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Anexo 3: Actividades complementarias.

(A) Manual de Ensayos Mecnicos

Centro de Ingeniera de superficies

Universidad Simn Bolvar

CIS

Proyecto Bamb Fonacit

MANUAL PARA LA DETERMINACIN DE LAS PROPIEDADES MECNICAS EN

BAMB

Sartenejas, Agosto de 2013

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Introduccin ..4

Procedimiento general ..8

Medicin y peso ...8

Temperatura y humedad ..9

Muestreo y almacenamiento 9

Seleccin .10

Cortado y marcado del bamb ...10

Despacho 12

Mdulo de rotura por compresin 12

Consideraciones....12

Procedimiento ..14

Clculos 14

Mdulo de rotura por flexin 14

Consideraciones ...15

Preparacin de los culmos de prueba ..16

Procedimiento ..16

Clculos 17

Referencias ..19

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Figura 1.1 Partes de la Guada y sus aplicaciones... 6

Figura 1.2 Identificacin de las partes de las muestras de culmos de bamb. .... 7

Figura 1.3 Imagen balanza 8

Figura 1.4 Mapa de zona representantiva para la extraccin de bambes .. 9

Figura 1.5 Esquema de la identificacin del bamb ... 11

Figura 1.6 Montaje experimental de los ensayos de compresin. .. 13

Figura 1.7 Ensayo de Flexin ...15

Figura 1.8 Mquina hidrulica para ensayo de flexin .16

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Introduccin

Cuando se intenta disear un protocolo para llevar a cabo ensayos en materiales, es

importante conocer las normas y mtodos que se utilizan comnmente para la medicin de las

propiedades a fin de coordinar la logstica de los mismos y aportar un carcter de confiabilidad y

reproducibilidad a las medidas efectuadas. Para ello, se cuenta con normas estandarizadas que

han sido desarrolladas para tales fines, en este caso los ensayos fsicos y mecnicos.

Esta actividad consisti en la elaboracin de un manual para la realizacin de ensayos

mecnicos que se llevarn a cabo a los troncos de bamb antes y despus de la modificaciones

planteadas en este trabajo, tomando en cuenta todos los detalles pertinentes a travs de una

revisin bibliogrfica exhaustiva de la literatura en torno a las propiedades mecnicas del bamb.

Actualmente, se cuenta con las siguientes normas:

D1037-94. American Society for Testing and Materials (ASTM). 1994. Standard methods

of evaluating the properties of wood based fiber and particle panel materials.

ISO-22157-1. 2004. Bamboo. Determination of physical and mechanical properties. Part

1.Requirements. 20 p.

ISO/TR 22157-2. 2004.International Standards Organization (ISO). Bamboo.

Determination of physical and mechanical properties.

El estudio de las propiedades mecnicas del bamb es sorprendentemente reciente.

Janssen en 1981, explor la composicin de un culmo de bamb desarrollando un modelo

matemtico del culmo y evalu diferentes propiedades mecnicas incluyendo la flexin, corte,

tensin y compresin. Desarroll modelos estocsticos para establecer parmetros fsicos que se

relacionan con las propiedades del bamb. Luego, Arce Villalobos en 1993 extendi el trabajo

de Janssen proporcionando una ms profunda exploracin de las propiedades a la traccin del

bamb (Mitch D. y col. 2011).

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Estos conocimientos con respecto a las propiedades mecnicas del bamb se encuentran

plasmados en las normas ISO 2004 mencionadas anteriormente, debido a que stas son

especficas para el bamb y no para madera en general, se decidi tomarlas como gua para el

diseo de un manual de evaluacin de propiedades mecnicas que incluye las adaptaciones

pertinentes a las condiciones de laboratorio con las cuales se cuenta para llevar a cabo este

proyecto.

Por otra parte, una vez estudiados los diferentes ensayos que exponen estas normas y

realizado el manual a utilizar en este proyecto para llevar a cabo las pruebas mecnicas, fue

considerado otro factor que constituye una importante contribucin a la logstica del proyecto: el

clculo del nmero de muestras (con y sin modificacin) a utilizar de bamb para el estudio de

las propiedades mecnicas.

Recordando que segn las normas ISO vigentes existe un control en la seleccin de los

culmos de bamb a ensayar (por ejemplo, las muestras deben tener mximo 2 semanas de haber

sido cortadas al momento de realizar los ensayos), si inicialmente se calcula mal el nmero de

culmos cortados y resultan ser insuficientes para los ensayos a realizar, se debe proceder a

descartar todas las muestras tratadas previamente perdindose de esta manera material de

infiltracin y tratamiento, mano de obra, entre otras cosas, debido a que si se usan nuevas

muestras cortadas en otro periodo de tiempo, los resultados no seran comparables. De manera

que este aporte fue una primera aproximacin que se discuti con el grupo de trabajo a fin de

garantizar un correcto clculo del nmero de culmos de bamb a cortar, llegndose a la

conclusin de tomar seis muestras por ensayo debido a la variabilidad de los resultados que

pudieran encontrarse a causa de las diferencias encontradas en materiales de origen natural.

Adems, existen otras consideraciones como la seleccin de la parte del culmo de bamb que

es til para aplicaciones estructurales, y de la cual se deben tomar las muestras de este trabajo. En

este sentido, esta contribucin tambin incluye la especificacin referente a este aspecto. As, en

la figura 1.1 se encuentran sealadas las zonas de inters del culmo.

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Fig 1.1 Partes de la Guadua y sus aplicaciones

Observando la figura 1.1, es posible definir la cepa y la basa como las partes del culmo

de bamb tiles para los objetivos de este trabajo. stas son las zonas ms cercanas a la raz del

culmo y son las que figuran para aplicaciones de construccin. As, al momento de hacer el corte

de las muestras, se debe asegurar que las muestras sean extradas de esta zona y se debe

especificar la altura exacta de corte y mantenerla para todas las muestras.

Adicionalmente, una vez obtenida la seccin del culmo a utilizar, ste debe ser marcado y

divido en tres partes iguales, tal como se muestra en la figura 1.2. La zona ptima para la

medicin de las propiedades mecnicas es la zona central del tallo.

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Fig. 1.2 Identificacin de las partes de las muestras de culmos de bamb.

As, las muestras se tomarn de las tres zonas del tallo, base (inferior), central y superior,

siendo identificadas en nmeros romanos segn el nmero de tallo, seguido de la letra C y F de

acuerdo si ser destinada a ensayo de compresin o flexin, y finalmente con nmeros arbigos el

orden de las muestras por cada tallo.

Existe una gran cantidad de variables en la seleccin y corte de los culmos que afectan de

manera directa los resultados que pudieran obtenerse posteriormente en los ensayos mecnicos.

En este sentido, otra contribucin a este proyecto fue la elaboracin de un formato de reporte en

el cual se debe especificar una serie de caractersticas en relacin a los culmos y las tcnicas

empleadas en el momento del corte.

Esta hoja de reporte permite tener un mejor control logstico y representa una manera

sencilla de transferencia de informacin para los distintos integrantes de este grupo de trabajo al

momento de tomar la materia prima para llevar a cabo la actividad de la cual cada uno es

responsable.

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Procedimiento general.

Medicin y peso

Al realizar las mediciones a las muestras de bamb, se deben considerar los siguientes

errores asociados:

10 mm para la longitud total del culmo.

1 mm para la longitud o altura de la muestra, paralelo al eje del culmo.

1 mm para el dimetro del culmo; en la seccin transversal, el dimetro debe ser medido 2

veces en direcciones perpendiculares una con respecto a otra

0,1m para el espesor de la pared; en cada seccin transversal

Al pesar, se deben considerar los siguientes errores asociados:

10 g para el culmo.

1 g para muestras de ms de 100 g y

0,1 g para muestras de menos de 100 g.

Fig 1.3 Imagen. Balanza

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Temperatura y humedad

Para evitar cambios significativos en las propiedades mecnicas, todas las muestras

recolectadas deben ser estudiadas a 27+/-2C y en una humedad relativa del 70+/-5%. Cuidar

estas condiciones permitir obtener resultados comparables y reproducibles.

De no presentar las condiciones deseadas, se deben reportar la temperatura y humedad

relativa del ambiente.

Muestreo y almacenamiento

Muestreo

Almacenamiento

Se puede dejar almacenado en un lugar sombreado, protegido de la lluvia y libre de contacto

con la tierra. Si existe riesgo de fractura, los extremos deben ser cubiertos con alquitran, parafina,

barniz o alguna otra cubierta til.

En casos extremos se puede recurrir a tratamientos preventivos contra ataques por agentes

biolgicos, siempre evitando que haya algn deterioro de las muestras. En casos extremos se

puede recurrir a tratamientos preventivos contra ataques por agentes biolgicos, siempre evitando

que haya algn deterioro de las muestras.

Seleccin

Los culmos de bamb deben seleccionarse de grupos diferentes y debern ser escogidos

considerando: edad de los culmos, coloracin verde (no amarillenta), plantacin visualmente

saludable (libre de afecciones tpicas de la planta y sin daos o defectos fsicos aparentes). Los

culmos daados, rotos o decolorados debern ser descartados del estudio.

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El nmero de culmos debe ser seleccionado aleatoriamente de diferentes grupos.

Inmediatamente despus de la seleccin, los bambes sern medidos e identificados, indicando

con una flecha ascendente la parte superior del culmo.

Cortado y marcado del bamb.

Los culmos deben ser cortados segn la prctica local, (posible equipo: motosierra), tomando

en cuenta que el aro (nodo) debe ser mantenido en el culmo.

La zona del culmo destinada a los ensayos ser a partir del primer metro sobre la raz (por ser

sta la zona de bamb propicia para la construccin). Antes del corte, un aro debe ser marcado a

una altura de un metro por encima del suelo. Y se debe tomar la siguiente data:

Nombre de la especie (botnica y local).

Nombre de la ubicacin.

Nmero de grupos y culmos seleccionados.

La edad de los culmos.

Detalles de las marcas en los culmos.

Nmero de nodos entre el suelo y el aro marcado.

Fecha del corte y del despacho.

Se debe realizar la divisin del tallo en segmentos de 4 metros aproximadamente y e marcar

con una flecha la orientacin de crecimiento del bamb, para as diferenciar la zona del culmo

con la cual se trabajar (Base o inferior, mitad y superior).

Las partes a ser usadas deben ser marcadas con un aro de cinta adhesiva (tirro blanco) en

cada extremo segn la longitud que corresponda y cada culmo debe ser identificado con 3

caracteres de la siguiente manera:

- Primero: se asigna a cada culmo de 4 metros un orden en nmeros romanos (I, II, III, ...n),

esto para denotar el nmero del tallo con que se trabajar.

- Segundo: se identifica con la letra C: compresin o F: flexin, dependiendo para qu ser

destinada dicha muestra.

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- Tercero: con nmeros arbigos (1, 2, 3, .n) se identificar el nmero de la muestra

destinada a compresin o flexin segn corresponda.

Fig. 1.5 Esquema de la identificacin del bamb

Despacho

El material debe ser despachado lo ms pronto posible, preferiblemente dentro de las 2

semanas posteriores al corte del bamb dado que el material debe ensayarse en verde.

Al realizar el traslado se debe tener especial cuidado en no ocasionar daos fsicos en las

muestras.

Mdulo de rotura por compresin

Se determinar el mdulo de rotura por compresin y el mdulo de elasticidad nominal o

mdulo Young.

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Consideraciones

Las probetas utilizadas para el ensayo de compresin sern muestras de la parte superior,

media e inferior de cada culmo de bamb.

La longitud de la muestra ser igual al dimetro externo de la misma. Slo en caso de que

esta medida sea igual o menor a 20mm ( Dext 20mm ), la altura de la probeta deber ser dos

veces el dimetro exterior. (h = 2.Dext).

En la preparacin de la muestra se hace un corte del culmo sin nodos, cuidando

especialmente que los cortes en los extremos de la muestra sean planos, paralelos entre s y a la

vez perfectamente perpendiculares a la longitud de la probeta, a fin de asegurar que la carga

aplicada en cada punto sea equivalente.

Para el montaje experimental, se puede hacer uso de mquinas universales para ensayos

mecnicos (por ejemplo, mquina marca SERVOSIS), la cual produce una distribucin uniforme

de la carga sobre los extremos de la muestra por el diseo de la pieza y el paralelismo del corte de

las caras.

A fin de reducir al mnimo la friccin, se coloc una capa intermedia de tefln entre las

platinas y los extremos de la muestra.

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Fig. 1.6 Montaje experimental de los ensayos de compresin.

Procedimiento

Se coloca la muestra en el centro de las platinas de tal forma que quede perpendicular a stas

como se muestra en la figura.

Se aplica una pequea carga de no ms de 1kN para ajustar el espcimen. La carga se aplic

de forma continua durante la prueba de tal modo que el cabezal mvil se desplace a una

velocidad constante de 0,03 mm/s (mnima velocidad permitida por el equipo usado).

Se debe realizar de forma constante la lectura de los medidores de deformacin para luego

trazar las curvas carga-deformacin asociadas a cada probeta obteniendo finalmente la mayor

precisin en el clculo o determinacin del Mdulo de Young (E).

Debe ser registrada la lectura final de la carga mxima soportada por cada muestra, es decir a

la cual la muestra falle, para luego realizar comparaciones que relacionen el comportamiento de

las probetas a estudiar.

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Clculos

Basados en la norma ISO, el esfuerzo mximo de compresin se determina por la siguiente

frmula:

Donde:

es el esfuerzo de compresin en MPa (o N/mm2), redondeado con una precisin de 0,5 MPa

F es la carga que se le aplica al espcimen, en N.

A es el rea de la seccin transversal, en mm2.

A partir de la regin elstica de la curva obtenida de la carga aplicada versus deformacin

(entre el 20% y el 80 % de Fult), es posible aplicar la ley de Hook para calcular el mdulo de

Young E.

Donde:

E es el mdulo de elasticidad longitudinal (mdulo de Young).

es la presin ejercida sobre el rea de seccin transversal del objeto.

es la deformacin unitaria en cualquier punto de la barra.

Mdulo de rotura por flexin.

En esta seccin se describe una prueba de flexin de cuatro puntos para el estudio de la

capacidad de flexin de culmos de bamb.

Consideraciones

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La mquina a usar debe ser capaz de medir la carga con una precisin de 1%, doblar la

muestra mediante la aplicacin de una carga entre los extremos de apoyo del dispositivo. El

ensayo de flexin debe ser de cuatro puntos. La carga se divide en dos mitades por medio del

soporte adecuado. Se debe permitir el giro libremente en los soportes.

1.7 Ensayo de Flexin.

Preparacin de los culmos de prueba

Se prepararon probetas de bamb con la menor cantidad de defectos aparentes visualmente.

Las longitudes de las muestras de bamb se tomaron en funcin a la capacidad de la mquina,

una muestra representativa podra ser 50 cm, lo ms importante de considerar las dimensiones en

las cuales se trabaja es tomando en cuenta la aplicacin de la data en el estudio determinado.

En caso de que la probeta para flexin contenga nodos, stos no deben coincidir con los

puntos de apoyo, por lo que a la hora de cortar las muestras, los nodos deben estar

aproximadamente a 16 cm del punto de apoyo de la mquina, slo en ese caso las probetas sern

adecuadas para el ensayo.

Procedimiento

Se debe tomar todas las dimensiones de las probetas; posteriormente se coloca la probeta

en la mquina, que descansa sobre los dos soportes, permitindole al culmo encontrar su propia

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posicin. Luego, se ajustan los soportes superiores hasta que no haya desplazamiento. La carga

de la muestra debe llevarse a cabo de manera uniforme a una velocidad constante. La velocidad

de ensayo ser de 0,3 mm / s.

Fig. 1.8 Mquina hidrulica para ensayo de flexin

Despus de la prueba, determinar el dimetro exterior D y el espesor t de la pared de nuevo,

tan cerca de los puntos de carga como sea posible. El promedio de los dimetros y espesores de

pared se utiliza para calcular el segundo momento IB de la zona.

Clculos

La resistencia a la flexin ( ) en MPa, en el ensayo considerando la humedad se calculara

como:

Donde

F es la carga aplicada, en N (la carga total aplicada a los dos puntos de carga);

L es la longitud del apoyo, en mm;

D es el dimetro exterior, en mm;

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IB es el segundo momento del rea, en mm4.

Para el caso de la deformacin, se considera como una aproximacin vlida la Ley de Hooke,

donde el comportamiento est relacionado como en la ecuacin planteada a continuacin:

Donde:

E es el mdulo de elasticidad (mdulo de Young).

es la presin ejercida.

es la deformacin unitaria en cualquier punto de la barra.

Entonces usando el modulo obtenido de manera terica y expuesta en la norma ISO

propuesta como:

Donde:

es la deflexin de la mitad del tramo, en mm.

Se puede obtener la deformacin en cada punto se tomara como:

= 1296 x D x 276 x L2

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La desviacin estndar se calcula con una precisin de 1 MPa a partir de los resultados de los

culmos individuales.

Referencias

Mitch D., Harries K., Sharma B. Characterization of Splitting Behavior of Bamboo Culms.

Journal of materials in civil engineering (2010). Pp. 1194-1199.

Ordez V., Candelaria Quintana I. Geometric considerations for determining static bending

properties of the bamboo. Madera y Bosques (2009) 15:1, Pp. 91-100.

Salas E. Actualidad y futuro de la arquitectura de bambu en Colombia. Tesis de doctorado.

Universidad Politcnica De Catalua (2006).

Shao Z., Fang C., Huang S., Tian G. Tensile properties of Moso bamboo (Phyllostachys

pubescens) and its components with respect to its fiber-reinforced composite structure. Wood Sci

Technol 44 (2010). Pp 655-666.

Wang X., Li X.,Ren H.Variation of microfibril angle and density in moso bamboo

(Phyllostachys pubescens). Journal of Tropical Forest Science 22:1 (2010). Pp 88-96.

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D1037-94. American Society for Testing and Materials (ASTM). 1994. Standard methods of

evaluating the properties of wood based fiber and particle panel materials.

ISO-22157-1. 2004. Bamboo. Determination of physical and mechanical properties. Part

1.Requirements.

ISO/TR 22157-2. 2004.International Standards Organization (ISO). Bamboo. Determination

of physical and mechanical properties.

International Standard. ISO 22157-1, Bamboo Determination of physical and mechanical

properties Part 1: Requirements, Primera Edicin, 2004-09-01.

Technical Report, ISO/TR 22157-2, Bamboo Determination of physical and mechanical

properties Part 2: Laboratory Manual, Primera Edicin, 2004-05-01.