ICC2104 Laboratorio Madera

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERA Departamento de Ingeniera y Gestin de la Construccin

ICC 2104 Tecnologa de Materiales de Ingeniera Civil

Laboratorio

Madera: Propiedades Fsicas y Mecnicas

Autores: Mauricio Lpez Javier Castro Ricardo Serpell, Profesores del Curso

Felipe Rivera Ivn Navarrete, Ayudantes del Curso Versin: 2015-1

Gua Laboratorio Madera ICC 2104

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Seccin 1: Antecedentes

1.1 Introduccin El uso cotidiano de la madera para mltiples propsitos hace necesario contar con informacin de sus propiedades mecnicas. La gran variedad de especies, la heterogeneidad del material, las condiciones continuamente cambiantes de suministro y los mltiples factores que afectan a los resultados de los ensayos resultan en tcnicas de ensayo nicas en cuanto a su complejidad. Sin duda una de las caractersticas ms relevantes de la madera como material de ingeniera es su higroscopa. Una de sus propiedades fsicas ms importantes es por lo tanto su contenido de humedad, el que ser medido en primera instancia para posteriormente verificar su efecto en las propiedades mecnicas de la madera, y particularmente en su comportamiento en flexin. Otra de las caractersticas importantes de la madera es su anisotropa, dado que est constituida por diferentes fibras, cada una con su respectiva distribucin espacial. Para comprender el comportamiento de la madera, se realizarn cinco ensayos mecnicos: compresin paralela y normal a la fibra, flexin esttica, traccin normal a la fibra y cizalle.

1.2 Contenido de humedad en la madera Objetivos Verificar emprica del efecto del contenido de humedad en las propiedades fsicas y mecnicas de la madera, conocer y practicar un mtodo de medicin del contenido de humedad de la madera.

Definiciones Madera anhidra: es la que se encuentra totalmente seca (H = 0%). Slo es posible obtenerla a

travs de secado en horno o estufa.

Contenido de humedad: corresponde a la masa de agua contenida en una pieza de madera en relacin al peso de esta pieza en estado anhidro, expresada como un porcentaje. Se puede calcular de la siguiente forma:

H(%) =P0PS

PS 100 H(%) = [

P0

PS 1] 100 (Ec. 1)

Donde:

: , 0: , : O bien:

H(%) =Masa de agua contenida en la pieza de madera

Masa de la pieza de madera anhidra 100 (Ec. 2)


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La clasificacin segn la humedad est dada por la siguiente figura:

H.E.: humedad de equilibrio; P.S.F: punto de saturacin de la fibra.

Figura 1: Clasificacin de la madera segn contenido de humedad

Punto de Saturacin de la Fibra (P.S.F.): es el contenido de humedad requerido para saturar las paredes celulares. Durante el secado este punto se alcanza cuando se ha eliminado toda el agua libre (originalmente presente en las cavidades) permaneciendo saturadas las fibras. Su valor promedio corresponde a un 30% de contenido de humedad.

Madera verde (o saturada): es aquella en la que el contenido de humedad excede el P.S.F., por lo que existe agua libre en las cavidades internas de las clulas que la componen.

Humedad de equilibrio: contenido de humedad en que la madera entra en equilibrio con la humedad relativa del medio ambiente que la rodea. En esta condicin la madera no cede agua interna al medio ambiente ni absorbe agua del medio ambiente. La humedad de equilibrio es propia de las condiciones de humedad y temperatura de cada localidad.

1.3 Propiedades Mecnicas, Isotropa y Anisotropa Objetivos Conocer y manejar los conceptos de isotropa y anisotropa en un material. Familiarizarse con el ensayo de compresin paralelo y normal (perpendicular) a las fibras, utilizando probetas de pino insigne y roble, y con los ensayos de traccin normal a las fibras y cizalle.

Contenido Humedad Estado

H < 20% Madera seca

20% < H < 30% Madera semiseca

H > 30% Madera verde


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Definiciones Resistencia y tensin: una probeta de un material determinado se deforma cuando se aplica

una carga sobre ella. Esta deformacin es principalmente del tipo elstico en el caso de los materiales frgiles y elstica-plstica en los materiales dctiles. Existe un estado mximo (ltimo) de carga y deformacin en el que el material de la probeta falla, y como consecuencia la probeta no es capaz de tomar cargas mayores. Sobre este punto se produce finalmente la ruptura de la probeta (o ruptura del material). En un ensayo uniaxial se puede considerar que la carga es aplicada de manera uniforme sobre la seccin de la probeta. De este modo se puede estimar el estado de tensin del material como carga por unidad de rea de la seccin. En consecuencia, la carga que produce la ruptura se traduce en una tensin de ruptura.

=P

A y en la ruptura: R =

PR

A (Ec. 3)

Donde : , : , : : , :

Isotropa: un material isotrpico presenta el mismo comportamiento en todas sus direcciones (propiedades no dependen de la direccin). Por ejemplo, el acero.

Anisotropa: un material anisotrpico presenta un comportamiento que depende de la direccin en que se est considerando (propiedades dependen de la direccin). Por ejemplo, la madera.

Direccin longitudinal: corresponde al sentido axial/longitudinal del tronco (o rama). En dicha direccin se encuentran las fibras longitudinales que son en ocasiones llamadas fibras de la madera (Figura 2).

Direccin radial: es la direccin desde el centro del tronco (o rama) hacia la corteza. All existen las denominadas fibras radiales que estn en el sentido radial de los anillos de crecimiento (Figura 2).

Direccin tangencial: es la direccin tangencial a los anillos de crecimiento. No existen fibras en esa direccin (Figura 2).

Figura 2: Direccin de fibras en la madera

Longitudinal

Radial

Tangencial


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1.4 Flexin esttica y efecto del contenido de humedad en las propiedades mecnicas Objetivos Visualizar el efecto del contenido de humedad en las propiedades mecnicas de la madera.

Definiciones Flexin: solicitacin aplicada sobre un elemento estructural del tipo viga y que consiste en la

aplicacin de una carga que produce un momento constante o variable en dicho elemento. Durante la aplicacin de la carga, se producen simultneamente en una misma seccin del elemento esfuerzos de traccin y compresin, cuya magnitud depende del momento que acta sobre la seccin y la posicin de la porcin de la seccin que se est analizando.

Flecha: deformacin experimentada por un elemento estructural del tipo viga sometida a una solicitacin de flexin. Es el descenso del eje neutro (o cualquier punto) experimentado por el elemento respecto a su situacin sin carga.


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Seccin 2: Actividades de Laboratorio

2.1: Medicin de contenido de humedad en la madera Equipos y Materiales En esta experiencia se utilizarn los siguientes equipos:

- higroscopio de resistencia elctrica - huincha de medir y pie de metro - balanza.

Adems se requerirn los siguientes materiales:

- Dos probetas de madera de pino insigne, ambas de 2x2x30, una en condicin seca y otra en condicin semiseca.

- Dos probetas de madera de roble, ambas de 2x2x30, una en condicin seca y otra en condicin semiseca.

Mtodos Se miden las principales caractersticas dimensionales de las probetas de madera con pie de metro y huincha de medir. Posteriormente se colocan en la balanza, registrando la masa de cada una de ellas. Se procede con los clculos de densidad de cada una de las probetas. Con el higroscopio (Figura 3) se miden y registran los contenidos de humedad en cada probeta. La medicin se realiza de la siguiente manera: se hacen penetrar las agujas del higroscopio en la probeta a una profundidad entre 0,5 y 1,0 cm y se registra el valor sealado por el higroscopio. La medicin se repite en las cuatro caras de la probeta y se calcula un promedio y desviacin estndar.

Figura 3: Higroscopio de resistencia elctrica


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2.2: Ensayos mecnicos en la madera Equipos y Materiales En esta experiencia se utilizarn los siguientes equipos:

- prensa universal Tinius Olsen y computador con sistema de recoleccin de datos - accesorios para ensayos de madera (compresin normal, traccin normal, cizalle y dureza) - balanza - pie de metro y huincha de medir

Adems se requerirn los siguientes materiales:

- Dos probetas de maderas distintas, una de pino insigne y una de roble, ambas de 2x2 de seccin y 7 cm de largo, cortadas segn norma para ensayo de traccin perpendicular a las fibras (Figura 4).

- Dos probetas de maderas distintas, una de pino insigne y una de roble, ambas de 2x2 de seccin y 7 cm de largo, cortadas segn norma para ensayo de cizalle (Figura 5).

- Dos probetas de maderas distintas, una de pino insigne y una de roble, ambas de 2x2 de seccin y 15 cm de largo, para ensayo de compresin paralela a las fibras.

- Dos probetas de maderas distintas, una de pino insigne y una de roble, ambas de 2x2 de seccin y 15 cm de largo, para ensayo de compresin perpendicular a las fibras.

- Dos probetas de maderas distintas, una de pino insigne y una de roble, ambas de 2x2 de seccin y 15 cm de largo, para ensayo de dureza.

- Placa de aplastamiento metlica cuadrada de 4 cm de lado.

Mtodos Esta seccin consta de cuatro ensayos mecnicos diferentes: compresin paralela a las fibras, compresin normal a las fibras, traccin normal a las fibras y cizalle. Antes de cada ensayo se deben medir las principales caractersticas dimensionales de las probetas de madera con pie de metro y huincha de medir, cuidando incluir el rea mnima que ser sometida a carga (ya sea compresin, traccin o corte). Tambin se debe medir la masa de cada probeta de madera. Los datos de carga y deformacin a lo largo de todos los ensayos sern registrados con el computador. a) Traccin normal (perpendicular) a las fibras: se instala la probeta en el accesorio de ensayo a traccin de la prensa. Se aplica carga en forma continua, sin choques y a velocidad uniforme hasta la rotura.

Figura 4: Ensayo a traccin perpendicular a las fibras


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b) Cizalle o corte paralelo a las fibras: se instala la probeta en el accesorio de ensayo de cizalle de la prensa. Se aplica carga en forma continua, sin choques y a velocidad uniforme hasta la rotura.

Figura 5: Cizalle paralelo a las fibras

c) Compresin normal (perpendicular) a las fibras: se instala la probeta en la prensa. Se aplica carga de compresin en forma continua, sin choques y a velocidad uniforme hasta la rotura. La carga se aplicar a travs de una placa de aplastamiento metlica, colocada sobre la superficie superior de la probeta (que tiene sus fibras paralelas al plano de la placa), a igual distancia de los extremos y formando un ngulo recto con la longitud de la probeta.

Figura 6: Comprensin perpendicular a las fibras


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d) Compresin paralela a las fibras: se instala la probeta en la prensa. Se aplica carga de compresin en forma continua, sin choques y a velocidad uniforme hasta la rotura. La probeta se pone sobre el plato mvil, que distribuye la carga en forma uniforme sobre la zona en contacto, procurando que las fibras queden normales al plano del plato. Finalmente se aplica la carga por medio de la mquina.

Figura 7: Comprensin paralela a las fibras

e) Dureza en direccin radial y tangencial: se instala la probeta bajo el accesorio de ensayo de dureza de la prensa. Se aplica carga de compresin en forma continua, sin choques y a velocidad uniforme hasta obtener una penetracin del accesorio de 6 mm y se registra la carga que la produce. El ensayo se realiza en las direcciones radial y tangencial de la probeta.

Figura 8: Dureza


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2.3: Ensayos de flexin en la madera en condicin seca y semiseca Equipos y Materiales En esta experiencia se utilizarn los siguientes equipos:

- prensa universal Tinuis Olsen, con computador con sistema de recoleccin de datos - accesorios para ensayo de flexotraccin - balanza - pie de metro y huincha

Adems se requerirn los siguientes materiales (utilizados previamente para la medicin de la humedad:

- Dos probetas de maderas distintas, una de pino insigne y otra de roble, ambas de dimensiones de 2x2x30 en condicin seca.

- Dos probetas de maderas distintas, una de pino insigne y otra de roble, ambas de dimensiones de 2x2x30 en condicin semiseca.

Mtodo Se miden las principales caractersticas dimensionales de las probetas de madera con pie de metro y/o huincha de medir. Posteriormente se coloca en la balanza registrando la masa de cada una de ellas y se calcula la densidad de cada probeta. Se repite la medicin de la humedad de cada probeta con los higrmetros del punto 2.1. Las probetas se ubican sobre 2 apoyos, dejando una luz de 70 cm entre ellos. Se aplica carga en forma continua, sin choques y a velocidad uniforme. Dicha carga se aplica centrada en la luz de la probeta, provocando deformaciones que sern registradas en 10 oportunidades mediante el sistema de recoleccin de datos del computador. Una vez producida la rotura, se registran las cargas ltimas.


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Seccin 3: Anlisis

3.1 Informacin a considerar en el anlisis de resultados En su experiencia de laboratorio se realizaron pruebas a un nmero limitado de muestras, por lo que los resultados pueden no representar adecuadamente las propiedades analizadas. Para evitar extraer conclusiones a partir de informacin limitada, su anlisis deber incluir resultados obtenidos por otros 4 grupos del curso. Los alumnos deben procurarse esta informacin coordinando con los dems grupos. Los grupos cuya informacin ha sido considerada en el anlisis deben ser identificados en el reporte (informacin provista por grupos A, B, C, D)

3.2 Presentacin de resultados Considerando los resultados de otros grupos, reporte los siguientes resultados: - Determinacin de las propiedades fsicas y mecnicas de las maderas ensayadas. - Grficos o figuras que establezcan relaciones entre propiedades cuando sea relevante. - Grficos o figuras que muestren y comparen los resultados de resistencia entre especies. - Grficos o figuras que muestren la relacin entre propiedades mecnicas y propiedades fsicas

cuando corresponda. Nota 1: Al mostrar los resultados promedio de los grupos considerados en el informe, presente o indique de algn modo la dispersin de los datos (ej: desviacin estndar, covarianza u otro que usted elija). Nota 2: Analice los grficos o figuras preparadas y presente un anlisis o interpretacin de estos resultados. Obtenga conclusiones a partir de esta informacin. Adicionalmente, considerando slo los datos obtenidos por su propio grupo: - Para los ensayos de compresin paralela y normal a la fibras se pide realizar una descripcin del

tipo de rotura (ver Anexo), un esquema de la rotura (incluir una foto), comparar resistencias y tipos de fallas, y analizar las razones de los resultados obtenidos. La explicacin debe basarse nicamente en el test desarrollado por el propio grupo.

- Para los ensayos de flexin esttica en condicin seca y semiseca se pide realizar los clculos de tensiones de traccin y compresin experimentados por ambas probetas en las fibras ms alejadas del eje neutro (ver Anexo). Esto se debe realizar para la carga de rotura y para un 50% de dicha carga.

- Calcular el mdulo de elasticidad en flexin (ver Anexo). Analizar los diferentes tramos observados en el grfico, comparar los dos tipos de madera y analizar el efecto de la humedad en cada una de ellas.

- Calcular la tenacidad de la madera en estado seco y semiseco y comparar dichos resultados. Incluya las unidades correspondientes.


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3.3 Preguntas especficas Adems de analizar la informacin generada en la experiencia, se les pide que investiguen para responder las siguientes preguntas. Para responder estas preguntas dispone de un mximo de dos hojas pginas adicionales en su informe. Incluya referencias cuando corresponda.

1. A partir de los resultados de los ensayos mecnicos realizados en el laboratorio, en qu direccin utilizara la madera para resistir esfuerzos en una estructura? De ejemplos en que se use la madera para resistir cada uno de los esfuerzos a los que se someti durante el laboratorio

2. Compare los valores de resistencia obtenidos, con los valores sealados por las normas para las especies madereras ensayadas en sus diferentes grados de calidad. A qu se debe la diferencia?

3. De qu modo se considera el fenmeno del creep en el diseo de estructuras de madera? 4. Investigue sobre la relacin precio-resistencia de los dos tipos de madera ensayados en el

laboratorio. Considerando que se desea construir una columna que soporte una carga de 40000 kgf con un 95% de confianza, Qu tipo de madera recomendara para la construccin de esta columna?

Recomendaciones adicionales:

- Procure que su informe refleje un trabajo grupal y no una suma de trabajos individuales impresos juntos.

- Elabore su informe como una descripcin coherente y organizada. Evite desarrollar sus respuestas como un punteo de los aspectos requeridos en su anlisis.

- Adems de una copia en papel, cada grupo deber entregar una versin electrnica (.pdf) de su informe el que debe ser subido el mismo da de su entrega al cuestionario correspondiente habilitado en la pgina del curso.


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Anexo

1. Flexin, tensiones y mdulo de elasticidad

=M

I (Ec. A1)

Con:

M =P L

4 I =

b h3

12 (Ec. A2)

Donde: I: momento de inercia, M: momento flector, : tensin en fibras ms alejadas (traccin compresin) y: distancia desde el eje neutro P: carga aplicada en el centro de la luz, L: luz entre apoyos, b: ancho de la seccin de la probeta h: alto de la seccin de la probeta De esta manera se obtiene la siguiente relacin para la tensin en el punto ms alejado del eje neutro (y = h/2). Esta ecuacin es vlida para una carga puntual aplicada en el centro:

=3 P L

2 b h2 (Ec. A3)

El clculo del mdulo de elasticidad en flexin se puede realizar usando lo siguiente:

=P L3

48 E I (Ec. A4)

Con: : deformacin (flecha), P: carga aplicada para dicha deformacin, L: luz entre apoyos E: mdulo de elasticidad, I: momento de inercia, b: ancho de la seccin de la probeta h: alto de la seccin de la probeta.


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Figura A1: Diagrama de momentos en ensayo de flexotraccin

2. Tipos de fractura ensayo a compresin:

Figura A2: Tipos de fractura en compresin de la madera

P

Eje Neutro

L

h

M


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3. Tipos de fractura ensayo flexin esttica:

Figura A3: Tipos de fractura en flexin esttica de la madera

Traccin simple

Traccin con desviacin de las fibras

Traccin fibrosa

Traccin frgil

Compresin

Esfuerzo de corte horizontal

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