Anã-lisis de Materiales. Maderas

ANÁLISIS DE MATERIALES . MADERAS. ELIA M. ALONSO G./ WILFRIDO MARTÍNEZ M, CINDY LARA G, HUGO L CHÁVEZ G

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MADERAS. La madera es uno de los materiales más valiosos para la construcción debido a que puede cortarse fácilmente y darle forma. La madera ha sido una materia prima muy popular desde hace miles de años, hay muchas variedades de madera con diferentes texturas, vetas y colores. La madera como materia prima tiene una ventaja definitiva sobre otros recursos naturales; los depósitos de minerales pueden acabarse después de algunos años de explotación, pero los bosques pueden renovarse en un período de tiempo relativamente corto si se manifiesta un buen programa de reforestación. Carbono 44 % Compuestos químicos Hidrógeno 6 % Oxígeno 50 %

Composición de la Albúmina

Madera Fécula Tanino Compuestos Orgánicos Azúcar Aceites Subs. Minerales Resinas ALBÚMINA. Substancia salada proteínica muy común en la naturaleza (clara de huevo, suero de la sangre). FÉCULA. Substancia blanca pulverulenta (harinosa) extraída de algunos vegetales y raíces (papas, trigo ). TANINO. Astringente presente en algunos vegetales, se usa para curtir pieles y colorear el vino de mesa. (cáscara de la uva). ACEITE. líquido graso y untuoso que se obtiene de diversos vegetales (olivo, nuez, coco, cacahuate). AZÚCAR. Nombre genérico de un grupo de hidratos de carbono. RESINA. Substancia viscosa obtenida de algunos árboles (abeto, pino).


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CLASIFICACIÓN DE LA MADERA.

MADERAS SUAVES O BLANDAS. Provienen de los árboles conocidos como coníferas que tienen forma de agujas y las conservan todo el año (hoja perenne) como el abeto, el pino, cedro, pinabeto. Las maderas blandas se usan para cimbras, construcción de casas, aislamiento, etc. MADERAS DURAS. Provienen de los árboles de hoja ancha. debido a que estos árboles se desprenden de sus hojas en el invierno, se conocen como árboles de hoja caduca, como el roble, nogal, caoba, arce, encino, etc. Las maderas duras proporcionan mayor resistencia, pero su uso es más generalizado en muebles y ornato (escaleras, pisos, lambrines, recubrimientos). MADERAS FINAS. También conocidas como maderas preciosas, son las que se emplean pos su acabado estético (vistoso) como el ébano, sándalo. La clasificación de los árboles por la forma de sus hojas, no siempre indica la textura de su madera, el tilo y el álamo se clasifican como madera dura pero el tilo es blando y el álamo medianamente duro. El pino y el abeto son maderas clasificadas como suaves, pero son bastante durables y tienen una textura mediana. Las coníferas y los árboles caducos son similares en substancia, pero difieren en su estructura celular. En las coníferas las células son delgadas y porosas; en consecuencia las coníferas crecen más rápidamente y son más grandes que los árboles caducos. Los árboles de hoja caduca son más gruesos y tienen más compactas las paredes celulares, ésto hace que el árbol sea proporcionalmente más pesado y fuerte que la conífera.


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PARTES FUNDAMENTALES DE UN ÁRBOL.

Corteza. La corteza exterior de un árbol lo protege de lesiones e insectos; la corteza interior es impermeable y retiene la savia. Cambium. Substancia viscosa que se encuentra entre la corteza interior y la albura. En él se efectúa el crecimiento del árbol. Albura. Está formada por células vivas que llevan la savia desde las raíces al tronco. Es de color muy claro. Corazón. Cuando el árbol se hace viejo las capas de albura, gradualmente se convierten en el corazón, sus células están llenas de resinas y gomas que no tienen ninguna función. Médula. Materia suave que se encuentra en el centro del árbol. Cuando el árbol envejece, las células de alrededor se cierran tanto, que a medida que los árboles maduran, ya no se encuentra médula. Rayos medulares. Son una serie de células que parten del centro del árbol hacia el exterior del tronco, distribuyen alimento horizontalmente y mantienen unidos los anillos anuales. Anillos Anuales. Cada anillo anual tiene dos secciones: madera de primavera y madera de verano, cada anillo completo representa un año de crecimiento. Todos los anillos son concéntricos.

PESOS VOLUMÉTRICOS EN TONELADAS POR METRO CÚBICO.

MADERA ESTADO MÍNIMO MEDIO MÁXIMO

ÁLAMO SECO 0.39 0.49 0.59

CAOBA SECA SATURADA

0.56 0.70

0.61 0.88

0.66 1.06

CEDRO BLANCO

SECO 0.32 0.35 0.38

CEDRO ROJO SECO 0.40 0.48 0.55


4

SATURADO 0.56 0.63 0.70

ENCINO SECO SATURADO

0.75 0.80

0.83 0.92

0.90 1.04

FRESNO SECO 0.57 0.76 0.95

OCOTE SECO ------ 0.70 ------

OYAMEL SECO SATURADO

0.35 0.60

0.38 0.63

0.40 0.65

PALMA REAL SECA 0.60 0.65 0.70

PINO SECO 0.45 0.58 0.70

ROBLE BLANCO

SECO ------ 0.74 ------

ROBLE ROJO O NEGRO

SECO ------ 0.65 ------

ROBLE OTRAS ESPECIES

SECO 0.85 0.90 0.95

RESISTENCIA.

La madera es menos resistente cuando está seca. Para efectuar pruebas a la madera se hace un muestreo que nos proporcionará el lote de prueba (por cada lote de mil tablas o tablones, se tomas cinco muestras representativas y se prueban para conocer su calidad). Desde el punto de vista estructural, la madera puede considerarse como un material anisotrópico, es decir que sus características varían en cada dirección. Las propiedades en las direcciones R (radial) y T (tangencial) son casi iguales, por lo que debe considerarse sólo dos direcciones, la paralela y la perpendicular al grano. Se ha observado que independiente de los esfuerzos a que está sometida la madera, ésta se comporta como un material elástico lineal hasta su límite de proporcionalidad (punto en la gráfica esfuerzo-deformación unitaria a partir del cual deja de ser válida la Ley de la Proporcionalidad, enunciada por Robert Hooke).


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DEFECTOS DE LA MADERA.

1.- Rajaduras o Reventaduras de anillos (Radiales y longitudinales o anulares). estos defectos afectan muy desfavorablemente a la resistencia al esfuerzo cortante de la madera y se producen usualmente debido al curado o secado relámpago de la madera (al eliminar rápidamente la humedad contenida en ella). 2.- Putrefacción (pudrición). Es la disgregación de la materia linosa por el efecto destructor de los hongos. Se reconoce porqué la madera se torna blanda, esponjosa y desmoronable (poco cohesiva). 3.- Descantillado o Gema. Es el término que se aplica a la ausencia de madera o corteza en las aristas o esquinas de los trozos de madera aserrada. 4.- Nudos. Son los insertos de las ramas en los troncos de un árbol. Se clasifican por su número y tamaño. La presencia de nudos en un tronco, hace que disminuya la resistencia de la madera debido al cambio de dirección de las fibras. 5.- Bolsas de resina. Aberturas paralelas a los anillos anuales que contienen resina sólida o líquida.

FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL


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COMPORTAMIENTO MECÁNICO

DE LA MADERA.

1.- Contenido de humedad. 2.- Nudos. 3.- Inclinación del grano. 4.- Densidad. 5.- Rajaduras. 6.- Alabeos. 7.- Duración de la Carga. 8.- Temperatura. 9.- Forma. 1.- Contenido de Humedad. Se define como el peso del agua que contiene una madera respecto a su peso seco, en porcentaje; en un árbol vivo puede llegar a ser hasta del 200 % y al cortarlo, el agua libre se pierde por evaporación, sin embargo, las paredes de las células retienen humedad y se conoce como punto de saturación de las fibras. Si el contenido de saturación es mayor que el punto de saturación, la resistencia permanece constante y cuando el contenido de humedad es menor que el punto de saturación, la resistencia aumenta; por esta razón es conveniente secar la madera en forma natural o en un horno, pero evitando un secado excesivo que ocasiones fisuras. Los reglamentos de construcción vigentes distinguen la madera seca de la húmeda por su contenido de agua o humedad en porcentaje. El Reglamento de Construcciones para el Estado de Michoacán establece el valor de 18 % como límite entre ambos estados (seco y húmedo). 2.- Nudos (mencionados anteriormente). 3.- Inclinación del grano. La resistencia de la madera disminuye a medida que aumenta la inclinación del grano o fibra. 4.- Densidad. Mientras mayor sea la densidad (peso volumétrico del material relacionado con el del agua), mayor será la resistencia que desarrolle la madera. 5.- Rajaduras o reventaduras (mencionadas anteriormente). 6.- Alabeos. Son trastornos en las fibras y disminuyen la resistencia de la madera. Se deben a mal cortado y mal secado de la madera.


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7.- Duración de la carga. Si la carga se mantiene constante, la deformación de la madera aumenta hasta estabilizarse. Los impactos repetidos provocan la falla por fatiga. 8.- Temperatura. Temperaturas mayores de 50 º C disminuyen la resistencia de la madera. Si la madera es impregnada a presión, la resistencia disminuirá debido a la presión, la temperatura y la duración del tratamiento. Si es el caso de tratamientos bien controlados, el Reglamento sugiere una reducción del 10 % en los esfuerzos permisibles. 9.- Forma. Por lo general los elementos de sección circular o cuadrada podrán desarrollar mayores esfuerzos que en elementos de sección rectangular.

CURADO O SECADO DE LA MADERA.

Consiste en reducir la humedad de la madera, para madera secada al aire, la humedad es del 10 al 15 % y para madera estofada es del 5 %. Un tablón de una pulgada (2.54 cm) de espesor curado al aire, requiere de seis meses y en el horno de dos a cinco semanas. La madera dura tarda más tiempo en secarse, por eso suele secarse en hornos o estufas.

PROTECCIÓN DE LA MADERA.

Puesto que la madera es un material orgánico de origen natural, está sujeta al ataque de organismos vivos como insectos y hongos, así como al ataque del fuego. ATAQUE POR HONGOS. Causan descomposición, putrefacción o manchas. Para vivir estos hongos requieren humedad, aire y cierta temperatura. La madera profundamente tratada no es atacada por microorganismos, a menos que la humedad aumente por encima de un veinte por ciento. ATAQUE POR INSECTOS. Causan horadación, lo que disminuye el área efectiva. Los más comunes son las termitas subterráneas u hormigas blancas. Los insectos que comen madera se llaman xilófagos. INCENDIOS. No puede lograrse que una madera sea totalmente incombustible, sin embargo la impregnación a presión de la madera con bórax y sales de amoniaco, aumentan considerablemente su resistencia al fuego.

MÉTODOS DE PROTECCIÓN.


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1.- Procedimientos Superficiales. Protección a base de membranas como pinturas, aceites, asfaltos y carbonización superficial. 2.- Procedimientos de Protección Interna. Inyección de líquidos antisépticos en las cavidades de la madera como creosota, cloruro de zinc, sulfato de zinc, sulfato de cobre, pentaclorafenol, etc. En México la madera se clasifica de acuerdo con la norma C18-1946 DGN, en: 1.- Madera Selecta. 2.- Madera de Primera. 3.- Madera de Segunda. 4.- Madera de Tercera. 1.- Madera Selecta. Carece de defectos. 2.- Madera de Primera. Sus nudos no exceden de 2.54 cm ( 1” ) de diámetro, están alejados de los bordes, son escasos y firmes, carece de grietas y torceduras, la inclinación de las fibras no excede de 5 º. 3.- Madera de Segunda. El diámetro de sus nudos no excede de tres centímetros. Algunos nudos están flojos pero sus diámetros son de 2.54 cm o menores. Se acepta la presencia de grietas que no excedan en espesor de 1/16 de su longitud, la inclinación de la fibra debe ser menor de 15 º. 4.- Madera de Tercera. Puede tener toda clase de defectos, siempre que no afecte substancialmente su capacidad de resistencia.

RESUMEN DE CLASIFICACIÓN

NORMA C18-1946.

MADERA NUDOS GRIETAS TORCEDURAS INCLINACIÓN DE LA FIBRA

SELECTA NO NO NO NO

PRIMERA 2.5 cm alejados de los

bordes, escasos y firmes

NO NO 5 º

SEGUNDA firmes 3.0 cm

flojos 2.5 cm

1/16 de la longitud

NO 15 º

TERCERA * * * *

* Todos los defectos.


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Como la clasificación anterior se hace en forma visual (muy subjetiva) tiene los siguientes inconvenientes: - Se requiere un número adecuado de personal. - Difícil lograr la uniformidad. - No toma en cuenta otros aspectos como humedad, densidad, peso volumétrico. La clasificación C18-1946 de la DGN no toma en cuenta la localización de los defectos desde el punto de vista estructural, por esta razón, la DGN incluye otro procedimiento para obtener los esfuerzos permisibles, tomando en cuenta los defectos de la madera ( viene integrado en el Reglamento de Construcción ). La clasificación es V-75, V-65- V-50 y V-40 ( igual que en Inglaterra ). Por ejemplo la calidad de la madera V-50 indica que la resistencia de la madera está comprendida entre el 50 % y el 64 % de la resistencia que tendría una madera limpia o sin defectos. Para clasificar la madera en elementos sujetos a compresión, se usa la menor dimensión del nudo en lugar del promedio.

TIPO DE DEFECTO

CALIDAD V-75 CALIDAD V-65 CALIDAD V-50 CALIDAD V-40

Velocidad de Crecimiento

(Mínimo)

16 anillos / 5 cm

12 anillos / 5 cm

8 anillos / 5 cm

8 anillos / 5 cm

Fisuras o grietas (máxima

proyección sobre cada cara

y bolsas de resina.

1 / 4 de la cara considerada


1/ 2 de la cara considerada


Desviación de la fibra, no mayor

de

1 en 14

1 en 11

1 en 8

1 en 6

Gema en cada cara, no mayor

de





Se considera como V-100 la madera sin defectos.

Dimensión Nominal de la

cara considerada

Nudos en el canto y en la zona central para elementos sujetos a flexión y en cualquier cara para

elementos sujetos a compresión.

Nudos en la zona de borde para elementos a flexión y en

cualquier cara para elementos en tensión.

cm plg V-40 V-50 V-65 V-75 V-40 V-50 V-65 V-75


10

2.50 1 2.0 2.0 1.5 1.0 1.0 0.5 --- ---

3.80 1.5 3.0 2.5 2.0 1.0 1.5 1.0 0.5 ---

5.0 2 3.5 3.0 2.0 1.5 2.0 1.5 1.0 0.5

6.5 2.5 4.5 4.0 2.5 2.0 2.5 2.0 1.5 1.0

7.5 3 5.0 4.5 3.0 2.0 3.0 2.5 1.5 1.0

9.0 3.5 5.5 5.0 3.5 2.5 3.5 2.5 2.0 1.5

10.0 4 6.5 6.0 4.0 3.0 3.5 3.0 2.0 1.5

13.0 5 7.5 7.0 5.0 3.5 4.5 4.0 2.5 2.0

15.0 6 9.0 8.0 6.0 4.0 5.5 5.0 3.0 2.5

20.0 8 11.0 9.0 6.5 4.5 7.5 6.5 4.0 3.0

25.5 10 13.0 10.0 7.0 5.0 9.5 8.0 5.0 3.5

30.5 12 14.0 11.0 7.5 5.5 11.0 9.0 6.5 4.5

35.5 14 15.0 12.0 8.0 6.0 12.5 10.0 7.0 4.5

Los esfuerzos de trabajo (esfuerzo de falla / factor de seguridad ) en la madera, dependiendo de su solicitación y clasificación, se obtendrán de la siguiente tabla (datos dados en kg/cm

2 ).

SOLICITACIÓN V-75 V-65 V-50 V-40

Flexión y tensión 80 70 50 40

Compresión paralela a la fibra 60 50 40 30

Compresión perpendicular a la fibra 12 12 11 11

Cortante paralelo a la fibra 11 9 7 6

Módulo de elasticidad. Mínimo Medio

40 000 70 000

40 000 70 000

40 000 70 000

40 000 70 000

La tabla anterior es válida cuando el contenido de humedad es mayor o igual al 18 %, en caso contrario, los esfuerzos deberán incrementarse en los siguientes porcentajes: 10 % para flexión y tensión, 20 % para compresión paralela a la fibra, 50 % para compresión perpendicular a la fibra, 10 % para el módulo de elasticidad. Para desviaciones de carga los esfuerzos pueden incrementarse en los siguientes casos:

SOLICITACIÓN REGLAMENTO DEL D.F. REGLAMENTO DE MICH.

Carga Viva 15 % 15 %


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Carga accidental, Viento o Sismo

50 % 30 %

Impacto 100 % 100 %

Se permite incrementar a los esfuerzos en un 20 % en sistemas constructivos en los que el espaciamiento máximo de soporte no exceda de 60 cm.

CUANTIFICACIÓN DE LA MADERA. La madera se expende comercialmente como duela, tabla, tablón girón, polín o puntal, viga. La unidad comercial es el pié - tablón que tiene un volumen de madera de 144 plg

2.

NOMBRE a b c Volumen ft 3

DUELA

4 “ ½ “ ¾ “ 1 “

7 „ 8‟

10‟

1.17 2.00 3.33

TABLA

8 “ 10 “ 12 “

½ “ ¾ “ 1 “

1 ¼ “

8 „ 9 „

10 „ 12 „ 14 „

2.67 5.62

10.00 15.00 17.50

TABLÓN

8 “ 10 “ 12 “

1 “ 1 ½ “

2 “ 2 ½ “

8 „ 10 „ 12 „ 14 „

5.33 12.50 29.00 35.00

GIRÓN 2 “ 4 “ 8 „ 5.33

POLÍN 4 “ 4 “ 8 „ 10.67

VIGA

4 “ 6 “ 16 „ 18 „ 20 „

32.00 36.00 40.00

Ejercicios. Gráficas esfuerzo-deformación, módulo de elasticidad y cuantificaciones.

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