MEMORIA DESCRIPTIVA

La invención que es motivo de la presente solicitud de Patente de Invención es de aplicación en el campo de la ingeniería de la construcción y se refiere específicamente a un sistema estructural de muro de corte híbrido de madera masiva para la construcción de edificios de 5 o más pisos aplicable en zonas sísmicas, que proporciona protección contra eventos de carga extrema, tales como sismos o fuertes vientos.

DESCRIPCIÓN DEL ARTE PREVIO

Los terremotos son eventos naturales impredecibles y repentinos, que causan grandes pérdidas humanas normalmente provocadas por los daños causados en la infraestructura de una población. En algunos casos, los vientos muy fuertes, incluidos los ciclones, también pueden causar movimientos en los edificios y daños estructurales.

En las últimas décadas, se ha incrementado el trabajo en el diseño y desarrollo de sistemas de construcción para edificios de concreto y acero de varios pisos para regiones sujetas a actividad sísmica, buscando principalmente que prevengan fallas catastróficas del edificio y protejan la vida.

Los diferentes problemas derivados de la ocurrencia de un terremoto, en cuanto al daño de la infraestructura, han llevado a investigar sobre tecnologías de construcción que permitan la concepción de edificaciones capaces de resistir terremotos sin daños estructurales, a fin de reducir el costo económico de la reparación y/o reconstrucción de edificios, como también minimizar el tiempo de inactividad en el uso del inmueble durante esos períodos de reparación o reconstrucción después de un terremoto o cualquier otro evento destructivo. Hay varios factores que, en los recientes años, han llevado a buscar soluciones constructivas diferentes al uso de acero y hormigón, que no solo satisfagan los requerimientos estructurales contra sismos, sino que además, tengan una importante reducción del tiempo de construcción, de los costos y de los efectos medioambientales que se derivan de las diferentes técnicas de edificación.

En ese sentido, dichos factores han sido relevantes en el incremento del uso de paneles de madera marco-plataforma (entramado ligero de madera) y el uso de paneles de madera masiva o maciza, tal como los paneles de madera laminada cruzada (CLT), paneles de chapa laminada verticalmente (LVL) y paneles de madera de hebra paralela (PSL) en proyectos de construcción de edificaciones de más de dos o tres pisos.

Una de las principales ventajas de la construcción con este tipo de paneles de madera, es el bajo peso que tienen y por tanto, exhiben fuerzas de diseño reducidas; por otro lado, la construcción con este tipo de paneles permite una acelerada línea de tiempo de edificación en comparación con materiales y procesos de construcción usados tradicionalmente, pudiendo reducirse de meses a solo semanas. Esto se da en gran medida porque la construcción con este tipo de paneles de madera permite una línea de materiales prefabricados que pueden concebirse en espacios especializados para ello y luego transportarse hacia la zona de la construcción donde son montados.

Un factor adicional que está impulsando el aumento de la demanda de paneles de madera en proyectos de construcción es la diferencia en los tipos de mano de obra de campo requeridos; la construcción de una estructura con paneles de madera de este tipo requiere carpinteros o trabajadores de especialización general, mientras que los proyectos tradicionales de construcción de varios pisos que usan hormigón y acero requieren mano de obra especializada en acabados de hormigón y enfierradores, generalmente a tasas de trabajo más altas que los carpinteros y trabajadores de especialización general. Otro factor que ha impulsado no solo la demanda de paneles hechos completamente de madera para construcciones, sino que también la demanda de paneles mixtos con marcos de materiales prefabricados de hormigón o acero y normalmente con revestimiento de placas de madera, es el beneficio medioambiental respecto de la limpieza en la construcción, los desechos y la capacidad de reciclado de los materiales, que en el caso de la construcción con paneles prefabricados de madera o con marcos de acero, es más limpia y son completamente reciclables; en tanto la construcción tradicional con hormigón armado de moldaje in-situ, conlleva un proceso que es bastante sucio, deja muchos desechos, y en cuanto a la capacidad de reciclaje, presenta un gran problema, pues si bien la enfierradura es reciclable, el concreto no lo es, precisando un costoso y complejo proceso de destrucción para lograr la separación de dos materiales diferentes y poder recuperar la enfierradura en caso de que se lleve a cabo la demolición de la edificación.

Ejemplo de este tipo de construcción a base de paneles compuestos se puede ver descrita en la patente norteamericana US9765510 (B2) del 19/09/2017 de Miller, C., donde se describe un sistema de paneles estructurales para uso en construcción liviana, normalmente de un piso o dos; en ese caso, si bien los paneles descritos son mixtos por el uso de un marco interior que puede ser de madera o metal revestido por placas de madera por cada lado y unidos mediante conectores tipo tornillo, este tipo de sistemas no permiten edificaciones de más de dos pisos usados como muros de corte, pues por los espesores de los materiales, la estructuración del marco y principalmente por los medios de conexión, se ve que son para estructuras de baja solicitaciones de carga, con baja resistencia sísmica.

En especial, este tipo de sistemas usan placas de madera muy delgadas, de 11 a 15 mm. si son de OSB o contrachapado, donde ese espesor no es suficiente para empotrar conectores de diámetros que generen una conexión suficientemente dúctil y resistente, capaz de disipar la energía. Así, la principal desventaja de este tipo de sistemas livianos es que no poseen capacidad estructural para cargas sísmicas de edificios de 5 a 10 pisos. Por lo anterior, se han desarrollado otros sistemas constructivos a prueba de eventos sísmicos, donde se ha buscado el uso de paneles de madera más gruesos que ofrezcan capacidades resistentes mucho mayores, que no son equivalentes al uso de tableros como el OSB o el contrachapado, sino que poseen espesores mayores a 60 milímetros, tal como la madera laminada cruzada (CLT- cross laminated timber).

Ejemplo de esto se ve en la solicitud de patente japonesa JP2018080569 (A) publicada el 24/05/2018 de Sadahiro Osamu, el al. que propone un “Muro de madera a prueba de terremotos”, el que apunta a prevenir la fractura por fragilidad, a través de un muro compuesto por paneles de CLT apilados verticalmente, pero separados mediante una dilatación, cada uno del alto de la mitad del entrepiso, hay uno superior unido a una viga superior de un marco de acero mediante una conexión de alta resistencia, y hay otro panel inferior unido a una viga inferior del marco respectivamente mediante la misma conexión; en este caso, la disipación de energía proviene de un elemento conector tipo placa coplanar entre los dos paneles de muros, el cual está diseñado con una resistencia menor que las uniones entre los paneles de CLT y las vigas de acero.

La desventaja o el problema que tiene esta solución, es que se concentra todo el trabajo del CLT en una sola ubicación, es decir, toda la transmisión del corte y la disipación está concentrada en el elemento conector coplanar dispuesto entre los dos paneles, de modo que trabaja una pequeña porción de los paneles de CLT, haciéndolo poco eficiente; también se ve que hay distintos tipos de conexiones, unas entre los paneles del CLT al marco y otra entre dichos paneles, lo incide en el esquema de disipación de energía; en esta patente es el conector tipo placa del medio el que concentra toda la deformación y el corte, pues las uniones superiores muchas son con barras de acero encoladas, éstas no disipan energía.

En varias soluciones de este tipo se produce el problema de que el marco de acero utilizado y el CLT son dos sistemas resistentes que trabajan en paralelo y no forman un sistema único; el marco de acero resiste principalmente las fuerzas verticales mientras que el muro de CLT resiste las fuerzas laterales, de modo que en este tipo de estructuras el sistema gravitacional está separado del CLT, específicamente, en este documento recién citado son unas vigas grandes las que llevan las cargas a las columnas, esto se evidencia al notar que el CLT tiene una dilatación y está separado, por lo tanto no transmite carga vertical.

Por otro lado, este tipo de sistemas no abordan el problema del levantamiento, así que no ofrecen soluciones que eviten el efecto del volcamiento o rocking y en el caso de este documento japonés se usa la estructura de acero principal, ese marco es el que trasmite el momento y el vuelco, no lo hace el CLT, lo cual requiere vigas dimensionalmente importantes, transformándose en un sistema poco eficiente y de mayor costo. Al ser un marco de acero la estructura principal, y hacer funcionar el CLT solo como un dispositivo de arrio stramiento a fuerzas laterales para darle rigidez al marco principal, es un sistema mucho más flexible y por lo tanto, con falta de rigidez suficiente como para resistir grandes fuerzas sísmicas y hacer cumplir la estructura con un desplazamiento o drift ( que es la deformación máxima horizontal permitida entre dos pisos en un evento sísmico ) admisible estricto, como se establece en normas de construcción en la mayoría de los territorios de alta concurrencia sísmica.

En el arte previo se conocen algunas soluciones que apuntan a resolver el problema del efecto de volcamiento y por ende, el problema del desplazamiento entrepisos que se produce por sismos, tal como el uso de tendones que se ve en la solicitud de patente australiana AU2015367279 (Al) publicada el 15/06/2015 de Murray-Parkes, L, donde se describe un Sistema de Conexión para muros apilados en altura de un edificio, que permite post-tensionar dichos muros. Este sistema utiliza el CLT y una serie de arreglos por medio de tubos de acero y cables que presentan la característica de proveer resistencia a fuerzas laterales (viento y sismo). Este documento contiene arreglos que ayudan a resolver el problema del rocking o volcamiento de los paneles de CLT, pero no cuantifica qué tanto ayuda a mejorar la ductilidad.

Por otro lado, la desventaja más importante radica en que es un sistema bastante elaborado, luego requiere la fabricación de muchas piezas especiales que posiblemente resultan bastante costosas cuando se quiera utilizar en un edificio que se ubique en una zona de alta sismicidad. Requiere fabricar muchas piezas y componentes de acero con muy buena precisión, es decir, requiere fabricación especializada, para finalmente ensamblar todo esto en el muro requiriendo muchas labores in-situ que encarecen la construcción. Colocar todo lo anterior en muros de edificios en una zona sísmica alta, donde la mayoría de los mismos se disponen como muros estructurales de corte, y cada uno de ellos requiera todos estos tubos y piezas de acero debe resultar siendo muy costoso. Por lo tanto, se estima que esto puede ser de utilidad en zonas de baja sismicidad, donde se requiera que solo unos pocos muros sean estructurales de corte.

La construcción a base de paneles de madera masiva, tal como los paneles de madera laminada cruzada (CLT- siglas del nombre en inglés cross laminated timber), tienen como principal característica que son auto soportantes y permiten la rápida prefabricación de viviendas y edificios, siendo usado en losas, techos y como muros de corte, con el fin de obtener estructuras más rígidas.

En ingeniería estructural, un muro de corte es un sistema estructural compuesto de paneles de pared rígidos para contrarrestar los efectos de la carga lateral en el plano que actúa sobre una estructura. El viento y las cargas sísmicas son las cargas más comunes que los muros de corte están diseñados para resistir.

En virtud de varias normas de construcción, el diseñador es responsable de diseñar una cantidad, longitud y disposición apropiadas de las líneas de muro de corte en ambas direcciones ortogonales del edificio para resistir de manera segura las cargas laterales impuestas. Las paredes de corte pueden ubicarse a lo largo del exterior del edificio, dentro del interior del edificio o en una combinación de ambos.

Cuando un muro de corte se somete a una fuerza de volcamiento o “rocking”, los conectores y anclajes se distorsionan y esta fuerza de volcamiento impone un desplazamiento horizontal en el sistema lateral o “drift”. La resistencia de los muros de corte de madera es un factor importante para determinar la respuesta de los muros de corte al viento y las fuerzas sísmicas; a menor resistencia, mayor es el efecto de volcamiento.

Así, durante un evento de carga sísmica u otro tipo de carga de alta intensidad, los muros de corte pueden balancearse hacia un lado o hacia el otro, y de regreso de manera independiente, bajo la influencia de la fuerza lateral u horizontal. En cualquier caso, los muros de corte se balancean de lado a lado alrededor de su punto de unión al soporte de la base, es decir, sobre sus respectivos amarres al soporte de la base. El balanceo de muro independiente permite la amortiguación de movimiento o disipación de energía en los conectores, ya sean conectores de unión entre paneles adyacentes o conectores de unión entre un panel y su marco estructural interior.

En relación con el problema del efecto de volcamiento de los muros de corte, efecto conocido en el rubro como “ rocking ”, esta rotación concentra el daño en los anclajes inferiores, lo que provoca la falla por aplastamiento del muro y la solera. A su vez, esta rotación rígida incrementa notablemente el desplazamiento lateral de los pisos, lo que aumenta la deformación de entrepiso (drift).

Existen normas de diseño sísmico de edificios, donde esta normativa define el valor del factor de la respuesta sísmica (R) y el valor máximo del desplazamiento de entrepiso de las estructuras (el desplazamiento de entrepiso es la deformación máxima horizontal permitida entre dos pisos en un evento sísmico); en tanto, el coeficiente R es un factor que básicamente permite disminuir las fuerzas sísmicas con las que se diseña de tal modo que cuanto mayor sea más se pueden reducir y más barata sale la estructura. Detallando un poco más este concepto, se tiene que la fuerza de diseño es igual a la fuerza elástica (que depende del peso de la estructura y su rigidez) partida por el valor R, es decir:

Fuerza de diseño = Fuerza elástica / R

Así, cuanto mayor es el valor de R, menor es la fuerza de diseño. En zonas altamente sísmicas existen normas muy exigentes de diseño sísmico de edificios, lo que hace que el CLT y estructuras similares de madera tengan un factor de la respuesta sísmica (R) muy bajo (=2), implicando que las fuerzas con las que se debe diseñar un edificio serán mayores y por ende, mucho más caro. Y también se da que el valor máximo del desplazamiento de entrepiso permitido es muy discreto (solo un 2 por mil en países altamente sísmicos) lo que indirectamente obliga a que los sistemas de muros tengan que ser muy rígidos para poder cumplir con este requisito. Esto es un problema no menor en estructuras de madera convencionales, porque son más flexibles. Dada la relativa baja capacidad en carga axial de los muros de madera convencionales (tipo marco -plataforma), ocurre que los edificios construidos con madera deben emplear una gran cantidad de muros.

La principal dificultad de los muros de CLT es el problema de rotación de cuerpo rígido causado por su naturaleza estructural flexible, que los define como poco rígidos para resistir grandes fuerzas sísmicas, de modo que una edificación con este tipo de muros estructurados completamente a base de CLT implicaría el uso de una alta cantidad de muros, encareciendo el sistema.

Por todo lo anterior, se evidencia la necesidad de un sistema de muros de corte que permita edificaciones de mediana altura en madera para zonas altamente sísmicas, logrando aumentando el factor de reducción de diseño sísmico R para la construcción con madera; de modo que si se aumenta la capacidad de carga axial respecto de los muros de madera convencionales mediante el uso de CLT se podrá disminuir considerablemente la cantidad de muros de corte necesarios y reduciría notablemente los costos de construcción.

Así, la presente invención viene a proponer un sistema de muros de corte con una configuración híbrida funcionalmente integrada de paneles de madera masiva contra laminada CLT y un marco interior de otro material diferente al de dichos paneles, donde esta estructura presenta una alta capacidad de resistir carga lateral, mayor rigidez, mayor ductilidad y capacidad de disipar energía que los paneles de madera convencionales, presenta reducido efecto de volcamiento, disminuyendo notablemente el desplazamiento lateral de los pisos y disminuyendo las fuerzas sísmicas con las que se diseñe, lo hace competitivo económicamente.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema de muro de corte híbrido para construcción de edificaciones de madera masiva de más de dos pisos en zonas sísmicas, que presenta un comportamiento dúctil, rigidez y reducido efecto de volcamiento frente a una carga lateral causada por eventos naturales destructivos, tal como sismos o vientos fuertes.

La invención es un sistema de muro de corte que, usando madera masiva como uno de sus componentes esenciales, permite alcanzar una altura de edificios de más de 2 pisos con menor número de muros que los que necesitan otros sistemas estructurales de madera, con mayor ductilidad y capacidad de disipar energía, sin rotaciones rígidas que concentran el daño en los anclajes principales, y competitivo económicamente.

La presente invención tiene por objetivo proponer un sistema de muro de corte rígido y altamente resistente a cargas sísmicas, en base, principalmente a una estructura híbrida de paneles de madera masiva y un marco interior formado por otros materiales diferentes a dicha madera masiva, donde tanto el marco como los paneles de madera actúan de manera concomitante como un solo sistema.

Otro de los objetivos de la invención es proveer un sistema de muro de corte que presenta una alta ductilidad concentrada en un alto efecto de disipación de energía del sistema, logrando que la carga se distribuya uniformemente a lo largo de todo el perímetro del muro de corte.

Aún otro objetivo de la invención es proveer un sistema de muro de corte que permite una importante reducción del efecto de volcamiento, evitando el levantamiento y desplazamiento de los muros, lo que se traduce en una mayor rigidez y reducción del valor máximo del desplazamiento de entrepiso ( drift ). Otro objetivo de la invención es proveer un sistema de muro de corte que permite reducir costos de rehabilitación posteriormente al evento sísmico, logrando que la integridad no quede comprometida en daños en los elementos de soporte de cargas gravitacional.

Así, el presente sistema de muro de corte comprende una estructura híbrida, con un marco interior articulado y paneles exteriores de madera masiva unidos a ambas caras del marco, formando una estructura tipo sandwich, donde los paneles están unidos al marco por medio de conectores individuales disipadores de energía y donde el marco interior comprende nodos articulados de unión entre columnas y soleras que conforman al marco.

El muro de corte comprende además medios autocentrantes que consisten en tensores postensados dispuestos a lo alto del muro y preferentemente solo en los bordes laterales del muro, los están asociados solo a las columnas o alternativamente, asociados a las columnas y a los extremos de las soleras conjuntamente. Esta relación y el funcionamiento de los medios autocentrantes postensados se explicará más adelante.

El marco interior se conforma de columnas y soleras, donde las columnas son un conjunto de pilares de carga vertical que al menos comprende dos columnas laterales extremas, ubicada cada una en cada uno de los bordes laterales del muro de corte.

Este conjunto de columnas puede incluir, además, al menos una columna intermedia dispuesta entre las de extremo; la presencia de esta columna intermedia dependerá de las dimensiones del muro de corte, de modo que un muro poco ancho construido con un solo panel de madera masiva podría no necesitar una columna intermedia, en cambio si el muro es de una longitud donde se requieren al menos dos paneles de madera adyacentes entre sí, la o las columnas intermedias se disponen justo donde coincide la juntura de unión entre dichos paneles adyacentes, de modo que los conectores disipadores de energía, que conectan a los paneles de madera con el marco, tengan un soporte de anclaje.

Cada una de las columnas, sean laterales extremas o intermedias, están formadas por un cuerpo vertical que puede ser sólido o tubular, preferentemente de sección rectangular, en las que se define una cara menor superior, una cara menor inferior, una cara longitudinal exterior, una cara longitudinal interior y caras frontales opuestas entre sí.

Las columnas laterales extremas, de manera particular, comprenden medios de paso de dichos tensores postensados, los que van por dentro y a lo largo de su eje longitudinal. Estos medios de paso pueden consistir en canales longitudinales extendidos desde la cara menor superior hasta la cara menor inferior de la columna, donde esta solución a base de canales es especialmente aplicable en los casos en que las columnas están fabricadas de un material sólido, tal como madera u hormigón; pero en el caso de ser cuerpos tubulares, como por ejemplo un perfil tubular de acero, estas columnas no necesitan adicionar canales, sino que los tensores pasan libremente por la cavidad del perfil.

En realizaciones alternativas dichas columnas laterales pueden comprender dos, tres, cuatro o más canales longitudinales por donde atraviesan dichos tensores postensados.

Siguiendo con la descripción de la estructura del marco interior, se tiene que éste comprende una solera superior y una solera inferior, donde cada una de ellas está conformada por un cuerpo horizontal que puede ser sólido o tubular, preferentemente de sección rectangular, donde se definen caras menores laterales, una cara longitudinal exterior, una cara longitudinal interior y caras longitudinales frontales opuestas entre sí.

Estas soleras pueden comprender al menos dos canales transversales por donde atraviesan dichos tensores postensados, de modo que en una realización alternativa, dichas soleras carecen de esos canales, dependiendo de la configuración y material de fabricación del marco.

Así, las configuraciones que el marco interior puede adoptar van a depender principalmente del material utilizado; en una realización del marco interior con perfiles tubulares de acero, las soleras superior e inferior adquieren el ancho total del muro, donde la cara longitudinal interior de dicha solera superior se posa de tope sobre las caras menores superiores de las columnas, mientras que las caras menores inferiores de las columnas se posan de tope sobre la cara longitudinal interior de la solera inferior.

En este caso, dado que son perfiles tubulares, los tensores postensados pasan libremente por dentro del perfil que conforma a las columnas, pero para atravesar las soleras y permitir que los tensores sobresalgan desde los bordes superior e inferior del muro, dichas soleras deben incluir, en cada zona de extremo, canales o aberturas transversales que se extienden entre su cara longitudinal interior y la cara opuesta longitudinal exterior.

Esta configuración del marco interior puede ser también aplicada en el caso de que columnas y soleras sean fabricadas de hormigón, pero en este caso, dado que las piezas son un cuerpo sólido, es necesario que dichas columnas comprendan al menos un canal longitudinal para dejar pasar al menos un tensor postensado, mientras que las soleras deben comprender, en cada zona de extremo, canales transversales que se extiendan entre su cara longitudinal interior y su cara opuesta longitudinal exterior.

En una realización del marco interior fabricado con columnas y soleras de madera, dada la flexibilidad del material es necesario evitar el aplastamiento del borde superior de las columnas, de modo que se colocan las soleras por dentro de las columnas laterales, así, estas últimas se extienden por el alto total del muro; específicamente, las caras menores laterales de la solera superior quedan de tope con una zona superior de la cara longitudinal interior de las columnas laterales, mientras que las caras menores laterales de la solera inferior quedan de tope con una zona inferior de la cara longitudinal interior de las columnas laterales. Esta configuración del marco interior puede ser también aplicada en el caso de que columnas y soleras sean fabricadas de hormigón.

En realizaciones como la recién descrita, dado que columnas y soleras son cuerpos sólidos, para hacer pasar los tensores postensados, se debe seguir el mismo tratamiento que las piezas de hormigón, es decir, se debe proveer de canales longitudinales en las columnas para dejar pasar los tensores. Así, en cualquiera de las configuraciones del marco recién descritas, es posible adicionar una columna intermedia, la que tendría las mismas condiciones que las columnas laterales; aunque en una realización alternativa preferente, la columna intermedia no comprende canales longitudinales para los tensores, pues esa pieza prácticamente no trabaja.

En una configuración final del marco, el conjunto de las caras frontales de columnas y soleras conforman las superficies de soporte donde se anclan o fijan los conectores disipadores que unen a cada uno de los paneles de madera masiva con el marco interior. Estos conectores disipadores de energía son elementos individuales entre sí, que se instalan en todo el perímetro del panel. Con ello se entiende que si el muro comprende dos placas de madera masiva adyacentes una al lado de la otra, entonces el marco comprende al menos una columna intermedia donde también los conectores disipadores son fijados.

Los paneles de madera masiva, como el CLT, son relativamente rígidos y, por lo tanto, la disipación de energía debe lograrse mediante el comportamiento dúctil de las conexiones entre diferentes elementos del muro de corte. Por lo tanto, se necesitan conectores de alta capacidad de deformación de carga que proporcionen una alta ductilidad o disipación de energía histerética para lograr un rendimiento aceptable de los edificios de paneles de madera masiva durante eventos tales como terremotos o grandes cargas de viento.

En la presente invención, los conectores disipadores son de metal, del tipo clavijas, seleccionados entre el grupo de pasadores, tornillos y clavos. Para unión del panel CLT con un marco de acero, los conectores son preferentemente pasadores autoperforantes. En tanto, cuando el marco es de madera o de hormigón, los conectores son preferentemente tornillos roscados en toda su extensión. La función de los conectores autoperforantes es arriostrar el marco respecto de la fuerza sísmica de corte. Los conectores son el punto débil de la estructura, de modo que el fallo se produce intencionalmente allí, lo que permite mucha ductilidad hasta alcanzar el fallo último. La característica esencial del sistema referida a su condición de muro híbrido, está dada porque, tal como ya se mencionó, el marco interior es de un material diferente al material de los paneles de madera masiva que se fijan por fuera. Así, las columnas y soleras del marco son de un material que puede ser seleccionado de entre materiales tales como perfiles de acero, hormigón postensado o madera laminada.

En el caso de ser de acero, son perfiles tubulares, preferentemente con una resistencia desde ASTM A-36 a ASTM A-53 (240 a 365MPa). Si son de hormigón, comprenden preferentemente una resistencia a la compresión del rango entre 20 a 35 MPa, donde las columnas laterales extremas son de hormigón postensado. Mientras que si son de madera, son laminadas, con una resistencia del rango entre 1.3E y 1.55E; siendo preferentemente de madera laminada reconstituida LSL (Laminated Strand Lumber) o MLE (Madera Laminada Encolada) o LVL (Laminated Veneer Lumber).

En cuanto a los paneles exteriores del muro de corte, son paneles de madera estructural, preferentemente, los paneles son de madera masiva contra laminada (CLT) con un espesor entre 60 mm y 100 mm. Es importante que los paneles sean gruesos, tal como el CLT de espesor entre

60 a 100 milímetros, porque ofrecen capacidades resistentes mucho mayores, toda vez que al conectar el CLT con el marco, la longitud de conector que queda dentro del panel de CLT es mayor si se compara con la longitud embebida del mismo dentro de un tablero típico de OSB o contrachapado (plywood). La importancia de usar un panel grueso como en este caso el CLT, hace que su uso no sea equivalente al uso de cualquier tablero, porque el CLT dado su grosor de 60 a 100 mm, alcanza a empotrar el conector (tornillo, pasador o clavo largo) dentro del mismo, y logra que forme una rótula plástica en la interfase del marco con el CLT a medida que se deforma el muro y se desliza el CLT respecto al marco de acero. Pero en cuanto al requerimiento de un espesor grueso del panel exterior, este no es alcanzable con cualquier panel grueso de madera masiva disponible en el mercado, como por ejemplo, el LVL (Laminated Veneer Lumber), que podría parecer equivalente al CLT.

El LVL es producido encolando chapas de madera juntas en una gran moldura, la cual después es aserrada a las dimensiones deseadas dependiendo de la aplicación constructiva, sin embargo las chapas son encoladas de forma tal que la dirección de la fibra o grano de la madera se dispone en una sola dirección, la dirección del eje longitudinal o más larga del elemento estructural, esto implica que solo tiene una resistencia importante en el eje longitudinal del mismo, en consecuencia solo es eficiente para solicitaciones de carga en un solo sentido.

Por el contrario, el CLT consiste en varias capas de tableros de madera apilados y encolados juntos de forma cruzada u ortogonal (típicamente encolados a 90 grados), debido a lo cual resiste solicitaciones de carga tanto en la dirección longitudinal del elemento como en la dirección transversal, lo que determina que pueda tomar cargas de corte, y no solo las axiales. Si se piensa en muros de ambos materiales en un edificio, los muros de LVL solo pueden tomar por ejemplo carga axial vertical del peso propio, en cambio los muros de CLT pueden tomar ambas cargas, la vertical y la horizontal por viento o sismo. Por consiguiente, se tiene que no son materiales técnicamente equivalentes, debido a que el CLT aborda otra necesidad estructural; en este sentido no puede reemplazarse el CLT por el LVL para una aplicación como la propuesta en esta invención, debido a que no se conseguiría el mismo resultado.

Los materiales del marco conectados al CLT, generan menor resistencia de aplastamiento y regula el efecto frágil que puede ocasionar un muro tradicional de CLT. La utilidad del LVL y otros materiales es el de coordinar y reforzar el esfuerzo producido en las uniones. Las maderas masivas como GLT (Glulam), maderas micro laminadas LVL, LSL son materiales que contrarrestan el efecto de carga lateral en una sola dirección, en cambio, en la otra dirección son débiles. La madera en general tiene mucho mayor resistencia y rigidez en la dirección de las fibras. Los paneles de CLT presentan fibras orientadas en ambas direcciones dentro del plano. Dado lo anterior, la invención propone esta estructura de muro de corte en sándwich para proveer un mejor comportamiento sísmico. Los elementos del marco del muro soportan la carga axial, así mismo, el esfuerzo entre los paneles de CLT conectados al marco generan mayor resistencia al corte. Lo anterior, depende del tipo de uniones al que está conectado el entramado del muro, es decir, las uniones entre columnas y soleras.

Por lo mismo, otra de las características esenciales de este sistema de muro de corte, es que el marco interior es articulado, lo que está dado porque los puntos de unión entre soleras y columnas son ensambles del tipo nodos articulados, consistentes en un medio de unión mecánica normalmente pivotante que permite un ensamble con movimiento relativo en un plano, entre dichas columnas y dichas soleras.

Al disponer de este tipo de uniones en la estructura del marco interior, se logra que la rigidez y resistencia lateral del muro esté dominada por los paneles exteriores de madera masiva. Esto permite una predicción certera de esfuerzos en los componentes y especialmente en las uniones, de tal modo que el diseño estructural y su respuesta experimental puede ser predicha de forma sencilla con gran precisión.

La conjunción de las uniones articuladas permanecen en régimen elástico, limitando los desplazamientos de cuerpo rígido. Así, la deformación predominante para muros no esbeltos es claramente de cortante, de tal modo que la capacidad y la rigidez pueden asumirse proporcional a la longitud del muro.

Si las columnas y soleras son de perfiles de acero, el medio de unión mecánica que conforma a los nodos articulados consiste, preferentemente, en un par de platinas de soporte, rígidas, paralelas entre sí atravesadas por un pasador de unión transversal.

Si las columnas y soleras son de madera, entonces el medio de unión mecánica que conforma a los nodos articulados, consiste preferentemente en un taco de soporte adosado a las columnas, y sobre los que se asientan los extremos de las soleras. Adicionalmente se puede fijar la solera a la columna mediante un pasador diagonal, de modo que permita el movimiento articulado entre ellos.

Si las columnas y soleras son de hormigón, entonces el medio de unión mecánica que conforma a los nodos articulados puede consistir en una ménsula de asiento proyectada lateralmente desde la columnas, formando parte integral de ésta, como una sola pieza o como una pieza adicionada, y sobre la ménsula se asientan los extremos de las soleras de hormigón, pudiendo adicionar un pasador que permita el movimiento relativo entre las piezas, en un solo plano.

Otra de las características esenciales de este sistema de muro de corte son los medios autocentrantes, los que permiten que la estructura del muro adquiera rigidez en un régimen elástico que reduce el efecto de volcamiento del muro, disminuyendo la factibilidad de balancearse lateralmente y a la vez permite que después de recibir una solicitación de alta carga lateral, se restablezca la estructura adquiriendo su posición original.

Los medios autocentrantes del muro de corte propuesto, consisten en tensores no adheridos cuya posición va a lo alto del muro del corte, permitiendo una unión elástica del muro con una fundación o con otro muro apilado uno sobre otro en posición coplanar.

Estos tensores comprenden un extremo inferior y un extremo superior opuesto, donde el extremo inferior puede ir anclado y embebido en una fundación, lo que sucede en el muro de corte inferior o de base en una edificación; o alternativamente, el extremo inferior se fija de manera axialmente ajustable a un conector de coplas entre muros que permite el ajuste postensado del extremo inferior de un muro superior apilado sobre el extremo superior de un muro inferior.

En tanto, el extremo superior de los tensores puede ir fijo, aunque de manera axialmente ajustable, a un conector de coplas entre muros, que permite el ajuste postensado del extremo inferior de un muro superior apilado sobre el extremo superior de un muro inferior; o dicho extremo superior también puede ir fijo, de manera axialmente ajustable, a una placa de anclaje ubicada en el borde superior de un muro, en base a la cual se postensa el tensor.

Los tensores pueden ser barras de acero hiladas, no adherentes, con fijaciones ajustables en sus extremos del tipo placa de anclaje, o pueden ser cables de acero tipo torón, no adherente, postensable con cuña y placa de anclaje.

En una ejemplificación de montaje de dos muros de corte apilados entre sí, de acuerdo a la presente invención, se vería que un primer muro de corte se dispone sobre una fundación y siendo, por ejemplo, que el muro comprende un marco interior de perfiles de acero, donde las soleras superior e inferior se extienden abarcando todo el ancho del muro, entonces la solera inferior de este primer muro presenta medios de unión simple con dicha fundación, tal como unos pernos de anclaje distribuidos a lo largo de ella; en tanto, las columnas laterales contienen en su interior a los tensores autocentrantes, donde el extremo inferior de ellos se hormigona a la fundación y el extremo superior opuesto, se une a un conector de acople que permite la unión axial entre dichos tensores y a la vez, entre el primer muro y el segundo muro colocado apilado sobre el primero.

Así, este segundo muro queda montado de manera coplanar al primero, solera con solera, permitiendo que los tensores del primer muro se extiendan hacia el segundo a partir del conector de coplas, donde el extremo superior del tensor queda fijo al borde superior del segundo muro en una placa de anclaje.

Alternativamente, en edificaciones de baja altura, los tensores podrían ser elementos continuos desde la fundación hasta el borde superior del muro superior, prescindiendo del conector de acople entre muros. Por otro lado, los muros pueden considerar medios de anclaje lateral del tipo claves de corte.

En funcionamiento, la estructura del marco está sometida a un régimen elástico permanente que se rigidiza con la participación estructural de los paneles de madera una vez que son conectados al marco por medio de los conectores disipadores, donde estos paneles de madera cumplen la función de arriostrar los elementos de carga del marco interior, además de cumplir la función de resistencia a carga axial en concomitancia con el mismo marco, actuando ambos elementos como un solo sistema.

El efecto deseado, dentro de la combinación de los materiales de CLT en los paneles exteriores; acero, hormigón, madera LSL o LVL en el marco interior, junto a las uniones articuladas entre las columnas y soleras que conforman al marco, más los tensores postensables ubicados en los bordes de extremo del muro, que en conjunto disponen la estructura en un régimen elástico; más los conectores disipadores de energía, permiten un comportamiento dúctil del muro y al mismo tiempo rígido, en comparación con los muros usuales construidos de madera en general.

Así, es posible describir de un modo más preciso, cómo es el comportamiento de cada uno de los componentes del muro de corte que es motivo de la presente invención: los paneles de CLT otorgan rigidez y resistencia lateral, sometidos a solicitaciones de corte simple; el marco interior sirve como un mecanismo que permite trasladar la carga lateral del piso a los paneles de madera, donde sus nodos articulados permiten que el marco se desplace lateralmente sin oposición, atribuyendo toda la resistencia y rigidez lateral a los paneles exteriores de madera. Por su parte, los tensores postensados evitan el levantamiento de cuerpo rígido en el lado traccionado del muro, y en conjunto con los anclajes de la solera inferior, impiden también el desplazamiento lateral del muro; los conectores disipadores que unen a los paneles exteriores con el marco interior, permiten la acción arriostrante de los paneles de CLT, y funcionan como la parte débil del sistema, de tal modo que previenen la rotura de los paneles, del marco u otros componentes.

En el sistema de muro de corte de la presente invención, la deformación no sucede por vuelco del muro sino por el corte de los paneles y en especial el corte en los conectores que unen a los paneles con el marco interno. Dicha deformación por corte es mucho más ventajosa porque permite evitar deformaciones adicionales de cuerpo rígido y en especial provoca que la capacidad y rigidez del muro sea linealmente proporcional a su longitud, lo que se traduce en un comportamiento mecánico mucho más predecible y controlado.

Otra propiedad ventajosa, es que se logra un espacio intermedio vacío entre los dos paneles de CLT en donde puede colocarse el aislamiento térmico de igual modo que en un marco plataforma. En este sistema es posible poner el aislamiento dentro, mientras que en muros fabricados completamente de CLT convencional se deben instalar tornillos y una terminación para fijar el aislamiento por afuera, ya que al ser un tablero macizo no es posible poner el aislamiento. Otra ventaja tremendamente notable de este sistema es que es posible poner las instalaciones (fontanería, electricidad, etc) en el interior del muro, igual que el sistema plataforma. En el CLT convencional las instalaciones son mucho más complicadas de incorporar en los muros.

Este sistema es más barato que un muro convencional. En general, los muros de CLT se dimensionan según la carga sísmica que deben soportar. De este modo, se puede mostrar el siguiente ejemplo en base a la Norma de Diseño Sísmico de Chile:

En un muro convencional de CLT a) se ocupa el siguiente volumen de madera: 100 mm de espesor, 2,4 m de alto y 2,4 m de ancho = 0,576 m3 de madera. b) la resistencia típica es de 75 kN. c) es decir se obtienen 75 kN/0,576 m3 = 130 kN de resistencia por cada m3 de madera. d) lo anterior es sin considerar el factor de reducción de la respuesta sísmica. Ahora bien, considerando que para el CLT convencional R=2, nos da que la fuerza de diseño que el muro es capaz de resistir es 130 x 2 (=R) = 260 kN / m3. Es decir, si se tiene que resistir una fuerza de 260 kN en un edificio de CLT, la norma chilena NCh433 me deja reducir la fuerza por 260/R= 130 kN, lo que implica que en realidad puedo resistir 260 kN de fuerza lateral (sísmica) por cada m3 de madera que ocupo. e) los anclajes que se requieren son típicamente dos “hold-down” y cuatro claves (ángulos de corte).

En la presente invención de muro con CLT a) se ocupan típicamente 2 placas de 60 mm=120 mm de espesor, 2,4 m de alto y 2,4 m de ancho, es decir 0,691 m3 de madera. Suponiendo pies derechos de madera laminada de sección transversal 24 cm x 9 cm y una longitud total de 10,8 m (2 soleras de 2,4 m y 3 pies derechos de 2 m) estaríamos ocupando 0,24 x 0,09 x 10,8 = 0,23 m3 de madera en el entramado (marco) interno. Es decir, estaríamos ocupando 0,691 m3 en CLT + 0,23 m3 en madera laminada = 0,921 m3 de madera por cada muro. b) la resistencia típica es de 220 kN. c) se obtienen 220 kN/0,921 m3 = 239 kN/m3 de madera. d) considerando que es más que probable que el R=5,5 como el marco plataforma (actualmente de hecho se está modificando el R del marco plataforma por 6,5), obtenemos entonces que 239 x 5,5 = 1315 kN de fuerza lateral puedo resistir con cada m3 de madera. e) los anclajes que se requieren son típicamente 2 cables de acero y varios pernos de anclaje.

De lo anterior se puede concluir que, a groso modo, que con el sistema convencional se puede resistir típicamente 130 kN por cada m3 de madera que se ocupa, mientras que con la presente invención se puede resistir 239 kN por cada m3 de madera que se ocupa, es decir, el nuevo sistema permitiría resistir un 84% más fuerza por cada m3 de madera empleada (casi el doble). Sin embargo, lo anterior es sin considerar el hecho de que las normas de construcción (por ejemplo la norma chilena NCh433) permiten incrementar la fuerza que puede resistir un muro si es que éste es dúctil.

Asumiendo que la presente invención pueda ocupar el factor R de un marco plataforma convencional, el sistema podría resistir una fuerza de 1315 kN por m3 de madera, mientras que un muro convencional (con mucha menos ductilidad) podría resistir 260 kN por m3, es decir, la invención en la práctica debería poder resistir un 505% más. Esto implica que un edificio con este sistema requeriría sólo 1/5 (20%) de los m de madera que requiere un sistema convencional en muros. Habitualmente los costos de las losas suponen el 50% de la obra gruesa, y el costo de los muros el otro 50%, lo que implica que el edificio debería ocupar 100% madera en losas y 20% de madera en muros, es decir que los costos del edificio en cuanto a la madera deberían ser como el 60% de un edificio convencional (por lo que efectivamente es mucho más barato).

Lo anterior es solo considerando los costos de la madera, pero deben considerarse también las uniones. Los “hold-down” que hay que emplear en el CLT convencionales son muy caros (se requieren los tamaños XXL), mientras que en este sistema se emplearían cables de acero. Respecto de las claves de corte de un muro convencional, estas son claramente más caras que los pernos de anclaje que se emplean en este sistema.

Por todo lo anterior, se estima que los precios de los anclajes en ambos sistemas son similares. Linalmente, el sistema de la presente invención emplea más tornillos, clavos o pernos, en comparación al sistema convencional, esto es para unir los tableros al marco rígido interior. Estos costos dependen del conector específico empleado, pero por ejemplo los clavos de grandes dimensiones son muy baratos. Por todo lo anterior, el sistema que se propone es claramente mucho más barato. Las uniones podrían ser un poco más caras (por el número de clavos/tornillos que deben emplearse) pero los anclajes son casi los mismos. Sin embargo, el volumen de madera que se ocuparía sería mucho menor. En definitiva, uso más clavos para sacarle mucho más partido al material, y eso hace que sea más barato.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Una descripción detallada de la invención se llevará a cabo en conjunto con las figuras que forman parte integral de esta presentación, donde: La figura 1 muestra una vista isométrica en explosión de acuerdo a una primera realización del muro de corte.

La figura 2 muestra una vista en elevación frontal de la primera realización del muro de corte.

La figura 3 muestra una vista en elevación frontal de una segunda realización del muro de corte.

La figura 4 muestra una vista isométrica en explosión, en acercamiento, de la segunda realización del muro de corte.

La figura 5 muestra una vista isométrica en explosión parcial de la segunda realización del muro de corte.

La figura 6 muestra una vista en elevación lateral de la primera realización del muro de corte.

La figura 7 muestra una vista esquemática en elevación frontal de un ejemplo de montaje de dos muros de corte apilados entre sí.

La figura 8 muestra una isométrica de la primera realización del muro de corte armado.

La figura 9 muestra una isométrica en explosión de la segunda realización del muro de corte.

La figura 10 muestra una isométrica en explosión de la primera realización del muro de corte.

La figura 11 muestra una vista en elevación lateral de la segunda realización del muro de corte.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Tomando como referencia las figuras que forman parte integral de esta presentación, y así como se ilustra a modo de ejemplo en la FIG.l, la presente invención se refiere a un sistema de muro de corte (1) híbrido para construcción de edificaciones de madera masiva de más de dos pisos en zonas sísmicas, que presenta un comportamiento dúctil y reducido efecto de volcamiento frente a una carga lateral causada por eventos naturales destructivos, tal como sismos o vientos fuertes.

Comprende un marco (100) interior con nodos articulados (110) de unión entre columnas (120) y soleras (130), al que se le unen paneles exteriores de madera masiva (200) en ambas caras por medio de conectores (300) individuales disipadores de energía; donde el marco (100) comprende medios autocentrantes postensados (400), los que en conjunto con los nodos articulados (110), los paneles exteriores de madera masiva (200) y los conectores (300) individuales disipadores de energía, permiten que el muro de corte (1) se comporte de manera dúctil y con reducido efecto de volcamiento frente a una alta carga lateral.

Tomando como ejemplo la FIG.2, las columnas (120) que conforman al marco (100) comprenden columnas laterales extremas (121) que contienen al menos un canal longitudinal (122) interior por donde atraviesan los medios autocentrantes (400). Las columnas (120) comprenden además, al menos una columna intermedia (123), y donde cada una de las columnas (120) exhibe una cara menor superior (124), una cara menor inferior (125), una cara longitudinal exterior (126), una cara longitudinal interior (127) y caras frontales opuestas entre sí (128).

Ahora, en referencia a la FIG.3, en esta configuración las soleras (130) que conforman al marco interior (100) comprenden una solera superior (131) y una solera inferior (132), las que contienen al menos dos canales transversales (133) por donde atraviesan dichos medios autocentrantes (400). Las soleras (130) comprenden caras menores laterales (134), una cara longitudinal exterior (135), una cara longitudinal interior (136) y caras longitudinales frontales opuestas entre sí (137). En otra configuración, como la que se aprecia en la FIG.2, las soleras (130) se disponen entre las columnas (120), y por lo tanto, carecen de canales transversales para el paso de los medios autocentrantes (400). Así como se esquematizó en la FIG.4 y, los nodos articulados (110) del marco interior (100) comprenden un medio de unión mecánica pivotante que permite un ensamble con movimiento relativo en un plano, entre dichas columnas (120) y las soleras (130). Este medio de unión mecánica que conforma a los nodos articulados (110) puede consistir en un conjunto o par de platinas (111) de soporte rígidas paralelas entre sí atravesadas por un pasador (112) de unión transversal; donde cada conjunto de las platinas (111), tal como se ve en la FIG.5, se puede fijar a la cara longitudinal interior (136) de las soleras (130) y luego, entre las platinas (111) se dispone cada columna (120) adosadas a las caras frontales (128) de dichas columnas.

Alternativamente, el medio de unión mecánica puede consistir en un taco de soporte (no ilustrado) adosado a las caras longitudinales interiores de las columnas, sobre los que se asientan los extremos de las soleras. Aún otra alternativa puede consistir en una ménsula de asiento (no ilustrada) proyectada lateralmente desde las columnas, sobre las que se asientan los extremos de las soleras.

Ahora, en apoyo con lo ilustrado en la FIG.6, los medios autocentrantes (400) comprenden tensores (401) no adheridos, con un extremo inferior (402), un extremo superior (403) opuesto y se disponen a lo alto del muro de corte (1). Los pueden ser barras hiladas, no adherentes, o cables de acero tipo torón, no adherente, postensable.

Como mejor se ilustra en la FIG.7, en el montaje de dos muros de corte (1) (G), el extremo inferior (402) de los tensores (401) va anclado embebido en una fundación (A) cuando se trata del muro de corte inferior (1) del primer piso; pero también, cuando se trata del muro de corte superior (G), el extremo inferior (402’) de los tensores (401’) puede ser fijado, aunque axialmente ajustable, a un conector de acople (B), donde este conector (B) permite la unión de los tensores (401), (401’) entre muros apilados. En tanto, el extremo superior (403) de los tensores (401) del muro inferior (1), va fijo, aunque de manera axialmente ajustable, al conector de acople (B); o dicho extremo superior (403’) de los tensores (401’) del muro superior (G) va fijo de manera axialmente ajustable a una placa de anclaje (D) en el extremo superior del mismo muro superior ( ).

La solera inferior (132) del muro inferior (1) se puede unir a la fundación (A) por medio de pernos de anclaje (E), que son los mismos con los que la solera inferior (132’) del muro superior (G) se une a la solera superior (131) del muro inferior (1); adicionalmente, los muros (1), (G) pueden considerar medios de fijación lateral del tipo claves de corte (F).

Así como se ve en la FIG.8, los conectares (300) disipadores de energía comprenden una pluralidad de elementos, individuales entre sí, que unen a cada uno de los paneles exteriores de madera masiva (200) con el marco interior articulado (100), los que se instalan en todo el perímetro del panel (200). Estos pueden ser conectares de metal del tipo clavijas, seleccionados entre el grupo de pasadores, tornillos y clavos, preferentemente pasadores autoperforantes y tornillos roscados en toda su extensión.

El marco interior puede adoptar diferentes configuraciones dependiendo principalmente del material utilizado; en una realización del marco interior con perfiles tubulares de acero o de hormigón, tal como se ilustra en la FIG.9, las soleras superior (131) e inferior (132) adquieren el ancho total del muro, donde la cara longitudinal interior (136) de dicha solera superior (131) se posa de tope sobre las caras menores superiores (122) de las columnas (120), mientras que las caras menores inferiores (125) de las columnas (120) se posan de tope sobre la cara longitudinal interior (136) de la solera inferior (132).

En otra realización del marco interior (100), tal como se ilustra en la FIG.10, como por ejemplo del tipo fabricado con columnas y soleras de madera, las soleras (130) van por dentro de las columnas (120), así, estas últimas se extienden por el alto total del muro; específicamente, las caras menores laterales (134) de las soleras quedan de tope con la cara longitudinal interior (127) de las columnas laterales (121). En el caso de que la configuración del muro también comprenda una columna intermedia (123), las caras menores laterales (134) las soleras llegan también de tope a los laterales de esta columna intermedia. Esta configuración del marco interior puede ser también aplicada en el caso de que columnas y soleras sean fabricadas de hormigón.

Así como se ve en la FIG.ll, preferentemente, los paneles exteriores (200) son paneles de madera masiva contra laminada (CLT) con un espesor entre 60 mm y 100 mm; las columnas (120) y las soleras (130) que conforman al marco (100) interior pueden ser perfiles de acero con una resistencia desde ASTM A-36 a ASTM A-53 (240 a 365MPa), pueden ser de hormigón con una resistencia a la compresión del rango entre 20 a 35 MPa o pueden ser de madera laminada con una resistencia del rango entre 1.3E y 1.55E.