Computational Analysis of Cross-Laminated Timber (CLT) Under Elevated Temperatures

Resumen Técnico: Análisis Computacional de Madera Contralaminada (CLT) bajo Temperaturas Elevadas

Planteamiento del Problema
La madera contralaminada (CLT) está experimentando un crecimiento exponencial en la construcción debido a su sostenibilidad, estabilidad dimensional y ventajas de prefabricación. Sin embargo, la falta de una comprensión integral de su comportamiento termomecánico bajo condiciones de incendio dificulta su aplicación generalizada. Si bien la madera forma naturalmente una capa de carbonización protectora que aísla el núcleo interno, el rendimiento del CLT es complejo debido a su estructura de capas ortogonales, las propiedades de los adhesivos y el uso de conectores metálicos (tornillos, clavos), que pueden actuar como puentes térmicos. Cuando se exponen a altas temperaturas, las conexiones metálicas pierden resistencia, lo que puede comprometer todo el sistema estructural. Los estándares de diseño actuales, como el Eurocódigo 5, proporcionan métodos de cálculo para la carbonización, pero requieren una mayor validación con respecto a la interacción entre las variaciones en el espesor de las capas, la transferencia de calor y la integridad de las conexiones.

Metodología
Este estudio empleó simulaciones computacionales utilizando el software Ansys para analizar el comportamiento termomecánico de paneles de piso de CLT bajo exposición al fuego. La investigación utilizó el Método de los Elementos Finitos (FEM) con los siguientes parámetros:

• Especímenes: Tres configuraciones de paneles (P1, P2, P3) con 3, 5 y 7 capas, respectivamente. Los espesores totales fueron de 10 cm, 16 cm y 22 cm. Los paneles fueron modelados utilizando Pinus spp. (Clase de resistencia C24) con adhesivos a base de poliuretano.
• Geometría y Carga: Los paneles medían 40x60 cm. Se aplicó una carga uniformemente distribuida (considerando el peso propio y las cargas accidentales), la cual variaba ligeramente según el espesor del panel (6.19 a 6.86 kN/m²).
• Conectores: Se utilizaron tornillos HBS ø 10TX80, espaciados a intervalos de 10 cm, asumiendo un contacto adherido entre el acero y la madera para simular la interacción mecánica y la transferencia de calor.
• Exposición al Fuego: Las simulaciones siguieron la curva de temperatura-tiempo de la norma ISO 834-1. Los paneles fueron expuestos a temperaturas que oscilaron entre 200 °C y 1200 °C durante una duración de 60 minutos (3600 segundos).
• Etapas de Análisis: Se realizó un análisis secuencial de dos etapas: primero, un análisis térmico transitorio para determinar la distribución de la temperatura; segundo, un análisis mecánico incorporando el campo de temperatura resultante para evaluar desplazamientos y tensiones.
• Monitoreo: Se definieron nueve puntos nodales a través del espesor del panel (externo, interno y central) para rastrear los gradientes de temperatura y la penetración del calor.

Resultados Clave

• Penetración Térmica y Carbonización: A medida que la temperatura aumentaba, se observó la transferencia de calor hacia el interior de la sección transversal. El panel de 3 capas (P1) exhibió una penetración de calor significativa, con temperaturas internas acercándose al umbral de carbonización (aprox. 300 °C) a la marca de los 45 minutos. En contraste, los paneles de 5 capas (P2) y 7 capas (P3) mostraron una evolución térmica limitada; las capas externas carbonizadas aislaron eficazmente el núcleo interno, manteniendo las temperaturas internas significativamente más bajas (por ejemplo, los puntos internos de P3 se mantuvieron por debajo de 70 °C incluso con una exposición externa de 1200 °C).
• Temperaturas de los Conectores: Los tornillos metálicos actuaron como puentes térmicos, pero el número de capas circundantes influyó significativamente en su temperatura. En P1, las temperaturas de los tornillos alcanzaron un máximo de 162.3 °C. En P2 y P3, las temperaturas máximas de los tornillos fueron de 126.3 °C y 175.9 °C respectivamente (notando que el valor más alto de P3 ocurrió en la punta más cercana al fuego, aunque el texto indica que P1 generalmente tuvo una mayor interferencia interna). Crucialmente, en todos los casos, las temperaturas de los tornillos se mantuvieron por debajo del umbral de 200 °C, citado frecuentemente como el límite para mantener las propiedades del conector, aunque el estudio señala que los efectos térmicos indirectos aún pueden influir en la capacidad mecánica.
• Desplazamientos: Bajo la carga inducida por el fuego, todos los paneles exhibieron un crecimiento de desplazamiento lineal con el tiempo. P1 (3 capas) demostró la mayor deflexión, desplazándose un 6.3% más que P2 y un 8.2% más que P3. El desplazamiento vertical máximo para P1 fue de 6.15x10⁻¹ mm, mientras que P3 mostró el menor movimiento (5.33x10⁻¹ mm).
• Movimiento de los Tornillos: Los desplazamientos horizontales y verticales de los tornillos fueron mínimos debido a las condiciones de soporte fijo. Las variaciones horizontales máximas fueron del orden de 10⁻² mm. Los desplazamientos verticales mostraron un efecto de "extracción" (pull-out) para los tornillos exteriores y un movimiento hacia adentro para los tornillos interiores debido a las tensiones de flexión, siendo P1 el que mostró las mayores deflexiones.

Significancia y Conclusiones
El estudio concluye que aumentar el espesor y el número de capas en los paneles de CLT mejora significativamente el desempeño termomecánico bajo condiciones de fuego. Las configuraciones más gruesas (5 y 7 capas) proporcionan un aislamiento superior, retrasando la transferencia de calor al núcleo y protegiendo las conexiones metálicas de alcanzar temperaturas críticas que comprometan la integridad estructural.

La investigación valida que, si bien los paneles de CLT experimentan una reducción de sección debido a la carbonización, la estructura multicapa mantiene la estabilidad estructural mejor que las configuraciones más delgadas. Los hallazgos sugieren que los elementos de CLT más gruesos reducen la degradación de la rigidez y la resistencia de la madera durante la exposición al fuego y retrasan el inicio del fallo en las zonas de conexión. Sin embargo, los autores sostienen que la respuesta térmica sigue siendo altamente dependiente de la intensidad y la duración de la exposición al fuego. El estudio refuerza la utilidad de la simulación computacional para predecir estos comportamientos, ofreciendo datos que se alinean con las observaciones experimentales respecto a las propiedades aislantes de las capas carbonizadas y el papel protector del aumento del espesor del panel.