Diapositiva 1 Procesamiento de productos no alimenticios Introducción al estudio de las propiedades y defectos naturales de la madera Carrera de Agroindustria La madera es una importante y versátil materia prima industrial, la que mediante transformaciones de distinta naturaleza permite la obtención de numerosos productos: energía, carbón vegetal, muebles, viviendas, fibras y celulosa entre otros. Las características técnicas de las maderas se determinan, aparte de por su composición estructural, por su composición química. La variedad de usos a que se puede destinar la madera es un reflejo de sus propiedades básicas, tanto físicas como químicas, y a la anatomía y estructura del material leñoso. Las que determinan también el comportamiento en servicio de la madera y sus derivados Un completo conocimiento de las características del material, es esencial para una eficiente transformación y correcta utilización. Diapositiva 2 Objetivos de aprendizaje Conocer las propiedades químicas, físicas y mecánicas de la madera Familiarizarse con los defectos naturales de la madera
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Diapositiva 1
Procesamiento de productos no alimenticios
Introducción al estudio de las propiedades y
defectos naturales de la
madera
Carrera de Agroindustria
La madera es una importante y versátil materia prima industrial, la que mediante
transformaciones de distinta naturaleza permite la obtención de numerosos productos:
energía, carbón vegetal, muebles, viviendas, fibras y celulosa entre otros.
Las características técnicas de las maderas se determinan, aparte de por su composición
estructural, por su composición química.
La variedad de usos a que se puede destinar la madera es un reflejo de sus propiedades
básicas, tanto físicas como químicas, y a la anatomía y estructura del material leñoso.
Las que determinan también el comportamiento en servicio de la madera y sus
derivados
Un completo conocimiento de las características del material, es esencial para una
eficiente transformación y correcta utilización.
Diapositiva 2
Objetivos de aprendizajeConocer las propiedades químicas, físicas y mecánicas de la maderaFamiliarizarse con los defectos naturales de la madera
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TemasComponentes químicos de la maderaPropiedades físicas de la maderaPropiedades mecánicas de la maderaDefectos de la madera
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Composición Química De La Madera
La obtención de información básica sobre la madera es difícil, puesto que ella
representa una gran variabilidad,
Esto se debe a que es producto del crecimiento de un organismo vivo, el árbol, y
proviene no de uno, sino de numerosos árboles
Es posible distinguir propiedades comunes a todas las maderas: anisotropía,
combustibilidad, biodegrabilidad, etc
Otras propiedades son específicas para cada especie de madera: apariencia, propiedades
Los antecedentes que proporcionan más información respecto a la
aptitud o comportamiento de una madera en un uso determinado, es
la composición química básica
Ésta expresa la participación porcentual de los distintos
contribuyentes de la madera y es considerada representativa de la
especie en cuestión
La pared celular vegetal es una estructura formada por varios
compuestos químicos; el más importante de ellos es la celulosa (un
polímero formado por moléculas del azúcar glucosa).
Las moléculas de celulosa se unen en fibrillas, que constituyen el
bastidor estructural de la pared.
Hemicelulosas
Grado de polimerización menor (100...200)
Separación por hidrólisis:
Pentosanos (C5H8O4)n: xilano (hule), arabano (más en latifoliadas)
Hexosanos (C6H10O5)n: mananos, galactanos (más en coníferas)
Otros componentes importantes de muchas paredes celulares son las
ligninas, que aumentan la rigidez (son como el cemento), y las ceras
—como cutina y suberina— que reducen la pérdida de agua por parte
de las células.
También se encuentran otras sustancias menores, los extraíbles, que
corresponden a un gran número de diferentes compuestos, los cuales
pueden o no estar presentes en determinado tipo, variando en tipo y
cantidad: taninos y resinas
Estas sustancias son responsables de algunas características
especifícas de la madera
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CelulosaPrincipal componente de la maderaPolímero lineal– alto peso molecular– estructura de cadena
uniforme de anhidroglucosaInsoluble en agua y en muchos solventesGrado de polimerización: De 1.500 a 5.000 (depende de especie)
Celulosa: Principal componente de la madera (+- la mitad) tanto en conif como latif
Polímero lineal de alto peso molecular, con una estructura de cadena uniforme y está
constituido exclusivamente por cadenas de anhidroglucosa
Debido al grado de polimerización (expresa el tamaño de la cadena), dependiente de
cada especie, no se puede hablar de un solo tipo de celulosa
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Propiedades físicas de la madera
Resultan de la interrelación entre la composición química y las fuerzas físicas de la estructura fibrosa
Las propiedades principales de la madera son resistencia, dureza,
rigidez y densidad. Ésta última suele indicar propiedades mecánicas
puesto que cuanto más densa es la madera, más fuerte y dura es.
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La Densidad
Unidades
Densidad (aparente)
Densidad anhidra
Densida básica
Densidad real = 1,5 g/cm3
Vm
=ρ
0
00,0 Vmd =
)/,/( 33 mkgcmg
gg Vmd 0
,0 =
La densidad aparente es la relación masa / volumen, incluyendo las cavidades de la
estructura capilar
Densidad anhidra es la relación de la masa y el volumen en condiciones de u=0%
La densidad básica es la densidad con m a 0% y Volumen con la humedad de saturación
de la fibra
La densidad real es la densidad de la sustancia leñosa neta sin incluir los poros de la
madera. Es constante para todas las maderas
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Contenido de humedad
%100*)(
0
0
mmmu a −=
El contenido de humedad en la madera se expresa como porcentaje del peso de la
madera secada al horno.
El peso de la madera después de secada al horno se determina exponiendo la madera en
el horno secador a una temperatura de 101 a 105 °C hasta que su peso sea constante
El contenido de agua del árbol recién cortado depende de varios factores: especie, edad
y tamaño del árbol, época del año en que se corta, ubicación, etc.
Varía en coníferas entre 40 y 170%, En latifoliadas entre 35 y 130% relacionado a la
masa totalmente seca
La albura tiene más humedad que el duramen
Aproximadamente el 30% del agua que tiene la madera verde está absorbida o retenida
dentro de las paredes de las células,
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Niveles de humedad en la madera
Condensación capilar: u = 15% hasta PSF
Sorción química: u = 0...6%
Adsorción: u = 6...15%
Agua Retenida
2
41
Punto de saturación de la fibra (PSF)=
30%
Saturación máxima:
35...170%
Agua Libre 1
Región de saturación de la fibra
Región higróscopica
3
En el CH de la madera se distingue entre:
Punto de Saturación de la fibra PSF: es el CH en el que las paredes celulares se
encuentran saturadas de agua, pero las cavidades están vacías
Aunque hay algunas variantes según las especies, este valor es bastante similar entre
ellas
El PSF es significativo desde el punto de vista mecánico, físico y de las propiedades
eléctricas
Sobre el PSF no hay ninguna expansión significativa de la madera
La separación del agua sobre el PSF es relativamente fácil, mientras que bajo el PSF se
requieren considerables cantidades de energía
La condensación capilar: es la humidificación de las cavidades capilares
submicroscópicas de la pared celular
Es acción de las fuerzas capilares
Esta humidificación conduce al ensanchamiento de los tejidos celulares y al
consiguiente aumento de volumen del cuerpo de la madera
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Variación De La Densidad
Cuando la humedad crece, la densidad tambiénPara comparar se usa
Vm
=12ρ
Para fines comparativos es necesario expresar siempre la densidad a la humedad media
de la madera seca al aire, esto es 12%
En la práctica es difícil lograr que todas las probetas alcancen la misma humedad de
12%, por lo que hay que hacer una corrección de densidades
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El trabajo de la maderaLa madera se expande al tomar humedad
Se contrae al perder humedad
Esto solamente sucede bajo el punto de saturación de la fibra
100*0
01
lll −
=α
100*0
10
lll −
=β
20:10:1:: ≅trl βββ
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Distorsión en la contracción de la madera
vtrl αααα =++ vtrl ββββ =++y
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Propiedades mecánicas de la madera
Esto es la resistencia de la madera a diferentes tipos de fuerzas externas, esfuerzos o solicitudesCada resistencia es relativa a la especie y estado de la madera; y a la posición de la fuerza respecto a los anillos anuales y a la dirección de la fibra
Las propiedades mecánicas de la madera, como la de cualquier otro
material, determinarán su capacidad para resistir fuerzas externas.
Se entiende por fuerza externa cualquier agente que actuando
exteriormente tienda a alterar la forma o dimensión de un cuerpo.
La fuerza externa crea un estado de tensión interna provocando la
deformación del cuerpo.
Las propiedades mecánicas determinan el uso de la madera de
acuerdo a las solicitaciones o tipos de carga a que estén expuestas
El conocimiento de estas propiedades se obtiene a través de la
experimentación, ya sea por medio de ensayos del material en
condiciones reales o por medio de experiencias de laboratorio en las
que se hace uso de normas y aparatos de ensayos especiales
Este último es el procedimiento adoptado en general, por requerir
menos tiempo y material, y por tanto, el que más se adapta para el
gran número de ensayos que deben realizarse debido a las
variaciones naturales de la madera
La resistencia engloba varias propiedades diferentes; una madera
muy resistente en un aspecto no tiene por qué serlo en otros.
Además la resistencia depende de lo seca que esté la madera y de la
dirección en la que esté cortada con respecto a la veta.
La madera siempre es mucho más fuerte cuando se corta en la
dirección de la veta; por eso las tablas y otros objetos como postes y
mangos se cortan así.
La madera tiene una alta resistencia a la compresión, en algunos
casos superior, con relación a su peso a la del acero.
Tiene baja resistencia a la tracción y moderada resistencia a la
cizalladura.
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La madera como material anisotrópico
Las propiedades resistentes o elásticas de la madera no son las mismas en todas sus direcciones
La madera es en esencia un material heterogéneo, fibroso o poroso en contraposición a
un cuerpo homogéneo o continuo como el acero que puede ser considerado como
formado de partículas superpuestas sin vacíos
Debido a esto, la madera no responde perfectamente a las hipótesis de base de la
resistencia de materiales
Las propiedades de la madera no son las mismas en todas las direcciones, como ocurre
con un cubo de acero solicitado, por ej, a la compresión sobre sus caras
En el caso de la madera existen diferencias de resistencia según la carga actúe paralela o
transversalmente a las fibras
Igualmente, la resistencia difiere según sea su dirección respecto a los anillos anuales
Luego, la madera es un material anisotrópico, dado que sus propiedades resistentes o
elásticas no son las mismas en todas sus direcciones
En consecuencia, para definir un esfuerzo en la madera, es necesario especificar la
dirección de las fuerzas aplicadas con relación a las fibras y los anillos anuales
Para fines prácticos, la madera se considera un material ortotrópico, es decir, que tiene
tres planos de simetría elástica mutuamente perpendiculares entre si
El eje axial es paralelo a las fibras
El eje tangencial es tangente a los anillos anuales
El radial es normal a ellos
En consecuencia, al referirse a los esfuerzos en la madera, deben referirse a los planos
donde ellos se producen
La madera no puede ser definida por la sola consideración de la especie, pudiendo
variar sus propiedades mecánicas entre amplio límites; así pues para caracterizar una
madera bajo el punto de vista mecánico hay que especificar su proveniencia
La determinación de las propiedades mecánicas y físicas asociadas se efectúan mediante
ensayos normalizados sobre probetas estandarizadas libres de defectos, obtenidas y
ensayadas mediante los mismos métodos
En general, estos ensayos son comparativos y empíricos y no corresponden a ciertas
condiciones de empleo bien definidas
La heterogeneidad y la anisotropia dificultan el uso y procesamiento
de la madera, ya que estas, junto a la humedad y la temperatura,
determinan sus propiedades técnicas
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La DurezaBolita de acero de 10 mmde diámetro se hace penetrar en la madera por medio de una fuerza de 50 kg para maderas duras y 10 kg para maderas blandasSe mide el diámetro de la marca dejada por la bolitaUnidades: kg/mm2
La dureza depende fuertemente de la humedad de la madera
La dureza indica la resistencia de la madera a la penetración de útiles de corte, al uso y
al desgaste
El concepto de dureza está implícito en la madera la hablar de maderas duras y maderas
blandas
Dada la heterogeneidad de la madera es difícil definir la dureza por ensayo, puesto que
para un misma probeta se tiene madera blanda de lluvia (de primavera) y madera más
dura de época seca (de verano)
Por otra parte también se tienen variaciones de dureza según el sentido de la carga
respecto a las fibras de la madera, es decir, habrá que diferenciar entre dureza normal o
transversal y dureza axial
El ensayo de dureza consiste en hacer penetrar en la madera una bolita o cilindro de
acero
En consecuencia, un ensayo de dureza axial es similar a un ensayo de compresión axial
localizada, existiendo en efecto una gran correlación entre estos ensayos: la madera más
dura es la que resiste mejor a la compresión axial
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Resistencia a la compresión cσ
La alta resistencia a la compresión es necesaria para columnas,
cimientos y soportes en construcción.
Fuerza paralela a las fibras = compresión axial
Fuerza perpendicular a las fibras = compresión normal o transversal
La madera, en muchos de sus usos, está sometida a cargas de esta
naturaleza. Sin embargo, si se trata de columnas largas, es decir,
piezas en las cuales el largo es mucho mayor que la menor dimensión
de la sección transversal, se induce un momento flector antes de que
se alcance a desarrollar toda la resistencia de compresión y la ruptura
se produce por flexión lateral o “pandeo” en lugar de compresión. En
dichas columnas, la carga sobre la cual se produce este esfuerzo se
denomina “carga crítica”
Los ensayos de compresión axial se efectúan en piezas cortas para
evitar pandeo
En la madera secada al aire se produce un deslizamiento sobre un
plano oblicuo
En la madera seca, la ruptura es generalmente súbita produciéndose
por rajaduras longitudinales y la consiguiente quebradura
En la madera muy húmeda a menudo ocurre un aplastamiento
progresivo de la probeta
La humedad tiene una gran influencia sobre la resistencia a la
compresión. La variación de resistencia es de aprox 4% por 1% de
variación de humedad
Entre todas las propiedades resistentes de la madera, la resistencia a
la compresión es la que está más íntimamente ligada a la densidad.
En promedio ro c varía de 700 a 800 veces la densidad,
correspondiendo los valores inferiores a las coníferas
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Resistencia a la tracción
La resistencia a la tracción axial o paralela a las fibras es significativamente mayor al de
la tracción transversal o normal a las fibras.
La resistencia normal a las fibras está basada en la adherencia mutua entre las fibras, la
cual descansa básicamente en la sustancia lignino
Esta prueba se utiliza también para conocer la resistencia de superficies encoladas
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Resistencia al cizalleÁreas de corte
Análogamente al caso de la compresión pueden ocurrir que se produzcan tracciones
intermedias entre los esfuerzos axiales y transversales
La resistencia al cizalle normal a las fibras es de 3 a 4 veces mayor que la resistencia
paralela a la fibra
La oblicuidad de la carga respecto a las fibras tiene gran influencia en la capacidad de
resistencia de la madera, esto hace necesario evitar toda inclinación de las fibras
respecto al eje longitudinal de las piezas traccionadas, si se desea contar con una fuerza
elevada
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Resistencia a la flexión estática
fσ
Compresión CompresiónCompresión
Tensión Tensión Tensión
La flexión es un esfuerzo compuesto, en el que intervienen al mismo
tiempo esfuerzos de tracción, compresión y esfuerzos de cizalle o
cortantes
La fuerza de tensión produce al lado que actúa esfuerzos de
compresión en la madera, en el lado contrario produce esfuerzos de
tensión
La resistencia a la flexión es fundamental en la utilización de madera
en estructuras, como viguetas, travesaños y vigas de todo tipo.
Muchos tipos de madera que se emplean por su alta resistencia a la
flexión presentan alta resistencia a la compresión y viceversa;
pero la madera de roble, por ejemplo, es muy resistente a la flexión
pero más bien débil a la compresión, mientras que la de secuoya es
resistente a la compresión y débil a la flexión.
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CompresiónTensión
Tipos de flexión estática en la madera
La resistencia a la flexión depende de:
Estructura de la madera
Las dimensiones de la sección transversal
Posición y separación de los apoyos
A mayor humedad de la madera, menos resistencia a la flexión
Un aumento en la temperatura causa también una reducción de la resistencia a la flexión
Aumenta con el aumento de la densidad
Hay algunas maderas que son particularmente resistentes a la flexión: haya(Buche),