Métodos de prueba estándar para paneles estructurales en flexón 1
Esta norma es usada bajo la designación fija D3043; el número inmediatamente después de la designación indica el año de adopción original o, en el caso de revisión, el año de última revisión. Un número entre paréntesis indica el año de la última reprobación. Una épsilon sobrescrita (ε)
indica un cambio de editorial desde la última revisión o reprobación. 1. Alcance 1.1 Estos métodos de ensayos determinan las propiedades de flexión de tiras cortadas desde paneles estructurales o paneles de hasta 4 a 8 pies de tamaño. Los paneles estructurales para el uso de esta norma incluyen: contrachapado, waferboard, OSB y los compuestos por chapas y capas en base de madera. Cuatro métodos de ensayos son incluidos: Método A – A – Ensayo Ensayo de flexión en el punto central Método B – B – Ensayo Ensayo de flexión en dos puntos Método C – C – Ensayo Ensayo de momento puro Método D – D – Ensayo Ensayo de flexión para la garantía de Calidad
La elección del método será dictada por el propósito de la prueba, tipo de material y la disponibilidad del equipamiento. Todos los métodos son aplicables para materiales que son relativamente uniformes en propiedades de resistencia y rigidez. Solo el método C debe ser usado para pruebas de material con sospecha de tener variaciones en resistencia o rigidez, nudos, nudos-agujeros, áreas con distorsión de grano, ataque de hongos, variaciones amplias de crecimiento. Sin embargo, el método B puede ser usado para evaluar ciertas características como lagunas centrales y juntas de chapas en paneles de contrachapado donde los efectos son fácilmente proyectados al panel completo. El método C generalmente es preferido cuando el tamaño de los materiales a ensayar lo permitan. Los momentos aplicados a fallar de los especímenes ensayados por los métodos A, B o D en la que pueden ocurrir grandes deflexiones son considerablemente mayores que el nominal. Una aproximada corrección puede hacerse.
1.2 Método A, Prueba de flexión en el punto central – central – Este Este método es aplicable para materiales que son uniformes con respecto a las propiedades elásticas y de resistencia. La deflexión total y el modulo de elasticidad son calculados a partir de esta, incluyendo una componente relativamente constante atribuible a la deformación por cizalle. Este ensayo es adecuado para investigaciones de muchas variables que influyen en las propiedades uniformemente en todo el panel en estudios controlados y pruebas pequeñas, los especímenes de control sin defectos cortados desde paneles largos contienen defectos analizados por el método al gran espécimen.
1.3 Método B, Prueba de flexión en dos puntos- Este método como el método A esta situado a la investigación de factores que influencien las propiedades elásticas y de resistencia uniformemente en todo el panel, en controlados estudios, y a pruebas pequeñas, los controles de especímenes sin defectos cortados desde especímenes grandes son testeados por el método C. Sin embargo, se puede usar para determinar los efectos de las junturas, juntas de chapas y “gap”, y otras características que pueden ser colocados en su totalidad entre los puntos de carga y cuyos efectos pueden ser proyectados fácilmente a la anchura total del panel. La deflexión y el módulo de elasticidad obtenida desde este método son relacionados a esfuerzos de flexión solamente y no contienen una componente de cizalle. Los errores significativos en los módulos de ruptura pueden ocurrir cuando el momento nominal es usado. ( Ver Apéndice X1) 1.4 Método C, Prueba de momento puro- Este método es idealmente situado para evaluar los efectos de nudos, hoyos de nudos, áreas de inclinación de grano, y parches para su efecto sobre paneles de tamaño completo estándar. Esta es igualmente bien situada para pruebas uniformes o material limpio siempre que el tamaño del espécimen sea el adecuado. La deformación medida y las constantes elásticas están libres de efectos de deformación por cizalle, y los paneles pueden ser doblados a grandes deflexiones sin incurrir en errores de la componente horizontal de la fuerza como ocurre en otro métodos. El tamaño del espécimen y su luz por encima de ciertos mínimos son bastante flexibles. Este ensayo es preferible cuando el equipamiento está disponible. 1.5 Método D, Prueba de flexión para aseguramiento de calidad- Este método, como el método A, se adapta bien para la investigación de factores que influencien en las propiedades de resistencia y rigidez en la flexión. Además como el método A, este método usa pequeños especímenes en un punto del centro de la luz simple en la configuración de la prueba. Este método usa medidas de radio de profundidad, ancho de espécimen, accesorio de prueba y prueba de velocidad que hacen que el método sea adecuado para asegurar la calidad. El método es frecuentemente usado para asegurar la calidad de tableros de OSB.
1.6 Todos los métodos pueden ser usados para determinar el modulo de elasticidad con suficiente precisión. Módulos de ruptura determinados por métodos A, B o D están sujetos a errores hasta algunas veces excediendo un 20% dependiendo de la luz, la carga y la deflexión de falla a no ser que el momento sea calculado de manera rigurosa según lo dicho en Apendice X1 o según correcciones hechas de otras maneras. Estos errores no se presentan en el método C. 1.7 Cuando las comparaciones son deseadas entre resultados de grupos de especímenes, es bueno practicar el uso del mismo método de ensayo para todos los
especímenes, así se eliminan posibles diferencias relacionadas para el método de ensayo. 1.8 Esta norma no pretende considerar todas las medidas de seguridad, si es que los hay, asociados a su uso. Es responsabilidad del usuario de esta norma el establecer prácticas apropiadas de seguridad y salud y determinar la aplicabilidad de regulaciones limitatorias para su uso. 2. Documentos de referencia 2.1 Normas ASTM D2395 Métodos de ensayo para densidad y gravedad específica (densidad relativa) de madera y materiales basados en madera. D4442 Métodos de ensayo para medidas directas de contenido de humedad de madera y materiales basados en madera. D4761 Métodos de ensayo para propiedades mecánicas de madera procesada y materiales estructurales a base de madera. 3. Significancia y uso 3.1 Estos métodos entregan propiedades de flexión, principalmente de resistencia y rigidez, de paneles estructurales. Estas propiedades son de gran importancia en la mayoría de los usos de los paneles estructurales ya sea en la construcción de pisos, revestimiento de muros, piso de techo, moldajes de hormigón, o en diversas estructuras de planos espaciales. Envase y manipulación de materiales para containers, cajas, o palets; o componentes estructurales como los son los paneles prefabricados. 3.2 Para el control o definición de otras variables que influyen en las propiedades de flexión, el contenido de humedad y el tiempo de falla deben ser determinadas. El acondicionando del material de prueba a presión atmosférica, para las pruebas de contenido de humedad y la determinación de la gravedad especifica, son recomendadas. Las comparaciones de resultados del contrachapado, composición de chapas, y laminados con madera maciza u otras construcciones de contrachapado serán mejor facilitadas si el grosor de las capas individuales son medidos para permitir el cálculo de las propiedades de sección. 4. Control del contenido de humedad 4.1 Las muestras de paneles estructurales para ser ensayadas a contenidos de humedad específicos o humedad relativa deben ser acondicionadas a masa constante aproximada en condiciones atmosféricas antes del ensayo. Para paneles estructurales usados bajo condiciones secas, una humedad relativa del 65 ± 5% a una temperatura de 68 ± 6°F (20 ± 3°C) es recomendada.
5. Método A- Prueba de flexión en un punto central. 5.1 Resumen – Una máquina de ensayo de compresión convencional es usada para aplicar y medir una carga en la mitad de la luz de una pequeña probeta de flexión; y el resultado de la deflexión en la mitad de la luz es medida y registrada. El ensayo se sigue a una velocidad del movimiento del cabezal constante hasta que los datos de deflexión en el rango elástico que se hayan reunido sean suficientes, o hasta que la falla de la probeta ocurra. La probeta es apoyada en apoyos de reacción que permitan a la probeta y a la placa de apoyo rodar libremente sobre la reacciones cuando la probeta se deflecte. 5.2 Probeta de ensayo – La probeta de ensayo debe ser rectangular en sección transversal. La espesor de la probeta deberá ser igual al espesor del material, y el ancho debe ser de 1” (25 mm) para espesores menores que ¼ “ (6 mm) y 2” (50 mm) para espesores mayores (nota 1). Cuando la dirección principal de la cara de las chapas, lamina, fibras, u obleas es paralela a la luz, el largo de la probeta (nota 2) no deberá ser menor que 48 veces el espesor más 2”; cuando la dirección principal de la cara de las chapas, laminaciones, fibras u obleas es perpendicular a la luz, el largo de la probeta no deberá ser menor a 24 veces el espesor más 2” (nota 3). Nota 1- En ciertas situaciones específicas, puede ser necesario o deseable para las probetas tener un ancho mayor que 1 o 2” (25 o 50 mm). Para eliminar la acción del plato cuando probetas más anchas son ensayadas, el ancho de la probeta no debe exceder un tercio del largo de la luz y se deben tomar precauciones para asegurar el apoyo uniforme a través de todo el ancho de la probeta en los puntos de carga y de reacción. Nota 2 – En el corte de las probetas para satisfacer el requisito de la longitud, no es necesario que la longitud sea cambiada por pequeñas variaciones en el espesor. Mejor dicho, la intención es que el espesor nominal del material sea usado para la determinación del largo de la probeta. 5.2.1 Mediciones – Medir el espesor de la probeta en la mitad de la luz entre dos puntos cerca de cada borde y registrar el promedio. Medir la que esté más cerca 0,001” (0,02 mm) o el 0,3%. Medir el ancho en la mitad de la luz al 0,3 %. 5.2.1.1Cuando sea necesario para la interpretación de los resultados de ensayo para contrachapado, composición de chapas, y laminados, se mide el espesor de cada capa a la más cercana 0,001” (0,02 mm) a la mitad de la luz a cada borde y se registra el promedio. 5.3 Luz – La luz debe ser por lo menos 48 veces el espesor nominal cuando la dirección principal de las caras de la chapa, laminados, fibras, u obleas de la probeta es paralela a la luz y al menos 24 veces el espesor nominal cuando la dirección principal de las caras de las chapas, laminados, fibras u obleas es perpendicular a la luz (nota 3).
Nota 4 – Se requiere el establecimiento de una relación luz-espesor es necesario para permitir una comparación precisa de los valores del ensayo para materiales de diferentes espesores. Se debe notar que la luz está basada por el espesor nominal del material y no se debe cambiar la longitud de la luz por pequeñas variaciones en el grosor. 5.4 Apoyos extremos – Los puntos de reacción deben ser capaces de compensar libremente por la deformación de la probeta del ensayo girando lateralmente en el plano perpendicular al largo de la probeta con el fin de aplicar la carga uniformemente a través de su ancho. El diseño de los apoyos deben colocarse en el centro de rotación cerca del eje central de la probeta de espesor promedio. La construcción se muestra en detalle en la figura 1. Los puntos de apoyos deben se redondearan donde estén en contacto con la probeta. 5.4.1 El uso de placas de apoyo es generalmente recomendado y es requerido donde quiera que ocurra una deformación local significante 5.4.2 El uso de rodillos de apoyo o placas y rodillos para imposibilitar las fuerzas de fricción entre los soportes extremos y la probeta es recomendado además para el requerimiento de la compensación lateral. La construcción de un soporte adecuado usando un pequeño rodamiento en conjunto con una placa que se sujeta en los extremos de la probeta es ilustrado en la figura 2 y en la figura 3. El uso de un gran rodamiento para proporcionar una compensación lateral por deformación también es ilustrada. Este método es particularmente recomendando para probetas delgadas y para pequeñas cargas. 5.4.3 Como la probeta se deflecta durante el ensayo, las cargan no actuán en la dirección asumida en las formulas para calcular las propiedades. Para una discusión de estos errores, su efectos y sus métodos para reducirlos, consultar Apendice X1.
5.5 Bloqueo de carga – Un bloqueo de carga tiene un radio de curvatura de aproximadamente de 1-1,5 veces el espesor de la probeta para una longitud de cuerda no menos que 2 veces el espesor de la probeta será usado. En casos donde una excesiva deformación local pueda ocurrir, se deben ocupar placas de apoyo adecuadas. El radio de curvatura de la placa de apoyo o del bloque no serán tan grandes como para causar “bridging as the specimen bends”.
5.6 Procedimiento de carga – Aplicar la carga con una continuo movimiento del cabezal móvil a lo largo de la prueba. El rango de la aplicación de la carga deber ser tal que el rango de deformación máxima sea igual a 0,0015 in/in (mm/mm) por minuto dentro de una vaciación permisible de ± 25%. La carga debe ser medida con una precisión del ±1% del valor indicado o un 0,4 % de la escala completa, sea cual sea el tamaño. El calculo de la velocidad de movimiento del cabezal móvil se hace de la siguiente manera N= zL2 / 6d Donde: N = velociadad de movimiento del cabezal móvil, in/min (mm/min) L= Largo de la luz, in (mm) d= espesor de la biga, in, (mm) z= velocidad unitaria de la deformación de la fibra, in/in*min (mm/mm *min) de la longitud de la fibra externa = 0,0015.
5.6.1 Se mide el tiempo transcurrido desde el inicio de la carga hasta la carga máxima y se registra al medio minuto más cercano. 5.7 Medida de la deflexión – Se toman los datos de la curva de carga-deflexión para determinar el módulo de elasticidad, límite de proporcionalidad, trabajo para el limite proporcional, trabajo para la carga máxima y trabajo total. Tomar las deflexiones por los métodos indicados en la figura 4 y figura 5, y tomar las lecturas a la más cercana 0,001 in (0,02 mm). Elegir incrementos de carga de modo que no sean menos que 12 y preferentemente 15 o más lecturas de carga y deflexión tomando el limite proporcional. 5.7.1 Las deflexiones pueden ser calculadas con un tipo de transductor calibrado y se representan simultáneamente con la carga. En este caso, se registra la deflexión con una precisión de al menos 1 ½% de la deformación en el limite proporcional y el
registro del tramo debajo del límite proporcional debe será al menos de 2 ½ in (64 mm) de largo o ¼ de la escala completa de medición en el eje de deformación, cualquiera sea el largo. Los mismos requisitos se aplican al eje de carga. 5.8 5.8.1
Calculos El calculo de la rigidez de la probeta, se hace como sigue: EI= (L3 /48)(P/Δ) Donde: EI= Modulo de elasticidad, psi (MPa) x momento de inercia, in 4 (mm4) P/Δ= Pendiente de carga – curva de deflexión , lbf/in (N/mm) I= Momento de inercia, in4 (mm4) L = Largo de la luz, in (mm)
5.8.1.1 El momento de inercia usado en el calculo en 5.8.1 puede ser calculado en muchas formas diferentes dependiendo de los requerimientos de la investigación. Puede basarse en la sección transversal entera, puede incluirse solamente el momento de inercia de las capas paralelas a la luz, o puede ser incluidas todas las capas ponderadas de acuerdo con el módulo de elasticidad en la dirección del esfuerzo de flexión. Establecer claramente el método empleado en el informe. 5.8.2 Calcular el momento máximo (S bI/c) siguiendo la siguiente ecuación: SbI/c
= PL/4
Dónde: SbI/c = Momento máximo, lbf*in (N*mm) Sb = Modulo de ruptura, psi (MPa) P = Carga máxima, lbf (N) c = Distancia desde el eje neutral hasta la fibra extrema, in (mm) 6. Método B – Flexión en dos puntos 6.1 Resumen – Los extremos de una probeta de flexión en 2 puntos son apoyados en unas reacciones de rodamiento, las cuales a su vez descansan sobre la mesa de una máquina de ensayo convencional. Unos dispositivos de carga giratorios se aplican en cargas iguales a ¼ de la luz, desde las reacciones resultantes del movimiento hacia debajo de la máquina de ensayo, y se somete al medio de la probeta a las condiciones de momento puro. La deflexión en la mitad de la luz entre los dos puntos de carga es medida con un dial calibrado o un transductor tomando así la deformación debido a la flexión pura y no afectado por la deformación por cizalle. 6.2 Probeta de ensayo – La probeta debe ser rectangular en su sección transversal y su largo será superior a 2 in (50 mm) la luz en la que será probada se determina en 6.3. El espesor debe ser el mismo que el del material. El ancho debe ser de 1 in (25 mm) para
materiales de espesor menor a ¼ in (6 mm) y 2 in para materiales sobre ¼ in de espesor. El ancho alternativo es de 12 in (300 mm). 6.2.1 Medidas – Medir el espesor de la probeta en la mitad de la luz en 2 puntos cerca de cada borde y registrar el promedio. Las medida deben ser cercanas a 0,001 in (0,02 mm) o 0,3%. Medir el ancho en la mitad de la luz con resolución del 0,3%. 6.2.1.1 Cuando sea necesario para la interpretación de resultados para contrachapado, compuestos de chapa, y laminados, se mide el grosor de cada capa con resolución de 0,001 in (0,02 mm) en la mitad en cada borde y registrar el promedio. 6.3 Luz – La relación longitud de la luz con el espesor tiene relativamente poca influencia en los resultados del ensayo usando 2 puntos de carga y el método de medición de la deformación es descrito por esta norma. Sin embargo es importante que la distancia entre los puntos de carga y los soportes adjacentes sean suficientes para prevenir fallas por cizalle. La alternativa de 12 in (300 mm) de ancho tendrá un largo en la mitad (sección de momento constante) hasta al menos 12 in en longitud. 6.3.1 Las probetas ensayadas por rigidez solamente deben tener una luz de al menos 48 veces el espesor nominal si la dirección principal es paralela a la luz y 24 veces el espesor nominal si la dirección principal es perpendicular a la luz. 6.3.2 Es recomendado que el ensayo de carga para falla de 2 puntos de carga se haga en una luz al menos de igual espacio entre los puntos de carga más 48 veces el espesor de la probeta o 24 veces para la dirección paralela o perpendicular respectivamente. El material que tiene una alta resistencia al cizalle o tiene todas sus chapas, laminaciones, fibras u obleas paralelas, para la luz pueden usarse espacios menores entre cargas y apoyos. 6.4 Apoyos – Reacciones de apoyo deben cumplir con los requisitos de 5.4 y 5.4.1. Otros comentarios como 5.4.2 y 5.4.3 también se aplican. 6.5 Carga - Se aplica 2 cargas iguales a la probeta en puntos equidistantes desde los soportes, se aplica por superficies cilíndricas que tienen radio de curvatura al menos de 1 ½ veces el espesor de la probeta, donde quiera que puede tener contacto con la probeta. El eje de estas superficies puede permanecer paralelo y y al menos una de ellas puede girar libre alrededor de su eje o puede ser cargado a través de los rodamientos para prevenir la aplicación de fuerzas de fricción en la superficie de la probeta. La construcción satisfactoria del cabezal de carga se ilustra en las figuras 6 y 3. Se localiza el punto de pivote para que iguale las 2 cargas cerca del eje original neutral de la probeta. 6.5.1 El espacio entre puntos de carga será suficiente para que la deflexión pueda será adecuadamente medible. Un espacio de al menos 24 y 12 veces el espesor nominal es recomendable para probetas que en que la dirección principal es paralela o perpendicular a la luz respectivamente.
6.5.2 Se mide la suma de las 2 cargas con una precisión de al menos 1 % del valor indicado o 0,4% de la escala completa, sea cual sea el largo. 6.6 Velocidad de la prueba – Aplicar la carga a una continua relación de movimiento de los puntos de carga con respecto a los soportes, dentro de un rango admisible del 25% de la relación determinada de la siguiente forma: N= (za/3d)(3L-4a) Donde: N= Razón de movimiento, in /min (mm/min) Z= razón unitaria de la deformación de la fibra in/in*min (mm/mm*min)= 0,0015 A = distancia desde el soporte a la carga adyacente, in (mm) D= espesor de la viga, in (mm) L= Largo de la liz, in (mm) 6.6.1 Se mide el tiempo transcurrido desde el inicio de la carga hasta la carga máxima, y se registra al ½ min más cercano. 6.7 Medición de la deflexión - Medir la deflexión de la mitad de la luz con respecto a una línea entre 2 puntos equidistantes desde la mitad de la luz y justo dentro de los 2 puntos de carga con una precisión de al menos 1 ½% del total de la deflexión, si se ensaya por rigidez solamente, o 1 ½% de la deflexión aproximada al límite proporcional. Los 3 puntos estarán dispuestos en el eje longitudinal de la probeta. El equipo adecuado del tipo transductor es ilustrado en la figura 6 y figura 3. Un reloj comparador puede reemplazar el transductor para la lectura manual. Si se toman lecturas de medición individuales, al menos 12 y preferentemente 15 o más lecturas de carga y deflexión deben será tomadas debajo del límite proporcional aproximado o para determinar la rigidez de la probeta. 6.8 6.8.1
Calculos: El cálculo de la rigidez de la probeta se hace de la siguiente forma: EI = [(L-L1)L22/32](P’/Δ)
Donde : L1 = Luz entre puntos de carga, in (mm) L2 = Luz entre puntos de medidas de deflexión, in (mm)
P’/Δ = Pendiente de la curva de deflexión de carga donde la deflexión es relativa en la mitad de la luz para el término de la luz L 2, in (mm), y otra notación se da en 5.8.1. Observaciones de 5.8.2 se aplican. 6.8.2
Calcular el momento máximo de la probeta según: Sb I/c = P(L-Li)/4
Donde: P = Carga máxima, lbf (N).
Figura 3 Aparato para cargas en 2 puntos y medida de deflexión (Método B)
Figura 4 Prueba estatica de flexión Mostrando soportes ajustables y un método de fijación galga de cuadrante
para la observación de deflexión de material fino
Figura 5 - Prueba de flexión estática Mostrando rodamiento de rodillos en los apoyos y el yugo especial con carátula para la medición de las deformaciones en el eje neutro
Figura 6 – Ensayo de carga en 2 puntos.
