Iván Alberto Rivera Ramírez (*)

Ingeniero Civil, especializado en Patología de Estructuras.

 Es interesante observar que la naturaleza brinda la madera en piezas fáciles de trabajar, geométricamente rectas y definidas de longitud –mucho mayor que sus dimensiones transversales– hecho que no ha sido desaprovechado por arquitectos y constructores quienes las han empleado eficientemente en los diferentes tipos entramados y uniones que forman sistemas estructurales.

En los países más desarrollados del mundo la madera ha sido tradicionalmente utilizada en la construcción, hecho que les ha permitido adelantar un proceso investigativo y experimental con  importantes avances en cuanto al diseño y uso de los distintos sistemas constructivos empleados en diferentes tipos de obras, desde las más simples como establos para ganado y casas campestres de un piso, hasta las más complejas como grandes construcciones, centros comerciales, instalaciones deportivas, bibliotecas, terminales de transporte, puentes, etc.

 En este sentido, dado que en Colombia la construcción en madera todavía está en plena fase de desarrollo, es fundamental conocer y estudiar la mejor forma de ejecutar proyectos de este tipo que además de garantizar estructuras estéticamente bien diseñadas, se ajusten a las normas de construcción vigentes y a las teorías de resistencia de los materiales; considerando además, que la madera especialmente en esta aplicación, está sometida a numerosos agentes exteriores tales como la humedad y el ataque de insectos.

Por los aspectos mencionados, M&M publicará a partir de la presente edición, una serie de artículos prácticos que tendrán como tema las piezas que, en los entramados, reciben confluencia de fuerzas como son los ensambles, los nudos, los empalmes, los arriostramientos ⁽¹⁾ y en general, todos los medios para unir piezas de madera entre sí, su funcionamiento y la forma correcta de realizarlos.

En el presente artículo se abordará, de forma general, el tema de los sistemas estructurales.

 La Carpintería aplicada a la Construcción

En términos generales, la carpintería es considerada el arte que enseña el trabajo de la madera, por tanto, todo objeto, obra o construcción entra en sus dominios y específicamente, en lo referente a la construcción en madera, la carpintería se divide en dos: carpintería de armar y de taller.

La carpintería de taller comprende la fabricación de todas aquellas piezas y elementos que quedan visibles en la obra final y que hacen parte de los acabados de la misma. Por su parte, la carpintería de armar se encarga de la construcción de los entramados o armazones en madera que componen la construcción, los cuales, quedan generalmente ocultos entre la mampostería.

En este sentido, vale señalar que gran parte de la estabilidad de la obra civil depende del trabajo de la carpintería de armar, del sistema estructural empleado y específicamente de la combinación de los entramados; no en vano, la correcta disposición de estos elementos genera una estructura portante capaz de resistir, tanto fuerzas exteriores, interiores o internas, como fuerzas concurrentes y coplanares.

Además, todo elemento estructural, bien sea por su propio peso o por la acción de cualquier tipo de fuerza externa, genera y soporta internamente fuerzas de compresión, de tracción, cortantes, de torsión y que cada uno de estos tipos de fuerzas o esfuerzos actúa en zonas localizadas de cada elemento estructural, independientemente del tipo material.

 De otro lado y dado que en un proyecto constructivo deben determinarse tanto los esfuerzos, cargas y efectos físicos sobre la estructura, como la geometría, dimensiones de los elementos que la integran y la forma de construir y ensamblar cada parte de la obra final, es importante señalar que la carpintería de armar se divide en tres áreas importantes: analítica, descriptiva y constructiva; las dos primeras constituyen la teoría y la tercera la práctica.

La carpintería analítica determina los diferentes agentes externos o internos que desarrollan los esfuerzos en cada parte de una estructura, además constituye una rama de la mecánica aplicada a las construcciones, que estudia las características de cada material, de acuerdo con las teorías de resistencia los mismos a fin de aprovechar sus ventajas y obtener los mejores resultados en la obra final.

Por su parte, la carpintería descriptiva estudia los procedimientos deducidos por medio de reglas geométricas para la caracterización y trazado de las diferentes piezas. Por último, la carpintería constructiva comprende el estudio del trabajo manual o mecánico a ejecutar, a fin de cortar y unir técnicamente entre sí las partes que constituyen los entramados y a su vez, las estructuras en madera.

Clasificación de los Sistemas Estructurales

Los diferentes sistemas estructurales se caracterizan por la forma en que se trasladan, hasta los cimientos, las fuerzas que generan las cargas estáticas, es decir su propio peso y las cargas dinámicas producidas por eventos naturales (vientos y sismos).

En general, y dependiendo del tipo de elemento estructural utilizado en su disposición, los sistemas estructurales se clasifican en cuatro grandes grupos:

– Estructuras macizas: su principal elemento estructural lo conforman bloques macizos, de hecho, cuando se recurre a este tipo de sistemas las construcciones se levantan usando madera rolliza o madera de sección rectangular ubicadas horizontalmente una sobre otra.

– Estructuras de entramados: Están conformadas básicamente por barras de madera que pueden ser vigas, columnas o pilares, las cuales se entrelazan entre sí de forma especial para levantar una estructura.

– Estructuras laminares: Están configuradas principalmente por elementos planos en formas de láminas que, en conjunto forman una sistema estructural.

-Estructuras con base en cables y membranas: constituidas por elementos estructurales del mismo nombre no son, por lo general, apropiadas para levantar estructuras en madera pero funcionan muy bien para puentes.

De otro lado y dependiendo de la distancia entre apoyos o luz, las estructuras se pueden clasificar en menores y mayores, las primeras se emplean cuando la luz no excede los seis metros y resultan ideales para la construcción de viviendas. En esta clasificación además, se pueden identificar los siguientes sistemas de entramados que combinan diferentes elementos estructurales:

• • Vigas sobre columnas: en ellas, sobre las columnas se disponen las vigas principales y sobre las vigas principales, las viguetas del techo o del piso.
  • Viga sobre columna para dos pisos: en este tipo, y siguiendo exactamente la misma disposición del modelo anterior, sobre la columna va montada la columna del siguiente piso.
  • Viga contra columna: En este sistema la columna es continua y todas las vigas rematan contra ella, por eso para su ensamble, es necesario utilizar herrajes metálicos.
  • Doble viga: este sistema de entramado consiste en que tanto las columnas como las vigas, no se cortan en las uniones y van ubicadas en sentido contrario unas sobre otras.
  • Doble columna: la viga principal va cazada entre dos columnas y la transmisión de cargas se efectúa por medio de clavos o pernos (ver gráfico 1). 

Por su parte, las estructuras mayores salvan luces superiores a los seis metros, por lo que generalmente son empleadas en el cubrimiento de piscinas, gimnasios, galpones, fábricas, etc. Entre ellas se encuentran los sistemas de estructuras planares, es decir, aquellos que cubren una luz con base en uno o varios elementos –vigas, cerchas, marcos, arcos – y que van unidos entre si.

Como parte de las estructuras mayores también están los sistemas espaciales laminares, que se emplean en obras especiales y están conformados por formas planas, delgadas, fibras de madera y el contrachapado (triplex). Dentro de esta tipología es posible clasificar los siguientes tipos de estructuras:

• Plegadas: Son estructuras laminares espaciales, formadas por placas o láminas unidas rígidamente entre sí, que se caracterizan por ser planas, resistentes y fáciles de levantar.
• En forma de cáscara: La mayoría de este tipo tienen doble curvatura, una longitudinal y otra transversal; son muy resistentes y por su forma, soportan cargas de compresión, corte y tracción.
• Las bóvedas: son estructuras en forma de arco que tienen una sola curvatura transversal en forma de semicírculo (semejante a medio cilindro). Esta forma de estructura y su técnica constructiva se usa mucho para construir hangares o zonas de mantenimiento de aviones.
• Las cúpulas: son estructuras en forma esférica que aunque, generalmente, cubren espacios circulares pueden cubrir también espacios cuadrados y poligonales.
• Colgantes: son aquellas compuestas por redes o membranas que tienen uno o varios mástiles centrales, donde se sostienen y se transmiten las cargas al suelo. Son muy similares a las estructuras de los circos ya que todos sus elementos están tensionados por cables o por elementos rígidos, como varillas, que trabajan como tensores.

En este punto, es importante señalar que, aunque normalmente la madera es considerada un material adecuado para resistir esfuerzos a compresión y de torsión, no es apropiada para ser usada en estructuras traccionadas, dado que para estos casos generalmente se emplea el acero.

Sistemas de Entramados Espaciales

Los entramados son tipologías constructivas -para cubrir grandes luces- con madera aserrada natural y no necesariamente laminada; esta técnica consiste en conectar transversalmente entramados uniformes e iguales, con otros entramados de iguales características, de tal manera, que todo el conjunto tenga un comportamiento integral y eficiente.

Cabe anotar que cuando se comenzó a construir con este tipo de estructuras surgió el problema de cómo calcularlas para lo cual, los constructores recurrían a métodos aproximados; sin embargo hoy, con las infinitas posibilidades que ofrecen los software de diseño especializados es más fácil calcular, distribuir y localizar los esfuerzos de manera más eficiente, a fin de determinar comportamientos elásticos ante la presencia de eventos -como los sismos- que generan excesivas e inesperadas sobrecargas a las estructuras.

De la anterior forma constructiva también se desprenden las siguientes clases de estructuras:

• Reticulares espaciales: conformadas por cuadriculas paralelas con los vértices desfasados entre ellas, unidas por diagonales que pueden estar entre 45 y 60 grados, conformando pirámides y tetraedros rectangulares.
• Geodésicas: son cúpulas construidas por múltiples y pequeñas superficies planas, donde las superficies curvas se sustituyen por una retícula formada por láminas rectas que van entrecruzadas, generando un poliedro. Existen dos tipos básicos de cúpulas geodésicas: las conformadas por triángulos iguales y las conformadas por superficies planas no necesariamente triángulos, tales como pentágonos, hexágonos, etc.
• En lámelas: están conformadas por numerosas barras, relativamente pequeñas en sus secciones, y entrelazadas entre si que permiten cubrir grandes luces.

Uniones de Reforzamiento

Las uniones en los entramados se pueden reforzar de dos maneras o técnicas que, al usarse en conjunto son complementarias y por separado son igualmente eficaces, una es la unión a través de cortes de encaje entre piezas llamadas ensambles y otra, por medio de herrajes metálicos o conectores.

Entre los herrajes metálicos más conocidos se encuentran los tornillos, los pernos, las puntillas, las arandelas, las grapas y grapones, los estribos, las barras de empotramiento, las platinas, los templetes, los platos perforados y dentados, los amarres tipo cuña, los conectores, los tensores roscados y las abrazaderas, entre muchos otros.

Otra alternativa viable en lo referente a las uniones de reforzamiento, consiste en utilizar perfiles estructurales metálicos como ángulos, pletinas, varillas y otros en acero, que no sólo permiten construir de manera económica, sino que a su vez garantizan la resistencia de las estructuras.

Adicionalmente al reforzamiento de las uniones, para el diseño y la construcción de un entramado ajustado a la normatividad de construcción vigente, es necesario tener conocimientos básicos sobre el tipo de madera a utilizar, su resistencia y la comparación de los esfuerzos que recibe el entramado -sobre todo en los nudos- interactuando con los agentes externos que lo debilitan.

Este margen de comparación nunca debe superar los factores de seguridad para cada combinación de carga por exceso y por defecto, es decir que, si estos factores de combinación de cargas se superan por exceso, la estructura resultante queda sobredimensionada con pesos muertos, lo que además genera sobre costos innecesarios, mientras que si los factores se superan por defecto, la estructura resultante, corre el riesgo de colapsar.

En este sentido, las cargas más comunes que se presentan son generadas por esfuerzos de carga viva o uso de la estructura, carga muerta o peso propio, por efecto del granizo, además de las sobrecargas generadas por sismos y por acción del viento.

Finalmente, vale señalar que para el caso de diseño de puentes, además de las cargas anteriores, es necesario analizar otros tipo de cargas como las ocasionadas por el impacto cuando un vehículo pasa por un puente, así como otros factores importantes: los periodos de vibración, la resonancia y los análisis de esfuerzos con cargas móviles.

(*) Iván Alberto Rivera Ramírez, Ingeniero Civil, especializado en Patología de Estructuras. Dieciséis años de experiencia profesional en diseño, construcción e intervención de grandes estructuras, consultorías. Socio fundador y Presidente de la Fundación Econova, entidad dedicada al desarrollo y transferencia de tecnologías para los sectores ambientales, agrícola y agroindustrial. feconova@hotmail.com

 Citas:

1. Arriostramiento: Instalación de elementos, generalmente metálicos, que aseguran la invariabilidad de forma de una armazón estructural.