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La madera es un material omnipresente que se ha utilizado en la construcción desde los tiempos más remotos. Renovable y sostenible, la madera es un material estructural ampliamente utilizado en ingeniería para la construcción de edificios residenciales unifamiliares y también para enmarcar tabiques y otros elementos no estructurales en edificios comerciales e industriales.
Debido a su origen natural, la madera tiene propiedades mecánicas ligadas a cada especie de árbol. El contenido de humedad y otras variables, por ejemplo, la presencia de defectos. Para una aplicación específica, un diseñador debe considerar cuidadosamente las cargas anticipadas en un miembro o estructura de madera para garantizar la máxima efectividad del material.
Este video ilustrará cómo probar las propiedades mecánicas de diferentes tipos de madera y determinar su comportamiento de tensión-deformación y su rendimiento visual.
La madera se compone de células alargadas, redondas o rectangulares en forma de tubo que son mucho más largas que anchas. Dentro de la pared hay varias capas hechas de microfibrillas, que son haces de polímeros de celulosa.
Las cadenas de microfibrillas están alineadas en distintas direcciones dentro de las capas de las paredes. La pared central con sus cadenas alineadas a lo largo de la dimensión más larga de la célula proporciona la mayor parte de la fuerza a la célula, mientras que las cadenas diagonales de las paredes internas y externas brindan estabilidad. La lignina une los polímeros de celulosa, así como las cadenas de microfibrillas y las células de las paredes. El efecto de agrupación de muchas celdas juntas da como resultado un material de construcción muy resistente.
La madera es un material biológico y, por lo tanto, es muy susceptible a la descomposición ambiental y al ataque de plagas. Gran parte de la madera utilizada hoy en día está pretratada con productos químicos para protegerla del medio ambiente y del ataque de insectos.
La madera es un material no homogéneo caracterizado por un gran número de imperfecciones o defectos como, por ejemplo, nudos y rajaduras. En consecuencia, se utilizan grandes factores de seguridad o relaciones entre la resistencia del diseño y la resistencia final real para dar cuenta de la gran variación en las propiedades de ingeniería de las diferentes piezas de madera.
Debido a su composición celular, la madera es un material ortotrópico, que tiene diferentes propiedades a lo largo de los ejes longitudinal y, respectivamente, transversal con respecto a la dirección de la veta. En consecuencia, el material se comportará de manera diferente a las cargas paralelas o perpendiculares a la fibra de madera. Las propiedades ortotrópicas de la madera se pueden mejorar mediante diferentes métodos.
Los laminados como la madera contrachapada están hechos de capas con fibras alineadas en direcciones perpendiculares, lo que da como resultado un material isotrópico. Alternativamente, la madera laminada encolada está hecha de tiras delgadas de fibras alineadas en la misma dirección y pegadas bajo presión, derivando su resistencia de la distribución de defectos.
La composición celular de la madera también explica el agua libre dentro de las cavidades celulares y el agua unida a las paredes celulares. En consecuencia, el contenido de humedad es un parámetro clave para determinar la resistencia de la madera y, en general, la reducción de la humedad dará como resultado un aumento de la resistencia. Los cambios volumétricos asociados con el secado pueden resultar en una contracción y distorsión no uniformes, como torcedura, arco, copa o torcedura.
Como la madera es un material polimérico, también es propensa a la fluencia o, bajo carga constante, a la deformación continua similar a la viscosa. Cuando se libera la carga, se recupera la mayor parte de la deformación. Como resultado, la madera generalmente puede soportar tensiones mucho más altas si la duración de la carga es corta. Dado que todos estos factores serían demasiado complejos para su uso en el diseño diario, para fines estructurales utilizamos lo siguiente: un análisis estadístico de los valores finales de resistencia sin defectos para muchas especies, correcciones para el contenido de humedad y relaciones de resistencia basadas en el grado de la madera para corregir los efectos de reducción de resistencia.
Las propiedades comúnmente dadas para la mayoría de las maderas se publican en forma de tabla para facilitar la referencia. Estas propiedades son: esfuerzo de flexión admisible, tensión paralela al grano, cizallamiento horizontal, compresión perpendicular al grano, compresión paralela al grano y el módulo de elasticidad. Además de las propiedades básicas específicas de orientación de las especies de madera, debe ser evidente que no toda la madera se comporta de la misma manera bajo carga.
Ahora que comprende las propiedades físicas de la madera y los principios de las pruebas de madera, usémoslos para realizar algunas pruebas.
Antes de comenzar, elija tres variedades de madera para comparar. Para cada variedad, prepare dos muestras de cubo de compresión con dimensiones nominales de borde de 3.5 pulgadas. Asegúrese de que los cubos estén libres de defectos y que sus superficies opuestas sean paralelas. Marque un espécimen de cada variedad para el ensayo con una carga aplicada paralelamente al grano, y los especímenes restantes para el ensayo con una carga aplicada perpendicular al grano.
Mida la altura de la dirección de carga de cada muestra de prueba utilizando un calibrador. Y repita la medición en algunos lugares para determinar el promedio aproximado. Cuando haya terminado, utilice el mismo procedimiento para determinar las dimensiones de la sección transversal de cada muestra.
Configure la máquina de prueba universal como se muestra en el video de JoVE con respecto a las constantes del material. Luego, centre cuidadosamente una muestra en la orientación correcta en la placa de compresión. Baje la cruceta hasta que se aplique una carga leve y luego use los controles finos para reducir la carga lo más cerca posible de cero.
Ahora aplique la carga de compresión a una velocidad de carga de 40 psi por segundo. El ensayo de compresión puede continuar durante varios minutos a medida que aumenta la carga y con una deformación visible significativa en la muestra. Permita que la prueba continúe hasta que se alcance una carga máxima obvia.
Registre la carga máxima cuando finalice la prueba y luego repita el procedimiento para las muestras restantes.
Realice otra prueba de compresión y, esta vez, aplique la carga perpendicular al grano de la muestra. Repita el procedimiento para las otras variedades de madera.
Ahora prepare algunos especímenes de hueso de perro usando las mismas tres variedades de madera. Prepare un conjunto de especímenes con el grano paralelo a la dimensión larga y un segundo conjunto con el grano perpendicular a la dimensión larga.
Realice pruebas de tensión en las seis muestras como se muestra en el video de JoVE con respecto a las características de tensión-deformación del acero.
Obtenga un dos por cuatro de aproximadamente 24 pulgadas de largo de cada variedad de madera. Instale el aparato de prueba de flexión de cuatro puntos en la máquina de prueba universal. Una vez que el aparato esté listo, encienda la máquina de prueba. Ajuste la configuración de la prueba para registrar las cargas y los valores de la cruceta, y capturar la carga máxima. Instale el espécimen en el aparato y deje caer la cruceta superior hasta que el aparato comience a hacer contacto con la viga de madera.
Aplique la carga a una velocidad de 2,000 libras por minuto hasta que la viga se fracture. Registre la carga de error cuando se complete la prueba y, a continuación, repita la prueba para las muestras restantes.
Utilice una tabla para resumir los resultados de las pruebas de compresión, tensión y flexión. A continuación, en cada columna, normalice los datos al valor máximo y cree una nueva tabla.
Ahora, echa un vistazo a tus resultados. Como se muestra consistentemente en todos los resultados, el roble es la madera más fuerte, seguida del abeto y el pino del sur. En cuanto a las dos propiedades más importantes, la resistencia a la flexión y a la compresión paralela a la veta, el abeto parece ser aproximadamente el 87% y el pino del sur aproximadamente el 78%, tan fuerte como el roble. Dado el gran diferencial de precio entre las maderas, el pino del sur, como el más barato de ellos, es una opción muy eficiente.
Las pruebas de madera son de suma importancia en la ingeniería estructural para evaluar la capacidad de los diseños finales para manejar la tensión y la tensión durante el uso rutinario con el fin de garantizar la seguridad del producto y el cumplimiento de las normas internacionales.
En un ensayo de flexión de cuatro puntos, una viga simplemente apoyada se carga con dos cargas de igual punto en su tercer punto, lo que da como resultado una porción central con momento constante y cero cortante. Esta prueba es crítica para sistemas de pisos donde los elementos estructurales de la madera se cargan principalmente por tensiones de flexión.
Hasta hace poco, las estructuras de madera se limitaban a tres o cuatro pisos en un apartamento o un pequeño edificio de oficinas. Los desarrollos de la madera contralaminada han dado como resultado el desarrollo de sistemas estructurales capaces de alcanzar ocho o más pisos. Mientras que edificios mucho más altos, del orden de 20 pisos, todavía están en desarrollo.
Acabas de ver la Introducción a las Pruebas de Madera de JoVE. Ahora debe comprender las propiedades de ingeniería de la madera y cómo realizar pruebas de tracción, compresión y flexión en muestras de madera.
¡Gracias por mirar!
