Construcción Entramado Ligero Madera: Materiales y Cálculos

El primer paso en el cálculo de entramado ligero de madera, aplicado a viviendas, es hacer un análisis exhaustivo de las cargas que actúan sobre el edificio.

De la precisión en este paso dependerá en buena medida la optimización de la estructura.

EL CTE clasifica las acciones en permanentes, variables y accidentales.

Las acciones permanentes se refieren al peso propio de la construcción, que depende tanto de los acabados como de la solución estructural en sí. El proceso de cálculo de entramado ligero de madera debe, por tanto, ser iterativo, partiendo de un predimensionado y haciendo sucesivos ajustes, ya que la estructura tiene que soportar también su propio peso.

En cuanto a las acciones variables y accidentales, el CTE contempla para vivienda unifamiliar, las siguientes:

• La sobrecarga de uso, que para interiores de viviendas es de 2kN/m2, mientras que para las cubiertas varía en función de su uso y su inclinación, entre 0kN/m2 y 1kN/m2.
• El viento, que de forma simplificada se adopta un valor de 0,5kN/m2, aunque en ocasiones hay que tomar un valor superior.
• La nieve, cuyo valor es el más variable (entre 0kN/m2 y más de 9kN/m2). Es además el más complejo de determinar, puesto que depende de la situación de la obra y de la geometría de la cubierta.
• Y el sismo, que en España sólo se considera en contadas localidades de Granada y Murcia. El Entramado Ligero, no obstante, responde muy bien a los terremotos.

Una vez establecidas las Acciones, se inicia el análisis estructural:

A la hora de abordar el diseño y cálculo de entramado ligero de madera hay que tener presentes en todo momento los 3 niveles de aproximación: Los elementos (lineales, superficiales y de unión), los subsistemas planos (verticales, horizontales e inclinados) y el sistema estructural en su conjunto. Cada subsistema plano se compone de elementos que hay que dimensionar. Al mismo tiempo, se combina con el resto de subsistemas planos, confiriéndose mutuamente estabilidad. Todo ello es necesario para que el sistema estructural cumpla con los requisitos de resistencia, estabilidad y servicio que marca la normativa.

De manera reduccionista, podría decirse que la decisión final en el cálculo de entramado ligero de madera es “qué perfiles poner y a qué distancia unos de otros”. Pero esta decisión, aparentemente trivial, presenta una cantidad de posibilidades casi infinitas. En primer lugar hay que considerar los distintos tipos de elementos lineales que se pueden utilizar, teniendo en cuenta 3 variables: el material, la clase resistente y las medidas.

En cuanto a materiales, los más utilizados son la Madera Aserrada Estructural (MAE), la Madera Laminada Encolada (MLE), la Madera Reconstituida o Composite (SCL), la Madera Microlaminada (LVL) y las Vigas Compuestas.

Cada uno de estos materiales tiene diferentes clases resistentes (CR), teniendo asociada cada una, todos los valores característicos de Resistencia, Rigidez y Densidad. El CTE identifica las CR con una o dos letras (que indican el material) y un número de dos cifras, que es la resistencia a flexión medida en (N/mm2). C24, por ejemplo, quiere decir que es madera aserrada de conífera, con una resistencia a flexión de 24N/mm2.

En cuanto a las medidas, el catálogo es inmenso, con distintas secciones, según su procedencia.

En proyecto, deben quedar definidas todas estas variables, ya que las características mecánicas dependen de todas ellas y no se puede modificar una sin ajustar las otras. Para los elementos superficiales, lo que se conoce como Tableros Estructurales, pasa exactamente lo mismo: Existen distintos materiales, para los que hay diferentes Clases Resistentes y distintas medidas y espesores.

Los materiales más utilizados son : Tableros Contrachapados, Tableros de Virutas Orientadas (OSB), Tableros de Partículas, Tableros de Fibras de Densidad Media (MDF) y Tableros de Fibras Duros (HB) y Semiduros (MB).

En cuanto a las clases resistentes, vienen generalmente determinadas por la clase de servicio para la que son aptos, presentando distintas propiedades mecánicas. La tabla de la izquierda corresponde a tableros OSB-2 y OSB-3.

Las medidas son muy variadas en espesores y en superficie. La medida del tablero es muy importante porque su longitud va a ser la que determine la separación entre elementos lineales, que será siempre divisible entre dicha longitud, para no desperdiciar material ni tiempo en cortes. La más frecuente es de 244x122cm, que procede de las medidas americanas (96×48”). Es el tablero estándar, ya que se trata de una cifra muy fácilmente divisible.

Las uniones se ejecutan principalmente con clavos y tirafondos. Existen infinidad de variedades, según la forma de la punta, el fuste y la cabeza, siendo cada tipo adecuado para la unión de diferentes materiales. Las medidas son importantes, tanto la longitud como el diámetro. Deben estar protegidos frente a la corrosión, según indica el CTE, siendo lo habitual galvanizarlos en caliente.

En el cálculo de entramado ligero de madera hay que tener en cuenta la capacidad de carga lateral en las uniones, ya sea trabajando a simple o a doble cortadura, así como la resistencia a aplastamiento de los perfiles o tableros de madera, que a menudo resultan ser el elemento más débil en la unión. Las uniones con clavos tienen bastante ductilidad, por lo que resisten bien las acciones laterales de viento y sismo.

Además de los elementos de unión tipo clavija, y en combinación con éstos, se utilizan en determinados puntos elementos auxiliares de unión, de los que los más habituales son los que vemos en la imagen: Placas Perforadas, Escuadras, Cartelas de Madera, Placas-Clavo y Estribos. Éstos son puntos singulares en el cálculo de entramado ligero de madera, que hay que abordar de manera específica.

Forjados de Madera en Entramados Ligeros

La función de los forjados de madera, dentro del sistema estructural de entramado ligero, es recibir cargas superficiales (su peso propio, el de los tabiques y la sobrecarga de uso), para transmitirlas a los extremos, en forma de cargas lineales sobre los muros.

Los forjados de madera también colaboran en la estabilidad de la estructura, rigidizando el conjunto en planos horizontales.

Los Elementos y sus Funciones

Los elementos principales son las viguetas que discurren en el sentido de la luz, pero requieren de elementos secundarios, dispuestos transversalmente, que son las viguetas de cabeza y los zoquetes.

Además de las líneas continuas de zoquetes, necesarias para evitar el vuelco de las viguetas, se colocan también zoquetes uniendo las dos viguetas extremas (zoquetes de borde), cuando la última apoya directamente sobre un entramado vertical, para evitar la diferencia de deformación entre ellas.

Los tableros estructurales aumentan la rigidez en el eje de las viguetas y evitan su pandeo, ya que arriostran la parte superior, que es la que está comprimida. La medida del tablero es muy importante porque su longitud va a ser la que determine la separación entre las viguetas, que será siempre divisible entre dicha longitud, para no desperdiciar material ni tiempo en cortes.

Deben contrapearse, de tal forma que no coincidan las juntas, para que los tramos exteriores, que son los más desfavorables, no tengan continuidad en sentido transversal y su efecto quede atenuado.

Los tableros permiten la transferencia de cargas de una vigueta a las contiguas, aumentando su resistencia un 10%, con respecto a la misma pieza considerada de forma aislada. Es lo que el CTE denomina Factor de carga compartida “ksys”.

La mayoría de tableros utilizados en forjados de madera son anisótropos, siendo su resistencia mayor en dirección longitudinal, por lo que siempre hay que disponerlos en dirección perpendicular a las viguetas. De esta manera, se consigue mayor resistencia y un mayor número de tramos del tablero interiores.

Tomemos como ejemplo un tablero de 120x240cm, apoyado sobre viguetas que equidistan 40cm: Si lo disponemos en la dirección de las viguetas, resultan 3 tramos, siendo 1 de ellos interior y 2 exteriores (33% de continuidad). Mientras que, en sentido transversal a las viguetas, resultan 6 tramos, siendo 4 de ellos interiores y 2 exteriores (67% de continuidad).

A ésto hay que añadir que la resistencia a flexión es aproximadamente el doble en dirección paralela a las fibras y la rigidez 2 veces y media superior.

Así pues, en sentido paralelo a las viguetas necesitaríamos un tablero de un 50% más de espesor (aproximadamente). Se trata de una decisión de diseño, previa a ningún cálculo que permite ahorrar mucho material.

Cálculos

Es muy útil la elaboración de las tablas de cálculo que contemplen toda la casuística que pude presentarse en forjados de madera en viviendas. Para ello, hay que establecer unas bases de cálculo:

• Se considera un comportamiento solidario de los tableros, para lo cual es necesario que estén conectados en sentido transversal, mediante machiembrado o grapas de conexión.

• Los tableros se colocan siempre en dirección perpendicular a las viguetas, ya que se consigue un número mayor de tramos interiores. Además, los tableros OSB y los contrachapados son anisótropos, siendo su resistencia y su rigidez muy superiores colocándolos perpendiculares a las viguetas. Los tableros se colocan siempre contrapeados, de tal forma que no hay continuidad entre las juntas en sentido transversal, atenuando el efecto negativo de los tramos exteriores.

• En el extremo del forjado, que es el único tramo que no puede tener continuidad, se disminuye la distancia entre viguetas, para compensar (o se enzoquetan las dos primeras viguetas como hemos visto).

El cálculo se hace así de forma global, sin que domine la situación más desfavorable y beneficiando la continuidad sobre los apoyos, que indiscutiblemente favorece el comportamiento del forjado.

La tabla adjunta es para tableros OSB-2 de 2500mm de longitud y espesores de 6 a 25mm. Contempla el índice de agotamiento para cada espesor de tablero, para diferentes pesos propios de forjado (de 0,5 a 2,5kN/m2) y para cada intereje de viguetas sobre las que se apoya, que es siempre divisor de la longitud del tablero. De esta forma es sencillo elegir soluciones estructurales con suficiente seguridad, siendo siempre más rentables cuanto más se apuren las condiciones del tablero (color rojo). No obstante, la rentabilidad hay que analizarla en conjunto con el dimensionamiento de las viguetas.

El cálculo contempla tanto Estado Límite Último (ELU) como Estado Límite de Servicio (ELS), siendo este último el que manda en casi todos los casos.

La tabla puede abordarse a partir de un espesor de tablero fijo, devolviéndote el intereje máximo que soporta, o al revés, desde un intereje fijo puedes buscar el espesor de tablero idóneo.

En cuanto a las viguetas, lo más habitual, dado que sus dimensiones no suelen ir más allá de 4,88m (192 pulgadas), es que apoyen sólo en los extremos. Por tanto, casi todos los tramos son aislados, aunque es posible encontrar tramos interiores, exteriores o en voladizo en forjados de madera.

En su cálculo manda también la deformación, por lo que suelen ser piezas con bastante canto. Las viguetas tienen tendencia al vuelco, así que hay que prever la colocación de zoquetes, tanto más necesarios cuanto mayor es su esbeltez y la luz salvada por el forjado.

Para el cálculo de viguetas también es recomendable la elaboración de tablas. La que vemos más abajo es para forjados biapoyados, construidos con viguetas de madera aserrada, de Clase Resistente C-14.

La serie de perfiles analizados tienen un ancho fijo, variando el canto. En este caso, van desde 38x89mm hasta 38x286mm, que son las medidas típicas americanas. Vemos como la longitud del tablero sigue mandando para determinar el intereje de las viguetas, que resulta de dividir el tablero en partes iguales.

Esta tabla devuelve la luz máxima soportada, según el perfil de las viguetas, el intereje y el peso propio del forjado (de 0,5 a 2,5kN/m2).

En este caso el código de colores va desde las menores luces soportadas (verde) hasta las mayores (rojo).

Para facilitar la valoración económica de los forjados de madera, en la parte sin colorear se recoge el volumen de madera (en m3) necesario para la ejecución de 100m2 de forjado, para cada una de las soluciones. De esta manera, y en combinación con las tablas de los tableros, se puede buscar la solución más económica.

Puede partirse de unos perfiles fijos, buscando el intereje máximo que soportan para la luz del forjado correspondiente, o buscar el perfil necesario para una determinada luz y un intereje fijos.