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Ensayos a la madera-Ing civil

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Guía de laboratorio para ensayo en madera

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Ensayos a la madera-Ing civil

  1. 1. UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSE SIMEON CAÑAS”, UCA Departamento de Mecánica Estructural, Apartado Postal (01)168, Autopista Sur, San Salvador, El Salvador, América Central Tel: +503-2210 6600. Fax: +503-2210 6664 Laboratorio de: MATERIALES DE CONSTRUCCION ENSAYO DE TENSIÓN, COMPRESIÓN Y CORTE EN MADERA NORMAS ASTM D 143-94 “Standard Test Methods for Small Clear Specimens of Timber” (Reaprobado2000) (Métodos estándar de ensayo para pruebas con pequeños especimenes limpios de madera) OBJETIVOS a) Determinar el módulo de Elasticidad (E) y el esfuerzo máximo de la madera (σu) sometida a carga de tensión y compresión paralela a la fibra. b) Determinar el esfuerzo máximo de la madera (τmax) sometida a cortante. c) Comprender el comportamiento de la madera ante tres tipos de solicitaciones distintas. d) Entender la relación existente entre las propiedades de un material y su comportamiento ante cargas. DISCUSIÓN TEORICA (Basado en Bukele G. P., S. Giammatei y C. M. Perla [1997] “Investigación del comportamiento estructural del Bahareque”; Trabajo de graduación Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”; San Salvador, El Salvador, Septiembre de1997) Generalidades La madera es un material anisotrópico, que no presenta iguales propiedades mecánicas en todos los sentidos, sino más bien diferente en cada uno de ellos. Sin embargo, para facilitar los análisis se le puede considerar ortotrópico.
  2. 2. La madera está compuesta de pequeñas unidades estructurales llamadas células o celdas. Estas son de forma alargada y su base es la celulosa, las celdas están cementadas por lingina, y su ordenamiento dentro del árbol afecta grandemente la apariencia y las propiedades de las diversas especies. El término grano se utiliza con frecuencia para indicar la dirección general de las fibras de la madera aserrada. Siendo un material de origen natural, muchos son los factores que afectan la resistencia de la madera, como defectos de crecimiento, nudos, inclinación de la fibra, contenido de humedad ( la mayoría de las propiedades mecánicas aumentan al reducirse la humedad), temperatura ( la temperatura puede afectar la resistencia de la madera, sobretodo si se trata de una exposición prolongada al calor, pero si se trata de una exposición corta la afección será igualmente temporal y regresará a su estado inicial), duración de la carga (sobretodo 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 el ataque de los insectos. Propiedades mecánicas de la madera Las propiedades mecánicas de la madera dependen grandemente del tipo de humedad y la dirección de las fibras. Cualquier irregularidad en la madera reduce su resistencia, durabilidad o utilidad, como nudos, grietas, desprendimiento, putrefacción, grano transversal y otras. Comportamiento de la madera sujeta a tensión En general la capacidad de la madera a la tensión es muy alta y depende de la formación e inclinación de la fibra. Cuando la tensión es totalmente paralela a la fibra, la madera desarrollará el 100% de su capacidad, mientras que cuando la tensión es perpendicular a las fibras su resistencia es virtualmente cero. Aunque la resistencia a la tensión de la madera sea alta, no se le puede utilizar efectivamente en miembros estructurales, debido a su baja resistencia al esfuerzo cortante, el cual causa la falla en las conexiones de los extremos que utilizan conectadores de pernos o placas antes de que su real resistencia a la tensión de un miembro pueda desarrollarse. Comportamiento de la madera sujeta a compresión 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 resistencia de ruptura. La ruptura 2
  3. 3. 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 1. Figura 1: Tipos de falla en compresión paralela a la fibra. Comportamiento de la madera sujeta a corte Como se mencionó anteriormente, la madera presenta una baja resistencia al esfuerzo cortante, sobretodo en las conexiones con otros elementos, por lo que en lo referente a esfuerzos directos, el ensayo de compresión de la madera es de mayor significación práctica que el de tensión o de corte. MATERIALES Y EQUIPO a. Ensayo de tensión paralela a la fibra Materiales Probeta de madera labrada de acuerdo a las siguientes dimensiones Donde: A : 4” B : 3 ¾” 3
  4. 4. C : 2 ½” D : 3/8” F : 1” G : 3/16” H : ¼” R :17 ½” Equipo • 1 Máquina universal de pruebas • 1 Extensómetro de 2” de longitud de calibración • 1 Cinta métrica ( 3 o 5 m) • 1 Pie de rey b. Ensayo de compresión paralela a la fibra Material Probeta de madera labrada de acuerdo a las siguientes dimensiones. Equipo • 1 Máquina universal de pruebas • 1 Extensómetro de 6” de longitud de calibración • 1 Cinta métrica ( 3 o 5 m) • 1 Pie de rey c. Ensayo de corte en madera paralela a la fibra Material • Probeta de madera labrada de acuerdo a las siguientes dimensiones. 4 8” 2”2” A B D E C Dimensiones: A = 2” B = 2” C = 3/4” D = 2 1/2” E = 2”
  5. 5. • 1 Máquina universal de pruebas • 1 Extensómetro de 6” de longitud de calibración • 1 Dispositivo de corte • 1 Pie de rey PROCEDIMIENTO a. Ensayo de tensión paralela a la fibra Determinación de dimensiones y colocación en máquina de ensayo. 1) Tome las medidas de las dimensiones de la probeta a ensayar y marque con un lápiz una longitud de calibración de 2 pulgadas a partir del centro de ésta. 2) Coloque el extensómetro en la probeta de modo que las puntas de los tornillos sujetadores queden sobre la dimensión más grande de la misma. 3) Con el auxilio del responsable del laboratorio, coloque la probeta y el extensómetro entre las mordazas de la máquina. Aplicación de la Carga. Se aplicará a la muestra una carga estática a una velocidad de 0.05 pulg/min. La precisión del deformímetro será de 0.0001 plg/div y la carga en lbf en lectura directa de la pantalla de la máquina universal. Obtención de datos 1) Tomar 15 lecturas de carga y deformación para cada 10 divisiones del deformímetro. 2) Retire el deformímetro de la muestra y tome las lecturas de carga última y carga de ruptura. 3) Retírese la probeta rota de la máquina y obsérvese la ubicación y el tipo de fractura. b. Ensayo de compresión paralela a la fibra Determinación de dimensiones y colocación en máquina de ensayo. 1) Tome las medidas de las dimensiones de la probeta a ensayar y marque con un lápiz una longitud de calibración de 6 pulgadas a partir del centro de ésta. 5
  6. 6. 2) Coloque el extensómetro en la probeta de modo que las puntas de los tornillos sujetadores queden sobre las líneas que delimitan la longitud de calibración. 3) Con el auxilio del responsable del laboratorio, coloque la probeta y el extensómetro en la máquina universal de pruebas. Aplicación de la Carga. Para asegurar una distribución uniforme de la carga, se utilizará un cabezal esférico en la máquina universal de prueba TINIUS OLSEN. Durante la prueba, se aplicará la carga a una velocidad constante de 0.027 plg/min sobre el área de 4 plg2 . La precisión del deformímetro será de 0.0001 plg/div y la lectura de carga se hará en lbf de la pantalla de la máquina universal. Obtención de datos 1) Se tomarán las lecturas de carga para cada división del deformímetro para las primeras 10 divisiones; luego se tomarán 5 lecturas de carga para cada 5 divisiones del deformímetro. 2) Retire el deformímetro de la muestra y tome las lecturas de carga última y carga de ruptura. 3) Retírese la probeta rota de la máquina y obsérvese la ubicación y el tipo de fractura. c. Ensayo de corte en madera, paralela a la fibra Determinación de dimensiones y colocación en máquina de ensayo. 1) Tome las medidas de las dimensiones de la probeta a ensayar. 2) Coloque la probeta en el dispositivo de corte según lo muestra la figura, y todo el sistema en la máquina universal de pruebas. 6
  7. 7. Aplicación de la Carga. Durante la prueba, se aplicará la carga (en lbf ) con una velocidad lenta y constante. Obtención de datos 1) Regístrese la carga última de la muestra. 2) Retírese la probeta rota de la máquina y obsérvese la ubicación y el tipo de fractura. CALCULOS Ensayo a tensión a) Realizar los cálculos necesarios a efecto de elaborar un gráfico esfuerzo- deformación unitaria (ver fig 11.2) y con el auxilio de las herramientas de EXCEL determinar la ecuación lineal que define la tendencia y su correspondiente valor de correlación R. b) Reportar la carga máxima y el esfuerzo máximo a tensión así como el valor del módulo de elasticidad E para la condición de esfuerzo a tensión. Asimismo presentar un esquema (o foto) que muestre el sitio y tipo de falla que se presentó en la probeta. 7
  8. 8. Fig. 2: Gráfico esfuerzo-deformación unitaria de madera sujeta a tensión paralela a la fibra Ensayo a compresión a) Realizar los cálculos necesarios a efecto de elaborar un gráfico esfuerzo- deformación unitaria (ver fig 11.3) y con el auxilio de las herramientas de EXCEL determinar la ecuación lineal que define la tendencia y su correspondiente valor de correlación R. b) Reportar la carga máxima y el esfuerzo máximo a compresión, así como el valor del módulo de elasticidad E para la condición de esfuerzo a compresión. Asimismo presentar un esquema (o foto) que muestre el sitio y tipo de falla que se presentó en la probeta. Fig. 11.3: Gráfico esfuerzo-deformación unitaria de madera sujeta a compresión paralela a la fibra 8
  9. 9. Ensayo de corte en madera paralela a la fibra a) Reportar la carga máxima y el esfuerzo máximo de corte. Asimismo presentar un esquema (o foto) que muestre el tipo de falla que se presentó en la probeta. EJEMPLOS ILUSTRATIVOS Ensayo de tensión paralela a la fibra Universidad Centroamericana José Simeón Cañas DEPARTAMENTO DE MECANICA ESTRUCTURAL Laboratorio de Resistencia de Materiales HOJA PARA TOMA DE DATOS DE LABORATORIO DE TENSIÓN EN MADERA PARALELA A LA FIBRA Fecha de prueba: 14/08/2001 Grupo de laboratorio: ____________________________ _ Instructor: ____________________________ __ 1. Preparación de la muestra: Longitud 18.047 pulgadas A 3+9/10+3/40+15/100 0 3.99 pulgadas B 3+7/10+0/40+1/1000 3.701 pulgadas 9
  10. 10. C 2+6/10+2/40+15/100 0 2.665 pulgadas D 0+4/10+0/40+20/100 0 0.42 pulgadas E 1+0/10+1/40+16/100 0 1.041 pulgadas F 1+0/10+1/40+20/100 0 1.041 pulgadas G 0+2/10+3/40+23/100 0 0.298 pulgadas H 0+7/10+0/40+20/100 0 0.72 pulgadas Datos para la determinación de propiedades mecánicas de la muestra. Módulo de elasticidad Precisión del deformímetro: 0.0001plg/div Longitud de calibración: 2plg # DIVISIONES DEL DEFORMÍMETRO LECTURAS DE CARGA ( lbf ) # DIVISIONES DEL DEFORMÍMETRO LECTURAS DE CARGA ( lbf ). 1 0 0 11 10 93.5 2 1 16.5 12 11 104.5 3 2 27.5 13 12 110.0 4 3 33.0 14 13 121.0 5 4 44.0 15 14 126.5 6 5 55.0 16 15 132.0 7 6 60.5 17 8 7 71.5 18 9 8 82.5 19 10 9 88.0 20 Carga máxima y de falla. Carga máxima (última) 209.0 lbf Cálculos Área inicial de la probeta Área (A) 0.807 cm2 Tabla de valores de esfuerzo y deformación 10
  11. 11. unitaria. # Deformación unitaria Esfuerzo (kg/cm2) 1 0.00000 0.00 2 0.00005 9.29 3 0.00010 15.48 4 0.00015 18.58 5 0.00020 24.77 6 0.00025 30.96 7 0.00030 34.06 8 0.00035 40.25 9 0.00040 46.44 10 0.00045 49.54 11 0.00050 52.63 12 0.00055 58.82 13 0.00060 61.92 14 0.00065 68.11 15 0.00070 71.21 16 0.00075 74.31 Recta de mejor ajuste. Y = m X+b m 96,705.82 kg/cm2 b 4.76 kg/cm2 C.C. R 0.99658 Gráfico Esfuerzo vrs deformación unitaria Propiedades esfuerzo-deformación Carga máxima 95.0 0 kg 11
  12. 12. Esfuerzo máximo (último): 117. 7 Kg/cm2 Ensayo de compresión paralela a la fibra. Universidad Centroamericana José Simeón Cañas DEPARTAMENTO DE MECANICA ESTRUCTURAL Laboratorio de Resistencia de Materiales HOJA PARA TOMA DE DATOS DE LABORATORIO DE COMPRESION EN MADERA PARALELA A LA FIBRA Fecha de prueba: 14/08/2001 Grupo de laboratorio: ____________________________ ___ Instructo r: ____________________________ ___ 1. Preparación de la muestra: A 2+0/10+2/40+0/1000 2.05 0 Plg B 2+0/10+1/40+10/1000 2.03 5 Plg Longitu d 8+1/8 8.13Plg 2. Datos para la determinación de propiedades mecánicas de la muestra. 2.1. Módulo de elasticidad Precisión del deformímetro: 0.0001plg/div Longitud de calibración: 6plg 12
  13. 13. # DIVISIONES DEL DEFORMÍMETRO LECTURAS DE CARGA ( lbf ) # DIVISIONES DEL DEFORMÍMETRO LECTURAS DE CARGA ( lbf ) 1 0 0 11 10 1650 2 1 330 12 15 2420 3 2 440 13 20 3190 4 3 605 14 25 4565 5 4 770 15 30 4895 6 5 935 16 35 5665 7 6 1100 17 8 7 1210 18 9 8 1375 19 10 9 1595 20 2.2 Carga máxima y de falla. Carga máxima (última) 7590 lbf 3 Cálculos 3.1 Área inicial de la probeta Área (A) 26.91 cm2 3.2 Tabla de valores de esfuerzo y deformación unitaria. # Deformación unitaria Esfuerzo (kg/cm2) 1 0.00000 0.00 2 0.00002 5.57 3 0.00003 7.43 4 0.00005 10.22 5 0.00007 13.00 6 0.00008 15.79 7 0.00010 18.58 8 0.00012 20.44 9 0.00013 23.22 10 0.00015 26.94 11 0.00017 27.87 12 0.00025 40.87 13 0.00033 53.87 14 0.00042 77.10 15 0.00050 82.67 16 0.00058 95.67 3.3 Recta de mejor ajuste. Y = m 13
  14. 14. X+b m 164,217.02 kg/cm2 b 1.66 kg/cm2 C.C.R 0.997 3.4 Gráfico Esfuerzo vrs deformación unitaria 3.5 Propiedades esfuerzo- deformación Carga máxima 3450 kg Esfuerzo máximo (último): 128.2 kg/cm2 14
  15. 15. Ensayo de corte paralelo a la fibra Universidad Centroamericana José Simeón Cañas DEPARTAMENTO DE MECANICA ESTRUCTURAL Laboratorio de Resistencia de Materiales HOJA PARA TOMA DE DATOS DE LABORATORIO DE CORTE DIRECTO EN MADERA PARALELA A LA FIBRA Fecha de prueba: 14/08/20 01 Grupo de laboratorio: ___________________________ __ Instructor ___________________________ __ 1. Preparación de la muestra: A 1+9/10+3/40+20/ 1000 2.00pulgadas B 1+9/10+3/40+10/ 1000 1.99pulgadas C 2+6/10+2/40+15/ 1000 2.67pulgadas D 1+9/10+1/40+25/ 1000 1.95pulgadas E 0+7/10+1/40+10/ 1000 0.74pulgadas 2. Carga máxima y de falla. Carga máxima (última) 4455 lbf 3 Cálculos 3.1 Área inicial de la probeta Área (A) 25.10 cm2 3.2 Propiedades esfuerzo- deformación 15
  16. 16. Carga máxima: 2025.00 kgf Esfuerzo máximo (último): 80.68 kg/cm2 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. • Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 2003. • Davis, Troxell & Wiskocil, The Testing and Inspection of Engineering Materials, USA, McGraw-Hill, Civil Engineering Series, 3rd Edition, 1964. • Bukele G. P., S. Giammatei y C. M. Perla [1997] “Investigación del comportamiento estructural del Bahareque”; Trabajo de graduación preparado para la facultad de Ingeniería y Arquitectura para optar al grado de Ingeniero Civil en la Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”; San Salvador, El Salvador, Septiembre de1997 16

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