UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
ESTÚDIO TECNOLÓGICO DE LA MADERA COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN
I. RESU RESUME MEN N En el pres resente ente info inform rme e se desc escrib ribe los los proce roced dim imie ient nto os en cuant uanto o a la determinación de las propiedades físicas y mecánicas mecánicas de la madera, se trabajo con con probet probetas as están estándar dar para para los difere diferente ntes s ensayo ensayos. s. Una vez prepar preparada adas s las probetas, se determinaron las dimensiones reales de cada una de las maderas para determinar su volumen en forma exacta, seguidamente se peso la muestra en su estado natural; luego se colocaron las muestras en el orno por !" oras a una temperatura de #$%& utilizando estos datos procedimos a calcular la densidad verde, seca al aire libre, anidra y básica, volumen verde, contenido de umedad, etc. 'btenidos ya los resultados para cada cada propiedad física, realizamos realizamos la prueba de la resistencia a la compresión, flexión estática, tracción, contracción, corte o cizallamiento para finalmente acer ensayos de dureza.
II. INTROD INTRODUCC UCCIÓN IÓN (a madera proviene de los árboles. Este es el eco más importante a tener presente para entender su naturaleza. El origen de las cualidades o defectos )ue posee pueden determinarse a partir del árbol de donde proviene. (a madera tiene una compleja estructura natural, dise*ada para servir a las necesidades func funcio iona nale les s de un árbo árboll en vida vida,, más más )ue )ue ser ser un mate materi rial al dise dise*a *ado do para para satisfacer necesidades de carpinteros. El conoci nocimi mien ento to sobre obre la natura turale leza za de la mader adera, a, car caracte acterí ríst stic icas as y comportamiento, es necesario para establecer y efectuar un buen uso de este mate materi rial al.. En este este aspe aspect cto o radi radica ca la im impo port rtan anci cia a de )ue )ue exis exista ta info inform rmac ació ión n adecuada y estructurada a los actuales re)uerimientos, ya )ue permite a los profesionales )ue intervienen en el dise*o, cálculo y ejecución de construcciones en madera, realizar una acertada gestión y correcta utilización del material, con el objeto de cumplir altos estándares de calidad y bienestar, a precios convenientes en el mercado de la vivienda. TECN. DE LOS LOS MATERIALES MATERIALES DE DE CONSTRUCCION CONSTRUCCION
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(a madera es istóricamente uno de los materiales más utilizados por el ombre. +ctualmente, en la mayoría de los países desarrollados su uso como material estructural alcanza a más del $- de la construcción abitacional de a " pisos.
III. OBJETI OBJETIVOS VOS a) OBJE OBJETI TIVO VO GENE GENERA RAL L •
/eterminar las propiedades propiedades físicas y mecánicas de la madera.
b) OBJETI OBJETIVOS VOS ESPECÍ ESPECÍFIC FICOS OS •
0ealizar los ensayos físicos de cada una de l as probetas de madera.
•
0ealizar los ensayos mecánicos de cada una de las probetas de madera.
•
/eterminación de los esfuerzos de trabajo para cada probeta.
•
1amiliarizarnos con los e)uipos e instrumentos del laboratorio.
•
2mplementar el trabajo en e)uipo.
•
2ncorporar las especies estudiadas a los grupos estructurales.
IV. IV. ALCAN ALCANCES CES El pres presen ente te traba trabajo jo es una una inve invest stig igac ació ión n prim primar aria ia para para la buen buena a forma formaci ción ón acad3mico4profesional acad3mico4profesional de los estudiantes de ingeniería civil. 5ervir como fuente bibliográfica para los estudiantes y profesionales relacionados con el acer de la ingeniería civil.
V. JUSTIFICA JUSTIFICACIÓN CIÓN 6alidamos el siguiente trabajo debido a su trascendencia en la formación del alumno de ingeniería, así como la metodología para determinar las propiedades ingenieriles de la madera como material de construcción y sus adecuados usos en este campo.
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VI. MARCO TEÓRICO
+l acer un corte transversal de un árbol y analizar desde el exterior acia el interior una sección de 3ste, se pueden apreciar zonas claramente diferenciadas, las cuales cumplen funciones específicas7 •
(a primera zona apreciable es la corteza, formada por materia muerta, de aspecto res)uebrajado, )ue se divide en corteza exterior y corteza interior 8floema9. (a corteza exterior está compuesta por c3lulas muertas )ue cumplen la función de proteger la estructura interior frente a agentes climáticos y biológicos.
Sección transversal de un tronco en que se muestra la corteza exterior y la corteza interior o floema.
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•
5iguiendo acia dentro se encuentra la corteza interior, compuesta por c3lulas )ue trasladan savia elaborada. En la sección transversal del tronco se muestra el cambium o cambio, que se encuentra adyacente al xilema y hacia la corteza.
•
•
(uego se presenta el cambium o cambio, zona )ue corresponde al tejido generador de c3lulas, es decir, donde se produce el crecimiento del árbol. :acia el interior forma el xilema y acia el exterior, forma el floema. En el xilema podemos distinguir la albura acia el exterior, con c3lulas )ue cumplen la función de sost3n y traslado de agua y nutrientes.
La zona al interior del cambium es la albura •
:acia el interior del xilema se forma el duramen, compuesto por c3lulas inactivas, pero )ue mantienen la función de sost3n.
Al interior de la albura se encuentra el duramen
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•
En el centro del árbol se encuentra la m3dula, tejido inactivo sin función específica.
En el centro se ubica la médula •
'tra de las características relevantes del árbol en su sección transversal son los denominados anillos de crecimiento 8conc3ntricos9, los cuales son apreciables a simple vista, dependiendo de la especie. (as especies madereras, como se detallará más adelante, se clasifican en dos grandes grupos7 coníferas y latifoliadas. En las primeras, los anillos de crecimiento son perfectamente diferenciables, mientras )ue en las segundas, no son tan apreciables.
Anillo de crecimiento anual.
En las coníferas se pueden apreciar dos bandas conc3ntricas, diferenciadas en los anillos de crecimiento. (a banda más clara es denominada madera de primavera o temprana. (a banda más oscura, más densa )ue la de primavera, es la madera de verano o tardía. En esta ltima, al llegar el receso invernal puede observarse la reducción de su crecimiento.
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Madera de rimavera o temrana y madera de verano o tard!a
PROPIEDADES FÍSICAS DE LA MADERA Conten!o !e "#$e!a! (a estructura de la madera almacena una importante cantidad de umedad. Esta se encuentra como agua ligada 8savia embebida9 en las paredes celulares y como agua libre, en el interior de las cavidades celulares.
Peso delagua x 100 Peso de madera seca en c á mara
=
/onde7 Peso del agua Peso madera h ú meda Peso madera seca en c á mara =
−
Den%!a! !e &a $a!e'a &omo se sabe, la densidad de un cuerpo es el cociente formado por masa y volumen. En la madera, por ser igroscópica, la masa y el volumen varían con el contenido de umedad; por lo )ue resulta importante expresar la condición bajo la cual se obtiene la densidad. Esta es una de las características físicas más importantes, ya )ue está directamente relacionada con las propiedades mecánicas y durabilidad de la madera. /ensidad +nidra7 0elaciona la masa y el volumen de la madera anidra 8completamente seca9. /ensidad =ormal7 +)uella )ue relaciona la masa y el volumen de la madera con un contenido de umedad del !-. TECN. DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION
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/ensidad >ásica7 0elaciona la masa anidra de la madera y su volumen con umedad igual o superior al ?$-. /ensidad =ominal7 Es la )ue relaciona la masa anidra de la madera y su volumen con un contenido de umedad del !-. /ensidad de 0eferencia7 +)uella )ue relaciona la masa y el volumen de la madera ambos con igual contenido de umedad.
Cont'a((n * e+,an%n !e &a $a!e'a El secado de la madera por debajo del punto de saturación de la fibra, provoca p3rdida de agua en las paredes celulares, lo )ue a su vez produce contracción de la madera. &uando esto ocurre se dice )ue la madera @trabajaA.
Madera verde y madera seca
(as dimensiones de la madera comienzan a disminuir en los tres ejes anteriormente descritos7 tangencial, radial y longitudinal. 5in embargo, en este proceso la contracción tangencial es mayor a la )ue se produce en un árbol.
PROPIEDADES MEC-NICAS DE LA MADERA Gene'a&!a!e% (as propiedades mecánicas de la madera determinan la capacidad o aptitud para resistir fuerzas externas. 5e entiende por fuerza externa cual)uier solicitación )ue, actuando exteriormente, altere su tama*o, dimensión o la deforme. El conocimiento de las propiedades mecánicas de la madera se obtiene a trav3s de la experimentación, mediante ensayos )ue se aplican al material, y )ue determinan los diferentes valores de esfuerzos a los )ue puede estar sometida. TECN. DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION
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El esfuerzo )ue soporta un cuerpo por unidad de superficie es la llamada tensión unitaria. &uando la carga aplicada a un cuerpo aumenta, se produce una deformación )ue se incrementa paulatinamente. Esta relación entre la carga aplicada y la deformación )ue sufre un cuerpo se puede representar gráficamente por una recta. 8Bráfico 9, asta el punto donde se inicia el límite elástico del material ensayado. 5i se sigue aumentando la carga, se l ogra la rotura del material. El límite elástico se define como el esfuerzo por unidad de superficie, en )ue la deformación aumenta en mayor proporción )ue la carga )ue se aplica. El esfuerzo necesario para solicitar un material asta el límite elástico, determina la tensión en el límite de proporcionalidad, )ue es la carga máxima a )ue se puede someter sin )ue se produzcan deformaciones permanentes. (a &onstrucción de 6iviendas en Cadera <+B2=+ !?
"r#fica car$a % deformación
(a rigidez de un cuerpo se define como la propiedad )ue tiene para resistir la deformación al ser solicitado por fuerzas externas. (a medida de rigidez de la madera se conoce como módulo de elasticidad o coeficiente de elasticidad, calculado por la razón entre esfuerzo por unidad de superficie y deformación por unidad de longitud. &uando la carga resulta mayor a la del límite elástico, la pieza contina deformándose asta llegar a colapsar, obteniendo la tensión de rotura de la pieza de madera.
En%a*o%
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(os ensayos se realizan en dos estados de contenido de umedad, uno con probetas de umedad superior al ?$- 8estado verde9, y el segundo con probetas de umedad !- 8estado seco al aire9.
Co$,'e%n ,a'a&e&a a &a% b'a% Es la resistencia de la madera a una carga en dirección paralela a las fibras, la )ue se realiza en columnas cortas para determinar la tensión de rotura, tensión en el límite de proporcionalidad y módulo de elasticidad.
Esquema de ensayo de comresión aralela a las fibras
Co$,'e%n no'$a& a &a% b'a% Es la resistencia de la madera a una carga en dirección normal a las fibras, aplicada en una cara radial, determinando la tensión en el límite de proporcionalidad y tensión máxima.
Esquema de ensayo de comresión normal a las fibras.
F&e+n e%t/t(a Es la resistencia de la viga 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.
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Esquema de ensayo de la flexión est#tica
Tena(!a! Es la capacidad )ue tiene la madera de absorber energía al aplicar una carga )ue acta en forma instantánea.
Esquema de ensayo de tenacidad.
C0a&&e Es la medida de la capacidad de la pieza para resistir fuerzas )ue tienden a causar deslizamiento de una parte de la pieza sobre otra.
Esquema de ensayo de cizalle lon$itudinal.
5egn la dirección de las fuerzas )ue la producen se pueden clasificar en7
a. C0a&&e ,a'a&e&o tan1en(a& (a solicitación es paralela a las fibras y produce un plano de falla, tangente a los anillos de crecimiento.
Esquema de ensayo de cizalle aralelo tan$encial.
b. C0a&&e ,a'a&e&o 'a!a& (a solicitación es paralela a las fibras y produce un plano de falla perpendicular a los anillos de crecimiento.
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Esquema de ensayo de cizalle aralelo radial.
C&2a3e tan1en(a& * 'a!a& El clivaje es la resistencia )ue ofrece la madera al rajamiento.
Esquema de ensayo de cliva&e.
/ependiendo de la ubicación de los anillos de crecimiento con respecto al plano de falla, el clivaje puede ser tangencial y radial.
a. C&2a3e tan1en(a& El plano de falla es tangente a los anillos de crecimiento.
b. C&2a3e 'a!a& Es a)uel en )ue el plano de falla es normal a los anillos de crecimiento.
Esquema de ensayo de cliva&e radial.
DEFECTOS M-S COMUNES EN LAS MADERAS TECN. DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION
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A&abea!o4 comba de la cara del tablero en sentido longitudinal. Aba'5#&&a$ento4 concavidad de la cara del tablero en sentido transversal.
A'5#ea$ento4 comba del canto, conocido tambi3n como corona. N#!o o A1#3e'o !e N#!o4 un nudo apretado, por regla general, no es problemático. Un nudo suelto o muerto, rodeado de un anillo oscuro, puede desprenderse o puede aber dejado ya un agujero.
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6en!!#'a4 grieta )ue atraviesa toda la pieza de madera, generalmente en los extremos.
Reto'($ento4 el tablero está combado por mucos lugares.
G'eta en Cabe(e'a4 grieta paralela a los anillos de crecimiento anuales )ue no atraviesa toda la madera.
Ra3a!#'a4 separación de las fibras entre los anillos de crecimiento, )ue frecuentemente se extiende a lo largo de la cara del tablero y a veces por debajo de su superficie.
Canto Re!on!ea!o4 falta de madera o corteza no recortada a lo largo del canto o las es)uinas de la pieza.
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VII. MATERIALES EMPLEADOS E7UIPO A,a'ato !e (o$,'e%n 8Cá)uina Universal97 una má)uina con la )ue es posible someter materiales a ensayos de tracción y compresión para medir sus propiedades.
Deo'$8$et'o4 es un aparato )ue sirve para medir la deformación de la probeta ensayada en mm., esta medida va creciendo de acuerdo a las cargas )ue se le aplican a la probeta ensayada.
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C'on$et'o4 un instrumento de medición de tiempo )ue indi)ue el tiempo transcurrido con una precisión des para contralar la velocidad de compresión.
VIII. PROCEDIMIENTO4
5e pesaron y midieron las probetas antes de meterlas la mufla para obtener así el peso anidro.
(as probetas estándar se colocaron en el orno por !" oras a una temperatura de #$
# &D.
Una vez de cerciorarnos )ue la má)uina universal est3 calibrada se procede a colocar la muestra en la traviesa correctamente alineada.
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/eformimetro y limbo de carga listos para el ensayo
(uego se eca a andar la má)uina tomando en cuenta )ue se tomara el tiempo desde )ue se empieza el ensayo asta )ue finaliza. 5e leerá el deformímetro para cada nivel de carga. Esta prueba finaliza cuando la muestra falla y la aguja negra del limbo de carga regresa a su posición inicial, sabemos tambi3n )ue la aguja roja del limbo de carga indica la ltima carga del ensayo.
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(imbo de carga (uego procedemos a los cálculos segn la tabla correspondiente y se dibuja un gráfico )ue muestra la relación entre propiedades físicas y mecánicas.
I9. ENSA:OS PROPIEDADES FÍSICAS ;. DENSIDAD <=) Es la relación entre la masa del elemento y su volumen, la madera tiene cuatro tipos de densidades, las cuales son7
DENSIDAD VERDE4
ρv =
DENSIDAD BASICA4
ρb=
P ( verde ) Vol ( ap.verde )
P ( anhidro ) Vol ( ap.verde )
/eterminaremos la densidad verde y la densidad básica, para nuestras probetas estándar.
PROPIEDADES RESISTENTES ;. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN4 COMPRESIÓN PARALELA AL GRANO
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Es)uema de ensayo de compresión paralela a las fibras (a resistencia a la compresión es el esfuerzo máximo )ue puede soportar un material bajo una carga de aplastamiento.
Di&($n&a'"! '$
P!"#$%a
>. FLE9IÓN EST-TICA4
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Es)uema de ensayo de flexión estática Es la resistencia de la viga a una carga puntual, aplicada en el centro de luz, determinando la tensión en el límite de proporcionalidad, tensión de rotura y módulo de elasticidad.
Ensayo de fexión estática
?. ENSA:O DE TRACCIÓN El ensayo de tracción en ingeniería es ampliamente utilizado, pues suministra información sobre la resistencia de los materiales utilizados en el dise*o y tambi3n para verificación de especificaciones de aceptación. Estos ensayos son simulativos pues tratan de reproducir las condiciones reales de trabajo. El dispersorgrama se obtiene a partir de las medidas de carga y deformación. El valor del esfuerzo )ue soporta el material se define como F G p H área.
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(a deformación es la variación de la longitud la deformación unitaria se define como
εu =
ε t L
Iodos los materiales tienen una combinación de comportamiento elástico y plástico en mayor o menor proporción.
•
/imensiones de probeta para ensayo de tracción Una vez conseguida la probeta se procedió a ensayarla en la má)uina universal obteni3ndose los siguientes datos7
RESISTENCIA AL CORTE O CI@ALLAMIENTO
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Es)uema de ensayo de cizalle
Es la resistencia ofrecida frente a la acción de una fuerza )ue tiende a desgajar o cortar la madera en dos partes cuando la dirección del esfuerzo es perpendicular a la dirección de las fibras. 5i la fuerza es máxima en sentido perpendicular a las fibras será cortadura y si es mínima en sentido paralelo a las mismas será desgarramiento o endibilidad.
Cedidas de probeta estandar para ensayo de cizallamiento
. DURE@A DE LA MADERA
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Es)uema de ensayo de dureza >rinell
DUR!"
=
2 P
[
#D D
−
√ ( D
2 −
d
2
)]
< G &arga / G /iámetro de la esfera d G /iámetro de la parte de la esfera incrustada en la probeta
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