Refuerzo de Estructuras de Madera

 

Recuperación de forjados de madera mediante refuerzos y prótesis metálicas (I) Carlos González-Bravo Prof. Dr. Arquitecto Universidad Antonio de Nebrija de Madrid

Los forjados de madera son, desde la más remota antigüedad (Chilton, ( Chilton, 1995), 1995), un sistema constructivo que ha llegado hasta nuestros días en un estado, en sentido conceptual, inmejorable. Su empleo ha sido variado, combinado, alternado y en una época concreta, desechado. Hoy en día vuelve a ocupar un de los lugar preponderante en la construcción. Pese a todo ello, el volumen de obra construida con madera y preexistente en la actualidad, tanto en el ámbito del patrimonio, como fuera de este, es abrumador. El enfoque habitual que se le suele dar a este tipo de intervenciones suele ser tímida y, la mayoría, con escasez de datos acerca del comportamiento mecánico-residual de las estructuras de madera. Esto es debido a la mala fama que este material posee, ligado a las características tan particulares de un material estructural como la madera. Si bien la madera tiene un origen biológico, eso no implica en ningún caso que su constitución sea más susceptible de ser atacada que otros como el acero o el hormigón. Muestra de ello es la comparativa (ver fotografía nº 1) que podemos establecer entre el acero y la madera usados como elementos estructurales de forjado .

Fotografía nº 1 Forjado de viguetas IPN de acero laminado de 10 años de antigüedad.

Fotografía nº 2 Forjado de madera de conífera de 130 años de antigüedad de la misma vivienda.

Tanto por lo que se refiere a la humedad la madera posee una estabilidad residual considerable comparada con el acero como podemos comprobar en las fotografías nº 1 y nº 2. Como podemos observar, el estado del forjado metálico (en el que la madera fue sustituida por acero laminado hace unos 10

 

años) posee un deterioro considerable, comparado con el forjado de madera de conífera, de 130 años de antigüedad, con un ataque por hongos de pudrición parda. Por otro lado, es bien conocido el comportamiento de las estructuras de madera frente al fuego y como la capa de pirólisis tiene un retardamiento sobre el avance de este (0,7 mm/hora) en la carbonización de la sección estructural (Arriaga, 2002). 2002). Esto puede hacer que nos preguntemos por qué, a pesar de las buenas condiciones que posee la madera como material estructural, sufre una política social de abandono y sustitución cuando se le detecta algún tipo de lesión. Los procesos patológicos en forjados de madera son habituales, pero también adolecen de exageración. Un examen de la capacidad mecánica residual de la estructura de madera, es decir de su rigidez y de su resistencia residual, es paso previo imprescindible antes de plantear cualquier tipo de intervención en este tipo de estructuras. Los datos que se suelen recoger dependen de varios parámetros como la clasificación estructural, deformación diferida, luz, l uz, etc.

Fotografía nº 3  Ataque por hogos de pudrición parda.

Fotografía nº 4 Detalle de nudo en ataque por hogos de pudrición parda.

En la actualidad (Arriaga, (Arriaga, 2002) 2002) se están probando in situ  Técnicas No Destructivas (TND) como el resistográfo, los ultrasonidos, etc, con resultados bastante aceptables, y que establecen clases resistentes acordes con los ensayos destructivos realizados en laboratorio. La mayoría de las intervenciones en forjados de madera, pasa por su demolición y sustitución indiscrimina por otro tipo de material, generalmente acero laminado. En los ensayos y estudios llevados a cabo sobre este tipo de estructuras (González-Bravo, 2007), 2007), se han comprobado valores resistentes de la madera considerables, en el caso de ataque por hongos e incluso en ataques de insectos de ciclo larvario como los anóbidos (fotografías nº 5 y nº 6).

 

 

Fotografía nº 5 Testa de vigueta de madera con ataque por insectos de ciclo larvario.

Fotografía nº 6 Detalle de orificios circulares de salida y restos de carcoma existentes en la galería.

Si consideramos el daño sufrido por la sección de madera, ya sea perimetral o en su canto únicamente (González-Bravo, (González-Bravo, 2008), 2008), podemos llegar a estimar con cierta precisión la disminución de la rigidez y de la resistencia de una forma gráfica (imagen nº 1) que nos aporta la variación de la capacidad mecánica al ir perdiendo sección la pieza de madera.

Imagen nº 1 Escuadría de madera con pérdida perimetral de sección y gráfica de la l a relación de pérdida de resistencia y rigidez relacionada con la pérdida de sección.  

La problemática de la intervención en elementos de patrimonio histórico artístico, por la cara superior (como los artesonados de madera) o en edificios de viviendas, constituyó el punto de partida para concebir un sistema constructivo que diera una respuesta eficaz a este problema. La idea consistió en partir de una serie de premisas y parámetros con la voluntad de marcar una metodología de trabajo sistemático y de mejora de la capacidad mecánica de forjados de madera preexistente. Los parámetros de trabajo fueron los l os siguientes: 1. Aplicación tanto a piezas da dañadas ñadas como a aquellas, que e estando stando sanas, son objeto de incremento de su capacidad.

 

2. Intervención con mínima incisió incisión, n, sin apeo y por la cara superior del forjado. 3. Economía de materiales y man mano o de obra (en especialización y tiempo de trabajo). 4. Facilidad de manipulación y mon montaje. taje. 5. Aumento s significativo ignificativo de la rigidez y de la resistencia resistencia.. 6. Reducción significativa de la demolición y producción de residuos urbanos. 7. En determinados casos, aumento significativo del aisla aislamiento miento acústico y de la vibración. 8. Dotar a los entramad entramados os horizontales pree preexistente xistente de una lo losa sa superior de forjado que homogenice el reparto de esfuerzos sobre la misma y acodalara los elementos de carga vertical. Como ya se explicó más arriba, la madera estructural posee resistencia mecánica aprovechable, a pesar de los ataques y posible reducción de su sección. Por tanto, y de cara a que ese aprovechamiento sea óptimo, planteamos que se realiza conjuntamente y de forma mixta acero-madera. Así cada material funcionará según un esfuerzo diferente dependiendo en qué zona del bloque de tensiones se encuentre. La intervención se efectúa por la cara superior (imagen nº 2 y nº 3), una vez descubierta la madera del forjado. La eliminación de la capa de agarre supone una reducción de peso para la estructura de madera ya deformada (flecha diferida). En el espacio que antes ocupaba el solado y su agarre, se puede disponer el refuerzo y una losa superior de forjado.

Imagen nº 2 Zonas de trabajo por encima de la cara superior del forjado.

Imagen nº 3 Zona de aplicación de refuerzo sobre el forjado.

Dado que los forjados de madera carecen de la hoy preceptiva losa superior de forjado, las deformaciones de los elementos lineales sometidos a flexión es diferente unas piezas de otras. Las ondulaciones convierten al forjado en una superficie, a veces de gran complejidad y con numerosas curvaturas en varios sentidos. Con el refuerzo metálico planteado se homogeniza no solo la superficie del forjado sino su comportamiento como conjunto estructural.

 

 

Imagen nº 4 Solución de refuerzo con doble pletina inferior.

Fotografía nº 7 Refuerzo de acero de doble pletina inferior sobre la madera.

  Con este tipo de intervención se está pretendiendo realizar actuaciones de “mínima incisión”, en las que los trabajos por debajo del forjado como apeos no se llevan a cabo. Esta posibilidad de intervenir sólo por una de las caras, facilita el régimen de programación de las obras, la afectación de zonas delicadas en patrimonio histórico artístico, y la ausencia de desalojo en viviendas, entre otras cosas.

Imagen nº 5 Solución de refuerzo con una pletina inferior.

Fotografía nº 8 Refuerzo de acero de una pletina inferior sobre la madera.

Los materiales empleados en la rehabilitación integral del forjado, siguiendo este sistema constructivo se limitan al acero y a los elementos de conexión con la madera de las viguetas (González-Bravo, (González-Bravo, 2007b). 2007b). Por otro lado, y al no intervenir sistemas sofisticados de unión (resinas epoxi, fibra de carbono, etc.) no es necesario empleo de mano de obra especializada. El refuerzo metálico se coloca atornillando sobre la madera previa incisión en la misma de una acanaladura que aloja la pletina o pletinas verticales inferiores. La pieza se acopla desde arriba sobre la madera, quedando ligeramente separada de la cara superior de la escuadría de madera.

 

Fotografía nº 9  Acanaladuras en la madera practicada con sierra motorizada.

 

Fotografía nº 10 Ensamble del refuerzo de doble pletina inferior.

La completa unión refuerzo-madera, se lleva a cabo mediante el atornillado del metal que hace que los dos materiales queden adheridos. Los tirafondos (DIN 571) poseen longitud y sección diferente según el tipo de refuerzo que se emplea, y este depende de la capacidad mecánica que se desee adquirir y de la sección de la pieza a reforzar.

Fotografía nº 11 Pretaladros en la madera.

Fotografía nº 12  Atornillado manual en las últimas vueltas de rosca.

Los tornillos, que poseen una separación de 100 mm siempre al tresbolillo en torno a las pletinas, se introducen (sobre un pretaladro) con ayuda de una maquina de atornillado, aunque las últimas vueltas se realizan manualmente con una llave para evitar la rotura a torsión del tirafondos.

Uno de los objetivos perseguidos con el empleo de este sistema constructivo, como ya se expuso más arriba, es el incremento de resistencia y rigidez en la estructura lignaria. Para conseguir esto, los valores de trabajo de las piezas se ensayaron previamente mediante el Método de Elementos Finitos (MEF), a través de programas informáticos que permitían simular los tres componentes del sistema, el refuerzo, los conectores y la madera.

 

 

Imagen nº 6 Proceso cíclico de diseño y validación del sistema constructivo.

El proceso se encuadró en un sistema cíclico (imagen nº 6) para optimizar las distintas etapas del diseño y el proceso de experimentación. Lo ensayos se llevaron a cabo sobre piezas a escala real de distinta tipología y constitución (madera laminada, madera maciza y madera antigua), y se establecieron patrones de comparación con elementos que servía de testigo, sin reforzar. La pruebas tuvieron lugar en el INIA, Instituto Nacional de Investigación Agraria, que posee instrumental de ensayo para grandes probetas (en este caso vigas de madera de hasta 4 m de longitud), similares a las piezas que podemos encontrar en un forjado convencional. En los ensayos se obtuvieron valores de deformación, y de tensión en distintas fases de la carga, aunque lo que primó es el ensayo a rotura de las piezas según la UNE EN 408. Las conclusiones de los resultados de laboratorio fueron decisivas (imagen nº 7), consiguiéndose incrementos de resistencia, en algunos casos (madera maciza, del doble respecto de las piezas sin reforzar. Un dato muy interesante es que los CoV (Coeficientes de Variación) de las distintas muestras se redujeron considerablemente al emplear el refuerzo, comprobándose de nuevo que este actuaba homogeneizando las piezas.  A pesar de la problemática de la deformación diferencial entre madera y acero, el ensamble de los materiales en el sistema constructivo, demostró que la madera posee una capacidad mecánica residual a tracción considerable y que ésta se ve complementada con el acero, tras la ascensión experimentada por la la fibra neutra dentro de la sección reforzada.

 

Se posibilita así, que la línea estructural de madera, ahora reforzada, funcione en la franja óptima de esfuerzos, recuperándose su función portante en el caso de piezas con cierto grado de ataque e incrementándose notablemente su capacidad de absorber nuevas cargas para las que el forjado antiguo no estaba preparado.

Imagen nº 7 Resultados del incremento de resistencia en la campaña de ensayos de laboratorio.

Finalmente y tras la campaña de ensayos se decidió aplicar el sistema en un ensayo de campo con problemas de ataques por hongos de pudrición. En una vivienda del casco antiguo de Madrid, se descubrió toda la estructura y se aplicó el refuerzo. Dado que la escuadría de las piezas de madera era pequeña (10 cm x 15 cm), se empleó un refuerzo de una sola pletina inferior, y con unos valores de rigidez acomodados a la franja de recuperación que se pretendía en función de la capacidad mecánica del forjado de la vivienda. En los distintos paños del forjado, se comprobó la capacidad mecánica residual, registrándose algunos casos por encima del 120%. Las flechas (inicial y final) de los paños eran altas, lo que atestiguaba un problema de ataque antes incluso de proceder al levantamiento del solado para comprobar el estado de la madera.

 

Fotografía nº 13 Forjado de madera tras retirada de solado.

 

Fotografía nº 14 Vigueta con ataque por hongos de pudrición.

Tras los cálculos realizados sobre los paños concretos se diseñó un perfil (imagen nº 9) que recuperaba la capacidad mecánica de las piezas hasta el 60 %.

Imagen nº 8 Modelo de refuerzo empleado en el ensayo de campo.

Fotografía nº 15  Acanaladura iniciada con sierra de disco.

Para el montaje se cortó la acanaladura con sierra de disco (fotografía nº 10) para posteriormente realizar la perforación con sierra de motorizada (fotografía nº 10).

Fotografía nº 16 Corte de la madera con sierra motorizada.

Fotografía nº 17  Atornillado de tirafondos de forma mecáncia.

El atornillado de la pieza metálica se lleva a cabo desde los apoyos hacia el centro, y la deformación de la pieza de va reduciendo al ir uniéndose acero y madera.

 

Fotografía nº 18 Frojado con la pieza de refuerzo ensamblada.

 

Fotografía nº 19 Relleno de la zona de entrevigado con mortero aligerado.

inalmente, y a través de la terminación del solado empleando morteros aligerados así como una losa superior de forjado cuya función a parte de la estipulada por el Código Técnico de la Edificación y el Eurocódigo, trata de complementar a través de una estructura de tres materiales (madera, acero y hormigón) el refuerzo antes expuesto.

Fotografía nº 20 Disposición de losa superior de forjado.

Fotografía nº 21 Imagen de la sección compuesta madera-acerohormigón armado.