DISEÑO DE DISPOSITIVOS PARA REALIZAR ENSAYOS EN
PROBETAS DE MADERA NORMALIZADAS.
Claudia Beatriz Cardozo Vázquez; Lilian Raquel Rivas Cohene; Prof. Ing.
Angélica Ayala Piola
Facultad de Ciencias y Tecnología, Universidad Católica “Nuestra Señora de la Asunción” Tte. Cataluppi y G. Molinas, Asunción, Paraguay
Teléfono: 595 21 334650 Fax: 595 21 311820 e-mail: [email protected]
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RESUMEN
Los ensayos mecánicos en probetas de madera normalizadas solo podían ser realizados en el Paraguay en el Instituto de Nacional de Tecnología y Normalización (I.N.T.N.) y en el Instituto Forestal de la Facultad de Agronomía, con equipos especiales. Mediante el diseño y la creación de dispositivos adaptadores de la prensa electrohidráulica, los ensayos de Compresión Axial, Cizallamiento Paralelo a la Fibra y Flexión Estática pueden ser realizados hoy día en el Laboratorio de Ingeniería Civil (LIC) de la Facultad de Ciencias y Tecnología. Mediante los diversos procedimientos de ensayos físicos y mecánicos se trata de tener una idea más completa sobre las propiedades del material para anticipar su comportamiento a las cargas que será sometido a lo largo de su vida útil y asegurar su buen funcionamiento.
Por medio de este proyecto el Laboratorio de Ingeniería Civil contará con recursos para realizar ensayos mecánicos en probetas de madera sin necesidad de acudir a otras instituciones, además de facilitar la comprensión de los conceptos estudiados durante la carrera.
Palabras Claves: dispositivos, prensa electrohidráulica, probetas normalizadas, ensayos mecánicos.
ABSTRACT
In Paraguay, mechanical tests in standardized wood blocks could only be made in the National Institute of Standards and Technology (INTN) and the Forestry Institute of the Agronomy College, with special equipment. By designing and building devices for the electrohydraulic press, Axial Compression, Shear Parallel to Grain and Static Bending tests, may be performed today at the Civil Engineering Laboratory (LIC) of the Science and Technology College. Through several physical and mechanical tests, it is possible to have an idea about the properties of the wood and anticipate its behavior to any action which will be submitted over its useful life and ensure its correct operation.
Through this project the Laboratory of Civil Engineering will have the resources to perform mechanical tests on wood without having to depend on others institutions as well as making easier the understanding of concepts studied during the career.
1. INTRODUCCIÓN
La madera es un material con propiedades y características que dependen no sólo de su composición sino de su constitución, o de la manera en que están orientadas las fibras que la conforman. En primer lugar se debe recordar que no es un material construido por el hombre, sino es un material obtenido de los troncos de los arboles, cuya finalidad es facilitar el crecimiento y supervivencia de los mismos. Tiene características muy convenientes para su uso como material estructural y como tal se ha empleado desde los inicios de la civilización. Sus propiedades no son uniformes para todas las especies de madera. Debido a estas variaciones es necesario caracterizar cada especie de madera a utilizar en la construcción. Mediante los diversos procedimientos de ensayos físicos y mecánicos se trata de tener una idea más completa sobre las propiedades del material para anticipar su comportamiento a las cargas que será sometido a lo largo de su vida útil y asegurar su buen funcionamiento.
Por lo tanto es de suma importancia conocer a fondo las características de la madera antes de su utilización para evitar posibles problemas que puedan llegar a surgir durante la vida útil de la pieza a utilizarse. De esta necesidad surge la idea de crear dispositivos que nos permitan estudiar las distintas características y el comportamiento de la madera a los diferentes esfuerzos a lo que es sometida.
2. ANTECEDENTES
La madera es un material fuertemente anisotrópico, ya que su resistencia es notablemente mayor en la dirección de las fibras que en las ortogonales a ésta. Sus inconvenientes principales son la susceptibilidad al fuego y la poca durabilidad en ambientes agresivos, que puede ser subsanada con un tratamiento apropiado. Tiene la capacidad de resistir fuerzas externas. Esta resistencia envuelve a una serie de propiedades mecánicas específicas y es esto lo que determina la adecuabilidad de las especies de maderas para los diferentes propósitos y usos.
A la hora de definir sus propiedades mecánicas hay que distinguir siempre entre la dirección perpendicular y la dirección paralela a la fibra. En este hecho radica la principal diferencia de comportamiento frente a otros materiales utilizados en estructuras como el acero y el hormigón. Las resistencias y módulos de elasticidad en la dirección paralela a la fibra son mucho más elevados que en la dirección perpendicular1.
Los factores que influyen, de forma significativa, en las propiedades mecánicas de la madera son:2
a) Contenido de humedad: La resistencia3 de la madera se reduce cuando aumenta su contenido de humedad. La resistencia a un esfuerzo dado es función del grado de humedad de la madera y, como consecuencia, la resistencia considerada no puede definirse con exactitud sino respecto a un grado de humedad determinado.
Relación entre el contenido de humedad y las propiedades mecánicas en la madera.3
1 FERNANDEZ VILLEGAS F., ECHENIQUE MANRIQUE R. Estructuras de Madera. Editorial Limusa. México. 1986. 2
SOILÁN A., Curso de Construcción en Madera. Calculo de Estructuras. Noviembre, 2005.
3
b) Duración de la carga: La duración de la carga es el tiempo durante el cual una fuerza actúa de forma constante (o intermitente con periodos breves de reposo) sobre una pieza. Ante una cierta carga, inferior al límite elástico, se deforma, perdiendo la deformación cuando cesa la carga, pero si se mantiene la carga durante un tiempo prolongado, la deformación inicial se va incrementando tomando valores que pueden llegar a ser superiores al doble del valor inicial
Diagrama de Carga - Deformación y Tiempo - Deformación.3
c) Calidad de la madera: La calidad de la madera se evalúa en función de los defectos que ésta contenga. Los defectos que disminuyen las resistencias son básicamente: alabeos, nudos, hendiduras, grietas y rajaduras.
Los ensayos mecánicos normalizados arrojan resultados de resistencia y deformación para las distintas especies de madera. Estos ensayos pueden ser4:
a) Compresión Axial o Paralela a la Fibra b) Compresión Perpendicular a la Fibra c) Módulo de Elasticidad
d) Flexión Estática
e) Cizallamiento Paralelo a la Fibra f) Cizallamiento Perpendicular a la Fibra g) Tracción Paralela a la Fibra
h) Tracción Perpendicular a la Fibra
En el presente trabajo se enfatizará acerca de las propiedades mecánicas de Flexión Estática, Compresión Axial o Paralela a la Fibra y Cizallamiento Paralelo a la Fibra.
2.1COMPRESION AXIAL O PARALELA A LA FIBRA
Bajo el esfuerzo de Compresión Paralela a la Fibra, la madera se comporta como un conjunto de tubos alargados que sufren una presión perpendicular a su longitud; sus secciones transversales son aplastadas y, en consecuencia, sufren disminución en sus dimensiones a medida que aumentan los esfuerzos aplicados a la pieza. En la dirección de las fibras se tienen valores máximos de resistencia a compresión, pues los haces fibroso resistentes actúan a modo de columna. El objetivo principal de este ensayo es la determinación de la rigidez a la compresión paralela a la fibra de un tipo específico de madera y se refiere a la resistencia de la madera bajo la acción de una carga en dirección paralela a las fibras.
Para determinar la tensión de rotura, los ensayos se realizaron en probetas de sección transversal cuadrada de 50 mm de lado y de 200 mm. de largo.
4
Probeta normalizada de madera para el ensayo de compresión axial.
Se debe poner especial cuidado en asegurar que la superficie de los extremos sean paralelas entre si y en ángulo recto al eje longitudinal. El eje longitudinal de la probeta debe ser paralelo a la dirección general de las fibras, de modo a asegurar que la carga sea axial
Para la determinación del esfuerzo de compresión paralelo a la fibra se necesita una prensa capaz de producir una fuerza mayor a 2 toneladas y un deflectómetro o un registrador automático de la curva fuerza – deformación5. Los datos para la curva de fuerza – deformación se registran de manera continua, incluso hasta después de la rotura de la probeta. Para obtener resultados uniformes y satisfactorios, es necesario que la rotura se produzca en el centro de la probeta.
La prensa a utilizar en este ensayo debe estar provista de dos placas, una superior y otra inferior, donde una es fija y la otra móvil. Debe poseer un mecanismo que permita regular la velocidad de la placa móvil. Si la prensa no posee un registrador automático de la curva fuerza – deformación debe contar con un deflectómetro de exactitud conforme a la exigencia del trabajo solicitado, debiendo dejar entre las abrazaderas un espacio de 150 mm. para colocar dicho deflectómetro6.
Posición del deflectómetro en la probeta.
2.2FLEXION ESTATICA
El comportamiento en flexión de una pieza de madera combina, simultáneamente, los comportamientos a tracción, compresión y corte. Es la resistencia de un cuerpo de prueba a una carga puntual, aplicada en el centro de la luz, determinando la tensión en el límite de proporcionalidad, tensión de rotura y el módulo de elasticidad. En este caso la pieza falla por tracción de las fibras inferiores.
Fuerzas actuantes en el ensayo de Flexión Estática.
5
ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas. Ensaios Físicos e Mecânicos de Madeira. MB-26 Método Brasileiro. 1940.
6
I.N.T.N. Instituto Nacional de Tecnología y Normalización. Norma Paraguaya NP° 119. Método de Determinación de Compresión Axial. Setiembre 1974.
Las probetas deben tener una dimensión de 50 mm x 50 mm. de sección transversal, según la NP N° 118 (Noma Paraguaya N° 118), pudiendo ser usadas las probetas de 20 mm x 20 mm, en caso de árboles de pequeño diámetro o cuando no se pueden extraer probetas largas. La longitud en ambos casos debe ser de 15 veces la altura de la sección transversal. Las probetas están simplemente apoyadas en sus extremos, sobre apoyos que no produzcan aplastamiento, roces u otros esfuerzos ajenos a la flexión, ya que al producirse uno de estos esfuerzos variarían los resultados obtenidos en el ensayo.
La prensa para realizar este ensayo debe tener un mecanismo que permita regular la velocidad lineal del ensayo. La carga es aplicada por medio de un cabezal de metal o madera cuyo peso específico no debe ser menor a 1 g/cm3
Se utiliza un deflectómetro para medir las flechas producidas en la mitad de la luz.
Cabezal de carga para probetas de 50 mm. x 50 mm. de sección transversal.
2.3CIZALLAMIENTO PARALELO A LA FIBRA
Es la resistencia ofrecida frente a la acción de una fuerza que tiende a desgajar o cortar la madera en dos partes cuando la dirección del esfuerzo es perpendicular o paralela a la dirección de la fibra. Si la fuerza es máxima en sentido perpendicular a la fibra será cortadura y si es mínima en sentido paralelo a las mismas será desgarramiento. En el caso de Cizallamiento Paralelo a la Fibra, el esfuerzo es resistido básicamente por la sustancia cementante (la lignina)
Para calcular el Esfuerzo Unitario Máximo se debe registrar la carga máxima que soporta la probeta durante el ensayo, la cual deberá ser aplicada en forma continua7.
Según la NP N° 118 se cortan las probetas de 50 mm. x 50 mm. x 65 mm, recortadas en una de sus caras según la Fig. N° 11 atendiendo que las superficies A, B, C sean paralelas entre si y perpendiculares a la dirección general a las fibras.
Para realizar el ensayo se debe poseer una prensa capaz de producir fuerzas mayores a 2 t. provista de una cizalla con la cual se aplicará la carga sobre la superficie B de la probeta.
3. DISPOSITIVOS REALIZADOS
Sistema de sujeción para la medición de la deformación en el ensayo de compresión paralela a la fibra.
Este sistema fue creado para el ensayo de Compresión Axial, Paralela a la Fibra como sujeción de los sensores que van registrando la fuerza aplicada por la prensa y la deformación de la probeta dando como resultado valores que permiten calcular el Modulo de Young y la Curva fuerza – deformación. Está hecho de aluminio y compuesto por cuatro tornillos cada uno que sirven para la sujeción a la probeta y la ubicación correcta del sensor durante la medición de la deformación.
Dispositivo para el ensayo de Cizallamiento paralelo a la Fibra.
Para el ensayo de Corte fue necesaria la creación de un dispositivo de sujeción de la probeta debido a su particular geometría. Este dispositivo está hecho con el objetivo de sujetar las
7
CENTRO DE INVESTIGACION PARA EL DESARROLLO (C.I.I.D.).Canadá/I.N.T.N. Determinación de Esfuerzos Admisibles para Cinco Especies de Maderas Tropicales del Paraguay. 1988.
probetas según la NBR 7190. Consta de dos piezas soldadas, una en forma de C de manera a que la probeta se encastre en ella sin desplazamiento alguno, y la otra, una base maciza de manera a soportar la fuerza ejercida al dispositivo. En la parte inferior posee una ranura donde se inserta a la prensa.
Dispositivo de apoyo para la probeta en el ensayo de Flexión Estática.
Se diseñó el dispositivo de manera a que las probetas no sufran aplastamiento en los apoyos y así lograr un estado de flexión simple. Para las medidas del dispositivo de apoyo se tuvo en cuenta la NP N° 117, aclarando que se diseñó el dispositivo para probetas pequeñas de 20mm x 20mm x 300mm según NP Nº 117, debido al reducido espacio que se disponía. El cabezal se construyó con acero SAE 1020, el cual está sujeto a la parte superior de la prensa por un bulón Allen, atendiendo las medidas especificadas en la NP N° 117, también teniendo en cuenta el peso específico del material.
3.1 PROCESO DE DISEÑO DE LOS DISPOSITIVOS
La prensa electrohidráulica una prensa con indicador electrónico digital, microprocesador y bomba electrohidráulica, que permite el control de la velocidad y avance del pistón. Posee una estructura reforzada que aporta rigidez y estabilidad. El pistón está hecho de teflón y bronce para su mayor durabilidad.
Prensa Electrohidráulica de la marca Solotest
De sus características, las más importantes son la carga aplicada y la exactitud, las mismas se pueden apreciar en la planilla a continuación.
Características de la Prensa Electrohidráulica.
3.1.1 DISEÑO DE DISPOSITIVO DE COMPRESION AXIAL
El mayor problema a salvar era diseñar un dispositivo de sujeción para el deflectómetro electrónico digital. Esto se pudo resolver teniendo en cuenta el dispositivo utilizado para ensayos de hormigón y adaptando de acuerdo a la forma de la probeta de madera utilizada para el ensayo de Compresión Axial según la NP N° 119 (Norma Paraguaya N° 119) Para lograr el objetivo se construyó un par de prismas huecos de aluminio de sección cuadrada de 80 mm x 80 mm de lado y 25 mm de alto, con un espesor de 2.5 mm De manera a imitar el dispositivo utilizado para el mismo ensayo pero en probetas cilíndricas de hormigón.
Cada prisma consta de cuatro orificios, los cuales alojan cada uno un tornillo que presiona a la madera para la sujeción de ésta al prisma, se ajustan en dos niveles distanciados entre sí 150 mm (exigidos por la NP N° 119), para registrar la deformación axial entre los prismas de acuerdo a la norma. También consta de una pestaña con una perforación donde se coloca una varilla para que los 150 mm de distancia entre los prismas sean exactos y reducir la variación del factor distancia, lo cual evita diferencia en los ensayos.
Prisma de sujeción para el deflectómetro electrónico digital.
3.1.2 DISEÑO DE DISPOSITIVO DE CIZALLAMIENTO PARALELO A LA FIBRA
Para adaptar el uso de la prensa a lo establecido por la NP N° 118 (Norma Paraguaya N° 118), y cuidando cualquier tipo de modificación que pueda alterar su característica principal y fin específico, se recurrió a los encargados del LIC quienes indicaron y explicaron las partes que pueden ser removidas de la prensa para que ésta no sufra ningún tipo de modificación. Para este dispositivo de adaptación se tuvo en cuenta la línea de acción de aplicación de la carga con el eje central de la prensa que mantiene una alineación con la rosca del bulón ubicado en la parte superior de la misma.
En primer lugar estos dispositivos es realizarían en hierro fundido debido a su gran dureza, pero muy frágil y quebradizo, no apto para la mayor parte de los usos a los que actualmente sometemos a este metal. Por estos motivos se decidió utilizar el Acero SAE 1020 que se caracteriza por ser un acero blando de bajo contenido de carbono que permite mayor seguridad en el manejo.
La cizalla con las siguientes dimensiones: 20 mm x 50 mm x 170 mm, cuenta con una ranura a rosca para el bulón de 3/8 pulgada. Va colocada en la parte superior de la prensa. La guía de cizalla tiene una sección de 110 mm x 70 mm y 25 mm de altura. La unión entre esta guía y la base central se realizó por medio de dos pernos, de manera a garantizar su estabilidad y sujeción.
Para evitar los esfuerzos producidos por rozamiento, la guía de la cizalla estará lubricada con aceite que se obtiene en el mercado con el nombre de aceite de maquina (combinación de aceites, densidad 0,8504 a 20°C, solubilidad en solventes orgánicos) y así mejorar el desplazamiento de la cizalla durante el ensayo.
El apoyo central de 25 mm x 70 mm y 65 mm de altura, se encuentra unido a su base por medio de elementos de soldadura. La base de dimensiones, 60 mm x 70 mm y 20 mm de altura también se encuentra soldada a la base del conjunto. Esta base de 160 mm x 160 mm y 25 mm espesor tiene cuatro cubos de acero de 10 mm x 10 mm x 10 mm adheridos a la base por medio de cuatro pernos. Con esto se logra el encastre del dispositivo al pistón inferior de la prensa logrando mayor estabilidad y seguridad al sistema.
Dispositivo terminado.
3.1.3 DISEÑO DE DISPOSITIVO DE FLEXION ESTATICA
Este diseño comprende una placa superior de 25 mm de espesor con un hueco de 50 mm x 30 mm. Esta placa está sujeta por cuatro soportes. Cada soporte se sujeta a la placa superior (la guía del cabezal de carga) por medio de 4 tornillos tipo Allen. Estos prismas miden 200 mm de altura. Los soportes están dispuestos de manera a dejar el espacio necesario para colocar y ajustar la probeta de madera para que ésta esté centrada durante el ensayo ya que la deformación se mide en el centro de la probeta.
Cada apoyo es un cilindro que pueden girar sobre su eje de manera a que no impida la deformación de la probeta. El sistema de apoyo de las probetas está diseñado de manera a que la misma no sufra desplazamiento horizontal. Además, el apoyo posee una pestaña lateral para evitar el corrimiento del mismo. El Cabezal consiste en una placa maciza de acero con una sección transversal de 50 mm x 30 mm. Posee una curvatura con un radio de 30 mm para la aplicación de la carga a la probeta pequeña de 200 mm x 200 mm.
Este cabezal, de sección transversal rectangular, mide 20 mm ± 3 mm y el extremo se curva con un radio de curvatura de 30 mm debido a las exigencias de las Normas Paraguayas. La curvatura se da en la parte más ancha de la sección del cabezal. En la parte superior contiene una perforación donde se enrosca el bulón allen de ¾” para su sujeción a la prensa.
Dispositivo terminado para el ensayo de Flexión Estática.
3.2 AUTOMATIZACION DE LA PRENSA
La automatización de la prensa se realiza con la colocación de dispositivos mecánicos y electrónicos que son necesarios para registrar los resultados de los ensayos de compresión axial y de flexión. En el ensayo de compresión axial los dispositivos transmiten los resultados a un ordenador, preparado con un software “Sistema de Ensayo Experimental”, que traduce los mismos, automáticamente y entrega las planillas, el gráfico carga - deformación y el coeficiente de Poisson. Un deflectómetro electrónico digital que mide la deformación axial y un calibre digital que mide la deformación transversal.
Para el ensayo de flexión se dispone del deflectómetro para medir la deformación de la probeta cuando se le aplica la carga. Los resultados obtenidos son la deformación y la curva carga – deformación.
4. ENSAYOS EN PROBETAS DE PELTOFHORUM DUBIUM (YVYRA PYTA)
A modo de comprobar el buen funcionamiento de los dispositivos se realizaron los ensayos en probetas normalizadas de madera Yvyra Pytá. Los ensayos realizados son ensayos en bruto y no dan valores para el dimensionamiento de estructuras.
4.1 COMPRESIÓN AXIAL
Los ensayos se realizaron en probetas de 5 cm x 5 cm x 20 cm.
4.2 CIZALLAMIENTO PARALELO A LA FIBRA
4.3 FLEXIÓN ESTÁTICA
4.4 RESULTADOS DEL I.N.T.N.
RESULTADOS DEL I.N.T.N.
MOR (Flexión - Kg/cm²)
MOE (Flexión - Kg/cm²)
MOR (Comp. Axial - Kg/cm²)
Cizallamiento (Kg/cm²)
1.050 119.420 570 166
Resultados derivados del I.N.T.N. en el año 1982.
ENSAYOS REALIZADOS EN EL LIC
MOR (Flexión - Kg/cm²)
MOE (Flexión - Kg/cm²)
MOR (Comp. Axial - Kg/cm²)
Cizallamiento (Kg/cm²)
1.048,96 113.676,92 571,96 166,00
Resultados Obtenidos en el LIC.
5 CONCLUSIONES
Se logró diseñar y construir dispositivos adaptadores para la prensa electrohidráulica del Laboratorio de Ingeniería Civil de la Facultad de Ciencias y Tecnología. Estos dispositivos permiten realizar ensayos mecánicos de Compresión Axial, Cizallamiento Paralelo a la Fibra y Flexión Estática en probetas normalizadas de madera, según las Normas Paraguayas de Madera; sin necesidad de acudir a otras instituciones.
Para la comprobación del buen funcionamiento de los dispositivos se realizaron ensayos en probetas de madera y los resultados fueron comparados con los resultados derivados del I.N.T.N. Dichos resultados arrojaron las siguientes diferencias: 0,34% en el ensayo de Compresión Axial, 3,34% en el ensayo de Cizallamiento Paralelo a la Fibra y 3,34% para el ensayo de Flexión Estática. Estas diferencias son debido a que se trata de un material obtenido de los arboles donde el hombre no tiene participación en su fabricación, son arboles distintos, de distintos origen y sobres todo, de distintas épocas.
De esto podemos concluir que los dispositivos arrojan resultados satisfactorios y los mismos pueden ser utilizados para realizar ensayos mecánicos veraces, siguiendo los procedimientos establecidos en el Manual de Procedimientos y realizando los ensayos según las Normas Paraguayas de Madera.
4 AGRADECIMIENTOS
A la Ingeniera Angélica Ayala por encaminarnos y ayudarnos durante todo el desarrollo de esta tesis.
Al Ingeniero Adolfo Chirife y a la Ingeniera Norma Cantero por sus oportunas sugerencias y orientaciones