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Estructuras de madera y cerramientos livianos de baja resistencia controlada: modelación y optimización de criterios de diseño

1) Objetivos

El objetivo general del proyecto está relacionado con el análisis y la modelación de estructuras de madera y cerramientos livianos de baja resistencia controlada. La utilización de herramientas actuales de análisis provenientes de la tecnología de materiales, de la modelación estructural y del diseño sismorresistente contribuirá a aumentar el conocimiento que permita mejorar el sistema de cálculo y diseño vigente.

Los objetivos particulares del proyecto de investigación son:

a. Contribuir a la modelación de estructuras sismorresistentes de madera y cerramientos livianos de baja resistencia controlada, mediante la implementación de herramientas de análisis tridimensional de sistemas complejos considerando variables estáticas y dinámicas.

b. Ajustar y refinar la teoría existente para estos sistemas constructivos a fin de ser usada en una macromodelación.

c. Estudiar la influencia en el comportamiento estructural del sistema de los paneles livianos de baja resistencia controlada.

d. Desarrollar macroelementos que representen adecuadamente el comportamiento de los cerramientos, sus modos de falla y los esfuerzos internos reales en la estructura de madera.

e. Implementar un modelo analítico y/o numérico para representar modos de falla propios de las estructuras mixtas de madera y cerramientos livianos.

f. Calibrar los modelos analíticos establecidos con resultados experimentales de ensayos estáticos y dinámicos y resultados disponibles en la literatura.

g. La modelación de mecanismos de colapso estructural que permitan determinar la vulnerabilidad sísmica.

Los resultados obtenidos contribuirán a la discusión de normas vigentes de diseño estructural en madera, promoviendo la optimización en el uso de maderas provenientes de la industria forestal regional. Es de interés tecnológico actual el estudio de sistemas constructivos que den respuesta a la problemática mundial de déficit habitacional y energético. Este estudio incrementará el conocimiento del comportamiento estructural de los sistemas constructivos con cerramientos livianos que optimizan la relación seguridad sísmica/costo de edificaciones de bajo impacto ambiental, como los usados en edificaciones climáticamente eficientes.

2) Antecedentes

Uno de los desafíos actuales de la ingeniería civil es dar respuesta al déficit habitacional, sistematizando técnicas constructivas en productos acabados de calidad, usando sistemas constructivos de bajo impacto ambiental que optimicen los costos monetarios y energéticos de construcción y climatización.

Desde la perspectiva de la organización territorial sustentable, la industria forestal regional produce maderas que pueden incorporarse como elementos estructurales en construcciones sismorresistentes. Entre ellas, la madera de álamo posee una alta versatilidad de empleos debido a sus propiedades, tales como la alta homogeneidad y la facilidad para ser trabajada. El álamo posee un rápido crecimiento y capacidad de adaptación a diferentes condiciones de suelo y clima. Sin embargo, su uso como material estructural no ha sido suficientemente estudiado aún, siendo su principal aplicación el uso como materia prima del laminado.

Existen en el mercado paneles livianos para cerramientos de edificios, los cuales incorporan aislantes térmicos en su conformación para mejorar la conservación de energía en los edificios. Existen además sistemas que utilizan materiales de origen vegetal como la construcción con quincha que han demostrado ser económicamente viables, con respuestas confiables frente a solicitaciones sísmicas y mínimo impacto ambiental.

Estos sistemas han sido estudiados en cuanto a las propiedades térmicas que poseen, encontrándose resultados comparables a las placas de poliestireno expandido. Además se han realizado estudios del uso como sistema pasivo de calefacción de edificios en muros colector-acumulador solar. Se ha estudiado también el comportamiento higrotérmico de locales construidos con esta tecnología.

Las normativas locales vigentes para construcciones de madera imponen coeficientes de seguridad elevados que tienen un efecto directo sobre las secciones resistentes. La influencia en el comportamiento estructural de los cerramientos livianos en general es desestimada en el diseño. Sin embargo, para estructuras livianas de madera el aporte de todos los elementos es significativo en el comportamiento dinámico. La correcta modelación de estructuras de madera con cerramientos livianos de baja resistencia controlada es fundamental para minimizar sobredimensionamientos en el cálculo de estructuras nuevas que aumenten los costos económicos y ambientales, así como también para la evaluación de estructuras existentes. Actualmente el Reglamento Argentino de Estructuras de Madera (CIRSOC 601) se encuentra en discusión.

Pese al avance tecnológico en cuanto a programas de análisis de estructuras se refiere, la modelación de estructuras de madera está retrasada respecto otros sistemas constructivos, llegando incluso a no estar presente en algunos programas comerciales de modelación estructural. Para poder considerar todas las posibles formas de falla de estructuras de madera, se debe recurrir a una modelación refinada o micro modelación, discretizando las estructuras a nivel material para aplicar las teorías de falla de materiales.

El problema principal de la micro modelación es que se necesita una discretización muy fina para llegar a resultados buenos, con lo cuál se vuelve muy difícil de aplicar a sistemas completos con cientos de componentes distintos, es por ello que es necesario también disponer de macro modelos, que representen adecuadamente el comportamiento de los elementos, para realizar el análisis completo de los sistemas.

Las hipótesis fundamentales para poder llevar a cabo este trabajo son:

1- La macro modelación representa sistemas complejos correctamente, permitiendo optimizar el diseño de estructuras de madera

2- La interacción de los paneles livianos de baja resistencia controlada con las estructuras de madera tiene influencia significativa en el comportamiento estructural

3- Los resultados experimentales y teóricos de modelación refinada (micromodelación) permiten la calibración de los modelos desarrollados.

4- Las posibles fallas en los distintos elementos y secciones se puede representar mediante ciclos de histéresis que relacionen las principales variables intervinientes.

3) Actividades y metodologías

Las actividades a desarrollar para llevar a cabo los objetivos del plan de trabajo

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