PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA - Aula Virtual
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAMADERACURSO DE XILOTECNOLOGÍADepartamento de Ingeniería Agrícola y ForestalFACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Y FORESTALESUNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATAAutores: Ing. Ftal. Spavento, Eleana MaríaIng. Ftal M. Sc. Keil, Gabriel DaríoDra. Cs. Agrarias y Ftales. Monteoliva, Silvia- 2008 -
XILOTECNOLOGÍA 2008INTRODUCCION . 3PROPIEDADES MECANICAS . 3Definición: . 3Consideraciones generales: . 4CLASIFICACIÓN . 5Propiedades de resistencia estática . 61.Flexión estática: . 62.Corte paralelo a la dirección de las fibras: . 83.Compresión perpendicular a las fibras: . 104.Compresión paralela a las fibras: . 11Propiedades de resistencia dinámica . 13Flexión dinámica o tenacidad . 13Propiedades de dureza y desgaste . 14Dureza Janka . 14DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA . 15RELACIÓN ENTRE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y ANATÓMICAS CON LARESISTENCIA MECÁNICA DE LA MADERA . 16Propiedades mecánicas de la madera como material de construcción . 22VALORES DE RESISTENCIA MECÁNICA . 23BIBLIOGRAFÍA . 252
XILOTECNOLOGÍA 2008INTRODUCCIONAl considerar las propiedades tecnológicas de la madera es importante tener encuenta que la misma no presenta igual comportamiento en todas sus direcciones. Debidoa esto, se desprenden los diferentes grados de resistencia que se registran en sus fibras,cuando deben soportar presiones o tensiones paralelas, tangenciales o perpendiculares aellas. Lo que le da resistencia es el conjunto de fibras, que constituidas en haces, poseenuna notable capacidad de soportar esfuerzos de tracción o compresión en el sentido delas fibras.Debido a que su constitución física no es homogénea, por seguridad se hanestablecido los valores de prueba de su resistencia muy por debajo de las tensiones derotura. Estos, están representados por las tensiones admisibles en los cálculos estáticos yson referidos a los diferentes tipos de madera según la densidad de su constitución. Sepodría decir que las propiedades de resistencia de la madera están en relación directacon su densidad.Dentro de las propiedades tecnológicas de las maderas, las físico-mecánicas sonlas más importantes para determinar el uso de la madera sólida. La determinación de laspropiedades mecánicas es un proceso que requiere de equipo, personal calificado, unprograma de ensayos, material y tiempo para realizar los ensayos destructivos.Los estudios anatómicos de la madera pueden significar un ahorro de tiempo,dinero y además, por la relación que tienen con las propiedades mecánicas, permitenpredecirlas. Cuando se introduce una nueva madera en el mercado de la industria forestaly se intenta comercializarla, la información publicada sobre sus característicastecnológicas es limitada.PROPIEDADES MECANICASDefinición:Las propiedades mecánicas de la madera son aquellas que definen la aptitud ycapacidad para resistir cargas externas, excluyendo los esfuerzos debidos a las tensionesinternas producto de los cambios de humedad.3
XILOTECNOLOGÍA 2008Consideraciones generales:El accionar de las cargas o fuerzas sobre la madera, dan lugar a diversos efectos ocomportamientos:Bajo cargas reducidas la madera se deforma de acuerdo a la Ley de Hooke, esdecir, la deformación es proporcional a la carga por unidad de área. Al tener la madera lascaracterísticas de un material cristalino, sigue las particularidades generales de estematerial, es decir que la relación entre esfuerzo y deformación hasta el límite deproporcionalidad, es lineal.Al aumentar la carga, el diagrama resulta curvilíneo. Sin embargo, si las tensionesno son superiores al límite de elasticidad, el material conserva sus propiedades elásticas,es decir, al descargar la probeta, ésta recupera su dimensión y forma original. Es asícomo en esta zona la madera presenta un comportamiento elástico.Cuando la carga sobrepasa el límite elástico, el comportamiento de la madera esdiferente, ya que se produce un proceso de escurrimiento o deslizamiento viscoso delmaterial leñoso siguiendo la Ley de Newton. En este escurrimiento o fluencia, losesfuerzos que se producen están relacionados fundamentalmente con la velocidad de ladeformación y con el tiempo de duración de la carga: presenta la característica de que apesar de las cargas aplicadas, la estructura interna permanece continua produciéndoseen la madera el comienzo de una deformación parcialmente irreversible. La explicación deello se encuentra en la estructura cristalina – paracristalina o amorfa de la pared celular.Aquí, la madera comienza a comportarse prácticamente como un material plástico y tomauna deformación parcialmente irreversible.Con el aumento de la carga el fenómeno de deslizamiento del material continúacon mayor velocidad y comienzan a producirse lugares de discontinuidad en la estructuracelular. Por lo tanto la madera presenta en esta parte un comportamiento netamenteplástico, con un proceso de deformación irreversible. Al seguir aumentando la carga, seproduce la rotura de la pieza. Se denomina resistencia máxima de la madera, o módulo derotura, a la tensión o esfuerzo a la cual se produce la rotura de la pieza.4
XILOTECNOLOGÍA 2008Figura 1. Diagrama general esfuerzo – deformación en maderas.CLASIFICACIÓNLas propiedades mecánicas se agrupan de acuerdo al comportamiento de lamadera ante la acción de una carga y al plano de corte en que se aplique la misma; comoasí también, de acuerdo a las modalidades de las cargas sobre las muestras, si éstas sonestáticas o dinámicas, y de su tiempo de aplicación. De este modo, podemos dividir a lasmismas en: resistencia estática, dinámica y de dureza / desgaste.La RESISTENCIA ESTATICA de la madera se determina a través de cargas osolicitaciones que se van aumentando en forma lenta y regular. Normalmente, lavelocidad de aplicación de las cargas está establecida en las normas técnicas y tiene porfinalidad producir situaciones de características aproximadas a las que presenta unacarga estática propiamente dicha. Los ensayos de flexión estática, corte paralelo a lasfibras, compresión paralela y perpendicular a las fibras pertenecen a esta clasificación.Los valores de resistencia estática tienen una gran importancia en las aplicacionesde la madera en la construcción, especialmente en el dimensionado de las diferentespiezas según su resistencia y deformación.La RESISTENCIA DINÁMICA de la madera se determina a través de la aplicaciónde cargas instantáneas. Debido a esto, las ondas generadas normalmente no sepropagan, provocando la rotura del cuerpo a causa de la fragilidad que presentan las5
XILOTECNOLOGÍA 2008maderas. Esta es la característica fundamental de los diferentes ensayos dinámicos, yaque mediante ellos puede determinarse la fragilidad o capacidad de una madera paraabsorber cargas instantáneas, por intermedio del trabajo necesario para producir la roturade una muestra de un solo impacto.En el caso puntual de la flexión dinámica, la misma está relacionada con la flexiónestática, pero la diferencia fundamental entre ambas, está basada en el carácter de lascondiciones técnicas: mientras que en la flexión estática la carga actúa lentamente, avelocidad constante y se analizan fundamentalmente los atributos elásticos, en la flexióndinámica se ensaya el comportamiento plástico de la madera a través de una cargainstantánea.En madera sujeta a esfuerzos móviles como elementos de máquina, deportivos,carrocerías, escaleras y en construcciones, raramente se produce la rotura a cargasestáticas, sino que el peligro principal se presenta en muchos casos, espontáneamente através de un esfuerzo dinámico, ocasionado por medio de un golpe por aplicación de unacarga instantánea o vibración periódica.PROPIEDADES DE DUREZA/DESGASTENormalmente los valores de dureza/desgaste en la madera se realizan a través delos ensayos de penetración y consisten en la resistencia que ofrece la madera a laintroducción de un cuerpo duro de forma esférica y cilíndrica.El valor de dureza es de suma importancia en la fabricación de pisos, o cualquierotro producto que durante su uso requiera resistencia al marcado o penetración. Cuantomayor sea este valor, mayor va a ser su aptitud de uso.Propiedades de resistencia estática1.Flexión estática: el ensayo de flexión estática mide la resistencia que ofrece unaviga a una carga puntual aplicada en el centro de luz o distancia entre apoyos, en la caratangencial más cercana a la médula de la probeta, (IRAM 9542, 1965).6
XILOTECNOLOGÍA 2008Figura 2. Probeta de flexión estática.Los parámetros a determinar en este ensayo son:a.Módulo de Rotura (MOR): corresponde a la tensión unitaria máxima en flexiónque soporta un material antes de que se produzca la falla. Cualquier incremento de cargasobre el material provocará la rotura del mismo.MOR (Kg / cm 2 ) 1.5 QLb h2(1)Siendo:MOR módulo de rotura, en Kg/cm2.Q carga de rotura, en Kg.L distancia entre apoyos o luz de la probeta, en cm.b ancho de la probeta, en cm.h altura de la probeta, en cm.b.Módulo de Elasticidad en Flexión (MOE): es la medida de rigidez del material.Su cálculo se basa en la razón entre el esfuerzo por unidad de superficie y la deformaciónpor unidad de longitud experimentada por la probeta expuesta a flexión. Constituye unvalor indicativo de la rigidez del material y es aplicable solamente a condiciones de trabajoque se encuentren dentro de la zona elástica de la curva carga vs. deformación.L3PMOE (Kg / cm ) 34bh 2(2)Siendo:MOE módulo de elasticidad, en Kg/cm2.7
XILOTECNOLOGÍA 2008P/ pendiente de la curva carga vs deformación, en el rango elástico, en Kg/cm.L, b y h fórmula (1).c.Tensión en el Límite de Proporcionalidad (TLP): corresponde a la carga unitariamáxima en flexión a la que se expone el material sin que se produzcan deformacionespermanentes.TLP (Kg / cm 2 ) 1.5 PLb h2(3)Siendo:TLP tensión en el límite de proporcionalidad, en Kg/cm2.P carga máxima aplicada en el límite elástico, en Kg.L, b y h fórmula (1).Rivero Moreno, 2004 establece la clasificación que se presenta en la Tabla 1 deacuerdo al ensayo de flexión estática.Tabla 1: Clasificación de los valores de flexión estáticaFlexión estática (Kg/cm2)MORMOEClasificación 500 100000Muy bajo500 – 950101000 – 120000Bajo951 – 1220121000 – 150000Medio1221 – 1750151000 – 200000Alto 1750 200000Muy altoUna madera es menos deseable para uso estructural cuando sus parámetros seencuentren cercanos a los valores más bajos de dicha clasificación.2.Corte paralelo a la dirección de las fibras: es la capacidad que tiene la maderade resistir fuerzas que tienden a causar el deslizamiento de una sección sobre otraadyacente a la anterior. Esta solicitación puede presentarse tanto en sentido paralelocomo perpendicular a las fibras, sin embargo, debido a la alta resistencia de la madera aeste último esfuerzo, no se considera el corte o cizalle perpendicular en el estudio de laspropiedades mecánicas.8
XILOTECNOLOGÍA 2008La norma IRAM 9596 (1977) establece para este tipo de ensayos, que las probetastengan la geometría y las dimensiones que se indican en la figura 3:Figura 3. Probeta de corte paralelo a las fibras.El parámetro determinado en este ensayo fue la tensión de rotura (TR):TR (Kg / cm 2 ) QA(4)Siendo:TR tensión de rotura, en Kg/cm2.Q carga de rotura, en Kg.A área total del plano de falla, en cm2.Rivero Moreno, 2004 establece una clasificación según la resistencia de lasmaderas al ensayo de corte (Tabla 2).9
XILOTECNOLOGÍA 2008Tabla 2: Clasificación de acuerdo a MOR en el ensayo de corte.Corte paralelo a las fibras (Kg/cm2)MORClasificación 40Muy bajo40 – 85Bajo86 – 120Medio121 – 175Alto 175Muy altoLas maderas con valores más altos de MOR son las más apropiadas para suutilización estructural.3.Compresión perpendicular a las fibras: es la resistencia que opone la madera auna carga repartida aplicada en sentido perpendicular a la dirección de las fibras en unade las caras radiales de la probeta, (IRAM 9547).El parámetro a determinar es el Módulo de rotura:MOR (Kg / cm 2 ) QAc(5)Siendo:MOR módulo de rotura, en Kg/cm2.Q carga de rotura, en Kg.Ac área de contacto placa metálica – probeta, en cm2.10
XILOTECNOLOGÍA 2008En la Tabla 3 se muestra la clasificación propuesta por Rivero Moreno (2004) paralas maderas de acuerdo a la resistencia a la compresión perpendicular a las fibras.Tabla 3: Clasificación de acuerdo al MOR en compresión perpendicular a las fibrasCompresión perpendicular a las fibras(Kg/cm2)MORClasificación 25Muy bajo26 – 50Bajo51 – 75Medio76 – 100Alto 100Muy altoDe acuerdo con esta clasificación puede observarse que maderas con valores deMOR en compresión perpendicular a las fibras más altos, son más aconsejables para suutilización en estructuras solicitadas a dicho esfuerzo.4.Compresión paralela a las fibras: es la resistencia que ofrece una columna auna carga aplicada en el mismo sentido de la dirección de las fibras, (IRAM 9541).Figura 4. Probeta de compresión paralela a las fibras.11
XILOTECNOLOGÍA 2008Los parámetros a determinar son:a.Módulo de Rotura (MOR):QAMOR (Kg / cm 2 ) (6)Siendo:MOR módulo de rotura, en Kg/cm2.Q carga de rotura, en Kg.A sección transversal de la probeta, en cm2.b.Módulo de elasticidad en compresión paralela (MOE):LPA MOE (Kg / cm 2 ) (7)Siendo:MOE módulo de elasticidad, en Kg/cm2. acortamiento total de la probeta, en cm.L longitud total de la probeta, en cm.P carga máxima aplicada en el límite elástico, en Kg.A definido en la fórmula (6).c.Tensión en el límite de proporcionalidad (TLP):TLP (Kg / cm 2 ) PA(8)Siendo:TLP tensión en el límite de proporcionalidad, en Kg/cm2.P definido en la fórmula (7).A definido en la fórmula (6).Rivero Moreno, 2004 establece una clasificación para maderas de acuerdo a laresistencia a la compresión paralela a las fibras expresada mediante los valores de MOR(Tabla 4).12
XILOTECNOLOGÍA 2008Tabla 4: Clasificación según el MOR en compresión paralela a las fibrasCompresión paralela a las fibras (Kg/cm2)MORClasificación 200Muy bajo201 – 300Bajo301 – 400Medio401 – 500Alto 500Muy altoMaderas más resistentes (valores de MOR más altos) son aconsejables para suutilización en estructuras solicitadas a dicho esfuerzo.Propiedades de resistencia dinámicaFlexión dinámica o tenacidadEs la capacidad que tiene la madera de absorber energía al aplicarse una cargaque actúa en forma instantánea sobre ella. La masa que impacta la probeta tiene unaenergía libre determinada por su peso y su ángulo de caída. Para comparar la resistenciade distintas maderas, se determina la energía absorbida, es decir, la energía que pierde lamasa que cae libremente al golpear contra la probeta (energía necesaria para producir larotura de la muestra en condiciones definidas).En Argentina la determinación de esta resistencia esta especificada en la normaIRAM 9546, y para tal fin adopta el sistema de impacto tipo martillo-péndulo. Medianteeste tipo de máquina se efectúa el ensayo dinámico de choque, por medio del cual severifica el comportamiento de la madera al ser golpeada por una masa de peso conocida,que se la deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia sobre unaprobeta de dimensiones establecidas que se rompe por flexionamiento. Por lo tanto sedetermina el trabajo absorbido por la madera cuando es rota de un solo golpe por elmartillo-péndulo, y su valor en Kgm o Joule relacionado con la sección transversal de lamuestra nos indica la resistencia al impacto o capacidad de la madera para absorbercargas dinámicas de choque.En este tipo de ensayos, las probetas están sometidas a dos tipos de esfuerzos:a.Tenacidad radial: la solicitación se aplica en la cara radial de la probeta.13
XILOTECNOLOGÍA 2008b.Tenacidad tangencial: la solicitación se aplica en la cara tangencial de laprobeta.Figura 5. Ensayo de flexión dinámica.Propiedades de dureza y desgasteDureza JankaLa dureza determina la resistencia que ofrece la madera a la penetración decuerpos de mayor solidez y consistencia.Para la realización de este ensayo se utiliza una prensa universal a la cuál se leconecta un dispositivo con una esfera de acero de 1,13 cm de diámetro. Ésta se hacepenetrar sobre la probeta hasta dejar una impronta de 1 cm². La esfera se introduce hastala mitad de su diámetro en cada una de las seis caras de la probeta y llegado estemomento se registra la carga de penetración soportada, (IRAM 9570).La solicitación es normal a la dirección de las fibras en cuatro de las seis caras dela probeta; en las caras restantes es paralela a las fibras.Determinadas las solicitaciones en cada uno de los planos se promedian ydeterminan los valores de dureza transversal, radial y tangencial, expresados en kg/mm².En la Tabla 5 se presenta la clasificación de las maderas según los valores dedureza Janka (Coronel, 1995).14
XILOTECNOLOGÍA 2008Tabla 5: Tabla de clasificación según valores de dureza JankaClasificaciónRangoMaderas muy blandas 300 Kg/cm2.Maderas blandas301 a 500 Kg/cm2.Maderas semiduras501 a 700 Kg/cm2.Maderas duras701 a 1000 Kg/cm2.Maderas muy duras 1000 Kg/cm2.Figura 6. Probeta de dureza Janka.DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA Recolección de las muestras: cualquier propiedad mecánica de la madera sedetermina sobre la base de un valor medio.De acuerdo a la finalidad del trabajo, la precisión que se pretenda estimar en losvalores medios de los resultados, los costos de selección de las muestras y aplicandoprincipios estadísticos de muestreo en el diseño del proyecto, se puede obtener el númerode muestras necesarias para realizar los ensayos mecánicos de la madera. Preparación de las probetas: previa preparación de las probetas propiamentedichas se debe llevar el contenido de humedad de las tablas al estado de equilibriohigroscópico. Esto se puede ir controlando con un xilohigrómetro digital. Una vez obtenido15
XILOTECNOLOGÍA 2008dicho contenido de humedad, se procede a obtener las probetas de dimensiones ygeometrías especificadas según la norma que se utilice.Un aspecto a tener en cuenta en la obtención de las probetas, es que lasmismas se elaboren siempre en forma tal que dos lados presenten orientación tangencialy los dos lados opuestos tengan orientación radial. Realización de los ensayos: la ejecución, como asimismo los procedimientos ylas metodologías para la determinación de las propiedades mecánicas de la madera, seobtendrán de l
Tabla 2: Clasificación de acuerdo a MOR en el ensayo de corte. Corte paralelo a las fibras (Kg/cm 2) MOR Clasificación 40 Muy bajo 40 – 85 Bajo 86 – 120 Medio 121 – 175 Alto 175 Muy alto Las maderas con valores más altos de MOR son las más apropiadas para su utilización estructural. .
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