Compresión perpendicular al grano

La madera es un material natural «vivo», lo que significa que presenta una variabilidad inherente en sus propiedades físicas y mecánicas. Una de las características más importantes que deben tener en cuenta los ingenieros es su comportamiento ortotrópico: la resistencia y la rigidez de la madera cambian en función de la dirección de la carga con respecto a la veta. Cuando se somete a una carga paralela a la veta, cada fibra se comporta como una pequeña columna hueca, sostenida por sus vecinas. Pero cuando la madera se comprime perpendicularmente a la veta, las paredes celulares se colapsan bajo la presión, ofreciendo mucha menos resistencia. Esto la hace significativamente más débil y más propensa a la deformación en esa dirección.

La resistencia a la compresión perpendicular al grano es un factor crítico a tener en cuenta al diseñar conexiones de madera. Todos los principales códigos de diseño de madera proporcionan valores para esta propiedad en distintos grados de madera, pero estos valores pueden variar significativamente entre los distintos códigos. Esta variación se debe a la naturaleza compleja de la propiedad en sí misma, que no es puramente elástica, sino elasto-plástica con refuerzo. En términos prácticos, la resistencia aumenta a medida que la superficie de contacto entre las superficies cargadas y las superficies de apoyo crece bajo la carga.

Por ello, es fundamental comprender el nivel de deformación en el que se determinaron los valores de resistencia indicados.

Curva tensión-deformación de la madera comprimida perpendicularmente a la veta

Variaciones en los métodos de prueba: prueba de bloque frente a prueba de carril

Las diferencias en los valores de resistencia entre los códigos de diseño se deben en gran medida a los distintos métodos de ensayo utilizados para determinarlos. En la sesión de hoy, veremos cómo se definen y aplican estos valores en la norma NZS AS 1720 en comparación con el Eurocódigo. Por ejemplo, la norma NZS AS 1720 especifica una resistencia al apoyo (f'p) en lugar de una resistencia real a la compresión perpendicular al grano (fc,90). Aunque ambas están relacionadas, la resistencia al apoyo se refiere a la resistencia cuando un elemento presiona sobre otro, captando los efectos localizados en la interfaz de contacto. Esta distinción refleja las diferencias subyacentes en los procedimientos de ensayo y en la forma en que cada código interpreta el mismo mecanismo de fallo.

Los diferentes métodos utilizados para comprobar la resistencia a la compresión perpendicular al grano son la prueba de «bloque» y la prueba de «carril».

Prueba ferroviaria según AS/NZS4063

 

Prueba de bloqueo según EN 408

Enfoque NZS AS 1720.1 (Resistencia del cojinete f’p)

En la norma NZS AS 1720.1, la resistencia de apoyo (f’p) se deriva de ensayos con rieles, lo que significa que captura los efectos de la madera tanto alrededor como debajo del área cargada. Esto la convierte en un valor práctico que incluye la interacción entre los elementos cargados y los elementos de soporte.

Esta resistencia al apoyo se modifica entonces mediante el factor k₇ y se utiliza en la cláusula 3.2.6 de la norma. La deformación correspondiente que se supone en este método es de aproximadamente 2 mm en un elemento de 40 mm de profundidad, lo que equivale al 5 % de su profundidad. Esto hace que el valor sea adecuado para el diseño del estado límite último (ULS) en aplicaciones típicas en las que se acepta cierta deformación.

Enfoque del Eurocódigo 5 (resistencia a la compresión fc,90,d)

Por el contrario, el Eurocódigo 5 define la verificación de la compresión perpendicular al grano utilizando la resistencia a la compresión de cálculo, denominada fc,90,d. Este valor se deriva de la resistencia característica fc,90,k, que proviene de ensayos con bloques (EN 408) y representa la tensión correspondiente al 1 % de deformación nominal irrecuperable a la compresión.

La resistencia de cálculo fc,90,d se calcula aplicando factores de seguridad parciales del material y factores de duración de la carga a fc,90,k.

Para adaptar el resultado de la prueba de bloque puro a condiciones de rodamiento más realistas (como las que se observan en las pruebas ferroviarias), el Eurocódigo introduce dos ajustes:

• kc, factor 90: tiene en cuenta la distribución de tensiones, el riesgo de rotura y el grado de deformación.
• Longitud efectiva del apoyo (lₑf): Se utiliza en algunas situaciones para tener en cuenta la superficie de apoyo adicional que proporciona el saliente de la madera más allá de la longitud de contacto real l.

Comparación de valores de resistencia en diferentes códigos

Ahora que conocemos las diferencias en las pruebas, comparemos los valores presentados en cada código de diseño. La norma NZS 3603 proporciona un valor para la resistencia a la compresión perpendicular al grano f’p para la madera de pino radiata SG8 de 6,9 MPa, mientras que la norma EN 338 proporciona una resistencia característica a la compresión perpendicular al grano para la madera blanda C16 de 2,2 MPa.

Como es evidente, los valores varían considerablemente. Los ingenieros que no tengan un conocimiento profundo de ambos códigos deben tener en cuenta cómo se obtienen estos valores si, por ejemplo, están diseñando un edificio de madera maciza en Nueva Zelanda construido con madera de calidad europea, o viceversa, con el fin de garantizar un diseño seguro.

Para obtener más información sobre este tema, consulte:

• Nota técnica de Timber Unlimited, diciembre de 2023: Cojinete perpendicular a la veta y NZS AS 1720.1:2022.
• Asociación para el Desarrollo de la Madera (2019). Prueba de características perpendiculares al grano en especies de madera comunes australianas e importadas. Número de proyecto: PNA462-1718. Forest & Wood Products Australia.
• Franke y Quenneville (2010). El comportamiento material de la pino radiata bajo compresión. Revista de diseño de madera de Nueva Zelanda, vol. 18, n.º 3.