Determinación de grados estructurales del Nothofagus Alpina (Raulí) mediante métodos de vibraciones como herramienta no destructiva y su correlación con métodos mecánicos

“DETERMINACIÓN DE GRADOS ESTRCUTURALES DEL NOTHOFAGUS ALPINA (RAULÍ) MEDIANTE MÉTODOS DE VIBRACIONES COMO HERRAMIENTA NO DESTRUCTIVA Y SU CORRELACIÓN CON MÉTODOS MECÁNICOS” JAVIERA PADILLA REYES PROYECTO DE TÍTULO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

INDICE DE CONTENIDOS 1. 2.

Introducción y objetivos Marco teórico 2.1 Estructura de la madera 2.2 Propiedades físicas de la madera 2.3 Propiedades mecánicas de la madera 2.4 Clasificación estructural de la madera 3. Metodología 3.1 Clasificación visual 3.2 Módulo de elasticidad dinámico 3.3 Módulo de elasticidad a flexión estática y tensión de rotura 3.4 Ajuste del contenido de humedad 3.5 Determinación de grados estructurales a partir del módulo de elasticidad dinámico 4. Resultados y discusión 5. Conclusiones

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

1. Introducción y objetivos

Fuente: INE. Edificación 2011

Nothofagus Alpina

Ejemplos de utilización de madera como material estructural

1. Introducción y objetivos Clasificación estructural:

Clasificación visual

Clasificación dinámica

EXTRANJERO Clasificación mecánica

1. Introducción y objetivos Clasificación estructural:

Clasificación visual

Clasificación dinámica

CHILE Clasificación mecánica

1. Introducción y objetivos Objetivo: Determinar mediante métodos basados en vibraciones, el grado estructural de las piezas de madera de la especie Nothofagus alpina. Esto mediante la determinación del módulo de elasticidad dinámico y su correlación con los resultados de ensayos de flexión estática. *) Determinar una relación empírica que vincule los resultados dinámicos con los de flexión estática. *) Establecer valores representativos de módulo de elasticidad dinámico para cada grado estructural ensayado correspondiente para la especie en estudio.

2. Marco teórico

2.1 Estructura de la madera CO2

+ Fotosíntesis = Celulosa

Savia

Agua + minerales Estructura general del árbol

2.1 Estructura de la madera

Tejido vegetal hueco

Corte representativo

Esquema representativo del tejido vegetal

Pared celular constituida por celulosa

Estructura celular

2.2 Propiedades físicas de la madera Contenido de humedad

1. Bajo PSF: Se incrementa la resistencia de la madera. 2. Sobre PSF: No incide en la resistencia de la madera.

Densidad

A mayor densidad mayor resistencia.

Presencia de agua libre y ligada.

La madera es un material higroscópico: - Capta y cede agua. - Masa y volumen varían con el C.H.

2.3 Propiedades mecánicas de la madera Indican la capacidad para resistir fuerzas externas, de acuerdo a esto serán los usos que se le de y las dimensiones necesarias. Carga – Esfuerzo Deformación

Ley de Hooke – Módulo de elasticidad 𝜎𝐿𝐸 : Tensión de límite elástico 𝜀𝐿𝐸 : Deformación de límite elástico

𝜎𝐿𝐸

E 1

𝜀𝐿𝐸

Curva tensión-deformación

2.3 Propiedades mecánicas de la madera Carga – Esfuerzo Deformación

Ley de Hooke – Módulo de elasticidad

𝜎𝐿𝐸 : Tensión de límite elástico 𝜀𝐿𝐸 : Deformación de límite elástico

𝜎𝐿𝐸

E no es medida de resistencia , sino de rigidez.

E 1

𝜀𝐿𝐸 Curva tensión-deformación

2.3 Propiedades mecánicas de la madera ¿ Cómo determinar sus propiedades mecánicas ? NCh 3028/1 Of. 2006 establece metodologías

Resistencia al corte

Resistencia a la compresión paralela

Resistencia a la flexión

Resistencia a la tracción paralela

Módulo de elasticidad en flexión

2.4 Clasificación estructural de la madera

Clasificación visual

Clasificación mecánica

Clasificación dinámica

2.4 Clasificación estructural de la madera Clasificación visual

Registrar y evaluar presencia y magnitud de singularidades que afectan las propiedades mecánicas.

NUDO EN LA CARA

RAJADURA

DESVIACIÓN DE LA FIBRA

NUDO EN EL CANTO

ACEBOLLADURA

ARISTA FALTANTE

Singularidades determinantes para la clasificación visual

2.4 Clasificación estructural de la madera Clasificación mecánica

Ensayo de flexión no destructivo: se aplica fuerza, se mide desplazamiento y se calcula E.

Esquema máquina de clasificación mecánica

2.4 Clasificación estructural de la madera Clasificación dinámica

Ensayo no destructivo: se aplica una excitación , se mide la frecuencia natural y se correlaciona con el módulo de elasticidad dinámico Ed. Esquema máquina de clasificación dinámica

2.4 Clasificación estructural de la madera Clasificación dinámica

Esquema explicativo del sistema

3. METODOLOGÍA

3.1 Clasificación visual NCh 1970/1 Of.1988 establece parámetros y metodologías: Ancho de nudos Desviación de la fibra Aristas faltantes Grietas

Corteza incluida Bolsillos de resina Acebolladuras Alabeos

- calidad Grado N°4

+ calidad Grado N°3

Grado N°4 y mejor

Grado N°2

Para este estudio

Grado N°1

Grado N°2 y mejor

3.1 Clasificación visual

Piezas grado N°4 y mejor

Piezas grado N°2 y mejor

3.2 Módulo de elasticidad dinámico

Software propio del PLG de Fakopp Enterprise

3.3 Módulo de elasticidad a flexión estática y tensión de rotura

Ensayo de flexión estática según NCh 3028/1 Of.2006

Módulo de elasticidad en flexión

3.3 Módulo de elasticidad a flexión estática y tensión de rotura

Ensayo de flexión estática según NCh 3028/1 Of.2006

Tensión de rotura

3.4 Ajuste del contenido de humedad NCh 3028/2 Of.2008 establece parámetros y metodologías: Tensión de rotura

Módulo de elasticidad

3.5 Determinación de grados estructurales a partir del módulo elasticidad dinámico

Categoría 1: Aceptación correcta. Categoría 2: Aceptación incorrecta. Categoría 3 y 4: Rechazo correcto.

Clasificación estructural sólo con línea de tendencia

3.5 Determinación de grados estructurales a partir del módulo elasticidad dinámico

Reduce aceptación incorrecta

Clasificación estructural con línea de tendencia de confianza menor

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4. Resultados y discusión

Grado N°4 y mejor

Grado N°2 y mejor

Ed [Gpa] Ef,12% [Gpa] Ed [Gpa] Ef,12% [Gpa]

Mínimo

13,5

17,6

13,1

14,4

Máximo

6,6

7,1

6,6

6,8

Promedio

10,2

11,3

9,7

10,5

Desviación estándar

1,4

1,8

1,5

1,8

Módulos de elasticidad dinámico y estático para un total de 200 probetas ensayadas

4. Resultados y discusión Modelo de correlación entre Ed y Ef,12%.

4. Resultados y discusión Modelo de clasificación estructural para grado N°4 y mejor Línea de tendencia

Línea de confianza menor

4. Resultados y discusión Modelo de clasificación estructural para grado N°2 y mejor Línea de tendencia

Línea de confianza menor

4. Resultados y discusión Modelo de clasificación estructural Línea de confianza menor para grado N°2 y mejor Línea de confianza menor para grado N°4 y mejor

4. Resultados y discusión Modelo propuesto de clasificación estructural Línea de determinación de calidad estructural

4. Resultados y discusión Modelo propuesto de clasificación estructural Línea de confianza menor para grado N°2 y mejor Línea de confianza menor para grado N°4 y mejor

Rechazo: Ed < 9,7 GPa S > 3/8 b

Grado N°4 y mejor: Ed > 9,7 GPa 1/4 b < S < 3/8 b Grado N°2 y mejor: Ed > 10,2 GPa S < 1/4 b

5. CONCLUSIONES

5. Conclusiones y recomendaciones  Aun cuando el rango de tamaño de defectos señalados por la norma NCh 1970/1 Of.1988 es acotado, fm resultó ser bastante sensible a estos, mientras más defectos, menor fm.  Sin embargo, el módulo de elasticidad se mantuvo dentro de un margen muy estrecho.

16 mm

fm,12%= 56,0 MPa Ef,12%= 10,5 GPa

Grado N°4 y mejor

11 mm

fm,12%= 68,3 MPa Ef,12%= 11,2 GPa

Grado N°2 y mejor

5. Conclusiones y recomendaciones

 Se verificó que el PLG es una herramienta confiable para la determinación del Ed obteniéndose buena correlación entre este y Ef,12%.  La relación obtenida entre Ed y Ef,12% otorga un modelo simple y rápida para la determinación de Ef,12% de manera no destructiva y en terreno.

5. Conclusiones y recomendaciones

 Debido a lo acotado de los rangos de los parámetros de clasificación visual indicados en la NCh 1970/1 Of.1988, fue imposible utilizar Ed para asignar un grado estructural, lo mismo ocurre al utilizar Ef,12% con el mismo fin.  Lo anterior cuestiona la efectividad de establecer rangos tan acotados en la definición de parámetros de aceptación de cada grado estructural.

5. Conclusiones y recomendaciones

 Finalmente, resultó ser inviable realizar una clasificación estructural únicamente con métodos dinámicos. Sin embargo, al apoyarse con una clasificación visual simplificada, el método dinámico otorga mayor eficiencia y eficacia a este proceso, con rechazo claro y rápido.

“DETERMINACIÓN DE GRADOS ESTRCUTURALES DEL NOTHOFAGUS ALPINA (RAULÍ) MEDIANTE MÉTODOS DE VIBRACIONES COMO HERRAMIENTA NO DESTRUCTIVA Y SU CORRELACIÓN CON MÉTODOS MECÁNICOS” JAVIERA PADILLA REYES PROYECTO DE TÍTULO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL