Los mejores sistemas de diseño de la madera, la rigidez y la ductilidad del acero, con la sostenibilidad, la calidez estética y las propiedades de la madera de masa, garantizan una mejora de la calidad de los sistemas de construcción de alta calidad, y también la mejora de la calidad de los sistemas de control de la calidad.

El papel de las conexiones en los sistemas híbridos de Timber-Steel

Por lo tanto, las conexiones en estructuras híbridas son las interfaces mecánicas donde se transfieren cargas entre materiales dispares. A diferencia de estructuras homogéneas, los híbridos de estelas CLT introducen complejidades debido a diferencias en rigidez, coeficientes de expansión térmica, movimiento inducido por humedad y comportamiento espeluznante. El acero es isotrópico, dútil y rígido con frecuencia la humedad.

Propiedades materiales que instruyen el diseño de conexión

Características de la madera de madera de laminado

CLT consiste en múltiples capas de laminaciones de madera ortogonal, normalmente utilizando abeto-pina-fir u otros leños blandos. Las propiedades clave que afectan las conexiones incluyen:

  • La rigidez pérpendicular a grano: Las conexiones cargadas perpendiculares al grano pueden sufrir insuficiencia de embedimiento o deformación excesiva a menos que se refuercen.
  • ] ductilidad limitada: El CLT tiende a exhibir una falla frágil en la tensión perpendicular al grano y en la envoltura. Las conexiones deben diseñarse para evitar tales modos de falla o para activar la producción de acero dúctil primero.
  • Sensibilidad de la humedad: El hinchamiento y la contracción pueden causar pérdida de fuerza de aflojamiento o de sujeción en conexiones atornilladas. Se necesitan sellamiento adecuado y subsidio para el movimiento.
  • Rendimiento de los archivos: CLT chars a un ritmo predecible; las conexiones deben ser detalladas para mantener la integridad estructural durante la exposición al fuego, ya sea mediante la incorporación de componentes de acero en zonas protegidas o el uso de revestimientos intumescentes.

Características del componente de acero

El acero utilizado en las conexiones suele oscilar entre el rendimiento de grado 50 (345 MPa) y los tornillos de alta resistencia (A325 o A490).

  • Ductility and yielding: El acero puede proporcionar la ductilidad primaria en un sistema híbrido. Las conexiones deben ser proporcionadas para que el rendimiento o el deslizamiento se produzca en elementos de acero antes de la falla de la madera.
  • Protección de la corrosión: La galvanización, el acero al enfriamiento, los sistemas de pintura o el acero inoxidable son comunes. En zonas de contacto con madera, la penetración de humedad es una preocupación; se utilizan acero resistente a la corrosión o membranas aislantes.
  • ]Remadera térmica: El acero puede conducir calor, afectando potencialmente el rendimiento energético y causando condensación. Las interrupciones térmicas pueden ser necesarias cuando las conexiones penetran en el sobre del edificio.

Tipos de detalles de conexión de acero para CLT

Existen varios tipos de conexión, cada uno adecuado a rutas de carga y limitaciones de construcción particulares.

Conexiones entorpecidas

Las conexiones atornilladas son entre las más comunes debido a su simplicidad, inspectibilidad y adaptabilidad. Un detalle típico implica una placa de acero (placa de montaje, placa base o soporte) montada en la superficie CLT o incrustada en un receso, con tornillos que pasan por la placa y el panel CLT. Los tornillos suelen estar equipados con lavaderos para distribuir tensiones de rodamientos.

  • Distancias y espaciamiento: Las distancias perpendiculares a bordes deben ser generosas para evitar la división. Las normas como Eurocode 5 o NDS proporcionan mínimos.
  • ] Grado de bolt y precarga: Las conexiones de deslizamiento crítico pueden requerir tornillos precargados para evitar el movimiento bajo cargas de servicio. Sin embargo, la carga precarga en CLT puede causar relajación de la arrastre o la incrustación; por lo tanto, algunos diseños de conexión permiten deslizarse como un mecanismo dúctil.
  • Refuerzo: Para mejorar la capacidad perpendicular-a-grain, se pueden añadir tornillos de auto-tapado o varillas pegadas en torno a agujeros de perno.

Conectores de ojera

Los conectores de la manguera transfieren principalmente las fuerzas de la corte (por ejemplo, en la interfaz entre un rayo de acero y una placa o pared CLT). Ejemplos comunes incluyen ángulos de acero, canales o secciones T ancladas en el CLT con tornillos, perímetros o broches U. En sistemas de suelos compuestos de acero CLT, escamas engastados al haz y a veces incrustados en un panel CLT

Conexiones destornilladas

Los tornillos auto-tapping se han convertido en una alternativa popular a los tornillos para conectar el acero al CLT, especialmente para los soportes más pequeños o donde se necesita una instalación rápida. Los tornillos pueden inclinarse a 45° a 60° para aumentar la resistencia a la salida.

  • No se requiere pre-drilling (si la placa de acero es delgada o tiene agujeros predrillados).
  • Alta rigidez debido al compromiso de rosca a madera.
  • Facilidad de instalación con herramientas sin cables.

Para cargas más grandes, se pueden utilizar varios tornillos dispuestos en anillos o rejillas. La capacidad de diseño se determina mediante la retirada de tornillos, la cabeza de avance y la curvatura de placas de acero.

Rodes de aglomeración

Las barras de acero de color azulado (también llamadas acopladores de tipo doal con adhesivos epoxi o poliuretano) proporcionan alta resistencia y rigidez, especialmente para las conexiones de tensión perpendicular a grano. Un agujero se perfora en el CLT, lleno de adhesivo estructural, y una varilla roscada se inserta. Después de lavarse, la varilla actúa como un anclaje.

Dispositivos de cierre

Las conexiones de cierre se sujetan al panel CLT sin penetrar, preservando así la integridad de la madera y evitando la penetración de la humedad. Típicamente, un canal de acero o par de ángulos se extiende alrededor del borde del panel, acolchado por los pernos. La compresión se transfiere mediante fricción o cojinete. Estas conexiones son útiles cuando se espera que el desmontaje o donde la fuerza es indeseable (por ejemplo, en la carga de la carga de la suficiente).

Consideraciones de diseño para conexiones de acero-cLT

La concepción de conexiones para estructuras híbridas requiere un enfoque holístico que integre el análisis estructural, la ciencia material y la logística de la construcción.

Mecanismos de transferencia de carga

Las conexiones deben resistir la tensión axial, la compresión, el encofrado, los momentos de flexión y la torsión. Cada tipo de carga requiere una geometría de conexión diferente. Por ejemplo, una conexión de momento (por ejemplo, en una unión de óxido de vigas) puede requerir frenos de rodillas de acero, placas flancas o secciones integradas. Entender la trayectoria de carga y la distribución entre múltiples acopladores es crítica.

Movimientos de alojamiento

La expansión y contracción diferencial entre el acero y el CLT pueden inducir tensiones. El coeficiente de expansión térmica de acero es aproximadamente 12 × 10−6 / °C, mientras que el CLT es de 3–5 × 10−6 / °C. Los cambios de temperatura pueden crear demandas de desplazamiento, especialmente en conexiones de largo plazo. Además, la reducción de la humedad del CLT puede causar vacíos o desaceleración.

Ductility and Energy Dissipation

En las regiones sísmicas, las conexiones deben proporcionar ductilidad y disipación de energía. El componente de acero es el elemento dúctil preferido.

  • Rendimiento de acero en doblado o tensión antes de la falla de madera (diseño de capacidad).
  • Usando amortiguadores de fricción o conexiones pernos ranuradas con lavadores Belleville.
  • Incorporar "fuses" de acero reemplazable que pueden ser inspeccionados y cambiados después de un terremoto.

Los factores de ductilidad (μ) para las conexiones son a menudo inferiores a los de todos los sistemas de estela; se necesitan pruebas y calificaciones cuidadosas. Los fabricantes pueden proporcionar detalles de conexión precalificados basados en pruebas a gran escala.

Resistencia al fuego

El fuego es una consideración de diseño crítica para las estructuras híbridas. El acero pierde fuerza rápidamente por encima de 400°C, mientras que los charcos CLT lentamente. Las conexiones deben ser protegidas para mantener la calificación de resistencia al fuego requerida (FRR).

  • Componentes de acero envolventes en tablero de yeso o pintura intumescente.
  • Receso de placas de acero dentro del CLT para que la madera proporciona aislamiento.
  • Utilizando secciones más grandes para permitir la pérdida de la sección transversal (Acero sacrificado).

Las pruebas de fuego según estándares como ASTM E119 o EN 1995-1-2 deben validar el rendimiento de conexión. La conexión debe prevenir la propagación de llamas a través de articulaciones y mantener la capacidad de carga durante el tiempo requerido.

Protección de la Durabilidad y la Corrosión

El movimiento es el enemigo de las conexiones de madera. El acero debe ser galvanizado con dip caliente (mínimo 85 micrones por ASTM A123) o recubierto con un sistema de pintura durable. En áreas con alta humedad o exposición a sales (por ejemplo, entornos costeros), acero inoxidable (304 o 316) o el acero templado (Corten) se puede especificar.

Mejores prácticas para la construcción

La implementación de campo debe alinearse con la intención de diseño. Los obstáculos comunes incluyen la desalineación de agujeros, la sobreacción causando aplastamiento y sellado impropio.

  • Prefabricación: Las placas de conexión de acero deben prefabricarse con agujeros que coincidan con el diseño de agujeros CLT. La perforación CNC de los paneles CLT produce una alta precisión.
  • ] secuencia de la instalación: En sistemas híbridos, el marco de acero suele ir primero, luego los paneles CLT se colocan en su lugar. Las conexiones pueden ser perforadas temporalmente para ajustarse, luego se atornillan a una tensión especificada.
  • Control de calidad:] Torque wrenches for bolts, calibrated drivers for tornillos, y adhesivos aplicados dentro de la vida de la olla y los límites de temperatura. La inspección de la inyección de adhesivo mediante endoscopia o prueba de vacío es recomendable para varillas pegadas.
  • Manejo de la humedad: Durante la construcción, los paneles CLT deben mantenerse secos. La impermeabilidad temporal en las conexiones impide el ingreso prematuro de humedad.
  • Instalación de protección de gases: Los revestimientos de intumescencia deben aplicarse después de la asamblea y curarse según las recomendaciones del fabricante. Los materiales de encapsulación deben ser incendiados en las penetraciones.

Códigos de normas y diseño

El diseño de conexiones de acero-CLT se rige por normas nacionales e internacionales.

  • Eurocode 5 (EN 1995-1-1)] para el diseño de la conexión de madera, complementado por EN 1993 para componentes de acero.
  • Normas Nacionales Americanas: NDS (Especificación Nacional de Diseño para la Construcción de Madera) con el Manual CLT (APA – Asociación de Madera Ingenua).
  • CSA O86] (Norma canadiense para el diseño de ingeniería en madera).
  • AISC 360] para los miembros de acero.
  • IBC (Código Internacional de Edificios)] referencias para estructuras híbridas.

Para el diseño sísmico, ASCE 7 en los Estados Unidos, o NBCC en Canadá, proporcionan combinaciones de carga y factores de ductilidad. Las disposiciones especiales para edificios de madera de masas (por ejemplo, código IBC IV-B 2021) incluyen requisitos de de detalle de conexiones.

Los documentos de Evaluación Técnica Europea (ETA) para sistemas de conexión patentados (por ejemplo, Rothoblaas, SFS, Simpson Strong-Tie) proporcionan capacidades de diseño para productos específicos.

Estudio de caso: Edificio híbrido CLT-Steel en Portland

El edificio Albina Yard cuenta con un marco de acero con paneles de suelo CLT y techo. Las conexiones en la interfaz de la placa de haz de acero a CLT utilizaron un conector de ángulo de acero atornillado con agujeros ranurados para permitir una tolerancia relativa de construcción y movimiento térmico. La conexión fue diseñada para transferir el timón de diafragma mientras permite que el panel CLT se desliza durante el curado de los tubos de hormigón.

Tendencias e Investigación Emergentes

La investigación actual se centra en mejorar el rendimiento y la eficiencia de las conexiones:

  • Fabricación aditiva: Nodos de acero impresos en 3D diseñados para integrarse perfectamente con CLT, reduciendo la perforación in situ.
  • Conexiones autocentrantes: Uso de cables de acero post-tensionados o aleaciones de memoria de forma para restaurar la alineación después de eventos sísmicos.
  • Conexión de alta tensión con acoplamientos innovadores: Dolores de expansión, combinaciones de tornillos y conectores en forma de anillo.
  • ]Intección digital de dos y sensores: Manómetros de tensión en conexión para el monitoreo estructural de salud en tiempo real.
  • Optimización de sostenibilidad: Usando acero reciclado y madera de bajo carbono, con diseños de conexión que facilitan el desmontaje y la reutilización al final de la vida.

La investigación continuada perfeccionará los métodos de diseño, reducirá los costos y ampliará la aplicabilidad de los híbridos de acero CLT a estructuras más altas y complejas.

Conclusión

Los detalles de la conexión de acero son los ejes de las estructuras híbridas de madera y acero. Deben equilibrar el rendimiento estructural, la constructibilidad, la durabilidad y la seguridad del fuego respetando los distintos comportamientos de ambos materiales. Al seleccionar los tipos de conexión adecuados, atornillados, pegados o acolchados, y aplicar diseño riguroso y control de calidad, los ingenieros pueden crear sistemas híbridos seguros, eficientes y duraderos.

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