;<, " " UN!DAD CE DESARROl •.O TECNOlOGICO Informe Final PROYECTO: "Desarrollo de Tecnología Constructiva para Infraestructura , Portuaria de Prolongada Vida Util" Código:07CTPXT-17 UriivElfSidad de Concepción Entidad Patrocinadora: INNOVA CHILE - CORFO Entidad Ejecutora: UNIDAD DE DESARROLLO TECNOLÓGICO Universidad de Concepción Junio, 2011 .t - ucrr ·UNIDAt'1 DE" DESARROlLO TE(NOlOGlCú .. ..~ ~ .. ~, / Ifin ovaC n ilé .------ CORFO ETAPA 1: REQUERIMIENTOS ACTIVIDAD 1.1: TÉCNICOS Y ECONÓMICOS GENERACIÓN LISTADO DE PRODUCTOS DE INFRAESTRUCTURA PORTUARIA A DESARROLLAR. Se definirán los productos para infraestructura portuaria más atractivos de desarrollar Hito 1.1.1 Listado Confeccionado: Se confeccionara un listado de productos DESARROLLO ACTIVIDAD: Para el desarrollo de esta actividad se realizaron reuniones del tipo "Brainstorming" de trabajo, resultado con el equipo de manera de generar ideas de potenciales aplicaciones en madera-plástico. de estos encuentros y de las visitas realizadas a algunas localidades definieron 2 aplicaciones: Decking o Pisos, y Siding o Revestimiento de exteriores. aplicación, se confecciono Como portuarias, se Para la primera el siguiente listado de eventuales productos a desarrollar en madera- plástico: -Plsos para terrazas -Pisos para muelles permanentes -Pisos para muelles flotantes -Pisos para marinas -Pisos para embarcaderos Con respecto al Siding recubrimiento de viviendas. o Revestimiento de exteriores, esta aplicación estará orientada Ahora bien, para todas las aplicaciones anteriores se plantearon 4 opciones de diseño. diseño corresponde a perfiles del tipo tinglado, donde el sistema constructivo al El primer se basa en la unión de los perfiles por medio de traslapes parciales o totales entre las piezas. La segunda opción de diseño corresponde introduciendo a perfiles del tipo machihembrado, donde la unión de las piezas se realiza una pestaña especialmente diseñada en una ranura del perfil adyacente. opción corresponde La tercera a un perfil de sección cuadrada sólida, mientras que la última opción es la misma anterior, pero con la sección cuadrada ahuecada. En las siguientes figuras 1.1.1 y 1.1.2 se presentan las opciones mencionadas. 5 InnovaCI111 e CORFO ,.,.--- Figura 1.1.1 : Perfiles del tipo tinglado y machihembrado Fuente: Elaboración Propia Figura 1.1.2: Perfiles con sección sólida y sección ahuecada Fuente: Elaboración Propia 6 ,,,,-_,.,,,'/ Uf'rDAD DE DESARROLLO ACTIVIDAD TEOWLOG!CO 1.2: BÚSQUEDA DE EMPRESAS PATROCINANTES. Se realizará una búsqueda de empresas patrocinantes, para que se asocien al proyecto, con la finalidad de potenciar la participación empresarial en el desarrollo del proyecto. Estas empresas, podrán ser usuarias de la tecnología, como también potenciales inversionistas o proveedores de las materias prima. Hito 1.2.1 Acuerdos de cooperación firmados: Se asociarán empresas al proyecto DESARROLLO ACTIVIDAD: El Proyecto fue presentado en conjunto con la Empresa Portuaria Talcahuano San Vicente, donde el beneficio esperado es adquirir experiencia en la construcción, materiales para infraestructura instalación y utilización de nuevos portuaria. Con respecto a los aportes de la Empresa Portuaria Talcahuano San Vicente para el desarrollo del proyecto, estos se muestran en el "Certificado" anexado al presente Informe de Avance. Posteriormente, la empresa Petroquim S.A. ha participado como cooperadora en este proyecto. Es importante señalar que esta empresa es la única productora de polipropileno en Chile y tiene como objetivo producir polipropileno de alta calidad con la protección adecuada del medio ambiente, que permita aportar significativamente al desarrollo de la industria del plástico. 7 InnovaChile CORFO ·UDT ,----- UNiDAD DE DESARROllO TECNOLOGICO ACTIVIDAD INSTALACIÓN 1.3: DETERMINACIÓN DE LOS COSTOS DE INVERSIÓN, Y MANTENCIÓN. Se determinaran los costos para el nuevo material. Hito 1.3.1 Costos determinados: Se calcularan los costos de inversión, instalación y mantención. DESARROLLO ACTIVIDAD: En esta actividad, se determinó la inversión en equipos e infraestructura necesaria para la producción del nuevo material compuesto. Para ello, se utilizó como referencia los costos de adquisición de la planta de extrusión de la Unidad de Desarrollo Tecnológico (UDT), puesto que todas las actividades de producción se llevarán a cabo en dicha instalación. Posteriormente será necesario estimar el costo productivo del material y, para tal efecto, se consideraron los siguientes ítems de costos: • Inversión: Este ítem representa el valor de una planta de extrusión instalada, en este caso, el valor de una planta de similares características a la de UDT. A continuación se presenta el desglose de las inversiones necesarias, considerando que el tipo de cambio del dólar es de $580,35 y que el valor de la UF es de $20.935,39: Tabla 1.3.1: Inversiones .. Inversiones Costo (UF) Costo (US$) I Costo ($) I 1. 3.750 135.276 Molde Pellet 2.950 Almacenamiento Sistema de dimensionamiento 750 2.000 8 (::-,.~llJJIDfIr . V UNiDAD DE OESA!\ROlLO Inno\/aCEflé -- CORFO TECNOWmCO 1" U o r l -s O' ""'." ti ,f (/ ' Figura 1.3.1: Secador Rotatorio UDT Fuente: UDT s- ';;'. Figura 1.3.2: Extrusora Dobletornillo UDT Fuente: UDT • Costo de uso y mantención de los equipos ($/hr). infraestructura Costo que refleja la utilización de la y los equipos involucrados en la producción del nuevo material. Para tal efecto, se consideró la inversión total de la planta y un periodo de vida económica fijado en 15 años. A continuación se presenta una tabla con la obtención de costo de uso de los equipos, donde este costo viene dado por cuociente entre la inversión total y el tiempo total efectivo de uso; mientras que el costo por mantención se calculó como el 10% del valor de la planta, supuesto utilizado habitualmente para estimar este costo. 9 ---· ····-C"--.---- -.-L:;"- •... ( -.. InnovaCnl e -CORFO ,~ Tabla 1.3.2: Costo de uso y mantención de los equipos Fuente: Elaboración Propia I Inversión Total I Vida económica I I (años) Días Laborables por año $ 218.200.123 15 261 Horas laborables ~or día Tiempo disponible s~ún 9 vida económica (horas) 35~ 800% Factor de Utilización diario (9 horas diarias disponible~ I Tiem~o total efectivo de uso (horas) I Costo por hora de uso ($/hora) Costo por mantención ($/hora) • Costo Suministros ($/hr). de gas. 28.188 1$7.741 1$619 Representa el costo incurrido en suministros eléctricos, de agua y Con respecto a la electricidad esta se estimó de acuerdo al consumo de todos los equipos involucrados en la producción del material compuesto, es decir, la extrusora tornillo, el secador rotatorio, los 3 alimentadores y el sistema de pelletizado. doble El costo $/kwhr se estimó en $640 de acuerdo a las tarifas vigentes del proveedor de energía eléctrica de UDT. Tabla 1.3.3: Costo de Suministros Eléctricos Fuente: Elaboración Propia Electricidad E ui o Pelletizadora 7.455 Costo Para determinar el costo en agua se estimó el consumo de los equipos involucrados producción. En este caso, solo la caldera y la extrusora continuación se presenta el costo estimado para este suministro, individuales, y considerando que el costo por m3 en la necesitan de este suministro. A de acuerdo sus consumos es de $30. 10 ~UDT ~} UNiDADOE OElA.~'OllO TEctIOLOG!CO Tabla 1.3.4: Costo de Suministro Agua Fuente: Elaboración Propia Consumo 40 154 Por último, se estimó el costo en gas. consume este combustible El cálculo se efectuó considerando para entregar vapor saturado al secador que sólo la caldera rotatorio. Luego, conociendo que el consumo real facturado por 4.300 Lt o 2236 Kg de gas (152 horas de uso aprox.) fue de Kg/hora. $ 1.430.924, entonces es posible estimar el consumo del combustible es de 14.7 Luego, suponiendo que el abastecimiento de la caldera al secador rotatorio equivale a un 30% del uso total de la caldera, se estima que el consumo de gas para el secador Kg/hora. A continuación es de 4.4 se presentan los cálculos realizados para estimar el costo de este suministro: Tabla 1.3.5: Costo de Suministro Gas Natura Fuente: Elaboración Propia Gas Consumo de gas caldera facturado (Lt) I Densidad 1.430.924 4 Tiempo utilizado (horas) 152,0 I gas (Kg/Lt) Consumo de gas caldera_(Kq) 05 2236 O Consumo de gas calderaiKg/hora) 147 Factor de uso de gas para secado 30% Consumo de gas para secado (Kq/hora) 4,4 Costo ($/hr) • Costo adquisición materias primas ($/Kg). 1$2.824. A continuación se presentan los costos (sin IVA), de acuerdo a cotizaciones vigentes, de los materiales y materias primas necesarias para la producción del material compuesto. 1] - ~UDT ~} InnovaCI1Tle .---- CORFO UNiDAD.DE DESARROllO TECNOLOGICO Tabla 1.3.6: Costo Adquisición de Materias Primas Fuente: Elaboración Propia ~ 1 ropileno I Polvo de Lija I Aditivo 1: Lubricante Aditivo 2: Compatibilizante I Aditivo 3: Filtro UV 1 1 Aditivo 4: PJgmento • Costos Mano de Obra Directa ($/mes). Costo {USf/KG} 0/75 - 1.00 5/5 9 1515 9/75 I 11Costo {f/ KG} ~ ~ 435 -~ 5801 ~ 241 1I ~ 3.1921 I ~ 5.2231 1I ~ 8.9951 11 ~ 5.6581 11 Este costo muestra el personal necesario para la producción del material compuesto. Tabla 1.3.7: Costo Mano de Obra Directa Fuente: Elaboración Propia ·1 Unidades 1 3 720.000 12 ~UDT ~,) UNiDAD DE DESARROLLO ACTIVIDAD TECNOLOGlCO 1.4: DETERMINACIÓN DE CARACTERÍSTICAS PRODUCTOS A DESARROLLAR. Se determinaran SANITARIAS las características DE sanitarias que deben poseer los productos a fabricar en el nuevo material Hito 1.4.1: Propiedades sanitarias evaluadas: Se tendrá información respecto de las propiedades sanitarias DESARROLLO ACTIVIDAD: Para evaluar la potencialidad del uso de los productos desarrollados en base a madera-plástico, el material será evaluado de acuerdo a la norma ASTM D1413, la cual establece una metodología para evaluar el deterioro y resistencia de la madera por efectos de hongos. el material desarrollado mediante la norma AWPA El-72 Adicionalmente, se evaluará la cual presenta una metodología para evaluar la resistencia de la madera con respecto a insectos como las termitas. 13 - /-- CORFO ACTIVIDAD 1.5: DETERMINACIÓN NORMA TIVAS LEGALES PARA LOS PRODUCTOS. Levantamiento DE CONSTRUCCIÓN de información de normativas Y de construcción Hito 1.5.1 Normativas conocidas: Se deberá tener información respecto de las normativas de construcción y legales DESARROLLO ACTIVIDAD: Para del desarrollo de esta actividad, se efectuó una revisión a nivel nacional e internacional normativas vigentes que puedan ser utilizadas como referencia compuesto y de los productos finales. A continuación para el desarrollo de del material se presenta un resumen de las normas revisadas: • Normativa Chilena -NCh 176/1 Madera-Parte 1: Determinación de humedad. -NCh 176/2 Madera-Parte 2: Determinación de la densidad. -NCh 300 Elementos de fijación-Pernos, tuercas, tornillos y accesorios Terminología y designación general. -NCh 431 Construcción sobrecargas de nieve -NCh 432 Cálculo de la acción del viento sobre las construcciones. -NCh 433 Diseño sísmico de edificios. -NCh 992 Madera-Defectos a considerar en la clasificación, terminología y métodos de medición. -NCh 1198 Madera -Construcciones en Madera-Cálculo. -Nch1269 Clavos de acero de sección circular de uso general-requisitos. -NCh 1537 Diseño estructural de edificios-Cargas permanentes y sobrecargas de uso. -NCh 1990 Madera-Tensiones admisibles para madera estructural. -NCh 2149 Madera-Madera aserrada-Determinación del módulo de elasticidad en flexión- Método de ensayo no destructivo. -NCh 975: Ensayo de tracción perpendicular a las fibras -NCh 978: Ensayo de dureza -NCh 987: Ensayo a la flexión estática -NCH 973: Ensayo de compresión paralela 14 - .. UDT UNiDAD • DE DESARROLLO : , °r InnovaC 11..e ----- CORfO TECNOLOGICD Normas Internacionales -EN56-817-74: Suelos de madera: Control del acabado superficial, ensayo de resistencia al choque -ASTM C 1308 Test method for accelerated waste and computer leach test for diffusive program to model diffusive, fractional releases from solidified leaching from cylindrical waste forms. -ASTM D 143 Standard methods of testing small clear specimens of timber. -ASTM D 696 Test methods for coefficient of linear thermal expansion of plastics between 30°C and 30°C a vitreous silica dilatometer. -ASTM D792 Test methods for density and specific gravity (relative density) of plastics by displacement. -ASTM D883 Terminology relating to plastics. -ASTM D1037 Standard test methods for evaluating properties of wood-base fiber and particle panel materials. -ASTM D 1038 Terminology relating to veneer and plywood. -ASTM D 1413 Test method for wood preservatives by laboratory soít-block cultures. -ASTM D 1554 Terminology relating to wood-base fiber and particle panel materials. -ASTM D 1761 Test methods for mechanical fasteners in wood. -ASTM D 1929 Test method for determining ignition temperature -ASTM D 2017 Test method for accelerated laboratory of plastics. test of natural decay resistance of woods. -ASTM D2047 Test method for static coefficient of friction of polish-coated flooring surfaces as measured by the James machine. -ASTM D 2394 Methods for simulated service testing of wood and wood-based finish flooring. -ASTM D 2395 Test methods for specific gravity of wood and wood-based materials. -ASTM D 2481 Test method for accelerated evaluation of wood preservatives for marine services by means of small size specimens. -ASTM D 2565 Practice for xenon arc exposure of plastics intended for outdoor applications. -ASTM D 3345 Test method for laboratory evaluation of wood and other cellulosic materials for resistance to termites. -ASTM D 4000 Classification system for specifying plastic materials. -ASTM D 4060 Test method for abrasion resistance of organic coatings by the taber abraser. 15 ",,-- CORFO -ASTM D 4092 Terminology: plastics: dynamic mechanical properties. -ASTM D 4442 Test methods for direct moisture content measurement of wood and wood-base materials. -ASTM D 4495 Test method for impact resistance of poly(vinyl chloride) (PVC) rigid profiles by means of mechanical properties of lumber and wood-base structural material. -ASTM D 4761 Test methods for mechanical properties of lumber and wood-based structural material. -ASTM D 5379 Test method for shear properties of composite materials by the v-notched beam method. -ASTM D 5456 Specification for evaluation of structural composite lumber products. -ASTM D 5764 Test method for evaluating dowel-bearing strength of wood and wood-base products. -ASTM D 6109 Test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastic lumber. -ASTM D 6662 Specification for polyolefin-based plastics lumber decking boards. -ASTM E 84 Test methods for surface burning characteristics of building materials. -ASTM E 108 Test methods for fire test of roof coverings. -ASTM E 661 Test method for performance of wood and wood-based floor and roof sheathing under concentrated static and impact loads. -ASTM E 1354 Test method for heat and visible smoke release rates for materials and products using an oxygen consumption calorimeter. -ASTM F 1679 Test method using a variable incidence tribometer (VIT). -ASTM G 154 Practice for operating fluorescent light apparatus for UV exposure of nonmetallic materials. -AWPA Standard El Standard method for laboratory evaluation for determination of resistance to subterranean termites. -AWPA Standard E7 Standard method for evaluation wood preservatives by field test with stakes. Luego, y una vez realizada la revisión de las normativas expuestas anteriormente, una ficha técnica de requerimientos se confeccionó mínimos exigibles para el diseño de productos y elementos constructivos en base a compuestos de madera-plástico, la que a continuación se presenta: 16 - ...- CORFO .. .i>: Tabla: 1.5.1 : Requerimientos mínimos exigibles de los productos a desarrollar. Fuente: Elaboración Propia _s¡f'·;\.;;L'~~~7f{:Tl'~: I 1 ';t;';;?r~ "',' "x' Normath/á;\, ./ NCh 1198 NCh 1537 Diseño Diseño estructural de edificios: cargas permanentes y sobrecargas de uso. Tracción Perpendicular a las fibras NCh 975 Dureza NCh 978 Flexión Estática NCh 987 Compresión paralela NCH 973 Resistencia la Choque EN56-817-74 Tensiones admisibles para madera estructural Nch1980 Solicitaciones por nieve NCh 431 Solicitaciones por viento Nch432 Solicitaciones por sismicidad NCh 433 Contenido de humedad I NCh 176/1 Módulo de elasticidad en flexión I NCh 2149 Elementos de ñiacíón-oernos, tuercas, tornillos y accesorios I Nch300 Clavos de acero de sección circular de uso general I NCh 1269 I I I I Tabla 1.5.2: Especificaciones técnicas del producto a desarrollar Fuente: Elaboración Propia Dimensiones: Ancho Alto Lar o 1Densidad: 1Módulo de ruptura aceptable' Módulo de elasticidad aceotable: Resistencia a hongos del perfil Resistencia a rayos UV del perfil 150 mm, 30 mm, 2000 mm, 150 mm 22 mm 2000 mm 111100Kg/m3 11 Mayor a 9 MPa I Mayor a 750 MPa Los perfiles no deben presentar ataques de hongos al estar expuestos a condiciones ambientales durante su uso. Los perfiles no deben presentar una decoloración considerable o pérdidas de sus propiedades físico mecánicas al estar exouestas a rayos UV. 17 I ACTIVIDAD 1.6: REQUERIMIENTOS LEVANTAMIENTO DE INFORMACIÓN TÉCNICOS DE LOS PRODUCTOS. DE Se realizaran LOS visitas a diferentes lugares de país para levantar la información. Hito 1.6.1 Visitas realizadas: Deberán realizarse todas las visitas programadas DESARROLLO ACTIVIDAD Una obra portuaria, transporte por su particular con comportamientos compatibilizar emplazamiento, físicos muy diferentes. es una conexión Luego, el diseño pasa necesariamente por sobre todo para las maniobras de atraque y zarpe de las embarcaciones. Además, la integridad física de la obra depende del buen emplazamiento de la embarcación determinantes dos medios de algunos aspectos de sentido común como son la accesibilidad por tierra y el abrigo de la infraestructura, patrón entre y de una embarcación de ésta, de la pericia del ad hoc. Sin embargo, los factores más en el deterioro, son aquellos agentes químicos o físicos a los que se ve afectada la infraestructura. Los materiales tales como el acero, la madera yel hormigón son de naturaleza muy diferente desde el punto de vista comportamiento anatómico, de manera mecánico y trabajabilidad tal su respuesta es también a los agentes muy diferente. de La durabilidad deterioro, de estos materiales depende de su capacidad de conservar sus propiedades mecánicas y su estructura físicoquímica en el tiempo, de modo que, además del deterioro por envejecimiento por agentes tales como: fatiga, corrosión, ataque de organismos propio, esta causado vivos, ataque de sustancias químicas, desgaste y otros. A través de visitas a distintas localidades chilenas, se hizo el levantamiento de los materiales utilizados habitualmente con antecedentes en las infraestructuras de información técnica portuarias, de manera de contar de aplicaciones y materiales que podrían ser susceptibles de ser reemplazados por productos de madera-plástico. Por último, se realizó una evaluación de las infraestructuras visitadas para determinar el grado de deterioro de cada una de estas. 18 ...................................................... ······c'·····t:....··· trmova Ji .,~- ·CORFO • Localidad: Talcahuano Figura 1.6.1. Vista aérea del puerto de Talcahuano. Se visitó la Comuna de Talcahuano, específicamente el Puerto de Talcahuano (Figura 1.6.1). Este puerto cuenta con un sitio para naves comerciales con eslora máxima de 185 metros y calado operacional de 8.3 m., además de un sitio para naves pesqueras menores. El recorrido comenzó en el museo histórico remolcador Ram Poderoso, actualmente en reparaciones, donde se encuentra instalada una plataforma de acceso. La plataforma pintada y recubierta por tablas de madera. está compuesta por una estructura Cuenta con barandas metálicas, tipo tuberías, adosadas a la estructura de soporte las que también poseen una capa de pintura. se encuentra en malas condiciones, metálica estando seccionada En general, la plataforma y observándose algunos rastros de 19 6f;:~UDT ., :- Uf tOAD DE DESARROLLO TECNOLOGj({J corrosión principalmente tubos que componen observó que ésta en las zonas de ensamble (soldadura) y en parte de la superficie de los las barandas de la plataforma. presenta algunas Con respecto a la cubierta de madera, se zonas de resquebrajamiento propias de la exposición prolongada al sol y de las condiciones de humedad presentes en la zona. Figura 1.6.2: Museo "Ram Poderoso" Fuente: EPTSV Figura 1.6.3: Plataforma de Acercamiento Fuente: EPTSV Contiguo al museo se encuentra un muelle concesionado a la Universidad Católica de la Santísima Concepción (UCSC), actualmente en desuso. recubiertos de hormigón Posee una estructura metálica, con pilotes de acero en las zonas de mayor impacto por las mareas, y con una cubierta de madera de coigüe sin pintar. Además, adosadas a la estructura, cuenta con algunos tramos de barandas de acero galvanizado pintados (tubos), junto con una chaza o escalera metálica dispuesta para el embarque y desembarque de personas y productos. En general, la infraestructura totalidad, se encuentra en malas condiciones. donde el recubrimiento en la superficie del muelle esta se encuentra resequedad y resquebrajamiento. de la estructura resquebrajamiento, mediante pernos. de hormigón casi no existe. metálica Los pilotes están oxidados en su Con respecto a la madera utilizada en regulares condiciones, con un alto grado de En algunas zonas de la cubierta, los tablones se han desprendido producto de que los extremos específicamente de éstos han sufrido en la zona de apuntalamiento los efectos del con la estructura metálica En relación a las barandas, prácticamente sólo se encuentran los balaustras con un alto grado de oxidación en su superficie. Por último, con respecto a la chaza, se puede señalar que en general se encuentra en buenas condiciones, salvo por la presencia de corrosión en parte de las barandas de ésta. 20 Posteriormente, el recorrido continuó hacia el denominado "Sitio Uno", lugar donde se atiende a naves multipropósito. Esta zona está cercada en uno de sus extremos por un cierre metálico con malla ACMA, la cuál se encuentra en buenas condiciones. Durante el recorrido del Sitio Uno se observaron perimetral de la explanada. material madera-plástico faenas de recambio de adocretos en la zona Se menciona esta situación debido a que existe una aplicabilidad para el recubrimiento de superficies (Decking) como lo son del las explanadas, como sustituto de los adocretos. Figura 1.6.4: Muelle UCSC Fuente: EPTSV Figura 1.6.5: Faenas de Recambio de Adocretos Fuente: EPTSV También, en elSitioUno, se encuentran diversas chazas de estructura metálica con barandas y peldaños del mismo material pero estos últimos con un diseño de enrejado. grado de corrosión y de adhesión de algas a las estructura, encuentran en directocoritacto Figura 1.6.6: Chaza Sitio Uno Fuente: EPTSV . principalmente Se observó un alto en las zonas que se con el mar. Figura 1.6.7: Corrosión Chaza Sitio Uno Fuente: EPTSV 21 Adicionalmente, durante el recorrido se observaron diversas aplicaciones posibles para el uso de madera-plástico, entre metálica y/o madera; recubrimiento ellas: señalética portuaria, actualmente bancos de descanso, actualmente de madera; cierres perimetrales, desarrolladas fabricados actualmente con con estructura de estructura estructura metálica y y mallas metálica; y casetas de vigilancia, recubiertas con madera y planchas de zinc. Figura 1.6.8: Aplicaciones adicionales observadas en la visita al Puerto Talcahuano Fuente: EPTSV Por otro lado, se visitó el Terminal Pesquero Artesanal de Talcahuano en el cuál se observaron diversos usos para la madera-plástico continuación se presentan como sustituto de los materiales actualmente en uso. A las posibles aplicaciones observadas y las condiciones en las que se encuentran actualmente: -Recubrimiento de Exteriores: Durante el recorrido efectuado al Terminal observó la infraestructura los locales de ventas. revestimiento Pesquero Artesanal, se comercial de la caleta, específicamente lo relacionado al revestimiento Se observó la presencia Siding en base a ñbrocemento que eventualmente podría ser reemplazado por materiales de principalmente, de madera-plástico, al igual que los marcos exteriores de ventanas y algunas vigas de menor impacto estructural. -Bancos de descanso: Estructura compuesta por dos bloques de concreto utilizados como bases para la intercalación de tablones de pino impregnado, pudiendo ser, eventualmente, reemplazados por madera-plástico. 22 UDT UN1DAO DE DESARROLLO TEO¡OW:::!CO Figura 1.6.9: Aplicaciones observadas en el Terminal Artesanal de Talcahuano Fuente: EPTSV Por último, se visitó el club de Yates de ialcahuano plástico como sustituto de los materiales Pesquero observándose diversos usos para la madera- actualmente en uso. A continuación se presentan las posibles aplicaciones observadas y las condiciones en las que se encuentran actualmente: -Muelles flotantes: Estructuras utilizadas para el desembarque de personas y productos. en los materiales de construcción, se observaron 2 tipos de muelles. En el primer caso la cubierta del muelle es de madera de pino irnpreqnado, mientras que su estructura presentando ningún tipo de barandas. metálicos tanto en su estructura Basados interna es de acero, no En el segundo caso, los muelles flotantes son esencialmente como su revestímlento, además de poseer barandas metálicas. Lueqo, en ambos casos, es posible reemplazar principalmente la cubierta de madera o metálica por madera-plástíco, y las barandas metálicas para el segundo tipo de muelle flotante. -Chazas o Escaleras: Estructura metálica con peldaños de madera utilizada para el embarque desembarque de personas y productos. Las Chazas observadas se encontraban y en muy mal estado, con evidente presencia de corrosión en la estructura metálica, y la ausencia de peldaños en toda la zona inferior de la estructura. Además, se observó la presencia de algas adosadas a la superficie estructural y a la superficie de algunos peldaños. -Revestimiento de Exteriores: Durante la visita al Club de Yates de Talcahuano, de construcción existente al interior del dub, principalmente en el revestimiento como revestimiento esencialmente se observó el tipo con respecto a los materiales utilizados de la estructura. De esta forma, se determinó que el principal material utilizado corresponde a madera. Además, la estructura hecha de tabiques y vigas de madera. predominante también es cabe señalar que si bien los revestimientos 23 se encontraban en buen estado, se observó la presencia de hongos adheridos a la superficie de los recubrimientos y en parte de la estructura, propiamente tal. -Bancos de Descanso: Estructura compuesta por 2 bloques de concreto separados por una distancia cercana a 1 metro, y unidos por la base superior de éstos por intermedio madera. En relación a esto último, se distinguieron 2 configuraciones: de una estructura estructura de de madera con respaldo y sin respaldo, estando adosado el respaldo, en el primer caso, por tubos metálicos a los bloques de concreto. estructura Es importante de madera se encontraba señalar que en ambos tipos de bancos, la totalidad pintada, a modo de protección de las condiciones de la medio ambientales y como ornamentación Figura 1.6.10: Muelles Flotantes Fuente: Club de Yates Talcahuano Figura 1.6.11: Aplicaciones observadas en el Club de Yates de Talcahuano Fuente: Club de Yates Talcahuano 24 nnovaCJ1He .--- CORFO • Localidad: Lenga Se visitó Caleta Lenga, localidad perteneciente por su oferta gastronómica. plástico como sustituto a la Comuna de Hualpén conocida principalmente Durante el recorrido se observaron los potenciales usos de la maderade los materiales actualmente utilizados en su infraestructura. A continuación se presentan las posibles aplicaciones observadas: -Revestimiento infraestructura de exteriores: Durante el recorrido de la caleta, específicamente efectuado por Caleta Lenga, se observó la lo relacionado al revestimiento turísticas como locales de ventas y "stands" ubicados en la costanera. Se observó la presencia de recubrimientos en base a madera de pino y en base planchas eventualmente podría ser reemplazado por materiales de madera-plástico. que estas construcciones son relativamente de las construcciones de Zinc, revestimiento Es importante nuevas y, por ende, se encuentran que señalar en muy buen estado. -Adocretos y Baldosas: Se observó que la costanera está hecha en gran medida de concreto, material que es recubierto en su superficie principalmente por adocretos y baldosas, elementos que son susceptibles de ser reemplazados por Decking de madera-plástico. En general, la superficie de la costanera de la caleta se encuentra en muy buen estado. -Asientos y Bancos de Descanso: Estructura fabricada de hormigón a la cuál se encuentra adosada un conjunto de tubos metálicos utilizados como respaldo y barandas. Además, en algunas zonas, se presenta un armazón plástico móvil que es utilizado como una alternativa de apoya espalda. También existe una variante donde el asiento corresponde a sólo un bloque de hormigón. -Atriles para Publicidad: Estructuras fabricadas de fibra de vidrio principalmente utilizadas para la ubicación de publicidad en la costanera. 25 UDT UNi'DÁD OE·ÓE5ARP.OllÓ'TEO~'6l0~ltO Figura 1.6.12: Revestimientos de exteriores, adocretos y barandas en Caleta Lenga Fuente: caleta Lenga • Localidad: Penco Se visitó la comuna de Penco, principalmente el sector denominado Cerro Verde, donde se implementó un plan de desarrollo pesquero artesanal en el año 2001. Se observaron las posibles aplicaciones que tendría la madera-plástíco frente a las opciones actuales. A continuación se presentan los potenciales usos: -Revestimiento de extertores; Durante el recorrido efectuado por el sector Cerro Verde, se observó la infraestructura presente en los alrededores, específicamente lo relacionado al revestimiento de las construcciones, de manera de determinar que tipo de revestimiento es usado actualmente y que eventualmente podría ser reemplazado por materiales de madera-plástico. Se observó la presencia de madera de pino del tipo machihembrado y planchas de zinc, principalmente en lo que a revestimiento respecta. -Infraestructura pública: Se observaron macetas recubiertas en su superficie por pequeñas baldosas rectangulares adosadas a la estructura de hormigón. Luego, este recubrimiento es posible sustituirlo por madera-plástico. En general, las macetas se encuentran en regular estado destacando algunas ausencias del recubrimiento y rayados. Además, existen estructuras metálicas utilizadas como ornamentación del mirador las cuales, dadas que no son soporte de un gran peso, podrían eventualmente ser reemplazada por madera-plástico. 26 - (n novaChne .,,--- CORfO Figura 1.6.13: Aplicaciones observadas en la localidad de Penco Fuente: Comuna de Penco • Localidad: Tomé Se visitó la Comuna de Tomé, específicamente el muelle presente en esta comuna. Este muelle tiene alrededor de 100 años de vida, posee pilotes de acero recubiertos de hormigón en la zona de impacto del oleaje, y está recubierto por madera de coigüe y roble, y basas de eucaliptos. Al momento de la visita, el muelle se encontraba en mantención, en lo que respecta a su recubierta de madera, mantención que se realiza sin ninguna trabajadores presentes en el muelle, la mantención del muelle se realiza sólo cuando éste presenta alguna falla en su superficie o estructura, regularidad. reemplazando Según informaron la pieza en malas condiciones algunos por una nueva. En general, se puede señalar que el muelle se encuentra en malas condiciones, tanto desde el punto de vista estructural como del recubrimiento. estructura La corrosión es evidente en gran parte de la de acero, al igual que el daño presente en la superficie de madera producto de las condiciones medio ambientales a las cuales se encuentra sometido el muelle, y a los años que se encuentran permiten dichos materiales. el embarque Además, el muelle cuenta con chazas o escaleras metálicas que y desembarque de los botes pesqueros, las cuales también han sido afectadas por la corrosión. 27 IrinóvaCl1ilé ·:CORfO ...>~ Figura 1.6.14: Corrosión en estructura del Muelle de Tomé Fuente: Muelle Tomé A continuación se muestran los potenciales usos de materiales de madera-plástico en reemplazo de los usados actualmente en el muelle. -Barandas de Seguridad: Corresponden a balaustres metálicos pintados dispuestos en todo el contorno del muelle y unidos por una cuerda, cumpliendo la función de baranda para la prevención de posibles accidentes y caídas al mar. Dado que los balaustres se encuentran pintados, no fue posible determinar a simple vista si estos presentan un grado de corrosión importante. -Chazas o Escaleras: Estructura metálica con peldaños tipo enrejado utilizada para el embarque y desembarque de personas y productos al muelle. regular estado, con presencia de corrosión. Las Chazas observadas se encontraban en Además, se observó la presencia de algas adosadas a la superficie estructural ya la superficie de algunos peldaños. -Recubrimiento del Muelle: Como se anticipó anteriormente, de madera, encontrándose -Revestimiento en muy malas condiciones. de exteriores: pequeñas construcciones y equipos del muelle. la superficie del Muelle es totalmente Tanto al inicio del muelle como al término de éste existen unas utilizadas como bodegas y sala de control para el manejo de las máquinas Estas salas poseen un revestimiento además de un techo cubierto por las tejuelas de Tepa. de madera del tipo machihembrado, En general, estas construcciones encuentran en buen estado salvo por algunas grietas presentes principalmente se en lo que respecta a las paredes exteriores de madera. 28 -Señalética Urbana: La actual señalética de tránsito en el centro de la comuna está compuesto completamente por madera, la cual se encuentra mecanizada para indicar el sentido del tránsito de las calles. En general, se encuentran en buen estado. '-Bancas de Descanso: Estructura compuesta por 2 pequeños bloques de concreto separados por . una distancia cercana a 1,5 metros, y unidos por la base superior de éstos por intermedio de una . estructura de madera. En relación a esto último la estructura de madera, además de ser la zona para sentarse, también cumple la función de respaldo. estructura de madera se encontraba Es importante señalar que la totalidad de la pintada, a modo de protección de las condiciones medio ambientales y como ornamentacíón. Figura 1.6.15: Barandas de Seguridad, Escaleras y Recubrimientos de muelle .Fuente: Muelle Tomé Figura 1.6.16: Revestimiento de exteriores, Señalética Urbana y Bancas de Descanso Fuente: Muelle Tomé 29 UDT UNiDAD • DE DESARP.OlLO TECNOLOGICO Localidad: Dichato Se visitó la localidad de Dichato, perteneciente a la Comuna de Tomé. Durante el recorrido se observaron los potenciales usos de la madera-plástico como sustituto de los materiales actualmente utilizados principalmente en lo que respecta a su infraestructura pública y costera. A continuación se presentan las posibles aplicaciones observadas: -Atriles Publicitario: En la costanera de Dichato se observó la existencia de atriles publicitarios de estructura metálica, con un revestimiento de madera, y un pequeño techo cubierto por tejuelas de Tepa. En general, la estructura se encuentra en muy buen estado -Juegos Infantiles: Corresponden a estructuras fabricadas de pino impregnado, que posteriormente son pintados a modo de protección y ornamentación. En general, la estructura se encuentra en buen estado. -Revestimiento de exteriores: Durante el recorrido efectuado por la localidad de Dichato, se observó la infraestructura presente en los alrededores, específicamente las construcciones actualmente habitacionales, y que eventualmente de manera de determinar lo relacionado al revestimiento que tipo de revestimiento es usado podría ser reemplazado por materiales de madera-plástico. esta forma, se observó la presencia principalmente de De de madera de pino del tipo machihembrado. También se observó la presencia de Siding de fibrocemento cuyas características estéticas y de acabado son muy similares a las de la madera. Además, otra posible aplicación observada y que es factible de implementar en madera plástico son las rejas de madera que son utilizadas actualmente -Muelle: Estructura metálica de acero galvanizado y cubierta de madera de pino utilizado para el atraque de embarcaciones menores, como botes de pesca artesanal. se encuentra en excelente estado debido a que fue montada En general, la infraestructura recientemente. Sin embargo, contigua a ésta, aun hay vestigios del muelle anterior donde los pilotes están totalmente corroídos. -Bancos de Descanso: Estructura compuesta por 2 pequeños bloques de concreto separados por una distancia cercana a 1,5 metros, y unidos por la base superior de éstos por intermedio de una estructura de madera. para sentarse, también En relación a esto último, la estructura de madera, además de ser la zona puede cumplir la función de respaldo. Es importante señalar que la 30 totalidad de la estructura de madera se encontraba pintada, a modo de protección de las condiciones medio ambientales y como ornamentación. -Adocretos: Se observó que en algunas zonas la costanera esta se encuentra adocretos, elementos que son susceptibles de ser reemplazados por Decking cubierta por de madera-plástico. En general, la superficie de la costanera de la caleta se encuentra en muy buen estado. Figura 1.6.17: Juegos Infantiles y Atriles Publicitario en Dichato Fuente: Comuna de Dichato Figura 1.6.18: Muelle, Bancos de Descanso y Adocretos en Dichato Fuente: Comuna de Dichato 31 • Localidad: Viña del Mar Se visitó el borde costero de Viña del Mar, evaluándose la infraestructura existente. Con respecto a lo anterior, se evaluaron especialmente las plataformas de madera instaladas en la playa, junto a los revestimientos -Plataformas utilizados en las construcciones y estructuras construidas. de madera: Corresponden a tarimas de madera de pino radiata impregnadas las cuales permiten ,el transito peatonal de los visitantes y bajadas a la playa. Estas Plataformas se encuentran algunas en general en buen estado de conservación. Sin embargo, zonas evidencia del deterioro típico de estas estructuras, se puede apreciar que corresponden en a alabeos, rasgados y oxidación de herrajes. -Revestimiento madera, de exteriores: Durante el recorrido en especial pino radiata impregnado, casetas informativas, efectuado se observó como revestimiento la incorporación y estructuras, de tales como ventas de productos y camarines Figura 1.6.19: Plataformas de madera en Viña del Mar Fuente: Comuna de Viña del Mar Figura 1.6.20: Revestimiento de exteriores en Viña del Mar Fuente: Comuna de Viña del Mar 32 • Localidad: Valparaíso Se visitó el borde costero de Valparaíso, donde se evaluó la infraestructura costero. existente en su borde Destaca el Muelle Prat, el cual se encuentra remodelado y habilitado para recibir un gran número de turistas que aprovechan de recorrer el borde marítimo a través de circuitos turísticos. -Plataformas pavimentadas: Corresponde a pavimentos de hormigón, pastelones y adocretos que permiten el flujo intensivo de de peatones dentro del muelle. Figura 1.6.21: Plataformas pavimentadas en Valparaíso Fuente: Muelle Prat, Valparaíso ~Estructuras metálicas: pino radiata impregnada Corresponden a estructuras en forma de arco con perfiles de madera de y pintada, que funcionan como cobertizos abiertos, dando forma a una especie de pérqola abierta que acoge al turista. -Muelles de Hormigón: tamaño. El conocido muelle Barón, lugar donde los buques cruceros de mayor Destaca por su arquitectura simple y monolítica en base a hormigón armado. Los pasajeros son recibidos en un recinto habilitado con una red de servicios, el cual corresponde a un antiguo galpón de almacenaje existente en las instalaciones de bodegaje del muelle barón. 33 - Figura 1.6.22: Muelle Barón y Terminal de Pasajeros en Valparaíso Fuente: Muelle Prat, Valparaíso • Localidad: Frutillar Se visitó el borde costero del lago Uanquihue, principalmente lugar se procedió a visitar la infraestructura -Muelle: muelle, que construidc metálica y pilotes tubulares. la localidad de Frutillar. E:n dicho costera existente. xompletarnants de madera y montado Las maderas son principalmente sobre una plataforma de pino impregnado. Destaca la disposición del entablado de piso en forma de rombos concéntricos y las pérgolas que incorporan tejuelas. Figura 1.6.23: Muelle en Frutillar Fuente: Muelle Frutillar A continuación, se detallan los principales materiales presentes en las infraestructuras • Acero: El acero es un producto férreo, generalmente caliente. Está compuesto, principalmente, visitadas: apto para la conformación en de carbono y hierro, a los que se incorporan 34 - fn11ova UDT UNiDAD DE OESA!\;ROlLO TECNOLO~lCO -- CORfO pequeñas cantidades de otros materiales, de composición variable, según la función que cumpla al ser utilizado. Con excepción de ciertos aceros de alto contenido en cromo, el contenido en carbono es igualo inferior al 2%. Los aceros que se emplean en la construcción metálica son aceros no aleados, generalmente, conformados en caliente por laminación. Este material es el más utilizado en la construcción, debido a que tiene las mejores características mecánicasy su límite elástico es muy alto, de modo que pequeñas secciones soportan esfuerzos importantes. Dentro de las infraestructuras portuarias, el acero cumple un rol fundamental, ya que su función principal es materializar la fundación de una estructura, en particular los Pilotes. • Hormigón: El hormigón está formado por una mezcla de cemento con arena y grava, masado con agua; mezcla que fragua y adquiere solidez. Los cementos son conglomerantes hidráulicos, esto es, materiales de naturaleza inorgánica y mineral, que finamente molidos y convenientemente amasados con agua forman pastas que fraguan y endurecen a causa de las reacciones de hidratación de sus constituyentes, dando lugar a productos hidratados, mecánicamente resistentes y estables, tanto en el aire como bajo agua. En hormigones armados y pretensados se prohíbe la utilización de aditivos en cuya composición intervengan cloruros, sulfuros, sulfitos u otros componentes químicos que puedan ocasionar o favorecer la corrosión de las armaduras. Los hormigones tienen un amplio campo de uso, por ello existen diversos tipos los cuales presentan características distintas en lo que concierne a los materiales constituyentes, a su dosificación o en las condiciones de uso en obra dependiendo de su aplicación final. • Madera: La madera es un material esencialmente heterogéneo, al estar formado por tejidos de fibras de naturaleza muy diversa, cuya constitución varía con la función biológica que desempeña [1]. La madera es un derivado de un recurso renovable, y requiere menos energía de producción que otros materiales estructurales. Aunque la longitud de los elementos estructurales es limitada (excepto en las secciones laminadas-encoladas) y 35 ~,_'" / UDT UN:DAD DE DESARROLLO TEtNOLOGICO aunque los esfuerzos que pueden soportar son menores que otros materiales; alternativa es una bastante utilizada para fines constructivos. La madera que fue un material tradicionalmente resistentes, se ha visto desplazada, en este campo, desde comienzos de siglo actual; primero por el acero y posteriormente sobre los que éste puede intervenir características empleado en la construcción con funciones por el hormigón; materiales hechos por el hombre y en su proceso de fabricación para mejorar resistentes. Debido a la forma particular de crecimiento sus de los árboles, las propiedades mecánicas de la madera son muy diferentes según se determinen en el sentido de las fibras longitudinales o transversales a ellas, acrecentando todavía estas diferencias la existencia de nudos. El grado de humedad resistencia; disminuyendo influye decisivamente a medida que ésta se incrementa, saturación de las fibras (25 - 30 % para las coníferas). construcción de hasta alcanzar el punto de La madera es quizá el material de más sensible y más vulnerable a las condiciones de colocación en obra y a la solución constructiva construcción en la capacidad en la que se aplique. Por estos motivos y por su utilidad podemos decir que se trata de un material muy constructivo, para la ya que es esencial tener conocimientos de construcción en madera para aplicarla con éxito y evitar su deterioro. Por otro lado, se realizaron visitas a potenciales usuarios de los productos a desarrollar, en el sur de chile. A continuación se presenta un resumen de las empresas visitadas junto con un extracto de lo conversado. Empresa AquaChile Se establece contacto con el gerente de operaciones de la empresa, interés por aplicar estos nuevos materiales dentro de su infraestructura, quién manifiesta sobre todo si los productos tienen un mejor desempeño y están dentro de costos razonables. Empresa Portuaria Puerto Montt Se establece reunión con ejecutivos de la empresa quienes manifiestan un interés en las aplicaciones orientadas a la construcción de pasarelas y cubiertas de muelles, donde han registrado severos inconvenientes al utilizar madera. 36 - p-- novaCh CORFO Empresa Aquamet S.A. Si bien la empresa tiene interés en aplicar decking de madera plástico en sus pontones, estima que un costo alto del producto la hace inaccesible en este instante. Empresa Socovesa La empresa manifiesta interés por el desarrollo de piezas machihembradas mercado de viviendas mayor a 1500 UF, como sustituto actualmente o siding para su del siding de fibrocemento que utiliza. Cámara Chilena de la Construcción La corporación manifiesta interés en participar en la promoción de este nuevo material y tecnología constructiva, sobre todo si cumple requerimientos de durabilidad y ahorro energético, lo que permitiría contar con un nuevo producto con el cual mejorar el confort térmico de viviendas. 37 UDT UN1DADDE DESARf:QllO n TEOWLOG!CO 'hile CORFO /.,,>'~ ACTIVIDAD 1.7: DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS REQUERIDAS DE LOS PRODUCTOS. Se determinaran las propiedades físicas y mecánicas que debe poseer los productos a fabricar en el nuevo material Hito 1.7.1: Propiedades mecánicas evaluadas: Deberá tenerse la información de las propiedades mecánicas. DESARROLLO ACTIVIDAD: Producto de reuniones sostenidas con la Dirección de Obras Portuarias de Concepción y otras entidades relacionadas con el tema portuario, se concluyó que las infraestructuras portuarias públicas se encuentran reguladas bajo la normativa chilena vigente. De esta forma, las superestructuras confeccionadas en base a madera deben someterse a la Norma NCh1198, 2006, la cuál regula el uso de la madera en aplicacionesconstructivas. Con respecto a normativas de madera-plástico, se han recopilado antecedentes de la norma norteamericana con la cuál se ha desarrollado en Chile un Proyecto de Norma para la determinación de propiedades físicas y mecánicas del material, la cuál se encuentra pronta a ser publicada Todos los elementos constructivos o productos a desarrolla en base al material compuesto de madera-plástico, deberán cumplir como requerimiento mínimo la NCh 1198, 2006 en el caso de ser utilizados como elementos estructurales de alguna infraestructura, tales como edificios, puentes, etc. Estos productos deben ser capaces de soportar, con adecuada estabilidad y rigidez, la totalidad de las cargas y solicitaciones durante el montaje, construcción y uso, sin exceder las tensiones de diseño y deformaciones admisibles que se establecen en la normativa vigente. Por último, y con respectos a los requerimientos mínimos exigibles de los productos, estos al estar basados en distintas normativas serán detallados en la Actividad 1.7: "DETERMINACIÓN DE NORMATIVASDE CONSTRUCCIÓN Y LEGALESPARALOSPRODUCTOS." 38 - hile ~R :i/ .• UNiDAD OE DE5A~ROLlO ,,,--- CORFO TECNOLO~ICO ACTIVIDAD 1.8: DETERMINACIÓN DE LOS ESTANDARES DE CALIDAD PARA LOS PRODUCTOS A DESARROLLAR. Se evaluarán los productos actualmente comercializados, para conocer los estándares de calidad requeridos actualmente. Hito 1.8.1 Productos comerciales en el mercado, evaluados: Se dispondrá de información respecto de los estándares de calidad de los productos comerciales disponibles en el mercado. DESARROLLO ACTIVIDAD: Los productos de madera-plástico, o conocidos internacionalmente como WPC (Wood Plastic Composites), son por definición productos fabricados en base a materiales celulósicos como aserrín, polvo de lija y fibras, y materiales termoplásticos, Estos productos en nuestro caso el polipropileno suelen ser procesados mediante técnicas de transformación y el polietileno. de polímeros donde destacan los procesos de extrusión e inyección. El uso de madera-plástico a nivel mundial no es nuevo, pues el mercado de estos materiales se inició en EE.UU. hace casi 2 décadas, desarrollándose y creciendo ampliamente El mercado es ampliamente dominado por Norteamérica con una participación mientras que Latinoamérica representa menos del 5% del total. y según un estudio realizado por AMI-Consulting, habrá duplicado con respecto al volumen hasta la actualidad. cercana al 70%, Con respecto al mercado Europeo, para el año 2010 el volumen de mercado se del año 2003, proyectándose que 2/3 de los WPC extruídos se destinarán al mercado europeo a tableros. Además, y según señala el director de ventas y mercadeo de la división de extrusión de Milacron, Tom Brown, a pesar de que América Latina aparezca en la categoría de menor volumen, se cree que este mercado crecerá a un nivel mucho mayor, con base en los requerimientos de información y el interés que han percibido en la región durante el último año, lo anterior debido a que la región es una zona rica en fibras naturales como madera, cascarilla de arroz, granos de café, sisal, yute, fique, lino, bambú, henequén, coco, agave o residuos fibrosos de palma, lo cual podría jugar a favor del desarrollo de este tipo de compuestos. Ahora bien, y con respecto al mercado nacional, la madera plástico no es comercializada de forma masiva, pero se posee el potencial necesario para la aplicación de WPC en productos nacionales, 39 - nno\/áCFiilé --- CORFO para su exportación y para su desarrollo tecnológico. En este momento, sólo existen 2 empresas dedicadas a la venta de productos compuestos en base a madera-plástico: Lignoplast, empresa productora de pellets del material compuestos; y De Vicente Plástico (DVP), empresa que importa productos de WPC de la empresa norteamericana Timbertech. las empresas Timbertech, Además, existen representantes Lousiana Pacific y Universal Home, quienes importan de a pedido sus productos. Con respecto a lo anterior, se realizó una búsqueda de información referente a las principales empresas existentes en el mercado internacional que se encuentran comercializando madera plástica. Además, se recopilaron antecedentes con respecto a productos productos en sustitutos que representan una potencial competencia para los perfiles de madera plástico. Es importante señalar que debido a la gran diversidad de productos existentes hemos seleccionado siguientes: 2 productos que representan pisos (decking) y recubrimientos en el mercado, el 70% del mercado comercial, exteriores (siding). A continuación ellos son los se presentan las fichas técnicas de algunos fabricantes de estos productos 40 - UDT UNtDAO DE"DE5ARROlLO'TECNOLCGltO Tabla 1.8.1: Productos en madera plástico TimberTech, Tabla Piso Earthwood (DVP) Dimensiones Largo: 4880 mm. Ancho: 138 mm. Espesor: 25,4 mm. Área: 0,6734 m2 Largo: 4880 mm Ancho: 138 mm Espesor: 25,4 mm. Área: 0,6734 m2 TimberTech, Tabla Piso Twin Finish (DVP) Características Usado para Terrazas, borde de piscinas, spas y marinas. Presentan variaciones de color y veteado que imitan las variaciones naturales de las auténticas maderas nobles tropicales. Libre de mantención, antideslizante y menor absorción de temperatura. Tienen una garantía de 25 años. $38.860 Usado para Terrazas, borde de piscinas, spas y marinas. Compuesto por resinas plásticas y fibras de madera. Libre de mantención, antideslizante y menor absorción de temperatura. Tienen una garantía de 25 años. $48.230 Aplicación para terrazas y muelles $17.057 Aplicación para terrazas y muelles $35.881 Aplicación para terrazas y muelles $13.964 Largo: 3660 mm Ancho: 140 mm Espesor: 25 mm. Área: 0,5124 m2 Decking Louisiana Pacific Decking Timbertech Largo: 4880 mm Ancho: 138 mm Espesor: 25 mm. Área: 0,6734 m2 IMAGEN NO DISPONIBLE Decking Universal Home Largo: 3660 mm Ancho: 137,1 mm Espesor: 23,1 mm. Área: 0,502 m2 IMAGEN NO DISPONIBLE 41 Es importante señalar que no se detectaron productos fabricados en base a madera-plástico que sean comercializados como revestimiento de exteriores en Chile. En la actualidad, el mercado nacional de la madera plástico no está desarrollado a pesar de que se dispone de una gran cantidad de materia prima, como es el caso del aserrín y el polvo de lija. Como se desprende de la Tabla anterior, dentro de los usos nacionales que se le pueden dar a los termopolímeros con celulosa se destacan lo siguientes: -Muelles pesqueros y puertos deportivos -Terrazas -Paseos costeros -Cercas decorativas -Plataformas marinas y tabiques. Además, se observa que los productos de WPC son en su mayoría utilizados para aplicaciones "outdoor" debido a que supera a la madera en cuanto a su resistencia a los rayos UV y humedad, lo que le otorga una mayor vida útil, razón por la cual poseen un precio mas alto que los productos fabricados en madera. Adicionalmente, y como parte de la oferta nacional, es necesario considerar aquellos productos que si bien no son fabricados en base a materiales compuestos de madera plástico, si representan una potencial competencia para los productos de Wpc. Lo anterior es conocido como productos sustitutos los cuales cumplen una misma función, pero que son de naturaleza distinta. En el mercado nacional, encontramos una serie de productos sustitos a la madera-plástico general son ampliamente utilizados en el ámbito de la vivienda y construcción. y que en En este mismo contexto, se realizó una revisión de la oferta nacional, observándose que en la actualidad el número de empresas fabricantes limitado, no existiendo principalmente de productos para pisos de exteriores y revestimiento prácticamente empresas pequeñas en el rubro. Lo anterior a que las empresas productoras de materiales para revestimiento muy competitivas, y abastecen a los grandes proyectos inmobiliarios de exteriores es se debe y piso exterior son habitacionales por lo que deben contar con una alta capacidad de producción y una alta capacidad de almacenamiento. 42 Luego, es muy difícil que pequeñas empresas que también fabrican estos productos puedan entrar fácilmente al mercado, pues no cuentan con los recursos suficientes que les permita implementar una planta con la capacidad y tecnologías productivas necesarias para satisfacer las exigencias del mercado. Las empresas más grandes y que concentran la mayor cantidad del mercado, las cuales además sus productos se pueden encontrar en los principales Homecenter y centros de venta del país, son las empresas Volcán, Arauco y Pizarreño. En las siguientes anteriormente Tablas, se presentan los principales relacionadas a aplicaciones del tipo productos de las empresas pisos y revestimiento señaladas exterior, que representan una potencial competencia para los productos desarrollados en base a madera-plástico: 43 - UDT :UNiDAO:DEl'lE5ARROLLO'TECtmLOGKO Tabla 1.8.2: Productosempresa Volcán S.A. Siding Tinglado Volcán Siding Tinglado Volcán Panel Volcán Largo: 2.400 mm. Ancho: 190 mm. Espesor: 6 mm. Área: 0,456 m2 Largo: 3.600 mm Ancho: 190 mm Espesor: 6 mm. Área: 0,684 m2 Largo: 2.400 mm Ancho: 1.200 mm Espesor: 6 mm. Área: 2,880 m2 Duraboard Largo: 2.400 mm Ancho: 1.200 mm Espesor: 8 mm. Área: 2,880 m2 Principalmente usado para revestimiento exterior. Fibrocemento $1.975 Principalmente usado para revestimiento exterior. Fibrocemento $3.017 Usado para revestimiento Fibrocemento exterior. Tablero liso de fibrocemento libre de asbesto. Puede aplicarse en el exterior, en fachadas, frontones, aleros, tapacanes u otros. $10.498 $12.345 44 Como se observa en la Tabla 1.8.2, los productos comercializados por la empresa Volcán S.A. son principalmente desarrollados en base a fibrocemento y son utilizados como revestimiento de exteriores. Tabla 1.8.3: Productos Empresa Arauco S.A. o MSDCabaña MSD Machihembrado Dimensiones Largo: 3.200 mm. Ancho: 115 mm. Espesor: 19 mm. Área: 0,368 m2 Largo: 3.200 mm. Ancho: 108 mm. Espesor: 14 mm. Área: 0,3456 m2 Largo: 3.200 mm. Ancho: 83 mm. Espesor: 14 mm. Área: 0,2656 m2 MSD Machihembrado· MSD Tinglado Deck Largo: 3.200 mm. Ancho: 92 mm. Espesor: 14 mm. Área: 0,2944 m2 Largo: 3.200 mm. Ancho: 90 mm. Espesor: 32 mm. Área: 0,288 m2 Características Revestimiento Impregnado. Especial para uso exterior sin la necesidad de pinturas ni barnices. Teñido color Roble que logra la apariencia de madera nativa. $ 1.938 Revestimiento de madera de pino radiata. Seco en cámara. Contenido de humedad 12% promedio $1.139 Revestimiento de madera de pino radiata. Seco en cámara. Contenido de humedad 12% promedio $915 Revestimiento de madera de pino radiata. Seco en cámara. Contenido de humedad 12% promedio. $ 1.000 Usado para pisos de exterior $1.699 45 De la Tabla 1.8.3, se observa que la mayoría de los productos comercializados por la empresa Arauco son para aplicaciones del tipo revestimiento de exteriores, los cuales son fabricados a partir de madera de pino radiata. Tabla 1.8.4: Productos Empresa Pizarreño S.A. Fuente: Elaboración Propia; datos empresas Pizarreño S.A. mensiones Características Largo: 2.400 mm. Ancho: 1.200 mm. Espesor: 8 mm. Area: 2,880 m2 Permanit Liso Largo: 2.400 mm. Ancho: 1.200 mm. Espesor: 6 mm. Area: 2,880 m2 Permanit Ranurado Largo: 3.660 mm. Ancho: 150 mm. Espesor: 6 mm. Area: 0,5490 m2 Siding Madera Liso Largo: 3.660 mm. Ancho: 150 mm. Espesor: 6 mm. Area: 0,6954 m2 Siding Madera Liso Placaplana semiprensada, densidad estándar, fraguada por autoclave, para revestimientos de muros y tabiques (interiores y exteriores). $12.320 Placa plana semiprensada, con textura de madera listoneada vertical, densidad estándar, fraguada por autoclave, para revestimientos de muros y tabiques (interiores y exteriores) $8.840 Tinglado de fibrocemento, COn textura lisa ó veta de madera, densidad estándar, fraguada por autoclave, para revestimientos exteriores. $2.017 Tinglado de fibrocemento, con textura lisa ó veta de madera, densidad estándar, fraguada por autoclave, para revestimientos exteriores. $3.017 46 - "\UQT 1 ,< ."<,. UNiDAD DE DESARROllO TECNOLOGICO " '-C'-~- CORFO Al igual que la empresa Volcán S.A., los productos comercializados por Pizarreño S.A. son principalmente desarrollados en base a fibrocemento y son utilizados como revestimiento de exteriores. También existen otras empresas de menor envergadura, donde sus productos se caracterizan por ser más selectivos y de calidad, llevando consigo un precio un poco mayor. Este es el caso de las empresas De Vicente Plásticos (DVP) y Louisiana Pacific (LP), y en menor medida, Vytec- Canadá. Los productos de estas empresas también se pueden encontrar en los principales centros de ventas del país, pero con una menor participación que las tres grandes empresas mencionadas anteriormente. A continuación se muestran sus principales productos los que claramente corresponden a productos sustitutos de los compuestos de madera plástico. 47 Tabla 1.8.5: Productos Empresa De Vicente Plástico. Fuente: Elaboración Propia; datos empresas De Vicente Plástico. características Vinyl Siding, American Dream Modelo Alemán Vinyl Siding, American Dream Modelo Americano Vinyl Siding, Revestimie nto Board &. Batten Vinyl Siding, Revestimiento Portsmouth Shake Largo: 3.800 mm. Ancho: 200 mm. Espesor: 1 mm. Área: 0.760 m2 largo: 3.800 mm. Ancho: 200 mm. Espesor: 1 mm. Área: 0.760 m2 Largo: 3.050 mm. Ancho: 508 mm. Espesor: 28.6 mm. Área: 1,5494 m2 Largo: 1220 mm. Ancho: 356 mm. Espesor: 25.4 mm. Área: 0,4343 m2 Revestimiento para fachada casa, reemplaza la pintura, el enchape ladrillo etc. Revestimiento exterior de PVc. $4.109 Revestimiento para fachada casa, reemplaza la pintura, el enchape ladrillo etc. Revestimiento exterior de Pvc. $3.273 Diseño horizontal que permite obte ner un efecto que se asemeja a una superficie recubierta con tablas vertica les, tiene vetas similares a la madera natural $31.711 Su diseño permite que la fachada luzca un aspecto natural de la tejuela de alerce, tan característica del sur de chile. La terminación de la tej uela puede ser recta o redonda, con vetas similares a la madera natural. $ 16.600 De la Tabla 1.8.5 se observa que mayoritariamente utilizados como revestimiento los productos son fabricados de PVC y son de exteriores de viviendas. 48 Tabla 1.8.6: Productos Empresa Louisiana Pacific Chile. Fuente: Elaboración Propia; datos empresas Lousiana Pacific Chile características Espesor: 11.1 mm. Área: 928 m2 SmartSide Panel Usados como revestí miento de exterior $ 10.702 Largo: 4.880 mm. Ancho: 200 mm. Espesor: 9,5 mm. Á m2 Usados como revestimiento exterior SmartSide LAP de $3.273 Tabla 1.8.7: Productos Empresa Vytec Fuente: Elaboración Propia; datos empresas Homecenter Sodimac ca racterísticas Largo: 3.810 mm. Ancho: 200 mm. Espesor: 1 mm. Área: 0,762 m2 Siding de PVC Usados como revesti miento de exterior $2.933 49 " . UDT UNiDAD OE DESARROLLO In líOvaCh·jl e .. 'CORfO TECNOLOGICO ,.--~ Como se observa en las Tablas anteriores, ambas empresas comercializan productos principalmente para revestimientos de exteriores. Sin embargo, y como se presentó en la Tabla 1.10, Lousiana Pacific y Timbertech también desarrollan aplicaciones para pisos de exterior en madera plástico. Adicionalmente, tampoco existen otro grupo de empresas que si bien no concentran son del tamaño de las empresas mencionadas anteriormente, el mercado, como si destacan por ser empresas familiares de vasta experiencia en producción de pino Oregón y maderas nativas. Hay cinco empresas en el sur de chile, que son reconocidas por producir maderas de excelente calidad, estas son Empresas Voipir, Maderas Venturelli, Maderas Añihué, Maderas Tantauco y Maderas del Sur. A continuación se presentan los principales productos comercializados por estas empresas: Tabla 1.8.8: Productos Empresas Voipir Dimensiones Tabla 1.8.9: Productos Maderas Venturelli Dimensiones 50 UDT UNiDAD DE DESARP.OLlOiECNOLOG!CO Tabla 1.8.10: Productos Maderas Añihué Fuente: Elaboración Propia; datos Maderas Añihué Tabla 1.8.11: Productos Maderas Añihué Fuente: Elaboración Propia; datos Maderas Añihué 51 InnovaLhile .---CORFO Tabla 1.8.12: Productos Maderas Tantauco Fuente: Elaboración Propia; datos Maderas Tantauco Producto Dimensiones 1220 x 2440 x 4 mm - 1220 x 2440 x 6 mm x 2440 x 9 mm 1220 x 2440 x 12 mm 1220 Ulmo Ulmo Ulmo 1220 x 2440 x 30 mm 52 Tabla 1.8.13: Productos Maderas del Sur Fuente: Elaboración Propia; datos Maderas del Sur Dimensiones 1" x 5" x 320 m 314" De las Tablas anteriores x 5" x 3 20 m se observa que los materiales utilizados para las fabricaciones de los productos de estas empresas son en su totalidad basados en madera. 53 UDT -~---- CORFO UNiDAD DE DESARP,OLlOTECNOLOGICO ETAPA 2: DISEÑOS CONSTRUCTIVOS ACTIVIDAD 2.1: PRODUCCIÓN DE PERFILES PARA DETERMINAR PROPIEDADES DEL MA TERIAL. Se fabricarán perfiles del material madera-plástico para determinar las propiedades mecánicas del material. Hito 2.1.1 Perfiles producidos: Se fabricarán perfiles en base al material. DESARROLLO ACTIVIDAD Previamente a la fabricación de perfiles del material compuesto, se realizaron pruebas a nivel de laboratorio para evaluar la factibilidad de utilizar distintas formulaciones. Para ello, se utilizó un mezclador de rodillos y una prensa hidráulica para confeccionar las placas del material compuesto y evaluar las distintas dosificaciones del polímero, polvo de lija y aditivos. Posteriormente, las placas de madera plástico obtenidas fueron sometidas a pruebas de decoloración por agua y sol, junto con pruebas de retención de agua. De esta forma, las conclusiones de este ensayo serán utilizadas para apoyar la toma de decisión en relación a la formulación final del material compuesto. A continuación se presentan algunas de las formulaciones desarrolladas. 4 Tabla 2.1.1: Ensayos a nivel de laboratorio para pruebas de decoloración y absorción de humedad 15% - 3,0% Figura 2.1.1: Placas de material compuesto para pruebas de decoloración y absorción de humedad 54 UDT UNiDAD DE DESARROLLO TECNOLOGICO Como se señaló previamente, las placas obtenidas serán sometidas a pruebas de decoloración por sol, por agua y absorción de humedad. A continuación se presenta la descripción de cada una de estos ensayos: • Decoloración por agua: Para el desarrollo de estas pruebas las placas serán sumergidas parcialmente en una cubeta de agua (la mitad de la placa aproximadamente) horas, serán retiradas y secadas a temperatura registro fotográfico • ambiente. y, luego de 3 Posteriormente, se tomará un de manera de evaluar el grado de decoloración de las placas. Decoloración por sol: Para el desarrollo de estas pruebas se montó un atril al aire libre, orientado 30° hacia el norte, con respecto a suelo. las cuáles serán fotografiadas cada 8 horas. Una vez transcurridas guardadas bajo techo para luego de transcurridas libre. Luego, se ubicarán cada una de las placas las 8 horas, las placas serán 16 horas ser expuestas nuevamente al aire Esta experiencia se repetirá a lo largo de 7 días de manera de obtener un registro del grado de decoloración producto de la exposición de las placas al sol. • Absorción de agua: Para el desarrollo de estas pruebas las placas desarrolladas previamente fueron pesadas registrándose en una planilla su masa inicial, para luego ser sumergidas completamente en una cubeta de agua. Una vez transcurrido 2 horas de estar sumergidas, las placas son retiradas y secadas (con papel) para luego ser pesadas nuevamente, nueva masa. Esta operación se repetirá en 3 oportunidades registrando registrando su todos los pesos obtenidos, con una frecuencia de 2 horas por cada operación. Luego del último pesaje (después de 8 horas de estar sumergidas) se esperarán 16 horas más a modo de registrar la variación en peso después estar 24 horas sumergidas. replicará lo anterior para registrar la variación Por último, se en masa después de 48 horas de estar sumergidas. De la información recopilada a nivel de laboratorio, se determinó que las formulaciones mejores resultados entregaron fueron aquellas que contenían el polipropileno y un 4% de lubricante. base de formulación que PH 0322 en un 50% De esta forma, los ensayos que se realizarán posteriormente tendrán como 50% de PH 0322, 50% de Polvo de Lija y un 4% de Lubricante. 55 mnovaCllrre ,---- CORFO Con respecto al compatibilizante, inyectadas las que se fabricaron 3 formulaciones con las que se obtuvieron posteriormente fueron objeto de estudio para la determinación probetas de las propiedades mecánicas del material, en particular, ensayos de flexión y tracción, además de ver el efecto que tiene el compatibilizante en el material. A continuación se presentan los resultados de los ensayos realizados, donde E es el módulo de elasticidad a la tangente, cry el punto de fluencia, f.y es el porcentaje de deformación al límite elástico, aM es la resistencia a la tracción en el punto de máxima carga, Er es el porcentaje de elongación al punto de ruptura, y la deformación está dad cuando la carga disminuye al 80% Tabla 2.1.2: Ensayo NO 1 TRACCIÓN: 4% Lubricante - 0% Compatibilizante E(I\It>a) 2)2,5 2)0,4 Prorredlo De9l. Estanda" Mil Max 184,5 2)1,0 212, 1 196,2 214,4 201.6 10,0 184,5 214,4 sy(rvtB) e.¡(%) sM (rvtB) 21,885 22,313 22, 137 22,~8 22,140 22,764 22,555 22.259 0.3>7 21.885 22.784 4,W 21,887 22,:D4 22, 137 22,a?8 22, 140 22,764 22,556 22.~ 0.3>7 21887 22,764 4,al> 4,al> 4,116 3,947 3,00) 4,al> 4.137 0.134 3,947 4,3J7 &(%) 4,431 4,700 4,364 4,375 4,543 4,375 4,200 ~ 0100 4,200 4,700 Tabla 2.1.3: Ensayo NO 2 TRACCIÓN: 4% Lubricante - 2% Compatibilizante Promedio Desv. Estandar Min Max E(Mpa) 192,1 179,5 186,6 164,9 177,3 173,8 193,9 cry(Mpa) 39,174 38,796 38,729 38,609 38,199 38,865 38,811 r.y (%) 4,837 4,971 4,712 4,702 4,690 4,938 4,825 crM1Mpa) 39,174 38,796 38,730 38,628 38,199 38,866 38,814 Er(%) 4,915 5,050 4,836 4,758 4,735 4,994 4,859 181,2 10,4 164,9 193,9 38,740 0,295 38,199 39,174 4,811 0,115 4,690 4,971 38,7 0,3 38,2 39,2 4,9 0,1 47 5,1 56 rnnovaCfiHe CORFO .--- Tabla 2.1.4: Ensayo NO 3 TRACCIÓN: 4% Lubricante - 4% Compatibilizante Fuente: Elaboración Propia Promedio Desv. Estandar Min Max deformación anterior E(Mpa) 172,9 168,6 171,3 166,9 166,8 173,8 165,2 oy(Mpa) 56,522 56,400 56,325 56,855 56,783 56,196 56,235 oM (Mpa) 56,579 56,456 56,381 56,912 56,840 56,252 56,291 Er1%1 5,402 5,470 1694 33 165,2 173,8 r.y (%) 5,367 5,465 5,546 5,365 5,387 5,756 5,788 . 56474 0,260 56,196 56,855 5,525 0,181 5,365 5,788 56,5 0,3 56,3 56,9 5,5 02 54 5,8 5,552 5,370 5,392 5,762 5,794 medida taje de al límite elástico aumenta a medida que se le añade mayor cantidad del aditivo. De lo podemos concluir que el material a medida que se le incorpora una mayor cantidad de compatibilizante su capacidad elástica se ve disminuida, incrementándose su capacidad plástico con respecto a la tracción, lo que implica una menor rigidez del material. Con respecto a los ensayos de flexión, los resultados se presentan a continuación, donde Fm es la fuerza máxima, E(b) es el modulo de elasticidad y crfM es la resistencia a una deformación 11,95 grados: Tabla 2.1.5: Compatibilizante Promedio Desv. Estandar Min Max Ensayo NOl Fm (N) 66,145 66,255 66,925 65,455 65620 65,785 65,620 65,972 0,511 65,455 66,925 Tabla 2.1.6: Ensayo Compatibilizante NO 2 FLEXIÓN: 4% Elt&(GPa) 1,532 1,434 1,313 1,227 1,403 1,409 1,430 1,393 0,097 1,227 1,532 FLEXIÓN: 4% Lubricante - 0% afM (MPa) 33,187 33,492 33,275 32,890 33,345 33,229 33,146 33,223 0,186 32,890 33,492 Lubricante - 2% 57 lnnovaCI11re CORFO ,---- Promedio Desv. Estandar Min Max Tabla 2.1.7: Fm (N) 81,090 81,315 80,175 80,370 79,815 80,315 80,095 80,454 0,546 79,815 81,315 E(b)(GPa) 1,353 1,479 1,505 1,605 1,345 1,529 1,385 1,457 0,099 1,345 1,605 afM (MPa) 40,808 40,983 40,650 40,749 40,498 40,479 40,368 40,648 0,215 40,368 40,983 Ensayo NO 3 FLEXIÓN: 4% Lubricante - 4% Promedio Desv. Estandar Min Max Fm (N) 96,035 95,352 96,548 94,998 95,023 95,254 95,152 95,480 0,587 94998 96,548 E(b)(GPa) afM (MPa) 1,463 47,213 1,536 47,113 1,565 47,367 47,421 1,632 1,542 47,255 1,486 47,369 1,524 47,358 1,535 47,299 0,055 0,109 1,463 47,113 1,632 47,421 De las tablas anteriores se observa que la fuerza máxima, el módulo de elasticidad y la resistencia a la deformación aumentan a medida que se le incorpora una mayor cantidad de compatibilizante. De esta forma, se concluye que el material es más rígido y se opone a la flexión de mayor forma a medida que se le añade más compatibilizante. 58 ·~UDT .,.:,;..;8;..../ UNiDAD DE OESARROllO TECNOLOGICO Posteriormente, y con los resultados obtenidos anteriormente, para determinarles madera. se comenzó la producción de perfiles las propiedades mecánicas basados en la norma chilena de la madera de la En particular, las normas utilizadas para los ensayos fueron las siguientes: -Ensayo de tracción perpendicular a las fibras (Nch975): se fabricaron 10 probetas de 50 x 50 x 63 mm, por cada formulación. -Ensayo de dureza (Nch978): se fabricaron 10 probetas de queda en 30 x 50 x 150 mm, por cada formulación. -Ensayo a la flexión estática (Nch987): se fabricaron 10 probetas de 30 x 50 x 760 mm, por cada formulación. -Ensayo de compresión paralela (NCH973): se fabricaron 10 probetas de 25 x 25 x 100 mm, por cada formulación. -Suelos de madera: Control del acabado superficial, ensayo de resistencia al choque (EN56817-74): se fabricaron 10 probetas de 30 x 147 x 147 mm, por cada formulación. Por otro lado, se tomó contacto con la Ingeniera Nora Schicchi, del Laboratorio de Ensayos FísicoMecánico de INTI-PLÁSTICOS Argentina, realicen ensayos de envejecimiento para que durante el mes de septiembre acelerado en sus equipos. estimación real de la duración de los perfiles de madera-plástico, Esta actividad de 2009 se nos dará una la que se estima en 15 años. Esta actividad tomará alrededor de 2 meses, pero se realizará en paralelo con las otras actividades y nos servirá para confeccionar una ficha técnica. 59 Figura 2.1.2: Producción de Perfiles Prototipos Figura 2.1.3: Producción de Perfiles Prototipo 60 e. UDT ., 1 Uf'l'DA[) DE DESARROLLOTECNOlCGKO Figura 2.1.4: Dimensionamiento de Probetas para ensayos mecánicos ¡r Figura 2.1.5: Ensayos mecánicos (Flexión) Fuente: UDT 61 ACTIVIDAD 2.2: DEFINICIÓN TIPO DE PRODUCTOS A DISEÑAR. Con los datos de la etapa 1se determinarán los productos a diseñar. Hito 2.2.1 Productos definidos: Dentro de una gama de productos se definirán los más adecuados para el proyecto. DESARROLLO ACTIVIDAD Los productos a desarrollar (Pisos), y Siding (Revestimiento de diseños tentativos de exteriores). ha obtener aplicaciones constructivas: Decking Luego, se planteó al equipo de trabajo un conjunto para determinar cuales serían los productos mas adecuados para desarrollar. 1 rr======;¡ fueron orientados "g,=_11 Muelles Terrazas 11 1I REVESTIMIENTO EXTERIORES DE =~I Orientados a Viviendas Embarcaderos 11Marinas 1I Figura 2.2.1: Aplicaciones preliminares Fuente: Elaboración Propia 62 UDT UN;DAD DE DESARROLLO TECNOlOGKO ACTIVIDAD 2.3: DEFINICIÓN VARIABLES DE DISEÑO A UTILIZAR. Se determinarán las variables necesarias para realizar el diseño Hito 2.3.1 Variables definidas: Dentro de todas las variables posibles se definirán las más pertinentes DESARROLLO ACTIVIDAD Para realizar el diseño de los productos que serán extruidos en madera-plastico, se utilizó como principal referente lo que recomienda la norma NCh 1198,2006. Madera-Construcciones en Madera- Cálculo, las cuales considera las siguientes condiciones: • Las solicitaciones están de acuerdo con la realidad en cuanto a su magnitud, tipo y duración. • El compuesto madera-plástico representará las condiciones promedio del material. • Se da la debida importancia a las condiciones de servicio, incluyendo posibles deterioros en los elementos y corrosión de las uniones metálicas. • El diseño es competente, existe buena fabricación y montaje; son confiables y el mantenimiento • Los productos la clasificación e inspección normal. de madera-plástico desarrollados son usados tal como se clasificaron y fabricaron para su uso final. Cargas y Solicitaciones. En la determinación de las solicitaciones de pesos propios y sobrecarga se deben considerar los valores unitarios establecidos en la NCh1537. En la determinación de las solicitaciones debidas a la acción de la nieve se deben adoptar las disposiciones establecidas en la NCh 431. 63 &~UDT ~;/ "NiDAD DE DESARROLLO TECNOLOGlCO En la determinación de las solicitaciones debidas a la acción del viento se deben adoptar las debidas a la acción sísmica se deben adoptar las disposiciones establecidas en la Nch432. En la determinación de las solicitaciones disposiciones establecidas en NCh433. El diseño debe considerar distribución o concentración las magnitudes las combinaciones de cargas que se estimen probables y además, la más severa de estas cargas. En la selección de las combinaciones y de de las cargas a combinar se debe considerar la probabilidad de simultaneidad de ocurrencia de los distintos componentes de la combinación. Cuando las solicitaciones de viento y de sismo sean factibles, se considerará sólo aquella que induce las mayores tensiones, no requiriéndose el análisis de su efecto simultáneo. Adicionalmente, los productos desarrollados, y en particular las aplicaciones del tipo Decking, deben contar con algún tipo de diseño superficial que logre una adherencia a él, de manera que tengan la propiedad de ser una superficie antideslizante. propuesto alternativas Para ello, y como se verá mas adelante, se han relacionadas con el diseño y con acciones en el acabado superficial post- producción. 64 - ~UDT ~} InnóvaCl1He ,------- CORFO UNiDAD DE DESARROllO TEOIOLOGICO ACTWIDAD PORTUARIA. estudiadas 2.4: DISEÑO PRELIMINAR DE PRODUCTOS INFRAESTRUCTURA Se obtendrá un diseño preliminar de productos en función de las variables y luego el diseño final de los productos. Hito 2.4.1 Diseño preliminar productos de infraestructura definido: Se lograra un diseño preliminar para los portuaria DESARROLLO ACTIVIDAD • Pisos o Deckinq Se desarrolla un piso o deck de madera-plástico, siguientes dimensiones geométricas: y con acabado superficial en base a un molde existente, que tiene las 15 cm de ancho, por 3 cm de espesor y un largo de 2.5 m antideslizante mediante el desgaste de una de sus caras. El uso principal será la construcción de muelles y marinas. La masa estimada para este perfil es de 12,35 Kg. Se planteó el mismo diseño anterior pero con 2,2 cm de espesor. Con lo cual la masa estimada para este perfil será de 10,52 Kg. Y se logra modificando el molde en su salida. +1 Figura 2.4.1: Diseño de Perfil NOl (3,0 cm) y N02 (2,2 cm) Fuente: Elaboración Propia Piso o deck de madera plástico de 15 cm de ancho por 3 cm de espesor y un largo de 2.5 m, con ranurado de 10 cm de cara superior y cara inferior, permitiendo uso principal será la construcción para marinas y obras portuarias. una mejor adherencia. El La masa estimada para este perfil es de 10,89 Kg. 65 IfinovaCliile ---- CORFO Además, se planteó el mismo diseño anterior pero con 2,2 cm de espesor. La masa estimada para este perfil es de 7,59 Kg. Figura 2.4.2: Diseño de Perfil N03 (3,0 cm) y N04 (2,2 cm) Fuente: Elaboración Propia -Piso o deck de madera plástico de 15 cm de ancho por 3 cm de espesor y un largo de 2.5 m, con ranurado en ambas caras. El uso principal será la construcción de muelles y marinas. La masa estimada para este perfil es de 10.07 Kg. Además, se planteó el mismo diseño anterior pero con 2,2 cm de espesor. La masa estimada para este perfil es de 6.77 Kg. ..•• ~---------- ·'S"tlc..n· . ---~j Figura 2.4.3: Diseño de Perfil N05 (3,0 cm) y N06 (2,2 cm) Fuente: Elaboración Propia -Piso o deck de 15 cm de ancho por 3 cm de espesor y un largo de 2.5 m, con rebaje lateral en el cual se colocan dispositivos que permiten la sujeción del perfil mediante tornillos. principal será la construcción de muelles y marinas. El uso La masa estimada para este perfil es de 12,05 Kg. Además, se planteó el mismo diseño anterior pero con 2,2 cm de espesor. La masa estimada para este perfil es de 8,75 Kg. 66 - InnovaCliTle CORFO .---- fJ ¡_OL1 ~~.!-l- --wh~ l Figura 2.4.4: Diseño de Perfil N07 (3,0 cm) y N08 (2,2 cm) Fuente: Elaboración Propia -Piso o deck de madera plástico de 15 cm de ancho por 3 cm de espesor y un largo de 2.5 m, con alvéolos que permiten el ahorro de material y, por ende, un costo inferior, y un rebaje lateral para dispositivo de ensamble. mecánicas no se vean disminuidas. portuarias. Sin embargo, deben evaluarse que las propiedades El uso principal será la construcción para marinas y obras La masa estimada para este perfil es de 9,85 Kg. Además, se planteó el mismo diseño anterior pero con 2,2 cm de espesor. La masa estimada para este perfil es de 6,55 Kg. .••..---~- ~'-- 15),••••.. "' ..• - IY'-+--i lila..- • ~~~4_~-4 ~ m,'''' __ ~~ L.!------- --1--I L . Figura 2.4.5: Diseño de Perfil N09 (3,0 cm) y NOl0 (2,2 cm) Fuente: Elaboración Propia -Piso o deck tipo tinglado de 15 cm de ancho por 3 cm de espesor y un largo de 2.5 m, con pestañas de 4.5 cm y 3 cm, que permiten la unión a otros perfiles mediante el traslape de las piezas. Además, el traslape puede ser completo o no, otorgando superficie el piso. El uso principal será la construcción para marinas distintos diseños a la y obras portuarias. La masa estimada para este perfil es de 10,52 Kg. Además, se planteó el mismo diseño anterior pero con 2,2 cm de espesor. La masa estimada para este perfil es de 7.70 Kg. 67 i ¡ .- l~'__ 1--\...-1 __ o ¿ '''--'~ ~_-----JF=:",.·~=:J'::---·~~; :. ... c: Figura 2.4.6: Diseño de Perfil NOll (3,0 cm) y N012 (2,2 cm) Fuente: Elaboración Propia • Revestimiento de exteriores o Sidinq Una segunda propuesta de productos a desarrollar exteriores, lo forman los perfiles de revestimientos los cuales pueden ser colocados en forma horizontal Tinglado por ser uno de los sistemas constructivos o vertical. Se ha escogido el más flexibles como aplicación y uno de los más utilizados en la zona. A continuación se presentan las propuestas: -Tinglado de 18 cm de ancho por 1,4 cm de espesor en el centro y 0,7 cm de espesor en sus pestañas, y un largo de 2.5 m .. La masa estimada para este perfil es de 4,91 Kg. INm.---- ,~f ; I k- ---r¡ ·_1 7~b.'~-J------T! h=JÓ!.""" .: J 11\Iqo Figura 2.4.7: Diseño de Perfil N013 Fuente: Elaboración Propia -Tinglado de 19 cm de ancho por 0,7 cm de espesor y un largo de 2.5 m. . La masa estimada para este perfil es de 3,61 Kg. Además, se presenta la opción de ranuras en el diseño superficial. 68 I"rinovaCfiilé ---- CORFO L- ~~ L------- ~r ,----------....----------, -t 1...-----------------------', ~ , Figura 2.4.8: Diseño de Perfil N014 Fuente: Elaboración Propia Una vez planteadas las alternativas anteriores al equipo de trabajo, se escogieron 4 diseños a los que posteriormente se les determinarán sus propiedades mecánicas. En particular, estos 4 diseños estarán orientados a aplicaciones de piso o deck, pues existe una mayor demanda en nuestro país influenciada por los continuos planes y programas de infraestructura costera y portuaria del Ministerio de Obras Públicas y la Dirección Nacional de Obras Portuarias -El piso o deck de madera plástico de 15cm de ancho por 3cm de espesor y un largo de 2,5m, con ranurado en ambas caras (masa estimada del perfil =10,07 Kg). -El piso o deck de madera plástico de 15cm de ancho por 2,2cm de espesor y un largo de 2,5m, con ranurado en ambas caras (masa estimada del perfil =6,77 Kg). -El piso o deck tipo tinglado de 15cm de ancho por 3cm de espesor y un largo de 2,5m, con pestañas de 4,5 cm y 3 cm (susceptibles de ser cambiadas) que permiten el ensamble a otros perfiles mediante el traslape de las piezas (masa estimada del perfil =10,52 Kg). -El piso o deck tipo tinglado de 15cm de ancho por 2,2cm de espesor y un largo de 2.5m, con pestañas de 4,5 cm y 3 cm (susceptibles de ser cambiadas) que permiten el ensamble a otros perfiles mediante el traslape de las piezas (masa estimada del perfil =7,70 Kg). 69 UN!DAO DE DESARROLLO TECNOLOGICO ACTIVIDAD 2.5: ESTUDIO DE RESISTENCIA HERRAMIENTA DE DISEÑO Y SIMULACIÓN. MECÁNICA MEDIANTE Se utilizará una herramienta de diseño, calculo de elementos finitos y simulación para acelerar el proceso de diseño Hito 2.5.1 Diseño evaluado con herramienta de simulación: Se estudiara la resistencia mecánica mediante una herramienta de diseño y simulación. DESARROLLO ACTIVIDAD Para el desarrollo de esta actividad se utilizó el software Solidworks 2008 con el cual se estudió la resistencia mecánica de los 4 perfiles señalados en la Actividad 2.4, y tener una estimación de las características mecánicas de los diseños en perfiles de 1 metro de largo, ensayos que escapan de lo definido en las normas utilizadas anteriormente. material compuesto de madera-plástico Lamentablemente, en sus librerías. el software Por tal razón, no incluye el se propusieron los siguientes escenarios: -Simulación para perfiles de polipropileno: con ello se obtiene una cota plástica de las propiedades mecánicas. -Simulación para perfiles de madera: con ello se obtiene una cota elástica de las propiedades mecánicas. -Simulación para con una aleación de madera y plástico al 50% en masa para cada uno: con ello se obtiene una cota plástica de las propiedades mecánicas. A continuación se presentan algunas de las modelaciones realizadas en el software para cada uno de los 4 perfiles y para cada simulación realizada (flexión, tracción y compresión) Figura 2.5.1: Simulación ensayos de tracción 70 - íli:\UDT ~ rnnovaCfiHe CORFO .~--- UNlDAO DE (lESA.~P.OUO TEOIOlOGICO Figura 2.5.2: Simulación ensayos de Compresión Paralela Fuente: Elaboración Propia Figura 2.5.3: Simulación ensayos de Flexión Fuente: Elaboración Propia Los resultados obtenidos de acuerdo a la resistencia máxima a la flexión, tracción y compresión se muestran a continuación: Tabla 2.5.1: resultados Simulación Fuente: Elaboración Propia, en base a simulación hecha en SolidWorks Simulación Material I Polipropileno Madera Aleación PP-madera Flexión (KN) 25,1315 10,0526 7,53945 Tracción (KN) 24,627 9,8508 7,3881 Compresión 122,435 48,974 36,7305 Es importante señalar que además de los diseños mostrados anteriormente, se evaluaron otras alternativas de diseños, pero de acuerdo a los resultados obtenidos estos fueron los mejores desde el punto de vista mecánico. En forma complementaria se realizaron una serie de ensayos, con el fin de contar 71 UDT UN!DAD DE DESAR.ROllO TECNOLOG!CO a. Ensayos a realizar • Determinación de la densidad • Compresión paralela • Compresión perpendicular • Tracción perpendicular • Tracción paralela • Cizalle • Dureza • Flexión estática Se utiliza 10 probetas en la mayoría de los ensayos, asumiendo que estas están libres defectos y son representativas Adicionalmente de los perfiles de wpc. se elaboró un seminario de título, en la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Bío-Bío, donde se abordo en detalle este aspecto (Ver Anexo ). ACTIVIDAD 2.6: DISEÑO FINAL PRODUCTOS PARA INFRAESTRUCTURA PORTUARIA. Se obtendrá un diseño final de productos en función de las variables estudiadas. Hito 2.6.1 Diseño final definido: Se logrará un diseño final de los productos para infraestructura portuaria. DESARROLLO ACTIVIDAD Se elaboraron constructivas diseños finales de productos en forma de prototipos. que permitirían construir Los primeros diseños finales fueron elementos no estructurales que permitían confeccionar una pasarela y a una plataforma se realizaría en lo que sería el nuevo terminal Talcahuano y museo histórico experiencias de muelle que de pasajeros, en el sitio del puerto de naval remolcador RAM poderoso. Sin embargo por 72 problemas ocasionados por el terremoto y posterior tsunami del 27 de Febrero del 2010, solo quedo en etapa de arquitectura y modelación 3D. El diseño final que finalmente se materializó fue el perfil extruido de piso, de 0,15 X 0,03, el cual fue posteriormente mecanizado en su cara superior con escobillas que mejoraron el coeficiente de roce (Figura 2.6.1). que permite Con este producto se habilitó una escala de hormigón la bajada a la playa de Ma.ule. Los perfiles extruidos de madera-plástica fueron confeccionados en largos de 1,00 y 1,5 m. También se realizaron perfiles de madera-plástico, que permitieron galvanizadas, en las instalaciones de Galva 8, que se convirtieron prototipos de una futura incorporar este material línea' de productos de mobiliario construir 2 bancas en los dos primeros urbano que considerará (Figura 2.6.2). Figura 2.6.1 Diseño final, perfil extruido de 0,15 X 0,03 m que después es escobillado en su cara superficial para mejorar su coeficiente de roce, lo que permitirá su utilización en terrazas . . 73 rnnovaChHe CORFO ,-- ~~~:~~eí) ----~-~- - -- Ir:, , Figura 2.6.2 Diseño final de mobiliario urbano, desarrollado en conjunto con la empresa Galva 8 , donde se utilizan los perfiles extruidos de 0,15 X 0,03 m desarrollados. ACTIVIDAD 2.7: DISEÑO DE SISTEMAS CONSTRUCTIVOS PARA INFRAESTRUCTURA PORTUARIA. Se logrará un diseño constructivo en función de los productos estudiados. Hito 2.7.1 Diseño constructivo definitivo: Se logrará un sistema constructivo definitivo para la infraestructura portuaria DESARROLLO ACTIVIDAD A continuación se presenta el diseño constructivo elemental recomendado, que se debe realizar, cuando se deba construir alguna terraza en base a los perfiles de piso desarrollados en materiales 74 compuestos madera-plástico. Este debe considerar un entramado soportante de una luz que no supere los 60 cm. Se puede confeccionar en elementos metálicos o en madera. Para determinar esta longitud, se realizó un estudio de resistencia mecánica, el cual se aborda en la actividad 2.8 y en el Anexo. Figura 2.7.1: Diseño sistema constructivo elemental para habilitar terrazas utilizando perfiles extruidos de madera-plástico. Fuente: Elaboración Propia. 75 UDT UN=DAD DE OESARROllO TECNOLOGlCO ACTIVIDAD 2.8: ESTUDIO DE RESISTENCIA MECÁNICA DE INFRAESTRUCTURA PORTUARIA COMPLETA, MEDIANTE HERRAMIENTA DE DISEÑO Y SIMULACIÓN. Se utilizará una herramienta de diseño, simulación y cálculo de elementos finitos para acelerar el proceso de diseño de la infraestructura portuaria completa. Hito 2.8.1 Diseño evaluado con herramienta de simulación: Se evaluará desempeño de la infraestructura el mediante herramienta de simulación. DESARROLLO ACTIVIDAD Esta actividad se comenzó a ejecutar el día 24 de de agosto de 2009. Para realizar las simulaciones CADICAE, es necesario tener un diseño del sistema constructivo infraestructura madera-plástico portuaria, para poder obtener en cuanto a: sujeciones, los parámetros distancia que será implementado de disposición en la de los perfiles de de luz, tipo de perfil de acero donde va instalado, dimensiones, etc. Se utilizó varios software de simulación que permitieron conocer las propiedades estáticas del material y del perfil, junto al desarrollo de una optimización mecánicas del diseño propuesto y comparación con productos existentes en el mercado internacional. Los estudios desarrollados, permitieron: • Evaluar las solicitaciones sobre los perfiles de madera-plástico en el uso en muelles. • Calcular los esfuerzos registrados en las piezas y compararla contra una alternativa en madera. • Se determinó la luz necesaria para un factor de seguridad equivalente a la madera. • Se estudio el comportamiento del perfil, optimizando el diseño, para lo que se varió la forma de su alma. • Se comparó el perfil con dos perfiles existentes del mercado internacional. 76 • '\UDT \~ .,,"~.._. . hlilova . .~-- . CORFO UNiDAD OrOESARP.:OlLOTECNOLO:'3ICO " A continuación se presentan los resultados obtenidos: Tensión de diseño de flexión ~ La tensión de diseño se calcula seqún la expresión: ~ Zona flexo-traccionada Ffl,dis = FfKHKDKCKhf ~ Zona flexo-comprimida Ffv,dis = FfKHKDKC Donde: Ff = Tensión admisible en flexión KII = Factor de modificación por contenido de humedad KD = Factor de modificación por duración de la carga K¿ = Factor de modificación por trabajo conjunto Khf = Factor de modificación por altura ~ Como se utiliza madera con una humedad del 20%, KH=O,75 (Pino Radiata, no se considera para la pieza madera-plástico) ~ Se considera una carga normal, permanente en el tiempo, KD=l ~ Como se trata de entablados que comparten la carga, Kc=1,15 ~ Para un altura de 30 mm (espesor), Khf=l Deformación Máxima admisible ~ Para pasarelas peatonales la deformación máxima admisible: badm = L/ 400 Donde: L = Luz efectiva de la viga = lOOOmm(zona central) 77 InnovaChilé -- CORfO Solicitaciones El peso de un hombre, se establece según la Norma NCh 1537, como 1 kN, con un ancho de aplicación de la carga de 350 mm. Las reacciones en los apoyos se analizan como vigas simplemente apoyadas. Condiciones de Carga (Casos Crítico) 1 kN * 1000/350 Peso propio de la madera ttUU+l ~/~ 90 O 1+*HUUU+i 2S: 1< 2000 >/ I A 90 O >/< 60 O >!II 1kN *1000/350 Peso propio de la madera 1+*+++++***+1 A H4/< 90 O >'~I K >/< 2000 A 90 O >/< 60 O >/ i Se calculará la estructura considerando como límite la flecha máxima, por lo que se utilizará el caso 2 de carga. Existe una leve diferencia en el valor de esfuerzos entre la condición 1 y la condición 2, la cual se considera despreciable. Para el caso de carga 2: Peso Total Estructura 243 N = = Volumen * densidad Carga vertical por peso de personas = 1000 * g = (5*0,15*0,03)*1100 * 1000 I 350 = 2857 * 9,81 N 78 -UDT UN¡DAIJ DE DESARROllO TECNOlOG!CO Tabla 2.8.1 Propiedades mecánicas consideradas Propiedades Mecánicas Pino radiata C24 Madera-Plástico NCh 1198 Modulo de Elasticidad Esfuerzo Admisible en flexión 10200 2312 9,3 24,3 (Mpa) Esfuerzo Admisible de cizalle 1,1 (Mpa) Densidad (kgjm3) 450 1100 Coeficiente de Poisson (-) 0,3 0,3 79 - C''''·UDT '~ ,-....'''// . UNiDAD DEnE5ARROLlOTECNOLO~ICO ETAPA 3: CONSTRUCCIÓN INFRAESTRUCTURA DEMOSTRATIVA ACTIVIDAD 3.1: DETERMINACION DE PROPIEDADES DE FLEXION, TRACCIÓN, IMPACTO, DUREZA. Se determinarán las propiedades mecánicas estáticas para los productos. Hito 3.1.1. Propiedades estáticas determinadas. DESARROLLO ACTIVIDAD Con respecto a las propiedades físicos y mecánicos estáticas que fueron determinadas de los perfiles extruidos, quefueron evaluados corresponden a parámetros en un equipo de ensayos universal dando como resultado lo siguiente: Tabla 3.1.1: Propiedades Físicas de Perfiles de Madera Plástico Fuente: Elaboración Propia Pro iedades Mecánicas: Con respecto a la durabilidad C3, esta corresponde a una Categoría 3, es decir, moderadamente durable y con una vida útil esperada superior a 10 años. Es importante formulaciones señalar que los resultados anteriores corresponden a los promedios de las 3 propuestas en la etapa 2, debido a que estos fueron muy similares. 80 - ~UDT ~" rriri6vaCI1He ·,CORFO UNlDAD DE DE5A.~P.OllO TEQlOlOGICO ,,~ Con respecto a las propiedades de flexión, compresión paralela, tracción perpendicular, resistencia al choque (impacto), dureza y los resultados para las 3 formulaciones son las siguientes: Tabla 3.1.2: Ensayo de Flexión Formulación 50/50 4% Lubricante Fuente: Elaboración propia Muestra Número probeta PP-madera 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación Carga máx. .(KN) 4,96 4,77 5,35 5,34 5,32 5,02 4,85 4,77 4,89 499 5,03 0,231 4,59 Tabla 3.1.3: Ensayo de Flexión Formulación 50/504% Lubricante y 2% Compatibilizante Fuente: Elaboración propia Muestra Número probeta 1 2 3 4 PP-madera 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación Cargamáx. (KN) 6,05 5,82 6,53 6,51 6,49 6,12 5,91 5,82 5,96 6,09 6,13 0,282 4,59 81 ~UDT ~;}'UNIDAD rnnovaCl1rré ,CORPO .,.,--- DE DESARROLLOTEOIOLOGleO Tabla 3.1.4: Ensayo de Flexión Formulación 50/504% Lubricante y 4% Compatibilizante Fuente: Elaboración propia Muestra Número probeta 1 2 3 4 PP-madera Tabla 3.1.5: 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación Carga máx. (KN) 7,18 6,90 7,75 7,73 7,70 7,26 7,01 6,91 7,08 7,22 7,27 0,334 4,59 Ensayo de Compresión Paralela Formulación 50/504% Lubricante Fuente: Elaboración propia Muestra PP-madera Número probeta Carga máx. (KN) 1 2 3 4 5 6 7 8 26,28 9 24,78 10 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación 24,49 2,269 9,26 26,74 19,72 23,13 23,73 24,72 27,96 23,85 23,96 82 UNiDAD DE DE5ARP.Ol..to TECNOLOGlCO Tabla 3.1.6: Ensayo de Compresión Paralela Formulación 50/504% Lubricante y 2% Compatibilizante Fuente: Elaboración propia Muestra Númeroprobeta PP-madera 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación Carga rnáx. (KN) 32,05 32,61 24,05 28,21 28,94 30,15 34,10 29,09 30,22 29,22 29,86 2,766 9,26 Tabla 3.1.7: Ensayo de Compresión Paralela Formulación 50/50 4% Lubricante y 4% Compatibilizante Fuente: Elaboración propia Muestra Número probeta PP-madera 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación Carga máx. .(KN~ 38,03 38,70 28,54 33,48 34,34 35,78 40,47 34,52 35,86 34,68 35,44 3,283 9,26 83 , ·.l.,:,·J · , nnovaCnl e "UDT '>('.' "';""'0u-J / '! UN10AD DE PE5ARP:OLLO ,""---- CORFO TEC'NOLOGICO Tabla 3.1.8: Ensayo de Tracción Perpendicular Formulación 50/504% Fuente: Elaboración propia Muestra Núméro probeta PP-madera 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación Carga máx. (KN) 4,51 5,28 5,56 5,46 4,55 4,29 4,48 4,88 5,09 5,18 4,93 0,449 9,13 Lubricante Tracción máxima (MPa) 6,01 7,04 7,41 7,27 6,07 5,72 5,97 6,50 6,79 6,90 6,57 0,599 9,13 Tabla 3.1.9: Ensayo de Tracción Perpendicular Formulación 50/50 4% Lubricante y 2% Compatibilizante Fuente: Elaboración propia Muestra PP-madera Número probeta 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación Carga máx. JKN) 4,05 4,74 4,99 4,90 4,09 3,85 4,02 4,38 4,57 4,65 4,43 0,404 9,13 Tracción máxima (MPal 5,40 6,33 6,66 6,54 5,45 5,14 5,37 5,84 6,10 6,20 5,90 0,539 9,13 84 - ~UDT ~.-) rnnovaCfiíle .--- ·CORFO UNIDAD CE OEJARROLlO TEOjOlOGICO Tabla 3.1.10: Ensayo de Tracción Perpendicular Formulación 50/50 4% Lubricante y 4% Compatibilizante Fuente: Elaboración propia Muestra Carga máx. lKN) Tracción máxima (MPa) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3,79 4,43 5,05 5,91 6,23 6,11 5,10 4,81 5,02 5,46 5,70 5,80 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación 4,14 0,378 9,13 Número probeta PP-madera 4,67 4,58 3,82 3,60 3,76 4,10 4,28 4,35 5,52 0,504 9,13 Tabla 3.1.11: Ensayo de Dureza Formulación 50/50 4% Lubricante Fuente: Elaboración propia Muestra Número probeta 1 PP-madera 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación Dureza Perpendicular (KN) Dureza Paralela (KN) 13,16 13,56 13,67 13,47 14,43 12,07 13,42 13,25 13,39 12,54 13,29 0,634 4,77 9,86 11,10 10,49 10,37 10,96 9,75 11,11 9,71 9,56 9,38 10,23 0,663 6,48 85 UDT lJN,DAD DE DESARROLLO InnovaChile CORFO TfctmLOGlCO /~~ Tabla 3.1.12: Ensayo de Dureza Formulación 50/50 4% Lubricante y 2% Compatibilizante Fuente: Elaboración propia Muestra Número probeta PP-madera 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación Dureza Perpendicular 13,81 14,23 14,35 14,14 15,15 12,68 14,09 13,91 14,05 13,16 13,96 0,666 4,77 (KN) Dureza Paralela (KN) 10,65 11,98 11,33 11,20 11,83 10,53 12,00 10,49 10,32 10,13 11,05 0,716 6,48 Tabla 3.1.13: Ensayo de Dureza Formulación 50/504% Lubricante y 4% Compatibilizante Fuente: Elaboración propia Muestra Número probeta PP-madera 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación Dureza Perpendicular 15,19 15,66 15,79 15,55 16,66 13,95 15,49 15,30 15,46 14,48 15,35 0,733 4,77 (KN) Dureza Paralela (KN) 11,71 13,18 12,46 12,32 13,01 11,58 13,20 11,54 11,35 11,14 12,15 0,787 6,48 86 - ~UDT ~'f InnovaCFlrre CORFO .----- UNiDAD DE OESMP.OlLOTECtWLOGICO Tabla 3.1.14: Ensayo de Resistencia al Choque Formulación 50/50 4% Lubricante Fuente: Elaboración propia HUNDIMIENTO (Centésima de milímetros) Muestra PP-madera ALTURA(H) Probetas H: 15cm H: 30 cm H: 45cm H: 60 cm H: 75 cm H: 90 cm O O O O O O O O O O H: 105cm H: 120cm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coel. Variación O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O 0,00 0,00 0,00 O O O O O O O O O O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0.00 52 50 47 53 54 57 54 48 50 52 52 3,21 6,21 0,00 Tabla 3.1.15: Ensayo de Resistencia al Choque Formulación 50/50 H: 135 cm H: 150cm 4% 58 50 56 55 56 61 59 51 51 55 55 3,43 6,22 H: 165 cm 60 57 59 70 68 74 63 65 65 61 64 5,30 8,25 Lubricante 65 60 60 73 70 77 68 67 70 69 68 5,46 8,04 y 2% Compatibilizante Fuente: Elaboración propia Muéstra PP-madera Probetas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coel. Variación H: 15cm H: 30 cm H: 45 cm H: 60 cm O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O 0,00 0,00 0,00 O O O O O O O O 0,00 0,00 Oj)O O O O O O O O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 O HUNDIMIENTO_(Centéslma de milímetros) ALTURA(H) H: 75 cm H: 90 cm H: 105cm H: 120cm O O O 48 O O O 45 O O O 42 O O o 48 O O O 50 O O O 52 O O O 49 O O O 44 O O O 45 O O O 47 0.00 0,00 0,00 47 0,00 0,00 0,00 2,92 0.00 6,21 000 0,00 H: 135cm H: 150cm H: 165cm 52 46 51 50 51 55 53 47 47 50 50 3,12 6,22 54 52 54 64 62 68 57 59 59 56 58 4,82 8,25 59 54 55 67 64 70 62 61 64 62 62 4,96 8,04 87 ~UDT ~) UNIDAD DE DESARROLLO lil"novaCI1Tfe "...--CORFO TECNOLOGICO Tabla 3.1.16: Ensayo de Resistencia al Choque Formulación 50/50 4% Lubricante y 4% Compatibilizante Fuente: Elaboración propia MueStra PP-madera Probetas H: 15cm H: 30cm H: 45 cm H: 60 cm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Desv.Estándar Coef. Variación O O O O O O O O O O 0,00 0,00 000 O O O O O O O O O O 0,00 0,00 0,00 O O O O O O O O O O 0,00 0,00 0,00 O O O O O O O O O O 0,00 0,00 0,00 Adicionalmente HUNDIMIENTOJCentéslma de mllimetros) ALTURA(H) H: 75 cm H: 90 cm H: 105cm H: 120cm O O O O O O O O O O 0,00 0,00 0,00 O O O O O O O O O O 0,00 0,00 0,00 O O O O O O O O O O 0,00 0,00 0,00 55 52 49 55 57 60 57 51 52 55 54 3,37 6,21 H: 135cm H: 150cm H: 165 cm 61 53 59 58 59 64 62 54 54 58 58 3,61 6,22 63 60 62 74 71 78 66 68 68 64 67 5,57 8,25 68 63 63 77 74 81 71 70 74 72 71 5,73 8,04 se presenta un estudio de seminario de título que complemento esta actividad y que se realizó en el marco de este proyecto. El seminario se presente el Anexo. 88 ACTIVIDAD 3.2: EVALUAR DESEMPEÑO DE PROTOTIPO EN CONDICIONES REALES DE USO. Se evaluaran el comportamiento de los productos prototipos. Hito 3.2.1. Primer prototipo evaluado. Se evaluaron prototipos instalados en el recinto de la unidad de desarrollo tecnológico, en condiciones reales de uso, los cuales entregaron resultados satisfactorios comportamiento dimensional, como características presencia de hongos de pudrición. desarrollar posteriormente estéticas Lo que entrego en cuanto a su y comportamiento los parámetros necesarios a la para los productos finales. Figura 3.2.1~ Prototiposevaluados en condiciones reales de uso ACTIVIDAD 3.3: DETERMINACION PROPIEDADES MECANICAS DINAMICAS. Se determinaran las propiedades mecánicas dinámicas para los productos. Hito 3.3.1. Propiedades dinámicas determinadas. Estos estudios fueron abordados con el trabajo de seminario de título del Ingeniero Ejecusión Mecánica del Sr. Carlos Catrilef, de la Universidad del Bío-Bío, donde se presenta la modelación del material y perfil extruido de madera-plástico, el cual se presenta como Anexo. 89 - ACTIVIDAD 3.4: FABRICACIÓN PROTOTIPO PRODUCTOS INFRAESTRUCTURA, PORTUARIA. Se construirán productos prototipo a partir PARA de los diseños desarrollados en la etapa 2. Hito 3.4.1 PROTOTIPOS FABRICADOS: .Se fabricarán prototipos para infraestructura portuaria .. DESARROLLO ACTIVIDAD De acuerdo a lo definido a en la Etapa 2 con respecto a los diseños de los productos finales, se dio inicio a la producción de perfiles' prototipos los cuales serán evaluados mecánicamente. Como se señaló en la etapa 2, se definieron 4 productos: 2 tipo tinglado y 2 tipos ranurados. Debido a que no se cuenta con los moldes de extrusión para la fabricación de los prototipos, estos perfiles en una primar instancia se obtuvieron a partir de la mecanización de un perfil mayor. A continuación se presentan algunas imágenes de los perfiles mecanizados: Figura 3.4.1: Mecanización de Perfiles Fuente: Elaboración Propia 90 - Figura 3.4.2: Perfiles Mecanizados Fuente: Elaboración Propia Luego, y una vez 'que se lograron mecanizar las piezas, se mandó a fabricar una adaptación del molde existente en UDT de manera de lograr perfiles del tipo tinglado. A continuación se presenta una imagen del molde fabricado. 91 - IfinovaChile UNiDAD DE OESARROLLO TECNOLOGICO .----- CORFO . Figura 3.4.3: Molde de extrusión tipo Tinglado Por otro lado, se diseñó un sistema de calado superficial, basado en sierras circulares de corte, el que permitirá dejar los perfiles de 30 x 150 mm con su superficie acanalada, de acuerdo al diseño. A continuación se muestra el diseño del sistema de calado superficial: 92 ')'UDT 'C~ ,-"""~' UNiDAD DE !)ESARP.OLlO TECNOlOGICO ••• ii. 1•••• Figura 3.4.4: Sistema canalada superficial Fuente: Maestranza COIND Es importante señalar que este sistema dará la flexibilidad de dejar distintos canales superficiales a los perfiles, en caso de que se requieran otros diseños posteriores. Por último, se fabricó un calibrador de perfiles de extrusión para el molde de 30 x 150 mm de sección el cual es utilizado para perfeccionar el acabado superficial de las piezas, por medio del enfriamiento controlado de los perfiles ala salida de la extrusora junto con un sistema de vacío que otorgará un acabado superficial totalmente parejo. 93 -ACTIVIDAD 3.5: INSTALACIÓN DE PROTOTIPOS EN DISTINTOS PUNTOS DE LA COSTA CHILENA: Se instalaran productos prototipo en diferentes lugares del país Hito 3.5.1: PRIMER PROTOTIPO INSTALADO: Se instalará el primer prototipo en un punto del país previamente establecido DESARROLLO ACTIVIDAD: Se desarrollo como primera experiencia prototipo un entramado de piso y una tarima vertical para probar perfiles mecanizados de revestimientos exteriores, en las instalaciones de UDT (Figura 35.1). Figura 3.5.1. Tabique de prueba, que simula la fachada de una construcción, donde se instalan los prototipos de revestimientos en madera-plástica, fabricados en base a la mecanización de perfiles extruidos en madera-plástica .. Fuente: UDT Los revestimientos comportamiento de madera plástica ensayados, permitieron comprobar la forma de montaje y su a los agentes externos tales como decoloración por rayos UV y ataque de hongos de pudrición. A lo largo de estos 23 meses expuestos a condiciones templado húmedo predominó ambientales, donde el clima en gran parte del periodo. Sin embargo también en ocasiones fue 94 muy extremo, con temperaturas de -1 y -2°C, fuertes precipitaciones, altas temperaturas radiación solar en verano (28 oC). Han demostrado tienen mejor desempeño que revestimientos que los revestimientos similares desarrollados y de madera-plastica, en madera tratada con impregnantes y no tratada (Figura 3.5.2). A B e Figura 3.5.2. Desempeño de revestimiento de madera plástica (A y B) comparada a revestimientos de madera, fibrocemento y plástico (C), frecuentemente utilizado en la construcción de viviendas. 95 Una vez probado el comportamiento de los perfiles como pisos de terraza. Se realizó una segunda experiencia a escala real en la terraza del edificio Don Alberto, sector Pedro de Valdivia, Concepción. Para ello, se produjeron 333 perfiles del material compuesto los que cubrirán 90 m2 (Figura 3.5.3). Figura 3.5.3: Prototipo instalado,terraza de 90 m2 en Edificio Don Alberto, Sector Pedro de Valdivia, Concepción. La formulación utilizada fue laque se muestra en la tabla 3.4.1, la cual presentó los mejores resultados durante el transcurso del proyecto, lo que la convierte en la formulación final del material. Tabla 3.5.1: Formulación para Perfiles del Material Compuesto Fuente: Elaboración propia % % % % Madera Plástico Lubricante Pigmento color 50% 50% 4% 2% 96 Es importante desarrollar señalar que con esta primera aplicación demostrativa una constante difusión de la tecnología desarrollada, del proyecto, se comenzó a en el sector de la construcción, dándose a conocer como una nueva tecnología nacional que permite contar con un producto eficaz y eficiente para el desarrollo de terrazas. En lo que respecta a las otras zonas de pruebas se habían establecido infraestructura demostrativa de perfiles de madera-plástico Portuaria San Vicente-Talcahuano, empresa portuaria. remodelación Esta el desarrollo en las dependencias de una de la empresa aprovechando la etapa de remodelación en que se encuentra la incluía una reparación de un muelle en desuso (Figura 3.5.4) y la de la pasarela que accede al remolcador RAM Poderoso (Figura 3.5.5) y la futura construcción del muelle dé pasajeros para el desembargo desde cruceros que recalan al Puerto de Talcahuano. Finalmente fue descartado producto del terremoto y posterior tsunami acontecido el 27 de Febrero del 201010 que ocasionó un grave e irrecuperable deterioro en el corto plazo a las . estructuras y área de trabajo dentro del puerto (Figura 3.5.6). Figura 3.5.4. Muelle en desuso que se pretende remodelar aplicando perfiles extruídos de madera plástica en su cubierta, debido al deterioro que muestra la madera con los años. 97 - Figura 3.5.5. Pasarela que se desea remodelar y que permite el acceso al remolcador monumento nacional Rarn Poderoso . .",' , ,~, .. Figura 3.5.6. Nivel de deterioro del muelle, pasarela y remolcador Ram Poderoso después del terremoto y tsunami del 27 de Febrero del 2010, lo que impidió materializar obras en el sector. Si bien las obras no se pudieron concretar arquitectura por fuerza mayor. Se desarrollaron lbs proyectos de que permitirán a futuro contar con una alternativa constructiva que permita recuperar este sitio emblemático dentro de la ciudad de Talcahuano. 98 UDT UN=DAO DE DESARP.OlLO TEOJOLOGI::O La remodelación de la pasarela se basa en la construcción de una nueva en base a perfiles bases de madera plástica, de esta forma se plantearon 2 alternativas de diseño, las que se muestran a continuación (Figura 3.5.7 y 3.5.8). PUENTE 8ASE~CÜRVA C¡:::¡S l!l!!.!lillJ'jO r·_···············_··_·-:·········__·:~~·~·~·········· ~ ~ •••• ~_-.oI!IW~ ~. ••••.••••••• ••..~~-~~~~~ Figura 3.5.7: Propuesta NOl para Plataforma de Acercamiento Buque Museo Ram Poderoso Fuente: Elaboración propia 99 - ¡ ~ . ','U,'":'""""",.,'."',, ...'--~l·b~,i,"~-: , . Figura 3.5.8: propuesta. N02·paraPlataforma Fuente: Elaboraciónpropia, Para ver el comportamiento deA~ercamiento Buque Museo Ram Poderoso del material ante las condiciones ambientales del lugar, se instalaron tres tablones sobre tres peldaños de 'una ~scálera'o chaza que es utilizada por las embarcaciones menores para acceder al muelle (Figura3.5.9). Figura 3.5.9: Instalación de perfiles de madera plástica para evaluar el desempeño al contacto con el agua de mar, en cuanto a su degradación por agentes marinos. 100 .-hile CORFO Como se observa, uno de los peldaños estará sometido en gran parte del día bajo el agua (peldaño de abajo) debido a la subida de marea, mientras que el otro estará expuesto directamente La formulación al sol. utilizada fue 50% polímero, 50% de polvo de lija y 4% de lubricante. La aplicación anterior fue instalada a fines el 25 de junio del 2009, lo que significo contar con un periodo de tiempo de prácticamente 23 meses de evaluación (hasta el 30 de mayo del 2011) debido a que pudo soportar el terremoto y tsunami del 27 de Febrero del 2010. La aplicación fue visitada cada mes, y los perfiles se han mantenido a lo largo del tiempo en buen estado de conservación, a pesar de la colonización por algas marinas. Sin embargo no se manifiesta deterioro de la estructura de las piezas o ataque de microorganismos marinos. Este resultado propone investigar en un futuro cercano, formulaciones en el material que puedan incorporar algún aditivo del tipo antifouling en el caso de considerar este tipo de productos en aplicaciones bajo y en contacto directo con el agua de mar por periodos largos de tiempo (Figura 3.5.10). Figura 3.5.10. Perfiles de madera plástica, se puede apreciar la aparición de algas que han colonizado el perfil pero no presentan perdida de masa o pudrición, Diciembre 2009. Se diseñaron plataformas para playas en base a perfiles extruidos de madera plástica, de tal forma de poder instalar estas infraestructuras en municipios costeros (Figura 3.5.11). 101 UDT UNiDAD DE OESARROLLO Figura. 3.5.11. TECNOlOG!CO Diseño de plataforma de playa en base a perfiles extruidos de madera-plastico. 102 UDT UNiDAD DE DESARROllO fle CORFO TECNOLOGICO /~ ACTIVIDAD 3.6: FABRICACIÓN INFRAESTRUCTURA PORTUARIA COMPLETA: Se construirá una infraestructura portuaria demostrativa Hito 3.6.1: INFRAESTRUCTURA CONSTRUIDA: Se construirá una infraestructura portuaria demostrativa DESARROLLO ACTIVIDAD: Durante el transcurso país, destacando del proyecto, se realizaron varios contactos con diferentes las comunas de Coronel, Talcahuano, Coyhaique, San Gregorio, Valparaíso proyectos de infraestructura Tomé, Penco, Lebú, e Iquique, las que tienen un particular municipios del Puerto Montt, interés en ejecutar portuaria y remodelación de espacios públicos costeros y en donde la madera ha tenido un mal desempeño, debido a su rápido deterioro, por lo que la alternativa de los materiales compuestos y en particular los WPC, madera-plástica, Las experiencias de terreno comenzaron les causa bastante interés. a realizarse a partir del mes de Marzo del 2010, y comenzó con una planificación y diseño a nivel de proyecto de arquitectura asesoría urbana de Coronel, geográficamente del tipo con el departamento de de obras a realizar en el sector de Maule, Coronel, ubicado en 37° 00' 05.43"5 Y 73° 11' 16,80" O (Figura 3.6.1). 103 - ~-- InnovaChile CORFO Figura 3.6.1. Área de aplicaciones demostrativas. 370 00' 05.43"5 Y 730 11 ' 16,80" O. Sector Maule, Coronel. El proyecto consiste en la remodelación del espacio publico de aproximadamente 2000 m2 que se encuentra al costado oeste de la calle costanera existente en el sector de Maule, con la habilitación de senderos, instalación de arreglos florales. Mobiliario urbano y la reconstrucción la playa en hormigón, la cual será revestida con perfiles extruidos de una bajada a de madera-plástico (Figura 3.6.2). 104 • i / '-- Figura 3.6.2. Diseño del proyecto demostrativo que contempla el proyecto, a ser realizado en el Sector de Maule, ubicado geográficamente en 370 00' 05.43"5 y730 Una vez que se tuvo el proyecto de arquitectura, 11' 16,80" O. Coronel. se evaluaron las cantidades de perfiles que se necesitarían, junto a los distintos materiales involucrados en el desarrollo de la misma, que el deplorable estado de este espacio publico ameritaba una reconstrucción existía, lo que consideró habilitación de la escalera, confección de la plataforma, senderos con gravilla, habilitación de estacionamientos, confección de arreglos debido a total de lo que confección de vegetacionales, restauración de taludes y confección de gaviones. 105 ····.······· ....;m Cmt:;·I.······.···· 1nnova ~H e UDT UN!DAtl ··CORFO DE DESAF<,P.OLLO TEC1'mWGICO ;~ ACTIVIDAD 3.7: INSTALACION DE INFRAESTRUCTURA PORTUARIA: Se instalará una infraestructura portuaria demostrativa. Hito 3.7.1: INFRAESTRUCTURA INSTALADA: Se instalará en un punto seleccionado, la infraestructura del país previamente construida. DESARROLLO ACTIVIDAD: Las experiencias se instalaron en el sector de Maule, Coronel, ubicado geográficamente en 370 00' 05.43"$ Y 73° 11' 16,80" O Y consistió en una plataforma de 3 X 2 metros y el revestimiento de 3 peldaños de la escala reconstruida (Figura 3.7.1). Figura 3.7.1. Escala reconstruida y plataforma de playa revestida con perfiles de madera-plástico. 106 - Figura 3~7.2.Estado original de la bajada a la playa de Maule. La figura 3.7.2, muestra el estado en que se encontraba originalmente el área donde se realizaron la escala estaba destruida las experiencias demostrativas, como se puede apreciar debido al oleaje que destruye la base de la escala durante periodos de mal tiempo. La reconstrucción de la escala se realizó en base ala colocación de soleras de hormigón que permitieron rápidamente volver a formar la escalera (Figura 3.7 .3). 107 -In novaC'flil e CORFO ,-~ Figura 3.7.3. Rehabilitación de la escala de acceso a la playa de Maule. Una vez que se tuvo reconstruida la escala, se trabajó en la base de la misma para evitar nuevos deterioros, por lo que se construyó una base sólida en hormigón que actuará como un rompeolas en el caso de volver a presentarse temporales y socabamientos (Figura 3.7.4). 108 rnnovaChiJe --- CORFO Figura 3.7.4. Confección de la plataforma de playa en hormigón. Una vez que la escala y la plataforma se encuentran terminadas (Figura 3.7.5), se procede a recubrir la superficie con los perfiles de madera-plástico, lo que entrega la terminación que se busca, para ello se instalan fijaciones adecuadas sobre un entramado de perfiles de madera-plástico instalados con pernos de anclaje previamente (Figura 3.7.6). El proceso de instalación se presenta en un manual de especificaciones técnicas que se entrega como anexo complementario. 109 IririovaChile ,---- CORFO Figura 3.7.5. Escala y plataforma de hormigón terminada. Figura 3.7.6. Revestimientos con madera-plastica de la plataforma de hormigón. 110 InnovaCl1ile ---- CORFO Es necesario colocar un recubrimiento protector al borde de los perfiles de madera-plástico con un perfil metálico, para evitar intervenciones de terceros y darle mayor protección al borde de los perfiles. Para ello se utiliza fierro el cual es sometido a un tratamiento protector de galvanizado en frío (Figura 3.7.7). Figura 3.7.7. Plataforma termina revestida con madera-plástica. En el espacio publico se diseño un área de transito peatonal que será construida por el municipio en una fase posterior (Figura 3.7.8). De esta forma se comenzó a realizar este diseño que permitió darle valor a los elementos existentes, para ello se implementaron senderos de gravas, rocallas, drenajes (Figura 3.7.9) y un sector donde se instaló el primer prototipo de mobiliario urbano en madera plástica, (Figura 3.7.10). 111 rnnovaCllHe ~~ ~/'f r---- CORFO UNiDAD DE OESARROUO TECNOlOGICO Figura 3.7.9. Rehabilitacióndel área verde existente. 112 - •·~UDT , IJI'1iDAO DE DESARROLLO TECNOLOGICO Figura 3.7.10. Banca prototipo en fierro galvanizado y madera-plástica. 113 ACTIVIDAD 3.8: EVALUAR DESEMPEÑO DE INFRAESTRUCTURA PORTUARIA COMPLETA EN CONDICIONES REALES DE USO: Se evaluaran el comportamiento de la infraestructura portuaria. Hito 3.8.1: EVALUACIONESPERIODICAS REALIZADAS: Se evaluará el desempeño, mecánico, resistencia a intemperie, entre otros aspectos DESARROLLOAcnVIDAD: Para el desarrollo de esta actividad se evaluaron constantemente (Figura 3.8.1); playa de Maule junto a la infraestructura sector Pedro de Valdivia Concepción .. El desempeño demostrando un excelente. comportamiento las pruebas existentes en UDT demostrativa en el Edificio San Alberto, se evalúo en condiciones luego de 23 meses de evaluación reales de uso, periódica (Figura 3.8.2). Figura 3.8.1. Evaluación del comportamiento de los perfiles de pisos y siding instalados en UDT. 114 - Figura 3.8.2. Evaluación del comportamiento de los perfiles de pisos en el tiempo luego de 23 meses de aplicación. Figura 3.8.3. Evaluación del comportamiento de los perfiles instalados en la plataforma de playa en Maule. 115 UDT IJN1DA:l DE DESARROLLO TECNOLOGICO ETAPA 4: TRANSFERENCIA TECNOLOGICA ACTIVIDAD 4.1: PREPARACION y CONFECCION DE MATERIAL PROMOCIONAL Se diseño el material promocional, el cual fue difundido en el marco de la charla técnica realizado en la feria chile construye 2011. Figura. 4.1.1 Material promocional desarrollado ACTIVIDAD 4.2: SEMINARIO TERMINO DEL PROYECTO Se realizó un seminario final del proyecto, donde junto con dar a conocer los principales resultados se entregó una transferencia tecnológica del proceso de obtención de perfiles extruido de madera plástico. Esto fue realizado en Santiago, en la feria Chile' construye 2011, efectuada entre el 11 y 14 de mayo del 2011. 116 ~UDT ~ mnovaCFíTle ----- CORFO UNIDAD DE OESAAP.OllOTWIOLOGICO 11-14 DE MAYO 2011 SANTIAGO DE CHILE PROGRAMA PRELIMINAR DE CHARLAS TÉCNICAS HOIW'JOS 10:30 MlER(O\.B 11 a 11:15 JUEVES 12 DEPTO, R~lSTRIJCOÓI •• MOP INAUGURACiÓN 11:30 a 12:15 rr4AUGURAnÓrJ Sustentablidad: La Importanc.ia de la Eficientia Energética en Arquilettur.! SI. W~WalteryY.MarceIoHlJ.,.chuñÍl MOCIAOOH DE OOOUA DE ARQUllECTOS 12:30 a 13: 15 INAUGURACiÓN Erue&1lliIS del Terremoto 27F Y.('q¡fludro P. UNMR5IOAIl 15:00 a 15:45 lfueva Arquitettura en RerorutnJc.I:ión 5r. David Rodng¡zez ASOCIACIÓN DHJflONA DE AIlQUITECTOS 16:00 a 16:45 CorutrucáÓn en Ma!leray Sustentablidad: AplKación en EstruttllraS HaIiOOona1es 'f Educarionales Sro. PolJtc MartÍnez y Sr. Woklo BuJtamaIl'.e CTi·(;OOMA 17:00 a 17:45 Ultimas Tendenáas en Madera laminada Y Construcáón Sra.PatfITlO ~n r Sr.JlIOnACMdo ro. calMA 18:00 a 18:45 Apf!CaC'ÍOneSde Miteriales Compuestos Madi!¡¡. Rástiro en el Desarrollo de ~..stnKtIJr.I Portuaria Sr. RicOldo M.'dfno OOT- UMV6lSIDAD Figura 4.2.1. CATOuCA DE Ol!LE Ventajas de MoIdajes de PoIiestireoo &pandido: Amación V Rapidez Sr. Cris-Jan SiIIIII EXACTA LTDA. Construcción de Vl\oi!nd •• en Sitio Propio: el Pmclp<lllesGfío de la Re<.onstruc<ión Sr.Pot:t; #ve5e Coordinador HaciooaI Progmna de ReconstnJcáón • MlfMI Nueva Nonnativa Klbre Aireadores y DudIas Eficientes Sr. Cris:ion Espioozo ~s.A. VIERNES 13 Mejoramiento de la Eficientia Térrnil;¡¡ V Aaírtica de TermopaneIes f&diante SeparadO{ Termoplástiro delTIjlO Vhrm Ed..~ Sr. RobErto Semi' COWIROAI. 501.00: SPA Tedlumbresde Acero Sr. frcmás PJeMif!ET esnnno CHlfl«J OOArntO REd VAl: Efettos del TEfTemato 21F Y RerupeOOón Sr.Marro AImooaád B. OlREOOÓU DE VlA1l1W1· ",op Prevemión en Terremotos JEPRO NUEYaNonna para Manejo de ConilustJbles en Obra 9.J11ER!NTENDHIOA DE B..K1RtaOAD y rot.IIUSTII!l.E5 tlueva Nonna para Manejo de (.ombust"bles en Obr.! SJ.nIetINTENDEIIOA ~ DE 8fCIRIODAD y MoIdajes PI~ros para Pllares 0mIIam: Ventajas y ApfKaciones Sr. P.OOIino C€cdiir.oro y Sr. MirJas 1.omIín Ul5I1'AO.UlNAAIA5 DE CONCEPOótl Programa de charlas técnicas efectuada en el marco de la feria Chile Construye 2011. El día Miércoles 11, entre las 18:00 y 18:45 hrs se dicto la charla: Aplicaciones de materiales compuestos madera-plastico en el desarrollo de infraestructura portuaria ," 117 Durante esa oportunidad de contó con un stand de 10 m2 , donde se pudo difundir los resultados del proyecto (Figura 4.2.2). "., .. " Figura 4.2.2 Stand en Chile Construye 2011 El éxito logrado en la participación de esta feria y difusión lograda, queda reflejada en los contactos que fueron establecidos durante los 4 días en que se dio a conocer el proyecto (Tabla 4.2.1). 118 Tabla 4.2.1 Contactos logrados en Chile Construye 2011. CONTACTOS LOGRADOS Empresa Nombre Descripcion Fono Correo DYNAL M.Loreto Aranda Jefe venta Construccion 56-2-4782071 [email protected] DYNAL RaúlSpano Subgerente 56-2-4782000 [email protected] OSMOSE Jorge Geldes Prod. Omcos madera 56-2-6242800 [email protected] ARCHOUIMETAL Paula Montes Asistencia Tecnica 9-8220780 [email protected] ARCHOUIMETAL Andres Ducaud Gerente tecnico 9-8282007 [email protected] BIT Monserrat Johnson Area ejecutiva 2-7187500 [email protected] CDT Cristian Yañez Subgerente EE 2-7187500 [email protected] EMPRESAS CORMA Enrique Escobar Gerente CTT 2-6887978 www.cttmadera.cl ATRIO Fernanda Damm Gerente tecnico 2-4700200 [email protected] Cruz y Davila Ignacio Silva Ingeniero Consultor Tensocret Diego Mellado Gerente desarrollo 2-6033983 [email protected] Ceresita AndreaJahn Gerente tecnico 2-5849252 [email protected] Chilcorrofin Sergio Esquivel Subgerente UTC 2-4442800 [email protected] HENKEL Roberto Pavez Regional Manager 2-3817318 [email protected] LP Rodrigo Valenzuela Venta Distribucion 2-7968700/8716 www.lgchile.cl Const. FABBRO Paula Véliz Gerente Socio 32-2474651 [email protected] [email protected] CONSTRUCTORAS Casas Delano Enrique Astudillo Gerente tecnico 2-2154117 [email protected] Casas Lanco Eduardo Elizalde Gerente gral 63-441300 [email protected] [email protected] IZAFE Uda Jorge Zamora Gerente gral 2-8426013 TRAZA Marco Cobo Adm.Proyectos 07-7932404 [email protected] DRAROUITECTOS David Rodriguez Arquitecto Gerente AOA 2-7384110 www.drarguitectos.c1 Verde Activo Isabel Bravo Gerente gral 09-84793491 [email protected] ZS Arquitectos Cristobal Zegers Gerente gral 09-92342688 [email protected] REHAU María Aspillaga Jefe Ventas 2-24961900 [email protected] IMPOVAR Ivania Bravo Jefe productos cobre 2-5997900 [email protected] Nahuelbuta Augusto Morales Gerente gral 43-1970570 [email protected] Const. García Ricardo García Gerente gral [email protected] INDUSTRIALES EXO Carlos Bombal Gerente tecnico 09-92228287 [email protected] Metalfix Wilhem Muller Gerente gral 2-2741333 [email protected] Infraplast Christophe Poupard Gerente gral 09-94331110 [email protected] 119 UN1DADDE DESARROllO TECNOlOGICO InnovaCCORfO -,,-- ----- ACTIVIDAD 4.3: PREPARACION INFORME FINAL Se elaboraron una serie de informes ejecutivos para las empresas, las cuales se presenta en el informe final desarrollado. 120 - ANEXOS PROYECTO: "Desarrollo de Tecnología ~~ú~a~~~m~~~~~~rl~~ , de Prolongada Vida Util" Código:07CTPXT-17 Entidad Patrocinadora: INNOVA CHILE - CORFO Entidad Ejecutora: UNIDAD DE DESARROLLO TECNOLÓGICO Universidad de Concepción Junio, 2011 - UNIVERSIDAD DEL elo-aío Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica IMPLEMENTACiÓN DE PERFILES DE MADERA PLÁSTICO EN INFRAESTRUCTURA PORTUARIA Seminario de Título presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero de Ejecución en Mecánica. Profesor Guía: Sr. Richard Verdugo leal Ingeniero Supervisor: Sr. Ricardo Medina Garrido CARLOS RUBÉN CATRILEF ESCOBAR 2011 - AGRADECIMIENTOS Agradecimientos protagonismo al Centro de Investigación de Polímeros Avanzados CIPA, por el en la elaboración de este seminario. Tanto por proponer el tema, como así también por facilitar todo lo necesario para su desarrollo. 1 CAPíTULO 1) INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1 Introducción Este seminario de titulo trata de la implementación de perfiles de madera-plástico en infraestructura portuaria, específicamente en plataformas de muelles. Los materiales compuestos madera-plástico, han experimentado un rápido desarrollo a nivel internacional como productos y materiales de construcción. Siendo uno de los prioritarios el desarrollo de infraestructura portuaria, tales como plataformas de muelles, cubiertas, tarimas y mobiliario urbano. Entre las razones de crecimiento en el mercado de los materiales compuestos de madera-plástico, ha logrado un mejor desempeño que materiales tradicionales como la madera, en ambientes muy agresivos desde el punto de vista climático. Debido a sus bajas absorciones de humedad, presenta una mayor estabilidad dimensional, además por las incorporaciones de polímeros y aditivos estabilizadores se logran una alta resistencia a agentes externos y bajo costo de mantención en el largo plazo. Sin embargo una de sus limitantes ha sido el precio aún muy alto. Surge entonces, la necesidad de poder evaluar a través de métodos de simulación, diseño y cálculo el desempeño de este material en diferentes aplicaciones que se pueden diseñar, que nos permitirá a priori, poder considerar este nuevo material dentro de sistemas constructivos orientados a mejorar las características de desempeño en condiciones reales de uso. 2 1.2 Objetivos del seminario 1.2.1 Objetivo general Caracterizar el material y Simular a través del sistema CAD/CAE el comportamiento de perfiles extruidos de madera-plástico (WPC) en aplicaciones dentro del desarrollo de obras de infraestructura portuaria. 1.2.2 Objetivos específicos • Generar un diseño (prototipo virtual) de un muelle, para luego evaluar el comportamiento mecánico de perfiles WPC en comparación a la madera. • Caracterizar y conocer las propiedades mecánicas fundamentales del material WPC que nos permitan utilizarlo en obras de construcción de infraestructura portuaria bajo la normativa vigente. • Simular el comportamiento mecánico de diferente diseños de perfiles extruidos, en base al material WPC, cuya aplicación estará en cubiertas de muelles. 3 CAPíTULO 2) ANTECEDENTES GENERALES 2.1 Perfil madera-plástico Los perfiles de madera-plástico son utilizados hoy en día fundamentalmente en el rubro de la construcción. Corresponden a un material compuesto, fabricado a partir de extrusión de un polímero termoplástico con fibras o partículas de madera. Los perfiles extruidos de madera-plástico pueden ser fabricados huecos, con lo cual la densidad y, por lo tanto, el costo del producto disminuye. Algunos ejemplos se presentan a continuación: a) b) Figura 2.1 Ejemplos de perfiles de madera-plástico. El perfil que se estudia en este seminario corresponde a un perfil de geometría mostrada en la figura 2.1.b, de dimensión 30x150 mm, el cual es fabricado en base a madera de polvo de lija de pino radiata mezclado con polipropileno en una razón de 50/50 aprox. 4 2.2 Fabricación del material El proceso de fabricación de los perfiles de madera plástico, queda representado resumidamente en el siguiente diagrama de flujo: Figura·22 Diagrama de flujo de fabricación de perfiles madera plástico. 2.3 Normas a utilizar Se utiliza en este seminario normas chilenas tanto en la realización de los ensayos mecánicos y en la determinación de cargas de simulación mediante elementos finitos. 5 2.4 Infraestructura portuaria Se conoce como infraestructura portuaria a todas aquellas relacionadas con las actividades marítimas de atraques, aprovisionamiento y varado de embarcaciones. Dentro de las más importantes se pueden nombrar las siguientes: muelles (cubiertas y barandas), defensas de muelles, rampas, portones y Dolphin. Adicionalmente, existe otro segmento llamado de infraestructura de apoyo, el cual agrupa a todas aquellas obras y equipamientos que se utilizan en las actividades posteriores al varado y descarga de embarcaciones, como reparación y preparación de equipos; en este grupo se encuentran los sistemas de descarga de pescados, boxes, explanadas, talleres mecánicos, áreas para la comercialización y manipulación. Cuando se hable de infraestructura portuaria en este seminario, se refiere específicamente a muelles (cubiertas y barandas). 6 CAPíTULO 3) DISEÑO DEL MUELLE Para realizar las simulaciones CAD/CAE, es necesario tener un diseño del muelle, para poder obtener los parámetros de disposición de los perfiles como son: sujeciones, distancia de luz, tipo de perfil de acero donde va montado, dimensiones en general, etc. Como no se tiene un diseño claro de muelle a simular, se trabajó en varias propuestas, las cuales corresponden a dibujos en tres dimensiones. El objetivo de estas modelaciones 3D es determinar un pre-diseño del muelle, mostrando sus partes y piezas más importantes, acotando sus dimensiones generales y señalando los tipos de uniones, entre otros. De tal manera que sirva como referencia de diseño y para la simulaciones posteriores. 3.1 Posibles diseños de muelle Se rescatan dos posibles diseños de muelles que son muelle con pilotes y muelle flotante, los cuales se muestran en la figura 3.1 y 3.2. Figura 3.1 Diseño de muelle con pilotes 7 Figura 3.2 diseño de muelle flotante. Se selecciona la opción Muelle con pilotes, para simular posteriormente y evaluar su posible fabricación. Es por esto que a continuación se entrega información más detallada del muelle, separándolo en dos partes que son plataforma y pasarela, y estas en subdivisiones por pieza según sea conveniente. Muelle completo • Pasarela ~ Baranda ~ Perfil WPC ~ Base metálica ~ Esquinero metálico • Plataforma ~ Base metálica ~ Esquinero ~ Perfil WPC Ver anexo A, Planos de muelle. 8 3.2 Construcción y montaje de muelle Se diseñó el muelle estimando que este tendrá una fabricación previa en taller o maestranza; para su posterior ensamblaje en terreno mediantes uniones apernadas como se ilustrará en imágenes posteriores. El primer paso a realizar, es construir la base metálica de la pasarela y plataforma, cuyo material es acero. Estas bases deben ser galvanizadas después de su fabricación, con el objetivo de proteger el material del ambiente portuario. Figura 3.3 Bases metálicas Cabe señalar que la luz que se dejó para cada base es de 500 mm además, se tiene que dejar la unión entre los pilotes y la plataforma. Después del montaje de las plataformas enel lugar, se unen ambas mediante pernos con tuercas como se ve en la figura posterior. Figura 3.4 Uniones de bases metálicas 9 Luego viene montar los perfiles de WPC que serán fijados con tornillos autoperforantes, los cuales tendrán que ir en la mitad del tablón, además, el primero estará a unos 25 mm para perforar el perfil galvanizado también en la mitad además, estos perfiles se deben montar con una separación de 2 mm en la pasarela y 2.6 para la plataforma, quedando toda la estructura cubierta por WPC Figura 3.5 Montaje Perfiles Madera-plástico Una vez puestos todos los perfiles, tanto como para la plataforma y también para la pasarela, se debe cubrir las esquinas con un perfil L tal como se muestra en la figura. Esta también irá fijada con tornillos, los cuales no podrán pasar los 500 mm desde el primero, que tiene que estar en la esquina del perfil. Figura 3.6 Montaje perfil L 10 Una vez que se tenga todo el piso cubierto se montan las barandas, las cuales irán fijadas con pernos. Figura 3.7 Montaje barandas Cabe señalar que se debe fabricar una baranda para cada lado de la pasarela y, estas barandas deben de estar previamente galvanizadas antes del montaje. .Para lo cual se pretende lograr estos resultados, dado que se puede dar muchos usos a este tipo de estructura no sólo como muelle. Figura 3.8 Montaje completo del Muelle 11 CAPíTULO 4) ENSAYOS MECÁNICOS En este capítulo se pretende caracterizar los perfiles de madera plástico, obteniendo sus propiedades físicas y mecánicas, como son: densidad, resistencia a la tracción, módulo de elasticidad, dureza, entre otros. Estos datos son fundamentales para conocer el comportamiento del material en cuestión y poder así realizar una ficha técnica de este, como también realizar análisis mediante elementos finitos, o cualquier evaluación de diseño que se quiera realizar con estos perfiles de madera plástico. Para esto se realiza una serie de ensayos normados según norma chilena, los cuales se llevan a cabo en el departamento de CIPA en la UNIVERSIDAD DEL alo-slo. Con los resultados obtenidos, se busca además, clasificar según grado y comparar las propiedades de los perfiles con las propiedades de algunas maderas usadas en infraestructura portuaria. Ensayos a realizar , . • Determinación de la densidad • Compresión paralela • Compresión perpendicular • Tracción perpendicular • Tracción paralela • Cizalle • Dureza • Flexión estática Se utiliza 10 probetas en la mayoría de los ensayos, asumiendo que estas están libres de defectos y son representativas de los perfiles de madera-plástico. 12 4.1 Ensayo de cizalle Paralelo NCh0976-1986 Este ensayo se basa en aplicar, sobre un plano perpendicular al eje longitudinal de la probeta, una carga continua de dirección paralela al eje a las fibras de la madera (eje axial del perfil WPC) hasta llegar al punto de falla de la probeta. Datos de ensayo: • Dimensión de probeta e= 50 ; L=65 ; h=50 mm • Velocidad de cabezal 0.6 mm/min • Cantidad de ensayos: 10 Figura 4.1 Probetas de cizalle. Se obtiene una media de la carga y desplazamiento máximo ocurrido en los diez ensayos, cuyo resultado es el siguiente: Tabla 4.1 Resultados ensayo cizalle Carga Max Desplazamiento Max. [kN] [mm] 26.137 4.722 13 4.1.1 Expresión de resultados Determinación (Jcz = -h·eQ = de Tensión máxima 17.42 MPa (4.1 ) Donde: Q = 26.137 [kN] Carga para la cual se obtiene la falla de la probeta; h=50 [mm] Medida de altura del plano de falla; e=30 [mm] Medida de ancho del plano de falla. 4.2. Ensayo compresión paralela NCh0973-1986 Este ensayo se basa en aplicar, sobre una sección transversal extrema de la probeta, una carga continua de dirección paralela al eje axial del perfil WPC, midiendo las deformaciones producidas por la aplicación de dicha carga hasta llegar al punto de falla de la probeta. Datos de ensayo: • Se utiliza como probeta un paralelepípedo recto de 25x25x100 mm • Velocidad del cabezal de la máquina v=0.6 mm/min • Cantidad de ensayo: 10 Se obtiene una curva media de los diez ensayos realizados, la cual queda • representada en el siguiente gráfico 4. 1. 14 ~------~-'--- I 16 14 12 1•••• 'Z ~ ....• 10 ca .. 8 en ca 6 (J 4 2 O O 2 3 5 4 6 Desplazamiento [mm] Gráfico 4.1 Curva media de los diez ensayos en compresión paralela. Se puede apreciar en este último gráfico, entre Oy 2 en el eje de desplazamiento, que aparece una curva no característica del ensayo y que corresponde al acomode de la probeta en la máquina. Esto se corrige, quedando finalmente representado en el gráfico 4.2. 16 14 ca ~ 8 c:3 6 4 2 O~--~----~--~--~----~--~ O 0,5 1 1,5 2 2,5 3 ~ __~ 3,5 4 ____D_e~J?lazamiento{mm] Gráfico 4.2 Curva corregida media de los diez ensayos en compresión paralela. 1S Se convierte el gráfico medio corregido en un gráfico esfuerzo-deformación unitaria (gráfico 4.3), que corresponde al método usado en ingeniería para representar las propiedades mecánicas del material. •.....• 20 ni a. 11:: 'Z; w 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 De(ormacion unitaria [*10.1] Gráfico 4.3 Diagrama Esfuerzo-Deformación Unitaria en compresión paralela 4.2.1 Expresión de resultados Tensión en compresión paralela en el límite de proporcionalidad p O"cp,lim =A= 13.56 MPa Donde: p= 8.48. kN Carga en el límite de proporcionalidad; A= 25*25 mm" Sección de probeta. (4.2) 16 Tensión máxima o de rotura. = AQ = 23.18 MPa (Jcp.max (4.3) Donde: Q = 14.49 [kN] Carga en el límite de proporcionalidad; A = definido anteriormente. Módulo de elasticidad en compresión Ecp E = O'cp~lim Paralela = 640.15 MPa (4.4) = 0.3621' 10-1 4.3. Ensayo Compresión Perpendicular NCh 0974-1986 Este ensayo se basa en aplicar, en dirección perpendicular al eje axial del perfil WPC, una carga continua, midiendo las deformaciones producidas por la carga, hasta llegar al punto de falla de la probeta o en su defecto, hasta una deformación de 2.5 mm. Se realiza este ensayo en dos direcciones: • Dirección 1: Carga aplicada sobre el perfil WPC • Dirección 2: Carga aplicada por el costado del perfil WPC Datos de ensayo: • Se utiliza como probeta un paralelepípedo recto de 50x30x150 mm • Velocidad de cabezal: 0.3 mm/mino • Cantidad de ensayos: 5 por cada dirección • Cantidad de ensayos: 5 por cada dirección 17 Figura 2 Ensayo compresión perpendicular 4.3.1 Dirección 1 (Carga Sobre el perfil) Luego de realizar los cinco ensayos en compresión paralela, se confecciona un gráfico de carga-desplazamiento (ver gráfico 4.4) y otro de esfuerzo-deformación unitaria (ver gráfico 4.5), en los cuales se corrige el acomode de las probetas en la máquina. 40 =. Z 30 11:1 e' 11:1 o 20 10 0,4 0,6 0.8 Desplazamiento 1,2 1.4 (mm] Gráfico 4.4 Curva corregida media de los cinco ensayos en compresión perpendicular. 18 l 0,1 . ':-_._ ... _._. __ .. _ 0.2 0.3 Deformación Unitaria [*10. _ ... _-_ .. .... ---_.. Gráfico 4.5 Diagrama Esfuerzo-Deformación Expresión = PUm z·a . .... _ 0,5 ] .. Unitaria en compresión paralela de resultados Determinación (Ten lim , 0,4 1 tención unitaria en el límite de proporcionalidad = sin determinar (4.5) Donde: Plim = Sin determinar carga en el límite de proporcionalidad; A = 30 rnrn" Ancho de probeta; z = 50 mm Ancho de placa metálica. Determinación (Tcn,max = z~a = tención máxima 33,3 M Pa Donde: Q = 50 a, z kN Carga máxima = ídem (4.6) 19 Si bien la norma dice, que el ensayo finaliza cuando la probeta sufre un desplazamiento de 2.5 mm o cuando falla, en este caso no se pudo cumplir con estas condiciones, debido a que el ensayo se detiene cuando la máquina alcanza una carga de 50 kN, que es límite de esta. 4.3.2 Dirección 2 (carga por el costado del perfil) r í 50 •....• 40 z ~ ....• nJ 30 El nJ .o 20 10 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,4 1,6 i Desplazamiento [mm] Gráfico 4.6 Curva corregida media de los cinco ensayos en compresión perpendicular. I :: I 'ii' 25 I:L f!. 20 o I::! 4) 15 1.2 t 8]10 I ¡ 5 I ! i l 0,1 0,2 0,3 Deformación Unitaria 0,4 0,5 [*10.1] Gráfico 4.7 Diagrama Esfuerzo-Deformación Unitaria en compresión paralela. 20 Expresión de resultados Determinación O"en.lim = Sin determinar Determinación O"en.max = tención unitaria en el límite de proporcionalidad tención máxima 33,3 MPa 4.4 Determinación de la densidad NCh 0179-2-1986 En este ensayo se determina la densidad de referencia. Datos de ensayo: • Se utiliza como probeta un paralelepípedo • Cantidad de ensayos: 6 recto de 50x30x50 mm 4.4.1 Expresión de resultados Se resumen los resultados del ensayo en la siguiente tabla. Tabla 4.2 Resultados ensayo de densidad. 21 4.5 Ensayo de dureza NCh 0978-1986 Este método se basa en aplicar una carga continua sobre las caras de la probeta con el propósito de hacer penetrar en el material una esfera de acero de 11.3 mm de diámetro, hasta la mitad de su diámetro. Datos de ensayo: • Se utiliza como probeta un paralelepípedo • Velocidad de cabezal: 6 mm/mino • Cantidad de ensayos: 10 por cada cara. recto de 50x30x150 mm Figura 3 Ensayo de dureza. 22 4.5.1 Expresión de resultados Se resume en la siguiente tabla los resultados de ensayos de dureza. Tabla 4.3 Resultados ensayo de dureza. Cara de ensayo Dureza Paralela kN Dureza perpendicular Dureza perpendicular kN kN A A' S S' C C' 12,02 11,62 14,23 15,05 10,84 11,89 11.82 14.64 11.37 4.6 Ensayo flexión estática NCh 0987-1986 En este ensayo se aplica una carga continua, a una velocidad constante, en la mitad de la luz de la probeta, midiendo las deformaciones producidas por la aplicación de dicha carga hasta llegar al punto de rotura de la probeta. Datos de ensayo: • Se utiliza como probeta un paralelepípedo recto de 25x25x41 • Velocidad de cabezal: 2.5 mm/mino • Cantidad de ensayos: 1 por lado. ° ° mm 23 Figura 4.4 Ensayo flexión. 4.6.1 Dirección 1 (sobre) 0,9.-~--~------~ -----_.- ---~.----~ ~ ~ ~ - , 0,8 0,7 Z 7: 0,6 ~ 0,4 ~ ~ 0,5 0,3 0,2 0,1 2 4 6 Desplazamiento 8 10 [mm] Gráfico 4.8 Gráfico carga-desplazamiento en flexión. 4.6.1.1 Expresión de resultados Determinación de módulo de elasticidad (4.7) Donde: P1p = 0.52 kN Carga en el límite de proporcionalidad L = 350 Dlp b Luz de ensayo = 4.5393 = 25 mm mm Desplazamiento Ancho de probeta h = 25 mm Alto de probeta en el límite de proporcionalidad 24 Determinación Rf Q 3'Q'L = --2 = 2·b·h = 0.837713 L, b, h de módulo de rotura 28.14 MPa kN Carga máxima = Definidos Determinación (ji = ~3'P¡ ·L (4.8) anteriormente de Tensión en el límite de proporcionalidad = 14.49 MPa (4.9) P1p, L, b, h = Definidos anteriormente 4.6.2 Dirección 2 (costado) 0,6 ••••• 0,5 Z .:.: -; E' tJ 0,4 0,3 0.2 2 345 6 7 8 Desplazamiento [mm] Gráfico 4.9 Gráfico carga-desplazamiento en flexión. 9 25 4.6.2.1 Expresión de resultados Determinación de módulo de elasticidad (4.10) Donde = 0.42 P1p L = 350 kN Carga en el límite de proporcionalidad Luz de ensayo = 5.1 mm Desplazamiento Olp b = 25 mm Ancho de probeta h = 25 mm Alto de probeta Determinación 3·Q·L Rf = 2.b.h Q = 0.679 = Definidos 3·Pt P = -b2· ·L ·h 2 = anteriormente de Tensión en el límite de proporcionalidad 14.11 MPa P1p L, b h Definidos anteriormente I I (4.11 ) kN Carga máxima Determinación O"f de módulo de rotura = 22.81 MPa 2 L, b, h en el límite de proporcionalidad (4.12) 26 4.7 Ensayo Tracción perpendicular NCh 0975-1986 El ensayo se basa en aplicar una carga continua de tracción en dirección perpendicular al eje axial del perfil WPC hasta llegar al punto de falla de la probeta. Datos de ensayo: • Se utiliza como probeta un paralelepípedo recto de 67x63x30 mm • Velocidad de cabezal: 2.5 mm/mino • Cantidad de ensayos: 10 por lado. , 'VA:! :$ :V " ::s. . 4 J Figura 4.5 Probeta tracción 4.7.1 Expresión de resultados 9 . 8 7 3 2 o~~--~~--~ o 0,2 0,4 0,6 0,8 __~~ 1 Desplazamiento __~ __ ~~¿ 1,2 1.4 1.6 1.8 [mm] Gráfico 4.10 Gráfico carga-desplazamiento en tracción perpendicular. 27 I 12¡---~--_--'-_~-_-'_-'~' ---- ---=-~'-~-.-----~--.._,--- I I I I 10 o .~ .a 6 CII .n 4 0,05 0,1 0,15 0,2 Deformacion unitaria r10·1] Gráfico 4.11 Gráfico esfuerzo-deformación (J'lp = AP = 6.61 MPa (J'max = AQ = 11.98 M Pa unitaria en tracción perpendicular. Esfuerzo en el límite elástico. (4.13) Esfuerzo máximo. (4.14) P = 4.96 kN Carga en el límite de proporcionalidad. Q = 8.24 kN Carga máxima. A = 750 mm2 28 4.8 Ensayo Tracción paralela El ensayo se basa en aplicar una carga continua de tracción en dirección paralela al eje axial del perfil WPC hasta llegar al punto de falla de la probeta. Datos del ensayo: • Se utiliza como probeta un paralelepípedo • Velocidad de cabezal: 2.5 mm/mino • Cantidad de ensayos: 10 por lado. recto de 67x63x30 mm 4.8.1 Expresión de resultados 6 ~5 ··2 1 0,2 0,4 0,6 0.8 1 1,2 1,4 1,6 Desplazamiento [mm] Gráfico 4.12 Gráfico carga-desplazamiento en tracción perpendicular. 29 12 10 •.....• '" 0..8 :2E •....• 26 •.. 12'814 0,05 0,1 0,15 Deformación unitaria [*10.1] Gráfico 4.13 Gráfico esfuerzo-deformación (Jlp = (Jmax P P A= 7 M Pa = AQ = = 5.25 10.57 MPa A Esfuerzo máximo. kN Carga en el límite de proporcionalidad. = 750 rnrn" Área de falla. 4.9 Resumen de resultados 0,25 unitaria en tracción perpendicular. Esfuerzo en el límite elástico. Q = 7.93 kN Carga máxima. 0,2 (4.15) (4.16) 30 Los resultados de los ensayos quedan resumidos en la siguientes tabla y gráfico. Tabla 4.4 Resumen de resultados de ensayos. Plp Omax alp amax E R kN kN MPa MPa MPa MPa Cizalle Paralelo Compresión Compresión paralela perpendicular (ambas direcciones) 17,42 26,13 8,48 14,89 13,56 23,18 - 50 - 33,3 Dureza Cara A 11,82 Dureza cara B 14.64 Dureza Cara C 11,37 640 Flexión (sobre) 0,52 0,83 14,89 3143 28,14 Flexión (Costado) 0,42 0,67 14,11 2260 22,81 Tracción perpendicular 4,96 8,24 6,61 11,98 Tracción paralela 5,25 7,93 7,00 10,57 Densidad 991 kg/m;s Donde: P1p Carga límite de proporcionalidad. amax Carga máxima. alp Tención en el límite de proporcionalidad .amax Tención Máximo o de ruptura. E Módulo elasticidad. R Módulo ruptura. 31 I---~"~~ I 14 ~-~ .._-~_ .. ~-~~_ .•__ ~ .,_ ...~ ... ·~ ·,_~·_r Comp. Perpendicular Comp. Paralela 12 -10 Z .:.::: •••••• ca 8 el ••• ca O 6 4 2 Flexión 1 2 345 6 Desplazamiento [mm] Gráfico 4.14 Gráfico carga-desplazamiento 7 8 de todos los ensayos. 9 __ .·_ '_, 32 CAPíTULO 5) COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE lOS PERFilES MADERAPLÁSTICO. En este capítulo, se estudia el comportamiento mecánico de los perfiles maderaplástico en una plataforma de muelle. El estudio se realiza mediante simulaciones de elementos finitos, para luego comparar los resultados con los valores obtenidos mediante forma analítica. Se utiliza como propiedades de los perfiles maderaplástico, las obtenidas en los ensayos mostrados en el capítulo anterior. Consideraciones • Se usa como guía de cálculo la NCh 1198. • Las reacciones en los apoyos se analizan como vigas simplemente apoyadas. • La luz máxima efectiva corresponde a la distancia entre los centro de apoyo. • Dado que la resistencia de la madera y los materiales derivados de ella se ve afectada por el periodo de aplicación de la carga, por los tratamientos realizados y por las condiciones del medio, tales como tensiones y capacidades de cargas admisibles deben ser corregidas por medio de los factores de modificación que la norma establece. 5.1 Cargas Se utiliza una carga de 1000N correspondiente al peso de un hombre según NCh 1537. Esta carga de ser aplicada en la posición más desfavorable. 33 5.2 Tensión de diseño de flexión La tensión de diseño se calcula según la expresión: Zona flexo-traccionada (5.1 ) Fft,diS Ff = 22,81'1'1'1,15 = 22,81 MPa; '1,058 = 27,75 MPa Tención admisible en flexión. KH = 1; Factor de modificación por contenido de humedad. KD = 1; Factor de modificación K¿ = 1.15; Factor de modificación por trabajo conjunto. Khf = por duración de la carga. 1.058; Factor de modificación por altura del perfil. 5.4 Propiedades a utilizar Tanto en la simulación como en el cálculo analítico, mostradas en la tabla. Tabla 5.1 Propiedades mecánicas de perfiles a evaluar. 5.5 Simulación de perfil madera-plástico se utilizan las propiedades 34 Se utiliza una carga de 1000N, correspondiente al peso de una persona y en su posoción más desfavorable. Se utiliza modo de ejemplo un perfil montado con una luz igual a 500mm. 5.5.1 Dibujo 3D del perfil a simular Se crea una representación 3D en SOLlOWORKS, con la cual se realiza la simulación. Figura 5.1 Representación 3D de un perfil madera-plásastico. 5.5.2 Sujeciones Aplicamos condición de sujeciones como viga simplemente apoyada, siendo esta una sujeción fija en el lado izquierdo y sujeción de rodillo en el lado derecho. Figura 5.2 Sujeciones. 35 5.5.3 Cargas Se aplica una carga de 1000N en la posición más desfavorable, que corresponde en el centro del perfil. Figura 5.3 Cargas. Se aplica el peso propio por efecto de la gravedad. '---J- ~ .__ J Figura 5.4 Gravedad. 5.5.4 Malla Se crea la malla del modelo, utilizando una malla fina para obtener valores más exactos. 36 Figura 5.5 Malla. 5.5.5 Resultados Los resultados de flecha máxima y tención máxima se muestran en las imágenes a continuación. -~(Nm."2) 6.202.729}) 15.685.990.5 .,' _ 5.169.252.0 . 4.652.513.5 Figura 5.6 Tención máxima. 37 l.f<ES(mm) 1 '·89 1.73 .1.57 Figura 5.7 Flecha máxima. Flecha Máxima 1) = 1,89 mm Tención Máxima Umáx = 6,2 M Pa Factor K de seguridad El Factor K de seguridad, se calcula según la siguiente expresión: K = F[t,dis O'máx K (5.4) = 27,75 = 4.47 6,20 5.6 Calculo analítico Se procede a calcular la flecha y el momento máximo de forma analítica. Se utiliza las mismas condiciones que en la simulación. 38 5.6.1 momento máximo x ; o {mm} s.ao~r= -----il'oo= //í/ .."......,~~B 250. oo n'r -5<>0,<>°1 x (mm:) I :1 . i ... : II 0,00 . I I ¡ I O,pO (mm) , 1 500,0 Mmáx = 125000 Nmm 5.6.2 Esfuerzo máximo , = 12'Mb'h máx'C 3 O"max = 55 MP I a Donde: P = 1000 N; Carga aplicada. = 150 mm; Ancho de perfil. h = 30 mm; Alto del perfil. e -soo,ool x Momento máximo b T 0 •. 00 = 15 mm; Distancia a la fibra mas cercana. 39 5.6.3 Flecha máxima {S = p. L3 4. E. b. h3 = 3.41 mm Donde: L = 900 mm; E = Luz efectiva. 2260 MPa; Modulo de elasticidad. P, b, h = Definido anteriormente 5.6.4 Factor K de seguridad K = 27,75 = 5,0 5,5 5.7 Resumen de simulaciones y cálculos analíticos y tenciones máximas, mediante simulación y en forma analítica, Se calcula flechas en distintas disposiciones de luz, como se mostro anteriormente. Tabla 5.2 Resumen de resultados de simulaciones de perfiles de madera-plástico. SIMULACiÓN LUZ mm {S CTmáx mm Mpa TEÓRICO K {S CTmáx mm Mpa K 500 1,89 6.202.729 4,47 3,41 5.555.556 5,00 550 2,37 8.534.573 3,25 4,54 6.111.111 4,54 600 9.011.383 3,08 5,90 6.666.667 4,16 700 3,14 5,47 10.083.404 9,37 7.777.778 3,57 800 9,81 11.270.675 2,75 2,46 13,98 8.888.889 3,12 900 23,1 12.555.330 2,21 19,91 10.000.000 2,78 1000 32,3 13.869.864 2,00 27,31 11.111.111 2,50 40 FLECHA-LUZ 35,00 30,00 E ..§. 25,00 20,00 c:t ::t: lrl u. -' 15,00 10,00 5,00 0,00 L-. __ 500 ._ 600 _._ __ 700 __ 800 LUZ (mm) __ _ 900 _ __ . 1000 Gráfico 5.1 grafico flecha-luz, de resultados de simulación. 5.8 Comprobación de simulación Se calcula el coeficiente de determinación r2, para comprobar si los valores obtenidos mediante simulación, se acercan a los valores teóricos. Se utiliza como referencia los valores de flecha máxima. r2 = 0.954 Tomando en cuenta este valor de coeficiente de determinación, se asume como valido los valores obtenidos en las simulaciones. 41 CAPíTULO 6) ANÁLISIS Y DISCUSiÓN DE RESULTADOS 6.1 Comportamiento del material sometido a cargas Para analizar el comportamiento del material, se revisan los resultados de los ensayos en los cuales al cambiar la dirección de la carga, la probeta no cambie su geometría (misma inercia). Esto sucede solo en tres casos de los ensayos realizados, que son: ensayo de dureza, flexión y tracción. Extracto tabla 4.4 Resumen de resultados de ensayos Plp Qmax alp amax E R kN kN MPa MPa MPa MPa Dureza Cara A 11,82 Dureza Cara C 11,37 Flexión (sobre) 0,52 0,83 14,89 3143 28,14 Flexión (Costado) 0,42 0,67 14,11 2260 22,81 Tracción perpendicular 4,96 8,24 6,61 11,98 Tracción paralela 5,25 7,93 7,00 10,57 Si bien se pudo analizar el material solo en dos direcciones, debido a que la geometría del material disponible para confeccionar las probetas, no permite una tercera dirección de carga, se puede apreciar una clara tendencia del material a comportarse isotrópicamente. Por lo tanto, para efectos de simulación, se asume que el material se comporta de esta forma y, se toma como carga límites o de fluencia, las cargas más bajas obtenidas. 6.2 Clase estructural del material Ahora que se conoce las propiedades mecánicas del material en estudio, es importante establecer a qué clase estructural corresponde este, según NCh 1198. Esto es de mucha utilidad, ya que los diseñadores, cuando se trata de maderas, buscan materiales útiles en sus diseños fijándose principalmente en la clase estructural. 42 Tabla 6.1 Tensiones admisibles y módulo de elasticidad en flexión para madera aserrada, NCh 1198. Todas las especies excepto pino radiata. \ Tensiones admisibles MPa Clase Compresión Tracción Paralela paralela F, Fcp F 34 34.5 F27 Flexión Módulo de elasticidad en Cizalle flexión r; Fez E, 26.0 20.7 2.45 18150 27.5 20.5 16.5 2.05 15000 F22 22.0 16.5 13.2 1.70 12600 F17 17.0 13.0 10.2 1.45 10600 1.25 9100 estructural F14 14.0 10.5 8.4 F 11 11.0 8.3 6.6 1.05 7900 F8 8.6 6.6 5.2 0.86 6900 F7 6.9 5.2 4.1 0.72 6100 F5 5.5 4.1 3.3 0.62 5500 F4 4.3 3.3 2.6 0.52 5000 F3 3.4 2.6 2.0 0.43 4600 F2 2.8 2.1 1.7 0.36 4350 Tabla 6.2 Clasificación de la clase estructural de madera plástico segun NCh 1198. WPC Clase estructural Flexión F14 Compresión Tracción Módulo de elasticidad Compresión Paralela paralela en flexión perpendicular F17 F11 < F2 -- 6.3 Modelos matemáticos de los ensayos En esta sección se quiere buscar un modelo matemático que represente lo mejor posible el comportamiento de los perfiles de madera-plástico sometidos a cargas. Dicho de otra manera, se busca un modelo matemático que represente a la curva carga-desplazamiento de los ensayos. Esto tiene como propósito, presentar estos modelos como un valor agregado al producto. 43 14 12 I ns 8 (J"- 6 -O) 4 2 o~~--~------~~--~------~~ __~ O 1 0,5 1,5 2 2,5 ~ ~ 3 3,5 ~~ 4 Desplazamiento [mm] ! .... Gráfico 4.2 Curva de ensayo compresión paralela. '-----16 -- -- .- .- - - ~-, -CafQa=O.0372004 ~ .._. _.... ~ 5.:83113·Otl'S¡:lazamlenlo" O.81~914·Desplalamien1~· O.535122'OeSPI3Iamlen1oJ .• O.0745S27'Oes~laz.amlert:o" 14 12 •.....• I~ 10 ' 1I Ins ,0) 8 1"- ·ns 1° 6 4 2 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Desplazamiento [mm] Gráfico 6.1 Curva (negra) modelo matemático vIs Curva (roja) de ensayo compresión paralela. 44 Para este caso el modelo matemático es el siguiente: Carga=0,0372004 + 0,813914-Desplazamiento2 + 0,0745827-Desplazamiento4 0,635132-Desplazamiento3 Usando x= desplazamiento y=0,0372004 + 5,83713-Desplazamiento e, y=carqa, el modelo queda de la siguiente manera: + 5,83713-x + 0,813914-x2 - 0,635132-x3 + 0,0745827-x4 Teniendo este modelo un r2 de 100%_ Esto se puede apreciar en el gráfico 6.1, donde la curva de color rojo que equivale al modelo matemático cubre completamente a la curva original de ensayo de color negro, teniendo como limitación el valor más alto de carga, que corresponde a la carga máxima en el ensayo, determinado en el capítulo 4. A pesar de que el modelo no representa a toda la curva, el modelo es muy útil ya que quedan incorporados el punto de carga máx. y el límite proporcional. De la misma manera se encuentran los demás modelos, y quedan agrupados en la tabla siquiente. Tabla 6_3Modelos matemáticos de ensayos mecánicos. y=0,0372004 Compresión paralela perpendicular y=5,20417E-18 r2 + + 36,344'x = 100%_ I + 0,0899359-x Limitación + 0,00704896-x2 = Qmax. - 0,00153869'x3 0,0000646139-x4 r2 Tracción - 0,635132-x3 I Limitación = Omax. = 100%_ y=0,00229615 Flexión + 0,813914-x2 0,0745827-x4 r2 Compresión + 5,83713'x = 99,99%_ y=0,121056 r2 I + 5,72454-x -1,07602-x2 = 100%_ I Limitación = Omax. + 1,49197-x3 Limitación - 0,67815-x4 = Qmax. 6.4 Comportamiento mecánico de los perfiles madera-plástico. + 45 En relación a los resultados del capítulo mecánico de los perfiles de madera-plástico, con dimensiones más cercanas 5, se compara el comportamiento con un perfil de madera pino radiata a los de madera-plástico encontradas mercado. Consideraciones • Se evalúa un perfil de madera de 6x1.5" de sección. • Se toma como referencia una luz efectiva igual a 1000 mm. 6.4.1 Evaluación perfil de pino radiata Para pasarelas peatonales la deformación 8adm máxima admisible: = L/400 (6.1 ) 8adm = 1000/400 L = = 2,5 mm 1000 mm; Luz efectiva de la viga. Tabla 6.4 Propiedades Ff = 9,3 MPa; Fft,dis Umáx K Tención admisible en flexión. = 9.3 -1-1-1,15 = 6,78 MPa =~= 6,78 1.6 mecánicas de perfil pino radiata. '1,058 = 11,31 MPa en el 46 Tabla 6.5 Propiedades mecánicas de perfiles de pino radiata. LUZ Oadm O'máx mm mm Mpa 1000 2,50 Fft,dis K MPa 11,31 6.780.416,0 1,6 Tabla 6.6 Extracto de tabla 5.2 resumen de resultados de simulaciones de perfiles de madera-plástico. LUZ o mm mm O'máx Mpa K 1,89 6.202.729 4,47 550 2,37 8.534.573 3,25 600 9.011.383 3,08 700 3,14 5,47 10.083.404 800 9,81 11.270.675 2,75 2,46 900 23,1 12.555.330 2,21 1000 32,3 13.869.864 2,00 500 6.4.2 Comparación SIMULACiÓN de perfiles madera-plástico y de pino radiata. Al comparar las tablas 6.5 y 6.6, con una luz igual a 1000 mm, se puede apreciar que el factor de seguridad K de los perfiles madera-plástico, es más elevado que del perfil de pino radiata, sin embargo, la flecha máxima alcanzada por los perfiles de madera-plástico, supera en gran medida a la flecha admisible en la dimensión de luz analizada. Por lo tanto, para reemplazar una plataforma de muelle construida con pino radiata, con una luz de 1000 mm, por una construida de madera-plástico, será necesario reducir la luz efectiva a 550 mm. Quedando así una flecha máxima inferior a la flecha admisible y un factor de seguridad K=3,2S. CAPITULO 7 7.1 CONCLUCIONES Luego de varias propuestas de diseño de un muelle, se definió uno que consta de una plataforma y una pasarela con barandas, en las cuales se tiene una luz de 500 mm y están montadas sobre pilotes. Los detalles de este diseño se muestran en el anexo A. En el proceso de los ensayos mecánicos, se logró caracterizar el material en estudio, obteniendo las curvas de sus propiedades más importantes, además de obtener modelos matemáticos de estas curvas. También se definió que los perfiles de madera-plástico, se comportan como material isotrópico. En esta sección se concluyo también que en términos de resistencia, los perfiles de madera-plástico son superiores a los perfiles de madera, sin embargo son mucho más sensibles a la deflexión, siendo esto por su naturaleza de compuesto de polímero. Se logró realizar simulaciones de elementos finitos de los perfiles de maderaplástico, obteniendo resultados muy parecidos a los teóricos. De los resultados, se concluye que para reemplazar una cubierta de muelles fabricada con perfiles de madera pino radiata, con una luz de 1000 mm, por una construida de perfiles de madera-plástico, es necesario reducir la luz afectiva a 550 mm. Tomando en cuenta estos antecedentes, se puede concluir que los perfiles de madera-plástico, son aplicables en el uso de plataformas de muelle desde un punto de vista mecánico. - UNIVERSIDAD DEL ) ero-ato Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica ANEXO A DETALLE DE DISEÑO DE MUELLE CARLOS RUBÉN CATRILEF ESCOBAR 2011 995 995 I I I ..- -- 1 - 1- ~ '--- e 242,5 - el B :b d ~ ~ - 1 '<t 500 - 1I 500 ~ - I I IIr--I 1_- - _1 I I I 1 1 1-- eo 1 - 1 IIr-I I I -- - 1 o o ,- f-- 1 1- o o o -- - - Vr 995 - '-1 1 1 I el ~ et ~ el ~ 500 '----7"'~ 500 - A~ 500 ~2,5 2985 DETALLE A ESC 1:5 DETALLE B ESC 1:5 NOTA: SON TODOS PERFILES CIRCULARES ISO 048.3x2.9 O SIMILAR. BARANDA PASARELA DESIGNACION AC. SAE 1020 GAL V. MATERIAL 1:16 ESCALA 3000 ~ 500 r-- ,----, UII~ ¡--¡r15Q 500 t::= 1-- I I o I ~ 1-- UJ l~ 11 1 o UJ O ~ ! 1I I I ~O 1I I - rIT lim - 500 -...,.-- .- 1- I I I I ~¡Ilk150 • f- I I 1I I! lo I I I I I I I 1- - 1I - fiF I I ~ tapas en los extremos e=3 NOTA: PERFILES CUADRADOS DE 50X3.2 TODAS LAS UNIONES SOLDADAS BASE METAL/CA PASARELA DESIGNACION li oo 11 UJ li 1I 1I I 1I - I 1I I I .-t- I - I I - - 1I I~ - 500 11 I I o 500 lO UJ I I II " AC. SAE 1020 GAL V. MATERIAL (") UJ N N 30 1050 a -+- b 1000 NOTA:- a y b puntos de anclaje a base metalica - Separación de 2 mm entre perfiles I 31 I N° I 20 CANT. I 1 PERFIL WPC PASARELA DESIGNACION I I WPC MATERIAL I I 1:5 ESCALA C) l.() ..-t 3044 A ce LO o ..- A A ( NOTA: Esta estructura no se suelda, solo se atornilla en los perfiles WPC como se indica en las imágenes del primer informe. M SECCION A-A 3 ~r-- y / '/ r7 / o N / 20 I I 4 I N°I 1 CANT. I I DETALLE A ESC.1:1 ESQUINERO PASARELA DESIGNACION I I AC. SAE 1020 MATERIAL I I 1:16 ESCALA -----------------~-- 10 I¡~ - - O O 1 U) 1 1 I .- I 1 1 U) !I 1 1 - I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -- - 1 1 U) --- '-------- --r I~t ---'- 500 11-- 1 --1 1 11 ¡-- -- 1 -1 1- 1 1 1 1 1 1 1 1 11 ____ =---- -----= -- - 1 - 1- 1 r~r I~t • - 150 -- -~ 500,05 1 1 1 1 1 499,95 1 1 ---1 1 1 1 - 1 1 1 1 500 1 1 1 - 1 1 1 IW-. I 1- 1 1 1 1 11 _____ .- 1 1 1 1 11---- 1 1 1 O O =----= 1 1 - 1 11-------= U) I 1 1 1 I 1 1 1 O O 1 11------- 1 1I 1 1 1 N ~¡ 1/ I1 1 1 o o o W I~ 1 1 1 O O 1 11 - - - - - 1 ~i 11- ~tlll ----' --'--- 500 500 3000 BASE METALlCA PLATAFORMA DESIGNACION AC. SAE 1020 GAL V. MATERIAL 2050 a ~---------- ~ 1000 NOTA:- a, b y ·tJ~30 1000 e puntos de anclaje a base metalica - Separación de 2.632 mm entre perfiles I 6 I 20 CANT. I I PERFIL WPC PLATAFORMA DESIGNACION I I WPC 1:10 MATERIAL ESCALA -------------------------------- 3056 CD Lt) o N DETALLE A ESC.1:1 ( 3 o N '7/// A ,,/ -. ("1") A / SECCION A-A NOTA: Esta estructura no se suelda, solo se atornilla en los perfiles WPC como se indica en las imágenes del primer informe. 20 I r 7 I Nol 1 CANT. I I ESQUINERO PLATAFORMA DESIGNACION I I AC. SAE 1020 MATERIAL I I 1:10 ESCALA UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARíA SEDE CONCEPCION "REY BALDUINO DE BÉLGICA" OBTENCION y DESARROLLO DE COMPUESTOS MADERA PLASTICA EN BASE A MADERA DE PINO OREGON, PINO RADIATA Y COIHUE PARA USO COMO MATERIAL CONSTRUCTIVO TRABAJO PARA OPTAR Al TíTULO PROFESIONAL DE TECNICO UNIVERSITARIO QUIMICA MENCION QUIMICA INDUSTRIAL ALUMNO : KARINA CARRillO PROFESOR GUíA : RENE SCHMIDT - RAMOS 2010 - RESUMEN El objetivo de este estudio fue estudiar la madera plástica, caracterizar sus componentes y experimentar su desarrollo, evaluando la formación de los mismos, a través de la utilización de pellets obtenido previamente, incorporando tres maderas de distintas especies en una matriz de polipropileno. Se utilizaron los laboratorios y planta piloto de extrusión de la Unidad de Desarrollo Tecnológico de la Universidad de Concepción y del Centro de Investigación en Polímeros Avanzados, con lo cual fue posible experimentar en la obtención de placas de madera plástica y perfiles extruidos necesarios para realizar esta investigación. La madera plástico posee aceptables propiedades mecánicas, una alta resistencia a hongos de pudrición, excelente estabilidad dimensional y muy buena trabajabilidad que le permite ser utilizado como una buena alternativa de revestimiento del material, de fachadas en viviendas y como pisos de plataforma de terrazas, pasarelas, y sendas peatonales en riveras y playas. 2 IN DICE Resumen 2 CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN...............••..•.•...•.....•......•.•.•..•.......••.....•...........••...••..••..•...........•.••.•.... 5 1.1 Objetivos 7 CAPITULO 2: ANTECEDENTES GENERAlES•...••........•••..•.....................•....••..•.........•....•••.................• 8 2.1. Polímeros 9 2.2. Estructura de los polímeros 10 2.2.1. Tipos de átomos en la cadena principal y sustituyentes 10 2.2.2. Síntesis de polímeros 11 2.2.3. Peso molecular y su distribución 11 2.2.4. Copolímeros 12 2.2.5. Ramificaciones y entrecruzamiento 13 2.2.6. Configuración 15 2.3. Estructura física 16 2.3.1 Estado amorfo y cristalino 16 2.3.2. Temperatura de transición vítrea y de fusión 18 2.4. Comportamiento elástico 19 2.5 Comportamiento Mecánico 19 3 - CAPITULO 3: COMPUESTOS MADERA PLASTICO ..............•.........................•............•...••.•............ 21 3.1. Introducción 21 3.1.1. Ventajas y desventajas de compuestos madera plástico frente a madera natural 22 3.2. Caracterización de los materiales 23 3.3. Compuestos madera plástico en infraestructura portuaria 27 3.4. Proceso de fabricación de perfiles madera plástico 28 3.4.1. Proceso productivo 3.5. Aplicaciones de madera plástica como elemento constructivo 29 32 3.5.1 Aplicación como revestimiento de fachadas de viviendas 38 3.5.2 Usos 40 3.6. Estudio de propiedades físicas y mecánicas 41 CAPITULO 4: METODOLOGIA ...•....•..•....................•...........................•.......•.........•...........•..........•... 48 4.1. Materiales 48 4.2. Equipo .52 4.3. Proceso de obtención de placas 54 CAPITULO 5: RESULTADOS ........•...•..•.....•................•..•..............•..•..............•...............•..•..•...........• 55 Conclusión 62 Bibliografía 63 4 CAPITULO 1 INTRODUCCION En los últimos 20 años, ha aumentado notablemente el interés por el desarrollo de madera plástica en base a polímeros mezclados con fibras de madera, esto debido principalmente las ventajas que presentan en algunas aplicaciones específicas, frente a a materiales tradicionales como por ejemplo la propia madera, el acero, el vidrio, fibras de carbono o fibras sintéticas. Este es un material fabricado en base a una tecnología innovadora, que permite obtener productos con buenas propiedades de resistencia y rigidez. Las fibras de madera, ya sea aserrín o polvo de lija, industria maderera partículas no le aprovechamiento incorporadas (aserraderos, remanufacturas permite muchas veces y mueblerías), utilizarlo en ya que el tamaño usos alternativos en energía a través de la quema en calderas. a una matriz medioambiental por lo general son un material de desecho de la termoplástica, solucionan en gran como de el Estas fibras, al ser medida el problema que ello genera, proporcionando a su vez una nueva alternativa de material utilizable. La madera plásticos presenta propiedades de ambos materiales que constituyen su base, ya que al agregar la madera a una matriz termoplástica aumentan las propiedades mecánicas y la estabilidad térmica. Además, una característica favorable de este material, es que la componente termoplástica, presenta mayor resistencia a la humedad, esto debido a que disminuye la absorción del agua e hinchamiento al ser comparadas con madera normal. Es importante indicar que los materiales de madera-plástico, han experimentado desarrollo a nivel internacional, donde destacan en el rubro automotriz, un rápido como productos y materiales de construcción, aplicados especialmente como pisos y revestimientos. Una de las razones de este crecimiento en el mercado, ha sido su mejor desempeño que materiales tradicionales como la madera en ambientes agresivos desde el punto de vista climático, siendo los rayos UV y la humedad lo que presenta una más alta incidencia en el deterioro de los materiales tradicionales. 5 Las principales ventajas de producir un material compuesto son: • Los costos de un material compuesto, son menores, comparado a un mismo producto desarrollado en base a un material plástico tradicional virgen por ejemplo polipropileno. • Se puede producir un producto según un requerimiento especifico, de ciertas propiedades superiores a los materiales tradicionales para el uso elegido. • El material compuesto presenta mejor desempeño en usos específicos como el desarrollo de infraestructura de bordes costeros, donde la corrosión marina es una de los principales problemas que afecta a los materiales tradicionales. • La versatilidad y buena trabajabilidad de los materiales compuestos permite el desarrollo de múltiples soluciones constructivas de estándar de desempeño. 6 1.1 OBJETIVOS Objetivo general: Realizar una revisión sobre el proceso de obtención de madera plástico y sus aplicaciones como material constructivo. Objetivos • específicos: Investigar acerca de las características del proceso de obtención del material compuesto madera plástico y las aplicaciones de dicho material. • Investigar acerca de las características, composición y principales propiedades mecánicas y físicas que tienen los materiales de madera plástico. • Ensayar en laboratorio polipropileno y cargas la obtención este material, lignocelulósicas de distintas utilizando matrices de especies tales como: pino radiata, pino Oregón, Coihue. 7 CAPITULO2 ANTECEDENTESGENERALES INTRODUCCION El objetivo de producir un material compuesto es combinar las mejores propiedades de los componentes individuales para formar un material superior. Así en la mezcla se utiliza el plástico que actúa como matriz y la madera que actúa como relleno. Sin embargo, aún no ha sido posible lograr propiedades mecánicas superiores a madera tradicional, que signifiquen su utilización estructural, lo que ha significado orientarse en el desarrollo de aplicaciones como pisos y revestimientos de baja solicitación. Las bajas propiedades mecánicas que presenta el compuesto han sido atribuidas a: • Baja compatibilidad entre la madera polar hidrofílica y el PP no polar hidrofóbico, con una débil adhesión interfacial entre la madera y la matriz de PP. • Pobre disposición de la madera entre la matriz de PP debido a la fuerte interacción fibra- fibra resultante de la unión puente de hidrógeno. Además, se requiere que el plástico utilizado presente una temperatura fusión por debajo de la temperatura de ablandamiento o de degradación de la madera (220°C aprox.). Esta condición térmica restringe la selección de las poliolefinas: Poliestireno (PS); polietileno de alta y baja densidad (HDPEy LDPE); polipropileno (PP) y el policloruro de vinilo (PVC), el más utilizado es el polipropileno, debido a que presenta algunas ventajas frente a los otros, como por ejemplo que es mas económico y presenta buenas propiedades de procesabilidad. La madera puede ser incorporada al compuesto como fibra corta, partícula o polvo. Es preciso que para mejorar el comportamiento mecánico exista una buena adhesión entre la matriz y el refuerzo, por lo que es necesario incorporar al sistema un "agente de acople"; 8 Este produce una transferencia de tensiones desde la matriz hacia la fibra, y como resultado mejora las propiedades del compuesto en conjunto. El agente acoplante mas utilizado es el polipropileno maleatado (MAPP) debido a que ayuda a mejorar notablemente las propiedades mecánicas como la resistencia a la tensión, esta característica se debe principalmente a que puede humedecer y dispersar eficientemente a las fibras de madera. 2.1 POLlMEROS Un polímero es un molécula grande o macromolécula constituida por la unión repetida de muchas unidades pequeñas (monómeros) a través de enlaces covalentes. El proceso que las une se denomina polimerización. La palabra polímero significa muchas partes. Cuando se unen entre sí más de un tipo de moléculas (monómeros), la macromolécula resultante se denomina copolímero y cuando se parte de un solo molécula se habla de homopolímero. Como los polímeros se forman usualmente por la unión de un gran número de moléculas menores, tienen altos pesos moleculares. No es infrecuente que los polímeros tengan pesos moleculares de 100.000 o mayores. Los polímeros pueden ser de tres tipos: a) Polímeros naturales: provenientes directamente del reino vegetal o animal. Por ejemplo: celulosa, almidón, proteínas, caucho natural, ácidos nucleicos, etc. b) Polímeros artificiales: son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales. Ejemplo: nitrocelulosa, etonita, etc. c) Polímeros sintéticos: son los que se obtienen controlados por procesos de polimerización por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular. Ejemplo: nylon, polietileno, cloruro de polivinilo, poli metano, etc. Muchos elementos (el silicio, entre otros), forman también polímeros, llamados polímeros inorgánicos 9 Los polímeros tienen propiedades moléculas sencillas. Los obtenidos físicas y químicas muy diferentes industrialmente más importantes plásticos, éstos también pueden ser llamados homopolímeros, constituidas por se conocen como que se producen cuando el polímero formado por la polimerización de monómeros iguales. Los plásticos por su facilidad para moldearse y su resistencia a la intemperie, lo transforman en un material de uso generalizado en muchas aplicaciones y de gran consumo mundial. Conocer su composición, estructura, propiedades ayudara a una mejor comprensión sobre el comportamiento que estos tendrán ante diversos usos y aplicaciones. 2.2 ESTRUCTURADE LOSPOLIMEROS Para abordar el estudio de la estructura de los polímeros, se considera la estructura química y la estructura física. La estructura química se refiere a la constitución individual y la estructura física al ordenamiento de la molécula respecto a otras. La estructura física hace referencia de la orientación y cristalinidad, que dependen en gran medida de la estructura química y a su vez condicionan el comportamiento del material durante el proceso y durante su vida de servicio (S). 2.2.1 Tipo de átomos en la cadena principal y sustituyentes. En los polímeros la unión de monómeros se realiza siempre mediante enlaces covalentes. Sin embargo, las fuerzas responsables de la cohesión entre cadenas diferentes pueden ser muy diversas, y están fuertemente constituyentes condicionadas por las características de los átomos y de los de la cadena principal. La polaridad y el volumen de estos átomos afectaran especialmente a las fuerzas de cohesión entre las cadenas, que a su vez determinaran flexibilidad del material, temperatura de fusión la y capacidad de cristalización entre otras propiedades. En el caso de la molécula de polietileno (PE), molécula sencilla no polar, las cadenas diferentes se atraen entre si por fuerzas moleculares débiles de tipo London (dipolo inducido-dipolo inducido).En consecuencia el polietileno es un material blando y tiene una 10 temperatura de fusión relativamente cadenas se mantienen baja. Para moléculas polares, tales como el PVC, las unidas mediante interacciones fuertes de tipo dipolo - dipolo resultantes de la atracción electroestática entre los átomos de cloro de una molécula y los de hidrogeno de otra, lo que resulta en un polímero muy rígido. Las cadenas altamente polares que contienen átomos de oxigeno y de nitrógeno se atraen entre sí por puentes de hidrogeno. En general, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión entre las cadenas, tanto más rígido resultara el polímero y tanto mayor será la temperatura polímeros cristalinos o la temperatura de fusión en el caso de de fusión en el caso de polímeros cristalinos o la temperatura de reblandecimiento en el caso de polímeros no cristalinos. 2.2.2 Síntesis de polímeros Hay dos reacciones generales de polimerización: la de adición y la condensación. Una polimerización es por adición si la molécula de monómero pasa a formar parte del polímero sin pérdida de átomos, en cambio, la polimerización es por condensación si la molécula de monómero pierde átomos cuando pasa a formar parte del polímero, por lo general se pierde una molécula pequeña, como agua o HCI gaseoso, esta genera subproductos, no así en el caso de adición. 2.2.3 Peso molecular y su distribución Muchas de las propiedades de los polímeros, como por ejemplo la resistencia mecánica, la elasticidad de los cauchos o la temperatura de fusión de fibras y materiales semicristalinos, se deben al alto peso molecular de los mismos. El tamaño de la molécula afecta directamente al estado de agregación. La molécula de etano (1 unidad de repetición) es gaseosa, pero al aumentar su tamaño hasta seis unidades de repetición pasa a ser liquida, y conforme se van adicionado mas monómeros se convierte en aceite, una cera y finalmente en un material solido. En los polímeros sucede de igual forma, como por ejemplo, el polietileno de peso molecular entre 1.000 y 5.000 es un sólido céreo que adquiere propiedades útiles como plástico sólo cuando su peso molecular supera los 11 10.000. El nailon de peso molecular 1.000 -2.000 es un sólido frágil, mientras que a pesos moleculares más elevadas es altamente tenaz. 2.2.4 Copolímeros Cuando en un proceso de polimerización se utilizan dos o más monómeros químicamente diferentes, el polímero resultante se denomina copolímero. Comúnmente se emplean tan solo dos, o como máximo tres monómeros diferentes. Los copolímeros se clasifican según la secuencia de los monómeros como se muestra en la figura. Figura 2-1: Tipos de Copolímeros a) Homopolímero. b) Copolímero alternante. c) Copolímero en bloque. d) Copolímero aleatorio. e) Copolímero de injerto. La estructura química de los copolímeros es lógicamente mucho más compleja que la de los polímeros, pues al estar formados por más de un monómero, pueden variar su composición y en la longitud de secuencia, lo que condiciona las propiedades finales. 12 2.2.5 Ramificaciones y entrecruzamiento Cuando durante las reacciones de polimerización no existen reacciones secundarias se obtienen polímeros lineales, no ramificadas. Bajo ciertas condiciones de polimerización se pueden obtener ramificaciones que pueden ser cortas o largas. Las propiedades de los polímeros pueden variar dependiendo si existen o no ramificaciones y de las longitudes de las mismas. Cuando unas cadenas se unen con otras vecinas a través de otras cadenas de igual o diferente naturaleza se llega a obtener una red tridimensional y el polímero se hace insoluble y no funde. Se habla entonces de polímeros entrecruzados o reticulados. Para la formación de red tridimensional es necesario que cada molécula se una en dos o más puntos a otras moléculas. Las redes entrecruzadas verdaderas se logran cuando existen muchos puntos de unión por cadena primaria, de modo que los polímeros entrecruzados que forman redes tridimensionales se consideran formados por una sola molécula de tamaño infinito. a. b. c. Figura 2-2: Estructuras de las cadenas de los polímeros (a) Lineal, (b) ramificada, (c) entrecruzada. 13 Estas estructuras, polímeros lineales con o sin ramificaciones, y polímeros entrecruzados corresponden en la práctica termoestables. y con dos grupos de materiales denominados termoplásticos Su Constitución estructural determina propiedades bien diferentes y también métodos de transformación distintos. Los termoplásticos son materiales que están constituidos básicamente por polímero lineales no entrecruzados, pudiendo hacerse fluidos por calentamiento y tomar forma determinada que mantiene una vez frío. Este proceso puede repetirse infinitas veces sin provocar una descomposición térmica. En cambio, los materiales termoestables, funden y son insolubles. termoplásticos. a causa de su estructura Poseen algunas propiedades entrecruzada, ventajosas respecto no se a los Por ejemplo, mejor resistencia al impacto, a los solventes, a la permeabilidad de gases y a las temperaturas extremas. Entre las desventajas se encuentran, generalmente, la dificultad de procesamiento, la necesidad del curado, el carácter quebradizo del material (frágil) y el no presentar reforzamiento al someterlo a tensión. 14 2.2.6 Configuración La configuración es la ordenación en el espacio de los sustituyentes alrededor de un átomo en particular. Compuestos moleculares con la misma composición química pero con distintas distribuciones estructurales son denominadas esteroisómeros. Algunos termoplásticos como el polipropileno (PP) pueden existir en tres formas estereoisómeras diferentes. • Isotáctico: Configuración resultante cuando todos los grupos de sustituyentes de la cadena principal quedan por encima o por debajo de la cadena principal. • Sindiotáctico: Los grupos sustituyentes quedan alternativamente por encima y por debajo del plano. • Atáctico: Los grupos de los sustituyentes están dispuestos de forma aleatoria a un lado u otro de la cadena principal. , =o H-y-H H HiH-{~ H-y-H\J H-y---\~ H-y-H~ fI\ H-Y---\\J :i-D , , H-y-H H-y-~) / \H--y-H ~-H H--y-H H-y-~) <J.-?-H H--y-H ?-H H--y-H H1-D cq: H-y-H"=I o~::rhl< ) -H H-y-H ~ H1- "=1 > :~--p ~ I"otáctiro Sinflintil r.tir.n ~ ).tár.nr.n Figura 2-3: Estereoisómeros del polipropileno 15 2.3 Estructura Física 2.3.1 Estado amorfo y estado cristalino Todos los materiales sólidos pueden clasificarse de acuerdo a su estructura molecular en cristalinos y amorfos, estos términos son utilizados para referirse a las regiones ordenadas y desordenadas de los polímeros, respectivamente. Existen polímeros que son completamente amorfos, otros altamente cristalinos y dependiendo de las condiciones de cristalización un mismo polímero puede ser amorfo o altamente cristalino. Con frecuencia se utiliza el término semicristalino, que se refiere a polímeros que muestran un cristalino, comportamiento completamente altamente pero en ningún caso un polímero es cristalino. Polímero de estructura amorfa Pollmeto de Mtructura cristalina Figura 2-4: Sistema amorfo y cristalino 16 Un polímero amorfo es el que no tiene cristalitos. Si las fuerzas entre las cadenas son débiles y si sus movimientos no están de alguna manera severamente restringidos, es de esperar que un polímero de esta naturaleza tenga baja resistencia a la tracción y que pueda someterse a flujo plástico en el cual las cadenas se deslizan sobre otras. Los polímeros con capacidad de cristalizar son aquellos cuyas moléculas son química y geométricamente ramificaciones regulares en su estructura. Las irregularidades ocasionales, tales como de la cadena, o la copolimerizacion de una pequeña cantidad de otro monómero limitan el alcance de la cristalización, pero no evitan que ocurra. Por el contrario, los polímeros no cristalinos típicos son aquellos en los que existe una clara irregularidad en la estructura: polímeros ramificados, polímeros atácticos y copolímeros con cantidades significativas de dos o más constituyentes monoméricos bastante diferentes. El grado de cristalinidad de los polímeros, que por su estructura regular y por la flexibilidad de sus cadenas tiene mayor tendencia a cristalinizar, depende de las condiciones de la cristalización. Factores que afectan a la cristalinidad 1. Simetria de la cadena. La simetría de las cadenas influencia en la capacidad para formar cristales. El polietileno es un ejemplo de un polímero altamente cristalino. 2. Intensidad de atracción entre cadenas. Fuertes enlaces secundarios, regularmente distanciados favorecen la cristalinidad. 3. Flexibilidad de la cadena principal. A menor flexibilidad, aumenta notoriamente la tendencia a la cristalinidad. 4. Velocidad de enfriamiento. La velocidad de enfriamiento influye en el porcentaje de cristalinidad alcanzado por el sólido (7) 17 2.3.2 Temperatura de transición vítrea y de fusión Todos los polímeros termoplásticos presentan una temperatura sean estos amorfos o semicristalinos. Los polímeros de transición vítrea (Tg), ya amorfos solamente una transición, la Tg. Los polímeros semicristalinos al calentarse presentan presentan dos, la Tg y la temperatura de fusión de los cristales (Tm). La temperatura de transición vítrea es un valor de extrema importancia polímeros, pues indica la temperatura en ingeniería de de trabajo del plástico y por ende determina si un determinado plástico puede ser utilizado para una aplicación dada. A temperaturas altas, los polímeros se vuelven líquidos muy viscosos en los que las cadenas están constantemente en movimiento cambiando su forma y deslizándose unas sobre las otras. A temperaturas muy bajas, el mismo polímero seria un sólido duro, rígido y frágil. El polímero puede solidificarse formando un sólido amorfo o uno cristalino. Como se sabe los polímeros con fuertes irregularidades en su estructura tienden a formar sólidos amorfos y los polímeros con cadenas muy simétricas tienden a cristalizar, por lo menos parcialmente. (5). A temperaturas altas un polímero está en forma de un líquido viscoso, y al enfriarlo, se vuelve cada vez más elástico hasta que llega a la temperatura de transición vítrea, Tg, se convierte en un sólido duro, rígido y frágil. Lo que sucede es que, conforme disminuye la temperatura, el polímero se contrae porque las cadenas se mueven menos y se atraen más. Dado que va disminuyendo el volumen libre, es decir, los espacios entre las moléculas, los segmentos de las cadenas tienen cada vez menos lugar para girar, hasta que al llegar a Tg, dejan de hacerlo, el material se pone rígido y en esas condiciones se vuelve vítreo, es decir frágil, porque como sus cadenas aunque todavía vibran ya no pueden girar para cambiar su posición, y no tienen manera de amortiguar los impactos. A esta restricción del movimiento molecular también contribuye por supuesto, la falta de suficiente energía debida a las bajas temperaturas. 18 • El requerimiento más importante de un polímero para ser utilizado como material plástico (mantenga su forma) a temperatura ambiente, es que la temperatura de transición vítrea o la temperatura de fusión, en el caso de los polímero cristalinos, este muy por encima de la temperatura ambiente. 2.4 COMPORTAMIENTO ELÁSTICOY COMPORTAMIENTO VISCOSO Otra peculiaridad de los polímeros, tanto en estado sólido, diluído o fundido, es su marcado comportamiento viscoelástico. La elasticidad de un material se refiere a la habilidad del mismo a almacenar la energía de deformación y recuperar su configuración original luego que la fuerza responsable por la deformación sea removida. Por otra parte, la viscosidad de un material se refiere a la habilidad que posee el mismo para disparar o perder energía de deformación a través de su influencia. Los materiales que exhiben ambos comportamientos se clasifican como materiales viscoeslásticos. (8) La elongación en estos materiales depende no sólo de la tensión sino que depende del tiempo que ésta es aplicada. Mientras se aplica una tensión constante, la elongación incrementa lentamente, alcanzando un valor máximo de forma exponencial. La base de la explicación de este fenómeno obedece a fricciones internas en el material. 2.5 COMPORTAMIENTO MECANICO En los polímeros se observa que el comportamiento mecánico es más complejo que en el caso de otros materiales, como por ejemplo los metales, y sus características mecánicas (modulo elástico y resistencia a la tracción) son bastantes inferiores. Si una fuerza constante se mantiene aplicada durante un largo periodo de tiempo, se observa que la deformación aumenta progresivamente, de manera irreversible, en especial si esto sucede en presencia de una alta temperatura. Este fenómeno de fluencia tiene lugar en todos los materiales, pero en el caso de los plásticos es apreciable incluso a temperatura ambiente. 19 La fluencia de los polímeros corresponde al lento deslizamiento de unas macromoléculas sobre otras, modificando la posición de enlaces secundarios, provocando los cambios conformacionales que son necesarios para ello. (7) 20 CAPITULO 3 MADERA PLASTICA 3.1 INTRODUCCiÓN Los productos de madera plástico son por definición productos fabricados en base a materiales celulósicos como aserrín, polvo de lija y fibras, y materiales termo plásticos como polipropileno y el polietileno. Este material cuenta con propiedades de ambos componentes. La madera aumenta tanto las propiedades mecánicas como la estabilidad térmica y el plástico repele el agua en mayor proporción y presenta elevada resistencia contra los insectos en especial las termitas. Estos materiales no sólo están compuestos de madera y plástico, sino que también contienen materiales que son incorporados performance. Se adicionan en pequeñas cantidades para afectar el proceso y la aditivos tales como agentes acoplantes, estabilizantes, pigmentos, lubricantes, todos ellos usados para el mismo propósito. (3) La madera y plástico se vio por primera vez en Estados Unidos durante los años 1960, principalmente en aplicaciones de marcos de ventanas y puertas. La industria de las ventanas y puertas, que tiene experiencia con materiales de madera, plástico y aluminio, buscó la forma de utilizar materiales más económicos, de allí que el aserrín parecía un material tanto ligero como barato. El país con mayor producción de este material es Estados Unidos, con una participación cercana al 70 %, mientras que en Latinoamérica representa menos del 5% del total. Su investigación y desarrollo ha aumentado en los últimos años, debido a que el uso de este tipo de materiales puede disminuir costos ya que se aprovecha todo el desperdicio de madera y madera reciclada. Con respecto al mercado nacional, la madera plástico no es comercializada en forma masiva, pero posee el potencial necesario para su aplicación en productos nacionales, para su 21 exportación y para su desarrollo tecnológico. En estos momentos, sólo existen dos empresas dedicadas a la venta de productos productora en base a madera plástico: Lignoplast, empresa de pellets del material compuesto; y De Vicente Plástico (DVP), empresa que importa productos de madera plástico de la empresa Timbertech. 3.1.1 Ventajas y desventajas de los compuestos madera plástico frente a la madera natural: Ventajas • Versatilidad de moldeo • Mejor resistencia a la humedad • Mayor resistencia frente al ataque de microorganismos e insectos • No se agrieta, no se astilla • Mayor estabilidad frente a la radiación UV • Requiere menor mantenimiento, no hay que pintarlos, barnizarlos o tratarlos anualmente • Mayor duración y por tanto, menor coste de sustitución de piezas • Pueden ser trabajados con la misma herramienta que los productos de madera natural. Desventajas • Mayor coste inicial que los productos de madera natural. • Menor rigidez que la madera • Mayor densidad que la madera (solución: incorporación de agentes espumantes) • Uso limitado en aplicaciones estructurales. • Contracción superior a la madera natural. Problemas de deslizamiento debido a la mayor presencia de plástico en la superficie de la pieza. • Uso limitado en climas muy cálidos. (1) 22 3.2. CARACTERIZACIONDE LOSMATERIALES los plásticos El crecimiento en las aplicaciones de los polímeros es realmente impresionante, el uso anual de los polímeros excede al de los metales, en términos de volumen. Las razones de la importancia comercial y tecnológica de los polímeros son las siguientes: • Los plásticos se pueden moldear para conformar partes de intrincada geometría, sin necesidad de procesamientos posteriores. Son compatibles con los procesamientos de forma netas. • Los plásticos poseen una atractiva lista de propiedades para muchas aplicaciones de ingeniería donde la resistencia no es un factor determinante: 1) baja densidad con respecto a los metales ya los cerámicos, 2) buena relación de resistencia al peso para ciertos polímeros (pero no para todos), 3) alta resistencia a la corrosión, 4) baja conductividad eléctrica y térmica. • Por volumen, los polímeros son competitivos en costo con los metales. • Los polímeros generalmente requieren menos energía que los metales para su producción, también en términos volumétricos. Esto se debe a que las temperaturas de trabajo de dichos materiales son generalmente mucho más bajas que los metales. • Ciertos plásticos son translucidos y transparentes lo cual los hace competitivos con el vidrio en algunas aplicaciones. • Los polímeros se usan ampliamente en materiales compuestos. Entre los plásticos existen una gran variedad en cuanto a la composición y estructura de estos, sin embargo, poseen variadas propiedades comunes que los distinguen de otros materiales. 23 Para la madera plástica no se puede utilizar cualquier polímero, uno de los criterios que se debe tener en cuenta es la limitada estabilidad térmica que posee la madera, ya que esta no debe sobrepasar los 210 e 0 aproximadamente. polímeros siendo los más convenientes Este criterio los termoplásticos utilizado es el polipropileno (PP). Estos termoplásticos la selección de tales como Poliestireno de baja y alta densidad (LDPE y HDPE), policloruro polietileno restringe (PS), de vinilo (PVC) y el más tienen punto de fusión inferior a 210°C. (9). El rango de las densidades de los plásticos es relativamente hasta 2.3 bajo y se extiende desde 0.9 g/cm", Esta densidad tan baja se debe fundamentalmente a dos motivos; por un lado los átomos que componen los plásticos como e, H, o y N son ligeros, y por otro lado, las distancias medias de los átomos dentro de los plásticos son relativamente grandes (8). Polipropileno Es uno de los polímeros termoplásticos más económicos debido a que se puede sintetizar a partir de materiales petroquímicos de bajo costo, es obtenido por la polimerización del propileno, subproducto gaseoso de la refinación del petróleo, en presencia de un catalizador, bajo un cuidadoso control de temperatura y presión. Es un plástico de adición, eH2=eH-eH3, rígido de alta cristalinidad (60 y 70 %) Y elevado punto de fusión (155-176°C), excelente resistencia química y de más baja densidad. Dentro del gran sin número de propiedades que maneja este material, deben destacarse unas que en especial son de mucha importancia como son: Propiedades físicas: • La densidad del polipropileno, está comprendida entre 0.90 y 0.93 gr/cm3' Por ser tan baja permite la fabricación de productos ligeros. • Es un material más rígido que la mayoría de los termoplásticos. Una carga de 25.5 kg/crn", aplicada durante 24 horas no produce deformación apreciable a temperatura ambiente y resiste hasta los 70° C. 24 • Posee una gran capacidad de recuperación elástica. • Tiene una excelente compatibilidad con el medio. • Es un material fácil de reciclar • Posee alta resistencia al impacto. Propiedades mecánicas: • Puede utilizarse en calidad de material para elementos deslizantes no lubricados. • Tiene buena resistencia superficial. • Tiene buena resistencia química a la humedad y al calor sin deformarse. • Tiene buena dureza superficial y estabilidad dimensional. Propiedades eléctricas: • Por presentar buena polaridad, su factor de pérdidas es bajo. • Tiene muy buena rigidez dieléctrica. Propiedades químicas: • Tiene naturaleza apelar, y por esto posee gran resistencia a agentes químicos. • Presenta poca absorción de agua, por lo tanto no presenta mucha humedad. • Tiene gran resistencia a soluciones de detergentes comerciales. • El polipropileno como los polietilenos tiene una buena resistencia química pero una resistencia débil a los rayos UV (salvo estabilización o protección previa). (quiminet) Reforzante En la industria del plástico, los rellenos pueden ser clasificados en dos grandes grupos, partículas y fibras. Las partículas son generalmente clasificadas como rellenos o rellenos de reforza miento si la adhesión interfacial es alta. Las partículas tienen dimensiones que son aproximadamente iguales en todas las direcciones fibras son consideradas de reforzamiento y pueden ser de cualquier forma. Las porque ellas soportan la mayoría de la carga aplicada. (9). 25 Madera y Agente Acoplante Un agente acoplante puede consistir en un Copolímero de injerto, esto es, PP injertado con un monómero polar y reactivo, como por ejemplo, anhídrido maleico (AM). En este caso, la cadena polimérica es capaz de formar entrelazamientos físicos con la matriz, mientras que las unidades de AM pueden reaccionar con los grupos -OH presentes en la madera formando un enlace éster. Estas moléculas con generalmente bajo peso molecular, poseen dos funciones diferentes al reaccionar con ambos componentes del compuesto: es capaz de reaccionar con los grupos OH de la celulosa o lignina en una cadena polimérica, cuyo rol es asumir la humectabilidad de los componentes lo que permite la interdifusión y/o arreglos con la cadena de la matriz, y por otro lado reacciona con ambos compuestos, generalmente por enlace doble, los que pueden ser conectados a la cadena a través de un proceso radical después de extraer un átomo de hidrógeno de un carbono terciario. De esta manera, el agente acoplante establece una continuidad de la unión química entre fibra y matriz (4) El agente acoplante es agregado entre 0-10 % en peso total de la mezcla. El uso de agentes acoplantes mejora la compatibilidad entre la matriz y las fibras y refuerza por lo tanto la mezcla del polímero- madera. Se mejora principalmente la resistencia a la tensión, la falla a la ruptura, la resistencia a la flexión y la resistencia al impacto. Adicionado un 3% de agente acoplante a la mezcla, se aumenta la resistencia a la tensión en un 70% y la falla a la ruptura en un 50% con respecto al compuesto sin agente acoplante. La resistencia a la flexión aumenta en cas en un 60%, mientras que el cambio más importante lo tiene la resistencia al impacto con un aumento de casi un 90% (6). Lubricantes Estos ayudan a otorgar la fluidez requerida al materiallignocelulósico durante la extrusión. 26 3.3 MADERA PLÁSTICA COMO ELEMENTOS CONSTRUCTIVO La mezcla extruida de madera plástico, de reciente desarrollo, constituyen una alternativa interesante para usarlos en exteriores y, de manera particular, en contacto con el agua. Este material, como se ha mencionado antes, poseen buenas características físicas, mecánicas y viscoelásticas , que dan numerosas ventajas técnicas en relación a la madera, como son resistencia a la pudrición, durabilidad, dureza y resistencia a la penetración características esenciales para una buena y eficaz aplicación a infraestructura del agua, portuaria. En relación al plástico, el material compuesto es más económico, más resistente y de mejor apariencia, ya que los productos presentan un acabado similar a la madera que los hace estéticamente atractivos (2). De manera adicional estos productos requieren una mínima mantención. Figura 3-1: aplicación madera plástico como pisos en espacios públicos. 27 3.4 PROCESODE FABRICAClONDE PERFILESDE MADERA PLASTICO La extrusión de madera plástica es la técnica más utilizada para fabricar perfiles de este material, pero también es utilizada para realizar el compuesto, esto sucede por medio de una mezcla física, que en combinación con agentes de acoplamiento puede formar algunos enlaces químicos o formar emulsiones de forma que el material sea estable y posteriormente pueda ser moldeado por compresión. El proceso de extrusión tiene particularidad de permitir la obtención de productos de diferentes formas y tamaños, dependiendo del diseño del cabezal de salida de la extrusora. Por lo tanto, es posible fabricar productos tantos sólidos como huecos, con una amplia variedad de geometrías que le otorgan innumerables aplicaciones. Así mismo, en comparación a otros materiales, el compuesto madera plástico tiene una mejor estabilidad dimensional, lo que le permite tener una mejor estimación de las capacidades del producto. Figura 3-2: Distintos diseños de perfiles comerciales de madera plástico. 28 3.4.1 Proceso productivo Proceso de secado El proceso de secado de la fibra natural es fundamental para la fabricación del material, puesto que el control de la humedad es un parámetro importantísimo antes de que las fibras naturales se incorporen al proceso de extrusión. La humedad requerida de la fibra natural antes de ingresar a la extrusora debe ser menor al 2%. Proceso de extrusión La extrusión consiste en un sinfín que gira al interior de un tubo calefaccionado. Los materiales termoplásticos se incorporan en un extremo del equipo, los que son obligados a avanzar a través de la zona calefaccionada, produciendo su fusión. En el extremo opuesto de alimentación, una matriz le otorga al material la forma deseada. El perfil que sale de la matriz debe ser enfriado, para que solidifique y adquiera su forma final. El diseño de la matriz debe corresponder, por lo tanto, a la forma del producto deseado. Figura 3-3: Extrusora UDT 29 Variables del proceso • Relación madera plástico. El contenido de madera y plástico es una variable importante de considerar, puesto que de ello depende tanto el comportamiento físico- mecánico del material compuesto como el proceso de fabricación propiamente tal. Para ello se evalúa diferentes concentraciones de madera que van desde un 35% hasta un 75%. • Ubicación de la alimentación. Tanto para el polímero, la madera y los aditivos. • Ubicación del sistema de desgasificación. • Presión. • Tiempo de residencia. Este es el tiempo en que permanece la mezcla madera-plástico en el interior de la extrusora, es una variable de gran importancia a la hora de evaluar la productividad, madera sin embargo, está directamente relacionada con la cantidad de capaz de alimentar, para formar un perfil compacto y de características homogéneas. • • Grado de vacío. Perfil de temperaturas. La elección de las temperaturas más adecuadas depende de las variables tales como: tipo de material termoplástico, temperatura de degradación de la madera, zonas de alimentación en la extrusora y viscosidades del material fundido, entre otros. La extrusora, tiene 8 zonas de calentamiento, las que se seleccionan de acuerdo a las zonas de alimentación temperatura y el tipo de materias primas. Los efectos producidos por cambios de en las zonas de calentamiento no se aprecian a simple vista en el material compuesto, sino más bien en el resto de las variables asociadas al proceso de extrusión. 30 Diagrama de Proceso 1------------1 1 1 Fibras naturales 1 1 L---- ------J 1 1 1 Secado r------ ~ : Plásticos: 1 1 : Aditivos : 1 1 '-----_1 1 1 [ r----------I Extrusión J : Material extruido: ~I 1 _________ L 1 1 ..J Figura 3-4: Proceso de obtención de perfiles extruidos para fines constructivos. 31 3.5 APLICACIONES DE MADERA PLASTICA COMO ELEMENTOS CONSTRUCTIVO. Los perfiles extruidos escuadrías las cuales fueron sometió a evaluación Universidad de madera plástica, fueron utilizadas mecanizados en la elaboración en las dependencias de la Unidad obteniendo de un sistema de Desarrollo piezas de distintas constructivo Tecnológico, que se de la de Concepción. Figura 3-5: Mecanización de perfiles extruidos. 32 • \ \ '\ , :') Figura 3-6: Productos obtenidos en base al mecanizado de piezas de madera plástica. 33 Utilizando un molde especial desarrollado en el marco del proyecto innova chile "Desarrollo de tecnologías constructiva de prolongada vida útil para infraestructura obtener portuaria", se pudo piezas tingladas extruidas, que podrán ser utilizadas como revestimientos de viviendas. .":,.. . • Figura 3-7: Molde de extrusión tipo Tinglado existente en la UDT. 34 Para mejorar el desempeño de los perfiles extruidos de pisos, debido a que ellos son demasiado lisos, se ha trabajado en su superficie desarrollando ranuras y además se han utilizado equipos de cepillado que le entrega apariencias especiales que mejoran las características de roce superficial. Por otro lado, se diseñó un sistema de calado superficial, basado en sierras circulares de corte, el que permitirá dejar los perfiles de 30 x 150 mm con su superficie acanalada, de acuerdo al diseño. A continuación se muestra el diseño del sistema de calado superficial: Figura 3-8: Sistema canalada superficial 35 La madera plástica en Chile, recién se comienza a utilizar en experiencias concretas. Tales el caso de la obra desarrollada por la empresa inmobiliaria JCE, en el edificio don Alberto, en Concepción, que .. demostrativa . desarrollada, contó con el apoyo de la UDT y que fue parte de la primera aplicación en la zona. Con esto se espera que exista una difusión de la tecnología de manera que sus resultados faciliten la posterior transferencia de la tecnología. '. - .. .' -t -: Figura 3-9: Terraza Edificio Don Alberto, Concepción, Chile, desarrollada por la empresa inmobiliaria JCEy el apoyo de UDT. 36 Enlo.que respecta a aplicaciones costeras. Los compuestos de madera-plástico tienen un alto potencial para ser utilizados en muelles, para poder recuperar la infraestructura existente que principalmente es de madera. Figura 3-10: Muelle de Tomé. 37 3.5.1 Aplicaciones de madera plástica como revestimiento de fachadas de viviendas Normalmente las aplicaciones como revestimiento han sido en madera, sin embargo ellas presentan fallas comunes como el astilla miento, rajaduras, desgaste excesivo, perdiendo asi la estética de su apariencia, como también su resistencia. Figura 3-11: Rajadura de la madera en revestimientos exteriores de viviendas. De esta forma, se desarrolló una experiencia de mecanizar un perfil extruído de madera plástico y evaluar su desempeño como revestimiento .: exterior para una vivienda. Esto se realizó en las dependencias de la UDT. I Figura 3-12: Panel de prueba de revestimientos en madera-plástica. 38 Los revestimientos de mádera plástica ensayados, permitieron montaje y su comportamiento comprobar la forma de a los agentes externos tales como decoloración por rayos UV y ataque de hongos de pudrición, presentando un buen comportamiento, notándose de forma especial sus ventajas frente a la madera normal. Figura 3-13: Desempeño de revestimiento de madera plástica frecuentemente utilizado en la construcción de viviendas. 39 3.5.2 Usos Cercadosy. valias,1.8% Suelos, 10,,30% Gráfico 3-1: Usos madera plástico (1) (Fuente: Conference "Acceptance of WPCs in Building Applications", Wood Plastic Composites 2008) 40 3.6 ESTUDIO DE PROPIEDADESFrSICASy MECÁNICAS En la UDT se realizaron pruebas para estudiar algunas principales propiedades físicas y mecánicas de la madera plástica. (Fuente: Desarrollo de un Material Madera Plástico en infraestructura Portuaria de alto impacto social, año 2005, Fondo Innovación Tecnología) 3.6.1 Propiedades físicas Determinación de la densidad Procedimiento: • Determinar la masa de la probeta con una precisión de 0.01 g • Calcular el volumen de la probeta Expresión de los resultados: • Densidad, (g/crn'') Resultados: Densidad en compuestos madera plástico con distintas razones de madera (Pino Radiata) DENSIDAD --_ ..__ .__ ._-- Modcml. EN COMPUESTOS M/P70/30 {M/P} M/P60/40 ._----------_ M/P50/50 M/P40/GO _._---_._---------' .. Gráfico 3-2: densidad en compuestos madera plastico *M/P =Madera/plástico 41 Se puede apreciar que al aumentar el contenido de madera,la densidad disminuye, sin embargo, una pieza de madera plástico tiene mayor densidad que una de madera. Determinación El método de absorción de agua e hinchamiento se basa en la absorción de agua como un incremento hinchamiento como incremento en la masa y el del espesor de las probetas, después de una inmersión completa en agua en condiciones específicas de tiempo y temperatura. Procedimiento: • Pesar cada probeta con una precisión de 0.1 gr ; registrar Ml • Medir el espesor de la probeta en cuatro puntos diferentes, determinar espesor medio aritmético de las cuatro medidas, aproximado a 0,01 mm, registrar El • Sumergir las probetas verticalmente en agua limpia y en reposo, ya temperatura 22°( aprox. • Mantener las probetas sumergidas por 2 y 24 horas. • Retirar las probetas del agua y ponerlas separadas horizontalmente en hojas de papel toalla, para quitar exceso de agua. • Pesar probetas dentro de 10 minutos; registrar M2. • Medir espesores y calcular promedio; registrar E2• Expresión de los resultados: Absorción de agua (%)= (M2-Ml)/Ml Hinchamiento (%)= (ErEl)/El * 100 * 100 42 Resultados: Absorción de agua en materiales compuestos con distintos porcentajes de madera Absorción de agua compuestos madera-plastico con distintas razones de madera. 5 4,26 /O :s lI.f) .A2h CA24h 4 IV QI "ti r: ..o 3 'o 'ü en 2 J:I < '* 1 O Mi PP40/60 M/ PPSO/50 M/PP60/40 M/PP70/30 % Madera·plastico _ .._-_._----_ _--_ .._._---_._---_._ ..._ .._._------_ ..----_._-_._-_._.. Gráfico 3-3: Absorcion de agua en madera plástico *M/PP= Madera/ polipropileno Absorción madera normal: 2h = 26% Absorción madera normal: 24 h=42% Se muestra claramente que a medida que disminuye el porcentaje de madera en los perfiles madera plástico, disminuye también la capacidad de absorción de agua del material, lo que demuestra el carácter hidrofílico de la madera e hidrofóbico del polipropileno 43 Resultados para el hinchamiento del material compuesto madera plástico con distintos porcentajes de madera ,------_ _-_ .. .... _-_._---_._-_ ..... ..... _ _-_._._------, .. Hinchamiento de compuestos maderaplastico con distintas razones de madera EJA2h oA24h 4 3,5 g 3 dl 2,5 f1I 2 e 'E .t:. U e l: 1,5 ~ 1 0,5 O M/PP40/50 M/PP SO/50 M/PP60/40 M/ PP70/30 % Madera-plástico Gráfico 3-4: Hinchamiento en madera plástica Hinchamiento madera normal:2h =3% Hinchamiento madera normal: 24h=4.5% El hinchamiento contenido o estabilidad dimensional, es una variable que va acompañada con el de resina termoplástico, el compuesto madera plástico se hace más estable dimensional mente cuando hay mayor porcentaje de plástico en la mezcla. 44 3.6.2 Propiedades mecánicas Determinación de dureza Se utiliza una esfera de 10 mm de diámetro que penetra la mitad de una pieza de madera plástico. Procedimiento: • Colocar probeta en la base de maquina universal de ensayos mecánicos. • Aplicar una carga continua a través de una velocidad constante en movimiento hasta insertar la mitad del diámetro de la esfera en la mitad del diámetro de la probeta. el número de penetraciones debe ser como mínimo dos, distribuidas en la probeta de manera que una penetración no afecte a la otra. Expresión de los resultados: La dureza se expresa como la máxima carga requerida para insertar la mitad de la bola en la probeta dividida por la superficie de impacto (N/mm2). 45 Dureza en materiales madera plástico con distintos porcentajes de madera (Pino Radiata). DUREZA MATERIAL COMPUESTO MADERA-PLASTICO .- 140.---------------------------------~----~ 120~------------------------~J~ E 100+--------""7'r----- ~ 80+---------------------- ~ ~ 40 20 _ z 60+---~------.... c3 O % Madera! Plástico Gráfico 3-5: Dureza madera plástico Dureza madera = 16(N/mm2) Dureza polipropileno= 72 (N/mm2) M/P = Madera/Plástico Se puede concluir claramente que al disminuir el contenido de madera, aumenta la dureza de la madera plástico. Teniendo una alta ventaja sobre la madera normal. 46 Determinación de la resistencia a la flexión: El método consiste básicamente en colocar la probeta sobre dos soportes, se aplica una carga en su centro hasta producir la falla. Se calcula la resistencia a la flexión con la carga máxima, la distancia entre los soportes, ancho y espesor de las probetas Procedimiento: • Medir el espesor E, y el ancho B en el mismo eje transversal y ajustar ña distancia La los soportes. • Aplicar la carga mediante el cabezal a una velocidad constante, hasta que la probeta se rompa, leer la carga máxima. Expresión de los resultados: Resistencia a la flexión (N/mm2) RESISTENCIA AL A FLEXION PARA DISTINTAS RAZONES DE MADERA M!P70/30 M/P60/IJO M/PSO!50 M/PIJO/60 Concentraci6n Madera-Polipropileno Gráfico 3-6 Resistencia a la flexión en madera plástica Flexión madera = 40.1 (N/mm2) Flexión polipropileno = 38.3 (N/mm\ De acuerdo a este gráfico, es posible notar que las propiedades de flexión aumentan a medida que el compuesto tiene mayor concentración de polipropíleno. 47 CAPITULO4 METODOLOGIA La obtención y caracterización de materiales compuestos se realizó en laboratorio de la UDT, Unidad de Desarrollo Tecnológico de la Universidad de Concepción, a través de la elaboración de placas de compuesto madera plástico, realizadas en base a pellets obtenidos previamente en proporción SO/SOde polipropileno con polvo de tres diferentes maderas, con objeto de ver el tipo de apariencia estética que se logra en base a estas maderas. Las placas se elaboraron con una Prensa Hidráulica con Pellet fabricados a partir del proceso de Extrusión de UDT. 4.1 MATERIALES Los materiales utilizados para la obtención de material compuesto en forma de Pellets fueron los siguientes: 1. Plástico. Polipropileno PH 0322 (Petroquím S. A.) índice de fluidez IF 2.0 g/lO mino Temperatura de ablandamiento 155·C 2. Madera Se utilizo polvo de madera de: Pino Oregón Pino Radiata Coihue La granulometría del polvo de madera utilizado fue entre 60 - 80 mesh. 48 Para la formación de pellet, se debe hacer un proceso de extrusión anterior que necesita secar el polvo de madera utilizado a valores cercanos al 2% de humedad. De esta forma se obtuvieron pellet de pino radiata-polipropileno, pino oregon-polipropileno y una mezcla pino radiata-coihue y polipropileno. Se utilizo Pellet de: Pino Radiata y Polipropileno SO/SO Figura 4-1: Pellet pino radiata y polipropileno Pino Oregón y Polipropileno SO/SO Figura 4-2: Pellet pino Oregón y polipropileno 49 25% Coihue, 25% Pino Radiata y 50% Polipropileno Figura 4-3: Pellet mezcla de madera y polipropileno Pino Radiata 50% y Polipropileno 50% +2% de aditivo Masterbach (colorante) Figura 4-4: Pellet pino radiata y polipropileno con aditivo 50 Pino Oregón y Polietileno reciclado (SO/SO) Figura 4-5: Pellet pino Oregón y polietileno reciclado 51 4.2 EQUIPO Prensa Hidráulica. Mecanismo conformado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferente área que, mediante pequeñas fuerzas, permite obtener otras mayores. Los pistones son llamados pistones de agua, ya que son hidráulicos. Marca: Lab Tech Engineering Company HP. Modelo: M- Scientific LP 20-8 Número de Serie: 0608-20 8 Figura 4-6: Prensa Hidráulica 52 Partes de Prensa Hidráulica: Zona de Control Figura 4-7: Zona Control Prensa Hidráulica Zona de Calentamiento Zona de Enfriamiento Figura 4-8: Interior Prensa Hidráulica 53 4.3 METODO DE OBTENCIONDE PLACAS. Antes de comenzar a elaborar las placas se deben establecer los parámetros en el equipo como presión, temperatura, tiempo de calentamiento, tiempo de prensado y tiempo de enfriamiento. Procedimiento: - Se pesa en balanza técnica los gramos de pellet a utilizar - Se lleva muestra a molde de acero inoxidable cubriéndola con láminas de teflón por ambos lados, y posteriormente se cubre con lámina de acero inoxidable de 3 mm de espesor. Figura 4-9: Moldes para placas de madera plástico - Se Introduce determinado en Prensa Hidráulica en la zona de Calentamiento por un tiempo para fundir el polímero, luego se prensa por 5 minutos y finalmente se lleva a zona de enfriamiento por un tiempo determinado que en todos los ensayos fue de 5 minutos - Se saca placa del molde. 54 .- CAPITULO5 RESULTADOS Placa 1: Polipropileno PH 0322 (50%) I Pino Radiata (50%) Peso de Muestra: 71 gr Tiempo de calentamiento 5 minutos Tiempo de Prensado 5 minutos Tiempo de Enfriamiento 1,30 minutos Temperatura: 180 oC Presión: 104 bar Descripción: A esta placa le faltó tiempo de calentamiento ya que el polímero no alcanzó a fundir, por lo que en las puntas quedó la forma del pellet y no logró homogeneizarse. Figura 5-1: Placa 1 55 Placa 2: Polipropileno PH 0322 (50%) I Pino Radiata (50%) Peso de Muestra: 76 gr Tiempo de calentamiento 10 minutos Tiempo de Prensado 5 minutos Tiempo de Enfriamiento 1,30 minutos Temperatura: 180·( Presión: 104 bar A diferencia de la anterior logró alcanzar una mayor homogenización, pero tampoco logró fundir completamente en las puntas aun cuando se doblo el tiempo de calentamiento. Figura 5-2: Placa 2 56 Placa 3 Y 4: Polipropileno PH 0322 (50%) I Pino Radiata (50%) Peso de Muestra: 76 gr Tiempo de calentamiento 10 minutos Tiempo de Prensado S minutos Tiempo de Enfriamiento 1,30 minutos Temperatura: 200'( Presión: 104 bar Al aumentar la temperatura de prensado, alcanzó mayor compresión y homogeneización . . . ';,¡, r1 Figura 5-3: Placas 3 y 4 57 Placa 5 Y 6: Polipropileno PH 0322 (50%) / Pino Oregón (50%) Peso de Muestra: 77gr Tiempo de calentamiento 10 minutos ¡ , Tiempo de Prensado 5 minutos Tiempo de Enfriamiento 1,30 minutos Temperatura: 200·C " Presión: I I I¡ ! I I 104 bar COn Pino Oregón se lograron placas de color café oscuro, caracterizado por una buena homogenización y compactación, de buena presencia como para ser utilizado en obras de construcción,debido que presentó una alta dureza. Figura 5-4: Placas 5 y 6 58 Placa 7 Y 8: PolipropilenoPH 0322 (50%) / Coihue (25%)/ Peso de Muestra: 82 gr Tiempo de calentamiento 10 minutos Tiempo de Prensado S min Tiempo de Enfriamiento AlU:' Pino Radiata (25%) I 1,30 minutos , 20QO( Temperatura: -'-,-~-"~-",,:"'~~~-'''''~''-. -":; I Presión: ~'" 104 bar - Figura 5-5: Placas 7 y 8 59 -- 0322 (50%) / Pino Radiata (50%) + % Aditivo Masterbach Plac~9 y 10: PolipropilenoPH Peso de Muestra:_. 76gr Tiempo de calentamiento 10 minutos Tiempo de Prensado 5 minutos ,. .. J Tiempo de Enfriamiento 1,30 minutos Temperatura: 200·( ...... > '" .- ~, .,. >. -' ¡' '~. .. : _-_ -- .. ~,,- "'~ Presión: I ....... _-- 104 bar " Figura' 5-6: Placas 9 y 10 .A,estas placas se les adicionó un aditivo llamado Masterbach, que cumple la función de de colorar la mezcla de polímero y madera, este caso de un café rojizo intenso, lo que marca una gran diferencia de las que no tenían aditivo, Estas placas tienen apariencia más plástica, lo que dificultaron en cierto grado elaboración', 60 Placa 11: Polietileno Reciclado (50%) / Pino Oregón Peso de Muestra: 71 gr Tiempo de calentamiento 5 minutos Tiempo de Prensado 5 minutos Tiempo de Enfriamiento Temperatura: Presión: 1,30 minutos i 180 oC 104 bar Figura 5-7: Placa 11 En esta placa se ocupo otro polímero que es polietileno reciclado con el fin de compararlo con el polipropileno, resultando una placa de color gris de aspecto más plástico y brillante que en las que se ocupa polipropileno. 61 CONCLUSIONES La madera plástica, desarrollada en base a madera de pino Oregón, y mezcla de madera nativa con pino radiata, son una alternativa interesante para ser consideradas en matrices de polímeros termoplásticos, ya que presentan muy buenas características. La apariencia estética que se logra con la utilización de pellets de estas maderas, son muy similares a la madera tradicional nativa, lo que permitiría desarrollar nuevas aplicaciones en obras constructivas, permitiendo así acabados superficiales muy interesantes que se pueden complementar a la arquitectura tradicional del sur de chile. Queda demostrado que la incorporación del polímero termo plástico, polipropileno, las propiedades mecánicas y físicas del compuesto, comparado mejora a plásticos como el polietileno. A través del proceso de extrusión, es posible desarrollar una variedad de elementos constructivos bastante útiles y económicamente rentables en un mediano plazo, debido a la resistencia de estos productos a los agentes externos, comparados a la madera tradicional y además de ser fácilmente trabajables con equipos similares a la madera que permite una versatilidad de sistemas constructivos. 62 BIBLlOGRAFIA 1. Aimplast, 2009. "Compuestos plásticos basados en Madera". Instituto Tecnológico del Plástico. Miguel Angel Valera Górnez. http://www.avep.es/control/ editor /useri mages/ Aim plas-Com puestos %20plasticos%20basados%20en%20madera.pdf 2. Balatinecz, J. y R. Woodhams. "Wood-Plastic Composites: Doing More with tess", Journal of Forestry. 3. Clemons Craig, 2002. "Wood- Plastic Composites in the United States: The Interfacing of Two Industries". Forest Product Journal. Vol 52 W6. P 10-18. 4. Gauthier Roberth, Gauthier Helene, Joly Catherine, 1998. "Compatibilitation lignocellulosic fibers and a polyolefin matrix". The Fifth International between Conference on Woodfiber-Plastic Composites. P. 153-164. 5. Beltran y Marcilla, 1995. Tecnología de Polímeros. 6. Sanadi, A.R; Caulfield, mechanical analysis of D.F; Stark, N.M and Clemons, c.e. lignocellulosic - polypropylene 1999. Thermal composites. and The Fifth International Conference on Wood fiber-Plastic Composites. P.67-78. 7. Shackelford James F, Guemes Alfredo.1996. Introducción a la Ciencia de los Materiales para Ingenieros. Editorial Prentice Hill, INe. Cuanta edición. 8. Smith William F, 1993. Materiales poliméricos. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. 1° Edición, Mcgraw- Hill. 9. Wolcott Michael, Englund Karl. l/A Technology Review of Wood- Plastic Composites, rd 33 International Particleboard/ Composites Material Symposium. 63 UDT UN1DAO flE DESARROLLO TECNOlO~ICO 121 • 111111 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en madera-plástico (WPC) Simulación Elementos Finitos N° de propuesta: PT-2009-069-UDT-V1 N° Orden de Servicio: W 490/09 W de estudio: 2009-065 Preparó: Rodrigo Divizzio S. Revisó: Mario Vega P. Fecha: 19 -10 - 2009 Fecha: 19-10-2009 Difusión: Interna Cliente: UDT Destinatario(s) : Ricardo Medina Externa - 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Simulación de elementos Finitos-1 C ,,~'~ '\CADETECH f;~;'/ DESIGN ANO ENGINEERING • 111111 Objetivos ~ Calcular esfuerzos (por EF y en forma analítica) en el perfil base de WPC 150mmx30mm con las propiedades del ensayo de flexión NCh 987 del 14/08/2009: MOR 24,3MPa y MOE 2312 MPa. Comparar el desempeño del perfil base contra su alternativa en madera. Se considerará pino impregnado 6"x1-1/2". Determinar la luz necesaria para un factor de seguridad equivalente a la madera. 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Simulación de elementos Finitos - 2 C ..~,\ CADETECH '4~ j:' DESIGN ANO ENGINEERING • 111111 Cálculo en Forma Analítica ~ Se considera una viga simplemente apoyada con carga distribuida 2857,14 [N/m] Ji K ~1~< O,_9__ ~)~I.,~~ 1 ~~~I~~~ 1 ~~I~, O_,9 ~,I~< __O,_6~) 2857,14 [N/m] !!!!!!!!!!!!! Ji LS: 1 ..•. ,. .; "- A LS: 1 ... .; ~ , 1 ..•. , ~ 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (yVPC) - Simulación de elementos Finitos - 3 TECH • 11111 Cálculo en Forma Analítica 2857,14 [N/m] !!!!!!!!!!!!! 1 zs: 1 ~ .... , .... ./ A LS: 1 , .... ./ 1 .... , 2857,14 [N/m] 1 !!!!!!!!!!!!! 1 + 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Simulación de elementos Finitos - 4 CADETECH DESIGN ANO ENGJNEERING • 111111 Cálculo en Forma Analítica ~ Determinar valor de R1: Para ello se utilizarán las ecuaciones mostradas en la diapositiva 19 para un largo entre los apoyos, L, igual 3 m. Se sabe que el desplazamiento vertical en x = 1 m es O m (x = O en el primer apoyo). Por lo tanto: L 3 = 3 [m] c = 0,5 L2) ·11 [m] a =l[m] 13 ( --_.c C y (1) =!L c·_+ 1 El [ 6 6 8 [N / m] = 2,312.109 [pa] q = 2857,14 R .1(3· a . L - 3 . a 2 _12 ) Y 2(1) = _1_ E 6El l =~·015·0033 12" =3375.10-7 , [m 4 ] Resolviendo: R1 = 1571 [N] 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (yVPC) - Simulación de elementos Finitos - 5 CAD CH DESIGN AND ENGINEERING 111111 Cálculo en Forma Analítica ~ Cálculo Flecha máxima: De igual manera se calcula el valor de la flecha máxima en el centro de la viga, es decir, para x=L/2 y(1,5) = Yl (1,5) + Y 2 (1,5) Y l'(15)=~[c.1,53 El -~(156 24' L +C)4 2 (15) = Rl ·1,5 (3. L ·15 - 3 .152 Y2' 6EI ' , _ +(~_ 6 L = 3 [m] C = 0,5 2 C.L ).15] 8 [m] a =l[m] ' q = 2857,14 a2) [N 1m] E = 2,312.109 1 =~·015·0033 12" [pa] =3375.10-7 , [m 4 ] Resolviendo: Y (1,5) = 0,02532 [m] 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Simulación de elementos Finitos - 6 = 25,32 [mm] CADETECH DES1GN ANO ENGINEERING • 11111/ Cálculo en Forma Analítica ~ Cálculo Esfuerzo Máximo: El esfuerzo máximo se da en el punto donde se encuentra el momento flector máximo. Al igual esto se realiza a través del método de superposición, a continuación se muestra el diagrama del momento flector a lo largo de la viga. M(x) = MI (x) + Mz(X) Diagrama Momento Flector ~ El momento flector máximo se produce para x=1,5 [m] dando un valor Mmax= 215 [Nm] 2000 _ ..__ ...._---_._-_. __ ._._-_._-_._-----------, ~ El esfuerzo máximo es: (J' = M -e = 215 -0,015 = 9 55 [Mpa] 7 1 3375-10' , e = mitad del espesor 1 = 3,375 -10-7 [m = 0,015 -2000 -'---- [m] Posición (m) 4 ] 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (yVPC) - Simulación de elementos Finitos - 7 CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Simulación por elementos finitos Vistas de la malla SAMCEF - BAOON : V 12.1-2 -,~-SAMCEF - BACON: V ,-------_ aeeee e eae 12.1-2 eee.re _--_ __ ._.. .. .. 100. Z:umoeric.al eee re ¡/l'"7.6120SC [SAMCEF - BACON ... '_ ':: I ~ ¡O._<rlc." •.•• l. I 1 ~~ ,~ 1- ... ---- ...---~- Perfil ¡ llh._::H;,. ••l re.Le 1/".:!UI{;1 . : .. - .; _. : _ .. " " i 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Simulación de elementos Finitos - 8 CD , .. _._. __ ._.._ ..__ .._ _-_ _---_. __ .._;1 --l J CA D ET E C H DESIGN ANO ENGINEERING [J~1II1Simul~ciónpor elementos Material SAMCEF - BACON: finitos V 12.1-2 11at:erial informatian Material Geometric - ,YT [ 1 1 scale 100. Numerical "cale 1/177.612030 2312 Módulo de Elasticidad = 2312 [MPa] Coeficiente de Poisson 0,3 [-] Densidad 1100 [kg/m3] = = 2312 Y ..'. ...x 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Simulación de elementos Fimtos- 9 r: <CA [D)lElf lE. €e D-O \:ji . DESIGN ANO ENGINE~RING 111111 S~~u.laCiónpor elementos finitos Fijaciones --.- _.-..-_ __ ._- _ -._- -_ _- ..__ ..- --_ I SAMCEF - BACON: V 12.1-2 t;;:IGe~~------- -· ..·--···-- ..··-.---1 , i I 100. -- ¡ h"'Umerictll eee re -~--.. 1/177. 61:0S0 SAMCEF - BACON: Geane:tric V 12.1-2 eee re 10. t<l.IrnIer1ctllece r e 1/lS.!67294 I Apoyos Los nodos están fijos en la dirección vertical 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (VI/PC) - Simulación de elementos Finitos - 10 I'~-\.CADETECH ~L/ DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Sim~l~ción por elementos finitos Presión Presión SAMCEF - BACON Prescr1bed Geometric V 12.1-2 Se aplica una presión de 0,019 [MPa] correspondiente al peso de las personas preS5ure 3cale 100. Numerical 3cale 1/177.612030 Value*1.E-3 .19.05 Peso Propio 19.05 y Se agrega una aceleración vertical de 9800 [mm/s] correspondiente a la aceleración de gravedad ¡ z/··J·'<. "x L. ...........................................................................................................................................................................................•.......... 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (YVPC) - Simulación de elementos Finitos - 11 111111 Simulación por elementos finitos Resultados: Deflexión Máxima SAMCEF - BACON: di:lplec~~nt.~ V 12.1-2 (DX, ny. DZ) e D1erplaeeme:nt rnodullJ~ ~~::( 20.-65 ~ , 19.5 .i e . 35 17.21 16.06 . 14.91 ir, lS.77 12 .E2 , 11.47 i: lO •.S2. LIS D ~ 1"'-2-2-.94-[-mm-]--' y ! ~ J 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Simulación de elementos Finitos - 12 CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Simulación por elementos finitos Resultados: Esfuerzo Máximo [tª~X>;~~i~ ........•••..•••......•....• _.._- .....•.....•...••..••...•...•••........• _._ ..•...•... - ···································1 V 12.1-2 ~:::n~"::e:~Yo.S9$l~O~ 1 ¡C~=tr1c p.~.. ".0'"1,, l~""",r.ica! ••c"l" 1/1e.'::1l;ltl! Peso Propio + Peso Personas 1 8.092 [MPa] j. 1.219 I! o.sa 1 1.€1::: . I ~:~~. I r j..~:..~ ~:.:. . _._........ . _ , - Fft,diS = FfKHKDKCKhf FS = Fft,diS = Fft ,cale _ = 27,94[MPa] 8,09[MPa ] 24,3 '1'1'1,15'1 = = _ - 27,94[MPa] 3,45 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico 0NPC) - Simulación de elementos Finitos - 13 DETEC 1111 I Simulación por elementos finitos Resultados para pino de 6"x1,S": Deflexión Máxima SAMCEF - BACON: N:::>dal diepllilc~ent~ Load caee ?o~en. energy "'34.0.4511 V 12.1-2 (DX.D1",Da} : Di~pl.e.c~ent :nodul\J!l' 1 sce.en , ener~' 434Q • .lJSll. aeceeec ea c ece xe 100. ::"000. l•.•• -mericol Oeformacion ece re 1/1,( ece re e .69"'793 N~r:ica::' 15.00 =<a~ 2.502 :¿.377 1.677 l. "$2. l.e::' 1.{lOl o """_••, ~."..,,_=.= __, """."'=''''''''''= _ LI2E: l.l~Ol 1].876 0.S75 :15.00 l.37€ ::'.25.3.. 1.251 1.1.26 0.5 e 1.62'7 1.501. 1.501 1.376 D.2S 1].125 ece re 2.252 a .127 2.002 1.877 1.752 2.:127 :e.002 0.626 ece r e 1/2":'3.6653"'1 a on 2.502 .2.;77 :2.252 0.751 •• c o.a?!: ~ r 0 • ..,51 0.626 -2-.5-[m-m-]....., y 0.5 tI.3'S 0.25 0.125 O y i :.: I Jadm = L/ 400 = 1000/400 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Simulación de elementos Finitos - 14 = 2,5[mm] CADETECH DESIGN AND ENGINEERING • 111111 Simulación por elementos finitos . Resultados para pino de 6"x1 ,5": Esfuerzo Máximo SAMCEF - l·~~~~;~-=····;~~~_·~··~·;;;=;=I - _. ¡.~-~~:;:-¡.;~~ ~.~~.~~~ .._ _ ¡Load ce ae 1 1 sc-cen ece.re I ;;_~tric , enerqy Nur:.er1c111 eeeae BA(X)N V 12.1-2 __ . ........ :................................................•................... Propio + Peso Personas ~ ~S4.0.4511 II:::::. ,¡ L....-Peso _ - _ . 4,92 [MPa] 1/171.69''79:3- I i .: '.le2 ¡ }::v ~.9315 ~J:~::~ ,r,,: 1 ~.l9~ IU I~Yl2.;oa 2.9" if~-"¡2.'Ó3 !1~1~~~~~ 1 1.234 i 0.989 1 0.74' ! I¡ . 0.497 0.252 0.006 ).' !~:~j.,.x......______ .. .. Fft,diS = FfKHKDKCKhf FS = F ft ,dis F ft ,cale = 8,02[MPa] 4,92[MPa] = .. .1 9,3-0,75 -1-1,15 -1 = 8,02[MPa] = 1,63 Esfuerzo dirección axial 2009-065-UOT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Simulación de elementos Finitos - 15 DESIGN ANOENGINEERING • 111111 Simulación por elementos finitos Presión y Fijaciones (Variación de la Luz) SAMCEF - BACON: Prescribed Geometric V 12.1-2 pressure scale 100. Numerical Vector scale Presión Se aplica una presión de 0,019 [MPa] correspond iente al peso de las personas 2/177.612030 scale 0.100 ; ·········l Peso Propio Se agrega una aceleración vertical de 9800 [mm/s] correspondiente a la aceleración de gravedad y z"J ..."..x 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico 0NPC) - Simulación de elementos Finitos - 16 Luz La distancia entre los apoyos disminuye continuamente I CADETECH DESIGN AND ENGINEERING • 111111 Simulación por elementos finitos Sensibilidad de la Luz Sensibilidad de la Luz 251-----------------------------------------~ 22,5 -t--------------------~--_+ 9 20;-----------------~-~---_+ 8 E 17,5 S 15+-------------~~~,------_+ e ;---------------=-"--_,,--------+ -o 12,5 .~ ;¡:: Q) e N 4 7,5;------~~--~~-----------+ 5;----=----~~------------_+ 2,5;----~~""----------------+ 3 Q) ~UI w 2 1 O+-----~--T_~----~----~----~----~----_+ 70 7 •.... ca c.. 6 ~ 5 o •.. 10;--------~~--~--------_+ 60 10 80 90 100 o 110 Luz máxima [cm] I~ Deflexión --- Esfuerzo 2009-065-UOT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Simulación de elementos Finitos - 17 I TEC DESIGN ANO ENGINEERING • 111111 Conclusiones ~ Considerando una luz máxima de 1 [m] (tal como en el plano del muelle), la deflexión máxima para el material madera-plástico es de 22,94 [mm], superior a los 2,5 [mm] obtenidos considerando la madera. ~ El esfuerzo obtenido para el material madera-plástico, en todo los casos de carga está muy por debajo al esfuerzo de ruptura del material, por lo que es necesario preocuparse principalmente de la deflexión máxima alcanzada. ~ Para obtener una deflexión de 2,5 [mm] (obtenido considerando la madera) es necesario una luz de 57 [cm] aproximadamente. ~ Con una luz de 60 [cm] se obtiene una deflexión de 3[mm]. 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Simulación de elementos Finitos - 18 CADETECH "' DESIGN AND ENGINEERING 111111 Anexo: Propiedades Mecánicas Propiedades Mecánicas Pino Raolata c24 NCh 1198 Pago9 Madera Plástico Módulo de Elasticidad [MPa] E f 10200 2312 Esfuerzo Admisible en flexión [MPa] F f 9,3 24,3 1,1 Esfuerzo Admisible de cizalle [MPa] Fez Densidad [kg/m3] 450 1100 Coeficiente de Poisson [-] 0,3 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Simulación de elementos Finitos - 19 CADETECH .DESIGN ANO ENGINEERING • 111111 Anexo: Curvas de Deflexión de vigas L xs--c 2 MI L L 2 2 --csxs- rp M2 = -P> x xsa LP =s=» 1, :- dY2 dx :&;;0 .-(11 = -~(a'L 2EI _a2 _X2) P'X( 2 Y 2 = - 6EI 3· a .L - 3 . a - x asxs- L 2 M2 = Y2 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (yVPC) - Simulación de elementos Finitos - 20 -P'a dy 2 = _ p. dx 2) a (L _ 2 . x) 2EI = - P'a( 2 2) 6EI 3· L . x - 3. x - a CADETECH DESIGN AND ENGINEERING 111111 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en madera-plástico (WPC) Comparación de Perfiles N° de propuesta: PT-2009-069-UDT-V1 W Orden de Servicio: W 490/09 W de estudio: 2009-065 Preparó: Rodrigo Divizzio S. Revisó: Mario Vega P. Fecha: 19 -10 - 2009 Fecha: 19-10-2009 Difusión: Interna Cliente: UDT Destinatario(s) : Ricardo Medina Externa - 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 1 ¡CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Objetivos • Estudiar un perfil mejorado (por EF y en forma analítica). Dimensión 150mmx30mm con tres vaciados en su interior. C· r 2009-065-UOT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 2 "¡,,¡,, , . CA D ET E eH DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Perfil Base - Dimensiones SAMCEF - BACON Geometric I V 12.1-2 scale 10. I-----l Numerical scale 1/7.315961 ! í 30 1 I ! I l. Ix= 3,375E-7 [m4] y I 2 150 X MTotal = 24,75 [kg] 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (YVPC)- Comparación de Perfiles - 3 "~CADETECH ~1~) DESIGN ANO ENGINEERING • 60 [cm] 111111 Result~,dosPerfil Base - Luz Deflexlon SAMCEF . Nod!l:l. ¡ Leed - BACCN d:i:!!?le.-=e.rnen~~ ca~~ 0Y.D2) 1 : Di~plClcernc::1~ SAMCEF V 12.1-2 3134..9572. r r.c ece Le ,~ , . 1>00. accc . ! l:·..n=ri-::al ace i.e 1/177.61~030 ¡ ; De::rQ:r:ma~lon eee re . 30.00 N\r.!V!r1ca~ece í.e 1/24S.EtSS371 , :I!:~:: , - BACCN modulu~ 1 I seeen • energy ¡ aecseec V 12.1-2 (DX .SS .73-: 2.5'65 .2 .433- .ees :~~~ --------===~~---------.433 : ~,~ :2. aaa : ~:.>a .123 1.9'77 1.625 1.1573 .325 .673 . 1.521 .52:' 1..369 1.2"17 .369 . .21' 1.Céi5 0.93.2 .0(5 .912 O. '.c; • '/6 O.€08 .60'8 0.456 0.304 0.152 .456 3,04 [mm] _3.04. .152 y i j . Z, ..•••...• ",x 2009-065-UOT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 4 CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING • 111111 Resultados Perfil Base -Luz =60 [cm]. Esfuerzos . .' .. r~±t~:~:~~~:i~~~::·~-~;·~=;··m··············1 Peso Propio + Peso Personas I Lood , sceen ee ae 1 "'----------- ••••••• • t!.!lergy 3134.95"'2 1 aecceec er.c ¡ 100. eeaae 1':~rlCAl ecei.e ::~~: I I 1/177.6120$0 2,92 [MPa] I i!j '.62' j i .:<.,178 l - ';l z . 332 Iw:h~:: I , ~::~: 1.4"59 1 1 ,I . ~~~~~ J .~?2 ~~~:~ oc ae s 0.433 0.293 O.Ha ;i y l..~~~.~.~~~.:.~.... . H ••••••••••••• H •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• H ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 5 CADET eH DESI~N AND.ENGINEERING 111111 Perfil 2 - Dimensiones ,-----------------------_._ SAMCEF - BACON ... _._----_._--_ _._-----_.-_._-----, ... V 12.1-2 Geome;:;r1cscale 10. I--------l Numerical scale 1/7.315961 1-------.::3:..::0~_··1~ 1.•••• 3 -+--+--_..::-=ti~-·_·-·-t~=---_;1---t-;·.....; .. --~- '---t- ¡-:::=:---;- .... >--::::.....-t.:.:-----t! \--;----;---;---,-----,--, -+,"='-'-t-'=-"t:;l-' ..~....J..f:::::=t-J_._. -=t"'f--'_'.--:¡:Ic-; =+..:=-'t-t---=;t.r---=,-:=--=¡-!--I':..----+¡+··-·-=+·t'-=-·-tt-- -=+=1---;:;~_'---!-I_ - - -i-- ~=!-- 1---+-+ F lA ~ =,~~0=tf~~$:= ,~=-~~~==n'=fT:'± 30 í I _._-j- : !, . /. -- II i , --+--+1-+---1----1 ,1 150 Ix = 3,207E-7 [m4] y Iz -H----f--- 1, . x MTotal = 24,25 [kg] 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 6 1\\'\ CADETECH ~U DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Result~,dosPerfil 2 - Luz - 60 [cm] Deflexlon _------_._--,_. .. SAMCEF - BACON ¡ V 12.1-2 SAMCEF !._---- ~Nodal : Poten. enerqy V ---- 12.1-2 (DX, DY,DZ} e Dloplacernent modulu.!< ceee 1 ¡ Poten. 3303.44",,3 BACON d.í.ep.Lecereen e e i Lcad : Load cee e 1 - eneriJY 3303 •••.(:.(3 • aeceeec e a.c ece i.e ..100. ¡r'" m.it:erlcal Det:c~tion .~ ¡ .. ;' i ece í.e 1/177 ..61.<:03C ece Le r 30.00 1.000 . N\l!!I.e.r1ca': ~;::ale : De~o:Z::!'flL\tio!l 1/243 ace'í e e ~:~~~ 2.583 j 2 ..72~ 1.2..SO 2.403 ~~==---~------------- 2.2"2 2.082 1.922 1.745 .a -: ,1 I ..e653'71 30.CO 1.6Q2 1.~42 I ,~:~~: I ~::~~ [;.(51 ; : ~ 0.3" O.Hi e 3,20 [mm] y z/L",z 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 7 CA CH DESIGN ANO ENGINEERING 11 60 [cm] Resultados Perfil 2 - Luz Esfuerzos ; ", G••..:••,.tJ:1c ,.,..,,,1.• ic.. ····,····:········,'····, ..·.······, ..... ~ I·····~·~;~~~=··;;;~~~··~··~~;~=; Peso Propio + Peso Personas ............... _ _ ....................•........... :.........•... ......•....•..•......... -:.............. -- -- ······1 EQ",live.leno¡; ~t::re~s ¡ ce.ae LOiCId Pc-c.en , 1 e:'l~rg),' !" aeceecxa ¡::.~?' IUtic:erieal '--------.....;.---~ 3S03.44-'3 c ece í.e ece i.e 1.(17? IIU~~, ¡ 61:2030 3,29 [MPa] :<.633 !I~·~:;: . la,'.'i'-139 i1p,;.;~1.91 ~'".¡ ¡ :/~--~l.'<6 !I~ 1.975 I 1.481 1. 317 ',t.J'1.152 ¡¡·'II~:::: O.eS9 I j i ! 1 0.495 0.33 C,'" C.OOl y I !¡ Z,,· j ! I ,,'.X _ . . ... , 1 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico 0NPC) - Comparación de Perfiles - 8 eH • 111111 Perfil Mejorado - Dimensiones i SAMCEF _ BACON Geomet:.ric V 12.1-2 ! I :9cale 10. I------l Numerical 6 5cale 1/7.315961 __ I~ 30 o ----·-I----+--+--·j- ...-.J--·- -----+----+---1- =--=F~- --- I -- -.-+..... -+.---.¡. ...-.....--. ....--....---- -- =- ==~_-:--= 18 , I I 1: y Iz -----x 15 ~I.• I I I 30 I I I ! I ~I..~ I I ! I I 150 = Ix 2,938E-7 [m4] MTotal = 15,84 [kg] 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 9 C~ .' ". '. L CA D ET E C H DESIGN ANO ENGINEERING • 60 [cm] 111111 Result~,dosPerfil Mejorado - Luz Deñexíón SAMCEF - BACON: ¡ V 12.1-2 SAMCEF : Modal : Load sccee ce.ae . I 1 e!lergi:' r.cad ,;...... eeea.e ¡ De1'Qrmat.ion ! 1(177.61:2lJSO : e rii!!placem~nt rnodulu$ 3ó~O.alS:l.. c ece re :l000. NumexicaJ.. ece.r.e i ~:.:>::mftt;::'on ece í.e • 30.00 : V 12.1-2 n)X.DY~D2} 1 ener,lY ! ceoeece.i 100. N=r.1.-t:al ee ae ¡ sceen, 36f"O.SlSl - BACON di!!placer:lent.e' 1/24S'.eES371 ace t e • 30.00 ~:~:~ ~ 3.~OS 5..027 z .649 2.671 :<:'493 2.315 2.~:H 1.959 r j , , 11-781 1. 605 ~:~~: 1.<.2.5 i 1.24;6 ' 0.534 0.356 : ~ lJ.11S e 3,56 [mm] y z.J ..x 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 10 CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING 1I1 Resultados Perfil Mejorado - Luz = 60 [cm] Esfuerzos .. r~::~:~~~:;:~:~~~~~;;L:~~¡~:ilX~ + I....- I r.ce a I·~"~~ ¡ I .ml caae 1 Peso Personas ~ seeeo • e."l~rgy -366"O.Sl,Sl '. Geometr.1c ece Le "lOO. 1 Peso Propio 1: e e •• " 3,38 [Mpa] ,,,,,.,,,'" ~::.a'14 ,1 :: _705 ! . I a '."7 :':.536 !I~~ ::::: J ss 2.198 j _ ¡ ,- 1. 52'2 1.353 Ilí\í ~:~~:. I O.," ! j , (l.50:: 0.339 I ~:~:r I~:::j,·"x.. .. _ __ .1 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 11 eH • 111111 Tabla Resumen - Luz 60 [cm] Desplazamiento máximo Perfil Base Perfil Base 2 Perfil Mejorado Forma Analítica 3,23 [mm] 3,40 [mm] 3,71 [mm] Elementos Finitos 3,04 [mm] 3,20 [mm] 3,56 [mm] Forma Analítica 3,43 [MPa] 3,67 [MPa] 3,94 [MPa] Elementos Finitos 2,92 [MPa] 3,29 [MPa] 3,38 [MPa] 3,38E-07 [m4] 3,21 E-07 [m4] 2,94E-07 [m4] 24,75 [kg] 24,25 [kg] 15,84 [kg] Esfuerzo Inercia Masa Total 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 12 e: .L.../ CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING • 111111 Conclusiones ~ El incluir 3 ranuras en el perfil base (Perfil 2), implica un aumento de 0,17 [mm] en la deflexión máxima correspondiente a un 5,3% de aumento. El esfuerzo aumenta de 2,92 a 3,29 [MPa] lo que corresponde a un 12,6%. Sin embargo estos valores están muy por debajo del límite de ruptura (24,3 [MPa]). ~Al Incluir 3 vaciados en el perfil base (Perfil mejorado), la deflexión máxima aumenta de 3,04 a 3,56 [mm], correspondiente a un 17% de aumento. Sin embargo, la masa tata, disminuye de 24,75 a 15,84 [kg], lo que implica una reducción de un 36%. Así el aumento de la deflexión es insignificante en comparación a la reducción de material obtenida y los esfuerzos siguen con niveles muy por debajo del esfuerzo de ruptura. 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 13 e CADETECH .r:;/ DESIGN ANO ENGINEERING 111111 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en madera-plástico (WPC) Solicitaciones N° de propuesta: W de estudio: W 490/09 2009-065 Preparó: Rodrigo W Orden de Servicio: PT-2009-069-UDT-V1 Divizzio S. Cliente: Revisó: Mario Vega P. UDT Destinatario(s) : Ricardo Medina Fecha: Difusión: 19 -10 - 2009 Fecha: Interna 19-10-2009 Externa - 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Solicitaciones - 1 CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Objetivos ~ Evaluar las solicitaciones sobre los perfiles de madera-plástico en el uso en muelles. Definir caso de carga crítico (considerar carga con densidad máxima de gente sobre el deck). Usar como referencias los planos entregados el 22/09. 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Solicitaciones - 2 C ,r--"" , "~CADETECH Lr/ DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Referencias ~ NCh 1198-2006: Madera - Construcciones de madera - Cálculo. ~ Planos: • Plano estructural Ponton desembarco N-800-AGPONTON/01 • Plano de planta disposición N-11 O-AGPONTON/01 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Solicitaciones - 3 CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Consideraciones ~ La norma NCh 1198 es aplicable a maderas, sin embargo, se utilizará para el estudio de piezas madera-plástico. ~ Las reacciones en los apoyos se analizan como vigas simplemente apoyadas. ~ El peso de un hombre, se establece según la norma NCh 1537, como 1 kN, con un ancho de aplicación de la carga de 350 mm. ~ La luz máxima efectiva corresponde a la distancia entre los centro de apoyo. ~ Se consideran las propiedades mecánicas para una humedad del 20% en la madera. 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Solicitaciones - 4 CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Tensión de diseño de flexión ~ La tensión de diseño se calcula según la expresión: ~ Zona flexo-traccionada ~ Zona flexo-comprimida Fjt,diS = F¡KHKDKCKh¡ F fv.dis = F¡KHKDKC Donde: Ff = Tensión admisible en flexión KH = Factor de modificación por contenido de humedad KD = Factor de modificación por duración de la carga K¿ = Khf = Factor Factor de modificación por trabajo conjunto de modificación por altura ~ Como se utiliza madera con una humedad del 20%, KH=O,75 (Pino Radiata, no se considera para la pieza madera-plástico) ~ Se considera una carga normal, permanente en el tiempo, Ko=1 ~ Como se trata de entablados que comparten la carga, Kc=1, 15 ~ Para un altura de 30 mm (espesor), Khr 1 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Solicitaciones - 5 .CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Tensión de diseño de cizalle longitudinal ~ La tensión de diseño se calcula según la expresión: Donde: Fez = Tensión admisible de cizalle longitudinal KH = Factor de modificación por contenido de humedad KD = Factor de modificación por duración de la carga KR = Factor de modificación por rebaje ~ Factor de humedad y duración de carga se considera igual que para flexión. ~ No se tiene detalle de los rebajes en los apoyos (si es que existen), por lo que se considerará un KR= 1 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Solicitaciones - 6 CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Deformación Máxima admisible ~ Para pasarelas peatonales la deformación máxima admisible: «: =L/400 Donde: L = Luz efectiva de la viga = lOOOrnrn (zona central) 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Solicitaciones - 7 C '~'! t.,:j CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING •• 111111 g! Condiciones de Carga (Casos Crítico) 1. Máximo Esfuerzo Peso propio dela madera I 1kN * 600/350 1kN * 1000/350 PiH!!l l*!!!!!!!! !!i ~IE 900 g! 2000 '" ) .•.. K K -"'- '" < 900 ) ( 600 ) 2. Máxima Flecha Peso propio de la madera 1kN * 1000/350 l*HHHHHi K ~I ¡< 900 ) .•... ./ LS K 2000 ...•. '" .•...•. 900 , ( '" 600 ) Se calculará la estructura considerando como límite la flecha máxima, por lo que se utilizará el caso 2 de carga. Existe una leve diferencia en el valor de esfuerzos entre la condición 1 y la condición 2, la cual se considera despreciable. Para el caso de carga 2: Peso Total Estructura = Volumen * densidad * g = (5*0,15*0,03)*1100 * 9,81 = 243 N Carga vertical por peso de personas = 1000 * 1000 / 350 = 2857 N 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Solicitaciones - 8 CADETECH DESIGN AND ENGINEERING 111111 Propiedades Mecánicas Propiedades Mecánicas Pino Radiata (;24 NCh 1198 Pago 9 Módulo de Elasticidad [MPa] E f Esfuerzo Admisible en flexión [MPa] F f Esfuerzo Admisible de cizalle [MPa] Fez Densidad [kg/m3] Coeficiente de Poisson H 10200 9,3 1,1 450 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Solicitaciones - 9 Madera Plástico 2312 24,3 0,3 1100 CADETECH DESIGN ANO ENGJNEERING 111111 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en madera-plástico (WPC) Comparación de Perfiles N° de propuesta: PT-2009-069-UDT-V1 N° Orden de Servicio: N° 490/09 N° de estudio: 2009-065 Preparó: Rodrigo Divizzio S. Revisó: Mario Vega P. Fecha: 19 -10 - 2009 Fecha: 19-10-2009 Difusión: Interna Cliente: UDT Destinatario(s) : Ricardo Medina Externa - 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 1 .~~'~'~, CADETECH .L// DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Objetivos ~ Estudiar un perfil mejorado (por EF y en forma analítica). Dimensión 150mmx30mm con tres vaciados en su interior. 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 2 C <~~ ,'\CADETECH ¡,y'" DESIGN ANO ENGJNEERING 111111 Perfil Base - Dimensiones SAMCEF - BACON V 12.1-2 Geomecric scale 10. I-----l Numerical scale 1/7.315961 I i I ¡ 30 - i L ... I !, /. 150 Ix y Iz = 3,375E-7 [m4] = 24,75 [kg] MTotal x . • 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 3 I\\'\CADETECH ~U DESIGN ANO ENGINEERING 60 [cm] 111111 Result~,dosPerfil Base - Luz Deñexlón ---------,---_ : SAMCEF : aecreee ene.rgy 31:94.95"2. ¡ N'odal di!!plecemer:t~ DefQ~c1on ece i,e :i./177.6:i.2<JSC -, .. - -------- (DX,D1.', Da} : Di~plecern~nt :nodulu!l' '31.311.9572 :.?9.~.~ ~ ' :. ~:;~: o I ..... ,_,X 30.00 =-.. kj~:::~ ti ! 'o ¡~:~~~ 3,04 [mm] I!~'in~; LoeS ; O.SO", ~ i 0.152 o y . j ses U i ~::~! C.~aE 0.152 2.73'7 .2. 2.433 ::~~: O.'¿' 1./243.6653"1 ace r e : ¡ 'J n t~:~~~ ~: ::.': 1.369 0.93..:? c r on i~~:~:l l 1.97, :'~' ,Z.,,, ener.;y i ne roeee ~:~!: ; ! ... 12.1-2 1 i Numo:!:ric~':" ece í.e ece.re • 30.00 :' \ 2.2Sl ; .'~ 2.129 ! 1','~· .,' .. case i Peten. ! '~~ ~ ~::: !¡ Load ¡~ lJumeric41 I~ .• V cr.c ece í.e , 100. I BACON .._._._-------~,--_.- ¡ : Pote.n. - !---_ 'el y ! 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 4 CA D ET E C H DESIGN AND ENGINEERING • D~IIIIResultados Perfil Base - Luz = 60 [cm] Esfuerzos ;:";of~_:;~::::::.~!-_.'.,--_~ ~••• rvy r,!!.:... le liIe.l. INI::Mt:1~1 .u:.li! ':.~:r::'_::'_BAC::>~.~ ..~-=2.1-~ u!'I:alent ~ ,::t:z::e:st!: Load eeee 1 een . I seeeee energy eae 3134.95"2 eee.re eee.re • Peso Propio + Peso Personas I 1/171.61~OSO ::::: 1/10.~aQ::2 2.'l'24 '.4" 2.!.)2 ~ ~:::~ I 100. jl:l.ZmeriCAl =1 ~; :U4.'!.':1 I I 1.l!l1 ,.,,, 1.313 1.0'1 c.nt; C.'" C.~!I'!o 1~'.9>S 2 .7~9 , e .624 i ;-.418 :;.332 I 1 ':<.181 (¡.041 1•896 1. 75 1 1.f;04 1.-459 1.313 1.161 0.876 O. "';3 o.ses 0 •.139 0.295 O.H,! ,. 0.002 :,.1... x -2.'U: -f.US , -.t •• :e I z..... l·,x 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 5 aD . <CA [D) lE 1T lE <C D-{] DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Perfil 2 - Dimensiones --_ _-_ _---_.__ ._---_._--- .. ... SAMCEF - BACON: ----- ._------------_ ..- V 12.1-2 Geometric scale ~o. i------l NumerLca~ sca~e ~/7.3~S96~ 3 30 l. Ix= 3,207E-7 [m4] y Iz 150 x MTotal = 24,25 [kg] --_._-----~~~~~~~~---------_._------' 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 6 ~\'lCADETECH ~V DESIGN ANO ENGINEERING • 111111 Result~,dosPerfil 2 - Luz = 60 [cm] Deflexlon . r·······_······ ¡~~~_C~~.~_BA~?N ¡ t-:od.!Ll ,:\i~;lac~men ¡Load l Poten. I I aeceec c eae V ~.~..•.1=~_ ••~ (DY.,OY.DZ) : 'Di~plac=em: . ___._ •..............................•.....................•..... 1 Load e...'le.rqy3S03.44""S , ! eee.re caee ceeeeeer 1100. I - BACON: die¡>lacem!!r.t!l V 12.1-2 -_._----------------------------------------~ (DK,DY.DZ) : Diepl.e,c~ent :nodulue 3. socen , eneri1':t' 3303.';44.3 z a c ece i.e 1 N=erical SAMCEF Nodal :modulu~ . 1/177.61'::030 c ece í.e 1(iOO • NU!nerical Def-c-rmtst..ion ece.re : 30.00 oe rozeee c ff. IY ........................ ! ece.t e 1/..2Ji3.f"653"1 i cn e ce t e : 30.0C; ~:~~~ 2. SSS ';.723 2.5<3 1.602 " 1.121 0.961 0.80:;' 0.641 0.<;el 3,20 [mm] 0.32 C>.16 O ..1 Y 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 7 CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING ~~1I11Resultados Perfil 2 - Luz = 60 [cm] Esfuerzos ¡:; .. ~";d<: ! Peso Propio + Peso Personas ·'r!:~~~ ; ~:: ; , 2.<!.:I' " "2 1: '?o~e;n. I aecreec e.rc t· r, ••• 68 ~!)' z . ¡.3~ 1. ~7S eeec,e : :lOO. ::~:: r Nur:eric:e.l ece Le 1/1"(7.612030 a. i; e::le.rgy 3,303.~·HS eeere , 3,29 [MPa] :.'~'¡¡~ ; ~."s~ t:.S;,3 , :1.11Hi : e.coa '797 '::.E33 ; j 2.458 2.304 2. i as 1.9"5 1.81 1.6,(,6 :" <- I ¡ 1.4e1 1. 317 ~:::: 1. 152 ' 0.6S; O.~9S 0.33 ~ 0.166 O.COl <l •• l<. x 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 8 DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Perfil Mejorado - Dimensiones I SAMCEF - BACON V 12.1-2 ----_. ,---_._-_ - -.. Geome'Crie seale __ ._-_._---_ _ _---------... .. 10. l-----l Numerieal -;6 30 seale 1/7.315961 ~ == r---i---'-'''- _+---+-i---1-i·--·------J-- ..-j--j--- ..·t---t----1-·-i--.-~-+--- .._._. -===r:::= ---- -- .. 1---- I J 18 1 1 1 1 1I J 1 .1 1 ! I 150 Ix = 2,938E-7 [m4] ,y z x ._-_-__._--=- ...._. ...._... . MTotal = .__ •••__.-..__-..._..-_..-. ---_- 15,84 [kg] __-_-_. ---1 .... 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 9 . . .__._.__.... __.__.. ..._. ...._.._J_ 6\\\CADETECH ~¿) DESIGN ANO ENGINEERING 111111 Result~,dosPerfil Mejorado -- Luz = 60 [cm] Deflexlon SAMCEF - BACON V 12.1-2 SAMCEF i - BACON : Medal dil!plec~er.t!! ¡ Load ?o't.en. enerqy 1 ece.Le s ¡ lOCO. 30.00 N=~ric~l. i Defa=J'ltio~ :~.'::~:: ¡ ce ee ¡ ece Le 1/17?6120S0 De:formstion 12.1-2 (DX,Di'".DZ) : Diaplacement ---- rnodulU3 1 368:0.1;151 , : Numeric.al V !_._--------------_._--------- :L02' r- 2.e4So ! ~ 2 .~71 :.!,I~,.,; 2.493 2.315 2 • .137 1. 959 . ece í,e 1/.243. 'í l_::.i:.:,,! < i eES3'71 acen e : 30.CO ~-,.., ==--~~~~.=-~------------------- 11' ' ...i1 .1.959 ~:~~~ 1 'J ~:~~~ :i~.1~:~:: i ¡, ! 3,56 [mm] ! ¡ ¡ 0.S9 D.712 0.594 O.35E n.178 O Y l_ .............. J••. 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 10 CADETECH DESIGN ANO ENGINEERING 1I Resultados Perfil Mejorado -Luz = 60 [cm] Esfuerzos I;~i:~~~~:o~~~~~¡;.i;~~;~::~:,~~ml + Peso Propio i LOl!.d Peso Personas I::::~r::·::.:··O.5151 ce ee 1 3,38 [MPa] ¡.1".0. ¡ N~ricftl ece í.e ¡(1;7:6:;'~OSO 1 1 '·SSl i I ¡ I s .2:12 II S.04> !.i.874 . M··70S 1 ~.S~,6 ''t~ y ;:/ J -· ... x I1)1 ::~:: ! 'Laó I ~~::~ j 1.-35:s.- ¡ 1.18.• ¡ ;; 1.015 j'U~~:~~ ¡ O.50!:; I 0.33' I 1 O.1? ~.OOl : j L=:.::: ~~.~.~~ __ " . _ __.._ .:.._ .J 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (yVPC) - Comparación de Perfiles - 11 CADE ECH DESIGN ANDENGINEERING 111111 Tabla Resumen - Luz 60 [cm] Desplazamiento máximo Esfuerzo Inercia Masa Total Perfil Base Perfil Base 2 Perfil Mejorado Forma Analítica 3,23 [mm] 3,40 [mm] 3,71 [mm] Elementos Finitos 3,04 [mm] 3,20 [mm] 3,56 [mm] Forma Analítica 3,43 [MPa] 3,67 [MPa] 3,94 [MPa] Elementos Finitos 2,92 [MPa] 3,29 [MPa] 3,38 [MPa] 3,38E-07 [m4] 3,21 E-07 [m4] 2,94E-07 [m4] 24,75 [kg] 24,25 [kg] 15,84 [kg] 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (WPC) - Comparación de Perfiles - 12 111111 Conclusiones ~ El incluir 3 ranuras en el perfil base (Perfil 2), implica un aumento de 0,17 [mm] en la deflexión máxima correspondiente a un 5,3% de aumento. El esfuerzo aumenta de 2,92 a 3,29 [MPa] lo que corresponde a un 12,6%. Sin embargo estos valores están muy por debajo del límite de ruptura (24,3 [MPa]). ~Al Incluir 3 vaciados en el perfil base (Perfil mejorado), la deflexión máxima aumenta de 3,04 a 3,56 [mm], correspondiente a un 17% de aumento. Sin embargo, la masa tota, disminuye de 24,75 a 15,84 [kg], lo que implica una reducción de un 36%. Así el aumento de la deflexión es insignificante en comparación a la reducción de material obtenida y los esfuerzos siguen con niveles muy por debajo del esfuerzo de ruptura. 2009-065-UDT: Asesoría en cálculo y simulación de piezas en maderaplástico (yVPC) - Comparación de Perfiles - 13 C~··,?,'\CA F D ET E C H DESIGN ANO ENGJNEERING