Simulación del comportamiento mecánico de la madera en uniones estructurales y su aplicación mediante modelos tridimensionales de elementos finitos

Resumen

La madera es un material ortótropo, con distinta elasticidad en su tres di­ recciones principales, cuya gran relación entre resistencia y masa aprovechamos para obtener eficientes elementos estructurales. Sin embargo, la eficiencia de es­ tas estructuras está limitada por los grandes márgenes de seguridad que tienen este tipo de estructuras debido entre otros aspectos a la dificultad de estudio que presenta un material tan complejo. En esta investigación se repasan las características morfológicas y mecánicas de la madera para entender su complejidad y se expone cómo los métodos de investigación actuales, basados en gran medida en el método de los Elementos Finitos, realizan impor tantes simplificaciones a la hora de estudiar el comporta­ miento mecánico de la madera. Con el objetivo de reducir las simplificaciones y obtener herramientas de investigación que incorporen las características propias de la madera, se desarrolla en esta investigación un algoritmo que reproduce el compor tamiento mecánico de la madera diferenciando el comportamiento en cada una de sus tres direcciones principales y diferenciando también el compor­ tamiento ante tensiones derivadas de tracción y de compresión. El algoritmo además permite incorporar diferentes criterios de rot ura para cada estado ten­ sional de forma que se pueda afinar su detección. El algori tmo ha sido diseñado para poder detectar el tipo de rotura que provoca el fallo, permi tiendo llevar un exhaustivo control sobre la evolución del daño en la madera. El algori tmo ha sido escrito en Fortran y se ha implementado con éxito en el software de Análisis de Elementos Finitos ABAQUS® median­ te el uso de la subrutina de usuario USDFLD que aporta gran versatilidad y sencillez al modelo para adaptarlo a las muy diferentes propiedades de diferen­ tes especies de madera. El algoritmo ha sido validado mediante una completa serie de ensayos axiales y también mediante su comparación tanto con ensayos realizados en el laboratorio como con ensayos presentes en la literatura. En las estruct uras de madera, las uniones son el punto crítico y en su estudio se basan en gran medida las opciones de optimización que pueden presentar estas estructuras . Por ello el algoritmo se aplica a modelos de uniones en los que se aplican además otras técnicas para mejorar la simulación del comportamiento . Entre estas técnicas destacan en primer lugar el uso de elementos cohesivos para simular la fractura provocada como consecuencia de una combinación de tensiones de tracción y cortante. En segundo lugar, destaca también el uso de una ley que define la rigidez de contacto entre la madera y los elementos metálicos de las uniones. Se trata de una ley basada en criterios de presión y penetración que permite mejorar la simulación de la rigidez de las uniones que ya varios investigadores habían informado que se tendía a sobreestimar en las simulaciones de Elementos Finitos. Finalmente, tras validar los modelos de uniones que incorporan el algoritmo y las técnicas expuestas se procede a aplicar los modelos de forma preliminar a estudios cuyo objetivo es optimizar el uso de material. Se inician estudios sobre el efecto grupo y la distribución de la carga entre conectores y el efecto que tiene en ellos la variación de la geometría de la unión y la sustitución del acero por otros materiales más elásticos. Los resultados obtenidos son interesantes demost rando la capacidad del modelo para reproducir situaciones complejas y mostrando que las hipótesis de optimización planteadas sí parecen mejorar la eficacia de la unión, por lo menos en algunos casos. No obstante, los resultados de estos estudios preliminares son limitados y se espera aumentar el conocimiento sobre las uniones estudiadas y proponer reglas de diseño con la continuación de los estudios iniciada. De todas formas, lo que estos estudios preliminares sí han dejado claro es la gran complejidad que presentan este tipo de ensayos, lo mucho que queda por conocer y por tanto el gran potencial que presentan.