DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS ...€¦ · El material recibido poseía un alto contenido de humedad, entre 60 y 80% según las muestras analizadas por método

DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS

DEL CLON 2 DE ALAMO

Comitente: ESTACIÓN EXPERIMENTAL AGROPECUARIA INTA DELTA

Producido por: Laboratorio de Investigaciones en Maderas (LIMAD)

Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA

E mail: [email protected]

Responsable:

M. Sc. Ing. Forestal Gabriel KEIL

E mail: [email protected]

Colaboradoras:

Ing. Forestal Mercedes REFORT

E mail: [email protected]

Estudiante de Ingeniería Forestal Carla TARABORELLI

E mail: [email protected]

Lugar y fecha:

La Plata, 5 de Marzo de 2015

1

Etapa 1: “DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DEL CLON 2 DE

ALAMO”

MATERIALES Y MÉTODOS

Material Leñoso

El material leñoso fue recibido en el edificio Bosques de la Facultad en forma de

listones de 2200 mm de longitud y de tres secciones: 50 x 50 mm, 20 x 150 mm y 20 x

40 mm.

Se recibieron de INTA EEA Delta del Paraná, listones de 5 árboles identificados

con diferentes colores (amarillo, verde, azul, negro y violeta), provenientes de un

ensayo instalado en la Estación Experimental.

El material recibido poseía un alto contenido de humedad, entre 60 y 80% según

las muestras analizadas por método no destructivo. De manera tal que se precedió al

estibado de las tablas según espesor, separadas 200 mm del piso, con separadores

entre capas de 20 mm, colocados 400 mm uno de otro y con contrapesos para evitar

las deformaciones de las tablas superiores.

El material fue estibado en el laboratorio (Foto 1), hasta alcanzar la humedad de

equilibrio higroscópico (HEH), constatado a través de determinaciones periódicas

quincenales mediante higrómetro de resistencia eléctrica Hidromette HT 85. Una vez

constatado que el contenido de humedad de la tabla más húmeda se correspondía con

la HEH – 15% - se trasladaron a carpintería para la obtención de las probetas.

Foto 1: Estiba de madera hasta alcanzar la humedad de equilibrio higroscópico

2

Obtención y acondicionamiento de las probetas de contenido de humedad y

densidad aparente

En carpintería se cepillaron los listones y se obtuvieron de aquellos de sección

de 20 x 150 mm de lado, las probetas para los ensayos de contenido de humedad,

densidad aparente normal y anhidra. Así se obtuvieron 50 probetas por color de árbol,

sumando un total de 250 probetas.

Luego de una rigurosa clasificación en la que se seleccionaron aquellas probetas

libres de defectos, se clasificaron las 30 mejores probetas para cada ensayo y por cada

uno de los grupos.

Las 150 probetas fueron identificadas por color de árbol e identificadas con

números consecutivos (1A, 1V, 1AZ, 1N, 1VE).

Las dimensiones de las probetas para estos ensayos fueron de 20 x 20 x 20 mm.

Se utilizaron las normas: IRAM 9532 para contenido de humedad e IRAM 9544

para la determinación de las densidades aparentes.

Procedimiento para los ensayos de contenido de humedad y densidad aparente

a. Se pesó cada probeta en balanza analítica de 0,01 g de precisión (Ph).

b. Se determinó el volumen de cada probeta por el método de desplazamiento de

agua destilada (Vh), (Foto 2).

c. Se colocaron las probetas en horno a 102 + 3°C, hasta peso constante (Foto 3).

d. Se extrajeron las probetas del horno y se colocaron en desecador con cloruro de

calcio hasta su enfriamiento a temperatura ambiente.

e. Se pesó cada probeta en balanza analítica de 0,01 g de precisión (Po)

f. Se determinó el volumen de cada probeta por el método de desplazamiento de

agua destilada (Vo).

3

Foto 2 (Izquierda): Determinación de volumen por desplazamiento de fluido.

Foto 3 (Derecha): Probetas en horno hasta peso constante

Con los datos obtenidos se realizaron los siguientes cálculos:

Contenido de humedad:

Ph - PoCH (%) = x 100

Po

Densidad aparente anhidra:

3 PoDo (g/cm ) =

Vo

Densidad aparente normal:

3 PhDn (g/cm ) =

Vh

Obtención y acondicionamiento de las probetas de cambios dimensionales

En carpintería se cepillaron los listones y se obtuvieron, de aquellos de sección

cuadrada de 50 mm de lado, las probetas de contracción, para los cuales se aserraron

aquellos listones con un corte puro radial o tangencial, para obtener las probetas

correspondientes de contracción radial y tangencial, respectivamente.

Así se obtuvieron 50 probetas perfectamente radiales y 50 perfectamente

tangenciales de cada uno de los 5 individuos.

Luego de una rigurosa clasificación en la que se seleccionaron aquellas probetas

libres de defectos, se clasificaron las 30 mejores probetas por orientación o corte.

4

Las 300 probetas fueron identificadas con el color de los árboles, orientación y

con números consecutivos, ej: 1ARd y 1ATg.

Las dimensiones de las probetas para estos ensayos fueron de 20 x 20 x 50 mm,

empleando la norma IRAM 9543 en la obtención de los parámetros correspondientes a

la contracción del material.

Procedimiento para el ensayo de cambios dimensionales

El ensayo se realizó en las siguientes etapas:

a. Se midió la longitud de cada probeta (Lh).

b. Se pesó cada probeta (Ph).

c. Se colocaron las probetas en horno a 102 + 3°C, hasta peso constante.

d. Se extrajeron las probetas del horno y se colocaron en desecador hasta su

enfriamiento a temperatura ambiente.

e. Se midió la longitud de cada probeta (Lo), (Foto 4).

f. Se pesó cada probeta (Po), (Foto 5).

g. Se sumergieron las probetas en agua destilada durante 20 días.

h. Se midió la longitud de cada probeta (Lv)

Foto 4 (Izquierda): Medición de la longitud anhidra. Foto 5 (Derecha): Determinación

del peso anhidro

5

Con los datos obtenidos se realizaron los siguientes cálculos:

Contracción normal máxima:

Lv - Lo (%) = × 100

LoCn

máx

Coeficiente de contracción:

Lh - Lo × 100

Lov= Mh - Mo

× 100 Mo

Punto de saturación de las fibras:

Cn o Cn

PSF (%) = v

rdmáx tgmáx

Coeficiente de anisotropía:

Cn

T R = Cn

tgmáx

rdmáx

RESULTADOS PROPIEDADES FÍSICAS

Resultados de los ensayos de contenido de humedad y densidades aparentes

En la tabla 1 se muestran los valores de contenido de humedad y densidades

aparentes, para cada individuo identificado con distintos colores.

6

Tabla 1. Valores de densidad aparente normal y anhidra.

Ejemplar / color CH (%) Do (g/cm3) Dn 12% CH (g/cm3)

Azul 11,15 (1,94) 0,44 (4,35) 0,45 (9,33)

Amarillo 11,86 (1,88) 0,46 (3,02) 0,49 (3,81)

Violeta 11,16 (2,29) 0,42 (2,66) 0,44 (2,51)

Verde 11,09 (1,97) 0,47 (6,62) 0,49 (3,25)

Negro 11,56 (1,95) 0,44 (3,57) 0,47 (2,54)

PROMEDIO 11,36 (2,00) 0,45 (4,04) 0,47 (4,29)

Los Coeficientes de Variación (CV) se muestran entre paréntesis.

Los valores de densidad normal clasifican a la madera como liviana, rango 0,351-

0,550, (Coronel 1994). Asimismo, según la clasificación de Rivero Moreno la madera

posee un valor bajo de Dn (rango 0,35-0,50) y se considera liviana según la Do (rango

0,30-0,45).

Resultados de los ensayos de cambios dimensionales

En la Tabla se muestran los valores de los 6 parámetros de los cambios

dimensionales en un análisis completo para los 5 ejemplares/colores ensayados.

Tabla 2. Resultados de cambios dimensionales.

Árboles CnmáxRd (%) CnmáxTg (%) v Rd v Tg PSF T/R

Azul 3,97

(6,96)

8,92 (9,07)

0,13 (13,34)

0,29 (7,27)

31,20 (5,50)

2,26 (13,49)

Amarillo

4,59 (13,15)

7,79 (9,80)

0,16 (11,69)

0,25 (7,08)

29,47 (4,38)

1,74 (15,31)

Violeta

4,12 (7,06)

8,04 (7,37)

0,14 (15,40)

0,26 (5,75)

29,69 (6,95)

1,95 (9,01)

Verde

3,78 (7,37)

8,46 (9,74)

0,11 (14,33)

0,28 (6,84)

31,88 (8,80)

2,24 (12,51)

Negro

4,34 (12,72)

8,59 (12,94)

0,14 (17,24)

0,27 (10,36)

31,84 (5,77)

1,97 (17,52)

PROMEDIO 4,16

(9,45) 8,36

(13,17) 0,14

(13,02)

0,27 (7,46)

30,82 (6,28)

2,03 (13,57)

Los CV se muestran entre paréntesis.

7

Contracción máxima radial y tangencial

Los valores hallados para la contracción máxima radial y tangencial, se

encuentran dentro de los rangos normales aceptables: 1,5 a 7,00% y 3,60 a 15,00%,

respectivamente, (Coronel 1994).

Punto de saturación de las fibras (PSF)

El PSF indica el punto donde en la madera no se encuentra más agua libre en

los lúmenes celulares, indicando el punto donde comienzan a producirse las

contracciones normales en una pieza de madera. En la Tabla 3 se muestra la

categorización de las maderas de acuerdo con los valores de PSF.

Tabla 3. Rangos de categorización según valore de PSF.

PSF Categorías

< 25% Bajo

25 – 35% Normal

> 35% Elevado

De acuerdo con esta clasificación, la madera en estudio se encuentra dentro del

rango normal.

Coeficiente de anisotropía (T/R)

Los valores de coeficiente de anisotropía (T/R) indican la armonía de la pieza de

madera al contraerse y valores muy altos pueden limitarla para ciertos usos. Se

categorizan según se muestra en la Tabla 4, (Rivero Moreno, 2004).

Tabla 4. Categorías de maderas según el valor del coeficiente de anisotropía.

Coeficiente de anisotropía Categoría

1 ideal NO EXISTE Alteración idéntica de las dimensiones Rd y Tg

< 1,50 Muy baja o muy estable

1,50 – 2,00 Baja o estable

2,01 – 2,50 Mediana o moderadamente estable

8

2,51 – 3,00 Alta o inestable

> 3,00 Muy alta o muy inestable

De acuerdo con dicha clasificación la madera presenta valores medianos de T/R

(2,00), siendo una madera moderadamente estable dimensionalmente a los cambios de

humedad.

ETAPA 2: “DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECANICAS DEL CLON 2

DE ALAMO”

MATERIALES Y MÉTODOS

Material Leñoso

Una vez obtenida la HEH de los listones, se realizaron en carpintería las

probetas para los diferentes ensayos mecánicos (dureza Janka, flexión estática, corte

paralelo a las fibras, compresión perpendicular y paralela a las fibras). En la Tabla 5 se

detallan normas, cantidad y dimensiones de las probetas.

Tabla 5. Detalle de las normas, cantidad y dimensiones de las probetas para ensayos

mecánicos

ENSAYO NORMA CANTIDAD DIMENSIONES

Dureza Janka IRAM 9570 30* 50 x 50 x 150

Flexión estática

IRAM 9542 30* 20 x 20 x 300

Corte IRAM 9596 30* 50 x 50 x 65

Compresión perpendicular

IRAM 9547 30* 50 x 50 x 150

Compresión paralela

IRAM 9551 30* 50 x 50 x 200

* 30 repeticiones como mínimo por clon, según norma.

Estos ensayos fueron realizados en máquina Universal de Ensayos, del

Laboratorio de Ensayos de Materiales de la Facultad de Ingeniería, UNLP.

9

Dureza Janka

La dureza Janka determina la resistencia que ofrece la madera a la penetración

de cuerpos de mayor solidez y consistencia. Para la realización de este ensayo se

utilizó la prensa universal de 5000 Kg ALFRED J. AMSLER & Co, Schaffouse - Suisse

7928 (Foto 6). Se registró la carga de penetración soportada. Esto se realizó en cada

una de las seis caras de la probeta (Foto 7).

Foto 6 (Izquierda): Prensa Universal de 5000 Kg ALFRED J. AMSLER & Co, Schaffouse - Suisse 7928. Foto 7 (Derecha): Ensayo de dureza sobre la cara

transversal de la probeta.

Flexión estática

El ensayo de flexión estática mide la resistencia que ofrece una viga a una

carga puntual aplicada en el centro de luz o distancia entre apoyos, en la cara

tangencial más cercana a la médula de la probeta. Para la realización de este ensayo

se utilizó la misma máquina que el ensayo de dureza, cambiando el dispositivo (Foto

8).

Figura 8: Probeta de flexión ensayada.

10

.

Los parámetros determinados fueron:

Módulo de Rotura (MOR):

2

2

( / ) 1.5

Q LMOR N mm

b h

(1)

Siendo:

Q = carga de rotura, en Kg.

L = distancia entre apoyos o luz de la probeta, en mm.

b = ancho de la probeta, en mm.

h = altura de la probeta, en mm.

Módulo de Elasticidad en Flexión (MOE):

32

3 ( / ) =

4 Δ

L PMOE N mm

b h

Siendo:

P/ = pendiente de la curva carga vs deformación, en el rango elástico, en N/mm2

L, b y h = fórmula (1).

Corte paralelo a la dirección de las fibras

La resistencia al corte paralelo a las fibras es la capacidad que tiene la madera

de resistir fuerzas que tienden a causar el deslizamiento de una sección sobre otra

adyacente a la anterior. Para este ensayo se utilizó la prensa universal de 25 toneladas

ALFRED J. AMSLER & Co, Schaffhouse – Suisse 5380, con el dispositivo

correspondiente para este ensayo (Foto 9). En la Foto 10 se muestra el ensayo.

11

Figura 9 (Izquierda): prensa universal de 25 toneladas ALFRED J. AMSLER & Co, Schaffhouse – Suisse 5380. Foto 10 (Derecha): Probeta de corte.

El parámetro determinado en este ensayo fue la tensión de rotura (TR):

2 ( / ) Q

TR N mmA

Siendo: Q = carga de rotura, en Kg.

A = área total del plano de falla, en mm2.

Compresión perpendicular a las fibras

Es la resistencia que opone la madera a una carga repartida aplicada en sentido

perpendicular a la dirección de las fibras en una de las caras radiales de la probeta.

En este ensayo se utilizó la misma máquina que para el ensayo de corte paralelo

a las fibras, la diferencia radicó en el dispositivo empleado (Foto 11).

Foto 11: Probeta y dispositivo utilizado en el ensayo de compresión perpendicular.

12

Se determinó el Módulo de rotura (MOR):

2 ( / ) Q

MOR N mmAc

Siendo:

Q = carga de rotura, en Kg.

Ac = área de contacto placa metálica – probeta, en mm2.

Compresión paralela a las fibras

Este ensayo determina la resistencia que ofrece una columna a una carga

aplicada en el mismo sentido de la dirección de las fibras. Para este ensayo se utilizó la

misma máquina que en el ensayo de corte paralelo y compresión perpendicular a las

fibras, adaptándola con el dispositivo apropiado para este ensayo (Foto 12).

Foto 12: Ensayo de compresión paralela a las fibras.

Los parámetros determinados fueron: Módulo de Rotura (MOR):

2 ( / ) Q

MOR N mmA

(2)

Siendo:

Q = carga de rotura, en Kg.

A = sección transversal de la probeta, en mm2.

13

RESULTADOS PROPIEDADES MECÁNICAS En la Tabla 6 se muestran los valores de Dureza Janka. Tabla 6. Resultados de dureza Janka expresados en MPa en los 3 planos de corte,

transversal, radial y tangencial.

Ejemplar/color Dureza

Transversal Dureza Radial

Dureza Tangencial

Azul 56,74(16,43)

38,07(19,71)

40,69(17,56)

Amarillo 62,97(11,15)

31,61(7,76)

33,32(20,32) Violeta 61,25(6,80)

36,14(5,78)

44,55(14,18) Verde 59,70(10,74)

30,28(18,53)

38,26(17,58) Negro 53,00(16,84)

42,39(10,01)

43,41(9,66)

PROMEDIO 50,00(12,39) 35,70(12,36) 40,05(15,86)

Los CV se muestran entre paréntesis.

La madera del clon de álamo resultó blanda en los 3 planos de estudio (rango

entre 30,1-50 N/mm2;), (Coronel, 1995).

En la Tabla 7 se muestran los valores de compresión perpendicular, paralela y corte

paralelo a las fibras.

Tabla 7. Resultados de los valores de rotura de compresión perpendicular, paralela y

corte paralelo a las fibras, expresados en MPa

Ejemplar / color MOR(MPa) Compresión

perpendicular MOR (MPa) Corte

paralelo MOR(MPa) compresión

paralela

Azul 9,81 (7,33) 12,06 (5,59) 35,13 (9,02)

Amarillo 10,92 (8,65) 11,57 (6,37) 37,40 (5,28)

Violeta 9,47 (10,60) 10,70 (10,99) 36,07 (9,63)

Verde 9,02 (8,70) 11,95 (9,71) 32,99 (18,96)

Negro 9,34 (3,16) 11,49 (9,01) 39,97 (5,42)

PROMEDIO 9,71 (7,68) 11,55 (8,33) 36,12 (9,66)

Los CV se muestran entre paréntesis.

14

Según la clasificación de Rivero Moreno (2004), la resistencia a la compresión

perpendicular es alta (rango 7,5-9,8), la resistencia a la compresión paralela es

mediana (rango 30,1-40) y la resistencia al corte es mediana (rango 8-12).

En la Tabla 8 se muestran los valores de dr MOR y MOE del ensayo de flexión

estática.

Tabla 8. Resultados de los valores de flexión estática (MOR y MOE), expresados en

MPa.

Ejemplar / color MOR MOE

Azul 63,17 (13,58) 5257,73 (15,62)

Amarillo 52,69 (12,53) 4647,18 (18,98)

Violeta 49,32 (14,13) 5186,92 (10,86)

Verde 44,35 (12,39) 5191,95 (15,41)

Negro 54,92 (9,02) 5596,81 (13,53)

PROMEDIO 52,89 (12,33) 5176,12 (14,88)

Los CV se muestran entre paréntesis.

Según la clasificación de Rivero Moreno (2004), la resistencia a la rotura en flexión

estática del clon de álamo es baja (rango 50-95). En referencia a los valores del MOE,

la madera, se clasifica como muy elástica (<9800 N/mm2; Rivero Moreno, 2004).

CONCLUSIONES

Según los valores de densidad aparente normal y anhidra la madera se clasifica

como liviana.

Los valores de contracción normal máxima radial y tangencial se ubicaron dentro

de los rangos normales aceptados (1,5 a 7,00%) y (3,60 y 15,00 %), respectivamente.

La madera presentó un valor normal del PSF.

De acuerdo con el valor de T/R obtenido, la madera puesta en servicio es

moderadamente estable a las variaciones en su contenido de humedad.

La madera ensayada a Dureza resultó blanda en los tres planos de estudio.

La resistencia al corte y compresión paralela arrojaron valores medianos.

15

La compresión perpendicular resultó alta.

Los valores de MOR en flexión estática resultaron bajos y los valores de MOE

clasifican a la madera como muy elástica.

BIBLIOGRAFÍA

Coronel, EO. 1994. “Fundamentos de las propiedades físicas y mecánicas de la

madera. Aspectos teóricos y prácticos para la determinación de las propiedades y sus

aplicaciones”. 1 Parte: “Fundamentos de las propiedades físicas de la madera”.

Publicación ITM - UNSE. 187 pp.

Coronel E. O. 1995. “Fundamentos de las propiedades físicas y mecánicas de

las maderas. Aspectos teóricos y prácticos para la determinación de las propiedades y

sus aplicaciones. 2 Parte: “Fundamentos de las propiedades mecánicas de las

maderas”. Publicación ITM – UNSE. 335 pp.

IRAM 9532. 1963. Método de determinación de humedad. Instituto de

Racionalización de Materiales. 14 pp.

IRAM 9543. 1985. “Método para la determinación de los valores de contracción

de la madera”. Instituto Argentino de racionalización de Materiales. 10 pp.

IRAM 9544. 1985. Método para la determinación de la densidad aparente.

Instituto Argentino de Racionalización de Materiales. 10 pp.

IRAM 9541. 1977. Método de ensayo de compresión paralela a las fibras.

Instituto Argentino de Racionalización de Materiales. 6 pp.

IRAM 9542. 1977. Método de ensayo de flexión estática de maderas con

densidad aparente mayor de 0.5 g/cm3. Instituto Argentino de Racionalización de

materiales. 10 pp.

IRAM 9547. 1977. Método de determinación de la compresión perpendicular al

grano. Instituto Argentino de Racionalización de Materiales. 5 pp.

IRAM 9570. 1971. “Método de ensayo de la dureza janka”. Instituto Argentino de

Racionalización de Materiales. 6 pp.

16

IRAM 9596. 1977. Método de ensayo de corte paralelo a la dirección de las

fibras. Instituto Argentino de Racionalización de Materiales. 10 pp.

Rivero Moreno, J. 2004. Propiedades Físico-Mecánicas de Gmelina arborea

Roxb. y Tectona grandis Linn. F. Proveniente de Plantaciones Experimentales del Valle

del Sacta – Cochabamba. Cochabamba. Bolivia. http://www.monografias.com. 73 pp.

………………….………….

M. Sc. Gabriel Darío KEIL