UNIVERSIDAD SAN SEBASTIN FACULTAD DE INGENIERA Y TECNOLOGA INGENIERA CIVIL

INGENIERIA EN MATERIALES

Laboratorio N 4

"Diseo y ensayo de Uniones en la Madera"

Integrantes:Nathalie Bozo P.Alejandro Pinilla R. Jaime Quiroz O.Cristopher Silva M.

Martes 26 de Noviembre 2013Introduccin

Se realizar esta investigacin mediante el ensayo de varios tipos de uniones utilizadas en mayoritariamente en la fabricacin de cerchas de madera aserrada. Las uniones a analizar sern uniones clavadas, apernadas y atornilladas, esto permitir observar las caractersticas y comportamiento de estos elementos estructurales. Los ensayos se ejecutarn en el Laboratorio de la Universidad San Sebastin.El mtodo utilizado para ensayar las uniones ser a la rotura, de esta forma, se podr obtener esfuerzos, deformaciones y observar el comportamiento de la uniones, frente a la solicitacin de carga (compresin paralela). Posteriormente, se realizar una evaluacin de los datos obtenidos en los ensayos de cada tipo de unin para escoger la unin o la combinacin de uniones, que se utilizar en la fabricacin de una cercha. En nuestro pas, la madera aserrada es uno de los materiales de construccin ms utilizados a nivel estructural, en la edificacin de viviendas y estructuras menores. Por esta razn, es creciente el inters, por tener mayor informacin sobre el comportamiento de la madera, como elemento estructural. Esto lleva, a investigar y analizar, cada uno de los principales elementos estructurales utilizados, en el diseo y construccin de edificaciones en madera.Existen, mltiples estructuras en madera aserrada utilizadas en edificacin, una de ellas es la cercha, siendo esta, una de las estructuras ms importantes y menos estudiada, en nuestro pas. Aqu, surgieron una serie de pregunta, Cul es el comportamiento de la cercha frente a solicitaciones de carga?, Cul es el comportamiento de las uniones en la cercha?, Qu comportamiento tienen los distintos tipos de uniones?, El modelo matemtico expuesto en la Norma Chilena NCh 1198 Of 91- Madera Construcciones en Madera Calculo, se acerca a la realidad?.Todas estas preguntas, trataron de ser resueltas, en esta investigacin, llamada Diseo y Ensayo de Uniones en la Madera.

Objetivos

Disear, ensayar y analizar distintos tipos de uniones metlicas utilizadas para la fabricacin de un modelo hecho en madera, as se podr conocer las caractersticas ms favorables en cada diseo, con la finalidad de tener una mayor claridad sobre las caractersticas y comportamientos que tienen las distintas uniones empleadas introducidas en la madera.Comparar y comprobar la relacin existente en el diseo matemtico, con los valores reales obtenidos por la maquina, que se van a presentar en los distintos ensayos.Mostrar las diferencias (si es que existiesen) en la utilizacin de las distintas uniones.

La Madera

La madera es un material de origen orgnico. Es uno de los materiales ms verstiles utilizado en diversas aplicaciones; desde muebles y objetos decorativos hasta elementos estructurales en la construccin de obras civiles.Es un recurso natural que podemos utilizar pero debemos ir renovando para garantizar la sostenibilidad de su uso y para la conservacin del medio ambiente ya que los bosques desempean un papel fundamental en el ciclo del carbono minimizando los efectos adversos del cambio climtico.La madera est constituida por componentes estructurales como la celulosa y lignina y componentes no estructurales como resinas, taninos, azucares, almidn y otros.Hay varios tipos de madera. Esencialmente podemos clasificarla en maderas duras, que son de lento crecimiento, y maderas blandas que son de rpido crecimiento lo que facilita su renovacin (reforestacin).Las maderas de baja densidad (hasta 0.5 gr/cm3) se conoce como conferas. Mientras que las de alta densidad (mayor a 0.5 gr/cm3) se conoce como latifaliadas. La ventaja de las maderas de baja densidad es que se pueden impregnar con un preservante que garantiza su durabilidad.La madera al ser un producto natural, de origen vegetal, est sujeta a la descomposicin por parte de microorganismos tales como bacterias y hongos o daos por parte de insectos, por tal razn es importante darles un tratamiento de preservacin que evite su deterioro. Al hacer un corte transversal de un tronco de madera, se aprecia en la parte ms externa, en la periferia, la zona que se llama Albura. Aqu los anillos de crecimiento son ms separados, el color es ms claro que en el centro, la madera en esta zona es menos dura, es la parte ms reciente del rbol.La parte que es ms interna, de color ms oscuro, formada por anillos ms juntos, de mayor dureza, se llama Duramen.Propiedades fsicas:

El agua en la madera Contenido de humedad de la madera Higroscopicidad Hinchazn y merma Peso especifico Propiedades trmicas Propiedades elctricas Dureza Durabilidad

Propiedades mecnicas:

Generalidades Resistencia a la compresin Resistencia a la traccin Resistencia a la flexin Cortante Mdulo de elasticidad Hendibilidad

Propiedades fsicas:

Las propiedades de la madera dependen, del crecimiento, edad, contenido de humedad, clases de terreno y distintas partes del tronco.Humedad:

La madera contiene agua de constitucin, inerte a su naturaleza orgnica, agua de saturacin, que impregna las paredes de los elementos leosos, y agua libre, absorbida por capilaridad por los vasos y traqueidas.Como la madera es higroscpica, absorbe o desprende humedad, segn el medio ambiente. El agua libre desaparece totalmente al cabo de un cierto tiempo, quedando, adems del agua de constitucin, el agua de saturacin correspondiente a la humedad de la atmsfera que rodee a la madera, hasta conseguir un equilibrio, dicindose que la madera esta secada al aire.La humedad de la madera vara entre lmites muy amplios. En la madera recin cortada oscila entre el 50-60 %. Mientras que la madera secada al aire contiene entre el 10-15 % de su peso de agua, y como las distintas mediciones fsicas estn afectadas por el tanto por ciento de humedad, se ha convenido en referir los diversos ensayos a una humedad media internacional de 15%.Las variaciones de humedad hacen que la madera se hinche o contraiga, variando su volumen y, por consiguiente, su densidad. Densidad:

La densidad real de las maderas es sensiblemente igual para todas las especies, aproximadamente 1,56. La densidad aparente vara no solo de unas especies a otras, sino an en la misma con el grado de humedad y sitio del rbol, y para hallar la densidad media de un rbol hay que sacar probetas de varios sitios.Como la densidad aparente comprende el volumen de los huecos y los macizos, cuanto mayor sea la densidad aparente de una madera, mayor ser la superficie de sus elementos resistentes y menor el de sus poros. Las maderas se clasifican por su densidad aparente en: Pesadas, si es mayor de 0.8. Ligeras, si est comprendida entre 0.5 y 0.7. Muy ligeras, las menores de 0.5.La densidad aparente de las maderas ms conocidas, secadas al aire se presenta en la tabla I. Donde la madera utilizada en la presente investigacin fue el Pino Comn.Tabla I.Densidades de algunas maderas

EspecieDensidad [kg/dm3]

Pino Comn0.32 0.76

Pino Negro.0.38 0.74

Pino- tea0.83 0.85

Alerce0.44 0.80

Roble0.71 1.07

Encina0.95 1.20

lamo0.45 0.70

Nogal0.60 0.81

Contraccin e Hinchamiento:

La madera cambia de volumen segn la humedad que contiene. Cuando pierde agua, se contrae o merma, siendo mnima en la direccin axial o de las fibras, no pasa del 0.8 %; de 1 - 7.8 %, en direccin radial, y de 5- 11.5 %, en la tangencial. La contraccin es mayor en la albura que en el corazn, originando tensiones por desecacin que agrietan y alabean la madera. El hinchamiento se produce cuando absorbe humedad. La madera sumergida aumenta poco de volumen en sentido axial o de las fibras, y de un 2.5-6 % en sentido perpendicular; pero en peso, el aumento oscila del 50-150%. La madera aumenta de volumen hasta el punto de saturacin (20-25% de agua), y a partir de l no aumenta ms de volumen, aunque siga absorbiendo agua. Dureza:

La dureza de la madera es la resistencia que opone al desgaste, rayado, clavar, etc. Depende de su densidad, edad, estructura y si se trabaja en sentido de sus fibras o en el perpendicular. Cuanto ms vieja y dura es, mayor la resistencia que opone. La madera de corazn tiene mayor resistencia que la de albura: la crecida lentamente obtiene una mayor resistencia que la madera que crece de prisa. Por su dureza se clasifican en: Muy duras, por ejemplo; serbal, encina y tejo. Bastante duras, por ejemplo: roble, lamo, cerezo, almendro. Algo duras, por ejemplo; castao, nogal, peral. Blandas, por ejemplo; alerce, pino, sauce. Muy blandas, por ejemplo; tilo, chopo.

Hendibilidad:

Se llama tambin facilidad a la raja y es la aptitud de las maderas a dividirse en el sentido longitudinal bajo la accin de una cua. El rajado es ms fcil, en sentido de los radios.Como madera muy hendible se acostumbra citar el castao, como madera hendible, el roble, y como madera poco hendible, el carpe.Conductividad:

La madera seca es mala conductora del calor y electricidad, no as cuando est hmeda.La conductividad es mayor en el sentido longitudinal que en radial o transversal, y ms en las maderas pesadas que en las ligeras o porosas, por lo cual se emplean como aisladores trmicos en los pavimentos y paredes.Dilatacin trmica:

El coeficiente de dilatacin lineal de la madera es muy pequeo, pudiendo ser despreciado.Duracin:

La duracin de la madera vara mucho con la clase y medio. A la intemperie, y sin impregnar depende de las alternativas de sequedad y humedad, por ejemplo: el roble dura 100 aos; lamo, sesenta a noventa aos; pino, alerce, cuarenta a ochenta aos; sauce dura treinta aos.

Fatiga:

La resistencia a la fatiga es aquella tensin que puede soportar un material sin romperse, provocada por una carga cuya magnitud varia un nmero infinito de veces. En general la oscilacin de la carga es simtrica con relacin al estado de reposo; es decir, se pueden alternar tracciones y compresiones con el mismo valor absoluto.A diferencia de los materiales cristalinos, la madera es muy resistente a la accin cclica de cargas, como ocurre, por ejemplo, con la accin del viento o con la vibracin producida por las mquinas. (Argelles y Arriaga, Estructuras de madera 1996).Edad de la estructura:

En la restauracin de antiguas estructuras de madera se plantea, por lo general, el interrogante de conocer si el paso del tiempo implica una reduccin de sus propiedades mecnicas. Segn la mayora de los estudios realizados no parece deducirse una disminucin de la resistencia de la madera como material. (Argelles et al., 1996)

Diseo Experimental

A continuacin se describir el esquema del experimento;Lo primero que se realizo del experimento, fue armar el diseo, por lo cual se procedi, a trabajos de carpintera realizados por los alumnos, en los respectivos laboratorios, como se puede apreciar en las siguientes imgenes.

En segundo lugar, se realizo un diseo de las estructuras de madera con sus respectivas uniones. Las estructuras dispuestas que sern sometidas a las pruebas de compresin constan de 3 bloques de madera de 25x7.620x5.08 cms cada una, clavadas, atornillada y apernada como se puede apreciar en las siguientes imgenes.

El primer diseo, con clavos de acero de 3 pulgadas de largo.

Se nota en la imagen, las dimensiones que tiene la figura de madera, cabe destacar que este diseo ser aplicado para las otras uniones metlicas, es decir , la figura ser la misma. Tambin, viendo la imagen, se distingue la posicin aproximada de los clavos, donde se dispondrn 6 del lado derecho, y 6 del lado izquierdo dando un total de 12 clavos clavados en la estructura.El segundo diseo, con tornillos de 3 pulgadas de largo.

Se puede apreciar en la imagen que, en la parte derecha como izquierda se dispondrn de 6 tornillos, dando un total de 12 tornillos.

Finalmente, el tercer diseo, con pernos de 8 pulgadas de largo y tuercas para cerrar la conexin con el perno.

Se logra ver en la imagen que para este diseo solo dispondrn 3 pernos y 3 tuercas en la estructura.

En tercer lugar, para realizar nuestras pruebas de compresin, someteremos 3 estructuras por material, ya sean clavos, tornillos y/o pernos, dando un total de 9 ensayos, que luego sern sometidos a una compresin paralela por una maquina, as , se obtendrn resultados de resistencia mxima y carga mxima , esta informacin servir como material de investigacin para luego lograr identificar cules son las diferencias en los diseos y sustentarlos prximamente con teora matemtica.

Desarrollo y Clculos

A continuacin, se procede a explicar lo obtenido prcticamente, con los modelos matemticos existentes de la madera. Velocidad en la carga:

Sabemos que la aceleracin es directamente proporcional a la fuerza.

F=m*a

Cuanto ms largo o extenso es el tiempo de exposicin a una determinada aceleracin, ms severos sern los efectos, pasa lo mismo con la velocidad ya que si ajustamos la frmula:

v= v0 +at

v - v0/t = a ;con v0= 0 m/s

v/t = a

F = m*v/t

Observamos que la velocidad es directamente proporcional a la fuerza, por lo tanto a mayor masa y/o mayor velocidad en un tiempo menor la fuerza se aumenta.

Tensin de Trabajo:

La tensin de trabajo de una columna simple sometida a compresin paralela a su fibra se calcula de acuerdo a la siguiente expresin:En que:fcp= N/Afcp = tensin de trabajo por compresin paralela ( Kg/cm).N = carga axial aplicada ( Kg ).A = rea de la seccin transversal ( cm ).fcp= N/A (Kg/cm2)

Unin ClavosUnin PernoUnin Tornillo

P19,4418,9913,475

P27,821,27112,817

P37,9522,0615,057

Unin Clavos:

PracticoResultados:a) Prueba n1 Carga mxima: 20.825 kN Resistencia mxima: 1.851 MPa

b) Prueba n 2 carga mxima: 17.184 kN Resistencia mxima: 1.528 MPa

c) Prueba n 3 Carga mxima: 17.549 kN Resistencia mxima: 1.560 MPaTeniendo en cuenta que nuestra unin es simtrica, entonces se utilizara por razones de comodidad en el clculo solo un costado de esta muestra, por esta razn se dividir la compresin paralela mxima, obtenida anteriormente en dos, que en este caso ser:

P1 1062 kg.P2 877 kg.P3 895 kg. Terico:Luego, se debe tener en cuenta las dimensiones de la escuadra, para poder escoger las dimensiones y tolerancias del clavo a utilizar, que en este caso ser un clavo de 3 pulgadas. Largo: 76,2 mmDimetro: 3,4 mmLa capacidad admisible de carga de una superficie de cizalle de un clavo solicitado normal a la direccin de su eje, Pcl,ad , se calcula independientemente del ngulo que forma la direccin de la carga con la fibra de la madera, a travs de la expresin: P cl,ad = 3,5 * D1,5 * (p)

Donde el dimetro del clavo a utilizar (D) es de 3,4 mm y la densidad para el pino Oregn es de 530 (Kg/m).P cl,ad = 3,5*(3,4)1,5*(530)P cl,ad = 11630 N.P cl,ad = 119 Kg.

Por lo tanto la carga admisible de un clavo es 119 Kg. Y por cada lado de la unin hay 6 clavos:119*6 = 714 kg 7 KN.Si se compara la carga de diseo y la carga de laboratorio, se puede decir, que la carga de del laboratorio, dobla a la carga de diseo. Entonces, el factor de seguridad aplicado dentro el clculo de la muestra cumple con su objetivo, y demuestra que las series de formulas aplicadas en el clculo, modelan de buena forma la unin clavada.

Unin Perno :

PracticoResultados:a) Prueba n 1 Carga mxima: 41.869 kN Resistencia mxima: 3.722 MPa

b) Prueba n 2 carga mxima: 46.893 kN Resistencia mxima: 4.168 MPa

c) Prueba n 3 Carga mxima: 48.641 kN Resistencia mxima: 4.324 MPa

Teniendo en cuenta que nuestra unin es simtrica, entonces se utilizara por razones de comodidad en el clculo solo un costado de esta muestra, por esta razn se dividir la compresin paralela mxima, obtenida anteriormente en dos, que en este caso ser:

P1 2137 kg.P2 2393 kg.P3 2482 kg.

TericoLas cargas admisibles que se establecen se aplicarn para aquellos casos en los cuales la direccin de la solicitacin es perpendicular al eje del perno. Entonces por tabla se obtiene:Pp = 430 (Kg)Pn = 450 (Kg)El esfuerzo admisible para pernos en uniones de cizalle doble solicitadas por una carga cuya direccin forma un ngulo dado (), que en este caso 90, con la direccin de las fibras, debe determinarse mediante la siguiente expresin: P, adm = Pp * Pn/ Pp * sen + Pn * cos P, adm = 430*450/430* sen 90+ 450 * cos 90P, adm = 450 Kg.450 kg.*3 1350 kg.Si se compara la carga de diseo y la carga de laboratorio, se puede decir, que la carga de del laboratorio, dobla a la carga de diseo. Entonces, el factor de seguridad aplicado dentro el clculo de la muestra cumple con su objetivo, y demuestra que las series de formulas aplicadas en el clculo, modelan de buena forma la unin apernada.Unin Tornillo

Practico Resultados:a) Prueba n1 Carga mxima: 29.709 kN Resistencia mxima: 3 2.641 MPa

b) Prueba n2 carga mxima: 28.252 kN Resistencia mxima: 2.511 MPa

c) Prueba n3 Carga mxima: 33.204 kN Resistencia mxima: 2.951 MPaTeniendo en cuenta que nuestra unin es simtrica, entonces se utilizara por razones de comodidad en el clculo solo un costado de esta muestra, por esta razn se dividir la compresin paralela mxima, obtenida anteriormente en dos, que en este caso ser:

P1 1516 kg.P2 1442 kg.P3 1694 kg TericoSe debe tener en cuenta las dimensiones de la escuadra, para poder escoger las dimensiones y tolerancias del clavo a utilizar, que en este caso ser un clavo de 3 pulgadas. Longitud ; 76,2 mmDimetro: 5 mmLuego con estos datos buscamos la resistencia de un tornillos y obtuvimos:1,32 KN 1320 N 135 Kg.135 kg. * 6 = 810 kg.Si se compara la carga de diseo y la carga de laboratorio, se puede decir, que la carga de del laboratorio, dobla a la carga de diseo. Entonces, el factor de seguridad aplicado dentro el clculo de la muestra cumple con su objetivo, y demuestra que las series de formulas aplicadas en el clculo, modelan de buena forma la unin atornillada.

Clculo

Los ensayos de compresin paralela consistieron en realizar 3 pruebas con las uniones clavadas, 3 pruebas con tornillos y por ltimo 3 pruebas con pernos.Las primeras 2 pruebas para cada material se realizaron con una gradiente de velocidad de 1 [kN/sec]; en las terceras pruebas para cada material se aument la gradiente de 1 a 5 [kN/sec] para poder ver algn tipo de cambio con respecto a la velocidad y as realizar una comparacin con los primeros ensayos.Asi se obtuvo el siguiente cuadro resumen, de los ensayos que fueron sometidos a la compresin paralela por la maquina.

Material de UninClavos

TornillosPernos

Ensayo123123123

Carga Mxima (Kn)20.82517.18417.54929.70928.25233.20441.86946.89348.641

Resistencia Mxima (Mpa)1.8511.5281.5602.6412.5112.9513.7224.1684.324

Gradiente de Velocidad (Kn/SEC)115115115

Adems , de cada ensayo se ha dispuesto de un grafico que muestra como avanza la carga de la maquina a travs el tiempo.Grficos

Grficos para clavos:

Grafico para pernos:

Grafico para tornillos:

Finalmente se ha dispuesto de un grafico comparativo, donde se aprecia las cargas mximas de cada ensayo.Grafico cargas vs ensayos:

Conclusin

Despus de realizar los ensayos correspondientes y analizar los datos obtenidos, de las muestras de las uniones, se puede decir, que la unin que tuvo mejores resultados en la resistencia a la carga de compresin paralela, fue la realizada con pernos.asi mismo, la que tuvo mejor comportamiento frente al ensayo, es decir, se mantuvo integra y resistiendo la carga paralela fue nuevamente la apernada.Los resultados obtenidos en los ensayos de las uniones, fueron satisfactorios, dando una mejor visin sobre el comportamiento de estas uniones frente a su utilizacin en una estructura de madera. Adems, se pudo obtener una visin sobre los mtodos utilizado para disear este tipo de uniones, dejando en claro que estos si cumplen con un buen modelo matemtico de estas uniones. La madera fue escogida al azar sin poner objecin sobre los nudos que tiene la madera, si esta venia hmeda o no. Esto reafirma el buen funcionamiento de los modelos matemticos utilizados para el diseo y calculo de estas estructura de madera.Segn las cargas mximas obtenidas por la maquinaria, la con mayor resistencia fue la anteriormente nombrada apernada, luego le sigui la atornillada y finalmente la clavada.Esto dice mucho sobre los usos de estos materiales, ya que en la vida diaria, los clavos se utilizan de una manera muchas veces distinta al uso que se le da al perno y as diferente al del tornillo, estas diferencias pueden tener muchos factores, siendo alguno de estos; factores de costos, factores de resistencia, factores de durabilidad, entre otros. As mismo se podra decir que los usos que se les da a estas uniones ya estn pre-definidos a la hora de la construccin o elaboracin de algo ya que si se comparan los resultados obtenidos, se puede decir a simple vista que si se necesita una mayor fuerza estructural en alguna aplicacin, se debe dejar de lado los clavos y tornillos ya que el perno tiene una mayor resistencia, pero si se desea colocar un panel de vulcanita, por costos en la cantidad de materia, se utilizan sin duda los tornillos con su respectiva resistencia, aun que si se hace un nfasis en los datos obtenidos, la resistencia entre tornillos y clavos , no tienen una diferencia que haga suponer que sean absolutamente distintos, as tambin el uso que se les da, muchas veces suele ser similar. Es por eso que es importante saber que tipo de estructura se desea construir, de esta manera poder ver que materiales se debern emplear, y esa eleccin sin duda, es la que con resultados como los obtenidos en este informe, se hacen mucho ms fciles de realizar.

Referencias

http://www3.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/Propiedades%20f%EDsicasm3.htm

http://books.google.cl/books?id=G_ZWWtUznEAC&pg=PA67&lpg=PA67&dq=formulas+compresion+axial+madera&source=bl&ots=rCyDilJVK5&sig=E9PR2YrBibcq9LFTFcyAieFbuYk&hl=es&sa=X&ei=-b6KUunwA9S_sQTQ1YCYAg&redir_esc=y#v=onepage&q=formulas%20compresion%20axial%20madera&f=false

http://www.todomotores.cl/mecanica/torque_pernos.htm

http://www.ahmsa.com/Acero/Complem/Manual_Construccion_2013/Capitulo_8.pdf

http://www.rothoblaas.com/fileadmin/userdaten/downloads/rothofixing/documentazione-tecnica/01-VITI/08-SCI/01-scheda-tecnica/SCI-st.es.pdf