Madera Madera Madera

Madera
INCI 4035 – MATERIALES DE
INGENIERIA CIVIL
Madera
• Ventajas:
–
–
–
–
Disponibilidad
Bajo costo
Facilidad de uso
Durabilidad
• Usos:
–
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–
Edificios
Puentes
Postes de utilidades
Pisos
Techos
Cerchas
Pilotes
Madera
• Tipos:
– Naturales
– Manufacturados (engineered wood)
• La madera es un producto natural y renovable,
obtenidos de arboles
• El arbol es una planta de h>20 ft, con tronco
auto soportado, sin ramas hasta los 4 ft, y con
una corona
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Madera
• Clasificacion:
– Endogenos: crecen mediante fibras entrelazadas
(bambu, etc,)
– Exogenos: crecen desde el centro hacia afuera
añadiendo capas concentricas alrededor de la
corteza central. Son los unicos que sirven para
estructuras.
• Clasificacion de arboles exogenos
– De hoja caduca (hardwoods)
– De hoja perenne o coniferas (softwoods)
Arboles exogenos
• Las coniferas son:
– mas suaves,
– menos densas, y
– mas faciles de cortar que las de hojas caducas.
– Tienen hojas en forma de aguja y no lo echan al final de la
estacion de crecimiento.
• Las de hojas caducas:
– echan sus hojas el final de la estacion.
– Se usan para muebles y chapas decorativas.
– Por su alto precio, se usan muy poco en construccion
Estructura de la madera
• Anillos de crecimiento:
– Son las capas concentricas de los arboles exogenos
– Cada año se produce un anillo de crecimiento
– Cada anillo se compone de madera de primavera y
de verano.
• Madera de primavera: se produce durante el crecimiento
rapido experimentado en la primavera.
• Madera de verano: crecimiento mas lento durante el
verano
– Consiste de celulas densas, oscuras y de paredes gruesas
– Produce una estructura mas resistente que la madera de
primavera
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Estructura de la madera
• Las partes más importantes de la estructura de la
madera son:
– La corteza
• Es la cubierta exterior
• Tiene una capa externa y otra interna
• La capa externa es muerta y con estructura de corcho.
– El cambium: Gruesa capa entre la madera y la corteza y
donde ocurre el crecimiento del arbol
– La madera: Compuesta de la albura y el duramen
• En la albura se almacenan almidones y se transporta la savia
• El duramen esta compuesto de celulas muertas que han sido
alteradas por depositos minerales. Provee la estructura al arbol y no
esta sujeta a deterioro.
– La médula es la parte central del arbol, puede ser solida,
porosa, o hueca.
Anillos de crecimiento (a)
Anillos de crecimiento (b)
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Naturaleza anisotropica de la
madera
• Los tres ejes principales de la madera son el
longitudinal (paralela a las fibras), radial
(cortando las fibras) y tangencial (tangente a
los anillos de crecimiento.
• Las propiedades fisicas y mecanicas, tales
como el encogimiento, la rigidez y la
resistencia, se ven afectadas por esta
anisotropia.
• La naturalez anisotropica es el resultado de la
geometria tubular de las celulas de la madera.
Estructura celular de la madera
• Tienen seccion rectangular.
• El centro de los tubos es hueco y se
estrechan en los extremos.
• La razon longitud/ancho puede llegar a
100.
• La dimension larga es paralela al
tronco del arbol.
• Es muy eficiente para resistir esfuerzos
paralelalos a su longitud, pero se
deforma facilmente cuando se carga en
sus lados.
Composicion quimica
• Composicion quimica:
–
–
–
–
Celulosa: 50% del peso total
Lignina: 23-33% del peso.
Hemicelulosa: 15-30% del peso.
Extractos: 5-30% e incluyen: tanino, colorantes,
aceites esenciales, resinas, ceras, gomas, almidones,
etc.
– Minerales productores de ceniza: 0.1-3% del peso.
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Contenido de humedad
• Propiedades fisicas tales como el peso, encogimiento y
resistencia dependen del contenido de humedad.
• El contenido de humedad esta referido al peso seco.
• La humedad de la madera puede ser adherida o libre:
– La humedad adherida esta pegada a las paredes de las
celulas por fuerzas de absorcion.
– La humedad libre esta condensada o en vapor en la cavidad
de las celulas.
Contenido de humedad
• No hay humedad libre a menos que las paredes
esten saturadas.
• El nivel de humedad para el cual las paredes
estan saturadas pero no hay humedad libre se
llama punto de saturacion de la fibra (FSP).
• FSP varia entre 21-32%.
• Anadir o remover humedad por debajo del FSP
hace variar las propiedades fisicas y mecanicas.
• Anadir o remover humedad por encima del FSP
no afecta las propiedades fisicas o mecanicas.
Encogimiento de la madera
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Contenido de humedad (cont.)
• El contenido de humedad depende de la temperatura y
la humedad del aire.
• El cambio en humedad de la madera es un proceso
lento y la humedad tiende a equilibrarse con la del
aire.
• El contenido de humedad de la madera
correspondiente a las condiciones atmosfericas
promedios se llama contenido de humedad en
equilibrio (EMC).
• EMC varia desde menos de 1% a T>130F y RH=5%
hasta mas de 20% a T<80F y RH=90%.
Produccion de madera (USA)
• La madera se corta en el otono o invierno y
esos troncos se llaman “logs”.
• Luego se transportan a los aserraderos donde se
cortan en formas dimensionales.
– Madera dimensional:
• Dimensiones de 2” hasta 5” (2x4, 2x6, 2x8, 2x10, 2x12,
y 4x4)
• Estas dimensiones son asperas, cuando se alisan se
remueven ¼ a 3/8”.
Produccion de madera (USA)
– Madera pesada:
• Dimensiones: 4x6, 6x6, 8x8 y mayores.
• Se utilizan para construcciones pesadas, landscaping, durmientes de
ferrocarriles, construcciones marinas.
– Round stock:
• Postes y columnas redondas usadas en construccion, pilotes, postes
de utilidades.
– Madera manufacturada (engineering wood):
• Se pegan madera, virutas, aserrin, y otras formas de madera para
formar un unidad compuesta.
– Maderas especiales:
• Madera aserrada o manufacturada usada para reducir el tiempo de
construccion.
• Incluye pasamanos, decks, etc.
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Proceso de produccion de madera
• Incluye los siguientes pasos:
–
–
–
–
–
Aserrar en la forma deseada
Estacionar
Acabado superficial
Gradacion
Tratamiento con preservativos (opcional)
• El acabado superficial puede hacerse anter o despues
del estacionamiento.
• El acabado post-estacionamiento es preferible porque
remueve los defectos producidos durante el
estacionamiento.
Tecnicas de corte:
• Las formas de corte mas utilizadas son:
•
•
•
•
– Simple
– Cuadrante
– Combinacion
La calidad de las tablas depende de la orientacion de los anillos de
crecimiento con relacion al plano de corte.
Las tres categorias son:
– Flat-sawn (45º o menos)
– Rift-sawn ( 45º a 80º)
– Vertical or edge -sawn (80º to 90º)
Los “flat-sawn” son decorativos pero se distorsionan mas ante las
fluctuaciones de humedad.
Los “vertical-sawn” son preferidos para aplicaciones estructurales.
Tecnicas de corte:
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Estacionamiento
• La madera en los arboles tiene una humedad de entre 30%200%.
• El estacionamiento remueve esa humedad excesiva.
• Para madera estructural, la humedad recomendada es del 7%14%.
• El estacionamiento consiste en almacenar la madera para
remover la humedad mediante aire o calor (horno).
• El estacionamiento mediante aire es barato pero lento.
– Las maderas se colocan mediante capas sucesivas y separadas 1” para
que circule el aire
– Dura 3 -4 meses.
– Se completa cuando la humedad de la madera iguala al del aire.
– Puede que sea necesario estacionar en un horno.
Estacionamiento (cont)
• El estacionamiento mediante calor (horno):
– Dura alrededor de 4-10 dias a 70º-120º F
– Debe cuidarse de no secar muy rapidamente ni
demasiado.
– Si se seca muy rapidamente o demasiado, se
producen deformaciones y fisuraciones en la
madera.
Defectos en la madera
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Efecto de la inclinacion de las
fibras
• La inclinacion de las fibras es al angulo entre la direccion de las fibras
y el borde de una tabla.
• Se presentan diferentes propiedades en las direcciones paralela y
perpendicular a las fibras
• Para una direccion cualquiera se puede utilizar la formula de
Hankinson:
N=
PQ
Psin n φ+ Q cosn φ
N = Propiedad para una direccion cualquiera
P, Q = Propiedades en la direccion perpendicular y paralela a la s fibras,
respectivamente
φ = inclinacion de las fibras
n = constante que depende del tipo de carga
Propiedades fisicas
• Gravedad especifica
– La parte solida de la madera tiene una gravedad
especifica (S.G.) constante de 1.5
– La S.G. (incluyendo vacios) depende del
tamano de la celalula, el espesor de sus paredes,
y del numero y tipo de celulas.
– El rango de peso especifico es 10~65 pcf. La
mayoria varia entre 20~45 pcf.
Propiedades mecanicas
• Modulo de elasticidad
– Curva σ − ε:
• Lineal hasta cierto punto (0.80σ u l), luego curvilinea hasta la
falla.
• Los modulos de elasticidad varian en las direcciones
longitudinal, radial y tangencial.
• EL=1~2x106 psi a 12% de humedad, E R=0.1EL, E T=0.5E R
– Resistencia:
• Compresion: 2000~4000 psi
• Tension: 2~4 veces la de compresion
• Modulo de rotura (MOR): >6000 psi
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Propiedades mecanicas
Organismos que degradan la
madera
• Hongos:
– Necesitan para subsistir: alimento, adecuada
temperatura, humedad y oxigeno.
– Para proteger la madera es necesario atacar alguna de
esas condiciones.
– Lo mas efectivo es mantener seca la madera.
– Tambien pueden tratarse con productos quimicos.
• Bacterias
– Se produce con el contacto prolongado son el suelo.
Organismos que degradan la
madera (cont.)
• Insectos:
– Mayormente escarabajos y termitas
• Los escarabajos crean agujeros en la madera
• Se atacan secando la madera, sacando la corteza
•
•
•
rapidamente, impregnando con soluciones quimicas,
etc.
Las termitas producen mas dano que el producido
por incendios (en las casas de madera en USA).
Ingresan por el suelo y en areas poco ventiladas y
humedas
Se combaten mediante pinturas o previniendo su
acceso en la zona de la casa.
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Organismos que degradan la
madera (cont.)
• Organismos marinos
– Causado por los “shipworms” y otros tipos de
organismos
– Usualmente ocurren en aguas saladas.
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