REHABILITACIÓN ESTRUCTURAL DEL EDIFICIO DE LA AGENCIA NACIONAL DE VIVIENDA EN MONTEVIDEO, URUGUAY. STRUCTURAL REHABILITATION OF THE NATIONAL HOUSING AGENCY IN MONTEVIDEO, URUGUAY. Atilio Morquio (1); Gonzalo Cetrangolo (2) (1) Dr. Profesor Titular, (2) M. Sc. Profesor Adjunto. Departamento de Estructuras del Instituto de Estructuras y Transporte, Prof. Ing. Julio Ricaldoni de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República, Montevideo, Uruguay. Resumen El objetivo del trabajo es presentar las actividades realizadas para rehabilitar una estructura de alrededor de 100 años de antigüedad, ubicada en la Ciudad Vieja, en Montevideo, Uruguay. La estructura esta compuesta por muros portantes y entrepisos soportados por tirantería de madera. Este edificio de cuatro niveles, que totalizan una superficie construida de alrededor de 4000 m2, estaba planificado reformarlo, para funcionar como sede de la Agencia Nacional de Vivienda. La no existencia de las memorias de cálculo, la antigüedad de la estructura, el posible deterioro de la madera utilizada, la existencia de reformas realizadas en diferentes etapas de utilización del edificio y el nuevo uso que el mismo tendría, sometido a sobrecargas de servicio de oficinas con presencia de público, hicieron imprescindible este estudio. El estudio realizado incluyó el relevamiento de la estructura, la determinación de las cargas de servicio según la función proyectada en cada zona y la realización de ensayos de laboratorio en especimenes de tamaño real y en pequeñas probetas. Las tensiones admisibles fueron determinadas en función de éstos resultados y de los criterios establecidos por las normas. Así mismo, se realizaron ensayos de carga recorriendo todos los elementos, midiendo la deflexión bajo carga y la deflexión remanente en la estructura. En el caso de las zonas reforzadas, los ensayos se realizaron posteriormente a la realización de las modificaciones estructurales. Los resultados obtenidos permitieron diagnosticar el, en general, muy buen estado de la construcción y mostraron algunas zonas en las que se debían realizar mejoras con el fin de garantizar su capacidad estructural para el fin previsto. Palabras claves: Estructuras de Madera, Rehabilitación, Ensayos de Carga, Ensayos no Destructivos Abstract The aim of this paper is to present the activities undertaken to rehabilitate a wooden structure about 100 years old, located in the Old Town, in Montevideo, consisting of bearing walls and stories supported by wooden beams and girders. The building consist of four stories, with a total surface area of about 4000 m2, which was planned to be the new headquarters of the National Housing Agency. The absence of structural calculations and reports, made this study essential, because the building will be subjected to the public and service overloads that usually take place in an office building. The performed work consist of the structural survey, the determination of the service loads according to the new assigned function on each area of the building, laboratory testing in small specimens as well as testing on real size structural members. The admissible stresses were determined by the tests results and by the recommendations presented in the standards. Using these criteria, different areas of the building were identified, and structural reinforcement was placed. Load testing was performed in all the stories, and testing all the structural elements presents in the building. The results obtained allowed the diagnostic of the general state of the building, which in general showed a good structural condition and few structural modifications were recommended in order assure its structural capacity for the new intended use. Key-word: Wooden Structures, Building Rehabilitation, Load Testing, Nondestructive Testing.

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1. INTRODUCCIÓN Es conocido que la utilización de la madera como elemento estructural presenta ciertas peculiaridades que la diferencian de otros materiales y que es necesario tener en cuenta para analizar el comportamiento de las estructuras, entre las que se pueden destacar entre otras (Tuomi 1980) su heterogeneidad, la anisotropía y que la resistencia depende del tamaño del elemento analizado. Cuando se trata de estructuras de madera antiguas, a los anteriores aspectos deben agregarse otras particularidades debido a que su deterioro puede ser físico, mecánico y también biológico. Es por ello (Calderoni et al. 2006) que la resistencia y rigidez de las estructuras antiguas de madera no pueden ser estudiadas empleando los métodos y modelos usualmente utilizados en la ingeniería estructural pues es necesario evaluar las propiedades del material y su estado de conservación. En este trabajo se presentan las principales actividades desarrolladas para estudiar el estado de una estructura antigua de madera y determinar las medidas necesarias para su puesta en servicio como sede de la Agencia Nacional de Vivienda (ANV). Si bien el análisis de la estructura implicó también el estudio de otros elementos estructurales este trabajo se refiere solo a las losas. El Instituto de Estructuras y Transporte (IET) de la Facultad de Ingeniería intervino en este estudio a solicitud de la ANV. El asesoramiento se desarrolló en coordinación con técnicos de la ANV y del Ministerio de Transporte y Obras Públicas. 2. LA ESTRUCTURA EXISTENTE Los edificios destinados a la ANV abarcan aproximadamente la mitad de la manzana ubicada en la Ciudad Vieja de la ciudad de Montevideo, delimitada por las calles Cerrito, Zabala, 25 de Mayo y Solís. Se trata de cuatro edificios interconectados entre si. Dos de ellos tienen sus losas de hormigón armado. El estudio realizado por el IET se concentró en los otros dos edificios que tienen alrededor de un siglo de construidos y son más antiguos. Ambos están compuestos por muros portantes y losas soportadas con tirantes de madera. Uno de ellos tiene planta baja y dos niveles y el otro tiene planta baja y tres niveles. En total abarcan una superficie construida de aproximadamente 4000 m2. La azotea de ambos tiene una estructura conformada por perfiles metálicos, posiblemente resultado de alguna reforma realizada. Las restantes losas están soportadas por tirantería de madera. Los tirantes utilizados son en todos los casos de 3 x 9 pulgadas del tipo de madera denominada genéricamente pino-tea. Están separados entre si, según la losa, entre 44 cm y 54 cm. En total se trata de unos 1200 tirantes. Estos tirantes se apoyan generalmente en muros portantes y en algún caso especial en vigas metálicas o de hormigón armado. Sobre los tirantes se apoyan clavadores de madera de 7 x 2,5 cm. Sobre ellos se apoyan baldosas tipo sacomán de 23 x 23 x 2 cm. Luego se encuentra un contrapiso, de ladrillos con mortero de cal de entre 7 cm y 24 cm de espesor. Finalmente, según sea el caso, la terminación del piso presenta dos alternativas que son por un lado piso de baldosas o por el otro, clavadores de 7 x 7,5 cm y sobre ellas tablas machihembradas de 1 pulgada de espesor. Las luces libres entre apoyos van de 160 a 580 cm. Un esquema de las dos alternativas de losas puede observarse en la Fig. 1.

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Tablas Clavador Contrapiso Baldosas Clavador

Baldosas Contrapiso Baldosas Clavador

Tirante

Tirante

Figura 1.- Esquema de losas con piso de madera y pisos de baldosas

3. OBJETIVO DEL ESTUDIO Y METODOLOGÍA El objetivo del estudio realizado fue verificar si la capacidad resistente de las losas con estructura de madera y la de sus apoyos en los muros, es suficiente para soportar las sobrecargas móviles que prescribe la norma uruguaya para edificios de oficinas. En los casos que la capacidad resistente no resultara suficiente, debían preverse las alternativas posibles (disminución de contrapiso, eliminación de muros, refuerzo estructural, etc) que son necesarias para su puesta en servicio. La metodología empleada para realizar el estudio se basa en la combinación de tres grandes enfoques: A) El análisis de las características y del estado de la madera estructural. Ello incluyó por un lado la inspección visual de los tirantes y su sustitución en los casos que presentaban un deterioro visible (humedades, ataque de insectos, fisuración excesiva, etc.), tarea que fue realizada por carpinteros de la empresa contratada por la ANV. Por otro lado incluyó la extracción de muestras del material y la determinación de sus propiedades más relevantes desde el punto de vista estructural, así como el estudio de un tirante que fue retirado de la estructura y ensayado en laboratorio. Estos aspectos serán debidamente desarrollados en el capítulo 4. B) El análisis de las distintas situaciones que se presentan y la clasificación de la estructura en dos grandes zonas, una donde se puede pasar a la etapa de ensayos de carga y otra donde es inevitable realizar previamente modificaciones estructurales. Ello incluyó el relevamiento de las distintas losas que se encomendó a la empresa contratada por la ANV y la determinación de los criterios de uso y en consecuencia de las sobrecargas a utilizar. Asimismo incluyó la definición de los valores de la tensión admisible y del módulo de elasticidad que pueden en primera instancia admitirse de acuerdo a la caracterización del material y el análisis de normas realizado. A partir de estos elementos se realizó la clasificación de las distintas losas. Estos aspectos se desarrollan en el capítulo 5. C) La realización de ensayos de carga en la zona definida en B, Ello incluyó la definición de la metodología a emplear y de los criterios de admisibilidad de dichos ensayos, así como la realización de los ensayos y el análisis de los resultados. A esta parte del estudio se refiere el capítulo 6.

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4. ENSAYOS DE LABORATORIO La metodología de ensayo utilizada para la caracterización del material y de elementos resistentes se puede dividir en dos grupos de ensayos. Primero, se realizaron los ensayos pertinentes a la caracterización del material y después se realizó el ensayo de una pieza de madera extraída de la estructura. Para cumplir con el objetivo del primer grupo de ensayos, se realizó la identificación del material mediante caracterización microscópica, luego se realizó la caracterización del material mediante ensayos en pequeñas probetas y ensayos no destructivos. En cuanto al segundo grupo, se realizó el ensayo a flexión de una viga de madera extraída de la estructura. En la Fig.2 se muestra el tirante de madera removido de la estructura.

Figura 2.- Viga de madera removida del edificio. 4.1. Identificación del Material Con el objetivo de caracterizar el material, se encomendó al Departamento Forestal de la Facultad de Agronomía de la Universidad de la República la identificación de la madera utilizada en la estructura del edificio. Según un estudio preliminar sobre la identificación de la especie, la pieza pertenece a la familia de los pinos “Tea”, siendo lo más probable un ejemplar perteneciente a lo que se conoce como “Pinus Palastris”. 4.2. Ensayos realizados en pequeñas probetas Diferentes ensayos fueron realizados en el Laboratorio Tecnológico del Uruguay (LATU), con el objetivo de obtener diferentes propiedades mecánicas del material. Para la caracterización de las propiedades mecánicas se realizaron ensayos en pequeñas probetas, libres de defectos. Los ensayos fueron realizados siguiendo la normativa UNIT de nuestro país y en los casos de no existir normativa local, se siguió la normativa ASTM (norteamericana) o JIS (japonesa). Los ensayos realizados fueron los de Densidad Aparente Corriente, Densidad Aparente, Contenido de Humedad, Módulo de Elasticidad y Módulo de Rotura, Resistencia al Impacto por Flexión Dinámica, Compresión Paralela al Grano y Corte Paralelo al Grano Tangencial. La Fig. 3 muestra pequeñas probetas utilizadas para la realización de los ensayos. ASAEE - Associação Sul Americana de Engenharia Estrutural | E-mail: [email protected] | Página: www.asaee.org.br

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Figura 3.- Pequeñas probetas para la realización de varios ensayos La “Densidad Aparente Corriente” fue obtenida siguiendo la norma UNIT 237 (2008). Los valores presentados en la Tabla 1 se obtienen como el resultado del cociente de la masa anhidra sobre el volumen en las condiciones iniciales en las que se encontraba la muestra. Se ensayaron 3 probetas, realizando dos ensayos por probeta. El valor promedio de los seis ensayos realizados fue de 0.831 g/cm3. Tabla 1.-Valores obtenidos del ensayo de Densidad Aparente Corriente Identificación Densidad Aparente Corriente (g/cm3) 1ª 0,849 2ª 0,77 3ª 0,874

La Tabla 2 presenta los resultados obtenidos en el ensayo de densidad aparente en las condiciones en las que se recibió la muestra, siendo también calculada en seis muestras, obteniéndose un valor promedio de 0.925g/cm3.

Tabla 2.- Valores obtenidos del ensayo de Densidad Aparente Identificación 1ª 2ª 3ª

Densidad Aparente (g/cm3) 0,949 0,846 0,981

El contenido de humedad se realizó de acuerdo a la norma UNIT 223 (2007) y se realizaron seis determinaciones de humedad, obteniéndose un valor promedio de 11.27 % . Se realizaron ensayos de Módulo de Elasticidad (MPa) y Módulo de Rotura (MPa), los resultados son presentados en las Tablas 3 y 4 respectivamente. Los valores se determinaron siguiendo la Norma UNIT 1137 (2007). Los ensayos se realizaron con el contenido de humedad que presentaban las muestras. Las probetas utilizadas fueron de 25 x 25 x 410 mm.

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Tabla 3.- Valores obtenidos de Módulo de Elasticidad de Flexión Estática Identificación Módulo de Elasticidad (GPa) 1A 19,9 2A 21,7 3A 19,5 El Módulo de Elasticidad promedio de tres ensayos fue de 20,4 GPa.

Tabla 4.- Valores obtenidos de Módulo de Rotura de Flexión Estática Identificación Módulo de Rotura (MPa) 1ª 173,7 2ª 181,7 3ª 183,3 El Módulo de Rotura promedio de las probetas ensayadas fue de 179.6 MPa. La Fig. 4 muestra una probeta siendo ensayada a flexión.

Figura 4.- Ensayo de flexión estática en probetas de 25 x 25 x 410 mm

El ensayo de Resistencia al Impacto por Flexión Dinámica se realizó mediante la utilización de la norma japonesa JIS Z2116 (1977). El ensayo fue realizado sobre probetas de 20 x 20 x 300 mm. El valor promedio de la energía por unidad de sección absorbida por la pieza en resultados obtenidos en cuatro probetas fue de 7.15 J/cm2. Los ensayos de Compresión Paralela al Grano se realizaron en probetas de 25 x 25 x 50 mm siguiendo la norma JIS Z2111 (1977). El valor promedio de la tensión máxima de compresión de cuatro ensayos fue de 85.5 MPa. La Fig. 5 muestra una probeta siendo ensayada a compresión.

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Figura 5.- Ensayo de compresión paralela al grano. Finalmente se efectuó el ensayo de Corte Paralelo al Grano Tangencial, el cuál se realizó siguiendo la norma ASTM D:143 (2000). Se ensayaron probetas de 50 x 50 x 63 mm, con una superficie de falla de 50 x 50 mm. El valor promedio del resultado de tres ensayos de la tensión de rotura al corte fue de 9.73 MPa. En la Fig. 6 se muestra una pieza de madera para el ensayo de corte paralelo al grano.

Figura 6.- Muestra utilizada para el ensayo de corte.

De los resultados obtenidos en los ensayos realizados en el laboratorio se desprende que la madera analizada presenta buenas propiedades mecánicas, mostrando valores de densidad correspondientes a maderas de densidad alta (Wood Handbook 1999). Los ensayos mecánicos de flexión e impacto también arrojaron resultados que permiten afirmar que la madera se comporta como un material de muy buena calidad y que a pesar de su edad está en buen estado con valores promedio del Módulo de Rotura de 179.6 MPa y del Módulo de Elasticidad de 20,4 GPa. 4.3. Ensayos no destructivos En el laboratorio de ensayos no destructivos del IET se aplicaron diferentes técnicas de ensayos a ejemplares obtenidos de piezas de madera extraídas de la edificación. Los resultados son presentados a continuación. Se aplicaron técnicas de ensayos no destructivos con el objetivo de caracterizar el material, las técnicas utilizadas se basan en el análisis de la propagación de ondas mecánicas en la pieza estudiada. De esta forma, se obtuvo información sobre el material antes de someter la pieza a ensayos destructivos, los que fueron realizados con posterioridad. Ensayos de propagación de pulsos ultrasónicos, como así también ensayos de resonancia fueron realizados en pequeñas probetas y en una pieza de tamaño más

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considerable. Los resultados permitieron afirmar que el material se encuentra en excelente estado de conservación, con parámetros dinámicos, como el módulo de elasticidad y la velocidad de propagación de pulsos ultrasónicos en el rango de materiales de buen a muy buen desempeño mecánico (Pellerini and Ross 2002). 4.3.1. Método de la velocidad de pulsos ultrasónicos Se realizaron ensayos de ultrasonido (propagación de pulsos ultrasónicos), donde la velocidad de propagación de las ondas de compresión fue utilizada para calcular el Módulo de Elasticidad Dinámico del material (MOE), en la zona libre de nudos y fallas y en el total de la pieza. La velocidad de propagación también fue utilizada para caracterizar el material. El equipo utilizado para este propósito fue un Pundit 7, con transductores de 54 kHz. Fue conectado a un osciloscopio, para la correcta identificación del tiempo de llegada de la onda de compresión. En la Fig. 7 se muestra la configuración utilizada para el ensayo de pulsos ultrasonicos. Muestra de madera Transductor de Ultrasonido

Transductor de Ultrasonido

Figura 7.- Configuración utilizada para el ensayo de ultrasonido. Los resultados obtenidos en los ensayos de velocidad de pulsos ultrasónicos fueron realizados en la dirección paralela al grano y se puede apreciar un aumento de los valores en las piezas pequeñas libre de nudos. Las Tablas 5 y 6 presentan los valores obtenidos en el ensayo. Tabla 5.- Velocidad de propagación de pulsos ultrasónicos en diferentes muestras de madera Tiempo(µs) 88,6 94,9 83,9 347,3

Distancia (m) 0,479 0,534 0,467 1,8

Velocidad (m/s) 5406,3 5627,0 5566,2 5182,8

Tabla 6.- Datos estadísticos de los resultados. Promedio (m/s) Desvío estándar (m/s) Coeficiente de Variación (%)

5445,6 198,3 3,6

Los valores de velocidad obtenidos son considerados altos con referencia a los datos obtenidos en la bibliografía existente, y son consistentes con un material sólido en su interior

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sin fisuras ni nudos perpendiculares a la fibra (Wood Handbook 1999; Pellerini and Ross 2002). Con los resultados obtenidos de la velocidad de propagación de los pulsos ultrasónicos en la pieza de 1,8 metros de longitud se calculó el Módulo de Elasticidad Dinámico (MOE), el cual fue obtenido a partir de la Ec. 1: MOE= ρVP2

(1)

Donde: MOE = Módulo de Elasticidad dinámico (Pa) VP = velocidad de la onda de compresión (m/s) ρ = densidad (Kg/m3) El valor de MOE obtenido utilizando la Ec. 1 fue de 22,3 GPa. 4.3.2. Método de resonancia longitudinal Otro de los ensayos realizados fueron técnicas dinámicas, con el objetivo de obtener información de las propiedades dinámica de la pieza. Se ensayó la pieza de manera de excitar la frecuencia de resonancia longitudinal. El ensayo se realizó mediante la aplicación de un impacto mecánico generado por un pequeño martillo instrumentado en uno de los extremos de la pieza en dirección longitudinal, y se recibió la señal en el otro extremo de la viga. La viga de madera se posicionó con dos apoyos de material flexible para permitir las deformaciones sin restringir a la pieza. La configuración utilizada para el ensayo de resonancia longitudinal se muestra en la Fig. 8. Martillo Muestra de madera

Conexión con Osciloscopio Acelerómetro

Figura 8.- Configuración utilizada para el ensayo de resonancia longitudinal. La señal registrada por un acelerómetro, fue adquirida y visualizada en un osciloscopio. Analizando el espectro de frecuencias obtenido mediante la transformada rápida de Fourier, se obtuvo la frecuencia de resonancia longitudinal. El ensayo fue realizado repetidas veces sobre el mismo ejemplar, obteniéndose en todos los casos el mismo valor. La frecuencia obtenida fue fr=1.35 kHz, para una pieza de 1,8 m de longitud. A partir de este valor, se calculó el Módulo de Elasticidad Dinámico (MOE), mediante la fórmula (Ross and Pellerin 1994) presentada en la Ec. 2. MOE = 4L2fr2 ρ

(2)

Donde: MOE = Módulo de Elasticidad Dinámico (Pa) L = longitud de la pieza (m) fr = frecuencia de resonancia (Hz.)

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ρ = densidad (Kg/m3) El valor obtenido del MOE utilizando la Ec. 2 fue de 19,6 GPa. En la Fig. 9 se muestra la pieza ensayada mediante resonancia longitudinal con el uso de acelerómetro.

Figura 9.- Ensayo de resonancia longitudinal Los ensayos de resonancia longitudinal dieron como resultado un valor de MOE de 19,6 GPa, lo cual es consistente con el valor del MOE calculado en el numeral 4.3.1. utilizando la velocidad de propagación de la onda de compresión, el cual dio un valor de 22,3 GPa, siendo la diferencia del orden del 15%. Cabe destacar que estos valores están en el rango superior de los valores de MOE, considerados en la bibliografía consultada (Thelandersson and Larsen 2003). 4.4. Ensayo de un tirante Un tirante de madera fue retirado de la estructura con el objetivo de realizar un ensayo de flexión en el laboratorio del IET. El tirante presentaba algunas fisuras que lo ubican en una situación más desfavorable o por lo menos similar a la de otros tirantes de la estructura. El ensayo se realizó haciendo trabajar al tirante como viga simplemente apoyada en sus extremos, con una carga concentrada aplicada en el centro. Se uso una luz L = 2,6 m (2,5 de luz libre, con apoyos en los extremos de neopreno de 10 cm de longitud cada uno). Con base en las medidas de los desplazamientos medidos en los apoyos y en el centro de la viga se obtuvo la deflexión (f) producida en el centro de la viga. El valor de la rigidez flexional (EI) de la viga se estimo en base a los resultados experiméntales con la Ec. 3. 3

EI = FL

48 f

(3)

Donde: F = fuerza aplicada (N) L = luz libre de la viga (m) ƒ = deflexión en el centro de la viga (m) E = Módulo de Elasticidad (Pa.) I = Módulo de Inercia de la sección (m4)

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La relación entre la fuerza aplicada F y la flecha medida f se determinó ajustando una recta mediante mínimos cuadrados en base a los resultados de cada ciclo de carga. En un primer ciclo de carga realizado hasta una fuerza de 15 KN la viga presentó un comportamiento fuerza-flecha prácticamente lineal con un coeficiente de correlación de 0,9974. En este ciclo de carga el valor estimado de EI resultó ser de 848 kNm2. En un segundo ciclo, la carga se incrementó hasta un valor de 26,6 kN. En este ciclo el tirante mostró un comportamiento lineal hasta una carga de 19,2 kN. Retirada la carga, el tirante recuperó su deformación retornando a su posición inicial. Posteriormente se realizó un tercer ciclo hasta una carga de 38,2 kN, con un comportamiento prácticamente lineal. Retirada la carga recuperó su posición inicial. El valor estimado de EI en este último ciclo disminuyó a 656 kNm2. 5. ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA 5.1. Relevamiento de la construcción existente y de su estado La estructura de madera fue relevada en su totalidad resultando la existencia de 61 losas. En el relevamiento se determinó la luz de las losas, la separación entre tirantes, el espesor del contrapiso, el tipo de piso y las características de los cielorrasos del nivel inferior. Con estos datos se calculó el peso propio de la estructura que según la zona resultó ser entre 2,06 KN/m2 y 4,71 KN/m2 . En el relevamiento se realizó una inspección visual del estado de los tirantes y se procedió a su sustitución por perfiles metálicos en los casos que se observaba algún deterioro. Esto sucedió en muy pocos casos. Asimismo se clasificaron las losas según el uso previsto y se distinguieron dos tipos de situaciones, una zona destinada a oficinas privadas y otra zona que soportará afluencia de público. Las cargas variables se tomaron de acuerdo a lo que establece la norma uruguaya (UNIT 33 1991) . En consecuencia las cargas variables adoptadas fueron según la zona de 2 KN/m2 o de 4 KN/m2 . 5.2. Análisis de las propiedades del material según los criterios de las normas Teniendo en cuenta los resultados de los ensayos realizados, la madera fue inicialmente clasificada según la norma uruguaya (IE 4 1950). Ésta, para la pino tea que esta agrupada en una sola categoría, exige los valores mínimos que se indican en la Tabla 7. Tabla 7.- Valores requeridos por las normas y resultados experimentales obtenidos

Módulo de rotura de flexión (MPa) Módulo de elasticidad de flexión (MPa) Tensión máxima de compresión paralela (MPa)

Norma uruguaya 69 45

Norma chilena Resultados (Grupo ES 1) Experimentales 130 180 19860 20400 77 89

Como puede observarse, los valores experimentales obtenidos son ampliamente mayores a los exigidos por la norma uruguaya. Si bien el ensayo, por realizarse en nuestro país, debía tener como referencia principal la normativa nacional al tratarse de un material que superaba ampliamente los valores requeridos y al no existir otra categoría con mayores

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exigencias, se consideró conveniente consultar otras normas para obtener una caracterización más precisa del comportamiento del material. Consultada la norma chilena (NCh 1989 Of86 1999), esta define distintos grupos según las propiedades obtenidas en laboratorio. En la Tabla 7 se encuentran las exigencias requeridas para la madera seca de mayor resistencia (Grupo ES 1), valores que la madera analizada cumple claramente en los tres ensayos considerados. Desde el punto de vista visual que establece la norma chilena (NCh 1970/2 Of 88 1999) teniendo en cuenta fundamentalmente las grietas que presentaba la madera fue clasificada con el Grado estructural 4. En función de lo anterior la norma (NCh 1990 Of86 1999) establece que el tirante en estudio pertenece a la clase estructural f22. Los valores admisibles para la clase f22 se encuentran en la Tabla 8. Tabla 8.- Valores admisibles según normas

Tensión admisible en flexión (MPa) Módulo de elasticidad de flexión (MPa) Tensión admisible de compresión paralela (MPa)

Norma uruguaya 9,8 10791 7,3

Norma chilena (Clase f22) 22 12600 16,5

Como puede observarse, los valores admisibles de acuerdo a la norma chilena (más allá de diferencias que existen en las sobrecargas a emplear) son claramente superiores a los que establece la norma uruguaya. 5.3. Análisis del ensayo del tirante en laboratorio según los criterios de las normas La norma uruguaya establece que la inercia de la sección ( I ) y el módulo resistente de la sección ( W ) deben ser calculados con las dimensiones de la sección neta que se obtiene con una determinada reducción de la sección bruta. En este caso los valores que se obtienen para la sección neta son I = 6459,2 cm4 y W = 585,6 cm3 . Aceptando estos valores, a partir de los resultados experimentales obtenidos en el ensayo del tirante, se pueden calcular las tensiones existentes en la sección y estimar el módulo de elasticidad global en las distintas etapas del ensayo. De esa manera se obtiene que la viga se comportó linealmente hasta producirse una tensión de 20,5 MPa; en esta situación se estimó un módulo de elasticidad de 13129 MPa. Luego se la cargó hasta una tensión de 40,8 MPa produciéndose alguna falla localizada, pero no su colapso. Luego de alcanzar esta carga, el módulo de elasticidad calculado fue de 10156 MPa. Si se comparan estos resultados con los que resultarían de un análisis teórico, en el que se aceptan los valores que establece la norma uruguaya, tendríamos que el módulo de elasticidad obtenido en el ensayo previo a la perdida de linealidad fue un 21,7 % mayor que el valor que resulta de utilizar los valores que establece la norma uruguaya. Asimismo, se observa que la perdida de linealidad se produjo para una tensión que es mayor al doble de la que la norma uruguaya establece como admisible y que se alcanzaron tensiones mayores al cuádruplo de la tensión que la norma uruguaya establece como admisible, sin que se produjera el colapso del tirante ensayado.

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5.4. Criterio para clasificar la estructura En función de las elementos expuestos anteriormente, se consideró conveniente para habilitar la realización de los ensayos de carga, sin realizar refuerzos previos, verificar teóricamente de acuerdo a lo que establece la norma uruguaya, que la estructura sometida a las cargas de peso propio y a las sobrecarga de uso o cargas accidentales no supera las tensiones admisibles ni tampoco las flechas admisibles que de acuerdo a la normativa nacional deben cumplir la Ec. 4.

f ≤

L 300

(4)

En relación a los valores de las tensiones admisibles y del módulo de elasticidad del material se adoptaron valores un 10 % mayores a los que prevé para la pino tea la norma uruguaya amparados en que: a) Se realizaron ensayos que muestran un comportamiento del material claramente por encima de lo requerido por la norma. b) Existen normativas de otros países que admiten valores mayores que los que utiliza la norma uruguaya c) La propia norma uruguaya permite estas excepciones cuando se cumplen las condiciones anteriores. d) Los resultados de los ensayos de carga a realizar en la estructura, complementarán la información necesaria para validar o no la capacidad portante de la estructura. Con este criterio quedaron habilitadas para ser ensayada directamente 36 losas que representaban el 62 % de la superficie total. El resto de las losas se consideró conveniente que fueran modificadas estructuralmente. En los casos que correspondiera (de acuerdo al tipo de modificación que se llevará a cabo) se deberían realizar posteriormente ensayos de carga. Las modificaciones estructurales realizadas implicaron, según la zona, la disminución del contrapiso, la eliminación de muros que estaban apoyados sobre las losas, la disminución de las luces de la tirantería colocando elementos estructurales metálicos o la colocación de estructuras metálicas sustitutivas. 6.

ENSAYO DE CARGA

6.1. Fundamentación y Características Para verificar el estado de los diferentes elementos de la estructura -teniendo en cuenta que la madera presenta una importante dispersión de su comportamiento y que en este caso este problema se ve agravado por ser una estructura muy antigua que pudo estar expuesta a diferentes situaciones de desgaste mecánico, físico o biológico- se consideró necesaria la verificación del estado de cada tirante mediante un ensayo de carga. Para ello, de acuerdo a los criterios normalmente usados en nuestro país en este tipo de ensayos de carga, se estableció que la estructura debía ser cargada con las sobrecargas de diseño (o cargas variables) incrementadas en 50 %. Dada la extensión de la estructura, se diseño un ensayo de carga equivalente que reprodujera condiciones similares a las que se producirían en un ensayo habitual de carga. Se procuró que este ensayo sustitutivo fuera lo más sencillo posible y que se pudiera realizar en el menor tiempo posible. Ello se vio favorecido porque la estructura trabaja casi exclusivamente en la dirección de la tirantería de madera y en la otra dirección solo se

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produce una cierta distribución de la carga producida por los clavadores, los contrapisos y el piso de madera o baldosas. Si la estructura trabajara en una sola dirección se podría cargar cada tirante por separado. En ese caso podríamos sustituir las cargas máximas producidas por la carga distribuida por tres estados como se indica en la Fig. 10. 1,5q

L 2

M max = 1,5qL 8 V max = 1,5qL 2 δ max = 1,5x5 384

P

P

L

M max = PL 4 δ max =

qL4 EI

P

L

L

Vmax = P

V max = P

PL3 48EI Si P=0,75qL

2 M max = 1,5qL 8

δ max

= 3 192

qL4 EI

Vmax = 1,5qL 2

V max = 1,5qL 2

Figura 10.- Carga que se desea representar y carga equivalente Con el primer estado equivalente se obtiene que:

M max (1,5q ) = M max ( P) y δ max (1,5q ) = 1,25δ max ( P)

(5) (6)

Donde: M max (1,5q ) = Momento máximo de la viga con una vez y media la sobrecarga (q) de diseño

M max ( P)

= Momento máximo de la viga con la fuerza (P = 0,75 qL ) de ensayo

δ max (1,5q ) δ max ( P)

= Flecha máxima de la viga con una vez y media la sobrecarga (q) de diseño = Flecha máxima de la viga con la fuerza (P = 0,75 qL ) de ensayo

Con los otros dos estados equivalentes se obtiene que: Vmax (1,5q ) = Vmax ( P)

(7)

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Donde: Vmax (1,5q )

= Cortante máximo de la viga con una vez y media la sobrecarga (q) de diseño

Vmax ( P)

= Cortante máximo de la viga con la fuerza (P = 0,75 qL ) de ensayo

Con este método se logran reproducir en los puntos mas solicitados el momento flector y el cortante y se puede estimar la flecha del estado que se desea representar midiendo la flecha en el centro de la viga con la carga equivalente y empleando la Ec. 6 . La distribución en la otra dirección -que no fue tenida en cuenta hasta ahora en este razonamiento- puede ser neutralizada cargando no solo en un punto, sino también en las zonas contiguas. Ensayos previos realizados mostraron que la distribución de las cargas en la otra dirección era significativa en los dos primeros tirantes contiguos a donde se encontraba la carga. Pero que más allá de ellos, el efecto de la carga era prácticamente despreciable. En función de ello se acordó reproducir la carga en el espacio que aproximadamente ocupan 6 tirantes, o sea en una longitud de 3 metros. Para realizar el ensayo se utilizaron tres carros de un metro de longitud, cada uno con la carga equivalente correspondiente a una franja de un metro de sobrecarga. Los tres carros se colocaron uno a continuación del otro, logrando que en los tirantes que se encuentran en el centro, las solicitaciones y las flechas fueran similares a las que se producirían si la carga se colocaba a lo largo de toda la losa, pues la carga colocada en los tirantes centrales que se distribuye a los tirantes contiguos es similar a la que se distribuye a los tirantes centrales por efecto de la carga ubicada sobre los tirantes contiguos. En la Fig. 11 se observa un esquema de la losa cargada con un carro, con tres (mecanismo utilizado en el ensayo) y con más carros, así como de la relación entre las flechas que se obtienen.

δ1

δ2

δ3

δ1 < δ2

=

δ3

Figura 11.- Esquema de las alternativas de carga analizadas y de las flechas producidas Se realizó en cada losa una pasada con los tres carros por el centro de la losa desplazando los carros 1 m entre un estado de carga y el siguiente. En cada estado de carga se midieron flechas en 12 puntos. También se realizaron pasadas por los bordes de la losa donde se encuentran los apoyos de la tirantería de madera. En la Fig. 12 se observa un esquema de la carga utilizada y de los 12 puntos, ubicados cada 50 cm, donde se midió la flecha.

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instrumento de medida de descenso

Figura 12.- Esquema de mecanismo de carga y de los puntos instrumentados 6.2. Criterios para definir la aceptación de la losa y resultados Se consideró que la losa debía ser reforzada si en el ensayo se observaban alguno de los siguientes problemas: a) daños estructurales tanto en la losa como en los apoyos de la misma en los muros b) deformaciones remanentes significativas, luego de retiradas las cargas c) deformaciones bajo carga mayores a las habilitadas por la norma Este último aspecto (ítem c) se determinó teniendo en cuenta la flecha admisible bajo la acción del peso propio y las sobrecarga de diseño (Ec. 4), la relación entre las flechas de una carga distribuida y la carga concentrada equivalente (Ec. 6) y aceptando la linealidad del comportamiento de la estructura. Lo cual implica que debía cumplirse la Ec. 8:

δ max (q + q pp ) =

5 (q + q pp ) L δ max ( P) ≤ 6 300 q

(8)

Donde: q = Sobrecarga de diseño o carga variable qpp = Peso propio de la losa δ max (q + q pp ) = Flecha máxima de la viga sometida al peso propio y a la carga variable

δ max ( P)

= Flecha máxima de la viga sometida a la fuerza (P) de ensayo

Si no se observaban ninguno de los problemas anteriormente señalados, la losa quedaba en condiciones para su puesta en servicio. Con estos criterios fueron realizados los ensayos en las losas que habían sido habilitadas para ser ensayadas en su estado original y aquellas que luego de modificadas requerían ser ensayadas pues la estructura de madera no había sido sustituida (casos de muros eliminados, disminución de espesor de contrapisos y disminución de luces por la instalación de refuerzos metálicos). No fueron obviamente ensayadas aquellas zonas donde las modificaciones estructurales sustituían la estructura original de madera por otra de naturaleza metálica. Los resultados obtenidos fueron muy favorables y permitieron en todos los casos habilitar las losas para el uso previsto, no presentándose ningún caso de rechazo de la losa estudiada. Anomalías observadas en el comportamiento de algunas losas permitieron determinar zonas, en las que si bien no existían riesgos estructurales, los clavadores superiores no se encontraban debidamente apoyados sobre el contrapiso.

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7.

CONCLUSIONES

El análisis de las estructuras antiguas de madera, para su rehabilitación, requiere un estudio completo de todos los elementos estructurales. Frente a la necesidad de someter todos los elementos a prueba, una metodología posible es la realización de ensayos de carga. Al trabajar, las estructuras de madera normalmente en una sola dirección, los ensayos se pueden realizar con cargas equivalentes a las previstas, logrando de esa manera disminuir las cargas a utilizar, facilitar su movimiento y reducir fuertemente los tiempos de realización de los ensayos. La realización de un estudio del material y de un análisis estructural a partir de ese estudio, llevados a cabo previamente al ensayo de carga, permiten tener una razonable expectativa del comportamiento estructural. Esta tarea requiere la combinación de distintos estudios y ensayos para poder determinar las características de la madera. En función de esa caracterización se pueden clasificar las distintas situaciones existentes en la estructura. Ello contribuye a reducir la posibilidad de lesionar innecesariamente la estructura y permite ir realizando las reformas necesarias, en forma simultanea con los ensayos de carga en las zonas que se presume puedan tener capacidad resistente suficiente. La metodología aplicada permitió cumplir satisfactoriamente con los objetivos del estudio. El desempeño del material mostró valores ampliamente superiores a los normalmente empleados en nuestro medio, a pesar de la antigüedad de la estructura. En los ensayos de carga se verificó la capacidad portante de las losas en todos los casos. Cabe agregar que los costos de la rehabilitación de la estructura resultaron minimizados con el empleo de esta metodología. 8.

AGRADECIMIENTOS

Para este estudio se contó con el apoyo del LATU, del Departamento Forestal de la Facultad de Agronomía y del Instituto de Ensayo de Materiales de nuestra Facultad. El trabajo se desarrollo en estrecha colaboración con el personal de la ANV y con el de las empresas contratadas por este. En particular corresponde destacar el trabajo permanentemente coordinado y muy productivo realizado con los Arquitectos Carlos Fontes y Juan Sarachu, así como el intercambio de opiniones realizado con el Ingeniero Cesar Fernandez. 9.

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