La madera es, en muchos aspectos, diferente a otros materiales constructivos como el acero o el hormigón. Hoy vamos a hablar de un aspecto clave propio de la madera y que no podemos pasar por alto al calcular estructuras: su comportamiento ante cargas de larga duración.
La madera y su duración de cargas
Hoy vamos a hablar de un aspecto clave propio de la madera y que no podemos pasar por alto al calcular estructuras.
La estructura de madera de una cubierta cuando es sometida a cargas permanentes (tablero, aislamiento, láminas, enrastrelado, tejas…) resiste alrededor de un 60% menos que si ésta debe resistir cargas de corta duración. Pero, ¿cómo que la resistencia de un material cambia con el tiempo? Si estás acostumbrado a calcular estructuras de otros materiales te resultará extraño porque este comportamiento es exclusivo y característico de la madera.
Resistencia, duración de la carga y calidad
El efecto del esfuerzo prolongado sobre la resistencia de la madera es una de las características únicas de este material. Las primeras aproximaciones en la investigación de este comportamiento de la madera fueron en 1951 cuando el ingeniero Lyman W. Wood (con este nombre era de esperar, ¿verdad? ) desarrolló una curva que recogía la variación de la resistencia de la madera en función del tiempo de duración de las cargas a las que estaba sometida. Esta curva se conoce como la Curva de Madison.
En el siguiente gráfico se recoge la Curva de Madison, fruto de ensayos experimentales de los años 50, junto con los valores que toma la resistencia de la madera en función del tiempo de carga recogidos en el Eurocódigo 5 actual.
Esta diferencia de comportamiento que varía según la duración de la carga está más marcada cuanto mayor es la calidad de la madera. En maderas de baja calidad el comportamiento de la madera frente a cargas rápidas de corta duración no es tan bueno porque se producen concentraciones de tensiones alrededor de los defectos: en los nudos, por ejemplo, pueden aparecer tracciones perpendiculares que producen el colapso en la pieza con valores de carga no muy elevados. Sin embargo, durante la exposición a cargas más lentas y de larga duración las tensiones se reducen redistribuyéndose a lo largo de toda la pieza. Este fenómeno se asocia a un comportamiento viscoso de la madera alrededor de sus defectos (fendas, nudos, acebolladuras…).
Duración de carga + humedad ambiental = kmod
Pero no sólo la duración de la carga es el único aspecto que influye en el cálculo de la resistencia de la madera. El ambiente en el que está situada la estructura también es decisivo para el cálculo de la resistencia mecánica de las piezas. Ésta se reduce conforme mayor es el contenido de humedad ambiental.
Evolución de la resistencia mecánica según el contenido de humedad
Estos dos conceptos sobre los que hemos hablado, duración de la carga y contenido de humedad ambiental, se unen en un factor de modificación de la resistencia característica del material llamado kmod.
Este factor es extremadamente importante en el diseño de estructuras de madera porque puede reducir la capacidad de carga de las piezas de madera hasta la mitad. El kmod depende de la duración de la carga a la cual está sometida la estructura y la clase de servicio en la que se encuentra haciendo que la resistencia de una pieza de madera sea menor cuanto mayor sea la clase de uso y más tiempo tenga que resistir una carga.
Por lo tanto, si necesitamos conocer cuál es el valor de cálculo de una propiedad de la madera o de materiales a base de madera tenemos que utilizar la siguiente fórmula donde entra en juego este factor de modificación kmod:
En una combinación de hipótesis de cálculo donde se recojan varias acciones de diferente duración deberemos escoger el valor de kmod correspondiente a la carga de menor duración. Vamos a utilizar un ejemplo para entenderlo mejor. La combinación pésima en el cálculo de cubiertas de madera suele ser la que combina las cargas permanentes con la nieve. Si suponemos que nuestra cubierta está en una clase de servicio 1 ó 2 y una duración corta para la carga de nieve, obtendremos un valor de kmod = 0,90.
La mejor situación para la madera
Cuando estudiamos esta particularidad del comportamiento estructural de la madera nos damos cuenta de que resulta ser un material muy eficaz ante cargas dinámicas e instantáneas como el viento o el sismo, tal como hablábamos hace unos meses en este post. Al fin y al cabo, es un material natural que viene de un árbol. El árbol resiste espléndidamente a cargas de corta duración: está diseñado para resistir un vendaval y quedar tan tieso como al comienzo. Pero prueba a colgar un peso durante mucho tiempo de una de sus ramas. El resultado no será tan bueno porque las cargas permanentes no le van tan bien. Y la madera se comporta exactamente igual.
En las situaciones de cálculo donde la parte permanente de las cargas es pequeña la madera funciona muy bien. En una cubierta ligera, con un peso propio y cargas permanentes reducidas, la madera es el material ideal porque queda libre una gran capacidad resistente disponible para las cargas de menor duración como son el viento y la nieve. También el comportamiento de la madera es igual de bueno frente a cargas alternas que se repiten cíclicamente.
En cambio, una viga de madera que debe soportar una carga elevada sostenida en el tiempo se va fatigando y va reduciendo poco a poco su resistencia conforme van pasando los años. Necesitaremos una sección mayor para poder resistir esos esfuerzos. Por lo tanto, una estructura de madera será más barata cuanto menor sea la carga permanente que debe resistir.
Fuente: The Cambium Design