ESTUDIO DE LA RESISTENCIA MECÁNICA DE LA MADERA DE PINO RADIATA EN CAJAMARCA 2014 Study of the mechanical resistance of the radiata pine wood in Cajamarca 2014 Wilson Cotrina-Villanueva 1 ; Milton Sangay-Cusquisiban 1 ; Piero Vermiglio Pimentel 1 1 Universidad Privada del Norte Recibido may. 2014; aceptado jul. 2014; versión final nov. 2014. Autor de correspondencia: Wilson Cotrina, e-mail: cotrina_34@hotmail.com. Resumen Se analizaron las propiedades mecánicas de la madera pino radiata mediante pruebas de compresión en laboratorio. Se contrastó con lo especificado en la norma peruana E.010 para clasificar las muestras de madera en los distintos grupos especificados en la norma, usando pruebas de resistencia a la compresión axial para determinar su valía como insumos para estructurales verticales. Se obtuvieron los diagramas de esfuerzo vs deformación unitaria, esencial para determinar el módulo de elasticidad del material. Palabras Clave: E.010, módulo de elasticidad, resistencia, madera. Abstract The mechanical properties of the radiata pine wood were analyzed by compression testing laboratory. It was contrasted with the specification of the Peruvian standard E.010 to classify wood samples in different groups specified in the standard resistance tests using axial compression to determine their worth as vertical structural elements. Effort diagrams vs strain, essential to determine the modularity of elasticity, were obtained. Keywords: E.010, Elasticity module, resistance, wood. 16
I. INTRODUCCIÓN La madera de pino tiene múltiples usos y productos derivados, entre los que se incluyen: construcciones integrales en madera, elementos estructurales y de ingeniería, elementos de organización de entornos urbanos y rurales, y otros productos como muebles, biomasas o tableros de encofrado. También es el único material de construcción de origen orgánico y una de las especies más comunes, el pino insigne o radiata (pinus radiata) llega a tener un rendimiento de producción en el Perú de hasta 1315 m3/ha en un periodo de 20 años (Gonzáles, 2008). La madera es un material con que el que puede construirse íntegramente, ya que en la construcción serán más usadas las altas tecnologías; es decir, mediante estos métodos se logrará que las construcciones sean amigables con el medio ambiente; además, las maderas permitirán que las construcciones sean menos contaminantes debido a que retendrán el dióxido de carbono de una vivienda (Borsani, 2011). La industria forestal, es la segunda fuente generadora de divisas en Chile (Dirección de Planeamiento Gobierno de Chile, 2007), lo que produce un nuevo desafío: lograr ventajas competitivas ante un mercado exigente por las rotaciones cortas que hacen necesarios mecanismos más eficientes de clasificación de la calidad de la madera de pino que se destinará a la exportación. En Nueva Zelandia, el precio de las trozas podadas es cuatro veces superior a las no podadas. A fin de satisfacer estas exigencias por maderas de alta calidad, las principales empresas forestales del país han adoptado el desafío de maximizar la obtención de madera libre de nudos mediante la aplicación de tratamientos silviculturales como la poda (Karsulovic et al., 2005). Este trabajo analiza las diferencias de la resistencia de la madera al ser sometida a distintas cargas de presión (paralelas y perpendiculares a sus fibras) para obtener un vector de elasticidad. Se espera una diferencia considerable en los gráficos resultantes de las pruebas de compresión axial, debido a que la 17
orientación de las fibras es un factor importante, de manera que su módulo de elasticidad es menor, deformándose con más o menos esfuerzo. II. MATERIALES Y MÉTODO 2.1. Determinación de la resistencia a la compresión de la madera Materiales Debido a que ninguna de las normas consultadas especifica el tamaño de las probetas se utilizaron 8 probetas con medidas de 2 x 2 x 6 pulgadas (ver Figura 1). Figura 1: Probeta de pino utilizada para el estudio Se usaron los siguientes equipos y herramientas: - Balanza Electrónica con precisión de ±0.01g para determinar con precisión los pesos de las probetas. - Prensa hidráulica con capacidad de 10Tnf Para generar la carga en las probetas. - Vernier o Pie de Rey para obtener las dimensiones de las probetas con precisión de.01mm en laboratorio. La norma técnica peruana de diseño sismorresistente (E.030), norma que se refiere la (E.010) clasifica los sismos de madera dentro de las categorías A y B, lo cual permite estructuras de maderas hasta 7 pisos (debido a que no es mencionado el límite de pisos). Una de las formas como trabaja la madera es a compresión, ya que ésta es una de las fuerzas que soportan las estructuras de madera dentro del contexto de algunas estructuras. Para determinar la resistencia de la madera, el procedimiento 18
es similar a los del ensayo a compresión de roca según indica el manual de diseño de maderas del grupo andino (Grupo Andino, 2000). Existen dos tipos de compresión: normal y paralela (ver Figura 2). Fuente: Elaboración propia. Figura 2: Ensayo de compresión de madera Se determinaron las dimensiones promedio de la probeta, es decir el valor promedio del alto, el ancho y de la longitud. Se restaron las áreas generadas de los vacíos formados por las deformaciones. Se determinó el área neta que soportaría la carga y se marcó para su posterior identificación. Se verificó el paralelismo de las caras que serían comprimidas, ya que si las caras comprimidas no son paralelas, la máquina de ensayo no registra el valor preciso de la carga. Se colocó papel en la base y en la parte superior del espécimen. Se llevó el espécimen a la prensa hidráulica. Se aplicó una carga de compresión (P) de manera ascendente hasta que se produjo una falla y se midieron las lecturas de carga y deformación de la prensa hidráulica y el deformímetro respectivamente. Luego se observaron las fallas que se produjeron en cada ensayo. Finalmente se anotó el tipo de falla que se produjo, ya que cada especie de madera tiene una forma peculiar de romperse. 19
III. RESULTADOS 3.1. Cálculo de densidad natural Tabla 1: Resultados de las pruebas de densidad natural Probeta Dimensiones Peso (g) Densidad (kg/m 3 ) 01 5.18 5.17 15.26 259.80 635.7177 02 5.15 5.09 15.17 272.80 686.0153 03 5.12 5.14 15.24 243.24 606.4806 04 5.14 5.15 15.22 279.78 694.4351 Se obtuvo: 3.2. Ensayo de Grado de Absorción Tabla 2: Resultados de las pruebas de grado de absorción Probeta Peso (estado SSS) en g Peso (estado seco) en g 05 287.2 211 06 228.3 159 Luego de los cálculos obtuvimos los grados de absorción: Por lo que se obtiene: Ensayo de Compresión Axial (Fuerza paralela a las fibras) En los ensayos de compresión paralela a las fibras obtuvimos los siguientes resultados. Cabe resaltar que el valor de la carga máxima fue tomado en el punto en donde las mediciones de la prensa empezaron a bajar, por lo que los datos son sólo del rango elástico y no se llegó a una falla grave de la probeta. 20
Esfuerzo (MPa) REFI UPN.2014; 2(2): 16-25 Tabla 3: Resultados de las pruebas de Ensayo de Compresión Axial (Paralela a las fibras) Probeta 01 Dimensiones (cm) Fuerza paralela a las fibras Carga máx. Cmax (N) Smax (MPa) X = 5.18 Y =5.17 Z = 15.26 10189 99954.09 37.32 40 35 30 25 20 15 10 5 y = 5322.4x - 8.3269 0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 Deformación unitaria Figura 3: Esfuerzo vs Deformación Probeta 01 Se obtuvo un módulo de elasticidad de 5322.4 MPa Tabla 4: Resultados de las pruebas de Ensayo de Compresión Axial (Paralela a las fibras) Probeta 03 Dimensiones (cm) Fuerza paralela a las fibras Carga máx. Cmax (N) Smax (MPa) X = 5.12 Y =5.14 Z = 15.24 11231 110176.11 41.87 21
Esfuerzo (MPa) REFI UPN.2014; 2(2): 16-25 45 40 35 30 25 y = 4796x - 10.128 20 15 10 5 0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 Deformación Unitaria Figura 4: Esfuerzo vs Deformación Probeta 03 Se obtuvo un módulo de elasticidad de 4796MPa Para hallar el módulo de elasticidad promedio se promediaron ambos valores: Por análisis a la gráfica se obtiene un Esfuerzo de proporcionalidad aproximado de y un Esfuerzo de Fluencia aproximado de Ensayo de Compresión Axial (Fuerza perpendicular a las fibras) Tabla 5: Resultados de las pruebas de Ensayo de Compresión Axial (Perpendicular a las fibras) Probeta 02 Dimensiones (cm) Fuerza paralela a las fibras Carga máx. Cmax (N) Smax (MPa) X = 5.15 Y =5.09 Z = 15.17 7910 77597.1 9.93 22
Esfuerzo (MPa) Esfuerzo (MPa) REFI UPN.2014; 2(2): 16-25 12 10 8 6 4 y = 359.9x - 5.0112 2 0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 Deformación Unitaria Figura 5: Esfuerzo vs Deformación Probeta 02 Se obtuvo un módulo de elasticidad de 359.9 MPa Tabla 6: Resultados de las pruebas de Ensayo de Compresión Axial (Perpendicular a las fibras) Probeta 04 Dimensiones (cm) Fuerza paralela a las fibras Carga máx. Cmax (N) Smax (MPa) X = 5.14 Y =5.15 Z = 15.22 8294 81364.14 30.74 12 10 8 6 4 y = 378.87x - 1.914 2 0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 Deformación unitaria Figura 6: Esfuerzo vs Deformación Probeta 04 23
Se obtuvo un módulo de elasticidad de 378.87Mpa. Para hallar el módulo de elasticidad medio se promediaron ambos valores. De la ecuación se obtuvo: Para hallar el vector de elasticidad se utilizan los datos obtenidos de la siguiente manera: De la ecuación explicada en la metodología se obtuvo: Por análisis a la gráfica se obtiene un Esfuerzo de proporcionalidad aproximado de y un Esfuerzo de Fluencia aproximado de IV. DISCUSIÓN Según la norma técnica E.010 esta madera pertenecería al grupo B (puesto que se encontró entre 0,56 a 0,70 gr/cm3). Este valor no coincide con el dado en el manual de diseño de maderas del grupo andino (0.39 gr/cm3). En el ensayo de compresión axial cabe resaltar que el valor de la carga máxima fue tomado en el punto en donde las mediciones de la prensa empezaron a oscilar, en el gráfico logramos notar que los datos comprendían parte del rango plástico y no se llegó a una falla grave de la probeta. El valor para el módulo de elasticidad hallado está por debajo de lo contemplado por la norma E.010, por lo que no cabría en ningún grupo especificado por dicha norma. Sin embargo, cae también muy por debajo de lo especificado por la corporación chilena de la 24
madera, la cual especifica que esta madera posee un módulo de elasticidad en paralelo a las fibras de 6423 MPa. V. CONCLUSIONES Existe una diferencia en la resistencia de la madera pino cuando es sometida a distintas cargas de presión (paralela y perpendicular a sus fibras). En las pruebas de comprensión axial se determinó su valía como insumo debido a que la orientación de sus fibras y módulo de elasticidad es un factor importante. BIBLIOGRAFÍA Borsani, M. S. (2011). Materiales ecológicos: Estrategias, alcance y aplicación de los materiales ecológicos como generadores de hábitat urbanos sostenibles. Recuperado 3 de diciembre de 2014, a partir de http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/13759/1/borsani,%20mar%c3%ad a%20silvia.pdf Dirección de Planeamiento, Gobierno de Chile. (2007). Infraestructura para la Competitividad, Chile 2007-2012. Recuperado 3 de diciembre de 2014, a partir de http://www.dirplan.cl/centrodedocumentacion/documentosgenerales/documents/plan _de_competitividad/plan_competitividad_2007_2012_sector_forestal.pdf Grupo Andino. (2000). Manual de diseño para maderas del Grupo Andino. Junta del Acuerdo de Cartagena PADT-REFORT, Lima. Gonzáles, R. (2008). Crecimiento en volumen por hectárea de Pinus Radiata en Cajamarca-Perú. Revista Forestal del Perú, 5(1-2), 1-8. Karsulovic, J.; Dinator, M.; Morales, J.; Gaete, V. y Barrios, A. (2005). Determinación del diámetro del cilindro central defectuoso en trozas podadas de pino radiata (pinus radiata) mediante atenuación de radiación gamma. Revista Bosque, 26 (1), 109-122. 25