ensayo de tension para probetas de madera
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ENSAYO DE TENSIÓN PARA MADERA ROBLEVILLADA JAIME, AGUIRRE HAROLD, RIVERA ROBINSON
ENSAYO DE TENSION PARA PROBETAS DE MADERA DE ROBLE
TENSILE TEST FOR OAK WOOD
VILLADA JAIME, AGUIRRE HAROLD, RIVERA ROBINSON
DIRECTOR DEL PROYECTO: ING. DEMOSTENES DURANGO ALVAREZ
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
FACULTAD DE INGENIERIAS
MONTERÍA – CÓRDOBA
RESUMEN
En la ingeniería, el diseño de piezas es de vital importancia, más aún en la ingeniera mecánica, es por eso que se hace necesario conocer las propiedades mecánicas que poseen cada uno de los materiales que son utilizados en las aplicaciones de ingeniería, con el fin de darle el mejor uso a cada pieza. En el Ensayo de Tensión, se analizan y obtienen datos como el módulo de elasticidad, esfuerzo de ruptura y otras más Para esta ocasión se obtuvieron resultados y se realizó el análisis de los datos obtenidos después de realizar el ensayo de tensión a cuatro probetas de madera de roble. Se llevó a cabo mediante la aplicación de cargas axiales a cada una de las probetas, utilizando una máquina capaz de someter a las probetas a distintas tensiones, las cuales provocan estiramientos a la misma. Los estiramientos que se dan se logran calcular gracias a la utilización de un comparador de caratula. Al analizar los datos obtenidos por el ensayo es posible calcular el módulo de elasticidad de las probetas y luego comparar con el módulo de elasticidad de la madera y calcular posibles errores, de esta manera se puede verificar el procedimiento.
Palabras clave: esfuerzo, carga, deformación, ensayo de tensión, módulo de elasticidad
ABSTRACT
In Engineer, the design of parts is important, and more in the mechanical engineer field, that is why it is necessary to know the mechanical properties of each material used in engineer applications, giving the best use for each part. In the tensile test are analyzed and determined information as the modulus of elasticity, yield stress, breaking strain, and others. For this occasion results were obtained and performed the analysis of data obtained after performing the stress test to four specimens of oak wood. The assay was carried out by applying axial forces to each of the specimens, this was done using a machine which allows the specimens to be subjected to various stresses, which cause it to stretch. The stretches that occur are achieved thanks to calculate using a Dial Gauge. Analyzing the data obtained from the test is not possible to calculate for modulus of elasticity of the specimens and then compare with the modulus of elasticity of wood and calculate errors, so is possible to check the procedure.
Key words: stress, load, strain, tension test, modulus of elasticity
UNIVERSIDAD DE CORDOBA, FACULTAD DE INGENIERÍAS, PROGRAMA DE INGENIERÍA MECANICA
ENSAYO DE TENSIÓN PARA MADERA ROBLEVILLADA JAIME, AGUIRRE HAROLD, RIVERA ROBINSON
1. INTRODUCCION
En el campo de la ingeniería
mecánica existe una gran
variedad de materiales los cuales
se encuentran sujetos a grandes
cantidades de fuerzas o cargas,
las cuales generan en ellos
variedades de esfuerzos, por lo
cual se hace necesario conocer
las propiedades mecánicas que
tienen estos materiales, para así
darle el uso adecuado a las piezas
fabricadas e identificar las zonas
fuertes y débiles del material ante
los esfuerzos, y de esta forma
mejorando el tiempo de vida de la
pieza.
La finalidad del Ensayo de
Tensión es recolectar datos para
luego realizar un diagrama
esfuerzo- deformación, del cual se
desprenden gran cantidad de
información acerca de las
propiedades del material,
compararlo con el diagrama
teórico y corroborar los datos
existentes.
Además con este ensayo se
busca calcular algunas de las
propiedades de la madera de
roble y analizar a ciencia cierta
que sucede entre los valores
experimentales y los valores
teóricos.
2. OBJETIVOS
GENERAL.
Analizar el comportamiento e
identificar las propiedades de
la madera de roble sometida a
un Ensayo de Tensión.
ESPECÍFICOS.
Reconocer los estados de
Zona Elástica y Zona
Plástica de la madera de
roble.
Calcular el módulo de
elasticidad de la madera
de roble.
Construir e interpretar las
gráficas esfuerzo vs
deformación para cada una
de las probetas de madera
de roble.
3. TEORIA RELACIONADA.
Diagrama Esfuerzo – Deformación
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Este diagrama es la curva resultante
a partir de los valores del esfuerzo y
la correspondiente deformación
unitaria en una probeta, calculado a
partir de los datos de un ensayo de
tensión o de compresión.
En este diagrama es posible
identificar el módulo de elasticidad,
límite elástico, resistencia ultima,
zona plástica y elástica, entre
algunos.
Módulo de Elasticidad:
Representa la rigidez del material, y
se obtiene dividiendo el esfuerzo
entre la deformación unitaria, también
conocido como Módulo de Young.
E=σϵ
Deformación:
La deformación es el cambio en el
tamaño o forma de un cuerpo debido
a esfuerzos internos producidos por
una o más fuerzas aplicadas sobre el
mismo.
La deformación real, puede
calcularse a partir de la expresión que
nos da el elemento diferencial de
deformación:
dε=dll
l = longitud de la probeta en el
instante t después de aplicar la
carga.
dl = incremento de longitud de la
probeta en el intervalo de tiempo
(t, t+dt).
La deformación específica unitaria se define como:
ε= l−lolo
Donde L es la longitud instantánea
de la barra y Lo su longitud inicial.
4. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO
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MATERIALES UTILIZADOS
Probetas: Elementos hechos en
madera de roble ( Quercus
humboldtii) que constan de dos
diámetros distintos, la primera en sus
extremos y la segunda en su centro,
a la vez también cuenta de una
longitud total (L) y una longitud en su
centro denominada (Lo). Estas
dimensiones se establecieron de
acuerdo a las medidas de la máquina
utilizada. Además posee una
densidad seca al aire de 0.99g/cm3
Calibrador Pie de Rey o Vernier:
Este es un instrumento de medida
lineal, por medio del cual podemos
realizar medidas de longitudes
internas, externas y de profundidad.
Comparador de caratula: En este
instrumento de medición los
pequeños movimientos del usillo se
amplifican por medio de un sistema
de engranajes que mueven la aguja
indicadora angularmente sobre la
caratula escalada del dispositivo.
Esta aguja es tan sensible que puede
dar tantas vueltas como lo permita el
aparato. Este instrumento requiere de
un plano de referencia y de un
aditamento sujetador del comparador.
La resolución del dispositivo equivale
a 0.01mm
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Comparador de Caratula, de la Universidad
de Córdoba utilizado en el ensayo.
Máquina de Ensayo de Tensión: La
máquina utilizada para este ensayo
posee un sistema de poleas que
conecta la mordaza de la parte
superior (cabezal móvil) al
compartimiento de la carga por un
sistema de poleas. La probeta se
conecta sus extremos al cabezal fijo y
al cabezal móvil, de esta forma la
máquina aplica una fuerza uniaxial a
la probeta.
Pesos: se utilizan diferentes discos
con pesos determinados, los cuales
con ayuda de La gravedad generan la
variedad de fuerzas a las que será
sometida la probeta.
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PROCEDIMIETO:
Ensayo de tensión
Esta prueba consiste en alargar una
probeta de ensayo por fuerza de
tensión, ejercida gradualmente, con el
fin de conocer ciertas propiedades
mecánicas de materiales en general:
su resistencia, rigidez y ductilidad. Se
aplican ciertos pesos a una canasta
para que estos generen una fuerza la
cual genera un alargamiento en la
probeta, esté alargamiento es medido
por el comparador de caratula y los
datos allí obtenidos son registrados
en una tabla.
5. MONTAJE Y MEDICIONES
Se miden las longitudes y
diámetros iniciales de las 4
probetas de madera de roble.
Esto proceso se realiza con un
calibrador pie de rey, la
unidades de la medición están
en el sistema métrico
internacional, expresadas
dichas medidas en milímetros
(mm)
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Se calibra la máquina de
ensayo asegurando que cada
parte se encuentre ajustada y
en su lugar.
Se introduce la probeta en las
mordazas que están en cada
cabezal de una forma centrada
para garantizar la buena
distribución de la carga
Se calibra el comparador de
caratula y se instala
asegurando que no existen
desplazamientos que afecten
la medición, de forma que su
punta toque una de las paletas
de la mordaza.
Se procede a la aplicación de
la cargas sobre la probeta de
una forma gradual y uniforme.
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Probeta N° Diam.1(m)
L(mm)
Lo(mm)
1 0,00665 42,00 122,0
2 0.0058 38,00 123,1
3 0.006 40,5 123,3
4 0.0067 38,55 123.0
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En una tabla se anotan las
mediciones obtenidas para su
posterior análisis.
6. RESULTADOS
PROBETA N° 1
CARGA (N)
DEFORMACIÓN (m)
DEFORMACIÓN UNITARIA(ԑ)
ESFUERZO INGENIERIL(Pa
0 0 0134,397 0,00011 0,0058 4753377,66267,813 0,00019 0,0099 9472059,13379,647 0,00037 0,0194 13427424,49469,899 0,00046 0,024 16619473,72514,044 0,00048 0,025 18180802,15
PROBETA N°2
CARGA (N)
DEFORMACIÓN (m)
DEFORMACIÓN UNITARIA(ԑ)
ESFUERZO INGENIERIL(Pa)
0 0 0 0134,397 0,00002 0,0010 5086941,71267,813 0,00007 0,0037 10136752,46379,647 0,00016 0,0084 14369682,1469,899 0,00023 0,012 17785730,5514,044 0,00026 0,014 19456813
PROBETA N° 3
CARGA (N)
DEFORMACIÓN. (m)
DEFORMACIÓN UNITARIA(ԑ)
ESFUERZO INGENIERIL(Pa)
0 0 0 0134,397 0,00003 0,0016 4753377,66267,813 0,00008 0,0042 9472059,14379,647 0,00016 0,0084 13427424,5469,899 0,00021 0,011 16619473,7514,044 0,00029 0,0152 18180802,2
PROBETA N°4
CARGA (N)
DEFORMACIÓN DEFORMACIÓN UNITARIA(ԑ)
ESFUERZO INGENIERIL(Pa)
0 0 0 0134,397 0,00006 0,00314 3812031,995267,813 0,00009 0,0047 7596238,938379,647 0,00012 0,0063 10768294,76469,899 0,00023 0,012 13328199,46514,044 0,00024 0,0126 14580468,57
7. ANÁLISIS
DIAGRAMAS
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Grafica esfuerzo- deformación para la probeta # 1
Grafica esfuerzo- deformación para la probeta # 2
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% ERRORES
En el desarrollo de ensayos de tensión para laboratorios internacionales se estableció el módulo de elasticidad del roble con un valor nominal de 11,128 GPa1, el cual será nuestro valor teórico
1 http://www.fingerjoint.es/tienda/images/imagenes_cms/ficha%20tecnica%20madera%20de%20roble.pdf
para determinar nuestro margen de error. Se calcula entonces el módulo de elasticidad práctico, mediante:
E=σϵ
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Grafica esfuerzo- deformación para la probeta # 3
Grafica esfuerzo- deformación para la probeta # 4
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%error=¿V T−V E∨ ¿V T
¿X
100%
PROBETA MODULO DE ELASTICIDAD (GPa)
1 2,6812 1.7103 1.5464 1.293
PROBETA # 1
%error1=¿11,128−2,681∨ ¿11,128
¿X
100%= 75,90%
PROBETA # 2
%error2=¿11,128−1.710∨ ¿11,128
¿X
100%= 84,63%
PROBETA # 3
%error3=¿11,128−1.546∨ ¿11,128
¿X
100%= 86,10%
PROBETA # 4
%error4=¿11,128−1.293∨ ¿11,128
¿X
100%= 88,38%
Mod. Prom=1,826+2,694+2,370
3 =1,808
GPa
Error total=¿11,128−1,808∨ ¿11,128
¿x
100%= 83,75%
El ensayo para la probeta 4 presenta el mayor error relativo con un 88,38%, seguido por la probeta 3 con un 86,10% y la probeta que presentó el menor error relativo fue la probeta 1 con un 75,90% de error.
ANÁLISIS DE RESULTADO
A partir del análisis de los valores tabulados del ensayo de tensión para el roble en conjunto con las gráficas de esfuerzo-deformación, en las que es apreciable que las probetas utilizadas para el ensayo presentan deformaciones dentro de la zona elástica del material y por tanto es posible concluir que no presentaron deformaciones permanentes. Es importante resaltar que en esta zona el esfuerzo es proporcional a la deformación unitaria.
Es posible apreciar que el módulo de elasticidad calculado de la probeta 1 presenta el valor más cercano al valor teórico del módulo perteneciente a la madera de roble, esto es claro en el área bajo la curva que muestra el gráfico 1, en comparación con los gráficos de las otras probetas.
Al comparar los datos de las tablas y los valores obtenido en los gráficos observamos que tanto el módulo de elasticidad de la probeta 1 y su deformación fueron los mayores valores alcanzados, de esta forma la probeta que mejor deformación tuvo fue la probeta 1. En el caso contrario fue la probeta 2 la cual tuvo el menor
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valor de deformación con respecto a la medida inicial de la probeta.
Los ensayos anteriores se realizaron con probetas con betas en la línea de acción de las fuerza de tensión e instrumentos de laboratorio significativamente no apropiados para un ensayo formal de laboratorio; es importante mencionar que la máquina de ensayo esta desajustada, lo cual produce un constante margen de error en el comparador de caratulas por las vibraciones presentes, sumados al ya existente margen de error del medidor de caratula, y las características de la madera con las que se trabajó en este ensayo no son iguales a las de la madera con las que se calculó el módulo de elasticidad con el cual se está comparando, características tales como la parte del árbol de la cual proviene la madera utilizada en la fabricación de la probeta, la humedad relativa, las condiciones climáticas y del suelo, entre otros, además es necesario tener en cuenta los errores humanos al tomar los datos de las mediciones.
Por el agregado entre todas las implicaciones mencionadas, el error obtenido al final es bastante considerable, por lo cual es propicio asegurar que los datos obtenidos son con fines de enseñanza y no de investigación.
De la ductilidad considerada como “la cantidad de deformación que puede
resistir un material sin romperse”2 y la fragilidad “capacidad de un material de fracturarse con escasa deformación”3 del material no son calculables bajo las condiciones del experimento debido a que no se llegó a la zona plástica ni tampoco se llevaron las probetas a la ruptura, por lo cual no es posible conocer la ductilidad o fragilidad de la madera de roble.
8. CONCLUSIÓN
A manera de síntesis, luego de realizado el ensayo de tensión, reconociendo un grupo de valores para el módulo de elasticidad de cuatro probetas de roble y posteriormente calculados los errores porcentuales para el experimento. Es posible concluir que el comportamiento y las propiedades mecánicas de un material son afectados por varios factores que sumados proporcionan diferencias muy considerables entre los valores teóricos que se encuentran en los libros, y los valores obtenidos a través de la práctica. Esto es muestra de la importancia de realizar este tipo de ensayo, con el fin de conocer adecuadamente el material del que se va a hacer uso. En el ensayo realizado es notable que la madera de roble presenta buena resistencia a la tensión debido a la poca deformación que tuvo y el no haberse quebrado ante la carga a la cual fue sometido, por lo cual es
2 ASKELAND, Donal R., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, 4.edición, Thomson Editores.México. pág. 240-
3 http://es.wikipedia.org/wiki/Fragilidad
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importante a tener en cuenta en diversas aplicaciones de ingeniería.
El ensayo de tensión realizado permitió conocer el módulo de elasticidad experimental de la madera de roble, observar la deformación que presenta cuando se le aplican cargas uniaxiales y la diferencia existente no solo entre el valor teórico y el experimental, sino también entre las misma probetas utilizadas en el ensayo, dando evidencia de las diferencias entre las propiedades de un mismo material en diferentes condiciones.
BIBLOGRAFIA
[1]Ficha Técnica para el roble según FINGERJOINT S.A. disponible on-line: http://www.fingerjoint.es/tienda/images/imagenes_cms/ficha
%20tecnica%20madera%20de%20roble.pdf
[2]ASKELAND, Donal R., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, 4.edición, Thomson Editores.México. pág. 240-251
[3]http://blog.utp.edu.co/metalografia/2012/07/31/2-propiedades-mecanicas-de-los-materiales/
[4]BEER, Ferdinand. JOHNSTON Russell. DEWOLf, John. “mecanica de materials”, Tercera ed., Mc grau hill, pág. 61
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