Pruebas en madera

Fuente: Roberto León, Departamento de Ingeniería Civil y ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

La madera es un material ubicuo que se ha utilizado en la construcción de los primeros tiempos. La madera es un material renovable, sostenible con gran valor estético. Hoy en día, hay probablemente más edificios construidos con madera que cualquier otro material estructural. Muchos de estos edificios son viviendas unifamiliar, pero muchos edificios de apartamento más grandes, como edificios comerciales e industriales, también utilizan estructuras de madera.

Tiene el uso generalizado de madera en la construcción de una base económica y estética. La capacidad de construir edificios de madera con una cantidad mínima de equipo ha mantenido el costo de los edificios del woodframe competitivo con otros tipos de construcción. Por otro lado, donde las consideraciones sobre la arquitectura están importantes, la belleza y la calidez de la madera expuesta es difícil de igualar con otros materiales.

Los objetivos de este experimento son realizar pruebas de tracción y compresión en tres tipos de madera para investigar su comportamiento tensión-deformación y llevar a cabo una prueba de flexión de cuatro puntos sobre una viga de madera para comprobar su funcionamiento flexural. En una prueba de flexión de cuatro puntos, se carga una viga simplemente apoyada con dos cargas de igual punto en sus tercer puntos, dando por resultado una porción central con momento constante y cero corte. Esto es una prueba importante porque elementos estructurales de madera se utilizan en sistemas de piso y así se cargan principalmente por esfuerzos de flexión.

Madera se compone de células de forma de tubo alargadas, redondo o rectangulares. Estas células son mucho más largo (2-4 mm) que son todo (20-40 μm), con la longitud de las células a menudo relacionada con la longitud del árbol. Paredes celulares se hacen de la celulosa (un polímero), con las cadenas poliméricas alineadas en diferentes direcciones en cada una de las capas que forman la pared celular. La pared media, con sus cadenas alineadas a lo largo de la dimensión más larga de la célula, proporciona la mayor parte de la fuerza a la celda, mientras que las cadenas diagonal de la pared interior y exterior proporcionan estabilidad. La estructura de la pared celular es semicristalina, con estructuras cristalinas de 30-60 μm longitud seguido de secciones cortas de amorfas. Las cadenas y las células están unidas por un material conocido como lignina. Cada célula es relativamente débil, pero el efecto de incluir de muchas células juntas proporcionadas por los resultados de la lignina en un material de construcción muy fuerte y útil. Una buena analogía para esto es la resistencia de beber solo paja frente a la de muchos popotes pegados o atados.

El puro hecho de que la madera es un material biológico es muy susceptible al deterioro ambiental y ataque de plagas si es expuesto a los elementos. Así, gran parte de la madera utilizada hoy es pretratada con productos químicos para protección del ambiente y del ataque de insectos. Que la madera es un material biológico también significa que hay una gran variación en las propiedades de ingeniería entre pedazos de madera, incluso dentro de la misma especie de árbol. Un gran número de imperfecciones inevitablemente estará presente, haciendo la madera un material no homogéneo. Estos defectos son el resultado de los nudos, donde una porción de un miembro o se ha incorporado en el cuerpo principal del árbol. En consecuencia, grandes factores de seguridad, o coeficientes de resistencia de diseño a fuerza final real, se utilizan en diseño de madera. Los valores típicos para los factores de seguridad en madera son 2.5 para los miembros en flexión, y códigos de diseño están calibrados que 99% de los miembros tendrá al menos un factor de 1.25 de la seguridad.

La composición celular de la madera es un material ortotrópico. Así, las propiedades serán diferentes si el material se carga en paralelo o perpendicular al lado largo de las células. Esta propiedad significa que la teoría de la elasticidad generalmente no puede ser directamente usado como el material no es isotrópicos (mismas propiedades en todas las direcciones de tres) sino ortotrópicos (propiedades distintas en dos direcciones: longitudinales y transversales a la celda más Dirección). La composición celular también significa que el contenido de humedad de la madera es un parámetro clave en la determinación de su fuerza. Ambos de estos factores sería demasiado complejos para el uso en el diseño de todos los días, por lo que el diseño de la madera para fines estructurales se basa en la teoría lineal y tensiones admisibles determinadas por el siguiente enfoque:

1. Se realiza un análisis estadístico de un valores de fuerza de gran cantidad de preimprimada ultimate (o defectos) para varias especies comerciales. Las tensiones nominales se basan en el 95% de los valores mayor y 5% inferior a la resistencia última nominal.
2. Los valores son corregidos para tener en cuenta el contenido de humedad, como este factor afecta en gran medida más propiedades de ingeniería de la madera. La humedad en la madera consiste principalmente de agua libre en las cavidades de la célula y el agua en las paredes celulares. Cuando se seca la madera, es fácil de eliminar agua libre, pero mucho más difícil eliminar agua. La humedad en que el agua comienza a quitarse de la pared celular se denomina el punto de saturación de la fibra (FSP). En general, reducción de humedad como resultado aumentos en fuerza, especialmente como el nivel cae por debajo de la FSP. Madera en su estado verde (o recién cortada) tendrá un contenido de humedad grande (más del 100% para especies como la balsa) y no empieza a ganar fuerza significativa hasta que su contenido de humedad desciende por debajo de la FSP, que oscila entre 22% y 30% para la mayoría de las especies. Madera se considera superficie verde (o corte en una condición húmeda) cuando su contenido de humedad está por encima de 19% y superficie seca si está por debajo de ese límite. Secado al aire de madera tendrá un contenido de humedad de alrededor del 12% - 15%, mientras que secado al horno de la madera es inferior al 10%. La madera es sólo horno de secado si es necesario para aplicaciones especiales como muebles; para aplicaciones estructurales más comunes el secado al aire es suficiente.
3. Relaciones de fuerza se utilizan a continuación para ajustar los valores de preimprimada para explicar los defectos de strengthreducing permitidos en un grado determinado de estrés. Grados de estrés, una medida de calidad de madera de ingeniería, se asignan generalmente basado en una rápida inspección visual, o de doblado, en la línea de producción. En este último caso, la rigidez es proporcional al módulo de la elasticidad, y que luego se correlaciona a la fuerza. Las propiedades que se da comúnmente por la mayoría de las maderas son tensión de flexión admisible (F_b), esquileo horizontal (F_v), compresión paralela al grano (F_c), compresión perpendicular al grano (F_c) y el módulo de elasticidad (E). Además de las propiedades básicas de la orientación específica de las especies de madera, debe ser evidente que no todas las maderas comportan de la misma manera bajo carga. Maderas suaves, como el abeto, pino o abeto, son relativamente baratos y por lo tanto se utilizan predominante para propósitos estructurales en las estructuras del marco de la luz. Maderas más duras, como el roble o nogal americano, tienen una tasa de crecimiento diferente y patronaje, los bosques más difícil de llenar, mientras también dándoles características superiores para ciertos usos de la construcción.

Es importante tener en cuenta que grandes cambios volumétricos se asocian con reducciones en el contenido de humedad. También, la contracción que resulta del secado no es uniforme. Por ejemplo, para el abeto de Douglas, la contracción radial es de 4.8%, la contracción tangencial es del 7,6% y la contracción volumétrica es de 12,4%. Como la madera es un material polimérico, también es propensa a la fluencia, o a la continua deformación viscosa como bajo constante de la carga. Como resultado, madera generalmente puede soportar muchas tensiones más altas si la duración de la carga es corta. Un factor de duración de carga se utiliza para explicar este comportamiento. Si las duraciones de carga son cortas, como 10 minutos o menos para el caso de cargas de sismo y viento grandes tormentas, los valores de diseño se puede multiplicar por 1.6 debido a que la duración de la carga es lo suficientemente corta como para que ninguna fluencia apreciable puede ocurrir.

Otros factores de corrección utilizados son el factor de tamaño, el factor repetitivo de miembro y el factor de forma. El factor de tamaño de cuentas para el hecho de que las pruebas de madera la mayoría de los datos se generan de la viga baja, menos de 12 pulgadas de profundidad y es bien sabido que la fuerza media disminuye a medida que el tamaño de los miembros aumenta debido a la presencia de defectos (el supuesto tamaño EFFect). Se utiliza el factor repetitivo para tener en cuenta el hecho de que miembros de madera se utilizan a menudo en proximidad cercana a uno con el otro y son atados juntos por diafragmas de piso y coleccionistas, por lo que la debilidad o falta de un miembro individual no conduce a una desproporcionada colapso (es decir, se traducirá fallas). Por último, la relación de aspecto (grueso de profundidad) de un miembro afecta también a resultados de la prueba. Todos estos factores de corrección son básicamente empíricos, pero justificada basada en estadísticas de resultados de pruebas de laboratorio y experiencia de desempeño en el campo.

Las propiedades ortotrópicos de madera pueden ser mejoradas mediante la creación de laminados, tales como madera contrachapada, donde las capas con las fibras alineadas en resultado de direcciones perpendiculares en un material isotrópico. De manera similar, los miembros hicieron de tiras delgadas de fibras alineadas en la misma dirección y pegados bajo presión, o pegamento laminado de madera (laminada), derivan su fuerza de distribución de defectos.

Prueba de compresión

1. Obtener nominal especímenes cúbicos de 3-1/2" compresión de tres diferentes maderas (pino del sur, abeto y roble por ejemplo). Los cubos se pueden cortar de una sección de 4 x 4, pero deben ser madera clara. Asegúrese de que las superficies deben ser paralelos a uno otro. Un conjunto de muestras debe analizarse con la carga aplicada paralelamente al grano, y el otro conjunto de muestras debe analizarse con la carga aplicada perpendicular al grano. El número de repeticiones de la prueba dentro de un sistema depende de los límites de confianza deseados. Sólo una prueba por sistema se ejecutará como parte de este laboratorio, ya que sus objetivos son para demostrar las técnicas y no para el desarrollo de grandes conjuntos de datos robustos para diseño de ingeniería.
2. Medir las dimensiones transversales (ancho y espesor) de cada probeta a la más cercana pulg 0,002 utilizando un calibrador. Mida la longitud total (en la dirección de la carga) para las muestras de la compresión. Como las muestras pueden variar ligeramente en dimensiones a lo largo de su longitud, tomar varias mediciones y registrar el promedio aproximado para cada dimensión medida.
3. Después de configurar la máquina de ensayos universal (ver primer manuscrito sobre esta serie: materiales constantes), cuidadosamente el espécimen en la platina de compresión del centro y bajar la cruceta hasta se aplica una carga ligera. Utilice los controles de finos para hacer la carga a como cerca de cero como sea posible.
4. Aplicar la carga compresiva lentamente con una velocidad de carga entre 20 psi a 50 psi por segundo.
5. La prueba de compresión puede continuar durante varios minutos con la carga aumentan continuamente y con la tensión significativa en la muestra. Continuar la prueba hasta que obviamente se alcanza una carga máxima.
6. Registrar la carga máxima de la pantalla.
7. Repita para todas las muestras, tanto con especímenes paralelo y perpendicular al grano.

Prueba de tensión

1. Obtener a muestras de hueso de perro de tres diferentes maderas (pino del sur, abeto y roble por ejemplo). Un conjunto de muestras debe analizarse con la carga aplicada paralelamente al grano, y el otro conjunto de muestras debe analizarse con la carga aplicada perpendicular al grano. Tenga en cuenta que estos no son el tipo de espécimen requerido para las pruebas de ASTM en la madera, ya que la intención es demostrar comportamiento resistencia a la tracción y no para desarrollar una base de datos para el diseño.
2. Continuar normalmente con la máquina de prueba de tensión habitual (ver segundo manuscrito en esta serie: ensayos de tracción en el acero).

Prueba de flexión

1. Obtener un 2 x 4 aproximadamente 24 pulgadas largo de pino del sur denso.
2. Instalar un aparato de prueba de flexión de cuatro puntos en la máquina de ensayos universal (Fig. 1).

Figura 1 : Aparato de flexión de 4 puntos.

3. Inicie la máquina de prueba y software asociado. Asegúrese de que el software es capturar la carga máxima y grabar las cargas y valores de la cruceta.
4. Instale el 2 x 4 en el aparato y baje la cruceta superior hasta que el aparato empiece a hacer contacto con la viga de madera.
5. La carga se aplica lentamente (alrededor de 2000 libras por minuto) hasta las fracturas de la viga (Fig. 2).

Figura 2 : Falta de resistencia a la flexión de vigas de madera.

6. Registro de la carga de la falta.

La compresión, tensión y flexión resultados se resumen en la tabla 1. Como se muestra constantemente por todos los resultados, el roble es la madera más fuerte, seguido de pino abeto y del sur.

Tabla 1: Resumen de ensayo madera

Tabla 2: Datos normalizados

La tabla 2 presenta los mismos datos en la tabla 1 pero normalizada a la fuerza del roble material. Para las dos propiedades más importantes, flexión fuerza y compresión paralela al grano, el abeto parece ser aproximadamente alrededor del 87% y el meridional pino aproximadamente 78% tan fuerte como el roble. Teniendo en cuenta la diferencia entre bosques de precio muy grande, parece pino del sur, como el más barato de ellos, es una opción muy eficiente.

La madera es un material natural y sostenible que exhibe propiedades ortotrópicos. En otros laboratorios, materiales tales como metales, polímeros y hormigón han sido probados en tensión o compresión con la suposición de que el material actúa isotropically, lo que significa que su resistencia a una carga particular es la misma independientemente de la orientación de la material. Acero, por ejemplo, tiene una gran variedad de granos aleatoriamente orientados a micro escala, dándole propiedades homogéneos e isotrópicos a escala macro. Sin embargo, madera, con su dirección de grano fácilmente identificables, actúan isotropically. Así, un diseñador debe considerar cuidadosamente las cargas anticipadas de un miembro de madera o estructura para asegurar la máxima eficacia del material. Además, debido a su origen natural, madera tiene propiedades mecánicas ligados a las especies individuales del árbol, el contenido de humedad y el tamaño de la probeta.

Hasta hace poco, las estructuras de madera fueron limitadas a tres o cuatro historias en un apartamento o edificio de oficinas pequeñas. Desarrollos de laminado cruzado de madera, paneles de madera que consiste en capas orientadas perpendicularmente a uno otro y luego pegado, han resultado en el desarrollo de los sistemas estructurales capaces de llegar a 8 o más historias. Edificios mucho más altos, en el orden de 20 historias, están todavía en desarrollo.