Universidad Nacional Agraria La Molina

Propiedades Físico - Mecánicas de la Madera

Título: Clivaje, cizallamiento y tensión perpendicular.

Profesor: Moisés Acevedo Mallque

Grupo: C*

Marín Díaz, Jesús 20120198Dueñas de la Cruz, Ana 20100161

2014 – II

1. INTRODUCCIÓN:

En la mayoría de países desarrollados es un requisito indispensable clasificar a las maderas de acuerdo a sus propiedades físicas y mecánicas, para brindarles una óptima utilización. La clasificación estructural se deriva de las pruebas mecánicas, a las que son sometidas una serie de probetas de diferente confección y dimensiones, cuyo comportamiento a la aplicación de fuerzas, mediante la utilización de aparatos y equipos específicos, a la vez que proporcionan la carga requerida, registran la magnitud de la misma. Por otra parte, el sector industrial forestal, enfrenta de manera creciente retos cada vez más complicados, donde el tema de la calidad es pieza fundamental para subsistir la competencia. Desafortunadamente, la industria forestal en su conjunto está en desventaja con sus eventuales competidores por no contar con el suficiente conocimiento tecnológico de las especies de interés comercial y si se cuenta con ello, no se le da el uso adecuado. Este rezago se ha debido en su mayor parte a que no se han realizado los estudios básicos que permitan asignar a cada especie de interés económico su uso más adecuado.

Por tanto, este informe tiene como finalidad el aprendizaje de métodos necesarios para realizar ensayos como Cizallamiento, Tensión perpendicular y Clivaje, con el fin de brindar al estudiante las herramientas necesarias para un futuro estudio de diferentes especies.

2. OBJETIVOS:

2.1 Determinar la resistencia de la madera de “Yacushapana”, Terminalia oblonga, al cizallamiento paralelo al grano.

2.2 Determinar la resistencia ofrecida por la madera de “Moena rosada”, Ocotea bofo, al clivaje.2.3 Determinar la resistencia de la madera de “Bolaina blanca”, Guazuma crinita, a la tensión

perpendicular al grano.

3. MARCO TEÓRICO:

3.1 Tensión perpendicular al grano.

Es la resistencia provocada por la acción de dos fuerzas de signo contrario que tienden a romper la pieza de madera alargando su longitud y reduciendo su sección transversal. La madera presenta altos índices de resistencia a la tracción debido a la fuerza de las uniones de los enlaces glucosúricos de las unidades de glucopiranosa. La tracción axial es menor que la compresión axial, la que depende de la lignina, especialmente la de la lámina media.

Depende del contenido de humedad, de 8% al psf la relación es lineal; sobre el psf se mantiene inalterable. También depende de la duración de la carga, de la calidad de la pieza y presencia de defectos como nudos, acebolladura, desviación de la fibra, rajaduras, grietas, etc. Además depende de la temperatura, por debajo de 0 °C aumenta la resistencia a la tracción. La tracción perpendicular al grano depende de la lignina que cumple una función cementante entre fibras. La madera tiene menor

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resistencia a este tipo de esfuerzo con relación a otras solicitaciones mecánicas. En la rotura produce facturas curvas concéntricas a los anillos de crecimiento o siguiendo los radios medulares.

La tracción paralela al grano es mucho más alta que la perpendicular al grano, debido a que las uniones longitudinales entre las fibras son de 30 a 40 veces más resistentes que las uniones transversales. Produce fracturas astillosas. Disminuye la resistencia a la tracción en maderas de fibras cortas, con nudos, a contenidos de humedad de saturación de la fibra puede reducir hasta 70%.

3.2 Cizallamiento

Es el esfuerzo que oponen las fibras de una pieza a la acción de dos fuerzas paralelas que tienden a cortar la sección transversal de la madera. Este esfuerzo depende del grado de cohesión entre elementos, varia en los tres planos de corte y tipo de grano. Depende esencialmente de la lignina, en especial de la lámina media.

Depende también del plano de la pieza: es mayor en sentido radial que en tangencial. Varía de 25 a 200 kg/cm2, a mayor densidad básica, mayor resistencia al cizallamiento. (AIDER, 2013)

Esta prueba consiste en someter a muestra de madera a la acción de dos cargas iguales, opuestas y paralelas, que actuando sobre un mismo plano, tienden a producir el desplazamiento de una superficie sobre la otra contigua. Los esfuerzos en corte paralelo como también se llama a esta prueba, intervienen en numerosas aplicaciones mecánicas, como ensambladuras, piezas de máquinas, etc. El cizallamiento o esfuerzo de corte se clasifica de acuerdo a la dirección en que actúa la fuerza con respecto a los planos estructurales (paralelo o perpendicular a las fibras). (Aróstegui, )

3.3 Clivaje

El clivaje o hendimiento es una característica de los materiales fibrosos que se manifiesta en la madera por la acción de una cuña o de herramientas que actúan como una cuña. Es la propiedad de la madera de rajarse cuya línea de separación siempre se encuentra más delante de la cuña. (AIDER,2013)

Se entiende como clivaje a la resistencia que presenta la madera al rajarse al introducirle un clavo. También es entendido como la resistencia de las fibras a separarse en sentido longitudinal. Generalmente, son las maderas húmedas las que aceptan más fácilmente el clavado que las secas, lo mismo ocurre con las maderas blandas a comparación de las duras.

El clivaje puede ser tangencial o radial, dependiendo de la ubicación de los anillos de crecimiento. Se puede esperar, como la mayoría de propiedades físicas, que dos muestras tomadas de partes similares de un mismo árbol presentaran una resistencia al clivaje mayor en sentido tangencial que en sentido radial, debido a la disposición de los elementos de la madera, en especial los radios. Otros factores que pueden afectar el clivaje son la presencia de defectos, la naturaleza del árbol del cual se obtuvieron las probetas, la densidad básica y el contenido de humedad.

El clivaje es una característica de los materiales fibrosos, difícil de determinar en un ensayo, pues varía mucho con la forma de la probeta, modo de aplicación de la carga, etc. Solo pueden comparase entonces los valores provenientes de ensayos efectuados en las mismas condiciones.

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Nájera, Vargas, Méndez y Graciano (2005) Tras los ensayos realizados de resistencia al cizallamiento y clivaje de la especie Quercus laeta, se determinó que las muestras que tuvieron una orientación tangencial presentaron valores bastante más altos que los de orientación radial para esta propiedad. Es por esto que se llega a la conclusión que los valores de clivaje generalmente serán mayores cuando son ensayados en orientación tangencial.

Grupo

Propiedades Físicas Propiedades Mecánicas (kg/cm2)

ClasificaciónDensidad Básica

Contracción Volumétrica

%

Flexión estática (MOR)

Compresión paralela

(RM)

Compresión perpendicular

(ELP)

DurezaLados Cizallamiento

I < 0.3 < 7 < 300 < 120 < 10 < 100 < 30 Muy bajaII 0.3 – 0.4 7.0 – 10.0 300 – 500 120 – 240 10.0 – 40.0 100 – 300 30 – 60 BajaIII 0.41 – 0.6 10.1 – 13.0 501 – 800 241 – 360 41 – 70 301 – 600 61 – 90 MediaIV 0.61 – 0.75 13.1 – 15 801 - 1000 361 – 480 71 – 100 601 – 900 91 – 120 AltaV > 0.75 > 15 > 1000 > 480 > 100 > 900 > 120 Muy alta

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Tabla 1. Rangos de la clasificación de la madera según sus Propiedades Físicas – Mecánicas (Aróstegui, 1982)

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4. MATERIALES Y EQUIPOS

- Prensa universal de ensayos mecánicos.- Accesorios de la prensa, cabezal con sujetadores.- Vernier o pie de rey.- Balanza de precisión con aproximación de ± 0.1 g.- Estufa eléctrica- Desecador con sal higroscópica “silicagel”- Probetas de madera de 5x5x6.3 cm de corte radial y tangencial (para los ensayos de cizallamiento y

tracción) y probetas de 5x5x9.5 cm en corte radial y tangencial (para el ensayo de clivaje).

5. PROCEDIMIENTO

5.1 Cizallamiento

- Colocar la probeta en el accesorio y ajustar por medio de pernos.- Aplicación de la carga a una velocidad continua de 0.6 mm (0.024 pulgadas) por minuto hasta la ruptura de la probeta.- Registrar los datos en el formato correspondiente (carga máxima y forma de ruptura).- Cortar una sección de la probeta ensayada para determinar su contenido de humedad, por método de inmersión.

5.2 Tensión perpendicular

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Fig. 3 Ensayo de cizallamiento.

Fig 1. Caracterización de la Yacushapana.

Fig 2. Caracterización de la Bolaina (Revista Forestal del Perú)

- Medir las longitudes del área delimitada por las concavidades.- Colocar la probeta en el accesorio.- Aplicación de la carga a una velocidad continua de 2.5 mm (0.1 pulgadas) por minuto hasta la ruptura de la probeta.- Registrar los datos y dibujar la falla en el formato correspondiente. - Cortar una sección de la probeta ensayada para determinar su contenido de humedad, por método de inmersión.

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5.3 Clivaje- Medir la longitud afectada en la concavidad (ancho de probeta).- Colocar la probeta en los accesorios de la prensa.- Aplicación de la carga a una velocidad continua de 2.5 mm (0.1 pulgadas) por minuto hasta la ruptura de la probeta.- Registrar los datos y dibujar la falla en el formato correspondiente. - Cortar una sección de la probeta ensayada para determinar su contenido de humedad.

6. RESULTADOS

Ensayo Peso inicial (g)

Peso seco(g)

Humedad Vol. Inicial (cm3)

Densidad (g/cm3)

Orientación

Cizallamiento 32.3 28.6 12.93% 50.1 0.645 Radial

Tensión perpendicula

r28.9 23.4 23.5% 52.1 0.555 Tangencial

Clivaje 30.9 27 14.4% 51.9 0.595 Tangencial

Ensayo Carga: P (lb) Área Resistencia

Cizallamiento 6400X: 4.97

Y: 5.115= 25.422 cm2

114.30 Kg/cm²

Tensión perpendicular 602X: 5.03Y: 2.68

= 13.48 cm220.27 Kg/cm²

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Fig. 4 Ensayo de tensión perpendicular.

Fig. 5 Ensayo de clivaje.

Tabla 2. Propiedades Físicas.

Clivaje 478 4.723 cm 45.95 Kg/cm

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Tabla 3. Resistencias mecánicas.

CIZALLAMIENTO

Grupo P(lbs) Área (cm2) Resistencia (Kg/cm2)

Densidad (cm3)

Orientación Especie

Postigo - Rodríguez

7560 4.97 4.95 139.51 0.633 Tangencial Yacushapana

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Fig. 6 Fallas en la probeta de cizallamiento.

Fig. 7 Fallas en la probeta de Tensión perpendicular.

Fig. 8 Fallas en la probeta de clivaje.

Candiotti-Laura 1600 4.075 4.94 36.08 0.698 TangencialMeléndez 6690 4.889 4.978 124.80 0.613 Tangencial

Prado - La Rosa 6965 4.944 4.944 129.37 0.788 RadialDueñas – Marín 6400 4.97 5.115 114.30 0.645 RadialIllescas - Maury 5860 4.926 4.93 109.55 0.732 Radial

TENSIÓN PERPENDICULAR AL GRANO

Grupo P(lbs) Área (cm2) Resistencia (Kg/cm2)

Densidad (cm3)

Orientación Especie

Postigo - Rodríguez 810 5.07 2.66 27.27 0.575 Oblicuo

Bolaina

Candiotti - Laura 604 5.073 2.585

20.91 0.479 Oblicuo

Meléndez 446 2.622 4.975

15.52 0.498 Radial

Prado - La Rosa 468 5.048 2.758

15.26 0.477 Tangencial

Dueñas – Marín 602 5.03 2.68 20.27 0.555 Tangencial

Illescas - Maury 432 5.05 2.615

14.85 0.532 Radial

CLIVAJE

Grupo P(lbs) Ancho (cm)

Resistencia (Kg/cm2)

Densidad (cm3)

Orientación Especie

Postigo - Rodríguez 630 4.74 60.34 0.621 Tangencial

Moena

Candiotti - Laura 414 4.876 38.55 0.707 RadialMeléndez 380 4.897 35.23 0.702 Radial

Prado - La Rosa 348 4.886 32.34 0.634 RadialDueñas - Marín 478 4.7225 45.95 0.595 TangencialIllescas - Maury 470 4.675 45.64 0.678 Tangencial

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7. DISCUSIONES

Teniendo en cuenta la información brindada por Aróstegui (1982), podemos caracterizar a la madera de Yacushapana, Terminalia oblonga, con una resistencia alta frente al cizallamiento, al obtener un valor de 114.3, encontrándose dentro del grupo IV. Por otro lado, observando los valores de la tabla 4, podemos afirmar que la madera posee una resistencia al cizallamiento que varía de Alta a Muy alta, con preponderancia en la última calificación, como puede ser apreciado en la figura 1. Esta diferencia de valores puede deberse a la puesta de la probeta en referencia a sus planos tangencial y radial, observándose que se presenta mayores valores en el lado tangencial. Es de notar que se observan mayores valores en función de la densidad de la probeta, influyendo conjuntamente con la ubicación de la cara mayor (AIDER, 2013).

Es de notar que la falla producida en la probeta de cizallamiento produce un corte que no es limpio, y dado que se encontraba en posición radial, podemos anotar que presenta un grano ligeramente entrecruzado, ocasionando dificultades en la trabajabilidad; no obstante, se aprecia que la superficie cizallada se encuentra notoriamente alejada del área que no debió ser afectada, diferenciándose del resto de probetas, que mostraron fallas mucho más agresivas, sobrepasándose a la zona que no debería ser dañada.

Con respecto al clivaje, encontramos que esta propiedad, con respecto a la cara tangencial, posee un valor de 45.95 kg/cm2, si comparamos los resultados con la tabla 4, podemos observar que los valores coinciden con aquellas probetas que fueran posicionadas en esa misma cara, lo mismo ocurre con las probetas puestas en la cara radial, las cuales comparten similares valores. Dado que las probetas provienen de una misma especie y han estado acondicionadas a un valor de humedad similar, podemos evidenciar claramente las diferencias de resistencia con respecto a las caras, obteniéndose mayores valores en la cara tangencial. Con esto, podemos adicionar lo encontrado por Nájera et al., que en ensayos realizados de resistencia al cizallamiento y clivaje de la especie Quercus laeta, se determinó que las muestras que tuvieron una orientación tangencial presentaron valores bastante más altos que los de orientación radial. Por otro lado, podemos caracterizar que la falla, como se aprecia en la figura 8, sigue un plano tangencial a los anillos de crecimiento.

Viendo los resultados de tensión perpendicular al grano, podemos observar que los mayores valores son obtenidos con la orientación oblicua y tangencial, en comparación a la radial. Por otro lado, la falla producida por el ensayo, visible en la figura 7, muestra un seguimiento a través de los anillos de crecimiento, siguiendo su orientación tangencial. Es de notar, que las superficies afectadas presentaron pocas astilladuras, denotando quebraduras simples, es por eso, y dado los valores de la bolaina, que la caracterizamos como una madera con baja resistencia a la tensión. Observando la Figura 2, podemos apreciar que los valores encontrados para la Bolaina son menores a los descritos por Aróstegui.

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Tabla 4. Valores de todas las probetas evaluadas en el día del ensayo por los alumnos de laboratorio.

8. CONCLUSIONES:- Las probetas puestas en cara tangencial presentan mayor valor que aquellas colocadas en superficie

radial, siguiendo el ensayo de clivaje y cizallamiento.- La madera de “Yacushapana”, Terminalia oblonga, presenta una alta resistencia al cizallamiento.- La madera de “Bolaina”, Guazuma crinita, presenta una baja resistencia frente a la tensión perpendicular.

9. BIBLIOGRAFÍA:

- AIDER, 2013. Estudio de las propiedades mecánicas de diez especies maderables potenciales de bosques secundarios y primarios residuales. Ucayali, Perú. 51 pp.

- Aróstegui, A. 1982. Recopilación y análisis de estudios tecnológicos de maderas peruanas. Documento de trabajo Nº 2. PNUD-FAO. Lima, Perú. 57p.

- Aróstegui, A. 1961. Estructura anatómica y propiedades físico- mecánicas de dos especies de Perú: Guarea trichilioides y ceiba pentandra. Instituto interamericano de ciencias agrícolas. Turrialba, Costa Rica.

- Aróstegui, A., Sato,A. Estudio de las propiedades físico mecánicas de 16 especies forestales del Perú. Publifor.

- Nájera, J.; Zacarías, A.; Méndez, J. y J. Graciano. 2005. Propiedades físicas y mecánicas de la madera en quercus laeta liemb. de El Salto, Durango. Ra Ximhai, septiembre-diciembre, año/Vol.1, Número3Universidad Autónoma Indígena de México. Mochicahui, El Fuerte, Sinaloa. pp. 559-576

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