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1 Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Plantel Aragón INGENIERIA INDUSTRIAL CLASE “ mecánica de materiales” trabajo GRUPO:2804 NOMBRE DE LA PROFESORA: MARTHA BERENICE FUENTES FLORES NOMBRE DEL ALUMNO: CORTES HERNANDEZ RICARDO FECHA DE ENTREGA: 13 DE FEBRERO DEL 2023 2 Índice Ensayo de tracción en acero................................................................................................................. 5 1.1.- Objetivos: ..................................................................................................................................... 5 1.2.- Marco teórico:............................................................................................................................. . 5 1.2.1.- La ductibilidad ............................................................................................... ....................... 6 1.2.2.- Esfuerzo y deformación............................................................... ....................................... 6 1.2.3.- Periodo elástico ................................................................................................................... 7 1.2.4.- Zona de alargamiento seudoelástico............................................................................... 7 1.2.5.- Zona de fluencia o escurrimiento ..................................................................................... 7 1.2.6.- Zona de alargamiento homogéneo en toda la probeta. Más allá del punto final de fluencia............................................................... ................................................................................ 7 1.2.7.- Zona de estricción ............................................................................................................... 8 1.3.- Equipos utilizados: ..................................................................................................................... 8 1.4.- Procedimientos: ......................................................................................................................... . 9 1.5.- Cálculos y resultados: ............................................................................................................... 10 1.5.1.- Ensayo velocidad 18 mm/ min ......................................................................................... . 10 1.5.2.- Ensayo velocidad 9 mm/ min............................................................... .............................. 11 1.6.- Recomendaciones: ............................................................... .......................................................12 1.7.- Conclusiones:............................................................................................................................. . 12 1.8.- Problemas propuestos. ............................................................... .............................................. 12 Ensayo de compresión para mortero de cemento............................................................... ............. 16 2.1.- Objetivo ............................................................................................... .......................................... 16 2.2.- Marco teórico ............................................................................................... ................................ 16 2.3.- Equipos usados para el ensayo............................................................................................... 16 2.4.- Procedimiento............................................................................................................................. . 17 2.5.- Resultados de ensayo............................................................... ................................................. 18 2.5.1.- Datos ............................................................................................... ....................................... 18 2.5.2.- Cálculos ............................................................... .................................................................. 19 2.5.3.- Gráfico............................................................................................... ..................................... 19 2.6.- Conclusión ............................................................................................... .................................... 19 2.7.- Recomendaciones............................................................................................................... …….19 2.8.- Problemas propuestos............................................................................................................... .20 Ensayo de compresión para madera compresión paralela al grano ............................................. 21 3.1- Objetivo:............................................................................................... ........................................... 21 3.2.- Marco teórico:............................................................................................................................... 21 3.3.- Equipos usados para el ensayo: ............................................................... ............................... 22 3.4.- Procedimiento: ............................................................................................................................. 23 3.5.- Resultados de ensayo: ............................................................................................................... 24 3.5.1.- Datos ....................................................................................................................................... 24 3.5.2.- Cálculos ............................................................... ................................................................... 24 3 3.5.3.- Gráfico............................................................................................... .......................................25 3.5.4.- Análisis de datos...................................................................................................................26 3.6.- Conclusión ............................................................................................... .................................... 26 3.7- Recomendaciones: ............................................................................................... ....................... 26 3.8.- Problemas propuestos............................................................................................................... 27 Ensayo de flexión para madera ............................................................................................................ 28 4.1.- Objetivo:............................................................................................................................... ......... 28 4.2.- Marco teórico:............................................................................................................................. .28 4.3.- Equipos utilizados: ..................................................................................................................... 28 4.4.- Procedimientos: ......................................................................................................................... . 29 4.5.- Cálculos y resultados: ............................................................................................................... 30 4.6.- Observaciones y sugerencias:................................................................................................. 31 4.7.- Conclusiones:.............................................................................................................................. 31 4.8.- Problemas propuestos............................................................................................................... 32 Bibliografía............................................................................................... ................................................. 33 Anexos ....................................................................................................................................................... 34 4 Ensayo de tracción en acero Norma: ASTM A 37 1.1.- Objetivos: • Reconocer y analizar el comportamiento del acero al ser sometido a carga axial de tracción. • Reconocer y diferenciar las etapas o zonas de comportamiento del material • Determinar las propiedades mecánicas del acero sometido a carga axial de tracción. • Construir e interpretar la gráfica Esfuerzo Vs Deformación para el ensayo de tracción. • Determinar el esfuerzo de fluencia, limite elástico, módulo de elasticidad, elongación o alargamiento, estricción y el esfuerzo de rotura. 1.2.- Marco teórico: Este ensayo se realiza con el fin de determinar la resistencia a la tracción del acero corrugado y el acero liso. Al iniciarse el ensayo, el acero se deforma elásticamente, es decir, si la carga se elimina, la muestra recupera su longitud inicial. Una vez que el límite elástico es sobrepasado, se inicia la zona plástica, lo que significa que el acero ya no vuelve a su longitud inicial y al llegar al esfuerzo máximo se produce la estricción. En el proceso final, el acero llega a la rotura por el esfuerzo sometido. Norma: ASTM A370 Acero: Es una aleación de hierro y carbono. Es un material que posee una gran ductibilidad y tiene una alta resistencia a la tracción. • Acero corrugado grado 60: se utiliza para elementos estructurales como el concreto armado. Debe tener una resistencia mínima de 4200 kg/cm2 y una elongación mínima de 9%. ( Norma: ASTM A615) Estricción: Se define como período de estricción cuando una vez superado el límite de fluencia, se produce una reducción gradual de la sección en la zona donde ocurrirá la rotura. Por lo tanto, es un fenómeno que ocurre durante la plasticidad del acero. Limite elástico: es la tensión máxima que puede soportar un material sin sufrir deformaciones permanentes. Esfuerzo de fluencia: es el valor del esfuerzo que separa el comportamiento elástico del comportamiento plástico Zona plástica: el esfuerzo deja de ser proporcional a la deformación, y esta se vuelve irreversible 5 1.2.1.- La ductibilidad La ductilidad es el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se mide por la relación de la longitud original de la probeta entre marcas calibradas antes (lo) y después del ensayo 1.2.2.- Esfuerzo y deformación Los resultados de un solo ensayo se aplican a todos los tamaños y secciones transversales de especímenes de determinado material, siempre que se convierta la fuerza en esfuerzo, y la distancia entre marcas de calibración se convierta a deformación. Diagrama del comportamiento del acero (Esfuerzo Vs. Deformación) http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=k64yPaF3Aq0DSM&tbnid=NogQ6tVUXcCv9M:&ved=0CAUQjRw&url=http://neetescuela.com/ensayo-de-traccion-del-acero/&ei=K1BfUoyUE4mY9gThyYDIBw&bvm=bv.54176721,d.eWU&psig=AFQjCNEwOjlQS5PO9136P8Mc_y3XrbNcSQ&ust=1382064538393281 http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=3EXWLSKGxqXvSM&tbnid=5lDKRVZRsoLJxM:&ved=0CAUQjRw&url=http://descom.jmc.utfsm.cl/sgeywitz/sub-paginas/Materiales/ensayos.html&ei=Ak1fUv6oJITa9QSk3oD4Dg&bvm=bv.54176721,d.eWU&psig=AFQjCNHRNSMSb0ZjwvQVtvjAUgX8KuZc4w&ust=1382063655768832 6 1.2.3.- Periodo elástico En este periodo desde un inicio, desde el punto O hasta el A, está representado por una recta que indica la proporcionalidad entre los alargamientos y las cargas que lo producen (Ley de Hooke). Dentro de este periodo, los aceros presentan la particularidad de que la barra puede retomar su longitud inicial al finalizar la aplicación de la carga 1.2.4.- Zona de alargamiento seudoelástico Este tramo ligeramente curvo va de A-B, en el que los alargamientos elásticos se les suman una muy pequeña deformación que presenta registro no lineal en el diagrama de ensayo. La deformación experimentada desde el límite proporcional al B no solo alcanza a valores muy largos, si no que fundamentalmente es recuperable en el tiempo, por lo que a este punto del diagrama se lo denomina limite elástico o aparente o superior de fluencia. 1.2.5.- Zona de fluencia o escurrimiento Las oscilaciones en este periodo denotan que la fluencia no se produce simultáneamente en todo el material, por lo que las cargas se incrementan en forma variada, fenómeno que se repite hasta el escurrimiento es total y nos permite distinguir los “límites superiores de fluencia”. El límite elástico aparente puede alcanzar valores de hasta el 10 al 15 % mayor que el límite final de fluencia. 1.2.6.- Zona de alargamiento homogéneo en toda la probeta. Más allá del punto final de fluencia C, las cargas vuelven a incrementarse y los alargamientos se hacen cada vez más notorios y uniformes en todas las probetas hasta llegar a D, además la longitud transversal se va disminuyendo. El final de período de alargamiento homogéneo queda determinado por la carga máxima, a partir de la cual la deformación se localiza en una determinada zona de la probeta, provocando un estrechamiento de las secciones que la llevan a la rotura, al período DE se le llama de estricción. 7 1.2.7.- Zona de estricción En el período de estricción, la dureza, si bien aún está presente, no puede compensar la rápida disminución de algunas secciones transversales, por lo que se produce un descenso de la carga hasta la fractura. 1.3.- Equipos utilizados: ▪ Probeta de acero corrugado ▪ Maquina universal para pruebas de compresión y tracción mas sus accesorios(INSTRON 3382) ▪ Calibrador vernier con sensibilidad de 0.01 mm ▪ Computadora con software de captura de dato (BlueHill 2) 8 1.4.- Procedimientos: • Medición de la probeta: Antes de comenzar a realizar los ensayos de tensión se deben tomar las respectivas medidas dimensionales de las probetas. Este procedimiento de medición es efectuado con un gran cuidado y debe implementarse la correcta utilización del Calibrador "pie de rey", y la regla un instrumento de medición de vital importancia para tomar el valor de nuestros datos. • Fijar el extensómetro sobre la probeta. • Seleccionar la mordaza según la norma o la norma particular del producto, si corresponde. • Preparar la máquina de ensayo. • Aplicar la carga a la velocidad que se indica en la norma dependiendo del material, en nuestro caso se tomará en cuenta lo siguiente: ➢ Periodo o intervalo elástico: usar una velocidad igual o inferior al 5% de la longitud entre marcas por minuto (0.05% Lo/min) o un aumento de tensión de 10 N/mm^2.min. ➢ Periodo o intervalo plástico: usar una velocidad igual o inferior al 40% de la longitud entre marcas por minuto (0.40 Lo/min). • Mantener constante la velocidad en ambas zonas y pasar de una velocidad a la otra en forma progresiva, evitando cambios bruscos. • Cuando se usa extensómetro, observarlo continuamente y detener el ensayo una vez alcanzado el esfuerzo de fractura. 9 1.5.- Cálculos y resultados: 1.5.1.- Ensayo velocidad 18 mm/ min Longitud Inicial 99.92 mm 9.992 cm Diámetro Inicial 6.72 mm 0.672cm Longitud Final 113.24 mm 11.324 cm Diámetro Final 4.29 mm 0.429 cm Grafica de Esfuerzo Vs. Deformación por tracción Esfuerzo de Fluencia (Fy) 4111.4 kg/cm2 Esfuerzo máximo 6107.3 kg/cm2 Esfuerzo de Rotura 2652.6 kg/cm2 E 293652 kg/cm2 Área Inicial 0.354 cm2 Área Final 0.1445 cm2 Estricción 59.25% Elongación 13.33% 10 1.5.2.- Ensayo de velocidad 9 mm/min Longitud Inicial 99.59 mm 9.959 cm Diámetro Inicial 6.63 mm 0.663 cm Longitud Final 114.17 mm 11.417 cm Diámetro Final 4.18 mm 0.418 cm Grafica de Esfuerzo Vs. Deformación por tracción Área Inicial 0.3452 cm2 Área Final 0.1372 cm2 Estricción 60.25% Elongación 14.64% Esfuerzo de Fluencia (Fy) 4144.4 kg/cm2 Esfuerzo máximo 6461.4 kg/cm2 Esfuerzo de Rotura 2714 kg/cm2 E 300812 kg/cm2 12 1.6.- Recomendaciones: • Tener en cuenta la calibración de los materiales debido a que es un aspecto importante dentro de cualquier tipo de ensayo. • Para tomar las medidas de nuestras probetas utilizaremos las unidades del sistema métrico internacional (SI) expresando dichas medidas en milímetros (mm). • Es muy importante ser cuidadosos en la toma de estas medidas ya que después de someter las probetas a los ensayos de tensión se van a ser unas comparaciones finales, tanto en la longitud de la probeta como el diámetro de la misma. • Ajustar bien el acero para que posteriormente no ocurran accidentes. 1.7.- Conclusiones: • El acero presenta resistencia a pesar de haber sobrepasado su límite elástico por lo que resulta un material de construcción muy útil para estructuras antisísmicas. • El ensayo de tracción axial brinda información sobre diferentes propiedades mecánicas del acero, una de ellas es la resistencia a tracción con la cual se puede determinar cuanta carga podría resistir el acero antes de poseer una fractura que perjudique al sistema estructural. • Sin embargo, su elongación mínima (13.33%) es menor a la establecida por la norma la cual es 18%. 1.8.- Problemas propuestos. Con los siguientes datos del ensayo de tracción del acero, determine el Módulo de Elasticidad (MOE), Esfuerzo de Fluencia (fy), % de Estricción, % de Elongación y el gráfico de Esfuerzo Vs Deformación. Diam. Inicial (mm) 9.54 fy (kg/cm2) 4168.97 Diam. Final (mm) 6.12 MOE 136079 Long. Inicial (mm) 21.30 % Estricción 58.85 Long. Final (mm) 24.30 % Elongación 14.08 13 Fuerza Deformación mm Def. Unitaria mm/mm Esfuerzo kg/cm2 0 0.000 0.0000000000 0 100 0.050 0.0023474178 139.898601 340 0.100 0.0046948357 475.655244 580 0.150 0.0070422535 811.411887 820 0.200 0.0093896714 1147.16853 1060 0.250 0.0117370892 1482.92517 1300 0.300 0.0140845070 1818.68182 1540 0.350 0.0164319249 2154.43846 1780 0.400 0.0187793427 2490.1951 2020 0.450 0.0211267606 2825.95174 2260 0.500 0.0234741784 3161.70839 2500 0.550 0.0258215962 3497.46503 2740 0.600 0.0281690141 3833.22167 2980 0.650 0.0305164319 4168.97832 3200 0.700 0.0328638498 4476.75524 3260 0.750 0.0352112676 4560.6944 3290 0.800 0.0375586854 4602.66398 3610 0.990 0.0464788732 5050.3395 3960 1.120 0.0525821596 5539.98461 4420 1.410 0.0661971831 6183.51817 4660 1.590 0.0746478873 6519.27482 4800 1.800 0.0845070423 6715.13286 4900 2.000 0.0938967136 6855.03146 4960 2.200 0.1032863850 6938.97062 4930 2.700 0.1267605634 6897.00104 4700 2.900 0.1361502347 6575.23426 3000 3.000 0.1408450704 4196.95804 14 Si se cuenta con un equipo para ensayos de tracción cuya capacidad máxima es de 180KN y se requiere ensayar el mismo acero del ensayo, considerando llegar hasta su máximo (esfuerzo aplicando el 90% de la capacidad del equipo) ¿Cuál sería el diámetro máximo en mm que se podría ensayar? 180 𝐾𝑁 × 90% = 162 𝐾𝑁 σ𝑚𝑎𝑥 = 6938.97 𝑘𝑔/𝑐𝑚2 9.8 𝑁 = 1 𝐾𝑔𝑓 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑚𝑎𝑥 = 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 𝐹 𝐴 = 𝐹 𝜋𝑟2 6938.97 = 162000𝑁 × 1𝑘𝑔𝑓 9.8𝑁 𝜋𝑟2 𝑟 = 8.71 𝐷 = 17.42 𝑚𝑚 En función a los resultados obtenidos del ensayo de tracción del acero, indique cual sería el esfuerzo del acero que consideraría para un diseño estructural, justifique su respuesta. • Se debería de considerar el esfuerzo de proporcionalidad debido a que el material puede volver a su misma forma ya que el nivel de esfuerzo hasta el cual se cumple con una dependencia lineal entre los esfuerzos y las deformaciones con comportamiento del material. Teniendo en cuenta los resultados y un incremento del 20% del valor del módulo de elasticidad, responder ¿Si las deformaciones en la zona elástica disminuyeron o aumentaron para las mismas cargas aplicadas? Justifique su respuesta 2 136221.27 0.0328638 4476.75521 cm kgf === Módulo de elasticidad incremento del 20% 15 0273865.0 4476.75521 21.27)1.20x(1362 === Deformación unitaria (mm/mm) 0.0328638> 0273865.0 Según la fórmula del módulo de elasticidad, se aprecia que la relación entre el modulo y la deformación es inversamente proporcional por lo que es asi como el valor del módulo de elasticidad aumenta y consigo el valor de las deformaciones en la zona elástica disminuye. Teniendo en cuenta del ensayo anterior, indique en una gráfica vs deformación, la tenacidad del material, así como la residencia. Explique su diferencia con respecto a la ductilidad y su importancia. • La tenacidad del material es el área bajo la curva desde cero hasta la segunda linea naranja. • La residencia: La cantidad de energía involucrada en el proceso de deformación de un elemento es una característica propia del material, que suele expresarse por unidad de volumen y corresponde al área bajo la curva Esfuerzo Vs Deformación. La resilencia se define como la máxima cantidad de energía por unidad de volumen que pueda almacenar un material en el rango elástico y por tanto corresponde al área bajo la curva desde cero hasta la primera línea naranja • Dúctil: Algunos materiales pueden desarrollar grandes deformaciones más allá de su límite elástico. Este tipo de comportamiento se denomina ductilidad, y se refleja en la presencia de un escalón de fluencia en el diagrama de Esfuerzo Vs Deformación, 16 que viene acompañado del fenómeno de estricción. El acero dulce, el cobre y el aluminio son ejemplos de materiales que tienen este tipo de comportamiento. fluencia rotura Haga un análisis comparativo entre los resultados obtenidos cada una de las velocidades de aplicación de carga empleada en los ensayos. • Debido a que la carga se incrementa a una mayor velocidad el esfuerzo máximo disminuye. • A menor velocidad mayor esfuerzo de rotura es mayor el esfuerzo de rotura. • A menor velocidad es mayor el esfuerzo de fluencia. 16 Ensayo de compresión para mortero de cemento Norma: ASTM C-109 2.1.- Objetivo • Determinar la resistencia del cemento mediante un mortero moldeado en cubos de 2” x 2”. 2.2.- Marco teórico • La norma ASTM C109 especifica el ensayo de morteros de cemento hidráulicos, que comprende la compresión de probetas cúbicas de 50 mm (2 pulgadas) hasta el fallo. • Mortero normal: El mortero se preparará tomando los materiales en las siguientes proporciones en peso: Cemento: dos partes, Arena normal: seis partes, Agua: una parte • Cubos de ensayo: Los moldes para fabricar los cubos de ensayo serán de acero o hierro fundido, con las superficies interiores paralelas entre sí y terminadas a máquina. • Ensayo de compresión de mortero: Se realiza aplicándose la carga a las dos caras provenientes de las laterales del moldaje, colocándose entre las placas de la máquina de compresión. • La velocidad de carga será tal que la presión sobrela probeta aumente entre 10 y 20 kg/cm2/seg. Hasta la mitad de la carga de ruptura, la carga podrá aumentar a mayor velocidad, pero en todo caso la duración de cada ensayo será menor o igual en 10 segundos. 2.3.- Equipos usados para el ensayo • Máquina universal para pruebas de compresión y tracción, provista de una celda de carga de 100KN de capacidad máxima • Calibrador vernier con precisión a 0.01mm. • Accesorios del ensayo, platinas de acero cilindricas para recibir la muestra segun indica el método de compresión. • Computador provisto de software donde se registran los datos del ensayo. • Cubo de mortero 17 2.4.- Procedimiento • Antes de colocar la muestra para el ensayo, se deberán registrar las dimensiones iniciales de la muestra (largo, ancho, y altura), estas dimensiones serán el promedio de tres mediciones en forma distribuida. Se debe tener en cuenta que el promedio de las medidas son los valores que se registran en el software que controla el equipo de ensayo como valores iniciales. • Colocar la muestra entre las platinas del equipo, el cual se calibra automáticamente mediante el uso del software. • Se coloca la celda de carga, y se realiza un avance rápido de la cruceta del equipo, hasta que las platinas tengan un pequeño contacto con la cara superior de la muestra a ensayar, en ese instante los valores iniciales de carga y de deformación en el computador deben ser cero. • Iniciamos el ensayo, teniendo en cuenta que se detiene la aplicación de la carga cuando se visualiza en el grafico “Esfuerzo Vs Deformación” que el esfuerzo está descendiendo. • Una vez finalizado el ensayo, el software brinda los resultados finales, los cuales son calculados con los datos ingresados antes del ensayo. 18 2.5.- Resultados de ensayo 2.5.1.- Datos Anchura 50.17 mm Espesor 50.23 mm Altura 51.11 mm ΔL (mm) Deformación Unitaria (%) Área Corregida (cm2) Carga de compresió n (kgf) Esfuerzo (kg/cm2) 0.000000 0.000000 25.20039 0.000000 0.00 0.001674 0.003275 25.20083 0.113985 0.00 0.002392 0.004679 25.20118 0.077576 0.00 0.003109 0.006083 25.20153 0.163418 0.01 0.003886 0.007604 25.20192 0.203701 0.01 0.004723 0.009242 25.20233 0.25675 0.01 0.005441 0.010645 25.20268 0.375764 0.01 0.006039 0.011815 25.20039 0.459819 0.02 0.006637 0.012985 25.20327 0.494665 0.02 0.007175 0.014038 25.20354 0.575120 0.02 0.007773 0.015208 25.20383 0.742296 0.03 0.008371 0.016377 25.20413 0.892035 0.04 0.008968 0.017547 25.20442 0.952875 0.04 0.009507 0.018600 25.20469 1.102688 0.04 19 2.5.2.- Cálculos 𝐿 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 ∆𝐿 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝐴 = Á𝑟𝑒𝑎 𝐴𝑐 = Á𝑟𝑒𝑎 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 𝜀 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑈𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝜀% = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑈𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 𝜎 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑞 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 2.5.3.- Gráfico El esfuerzo máximo vendría a ser 161.17 kg/cm2 2.6.- Conclusión Luego de realizado el ensayo del cubo de mortero de 2’’ x 2’’, se obtuvo como resultado, que el esfuerzo máximo que soporta el cubo antes de fallar es de 161.17 kg/cm2, por ende se estima que el valor de resistencia del cemento en el mortero es la misma. 2.7.- Recomendación Una recomendación seria no utilizar cubos de mortero con tantos poros debido a que esos poros significan una gran cantidad de vacíos los cuales hacen que resista menos al ensayo. 20 2.8.- Problemas propuestos ¿Qué objetivo se persigue con la realización del ensayo de compresión a una probeta cúbica de mortero de cemento? • “Este método de ensayo proporciona un medio para determinar la resistencia a la compresión de morteros de cemento hidráulico y otros morteros. Los resultados se pueden emplear para determinar la conformidad con las especificaciones y otros métodos de ensayos. No se deben emplear sus resultados para estimar la resistencia del concreto.” 1 ¿Cuál es el motivo por el que se realizan los ensayos a la probeta de mortero de cemento a los 3 y a los 7 días? • Según la ASTM C-109 es importante realizar los ensayos a las 24 horas, 3, 7 y 28 días para comprobar que el mortero cumple con la resistencia establecida según el tiempo 1 ASTM C-109: 90 21 Ensayo de compresión para madera compresión paralela al grano NORMA ASTM NTP 251.014 3.1- Objetivo: • Determinar la resistencia a la compresión máxima y rotura • Determinar la resistencia a la compresión al límite de proporcionalidad. • Determinar la deformación al límite de proporcionalidad. • Determinar el módulo de elasticidad. 3.2.- Marco teórico: En la madera se pueden reconocer tres direcciones principales que pueden considerar ortogonales entre sí, estas direcciones son la longitudinal, tangencial y radial. En la práctica de consideran solo dos: la longitudinal o paralela al grano y la transversal o perpendicular al grano. En la madera se aprecia una gran resistencia a la compresión paralela al grano, debido al hecho que las fibras están orientadas en esa dirección y que coinciden con la orientación de las micro fibrillas que constituyen la capa media de la pared celular. La capacidad está limitada por el pandeo de las fibras más que por su propia resistencia al aplastamiento. Cuando se trata de elementos a escala natural como columnas, solamente aquellas de una relación de esbeltez menor que diez desarrollan toda su resistencia al esforzar la sección a ser máxima capacidad. Para elementos más esbeltos, que son los más comunes, la resistencia está determinada por su capacidad. A resistir el pandeo lateral, que depende mayormente de la geometría de la pieza más que de la capacidad de la madera constituyente. La resistencia a la compresión paralela a las fibras en la madera es aproximadamente la mitad que su resistencia a la tracción y esta depende mucho del tipo de madera utilizado. La fuerza de compresión se aplica a un cuerpo, el cual produce una tensión. Esta fuerza hace que nuestro elemento se deforme, encoge nuestro elemento, incrementa el ancho o diámetro, pero hace el largo que disminuya proporcionalmente. Para el ensayo de compresión en una probeta de madera de pino se aplicará una fuerza hacia abajo, por lo tanto, la madera usada disminuirá su longitud levemente y aumentará su área proporcionalmente. Mediante cálculos determinaremos dichos valores. 22 3.3.- Equipos usados para el ensayo: • Equipo de aplicación de carga (Instron), provista de una celda de carga de 100 KN de capacidad máxima. • Calibrador vernier (precisión 0.01mm) • Computador provisto de software “Bluehill 2” • Pieza de madera de pino (Prismática y en estado seco) • Accesorios de ensayo (platinas de acero cilíndricas) 23 3.4.- Procedimiento: • Tener preparada la pieza de madera y ubicarla de tal forma que las fibras queden perpendiculares a la aplicación de la carga del equipo. • Verificar las medidas de la muestra (Normal: 5 cm x 5 cm x 15 cm), asi como su estado de humedad (superficialmente seco) • Colocar la pieza en las platinas del equipo. • Se acomodan las platinas de modo que haya un pequeño contacto la parte superior de la pieza de madera, verificar en el programa que los valores iniciales de carga sean cero. • Se empieza ha ejercer una carga con ayuda de la maquina a una velocidad de 0.6 mm/min. Detener esta acción cuando se vea en la gráfica, que el esfuerzo ha descendido. • Finalizada la prueba el software dará los resultados finales. • Finalmente retirar la pieza de madera con cuidado y desecharla.24 3.5.- Resultados de ensayo: 3.5.1.- Datos Tipo de Ensayo: Compresión Cubos de Madera Pino (mm) Anchura 50.27 mm Espesor 50.18 mm Altura 150.15 ΔL (mm) Deformación Unitaria (%) Área Corregida (cm2) Carga de compresión (kgf) Esfuerzo (kg/cm2) 0.000000 0.000000 25.225000 0.000000 0.00 0.004066 0.002708 25.225683 0.108349 0.00 0.009865 0.006570 25.226657 0.259430 0.01 0.015187 0.010114 25.227552 0.365686 0.01 0.019850 0.013220 25.228335 0.415713 0.02 0.025171 0.016764 25.229229 0.368481 0.01 0.029895 0.019910 25.230023 0.454338 0.02 0.035156 0.023414 25.230908 0.472225 0.02 0.039939 0.026600 25.231712 0.598919 0.02 0.045021 0.029984 25.232566 0.561502 0.02 0.049984 0.033289 25.233400 0.557309 0.02 0.055066 0.036674 25.234254 0.676963 0.03 0.060029 0.039979 25.235089 0.677922 0.03 0.065111 0.043364 25.235943 0.705000 0.03 3.5.2.- Cálculos 𝐿 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 ∆𝐿 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝐴 = Á𝑟𝑒𝑎 𝐴𝑐 = Á𝑟𝑒𝑎 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 𝜀 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑈𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝜀% = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑈𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑃𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 𝜎 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑞 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 25 3.5.3.- Gráfico Donde el Esfuerzo máximo viene a ser: 219.86 kg/cm2 Ancho (cm) Espesor (cm) Altura (cm) Área (cm2) 5.027 5.018 15.015 25.225 Máxima carga de compresión (kgf) Máximo esfuerzo de compresión (kg/cm2) Módulo de Rotura (kg/cm2) Deformación al límite proporcional (%) Esfuerzo al límite proporcional (kg/cm2) Módulo de elasticidad (kg/cm2) 5546.148 214.46 188.52 1.475 160.84 10904.407 26 3.5.4.- Análisis de Datos • El módulo de elasticidad del material, es la pendiente de la recta hasta llegar al límite de proporcionalidad, el cual sería E = Esfuerzo al límite proporcional (kg/cm2)/ Esfuerzo al límite proporcional (kg/cm2). E = 160.84/0.01475 = 10904.407 kg/cm2 • Debido a la densidad de la madera pin que esta entre 0.32 a 0.76 kg/dm3, según las especificaciones, el esfuerzo al límite proporcional es del 75% del esfuerzo máxima (214.46*0.75=188.52), además de que la deformación al límite proporcional es del 60% de la deformación máxima (2.457601*0.60 = 1.475 %) • El módulo de rotura se debe al último esfuerzo que soporta la fibra antes de fisurarse. De los datos obtenidos en el laboratorio tenemos que el módulo de rotura es 188.52 kg/cm2 3.6.- Conclusión • Luego de realizado el ensayo a la fibra de madera, se obtuvo como resultado, que el esfuerzo máximo que soporta la fibra antes de fallar es de 214.46 kg/cm2, además de que el módulo de rotura de la fibra es de 188.52 kg/cm2. • La resistencia al límite proporcional de la fibra es aproximadamente el 75% del esfuerzo máximo, el cual tiene un valor de 160.84 aprox. • La deformación al límite proporcional es aproximadamente un 60%, el cual toma un valor de 1.475% aprox. • El módulo de elasticidad de la fibra es 10904.407 kg/cm2 aprox • Debido a que la madera posee gran porosidad es capaz de absorber agua en grandes cantidades modificando así su capacidad de resistencia a la compresión a una menor que cuando se encontraba seco. 3.7- Recomendaciones: • Se recomienda comprobar que la carga a realizarse sea paralela al grano ya que así su resistencia sería mucho mayor que si fuera perpendicular. • Los accesorios de la maquina deben estar bien colocados y la muestra debe estar alineada junto con ellos. En la imagen se podrá ver cómo es que el accesorio comprimió la madera no al centro sino pegado al borde por lo que los datos han salido un poco afectados. 27 • En lo posible se debe evitar el uso de muestras con fallas naturales como las de la imagen, se aprecian manchas y marcas propias de la madera donde en esos casos hay mayor punto de quiebre por lo que el exceso de ellas no es bueno para una toma acertada de datos. 3.8.- Problemas propuestos ¿Por qué el esfuerzo de rotura es menor que el esfuerzo máximo? Justifique su respuesta • Esto es debido a que, el material recibe una carga máxima y por ende un esfuerzo máximo, para el cual está diseñado el material. Mientras que el esfuerzo de rotura, consiste en una ves aplicada la carga máxima, ver en cuanto esfuerzo puede alcanzar el material justo cuando se comprime (se fisure, se rompa ,etc.), por ello será menor que el esfuerzo máximo. ¿El módulo de elasticidad de un material, es el mismo para una prueba de tracción que de compresión? Justifique su respuesta • Si, ya que todo tipo de material tiene estimando su módulo de elasticidad. Esto quiere decir, sea cualquier ensayo el módulo de elasticidad será el mismo. ¿El esfuerzo en el límite proporcional es aproximadamente el 75% del esfuerzo máximo y la deformación en el límite proporcional es del orden del 60% de la deformación máxima? Justifique su respuesta • Según las especificaciones si la densidad de la madera se encuentra entre 0.2 a 0.8 kg/dm3, se cumplirá un aproximado, que el esfuerzo al límite proporcional es del 75% del esfuerzo máximo, además de que la deformación al límite proporcional es del 60% de la deformación máxima. Según el módulo de elasticidad obtenido, a qué grupo de madera corresponde la muestra ensayada. • Nuestro módulo de elasticidad obtenido es de 10904.407 kg/cm2, por lo que muestra de madera ensayada se encuentra en el grupo B. Ver “E0.10 Madera del RNE.” (Ver anexo N° 1) 28 Ensayo de flexión para madera Norma: ASTM NTP 251.017 4.1.- Objetivo: • Determinar el esfuerzo a la flexión estática o módulo de rotura, el esfuerzo hasta el límite de proporcionalidad de la madera y la deformación hasta el límite de proporcionalidad de la madera. 4.2.- Marco teórico: Resistencia a la Flexión Paralela al Grano La diferencia entre la resistencia a la tracción y a la compresión paralela resulta en un comportamiento característico de las vigas de madera en flexión. Como la resistencia a la compresión es menor que a tracción, la madera falla primero en la zona de compresión. Con ello se incrementan las deformaciones en la zona comprimida; el eje neutro se desplaza hacia la zona de tracción, lo que hace a su vez aumentar rápidamente las deformaciones totales, y finalmente la pieza se rompe por tracción. En vigas secas, sin embargo, no se presenta primeramente una falla visible de la zona comprimida sino que ocurre directamente la falla por tracción. Esta información experimental evidencia que la hipótesis de Navier sobre la permanencia de la sección plana durante la deformación no se cumple, y la aplicación de las fórmulas de la teoría de las vigas para el cálculo de los esfuerzos no es estrictamente aplicable. Por lo tanto la resistencia a la flexión así estimada resulta en esfuerzos mayores que los de compresión y menores que los de tracción. En ensayos de probetas pequeñas libres de defectos los valores promedios de la resistencia a la flexión varían entre 200 y 1700kg/cm2 dependiendo de la densidad de la especie y del contenido de humedad. 4.3.- Equipos utilizados: • Calibrador vernier con precisión a 0.01mm. • Equipo de aplicación de carga, provista de una celda de carga de 100KN de capacidad máxima y un extensómetro automático el cual permite medir deformaciones en forma automática durante el proceso de ensayo. 29 • Accesorios del ensayo, accesorio de flexión que consta de una base en acero con dos puntos de apoyo móviles, también en acero, separados 70cm uno del otro, y un pistón de carga radial al centro de la distancia entre apoyos de la muestra del ensayo. • Pieza de madera con las dimensiones necesarias para el ensayo• Computador provisto de software (Bluehill 2) 4.4.- Procedimientos: • La muestra debe ser prismática de dimensiones especificadas de 5cm x 5xm x 76cm, con 70cm de luz. • Se registran las dimensiones iniciales (ancho, altura y longitud total), en esta última se ubica el centro de la muestra, lugar donde se aplica la carga del ensayo. • Una vez trazadas las tres marcas (dos a los costados y una al centro), se coloca la muestra de madera en el equipo, ubicando los extremos sobre los puntos de apoyo con 70cm de luz, entre las marcas trazadas. • Después de haber instalado la muestra de madera en el equipo se realiza un avance rápido hasta conseguir que el pistón de carga del equipo tenga un ligero contacto con la muestra. • Mediante el software del computador, se introducen los datos iniciales, como son las medidas iniciales de la muestra, así mismo se coloca la carga y la deformación en cero. • Se inicia el ensayo con una velocidad de aplicación de carga según sus dimensiones. 30 • En la pantalla del computador se desarrolla un gráfico de Esfuerzo Vs Deformación a medida que la carga se va incrementando, hasta producir el fallo de la muestra. 4.5.- Cálculos y resultados: (Ver datos en el anexo N° 2) Esfuerzo al límite proporcional (ELP) : Para determinar el Módulo de Rotura (MOR) : Para determinar el Módulo de Elasticidad (MOE) : Donde: P: Carga Máxima en kg P`: Carga al Límite proporcional en kg L: Distancia entre los apoyos (luz de la muestra ensayada) a: Ancho de la probeta en cm e: Altura de la probeta en cm Y: Deflexión al centro de la luz al límite proporcional en cm 0.0000 100.0000 200.0000 300.0000 400.0000 500.0000 600.0000 700.0000 800.0000 900.0000 0.0000 0.5000 1.0000 1.5000 2.0000 2.5000 3.0000 3.5000 C aa rg a d e Fl ex io n ( kg f) Extension por flexion (cm) Ensayo de Flexion 31 Carga al límite proporcional (kgf) Distancia entre soportes (cm) Ancho de la probeta (cm) Espesor de la probeta (cm) 697,3192 70.00 5.00 5.00 Carga máxima (kgf) Esfuerzo al límite proporcional (kg/cm2) Módulo de rotura (kg/cm2) Módulo de elasticidad (kg/cm2) 828,0631 695,573 695,573 62225,8579 4.6.- Observaciones y sugerencias: • La madera es un material no isotrópico, los resultados de los ensayos son muy variables en muestras del mismo lote, pudiendo existir diferentes motivos para surgir variaciones entre muestras del mismo tipo, tales como presencia de ojos, vacios internos, cambios internos del sentido de la fibra, mala formación del grano, etc. • En la madera se consideran factores de seguridad mucho mayores a los empleados en el diseño de estructuras de otros materiales como el acero y el concreto. • Se recomienda que los soportes que estén fijos para evitar deslizamiento. • La madera utilizada era tornillo y fue seca al aire. • La madera volvió a su estado original después de haber sido sometido a la flexión. 4.7.- Conclusiones: • La madera tornillo es un material de resistencia mecánica media. • La carga máxima de la madera tornillo se encuentra cerca de la carga del límite de proporcionalidad. Es decir, resiste mayores deformaciones antes de fallar. • Luego de realizar el ensayo de flexión para la madera tornillo concluimos que el Esfuerzo al límite proporcional es 695,573 Kg/cm2, el Módulo de Rotura es 695,573 Kg/cm2 y, por último, el Módulo de Elasticidad es 62225,8579 Kg/cm2. 32 4.8.- Problemas propuestos Teniendo en cuenta los datos anteriores, complete lo siguiente: Comparando las propiedades mecánicas de la madera tornillo, los resultados de este ensayo están por debajo o por encima del tornillo ¿por qué? • El módulo de rotura de la madera tornillo hallada mediante el ensayo de flexión está dentro de rango teórico (576-722 Kg/cm2). En cambio, el valor de módulo de elasticidad hallado resultó por debajo del valor teórico (108000 – 125000 Kg/cm2) . Esto se debe a que según lo ensayado, la deflexión a cada carga es mayor a lo impuesto en la norma. Esto pudo ser ocasionado por la falta de precisión a la hora de ajustar los equipos utilizados o por que la madera utilizada no era la correcta (exceso de nudos, etc.) ¿En qué casos recomienda utilizar Ud. este ensayo? • Los ensayos de flexión se utilizan principalmente como medida de la rigidez. Se utiliza para el estudio principalmente de fundiciones, de arcos y vigas, que son elementos estructurales pensados van a trabajar predominantemente en flexión. Entonces si la madera formara parte de alguna estructura horizontal o formara parte de un encofrado para lo mismo, es recomendable hacer este ensayo para verificar la resistencia a flexión de la madera ya que en estos casos la madera debe estar conforme con las cargas a las cuales será sometida. ¿La carga en el límite de proporcionalidad, es aproximadamente el 60% de la carga máxima? Justifique su respuesta. • No, según los datos obtenidos, la carga en límite de proporcionalidad es aproximadamente el 84% de la carga máxima. Esto se debe a que los resultados obtenidos arrojan una madera de menor resistencia por lo que la carga máxima va a estar más cerca de la carga en el límite de proporcionalidad. Según el módulo de elasticidad obtenido, a qué grupo de madera corresponde la muestra ensayada. Ver E0.10 Madera del RNE. Así mismo, indique si es necesario realizar otro ensayo para determinar el módulo de elasticidad. Justifique su respuesta • Según la norma E0.10 Madera del RNE, la madera utilizada en el ensayo pertenece al grupo C, donde el módulo de elasticidad mínimo es de 55000 Kg/cm2. • Nuestro grupo ha llegado a la conclusión de que se debería realizar un nuevo ensayo ya que los valores obtenidos no se asemejan a los valores teóricos. 33 Bibliografía • Association for Testing Materials (ASTM). Método de prueba estándar para la resistencia a la compresión de morteros de cemento hidráulico (usando especímenes de 2 pulgadas. (Consulta: 19 de junio del 2015) (En: http://conred.gob.gt/www/normas/NRD3/1_CEMENTO/2_NORMA_NTG_41003h4 _ ASTM_c109-c109m-11_b.pdf) • Determinación de la resistencia a la compresión de morteros (según la norma técnica guatemalteca) (http://conred.gob.gt/www/normas/NRD3/1_CEMENTO/2_NORMA_NTG_41003h 4 _ASTM_c109-c109m-11_b.pdf ) • Ensayos en materiales (fecha: 20 de junio del 2015) https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/ensayos.pdf • Ensayos de resistencia a compresión, tracción y flexión a morteros. (fecha: 24 de junio del 2015) ( http://tecnohorm.weebly.com/uploads/9/6/2/7/9627075/nch0158- 1967.pdf) • Pdf que trata sobre Tracción en acero (fecha: 20 de junio del 2015) http://www.vespino.com/~tecnologia/tecnoII/1materiales/ENSAYO%20DE%20TR A CCI%D3N.pdf • Pdf que trata sobre Determinación de las propiedades mecánicas de los materiales “Tracción” (fecha: 20 de junio del 2015) http://www.utp.edu.co/~gcalle/Contenidos/Traccion01.pdf • Prezi que trata de ensayos de flexión (Fecha: 20 de Junio del 2015) https://prezi.com/6lrfplvsmet3/ensayos-de-flexion-expo/ • Sitio web sobre definición de ensayo de flexión y conceptos relacionados (Fecha: 22 de Junio del 2015) http://www.parro.com.ar/definicion-de-ensayo+de+flexi%F3n http://conred.gob.gt/www/normas/NRD3/1_CEMENTO/2_NORMA_NTG_41003h4_ASTM_c109-c109m-11_b.pdf http://conred.gob.gt/www/normas/NRD3/1_CEMENTO/2_NORMA_NTG_41003h4_ASTM_c109-c109m-11_b.pdf http://conred.gob.gt/www/normas/NRD3/1_CEMENTO/2_NORMA_NTG_41003h4_ASTM_c109-c109m-11_b.pdf http://conred.gob.gt/www/normas/NRD3/1_CEMENTO/2_NORMA_NTG_41003h4_ASTM_c109-c109m-11_b.pdf http://conred.gob.gt/www/normas/NRD3/1_CEMENTO/2_NORMA_NTG_41003h4_ASTM_c109-c109m-11_b.pdfhttp://conred.gob.gt/www/normas/NRD3/1_CEMENTO/2_NORMA_NTG_41003h4_ASTM_c109-c109m-11_b.pdf https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/ensayos.pdf http://tecnohorm.weebly.com/uploads/9/6/2/7/9627075/nch0158-1967.pdf http://tecnohorm.weebly.com/uploads/9/6/2/7/9627075/nch0158-1967.pdf http://www.vespino.com/~tecnologia/tecnoII/1materiales/ENSAYO%20DE%20TRACCI%D3N.pdf http://www.vespino.com/~tecnologia/tecnoII/1materiales/ENSAYO%20DE%20TRACCI%D3N.pdf http://www.vespino.com/~tecnologia/tecnoII/1materiales/ENSAYO%20DE%20TRACCI%D3N.pdf http://www.utp.edu.co/~gcalle/Contenidos/Traccion01.pdf https://prezi.com/6lrfplvsmet3/ensayos-de-flexion-expo/ http://www.parro.com.ar/definicion-de-ensayo+de+flexi%F3n 34 Anexos Anexo N°1.- NPT 0.10. Madera. Anexo N°2.- Datos de la madera sometida a flexión Tipo de ensayo Flexion Madera Anchura 5 cm Espesor 5 cm Separación de soportes 70 cm Deflexión mm Carga kgf Deflexión cm 0.0000 0.0000 0.0000 0.0416 1.3968 0.0042 0.0832 2.8203 0.0083 0.1250 4.1505 0.0125 0.1667 5.5546 0.0167 0.2083 6.9998 0.0208 0.2499 8.4606 0.0250 0.2916 10.0209 0.0292 0.3333 11.6254 0.0333 0.3750 13.0950 0.0375 0.4166 14.7895 0.0417 0.4583 16.4117 0.0458 0.5000 18.0787 0.0500 0.5417 19.7292 0.0542 0.5833 21.3994 0.0583 0.6250 23.0329 0.0625 35
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