UNIVERSIDA D DE LAS FUERZAS FUERZAS ARMADAS – ESPE DEPARTAMENTO DEPARTAME NTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA Y DE LA CONSTRUCCIÓN LABORATORIO DE ENSAYO DE MATERIALES REGISTROS REGISTROS DEL SISTEMA SIS TEMA DE CALIDAD
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GUÍA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO
CARRERA: INGENIERÍA CIVIL ASIGNATURA: ENSAY ENS AYO O DE MATERIALES MATERIALES PROFESORA: ING. CAROLINA ROBALINO
ELABORADO POR: DOCENTE RESPONSABLE RESPONSABLE
APROBA APROBADO DO POR: COORDINADOR ÁREA DE CONOCIMIENTO
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EDICI N 1
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HISTORICO DE MODIFICACIONES FECHA HOJAS CAUSA AFECTADAS ENERO 2017 TODAS CREACIÓN DEL REGISTRO
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PRACTICA No: 1 TEMA: ENSAYO DE COMPRESIÓN PARA MADERACOMPRESIÓN PARALELA A LA FIBRA NORMA NTC 784 “Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber ASTM D 143-94 (Reaprobado 2000) (Métodos estándar de ensayo para pruebas con pequeños especímenes limpios de madera)
OBJETIVO
Determinar la resistencia a la compresión máxima y rotura Determinar la resistencia a la compresión al límite de proporcionalidad. Determinar la deformación al límite de proporcionalidad. Determinar el módulo de elasticidad. Determinar experimentalmente las propiedades mecánicas (límites de proporcionalidad (elasticidad) y fluencia) para la madera, para el caso de solicitación a compresión. Observar la falla a compresión en una probeta de madera.
MARCO TEÓRICO La madera es un material complejo, con unas propiedades y características que dependen no sólo de su composición sino de su constitución, o de la manera en que están colocados u orientados los diversos elementos que la forman. El cómo están colocados u ordenados estos elementos servirá para comprender mejor el comportamiento de este material. (Stalin & Armijos, 2010) Es un material anisotrópico, que no presenta iguales propiedades mecánicas en todos los sentidos, sino más bien diferente en cada uno de ellos. No se trata de un material homogéneo, ya que está formado por diversos tipos de células especializadas que forman tejidos. Estos tejidos sirven para realizar las funciones fundamentales del árbol; conducir la savia, transformar y almacenar los alimentos y por último formar la estructura resistente o portante del árbol. (Valera Royo, 2008) Siendo un material de origen natural, muchos factores afectan la resistencia de la madera, como defectos de crecimiento, contenido de humedad (a menor humedad mayor resistencia mcánica), temperatura, duración de la carga (sobre todo en combinación con el grado de humedad), degradación orgánica (por la pérdida de las características físico -químicas de las células de la madera que garantizan su resistencia) y por sanidad( el ataque de los insectos).
Propiedades mecánicas de la madera La resistencia mecánica de una pieza de madera varía sensiblemente según el grado de humedad que ésta contenga. De esto surge que la resistencia a un esfuerzo dado es funció n del grado de humedad de la madera y que, como consecuencia, la resistencia considerada no puede definirse con exactitud sino con respecto a un grado de humedad determinado. Es necesario referir los resultados de los diferentes ensayos a un mismo contenido de humedad, y es el que ya mencionamos de un 12%. (Valera Royo, 2008)
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Cualquier irregularidad en la madera reduce su resistencia, durabilidad o utilidad, como nudos, grietas, desprendimiento, putrefacción, por crecimiento y otras.
Resistencia a la compresión paralela a las fibras La madera presenta gran resistencia a los esfuerzos de compresión paralelos a sus fibras. Esto proviene del hecho que las fibras están orientadas con su eje longitudinal en esa dirección, y que a su vez coincide, o esta muy cerca de la orientación de las microfibrillas que constituyen la capa media de la pared celular. Esta es la capa de mayor espesor de las fibras. (Universidad Centroaméricana "José Simón Cañas", 2015) Dentro de las propiedades mecánicas que son de mayor interés en el comportamiento estructural de la madera se encuentran la resistencia a compresión, la resistencia al corte y la resistencia a la flexión. Estas propiedades se evalúan mediante pruebas, algunas de estas pruebas se ilustran esquemáticamente en la Figura 3, las pruebas requieren muestras sin defectos y perfectamente labradas, las pruebas se realizan de acuerdo a la norma ASTM D2555. (Constructor Civil, 2015)
Figura N°3 – Direcciones Ortogonales de la Madera
Fuente – (Clavón Gualoto & Rosero Amores, 2013) En la Figura 4 se muestra claramente cuál es la influencia del contenido de humedad de una madera, cuando la sometemos a un esfuerzo de compresión. Vemos que a partir de un contenido de humedad del 30% (punto de saturación), la resistencia a compresión permanece constante, mientras que si esta decrece, la resistencia aumenta. La resistencia de una madera ensayada a compresión es máxima cuando se realiza en la dirección paralela a la de las fibras y va siendo menor a medida que nos alejamos de dicha dirección. (Valera Royo, 2008)
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Figura N°4 – Influencia del contenido de humedad en una madera sometida a
compresión. C A PUZ LL A DR Ó, R . - Materiales orgánicos - pág. 28 En dirección axial tendremos los valores máximos de resistencia a compresión, pues los haces fibrosos resistentes actúan a modo de columnas. Como promedio general puede decirse que la resistencia a compresión paralela a las fibras es entre 15 y 17 veces mayor que en la dirección normal a las fibras. La otra dirección en que puede actuar el esfuerzo es en dirección normal a las fibras. En este caso la resistencia es mínima pues las fibras, que son huecas, se aplastan bajo la carga. (Valera Royo, 2008) La madera exhibe, bajo carga de compresión, un comportamiento peculiar propio. Es cualquier cosa, más no un material isótropico, y se compone de células formadas por crecimientos orgánicos que se alinean para formar una serie de tubos o columnas en la dirección de las fibras. Como resultado de esta estructura, el límite elástico es relativamente bajo, no existe un punto de cedencia definido y se verifica una deformación permanente considerable antes de la falla. Estas propiedades varían según la orientación de la carga con respecto a la orientación de las fibras. Para cargas normales al grano, la carga que causa el colapso lateral de los tubos o fibras (aplastamiento) es la carga significativa. Para cargas paralelas a las fibras, no solamente es importante la resistencia “elástica”, sino también la resistenci a de ruptura. La ruptura frecuentemente ocurre debido al colapso de las fibras tubulares como columnas. Varios tipos de falla de la madera cargada paralelamente a las fibras se describen en fig 2. (Universidad Centroaméricana "José Simón Cañas", 2015)
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Figura 2: Tipos de falla en compresión paralela a la fibra. Fuente - (Univers idad C entroaméricana "J osé S imón Cañas " , 2015) La capacidad está limitada por el pandeo de las fibras más que por su propia resistencia de aplastamiento. Cuando se trata de elementos a escala natural como columnas, solamente aquellas de una relación de esbeltez (longitud/ancho) menor que 10 desarrollan toda sus resistencia al esforzar la sección a su máxima capacidad. Para elementos mas esbeltos, que son los mas comunes, la resistencia está determinada por su capacidad a resistir el pandeo lateral, que depende mayormente de la geometría de la pieza más que de la capacidad resistente de la madera que la constituye. Valores del esfuerzo de rotura en compresión paralela a las fibras para ensayos con probetas de laboratorio varían entre 100 y 900 kg/cm2 para maderas tropicales, Esta variación es función de la densidad (entre 0.2 y 0.8 de D.B.). El esfuerzo en el límite proporcional es aproximadamente el 75% del esfuerzo máximo y la deformación es del orden del 60% de la máxima. (Universidad Centroaméricana "José Simón Cañas", 2015)
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Figura N°3 – Diagrama de Esfuerzo Vs Deformación para Maderas Latifoliadas
Fuente – Manual de Dis eño para Maderas del Grupo A ndino – Junta de A cuerdo de Cartagena Módulo de elasticidad En la madera, debido a su anisotropía, el módulo de elasticidad en dirección paralela a la fibra adopta valores diferentes según se trate de solicitaciones de compresión o de tracción. En la práctica se utiliza un único valor del módulo de elasticidad para la dirección paralela a la fibra. Su valor varía entre 7.000 y 12.000 N/mm2 dependiendo de la calidad de la madera. En la dirección perpendicular a la fibra se toma, análogamente, un único módulo de elasticidad, cuyo valor es 30 veces inferior al paralelo a la fibra. (Universidad Centroaméricana "José Simón Cañas", 2015)
FÓRMULAS = ℎ ×
(%) =
∆×100
=
=
1 − (100)
Dónde: = á = ó = Δ = ó = ó = =
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El esfuerzo último se calcula mediante la siguiente expresión: = Dónde: = ú ó (/²) = () = Á ó (²)
=×
Dónde: = ó (/²) = ó (/²) = ó ó
PARTE EXPERIMENTAL MATERIALES, EQUIPOS E INSUMOS
Probeta de madera labrada de acuerdo a las siguientes dimensiones. 5
5
15
Equipo de aplicación de carga, provista de una celda de carga de 100KN de capacidad máxima. Un extensómetro automático el cual permite medir deformaciones en forma automática durante el proceso de ensayo. Calibrador vernier con precisión a 0.01mm para tomar las dimensiones iniciales y finales de la muestra a ensayar. Accesorios del ensayo, platinas de acero cilindricas para recibir la muestra segun indica el método de compresión. Computador provisto de software donde se registran los datos del ensayo (el mismo que controla el ensayo).
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PROCEDIMIENTO Preparación de la muestra.
Antes de iniciar el ensayo se deben tener preparadas las muestras de madera, teniendo en cuenta que el sentido de la fibra sea en dirección perpendicular a las caras que serán sometidas a compresión, o la direccion del grano debe ser paralela a la aplicacion de carga en el equipo.
Las probetas empleadas en este ensayo consisten en primas rectos de 3 cm x 3 cm hasta 5 cm x 5 cm de sección transversal y longitud de 2 a 4 veces el ancho. La fibra debe ser paralela a la longitud. Las medidas de las probetas deben verificarse en el momento del ensayo. El número de probetas de ensayo estará de acuerdo con el grado de exactitud requerido según lo indicado en la NTC 787, la muestra sera aprobada siempre y cuando el tallado genere caras totalmente paralelas entre si, y perpendiculares a su altura.
Preparación del Equipo. Antes de colocar la muestra para el ensayo, se deberán registrar las dimensiones iniciales de la muestra (largo, ancho, y altura), estas dimensiones serán el promedio de tres mediciones en forma distribuida(Supuerior, media e inferior).
Se debe tener en cuenta que el promedio de las medidas son los valores que se registran en el software que controla el equipo de ensayo como valores iniciales.
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Colocar la muestra entre las platinas del equipo, el cual se calibra automáticamente mediante el uso del software.
Se coloca la celda de carga, y se realiza un avance rápido de la cruceta del equipo, hasta que las platinas tengan un pequeño contacto con la cara superior de la muestra a ensayar, en ese instante los valores iniciales de carga y de deformación en el computador deben ser cero.
Procedimiento La carga se aplica sobre las bases del prisma, esto es, sobre las caras transversales, en forma continua y durante todo el ensayo para que produzca una deformación de 0,6 milímetros por minuto. Los valores para la curva de esfuerzo-deformación se toman aún después de la rotura de la probeta.
Para obtener resultados uniformes y satisfactorios, es necesario que las roturas se produzcan en el cuerpo de la probeta. Este resultado es más exacto en las probetas de sección transversal uniforme, cuando los extremos de dicha probeta tienen un contenido de humedad menor que el resto de la misma. Las roturas por compresión se describen de acuerdo con la apariencia de las mismas en la superficie en que aparezcan. En caso de presentarse dos o más roturas, se describen en el orden en que ocurrieron. En la planilla correspondiente debe dibujarse, en la gráfica, la forma de la rotura.
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Inmediatamente después de realizado el ensayo, se corta de la probeta un prisma de 2 cm de altura, cuyas superficies y aristas se deben fijar convenientemente a fin de despojarlas de astillas y otras irregularidades, y se determina el contenido de humedad de acuerdo con lo establecido en la NTC 206 (1a. revisión).
CÁLCULOS Con los valores de la carga y de la deformación leídos en el deflectómetro, se traza un gráfico sobre el cual se determina el punto Fu correspondiente al límite proporcional, estos es, el punto en el cual termina la parte recta y comienza la parte curva del gráfico, y se calculará: = ℎ ×
(%) =
∆×100
=
=
El esfuerzo último se calcula mediante la siguiente expresión: = El módulo de elasticidad se calcula aplicando la siguiente ecuación: =×
Del los datos del excel y del gráfico se toman los siguientes resultados:
Esfuerzo maximo (kg/cm2) Maxima carga compresion (kgf) Deformacion limite proporcional (%) Esfuerzo al limite proporcional (kg/cm2)
1 − (100)
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Esfuerzo de rotura (kg/cm2)
RESULTADOS
Con los datos anotados en las hojas de cálculo, y los cálculos determine el módulo de elasticidad, el esfuerzo máximo, la deformación al límite de proporcionalidad, la resistencia a la compresión al límite de proporcionalidad. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984)
GLOSARIO: Agua libre. Es la contenida en las cavidades celulares, sobre el punto de saturación de las fibras, cuya eliminación durante el proceso de secado no produce cambios volumétricos en la madera. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Agua de imbibición. Es la que impregna las paredes celulares. Su eliminación durante el proceso de secado cuando el contenido de humedad disminuye por debajo del punto de saturación de las fibras, produce contracción en la madera. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Celulosa. Es la sustancia de carácter polisacárido, que constituye la estructura o esqueleto de las paredes celulares. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Contenido de humedad. Es la cantidad de agua presente en la madera, expresada en porcentaje. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Corte plano. Es el que se realiza con herramientas manuales o mecánicas según un plano geométrico. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Corte radial. Es el corte longitudinal, perpendicular a los anillos de crecimiento. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Corte tangencial. Es el corte longitudinal, tangente a los anillos de crecimiento. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Densidad real o absoluta. Es la masa de la unidad de volumen de la materia leñosa que constituye la madera (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Densidad aparente. Es la masa de la unidad de volumen de la madera, con determinado contenido de humedad. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Densidad aparente anhidra. Es la masa de la unidad de volumen de la madera en estado anhidro. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Densidad básica. Es el cociente de la masa de la madera seca al horno y su volumen en estado verde. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Fibra. Es la dirección o alineamiento que forman en el plan leñoso los elementos constitutivos de la madera. Se expresa: fibra, recta, oblicua, entrecruzada, irregular, etc. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Higroscopicidad. Es la propiedad de la madera de absorber agua del medio ambiente que la rodea. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Lignina. Es una sustancia incrustante que acompaña y une a la celulosa e hicelulosa en las paredes celulares. (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984) Madera anhidra. Es aquella en la que ha sido eliminada toda la humedad . (Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN, 1984)
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BIBLIOGRAFÍA: * Norma Técnica Colombiana NTC 784. * Clavón Gualoto, J. M., & Rosero Amores, F. J. (2013). Análisis de las propiedades físicomecánicas de las maderas nativas del Ecuador: aliso, canelo amarillo, manzano colorado, roble para el diseño estructural del convento para el Centro Pastoral Espíritu Santo a ubicarse en el Camal Metropolitano en Quito. * Constructor Civil. (Noviembre de 2015). Constructor Civil . Obtenido de Constructor Civil: http://www.elconstructorcivil.com/2011/02/propiedades-de-la-madera-modulo-de.html * Stalin, V., & Armijos, M. (2010). CAPÍTULO II GENERALIDADES. En V. Stalin, & M. Armijos, Propiedades Físico- mecánicas de las maderas tipo A: Guayacan Pechiche, Colorado, Sande y Mascarey: aplicación al diseño del paradero en el IASA II. Facultad de Ingeniería Civil. ESPE. Sede Sangolquí. SANGOLQUÍ : SANGOLQUÍ / ESPE / 2010. Universidad Centroaméricana "José Simón Cañas", U. (2015). ENSAYO DE TENSIÓN, COMPRESIÓN Y CORTE EN MADERA. El Salvador. * Valera Royo, A. (2008). “Estudio Histórico-Constructivo del atesorado M udéjar de la Iglesia Parroquial de la Concepción de Caravaca de la Cruz. Intervención para su Conservación”.
Cartagena: Universidad Politécnica de Cartagena. E. U. de Ingeniería Técnica Civil. Arquitectura Técnica. * Vignote Peña, S. (2014). PRINCIPALES MADERAS DE CONÍFERAS EN ESPAÑA CARACTERÍSTICAS, TECNOLOGÍA Y APLICACIONES. Madrid: Universidad Politécnica de Madrid. * Sabelotodo.org. (s.f.). Sabelotodo.org. Obtenido de Sabelotodo.org: http://www.sabelotodo.org/construccion/madera.html * http://documents.mx/documents/ntc784-compresion-madera-paralela.html * Norma
Técnica Colombiana “NTC” 784, Determinación de la resistencia máxima a la compresión
paralela al grano. * ASTM D 143-94 “Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber (Reaprobado 2000) (Métodos estándar de ensayo para pruebas con pequeños especímenes limpios de madera) * Norma Técnica Ecuatoriana, NTE INEN 1156, Maderas Terminología, 1984, Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN * Norma Técnica Ecuatoriana, NTE INEN 2580, Maderas. Sistema de clasificación y calificación de madera aserrada proveniente de bosque húmedos tropicales, 2011, Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN
* Norma Técnica Ecuatoriana, NTE INEN 1160, Maderas Determinación del contenido de humedad 1984, Instituto Ecuatoriano de Normalización, INEN
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HOJA PARA TOMA DE DATOS DE LABORATORIO DE COMPRESION EN MADERA PARALELA A LA FIBRA Fecha: Grupo de laboratorio: TUTOR:
_________________________ ______ _________________________ ______
Ensayo De compresión paralela a la fibra. Preparación de la muestra: A B Longitu d
Datos para la determinación de propiedades mecánicas de la muestra. Módulo de elasticidad Precisión del deformímetro:
0.02
mm/div
Cm Cm Cm
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# 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
DIVISIONES LECTUR DEL AS DE DEFORMÍM CARGA ( kg ) ETRO 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
# 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
DIVISIONES LECTURA DEL S DE DEFORMÍME CARGA ( kg ) TRO 50 55
Carga máxima y de falla. Carga máxima (última) Cálculos Área inicial de la probeta Área (A) cm2 Tabla de valores de esfuerzo y deformación unitaria. # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Deformación Esfuerzo unitaria (kg/cm2)
Kg
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3.5 Propiedades esfuerzodeformación Carga máxima
Esfuerzo máximo (último):
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