Ensayo de Tension Para Probetas de Madera

ENSAYO DE TENSIÓN PARA MADERA ROBLEVILLADA JAIME, AGUIRRE HAROLD, RIVERA ROBINSON

ENSAYO DE TENSION PARA PROBETAS DE MADERA DE ROBLE

TENSILE TEST FOR OAK WOOD

VILLADA JAIME, AGUIRRE HAROLD, RIVERA ROBINSON

DIRECTOR DEL PROYECTO: ING. DEMOSTENES DURANGO ALVAREZ

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA

FACULTAD DE INGENIERIAS

MONTERÍA – CÓRDOBA

RESUMEN

En la ingeniería, el diseño de piezas es de vital importancia, más aún en la ingeniera mecánica, es por eso que se hace necesario conocer las propiedades mecánicas que poseen cada uno de los materiales que son utilizados en las aplicaciones de ingeniería, con el fin de darle el mejor uso a cada pieza. En el Ensayo de Tensión, se analizan y obtienen datos como el módulo de elasticidad, esfuerzo de ruptura y otras más Para esta ocasión se obtuvieron resultados y se realizó el análisis de los datos obtenidos después de realizar el ensayo de tensión a cuatro probetas de madera de roble. Se llevó a cabo mediante la aplicación de cargas axiales a cada una de las probetas, utilizando una máquina capaz de someter a las probetas a distintas tensiones, las cuales provocan estiramientos a la misma. Los estiramientos que se dan se logran calcular gracias a la utilización de un comparador de caratula. Al analizar los datos obtenidos por el ensayo es posible calcular el módulo de elasticidad de las probetas y luego comparar con el módulo de elasticidad de la madera y calcular posibles errores, de esta manera se puede verificar el procedimiento.

Palabras clave: esfuerzo, carga, deformación, ensayo de tensión, módulo de elasticidad

ABSTRACT

In Engineer, the design of parts is important, and more in the mechanical engineer field, that is why it is necessary to know the mechanical properties of each material used in engineer applications, giving the best use for each part. In the tensile test are analyzed and determined information as the modulus of elasticity, yield stress, breaking strain, and others. For this occasion results were obtained and performed the analysis of data obtained after performing the stress test to four specimens of oak wood. The assay was carried out by applying axial forces to each of the specimens, this was done using a machine which allows the specimens to be subjected to various stresses, which cause it to stretch. The stretches that occur are achieved thanks to calculate using a Dial Gauge. Analyzing the data obtained from the test is not possible to calculate for modulus of elasticity of the specimens and then compare with the modulus of elasticity of wood and calculate errors, so is possible to check the procedure.

Key words: stress, load, strain, tension test, modulus of elasticity

UNIVERSIDAD DE CORDOBA, FACULTAD DE INGENIERÍAS, PROGRAMA DE INGENIERÍA MECANICA


1. INTRODUCCION

En el campo de la ingeniería

mecánica existe una gran

variedad de materiales los cuales

se encuentran sujetos a grandes

cantidades de fuerzas o cargas,

las cuales generan en ellos

variedades de esfuerzos, por lo

cual se hace necesario conocer

las propiedades mecánicas que

tienen estos materiales, para así

darle el uso adecuado a las piezas

fabricadas e identificar las zonas

fuertes y débiles del material ante

los esfuerzos, y de esta forma

mejorando el tiempo de vida de la

pieza.

La finalidad del Ensayo de

Tensión es recolectar datos para

luego realizar un diagrama

esfuerzo- deformación, del cual se

desprenden gran cantidad de

información acerca de las

propiedades del material,

compararlo con el diagrama

teórico y corroborar los datos

existentes.

Además con este ensayo se

busca calcular algunas de las

propiedades de la madera de

roble y analizar a ciencia cierta

que sucede entre los valores

experimentales y los valores

teóricos.

2. OBJETIVOS

GENERAL.

Analizar el comportamiento e

identificar las propiedades de

la madera de roble sometida a

un Ensayo de Tensión.

ESPECÍFICOS.

Reconocer los estados de

Zona Elástica y Zona

Plástica de la madera de

roble.

Calcular el módulo de

elasticidad de la madera

de roble.

Construir e interpretar las

gráficas esfuerzo vs

deformación para cada una

de las probetas de madera

de roble.

3. TEORIA RELACIONADA.

Diagrama Esfuerzo – Deformación



Este diagrama es la curva resultante

a partir de los valores del esfuerzo y

la correspondiente deformación

unitaria en una probeta, calculado a

partir de los datos de un ensayo de

tensión o de compresión.

En este diagrama es posible

identificar el módulo de elasticidad,

límite elástico, resistencia ultima,

zona plástica y elástica, entre

algunos.

Módulo de Elasticidad:

Representa la rigidez del material, y

se obtiene dividiendo el esfuerzo

entre la deformación unitaria, también

conocido como Módulo de Young.

E=σϵ

Deformación:

La deformación es el cambio en el

tamaño o forma de un cuerpo debido

a esfuerzos internos producidos por

una o más fuerzas aplicadas sobre el

mismo.

La deformación real, puede

calcularse a partir de la expresión que

nos da el elemento diferencial de

deformación:

dε=dll

l = longitud de la probeta en el

instante t después de aplicar la

carga.

dl = incremento de longitud de la

probeta en el intervalo de tiempo

(t, t+dt).

La deformación específica unitaria se define como:

ε= l−lolo

Donde L es la longitud instantánea

de la barra y Lo su longitud inicial.

4. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO



MATERIALES UTILIZADOS

Probetas: Elementos hechos en

madera de roble ( Quercus

humboldtii) que constan de dos

diámetros distintos, la primera en sus

extremos y la segunda en su centro,

a la vez también cuenta de una

longitud total (L) y una longitud en su

centro denominada (Lo). Estas

dimensiones se establecieron de

acuerdo a las medidas de la máquina

utilizada. Además posee una

densidad seca al aire de 0.99g/cm3

Calibrador Pie de Rey o Vernier:

Este es un instrumento de medida

lineal, por medio del cual podemos

realizar medidas de longitudes

internas, externas y de profundidad.

Comparador de caratula: En este

instrumento de medición los

pequeños movimientos del usillo se

amplifican por medio de un sistema

de engranajes que mueven la aguja

indicadora angularmente sobre la

caratula escalada del dispositivo.

Esta aguja es tan sensible que puede

dar tantas vueltas como lo permita el

aparato. Este instrumento requiere de

un plano de referencia y de un

aditamento sujetador del comparador.

La resolución del dispositivo equivale

a 0.01mm



Comparador de Caratula, de la Universidad

de Córdoba utilizado en el ensayo.

Máquina de Ensayo de Tensión: La

máquina utilizada para este ensayo

posee un sistema de poleas que

conecta la mordaza de la parte

superior (cabezal móvil) al

compartimiento de la carga por un

sistema de poleas. La probeta se

conecta sus extremos al cabezal fijo y

al cabezal móvil, de esta forma la

máquina aplica una fuerza uniaxial a

la probeta.

Pesos: se utilizan diferentes discos

con pesos determinados, los cuales

con ayuda de La gravedad generan la

variedad de fuerzas a las que será

sometida la probeta.



PROCEDIMIETO:

Ensayo de tensión

Esta prueba consiste en alargar una

probeta de ensayo por fuerza de

tensión, ejercida gradualmente, con el

fin de conocer ciertas propiedades

mecánicas de materiales en general:

su resistencia, rigidez y ductilidad. Se

aplican ciertos pesos a una canasta

para que estos generen una fuerza la

cual genera un alargamiento en la

probeta, esté alargamiento es medido

por el comparador de caratula y los

datos allí obtenidos son registrados

en una tabla.

5. MONTAJE Y MEDICIONES

Se miden las longitudes y

diámetros iniciales de las 4

probetas de madera de roble.

Esto proceso se realiza con un

calibrador pie de rey, la

unidades de la medición están

en el sistema métrico

internacional, expresadas

dichas medidas en milímetros

(mm)



Se calibra la máquina de

ensayo asegurando que cada

parte se encuentre ajustada y

en su lugar.

Se introduce la probeta en las

mordazas que están en cada

cabezal de una forma centrada

para garantizar la buena

distribución de la carga

Se calibra el comparador de

caratula y se instala

asegurando que no existen

desplazamientos que afecten

la medición, de forma que su

punta toque una de las paletas

de la mordaza.

Se procede a la aplicación de

la cargas sobre la probeta de

una forma gradual y uniforme.


Probeta N° Diam.1(m)

L(mm)

Lo(mm)

1 0,00665 42,00 122,0

2 0.0058 38,00 123,1

3 0.006 40,5 123,3

4 0.0067 38,55 123.0


En una tabla se anotan las

mediciones obtenidas para su

posterior análisis.

6. RESULTADOS

PROBETA N° 1

CARGA (N)

DEFORMACIÓN (m)

DEFORMACIÓN UNITARIA(ԑ)

ESFUERZO INGENIERIL(Pa

0 0 0134,397 0,00011 0,0058 4753377,66267,813 0,00019 0,0099 9472059,13379,647 0,00037 0,0194 13427424,49469,899 0,00046 0,024 16619473,72514,044 0,00048 0,025 18180802,15

PROBETA N°2

CARGA (N)

DEFORMACIÓN (m)


ESFUERZO INGENIERIL(Pa)

0 0 0 0134,397 0,00002 0,0010 5086941,71267,813 0,00007 0,0037 10136752,46379,647 0,00016 0,0084 14369682,1469,899 0,00023 0,012 17785730,5514,044 0,00026 0,014 19456813

PROBETA N° 3

CARGA (N)

DEFORMACIÓN. (m)



0 0 0 0134,397 0,00003 0,0016 4753377,66267,813 0,00008 0,0042 9472059,14379,647 0,00016 0,0084 13427424,5469,899 0,00021 0,011 16619473,7514,044 0,00029 0,0152 18180802,2

PROBETA N°4

CARGA (N)

DEFORMACIÓN DEFORMACIÓN UNITARIA(ԑ)


0 0 0 0134,397 0,00006 0,00314 3812031,995267,813 0,00009 0,0047 7596238,938379,647 0,00012 0,0063 10768294,76469,899 0,00023 0,012 13328199,46514,044 0,00024 0,0126 14580468,57

7. ANÁLISIS

DIAGRAMAS




Grafica esfuerzo- deformación para la probeta # 1



% ERRORES

En el desarrollo de ensayos de tensión para laboratorios internacionales se estableció el módulo de elasticidad del roble con un valor nominal de 11,128 GPa1, el cual será nuestro valor teórico

1 http://www.fingerjoint.es/tienda/images/imagenes_cms/ficha%20tecnica%20madera%20de%20roble.pdf

para determinar nuestro margen de error. Se calcula entonces el módulo de elasticidad práctico, mediante:

E=σϵ




http://www.fingerjoint.es/tienda/images/imagenes_cms/ficha%20tecnica%20madera%20de%20roble.pdf




%error=¿V T−V E∨ ¿V T

¿X

100%

PROBETA MODULO DE ELASTICIDAD (GPa)

1 2,6812 1.7103 1.5464 1.293

PROBETA # 1

%error1=¿11,128−2,681∨ ¿11,128

¿X

100%= 75,90%

PROBETA # 2

%error2=¿11,128−1.710∨ ¿11,128

¿X

100%= 84,63%

PROBETA # 3

%error3=¿11,128−1.546∨ ¿11,128

¿X

100%= 86,10%

PROBETA # 4

%error4=¿11,128−1.293∨ ¿11,128

¿X

100%= 88,38%

Mod. Prom=1,826+2,694+2,370

3 =1,808

GPa

Error total=¿11,128−1,808∨ ¿11,128

¿x

100%= 83,75%

El ensayo para la probeta 4 presenta el mayor error relativo con un 88,38%, seguido por la probeta 3 con un 86,10% y la probeta que presentó el menor error relativo fue la probeta 1 con un 75,90% de error.

ANÁLISIS DE RESULTADO

A partir del análisis de los valores tabulados del ensayo de tensión para el roble en conjunto con las gráficas de esfuerzo-deformación, en las que es apreciable que las probetas utilizadas para el ensayo presentan deformaciones dentro de la zona elástica del material y por tanto es posible concluir que no presentaron deformaciones permanentes. Es importante resaltar que en esta zona el esfuerzo es proporcional a la deformación unitaria.

Es posible apreciar que el módulo de elasticidad calculado de la probeta 1 presenta el valor más cercano al valor teórico del módulo perteneciente a la madera de roble, esto es claro en el área bajo la curva que muestra el gráfico 1, en comparación con los gráficos de las otras probetas.

Al comparar los datos de las tablas y los valores obtenido en los gráficos observamos que tanto el módulo de elasticidad de la probeta 1 y su deformación fueron los mayores valores alcanzados, de esta forma la probeta que mejor deformación tuvo fue la probeta 1. En el caso contrario fue la probeta 2 la cual tuvo el menor



valor de deformación con respecto a la medida inicial de la probeta.

Los ensayos anteriores se realizaron con probetas con betas en la línea de acción de las fuerza de tensión e instrumentos de laboratorio significativamente no apropiados para un ensayo formal de laboratorio; es importante mencionar que la máquina de ensayo esta desajustada, lo cual produce un constante margen de error en el comparador de caratulas por las vibraciones presentes, sumados al ya existente margen de error del medidor de caratula, y las características de la madera con las que se trabajó en este ensayo no son iguales a las de la madera con las que se calculó el módulo de elasticidad con el cual se está comparando, características tales como la parte del árbol de la cual proviene la madera utilizada en la fabricación de la probeta, la humedad relativa, las condiciones climáticas y del suelo, entre otros, además es necesario tener en cuenta los errores humanos al tomar los datos de las mediciones.

Por el agregado entre todas las implicaciones mencionadas, el error obtenido al final es bastante considerable, por lo cual es propicio asegurar que los datos obtenidos son con fines de enseñanza y no de investigación.

De la ductilidad considerada como “la cantidad de deformación que puede

resistir un material sin romperse”2 y la fragilidad “capacidad de un material de fracturarse con escasa deformación”3 del material no son calculables bajo las condiciones del experimento debido a que no se llegó a la zona plástica ni tampoco se llevaron las probetas a la ruptura, por lo cual no es posible conocer la ductilidad o fragilidad de la madera de roble.

8. CONCLUSIÓN

A manera de síntesis, luego de realizado el ensayo de tensión, reconociendo un grupo de valores para el módulo de elasticidad de cuatro probetas de roble y posteriormente calculados los errores porcentuales para el experimento. Es posible concluir que el comportamiento y las propiedades mecánicas de un material son afectados por varios factores que sumados proporcionan diferencias muy considerables entre los valores teóricos que se encuentran en los libros, y los valores obtenidos a través de la práctica. Esto es muestra de la importancia de realizar este tipo de ensayo, con el fin de conocer adecuadamente el material del que se va a hacer uso. En el ensayo realizado es notable que la madera de roble presenta buena resistencia a la tensión debido a la poca deformación que tuvo y el no haberse quebrado ante la carga a la cual fue sometido, por lo cual es

2 ASKELAND, Donal R., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, 4.edición, Thomson Editores.México. pág. 240-

3 http://es.wikipedia.org/wiki/Fragilidad


http://es.wikipedia.org/wiki/Fragilidad


importante a tener en cuenta en diversas aplicaciones de ingeniería.

El ensayo de tensión realizado permitió conocer el módulo de elasticidad experimental de la madera de roble, observar la deformación que presenta cuando se le aplican cargas uniaxiales y la diferencia existente no solo entre el valor teórico y el experimental, sino también entre las misma probetas utilizadas en el ensayo, dando evidencia de las diferencias entre las propiedades de un mismo material en diferentes condiciones.

BIBLOGRAFIA

[1]Ficha Técnica para el roble según FINGERJOINT S.A. disponible on-line: http://www.fingerjoint.es/tienda/images/imagenes_cms/ficha

%20tecnica%20madera%20de%20roble.pdf

[2]ASKELAND, Donal R., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, 4.edición, Thomson Editores.México. pág. 240-251

[3]http://blog.utp.edu.co/metalografia/2012/07/31/2-propiedades-mecanicas-de-los-materiales/

[4]BEER, Ferdinand. JOHNSTON Russell. DEWOLf, John. “mecanica de materials”, Tercera ed., Mc grau hill, pág. 61


http://blog.utp.edu.co/metalografia/2012/07/31/2-propiedades-mecanicas-de-los-materiales/



Documents

Ensayo de Tension Para Probetas de Madera