Ensayos a la madera-Ing civil

Guía de laboratorio para ensayo en madera

1. UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
“JOSE SIMEON CAÑAS”, UCA
Departamento de Mecánica Estructural, Apartado Postal (01)168, Autopista
Sur, San Salvador, El Salvador, América Central Tel: [phone]. Fax:
[phone]
Laboratorio de: MATERIALES DE CONSTRUCCION
ENSAYO DE TENSIÓN, COMPRESIÓN Y CORTE EN MADERA
NORMAS
ASTM D 143-94 “Standard Test Methods for Small Clear Specimens of
Timber” (Reaprobado2000)
(Métodos estándar de ensayo para pruebas con pequeños
especimenes limpios de madera)

OBJETIVOS
a)Determinar el módulo de Elasticidad (E) y el esfuerzo máximo de la madera
(su) sometida a carga de tensión y compresión paralela a la fibra.
b)Determinar el esfuerzo máximo de la madera (tmax) sometida a cortante.
c)Comprender el comportamiento de la madera ante tres tipos de solicitaciones
distintas.
d)Entender la relación existente entre las propiedades de un material y su
comportamiento ante cargas.
DISCUSIÓN TEORICA
(Basado en Bukele G. P., S. Giammatei y C. M. Perla [1997] “Investigación del
comportamiento estructural del Bahareque”; Trabajo de graduación Universidad
Centroamericana “José Simeón Cañas”; San Salvador, El Salvador, Septiembre
de1997)
Generalidades
La madera es un material anisotrópico, que no presenta iguales propiedades mecánicas
en todos los sentidos, sino más bien diferente en cada uno de ellos. Sin embargo, para
facilitar los análisis se le puede considerar ortotrópico.

2. La madera está compuesta de pequeñas unidades estructurales llamadas células o celdas.
Estas son de forma alargada y su base es la celulosa, las celdas están cementadas por
lingina, y su ordenamiento dentro del árbol afecta grandemente la apariencia y las
propiedades de las diversas especies. El término grano se utiliza con frecuencia para
indicar la dirección general de las fibras de la madera aserrada.
Siendo un material de origen natural, muchos son los factores que afectan la resistencia
de la madera, como defectos de crecimiento, nudos, inclinación de la fibra, contenido de
humedad ( la mayoría de las propiedades mecánicas aumentan al reducirse la
humedad), temperatura ( la temperatura puede afectar la resistencia de la madera,
sobretodo si se trata de una exposición prolongada al calor, pero si se trata de una
exposición corta la afección será igualmente temporal y regresará a su estado inicial),
duración de la carga (sobretodo en combinación con el grado de humedad), degradación
orgánica (por la pérdida de las características físico-químicas de las células de la madera
que garantizan su resistencia) y el ataque de los insectos.
Propiedades mecánicas de la madera
Las propiedades mecánicas de la madera dependen grandemente del tipo de humedad y
la dirección de las fibras. Cualquier irregularidad en la madera reduce su resistencia,
durabilidad o utilidad, como nudos, grietas, desprendimiento, putrefacción, grano
transversal y otras.
Comportamiento de la madera sujeta a tensión
En general la capacidad de la madera a la tensión es muy alta y depende de la formación
e inclinación de la fibra. Cuando la tensión es totalmente paralela a la fibra, la madera
desarrollará el 100% de su capacidad, mientras que cuando la tensión es perpendicular a
las fibras su resistencia es virtualmente cero.

Aunque la resistencia a la tensión de la madera sea alta, no se le puede utilizar
efectivamente en miembros estructurales, debido a su baja resistencia al esfuerzo
cortante, el cual causa la falla en las conexiones de los extremos que utilizan
conectadores de pernos o placas antes de que su real resistencia a la tensión de un
miembro pueda desarrollarse.
Comportamiento de la madera sujeta a compresión
La madera exhibe, bajo carga de compresión, un comportamiento peculiar propio. Es
cualquier cosa, más no un material isótropico, y se compone de células formadas por
crecimientos orgánicos que se alinean para formar una serie de tubos o columnas en la
dirección de las fibras. Como resultado de esta estructura, el límite elástico es
relativamente bajo, no existe un punto de cedencia definido y se verifica una
deformación permanente considerable antes de la falla. Estas propiedades varían según
la orientación de la carga con respecto a la orientación de las fibras.
Para cargas normales al grano, la carga que causa el colapso lateral de los tubos o fibras
(aplastamiento) es la carga significativa. Para cargas paralelas a las fibras, no solamente
es importante la resistencia “elástica”, sino también la resistencia de ruptura. La ruptura
2

3. frecuentemente ocurre debido al colapso de las fibras tubulares como columnas. Varios
tipos de falla de la madera cargada paralelamente a las fibras se describen en fig 1.
Figura 1: Tipos de falla en compresión paralela a la fibra.
Comportamiento de la madera sujeta a corte
Como se mencionó anteriormente, la madera presenta una baja resistencia al esfuerzo
cortante, sobretodo en las conexiones con otros elementos, por lo que en lo referente a
esfuerzos directos, el ensayo de compresión de la madera es de mayor significación
práctica que el de tensión o de corte.
MATERIALES Y EQUIPO
a.Ensayo de tensión paralela a la fibra
Materiales
Probeta de madera labrada de acuerdo a las siguientes dimensiones
Donde:
A : 4” B : 3 ¾”
3

4. C : 2 ½” D : 3/8”
F : 1” G : 3/16”
H : ¼” R :17 ½”
Equipo
·1 Máquina universal de pruebas
·1 Extensómetro de 2” de longitud de calibración
·1 Cinta métrica ( 3 o 5 m)
·1 Pie de rey
b.Ensayo de compresión paralela a la fibra
Material
Probeta de madera labrada de acuerdo a las siguientes dimensiones.
Equipo
·1 Máquina universal de pruebas
·1 Extensómetro de 6” de longitud de calibración
·1 Cinta métrica ( 3 o 5 m)
·1 Pie de rey
c.Ensayo de corte en madera paralela a la fibra
Material
·Probeta de madera labrada de acuerdo a las siguientes dimensiones.
4
8”
2”2”
A
B
D
E
C
Dimensiones:
A = 2”
B = 2”
C = 3/4”
D = 2 1/2”
E = 2”

5. ·1 Máquina universal de pruebas
·1 Extensómetro de 6” de longitud de calibración
·1 Dispositivo de corte
·1 Pie de rey
PROCEDIMIENTO
a.Ensayo de tensión paralela a la fibra
Determinación de dimensiones y colocación en máquina de ensayo.
1)Tome las medidas de las dimensiones de la probeta a ensayar y marque con un
lápiz una longitud de calibración de 2 pulgadas a partir del centro de ésta.
2)Coloque el extensómetro en la probeta de modo que las puntas de los tornillos
sujetadores queden sobre la dimensión más grande de la misma.
3)Con el auxilio del responsable del laboratorio, coloque la probeta y el
extensómetro entre las mordazas de la máquina.
Aplicación de la Carga.
Se aplicará a la muestra una carga estática a una velocidad de 0.05 pulg/min. La
precisión del deformímetro será de 0.0001 plg/div y la carga en lbf en lectura directa
de la pantalla de la máquina universal.
Obtención de datos
1)Tomar 15 lecturas de carga y deformación para cada 10 divisiones del
deformímetro.
2)Retire el deformímetro de la muestra y tome las lecturas de carga última y carga
de ruptura.
3)Retírese la probeta rota de la máquina y obsérvese la ubicación y el tipo de
fractura.
b.Ensayo de compresión paralela a la fibra
Determinación de dimensiones y colocación en máquina de ensayo.
1)Tome las medidas de las dimensiones de la probeta a ensayar y marque con un
lápiz una longitud de calibración de 6 pulgadas a partir del centro de ésta.
5

6. 2)Coloque el extensómetro en la probeta de modo que las puntas de los tornillos
sujetadores queden sobre las líneas que delimitan la longitud de calibración.
3)Con el auxilio del responsable del laboratorio, coloque la probeta y el
extensómetro en la máquina universal de pruebas.
Aplicación de la Carga.
Para asegurar una distribución uniforme de la carga, se utilizará un cabezal esférico
en la máquina universal de prueba TINIUS OLSEN. Durante la prueba, se aplicará
la carga a una velocidad constante de 0.027 plg/min sobre el área de 4 plg
2
. La
precisión del deformímetro será de 0.0001 plg/div y la lectura de carga se hará en lbf
de la pantalla de la máquina universal.
Obtención de datos
1)Se tomarán las lecturas de carga para cada división del deformímetro para las
primeras 10 divisiones; luego se tomarán 5 lecturas de carga para cada 5
divisiones del deformímetro.
2)Retire el deformímetro de la muestra y tome las lecturas de carga última y carga
de ruptura.
3)Retírese la probeta rota de la máquina y obsérvese la ubicación y el tipo de
fractura.
c.E nsayo de corte en madera, paralela a la fibra
Determinación de dimensiones y colocación en máquina de ensayo.
1)Tome las medidas de las dimensiones de la probeta a ensayar.
2)Coloque la probeta en el dispositivo de corte según lo muestra la figura, y todo
el sistema en la máquina universal de pruebas.
6

7. Aplicación de la Carga.
Durante la prueba, se aplicará la carga (en lbf ) con una velocidad lenta y
constante.
Obtención de datos
1)Regístrese la carga última de la muestra.
2)Retírese la probeta rota de la máquina y obsérvese la ubicación y el tipo de
fractura.
CALCULOS
Ensayo a tensión
a)Realizar los cálculos necesarios a efecto de elaborar un gráfico esfuerzo-
deformación unitaria (ver fig 11.2) y con el auxilio de las herramientas de
EXCEL determinar la ecuación lineal que define la tendencia y su
correspondiente valor de correlación R.
b)Reportar la carga máxima y el esfuerzo máximo a tensión así como el valor del
módulo de elasticidad E para la condición de esfuerzo a tensión. Asimismo
presentar un esquema (o foto) que muestre el sitio y tipo de falla que se presentó
en la probeta.
7

8. Fig. 2: Gráfico esfuerzo-deformación unitaria de
madera sujeta a tensión paralela a la fibra
Ensayo a compresión
a)Realizar los cálculos necesarios a efecto de elaborar un gráfico esfuerzo-
deformación unitaria (ver fig 11.3) y con el auxilio de las herramientas de
EXCEL determinar la ecuación lineal que define la tendencia y su
correspondiente valor de correlación R.
b)Reportar la carga máxima y el esfuerzo máximo a compresión, así como el valor
del módulo de elasticidad E para la condición de esfuerzo a compresión.
Asimismo presentar un esquema (o foto) que muestre el sitio y tipo de falla que
se presentó en la probeta.
Fig. 11.3: Gráfico esfuerzo-deformación unitaria de
madera sujeta a compresión paralela a la fibra
8

9. Ensayo de corte en madera paralela a la fibra
a)Reportar la carga máxima y el esfuerzo máximo de corte. Asimismo presentar
un esquema (o foto) que muestre el tipo de falla que se presentó en la probeta.
EJEMPLOS ILUSTRATIVOS
Ensayo de tensión paralela a la fibra
Universidad Centroamericana
José Simeón Cañas
DEPARTAMENTO DE MECANICA ESTRUCTURAL
Laboratorio de Resistencia de Materiales
HOJA PARA TOMA DE DATOS DE LABORATORIO DE TENSIÓN EN
MADERA PARALELA A LA FIBRA
Fecha de prueba: 14/08/2001
Grupo de laboratorio:
____________________________
_
Instructor:
____________________________
__
1. Preparación de la muestra:











Longitud 18.047 pulgadas
A
3+9/10+3/40+15/100
03.99pulgadas
B 3+7/10+0/40+1/10003.701pulgadas
9

10. C
2+6/10+2/40+15/100
02.665pulgadas
D
0+4/10+0/40+20/100
00.42pulgadas
E
1+0/10+1/40+16/100
01.041pulgadas
F
1+0/10+1/40+20/100
01.041pulgadas
G
0+2/10+3/40+23/100
00.298pulgadas
H
0+7/10+0/40+20/100
00.72pulgadas
Datos para la determinación de propiedades mecánicas de la
muestra.
Módulo de elasticidad
Precisión del
deformímetro: 0.0001plg/div
Longitud de
calibración: 2plg
#
DIVISIONES DEL
DEFORMÍMETRO
LECTURAS
DE CARGA
( lbf )
#
DIVISIONES DEL
DEFORMÍMETRO
LECTURAS DE
CARGA
( lbf ).
1 0 0 11 10 93.5
2 1 16.5 12 11 104.5
3 2 27.5 13 12 110.0
4 3 33.0 14 13 121.0
5 4 44.0 15 14 126.5
6 5 55.0 16 15 132.0
7 6 60.5 17
8 7 71.5 18
9 8 82.5 19
10 9 88.0 20
Carga máxima y de falla.
Carga máxima (última) 209.0 lbf
Cálculos
Área inicial de la probeta
Área (A) 0.807cm2
Tabla de valores de esfuerzo y deformación
10

11. unitaria.
#
Deformación
unitaria
Esfuerzo
(kg/cm2)
1 0.00000 0.00
2 0.00005 9.29
3 0.00010 15.48
4 0.00015 18.58
5 0.00020 24.77
6 0.00025 30.96
7 0.00030 34.06
8 0.00035 40.25
9 0.00040 46.44
10 0.00045 49.54
11 0.00050 52.63
12 0.00055 58.82
13 0.00060 61.92
14 0.00065 68.11
15 0.00070 71.21
16 0.00075 74.31
Recta de mejor ajuste. Y = m X+b
m 96,705.82kg/cm2
b 4.76 kg/cm2
C.C.
R 0.99658
Gráfico Esfuerzo vrs deformación unitaria
Propiedades esfuerzo-deformación
Carga máxima
95.0
0 kg
11

12. Esfuerzo máximo (último):
117.
7Kg/cm2
Ensayo de compresión paralela a la fibra.
Universidad Centroamericana
José Simeón Cañas
DEPARTAMENTO DE MECANICA ESTRUCTURAL
Laboratorio de Resistencia de Materiales
HOJA PARA TOMA DE DATOS DE LABORATORIO DE COMPRESION EN MADERA
PARALELA A LA FIBRA
Fecha de prueba: 14/08/2001
Grupo de
laboratorio:
____________________________
___
Instructo
r:
____________________________
___
1. Preparación de la muestra:
A 2+0/10+2/40+0/1000
2.05
0Plg
B 2+0/10+1/40+10/1000
2.03
5Plg
Longitu
d 8+1/8 8.13Plg
2. Datos para la determinación de propiedades mecánicas de la
muestra.
2.1. Módulo de elasticidad
Precisión del
deformímetro: 0.0001plg/div
Longitud de calibración: 6plg
12

13. #
DIVISIONES DEL
DEFORMÍMETRO
LECTURAS DE
CARGA
( lbf )
#
DIVISIONES DEL
DEFORMÍMETRO
LECTURAS DE
CARGA
( lbf )
1 0 0 11 10 1650
2 1 330 12 15 2420
3 2 440 13 20 3190
4 3 605 14 25 4565
5 4 770 15 30 4895
6 5 935 16 35 5665
7 6 1100 17
8 7 1210 18
9 8 1375 19
10 9 1595 20
2.2 Carga máxima y de falla.
Carga máxima (última) 7590 lbf
3
Cálculos
3.1 Área inicial de la probeta
Área (A) 26.91cm2
3.2 Tabla de valores de esfuerzo y deformación
unitaria.
#
Deformación
unitaria
Esfuerzo
(kg/cm2)
1 0.00000 0.00
2 0.00002 5.57
3 0.00003 7.43
4 0.00005 10.22
5 0.00007 13.00
6 0.00008 15.79
7 0.00010 18.58
8 0.00012 20.44
9 0.00013 23.22
10 0.00015 26.94
11 0.00017 27.87
12 0.00025 40.87
13 0.00033 53.87
14 0.00042 77.10
15 0.00050 82.67
16 0.00058 95.67
3.3 Recta de mejor ajuste. Y = m
13

14. X+b
m 164,217.02kg/cm2
b 1.66 kg/cm2
C.C.R 0.997
3.4 Gráfico Esfuerzo vrs deformación
unitaria
3.5 Propiedades esfuerzo-
deformación
Carga máxima
3450kg
Esfuerzo máximo (último):
128.2kg/cm2
14

15. Ensayo de corte paralelo a la fibra
Universidad Centroamericana
José Simeón Cañas
DEPARTAMENTO DE MECANICA ESTRUCTURAL
Laboratorio de Resistencia de Materiales
HOJA PARA TOMA DE DATOS DE LABORATORIO DE CORTE DIRECTO EN
MADERA PARALELA A LA FIBRA
Fecha de prueba:
14/08/20
01
Grupo de
laboratorio:
___________________________
__
Instructor
___________________________
__
1. Preparación de la muestra:
A
1+9/10+3/40+20/
1000
2.00pulgadas


B
1+9/10+3/40+10/
1000
1.99pulgadas


C
2+6/10+2/40+15/
1000
2.67pulgadas


D
1+9/10+1/40+25/
1000
1.95pulgadas


E
0+7/10+1/40+10/
1000
0.74pulgadas

2. Carga máxima y de falla.
Carga máxima (última) 4455 lbf
3 Cálculos
3.1 Área inicial de la probeta
Área (A)25.10cm2
3.2 Propiedades esfuerzo- deformación
15

16. Carga máxima: 2025.00kgf
Esfuerzo máximo
(último): 80.68kg/cm2
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.
·Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials,
Philadelphia, 2003.
·Davis, Troxell & Wiskocil, The Testing and Inspection of Engineering Materials,
USA,
McGraw-Hill, Civil Engineering Series, 3
rd
Edition, 1964.
·Bukele G. P., S. Giammatei y C. M. Perla [1997] “Investigación del
comportamiento estructural del Bahareque”; Trabajo de graduación preparado
para la facultad de Ingeniería y Arquitectura para optar al grado de Ingeniero Civil
en la Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”; San Salvador, El
Salvador, Septiembre de1997
16