Internal and external reinforcements for holes in glued laminated beams

Abstract

El uso de vigas laminadas encoladas requiere con frecuencia la inclusión de aperturas, con el fin de cumplir con especificaciones arquitectónicas, tales como ductos de ventilación o instalaciones sanitarias, entre otros. La perforación produce concentraciones de esfuerzos de tracción perpendiculares a la dirección de las fibras en la región que bordea la apertura, promoviendo el inicio de una grieta. El Anexo Nacional Alemán (NA) para la norma Europea de diseño de estructuras de madera EN 1995-1-1 provee reglas de diseño para esta situación, incluyéndose aperturas sin reforzar, así como también el uso de uno de entre dos tipos de refuerzos: internos (tipo barra) o externos (tipo placa). Esta tesis analiza diferentes modelos de elementos finitos (EF) para describir la influencia de refuerzos internos dentro de un elemento de madera laminada encolada. Se observa que modelos 2D tienden a sobrestimar la influencia de los refuerzos internos, mientras que el uso de elementos unidimensionales (lineas), para representar los refuerzos internos dentro de un modelo 3D de la madera laminada encolada, resulta en una clara subestimación de dicha influencia. En otro punto, la posición de los refuerzos internos relativos al punto medio de la sección transversal, influye en la cantidad de fuerza vertical que el refuerzo es capaz de transferir. Esto se debe a la anisotropía cilíndrica que caracteriza a las laminas individuales, lo cual gobierna el comportamiento constitutivo de la madera laminada encolada como material. Las ecuaciones de diseño contenidas en DIN EN 1995-1-1/NA son revisadas y comparadas contra resultados de EF, donde ciertas discrepancias son encontradas y presentadas. Con base en estos resultados, nuevas ecuaciones son desarrolladas, las cuales contienen coeficientes que son posteriormente calibrados haciendo uso de los datos obtenidos de los modelos de EF. Una relación de dependencia con el tamaño para las concentraciones de esfuerzos es encontrada en las ecuaciones aquí derivadas, esto debido al uso de un radio constante en las esquinas de las aperturas rectangulares, lo cual obedece a una práctica común en la manufactura de las mencionadas perforaciones. Un radio de esquina dependiente de la geometría de la viga resolvería parte de este problema. Finalmente, una serie de test relativamente grande ---la cual incluye algunas vigas de pino Radiata de Chile--- es llevada a cabo, con el fin de evaluar la efectividad de cada tipo de refuerzo, así como para validar los modelos de EF utilizados en las etapas anteriores. En general se obtiene una concordancia satisfactoria entre los experimentos y los resultados de las simulaciones.