Excentricidad inducida por debilitamiento significativo de la sección transversal en la zona de unión
En caso de que un miembro estructural tenga una perforación o rebaje significativo en la zona de unión tal que An < 0,9∙Ab, se producirá una redistribución de la fuerza considerable. De este modo el centro de gravedad de la nueva distribución tensional no podrá por lo general considerarse simétrico respecto del centro geométrico de la sección transversal. Por tanto, la excentricidad de fuerza generará un momento adicional (ΔM) que producirá efectos de segundo orden los cuales no puede ser despreciados en el cálculo de la resistencia de los miembros estructurales que conforman una unión. Este tipo de situaciones es muy habitual en uniones tradicionales, pues estas suelen presentar rebajes y entalladuras importantes de la sección transversal. En la Tabla 1.2.16 se muestra los tipos de excentricidades por debilitamiento más habituales y el consiguiente ΔM que estas producen.
tabla 1.2.16 Típicos momentos secundarios en uniones con excentricidad inducida por debilitamiento de la sección transversal (basado en Colling 2008). | |
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Una vez calculado el momento secundario, se verifican las piezas a flexo-tracción o flexo-compresión según se detalla en el libro “Fundamentos del diseño y la construcción con madera”. Con respecto a la disminución de la capacidad en este tipo de uniones, esta no se suele considerar porque por lo general éstas no son capaces de transmitir momento.
De forma adicional a las uniones arriba indicadas, también se producen debilitamientos nada despreciables en uniones mecánicas de múltiples conectores. La recomendación en esos casos es tratar de incorporar los conectores de forma simétrica siempre que sea posible para que aún cuando An < 0,9∙Ab, la excentricidad por debilitamiento sea la menor posible.
Excentricidades inducidas en uniones no concéntricas
Este tipo de excentricidad inducida se produce cuando los ejes de las piezas no confluyen en un punto de forma concéntrica, lo que es bastante frecuente en vigas o cerchas en celosía con presencia de diagonales. En estos casos por lo general se estipula (incluyendo la NCh1198) que la excentricidad puede ser despreciada únicamente cuando esta es inferior al 50% de la altura del tirante. En caso contrario deben considerarse los momentos adicionales en las diagonales y el tirante (habitualmente más crítico) según lo que se ilustra en la Figura 1.2.16.1.
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figura 1.2.16.1 Excentricidad inducida por confluencia no concéntrica de barras (basado en Colling 2008). |
Algunos casos adicionales de excentricidad en placas clavos se consideran con un procedimiento que se detalla en secciones posteriores.
Excentricidades inducidas debidas en uniones con conectores no simétricos
Esta excentricidad se produce al disponer los conectores de forma asimétrica respecto del eje geométrico de las piezas. En la Figura 1.2.16.2 se muestra un caso extremo para evidenciar esta situación. En la realidad no suelen producirse casos así, aunque sí es muy típico, especialmente al emplear placas clavo o similares que los conectores no se dispongan perfectamente simétricos respecto del eje geométrico de cada barra.
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figura 1.2.16.2 Caso extremo de excentricidad inducida por asimetría de conectores. |
Como el resto de excentricidades inducidas, este tipo de asimetría debe evitarse cuando sea posible. En caso contrario debe calcularse la distribución elástica de fuerzas en los conectores (sección 1.2.9), y a partir de ahí determinar la fuerza resultante y con ella la excentricidad y el momento respecto del cdg de la unión. Si la unión resiste momento, el momento de segundo orden debe ser considerado en la verificación de la capacidad. Por otra parte, el momento adicional debe ser también considerado en la verificación de los miembros correspondientes.
1.2.17 Concepto de sobredistancia en la compresión normal u oblicua en uniones
Tal como se detalló en el libro “Fundamentos del diseño y la construcción con madera”, la NCh 1198 toma en consideración el factor Kcn para mayoración o minoración de la compresión perpendicular de acuerdo a cumplir unas determinadas especificaciones del ancho de la compresión, y la separación entre superficies de compresión; se recuerda esta situación en la Figura 1.2.17.1.
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figura 1.2.17.1 Filosofía de verificación de la compresión perpendicular de acuerdo a la metodología propuesta en Norteamérica (NDS). |
Este enfoque de verificación de la compresión perpendicular está formulado principalmente para ser pragmático en relación a la situación convencional de postes/vigas comprimiendo las soleras del entramado ligero norteamericano. Sin embargo se debe afinar la comprensión del fenómeno de compresión perpendicular de cara a verificar uniones tradicionales, en donde la compresión perpendicular/oblicua entre piezas es el principal mecanismo de transmisión de carga junto con el rozamiento. Dicha perspectiva más refinada se contempla en normas mediante el conecpto de sobredistancia, el cual como se detalle en el libro “Conceptos avanzados del diseño estructural con madera. Parte II” también es de suma importancia en el CLT y se detalla a continuación.
Los resultados experimentales evidencian, que cuando la madera es solicitada en la dirección perpendicular a la fibra o con una fuerza de compresión perpendicular sobre una determinada longitud l, su resistencia incrementa si existe una sobre-distancia (ü) en uno o ambos extremos de la pieza. Dicho incremento se debe a que la tensión en realidad se redistribuye en un área mayor, lo cual se evidencia por el hecho de que se producen deformaciones en las inmediaciones de la longitud de carga, ver Figura 1.2.17.2. Más específicamente, se ha demostrado consistentemente que en caso de disponer de extremos libres con suficiente longitud a uno o ambos lados de la aplicación de la carga, la madera se deforma aproximadamente a lo largo de una sobredistancia de 3cm respecto de la dirección perpendicular a la fibra, ya bien sea la carga normal u oblicua.
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figura 1.2.17.2 El fenómeno de distribución y deformación perpendicular más allá de la longitud de aplicación de la carga es denominado como sobredistancia. |
De ahí, que en la norma europea por ejemplo considere que el área efectiva de resistencia a la compresión oblicua es por lo general
Donde ü1 y ü2 son las sobredistancias disponibles en los extremos; por tanto, la longitud efectiva en casos con dos y una distancia resultaría tal como se ilustra en la 1.2.17.3.
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figura 1.2.17.3 Sobredistancias a considerar en algunas situaciones convencionales. |
Así, la verificación de algunas de las uniones tradicionales más típicas se efectuaría considerando las siguientes longitudes efectivas de la Tabla 1.2.17.
tabla 1.2.17 Longitudes efectivas en consideración de sobredistancias para la verificación de las uniones tradicionales más comunes (basado en Colling 2008)* |
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* la es la longitud de la aplicación de la carga de compresión normal u oblicua |
Por otra parte, la resistencia axial de los pernos (u otros conectores con arandelas), estaría principalmente limitadas por la resistencia al aplastamiento del área efectiva de la madera (Aef) tal como ya se introdujo en la Tabla 1.2.7.2. Así, la sobredistancia para pernos individuales según el criterio alemán se toma de acuerdo a la elipse que se representa en la Figura 1.2.17.4 izquierda, mientras que en el caso de pernos en hilera el área efectiva de la elipse podría estar limitada por el espaciamiento paralelo entre conectores; ver Figura 1.2.17.4 derecha.
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figura 1.2.17.4 Consideración de área efectiva de aplastamiento incluyendo sobredistancias como base para calcular la resistencia axial de pernos y otros conectores con arandelas de acuerdo al criterio alemán. A la izquierda área efectiva sin limitación para un perno individual. A la derecha área efectiva limitada por el solapamiento de pernos en hilera (basado en Colling 2008). |
1.2.18 Espesor mínimo para fluencia plástica
Como ya se introdujo en el libro “Fundamentos para del diseño y la construcción con madera” y se recuerda en la Figura 1.2.18.1, para relaciones bajas de t/d en uniones mecánicas laterales se producen modos de falla frágiles. La capacidad de estos modos está principalmente gobernada por la resistencia de aplastamiento/espesor de los miembros de madera. Si incrementamos progresivamente la relación t/d se producirá una rótula plástica por plano de corte, generando un modo de falla semi-dúcil. En estos casos, la capacidad lateral viene gobernada tanto por la resistencia al aplastamiento/espesor de los miembros, como el momento plástico/diámetro de los conectores. Finalmente, para relaciones altas de t/d se formará la segunda rótula plástica por plano de corte produciendo un modo de falla dúctil. En estos casos, la capacidad lateral es independiente del espesor de los miembros ya que se determina únicamente a partir del momento plástico/diámetro del conector. El punto de transición en el cual la capacidad lateral ya no depende del espesor de las piezas y por tanto se garantiza un fallo dúctil se denomina espesor mínimo (treq) y este es sin duda uno de los aspectos más importantes en ingeniería de la madera, ya que este modo de falla será necesario en todas aquellas uniones que sean diseñadas para incurrir en régimen plástico.
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figura 1.2.18.1 Recordatorio de la importancia de la relación t/d en la ductilidad local de uniones mecánicas laterales (basado en Blass y Sandhaas, 2017). |
Veamos ahora la relación t/d desde la óptica de la capacidad que un conector determinado, de diámetro d, puede aportar según el espesor de la madera, t en la que se encuentra embebido. Compleméntese la exposición con la Figura 1.2.18.2. Cuando el espesor de la madera es muy reducido, la madera limita el fallo según la falla frágil, así es que el conector incrementa su capacidad linealmente al incrementar el espesor de los miembros. Una vez formada una rótula plástica (fallo semi-dúctil), el incremento de capacidad ya no es tan acusado al incrementar el espesor, ya que la capacidad lateral está parcialmente limitada por la plasticidad del conector. Cuando se forman las 2 rótulas por plano de corte, los incrementos de espesor de los maderos ya no producen ningún incremento de capacidad lateral, ya que todo depende de la plasticidad del conector. Resulta por tanto evidente, que es posible determinar el “punto” o espesor requerido al despejar el espesor de la madera cuando la capacidad del modo de fallo semi-dúctil (modo III según la NCh1198) es idéntico a la capacidad del modo de fallo dúctil (modo IV según NCh1198).
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figura 1.2.18.2 Ejemplo de capacidades teóricas de los distintos modos de falla en una unión de doble cortadura en función del espesor de la pieza central. La capacidad de la unión en todo el rango de espesores viene dado por el modo de falla con menor capacidad. El espesor mínimo requerido en el madero central para garantizar fallo dúctil y total aprovechamiento de la capacidad del conector viene dado por la intersección del modo de falla semi-dúctil (III) con el modo de falla dúctil (IV). |
Así, el espesor mínimo para el madero central en uniones de doble cortadura resulta
Con
Y el espesor requerido en las piezas laterales
Con
Como puede observarse, las expresiones para calcular el espesor requerido en la NCh1198/NDS son relativamente complejas por el hecho de la introducción de los factores de ajuste y parámetros k. No obstante, en el libro “Conceptos avanzados del diseño estructural con madera. Parte II” se facilitan múltiples tablas de ayuda al cálculo con los espesores mínimos requeridos en diversas situaciones. Si es que los maderos cumplen con el espesor requerido, no solo el fallo dúctil está garantizado, sin o que además podemos estimar la capacidad de la unión simplemente considerando el modo de falla dúctil, ya que el conector será siempre el punto débil de la unión.
Pese a que el espesor requerido no se considera en las normas NCh1198 o NDS, en normas como la alemana sí se tiene en cuenta, de hecho, según la norma alemana si es que verificamos que el espesor mínimo de la madera se cumple, la norma permite calcular la capacidad de la unión considerando únicamente la posibilidad de modo de falla dúctil. En la Tabla 1.2.18.1 se detalla el espesor mínimo requerido en diversas situaciones de acuerdo a la norma alemana, lo que, además de las tablas de ayuda ya comentadas, puede facilitar bastante el prediseño de uniones dúctiles. La derivación de las ecuaciones que se presentan se obtiene al igualar el modo de falla semi-dúctil con el modo dúctil correspondiente y despejando el espesor.
tabla 1.2.18.1 Espesor mínimo para fallo dúctil y estimación simplificada de capacidad según norma alemana | |||
Unión | Modo de falla dúctil | Capacidad lateral característica* | Espesor requerido |
Madera-maderaCortadura simple | ![]() | ![]() | ![]() |
Madera-metalCortadura simple en placa delgada, i.e. tac ≤ 0,5d | ![]() | ![]() | ![]() |
Madera-metalCortadura simple en placa gruesa, i.e. tac ≥ d | ![]() | ![]() | ![]() |
Madera-maderaCortadura doble | ![]() | ![]() | ![]() |
Madera-metalCortadura doble, en placa metálica interna gruesa o delgada | ![]() | ![]() | ![]() |
tabla 1.2.18.1 (continuación) | |||
Unión | Modo de falla dúctil | Capacidad lateral característica* | Espesor requerido |
Madera-metalPlacas externas metálicas delgadas | ![]() | ![]() | ![]() |
Madera-metalPlacas externas metálicas gruesas | ![]() | ![]() | ![]() |
*Donde en todo caso la relación de capacidades de aplastamiento: | |||
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Comparación del espesor mínimo para fallo dúctil en uniones
Importante es notar que en todos los casos presentados en la Tabla 1.2.18.1 el espesor mínimo para fallo dúctil depende de una constante:
Teniendo en cuenta, los valores del momento plástico del EC5 para todo tipo de conectores con d ≥ 8 mm y también para clavos convencionales (ver Sección 1.2.7), se obtiene que
Por otra parte, asumiendo uniones con maderos de idéntica capacidad de aplastamiento, esto es β = 1, podemos comparar los espesores mínimos requeridos para ductilidad total según los distintos tipos de unión tal como se muestra en la Tabla 1.2.18.2.
tabla 1.2.18.2 Comparación del espesor requerido en los distintos tipos de unión para asegurar fallo totalmente dúctil asumiendo que todos los maderos tienen la misma capacidad de aplastamiento. | |||
Cortadura | Unión | treq* | treq respecto mad.-mad. en cort. simple |
Simple | Madera-madera | 2,16 ∙ C | 1 |
Placa acero delgada | 2,16 ∙ C | 1 | |
Placa acero gruesa | 2,53 ∙ C | 1,17 | |
Doble | Madera-madera | t1 = 2,16 ∙ Ct2 = 1,79 ∙ C | 10,83 |
Placa acero interna | 2,53 ∙ C | 1,17 | |
Placa externa delgada | 1,79 ∙ C | 0,83 | |
Placa externa gruesa | 2,53 ∙ C | 1,17 | |
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Como se observa en la Tabla 1.2.18.2, el espesor requerido en el madero central de uniones madera-madera doble cortadura, madera-acero con placa delgada en doble cortadura requieren por lo general un espesor 17% inferior al caso simple cortadura madera-madera para obtener un fallo dúctil. Por otra parte, las uniones de acero con placa gruesa en simple y doble cortadura, y las uniones de acero con placa interna requieren un espesor de los maderos un 17% superior para garantizar fallo dúctil.
Siguiendo esta lógica concluimos también lo siguiente:
El espesor requerido para fallo dúctil es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la resistencia de cedencia del acero, lo que indica que cuanto menos resistente sea el acero más fácil es el fallo dúctil.
El espesor requerido es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la resistencia de aplastamiento de la madera. Por lo que cuánto más densa (mayor calidad) sea la calidad de la madera, más fácil será el fallo dúctil. Además, la importancia de este parámetro es idéntica al anterior.
El espesor requerido es directamente proporcional al diámetro del conector elevado a 0,8. Por tanto, cuanto menor sea el diámetro, más fácil es obtener el fallo dúctil. Asimismo, este parámetro es el más determinante de todos para un espesor determinado.
Por lo general, para una determinada tipología constructiva, las estructuras de madera con conectores de pequeño tamaño, calidad de acero inferior y calidad de la madera superior, exhibirán claramente mayor ductilidad.
1.2.19 Ayudas al diseño general de uniones laterales
El procedimiento clásico de diseño de uniones consiste en determinar los esfuerzos en las barras que confluyen a cada nodo, elegir el tipo de conector, determinar el número aproximado de conectores y finalmente diseñar la disposición geométrica de los conectores. Tal como se introdujo en el libro “Fundamentos del diseño y la construcción con madera”, es crucial asegurar que en la disposición de conectores cumplimos con el espaciamiento mínimo con el fin de asegurar la perfecta redistribución de tensiones evitando la mayoría de fallas frágiles. En esta sección se dan algunos consejos para determinar el número de conectores y la disposición geométrica de los mismos.
El número requerido de conectores es por lo general superior a la relación entre el esfuerzo y la capacidad de diseño de un conector, dado que a menudo tenemos efectos de grupo
En términos generales los conectores esbeltos, gruesos y de superficie suelen ofrecer capacidades laterales entre 0,1-3kN, 2-20kN y 12-40 kN por unidad y plano de corte, respectivamente.
El número adicional de conectores respecto de la relación anterior depende de múltiples factores, entre ellos la estimación de la distribución de fuerzas elásticas (n será superior si la distribución no es homogénea) o los posibles efectos de grupo (efecto hilera). Para minorar estos últimos lógicamente es importante tratar de disponer el número máximo de hileras posible, el cual puede estimarse a partir de los espaciamientos correspondientes al conector seleccionado según se indica en la Tabla 1.2.19.
Según Colling (2008) puede estimarse de forma aproximada el diámetro necesario en uniones madera-madera de doble cortadura con pernos y pasadores según el espesor del madero y el ángulo fuerza-fibra. Así para piezas laterales podemos estimar el diámetro aproximadamente como
Y para el madero central
En el libro “Conceptos avanzados del diseño estructural con madera. Parte II” se proporcionan múltiples tablas de espesores mínimos como también la capacidad aproximada de diversos conectores diferenciando en cada caso los modos de falla frágiles, semi-dúctiles y dúctiles.
tabla 1.2.19 Estimación del máximo número de hileras según los espaciamientos del conector con el fin de minorar los efectos de grupo maximizando así la capacidad de una unión (basado en Colling 2008). | |
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![]() | Diagonal![]() ![]() |
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1.3 Parte II: Especificaciones para los distintos tipos de uniones
1.3.1 Especificaciones para uniones con pernos
Los pernos constan de un vástago cilíndrico que a un lado tiene una cabeza y al otro una tuerca y arandela que permiten el apriete de las piezas que unen, ver Figura 1.3.1.1.
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figura 1.3.1.1 Partes de un perno estructural común para madera. |
Los espaciamientos mínimos prescritos en la NCh1198 para uniones con pernos y pasadores se detallan en la Tabla 1.3.1. Para uniones N y V cuyas barras presentan alguna inclinación, y también para las uniones M los espaciamientos requeridos se ilustran en la Figura 1.3.1.2. Nótese que las especificaciones para uniones M son similares a las uniones N, V, excepto que todos los bordes se consideran cargados.
tabla 1.3.1 Espaciamientos mínimos para pernos y pasadores según NCh1198 | |||
Espaciamiento | Ángulo fuerza-fibra | ||
0° | 90° | ||
Pernos | Pasadores | Pernos | Pasadores |
Borde cargado | sbcp = 7∙ D ≥ 80 | sbcn = 4 ∙ D | sbcn = 3 ∙ D |
Borde descargado | sbdp = 4 ∙ D | sbdp = 3 ∙ D | sbdn = 3 ∙ D |
Longitudinal | sp = 5 ∙ D | ||
Transversal | pernos: sn = 4 ∙ D; pasadores: sn = 3 ∙ D |
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figura 1.3.1.2 Espaciamientos mínimos para pasadores y pernos según NCh1198 en uniones con barras inclinadas y uniones M. |
Nótese que la NCh1198 se refiere a bordes y testas indistintamente, de modo que:
La separación a testa cargada se denomina separación a borde cargado normal, sbcn.
La separación a testa descargada es la separación a borde descargado normal, sbdn.
La separación a borde cargado equivale a la separación a borde cargado paralelo, sbcp.
La separación a borde descargado es referida como separación a borde descargado paralelo, sbdp.
Además, se establecen las siguientes condiciones para los pernos: 10 ≤ d ≤2 5,4 mm y si n = 1 entonces la capacidad debe disminuirse al 50%, finalmente el pretaladrado requerido y tamaño de arandelas se definen en T29, PG 75 y T30, PG 76 respectivamente.
Este tipo de conectores requiere pretaladrado que en todos los casos es alrededor de 1mm o más que el diámetro del perno. Dicha holgura provoca que este tipo de uniones presente poca rigidez en estadios iniciales de carga.
Los espaciamientos correspondientes a un ángulo fuerza-dirección de fibra diferente a 90˚, aunque no regulados explícitamente se deben tomarse como los correspondiente a 90˚. Además, tampoco se especifica el espesor mínimo de la madera o longitud mínima de penetración. En este sentido se recomienda considerar lo establecido en la Sección 1.2.18.
1.3.2 Especificaciones para uniones con pasadores
Los pasadores son conectores consistentes únicamente en un ‘cilindro’ que se inserta en la madera. Dicho cilindro es casi siempre metálico aunque también es posible empelar maderas muy resistentes u otros materiales. Dado que carecen de roscas, cabeza o tuerca no ejercen ninguna fuerza de apriete. Por este motivo, no se recomienda el uso de pasadores en uniones de cizalle simple debido a la excentricidad inherente (ver Sección 1.2.15), y en cizalle doble se debe verificar la neutralización de momentos, cuyo cálculo se detalló en la Sección 1.2.15.
Los espaciamientos mínimos son similares salvo las diferenciaciones de la Tabla 1.3.1. Dado que el diámetro de pretaladrado es idéntico al del pasador, o a lo sumo 1 mm superior, este tipo de uniones tiende a ser un poco más rígida en estadios iniciales de carga que las uniones de pernos. No obstante, la rigidez inicial es inferior a la mostrada por otros conectores que no requieren pretaladrado, véase una comparación de rigideces iniciales típicas en la Figura 1.3.2.
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figura 1.3.2 Rigideces iniciales de algunos medios de unión; de izquierda a derecha: unión encolada, múltiples clavos, conector de superficie y perno (basado en Zimmer 2008). |
En el caso de pasadores se requiere además que 8≤D≤24 y el número de mínimo de planos de corte en conectores debe ser 4.
1.3.3 Especificaciones para uniones con tirafondos
Se entiende por tirafondos aquellos conectores cilíndricos que tienen el vástago parcial o totalmente roscado y precisan de una tuerca que puede o no estar incluida en el cabezal para realizar el apriete. Los espaciamientos mínimos requeridos para este tipo de conectores cilíndricos son idénticos a los de los pernos, y también requieren el uso de arandelas. En la mayoría de los casos requieren de pretaladrado, el cual es inferior al diámetro del conector, por lo que la rigidez inicial de la unión es superior a los dos anteriores. Las condiciones de pretaladrado de acuerdo a la densidad de la madera, como también las dimensiones y materiales normalizados se especifican en 9.6.1.4, PG 77 y AM, PG 178. La longitud mínima de penetración efectiva, lef (en este caso se designa como lr por ser roscada) requerida para estos conectores es de 4d, ver Figura 1.3.3.
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figura 1.3.3 Características geométricas de un tirafondo embebido en la madera según la NCh1198. |
1.3.4 Especificaciones para uniones con tornillos
Los tornillos se diferencian de los tirafondos en que su propia rosca realiza todo el apriete por lo que no suelen requerir arandela. Disposiciones constructivas similares a las de los tirafondos se detallan en 9.6.1.5, PG 79 y AL, PG 166, ver representación de parámetros geométricos en la Figura 1.3.4. Los espaciamientos madera-madera se toman como clavos con pretaladro, los espaciamientos madera-tablero se toman como los correspondientes a madera-tablero de uniones clavadas.
Al igual que los conectores anteriores, tampoco se acepta lef < 4d. Finalmente sp ≤ 40d y sn ≤ 20d.
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figura 1.3.4 Características geométricas de un tornillo embebido en la madera según la NCh1198. |
1.3.5 Especificaciones para uniones con clavos
Las disposiciones constructivas se detallan en 9.6.1.6, PG 80 y AN, PG 170. En este caso lef ≥ 8d para doble o múltiple cortadura, 7d para cortadura simple, o bien 6d con pretaladrado. Estas cuantías pueden reducirse a 6d y 4d para cizalle doble y simple respectivamente aplicando un factor de modificación Kcpt, que reduce linealmente la capacidad de acuerdo a la lef. En 9.6.1.6, PG 80 también se disponen otras modificaciones del valor de la capacidad y emin (no confundir con lo treq detallado en la Sección 1.2.18), como por ejemplo minoración en uniones de cizalle múltiple, mayoración para pre-taladrado, minoración en hileras de más de 10 clavos, minoración por piezas de madera de sección circular, o emin para tableros.
Debe notarse que actualmente la NCh1198 también prescribe un método para calcular la capacidad de una unión clavada doble o múltiple a partir de la capacidad a cortadura simple. No se aconseja aplicar este método por ambigüedades de espesores, y en su lugar se recomienda aplicar el criterio del EC5/NDS tal que la capacidad debe calcularse para doble cortadura según Johansen considerando el mínimo t, ya que en esencia, una unión clavada se corresponde a una unión asimétrica (ver Sección 1.2.14). En caso de uniones de múltiple cortadura se recomienda aplicar lo establecido en la Sección 1.2.13.
Los espaciamientos mínimos en uniones clavadas se detallan en la Tabla 1.3.5 y se ilustran gráficamente para barras inclinadas en la Figura 1.3.5.1. Al igual que para los espaciamientos de pernos y tirafondos, los espaciamientos indicados son también aplicables para uniones M, con la diferencia de que en tal caso todos los bordes se consideran cargados. Finalmente sp ≤ 40d y sn ≤ 20d (diversos autores recomiendan incrementar a 40d el espaciamiento en yeso-cartón). En el caso de clavos traslapados en cortadura doble, pueden disponerse de forma simétrica o bien de acuerdo al espaciamiento anterior según las disposiciones del apartado s) en 9.6.1.6. Los espaciamientos de uniones madera-tablero se disponen en las clausulas u) y v) de 9.6.1.6. La disposición que deben tomar los clavos lanceros se ilustra en la Figura 1.3.5.2. Las consideraciones constructivas de uniones madera-metal se disponen en 9.6.1.7, PG 88.
tabla 1.3.5 Espaciamientos mínimos para clavos según NCh1198. | |||||
Espaciamiento | Sin perforación guía | Con perforación guía | |||
0° ≤ α ≤ 30° | 30°≤ α ≤ 90° | cualquier α | |||
D ≤ 4,2 | D > 4,2 | D ≤ 4,2 | D > 4,2 | cualquier D | |
Sp | 10 D | 12 D | 10 D | 12 D | 5 D |
Sn | 5 D | 5 D | 5 D | 5 D | 5 D |
Sbcp | 15 D | 15 D | 15 D | 15 D | 10 D |
Sbcn | 5 D | 7 D | 7 D | 10 D | 5 D |
Sbdp | 7 D | 10 D | 7 D | 10 D | 5 D |
Sbdn | 5 D | 5 D | 5 D | 5 D | 3 D |
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figura 1.3.5.1 Espaciamientos mínimos para clavos en barras inclinadas según NCh1198. |
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figura 1.3.5.2 Disposición de clavos lanceros según NCh1198. |
1.3.6 Especificaciones para uniones de superficie
Los conectores mecánicos mayormente empleados son los conectores tipo clavija comentados en los apartados anteriores. Sin embargo éstos no son los únicos medios de unión mecánicos. Un segundo grupo importante de conectores mecánicos lo conforman los conectores de superficie. Estos transmiten la carga haciendo uso de superficies bastante mayores que los “cilindros” que ofrecen los conectores tipo clavija. De este modo permiten transmitir cargas significativamente mayores.
Los conectores de superficie se emplean principalmente para traspasar grandes esfuerzos en estructura pesada, mayormente para cuando la condicionante de diseño es una acción de naturaleza estática. Para muchos de ellos, asegurar el correcto apriete de las piezas es vital para poder garantizar la capacidad y rigidez de diseño. Por lo anterior, ciclos con grandes oscilaciones de temperaturas y humedades pueden ser peligrosos si no se diseña en concordancia. En esta sección se expone brevemente consideraciones de cálculo y diseño de los principales conectores de superficie.
1.3.6.1 Conectores de precisión rectangulares
Consisten en elementos de fijación con forma de prisma rectangular que permiten transmitir el cortante entre dos piezas que fueron ranuradas para permitir la propia inserción del conector entre ambas, ver Figura 1.3.6.1. Este tipo de conectores pueden ser de acero o también de madera —siendo obligatorio en este último caso según la NCh1198 que tengan una densidad anhidra superior a 500 kg/m3 y se encuentren en condición seca para evitar desajuste por contracción y la dirección de la fibra sea paralela a la de las piezas que conecta. La normativa nacional permite emplear un máximo de 4 conectores consecutivos, a excepción de piezas compuestas en donde se permite incrementar este número, las cuales deben llevar en todo caso a los extremos 2 pernos con arandelas que neutralicen el momento volcante provocado por la excentricidad inherente. Véase detalles de cálculo en la Sección 1.2.15 bajo la consideración de que en este caso la excentricidad en cada madero puede aproximarse a t/2-Pc/2, ver Figura 3.3.6.1.
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figura 1.3.6.1 Consideraciones geométricas de un conector de precisión rectangular según la NCh1198. |
El funcionamiento mecánico de este tipo de conectores es muy simple, por un lado, los maderos a conectar se solicitan a compresión simple en una sección rectangular equivalente a la mitad de la sección del conector, por el otro lado, el propio conector se encuentra solicitado a tensiones cortantes. Mientras tanto, los pernos extremos permiten neutralizar los momentos cortantes que surgen como consecuencia de la excentricidad de la fuerza transmitida por un madero y la reacción del conector. Por tanto, para el cálculo de este tipo de uniones se considera simplemente que el conector de precisión es un conector convencional tal que la resistencia al aplastamiento se corresponde con una fracción de la tensión admisible en compresión paralela de los maderos, ver Tabla 1.3.6.1