Software de diseño de tirantes y pernos para el Eurocódigo 5

Los elementos de fijación de tipo pasador, como los pernos y los pasadores de acero, se encuentran entre los sistemas de unión más utilizados en la ingeniería estructural de la madera. Estos elementos de fijación transfieren las fuerzas entre los elementos de madera mediante la resistencia a la compresión de la madera y la flexión del propio elemento de fijación.

SPEC Toolbox ofrece una calculadora avanzada para el diseño y la verificación de uniones tipo espiga en elementos de madera con placas de acero. La herramienta evalúa la interacción entre los elementos de madera, las placas de acero y los elementos de fijación, lo que permite a los ingenieros verificar la capacidad de unión en condiciones de carga combinada.

Para la región europea, la calculadora es compatible con las siguientes normas de diseño:

• EN 1995-1-1:2004 (Eurocódigo 5)
• prEN 1995:2025 (Revisión del Eurocódigo de próxima generación)

Estas normas definen los procedimientos de diseño para elementos de fijación de tipo espiga, utilizando la teoría de la fluencia de Johansen, los requisitos de separación y las comprobaciones de rotura de la madera.

La calculadora admite pernos y tacos de acero instalados en elementos de madera laminada encolada o de madera maciza, y permite configurar de forma flexible la posición de las placas, la disposición de los elementos de fijación y las condiciones de carga.

El comportamiento estructural de una unión tipo espiga viene determinado por las fuerzas que actúan sobre ella. La calculadora permite a los ingenieros definir los componentes principales de la carga que se transmiten a través de la unión.

Se pueden aplicar las siguientes cargas:

• Fuerza de tracción axial (Fx)
: fuerza que actúa en paralelo al eje de la unión y que produce tracción en el conjunto de madera y elementos de fijación.

• Fuerza de cizallamiento (Fz)
: fuerza que actúa perpendicularmente al eje del elemento de fijación y se transmite a través del apoyo entre la madera y los elementos de fijación.

• Momento flector (My)
: momento aplicado a la unión que provoca una redistribución adicional de las fuerzas dentro del conjunto de elementos de fijación.

Los ingenieros también pueden definir la configuración de la conexión, determinando si esta actúa como elemento estructural principal o como parte de un sistema de transferencia de cargas más amplio.

La calculadora evalúa las uniones con espigas utilizando la teoría de la elasticidad de Johansen, que constituye la base del diseño moderno de uniones de madera en el Eurocódigo 5.

Este enfoque analítico tiene en cuenta la interacción entre:

• Resistencia de la fijación de la madera

• Resistencia a la flexión de los elementos de fijación

• Rigidez de la chapa de acero

• Redistribución de la carga dentro del conjunto de fijación

Se evalúan automáticamente múltiples mecanismos de fallo potenciales, entre los que se incluyen:

• Fallo en la fijación de la madera

• Deformación del elemento de fijación

• Mecanismos combinados de madera y plástico para fijaciones

El procedimiento de diseño aplica los coeficientes de seguridad de los materiales y los coeficientes de modificación definidos por la norma de diseño seleccionada.

Al evaluar todos los modos de deformación posibles, la calculadora determina la resistencia de unión determinante y garantiza una verificación estructural fiable.

El elemento de madera constituye el componente estructural principal de la unión. Su geometría y las propiedades del material influyen de manera significativa en la capacidad de unión.

Los ingenieros pueden definir:

• Espesor de los elementos de madera

• Clasificación de la madera

• Colocación de placas de acero dentro de la sección de madera

• Disposición de las placas (colocación uniforme o no uniforme)

Estos parámetros determinan el mecanismo de transferencia de carga e influyen en los requisitos de separación entre los elementos de fijación, la resistencia a la fisuración y el comportamiento general de la unión.

Las placas de acero se utilizan con frecuencia en las uniones de madera para mejorar la distribución de la carga y aumentar la capacidad de la unión.

La calculadora permite a los ingenieros definir las propiedades mecánicas y geométricas de la chapa de acero, entre las que se incluyen:

• Calidad de la chapa de acero

• Espesor de la chapa

• Profundidad de la placa

• Distancias entre bordes

• Distancias finales

Las propiedades de los materiales, como el límite elástico y la resistencia máxima, se utilizan para evaluar la resistencia estructural de la chapa de acero.

El sistema comprueba la placa para detectar posibles fallos, entre los que se incluyen:

• Doblado de chapas

• Capacidad de carga

• Capacidad de corte

• Resistencia al desgarro

• Capacidad de tensión

Esto garantiza que el componente de acero de la unión siga siendo estructuralmente adecuado.

Los elementos de fijación son los principales elementos de transferencia de carga en las uniones de madera con espigas. La calculadora permite diseñar:

• Tornillos
• Tacos de acero

Los ingenieros pueden definir las características de los elementos de fijación, entre las que se incluyen:

• Diámetro del elemento de fijación

• Calidad de los elementos de fijación

• Número de elementos de fijación por fila

• Número de filas

• Distribución de los elementos de fijación

• Diámetro de la arandela

• Ángulo de instalación

Estos parámetros influyen directamente en la capacidad del elemento de fijación, la distribución de la carga y el modo de fallo predominante de la unión.

Es fundamental respetar la separación adecuada entre los elementos de fijación y las distancias a los bordes para evitar fallos en la madera debidos a fragilidad, como el agrietamiento o el cizallamiento del bloque.

La calculadora permite a los ingenieros definir:

• Distancia a lo largo de la veta (a₁)

• Distancia transversal a la veta (a₂)

• Distancia del borde cargado (aₜ)

• Distancia del borde sin carga (aₑ)

• Distancias finales

Los ingenieros pueden definir estos valores manualmente o dejar que la calculadora aplique los requisitos mínimos de separación según la norma de diseño seleccionada.

Estas restricciones geométricas garantizan una distribución adecuada de las tensiones y una resistencia suficiente de la madera en torno a los elementos de fijación.

Una vez definidos la geometría, los materiales y las cargas, la calculadora realiza una verificación estructural completa de la unión.

Se evalúan automáticamente las siguientes comprobaciones:

Verificación geométrica

Garantiza que los espacios, las distancias entre bordes y los requisitos de disposición cumplan con las disposiciones del código de diseño.

Comprobaciones de los elementos de madera y los elementos de fijación

Se evalúa la unión en relación con múltiples modos de fallo potenciales de la madera y los elementos de fijación, entre los que se incluyen:

• Resistencia a la deformación del elemento de fijación

• Resistencia a la rotura por corte

• Resistencia al corte de bloques o tapones

• Resistencia a la tensión de tracción del elemento de madera

Verificación de chapas de acero

La chapa de acero se comprueba con respecto a:

• Capacidad de tensión

• Resistencia de los rodamientos

• Capacidad de plegado

• Capacidad de corte

• Resistencia al desgarro

Los resultados se presentan en un panel de resumen claro, lo que permite a los ingenieros identificar rápidamente los mecanismos de fallo determinantes y verificar si la conexión cumple los requisitos de diseño.