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1 Artículo científico DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y MECANICAS DE LA MADERA DE Clathrotropis brachypetala (Tul.) Kleinhoonte DETERMINATION OF THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE WOOD OF Clathrotropis brachypetala (Tul.) Kleinhoonte Cristian Alonso Hernández Peña, María José Perdomo González, Juan Pablo Franco Cardoso RESUMEN El objetivo del estudio fue conocer algunas de las propiedades físicas y mecánicas de la madera de la especie Clathrotropis brachypetala (Tul.) Kleinhoonte de la familia Leguminosae, los resultados obtenidos permitirán determinar algunos de los posibles usos de la especie. Se registro una densidad anhidra de 0.793 g/cm3 y una densidad básica de 0.69 g/cm3, la madera presento mayor contracción en el plano tangencial y menor en el plano transversal. La madera presento una mayor resistencia a la penetración en los extremos con un valor medio de 1449.8 kg/mm2 para la carga uno. Por su parte en flexión estática presento valores medios para el módulo de elasticidad 417468.84 kg/cm2 Concluyendo así que según la densidad anhidra la madera es posible clasificarla como pesada y su utilidad general puede ser como madera para construcción de interiores y exteriores, también como elemento. Palabras clave: Densidad, contracción, coeficiente de estabilidad, flexión estática, compresión, cizallamiento, dureza. ABSTRACT The objective of the study was to know some of the physical and mechanical properties of the wood of the species Clathrotropis brachypetala (Tul.) Kleinhoonte of the family Leguminosae, the results will allow to determine some of the possible uses of the species. An anhydrous density of 0.793 g/ cm3 and a basic density of 0.69 g/cm3 were recorded, the wood presented greater contraction in the tangential plane and less in the transverse plane. The wood presented a greater resistance to penetration at the ends with an average value of 1449.8 kg/mm2 for load one. For its part, in static bending, I present average values for the modulus of elasticity 417468.84 kg/cm2, thus concluding that according to the anhydrous density, wood can be classified as heavy and its general utility can be as wood for interior and exterior construction, also as an element. Keywords: Density, contraction, stability coefficient, static bending, compression, shear, hardness. ALEJANDRA Resaltar ALEJANDRA Resaltar ALEJANDRA Resaltar ALEJANDRA Nota adhesiva 4.8 Buen trabajo 2 INTRODUCCIÓN La familia Leguminosae constituye una de las más grandes del reino vegetal, se distribuye en todo el mundo e incluye árboles, arbustos y lianas y está dividida en tres subfamilias: Mimososideae, Caesalpinoideae y papilionoideae. Esta familia incluye numerosas especies arbóreas de importancia económica por sus frutos comestibles, así como por ser árboles ornamentales y maderables muy utilizados por el hombre, también son importantes por sus frutos forrajeros, altamente alimenticios, y por ser plantas medicinales y venenosas. La subfamilia papilionoideae es la mayor dentro del grupo de las Leguminosae y se encuentra distribuido a gran escala principalmente en las regiones tropicales y en la zona templada, Esta subfamilia se encuentra dividida en 31 tribus que incluyen 437 géneros y 11300 especies (Espinoza de Pernía & León, 2002). Clathrotropis brachypetala (Tul.) Kleinhoonte es un árbol perteneciente a la subfamilia papilionoideae, de hasta 35 m de altura, con diámetros de 70 a 80 cm. El tronco está libre de ramas entre 15 y 20 m, con raíces tabulares pequeñas o nulas, ubicado principalmente en bosques tropicales, en Colombia se encuentra en el magdalena medio, la amazonia y en Antioquia, Hatfield et. al (1980) encontró que las semillas de Clathrotropis brachypetala presentan una alta toxicidad ya que, al realizar una suspensión vía oral de semillas molidas a ratones, provocó parálisis, convulsiones y paro respiratorio. La madera de Clathrotropis brachypetala se caracteriza por ser dura, pesada y de alta resistencia natural, tiene una alta densidad y grano recto a entrecruzado. La albura presenta color marrón muy pálido y duramen marrón a marrón oscuro, presenta transición abrupta entre albura y duramen, presenta tipo de parénquima paratraqueal aliforme de ala corta, confluente, predominantemente en bandas anchas, y ocasionalmente, estrechas bandas marginales, porosidad difusa sin un patrón definido de disposición, solitarios y múltiples radiales de 2 a 6 poros por mm2 (León, 2014). La madera es empleada para casi todo tipo de usos como construcción, ebanistería, carrocerías, etc. Esta especie también es conocida con los nombres vulgares de sapán, caicareño montañero, montanayare, se encuentra principalmente en bosques tropicales, está distribuido geográficamente en las Antillas holandesas, Venezuela, Guyana Francesa, Surinam. En Venezuela ha sido reportada en los estados de Amazonas, Bolívar y delta Amacuro (León, 2014). Dentro de las propiedades tecnológicas de las maderas, las físico-mecánicas son las más importantes para determinar el uso de la madera sólida. La determinación de las propiedades mecánicas es un proceso que requiere de equipo, personal calificado, un programa de ensayos, material y tiempo para realizar los ensayos destructivos (Spavento et. al, 2008). Además de esto debemos entender su directa dependencia con la especie ya que como todo ser vivo cada árbol se desarrolla en climas y tipos de suelo particulares, es decir que las propiedades físicas y mecánicas del árbol están directamente determinadas por el lugar de desarrollo. Iguartua et.al (2013) indica que los cambios dimensionales de la madera involucran principalmente la contracción (e hinchamiento) que se produce entre diferentes estados de su saturación en las direcciones tangencial y radial. La magnitud de estos cambios caracteriza el comportamiento de una madera frente a los cambios de humedad y en especial frente al secado. La anisotropía de los cambios dimensionales, esto es, los diferentes comportamientos de la madera según las dos direcciones mencionadas, se asocia a defectos como deformaciones y grietas. Particularmente, el coeficiente de anisotropía expresa la relación entre el comportamiento tangencial y el radial. Cuanto mayor sea, mayor es la magnitud del problema. De acuerdo con Coronell, 1994 (Como se citó en Iguartua et.al 2013), valores del índice o 3 coeficiente de anisotropía, que se encuentren comprendidos entre 1,2 y 1,5 pueden considerarse excelentes, en tanto que entre 1,6 y 1,9 se destacan como normales y los mayores a 2,0 originan dificultades para determinados usos de la madera. Los cambios dimensionales se relacionan con la densidad de la madera. El aumento volumétrico de la madera crece generalmente en forma proporcional con la densidad anhidra (Coronel, 1994, como se citó en Iguartua et.al 2013). Es aceptado que, entre las propiedades físicas, la densidad es el atributo universalmente utilizado como índice de calidad de madera en relación con sus usos. Además, está correlacionada con la mayoría de las propiedades físico-mecánicas. En particular, la densidad aparente seca al aire, corregida a un contenido de humedad del 12 %, o densidad normal, resulta de interés por ser de utilización corriente en las relaciones comerciales y en las clasificaciones de maderas más usuales en Argentina (Coronel, 1994 como se citó en Iguartua et.al 2013). Las propiedades mecánicas de la madera son aquellas que definen la aptitud y capacidad para resistir cargas externas, sin contar los esfuerzos provocados por tensiones internas producto de los cambios de humedad(Spavento et. al, 2008) Al considerar las propiedades mecánicas de la madera es importante tener en cuenta que esta no presenta igual comportamiento en todas sus direcciones. Debido a esto, se desprenden los diferentes grados de resistencia que se registran en sus fibras, cuando deben soportar presiones o tensiones paralelas, tangenciales o perpendiculares a ellas. Lo que le da resistencia es el conjunto de fibras, que, constituidas en haces, poseen una notable capacidad de soportar esfuerzos de tracción o compresión en el sentido de las fibras. (Spavento et. al, 2008). Debido a la heterogeneidad de su constitución física, por seguridad se han establecido los valores de prueba de su resistencia muy por debajo de las tensiones de rotura. Estos, están representados por las tensiones admisibles en los cálculos estáticos y son referidos a los diferentes tipos de madera según la densidad de su constitución. Se podría decir que las propiedades de resistencia de la madera están en relación directa con su densidad. (Spavento et. al, 2008). Los estudios anatómicos de la madera se pueden traducir en ahorro de tiempo, dinero y, además, por la relación que tienen con las propiedades mecánicas, permiten predecirlas. Cuando se introduce una nueva madera en el mercado de la industria forestal y se intenta comercializarla, la información publicada sobre sus características tecnológicas es limitada (Spavento et. al, 2008). El objetivo del estudio fue conocer algunas de las propiedades físicas y mecánicas de la madera de la especie Clathrotropis brachypetala, los resultados obtenidos permitirán determinar algunos de los posibles usos de la especie como elemento estructural, de construcción u ornamentales como muebles, vehículos, implementos deportivos, pisos, postes, entre otros. Además, generar a contribución al conocimiento tecnológico de las especies forestales de interés comercial, y de esta manera beneficiar directamente a los productores forestales de la región. METODOLOGIA Para el desarrollo de este trabajo se estudiaron las propiedades físicas y mecánicas de la madera de la especie Clathrotropis brachypetala respecto a un número determinado de probetas. Teniendo en cuenta las propiedades físicas como la densidad, contracción, punto de saturación de la fibra, anisotropía, entre otras (Fuentes, 1990; Honorato y Fuentes, 2001, como se citó en Nájera, 2005). Entre las propiedades físicas, la densidad es el atributo universalmente utilizado como índice de calidad de madera en relación a sus usos. Además, está correlacionada con la mayoría de las propiedades físico-mecánicas (Barnett y Jeronimidis, 2003; Coronel, 1994, 1995; 4 Panshin y De Zeeuw, 1980, como se citó en Igartúa, 2009); asimismo, se estudiaron las propiedades mecánicas, las cuales definen la aptitud y capacidad para resistir cargas externas, excluyendo los esfuerzos debidos a las tensiones internas producto de los cambios de humedad (Spavento et al., 2008). Por el lado de las propiedades físicas se usaron 15 probetas, para la especie Clathrotropis brachypetala, donde se le pretende calcular el contenido de humedad, la densidad anhidra, seca al aire, verde y básica, asimismo, se desea calcular los cambios de dimensiones, respecto a la contracción. Y por el lado de las propiedades mecánicas, se desea calcular los comportamientos y características resistentes de la madera ante diversas acciones mecánicas, como lo es el comportamiento bajo tracción, compresión perpendicular a las fibras, flexión para los cuales se usaron 15 probetas, compresión paralela a las fibras con 16 probetas, y fuerza cortante con 14 probetas, y por último se quiere usar la prueba de Dureza Brinell, que se basa en una escala de medición de la dureza de un material mediante el método de indentación, para este caso se desea usar una esfera con un diámetro de 10mm. Propiedades físicas de la madera Contenido de humedad El contenido de humedad de equilibrio (CHE), es el estado en el cual la humedad de la madera logra un equilibrio con las condiciones ambientales. Este estado es afectado por los cambios de humedad relativa (HR) y temperatura (T) del aire circundante (Pérez et al., 2011). Según Foglia (2005), El agua presente en la madera, o en un producto de madera, se expresa como el contenido de humedad. Convencionalmente, el contenido de humedad (CH) se define como la relación porcentual del peso del agua contenida en la madera, respecto al peso seco de la madera. El contenido de humedad viene definido por la siguiente expresión: 1. 𝐶𝐻(%) = 𝑃𝑣 − 𝑃𝑠ℎ 𝑝𝑠ℎ × 100 Donde, CH: Contenido de humedad; Pv: Peso verde; Psh: Peso seco al horno. Cambios dimensionales en la madera Contracción La contracción es la perdida de dimensiones en las tres direcciones de corte (tangencial, radial y longitudinal) que experimenta la madera cuando se seca por debajo del punto de saturación de las fibras, provocando una pérdida de agua en las paredes celulares y se expresa como un porcentaje de la dimensión verde. La contracción de la madera se ve afectada por una serie de variables. En general, una mayor contracción se asocia con una mayor densidad. El tamaño y la forma de un trozo de madera pueden afectar el encogimiento de algunas especies, al igual, que la velocidad de secado. (Glass & Zelinka, 2010). Por ende, la expresión general de la contracción es: 2. 𝐶(𝑡, 𝑟, 𝑙) = 𝐷𝑣(𝑡, 𝑟, 𝑙) − 𝐷𝑠(𝑡, 𝑟, 𝑙) 𝐷𝑣 (𝑡, 𝑟, 𝑙) × 100 Donde: C (%): Contracción; Dv: Dimensión de la madera verde; Ds: Dimensión de la madera seca. Densidad de la madera Dentro de las propiedades físicas de la madera, la densidad es una de las más importantes, ya que determina el valor y la utilidad de la misma, y está fuertemente correlacionada con otras propiedades como la resistencia mecánica, la rigidez, la conductividad térmica y el calor específico (Tuset & Duran, 1974, como se citó en Davel et al., 2005) Según Glass & Zelinka (2010), la densidad ρ de una sustancia se define como la relación ALEJANDRA Nota adhesiva Se redacta en pasado 5 entre su masa y su volumen y se expresa en el sistema internacional (SI) en unidades de kilogramos por metro cúbico (kg m – 3), en el sistema pulgada-libra (I– P) en unidades de libras por pie cúbico (lb ft-3), o en el sistema centímetro-gramo-segundo (CGS) en unidades de gramos por centímetro cúbico (g cm-3). Por lo tanto, la densidad se expresa como: 3. 𝐷 = 𝑀 𝑉 → ( 𝑔 𝑐𝑚3 ) Donde: D: Densidad, en g/cm3; M: Masa de la probeta, en gramos; V: Volumen de la probeta, en cm3. Densidad Anhidra La densidad anhidra es la relación entre la masa y el volumen de la madera en estado anhidra, es decir, se trata de un cuerpo que no contiene agua. Esto quiere decir que, los cambios dimensionales se relacionan con la densidad de la madera. El aumento volumétrico de la madera crece generalmente en forma proporcional con la densidad anhidra (Coronel, 1994, como se citó en Igartúa, 2009). Asimismo, la densidad anhidra se determina a través de la expresión: 4. 𝐷𝑜 = 𝑀𝑠ℎ 𝑉𝑠ℎ → ( 𝑔 𝑐𝑚3 ) Donde: Do: Densidad anhidra, en g/cm3; Msh: Masa seca al horno, en gramos; Vsh: Volumen seco al horno, en cm3. Densidad Seca al Aire (al contenido de humedad) Según Núñez (2017), la densidad seca al aire es la relación natural entre el peso de una madera estacionada que se halla en equilibrio con la atmósfera, y el volumen correspondiente a esas condiciones. En general se toma que su humedad es del 12%, valor más frecuentemente encontrado en estas condiciones. Por ende, la densidad Seca al Aire es la relación entre la masa y el volumen de la madera seca al aire. La densidad seca al aire viene definidapor la expresión: 5. 𝐷𝑐ℎ = 𝑀𝑐ℎ 𝑉𝑐ℎ → ( 𝑔 𝑐𝑚3 ) Donde: Dch: Densidad seca al aire, en g/cm3; Mch: Masa seca al aire, en gramos; Vch: Volumen seco al aire, en cm3. Densidad Verde Densidad verde es la que posee la madera en la planta viva, que se puede considerar que se halla con su máximo volumen. Esta forma se utiliza principalmente para los cálculos de transporte de troncos hasta los sitios de elaboración (Núñez, 2017). De modo que la densidad verde viene definida como: Núñez, C. E. (2017). Relaciones de conversión entre densidad básica y densidad seca de madera. Revista de Ciencia y Tecnología, (9). 6. 𝐷𝑣 = 𝑀𝑣 𝑉𝑣 → ( 𝑔 𝑐𝑚3 ) Donde: Dv: Densidad verde, en g/cm3; Mv: Masa verde, en gramos; Vv: Volumen verde, en cm3. Densidad Básica La densidad básica es la relación entre el peso mínimo del material, es decir seco en estufa a 105-110ºC, y su volumen verde, como se halla en el apeo del árbol. Es la más utilizada en la industria forestal y se usa para conocer la cantidad de masa seca del volumen verde medido en una plantación (Núñez, 2017). La densidad básica se considera una de las propiedades físicas más importantes de la madera, ya que se relaciona directamente con otras propiedades como la resistencia mecánica y la estabilidad dimensional (Flórez et al., 2014). Por lo tanto, la densidad básica se expresa como: 7. 𝐷𝑏 = 𝑀𝑜 𝑉𝑣 → ( 𝑔 𝑐𝑚3 ) 6 Donde: Db: Densidad básica, en g/cm3; Mo: Masa anhidra o seca al horno, en gramos; Vv: Volumen verde, en cm3. Coeficiente de estabilidad dimensional El término estabilidad dimensional de la madera es de orden cualitativo, y es usado para dar una calificación a su movimiento cuando estando en servicio es expuesta a cambios cíclicos de la humedad relativa del aire, por lo que es dependiente de los índices de hinchamiento y contracción, anisotropías de la contracción total o del hinchamiento diferencial, la velocidad de absorción y desorción de humedad (permeabilidad) y también de la dirección de la fibra (Silva et ai, 2010, como se citó en Fuentes et al., 2014). Teniendo en cuenta que el coeficiente de estabilidad dimensional es la relación entra las contracciones tangenciales y radiales totales. Por ende, el coeficiente de estabilidad no permanece constante, sino que disminuye al aumentar el porcentaje de contracción y también, por tanto, al aumentar la densidad de la madera. El coeficiente de estabilidad dimensional viene definido por la siguiente expresión: 8. 𝐶𝑂𝐸𝐹 = 𝐶𝑡 𝐶𝑟 Donde: COEF: coeficiente de estabilidad dimensional; Ct: Contracción tangencial total; Cr: Contracción radial total. Propiedades mecánicas de la madera Comportamiento bajo flexión estática En madera es preciso hablar de una resistencia a la flexión, aunque esté formada por la combinación de una tracción y una compresión, ya que el comportamiento mecánico de estas dos propiedades es diferente, y por tanto resulta más práctico referirse al efecto conjunto de ambas en el caso de flexión. Por ende, la flexión se da cuando un cuerpo es sometido a un esfuerzo donde la madera se contrae de un lado, es decir se genera un esfuerzo de compresión, mientras se alarga del otro, ejerciendo un esfuerzo de tracción. Esfuerzo en el límite proporcional (EFLP) 9. 𝐸𝐹𝐿𝑃 = 3 × 𝑃𝑝 × 𝐿 2 × 𝑎 × ℎ2 → ( 𝐾𝑔 𝑐𝑚2 ) Donde: EFLP: Esfuerzo en el límite proporcional; Pp: Carga al límite proporcional, en kg; L: Distancia entre los soportes, en cm; a: ancho de la probeta, en cm; h2: espesor de la probeta, en cm. Módulo de Ruptura (M.R.) 10. 𝑀𝑅 = 3 × 𝑃𝑚 × 𝐿 2 × 𝑎 × ℎ2 → ( 𝐾𝑔 𝑐𝑚2 ) Donde: MR; Modelo de ruptura; Pm: Carga máxima o carga de ruptura, en kg; L: Distancia entre los soportes, en cm; a: ancho de la probeta, en cm; h2: espesor de la probeta, en cm. Módulo de Elasticidad (M.E.) 11. 𝑀𝑂𝐸 = 𝑃𝑝 × 𝐿3 4 × 𝑑 × 𝑎 × ℎ3 → ( 𝐾𝑔 𝑐𝑚2 ) Donde: MOE: Modulo de elasticidad; Pp: Carga al límite proporcional, en kg; L: Distancia entre los soportes, en cm; d: Deformación al límite proporcional, en cm; a: ancho de la probeta, en cm; h2: espesor de la probeta, en cm. Comportamiento bajo compresión paralela a las fibras La resistencia a un esfuerzo de compresión paralela a las fibras, es el esfuerzo máximo al que está sometida la madera, por dos fuerzas de sentido opuesto. La mayor resistencia la presenta en dirección paralela a la fibra. Por lo tanto, la compresión viene definida por: Esfuerzo en el límite proporcional (EFLP) 12. 𝐸𝐹𝐿𝑃 = 𝑃𝑝 𝐴 → ( 𝐾𝑔 𝑐𝑚2 ) 7 Donde: EFLP: Esfuerzo de las fibras en el límite proporcional; Pp: Carga al límite proporcional, en k; A: Área de la sección transversal de la probeta, en cm3. Máxima Resistencia a la Compresión (Max. R.) 13. 𝑀𝑅 = 𝑃𝑚 𝐴 → ( 𝐾𝑔 𝑐𝑚2 ) Donde: MR: Resistencia a la compresión; Pm: Carga máxima, en kg; A: Área de la sección transversal de la probeta, en cm3. Módulo de Elasticidad (M.E.) 14. 𝑀𝑂𝐸 = 𝑃𝑝 × 𝐿 𝐴 × 𝑑 → ( 𝐾𝑔 𝑐𝑚2 ) Donde: MOE: Modulo de elasticidad; Pp: Carga al límite proporcional, en kg; L: Longitud de la probeta, en cm; A: Área de la sección transversal de la probeta, en cm3; d: Deflexión al límite proporcional, en cm. Comportamiento bajo compresión perpendicular a las fibras La madera se comporta como una agrupación de fibras alargadas, al ejercer una presión perpendicular a su eje longitudinal; sus secciones transversales serán aplastadas y, en efecto, sufrirán reducción en sus dimensiones bajo esfuerzos suficientemente altos. Esfuerzo en el límite proporcional (EFLP) 15. 𝐸𝐹𝐿𝑃 = 𝑃𝑃 𝐴 → ( 𝐾𝑔 𝑐𝑚2 ) Donde: EFLP: Esfuerzo de las fibras en el límite proporcional; Pp: Carga al límite proporcional, en kg; A: Área de aplicación de la carga, en cm2. Comportamiento bajo fuerza cortante (cizalladura) El esfuerzo cortante en la madera origina tensiones tangenciales que actúan sobre las fibras de la madera según diversos modos. De modo que, el esfuerzo de cizalladura tiende a causar que una porción del cuerpo se mueva respecto a la otra. De modo que la fuerza cortante viene definida como: Módulo de Ruptura al Esfuerzo Paralelo al Grano 16. 𝑀𝑅 = 𝑃𝑚 𝐴 → ( 𝐾𝑔 𝑐𝑚2 ) Donde: MR: Ruptura al esfuerzo paralelo al grano; Pm: Carga máxima soportada, en kg; A: Área del plano en que se produce el cizallamiento, en cm2. Prueba de dureza brinell La prueba de dureza Brinell, se basa en una escala de medición de la dureza de un material mediante el método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar. De manera que, la dureza se determina mediante la huella dejada por una esfera de acero, de diámetro D, al ser sometida a una carga P, que varía según la densidad de la madera. Teniendo en cuenta que la Dureza Brinell es función de la fuerza aplicada dividida por el área de la superficie curva indentada sobre la probeta, como se expresa a continuación: 17. 𝐷𝐵 = 2𝑃 𝐷𝜋(𝐷 − √𝐷2 − 𝑑2) Donde: DB: Dureza Brinell; P: Carga aplicada, en kg; D: Diámetro de la esfera, en mm; d: Diámetro de la impresión, en mm. Ajustes al 12% del c.h. El ajuste al 12% del contenido de humedad es la Variación en porcentaje, por cada 1% de cambios en el C.H. El valor del contenido de humedad es generalmente el 12% y es considerado como el valor que define la madera seca al aire, y el Punto de Saturación de las Fibras (PSF) puede considerarse como el 30%. Asimismo, cuando el contenido de humedad de una madera se encuentra por debajo del 12%, la resistencia disminuye, mientras que cuando el contenido de humedad 8 se encuentra por encima del 12% la resistencia aumenta, por ende, la resistencia es inversamente proporcional al contenido de humedad,es decir, a medida que aumenta la humedad, la resistencia disminuye, para este caso se dice que la madera resiste menos si está totalmente húmeda y resiste más si está totalmente seca. Por ende, la expresión general del ajuste al 12% es: 18. 𝑉𝑎 = 𝑉𝑖 + (𝐶𝐻𝑖 − 12) ∗ (%𝑎) ∗ (𝑉𝑖) 100 Donde: Va: Valor de la propiedad ajustado a un contenido de humedad del 12%; Chi: Contenido de humedad de la madera al momento de las pruebas; %a: Porcentaje de aumento por cada 1% de CH; Vi: Valor hallado en laboratorio para la propiedad. FLEXION EFLP 5% MR 4% ME 2% COMPRESION PARALELA EFLP 5% MR 6% ME 2% COMPRESION PERPENDICULAR EFLP 5.5% CIZALLAMIENTO MR 3% DUREZA LADOS 2.5% EXTREMOS 4% Norma ASTM La norma ASTM E define la dureza Brinell como un método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, llamada durómetro, se fuerza una bola fabricada de un acero de diámetro (D) determinado, teniendo en cuenta el espesor de la probeta a ensayar, y bajo unas condiciones específicas, contra la superficie del material que se quiere calcular su dureza, mediante la aplicación de una fuerza (P) durante un tiempo (t) dado. Como resultado del ensayo aparecerá una huella que tendrá forma de casquete esférico de diámetro (d) en la superficie de la probeta ensayada. El valor que hay que medir en el ensayo es precisamente este diámetro (d) del casquete que se forma en la superficie del material. DIN Las normas DIN representan regulaciones que operan sobre el comercio, la industria, la ciencia e instituciones públicas respecto del desarrollo de productos alemanes. El DIN realiza las mismas funciones que organismos internacionales como el ISO. Las normas DIN buscan corresponderse con el llamado «estado de la ciencia», garantizando calidad y seguridad en la producción y consumo. En ocasiones, el regulamiento de las normas DIN influye sobre las regulaciones de otros organismos de normalización internacionales. Las DIN pueden ser clasificadas como "fundamentales de tipo general" (normas de formatos, tipos de línea, rotulación y otras), "fundamentales de tipo técnico" (normas de características de elementos y equipos mecánicos), "de materiales" (normas de calidad de materiales, designación, propiedades, composición, etc.), "de dimensiones de piezas y mecanismos" (normas de formas, dimensiones, tolerancias). Y también pueden ser clasificadas según su ámbito de aplicación, como ser "internacionales", "regionales", "nacionales" o "de empresa". Procesamiento de información Para el procesamiento de los datos de física y mecánica de la madera de Clathrotropis brachypetala, se realizaron por medio de InfoStat versión 2020, con este se realizaron tablas de los estadísticos de prueba de los datos. ALEJANDRA Nota adhesiva Información repetida 9 Tabla 1. Propiedades físicas de la madera de Clathrotropis brachypetala. DV: Densidad verde; DS: Densidad seca al aire; DSH: Densidad anhidra; DB: Densidad básica; RCVS: Contracción de verde a seca al aire plano radial; TCVS: Contracción de verde a seca al aire plano tangencial; XCVS: Contracción de verde a seca al aire plano transversal; RCVH: Contracción de verde a seca al horno plano radial; TCVH: Contracción de verde a seca al horno plano tangencial; XCVH: Contracción de verde a seca al horno plano transversal; CVVS: Contracción volumétrica de verde a seca al aire; CVVH: Contracción volumétrica de verde a seca al horno. PROPIEDADES FISICAS (Kg/cm2) Variable n Media D.E. E.E. CV Mín. Máx. Mediana DV 15 1.156 0.019 0.005 1.62 1.128 1.182 1.151 DS 15 0.832 0.03 0.008 3.608 0.78 0.907 0.827 DSH 15 0.793 0.018 0.005 2.305 0.761 0.827 0.792 DB 15 0.69 0.011 0.003 1.607 0.67 0.712 0.69 RCVS 15 3.73 0.97 0.25 26.02 2.8 6.91 3.65 TCVS 15 7.25 1.46 0.38 20.1 2.7 8.88 7.56 XCVS 15 0.86 1.14 0.29 132.46 0.06 4.78 0.57 RCVH 15 6.395 1.222 0.316 19.117 4.569 9.906 6.229 TCVH 15 10.541 1.458 0.376 13.832 6.436 12.091 11.012 XCVH 15 1.457 1.546 0.399 106.129 0.188 6.549 0.912 CVVS 15 9.27 2.84 0.73 30.67 2.79 16.98 8.82 CVVH 15 14.92 1.37 0.35 9.15 13.44 17.36 14.37 COEF 1 15 2.063 0.523 0.135 25.372 0.391 2.583 2.139 COEF 2 15 1.698 0.366 0.094 21.534 0.88 2.248 1.671 Tabla 2. Ensayo de flexión estática de la madera de Clathrotropis brachypetala. E.F.L.P: Esfuerzo al límite proporcional; M.R.: Modulo de ruptura; M.E.: Modulo de elasticidad. FLEXION ESTATICA (Kg/cm2) Variable n Media D.E. E.E. CV Mín. Máx. Mediana E.F.L.P. 15 1484.28 203.612 52.57 13.72 1028.66 1722.96 1524.83 M.R. 15 818.22 264.7 68.34 32.35 315.26 1249.28 980.65 M.E. 15 417468.84 127546.21 32932.29 30.55 224244 631806.94 377384.8 Tabla 3. Ensayo de compresión de la madera de Clathrotropis brachypetala. E.F.L.P: Esfuerzo al límite proporcional; M.R.: Modulo de ruptura; M.E.: Modulo de elasticidad COMPRESION (Kg/cm2) Variable n Media D.E. E.E. CV Mín. Máx. Mediana COMPRESION PARALELA E.F.L.P. 16 132.199 46.334 11.583 35.049 74.44 214.513 132.856 M.R. 16 328.915 32.472 8.118 9.872 258.353 368.762 337.015 M.E. 16 94652.151 109011.1 27252.787 115.17 15515.75 425655.034 58041.626 COMPRESION PERPENDICULAR E.F.L.P. 16 166.569 58.221 14.555 34.953 69.912 294.977 159.029 ALEJANDRA Nota adhesiva Creo que estas no son las unidades 10 Tabla 4. Ensayo de cizallamiento de la madera de Clathrotropis brachypetala. M.R.: Modulo de ruptura. FUERZA CORTANTE (CIZALLAMIENTO) (Kg/cm2) Variable n Media D.E. E.E. CV Mín. Máx. Mediana M.R 14 44.714 11.425 3.054 25.552 27.318 76.141 45.251 Tabla 5. Ensayo de dureza Brinell de la madera de Clathrotropis brachypetala. C1: Carga aplicada uno; C2: Carga aplicada dos; EX: Dureza en extremos; R: Dureza en el plano radial; T: Dureza en el plano tangencial. PRUEBA DE DUREZA BRINELL (Kg/mm2) Variable n Media D.E. E.E. CV Mín. Máx. Mediana DUREZA C1 EX 15 1449.881 238.765 61.649 16.468 1207.32 2136.9 1392.8 R 15 1169.161 150.343 38.818 12.859 957.178 1393.6 1163.9 T 15 1067.008 187.309 48.363 17.555 797.56 1414.3 1089.2 DUREZA C2 EX 15 1419.87 118.944 30.711 8.377 1126.96 1592.8 1442.829 R 15 1170.29 275.961 71.253 23.581 716.967 1684.2 1081.445 T 15 1082.65 169.671 43.809 15.672 789.496 1356.1 1051.267 RESULTADOS Los estadísticos de prueba correspondientes a las propiedades físicas de la madera de Clathrotropis brachypetala estan representados en la (tabla 1), donde se exponen las distintas densidades, contracciones y coeficientes de estabilidad para 15 muestras. De acuerdo con los resultados obtenidos, se presenta una densidad media seca al aire de 0.832 g/cm3 lo cual para la norma ASTM se clasifica como alto, la densidad seca al horno con un valor de 0.793 g/cm3, se clasifica para la norma DIN como una densidad pesada o alta. La mayor densidad en la madera se presentó en su estado verde con un valor medio de 1.156 g/cm3, así mismo el menor valor medio de densidad se obtuvo para la densidad básica con 0.69 g/cm3. Los coeficientes de variación para las distintas densidades no variaron a gran escala ya que los cuatro presentan valores similares, al ser valores bajos representan de una mejor manera los conjuntos de datos; caso similar ocurre con los errores estándar los cuales fueron bajos indicando una estimación más precisa de la media. Las dos contracciones evaluadas (verde-seca al aire y verde-seca al horno) se evaluaron respecto a los planos de la probeta y respecto al volumen de estas como se representan en la (tabla 1), para las dos contracciones respecto a sus planos, se observó que para los dos casos el plano tangencial fue el que presento una contracción media mayor respecto a los otros dos planos con valores de 7,25 % y 10,541 % respectivamente. El planoque presento menos contracción para los dos casos fue el plano longitudinal con valores medios de 0,86 % y 1,457 %. La contracción volumétrica de la madera verde a seca al horno presento valores medios de 14,92 %, el cual se clasifica para la norma DIN como moderada. Por su parte la contracción de la madera verde a seca al aire se obtuvo un valor medio de 9,27 %, esta misma presento un coeficiente de variación alto lo que indica mayor heterogeneidad de los valores. 11 Los coeficientes de estabilidad corresponden al cociente entre la contracción tangencial y la radial, esto se puede observar en la (tabla 1), donde se obtuvo un valor medio de 2.063 para la contracción de madera verde a madera seca al aire, la cual se clasifica según las normas DIN como moderadamente estable. Para la contracción de madera verde a madera seca al horno se obtuvo un valor medio de 1.698 el cual se clasifica como estable según la norma DIN. Por medio de los datos suministrados de 15 probetas (muestras), se realizó la prueba de flexión estática. La (tabla 2) representa los estadísticos de prueba correspondientes para esta muestra de la especie Clathrotropis brachypetala, presentan una media para el esfuerzo al límite proporcional de 1484.28 kg/cm2, según la norma ASTM es clasificada como muy alta. Por su parte el módulo de ruptura presento una media de 818.22 kg/cm2 el cual se clasifica como bajo para la norma ASTM, así mismo el módulo de elasticidad medio en este caso fue de 417468.84 kg/cm2 según la norma ASTM es muy alto. El mayor coeficiente de variación lo presento el módulo de ruptura con un valor de 32.35 el cual se entiende que a mayor valor del coeficiente de variación mayor heterogeneidad de los valores de la variable, también se presenta un alto valor en el error estándar en el módulo de elasticidad 32932.29 lo cual un valor del error estándar de la media más alto indica una estimación menos precisa de la media. La (tabla 3) representa los estadísticos de prueba correspondientes para la prueba de compresión paralela a las fibras para 16 muestras, donde según la norma ASTM el esfuerzo al límite proporcional es clasificado como muy bajo con un valor de 132.19 kg/cm2, para el módulo de ruptura de 328.91 kg/cm2 se clasifica como bajo. Para este caso el módulo de ruptura presento el coeficiente de variación más bajo con 9.87 lo que nos indica que en esta ocasión representa mayor homogeneidad en los valores por lo cual es una muestra más representativa, así mismo este módulo presento un error estándar de 8.118 lo que indica una estimación más precisa de la media de la muestra. A su vez la (tabla 3) representa la prueba de compresión perpendicular a las fibras para 15 muestras, la cual para su esfuerzo al límite proporcional medio fue de 166.56 kg/cm2, lo cual para la norma ASTM se clasifica como alto, esta compasión presento valores bajos para el error estándar y el coeficiente de variación con valores de 14.55 y 34.95 respectivamente. El ensayo de cizallamiento para 14 muestras se representa en la (tabla 4), el módulo de ruptura al esfuerzo paralelo al grano presento una media de 44.71 kg/cm2, lo cual para la norma DIN se clasifica como muy bajo, a comparación con la norma ASTM se clasifica como bajo. Por otra parte, presento un error estándar de 3.05 lo que indica una estimación más precisa de la media de la muestra. La (tabla 5) representa los estadísticos de prueba correspondientes para la prueba de dureza Brinell para 15 muestra; lo que corresponde a la carga uno (C1) se presentó una dureza en los extremos de 1449.88 kg/mm2 que se clasifica según la norma ASTM como alto, y según la norma DIN se clasifica como muy alto. En lo que corresponde a la dureza en los lados, en la zona radial y tangencial con valores medios de 1169.16 kg/mm2 y 1067.00 kg/mm2 los cuales se clasifican como alto según la norma ASTM y DIN. El que presento mayor error estándar fue la dureza en los extremos con un valor de 61.649 lo cual al ser un valor muy alto, estimando con menor precisión los datos, la dureza en la zona radial presento el menor coeficiente de variación 12.85 indicándonos mayor homogeneidad en los datos. Para la carga dos (C2), esta presento una dureza media en los extremos de 1419.87 kg/mm2 lo cual se clasifica como alto según la norma ASTM y para la DIN se clasifica como muy alto. Para la dureza en los lados, en la 12 zona radial y tangencial con valores medios de 1170.29 kg/mm2 y 1082.64 kg/mm2 clasificada como alto según la norma ASTM al igual que para la norma DIN. Para este caso la dureza en la zona radial presento mayor coeficiente de variación 23.58 lo cual nos representa una mayor heterogeneidad en los datos dando a entender que el promedio no será representativo del conjunto de datos, para el error estándar los extremos presentaron menor valor con 30.71 lo cual indica una estimación más precisa de la media, todo esto se puede observar en la (figura 5). DISCUSIÓN Los resultados obtenidos de las propiedades físico-mecanicas de Clathrotropis brachypetala se compararon tanto con la misma especie como con una especie arbórea similar como lo es el Clathotropis brunnea Amshoff. Al comparar los resultados obtenidos con los de una especie Clathotropis brunnea reportada por Fuentes y Arango (2005), se halló que en cuanto a sus propiedades físicas, la densidad verde coincide, ya que su valor no es significativamente diferente, 1.15 y 1.22 g/cm3 respectivamente, la densidad seca al aire presentó una ligera variación de 0.83 y 0.97 g/cm3, la densidad anhidra difiere de 0,79 a 0.93 g/cm3 y la densidad básica presentó una variación de 0.69 a 0.82 g/cm3, en cuanto a contracción normal (Verde a seca al aire),se encontró que la especie Clathotropis brunnea presentó mayor contracción tanto en sus lados como volumétrica, el coeficiente de estabilidad fue mayor para Clathotropis brunnea con una diferencia de 0.66. En cuanto a contracción total se pudo evidenciar que Clathotropis brunnea presentó mayor contracción tanto en sus lados como volumétrica, en cuanto contracción total el coeficiente de estabilidad varió en 0.4 siendo mayor para Clathotropis brunnea La densidad indica la cantidad de sustancia celular presente en una unidad de volumen de madera, es por esto por lo que especies con madera densa tienen resistencias altas y maderas livianas resisten menos que las anteriores Gordo, Giraldo y Ramos (2017). Los datos determinados para la densidad de la madera en estado verde para la especie Clathotropis brunnea fueron de 1.156 g/cm3 los cuales son similares a los registrados por Guzmán en (2018) el cual fue para la madera de en estado ver de 1.22 g/cm3; de igual manera reporto valores para la densidad básica de 0.82 g/cm3 el cual presenta mayor diferencia respecto a los determinados en este trabajo el cual fue de 0.69 g/cm3. Carrillo (2021) registro valores para densidad básica para esta misma especie de 0.93 g/cm3 y para la densidad seco al aire de 1.08 g/cm3 el cual presenta gran diferencia respecto a los valores determinados en esta experiencia con 0.832 g/cm3. Guzmán en (2018) reporta valores para la contracción volumétrica de 11.71 %, tal valor se encuentra en la mitad de los valores registrados en esta experiencia con 9.27 % y 14.92 % por lo cual se evidencia que no es mucha la diferencia en las contracciones experimentales, Carrillo (2021) por su parte reporto una contracción de 4.1 % siendo este un valor muy desproporcionado a los datos determinados. La contracción es la disminución del volumen de la madera ocasionada por la remoción de la humedad por debajo del PSF Gordo (2017). La contracción tangencial determinada en este caso fue de 10,54 %el cual es desproporcionado respecto a lo registrado por Guzmán (2018) el cual fue de 6.69 %, sin embargo, los valores determinados por Carrillo (2021) se acerca más a este con un valor de 5.6 %. En lo que corresponde a los valores reportados para la contracción radial por Guzmán (2018) fue de 5.02 % el cual tiene gran relación con el determinado en el trabajo con 6,39 %, indicando una diferencia poco marcada, así mismo Carrillo (2021) reporto valores de 4.1 %. Para los coeficientes de estabilidad de madera verde a madera seca al horno fue de 1,69 el cual se asemeja al coeficiente determinado por Guzmán (2018) que fue de 1.33. En la flexión estática los esfuerzos se producen en cuerpos de gran longitud respecto 13 a las dimensiones de su sección transversal, cuando estos son sometidos a la acción de cargas transversales o normales de su eje longitudinal, de tal manera que tiendan a producir una arquea dura del elemento Gordo (2017). Los datos reportados en esta experiencia para al esfuerzo al límite proporcional fue de 1484.28 kg/cm2, lo cual se asemeja a lo reportado por Guzmán en (2018) el cual fue un valor de 1254 kg/cm2, para el módulo de ruptura se registraron datos altos de 818,22 kg/cm2 los cuales presentaron una diferencia de casi el doble sobre lo establecido por Carrillo (2021) el cual fueron valores de 1630 kg/cm2. El módulo de elasticidad registrado por Guzmán (2018) fue de 246 kg/cm2 el cual presenta gran diferencia respecto a lo determinado con un valor de 417468,84 kg/cm2. Para flexión estática se tuvo que Clathrotropis brachypetala presentó mayor esfuerzo al límite proporcional con valores de 1484.2 y 1254 Kg/cm2, la máxima resistencia la ofrece el Clathotropis brunnea con valores de 2012 y 818 Kg/cm2, En cuanto a módulo de elasticidad se tiene una gran diferencia siendo Clathrotropis brachypetala el que presenta el mayor valor, Para compresión paralela tenemos que el Clathotropis brunnea ofrece una máxima resistencia bastante mayor, siendo esta casi el triple de la presentada por Clathrotropis brachypetala. (Fuentes y Arango, 2005). La compresión paralela a las fibras registró valores para el esfuerzo al límite proporcional de 132,19 kg/cm2 el cual es casi el doble al registrado por Guzmán en 757 kg/cm2, este mismo reporto valores para el módulo de ruptura de 975 kg/cm2 el cual presenta una gran diferencia ya que el determinado fue de 328,91 kg/cm2. Por otro lado, la compresión perpendicular a las fibras presento valores bajos de 166,56 kg/cm2 el cual se asemeja al registrado por Guzmán en (2018) con resultados de 134 kg/cm2, sin embargo, Carrillo (2021) reporta valores mayores con 215 kg/cm2. para compresión perpendicular tenemos que los valores de resistencia al límite proporcional no difieren en gran forma, pero siendo Clathrotropis brachypetala la que ofrece mayor resistencia (Fuentes y Arango, 2005). El esfuerzo de cizallamiento es una medida de la capacidad de la madera para resistir fuerzas que tienden a producir deslizamientos de un plano interno de la madera sobre su plano adyacente Gordo (2017). Se estableció un valor de cizallamiento de 44,71 kg/cm2 la cual es un valor bastante algo respecto a lo registrado por Guzmán en (2018) con valores de 137 kg/cm2. Finalmente tenemos que el Clathotropis brunnea presenta un mayor valor de cizallamiento, siendo este más del doble del presentado por Clathrotropis brachypetala (Fuentes y Arango, 2005). La dureza para los extremos presenta una ligera variación siendo mayor para Clathrotropis brachypetala tenemos que Clathotropis brunnea nos ofrece mayor dureza para los lados. CONCLUSIONES Según su densidad anhidra la madera de Clathrotropis brachypetala, es clasificada como pesada y su utilidad general puede ser como madera para construcción de interiores y exteriores, también como elemento. La propiedad mecánica de flexión estática, en lo que corresponde a el módulo de elasticidad al ser un valor tan alto nos indica que esta tiende a tener mayor rigidez y por ende puede ser utilizado con confianza para distintas construcciones donde sea necesario tener un elemento rígido. Los resultados de las contracciones muestran que la madera presenta una estabilidad dimensional estable y moderadamente estable, característica indispensable para la fabricación de mueblería fina, correspondiendo a una madera de gran calidad. Los valores registrados por la madera para el ensayo de dureza, ésta es significativamente más resistente en los extremos que en los planos tangencial y radial, esto sugiere que se 14 recomendaría ser utilizada donde los esfuerzos sean mayormente en la cara transversal del elemento. REFERENCIAS Carrillo, R. (2021). Tropical Timbers. España: ITTO Lesser Used Species. Recuperado de http://www.tropicaltimber.info/es/spe cie/aramata-clathrotropis- brachypetala/#lower-content. Davel, M. M., Jovanovski, A., & MOHR BELL, D. I. E. G. O. (2005). Densidad básica de la madera de pino oregón y su relación con las condiciones de crecimiento en la Patagonia Andina Argentina. Bosque (Valdivia), 26(3), 55-62. 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