Índice
INTRODUCCIÓN
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OBJETIVOS
pág. 4
MARCO TEÓRICO
pág. 4 - 7
RESULTADOS OBTENIDOS
pág. 8
CÁLCULOS
pág. 8
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
pág. 9
CONCLUSIONES
pág. 10
RECOMENDACIONES
pág. 11
APLICACIÓN A LA VIDA REAL
pág. 12
BIBLIOGRAFÍA
pág. 13
ANEXOS
pág. 13 - 14
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Íntroduccion: La práctica de laboratorio No.4 “esfuerzos cortantes en madera” se llevo a cabo en
el laboratorio de resistencia de materiales I el 30 de octubre del presente año. En dicha práctica se experimento con bloques de distintos tipos de madera, sometiéndolos a pruebas para verificar su resistencia a un esfuerzo cortante, los tipos de madera utilizados fueron palo blanco, cedro, ciprés y pino. A cada grupo se le designo dos bloques del mismo tipo de madera, a un bloque se le aplico una fuerza de compresión perpendicular a las fibras de la madera y al segundo bloque una fuerza a compresión paralela a las fibras, procedimiento que se practico con cada tipo de madera, con el fin de comprar como varia la cantidad de fuerza que soporta el material según sea aplicada la fuerza. La fuerza a compresión en los bloques de madera se aplico con ayuda de la maquina universal SATEC y un accesorio para colocar la pieza de madera y así aplicar de una manera segura la fuerza de compresión y sin riego de que la pieza de madera se moviera. La practica realizada muestra de manera experimental como actúan los esfuerzos cortantes y que este depende del material utilizado y el área donde se aplica dicha fuerza.
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Objetivos:
Especifico: o o
Calcular los esfuerzos cortantes en distintos tipos de madera Comparar la variación del esfuerzo cortante según distintos tipos de materiales (tipos de madera).
Generales: o
o
o
o
Comparar los distintos efectos que causa el tipo de madera en referencia a la fuerza máxima soportada Hacer un análisis de las similitudes y diferencias del tipo de corte experimentado en la práctica con lo que se establece teóricamente. Determinar que factor hace que un tipo de madera sea más resistente respecto de otra. Determinar la importancia de la orientación de las fibras de la madera y en la dirección que se le aplica la fuerza.
Marco Teorico Material Ortotrópico: aquellos materiales cuyas propiedades mecánicas son
independientes y únicas en las direcciones de sus ejes perpendiculares entre sí. Un ejemplo de este material podría ser la madera. Materiales Isotrópicos: aquellos materiales cuyo comportamiento y propiedades
mecánicas son las mismas en cualquier dirección. Estos tienen las características de poseer estructuras microscópicas no homogéneas y homogéneas. Materiales Dúctiles: aquellos materiales que se pueden deformar o alargar sin
sufrir una fractura. Estos materiales experimentan la estricción, este fenómeno ocurre cuando el diámetro de una porción del elemento sometido a una carga, se reduce. Cuando un material dúctil, es sometido a bajas temperaturas, este se comporta como un material frágil. Esfuerzo: es la fuerza por unidad de área o la intensidad de las fuerzas
distribuidas a través de una sección dada. . El esfuerzo se calcula partiendo de la siguiente fórmula:
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Donde:
: carga aplicada área de sección transversal Esfuerzo Cortante: es el esfuerzo resultante de las tensiones paralelas a la
sección trasversal de una pieza prismática. El esfuerzo cortante se calcula partiendo de la siguiente fórmula:
Donde:
: carga aplicada área de sección transversal El esfuerzo cortante origina tensiones tangenciales que actúan sobre las fibras de la madera según diversos modos: las fibras son cortadas trasversalmente por el esfuerzo y el fallo es producido por aplastamiento.
Tensiones
Tangenciales
de
Cortadura:
Tensiones Tangenciales de Deslizamiento: el fallo es producido por el
deslizamiento de las fibras con respecto a otras en la dirección longitudinal.
Tensiones Tangenciales de Rodadura: el fallo es producido por rodadura
de unas fibras sobre otras. En las piezas sometidas a flexión y a cortante, las tensiones que intervienen son las de deslizamiento y las de cortadura. Esfuerzo Normal: también denominado como esfuerzo axial, es el esfuerzo
interno de las tensiones perpendiculares a la sección trasversal de una pieza prismática. Módulo de Elasticidad: en la madera, debido a su anisotropía, el módulo de
elasticidad en dirección paralela a la fibra adquiere valores diferentes si esta es tratada a compresión o a tracción. 4
En la dirección perpendicular a la fibra, el valor del módulo de elasticidad es más bajo al paralelo a la fibra. Flexo-Compresión: fenómeno que consiste en la aparición de flexiones en los
materiales al ser estos sometidos a cargas axiales, también se le conoce como pandeo. Deformaciones: es el cambio de tamaño o cambio de forma que un material sufre
debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo. Madera: Este tipo de material, se divide en dos grandes grupos según su dureza;
blandas y duras. Uno de los aspectos más importantes que hay que tener en cuenta en la puesta en servicio de cualquier objeto, elemento o estructura de madera, es el de su estabilidad dimensional. De todos, es sabido que la madera es un material higroscópico, que toma o pierde humedad con los cambios de temperatura y humedad relativa del medio ambiente en que se encuentra situada. Esta ganancia o pérdida de humedad este siempre acompañada de cambios dimensionales, hinchazón al ganar humedad y compresión al perderla, y, a veces también de deformaciones tales como alabeos o abarquillados, curvados, etc. Es pues de la mayor importancia, para minimizar estos defectos, que la madera posea en el momento de su utilización un grado de humedad tal, que este valor se encuentren en equilibrio con las condiciones ambientales medias en que será empleada y, por consiguiente, el paso de humedad de la madera al medio ambiente o viceversa sea casi despreciable. El exacto conocimiento del grado de humedad de la madera y la determinación para las condiciones a las que va a estar expuesta, de su humedad de equilibrio higroscópico, son dos factores fundamentales para lograr un grado aceptable de estabilidad dimensional y evitar prácticamente el movimiento y las deformaciones de la madera. Los tipos de madera utilizados en la práctica de laboratorio fueron los siguientes:
Cedro: este tipo de madera proviene de los árboles altos, la cual se
caracteriza por ser frágil, por lo tanto, este tipo de madera es muy poco utilizado en la carpintería pero muy utilizado al momento de la fabricación de muros, instrumentos musicales y tejas, debido a las propiedades de la misma.
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Pino: este tipo de madera se caracteriza por cambiar de densidad,
durabilidad, elasticidad y flexibilidad, es fácilmente transformable y procesable y ofrece grandes niveles de resistencia mecánica.
Palo Blanco: este tipo de madera se caracteriza por su dureza, peso y por
su resistencia a la flexión. Debido a las características presentes en la madera, esta es altamente utilizada en la elaboración de piezas curvas.
Ciprés: este tipo de madera posee una textura muy fina, la cual se utiliza
en la elaboración de tablas decorativas, cajas, instrumentos de afinación, etc. Nudos: Son las áreas del tronco donde nace la base de una rama. Al momento de
trabajar con madera se debe de considerar el estado en el que los nudos se encuentras pues ellos afectan la resistencia de la madera. Se dividen en:
Nudo Vivo: Esta clase de nudos se desempeña de una manera óptima en
el trabajo. Pues sus fibras no están en estado de putrefacción por lo que pueden soportar esfuerzos.
Nudo Muerto: Cuando un nudo se encuentra muerto, es fácil reconocerlo
pues posee un color negro. Y sus fibras no son continuas, ya que dichas fibras se encuentran en putrefacción. Esta clase de nudo se comporta como un agujero. Por lo que la resistencia en este punto baja considerablemente. Madera Tratada: Las maderas son sometidas a procesos químicos que pueden
cambian las características físicas y que luego soporten distintas pruebas. Por ejemplo para que no absorban humedad o puedan soportar más carga. Este tipo de madera es el mejor para la construcción pues puede llegar a ser más longeva y soportar la misma carga durante dicho periodo.
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Resultados obtenidos Madera
Fuerza (libras
Fuerza (libras
perpendicular)
paralelo)
Palo Blanco
3180
4000
Ciprés
4120
4580
Cedro
1360
2260
Pino
7150
3740
Área Transversal: 0.66 plg * 1.9 plg = 1.254 plg 2
Calculos Esfuerzo Cortante (Perpendicular) Se utiliza la ecuación:
Donde V, es la fuerza cortante que se aplica perpendicular. En este caso perpendicular a las fibras.
Esfuerzo Normal (Paralelo)
Donde F, es la fuerza que se aplica paralelo. En este caso paralelo a las fibras. 7
Discusio n de resultados A pesar que en un inicio se tenía la hipótesis que el cedro iba a ser el que más fuerza iba a soportar, resulto que fue el pino el que más fuerza soporto. Pues las características físicas del pino permiten que soporte más la fuerza aunque en términos de longevidad el pino es más débil. Es por eso que se usa más el pino en la construcción y el cedro en muebles, pues es resistente a la putrefacción y es más caro. La fuerza cortante fue distinta para cada tipo de madera. Esto se debe al tipo de fibra que cada una posee. Por lo que se puede notar que también la madera reaccionará de distinta manera dependiendo de la dirección donde se le aplique la fuerza, ya sea paralelo o perpendicular a las fibras. Ya que si del árbol donde fue extraída la madera creció recto, estas fibras estarán rectas y van a ser estructuralmente más resistentes. Se puede notar también que Palo Blanco, Pino Y Cedro, fueron más resistentes a al fuerza cuando se les aplicaba en paralelo que en perpendicular. Solamente el pino fue el que soporto más la fuerza cuando se le aplico perpendicularmente. Por lo que esto se debe de tener en cuanta al momento de trabajar con madera en la construcción para que pueda soportar la mayor cantidad de fuerza posible.
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Conclusiones El tipo de madera utilizado es un factor que influye de gran manera en la variación del esfuerzo cortante que esta pueda soportar Para obtener una mayor resistencia a una fuerza de compresión aplicada, esta debe ir de dirección perpendicular a las fibras de la madera. la madera al ser sometida a un esfuerzo cortante esta tiene a deformarse, esta llega al punto de ruptura hasta que sobrepasa el esfuerzo máximo. Las fibras de la madera son el factor del que depende la resistencia de esta. El esfuerzo cortante actúa únicamente en el área donde es aplicada la fuerza, en consecuencia la falla o deformación solo se presentara en dicha área. los esfuerzos cortantes para cada pieza de distinto tipo de madera se pudieron determinar bajo el concepto de que el esfuerzo es igual a la fuerza aplicada partido el área de aplicación. En la práctica realizada el pino fue el tipo de madera con una mayor capacidad de resistencia al corte, en comparación con los otros tipos de madera utilizados. El cedro fue el tipo de madera con la menor resistencia al corte.
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Recomendaciones
Si se realizara la construcción de una obra donde uno de los materiales utilizados será la madera, es recomendable el conocimiento de cómo reacciona el tipo de madera a utilizarse en este tipo de pruebas, para saber qué cantidad de fuerza resiste y si es seguro utilizar determinado tipo de madera en la obra. El Cedro a pesar de tener un costo muy elevado en el mercado, en esta práctica fue el tipo de madera que menor resistencia presento, por ende el costo elevado de un tipo de madera no asegura la resistencia y durabilidad de este, el costo de este tipo de madera se debe a su utilización con un fin ornamental. La madera es un material que se deteriora con el tiempo y se ve afectado por factores ambientales, por eso en nuestro país no es comúnmente utilizada con un fin estructural. La madera debe ser almacenada en lugares secos , ya que la humedad tiende a expandirla, causando así separación entre las fibras teniendo como consecuencia que la madera se debilite. Según sea el tipo de madera, este puede ser un material muy resistente, siempre y cuando este en óptimas condiciones para que pueda ser utilizada en construcciones. Es ideal el conocimiento de la dirección de las fibras de la madera de las piezas que se someten a prueba, para determinar el efecto que tienen estas en la fuerza que soportan antes de fallar.
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Aplicacion a la vida real El pino debido a su alta resistencia a la compresión es necesaria para cimientos y soportes en construcción. La resistencia a la flexión es fundamental en la utilización de madera en estructuras, como viguetas, travesaños y vigas de todo tipo. Muchos tipos de madera que se emplean por su alta resistencia a la flexión presentan alta resistencia a la compresión. Por ello existen construcciones que se prefiere usar madera debido a las condiciones climáticas del lugar. Otra aplicación que tiene es la de la construcción de andamios y obra falsa. Para las construcciones se emplea una madera ya tratadas. Por lo que se debe considerar primero que se desea hacer para saber cuál es la madera más apropiada para utilizar. Para la madera de roble, por ejemplo, es muy resistente a la flexión pero más bien débil a la compresión, mientras que la de secuoya es resistente a la compresión y débil a la flexión. CONSTRUCCIÓN CON MADERA EN ESTADOS UNIDOS
ANDAMIOS
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Bibliografía
Ferdinand P. Beer / E. Russell Johnston, Jr. / John T. DeWolf / David F. Mazurek. Mecánica de Materiales. Editorial McGraw-Hill, sexta edición (2012). [05/11/2014]. “Propiedades Mecánicas de la Madera” . [base de datos]. Disponible en:
http://www.infomadera.net/uploads/productos/informacion_general_40_mec anicaEstructural.pdf [05/11/2014].
“2. Materiales”. [base de datos]. V. Badiola – Dpto. Ingeniería Mecánica,
Energética y de Materiales. Disponible en: http://www.imac.unavarra.es/web_imac/pages/docencia/asignaturas/DyCD M/DyCDM_Cap2.pdf [05/11/2014].
Anexos Foto No. 1:
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Foto No. 2:
Foto No. 3:
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