DISEO, INGENIERA Y PRUEBAS DE ESTRUCTURAS DE MADERAPALABRAS CLAVE: madera, diseo, factor de seguridad, ingeniera econmica, duracin de la carga, esfuerzo, tensin, compresin, pandeo, deflexinPREREQUISITOS DE CONOCIMIENTO: Este material se puede ensear a un estudiante tpico de ciencia de los materiales, en el nivel medio superior o superior.OBJETIVOS: Introducir los conceptos bsicos de ingeniera estructural de una manera clara, sencilla de manera que se logre la participacin activa de los estudiantes. Este proyecto hace hincapi en el hecho de que un buen diseo utiliza materiales de manera eficiente.La evaluacin de la estructura (Figura 1) puede ser ensamblada fcilmente, tiene varias opciones de diseo, y puede ser reusada ao tras ao. Incluso cuando se carga la estructura hasta que se derrumbe, slo una o dos piezas suele romperse, dejando el resto de piezas intactas y reutilizable.Se les pide a los grupos de estudiantes a utilizar su intuicin para elegir diferentes piezas con diferentes reas de seccin transversal de la estructura, que abarcarn una distancia de 0,9 m (3 pies). Su objetivo es soportar al menos 23 kg (50 Ib) a un costo mnimo.EQUIPO Y SUMINISTROS: Esta lista incluye materiales para tres modelos de demostracin y tambin material suficiente para que tres grupos de estudiantes completen cualquier diseo que elijan.SuperestructuraCerca de 5,5 m (18 pies) de madera de pino nominal 2 x 4 (38 x 89 mm). Si se utiliza otro tipo de madera, puede que tenga que ajustar el valor de la carga objetivo. La estructura ideal debera apoyar cmodamente la carga objetivo. Cortar la madera a los tamaos y taladrar los orificios tal como se indica en la Figura 2.Hacer piezas como claro (sin nudos) y fibra recta (grano paralelo a la longitud de la pieza) como sea posible. 32 piezas de color rojo 32 piezas de color azul 32 piezas verdes 60 piezas de color amarilloMarco, soportes y plataforma Nueve piezas de madera con ranuras de 19 mm x 51 mm x 305 mm (3/4 de pulgada x 2 pulgadas x 12 pulgadas), como se muestra en la Figura 5a Seis piezas de madera de 6,4 mm x 25,4 mm x 254 mm (1/4 pulgada x 1 x 10 pulgadas) Dos piezas de 216 mm (8 1/2 in) nominales 2 x 4 (38 mm x 89 mm) con una ranura longitudinal de 3,2 mm (1/8 pulg) Un pedazo de madera con agujeros perforados en cada esquina de 457 mm x 305 mm x 19 mm (18 x 12 x 3.4 pulgadas) Soporte fsico Varilla roscada de 3.2 mm (1/8 pulg) de dimetro y 9 m (30 pies) de longitud total, cortada cada 305 mm (12 pulgadas) 60 tuercas de mariposa 120 tuercas hexagonales 120 arandelas Tres clavos, aproximadamente de 4 mm de dimetro Aproximadamente 6m (20 pies) de alambre de cobre o bronce de 1,0 mm de dimetro (18 de calibre) Otros Pinturas o sprays (cuatro colores para marcar la madera) Cable de Nylon (de 4,6 m a 5,5 m de longitud, de 3,1 mm (1/8 pulg) de dimetro) Alfombra o almohadilla para proteger el piso Pesos (ladrillos u objetos densos, adecuados y de peso conocido) Gafas de seguridad para cada estudiantePROCEDIMIENTO: Las estructuras que se construirn tienen piezas intercambiables de diferente tamao y costo. Hay cuatro tipos de piezas de igual longitud pero con dimensiones de seccin transversal variables, referido en unidades. Por lo tanto, una pieza de pulg. X 1 pulg. es 4 x 16 unidades. Valores ficticios en dlares se asignan a cada pieza, basada en la cantidad de madera utilizada y estn codificados por colores para facilitar la identificacin (Figura 3).Antes de la actividad real en clase, preparar tres modelos para demostracin, utilizando el modelo de la Figura 4. Asegrese de colocar una arandela entre cada pieza de madera y las tuercas hexagonales y las alas en las varillas. Una vez que la estructura est montada, apoya firmemente el cable diagonal a las tuercas de mariposa en cada extremo de las barras como se muestra en la Figura 4. Estos soportes impiden que la estructura colapse hacia los lados.El armazn de carga es necesario para evitar el pandeo lateral, o torsin, de las piezas superiores. El armazn est diseado para descansar en las piezas superiores de la madera que han sido espaciados 229 mm (9 pulgadas) aparte por las tuercas hexagonales en las varillas roscadas. Asegrese de que esta medicin es exacta. Tres marcos se necesitan con ranuras de diferentes anchuras para que coincida con los tres posibles anchuras de las piezas transversales superiores (vanse las Figuras 5a y 5b). Los cabezales de carga estn hechos de nueve piezas de madera con ranuras de 1 pulgada y 19 mm x 51 mm x 305 mm (3/4 in x 2 en x 12) como se muestra en la Figura 5a. Las llaves estn hechas de seis piezas de madera de 6,4 mm x 25,4 x 254 mm (114 x 1 x 10 pulgadas). Tres clavos - aproximadamente 4 mm de dimetro - sirven como pasadores del soporte de carga.El modelo "sper econmico" se hace con todas las piezas de color amarillo (los ms dbiles, 2 x 6 unidades) por un costo total de $ 14. El segundo modelo se hace con todas las piezas de color rojo (los ms fuertes, 4 x 16 unidades); se ve muy robusto, pero su costo es un formidable $ 116. El tercer modelo (combinacin de azul, verde y amarillo) cuesta $ 32 y es el diseo ms eficiente. Se mantiene este modelo "ideal" fuera de la vista hasta que todas las estructuras de los estudiantes se ponen a prueba. Sera una buena idea comprobar la validez del modelo ideal para asegurarse de que es compatible con los 23 kg (50 libras) de carga. Si no lo hace, usted podra ajustar el valor de la carga de destinoExplicar el reto - para disear y construir una estructura eficiente capaz de soportar 23 kg (50 libras) a un costo mnimo. Como un ejemplo, llevar a cabo la estructura de color rojo (el ms fuerte) y cargarlo a 46 kg (100 libras). No hay signos visibles de esfuerzo sobre la estructura y ser evidente. A los estudiantes se les dice que las estructuras podran construirse sin piezas rojas y an as soportan 23 kg (50 libras), pero podran utilizar las piezas de color rojo si les gustara. Es posible que desee poner un lmite superior en el costo total en dlares para cada estructura para evitar que los estudiantes de sean demasiado conservadores en su diseo.La clase se divide en grupos, y cada grupo recibe un suministro de madera y materiales. Se anima a los estudiantes a usar su intuicin y discutir su diseo dentro de su grupo antes de proceder a su construccin. Deben tomar unos 15 minutos para completar su diseo. Despus de que todos hayan montado sus estructuras, comenzar las pruebas (Figura 6). Mediante la adicin de cargas en pequeos incrementos de 4,5 kg (10 libras), los estudiantes pueden ver los problemas en desarrollo antes de la falla catastrfica.Aadir pesos de uno en uno; estar preparado para un repentino colapso de la estructura. Las Piezas Verdes (5 x 6 unidades), cuando se utiliza como miembros principales, se rompern muy por debajo de la carga objetivo. Las Piezas azules (2 x 16 unidades), como miembros laterales de compresin, deben romper o mostrar un considerable pandeo con su carga objetivo.Use anteojos de seguridad. Asegrese de que los estudiantes tambin usan anteojos de seguridad y permanezcan varios pies de distancia de la estructura. Contine agregando peso hasta que la estructura se derrumbe o se alcance el peso ptimo. Llegar a ser obvio para los estudiantes que la forma en que una pieza realiza depende del lugar donde se coloca la pieza en la estructura. Los estudiantes mentalmente revisar sus diseos, que ven cmo sus estructuras contorsionan y hebilla bajo la carga pesada. Llegar a ser obvio para los estudiantes que la manera como se desempea una pieza depende del lugar donde se coloca la pieza en la estructura. Los estudiantes mentalmente revisarn sus diseos, y vern cmo sus estructuras se contorsionan y pandean bajo cargas pesadas.En algunos casos, las estructuras arqueadas en realidad tienen los 23 kg (50 libras) de carga, pero los estudiantes se dan cuenta de que ellos no quieren que se conduzca a travs de una estructura de ese diseo! Esto ilustra el concepto de que la deflexin mxima permitida es a veces el factor limitante en el diseo de ingeniera.A veces la estructura mantendr la carga inicialmente, pero pronto se vendr abajo antes de aadir el siguiente peso. Este fenmeno inesperado muestra que el lapso de tiempo que una estructura se carga afecta a cmo se comporta. Esto ilustra el concepto de duracin de la carga.Despus que la estructura de cada grupo se prueba, cargar la estructura amarilla "sper econmica" (2 x 6 piezas unitarias) que, cuando se prueba, no admite incluso 4,5 kg (10 lb) de carga. A continuacin, presentar el denominado diseo "ideal" y demostrar que resistir de hecho los 23 kg (50 lb) de carga, sin mostrar demasiados signos de fracaso inminente. Como broche de oro, cargar la estructura de color rojo (el ms fuerte). Puede seguir aadiendo peso hasta que la estructura muestre signos de estrs, o para un efecto dramtico, continuar aadiendo peso hasta que se estrelle contra el suelo cuando la carga exceda 69 kg (150 lb).En la pizarra, registrar el costo de cada estructura y la carga que soport antes de derrumbarse. Estos resultados le dan la oportunidad de comparar la seguridad, el costo y la eficiencia del diseo de cada estructura. Las estructuras que soportan una mayor carga son los ms seguros, mientras que los que apoyan al menos 23 kg (50 lb) a un costo ms bajo son los ms eficientes. De vez en cuando, la variabilidad en el rendimiento de la madera aparece cuando diseos similares actan de forma diferente.Otro concepto que puede ser discutido durante esta demostracin es el factor de seguridad. Usted puede explicar que el factor de seguridad elegido para una situacin dada depende de muchas variables, incluyendo la duracin y frecuencia de la carga aplicada, la variabilidad en el rendimiento de la estructura, y las consecuencias de un fracaso (sera peligrosa para la vida?).Tanto el tamao (rea de seccin transversal) y la forma de un trozo de madera afecta a su rendimiento cuando se somete a esfuerzo. Mediante el diseo inteligente, puede utilizar menos madera y an as tener una estructura fuerte y fiable.

NOTAS DEL INSTRUCTOR: Como una manera de comenzar a analizar lo que ocurre con las estructuras, haga que los estudiantes recojan piezas individuales y traten de doblar, comprimir, y tirar de ellos en tensin con sus manos. Debido a sus diferentes dimensiones, cada pieza responde de manera diferente a las fuerzas. Mediante la comparacin de lo que ocurre con las piezas individuales con el desempeo de las estructuras, los estudiantes pueden comenzar a identificar las fuerzas que causan que las estructuras se deformen. Todas las piezas de este experimento son de madera lisa (sin nudos u otros defectos) y son muy fuertes en la tensin. Una pequea rea de seccin transversal puede soportar cargas muy elevadas. Trate de separar una pieza de color amarillo (2 x 6 unidades) tirando de los extremos uno del otro. A continuacin, tratar de empujar en los extremos de la misma pieza amarilla. Cuando una pieza se carga en compresin, tiende a doblarse. La carga a la cual comienza a doblarse es controlada por la dimensin ms estrecha de la seccin transversal. Compare los efectos de compresin en las piezas azul (2 x 16 unidades) y verde (5 x 6 unidades), que tienen reas de seccin transversal casi idnticos. Ahora compare doblando la pieza azul (2 x 16 unidades) en las dos maneras que se muestran en la Figura 7. La dimensin ms importante de la flexin es el espesor. Cuanto mayor espesor tiene la pieza, ms rgido ser y ms difcil de curvarse. Esto es debido a que la rigidez es directamente proporcional al cubo del espesor y slo linealmente proporcional a la anchura.Cuando una estructura construido por estudiantes est soportando una carga, las fuerzas distribuidas a cada pieza depende de su ubicacin dentro de la estructura (Figura 8). Como se ha discutido al comienzo de este texto, las piezas rojas son ms que adecuadas (pero no necesarias) para soportar la carga mxima predeterminada. Una discusin de principios de ingeniera aplicados al diseo de madera proporcionan las pistas que los estudiantes necesitan para elegir las piezas adecuadas para la construccin de una estructura que cumpla con los criterios de diseo con una mnima cantidad de madera (o costo).FUENTES DE SUMINISTROS: Todos los materiales para esta demostracin estn comnmente disponibles en centros para el hogar, ferreteras, y / o puntos de venta de materiales de construccin.