1. El peso previsto en el diseño del suelo es mayor que el de los muebles y las personas reales
Cuando te paras sobre el tablero del suelo de una casa, ¿cuántos kilogramos de peso se han previsto para su construcción? La Ordenanza de Ejecución de la Ley de Normas de Edificación, en su artículo 85, establece que al calcular la estructura del suelo de las habitaciones residenciales, se debe considerar una carga de 1800 newtons por metro cuadrado [1]. El newton es una unidad de fuerza; al dividirlo por 9.8, se puede convertir en peso (kilogramos), lo que resulta en aproximadamente 184 kilogramos.
Para una habitación de 10 metros cuadrados, serían 1800 × 10 = 18000 newtons, es decir, unas 1.8 toneladas. Si lo换算amos a personas de 60 kilogramos, equivale a unas 30 personas. Sin embargo, esto es solo un número previsto en el diseño, no significa que se pueda cargar con 30 personas. El artículo indica que, en principio, la carga se calcula según la situación real del edificio, y los números de la tabla son una guía [1].
Entonces, ¿cuánto más pesado es este número que la vida real? Según una explicación de 1968, en investigaciones realizadas entre 1956 y 1958, el peso de los muebles y objetos en las salas de apartamentos era de 33 a 57 kilogramos por metro cuadrado, con un promedio de 43 kilogramos [2]. 184 ÷ 43 da aproximadamente 4.3 veces. Pero, como esto compara el número de diseño (que incluye el peso de las personas) con los datos de una encuesta de los años 50 que solo midió muebles, es mejor tomarlo como una estimación general. Aun así, ¿por qué se estima un peso tan alto?
2. Según la Ordenanza de Ejecución, el peso previsto cambia según la parte de la casa que se calcula
Incluso en las habitaciones de una misma vivienda, la tabla de la Ordenanza de Ejecución muestra tres números diferentes: 1800 para el cálculo estructural del suelo, 1300 para vigas principales, columnas y cimientos, y 600 para el cálculo de fuerzas sísmicas [1]. ¿Por qué se usan valores distintos para la misma habitación?
La explicación de 1968 indica que la carga de diseño se determina mediante la fórmula: «peso promedio de objetos × factor de concentración + peso promedio de personas × factor de concentración × factor de impacto (normalmente 1.25)» [2]. La idea es que en áreas pequeñas, la carga tiende a concentrarse en un punto, y a medida que el área aumenta, la concentración disminuye y se acerca al promedio.
Aplicando esta idea, para componentes que cubren áreas estrechas, como los tablones del suelo o los listones de soporte (neji), se usan números altos considerando situaciones donde se acumulan personas y objetos. Las vigas principales y las columnas soportan áreas más amplias, por lo que un número menor que el del suelo es suficiente. Para el cálculo de fuerzas sísmicas, el número es 600, el más bajo de la tabla legal [1]. La explicación de 1968 señala que para el cálculo sísmico que abarca todo el piso, se toma un valor cercano al peso promedio [2].
Los números cambian según el uso. Las aulas tienen 2300/2100/1100, y las oficinas 2900/1800/800; el número para el suelo de las aulas es aproximadamente 1.3 veces el de las viviendas [1]. Además, al calcular columnas y cimientos, se puede reducir la carga de diseño a medida que aumenta el número de pisos soportados: 0.95 veces para 2 pisos, 0.9 para 3 pisos y 0.6 para 9 pisos o más. Esta reducción no se puede aplicar a los suelos de las butacas de los teatros o las salas de reuniones [1]. ¿Cómo se calcula el peso real cuando las personas están sobre el suelo durante mucho tiempo?
3. El diseño del suelo supone que las personas están siempre, aunque solo estén unas horas
Recuerda un día en que tus amigos vinieron a casa. Aunque haya más gente en la sala, se quedan solo unas horas y se van por la noche. Sin embargo, según la explicación de 1968, las regulaciones de la época no trataban la carga de las personas como algo temporal. Para simplificar el manejo, la carga de diseño se trataba como una carga permanente, igual que el peso propio del suelo (carga fija), y se realizaban cálculos para cargas a largo plazo [2]. Además, la parte correspondiente a las personas incluye un factor de impacto (normalmente 1.25) [2].
Es decir, los suelos de esa época se verificaban bajo la premisa de que «el peso permanece mucho más tiempo» que «las personas suben temporalmente». Esta premisa está relacionada con las propiedades de la madera. Se sabe que si una viga de madera soporta una carga constante durante mucho tiempo, su flexión aumenta gradualmente [4]. Entonces, ¿cuánta flexión se permite?
Nota: Como compensación por las simplificaciones, se puede interpretar que el diseño se inclina hacia el lado de la seguridad.
4. El peso del suelo se transmite al terreno a través de listones, vigas y columnas
Cuando te paras sobre el suelo, ¿hacia dónde va el peso? En las casas de madera, el armazón del suelo del primer piso suele ser un «suelo de soporte» hecho de «listones» (neji), «vigas principales» (ōbiki), «pilotes» (tsuka) y «solera» (dodai); en el segundo piso, es un «suelo de vigas» con «listones», «vigas de suelo» y «vigas de borde» (dōbiki) [3].
Los listones (neji), que están justo debajo del tablero del suelo, transmiten la fuerza del suelo a las vigas. Las vigas son elementos horizontales que soportan cargas de la estructura del techo o del suelo en dos puntos [3]. Desde allí, el peso fluye a través de las columnas hacia el suelo.
Los tres números vistos en el capítulo anterior corresponden a esta ruta. Se usa 1800 para los tableros y listones, y 1300 para las vigas principales y columnas, porque a medida que el peso se transmite en cadena, la concentración en un solo punto se distribuye [2]. Para los listones y vigas que reciben el peso al inicio de la cadena, no solo se requiere resistencia, sino también otra condición: la «flexión».
5. Además de no romperse, el suelo no debe flexionarse demasiado
¿Qué problema surge antes de que el suelo se rompa? La explicación de la tabla de luces (spans) para la madera de cedro de la prefectura de Iwate establece que, para verificar que no haya inconvenientes en el uso, el valor máximo de flexión multiplicado por un coeficiente de aumento de deformación, dividido por la longitud efectiva de la viga, debe ser igual o menor a 1/250 [4]. En esta tabla, para madera con contenido de humedad del 20% o menos, el coeficiente es 2; para madera sin secar con más del 20%, es 3 [4].
La razón para multiplicar por el coeficiente radica en las propiedades de la madera. Si una carga constante actúa sobre una viga durante mucho tiempo, ocurre una «fluencia» (creep), donde la flexión aumenta gradualmente [4].
Por ejemplo, consideremos una viga con una longitud efectiva de 2 metros (2000 mm) y un coeficiente de 2. 2000 ÷ 250 = 8 mm es el límite superior; al multiplicar por 2, el cálculo debe mantener la flexión en 4 mm o menos. Este es un ejemplo de cálculo aplicado por el autor a la fórmula de condiciones, no un valor de diseño real. Este material utiliza la carga estándar de 1800 newtons/m² de la Ordenanza de Ejecución para los listones y vigas pequeñas del suelo, y también calcula con el doble (3600 newtons/m²) para oficinas y aulas [4]. Así, el grosor de la viga se determina no solo por si resiste el peso, sino también por cumplir la condición de flexión. ¿Cómo usar las vigas para reducir la flexión?
6. La misma madera se flexiona 4 veces menos si la viga está colocada en vertical que en horizontal
La altura de la viga (hōsei) es importante porque el momento de inercia de la sección, que representa la resistencia a la flexión de una sección rectangular, se expresa como I = bh³/12 (donde b es el ancho y h es la altura) [5]. La flexión es inversamente proporcional a I.
Si se duplica la altura de la viga, I se multiplica por 2³ = 8, y la flexión se reduce a 1/8 bajo la misma carga y longitud. Si se duplica el ancho, I solo se multiplica por 2. Por ejemplo, si se usa una viga de 105 × 210 mm verticalmente, I es aproximadamente 4 veces mayor que si se usa acostada (valor de cálculo). Sin embargo, la madera tiene nudos, por lo que no siempre se comporta según la teoría.
Por estas razones, las vigas se usan con mayor altura que ancho. Se cree que la tabla de luces del capítulo anterior calcula aumentando la altura de la viga en incrementos de 30 mm debido a la gran eficacia de esta medida [4].
Prueba en casa: Haz dos tiras de cartón de unos 20 cm de largo y 3 cm de ancho. Deja una tal cual y dobla los extremos de la otra para darle altura. Colócalas entre dos libros y pon monedas de 10 yenes (o equivalentes) en el centro una por una, comparando cuál se hunde más primero. Ten cuidado con los bordes del papel para no cortarte.
7. Qué puedes observar bajo el suelo de tu casa y en los suelos de las aulas
Si tu casa tiene una boca de inspección del sótano, puedes pedirle a un adulto que abra la tapa y mirar dentro. No entres en el espacio bajo el suelo, solo ilumina con una linterna. Lo que se ve varía según la casa, pero si ves materiales delgados alineados, podrían ser los listones (neji). Observar en qué dirección están alineados te permite verificar con tus propios ojos el flujo de «listones a vigas» explicado en el capítulo anterior.
Otra forma es leer el texto legal. Al abrir el artículo 85 de la Ordenanza de Ejecución en el buscador de leyes e-Gov, verás tres números alineados para cada uso: habitaciones residenciales, oficinas, aulas, tiendas departamentales, etc. [1]. Puedes calcular tú mismo cuántas veces es el número para cada suelo dividiéndolo por 1800 newtons.
Los números alineados allí difieren según el uso de la habitación. ¿Qué números hay para lugares donde se reúnen muchas personas, como gimnasios o pasillos?
Nota de seguridad: Una opción es usar la boca de inspección del sótano: pide a un adulto que abra la tapa, no entres en el espacio bajo el suelo, ilumina con una linterna y observa la dirección de los listones y vigas.