bending woods

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA BOGOTÁ FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

INGENIERIA MECATRÓNICA

GUIA DE LABORATORIO: GEN 003

GEN 003- ENSAYO DE FLEXIÓN EN MADERAS

Fecha elaboración: 11/10/2012

EQUIPO: MAQUINA UNIVERSAL DE ENSAYOS

TINIUS OLSEN

Versión I

Guía de Laboratorio Facultad de Ingeniería

NOMBRE DEL CURSO: Materiales

CÓDIGO DEL CURSO: 9739

SEMESTRE: segundo (2)

FECHA: 07/09/2013

1. JUSTIFICACIÓN

El diseño de máquinas o equipos suele contemplar el uso de elementos estructurales que se comportan como vigas y que deben ser diseñados para soportar cargas perpendiculares a sus ejes longitudinales. Como en todo diseño, el ingeniero debe establecer criterios basados en el uso de fórmulas de cortante y flexión, sin embargo la aplicación de estas fórmulas está limitada al empleo de vigas hechas de un material homogéneo con comportamiento elástico lineal.

Para determinar el comportamiento de vigas de materiales sometidos a carga simple, se emplea el método establecido en el ensayo de flexión. Las pruebas de flexión se hacen a menudo en materiales flexibles como polímeros, madera y materiales compuestos, como los que involucran la práctica que se propone a continuación.

2. OBJETIVOS

Determinar las propiedades mecánicas de diferentes maderas como cedro, pino, eucalipto, abarco y eucalipto.

Emplear la norma ASTM D143, sus definiciones y métodos usados para realizar el ensayo de flexión.

Determinar experimental el módulo de elasticidad de varias maderas.

3. DOCUMENTOS DE REFERENCIA

Norma técnica de referencia ASTM D143, ISO 3133, NTC 663 y COPANT 555.

4. EQUIPO.

Máquina Universal de ensayos TINIUS OLSEN H300KU. Mordazas de sujeción y

probetas rectangulares para ensayo de flexión dimensiones tipo 2 norma ASTM

D143.







TINIUS OLSEN

Versión I


5. ALCANCE

Este ensayo aplica para maderas con unas dimensiones específicas.

6. TERMINOLOGÍA

Ensayo de flexión estática: Es un ensayo destructivo en el que se somete una

probeta en forma de viga a una carga puntual aplicada en el centro de su longitud

para poder determinar la tensión en el límite de proporcionalidad, su tensión de

rotura y su módulo de elasticidad.

Probeta: pieza de un material específico a ser ensayado.

Módulo de elasticidad (E): Constante que mide la resistencia a la deformación

axial de una probeta cuando esta es sometida a una carga con la misma

orientación que poseen las fibras de la madera. Su valor se encuentra por medio

de la pendiente en la gráfica carga deformación. Para el caso del ensayo de

flexión, esta se relaciona con la deflexión debido al cizalle o esfuerzo de corte.

Deflexión máxima. Capacidad de un material de absorber energía elástica

cuando es deformado y cederla cuando se deja de aplicar la carga.

Límite de proporcionalidad. Es el punto de desviación de la linealidad de la

curva esfuerzo deformación; hasta este punto el esfuerzo y la deformación tienen

un comportamiento directamente proporcional cumpliendo con la ley de Hooke.

Módulo de rotura. Es la máxima capacidad de resistencia que tiene la probeta

para soportar una carga de forma gradual durante un lapso de tiempo.

7. DETERMINACION DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS OBTENIDAS EN

EL ENSAYO DE FLEXION

Se dice que un objeto está sometido a un esfuerzo de flexión, cuando está

sometido a un esfuerzo compuesto o combinado, de tracción y compresión. Si las

fuerzas actúan sobre una pieza de material de tal manera tiendan a inducir

esfuerzos de compresión sobre una parte de una sección transversal de la probeta

y los esfuerzos de tensión sobre la parte restante, se dice que la probeta está en

flexión.







TINIUS OLSEN

Versión I


Figura 1. Flexión en maderas

El método de ensayo de flexión o viga transversal, mide la resistencia a la flexión

de una viga sometida a carga variable y los resultados se representan

gráficamente en un diagrama de fuerza-deformación. La resistencia a la flexión se

define como la tensión máxima en la fibra más externa y se calcula en la superficie

de la muestra en el lado de tensión o convexa. El módulo de flexión se calcula a

partir de la pendiente de la curva de esfuerzo vs deformación. Si la curva no tiene

ninguna región lineal, una línea secante está instalada en la curva para determinar

la pendiente.

Figura 2. Mordazas de sujeción.

¿Por qué realizar una prueba de flexión?







TINIUS OLSEN

Versión I


El ensayo de flexión, es muy útil para el análisis de las propiedades mecánicas de materiales frágiles que no pueden ser sometidos al ensayo de tensión, porque al colocarlos en las mordazas de la máquina se produce su fractura. Así mismo en los materiales frágiles, la falla se ocasiona en la carga máxima cuando la resistencia a la tensión y la resistencia a la ruptura son iguales. En los materiales frágiles, incluidos muchos cerámicos, la resistencia de cadencia, la resistencia a la tensión y la resistencia a la ruptura son iguales.

Las pruebas de flexión se hacen a menudo en materiales relativamente flexibles, tales como polímeros, madera y materiales compuestos. Hay dos tipos de pruebas, de 3 puntos de flexión y flexión de 4 puntos. En una prueba de 3 puntos, la zona de tensión uniforme es bastante pequeña y concentrada bajo el punto de carga central. En una prueba de 4 puntos, existe el área de tensión uniforme entre los puntos de carga interiores (típicamente en la mitad de la longitud de tramo exterior).

Cuando el ensayo se utiliza para determinar las propiedades mecánicas de la madera, hay que tener en cuenta sus propiedades anisotrópica, ya que de acuerdo al plano que se elija para hacer su estudio los comportamientos de estas propiedades resultan dispares.

Figura 3. Comportamiento de la madera respecto a la orientación de sus fibras.

Comportamiento de la madera con respecto a su eje tangencial.

Comportamiento de la madera con respecto a su eje radial.

Comportamiento de la madera con respecto a su eje axial o longitudinal







TINIUS OLSEN

Versión I


Fuente. José M. Canciani. Estructuras de madera.

El ensayo de flexión se puede realizar con dos configuraciones de carga diferentes, de acuerdo a la posición de los soportes de apoyo. 1) Aplicación de la carga como una fuerza concentrada en el medio de la distancia

entre los puntos de apoyo (Fig. 4a) 2) Aplicación de la carga en dos puntos que se encuentran a una misma distancia

de los puntos de apoyo (Fig. 4.b)

Figura 4. Configuración de aplicación de la carga.

Fuente. Gabriel Calle. Determinación de las propiedades mecánicas de los materiales. UTP.







TINIUS OLSEN

Versión I


Aun cuando el segundo esquema de carga proporciona resultados más exactos al obtenerse una flexión pura, el primer esquema es más sencillo y por esto logró mayor propagación. En la probeta sometida a flexión se crea un estado de esfuerzos heterogéneo. La parte inferior se encuentra a tracción y la superior a compresión. Además debido a la variación del momento a lo largo de la muestra, los esfuerzos relacionados con el momento también varían. Con los datos de la gráfica de las cargas versus las deformaciones producidas en la etapa elástica, y con ayuda de las siguientes formulas se calcula el valor de los esfuerzos normales en flexión.

El esfuerzo convencional normal de una fibra extrema sometida a tracción es igual a

𝜎𝑚á𝑥 =𝑀𝑓𝑙𝑒𝑐 𝐶

𝐼 𝑋 (1)

Donde Mflec es el momento flector, C es la distancia perpendicular desde el eje neutro hasta la última fibra sobre la que actúa el esfuerzo de flexión σmáx

que es lo mismo que C = ( ℎ

2), e Ix es el momento de inercia de la sección

transversal calculado con respecto al eje neutro x. Para el caso de la carga de la figura 3a, el valor del momento flector es:

𝑀𝑓𝑙𝑒𝑐 = 𝑃 𝐿

4 (2)

Como la probeta de ensayo es cuadrada, el momento de Inercia es 𝐼𝑥 =𝑏ℎ3

12,

donde b es el ancho de la sección transversal de la probeta y h su altura respectiva.

Hay que tener en cuenta que este esfuerzo debe ser menor que el esfuerzo admisible (σad).

Despejando los valores anteriores en la ecuación (1), se obtiene el esfuerzo elástico en probetas de secciones rectangulares.







TINIUS OLSEN

Versión I


𝜎𝑚á𝑥 =3𝑃𝐿

2𝑏ℎ2

Para calcular la deflexión de la viga en un ensayo de flexión en tres puntos, se emplea la ecuación para vigas simplemente apoyadas.

𝛿𝑥 =𝑃𝐿3

48𝐸𝐼

Si se desea obtener el módulo de elasticidad de las maderas sometidas a ensayo, se debe realizar un gráfico con los valores de las deflexiones (δ) en las abscisas y los valores del esfuerzo máximo en las ordenadas.

𝐸 =𝑃𝐿3

48 𝐼 𝛿𝑚𝑎𝑥

Cuando se somete una probeta de madera al ensayo de flexión estática, esta puede presentar uno de los siguientes tipos de falla.

Figura 5. Flexión en tres puntos.

Fuente. Natalia Caicedo. Sistema constructivo estructural con maderas tropicales. Université Paris.







TINIUS OLSEN

Versión I


8. OPERACIONES Y EQUIPOS PARA EL ENSAYO

Maquinaria. La máquina universal de ensayos TINIUS OLSEN H300KU, permite determinar las propiedades físicas y mecánicas a flexión y cortante de un material. La máquina tiene una capacidad de 300 KN y posee varios dispositivos para el ensayo de flexión en tres o cuatro puntos (figura 4), su uso lo determina el ensayo a realizar.

Figura 5. Flexión en tres puntos.

La máquina universal permite someter una probeta al ensayo de flexión con una carga variable que es controlada por una celda de carga (figura 5).

La H300KU incluye un software de manejo, que permite configurar el ensayo, iniciar el ensayo, controlar la velocidad de la máquina, para la maquina después de realizado el ensayo y retornar las mordazas a su posición inicial (en el numeral 11.5 se esquematiza el paso a paso de la configuración de la máquina para un ensayo de flexión). El software permite obtener gráficas para los diferentes ensayos que se pueden adaptar a la máquina, esta se pueden descargar fácilmente para su posterior análisis, realización de cálculos. Adicional, en la configuración se puede seleccionar los parámetros que se deben mostrar.

Celda de

carga

Set de

flexión







TINIUS OLSEN

Versión I


9. NORMATIVIDAD

El ensayo de flexión se puede desarrollar de acuerdo a los parámetros establecidos en las normas ASTM D143, ISO 3133, NTC 663 y COPANT 555. Sin embargo hay que elegir entre una de estas normativas, pues estas contemplan algunos requisitos ligeramente diferentes, como es el caso presentado en la configuración de los soportes de apoyo, ya que si se realiza una prueba de flexión en tres puntos bajo la norma ASTM D143, se deben emplear soportes de apoyo inferiores con rodamientos y aplicar la carga en el centro con un bloque rígido ubicado en la parte superior. Si se emplea la norma ISO, se deben utilizar rodillos de un diámetro específico. Para el caso de la prueba de flexión a realizar en los laboratorios de la Universidad, se toma como referente la norma ASTM D143 capítulo 52, que indica los siguientes parámetros de tamaño de las probetas y velocidad de la prueba. Tamaño de las probetas. Para el ensayo de flexión en madera, la norma indica dos tamaños de probetas: (1) 5cm x 5cm x 76cm y (2) 2,5 cm x 2,5 cm x 41cm; el segundo tamaño de probeta, se utiliza cuando el diámetro del árbol es menor a 30cm o cuando la madera posee algunos defectos como nudos y dobleces.

Figura 6. Probetas ensayo de flexión.







TINIUS OLSEN

Versión I


Velocidad de desplazamiento. La tasa de desplazamiento del grip fijo (mordaza) debe ser 2,5 mm/min (0,10 pulgadas/min aproximadamente) para probetas de 5 cm x 5 cm y de 1,3 mm/min (0,05 pulgadas/min aproximadamente) para probetas de 2,5cm x 2,5 cm. Aplicación carga de flexión. La norma aconseja emplear un bloque de cojinete de 7,6 cm para probetas de 5cmx 5cm x76 cm (2x2x30 pulg), y un bloque de cojinete de 3,8 cm para probetas 2,5cm x 2,5cm x 41cm (1x1x16 pulg) a una temperatura constante. 10. MEDIDAS DE SEGURIDAD PARA LA ELABORACIÓN DEL ENSAYO

Use la ropa adecuada para ingresar al laboratorio (bata u overol).

En el caso de las mujeres, por favor ingresar con el cabello recogido.

Retirar collares, aretes, manillas u otro elemento al momento del ingreso al salón de la práctica.

En el salón de la práctica evite consumir alimentos, correr y apoyarse en el equipo de ensayo u otro dentro del salón.

Recuerde que cualquier elemento que dañe por mala operación debe responder por su reposición, por lo cual, siempre pregunte al coordinador del hangar o a su profesor.

No manipule la máquina universal de ensayos, a menos de que sea autorizado por el coordinador del hangar o el profesor.

11. DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO

A continuación se describen los pasos a efectuar para la realización del ensayo de flexión

11.1 Verificación de las medidas y pesaje de las probetas. Con ayuda del calibrador verifique las medidas de cada una de las probetas, luego tome la probeta, ubíquela encima de la báscula, y apunte el peso correspondiente.







TINIUS OLSEN

Versión I


Figura 7. Pesaje de cada una de las probetas.

11.2 Marcación puntos de referencia Tome las probetas y marque los puntos de referencia que irán ubicados sobre los soportes de apoyo de la maquina universal de ensayos.

11. 3 Ubicación de los soportes de apoyo La máquina Tinius Olsen cuenta con un set de flexión que puede ser configurado para el ensayo en tres o cuatro puntos. Para realizar la prueba, primero configure el dispositivo para flexión en tres puntos y colóquelo en la maquina universal. 11.4 Encendido de la maquina universal de ensayos

1. Gire el botón rojo de emergencia en sentido de las manecillas del reloj, para desbloquear la máquina.

2. Posicione la probeta de madera encima del dispositivo y verifique que su centro coincida con el centro del dispositivo de flexión de la maquina universal.







TINIUS OLSEN

Versión I


Presione el botón negro de la parte del frente de la máquina y dejar calentar la maquina por 10 segundos.

3. Hay que tener cuidado con la orientación de la probeta, la forma correcta es colocarla de forma que la línea de acción de la carga este en sentido del eje radial de la probeta que es lo mismo que aplicar la carga normal al plano tangencial. Enrosque la probeta en las mordazas de la máquina.

11.5 Configuración del ensayo a través del software TEST NAVIGATOR







TINIUS OLSEN

Versión I


Como parte inicial del desarrollo del laboratorio el estudiante deberá seguir el siguiente paso a paso para configurar el ensayo a través del software (Test Navigator) de la maquina universal de ensayos TINIUS OLSEN, así:

1. Equipo de cómputo de la sala de ensayos

2. Hacer click en file y elija “test set wizard” y después siguiente

3. Seleccionar crear una nueva carpeta

4. Seleccionar el tipo de prueba, para el ensayo

de flexión se selecciona “flexure, 3Pt”. En la misma pestaña coloque 16” como distancia entre apoyos.

5. En la pestaña machine controls especifique un valor min para la rata de velocidad de 1.3 mm/min (0.05 pulg/min) estipulada por la norma para probetas de 2,5cm x 2,5cm, 41cm.







TINIUS OLSEN

Versión I


6. Elegir el número de velocidades que se quieren durante la prueba. Para el ensayo a tensión solo se usa una velocidad, por lo cual, se debe digitar 1.

7. Seleccionar en el menú desplegable Position Rate, la velocidad para la prueba que de acuerdo a la norma va de 2 a 10 mm por minuto, de igual forma establezca cuando debe terminar la prueba, ejemplo al fracturarse la probeta (sample break), o cuando llegue al valor del 90 % de la pérdida de carga.







TINIUS OLSEN

Versión I


8. Haga click en la pestaña reporting y luego en la pestaña lateral screen seleccione los parámetros a visualizar, para este caso fuerza (KN), posición (mm) y rata de velocidad (mm/min).

9. Seleccione la pestaña de Graphing, para determinar que el programa auto escale la gráfica de resultados, chequeando la casilla autoscale

10. Seleccionar los datos que van a mostrarse en el eje X y el eje Y de la gráfica de resultados.







TINIUS OLSEN

Versión I


11. En la parte derecha asigne los valores de lote, operador, nombre del ensayo y en este caso el tipo de madera de la probeta.

12. Dar click en “Test Now” e iniciará el ensayo inmediatamente.

NOTA: Es posible realizar pruebas sin utilizar el computador, por medio del

control que posee la máquina, pero este solo arrojarían el resultado final de la

prueba sin la gráfica de resultados, ni cálculos.

bending woods

Documents