171-286-3-PB

Materiales de ConstruccinVol. 60, 298, 123-135

abril-junio 2010ISSN: 0465-2746

eISSN: 1988-3226doi: 10.3989/mc.2010.47408

Refuerzo de vigas de madera mediante perfiles metlicos situados en la cara superior

Bending reinforcement of timber beams with steel cross sections on the upper face

C. Gonzlez-Bravo(*), F. Arriaga-Martitegui(**), L. Maldonado-Ramos(**), R. Dez-Barra(***)

Recepcin/Received: 10-IV-08Aceptacin/Accepted: 30-IX-08Publicado online/Online publishing: 04-III-10

RESUMEN

Se describe un procedimiento para el refuerzo de vigue-tas de madera en edificios antiguos utilizando perfiles deacero con seccin en U conectados a la madera con tira-fondos y situados en la cara superior. Se realizaron ensa-yos a flexin sobre 3 grupos de 10 piezas obteniendo larigidez y la capacidad de carga. El primero compuestopor piezas de madera laminada encolada de abeto conuna seccin de 180 x 200 mm; el segundo con maderaaserrada de pino silvestre; y el tercero con madera delgnero Pinus con una seccin de 130 x 150 mm, con 120aos de antigedad. Cada grupo se dividi a su vez endos grupos de 5 piezas. El primer subgrupo se ensay sinrefuerzo y el segundo con el refuerzo metlico. El refuer-zo incrementa la rigidez entre el 45 y el 98% y la capa-cidad de carga entre el 27 y el 58%.

Palabras-clave: madera, acero, mtodo de los elemen-tos finitos, refuerzo, rehabilitacin.

SUMMARY

A procedure for the reinforcement of timber floor joistsin ancient buildings using steel U shape cross sectionsscrewed to timber from the upper side is described.Bending tests of 3 groups of 10 beams were carried outobtaining the stiffness and load carrying capacity. Thefirst one was composed by pieces of glued laminatedtimber of Spruce with 180 x 200 mm cross section; thesecond one was of Scots pine sawn timber with the samecross section; and the third one was 120 years old solidtimber beams of genus Pine with 130 x 150 mm crosssection. Each group was divided in two groups of 5beams. The first sub-group was tested withoutreinforcement and the second one was tested with thesteel reinforcement. The reinforcement increases thestiffness from 45 to 98% and the load carrying capacityfrom 27 to 58%.

KKeeyywwoorrddss:: timber, steel, finite elements method,upgrading, rehabilitation.

(*) Universidad Antonio de Nebrija (Madrid, Espaa). (**) Universidad Politcnica (Madrid, Espaa).

(***) CIFOR-INIA (Madrid, Espaa).

Persona de contacto/Corresponding author: [email protected]

15167-Materiales, 298(F) 1/6/10 13:09 Pgina 123

1. INTRODUCCIN

El objetivo de este trabajo es el anlisis del comporta-miento del refuerzo de vigas de madera mediante la uti-lizacin de perfiles metlicos conectados a la madera poratornillado desde la cara superior, sin necesidad de inter-venir desde la planta inferior.

En obras de rehabilitacin de edificios con estructura demadera es frecuente encontrar la necesidad de aumentarla capacidad portante a flexin de los forjados debido a laprdida de resistencia y rigidez causada por el efecto deataques de insectos xilfagos. En otras ocasiones, estanecesidad se debe a los mayores requerimientos de lanormativa actual (en cargas o en limitaciones de la defor-macin) generalmente por un cambio de uso del edificio.

En la prctica de la construccin existen varios procedi-mientos para el refuerzo de vigas de madera a flexinque pueden resumirse agrupados en los cuatro bloquesque se comentan a continuacin (1). El primero consisteen la mejora de la estructura mediante la incorporacinde un nuevo sistema estructural de apoyo (apeosmediante tornapuntas o vigas que acorten la luz de laestructura). Lgicamente, este sistema casi siemprerequiere la actuacin desde la planta inferior y exige unacierta prdida de altura libre en los locales.

Otra posibilidad es el aumento de la rigidez y capacidadresistente de las piezas mediante la incorporacin de ele-mentos de refuerzo (materiales compuestos, metales omadera), generalmente encolados a la pieza original(con frecuencia con formulaciones epoxi). Esta tcnicaes muy utilizada en la recuperacin o consolidacin departes de las piezas de madera que han sido destruidaspor daos de origen biolgico (2-5). Es el caso frecuen-te de las cabezas de vigas con pudricin en los apoyosen los muros. Como procedimiento para el refuerzo depiezas en flexin es habitual su empleo para aumentar laseccin de las vigas encolando piezas en la cara superior(6). La introduccin de armaduras dentro de la seccinde la pieza de madera ha sido estudiada experimental-mente desde hace tiempo. Algunos autores (7) compro-baron la eficacia de un refuerzo con barras de materia-les compuestos y con cable de acero en vigas a flexin.La capacidad de carga aumentaba entre un 32 y un 42%y la rigidez aumentaba con factor entre un 1,31 y un1,69. Sin embargo, el procedimiento resulta demasiadocomplejo para una aplicacin en obra.

La utilizacin de fibra de carbono y chapas de acero hasido estudiada en el refuerzo de piezas comprimidas (8),as como para la prolongacin de vigas de maderamediante prtesis de madera-madera (9). Tambin hayexperiencias para la introduccin de refuerzos desde lacara superior ejerciendo un efecto de pretensado para

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C. Gonzlez-Bravo et al.

1. INTRODUCTION

The objective of this work is to analyse the behaviour ofwooden beams upgraded using steel cross-sectionsjoined to timber with screws, without work on theunderside of the flooring.

The rehabilitation of buildings with a timber structureusually requires increased load-bearing capacity in theflooring joists. The biological degradation of timberstructures causes the loss of his capacity. Sometimes itis due to changes in regulatory specifications (loads ordeflection limitations) which are generally caused by anew use for the building.

There are different possibilities for the upgrading ofwooden beams, and they can be grouped into four mainmethods (1). The first one consists of the addition of anew structural system to support the existing structure(beams or struts to shorten the span of the old beams).However, this system generally needs work on the lowerside of the flooring and reduces the height of ceilings.

The second possibility is to increase stiffness andstrength by means of the incorporation of reinforcingelements (composite materials, metals or woodenproducts) which are generally glued to the existing piece(often with epoxy resins). This method is frequently usedin the upgrading and consolidation of wooden pieces thathave suffered biodegradation (2-5). Usually this problemappears at beam ends rotten in the wall bearing area.Also, this procedure is frequent to reinforce bendingelements gluing timber pieces on the upper side (6). Theinsertion of reinforcing bars inside the cross section ofthe piece has been experimentally studied from a longtime ago. Some authors (7) verified the upgrading ofbeams using composite material bars and steel cables toreinforce them. The load carrying capacity increasedfrom 32 to 42% and stiffness from a factor of 1.31 and1.69. Nevertheless, the procedure seems to be too muchcomplex to use in practice works.

The use of carbon fibre and steel plates has been studiedin the reinforcement of compression members (8), aswell as for the extension of timber beams by means ofadding new pieces of timber (9). Furthermore, there areexperiments involving the insertion of reinforcementsfrom the upper surface, introducing a pre-stressed effect


mejorar la capacidad de carga de vigas de madera (10).En madera laminada encolada se han estudiado losrefuerzos con CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) yGFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic) para mejorar suresistencia a flexin (11). Otro trabajo dedicado al refuer-zo de vigas con fendas consisti en el empleo de pletinasmetlicas laterales, pernos o refuerzos con FRP (12).

El tercer grupo consiste en la formacin de un sistema mix-to de madera y hormign incorporando una capa de hor-mign de pequeo espesor en la cara superior del forjado,que queda conectado a la madera. De esta forma, seaumenta enormemente la rigidez del forjado y en menorgrado, tambin la resistencia. Los trabajos en obra se rea-lizan por la cara superior, aunque suele ser conveniente lacolocacin de un apeo en la planta inferior. La clave delxito de estas soluciones est en el sistema de conexinentre la madera y el hormign. Entre los ms habituales seencuentran los siguientes (13-14): clavijas metlicas trans-versales o inclinadas, conectores de superficie, cajeados yotros sistemas. En algunos casos se plantea el refuerzo conhormign en la cara superior ayudando a la madera conplacas metlicas insertadas en el interior (15).

Para el clculo de los sistemas mixtos puede consultarse elanexo de vigas compuestas con uniones mecnicas del Euro-cdigo 5 (16), o la literatura tcnica especializada (17-19).

Finalmente, el cuarto grupo consiste en el refuerzomediante la incorporacin de piezas metlicas, general-mente, en la cara inferior, que pueden llegar a sustituira la madera o a colaborar con ella formando un nuevosistema estructural; por ejemplo, mediante celosas desimple atirantado (20).

En muchos casos el refuerzo con acero se utiliza como unsistema de consolidacin de emergencia ms para recuperarla continuidad de la pieza que para mejorar su capacidadportante. Sin embargo, hay poca experiencia sobre la utili-zacin de refuerzos mediante perfiles metlicos conectadosa las piezas de madera (21). ste es el objetivo principal deeste trabajo en el cual se plantea el refuerzo con la limita-cin de intervenir exclusivamente desde la cara superior.Este procedimiento evita los inconvenientes que acompaana la necesidad de actuar tambin desde la cara inferior.

2. MATERIALES Y MTODOS

2.1. Material de ensayo

El material de ensayo estaba formado por un conjunto de30 piezas de madera divididas en tres grupos: 10 piezasde madera laminada encolada de abeto (Picea abies L.Karst) con una seccin transversal de 180 x 200 mm y unalongitud de 4.000 mm; 10 piezas de madera aserrada de

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that improves the load bearing capacity of wooden beams(10). Reinforcements with CFRP (Carbon Fibre ReinforcedPlastic) and GFRP (Glass Fibre Reinforced Plastic) havebeen studied to improve the flexural strength of gluedlaminated timber (11). Another work on the reinforcementof checked beams involved the use of lateral metal plates,bolts or reinforcements with FRP (12).

The third group consists of the configuration of acomposite system of timber-concrete, in which a thinslab of concrete is placed over the timber pieces andadequately connected to the wood. In this way stiffnessis greatly increased as its strength, although to a lesserdegree. Work takes places from the upper side of theflooring, but it is also suitable to include an auxiliarystructure in the lower level. The key to the success ofthese solutions is the connecting element between thetimber and concrete. The following connecting elementsare generally used (13-14): steel dowels perpendicularor inclined with respect to the contact surface,connectors, slots and other systems (15).

For composite systems design Annex B Mechanicallyjointed beams of Eurocode 5 (16), or specializedtechnical literature (17-19) can be consulted.

Finally, the fourth group consists of the introduction ofsteel pieces, generally in the lower face, that can totallyreplace the structural mission of the timber or aid it,forming a new structural system; for example, by usingtrusses with steel ties (20).

The use of steel in the upgrading of structures is usuallya temporary method of consolidation. Nevertheless,there is little experience with the use of steel piecesconnected to timber as a reinforcing system (21). This isthe main objective of this work, in which reinforcementworks are planned only on the upper surface of theflooring. This procedure avoids the disadvantagesassociated with works on the lower surface.

2. MATERIALS AND METHODOLOGY

2.1. Testing material

The test material consisted of a total quantity of 30pieces of timber divided into three groups: 10 pieces ofglued laminated Spruce timber (Picea abies L. Karst) witha cross-section of 180 x 200 mm and 4000 mm in length;10 pieces of sawn Scotch pine timber (Pinus sylvestris L.)


pino silvestre (Pinus sylvestris L.) con igual seccin y lon-gitud y 10 piezas procedentes de un derribo de edificiocon antigedad aproximada de 120 aos de madera delgnero Pinus, con una seccin transversal media de 130 x150 mm y una longitud de 3.000 mm.

Los perfiles de refuerzo estn fabricados con chapa ple-gada en forma de U de 4 y 5 mm de espesor con acerode calidad S275J0 segn norma UNE-EN 10025 (22). Laschapas de acero fueron cortadas y taladradas mediantearco de plasma. Esta tcnica resulta econmica y muyadecuada al dejar las aristas limpias sin rebabas y con uncierto bisel lo que facilita su manipulacin en obra.

Para las piezas con seccin transversal de 180 x 200 mm(madera laminada y madera aserrada) se utiliz un per-fil en U (de 5 mm de espesor) con dos pletinas en la carainferior (de 4 mm de espesor) y para las piezas de made-ra antigua, con una seccin menor aproximada de 130 x150 mm, se utiliz un perfil en U (de 4 mm de espesor)con una sola pletina en la cara inferior (de 4 mm deespesor), Figura 1. Las pletinas estn soldadas mediante



with the same cross-section and length, together with 10pieces of solid timber from the dismantling of an oldbuilding approximately 120 years old, of the genusPinus, with an average cross-section of 130 x 150 mmand 3000 mm in length.

The reinforcement pieces are made of cold formed steelwith U shapes 4 and 5 mm thick, with steel of qualityS275J0 according to standard EN 10025 (22). The steelplates were cut and perforated by means of gaseousdischarge plasma. This technique is cheap and verysuitable because it forms clean edges without barbs andbevelled edges making handling on site easier.

For the pieces with a cross-section of 180 x 200 mm(glued laminated timber and sawn timber) a U-shapedcross-section (5 mm thick) with two plates in the lowerface (4 mm thick) were used. For the pieces of oldtimber with a cross-section of approximately 130 x 150mm, a U-shaped cross-section (4 mm thick) with a singleplate in the lower face (4 mm thick) were used, Figure 1.The plates are welded by means of continuous arc

Figura 1. Arriba: Refuerzo con perfil de acero en secciones de 180 x 200 mm y de 130 x 150 mm. Abajo: Perfiles de refuerzo y centros de gravedad.

Figure. 1. Up: Steel cross section reinforcement in timber sections of 180 x 200 mm and 130 x 150 mm. Down: Reinforced steel crosssections and centre of gravity.

180

100

92

48 48

63 63

130

170

65 42

50

180

5 5 4 4

4

92

4

4

5

40 4060

90

11.5

8

0.08

59.9

2

78.4

2

170

8 8

65

40

4060

190

150

90

200 2

40


arco de hilo continuo con cordones en cada lado, conuna longitud de 30 mm y una separacin de 300 mm.

Como elementos de fijacin se han utilizado tirafondosde 8 mm de dimetro con longitud de 90 mm para lassecciones de 180 x 200 mm y de 7 mm de dimetrocon longitud de 70 mm para las secciones de 130 x150 mm, segn la norma DIN 571 (23). La fijacin delrefuerzo en las secciones de 180 x 200 mm se realizmediante la disposicin de 3 filas de tirafondos al tres-bolillo con una separacin en la direccin paralela a lafibra de 100 mm. Para las secciones de madera anti-gua, de 130 x 150 mm, se utilizaron 2 filas al tresbo-lillo con una separacin en direccin paralela a la fibrade 100 mm, Figura 2. El agujero en las chapas tenaun dimetro de 10 mm para el caso de los tirafondosde 8 mm y de 9 mm para el caso de los tirafondos de7 mm. Para la introduccin de los tirafondos no serealiz un taladro previo debido a que se observ queno exista problema de fendado en la madera. Elapriete se efectu inicialmente de forma mecnica,pero el apriete final se realiz con una llave manual,siguiendo un orden en zig-zag para lograr un acerca-miento entre la madera y el acero ms gradual, Figu-ra 2 (abajo).

Para llegar a las soluciones de refuerzo descritas ante-riormente se realiz un anlisis de los modelos previospor el mtodo de los elementos finitos con el progra-ma CosmosWorks, ensamblando el refuerzo de acero yla madera en un fichero sobre el que se establecan lascondiciones de contacto de acero-acero y acero-made-ra. Dentro de este estudio de contactos se incluye ladisposicin de tirafondos que unen los dos materialespara simular la mayor veracidad del ensayo real. Elmallado de los elementos se realiz con tetraedrosslidos tridimensionales y ajustes de la trama adapta-dos a los distintos espesores de las piezas.




welding on both sides, with a length of 30 mm and300 mm apart.

For the connexion 8 mm diameter screws 90 mm longwere used for the cross-sections of 180 x 200 mm, while7 mm diameter and 70 mm long screws were used forthe 130 x 150 mm sections, according to Standard DIN 571 (23). The connexion of steel cross-sectionreinforcements to the 180 x 200 mm timber sections wasexecuted by means of 3 staggered rows of screws at adistance parallel to the grain of 100 mm. For the old 130x 150 mm timber pieces, 2 rows of staggered screws ata distance parallel to the grain of 100 mm were used,Figure 2. The plate holes were 10 mm in diameter for the8 mm diameter screws and 9 mm for those 7 mm indiameter. No predrilling was needed for the screwsbecause there was not problem of splitting. The initialtightness was mechanically driven but finally a manualwrench was used, in a zigzag sequence, to achieve aprogressive approach between timber and steel, Figure 2(down).

In order to design the reinforcement solutions previouslydescribed the previous models were analysed using themethod of finite elements with the CosmosWorkssoftware, joining the steel reinforcement and timber in afile which included the boundary conditions of steel-steeland steel-timber. This contact study included thedisposition of screws to simulate the actual test. Themeshed elements were made with three-dimensionalsolid tetrahedrons and adjustments of the meshaccording to the different thickness of pieces.

Figura 2. Arriba: Disposicin de los tirafondos. Abajo: Secuencia de apriete de los tirafondos. Figure 2. Up: Screws arrangement. Down: Screws tighten sequence.

4 563

21

213 4


2.2. Mtodo experimental

En primer lugar se obtuvo el mdulo de elasticidadglobal en el ensayo de flexin segn la norma UNE-EN 408 (24) de todas las piezas, Figura 3. De acuer-do con esta norma la luz (distancia entre apoyos)debe ser igual a 18 veces el canto de la pieza. Paralas piezas de madera laminada y madera aserradacon una seccin de 180 x 200 mm resultaba una luzde 3,6 m. En el caso de la madera antigua la seccinvariaba para cada pieza, por lo que se tom una sec-cin de referencia de 130 x 150 mm, resultado unaluz de 2,7 m.

3. RESULTADOS

En la Tabla 1 se muestran los valores medios delmdulo de elasticidad para cada material. Se obser-va cmo la madera laminada encolada tiene el mayorvalor del mdulo de elasticidad y el menor coeficien-te de variacin (6,2%); y la madera antigua, presen-ta el mdulo de elasticidad menor y con el mayorcoeficiente de variacin (30%). De esta forma, sepuede analizar el resultado del refuerzo con mayorprecisin en el caso de la madera laminada, perotambin es posible acercarse a los resultados prcti-cos con materiales ms variables como la maderaaserrada y antigua.

El contenido de humedad de las piezas se evalumediante xilohigrmetro de resistencia elctrica de



2.2. Experimental method

Firstly, the modulus of elasticity was obtained in bendingaccording to Standard EN 408 (24) for all pieces, Figure3. This standard specified that the span (distancebetween supports) must be equal to 18 times the depthof the piece. For glued laminated timber and sawntimber pieces with a cross section of 180 x 200 mm itmeans a span of 3.6 m. In case of old timber pieces asthe cross section was changing from one to other piece,a reference value of cross section of 130 x 150 mm wastaken, resulting 2.7 m span.

3. RESULTS

The mean values of modulus of elasticity for eachmaterial are shown in Table 1. The glued laminatedtimber material has the highest value of modulus ofelasticity and the lower value of coefficient of variation(6.2%); on the other hand, old timber material has thelower modulus of elasticity and the highest coefficientof variation (30%). So, it is possible to analyze in amore accurate way the influence of reinforcing in thecase of glued laminated timber, but, it is also possibleto evaluate the upgrading effect in practice withmaterials more variables as sawn timber and old timberpieces.

The moisture content of pieces was determined byelectrical measurement according to the procedure of

Figura 3. Disposicin del ensayo de flexin. Figure 3. Bending test arrangement.

6h +/ 1.5h

I= 18h +/ 3h

6h +/ 1.5h6h

F/2

F/2 F/2

F/2

h

w

Tabla 1 / Table 1Valor medio del mdulo de elasticidad y coeficiente de variacin de los tres materiales ensayados.

Mean value of modulus of elasticity and coefficient of variation of tested material.

Material Nmero de piezas / NNuummbbeerr ooff ppiieecceessMdulo de elasticidad /

MMoodduulluuss ooff eellaassttiicciittyy ((NN//mmmm22))Coeficiente de variacin /

CCooeeffffiicciieenntt ooff vvaarriiaattiioonn ((%%))

Madera laminada / Glued laminated timber 10 11 081 6.2

Madera aserrada / Sawn timber 10 7 992 16

Madera antigua / Old timber 10 6 553 31


acuerdo con el procedimiento definido en la norma UNE-EN 13183-2 (25). El valor medio era de 13,4% para lamadera laminada, 15,9% para la madera aserrada y11% para la madera antigua.

Para cada material se formaron dos grupos de 5 piezastomados al azar: el grupo A corresponde a las piezasdenominadas testigo que no sern reforzadas; y el gru-po B que corresponde a las piezas que sern reforzadascon perfiles metlicos.

Las piezas de los grupos A fueron ensayadas a flexin deacuerdo con la norma UNE-EN 408 determinando denuevo el mdulo de elasticidad global, y la tensin ymomento de rotura a flexin. En la Tabla 2 se muestranlos resultados obtenidos.

Las piezas de los grupos B fueron ensayadas a flexinsegn la norma UNE-EN 408 para la determinacin de larigidez a flexin inicial (EI)in. Posteriormente, fueronreforzadas con los perfiles metlicos definidos en el apar-tado de Materiales y sometidos a ensayo de flexinsegn la misma norma, determinando la rigidez a flexineficaz de la pieza reforzada (EI)ef y el momento de rotu-ra en flexin (Mrup). En la Tabla 3 se muestran los resul-tados obtenidos.




standard EN 13183-2 (25). The mean value was 13.4%for glued laminated timber, 15.9% for sawn timber and11% for old timber.

Two groups of 5 pieces selected at random were takenfor each material: group A is formed by pieces with noreinforcement, and it is called the reference sample;group B is composed of pieces that will be reinforcedwith steel pieces.

The pieces of group A were tested in bending accordingto the standard EN 408 obtaining again the globalmodulus of elasticity, and the stress and bendingmoment of rupture. The results are shown in Table 2.

The pieces in the B groups were bending testedaccording to Standard EN 408 in order to determine theinitial bending stiffness (EI)in. They were thenreinforced with steel pieces as described in section 2,and they were bending tested to obtain the effectivebending stiffness of the reinforced beams (EI)ef and thebending rupture moment (Mrup). Table 3 shows theresults.

Tabla 2 / Table 2Mdulo de elasticidad, tensin y momento de rotura a flexin de las piezas de los grupos A (testigo).

Bending modulus of elasticity and modulus and moment of rupture of pieces from groups A (reference sample).

Material Seccin / CCrroossss sseeccttiioonn

bxh (mm)

Mdulo de elasticidad /MMoodduulluuss ooff eellaassttiicciittyy

(N/mm2)

Tensin de rotura / MMoodduulluuss ooff rruuppttuurree

(N/mm2)

Momento de rotura /MMoommeenntt ooff rruuppttuurree Mrup

(kNm)

Madera laminada / Glued Laminated Timber 180 x 200

10 91610 0959 63411 43711 122

40.529.633.941.347.7

48.57035.57440.72249.59057.216

Valor medio / Mean valueCoef. de variacin / CoV (%)

10 6417.0

38.618.1

46.33418.1

Madera aserrada / Sawn Timber 180 x 200

7 0038 3176 8698 2149 210

23.233.025.231.042.3

27.84039.55230.27637.16450.796


7 92312.4

30.924.3

37.12624.3

Madera antigua / Old timber

142 x 156141 x 165122 x 156149 x 169132 x 151

4 2197 2257 1137 58010 521

10.125.923.624.539.0

5.80516.54211.70017.34819.575


7 33230.5

24.641.7

14.19438.7


4. DISCUSIN

El refuerzo de las vigas produce un aumento de la rigi-dez a flexin que puede evaluarse como un factor deaumento de la rigidez (rigidez reforzada/rigidez inicial)de 1,45 para la madera laminada encolada, 1,98 para lamadera aserrada y de 1,87 para la madera antigua. Enla Figura 4 se muestra la variacin de rigidez para cadapieza.

La capacidad de carga de las piezas reforzadas (grupo B)es superior comparada con la de las piezas de referencia(grupo A). El aumento de capacidad de carga a flexinpuede estimarse como el factor que relaciona el valormedio del momento de rotura de las piezas reforzadas yel de las de referencia. Este factor resulta igual a 1,36para la madera laminada, 1,58 para la madera aserraday 1,27 para la madera antigua.

El momento de inercia de los perfiles metlicos derefuerzo, Is, es igual a 1.906.378 mm4 para el perfilcon dos pletinas inferiores y 460.848 mm4 para el per-fil con una nica pletina (Figura 1-abajo). La rigidez aflexin de estos perfiles, considerando un mdulo deelasticidad para el acero Es = 210.000 N/mm2, es de400 y 96,77 kNm2, respectivamente.



4. DISCUSSION

The reinforcing of beams produces an increment ofbending stiffness defined as an increment factor(reinforced stiffness/initial stiffness) of 1.45 for gluedlaminated timber, 1.98 for sawn timber and 1.87 for oldtimber. The increment of stiffness is shown in Figure 4for each piece.

The load carrying capacity of reinforced pieces (group B)is greater than load carrying capacity of reference pieces(group A). This increment of bending capacity may beevaluated as a factor between the mean value ofbending moment of rupture of reinforced pieces and themean value of reference pieces. This factor is 1.36 forglued laminated timber, 1.58 for sawn timber and 1.27for old timber.

The second moment of area of reinforcing steel crosssection, Is, is 1 906 378 mm4 for the cross section withtwo lower plates and 460 848 mm4 for the cross sectionwith one plate, Figure 1. The bending stiffness of thesecross sections, considering a modulus of elasticity forsteel Es = 210 000 N/mm2, is 400 and 96.77 kNm2,respectively.

Tabla 3 / Table 3Rigidez a flexin inicial y eficaz (reforzada) y momento de rotura a flexin de las piezas de los grupos B (reforzada). Initial and effective reinforced bending stiffness and moment of rupture of pieces from groups B (reinforced sample).

Material Pieza / PPiieecceeSeccin /

CCrroossss sseeccttiioonnbxh (mm)

Rigidez a flexin / BBeennddiinngg ssttiiffffnneessss(kNm2) Momento de rotura /

MMoommeenntt ooff rruuppttuurreeMrup (kNm)Inicial / IInniitt iiaall

(EI)in

Reforzada / RReeiinnffoorrcceedd

(EI)ef

Madera laminada / Glued Laminated Timber

12345

180 x 200

1 2251 2471 4411 3661 394

1 6102 7852 1281 8761 717

55.80052.41076.80070.38060.480

Valor medio / Mean value Coef. de variacin / CoV (%)

1 3357.0

2 02323.2

63.17416.1

Madera aserrada / Sawn Timber

12345

180 x 200

9101 290852756

1 021

1 7972 2741 7561 6472 082

40.32086.94052.50050.28063.600


96621.2

1 91113.5

58.72830.3


12345

129 x 146111 x 149149 x 163123 x 161129 x 162

140201385374203

363407607657410

9.31514.89524.75026.77514.400


26142.8

48927.2

18.02741..2


La seccin de madera quedar reducida por las ranuraspara la insercin de las pletinas metlicas en un gruesoigual al espesor de las pletinas ms una holgura de2 mm. As, para el perfil de doble pletina la prdida deseccin en la parte superior ser de 14 x 90 mm y parael perfil de una pletina de 6 x 60 mm. En la Tabla 4 semuestra la rigidez a flexin de los perfiles metlicos, EsIs;adems, se recogen las rigideces a flexin de las piezasde madera, EwIw, siendo Ew el mdulo de elasticidad eIw el momento de inercia de las piezas de madera. Larigidez del conjunto puede variar entre un valor mnimosin efecto solidario y un valor mximo admitiendo que laconexin fuera rgida. El valor mnimo, (EI)min es la sumade las rigideces de ambos materiales (EsIs+EwIw) y elvalor mximo (EI)max se ve incrementado por el efecto




The timber section is reduced by the slots for theinsertion of steel plates in a quantity equal to thethickness of plates plus a looseness of 2 mm and adepth equal to the plate width. Therefore, for thedouble plate section the loss of section in the upper sideis 14 x 90 mm and for the single plate section is 6 x 60mm. Table 4 shows the bending stiffness of steel cross-section, EsIs, where Es is the steel modulus of elasticityand Is the second moment of area of the steel cross-section; also it is shown the bending stiffness of timberpiece, EwIw, where Ew is the modulus of elasticity and Iwthe second moment of area of the timber piece. Thestiffness of the whole piece (timber + steel) may rangefrom a minimum value without solidity effect and amaximum value supposing a perfect rigid connexion

Figura 4. Aumento de la rigidez a flexin para cada pieza de los tres materiales. Figure 4. Increase of bending stiffness for each piece of the three materials.

Rig

idez

a f

lexi

n /

Ben

ding

stif

fnes

sE

-I (

kNm

2 )


700

600500400300

200100

01 2 3

Pieza / Piece

4 5

Inicial / Initial

Reforzada / Reinforced

Rig

idez

a f

lexi

n /

Ben

ding

stif

fnes

sE

-I (

kNm

2 )

Madera aserrada / Sawn timber

2500

2000

1500

1000

500

01 2 3

Pieza / Piece

4 5

Inicial / Initial


Rig

idez

a f

lexi

n /

Ben

ding

stif

fnes

sE

-I (

kNm

2 )

Madera laminada encolada / Glued laminated timber

3000

2000

2500

1500

1000

500

01 2 3

Pieza / Piece

4 5

Inicial / Initial



de solidaridad de ambos materiales. En la Tabla 4 seincluyen estos valores as como la rigidez eficaz obteni-da en el ensayo.

Se observa cmo la rigidez eficaz obtenida por ensayose sita entre los valores mnimos y mximos posiblescon la excepcin de la probeta nmero 5 de maderalaminada encolada, Figura 5, que queda ligeramentepor debajo del mnimo. El incremento de la rigidez conrespecto a la rigidez mnima en relacin a la rigidezmxima que podra alcanzarse se recoge para los valo-res medios de cada material en la Tabla 5. Se observa



between both materials. The minimum value, (EI)min, isthe sum of the stiffness of both pieces, independently,(EsIs+EwIw) and the maximum value is equal thisprevious value plus the increment of the second momentof areas respect to the principal axis of the whole sectionfor each material, (EI)max. Table 4 shows these valuesand the effective stiffness obtained by test (EI)ef.

The effective stiffness obtained by test is in betweenthe minimum and maximum values with the exceptionof specimen number 5 of glued laminated timber,Figure 5, that is slightly lower than minimum. Thestiffness increment with respect to the minimum stiffnessin relation to the maximum stiffness increment isshown in Table 5 for the mean values of each material.This increment is much lower in glued laminated timber

Tabla 4 / Table 4Rigideces a flexin. Bending stiffness.

Material Pieza / PPiieeccee

Rigidez a flexin / BBeennddiinngg ssttiiffffnneessss (kNm2)

Acero / SStteeeell EsIsMadera / TTiimmbbeerr

EwIw(EI)min (EI)ef (EI)max

Madera laminada / Glued Laminated Timber

12345

400

1 1761 1971 3831 3121 338

1 5761 5971 7831 7121 738

1 6102 7852 1281 8761 717

3 1213 1573 4623 3463 390

Madera aserrada / Sawn Timber

12345

400

8731 238818726980

1 2731 6381 2181 1261 380

1 7972 2741 7561 6472 082

2 5783 2252 4712 2872 776


12345

96.77

137195377365198

234292474462295

363407607657410

532678

1 0791 052706

0

500

1000

1500

2000

3000

3500

2500

4000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1110 1312 14 15

E-I

Mnimo / Minimum Eficaz / Effective Mximo / Maximum

Figura 5. Rigideces a flexin EI en kNm2 mnima, eficaz (obtenida en ensayo) y mxima para todas las piezas (1 a 5 madera laminada, 6 a 10 madera aserrada y 11 a 15 madera antigua).

Figure 5. Bending stiffness EI in kNm2 minimum, effective (obtained by test) and maximum for all pieces (1 to5 glued laminated timber,6 to 10 sawn timber and 11 to 15 old timber).


cmo este incremento es mucho menor para la maderalaminada encolada y adems, con un coeficiente de varia-cin muy elevado, comparado con la madera maciza.

De los resultados puede concluirse que la rigidez del con-junto se sita en un nivel relativamente bajo con respec-to al mximo; entre el 31 y el 44% para la madera maci-za. Sin embargo, para la madera laminada encoladadesciende al 22%. Esta baja rigidez de la conexin entrela madera y la pieza de acero puede explicarse por laexistencia de holguras en los agujeros de los taladrosdonde se alojan los tirafondos, que permiten cierto des-lizamiento entre ambos materiales. La madera laminadaestaba fabricada con abeto (Picea abies L. Karst) quepresenta una densidad inferior a la de la madera de pinoutilizada en las restantes probetas. Esta menor densidadpuede justificar la diferencia de comportamiento al darlugar a una conexin ms flexible.

La rotura de las piezas se alcanzaba por el fallo de la zonatraccionada en la pieza de madera. En ese momento elperfil de refuerzo no presentaba signos de pandeo localen las alas del perfil en U, ni tampoco se observaba defor-macin o rotura en los tirafondos. La rotura se producapor lo general en zonas prximas a nudos y en un 27%de los casos en una seccin fuera del tercio central.

5. CONCLUSIONES

El refuerzo de las vigas con los perfiles metlicos permi-te aumentar la rigidez de las mismas en un factor iguala 1,45 para las piezas de madera laminada, 1,98 para laspiezas de madera aserrada y de 1,87 para las piezas demadera antigua.

La capacidad resistente de las vigas (momento de rotu-ra) se incrementa en un factor igual a 1,36 para la made-ra laminada, 1,58 para la madera aserrada y 1,27 parala madera antigua. Los coeficientes de variacin de laspiezas reforzadas resultan prcticamente iguales a los delas piezas sin reforzar.

La conexin entre el perfil en U de acero y la maderamediante los tirafondos alcanza una rigidez relativamente




and with a high coefficient of variation, compared withsolid timber.

According to the results, the stiffness of the whole crosssection is relatively low with respect to the maximumvalue; 31 to 44% in solid timber. However, in gluedlaminated timber it decreases to 22%. This low stiffnessof the connexion between timber and steel, may beexplained because the holes for the screws have alooseness allowing sliding between both materials. Gluedlaminated timber was manufactured with spruce (Piceaabies L. Karst) and this wood has a density lower thanpine used in the rest of specimens. The lower densitymay explain the different behaviour as a result of a moreflexible connexion.

The rupture of beams was produced by failure in tensionside of the timber piece. Then, the steel cross section didnot have signals of local buckling of flanges of the Ushape section, and there was not deformation or failureof screws. The failure was, in general, close to knottyareas and in 27% of cases in a section out of centralthird of span.

5. CONCLUSIONS

The reinforcement of beams with steel pieces increasesthe bending stiffness by a factor of 1.45 for gluedlaminated timber, 1.98 for sawn timber and 1.87 for oldtimber beams.

The load-bearing capacity of beams (bending moment ofrupture) increased by a factor of 1.36 for gluedlaminated timber, 1.58 for sawn timber and 1.27 for oldtimber. The coefficient of variation of reinforced pieces isin practice equal to those of pieces withoutreinforcement.

The screwed connexion between U-shaped cross-sections and timber has a relatively low stiffness in

Tabla 5 / Table 5Incremento medio de la rigidez con respecto a la rigidez mnima.

Mean stiffness increment respect to minimum stiffness.

Material(EEII)eeff (EEII)mmiinn

. 100(EEII)mmaaxx (EEII)mmiinn

Coeficiente de variacin / CCooeeffffiicciieenntt ooff vvaarriiaattiioonn (%)

Madera laminada / Glued laminated timber 22 147

Madera aserrada / Sawn timber 44 10

Madera antigua / Old timber 31 26


BIBLIOGRAFA / BIBLIOGRAPHY

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baja, comparada con la rigidez mxima que podra en teo-ra alcanzarse. Esta conexin resulta de menor eficacia enlas piezas de madera laminada encolada, posiblementedebido a su menor densidad. En general, puede pensarseen una mejora de la rigidez mediante el encolado con resi-nas epoxi de las pletinas que se introducen en la madera.Otro procedimiento para mejorar la conexin puede ser lautilizacin de agujeros sin holgura para insertar los tira-fondos, pero dara lugar a dificultades en la ejecucin.

El sistema de refuerzo es viable en obra por la facilidadde trabajo y los resultados obtenidos. Se considera deinters aumentar el nmero de ensayos mejorando losaspectos de las conexiones entre materiales, para confir-mar los resultados obtenidos. Tambin se considera deinters la adaptacin de este sistema de refuerzo para elcaso frecuente de daos por pudricin en los apoyos delas vigas.

AGRADECIMIENTOS

Laboratorio de Estructuras de Madera del CIFOR-INIA,Madrid.



comparison with the maximum stiffness that can beattained in theory. This connexion is less effective inglued laminated timber pieces, probably due to the lowerdensity of Spruce. It would be possible to improve thestiffness by means of gluing with epoxy resins of platesinserted into timber. Other possibility to improve theconnexion could be the use of screw holes withoutlooseness, but it would increase the difficulty ofexecution at work.

This reinforcement system is useful in practice becauseit is easy to apply in situ and gives good results. It wouldbe necessary to increase the number of tests improvingthe stiffness of connection between materials to confirmthe results obtained. It would also be of practical interestto study the use of this system in the frequent case ofdeterioration at beam ends due to rotting.

ACKNOWLEDGMENTS

Laboratorio de Estructuras de Madera del CIFOR-INIA,Madrid.





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