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Informe Técnico N° 234
CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE MUROS
FABRICADOS CON MADERA ASERRADA ESTRUCTURAL
DE PINO OREGÓN
INSTITUTO FORESTAL
2020
Las fotografías e imágenes incorporadas en tapas o texto de la presente publicación provienen de archivo
institucional o fueron obtenidas o elaboradas durante el desarrollo de las actividades del trabajo que origina
esta publicación.
Informe Técnico N° 234
CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE MUROS FABRICADOS CON
MADERA ASERRADA ESTRUCTURAL DE PINO OREGÓN1
Jorge Catalán 2; Luis Vásquez; Pablo Mardones; Raúl Campos; Cristian Reyes;
Patricio Elgueta; Gonzalo Hernández; Irma Arriagada, Leonardo Troncoso y Javiera Padilla.
INSTITUTO FORESTAL 2020
1 Estudio financiado dentro de convenio INFOR-MINAGRI 2020
2 Investigadores Instituto Forestal, Sede Bio Bio. [email protected]
____________________________________________________________________________
INSTITUTO FORESTAL Sucre 3397, Ñuñoa, Santiago Chile F. 56 2 223667115
www.infor.cl
ISBN N° 978 956 318 177 - 7 Registro Propiedad Intelectual N° 2021 A 701 Se autoriza la reproducción parcial de esta publicación siempre y cuando se efectúe la cita correspondiente: Catalán, Jorge; Vásquez, Luis; Mardones, Pablo; Campos, Raúl; Reyes, Cristian; Elgueta, Patricio; Hernández, Gonzalo; Arriagada, Irma; Troncoso, Leonardo y Javiera Padilla, 2020. Caracterización Mecánica de Muros Fabricados con Madera Aserrada Estructural de Pino Oregón. Instituto Forestal, Chile. Informe Técnico N° 234. P.12.
ÍNDICE
PRÓLOGO
INTRODUCCIÓN
1
OBJETIVO
1
METODOLOGÍA
2
RESULTADOS
5
ANÁLISIS DE RESULTADOS
9
CONCLUSIONES
12
REFERENCIAS
12
PRÓLOGO Dentro del marco del acuerdo de París del año 2015, donde todos los países miembros se comprometen a realizar acciones a nivel nacional para reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero, Chile el año 2019 se comprometió a alcanzar la condición de país carbono neutral al año 2050. Los bosques en su etapa de crecimiento absorben CO2 desde la atmosfera y liberan oxígeno al ambiente. De acuerdo con el último inventario de gases de efecto invernadero (GEI), realizado por el Ministerio de Medio Ambiente el 2018, los bosques de Chile mitigaron el 62% de los GEI generados por el país. No solo los bosques contribuyen a mitigar los gases de efecto invernadero, también lo hace la construcción con madera, cuya fabricación de componentes emite menos CO2 que los fabricados con materiales alternativos, tales como el acero y el hormigón, además de conservar el carbono retenido en su composición.
A nivel nacional destacan dos iniciativas que tienen entre sus objetivos promover el uso de la madera en la construcción, el programa de CORFO Madera de Alto Valor y el enunciado la Política Forestal de Chile 2015 a 2035.
Desde sus inicios el Instituto Forestal (INFOR) ha estudiado las maderas provenientes de los bosques nativos y las plantaciones, determinando sus propiedades físicas y mecánicas y sus aptitudes de uso. Más recientemente ha prestado especial atención a la madera aserrada estructural destinada a la fabricación de componentes constructivos con valor agregado.
En el presente informe se entrega la caracterización mecánica de tipologías de muros fabricados con madera aserrada estructural de pino oregón, desarrollados en el Laboratorio de Madera Estructural de INFOR, que cuenta con un sistema de gestión acreditado bajo la norma NCh-ISO 17025.
Fernando Raga Castellanos Director Ejecutivo Instituto Forestal
1
INTRODUCCIÓN
Considerando la escasa información existente en el país respecto de la capacidad de
los muros estructurales fabricados con madera aserrada estructural, el Área de Tecnología y Productos de Madera del Instituto Forestal (INFOR) ejecutó una serie de ensayos mecánicos que permiten caracterizar tipologías de muros fabricados con madera estructural de pino oregón.
Un muro estructural tiene por función transmitir hacia la fundación las cargas verticales y horizontales a las que se somete una vivienda.
La norma NCh 1198, que rige el cálculo estructural en madera, no propone un método analítico para verificar la capacidad estructural de un muro sometido a cargas horizontales.
La norma NCh 802:2017 define un método de ensayo para determinar el
comportamiento y resistencia de segmentos de muro sometidos a una carga horizontal contenida en su plano, donde las condiciones de borde representan el comportamiento de la estructura, sin considerar la restricción al giro de la probeta.
En este informe se entregan la metodología, resultados y conclusiones de los ensayos mecánicos de carga vertical aplicados sobre 3 tipologías de muros con estructura de madera, considerando un único sistema de anclaje.
Los muros de madera fueron construidos según el sistema constructivo plataforma, en
base a pie derechos de madera aserrada estructural de pino oregón, grado visual G2, y placa de arriostre de OSB fijada con un esquema de clavado especifico.
A partir de los resultados de los ensayos mecánicos se estimaron las capacidades
admisibles de los muros frente a cargas de corte, considerando la restricción a la deformación que establece la norma NCh 433: Diseño sísmico de edificios (H/500).
Finalmente, se comparan los resultados de carga admisible determinados en este
estudio con los criterios que señala la ASCE-07 (H/200) y la norma americana Special Design Provisions for Wind and Seismic (SDPWS).
Los ensayos mecánicos fueron ejecutados en el Laboratorio de Madera Estructural del Instituto Forestal (LME-INFOR) en Concepción, que cuenta con un sistema de gestión acreditado bajo la norma NCh-ISO 17025.
OBJETIVO
El objetivo de este estudio considera determinar las capacidades admisibles de
tipologías de muro fabricados, según restricciones nacionales, con madera aserrada estructural de pino oregón, para luego comparar con valores de ensayos nacionales en pino radiata y valores de cargas tabulados para criterios y restricciones internacionales (ASCE-07, SDPWS).
2
METODOLOGÍA
El método de ensayo aplicado a los muros se describe en la Norma chilena NCh
802:2017: Elementos de construcción. Segmentos de muro. Ensayo de carga horizontal.
El diseño experimental consideró 3 tipologías de muros y 5 repeticiones por tipología.
A la primera probeta de cada tipología ensayada se le aplicó una carga monotónica hasta alcanzar la falla. A las 4 probetas restantes se les aplicaron cargas cíclicas, con un mínimo de 5 incrementos discretos de carga. Para cada ciclo se registraron la deformación del muro bajo carga y su deformación residual. Tipologías de Muro con Estructura de Madera
Las tipologías de muros de madera sometidas a los ensayos de carga horizontal se describen en el Cuadro N° 1. Todos los muros presentan un sistema de anclaje unido a una viga de fundación de acero. El tamaño de las probetas de muro ensayados fue 1,22 m de ancho por 2,44 m de alto. Las Figuras N° 1 y N° 2 registran la configuración de muro ensayado y el conector hold-down HTT4 utilizado en el sistema de anclaje, respectivamente. La Figura N° 3 registra la distancia de clavado perimetral para los muros MP-150-11.
Cuadro N° 1 TIPOLOGÍAS DE MUROS DE MADERA ENSAYADOS A CARGA LATERAL
Tipología Estructura Placa de Arriostre Sistema de Anclaje
MP-100-9
Madera aserrada de pino oregón, grado estructural visual G2, seca en cámara, escuadría 45x90 mm (2x4”); y pie derechos distanciados a 406 mm.
Placa de madera OSB de 9,5 mm de espesor, fijada con clavos de 3” (diámetro 3 mm) distanciados en la zona perimetral a 100 mm y 200 mm en la zona central, hincados con una pistola neumática
2 pernos de anclaje grado 8, de 5/8” de diámetro; con conectores de acero modelo HTT4 de Simpson Strong-Tie.
MP-100-11
Madera aserrada de pino oregón, grado estructural visual G2, seca en cámara, escuadría 45x90 mm (2x4”); y pie derechos distanciados a 406 mm.
Placa de madera OSB de 11,1 mm de espesor, fijada con clavos de 3” (diámetro 3 mm) distanciados en la zona perimetral a 100 mm y 200 mm en la zona central, hincados con una pistola neumática
2 pernos de anclaje grado 8, de 5/8” de diámetro; con conectores de acero modelo HTT4 de Simpson Strong-Tie.
MP-150-11
Madera aserrada de pino oregón, grado estructural visual G2, seca en cámara, escuadría 45x90 mm (2x4”); y pie derechos distanciados a 406 mm.
Placa de madera OSB de 11 mm de espesor, fijada con clavos de 3” (diámetro 3 mm) distanciados en la zona perimetral a 150 mm y 300 mm en la zona central, hincados con una pistola neumática
2 pernos de anclaje grado 8, de 5/8” de diámetro; con conectores de acero modelo HTT4 de Simpson Strong-Tie.
3
Figura N° 1 CONFIGURACIÓN DEL MURO
Figura N° 2
CONECTOR UTILIZADO EN EL ANCLAJE
Figura N° 3 DISTANCIA DE CLAVADO PERIMETRAL
4
Tablas de Diseño SDPWS
La SDPWS (2015) presenta una extensa tabla de diseño que incorpora las resistencias
nominales al corte de muros estructurales de madera con diferentes configuraciones. El Cuadro N° 2 indica las resistencias nominales de los muros tipo Sheating, es decir,
los que se fabrican con madera aserrada estructural, tableros con calidad certificada, y que son anclados a la fundación mediante conectores tipo hold-down.
Cuadro N°2 RESISTENCIA AL CORTE DE MUROS ESTRUCTURALES TIPO SHEATING
Espesor Panel
Espaciamiento Clavado Perimetral (mm)
150 100 75 50
Vs (N/m)
Vs (N/m)
Vs (N/m)
Vs (N/m)
9,5 6.419 9.330 11.956 15.455
11,1 6.997 10.212 13.122 17.062
Las resistencias nominales presentadas en el Cuadro N° 2 se deben dividir por 2 para
un diseño bajo la filosofía de las tensiones admisibles y además se deben ajustar con el factor KG, que es función de la densidad anhidra de la especie de madera que se utiliza en la fabricación del muro.
𝐾𝐺 = 1 − (0,5 − 𝜌0)
Donde 𝜌0 corresponde a la densidad anhidra de la especie considerada, en t/m3.
En los Cuadros N° 3 y N° 4 se registra la corrección para segmentos de muro arriostrados por una cara, a valores admisibles y por especie del Cuadro N° 2.
Cuadro N° 3 VALORES DE CARGA ADMISIBLE DE CORTE PARA MUROS FABRICADOS CON PINO OREGÓN
Espesor Panel
Espaciamiento Clavado Perimetral (mm)
150 100 75 50
Vs (N/m)
Vs (N/m)
Vs (N/m)
Vs (N/m)
9,5 2.921 4.245 5.440 7.032
11,1 3.184 4.646 5.971 7.763
5
Cuadro N°4 VALORES DE CARGA ADMISIBLE DE CORTE PARA MUROS FABRICADOS CON PINO RADIATA
Espesor Panel
Espaciamiento Clavado Perimetral (mm)
150 100 75 50
Vs (N/m)
Vs (N/m)
Vs (N/m)
Vs (N/m)
9,5 3.049 4.432 5.679 7.341
11,1 3.324 4.851 6.233 8.104
RESULTADOS
En el Cuadro N° 5 aparece la estadística descriptiva de los ensayos ejecutados a las 3 tipologías de muros.
Se observa que los muros MP-100-9 y MP-100-11 alcanzaron una carga lateral máxima
promedio de 13.500 N/m y 15.752 N/m, respectivamente. El muro MP-150-11 alcanzó una carga promedio de 12.074 N/m, siendo inferior a las tipologías antes mencionadas, considerando el mayor espaciamiento perimetral de los medios de unión.
En la Figura N° 4 se registran las curvas de los ensayos monotónicos, carga por metro
lineal vs deformación.
Las Figuras N° 5 a N° 7 registran las curvas promedio residual y bajo carga de los ensayos cíclicos para las 3 tipologías de muros ensayadas.
En todas las tipologías de muro ensayadas, la falla se produce en el borde traccionado, que responde a la siguiente secuencia:
- Plastificación del acero de los medios de unión. - Aplastamiento y desgarramiento de la zona de clavado de unión OSB-madera. - Desclavado parcial de la unión pie derecho con la solera inferior de la zona en
tracción. En algunos casos (Figura 10) el pie derecho falla por tracción en la zona de unión con
el herraje. La falla se presenta debido a que la carga en tracción supera la resistencia característica de la madera a este tipo de esfuerzo.
También contribuye a la falla la presencia de los medios de unión herraje-pie derecho
que debilita la zona y produce concentraciones de tensiones en torno a dichos medios de unión. Las Figuras N°8 a N° 10 registran las fallas descritas.
6
Cuadro N° 5
RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE CARGA LATERAL
Muro
Carga máxima (N/m)
MP-100-9 MP-100-11 MP-150-11
1 (*) 12.705 15.390 12.166
2 13.606 15.495 13.131
3 13.498 17.224 12.568
4 15.937 14.884 11.000
5 11.756 15.768 11.507
Promedio 13.500 15.752 12.074
Desviación estándar (N) 1.387 790 754
Coeficiente de variación (%) 10,3 5,0 6,2
(*) Corresponde al ensayo monotónico
Figura N° 4 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS MONOTÓNICOS
7
Figura N° 5 CURVAS PROMEDIO, RESIDUAL Y BAJO CARGA, DE LOS MUROS MP-100-9
Figura N° 6 CURVAS PROMEDIO, RESIDUAL Y BAJO CARGA, DE LOS MUROS MP-100-11
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 10 20 30 40 50
Car
ga (
N/m
)
Deformación (mm)
Tipología de muros: MP-100-9
BC M1
RES M1
BC M2
RES M2
BC M3
RES M3
BC M4
RES M4
BC PROM
RES PROM
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 10 20 30 40 50
Car
ga (
N/m
m)
Deformación (mm)
Tipología de Muros: MP-100-11
BC M1
RES M1
BC M2
RES M2
BC M3
RES M3
BC M4
RES M4
BC PROM
RES PROM
8
Figura N° 7 CURVAS PROMEDIO, RESIDUAL Y BAJO CARGA, DE LOS MUROS MP-150-11
Figura N° 8 FLUENCIA CLAVO
Y APLASTAMIENTO DEL OSB
Figura N° 9
DESCLAVADO DEL PIE DERECHO
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0 10 20 30 40 50
Car
ga (
N/m
m)
Deformación (mm)
Tipología de Muros: MP-150-11
BC M1
RES M1
BC M2
RES M2
BC M3
RES M3
BC M4
RES M4
BC PROM
RES PROM
9
Figura N° 10 FALLA PIE DERECHO TRACCIONADO EN ZONA DE UNIÓN CON HERRAJE
ANÁLISIS DE RESULTADOS
En el Cuadro N° 6 se muestran los resultados de ensayos de muros estructurales fabricados con madera aserrada de pino oregón y pino radiata. Se informan los valores de carga máxima promedio, las cargas admisibles asociadas a los criterios de deformaciones máximas permitidas por la norma chilena NCh 433 (INN 1996) y la norma americana ASCE-07, y las cargas admisibles corregidas de la norma americana SDPWS, señaladas en el Cuadro N° 3 de este documento.
Para la tipología de pino oregón con espaciamiento de uniones perimetrales a @100 mm, se tiene que al reemplazar la placa OSB de 9,5 mm por una de 11,1 mm, la carga máxima promedio se incrementa en aproximadamente un 17%.
Para la tipología de pino oregón con placa de OSB de 11,1 mm, se tiene que al disminuir el espaciamiento de uniones perimetrales de 150 mm a 100 mm, la carga máxima promedio se incrementa en un 30%.
El criterio de deformación señalado por la NCh 433 limita los desplazamientos relativos entre pisos a un máximo de H/500. Al ser aplicado a las tipologías estudiadas, provoca diferencias poco significativas de resistencia al corte.
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Al comparar las resistencias admisibles de corte estimadas mediante el criterio de deformaciones máximas permitidas por la NCh 433 con las derivadas de la SDPWS, se observa que para todas las tipologías las resistencias obtenidas con la normativa chilena son menores, pero al aplicar el criterio de la ASCE-07, las resistencias de todas las tipologías ensayadas son superiores a las tabuladas en la SDPWS.
En el Cuadro N° 7 se registran las tensiones axiales generadas en el pie derecho en tracción para las condiciones de carga máxima permitida por metro lineal según criterio de la NCh 433. Al comparar con los valores de tensiones admisibles por especie se aprecia que para esa escuadría los grados estructurales G2 y C16 pueden ser utilizados.
En la Figura N° 11 se muestran las curvas de carga por metro lineal y la deformación bajo carga promedio para las 3 tipologías de muros ensayadas. Se observa un comportamiento inicial elástico lineal y una marcada zona dúctil que refleja gran deformación antes de alcanzar la rotura. Lo anterior es posible debido a las uniones placa madera materializadas con acero.
Cuadro N° 6 RESISTENCIA A CARGA LATERAL DE TIPOLOGÍAS DE MUROS SISTEMA PLATAFORMA
Muro
Carga máxima
promedio (N/m)
Cargas admisibles, según criterio de deformación
(N/m)
Carga admisible,
según SDPWS
(N/m)
Diferencia de resistencia NCh 433 vs
SDPWS (%) *H/500 *H/200
(NCh 433) (ASCE-07)
MP-100-9 13.500 3.306 6.221 4.245 -22
MP-100-11 15.752 3.202 6.304 4.646 -31
MP-150-11 12.075 2.990 5.698 3.184 -6
MM-100-9 (*) 11.351 2.890 4.931 4.432 -35
MM-100-11 (*) 11.966 3.669 6.133 4.851 -24
MM-150-9 (*) 8.114 2.360 4.065 3.049 -23
MM-150-11 (*) 8.989 3.267 4.942 3.324 -2
MP-75-9 (*) 20.357 3.436 7.420 5.679 -39
MP-75-11 (*) 20.056 3.452 7.214 6.233 -45
MP-50-9 (*) 26.469 4.027 9.128 7.341 -45
MM-75-9 (*) 18.061 3.236 7.002 5.679 -43
(*): Tipologías en pino radiata, extraído de estudio previo de INFOR (INFOR 2016a, INFOR 2016b) *H: Altura entre pisos MP: Clavo de 3”; Hincado con pistola neumática MM: Clavo de 2”; Hincado con martillo
11
Cuadro N° 7 TENSIONES AXIALES EN TRACCIÓN
Muro
*H/500 (N/m)
(NCh 433)
Carga en Tracción
(N) (NCh 433)
Tensión en Tracción (**)
(MPa) (45x90 mm)
Grado Estructural Mínimo Necesario en
Pie Derecho
MP-100-9 3306 8.067 2,0
Pino oregón G2 (4,4)
MP-100-11 3202 7.813 1,9
MP-150-11 2990 7.295 1,8
MM-100-9 (*) 2.890 7.052 1,7
Pino radiata C16 (3,5 MPa)
o G2 (4,7 MPa)
MM-100-11 (*) 3.669 8.952 2,2
MM-150-9 (*) 2.360 5.758 1,4
MM-150-11 (*) 3.267 7.971 2,0
MP-75-9 (*) 3.436 8.384 2,1
MP-75-11 (*) 3.452 8.423 2,1
MP-50-9 (*) 4.027 9.826 2,4
MM-75-9 (*) 3.236 7.896 1,9
(*): Tipologías en pino radiata, extraído de estudio previo de INFOR (INFOR 2016a, INFOR 2016b) (**): Estimada de acuerdo a NCh 1198 (INN 2014)
Figura N° 11 GRÁFICA DE CARGA POR METRO LINEAL Y DEFORMACIÓN BAJO CARGA
POR TIPOLOGÍA ENSAYADA
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 10 20 30 40 50
Car
ga (
N/m
m)
Deformación (mm)
Carga vs deformación bajo carga promedio
MP-100-9
MP-100-11
MP-150-11
12
CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos para las tipologías de muros ensayadas permiten caracterizar las propiedades mecánicas a carga horizontal del elemento estructural, considerando que las cargas máximas presentan un bajo coeficiente de variación en todas las tipologías.
El comportamiento de la estructura otorga ductilidad siempre que la capacidad en tracción del pie derecho sea mayor al esfuerzo necesario para restituir el máximo momento volcante generado por la carga de corte de diseño.
No se evidenciaron variaciones importantes en la capacidad al corte de los muros cuando se modificó el espesor de la placa OSB, de 9,5 mm a 11,1 mm.
Los resultados siguen la tendencia de informes anteriores y muestran que existe una alta correlación entre el espaciamiento de clavado perimetral y la carga máxima de rotura del muro. Por lo tanto, a menor espaciamiento se obtiene una mayor capacidad de resistencia al corte.
Del análisis comparativo de las cargas asociadas a las deformaciones máximas permitidas por la norma NCh 433 y los valores presentados en la SDPWS es posible concluir que al aplicar la normativa nacional, se obtienen valores conservadores, con la excepción de las tipologías con placa de 11 mm y distribución del clavado exterior de150 mm las cuales presenta diferencias mínimas. Esta es la razón del buen comportamiento del sistema plataforma en las viviendas de hasta dos pisos en el país.
REFERENCIAS INN, 2017. NCh 802/2017: Elementos de construcción. Segmento de muro. Ensayo de carga horizontal. Instituto Nacional de Normalización, Chile. INN, 2014. NCh 1198: Madera. Construcciones en madera. Cálculo. Instituto Nacional de Normalización, Chile. INN, 1996. NCh 433. Diseño sísmico de edificios. Instituto Nacional de Normalización, Chile. ASCE-07, 2005. Minimum design loads for buildings and other structures. American Society of Civil Engineers, EEUU. Vásquez, L.; González, M.; Elgueta, P.; Campos, R. y Hernández, G., 2016a. Informe de Ensayos Mecánicos de Muros Estructurales de Madera. Instituto Forestal. Concepción, Chile. Vásquez, L.; González, M.; Elgueta, P.; Campos, R.; Hernández, G.; Reyes, Cristian y Mardones, Pablo, 2016b. Caracterización mecánica de muros estructurales de pino radiata sometidos a carga lateral. Instituto Forestal. Concepción, Chile. SDPWS, 2015. Special Design Provisions for Wind and Seismic. American Wood Council, EE.UU.
www.infor.cl