clases madera 2012 parte 1

ESTRUCTURAS DE MADERA ICO - 418

RAMÓN CARREÑO GUTIÉRREZ – INGENIERO CONSTRUCTOR ACADÉMICO- UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL MAULE

Responda (1) • De que material deseo construir mi casa

Responda (2) • De que material deseo construir una cabaña

ESTRUCTURAS DE MADERA ICO - 418

RAMÓN CARREÑO GUTIÉRREZ – INGENIERO CONSTRUCTOR ACADÉMICO- UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL MAULE

Solución de emergencia

Cabaña

Casa Cerro Tacna - dRN ARQUITECTOS Autor: Nicolás del Rio y Max Núñez /dRN ARQUITECTOS Colaborador: Olivier Tayeb Ingeniero Calculista: Enzo Valladares Constructor: Eduardo Torreblanca Localización: Cerro Tacna, Maitencillo, V Región, Chile Superficie del terreno: 525 m2 Superficie construida: 122 m2 Año de proyecto: 2007 Año de Construcción: 2007 Material predominante: Madera, pino impregnado. Valor: 19 Ufm2 Fotografías: Felipe Camus Lugar

El proyecto se encuentra en el cerro Tacna, una meseta elevada sobre el nivel del mar, al sur de Maitencillo. El sitio se ubica en un loteo de construcciones diversas en calidad, materialidad y tamaño, donde, por la estrecha dimensión de los sitios (15 mts de frente y 35 de fondo en orientación este oeste) las vistas se cruzan con facilidad.

Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad del Bío Bío - Ruben Muñoz • • • •

Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad del Bío Bío - Ruben Muñoz categorias: Portada, Obras

Mandante: Universidad del Bío Bío. Autor(es):Rubén Muñoz Rodríguez (ICA 6637) Colaborador(es):Departamento de proyectos UBB Asesores Técnicos: Ingeniero calculista: JA ingeniería; constructor: Constructora Mayor Ltda; paisajista: Feliciano Peralta Localización: Campus Universidad del Bío Bío, sede Fernando May, Chillán. Sup. construida: 1013 m2 Proyecto: 2005 Construcción: 2006-2007 Materiales predominantes: Acero y madera

Arquitectos: Skidmore, Owings & Merrill LLP Ubicación: Oakland, California, USA Colaboradores: Craig Hartman, FAIA, Design Partner / Gene Schnair, FAIA, Managing Partner / Keith Boswell, AIA, Technical Director / Raymond Kuca, AIA, Project Manager / Patrick Daly, AIA, Senior Design Architect / Eric Keune, AIA / Lisa Gayle Finster, AIA / Christopher Kimball / Jane Lee / Christina Kyrillou / Elizabeth Valadez / Denise Hall Montgomery / Mariah Neilson / Peter Jackson / Surjanto / Gary Rohrbacher / Ayumi Sugiyama / Liang Wu / Katie Motchen / Matthew Tierney / Henry Vlanin Ingeniería Estructural: Mark Sarkisian, PE, SE, Structural Engineering Director / Peter Lee, PE, SE, Senior Structural Engineer / Eric Long, PE, Senior Structural Engineer / Aaron Mazeika, PE, AP / William Bond / Ernest Vayl / Feliciano Racines / Jean-Pierre Michel Chakar / Lindsay Hu / Rupa Garai / Sarah Diegnan Diseño Interior: Tamara Dinsmore, Chanda Capelli, Susanne LeBlanc, Carmen Carrasco, David Lou Constructora: Webcor Builders Año realización: 2002 Año termino construcción: 2008 Área terreno: 2.50 acres Área Construida: 20,996 m2

La Catedral de Cristo de la Luz ofrece un santuario en el amplio sentido de la palabra. Situado en el centro de Oakland, esta casa de culto ofrece un sentido de consuelo, la renovación espiritual, y un respiro del mundo secular.

Puentes

ESTRUCTURAS DE MADERA ICO - 418

RAMÓN CARREÑO GUTIÉRREZ – INGENIERO CONSTRUCTOR ACADÉMICO- UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL MAULE

DESCRIPCIÓN O FUNDAMENTACIÓN DE LA ASIGNATURA • Asignatura teórica en la que los alumnos aprenderán los conocimientos básicos necesarios para saber, diferenciar y valorar la madera como material de diseño de estructuras de uso definitivo, transitorias o auxiliares. Para ello estudiarán las propiedades básicas de la madera, aspectos físicos y mecánicos, además de la durabilidad, con el fin de sacar el máximo provecho a este recurso en las obras de construcción que requieran del uso de este material.

OBJETIVO GENERAL • Conocer los conceptos fundamentales que le permitan identificar la madera como materia prima básica en nuestro rubro, además los estudiantes aprenderán a relacionar sus características físicas y mecánicas para su utilización en proyectos de construcción.

En este curso los estudiantes deberán: • • • •

Identificar las características físicas de la Madera. Determinar las tensiones admisibles de diseño. Diseñar estructuras de madera elementales. Analizar procesos constructivos de estructuras de madera.

CONTENIDOS : • Terminología y Simbología: Terminología, Simbología. • Propiedades Físicas, Mecánicas y Geométricas: Propiedades Físicas, Propiedades Mecánicas y Propiedades Geométricas • Caracterización de las Cargas: Cargas Permanentes. Cargas Eventuales. Combinación de Estados de Carga. • Caracterización de una Metodología de Diseño Básica: Elementos en Flexión. Elementos en Compresión. Elementos en Tracción. Marcos. Cerchas. • Uniones: Generalidades. Uniones Clavadas. Uniones Apernadas.

CONTENIDOS : • Madera Laminada: Generalidades. Nociones Elementales de Diseño y Cálculo • Descripción de Sistemas Constructivos Especiales: HB. Vigas Cantilever. Puentes. Postes y Vigas.

Que es la madera • La madera es un material complejo, con unas propiedades y características que dependen no sólo de su composición sino de su constitución (o de la manera en que están colocados u orientados los diversos elementos que la forman). El cómo están colocados u ordenados estos elementos nos servirá para comprender mejor el comportamiento, algunas veces poco lógico (aparentemente) de este material.

• En primer lugar se ha de recordar que la madera no es un material de construcción, fabricado a propósito por el hombre, sino que es un material obtenido del tronco y las ramas de los árboles cuya finalidad es la de facilitar el crecimiento y supervivencia de este elemento vegetal.

• La madera no es un material homogéneo, está formado por diversos tipos de células especializadas que forman tejidos. Estos tejidos sirven para realizar las funciones fundamentales del árbol; conducir la savia, transformar y almacenar los alimentos y por último formar la estructura resistente o portante del árbol.

Composición y estructura de la madera

Estructura microscópica de la madera • Como se ha visto la madera no es un material homogéneo, está formado por diversos tipos de células especializadas que forman tejidos. • Estos tejidos sirven para realizar las funciones fundamentales del árbol; conducir la savia, transformar y almacenar los alimentos y formar la estructura resistente o portante del árbol. • La heterogeneidad de la madera será, en parte, la causa de sus propiedades.

Estructura microscópica de la madera • Se puede considerar la madera como un conjunto de células alargadas en forma de tubos, paralelos al eje del árbol, muy variables, tanto en longitud y forma, como en el espesor de sus paredes y en las dimensiones interiores. • Estas células están unidas entre sí por una sustancia llamada materia intercelular o laminilla media, y a su vez trabadas por otro tipo de células, colocadas perpendicularmente a las anteriores y en el sentido radial del tronco, formando los llamados radios leñosos. • La variedad de tipos de células y la forma de unirse, definen la infinidad de especies diferentes de madera que existen.

Estructura microscópica de la madera • Estas células están unidas entre sí por una sustancia llamada materia intercelular o lamela media, y a su vez trabadas por otro tipo de células, colocadas perpendicularmente a las anteriores y en el sentido radial del tronco, formando los llamados radios leñosos. • La variedad de tipos de células y la forma de unirse, definen la infinidad de especies diferentes de madera que existen.

• Las paredes de los tubos están formadas por una serie de capas compuestas por microfibrillas de celulosa enrolladas helicoidalmente alrededor del eje con inclinación diferente en cada capa, y todas ellas, embebidas en un material amorfo. Prácticamente insoluble, que es la lignina. • Es muy habitual asimilar estas células a un pilar hueco de hormigón armado, en la que la lignina, hace las veces de hormigón y las microfibrillas de celulosa las del acero.

• Todo ello hace de la madera un material resistente y ligero, que puede competir favorablemente con otros materiales utilizados en la construcción, en cuanto a la relación resistencia-peso específico.

• En el sentido axial distinguimos: • a)- Fibras alargadas, de pared gruesa formadas por células que se han prolongado afinándose en las puntas, constituyendo los tejidos de sostén, es decir, la estructura y la parte resistente de la madera (tejido fibroso). • En las coníferas estas células son las mismas que sirven para permitir la circulación de los fluidos.

• b)- Vasos y poros de pared delgada (tejido vascular), formando los órganos de conducción o vehículo de la savia ascendente o bruta; los poros de la madera aparecen en sección transversal (pequeños agujeros), y en sección longitudinal (pequeñas estrías).

• c)- Células de parénquima, son cortas y poco abundantes. Difunden y almacenan en todo el espesor del árbol la savia descendente o elaborada.

• Esta especialización entre estructura y función sólo existe en los árboles frondosos; en los resinosos, todas las fibras son de carácter especial, llamadas traqueidas, de paredes más o menos espesas según la época del año en que se han formado.

• En el sentido radial hay menos células, y estas se disponen por bandas o láminas delgadas (radios medulares), intercaladas entre las fibras y los vasos, a los que cruzan en ángulo recto, dirigiéndose desde la corteza hasta el centro del árbol. • En esas bandas de células llamadas radios celulares o mallas, almacenan y difunden, como las células del parénquima, las materias nutritivas que arrastra la savia descendente. • En ciertas especies se encuentran en ambos sentidos, axial y radial, unos canales secretores de resina. • De lo dicho anteriormente se desprende que la madera es un material heterogéneo y anisótropo, por tanto, sus propiedades variarán según la dirección que se considere.

Estructura de la madera • Elementos orgánicos de que se componen: - Celulosa: 40-50% - Lignina: 25-30% - Hemicelulosa: 20-25% - Resina, tanino, grasas: % restante

Compuestos de: - Elementos esenciales (90%): -Carbono: 46-50% - Oxígeno: 38-42% -Hidrógeno: 6% - Nitrógeno: 1% -Otros elementos (10%): - Cuerpos simples (Fósforo y azufre) - Compuestos minerales (Potasa, calcio, sodio)

• Estos elementos están compuestos de: - Elementos esenciales (90%): - Carbono: 46-50% - Oxígeno: 38-42% - Hidrógeno: 6% - Nitrógeno: 1% - Otros elementos (10%): - Cuerpos simples (Fósforo y azufre) - Compuestos minerales (Potasa, calcio, sodio)

Celulosa: • Celulosa se forma por la unión de moléculas de glucosa. • La celulosa es el principal componente estructural de la madera. Seria el equivalente a las armaduras en el hormigón armado. • La celulosa es un polímero lineal, cuya fórmula es (C6 H10 O5) n siendo el valor de n varios miles de unidades.

Función de la celulosa La celulosa es un polisacárido estructural en las plantas ya que forma parte de los tejidos de sostén. La pared de una célula de madera contiene aproximadamente un 40% -50 %,.

A pesar de que está formada por glucosas, los animales no pueden utilizar la celulosa como fuente de energía, ya que no cuentan con la enzima necesaria para romper los enlaces, es decir, no es digerible por los animales.

En el aparato digestivo de los rumiantes (pre-estómagos), de otros herbívoros y de termitas, existen microorganismos, muchos metanógenos, que poseen una enzima llamada celulasa que rompe el enlace β-1,4-glucosídico y al hidrolizarse la molécula de celulosa quedan disponibles las glucosas como fuente de energía. Hay microorganismos (bacterias y hongos) que viven libres y también son capaces de hidrolizar la celulosa. Tienen una gran importancia ecológica, pues reciclan materiales celulósicos como papel, cartón y madera.

Hemicelulosa • Son heteropolisacáridos (polisacárido compuesto por más de un tipo de monómero) Elemento que forma parte de la pared celular de la celulosa. , recubriendo la superficie de las fibras de celulosa.

• Se considera a la hemicelulosa como el agente cementante que mantiene aglomeradas las microfibrillas y evita fisuras cuando las fibras de la madera son sometidas a esfuerzos de torsión, flexión o compresión que actúan sobre ellas. • La hemicelulosa, también un polímero, cuyas fórmulas (C5 H8 O4)n y (C6 H8 O4)n siendo el valor de n de centenares de unidades. Su grado de polimerización es menor que el de la celulosa.

Lignina • Sustancia que refuerza las células, confiriéndoles consistencia y rigidez. • Podríamos decir que la lignina actúa como impermeabilizante de las cadenas de celulosa (muy hidrófilas) y como aglomerante de las estructuras fibrilares de las células • .

LA LIGNINA es el polímero orgánico más abundante en el mundo vegetal. Es importante destacar que la lignina es la única fibra no polisacárido que se conoce. La lignina realiza múltiples funciones que son esenciales para la vida de las plantas. Por ejemplo, posee un importante papel en el transporte interno de agua, nutrientes y metabolitos. Proporciona rigidez a la pared celular y actúa como puente de unión entre las células de la madera, creando un material que es notablemente resistente a los impactos, compresiones y flexiones. Realmente, los tejidos lignificados resisten el ataque de los microorganismos, impidiendo la penetración de las enzimas destructivas en la pared celular.

• Resumen

Estructura macroscópica • La observación de un trozo de madera nos permitirá ver los diversos elementos característicos que la forman, y además, apreciar que no se trata de un material homogéneo. • Si se observa el tronco de un árbol, se ve que tiene forma casi cilíndrica (troncocónica) y que está formado por sucesivas capas superpuestas (anillos). • En primer lugar se aprecia que entre la madera y la corteza existe una capa generatriz, llamada cambium, que produce madera hacia el interior y corteza hacia el exterior. En cada período vegetativo se forma una nueva capa (anillo) que cubre la anterior.

Estructura macroscópica • Dentro de cada capa se observan dos zonas bien diferenciadas, la formada al principio del período vegetativo con células de paredes delgadas y grandes lúmenes que se denomina madera de primavera, y la formada durante el verano, con células de paredes gruesas y lúmenes pequeños, llamada madera de verano. • Esta diferencia entre las dos zonas, hace fácilmente distinguible en la sección transversal, una serie de anillos concéntricos llamados anillos de crecimiento, cada uno de los cuales corresponde a un período vegetativo de la vida del árbol y que en nuestro clima, representa el crecimiento anual, por lo que su número indica la edad del árbol.

Corteza exterior La corteza exterior está compuesta por células muertas que cumplen la función de proteger la estructura interior frente a agentes climáticos y biológicos. • Corteza • externa 



Duramen:

  

Albura:

Corteza interna

Cambium:

Corteza: Capa protectora que recubre el tronco, las ramas y las pequeñas ramas de un árbol.

Corteza interna (floema) compuesta por células que trasladan savia elaborada.

• Corteza • externa 



Duramen:

  

Albura:

Corteza interna

Cambium:

Corteza: Capa protectora que recubre el tronco, las ramas y las pequeñas ramas de un árbol.

Cambium o cambio zona que corresponde al tejido generador de células, es decir, donde se produce el crecimiento del árbol. Hacia el interior forma el xilema y hacia el exterior, forma el floema.

• Corteza • externa 



Duramen:

  

Albura:

Corteza interna

Cambium:

.

Albura En el xilema podemos distinguir la albura hacia el exterior, con células que cumplen la función de sostén y traslado de agua y nutrientes.. • Corteza • externa 

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Duramen:

  

Albura:

Corteza interna

Cambium:

Duramen Hacia el interior del xilema se forma el duramen, compuesto por células inactivas, pero que mantienen la función de sostén.

• Corteza • externa 



Duramen:

  

Albura:

Corteza interna

Cambium:

En el centro del árbol se encuentra la médula, tejido inactivo sin función específica.

Anillos de crecimiento Otra de las características relevantes del árbol en su sección transversal son los denominados anillos de crecimiento (concéntricos), los cuales son apreciables a simple vista, dependiendo de la especie. Las especies madereras, se clasifican en dos grandes grupos: coníferas y latifoliadas. En las primeras, los anillos de crecimiento son perfectamente diferenciables, mientras que en las segundas, no son tan apreciables.

En las coníferas se pueden apreciar dos bandas concéntricas, diferenciadas en los anillos de crecimiento. La banda más clara es denominada madera de primavera o temprana. La banda más oscura, más densa que la de primavera, es la madera de verano o tardía. En esta última, al llegar el receso invernal puede observarse la reducción de su crecimiento.

Coniferas Generalmente: • Frutos son de estructura de cono • El árbol, generalmente de tronco recto, cónico hasta su ápice y revestido por las ramas. • Hojas poseen forma de agujas, o bien alargadas • Estructura floral simple • Madera resinosa

Coniferas • La madera, homogénea y constituida por células que se agrupan en bandas concéntricas claras o leño de primavera y oscuras o leño de verano, las cuales conforman anillos de crecimiento. • Células largo 3 a 5 mm, ancho 0.03 mm a 0.045 mm.

Estructura atómica de la madera conifera (albura)

Estructura atómica de la madera conifera (duramen)

EJEMPLOS • • • • •

Araucaria Abeto Ciprés Pino Alerce

Latifoliadas Generalmente: • Poseen hojas anchas • Frutos de estructura variada (nueces, bayas) • La exudación puede ser látex o goma • Generalmente pierden la hoja en forma estacional • Variedad de estructura floreal

Latifoliadas • El árbol, de copa ramificada bien definida. El tronco varía en dimensiones y formas. • La madera, o leño, heterogéneo, lo forman diferentes tipos de células. • Por lo general no se pueden diferenciar fácilmente los anillos de crecimiento de la madera.

Latifoliadas • Las maderas latifoliadas presentan, que son elementos de conducción de agua y sales minerales constituidos por células tubulares unidas por sus extremos generalmente abiertos y que en algunas maderas pueden formar el 50% de su volumen total.

Estructura atómica madera latifoliada, albura

Estructura atómica madera latifoliada, duramen

PROPIEDADES DE LA MADERA

• PROPIEDADES FÍSICAS • Anisotropía • Humedad de la madera. Relaciones agua madera • Contenido de humedad. • Hinchazón y merma de la madera • Coeficiente de contracción volumetrica • Punto de saturación de las fibras • Peso especifico • Higroscopicidad • Homogeneidad • Durabilidad • Inflamación y combustión

Propiedades Básicas • Independientemente de la especie, la madera puede ser considerada como un material biológico, anisotrópico e higroscópico.

Biológico • Es un material biológico, ya que está compuesto principalmente por moléculas de celulosa y lignina.

• La madera elaborada, puede ser biodegradada por el ataque de hongos e insectos taladradores, como son las termitas.

Anisotrópico • El eje radial es perpendicular a los anillos de crecimiento y al eje longitudinal. • La madera es un material anisotrópico. Según sea el plano o dirección que se considere respecto a la dirección longitudinal de sus fibras y anillos de crecimiento, el comportamiento tanto físico como mecánico del material, presenta resultados dispares y diferenciados. Para tener una idea de cómo se comporta, la madera resiste entre 20 y 200 veces más en el sentido del eje del árbol, que en el sentido transversal.

Propiedades mecánicas • Debido a este comportamiento estructural tan desigual, se ha hecho necesario establecer: ▫ Eje tangencial ▫ Eje radial ▫ Eje axial o longitudinal

Eje tangencial • El eje tangencial, como su nombre lo indica, es tangente a los anillos de crecimiento y perpendicular al eje longitudinal de la pieza.

Eje radial • El eje radial es perpendicular a los anillos de crecimiento y al eje longitudinal.

Eje longitudinal • El eje longitudinal es paralelo a la dirección de las fibras y por ende, al eje longitudinal del tronco. Forma una perpendicular respecto al plano formado por los ejes tangencial y radial.

HUMEDAD DE LA MADERA. RELACIONES AGUA - MADERA • Es la propiedad más importante, pues influye sobre todas las demás, propiedades físicas, mecánicas, mayor o menor aptitud para su elaboración, estabilidad dimensional y resistencia al ataque de seres vivos. • El agua es el vehículo de transporte que utilizan las plantas para su alimento, esto, unido a la higroscopicidad de la madera, hace que esta tenga normalmente en su interior cierta cantidad de agua, que es necesario conocer antes de su uso, debido a las modificaciones que produce en las características físicas y mecánicas.

HUMEDAD DE LA MADERA. RELACIONES AGUA - MADERA • - Agua de constitución o agua combinada: Es aquella que entra a formar parte de los compuestos químicos que constituyen la madera. Forma parte integrante de la materia leñosa (de su propia estructura), y no se puede eliminar si no es destruyendo al propio material (por ejemplo, quemándola). • - Agua de impregnación o de saturación: Es la que impregna la pared de las células rellenando los espacios submicroscópicos y microscópicos de la misma. Se introduce dentro de la pared celular, siendo la causa de la contracción de la madera cuando la pierde (desorción) y de su expansión o hinchamiento cuando la recupera (sorción: retención de agua). Se puede eliminar por calentamiento hasta 100 - 110° C.

HUMEDAD DE LA MADERA. RELACIONES AGUA - MADERA -Agua libre: Es la que llena el lumen de las células o tubos (vasos, traqueidas, etc.) Es absorbida por capilaridad.

El agua libre, una vez perdida por la madera, ya no puede ser recuperada a partir de la humedad atmosférica. Para recuperarla, habrá de ser por inmersión directa en el agua. El agua libre no tiene mas repercusión que la ocupación física de los huecos, y por consiguiente no influye en la hinchazón o merma de la madera ni en las propiedades mecánicas. Las dos últimas, impregnación y libre son las que constituyen la humedad de la madera. La humedad es la cantidad de agua que contiene la madera expresada en % de su peso en estado anhídro o húmedo.

Humedad • Contenido de Humedad: la madera es un material higroscopico (absorbe y entrega agua según las condiciones de temperatura y humedad) • Punto de saturación de las fibras ( promedio 28%) • Humedad de equilibrio

Humedad

• Madera verde, humedad mayor al 30%. • Madera seca, contenido de humedad no superior al 20 % • (no se recomienda para uso estructural humedades entre 20 y 30%)

Humedad • Definimos como contenido de humedad o simplemente humedad de la madera h a la relación del peso del agua contenida en la madera, al peso de la madera anhídra y se calcula de la siguiente forma: •

Ph  Po h x100 Po

La humedad no es constante en todo el espesor de la pieza, siendo menor en el interior y teniendo más humedad la albura que el duramen. La madera contiene más agua en verano que en invierno. Es un material higroscópico, lo cual significa que absorbe o desprende agua en función del ambiente que le rodea.

Expuesta al aire pierde agua y acaba estabilizándose a una humedad que depende de las condiciones del ambiente: temperatura y humedad. Si estas condiciones varían, también variará su contenido de humedad. La humedad de la madera tiende a estar en equilibrio con el estado del aire ambiente. Este equilibrio no es el mismo si la madera está secándose, que si está absorbiendo agua. El primer tipo de agua que elimina la madera es el agua libre; esta pérdida se hace prácticamente sin variación de las características físicas - mecánicas (varia su densidad aparente.)

Desaparecida el agua libre, queda el agua de impregnación de la pared celular (satura las fibras de la madera) y que al disminuir por medio de la evaporación o secado modifica las propiedades fisico mecánicas (su dureza y la mayoría de las resistencias mecánicas aumentan) y el volumen de la pieza de madera disminuye como consecuencia de la disminución de volumen de las paredes de cada una de sus células.

La humedad de la madera depende, ahora, de las condiciones higrotérmicas del ambiente. A cada par de valores de temperatura y humedad relativa del aire corresponde, en la madera, una humedad comprendida entre el 0% y el 30% (punto de saturación de las fibras, aproximadamente), que recibe el nombre de " Humedad de equilibrio higroscópico ". Este " Punto de saturación de las fibras " (P.S.F.) o más exactamente Punto de saturación de la pared celular, nos indica la máxima humedad que puede contener una madera sin que exista agua libre.

Estado de la madera según el % de humedad. Madera empapada: Hasta un 150% de humedad aproximadamente (sumergida en agua) Madera verde: Hasta un 70% de humedad (madera en pie o cortada en monte) Madera saturada: 30% de humedad (sin agua libre, coincide con P.S.F.) Madera semi-seca: del 30% al 23% de humedad (madera aserrada) Madera comercialmente seca: del 23% al 18% (durante su estancia en el aire) Madera secada al aire: del 18% al 13% (al abrigo de la lluvia) Madera desecada (muy seca): menos del 13% (secado natural o en clima seco) Madera anhídrida: 0% (en estufa a 103° C. Estado inestable)

Densidad nominal (humedad 12%) de la madera (kg/m3) Álamo Alerce Cohigue Eucaliptus Laurel Mañio Pino radiata Pino oregon Rauli Roble

372 436 594 720 467 479 459 477 531 607

Métodos para determinar el contenido de humedad • 1) Secado en estufa. Método aplicable para determinar cualquier contenido de humedad. Se determina el contenido de humedad por pesada de la perdida de masa de la probeta cuando se seca hasta mas constante y el calculo de la perdida de masa en porcentaje de la masa de la probeta después de secado

• La obtención de probetas en lotes de piezas de madera, se realizar de acuerdo a los planes de muestreo establecidos en NCh 44. de cada pieza que compone la muestra se extraen 2 probetas para ensayo , abarcando las sección transversal completa y ubicada a 1/3 de cada extremo, pero no a menos de 50 cm. del extremo. Como minino debe tener 25 mm. de longitud y debe estar libre de corteza y defectos

Métodos para determinar el contenido de humedad • 2) Métodos eléctricos Definido en NCh 176/1, es el método del xilohigrometro, instrumento que se basa en el comportamiento eléctrico de la madera. La relación que existe entre las propiedades dieléctricas de la madera y su contenido de humedad son equivalentes a las existentes entre la resistencia eléctrica y este ultimo; por lo que se puede medir con detectores eléctricos.

Tipos de medidores de humedad • 1) Los medidores de humedad pueden ser de radio frecuencia por perdida de potencia, los que son fabricados con electrodos de contacto que se aplican a la superficie de la madera sin perforara, se utilizan para chapas y maderas muy delgadas.

Tipos de medidores de humedad • 2) Los de resistencia los que son fabricados con electrodos cortos o largos, del tipo aguja, aislados en toda su longitud menos en las puntas. • Es el mas usado se basa en la resistencia de la madera al paso de la corriente eléctrica. Entrega valores bastante precisos para humedades entre 6 y 25 %

Otras propiedades • • • •

Eléctricas Acústicas Térmicas Dilatación térmica

Factores que afectan las propiedades mecánicas • Existe una serie de variables relacionadas con la estructura natural de la madera que pueden afectar sus propiedades mecánicas:

• • • • •

Defectos de la madera Contenido de humedad Temperatura Albura y duramen Tratamiento de la madera

Cronograma Introducción al curso, generalidades de la madera

21-mar

estructura macroscópica de la madera

28-mar

propiedades mecánicas

04-abr

agentes bióticos y abióticos, preservación y conservación

sistemas

de 11-abr

agentes bióticos y abióticos, preservación y conservación

sistemas

de 18-abr

control

25-abr

interpretación de planos estructuras de madera

02-may

cubicaciones

09-may

control

16-may

nociones de calculo de estructura

23-may

estructuras de madera

30-may

estructuras de madera

06-jun

estructuras de madera

13-jun

estructuras de madera

20-jun

estructuras de madera

27-jun

control

04-jul

PFA

11-jul

Propiedades físicas- mecánicas de la madera

Propiedades mecánicas • Las propiedades mecánicas de la madera determinan la capacidad o aptitud para resistir fuerzas externas. • Se entiende por fuerza externa cualquier solicitación que, actuando exteriormente, altere su tamaño, dimensión o la deforme. El conocimiento de las propiedades mecánicas de la madera se obtiene a través de la experimentación, mediante ensayos que se aplican al material, y que determinan los diferentes valores de esfuerzos a los que puede estar sometida.

Propiedades mecánicas • Cuando la carga aplicada a un cuerpo aumenta, se produce una deformación que se incrementa paulatinamente. Esta relación entre la carga aplicada y la deformación que sufre un cuerpo se puede representar gráficamente por una recta, hasta el punto donde se inicia el límite elástico del material ensayado. Si se sigue aumentando la carga, se logra la rotura del material.

Propiedades mecánicas • El límite elástico se define como el esfuerzo por unidad de superficie, en que la deformación aumenta en mayor proporción que la carga que se aplica. • El esfuerzo necesario para solicitar un material hasta el límite elástico, determina la tensión en el límite de proporcionalidad, que es la carga máxima a que se puede someter sin que se produzcan deformaciones permanentes

Ensayos

Ensayos • Los ensayos se realizan en dos estados de contenido de humedad, uno con probetas de humedad superior al 30% (estado verde), y el segundo con probetas de humedad 12% (estado seco al aire).

Compresión paralela a las fibras • Es la resistencia de la madera a una carga en dirección paralela a las fibras, la que se realiza en columnas cortas para determinar la tensión de rotura, tensión en el límite de proporcionalidad y módulo de elasticidad.

Compresión normal a las fibras • Es la resistencia de la madera a una carga en dirección normal a las fibras, aplicada en una cara radial, determinando la tensión en el límite de proporcionalidad y tensión máxima.

Flexión estática • Es la resistencia de la viga a una carga puntual, aplicada en el centro de la luz, determinando la tensión en el límite de proporcionalidad, tensión de rotura y el módulo de elasticidad.

Tenacidad • Es la capacidad que tiene la madera de absorber energía al aplicar una carga que actúa en forma instantánea.

Cizalle • Es la medida de la capacidad de la pieza para resistir fuerzas que tienden a causar deslizamiento de una parte de la pieza sobre otra.

• Según la dirección de las fuerzas que la producen se pueden clasificar en:

a) Cizalle paralelo tangencial La solicitación es paralela a las fibras y produce un plano de falla, tangente a los anillos de crecimiento.

b) Cizalle paralelo radial La solicitación es paralela a las fibras y produce un plano de falla perpendicular a los anillos de crecimiento.

Clivaje tangencial y radial • El clivaje es la resistencia que ofrece la madera al rajamiento. Puede ser tangencial y radial, dependiendo de la ubicación de los anillos de crecimiento.

a) Clivaje tangencial El plano de falla es tangente a los anillos de crecimiento. b) Clivaje radial Es aquel en que el plano de falla es normal a los anillos de crecimiento.

Tracción paralela a las fibras • Es la resistencia a una carga de tracción en dirección paralela a las fibras.

Tracción normal a las fibras • Es la resistencia que opone la madera a una carga de tracción en la dirección normal a las fibras.

Esquema de tracción normal a las fibras.

Esquema de tracción normal radial a las fibras.

Dureza • Es la resistencia que presenta la madera a la penetración.

Esquema de ensayo de dureza. Puede medirse en forma normal o paralela a la fibra.

Extracción de clavo • Se mide su resistencia por la fuerza necesaria para extraer un clavo de la madera. Se debe considerar la resistencia al desclave en una superficie paralela a las fibras y en una superficie normal a las fibras.

Defectos de la madera

Defectos de la madera • Recibe este nombre cualquier irregularidad física, química o físico-química de la madera, que afecte los aspectos de resistencia o durabilidad, determinando generalmente una limitante en su uso o aplicación.

• La norma NCh 993 Of. 72 Madera- Procedimiento y criterios de evaluación para clasificación, establece diez niveles de defectos de la madera (de la A a la J) en la clasificación por aspecto.

• Sus definiciones y métodos de clasificación se encuentran establecidos en la norma chilena NCh 992 E Of. 72 MaderaDefectos a considerar en la clasificación, terminología y métodos de medición.

Arista: Línea recta de intersección de las superficies que forman dos lados adyacentes. Cantos: Superficies planas, menores y normales a las caras paralelas entre sí y al eje longitudinal de una pieza. Cabeza: Sección transversal de cada extremo de una pieza. Caras: Superficies planas mayores, paralelas entre sí y al eje longitudinal de una pieza o cada una de las superficies planas de una pieza de sección cuadrada.

• Borde de una cara: Zona de la superficie de una cara que abarca todo el largo de una pieza y que queda limitada en el ancho, por una arista y por una línea imaginaria paralela a la arista y a una distancia de ésta igual a la cuarta parte del ancho de la pieza. • Zona central de una cara: Zona de la superficie de una cara que abarca todo el largo de una pieza que queda comprendida entre los bordes de la cara. El ancho de esta zona es igual a la mitad del ancho de la pieza.

Escudaría: • Expresión numérica de las dimensiones de la sección transversal de una pieza. Se debe especificar en milímetros (mm) de acuerdo a la norma vigente. Como en Chile está arraigado el uso de las pulgadas, se ha considerado conveniente especificar las escuadrías de las piezas indistintamente en ambos sistemas, como por ejemplo: 2" x 4" ó 2x4 ó 41 x 90 mm. • Ancho: Dimensión mayor de la escuadría. • Espesor: Dimensión menor de la escuadría.

1) Defectos propios de la madera • Nudos sueltos: Abertura de sección relativamente circular, originada por el desprendimiento de un nudo.

• la norma establece que se debe calcular el diámetro medio, midiendo su diámetro mayor y menor, en milímetros, y calculando el promedio. • Los agujeros y/o nudos sueltos se pueden ubicar en la arista, en el borde de la cara, en el canto o en la zona central de la cara. • La posición de este defecto es determinante en la magnitud de la alteración que causará en las propiedades resistentes. Así, un agujero, dentro o cerca de un canto, afecta fuertemente la resistencia de tracción o compresión de una pieza solicitada por flexión. En cambio, un agujero en el centro de la cara alterará más su resistencia de cizalle, cuando se aplica a ella el mismo esfuerzo de flexión

Medición de agujero y/o nudo suelto en el borde de la cara.

Medición de agujero y/o nudo suelto en la arista.

Rajaduras • Separación de fibras en la madera que afecta dos superficies opuestas o adyacentes de una pieza.

Grietas • Separación de elementos constitutivos de la madera, cuyo desarrollo no alcanza a afectar dos superficies opuestas o adyacentes de una pieza.

Fibra inclinada • Desviación angular que presentan los elementos longitudinales de la madera, con respecto al eje longitudinal de la pieza.

Perforación

• Galería u otro tipo de orificio producido por la presencia de insectos taladradores. En cualquier caso.

• La madera con este defecto debe ser desechada.

Pudrición • Degradación, descomposición y destrucción de madera por presencia de hongos y ambiente húmedo. La presencia parcial de putrefacción implica una creciente reducción de la resistencia.

• No se debe utilizar como material de construcción.

Otros defectos que inciden en la resistencia, pero en menor grado, son:

Bolsillo de corteza • Presencia de masa de corteza total o parcial comprendida en la pieza. Se conoce también como “corteza incluida“.

Bolsillo de resina

• Presencia de una cavidad bien delimitada que contiene resina o tanino. Se conoce también como “bolsa o lacra”. • Los efectos que tiene el bolsillo de corteza y/o resina sobre la resistencia son los mismos descritos para el agujero y/o nudo suelto.

Acebolladuras • Separación de la pieza entre dos anillos consecutivos. Cuando aparece en las caras o cantos, se mide su longitud y separación máxima (mm).

Alabeos • Deformación que puede experimentar una pieza de madera en la dirección de sus ejes, longitudinal y transversal o ambos a la vez, pudiendo tener diferentes formas: acanaladura, arqueadura, encorvadura y torcedura. Estos son defectos típicos por secado inadecuado, tema que se trata más adelante.

Colapso • Reducción de las dimensiones de la madera durante el proceso de secado, sobre el punto de saturación de las fibras, y se debe al aplastamiento de sus cavidades celulares. • Este defecto no es admisible en la madera, puede afectar la resistencia y además su presencia.

Médula • Corresponde al tejido parenquimatoso y blando de la zona central del tronco. Afecta la clasificación por aspecto de superficies que quedan a la vista.

Canto muerto • Se conoce por canto muerto o arista faltante a la falta de madera en una o más aristas de una pieza. Se mide en la arista, su largo o suma de largos en mm, mayor dimensión en el canto (x) y mayor dimensión en la cara (y).

2) Defectos por elaboración • • • • • •

Escuadría irregular Grieta Marca de cierra Problemas de Cepillado Manchas de astillamiento Quemado

Cuidados y consideraciones de piezas de madera para el almacenamiento y protección a pie de obra

• Almacenar la madera en forma encastillada y protegida de la exposición directa al sol. • Evitar almacenar la madera en ambientes húmedos. • Evitar contacto directo de la madera con el suelo. • Mantener encastillado en orden, evitando piezas • arrumbadas.

Contracción

Contracción • La NCh 173/3 define la contracción lineal como la disminución de dimensiones que sufre la madera al perder humedad bajo el punto de saturación de la fibras, expresada como porcentaje. Cuando esto ocurre se dice que la madera “trabaja”. • Las dimensiones de la madera comienzan a disminuir en los tres ejes: tangencial, radial y longitudinal. Sin embargo, en este proceso la contracción tangencial es la mayor.

Contracción • Desde el punto de vista del comportamiento de la madera, el punto de saturación de la fibra es una variable muy importante, puesto que sobre él, la madera no variará sus características ni su comportamiento físico o mecánico. Sin embargo, cuando la madera se encuentra bajo dicho punto, sufre cambios dimensionales y volumétricos que pueden ir de leves a drásticos.

Humedad • Madera verde, humedad mayor al 30%.

• Punto de saturación de las fibras ( promedio 28%) • Madera seca, contenido de humedad no superior al 20 % • Humedad de equilibrio • (no se recomienda para uso estructural humedades entre 20 y 30%, recomendado menor a 15%)

Variación de la contracciones • Variación longitudinal, 0.1 a 0.3 % • Variación transversal 4 a17%

• En términos generales las madera pesadas se contraen e hinchan mas

Para humedades inferiores a 20%

Estructura atómica de la madera conifera (duramen)

Estructura atómica madera latifoliada, duramen

Ejercicios (1) • Calcular la que diferencia de dimensión puede experimentar una pieza de madera que se utilizara para revestimiento interior de muro en una zona calefaccionada. • Madera a utilizar, pino y roble, escudaría 120 * 20 mm con una humedad del 18 %

Ejercicios (2) • Calcular la que diferencia de dimensión puede experimentar una pieza de madera instalada en un revestimiento exterior de muro de Talca. • Madera a utiliza, pino y roble, escudaría 120 * 20 mm con una humedad del 7%.

Según humedad de equilibrio del lugar