

BARRAQUEROS

REF.

BARRAQUEROS

Bote cerámico

30,45

5,00

9

8

6,00

7

8

Relleno macizo

30,45

5,00

10

8

6,00

8

8

Bov. tabicada

48,72

6,00

14

8

6,00

12

8

Bov. yeso

32,50

5,00

11

8

6,00

9

8

Bote cerámico

32,50

5,00

10

8

6,00

8

8

Relleno macizo

32,50

5,00

11

8

6,00

10

8

Bov. tabicada

52,00

5,00

17

8

6,00

14

8

Bov. yeso

37,50

5,00

16

8

6,00

14

8

Bote cerámico

37,50

5,00

16

8

6,00

13

8

Relleno macizo

37,50

5,00

18

8

6,00

15

8

Bov. tabicada

60,00

7,00

27

8

7,80

21

8

*Para barraqueros con las siguientes características: Resistencia a cortadura: 10 kN/cm² Resistencia a cortante: 3,4 kN Resistencia rasgado de la madera: 5,8 kN

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO 83

Cantidad de refuerzo necesario El análisis de los resultados indica que, para cumplir con los requerimientos establecidos, la mayoría de las muestras han de reforzarse con un espesor de 5,00 cm de HA25 o con un tablero de madera contralaminado de 6,00 cm de espesor (el mínimo estándar). Las muestras que cubren las luces intermedias necesitan de más material de refuerzo en el caso del sistema realizado con CLT, por ser el espesor mínimo estándar. La cantidad de refuerzo se resume en la tabla anterior (véase tabla 13): Variaciones de cargas Del estudio de los incrementos de cargas se deduce que, debido a que el peso propio del sistema realizado con CLT es muy inferior que el del realizado con HA25, en el primero las variables suponen mayor proporción respecto al total que las permanentes. Sin embargo, en el caso del refuerzo con hormigón, es generalizado que la proporción de permanentes sea mayor que las variables. En el sistema realizado con hormigón, los pesos de la tabiquería se igualan con los del refuerzo; en el realizado con CLT cobran mayor importancia los del entrevigado. El incremento de los pesos propios sobre la preexistencia de cada sistema es significativamente mayor en el hormigón, independientemente del espesor utilizado para el refuerzo, siendo mayor cuanto más ligero es el entrevigado de la preexistencia en ambos casos (entrevigado de bote cerámico), situación que, como hemos comentado, es desfavorable a efectos de flecha. Incrementar las cargas en este tipo de edificios nos conduce a incertidumbres que deberemos tener en cuenta en la toma de decisiones a la hora de actuar sobre los forjados, en especial si consideramos el rigor de la normativa que va surgiendo. Cuando entramos a valorar los posibles refuerzos a realizar en el resto de la estructura por ese incremento tras realizar el refuerzo, observamos que la solución realizada con hormigón puede dar lugar a tener que reforzar partes de la estructura sobre las que, en un principio, no se intervenía, al ser un sistema mucho más pesado que el realizado con el tablero. Alcance Las tensiones por flexión Analizados los resultados de la comprobación en cuanto a tensiones, se generaliza que la menos

exigente de casi todas las muestras es la realizada con entrevigado de bote cerámico, y la que más se aproxima a lo admitido es la que tiene el entrevigado realizado con bóveda tabicada, debido a la ligereza de la primera y a las mayores separaciones entre viguetas que se proponen en la segunda. Las tensiones por cortante Las tensiones por cortante de las secciones reforzadas en la madera existente siguen siendo despreciables. Las deformaciones Teniendo en cuenta que ninguna de las muestras cumplía con los requerimientos propuestos, las secciones reforzadas se mantienen por debajo de la flecha máxima exigida, si bien, para lograrlo, todas las muestras con menor sección han requerido de más cantidad de material en el sistema realizado con HA25, y solo la que contiene el entrevigado con bovedilla tabicada de un mayor espesor de CLT. Es generalizado que las secciones reforzadas con hormigón deformen más que las realizadas con CLT y que el mejor comportamiento, en cuanto a deformaciones, lo tengan las que se ejecutan con entrevigado de bote cerámico. Las tensiones en situación de fuego Todas las muestras en situación de fuego han reducido sus tensiones hasta lograr no superar lo admisible, si bien la totalidad de las que tiene menor escuadría, a pesar de salvar menos luz, se encuentran al límite debido a su menor canto. De los resultados, destaca que las secciones reforzadas con CLT alcanzan valores de tensión inferiores a las secciones reforzadas con hormigón en esta situación. Incrementos de cargas máximas admitidas por refuerzo

En líneas generales, el incremento de cargas máximas admitidas de cada muestra reforzada, independientemente del sistema utilizado y con respecto a la situación inicial, es considerable, aunque las secciones reforzadas con hormigón son capaces de soportar un poco más de carga que las secciones reforzadas con CLT, pero esta diferencia es inferior a la existente entre los pesos propios del propio refuerzo. Gran parte del refuerzo realizado con hormigón va destinado a soportarse a sí mismo.

9. BIBLIOGRAFÍA Álvarez, L.; Basterra, L.; Casado, M. y Acuña, L. «Aplicación del resistógrafo al diagnóstico de elementos singulares en Estructuras de madera», Actas del Congreso «Investigación en construcción», Valladolid, 2005. Ardemans, T. Declaración, y extensión, sobre las Ordenanzas que escriviò Juan de Torija... y de las que se practican en las ciudades de Toledo, y Sevilla: con algunas advertencias à los Alarifes, y Particulares... que todo se cifra en el govierno político de las fábricas, Madrid, Ed. P. Barco Gómez, 1796. Arriaga, F.; Esteban, M. y Relea, E. «Evaluación de la capacidad portante de piezas de gruesa escuadría de madera de conífera en estructuras existentes», Materiales de Construcción, Madrid, 208, 2005, pp. 43-52. Bails, B. De la arquitectura civil: Texto. Tomo 2, Madrid, Imprenta de la Viuda de D. Joaquín Ibarra, 1796a. — Elementos de matemática, Madrid, Imprenta de la Viuda de D. Joaquín Ibarra, 1796b. Barbero, M. G. «Rehabilitación con tableros contralaminados», Boletín de información técnica de AITIM, Madrid, 271, 2011, pp. 22-27. Basterra, L. A. et al. «Diagnóstico y análisis de estructuras de madera mediante técnicas no destructivas: Aplicación a la plaza mayor de Chinchón (Madrid)», Informes de la Construcción, Madrid, 516, 2009, pp. 21-36. Bernasconi, A. «Construir con tableros contralaminados, Boletín de Información Técnica de AITIM, Madrid, 266, 2010, pp. 14-16. Bestraten, S. y Hormías, E. «Utilización de tableros contralaminados en la sustitución funcional de forjados», Boletín de información técnica de AITIM, Madrid, 268, 2010, pp. 20-27. Carta de Atenas. Assembléia do CIAM, IV Congreso de Arquitectura Moderna (celebrado a bordo del Patris II en la ruta Marsella-Atenas-Marsella), 1933. Código Técnico de la Edificación. Documento Básico. Seguridad Estructural. Acciones de la Edificación. CTE-DB-SE-AE, Ministerio de Fomento, 2009a. Código Técnico de la Edificación. Documento Básico. Seguridad Incendio. CTE-DB-SI, Ministerio de Fomento, 2009b. Código Técnico de la Edificación. Documento Básico. Seguridad Estructural. CTE-DB-SE, Ministerio de Fomento, 2009c. Conde García, M.; Fernández-Golfín Seco, J. y Hermoso Prieto, E. «Mejora de la predicción de la resistencia y

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86 FERNANDO MARTÍNEZ SORIANO Y ENRIQUE MARTÍNEZ SIERRA

tesis doctoral dirigida por la Dra. M.ª del Río Merino, Universidad Politécnica de Madrid, EUAT, Departamento de Construcciones Arquitectónicas y su Control, 2012. Torija, J. de. Tratado breve sobre las ordenanzas de la villa de Madrid y policía della, Madrid, Ed. Gabriel del Barrio, 1728. Van de Kuilen, J. W. G.; Ceccotti, A.; Xia, Z. y He, M. «Very Tall Wooden Buildings with Cross Laminated Timber», Procedia Engineering (Ámsterdam), 14, 2011, pp. 1621-1628. Villanueva, J. D. Arte de Albañilería o instrucciones para jóvenes que se dediquen á él, en que se trata de herramientas necesarias del albañil, formación de andamio,

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10. LISTADO DE FIGURAS, TABLAS Y GRÁFICOS Listado de figuras

Figura 1. Sección de forjado con entrevigado de bovedilla de yeso. Figura 2. Sección de forjado con entrevigado de bovedilla de yeso. Figura 3. Bovedilla tabicada. Figura 4. Forjado con entrevigado de botes cerámicos. Figura 5. L. A. Basterra, G. López, G. Ramón-Cueto, L. Acuña y M. Casado. Representación gráfica de los resultados obtenidos en la inspección visual de una cercha de la cubierta de la Catedral de Segovia, edición de RILEM Publicaciones SARL, 2008, pp. 1179-1188. Figura 6. Resumen de algunos parámetros físicos medidos mediante técnicas no destructivas y propiedades estimadas a partir de ellas. Figura 7. Apoyo de forjado en muro de fachada. Figura 8. Apoyo de forjado en muro intermedio. Figura 9. Montaje de estructura. Vivienda en La Moraleja, Alcobendas, Madrid. Arquitecto: Fernando Martínez Soriano, 2018. Figura 10. Montaje de estructura. Vivienda en La Moraleja, Alcobendas, Madrid. Arquitecto: Fernando Martínez Soriano, 2018. Figura 11. Proceso de fabricación. Corte de huecos en tablero con CNC (fuente: Egoin). Figura 12. Uniones. Vivienda en La Moraleja, Alcobendas, Madrid. Arquitecto: Fernando Martínez Soriano, 2018. Figura 13. Comportamiento térmico-acústico de diferentes compartimentaciones. Secciones. Vivienda en La Moraleja, Alcobendas, Madrid. Arquitecto: Fernando Martínez Soriano, 2018. Figura 14. Comportamiento térmico-acústico de diferentes fachadas. Secciones. Vivienda en La Moraleja, Alcobendas, Madrid. Arquitecto: Fernando Martínez Soriano, 2018. Figura 15. Sistemas de encuentro entre paneles. Vivienda en La Moraleja, Alcobendas, Madrid. Arquitecto: Fernando Martínez Soriano, 2018. Figura 16. Rehabilitación Ca La Dona. Planta despiece de CLT, techo de la planta primera (Berstraten et al., 2010). Figura 17. Rehabilitación de la Casa del Cura (Barbero, 2011).

Figura 18. Ensayo a escala real en mesa de agitación (Ceccottti, 2011). Figura 19. Localización de la fibra neutra. Figura 20. Factores en caso de incendio. Figura 21. Fichas de muestras. Figura 22. Herramienta de cálculo. Situación preexistente. Figura 23. Propiedades del material y factores de corrección. Figura 24. Esquema sección de flecha remanente. Figura 25. Sección constructiva tipo del refuerzo con hormigón. Figura 26. Conectores tirafondos. Figura 27. Montaje (fuente: AITIM). Figura 28. Sección constructiva tipo del refuerzo con CLT. Figura 29. Montaje (Berstraten et al., 2010). Figura 30. Montaje (Berstraten et al., 2010). Figura 31. Metodología de cálculo de forjados mixtos. Figura 32. Viga compuesta. Figura 33. Sección transformada y tensiones en la sección. Figura 34. Herramienta de cálculo de Refuerzos (1). Figura 35. Esquema de reparto de cargas muestra MC1.

Listado de tablas Tabla 1. Dimensionado de viguetas según Bails. Tabla 2. Características mecánicas de la madera C18 (CTE DB-SEM, 2006). Tabla 3. Tipos de forjados de la época recomendados en los tratados. Tabla 4. Tablas de resultados. Muestras A y C. Tabla 5. Datos técnicos del hormigón. Tabla 6. Datos técnicos del CLT. Tabla 7. Cargas elemento reforzado con CLT. Tabla 8. Cargas elemento reforzado con HA25. Tabla 9. Secciones de refuerzo por muestra y sistema. Tabla 10. Incremento de cargas por refuerzo (valores en kN/m). Tabla 11. Relación escuadría-luz. Tabla 12. Forjados más representativos. Tabla 13. Cantidad de refuerzo por tipo de forjado.

Listado de gráficos Gráfico 1a. Gráficos Muestra A. Gráfico 1b. Gráficos Aprovechamiento de material, a cortante y a flexión. Gráfico 2. Reparto de cargas en preexistencia. Gráfico 3. Tensiones en ELU. Muestras MA y MD. Preexistencia.

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Gráfico 4. Deformaciones. Muestras MC y MD. Preexistencia. Gráfico 5. Tensiones a flexión en situación de fuego. Muestras MA y MB. Preexistencia. Gráfico 6. Grado de aprovechamiento del material. Preexistencia. Flecha. Gráfico 7. Reparto de pesos de la sección reforzada. Gráfico 8. Incremento de pesos propios refuerzo. Muestras REA y REB. Gráfico 9. Tensiones por flexión de los refuerzos. Muestras REA.

Gráfico 10. Deformaciones refuerzo. Muestras REA. Gráfico 11. Deformaciones. Muestras RED. Gráfico 12. Tensiones en situación de fuego. Muestras REA. Refuerzo. Gráfico 13. Tensiones en situación de fuego. Muestras RED. Refuerzo. Gráfico 14. Máximas cargas admitidas por muestra. Muestra RDB. Refuerzo. Gráfico 15. Grado de aprovechamiento del refuerzo. Muestras RFD.

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MONOGRAFÍAS DEL IETcc

MONOGRAFÍAS DEL IETcc N.º 431

419. Francisca Puertas Maroto et al., Proceso de deterioro por descalcificación del cemento: estudio comparativo de cementos de diferente composición, 2013. 420. Ana María Guerrero Bustos, Valorización de cenizas mediante tratamiento hidrotermal para su aplicación en materiales de construcción, 2014. 421. María Inés Pernas Alonso, Escalera monástica en Galicia. Escaleras de rampas al aire: análisis gráfico, 2015. 422. César Medina Martínez, María Isabel Sánchez de Rojas Gómez y Moisés Frías Rojas, Valorización de árido cerámico de sanitarios como árido reciclado en la fabricación de hormigones estructurales eco-eficientes, 2015. 423. Samuel Domínguez Amarillo, Juan José Sendra Salas e Ignacio Oteiza Sanjosé, La envolvente térmica de la vivienda social: el caso de Sevilla, 1939 a 1979, 2016 (serie Arquitectura, 1). 424. Pablo de la Fuente Martín y Carlos Zanuy Sánchez, Fundamentos para el cálculo de estructuras prismáticas planas, 2017. 425. David Revuelta Crespo, Pedro Carballosa de Miguel y José Luis García Calvo, Guía para el empleo de hormigones expansivos, 2017. 426. Eloy Velasco Gómez y Jon Zubizarreta Sasia (coords.), Forjados activos para edificios eficientes, 2018. 427. Eloy Asensio de Lucas (coord.), Valorización de los residuos de construcción y demolición (RCD) como puzolanas alternativas, 2018. 428. Ignacio Oteiza San José (coord.), La envolvente energética de la vivienda social. El caso de Madrid en el periodo 1939-1979, 2018. 429. Ronaldo Soares Teixeira (coord.), Celulosa nanofibrilada y pulpa celulósica usada como refuerzo en materiales, 2019. 430. Esperanza Menéndez Méndez, Estrategia integral de prevención de la reacción árido-álcali, 2019.

Con el fin de asistir al proceso de toma de decisiones en fase de diseño, este documento propone un análisis comparativo de dos sistemas constructivos utilizados en el refuerzo de un forjado de madera, el más frecuente de la solución colaborante entre viguetas existentes y una nueva solera de hormigón armado sobre la parte superior del forjado, y la propuesta de sustituir esa solera por un panel de madera contralaminada (CLT). Se parte, para ello, del análisis de los aspectos constructivos, funcionales y tipológicos de este tipo de forjado, del que existen numerosos ejemplos aún en los edificios de nuestros cascos históricos, si bien su variedad complica la elección de lo que se podría llamar un forjado de referencia. Con el objeto de lograr un sentido práctico y de aplicación en la toma de decisiones, se han sintetizado los datos hallados en investigaciones previas para establecer los casos hipotéticos que en situación preexistente se pueden dar con más frecuencia y así poder utilizarlos como parámetro de comparación. Como resultado, se han obtenido una serie de muestras de las que se estudia su capacidad resistente para tener un conocimiento preciso de la situación previa. Se plantea así la necesidad de realizar un refuerzo de ese forjado por cambio de uso de vivienda a oficina, suponiéndolo en buen estado, y se desarrolla una herramienta de cálculo estructural para valorar la situación inicial de cada muestra respecto a las exigencias actuales. Se evalúan los dos sistemas de refuerzo propuestos según la normativa en cuanto a tensiones a flexión, situación de fuego y deformaciones, valorando el aprovechamiento de material y las cargas máximas soportadas por cada solución en cada una de las muestras, cuantificando la cantidad de material necesario en cada situación para cumplir con los requerimientos regulados de cada sistema. Finalmente, los resultados obtenidos se trasladan a las secciones tipo de los modelos de refuerzo seleccionados, se comprueban y se compara su eficiencia y se establecen conclusiones parciales de cada punto, complementadas con un apartado de ventajas e inconvenientes de cada una de las soluciones constructivas.

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO Fernando Martínez Soriano Enrique Martínez Sierra

ANÁLISIS Y CÁLCULO DE REFUERZO DE FORJADOS DE MADERA: EL CLT COMO ALTERNATIVA AL HORMIGÓN ARMADO

418. María Isabel Sánchez de Rojas Gómez, Javier Olmeda Montolío y Moisés Frías Rojas, Morteros especiales con propiedades termo-aislantes usando coque de petróleo como árido ligero, 2013.

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Fernando Martínez Soriano Doctor en Técnicas Avanzadas en la Construcción (Universidad Europea de Madrid, 2016); máster oficial en Patología, Peritación y Rehabilitación del Patrimonio Histórico de la UEM (2010/1011) y Clasificador de Madera Aserrada para Uso Estructural por INDETICMA (INIAE, 2013), actualmente es administrador del Estudio de Arquitectura Martínez Soriano SLP, con sede en El Boalo, Madrid. Conferenciante en el ciclo «Bosques, madera y arquitectura» del COAM, en la Jornada Formativa «Construir en madera» de la Asociación de Arquitectos para la Sostenibilidad y profesor en el Curso de Construcción con Madera de la UPM; es, además, autor de artículos recientes en publicaciones como The Journal of Basic and Applied Research International, Case Studies in Construction Materials y la revista AITIM, entre otras. Actualmente combina el trabajo académico con concursos y proyectos públicos y privados que desarrolla en su estudio.

Enrique Martínez Sierra Doctor arquitecto, especialidad en Edificación por la Universidad Politécnica de Madrid; director del máster de Patología, Peritación y Rehabilitación Sostenible del Patrimonio de la Universidad Europea; profesor titular en la UEM; profesor asociado en el Departamento de Estructuras y Física de la Edificación ETSAM-UPM e investigador en el campo de la edificación construida, patrimonio histórico y metodología de intervención. Cuenta con amplia experiencia en proyectos de intervención en patrimonio histórico, tales como: Puerta de la Colada de Ciudad Rodrigo, castillo de Sagunto, Real Observatorio Nacional, Salón de Reinos del Museo del Prado, Museo Arqueológico Nacional de Madrid, Museo Arqueológico de las Islas Baleares y Palacio de Tosos de Teruel, entre otros.

Imagen de cubierta: Luis Gaztelu, Carpintería de armar, 1899. CSIC

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS