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

Ingeniero Civil / Tradicionalmente, en Chile se han aplicado procesos de clasificación visual para seleccionar las láminas destinadas a la fabricación de madera laminada encolada (MLE). Por otro lado, estudios desarrollados en Europa han concluido que las propiedades que influyen significativamente en la capacidad resistente de la madera son el módulo de elasticidad, la inclinación de la fibra y la densidad. Estos atributos son complejos de controlar visualmente en un proceso industrial y por lo tanto se propone la utilización de grados mecánicos. Este trabajo de título explora potenciales incrementos en la capacidad resistente y rigidez en vigas de MLE de Pino radiata (PR), a través de procesos de clasificación basados en la densidad y la inclinación de fibra. De acuerdo a F. Colling una mejora en la calidad estructural de vigas de MLE sólo es alcanzable mediante un aumento de calidad de sus dos componentes: uniones endentadas y láminas de madera. En cuanto a las uniones endentadas se analiza el incremento de resistencia en empalmes, al modificar la producción y el adhesivo. Por lo cual, de acuerdo a los antecedentes de 95 probetas ensayadas a flexión y 160 a tracción, se identifica el criterio de producción, adhesivo escogido y resistencias alcanzadas. Por su parte, para evaluar la influencia de las láminas, se analizan incrementos en resistencia y rigidez en vigas, al variar su calidad y disposición. Se proponen así, 17 series, las cuales se forman al combinar 2 láminas clasificadas visualmente y 2 mecánicamente. Estas pueden estar dispuestas horizontalmente en toda la altura o ubicarse de manera vertical exclusivamente en el borde flexotraccionado. Los ensayos de 54 probetas arrojan que la incorporación de láminas de grados mecánicos aumenta el Módulo de Rotura (MR) a flexión característico entre un 40-50% y el Módulo de Elasticidad (MoE) medio en 45%, versus vigas con láminas clasificadas visualmente. Además, la ubicación de láminas verticales en la zona flexotraccionada arroja un aumento de MR a flexión característico entre un 30-40%, en contraste con el MoE medio que no experimenta cambios en comparación con vigas de láminas horizontales. Finalmente con ambas mejoras, el MR aumenta en 95% y el MoE en 50% con respecto a la viga tipo que se fabrica actualmente en el país.

[ES] Los edificios históricos tienen un gran valor arquitectónico y cultural y son un bien muy preciado de nuestra civilización. Por ello, no es de extrañar que se hagan grandes esfuerzos para conservarlos. Sin embargo, a pesar de los avances en la investigación, el fuego sigue siendo una amenaza importante para lograr la conservación del patrimonio construido. Además, los códigos de incendios actuales no suelen proporcionar directrices o métodos específicos que tengan en cuenta las características únicas de los edificios históricos. En consecuencia, conseguir que estos edificios cumplan la normativa de seguridad contra incendios evitando al mismo tiempo la pérdida de patrimonio supone un gran reto. En este contexto, la presente tesis doctoral se centra en el análisis de la resistencia frente al fuego de los forjados de viguetas de madera y revoltones de ladrillos, que pueden encontrarse en muchos edificios históricos de todo el mundo, utilizando enfoques deterministas y probabilistas basados en el rendimiento. Además, la tesis propone modelos probabilísticos para caracterizar las propiedades físicas y mecánicas de la madera contemporánea e histórica a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas, que se adoptan en dichos enfoques probabilistas. Debido a la singular geometría y configuración estructural de estos forjados históricos, los métodos establecidos por los códigos de incendios actuales para verificar su resistencia frente al fuego no son aplicables. Por ello, se propone una nueva metodología basada en el "Método de la sección reducida" de la actual EN 1995-1-2. A continuación, la metodología se aplica a un amplio número de forjados que abarcan diferentes luces, resistencias a flexión de la madera y exposiciones al fuego para evaluar la influencia de estos parámetros en la resistencia frente al fuego. Posteriormente, debido al considerable número de parámetros de entrada con una alta incertidumbre que influyen en la resistencia frente al fuego de los forjados de viguetas de madera y revoltones de ladrillos, se adopta un enfoque probabilístico. El análisis asume diferentes secciones transversales y luces para los forjados históricos, así como múltiples geometrías del sector de incendio. Además, considera la incertidumbre de las cargas permanentes y variables aplicadas, así como de las propiedades físicas y mecánicas de la madera a temperatura ambiente y a altas temperaturas. De este modo, en base a un gran número de simulaciones numéricas, se desarrollan curvas de fragilidad y se obtienen los índices de fiabilidad de los forjados históricos frente al fuego. Los resultados muestran que, aunque los enfoques probabilísticos pueden ayudar a preservar un número significativamente mayor de forjados históricos de viguetas de madera y revoltones de ladrillos, muchos de ellos pueden no cumplir los requisitos de resistencia frente al fuego establecidos por los códigos actuales, lo que es motivo de preocupación. Por lo tanto, llevar a cabo estos análisis resulta esencial para garantizar su resistencia frente al fuego y tomar medidas en caso necesario. En definitiva, esta tesis doctoral pretende promover la conservación racional de las estructuras históricas de madera y, en consecuencia, del patrimonio construido. Además, se prevé que los modelos deterministas y probabilistas propuestos también permitan el diseño de estructuras de madera más fiables y eficientes. Así, fomentando la rehabilitación frente a la demolición y la nueva construcción e incentivando el uso de la madera en nuevas estructuras, se puede contribuir también a la mejora de la sostenibilidad del sector de la construcción. Por último, se espera que esta tesis sirva para concienciar sobre la alta vulnerabilidad de los edificios históricos frente al fuego y, en última instancia, para fomentar futuras investigaciones encaminadas a la búsqueda de soluciones que permitan cumplir los requisitos de seguridad contra incendios sin comprometer el patrimonio existente. / [CA] Els edificis històrics tenen un gran valor arquitectònic i cultural i són un bé molt preuat de la nostra civilització. Per això, no és d'estranyar que es facen grans esforços per a conservar-los. No obstant això, malgrat els avanços en la investigació, el foc continua sent una amenaça important per a aconseguir la conservació del patrimoni construït. A més, els codis d'incendis actuals no solen proporcionar directrius o mètodes específics que tinguen en compte les característiques úniques dels edificis històrics. En conseqüència, aconseguir que estos edificis complisquen la normativa de seguretat contra incendis evitant al mateix temps la pèrdua de patrimoni suposa un gran repte. En este context, la present tesi doctoral se centra en l'anàlisi de la resistència al foc dels forjats de biguetes de fusta i revoltons de rajoles, que poden trobar-se en molts edificis històrics de tot el món, utilitzant enfocaments deterministes i probabilistes basats en el rendiment. A més, la tesi proposa models probabilístics per a caracteritzar les propietats físiques i mecàniques de la fusta contemporània i històrica a temperatura ambient i a temperatures elevades, que després s'adopten en els enfocaments probabilistes. A causa de la singular geometria i configuració estructural d'estos forjats històrics, els mètodes establits pels codis d'incendis actuals per a verificar la seua resistència al foc no són aplicables. Per això, es proposa una nova metodologia basada en el "Mètode de la secció reduïda" de l'actual EN 1995-1-2. A continuació, la metodologia s'aplica a un ampli nombre de forjats que abasten diferents llums, resistències a flexió de la fusta i exposicions al foc per a avaluar la influència d'estos paràmetres en la resistència al foc. Posteriorment, a causa del considerable nombre de paràmetres d'entrada amb una alta incertesa que influïxen en la resistència al foc dels forjats de biguetes de fusta i revoltons de rajoles, s'adopta un enfocament probabilístic. L'anàlisi assumix diferents seccions transversals i llums per als forjats històrics, així com múltiples geometries del sector d'incendi. A més, considera la incertesa de les càrregues permanents i variables aplicades, així com de les propietats físiques i mecàniques de la fusta a temperatura ambient i a temperatures elevades. D'esta manera, a partir d'un gran nombre de simulacions numèriques, es desenvolupen corbes de fragilitat i s'obtenen els índexs de fiabilitat dels forjats històrics davant del foc. Els resultats mostren que, encara que els enfocaments probabilístics poden ajudar a preservar un nombre significativament major de forjats històrics de biguetes de fusta i revoltons de rajoles, molts d'ells poden no complir els requisits de resistència al foc establits pels codis actuals, la qual cosa és motiu de preocupació. Per tant, dur a terme estes anàlisis resulta essencial per a garantir la seua resistència al foc i prendre mesures en cas necessari. En definitiva, esta tesi doctoral pretén promoure la conservació racional de les estructures històriques de fusta i, en conseqüència, del patrimoni construït. A més, es preveu que els models deterministes i probabilistes proposats també permeten el disseny d'estructures de fusta més fiables i eficients. D'esta manera, fomentant la rehabilitació per sobre de la demolició i la nova construcció i incentivant l'ús de la fusta en noves estructures, es pot contribuir també a la millora de la sostenibilitat del sector de la construcció. Finalment, s'espera que la present tesi doctoral servisca per a conscienciar sobre l'alta vulnerabilitat dels edificis històrics davant del foc i, en última instància, per a fomentar futures investigacions encaminades a la cerca de solucions que permeten complir els requisits de seguretat contra incendis sense comprometre el patrimoni existent. / [EN] Historic buildings hold significant architectural and cultural value and are a precious asset of our civilisation. It is therefore not surprising that great efforts are being made to preserve them. However, despite advances in research, fire remains a major threat to achieve the conservation of the built heritage. In addition, current fire codes generally do not provide specific guidelines or methods that address the unique characteristics of historic buildings. Consequently, bringing these buildings into compliance with fire safety regulations while avoiding heritage loss is a great challenge. In this context, the present doctoral thesis focuses on the analysis of the fire resistance of timber jack arch flooring systems, which can be found in many historic buildings around the world, using deterministic and probabilistic performance-based approaches. Furthermore, the thesis proposes probabilistic models to characterise the physical and mechanical properties of contemporary and historic timber at ambient and elevated temperatures, which are then adopted in such probabilistic approaches. Due to the singular geometry and structural configuration of these historic flooring systems, the methods established by current fire codes to verify their fire resistance are not applicable. Thus, a new methodology based on the "Reduced cross-section method" of the current EN 1995-1-2 is proposed. Then, the methodology is applied to a wide number of flooring systems covering different span lengths, timber bending strengths, and fire exposures to evaluate the influence of these parameters on the fire resistance. Subsequently, due to the considerable number of input parameters with high uncertainty that influence the fire resistance of timber jack arch flooring systems, a probabilistic approach is adopted. The analysis assumes different cross-sections, span lengths and geometries of the compartment where the fire occurs. Moreover, uncertainty in the applied permanent and live loads, as well as in the physical and mechanical properties of timber at ambient and elevated temperatures, is considered. Thus, based on a large number of numerical simulations, fire fragility functions are developed and the reliability indices of the historic flooring systems against fire are derived. The results of the fire resistance analyses show that, although probabilistic approaches can help to preserve significantly more historic timber jack arch flooring systems, many of them may not meet the fire resistance requirements set by current codes, which is a cause for concern. Conducting these analyses is therefore essential to ensure their fire resistance and take action where necessary. In summary, this doctoral thesis aims to promote the rational conservation of historic timber structures and, consequently, of the built heritage. Moreover, it is envisaged that the proposed deterministic and probabilistic models will also enable the design of more reliable and efficient timber structures. Thus, by fostering rehabilitation over demolition and new construction and by encouraging the use of timber in new structures, a more sustainable construction can also be achieved. Finally, the present doctoral thesis is expected to raise awareness of the high vulnerability of historic buildings to fire and, ultimately, encourage future research aimed at finding solutions that allow fire safety requirements to be met without compromising the existing heritage. / García Castillo, E. (2024). Analysis of the fire resistance of traditional timber flooring systems in historic buildings [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207365