PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA...no son superiores al límite de elasticidad, el material...

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA

CURSO DE XILOTECNOLOGÍA

Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal

FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Y FORESTALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA

Autores: Ing. Ftal. Spavento, Eleana María

Ing. Ftal M. Sc. Keil, Gabriel Darío

Dra. Cs. Agrarias y Ftales. Monteoliva, Silvia

- 2008 -

XILOTECNOLOGÍA 2008

2

INTRODUCCION ................................................................................................................. 3

PROPIEDADES MECANICAS ............................................................................................. 3

Definición: ............................................................................................................................ 3

Consideraciones generales: ................................................................................................ 4

CLASIFICACIÓN ................................................................................................................. 5

Propiedades de resistencia estática .................................................................................... 6

1. Flexión estática: ............................................................................................................ 6

2. Corte paralelo a la dirección de las fibras: .................................................................... 8

3. Compresión perpendicular a las fibras: ...................................................................... 10

4. Compresión paralela a las fibras: ............................................................................... 11

Propiedades de resistencia dinámica ................................................................................ 13

Flexión dinámica o tenacidad ............................................................................................ 13

Propiedades de dureza y desgaste ................................................................................... 14

Dureza Janka ..................................................................................................................... 14

DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA .................. 15

RELACIÓN ENTRE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y ANATÓMICAS CON LA

RESISTENCIA MECÁNICA DE LA MADERA ................................................................... 16

Propiedades mecánicas de la madera como material de construcción ............................. 22

VALORES DE RESISTENCIA MECÁNICA ....................................................................... 23

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 25


3

INTRODUCCION

Al considerar las propiedades tecnológicas de la madera es importante tener en

cuenta que la misma no presenta igual comportamiento en todas sus direcciones. Debido

a esto, se desprenden los diferentes grados de resistencia que se registran en sus fibras,

cuando deben soportar presiones o tensiones paralelas, tangenciales o perpendiculares a

ellas. Lo que le da resistencia es el conjunto de fibras, que constituidas en haces, poseen

una notable capacidad de soportar esfuerzos de tracción o compresión en el sentido de

las fibras.

Debido a que su constitución física no es homogénea, por seguridad se han

establecido los valores de prueba de su resistencia muy por debajo de las tensiones de

rotura. Estos, están representados por las tensiones admisibles en los cálculos estáticos y

son referidos a los diferentes tipos de madera según la densidad de su constitución. Se

podría decir que las propiedades de resistencia de la madera están en relación directa

con su densidad.

Dentro de las propiedades tecnológicas de las maderas, las físico-mecánicas son

las más importantes para determinar el uso de la madera sólida. La determinación de las

propiedades mecánicas es un proceso que requiere de equipo, personal calificado, un

programa de ensayos, material y tiempo para realizar los ensayos destructivos.

Los estudios anatómicos de la madera pueden significar un ahorro de tiempo,

dinero y además, por la relación que tienen con las propiedades mecánicas, permiten

predecirlas. Cuando se introduce una nueva madera en el mercado de la industria forestal

y se intenta comercializarla, la información publicada sobre sus características

tecnológicas es limitada.

PROPIEDADES MECANICAS

Definición:

Las propiedades mecánicas de la madera son aquellas que definen la aptitud y

capacidad para resistir cargas externas, excluyendo los esfuerzos debidos a las tensiones

internas producto de los cambios de humedad.


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Consideraciones generales:

El accionar de las cargas o fuerzas sobre la madera, dan lugar a diversos efectos o

comportamientos:

Bajo cargas reducidas la madera se deforma de acuerdo a la Ley de Hooke , es

decir, la deformación es proporcional a la carga por unidad de área. Al tener la madera las

características de un material cristalino, sigue las particularidades generales de este

material, es decir que la relación entre esfuerzo y deformación hasta el límite de

proporcionalidad, es lineal.

Al aumentar la carga, el diagrama resulta curvilíneo. Sin embargo, si las tensiones

no son superiores al límite de elasticidad, el material conserva sus propiedades elásticas,

es decir, al descargar la probeta, ésta recupera su dimensión y forma original. Es así

como en esta zona la madera presenta un comportamiento elástico.

Cuando la carga sobrepasa el límite elástico, el comportamiento de la madera es

diferente, ya que se produce un proceso de escurrimiento o deslizamiento viscoso del

material leñoso siguiendo la Ley de Newton . En este escurrimiento o fluencia, los

esfuerzos que se producen están relacionados fundamentalmente con la velocidad de la

deformación y con el tiempo de duración de la carga: presenta la característica de que a

pesar de las cargas aplicadas, la estructura interna permanece continua produciéndose

en la madera el comienzo de una deformación parcialmente irreversible. La explicación de

ello se encuentra en la estructura cristalina – paracristalina o amorfa de la pared celular.

Aquí, la madera comienza a comportarse prácticamente como un material plástico y toma

una deformación parcialmente irreversible.

Con el aumento de la carga el fenómeno de deslizamiento del material continúa

con mayor velocidad y comienzan a producirse lugares de discontinuidad en la estructura

celular. Por lo tanto la madera presenta en esta parte un comportamiento netamente

plástico, con un proceso de deformación irreversible. Al seguir aumentando la carga, se

produce la rotura de la pieza. Se denomina resistencia máxima de la madera, o módulo de

rotura, a la tensión o esfuerzo a la cual se produce la rotura de la pieza.


5

Figura 1. Diagrama general esfuerzo – deformación en maderas.

CLASIFICACIÓN

Las propiedades mecánicas se agrupan de acuerdo al comportamiento de la

madera ante la acción de una carga y al plano de corte en que se aplique la misma; como

así también, de acuerdo a las modalidades de las cargas sobre las muestras, si éstas son

estáticas o dinámicas, y de su tiempo de aplicación. De este modo, podemos dividir a las

mismas en: resistencia estática, dinámica y de dureza / desgaste.

La RESISTENCIA ESTATICA de la madera se determina a través de cargas o

solicitaciones que se van aumentando en forma lenta y regular. Normalmente, la

velocidad de aplicación de las cargas está establecida en las normas técnicas y tiene por

finalidad producir situaciones de características aproximadas a las que presenta una

carga estática propiamente dicha. Los ensayos de flexión estática, corte paralelo a las

fibras, compresión paralela y perpendicular a las fibras pertenecen a esta clasificación.

Los valores de resistencia estática tienen una gran importancia en las aplicaciones

de la madera en la construcción, especialmente en el dimensionado de las diferentes

piezas según su resistencia y deformación.

La RESISTENCIA DINÁMICA de la madera se determina a través de la aplicación

de cargas instantáneas. Debido a esto, las ondas generadas normalmente no se

propagan, provocando la rotura del cuerpo a causa de la fragilidad que presentan las


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maderas. Esta es la característica fundamental de los diferentes ensayos dinámicos, ya

que mediante ellos puede determinarse la fragilidad o capacidad de una madera para

absorber cargas instantáneas, por intermedio del trabajo necesario para producir la rotura

de una muestra de un solo impacto.

En el caso puntual de la flexión dinámica, la misma está relacionada con la flexión

estática, pero la diferencia fundamental entre ambas, está basada en el carácter de las

condiciones técnicas: mientras que en la flexión estática la carga actúa lentamente, a

velocidad constante y se analizan fundamentalmente los atributos elásticos, en la flexión

dinámica se ensaya el comportamiento plástico de la madera a través de una carga

instantánea.

En madera sujeta a esfuerzos móviles como elementos de máquina, deportivos,

carrocerías, escaleras y en construcciones, raramente se produce la rotura a cargas

estáticas, sino que el peligro principal se presenta en muchos casos, espontáneamente a

través de un esfuerzo dinámico, ocasionado por medio de un golpe por aplicación de una

carga instantánea o vibración periódica.

PROPIEDADES DE DUREZA/DESGASTE

Normalmente los valores de dureza/desgaste en la madera se realizan a través de

los ensayos de penetración y consisten en la resistencia que ofrece la madera a la

introducción de un cuerpo duro de forma esférica y cilíndrica.

El valor de dureza es de suma importancia en la fabricación de pisos, o cualquier

otro producto que durante su uso requiera resistencia al marcado o penetración. Cuanto

mayor sea este valor, mayor va a ser su aptitud de uso.

Propiedades de resistencia estática

1. 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, (IRAM 9542, 1965).


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Figura 2. Probeta de flexión estática.

Los parámetros a determinar en este ensayo son:

a. Módulo de Rotura (MOR): corresponde a la tensión unitaria máxima en flexión

que soporta un material antes de que se produzca la falla. Cualquier incremento de carga

sobre el material provocará la rotura del mismo.

= ×22

( / ) 1.5

Q L

MOR Kg cmb h

(1)

Siendo:

MOR = módulo de rotura, en Kg/cm2.

Q = carga de rotura, en Kg.

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

b = ancho de la probeta, en cm.

h = altura de la probeta, en cm.

b. Módulo de Elasticidad en Flexión (MOE): es la medida de rigidez del material.

Su cálculo se basa en la razón entre el esfuerzo por unidad de superficie y la deformación

por unidad de longitud experimentada por la probeta expuesta a flexión. Constituye un

valor indicativo de la rigidez del material y es aplicable solamente a condiciones de trabajo

que se encuentren dentro de la zona elástica de la curva carga vs. deformación.

×∆

32

3 ( / ) = 4

L PMOE Kg cm

b h (2)

Siendo:

MOE = módulo de elasticidad, en Kg/cm2.


8

P/∆ = pendiente de la curva carga vs deformación, en el rango elástico, en Kg/cm.

L, b y h = fórmula (1).

c. Tensión en el Límite de Proporcionalidad (TLP): corresponde a la carga unitaria

máxima en flexión a la que se expone el material sin que se produzcan deformaciones

permanentes.

= ×22

( / ) 1.5

P L

TLP Kg cmb h

(3)

Siendo:

TLP = tensión en el límite de proporcionalidad, en Kg/cm2.

P = carga máxima aplicada en el límite elástico, en Kg.

L, b y h = fórmula (1).

Rivero Moreno, 2004 establece la clasificación que se presenta en la Tabla 1 de

acuerdo al ensayo de flexión estática.

Tabla 1: Clasificación de los valores de flexión estática

Flexión estática (Kg/cm2)

MOR MOE Clasificación

< 500 < 100000 Muy bajo

500 – 950 101000 – 120000 Bajo

951 – 1220 121000 – 150000 Medio

1221 – 1750 151000 – 200000 Alto

> 1750 > 200000 Muy alto

Una madera es menos deseable para uso estructural cuando sus parámetros se

encuentren cercanos a los valores más bajos de dicha clasificación.

2. Corte paralelo a la dirección de 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. Esta solicitación puede presentarse tanto en sentido paralelo

como perpendicular a las fibras, sin embargo, debido a la alta resistencia de la madera a

este último esfuerzo, no se considera el corte o cizalle perpendicular en el estudio de las

propiedades mecánicas.


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La norma IRAM 9596 (1977) establece para este tipo de ensayos, que las probetas

tengan la geometría y las dimensiones que se indican en la figura 3:

Figura 3. Probeta de corte paralelo a las fibras.

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

=2 ( / ) Q

TR Kg cmA

(4)

Siendo:

TR = tensión de rotura, en Kg/cm2.


A = área total del plano de falla, en cm2.

Rivero Moreno, 2004 establece una clasificación según la resistencia de las

maderas al ensayo de corte (Tabla 2).


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Tabla 2: Clasificación de acuerdo a MOR en el ensayo de corte.

Corte paralelo a las fibras (Kg/cm2)

MOR Clasificación

< 40 Muy bajo

40 – 85 Bajo

86 – 120 Medio

121 – 175 Alto

> 175 Muy alto

Las maderas con valores más altos de MOR son las más apropiadas para su

utilización estructural.

3. 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, (IRAM 9547).

El parámetro a determinar es el Módulo de rotura:

=2 ( / ) Q

MOR Kg cmAc

(5)

Siendo:



Ac = área de contacto placa metálica – probeta, en cm2.


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En la Tabla 3 se muestra la clasificación propuesta por Rivero Moreno (2004) para

las maderas de acuerdo a la resistencia a la compresión perpendicular a las fibras.

Tabla 3: Clasificación de acuerdo al MOR en compresión perpendicular a las fibras

Compresión perpendicular a las fibras

(Kg/cm2)

MOR Clasificación

< 25 Muy bajo

26 – 50 Bajo

51 – 75 Medio

76 – 100 Alto

> 100 Muy alto

De acuerdo con esta clasificación puede observarse que maderas con valores de

MOR en compresión perpendicular a las fibras más altos, son más aconsejables para su

utilización en estructuras solicitadas a dicho esfuerzo.

4. Compresión paralela a las fibras: es la resistencia que ofrece una columna a

una carga aplicada en el mismo sentido de la dirección de las fibras, (IRAM 9541).

Figura 4. Probeta de compresión paralela a las fibras.


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Los parámetros a determinar son:

a. Módulo de Rotura (MOR):

=2 ( / ) Q

MOR Kg cmA

(6)

Siendo:



A = sección transversal de la probeta, en cm2.

b. Módulo de elasticidad en compresión paralela (MOE):

=∆

2 ( / )

L P

MOE Kg cmA

(7)

Siendo:

MOE = módulo de elasticidad, en Kg/cm2.

∆ = acortamiento total de la probeta, en cm.

L = longitud total de la probeta, en cm.

P = carga máxima aplicada en el límite elástico, en Kg.

A = definido en la fórmula (6).

c. Tensión en el límite de proporcionalidad (TLP):

=2 ( / ) P

TLP Kg cmA

(8)

Siendo:

TLP = tensión en el límite de proporcionalidad, en Kg/cm2.

P = definido en la fórmula (7).

A = definido en la fórmula (6).

Rivero Moreno, 2004 establece una clasificación para maderas de acuerdo a la

resistencia a la compresión paralela a las fibras expresada mediante los valores de MOR

(Tabla 4).


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Tabla 4: Clasificación según el MOR en compresión paralela a las fibras

Compresión paralela a las fibras (Kg/cm2)

MOR Clasificación

< 200 Muy bajo

201 – 300 Bajo

301 – 400 Medio

401 – 500 Alto

> 500 Muy alto

Maderas más resistentes (valores de MOR más altos) son aconsejables para su

utilización en estructuras solicitadas a dicho esfuerzo.

Propiedades de resistencia dinámica

Flexión dinámica o tenacidad

Es la capacidad que tiene la madera de absorber energía al aplicarse una carga

que actúa en forma instantánea sobre ella. La masa que impacta la probeta tiene una

energía libre determinada por su peso y su ángulo de caída. Para comparar la resistencia

de distintas maderas, se determina la energía absorbida, es decir, la energía que pierde la

masa que cae libremente al golpear contra la probeta (energía necesaria para producir la

rotura de la muestra en condiciones definidas).

En Argentina la determinación de esta resistencia esta especificada en la norma

IRAM 9546, y para tal fin adopta el sistema de impacto tipo martillo-péndulo. Mediante

este tipo de máquina se efectúa el ensayo dinámico de choque, por medio del cual se

verifica el comportamiento de la madera al ser golpeada por una masa de peso conocida,

que se la deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia sobre una

probeta de dimensiones establecidas que se rompe por flexionamiento. Por lo tanto se

determina el trabajo absorbido por la madera cuando es rota de un solo golpe por el

martillo-péndulo, y su valor en Kgm o Joule relacionado con la sección transversal de la

muestra nos indica la resistencia al impacto o capacidad de la madera para absorber

cargas dinámicas de choque.

En este tipo de ensayos, las probetas están sometidas a dos tipos de esfuerzos:

a. Tenacidad radial: la solicitación se aplica en la cara radial de la probeta.


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b. Tenacidad tangencial: la solicitación se aplica en la cara tangencial de la

probeta.

Figura 5. Ensayo de flexión dinámica.

Propiedades de dureza y desgaste

Dureza Janka

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

cuerpos de mayor solidez y consistencia.

Para la realización de este ensayo se utiliza una prensa universal a la cuál se le

conecta un dispositivo con una esfera de acero de 1,13 cm de diámetro. Ésta se hace

penetrar sobre la probeta hasta dejar una impronta de 1 cm². La esfera se introduce hasta

la mitad de su diámetro en cada una de las seis caras de la probeta y llegado este

momento se registra la carga de penetración soportada, (IRAM 9570).

La solicitación es normal a la dirección de las fibras en cuatro de las seis caras de

la probeta; en las caras restantes es paralela a las fibras.

Determinadas las solicitaciones en cada uno de los planos se promedian y

determinan los valores de dureza transversal, radial y tangencial, expresados en kg/mm².

En la Tabla 5 se presenta la clasificación de las maderas según los valores de

dureza Janka (Coronel, 1995).


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Tabla 5: Tabla de clasificación según valores de dureza Janka

Clasificación Rango

Maderas muy blandas < 300 Kg/cm2.

Maderas blandas 301 a 500 Kg/cm2.

Maderas semiduras 501 a 700 Kg/cm2.

Maderas duras 701 a 1000 Kg/cm2.

Maderas muy duras > 1000 Kg/cm2.

Figura 6. Probeta de dureza Janka.

DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MA DERA

� Recolección de las muestras: cualquier propiedad mecánica de la madera se

determina sobre la base de un valor medio.

De acuerdo a la finalidad del trabajo, la precisión que se pretenda estimar en los

valores medios de los resultados, los costos de selección de las muestras y aplicando

principios estadísticos de muestreo en el diseño del proyecto, se puede obtener el número

de muestras necesarias para realizar los ensayos mecánicos de la madera.

� Preparación de las probetas: previa preparación de las probetas propiamente

dichas se debe llevar el contenido de humedad de las tablas al estado de equilibrio

higroscópico. Esto se puede ir controlando con un xilohigrómetro digital. Una vez obtenido


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dicho contenido de humedad, se procede a obtener las probetas de dimensiones y

geometrías especificadas según la norma que se utilice.

Un aspecto a tener en cuenta en la obtención de las probetas, es que las

mismas se elaboren siempre en forma tal que dos lados presenten orientación tangencial

y los dos lados opuestos tengan orientación radial.

� Realización de los ensayos: la ejecución, como asimismo los procedimientos y

las metodologías para la determinación de las propiedades mecánicas de la madera, se

obtendrán de las Normas Técnicas que se utilicen.

� Análisis estadístico: cada resultado se obtiene de diferentes mediciones que

dependen del método aplicado y del equipo usado, al mismo tiempo el resultado obtenido

depende del error del ensayo. La estimación de este error es necesario para evitar

esfuerzos inútiles y deben tenerse en cuenta los factores que influyen en los resultados,

entre los cuales los más importantes son: los errores relativos en mediciones de carga

con la máquina de ensayo universal y la exactitud en la determinación del contenido de

humedad en la probeta de madera. En general, la exactitud de los resultados de las

propiedades mecánicas oscila entre ± 2% y 6%, valores aceptados universalmente en

ensayos de madera.

RELACIÓN ENTRE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y ANATÓM ICAS CON LA

RESISTENCIA MECÁNICA DE LA MADERA

La madera se podría idealizar como un conjunto de elementos celulares de sección

circular orientados longitudinalmente y seccionados por los radios dispuestos a manera de

pequeñas cuñas que parten del centro hacia la periferia. Dentro de los elementos

celulares longitudinales o axiales, las fibras son las más robustas (de mayor espesor de

pared) y a ellas se debe gran parte de la resistencia de la madera. Las fibras funcionan

como columnas individuales, las cuales reciben parte de las acciones y se apoyan en las

células vecinas, ya que las paredes adyacentes están cementadas. El arreglo por capas

de la pared celular también influye en la capacidad de la madera para resistir las acciones

a tensión o a compresión. La capa S2 de la pared celular está formada por microfibrillas

orientadas casi paralelas (bajo ángulo microfibrillar) al eje de la célula y del árbol, las

cuales contribuyen a la resistencia mecánica de la madera, por ejemplo ante las acciones

de compresión y de tensión involucradas en la flexión. Debido a que las capas S1 y S3

forman una envoltura de microfibrillas entrecruzadas y de mayor ángulo microfibrillar

sobre la capa S2, ésta presenta resistencia y rigidez frente a la compresión paralela, es


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decir, disminuyen en algún grado el pandeo de las microfibrillas de la capa S2 (Véase

Figura 7).

Figura 7. Influencia de las capas de la pared celular.

La lignina y las hemicelulosas que componen la pared forman una matriz rígida, en

la que están embebidas las microfibrillas que también contribuyen a la respuesta de la

madera en compresión. La lámina media que une las células a lo largo de sus caras

laterales, altamente lignificada, también contribuye a la resistencia de la madera. Los

puentes de hidrógeno, inter e intra cadenas celulósicas, forman una red compleja capaz

de inhibir cualquier tendencia de las cadenas celulósicas a sufrir traslaciones o rotaciones

dentro de las microfibrillas, manteniendo así el empaquetamiento cristalino de la celulosa.

Los radios celulares, al desviar el alineamiento paralelo de las fibras, influyen

disminuyendo la resistencia a la flexión de la madera, de este modo, el desvío está en

función del ancho de los radios. Los radios cuando son muy abundantes o de gran

tamaño, provocan una desviación en el alineamiento paralelo de los elementos celulares

longitudinales, disminuyendo su capacidad para resistir acciones a compresión. Los sitios

a lo largo de los elementos celulares axiales, modificados por la abundante presencia de

radios de gran tamaño, son zonas débiles donde ocurren inicialmente las fallas en

compresión paralela. En este contexto, la abundancia, el tamaño y la disposición de los

radios, podrían afectar en mayor escala la resistencia en compresión de la madera que lo

que afectan las fibras.


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El menor ángulo microfibrillar contribuye al aumento de resistencia de las fuerzas

involucradas en la flexión (tracción y compresión). En la Figura 8 muestra como disminuye

la resistencia de la pared celular al aumentar el ángulo microfibrillar (microfibrillas más

horizontales).

Figura 8. Resistencia de la pared celular en función del ángulo microfibrillar

Los vasos y el parénquima axial disminuyen la resistencia, ya que poseen paredes

delgadas y gran lumen, por lo que tienden a colapsar rápidamente frente a la solicitación

de una carga. Cuanto mayor diámetro y frecuencia de vasos y mayor proporción de

parénquima presente la especie de angiosperma, menor será su resistencia.

Existen numerosos estudios que relacionan características anatómicas (ancho de

los anillos, proporción de tejidos, la biometría de sus tipos celulares) y las características

físicas (densidad y contracciones), con las propiedades mecánicas (Panshin y de Zeeuw,

1980; Zobel y Jett, 1995; Zhang, 1996; Muller et al, 2004; Bárcenas Pazos et al, 2005).

Las relaciones halladas son dispares y dependen de las especies de coníferas (con

transición gradual o abrupta) y de angiospermas (porosidad circular o difusa).

Se presentan algunos resultados hallados en la bibliografía con el objetivo de poner

en relevancia la complejidad y diversidad de las relaciones.

Bárcenas Pazos et al (2005) estudiaron la relación entre 5 propiedades mecánicas

de la madera de angiospermas mexicanas, con algunas características anatómicas, la

densidad básica y la contracción tangencial total (Ctg):

� Flexión estática: se relaciona con la densidad y la contracción tangencial.


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� Compresión paralela: se relaciona con el área de fibras por la longitud, el

porcentaje de radios y la densidad

� Corte paralelo: se relaciona con la densidad y la Ctg

� Dureza longitudinal: se relaciona con el porcentaje de vasos, porcentaje de

parénquima, densidad y contracción tangencial.

� Dureza transversal: se relaciona con el porcentaje de vasos, porcentaje de

parénquima y densidad

Flexión y compresión paralela

Zhang (1996) estudió la relación entre algunas propiedades mecánicas y densidad

aparente (Da) en 16 especies divididas en 4 categorías: coníferas con transición gradual y

abrupta (Abies, Picea, Larix y Pinus), y angiospermas de porosidad circular y difusa

(Quercus, Castanopsis, Populus y Betula). Las relaciones halladas varían con la

propiedad mecánica (Módulo de Rotura (MOR) y módulo de elasticidad (MOE) en flexión y

compresión paralela) y la categoría analizada. Comparando las 3 variables, el MOR en

flexión presentó el mejor ajuste lineal con la densidad aparente, seguido de la compresión

paralela, mientras que el MOE se relacionó solo en contadas especies con la Da. En

general, la relación entre MOE y Da en las especies de coníferas es menor que en las

especies de angiospermas, mientras que en las angiospermas de la categoría de

porosidad circular es mayor que en las especies de porosidad difusa. Contrariamente,

para compresión paralela, el ajuste en coníferas es mejor que en angiospermas.

Este estudio refleja que las relaciones son complejas y no es conveniente aplicar

generalizaciones de las relaciones sin corroborar previamente su ajuste en el material

específico a estudiar.

Compresión perpendicular (Muller et al (2003))

Para muchas especies la micro estructura de la madera en dirección radial está

construida en capas consistentes en líneas alternadas con diferentes propiedades físicas

y mecánicas. Estas tienen relación con las diferentes estructuras que conforman los

anillos de crecimiento en las distintas especies. En las coníferas la diferencia celular entre

leño temprano y tardío es menor que la encontrada para las mismas zonas en madera de

angiosperma de porosidad circular (Véase Figura 9), sin embargo, la variación de la

densidad dentro del anillo de crecimiento sigue un patrón similar en ambos grupos (baja

densidad en leño temprano y alta en el tardío). Contrariamente en angiospermas de


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porosidad difusa las diferencias de estructura dentro del anillo dependerán de la

distribución aleatoria de los vasos y su tamaño, por lo tanto la variación de la densidad

también será menos marcada y mas errática que para las coníferas y angiospermas de

porosidad circular.

Figura 9. Perfiles de densidad anual para abeto (A), roble (B) y haya (C)

Si consideramos que el comportamiento en compresión está gobernado por el

espesor de la pared celular, la forma de la célula, el diámetro del lumen celular, la

distribución de la densidad y de las propiedades mecánicas de la pared celular (Courtney

2000); se explica el comportamiento diferente que sufrieron 3 especies frente a los

esfuerzos de compresión estudiados por Muller et al (2003). Estos autores realizaron un

ensayo con 3 especies de diferente estructura anatómica: abeto (Picea, conífera de

transición abrupta entre leño temprano y tardío), roble (Quercus, angiosperma porosidad

circular) y haya (Fagus, angiosperma de porosidad difusa). Pese a esta diferencia

anatómica, los perfiles de densidad anual mostraron solo 2 comportamientos (figura 9),

agrupando a la conífera con la angiosperma de porosidad circular y por otro lado a al

angiosperma de porosidad difusa. Este mismo agrupamiento lo presentan en los

resultados del ensayo de compresión (figura 10).


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Figura 10. Diagrama de carga-deformación para abeto (-), roble (….) y haya (---)

El comportamiento de la compresión perpendicular en abeto y roble puede

explicarse por el “aplastamiento” de las paredes de las traqueidas del leño temprano y de

los vasos de gran diámetro del leño temprano, ambos menos densas que sus estructuras

del leño tardío. Por lo tanto la deformación puede calcularse como una función de las

dimensiones celulares (ancho del lumen y espesor de pared de la traqueidas y los vasos).

En el trabajo se presentan las ecuaciones.

En cambio para haya, de porosidad difusa y con una estructura mas homogénea a

lo largo del anillo de crecimiento, el comportamiento en compresión se caracteriza por una

“densificación” continua del material. El “aplastamiento” de los vasos de paredes

delgadas, en este caso, juega un rol menor.


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Propiedades mecánicas de la madera como material de construcción

La resistencia de la madera esta dada por el conjunto de fibras que poseen una

notable capacidad de soportar esfuerzos de tracción o compresión en el sentido de las

fibras.

La tensión admisible equivale a la carga máxima por unidad de superficie a que

debe exponerse la madera para el cálculo y dimensionamiento de un elemento de

estructura, como también para el proceso de industrialización de la madera. Varían

dependiendo de la especie y ensayo a considerar.

σσ = rot

admn

Siendo:

σ adm: tensión o esfuerzo admisible de la madera (Kg/mm2 ó N/mm2 ó Kg/cm2).

σ rot: tensión o esfuerzo de rotura de la madera (Kg/mm2 ó N/mm2 ó Kg/cm2).

n: coeficiente de seguridad.

El valor del coeficiente de seguridad depende de la heterogeneidad de la estructura

de la pared celular de la madera, del contenido de humedad, de la presencia de nudos o

desviaciones de fibras, del tiempo de duración de la carga, cargas bruscas accidentales,

entre otros.

Las tensiones admisibles en los cálculos estáticos son necesarias debido a la

heterogeneidad del material. Están referidos a los diferentes tipos de madera según su

densidad aparente.

La anisotropía es la responsable de los diferentes grados de resistencia de las

maderas cuando deben soportar cargas o tensiones paralelas, tangenciales o radiales a

las fibras.

Las piezas de madera correctamente utilizadas pueden constituir estructuras de

compresión, flexión o tracción. Normalmente construyendo por superposición de

elementos macizos en sistemas de columnas (elementos verticales) y vigas

(elementos horizontales) o construyendo entramados.

El comportamiento en flexión de una pieza de madera, combina simultáneamente

los esfuerzos de tracción, compresión y corte.

La madera en la construcción es sometida a compresión perpendicular a las

fibras cuando es utilizada en forma de soleras.

La madera en la construcción es sometida a esfuerzos de compresión paralela a

las fibras cuando se la utiliza como pilotes y columnas.


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La madera es solicitada a flexión cuando se la utiliza en forma de vigas,

cumbreras, cabios, cabriadas, entablonados y dintel es.

La madera es un material particularmente apto para soportar tracción y

compresión paralela , debido a su alta capacidad por unidad de peso.

VALORES DE RESISTENCIA MECÁNICA

Tabla 6: Valores de resistencia mecánica para diferentes especies y ensayos

mecánicos

Especie

maderera

Dureza Janka

(Kg/cm 2)

Flexión estática

(Kg/cm 2)

Corte

(Kg/cm 2)

Compresión

axial (Kg/cm 2)

Rd Tg MOR

ó TR MOE Rd Tg MOR ó TR

Lapacho negro 1203,87 1135,78 1533,13 137726,81 102,45 95,72 765,44

Fresno

americano 920,49 943,93 1169,22 64127,42 593,27

Quebracho

colorado santiag 1121,30 1037,10 1035,47 59388,38 115,39 133,64 638,43

Algarrobo negro 981,14 933,23 1090,32 85820,59 94,90 104,79 569,93

Quebracho

blanco 986,24 941,69 1037,21 92008,15 98,67 103,47 445,36

Curupay 881,24 866,06 1448,11 133628,95 102,45 116,00 749,75

E. camaldulensis 806,93 706,01 1156,17 130458,72 44,04 40,57 569,93

Paraíso gigante 480,12 477,27 1130,78 98521,92 94,29 105,81 471,97

Álamo 201,33 203,57 696,74 75412,84 37,92 51,58 360,86

Analizando la Tabla 6 y tomando como ejemplo dos especies muy diferentes en

cuanto a sus aptitudes de uso, como lo son el lapacho negro y el álamo sp se puede

observar lo siguiente: la madera de lapacho negro es muy dura (> 1000 kg/cm2) tanto en

sentido radial como tangencial. La madera de álamo es muy blanda en ambos sentidos (<

300 Kg/cm2). En cuanto al ensayo de flexión estática el lapacho tiene un MOR alto (1221

– 1750 kg/cm2) y el álamo un MOR bajo (500 – 950 kg/cm2), o sea que éste último es muy

poco resistente a la rotura en corte. En cuanto al MOE en flexión estática el lapacho se

encuentra dentro de los valores medios (121000 – 150000 kg/cm2) y el álamo dentro de

los valores muy bajos (< 100000 kg/cm2). En cuanto al ensayo de corte el lapacho se

encuentra dentro del rango de valores medios (86 - 120 kg/cm2) y el álamo dentro del


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rango de valores muy bajos (< 40 kg/cm2) en sentido radial y dentro del rango de valores

bajos (40 – 85 Kg/cm2) en sentido tangencial. Por último, del ensayo de compresión

paralela se desprende que el lapacho se encuentra dentro del rango de valores de

resistencia a la rotura muy altos (> 500 Kg/cm2) y el álamo dentro del rango de valores

medios (301 – 400 kg/cm2).


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