CARACTERIZACIÓN DE CARACTERIZACIÓN DE LA MADERA KIRI PARA LA MADERA KIRI PARA

APLICACIONES APLICACIONES AERONÁUTICASAERONÁUTICAS

UNIDAD DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO

GRUPO ENSAYOS MECÁNICOS APLICADOS

DEPARTAMENTO DE AERONÁUTICA

FACULTAD DE INGENIERÍA – U.N.L.P.

Ing. Claudio Rimoldi

Ing. Esteban Fernández

Ing. Mariano Mundo

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

Extremadamente liviana y de estructura homogénea con betas definidas

Buenas propiedades mecánicas (obtenidas en ensayos preliminares)

Baja concentración de nudos y otros defectos Resistente a la humedad y a la intemperie, fácil de secar De gran estabilidad dimensional ante variaciones de humedad Fácil de trabajar y encolar Disponibilidad de tablones de más de 5 m de longitud y más

de 50 mm de espesor Producción nacional De crecimiento excepcionalmente rápido Bajo costo Alto índice de retardabilidad de flama y buen aislante térmico

OBJETIVOOBJETIVO

• Determinar características físicas y mecánicas de interés de esta madera para su aplicación en aeronáutica

• Pre diseño de una sección de un larguero sobre las

base de las propiedades halladas

• Ensayo de flexión estática de la sección del larguero

METODOLOGÍAMETODOLOGÍA

Madera = Material ortótropo

Parámetros más importantes para el pre diseño de un larguero alar

Módulo de elasticidad en la dirección “L” de la veta

Tensiones normales (elástica y de rotura) en las direcciones en la dirección “L”

Resistencia al corte de la madera en los planos normales a los vectores “R” y “T”

Los valores de módulos de corte podrán ser estimados por diversos métodos

A. Densidad y Peso específico aparente (maderas macizas y laminadas)

B. Humedad y contracción volumétrica

C. Flexión (maderas macizas y laminadas)

D. Compresión paralela a la veta

E. Corte sobre madera maciza

F. Corte sobre madera pegada

G. Ensayo de una sección de larguero

 

ENSAYOS REALIZADOSENSAYOS REALIZADOS

El peso específico aparente: compara la densidad del material con la del agua.

Las variaciones en la densidad afectan las propiedades mecánicas de la madera

Tamaño de las muestras

ProcedimientoMedición de dimensiones utilizando calibre con 0,1 mm de resoluciónMedición del peso utilizando balanza con 0,01 gr de resolución

ResultadosEnsayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestras

Densidad aparente ρ 0,30 0,007 2,33 6

ENSAYOSENSAYOS Densidad y peso específico Densidad y peso específico aparenteaparente

Madera: material higroscópico, la humedad afecta las propiedades mecánicas

Procedimiento de la norma IRAM 9532 :Pesado de la muestra con un error de 0,01 grCalentamiento por más de 20 hs a una temperatura de 103 º C 2º CEnfriar a temperatura ambiente en un desecadorPesado cada 2 hs hasta tener diferencia en peso menor a 0,01 gr

Resultados

Contracción volumétrica

Se aprovecharon las muestras de ensayo de humedad

Humedad según ANC 18

Clima continental

Clima tropical

15%

20%

Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestrasHumedad H [%] 11,1 0,61 5,48 13

Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestrasContracción B%@H=10 2,5 - - 6

ENSAYOSENSAYOS Humedad y contracción Humedad y contracción volumétricavolumétrica

Norma IRAM 9545, Ensayos de flexión estática de maderas con densidad específica inferior a 0,5.

Dimensiones de la probeta: Altura H = 50 mm, Ancho B = 50 mm, distancia entre apoyos L = 700 mm, Largo total D = 750 mm

P vs DL

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25[mm]

[kg

]

Módulo de elasticidad a flexión (Ef)

Tensión proporcional (σp)

Tensión de rotura (σr).

ENSAYOSENSAYOS FlexiónFlexión

Procedimiento de ensayoSe utilizó una máquina de ensayos universales de velocidad de desplazamiento constanteLa carga se midió por medio de una celda de carga de 1000 kg Reaccion CZC1000Las deformaciones de la probeta fueron medidas por medio de un LVDT (Linear variable differential transformer) instalado en el centro de la viga (aproximadamente en el eje neutro)

ENSAYOSENSAYOS FlexiónFlexión

Resultados

Es de hacer notar que módulo de elasticidad obtenido por este método no corresponde al real de la madera debido a la influencia del corte en las deformaciones debidas a la flexión. El error cometido puede ser, como mínimo, de aproximadamente el 10%.

Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestras

FlexiónEf [kg/mm2] 544 33,2 6,10 9σp [kg/mm2] 3,01 0,11 3,84 9σr [kg/mm2] 4,55 0,45 10,00 9

ENSAYOSENSAYOS FlexiónFlexión

Se tuvo en cuenta la norma IRAM 9551, Determinación de la compresión paralela al grano.

Procedimiento de ensayoSe utilizó una máquina de ensayos universales de velocidad de desplazamiento constanteLa carga se midió por medio de una celda de carga de 2500 kg Reaccion CZC2500Las deformaciones de la probeta fueron medidas mediante un extensómetro mecánico

ENSAYOSENSAYOS CompresiónCompresión

Resultados

Módulo de elasticidad a compresión (Ec)

Tensión proporcional a compresión (σpc)

Tensión máxima a compresión (σrc)

Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestras

Compresión

Ec [kg/mm2] 680 4,04 0,59 12σp [kg/mm2] 2,15 0,12 5,57 12

σmax

[kg/mm2]2,57 0,15 6,00

12

ENSAYOSENSAYOS CompresiónCompresión

ENSAYOSENSAYOS CompresiónCompresión

Se tomó como referencia la norma IRAM 9596: Ensayo de resistencia a esfuerzos de corte para maderas.

Se modificó el dispositivo de ensayo para generar las condiciones de borde semejantes a lo establecido en la norma.

Velocidad de desplazamiento del cabezal: 0,5 mm/min. Inclinación de la veta deberá ser inferior a 1:12

ENSAYOSENSAYOS Corte sobre madera macizaCorte sobre madera maciza

P vs DL

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6[mm]

[kg

]

Tensión máxima de corte r

Resultados

Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestrasCorte r [Kg/cm2] 47,26 2,45 5,18 8

ENSAYOSENSAYOS Corte sobre madera macizaCorte sobre madera maciza

Cálculo del módulo de corte

Equivale a una relación E/G de 16,9 se corrobora la aproximación teórica de una relación de 16:1 entre E y G. Este valor es, formalmente, G31 sin embargo se considerará como un G promedio en las distintas direcciones, por ausencia de valores más precisos. 

Probetas (h/L)2 1/Ef

1,3x1,3x27 0,002318 0,0017674,5x4,5x70 0,004508 0,001842

rrectangulasección para 6/5

/111 2

K

LhKGEE f Ensayo Propiedad Valor medio

Flexión Gmedio [kg/mm2] 35,1

ENSAYOSENSAYOS Cálculo de módulo de corteCálculo de módulo de corte

  Pegamento utilizado:

-Resina Ureica Fortex, modelo 1065

-Pegado a temperatura ambiente

-Tiempo de secado de seis horas.

ResultadosEnsayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestras Corte r p [Kg/cm2] 42,5 2,80 6,59 6

ENSAYOSENSAYOS Corte sobre madera pegadaCorte sobre madera pegada

COMPARACIÓN DE MATERIALESCOMPARACIÓN DE MATERIALES

COMPARACIÓN DE MATERIALESCOMPARACIÓN DE MATERIALES

COMPARACIÓN DE MATERIALESCOMPARACIÓN DE MATERIALES

SECCIÓN DE LARGUERO ALARSECCIÓN DE LARGUERO ALAR

Aeronave livianaMTOW: 450 kgn= 3,8Sección cercana a la raízEnvergadura: 8,8 mCuerda media: 1,15 m

Se aproximaron los esfuerzos en el larguero con una viga en un ensayo de flexión de tres puntos

SECCIÓN DE LARGUERO ALARSECCIÓN DE LARGUERO ALARSección cajón de la zona de ensayo construido con largueros y enchapado de kiri

Se montaron dos strain gages, uno en la zona central del larguero traccionado (Deformación longitudinal) y otro sobre el laminado a -45° (contracción del campo diagonal). Se obtuvieron curvas de Carga deformación, se verificó el módulo elástico en la dirección de las fibras y la carga de rotura del componente.

E= 650 Kg/mm2

Carga de rotura= 870 Kg

 

Fue posible obtener valores útiles de todas las propiedades mecánicas y físicas buscadasImportancia de la correcta selección de la madera en las propiedades mecánicas finalesBajo nivel de humedad en equilibrio con el ambiente, 11% (valor mas que aceptable para climas de alto porcentaje de humedad como el de la ciudad de La Plata)Prestaciones específicas semejantes a maderas de uso aeronáutico, sin embargo su módulo de elasticidad específico es del orden del 20% menor. Excelente resistencia al pegadoSe comprobó que el valor del modulo de elasticidad real es mayor al obtenido por flexión (en un orden del 16%).Se comprobó que el costo es muy inferior a cualquiera de los materiales comparados

CONCLUSIONESCONCLUSIONES