UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA FACUL TAO DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES · "EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL CULMO DE Guadua angustifolia Kunth., EN TRES NIVELES DE ALTURA" TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE: INGENIERO EN RECURSOS NATURALES RENOVABLES MENCIÓN FORESTALES ·PRESENTADO POR: JAIRO EDSON GUTIÉRREZ COLLAO 2015 ~ BIBLIOTECA CENTRAL -UNAS T FOR Gutiérrez Collao, Jairo Edson ' . "Evaluación de las propiedades mecánicas del cúlmo de Guadua angustifolia Kunth., en tres niveles de altura" 81 páginas; 29 cuadros; 61 figuras.; 26 ref; 30 cm. Tesis (Ing. en Recursos Naturales Renovables Mención: Forestales) Universidad Nacional Agraria de la Selva, Tingo María (Perú). Facultad de Recursos Naturales Renovables l. GUADUA ANGUSTIFOLIA 2. FLEXIÓN 3. COMPRESIÓN 4. CIZALLAMIENTO UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA Tingo Maria - Perú FACUL TAO DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES. ACTA DE SUSTENTACIÓN DE TESIS Los que suscriben, Miembros del Jurado de Tesis, reunidos con techa 11 de setiembre de 2015, a horas 7:00 p.m. en la Sala de Grados de la UNAS, para calificar la Tesis titulada: "EVALUACIÓN DE PROPIEDADES MECÁNICAS DEL CULMO DE Guadua angustifo/ia Kunth, EN TRES NIVELES DE ALTURA" Presentado por el Bachiller: GUTIÉRREZ COLLAO, Jairo Edson, después de haber escuchado la sustentación y las respuestas a las interrogantes formuladas por el Jurado, se declara aprobado con el calificativo de "MUY BUENO" En consecuencia, el sustentante queda apto para optar el Título de INGENIERO EN RECURSOS NATURALES RENOVABLES, Mención: FORESTALES, que será aprobado por el Consejo de Facultad, tramitándolo al Consejo Universitario para la otorgación del Título correspondiente. Tingo María, 07 de octubre de 2015. ?dt,q/J lng. M.Sc. RICARDO OCH DEDICATORIA A mis amados padres José Alfredo Gutiérrez García y Victoria Callao Limo; por su amor, dedicación y abnegado sacrificio. A mis queridos hermanos Franco Spencer Gutiérrez Callao y Kristhy Victoria Gutiér:-9z Callao; con cariño, por su constante apoyo y aliento para realizar una de mis metas. A mis queridos abuelitos Ángel María Callao Meléndez y Oiga René Limo Torres, mi tío Octavio Jesús Callao Limo y mi primo Jesús Callao Ponce; que desde el cielo nos iluminan con sus bendiciones, así como a mis abuelitos Jorge Santiago Gutiérrez Quiliche y Anatolia García León; por sus sabios consejos. A mis tíos y primos paternos y maternos; por su apoyo y aliento y por el gran cariño que les tengo. AGRADECIMIENTOS A Dios, por brindarme la vida y permitirme salir adelante en los momentos más difíciles, y así poder tener la oportunidad de cumplir con mis deseos ·de superación. A la Universidad Nacional Agraria de la Selva, "alma máter" de mi formación profesional. A los Docentes de la Facultad de Recursos Naturales Renovables, quienes contribuyeron en mi formación académica. Al lng. Jorge Luis Vergara Palomino por su valiosa colaboración como asesor. A los ingenieros David Lluncor Mendoza y Robert Pecho De La Cruz quienes en su calidad de ce-asesores de Tesis, me orientaron oportunamente para el logro de los objetivos planteados y consecuentemente culminar exitosamente este trabajo. Al señor Mario Sosa Shapiama, por su valiosa colaboración en la ubicación del material vegetativo, extracción del material vegetativo y elaboración de las probetas. A mis compañeros, amigos y a todos aquellos que de una y otra forma contribuyeron para la culminación del presente trabajo. ÍNDICE Página l. INTROD·UCCIÓN ......................................................................................... 1 11. REVISIÓN DE LITERATURA ...................................................................... 4 2.1. Propiedades mecánicas ...................................................................... 4 2.1.1. Flexión estática ............................................................................................ 6 2.1.2. Compresión ................................................................................................... 8 2.1.3. Cizallamiento ................................................................................................ 8 2.2. Guadua angustifolia Kunth .................................................................. 9 2.2.1. Descripción taxonómica ............................................................................ 9 2.2.2. Descripción botánica y desarrollo ........................................................ 10 2.2.3. Descripción general .................................................................................. 12 111. MATERIALES Y MÉTODOS ...................................................................... 18 3.1. Ubicación del experimento ................................................................ 18 3.2. Ubicación política .............................................................................. 18 3.3. Ubicación geográfica ......................................................................... 19 3.3.1. Características climáticas ....................................................................... 19 3.4. Materiales, insumes y equipos .......................................................... 21 3.5. Metodología ....................................................................................... 22 3.5.1. Ubicación de las matas ........................................................................... 22 3.5.2. Selección de las matas ............................................................................ 23 3.5.3. Selección de culmos ................................................................................. 24 3.5.4. Obtención de culmos ............................................................................... 25 3.5.5. Corte de culmos .......................................................................................... 25 3.5.6. Obtención de las probetas ...................................................................... 28 3.5.7. Acondicionamiento de las probetas ..................................................... 32 3.5.8. Realización de ensayos .......................................................................... 37 3.5.9. Determinación del contenido de humedad de las probetas ensayadas ................................................................................................... 48 3.5.1 O.Procesamiento de datos .......................... : .............................................. 50 IV. RESULTADOS .......................................................................................... 52 4.1. Determinación de la variabilidad a la flexión estática, del culmo maduro de Guadua angustifo/ia Kunth, a diferentes niveles de altura ........................................................................................................... 52 4.1.1. Cálculo del esfuerzo unitario en el límite proporcional .................. 52 4.1.2. Cálculo del esfuerzo unitario máximo (Módulo de ruptura) .......... 54 4.1.3. Cálculo del módulo de elasticidad ........................................................ 55 4.2. Determinación de la variabilidad a la compresión paralela y perpendicular, del culmo maduro de Guadua angustifolia Kunth, a diferentes niveles de altura ................................................................ 57 4.2.1. Compresión paralela ................................................................................. 57 4.2.2. Compresión perpendicular ..................................................................... 61 4.3. Determinación de la variabilidad al cizallamiento del culmo maduro de Guadua angustifolia Kunth, a diferentes niveles de altura ................ 63 4.3.1. Cálculo del esfuerzo de rotura por cizallamiento ............................ 63 V. DISCUSIÓN ............................................................................................... 65 5.1. De la determinación de la variabilidad a la flexión estática, del culmo maduro de Guadua angustifolia Kunth, a diferentes niveles de altura ........................................................................ · .................................. 65 5.1.1. Del cálculo del esfuerzo unitario en el límite proporcional ........... 66 5.1.2. Del cálculo del esfuerzo unitario máximo (Módulo de ruptura) ... 66 5.1.3. Del cálculo del módulo de elasticidad ................................................. 67 5.2. De la determinación de la variabilidad a la compresión paralela y perpendicular, del culmo maduro de Guadua angustifolia Kunth, a diferentes niveles de altura ................................................................ 68 5.2.1. Compresión paralela ................................................................................ 68 5.2.2. Compresión perpendicular ..................................................................... 69 5.3. De la determinación de la variabilidad al cizallamiento del culmo maduro de Guadua angustifolia Kunth, a diferentes niveles de altura 1 ·········································································································· 70 5.3.1. Del cálculo del esfuerzo de rotura por cizallamiento ...................... 70 VI. CONCLUSIONES ...................................................................................... 72 VIl. RECOMENDACIONES .............................................................................. 74 VIII.ABSTRACT ................................................................................................ 75 IX. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................... 77 ANEXO ...................................................................................................... 81 ÍNDICE DE CUADROS Cuadro Página 1. Resistencia de la Guadua angustifolia Kunth. a la flexión ..................... 15 2. Esfuerzo al límite proporcional en compresión perpendicular (kg/cm2) en Guadua angustifolia Kunt. ..................................................................... 16 3. Ubicación política ................................................................................... 18 4. Ubicación geográfica ............................................................................. 19 5. Datos climáticos durante el período de evaluación ................................ 20 6. Número de probetas/culmo ............................... : .................................... 32 7. Formato para los resultados de los ensayos mecánicos ....................... 51 8. Esfuerzo unitario promedio en el límite proporcional en flexión ............. 53 9. Esfuerzo unitario máximo promedio (MORF) en flexión ........................ 54 1 O. Módulo de elasticidad promedio (MOE) en flexión .............................. 56 11. Esfuerzo promedio al límite proporcional en compresión paralela ....... 57 12. Esfuerzo promedio de rotura en compresión paralela ......................... 59 13. Módulo de elasticidad promedio (MOE) en compresión paralela ......... 60 14. Esfuerzo promedio al límite proporcional en compresión perpendicular .. ·········································································································· 62 15. Esfuerzo promedio de rotura por cizallamiento .................................... 63 16. Características de la mata No 01 ......................................................... 92 17. Características de la mata No 02 ......................................................... 93 18. Características de la mata No 03 ......................................................... 94 19. Características de la mata No 04 ......................................................... 95 20. Características de la mata No 05 ......................................................... 96 21. Características de la mata No 06 ..............................•.......................... 97 22. Características de la mata No 07 ......................................................... 98 23. Características del culmo No 01 ........................................................... 99 24. Características del culmo No 02 ......................................................... 100 25. Características del culmo No 03 ......................................................... 101 26. Características del culmo No 04 ......................................................... 103 27. Características del culmo No 05 .......................................................... 104 28. Características del culmo No 06 ......................................................... 106 29. Características del culmo No 07 ......................................................... 107 ÍNDICE DE FIGURAS Figura Página 1. Culmo y brote de caña de Guadua angustifolia Kunth ........................... 11 2. Pruebas de laboratorio medición de un tipo de guadua ......................... 12 3. Propiedades mecánicas de la Guadua angustifolia Kunth ..................... 14 4. Curva de principales parámetros climáticos durante el secado ............. 21 5. Llenando el formato de descripción de la mata ..................................... 23 6. Determinando la altura total del culmo ................................................... 24 7. Limpieza del área de trabajo .................................................................. 25 8. Corte del culmo de Guadua angustifolia Kunth ...................................... 26 9. Corte del culmo de Guadua angustifolia Kunth. en tres partes .............. 27 · 1 O. Acomodo de culmos de Guadua angustifolia Kunth. en el Laboratorio Taller de Aprovechamiento y Maquinaria Forestal .............................. 28 11. Codificación de probetas de Guadua angustifolia Kunth ..................... 29 12. Probetas para ensayo de flexión ......................................................... 30 '13. Probetas para ensayo de compresión paralela al grano ...................... 30 14. Probetas para ensayo de compresión perpendicular al grano ............. 31 15. Probetas para ensayo de cizallamiento ............................................... 31 16. Acondicionamiento de probetas ........................................................... 33 17. Pesado de probetas ............................................................................. 34 18. Embalado de probetas ......................................................................... 35 19. Aplicación del insecticida Tifón 2.5 PS en probetas ............................ 36 20. Aplicación del insecticida Cyperklin 25 en probetas ............................ 36 21. Aplicación de petróleo en probetas ...................................................... 37 22. Forma de determinar las dimensiones de las probetas ....................... 38 23. Determinando las dimensiones de las probetas .................................. 39 24. Realizando el ensayo de flexión .......................................................... 40 25. Realizando el ensayo de compresión paralela .................................... 43 26. Realizando el ensayo de compresión perpendicular ........................... 46 27. Realizando el ensayo de cizallamiento ................................................ 47 28. Pesado de las probetas después de los ensayos ................................ 49 29. Secado de las probetas en la estufa .................................................... 50 30. Esfuerzo unitario promedio en el límite proporcional en flexión ........... 53 31. Esfuerzo unitario máximo promedio (MORF) en flexión ...................... 55 32. Módulo de elasticidad promedio (MOE) en flexión .............................. 56 33. Esfuerzo promedio al límite ~proporcional en compresión paralela ....... 58 34. Esfuerzo promedio de rotura en compresión paralela ......................... 59 35. Módulo de elasticidad promedio (MOE) en compresión paralela ......... 61 36. Esfuerzo promedio al límite proporcional en compresión perpendicular ................................................................................................................... 62 37. Esfuerzo promedio de rotura por cizallamiento .................................... 64 38. Mata de Guadua angustifolia Kunth ..................................................... 82 39. Extracción del culmo de bambú ........................................................... 82 40. Tocón del culmo extraído ..................................................................... 83 41. Calculando la circunferencia del culmo ................................................ 83 42. Marcando el número de internudos ..................................................... 84 43. Pasando con tiza en los extremos del culmo ....................................... 84 44. Corte de los culmos por niveles para obtener probetas ....................... 85 45. Codificación de probetas para ensayo mecánico ................................ 85 46. Obtención de probetas para cizallamiento ........................................... 86 47. Probetas obtenidas para los ensayos mecánicos ................................ 86 48. Acomodo de las probetas de para el secado natural ........................... 87 49. Acomodo de las probetas para el secado natural ................................ 87 50. Reloj ambiental .................................................................................... 88 51. Deformaciones en probeta de compresión perpendicular .................... 88 52. Deformación en probeta de cizallamiento ............................................ 89 53. Insecticida TIFON para combatir la polilla ....................... -.................... 89 F54. Insecticida Cyperklin 25 para combatir la polilla ................................ 90 55. Esfuerzo de flexión en la probeta ........................................................ 90 '·. 56. Esfuerzo de compresión paralela en la probeta ................................... 91 57. Esfuerzo de cizallamiento en la probeta .............................................. 91 58. Gráficos de flexión en la probeta (81 8F1) obtenidos en el Test Navegator .......................................................................................... 11 O 59. Gráficos de compresión paralela en la probeta (81 MCPa1) obtenidos en el Test Navegator ......................................................................... 11 O 60. Gráficos de compresión perpendicular en la probeta (81 MCPe2) obtenidos en el Test Navegator ......................................................... 111 61. ~ráficos del esfuerzo de rotura por cizallamiento en la probeta (81ACz1) obtenidos en el Test Navegator ........................................ 111 RESUMEN La deforestación de bosques va alcanzando cifras alarmantes en el Perú por falta de estudio de especies que puedan suplir a la madera, tal como el bambú Guadua angustifo/ia Kunth., que presenta un gran potencial, pero por falta de evaluación de sus propiedades mecánicas no es utilizado ni aprovechado óptimamente; para ello se plantearon los objetivos tales como determinar los esfuerzos de flexión, compresión paralela y perpendicular y de cizallamiento a tres niveles de altura (base, medio y ápice). La investigación se realizó en el Laboratorio de Tecnología de la Madera de la Facultad de Ciencias Forestales de la Universidad Nacional de Ucayali (UNU), utilizando bambú Guadua angustifolia Kunth., extraída del Fundo de la Facultad de Agronomía de la Universidad Nacional Agraria de la Selva (UNAS); los datos obtenidos de los ensayos mecánicos, se integraron con respecto a la media y al coeficiente de variación. Los resultados mostraron en flexión para el cálculo del esfuerzo unitario en el límite proporcional mayor variabilidad en nivel base con 48.86%, secundado del nivel ápice con 48.02% y por último el nivel medio con 38.64%; en el cálculo del esfuerzo unitario máximo (MOR) se registró mayor variabilidad en nivel ápice con 44.00%, secundado del nivel base con 33.56% y por último el nivel medio con 19.91%; en el cálculo del módulo de elasticidad se registró mayor variabilidad en nivel base con 55.99%, secundado del nivel ápice con 52.93% y por último el nivel medio con 31.47%. En compresión paralela para el cálculo del esfuerzo al límite proporcional se registró mayor variabilidad en nivel base con 68.41%, secundado del nivel ápice con 64.99% y por último el nivel medio con 55.41 %; en el cálculo del esfuerzo de rotura se registró mayor variabilidad en nivel base con 34.45%, secundado del nivel medio con 28.19% y por último el nivel ápice con 19.63%; en el cálculo del módulo de elasticidad se registró mayor variabilidad en nivel base con 129.01%, secundado del nivel medio con 126.95% y por último el nivel ápice con 34.97%. En compresión perpendicular para el cálculo del esfuerzo al límite proporcional se registró mayor variabilidad en nivel ápice con 53.58%, secundado del nivel medio con 30.15% y por último el nivel base con 14.47%. En cizallamiento el cálculo del esfuerzo de rotura registró mayor variabilidad en nivel base con 23.50%, secundado del nivel ápice con 17.65% y por último el nivel medio con 14.65%. l. INTRODUCCIÓN En la mayoría de los países desarrollados, es un requisito indispensable clasificar a las maderas de acuerdo a sus propiedades físicas y mecánicas para brindarles una óptima utilización (ROBLES y ECHENIQUE, 1993). Por ello es importante contar con un sistema de clasificación estructural de las esp·ecies de interés económico y en base a análisis de laboratorio asignarle a cada especie sus valores más confiables, con el objeto de brindarles un mejor uso y desempeño (PENICHE, 1990). La clasificación estructural, se deriva de las pruebas mecánicas, a los que son sometidos una serie de probetas de diferentes dimensiones, cuyo comportamiento a la aplicación de fuerzas mediante la utilización de aparatos y adimentos específicos a la vez que proporcionan la carga referida, registran la magnitud de la misma (ASTM, 1992). Las gramíneas en el contexto nacional e internacional son muy importantes, se debe exponer que la especie Guadua angustifolia, ha tenido un gran uso, difusión e importancia en los países asiáticos, entre otros, China, Japón, Corea y Vietnam. De manera similar en Latinoamérica, Colombia es el máximo exponente en la proyección de usos de la Bambusa sp., especialmente Bambusa vulgaris y Guadua angustifolia. Este país se proyecta al mundo con una 28.000 hectáreas de Guadua ubicados en Quindío, y de las cuales se 2 aprovecha el 5% con fines constructivos y paisajísticos (LONDOÑO, 2001 y VILLEGAS, 2003). Debido a que el sector industrial forestal nacional, enfrenta retos cada vez más complicados, donde el tema de la calidad es pieza fundamental para competir internacionalmente. Actualmente no se cuenta con el conocimiento tecnológico de las especies de interés comercial y si se cuenta con ello, no se le da el uso adecuado. La hipótesis planteada en la investigación es "las propiedades mecánicas varían de acuerdo a los niveles de altura del culmo maduro de Guadua angustifolia". El valor de la investigación pretende reunir los elementos necesarios para conocer el comportamiento mecánico de la especie Guadua·angustifolía Kunth. En tal sentido, los objetivos propuestos son: General: Conocer las propiedades mecánicas del culmo maduro de Guadua angustifolia Kunth, en diferentes niveles de altura. Específicos: - Determinar la variabilidad a la flexión estática, del culmo maduro de Guadua angustífolía Kunth, a diferentes niveles de altura. 3 - Determinar la variabilidad a la compresión paralela y perpendicular, del culmo maduro de Guadua angustifo/ia Kunth, a diferentes niveles de altura. - Determinar la variabilidad al cizallamiento, del culmo maduro de Guadua angustifolia Kunth, a diferentes niveles de altura. 11. REVISIÓN DE LITERATURA 2.1. Propiedades mecánicas La madera es un cuerpo sólido, poroso y heterogéneo que tiene la capacidad de resistir a solicitaciones externas, que tienden a deformarla o alterar sus dimensiones (Díaz-Vaz y Cuevas, 1982; citado por DÍAZ, 2005). Karsulovic (1982) y Pérez (1983), citados por DÍAZ (2005) afirman que las propiedades mecánicas son las que determinan la capacidad que tienen los materiales de resistir fuerzas externas, con lo cual se puede controlar las formas más adecuadas. Cuevas (2003), citado por DÍAZ (2005), señala que las diferentes solicitaciones a que puede estar sometida la madera son la flexión estática, compresión, tracción, cizalle, clivaje, dureza y tenacidad. En general, estas propiedades mecánicas están determinadas por la gravedad específica, la cual varía aproximadamente de 0,5 - 0,9 g/cm3. La gravedad específica depende principalmente del contenido de fibra, del diámetro de la fibra y del grosor de las células de la pared de la fibra, por lo tanto varía considerablemente dentro de un mismo culmo y entre especies. También indican que la gravedad especifica se incrementa a lo largo del culmo, desde la base hacia el ápice, debido a la reducción de la pared del 5 culmo y al incremento en la concentración de haces vasculares. La reducción del espesor de la pared del culmo está asociada con la resistencia mecánica, especialmente hacia el ápice, el cual contiene menos parénquima y más fibra. LONDOÑO (2001) señala que, el grosor de la pared del culmo decrece más rápido en el segmento basal, lo cual podría explicar por qué los cambios anatómicos entre un entrenudo y el siguiente son más pronunciados en este segmento que en los segmentos medio y apical. Los nudos tienen una gran influencia en la resistencia mecánica del culmo: presentando una gravidez especifica mayor, un menor volumen de encogimiento y una menor resistencia tensil que los entrenudos por aquello de tener fibras más cortas y haces vasculares distorsionados. Así mismo dice que las características anatómicas del grosor del culmo (dimensiones de los haces vasculares, diámetro del metaxilema, porcentaje de parénquima, fibra y tejidos vasculares), no tienen correlación con la edad del culmo, mientras que el porcentaje de tipos celulares es similar a otros bambúes. González (2000), citado por CASTRILLÓN y MALAVER (2004) menciona que diferentes estudios sobre las propiedades mecánicas de las especies de bambú coinciden en que son algunas particularidades las que inciden en la calidad de la misma, para las diferentes aplicaciones a las que puede tener lugar en el campo de la construcción. Entre ellas puede citarse la debida al proceso de degradación de sus elementos constitutivos como la lignina o el deterioro por insectos u hongos, de ahí, que conocer las principales causas de estos procesos sean un mecanismo para mejorar las características 6 afectadas y disminuir de esta manera las diferencias que suelen presentarse con relación a otros materiales de construcción. Para obtener res-ultados con una seguridad estadística de 95% y un intervalo de confianza de ± 15% se deben seleccionar 5 individuos por cada especie (ARÓSTEGUI, 1975). Por su parte ORDÓÑEZ (1999) recomienda que para seleccionar el material experimental, este debe haber llegado a su madurez, señalando que las propiedades mecánicas del bambú son más altas en . individuos maduros, en promedio a la edad de 5 años. 2.1.1. Flexión estática Karsulovic (1982) y Campos et al. (1990), citados por DÍAZ (2005) afirman que los esfuerzos en flexión se producen en cuerpos de gran longitud respecto a las dimensiones de su sección transversal, de tal manera que tiendan a producir una arqueadura del elemento. Un caso típico es el de la viga. El ensayo de f~exión estática mide la resistencia que opone una viga a una carga . puntual aplicada en el centro de la luz o distancia entre apoyos, aplicada en la cara radial de la probeta. La flexión es una combinación de tres esfuerzos, tracción, compresión y cizalle. Estas causan la curvatura del cuerpo, con la parte superior cóncava (en compresión), :a inferior convexa (en tracción) y el plano neutro tendiendo a resbalar entre las dos fuerzas opuestas (en cizallamiento ). 7 González (2000), citado por CASTRILLÓN y MALAVER (2004) recomienda que para la determinación de las propiedades mecánicas en flexión del culmo se debe trabajar con secciones cercanas a la circular, aunque sus irregularidades pueden llegar a ser muy grandes. Además indica que se miden las secciones en los extremos del espécimen, para control de la prueba, al final de la misma se miden las secciones cercanas a los puntos de carga, y con el promedio de estas mediciones se calculan el módulo de ruptura (MOR) y el módulo de elasticidad (MOE). Así, estas variaciones geométricas son compensadas y el elemento es tratado (en los cálculos) como una viga de sección transversal perfectamente circular y constante a lo largo del tallo. Este método da una buena aproximación al comportamiento real de un elemento. LONDOÑO et al. (2002) indican que -en el bambú se tienen dos circunstancias en laboratorio que afectan la confiabilidad de los resultados: En primer lugar, en laboratorio es imposible lograr que la aplicación de las cargas se haga en el eje centroidal, y esta pequeña excentricidad produce deflexión y momento sobre la columna; y en segundo lugar, las imperfecciones (curvaturas, rajaduras) que pueden tener los tallos inducen flexión y esfuerzos anormales. Los autores sugieren reducir el error usando probetas de menor longitud. JANSSEN (2002} menciona que la acumulación de fibras de alta resistencia en las partes externas de la pared del bambú también trabaja positivamente a favor de los módulos elásticos como lo hace para las resistencias a tensión y flexión. 8 Como los módulos elásticos de la madera sólida, en el caso de la Guadua sp., decrecen entre 5 y 10% con el aumento de los esfuerzos. La alta elasticidad de dicha especie, lo hace un material potencial para ser usado en áreas con alto riesgo sísmico. 2.1.2. Compresión Karsulovic (1982) y Campos et al. (1990), citados por DÍAZ (2005) afirman que se distinguen dos tipos de fuerzas de compresión según el sentido de aplicación de la fuerza; compresión paralela y compresión perpendicular a la fibra. La compresión paralela ocurre cuando una fuerza actúa de manera paralela a las fibras y corresponde a la resistencia que opone una viga a una carga aplicada en el mismo sentido de la dirección de la fibra. La compresión perpendicular, ocurre cuando la fuerza solicitante actúa en dirección perpendicular a las fibras, y corresponde a la resistencia que opone la madera a una carga aplicada en sentido perpendicular a la dirección de las fibras en una cara radial de la probeta. González y Díaz (1992), citados por CASTRILLÓN y MALAVER (2004) afirman que el bambú es bueno para soportar compresión, ya que su sección transversal es un tubo. 2.1.3. Cizallamiento Karsulovic (1982) y Campos et al. (1990), citados por DÍAZ (2005) afirman que el cizallamiento es una propiedad mecánica que mide la resistencia 9 de los elementos de la madera a una fuerza externa que trata de ocasionar un desplazamiento de una parte de la misma. Esta propiedad puede ser perpendicular o paralela al grano, siendo la madera mucho más resistente al corte perpendicular que al paralelo. El cizallamiento paralelo tangencial es donde la probeta es sometida a un corte en dirección paralela a las fibras originando un plano de falla tangente a los anillos de crecimiento. El cizallamiento paralelo radial es donde la probeta es sometida al corte paralelo de las fibras originando un plano de falla perpendicular a los anillos de crecimiento. 2.2. Guadua angustifolia Kunth 2.2.1. Descripción taxonómica CRUZ (1 994) señala que la caña guadua es una gramínea gigante que pertenece a la gran familia del Bambú. Clasificada por Humboldt Bonplant como Bambusa guadua. Existen en especial dos especies muy importantes y tienen una diferencia que se la puede ver a simple vista como son las espinas. Nombre científico : Guadua angustifolia Kunth. Nombre vulgar : Caña brava (con espinas). Caña mansa (sin espinas). 10 2.2.2. Descripción botánica y desarrollo CRUZ (1994) afirma que el bambú crece desde O m.s.n.m hasta 2600 m.s.n.m, con temperaturas muy variables que van desde los 16° C hasta los 36° C, soporta alta humedad ambiental. No es muy exigente en suelo, aunque los prefiere francos, con pH neutros con tendencia a ligeramente ácidos. En general la guadua es cilíndrica hueca, con entrenudos que en la base son cortos y a medida que crece se van alargando. En cada nudo existe una doble raya blanca que sirve para identificar a las guaduas de otro tipo de bambú. Por otro lado, BOTERO (2004) señala que el mejor desarrollo de la especie Guadua angustifolia Kunth., se logra en sitios con altitudes comprendidas entre 1300 y 1500 m.s.n.m., dicho desarrollo está representado en una mayor cantidad de individuos con diámetros elevados y en una mejor resistencia mecánica del bambú. Asimismo, los suelos francos, fértiles y de buen drenaje, ubicados en valles y zonas onduladas de montaña son los de mejor desarrollo de la guadua. La guadua tiene una gran adaptabilidad a diferentes condiciones de clima y suelos, es decir, se adapta a diferentes condiciones ecológicas y ambientales. No obstante, su crecimiento y desarrollo no siempre es igual en todos los sitios, por lo que se puede hablar de calidad de sitios buenos, regulares y malos. 11 El conocimiento de la calidad del sitio, donde crecen los bambusales, es un requisito importante para acertar en su manejo técnico. Los factores que más determinan la calidad de los sitios son los climáticos y edáficos, pero también influye en ello la calidad genética del material de reforestación, el manejo silvicultura! y la influencia antrópica. Una característica muy importante del bambú, es que nace con el diámetro que va a tener de adulto, debido a que no posee cambium por ser una gramínea. Sus raíces son paquimorfas las cuales poseen yemas, las mismas que una vez que la planta alcanza su longitud total se activan y dan origen nuevos brotes o plántulas (CRUZ, 1994). Figura 1. Culmo y brote de caña de Guadua angustifolia Kunth. 12 2.2.3. Descripción general GIRALDO y SABOGAL (1999) señalan que la edad apropiada para el corte es entre los dos y los seis años, es la edad promedio de vida del culmo, de esta edad en adelante la planta pierde resistencia. Las rajaduras o aberturas que suceden cuando no se corta en el estado adecuado, o generadas por agujeros o astillas, constituyen otro punto importante tener en cuenta. Para ejecutar construcciones adecuadas con guadua, es indispensable conocer y ejecutar correctamente el proceso preliminar de cultivo y obtención del material. Existen diversos aspectos de preservación a tener en cuenta por el contenido de almidón y humedad presentes en el bambú. ( \ ' . \ \:\.,. ""\, ~- ' ., \ ""' Figura 2. Pruebas de laboratorio medición de un tipo de guadua. 13 2.2.3.1. Propiedades mecánicas c;:le Guadua angustifolia Kunth. AHMAD (2000) señala que en Colombia la guadua es la especie forestal nativa con mayores posibilidades económicas, xa que su utilización en la construcción y la industria, permiten reducir costos, cuando es empleada como materia prima. Una característica de todo producto de la naturaleza es su variabilidad; la guadua como tal es buen ejemplo de ello. No existen dos pedazos de guadua iguales, aun siendo parte del mismo tallo o caña. Se presentan condiciones del ambiente como son el suelo y el clima que afectan la tasa de crecimiento, así como la estructura, la forma y las propiedades de resistencia. BOTERO (2004) afirma que la Guadua angustifolia Kunth., tiene fibras naturales muy fuertes que la colocan entre las 20 mejores especies de bambúes del mundo. Las propiedades de los culmos de bambú están determinadas por su estructura anatómica y son las características anatómicas del culmo las que en últimas reflejan el uso final de este material. Entre los factores que influyen en la calidad de la guadua están las propiedades físicas; la gravedad o peso específico es buen indicativo por su estrecha relación con la resistencia mecánica, la contracción, el secado, el trabajo y otros muchos usos. La guadua es considerada como un material liviano, de fácil y económico desarrollo. 14 Como punto de partida para el conocimiento de las propiedades físico-mecánicas de esta especie vegetal se realizan pruebas en las que se toman las condiciones de ensayo de las normas colombianas sobre maderas establecidas por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación ICONTEC y las normas de la American Society for Testing and Materials ASTM. Unidades en kglcm2 Módulo de elasticidad a Módulo de elasticidad a Módulo de MATERIAL tracción compresión elasticidad a flexión Guadua Otras maderas 190.000 184.000 179.000 Entre 90.000 y 180.000 Entre 96.000 y169.000 Entre 108.000 y 128.000 En el caso del bambú, las propiedades mecánicas dependen de las características físicas del material que en particular sea utilizado construcción y no corresponden a valores absolutos o comparables con otra:. muestras, ya que las condiciones varían notablemente. Estos gráficos corresponden sólo a un esquema comparativo general ya que casi siempre, para un mismo material sus resistencias pueden variar. Unidades en kg/cm2 Resistencia a Resistencia a Compresión Resistencia a MATERIAL Tracción Perpencfrcular a la fibra Paralelo a la fibra Flexión Guadua 430 560 650 740 Aliso 108 68 357 460 Arboloco Entre 500 y 1500 132 405 390 Otras 1.000 Entre 50 y 144 400 Entre 500 y maderas 720 Figura 3. Propiedades mecánicas de la Guadua angustifolia Kunth. AHMAD (2000) señala que la compresión paralela a las fibras en el caso de la Guadua sp. manifiesta una resistencia menor comparada con la de tensión, comportamiento que se debe a la ausencia de radios medulares y cambium que caracterizan los tejidos presentes en la madera. Presentando un tejido constituido por fibras longitudinales. 15 JANSSEN (2002) alega que uno de los principales inconvenientes que se presenta en especies como la Guadua sp., utilizada como material estructural, ocurre cuando se somete a esfuerzos de tensión y de cizallamiento, dadas las características propias del material, principalmente por la dirección paralela de las fibras en su estructura interna. Con respecto a los ensayos de flexión, GONZÁLEZ y DÍAZ (1992) determinaron los esfuerzos unitarios máximos (MOR), el esfuerzo en el límite proporcional (RLP)· y el módulo de elasticidad (MOE), en las dos especies de guadua (macana y cebolla), utilizando a nivel de laboratorio probetas sometidas a flexión entre 0.5 y 0.8 metros de longitud, encontrándose los siguientes intervalos de confianza para estos parámetros (Cuadro 1 ). Igualmente, MEJÍA (1985), encontró esfuerzos en el límite proporcional (RLP) de 380 Kgf/cm2 y módulos de elasticidad (MOE) de 95,903 Kgf/cm2 en probetas de guadua sometidas a flexión pura, cuyas muestras fueron ·recogidas en la ciudad de Manizales. Cuadro 1. Resistencia de la Guadua angustifolia Kunth. a la flexión. Esfuerzo Esfuerzos unitarios máximos (MOR) Esfuerzos en e'í límite proporcional (RLP) Módulo de elasticidad (MOE) Fuente: GONZALEZ y DÍAZ (1992). Flexión (kg/cm2) 561 +/- 93 371 +/-50 117210 +/- 93 16 Para ensayos de compresión paralela, GONZÁLEZ y DÍAZ (1992) encontraron para guaduas provenientes de Santafé de Antioquia valores de esfuerzos en el límite proporcional (ELP) de 12.38 MPa, y para guaduas provenientes de Risaralda valores de 19.79 MPa. Asimismo, Martín y Mateus (1981), citado por HIDALGO (2003) realizaron ensayos a compresión en guadua castilla, con longitudes de probetas que variaron entre 1 y 2 metros, utilizando la sección basal para guaduas con edades comprendidas entre los 3 y los 5 años y encontraron valores de esfuerzos de rotura mínimo y máximos de 26.46 MPa y 53.9 MPa respectivamente. Por otro lado, JANSSEN (2002) encontró como resistencia última de elementos sometidos a comprensión paralela a la fibra valores promedios de 63.6 MPa. Para los ensayos de compresión perpendicular, LUNA et al. (2013) señalan que tras una investigación se registraron los siguientes valores: Cuadro 2. Esfuerzo al límite proporcional en compresión perpendicular (kg/cm2) en Guadua angustifolia Kunt. Zona del País Parte de la guadua Zona A Zona B Zona C Inferior 8 11 15 Media 20 20 20 Superior 20 20 20 Total 48 51 55 Fuente: LUNA et. al. (2013). 17 Por último, para los ensayos de cizallamiento, CHEATLE y LÓPEZ (2002) basados en la norma dada por el INBAR (The lnternational Network for Bamboo and Rattan, 1999), encontraron un valor de esfuerzo admisible promedio de 6.87 MPa y 53.5 MPa para elementos de la especie como la Guadua sp., sometidos a cizalladura y tensión paralela respectivamente. De igual manera GONZÁLEZ Y DÍAZ (1992) determinaron para elementos de dicha especie provenientes de Antioquia y Risaralda, sometidos a cizalladura, esfuerzos promedios de 5.78 MPa y de 7.74 MPa. También, CASTRILLÓN y MALAVER (2004), para elementos de Guadua sp., sometidos a cizalladura registraron valores promedios de 7.84 MPa y en tensión paralela a la fibra de 91.87 MPa. GHAVAMI (2004) observó que el esfuerzo de compresión y esfuerzo de cizallamiento son bajos en los nudos. Esto debido a la irregularidad de las fibras, causada por la disposición de las células. Concluye que los mejores esfuerzos a la flexión y módulo de elasticidad, se obtienen en el tope de los culmos esto debido a la alta concentración de haces vasculares y poco parénquima. 111. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1. Ubicación del experimento La investigación se llevó a cabo en el Laboratorio de Tecnología de la Madera de la Facultad de Ciencias Forestales de la Universidad Nacional de Ucayali, ubicada en la ciudad de Pucallpa, en la Carretera Federico Basadre Km 6. 3.2. Ubicación política Se observa la ubicación política donde se realizó la extracción de culmos, secado de probetas y ensayos mecánicos (Cuadro 3). Cuadro 3. Ubicación política. Extracción de culmos y Ubicación Ensayos mecánicos secado de las probetas Región Huánuco Ucayali Provincia Leoncio Prado Coronel Portillo Distrito Rupa Rupa Yarinacocha Fuente: Elaboración propia. 19 3.3. Ubicación geográfica Se observa la ubicación geográfica donde se realizaron la extracción de culmos, secado de probetas y ensayos mecánicos (Cuadro 4 ). Cuadro 4. Ubicación geográfica. Coordenadas geográficas Latitud Longitud Altitud Provincia Leoncio Prado 09° 18' 00" Sur 76° O 1 ' 00" Oeste 660 m.s.n.m. Provincia Coronel Portillo 08° 23' 06" Sur 74° 31' 00" Oeste 154 m.s.n.m. Fuente: Estaciones Meteorológicas de José Abelardo Quiñones (Tingo María) y de la Universidad Nacional de Ucayali (Pucallpa). 3.3.1. Características climáticas Según la Estación Meteorológica José Abelardo Quiñones, la provincia de Leoncio Prado donde se realizó la extracción de culmos y secado natural de las probetas presenta las características climáticas:· - Temperatura máxima (°C) - Temperatura mínima (°C) - Temperatura media CC) :29.4 : 18.6 :24.0 - Precipitación promedio (mm) : 3,200 20 Se observan los datos de temperatura (0 C) y humedad relativa (%) obtenidos de un reloj ambiental colocado en el local donde se realizaron las evaluaciones de secado. Los datos de precipitación (mm) fueron obtenidos de .la Estación Meteorológica José Abelardo Quiñones (Cuadro 5). Cuadro 5. Datos climáticos durante el período de evaluación. Parámetros Evaluaciones Humedad Temperatura (°C) relativa (%) Precipitación (mm) 18/12/2014 27.4 71.0 4.2 . 19/12/2014 30.3 54.0 7.2 20/12/2014 25.5 74.0 93.0 22/12/2014 26.4 72.0 29.4 24/12/2014 31.5 51.0 0.0 26/12/2014 26.4 72.0 26.1 28/12/2014 25.8 76.0 63.0 30/12/2014 28.7 59.0 14.7 01/01/2015 28.9 60.0 45.0 03/01/2015 31.2 51.0 13.2 10/01/2015 27.9 68.0 0.9 17/01/2015 32.7 47.0 0.0 24/01/2015 27.8 67.0 0.6 31/01/2015 29.5 60.0 3.6 07/02/2015 25.3 75.0 3.0 14/02/2015 27.2 72.0 3.9 21/02/2015 27.2 56.0 5.7 Fuente: Elaboración propia y Estación Meteorológica José Abelardo Quiñones (Tingo María). 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 o~~~~~~~~~~ Día Día Día Día Día Día Día Día Día Día Día Día Día Día Día Día Día o 1 2 4 6 8 10 12 14 16 23 30 37 44 51 58 65 -Temperatura rq -Humedad relativa (%) -Precipitación (mm) Figura 4. Curva de principales parámetros climáticos durante el secado. 3.4. Materiales, insumos y equipos 21 - Culmos de la especie Guadua angustifolia Kunth, con dimensiones de acuerdo a las normas de los ensayos a evaluar. - Los materiales y herramientas empleados fueron: 03 machetes, 02 sogas de 1" de 15 y 20 metros respectivamente, plásticos, 02 cintas métricas de 30 metros, 02 cintas de costurero, 02 correctores, 02 bolígrafos, 02 plumones tinta indeleble, lima para afilar cadena, 02 cintas de embalaje, un par de guantes de cuero, un par de guantes de virutex, formatos para descripción de las matas y cañas de bambú, formularios de evaluación de las propiedades mecánicas; libreta de 22 campo, 01 jeringa descartable de 1 O mi, 01 botella de 2,25 litros, 01 rociador y 01 reloj ambiental. - Los insumes empleados fueron: 01 cojín de aceite Shell ADVANCE Sx de dos tiempos, 1/3 de galón de gasolina, 01 bolsa de Tifon de 2.5 PS, 01 frasco de Cyperklin 25 y 1/3 de galón de petróleo. Los equipos empleados fueron: motosierra Sthil Ms 250, tractor agrícola, furgoneta, sierra cinta de carpintero, arco de sierra marca Kamasa modelo 106, balanza digital con precisión de 3 gramos con capacidad 6000 gramos, brújula marca Suunto, modelo KB 14; GPS marca Garmin, modelo MAP 60 CSX, cámara digital, el equipo de cómputo; programa estadístico SPSS; prensa universal marca Thinius Olsen con capacidad de 30 toneladas; Vernier digital marca Mitutoyo, modelo 500, error+/- 0.001, Medición pulg/mm y Balanza BCE- 30. 3.5. Metodología 3.5.1. Ubicación de las matas El lugar de ubicación de las matas fue la del Fundo de la Facultad de Agronomía, perteneciente a la Universidad Nacional Agraria de la Selva, debido a que presentaba más de siete matas en toda el área, lo que era un requisito indispensable para la investigación. Las coordenadas UTM del fundo de Agronomía son: 23 - Este :390407 - Norte :8969989 3.5.2. Selección de las matas Para la colecta del material se siguió las recomendaciones de la NTC 5525, referida a la selección y colección de muestras destinadas al estudio de propiedades físicas y mecánicas de la madera. La selección de las matas se realizó con la ayuda de una persona calificada quien puede identificar las especies de bambú. La selección de las matas se procedió con el llenado del formato de descripción de la mata, la cual consiste en observar el número de cañas (verdes, maduras y sobremaduras), número de brotes, circunferencia de la mata, estado físico y fitosanitario, entre otros (Figura 5). Figura 5. Llenando el formato de descripción de la mata. 24 3.5.3. Selección de culmos Después de seleccionar las matas, se procedió a seleccionar los culmos maduros de bambú, que deben estar libres de defectos, además de ser representativas de cañas de bambú dominantes promedio de la ubicación. Se descartaron los bambúes quebrados, dañados y descoloridos (ISO 22.157- 1, 2004). Los culmos de bambú fueron cortados en período menguante, determinándose posteriormente la circunferencia a distintas alturas, la orientación del norte magnético, la altura total, número de nudos y la distancia entre nudos (Figura 6). Figura 6. Determinando la altura total del culmo. 25 3.5.4. Obtención de culmos La recolección de los culmos muestras, se realizó partiendo del hecho que las variaciones entre culmos son más significativas que la variación dentro del mismo culmo, por lo tanto se tomaron más culmos muestras y menos muestras de cada culmo (ISO 22.157- 1, 2004). Antes de cortar el culmo, se procedió a limpiar el área de trabajo, cortando la mala hierba adyacente a la mata de bambú, para facilitar la toma de datos del culmo y seccionar el culmo en tres partes (Figura 7). Figura 7. Limpieza del área de trabajo. 3.5.5. Corte de culmos La guadua madura, es la que tiene de 4 a 5 años de edad, y se reconoce porque tiene ausencia de hoja caulinar, hay presencia de follaje y sobre 26 el·tallo hay presencia de manchas de algas en buena cantidad. Con la motosierra Sthil Ms 250 se procedió a cortar los siete culmos en estado maduro de acuerdo a las especificaciones en la NTC 549-03. El técnico se dispuso a cortar la caña haciendo un primer corte a 20 cm del suelo y el segundo corte a 5 ó 7 cm del primer corte (Figura 8). Cuando se realizó los dos cortes, se amarró al culmo una sección de un bambú con una soga de 1" y de 15 metros en forma perpendicular al culmo, entonces se colocó una persona a ambos lados del culmo y se procedió a cargar el culmo hacia el lugar donde se iba a tomar las dimensiones. 2doJ corte Só7cm 1 l.er corte 20cm l Figura 8. Corte del culmo de Guadua angustifolia Kunth. Una vez cortado el culmo se codificó con corrector y luego utilizando cinta métrica, a cada uno se le determinó sus características dasométricos, tales 27 como: atura del tocón, longitud total del culmo, número total de nudos e internudos, longitud hasta 1 O cm de diámetro, número de nudos e internudos hasta 10 cm de diámetro, altura útil (hasta 8 cm de diámetro) y altura hasta inicio de ramas o brotes. Luego las muestras se seccionaron en tres partes (base, medio y ápice) teniendo en cuenta la altura útil determinada (Figura 9). Cada sección del culmo fue codificado con corrector. Figura 9. Corte del culmo de Guadua angustífolia Kunth. en tres partes. Las secciones de los .culmos amarrados con una soga de 1" y de 20 metros, fueron transportados desde el fundo hasta al Laboratorio Taller de ' Aprovechamiento y Maquinaria Forestal con ayuda del tractor agrícola donde se acomodó las secciones en forma horizontal (Figura 10). 28 Figura 10. Acomodo de culmos de Guadua angustifolia Kunth. en el Laboratorio Taller de Aprovechamiento y Maquinaria Forestal. 3.5.6. Obtención de las probetas Norma 549-03, sugiere convertir los trozos obtenidos del corte del culmo en latas. De cada nivel de altura (base, medio y ápice) de los culmos maduros se obtuvieron ocho probetas, dos para cada prueba (flexión estática, compresión paralela a la fibra, compresión perpendicular a la fibra, cizallamiento paralelo a la fibra). Al momento de obtener las probetas, se tuvo en cuenta que también se deberían obtener probetas para determinar las propiedades físicas y las características macroscópicas, debido a que se buscaba a realizar también una caracterización de la Guadua angustifolia Kunth., junto a dos tesistas más. 29 Se trabajó en orden comenzando por la sección base del culmo 1 , seguido de la sección media del culmo 1 y la sección ápice del culmo 1, así sucesivamente hasta terminar con la sección ápice del culmo 7; para la obtención de las probetas se empleó la motosierra Sthil Ms 250, la sierra cinta y el arco de sierra. Todas las probetas fueron dimensionadas adecuando al trabajo, según la NTC 5525, para los cálculos se utilizaron las fórmulas descritas en la norma ASTM O 143-94. Una vez dimensionadas las probetas, se codificaban al instante, para evitar errores y confusiones (Figura 11 ). 1 L_ Figura 11. Codificación de probetas de Guadua angustifolia Kunth. 30 '50 in1 ' .-.. ! ' Figura 12. Probetas para ensayo de flexión. Figura 13. Probetas para ensayo de compresión paralela al grano. 31 l 1 d. Figura 14. Probetas para ensayo de compresión perpendicular al grano. 1.25 Cnt S cm Figura 15. Probetas para ensayo de cizallamiento. 32 Se observan la cantidad de probetas por nivel de altura del culmo y por ensayo mecánico. En cada ensayo mecánico se registraron seis probetas y por nivel de altura del culmo se registraron ocho probetas, que hace un total de 24 probetas obtenidas de un culmo (Cuadro 6). En la investigación se utilizaron siete culmos de siete matas distintas que al multiplicar por las 24 probetas obtenidas de un culmo, hacen un total de 168 probetas. Cuadro 6. Número de probetas/culmo. No Probetas/Propiedad mecánica Nivel de altura del Compresión Compresión Cizallamiento Flexión No total de culmo estática paralela a perpendicular paralelo a la probetas/altura la fibra a la fibra fibra Base 2 2 2 2 8 Medio 2 2 2 2 8 Ápice 2 2 2 2 8 Total 6 6 6 6 24 Fuente: Elaboración propia. 3.5.7. Acondicionamiento de las probetas Se acondicionó el segundo piso del local ubicado en la Av. Amazonas No 316 para colocar las probetas. Se colocó tablas sobre ladrillos para apoyar las probetas para que no estén en contacto con el suelo; además sobre 33 una mesa se colocó una balanza digital con capacidad de 6000 gramos y en la pared se colocó un reloj que determinaba la temperatura y la humedad relativa. Una vez ambientado el lugar, se trasladaron las probetas desde el Laboratorio Taller de Aprovechamiento y Maquinaria Forestal hacia el local mencionado. Las probetas obtenidas, se secaron al aire, la cual se logró con el tiempo, en condiciones naturales no controladas, se realizó bajo cubierta, con las probetas separadas entre sí hasta alcanzar el contenido de humedad de equilibrio (Figura 16). El contenido de humedad (CH) mínimo que se logra con éste método es de 12% a 14% (NTC 5301). Figura 16. Acondicionamiento de probetas. 34 Una vez acondicionado las probetas en el lugar, se procedió al primer pesado de las probetas, comenzando por las probetas de flexión y terminando por las probetas de cizallamiento (Figura 17). Posteriormente escogí tres probetas por ensayo (uno por cada nivel), las cuales eran de más diámetro para determinar sus dimensiones (altura, circunferencia y diámetro), haciendo una marca en el lugar de la toma de medidas. Figura 17. Pesado de probetas. La metodología para determinar el peso durante el secado de las probetas fue de la siguiente manera: el registro de pesos y dimensiones se determinaron los tres primeros días, luego cada dos días (durante dos semanas) y por último un día a la semana hasta obtener peso constante. 35 En el secado natural hubo varios percances, tales como: rotura y deformación de las probetas, mayormente en las probetas de menor tamaño como las elaboradas para los ensayos de compresión perpendicular a las fibras y para los ensayos de cizallamiento. La rotura y deformación de las probetas ocurrieron por la pérdida rápida de humedad, para lo cual se tuvo que envolver con cinta de embalaje (Figura 18). Figura 18. Embalado de probetas. Posteriormente, fue la aparición de gorgojos los que afectaron a las probetas, para el cual en primer lugar se espolvoreó Tifón (insecticida) durante una semana (Figura 19). 36 .. ,,.. ~ Figura 19. Aplicación del insecticida Tifón 2.5 PS en probetas. Dada la resistencia del ataque, se adicionó Cyperklin 25 mezclado con agua con ayuda de un rociador durante una semana (Figura 20) . .. Figura 20. Aplicación del insecticida Cyperklin 25 en probetas. 37 Al no encontrar resultados y al ser constante el peso de las probetas se procedió a aplicar petróleo durante una semana con la ayuda de un rociador (Figura 21). Figura 21. Aplicación de petróleo en probetas. 3.5.8. Realización de ensayos Cuando las probetas registraron un peso constante, se coordinó con el jefe y con el encargado del Laboratorio de Tecnología de la Madera de la Facultad de Ciencias Forestales de la Universidad Nacional de Ucayali, para trasladar las probetas hacia la ciudad de Pucallpa. Después de haber trasladado las probetas a la ciudad de Pucallpa, se procedió a trasladar las probetas desde la empresa donde se realizó el envío hacia el Laboratorio de Tecnología de la Madera. 38 Posteriormente, se procedió a acomodar las cajas en el Laboratorio de Anatomía de la Madera al estar ocupado el Laboratorio de Tecnología de la Madera. Asimismo se procedió a determinar con vernier las dimensiones de los diámetros externos e internos en probetas de flexión (sección superior e inferior) y en probetas de compresión paralela (en sección superior), mientras que en cizallamiento se determinó espesor y altura, en probetas de compresión perpendicular se determinó la circunferencia de la probeta y posteriormente el área de contacto entre la placa metálica y la probeta, la cual se registró utilizando un vernier (Figura 22). FLEXION Sección supeñor +Diámetro externo +Diámetro interno Sección inferior Ancho del área de contado de la placa metánca Espesor de la placa metálica = 1.28 COMPRESION PERPENDICULAR COMPRESION PARALELA +Diámetro externo + Diámetro interno - Altura de probetas - Espesor de probetas CIZALLAMIENTO Figura 22. Forma de determinar las dimensiones de las probetas. 39 Figura 23. Determinando las dimensiones de las probetas. Por último se promediaron las mediciones de las probetas, se elaboró una base de datos en el Microsoft Excel, se imprimió y se le facilitó al encargado del Laboratorio de Tecnología de la Madera, quien antes de realizar ' los ensayos, insertaba el código de la probeta a ensayar y los promedios de las mediciones al programa, luego se realizaba el ensayo y el programa automáticamente determinaba el área que recibió la carga y los cálculos de cada ensayo. 3.5.8.1. Ensayo de flexión El tamaño de las probetas están dadas por la NTC 5525, antes mencionado. Para realizar el ensayo se colocan en la prensa el soporte y el 40 cabezal de flexión, la cual tuvo una velocidad de ensayo sobre la probeta de 2,5 mm/min (Figura 24). Todas las probetas se ensayaron con normalidad. Figura 24. Realizando el ensayo de flexión. Para los cálculos se aplicaron las fórmulas de la norma ASTM D 143- 94: 3.5.8.1.1. Cálculo del esfuerzo unitario en el límite proporcional Para el cálculo se aplicó la fórmula (1) siguiente: 1.5 XL X P1 ELPF = 2 ...... (1) bxe 41 Siendo: ELPF : El esfuerzo unitario en limite proporcional en kg/cm2 P1 : La carga en el límite proporcional, kilogramo L : Luz de la probeta cm b : Ancho de la probeta en cm e : Espesor de la probeta en cm 3.5.8.1.2. Cálculo del esfuerzo unitario máximo (Modulo de ruptura) Para el cálculo se aplicó la fórmula (2) siguiente: 1.5 XL X P2 MORF = 2 ...... (2) bxe Siendo: MORF : El esfuerzo unitario máximo en kg/cm2 P2 : La carga máxima obtenida en kilogramo fuerza L : Luz de la probeta cm b : Ancho de la probeta en cm 42 e : Espesor de la probeta en cm 3.5.8.1.3. Cálculo del módulo de elasticidad Para el cálculo se aplicó la fórmula (3) siguiente: 0.25 X L3 X Pl MOEF = 3 •••••• (3) bxe xL1 Siendo: MOEF :El módulo de elasticidad en kg/cm2 : La deflexión en límite de proporcionalidad (ajustado en el gráfico) en cm P1 : La carga en el límite proporcional, kilogramo L : Luz d;; la probeta cm b : Ancho de la probeta en cm e : Espesor de la probeta en cm 3.5.8.2. Ensayo de compresión paralela a la fibra El tamaño de las probetas están dadas por la NTC 5525, antes mencionado. Para realizar el ensayo se colocan en la prensa el plato para 43 compresión paralela, la cual va tuvo una velocidad de ensayo sobre la probeta de 0,6 mm/min (Figura 25). Todas las probetas del nivel base presentaban un nudo; una probeta del nivel medio presentó un nudo (86MCPa1), mientras que todas las probetas del nivel ápice no presentaron nudo. Cinco probetas no se ensayaron porque presentaban rajaduras propias del secado, las cuales son: 81 MCPa2, B2MCPa2, 83MCPa2., 83ACPa2 y 85ACPa2. ----- --· ---·- ---- --------- ----------- -------' Figura 25. Realizando el ensayo de compresión paralela. 3.5.8.2.1. Cálculo del esfuerzo en límite proporcional Para el cálculo se aplicará la fórmula (4) siguiente: 44 Pl EFLPP = , ...... (4) Area de corona Siendo: EFLPP : Esfuerzo del límite proporcional en kg/cm2 P1 : La carga en límite proporcional, en kilogramo Área de corona : Área de la corona de la probeta donde se aplica la carga, en 3.5.8.2.2. Cálculo de esfuerzo de rotura en compresión paralela Para el cálculo se aplicará la fórmula (5) siguiente: P2 ERP = , ...... (S) Area de corona Siendo: ERP :El módulo de ruptura, en kg/cm2 P2 : La carga máxima soportada por la probeta, en kilogramos Área de corona : Área de la corona de la probeta donde se aplica la carga, en 45 3.5.8.2.3. Cálculo del módulo de elasticidad Para el cálculo se aplicará la fórmula (6) siguiente: L x Pl MOEP = , ...... (6) Area de corona x !1 Siendo: MOEP : El módulo de elasticidad, en kg/cm2 P1 : La carga en el límite proporcional, obtenida del grafico en kilogramos L : La distancia en centímetros entre las abrazaderas : La deflexión en el límite proporcional, obtenido del grafico en cm 3.5.8.3. Ensayo de compresión perpendicular a la fibra El tamaño de las probetas están dadas por la NTC 5525, antes mencionado. Para realizar el ensayo se colocan en la prensa el plato diametral, la cual tuvo una velocidad de ensayo sobre la probeta de 0,3 mm/min (Figura 26}. Debido al mayor diámetro de las probetas del nivel base y medio, se mandó a fabricar un plato diametral más grande. La probeta B1ACPe1 no se ensayó porque presentaba rajaduras propias del secado. 46 Figura 26. Realizando el ensayo de compresión perpendicular. 3.5.8.3.1. Cálculo del esfuerzo al límite proporcional Siendo: Para el cálculo se aplicará la fórmula (7) siguiente: P1 ELP = -b - ...... (7) xe ELP : La resistencia al límite proporcional en kg/cm2 P1 : La carga en límite proporcional, obtenida del diagrama, en kg b : Ancho de la probeta en cm 47 e : Espesor de la placa metálica, en cm 3.5.8.4. Ensayo de cizallamiento El tamaño de las probetas están dadas por la NTC 5525, antes mencionado. Para realizar el ensayo se colocan en la prensa el equipo de cizallo, la cual tuvo una velocidad de ensayo sobre la probeta de 0,6 mm/min (Figura 27). ,. 1 '', •' 1 } ,,. " ~ Figura 27. Realizando el ensayo de cizallamiento. Debido al mayor diámetro de las probetas del nivel base y medio, se solicitó al Instituto Tecnológico el préstamo de un equipo de cizallo más grande, para de esta forma realizar los ensayos de todas las probetas. 48 En el nivel base se ensayaron once probetas (tres probetas estaban rotas o deformadas), en el nivel medio se ensayaron siete probetas (siete probetas estaban rotas o deformadas) y en el nivel ápice se ensayaron seis probetas (ocho probetas estaban rotas o deformadas). 3.5.8.4.1. Cálculo del esfuerzo de rotura por cizallamiento Para el cálculo se aplicaron la fórmula (8) siguiente: CM ERZ = -b- ...... (8) XL Siendo: ERZ : Esfuerzo de rotura por cizallamiento expresado en kilómetros CM : Carga máxima soportada por la probeta, en kg b : Ancho de la sección de cizallamiento en cm L : Largo de la sección de cizallamiento en cm 3.5.9. Determinación del contenido de humedad de las probetas ensayadas Después de haber realizado todos los ensayos, se utilizó el método de las pesadas o de la estufa, la cual consiste en pesar muestras húmedas (PH) 49 de seis probetas por ensayo (dos probetas por nivel) para secarla a en una estufa a una temperatura de 103 ± 2 oc por 48 horas y volverla a pesar (PSH) para determinar el contenido de humedad (Figura 28 y Figura 29). La fórmula (9) para determinar el contenido de humedad, según ANANfAS (2002) es: PH- PSH CH% = ( PSH ) ...... (9) Siendo: PH : Peso húmedo, en gramos PSH : Peso seco al horno, en gramos \ / t ,. \ ,~' ',, ··t*-~ j .~.---~ --~---""'" ___ ../ __ _ =--- ~~- - - - ~ ............. . , . BCE·30 ! w ---- ' -.J . =.-:: ,,__ / Figura 28. Pesado de las probetas después de los ensayos. 50 Figura 29. Secado de las probetas en la estufa. 3.5.10. Procesamiento de datos Los datos obtenidos de los ensayos mecánicos, se integraron con respecto a la media y al coeficiente de variación (Cuadro 7), se realizaron en primer lugar la prueba de homogeneidad, para observar la distribución de los datos, si estos presentaban distribución normal se realizaba el análisis de varianza y prueba Duncan y si no presentaban distribución normal se realizaba la prueba no paramétrica de Kruskall Wallis, con la finalidad de determinar si existfan diferencias significativas. Se utilizó el programa SPSS, estableciendo para el análisis de Jos datos de los tipos de muestra con respecto a las propiedades mecánicas. Cuadro 7. Formato para los resultados de los ensayos mecánicos. Nivel de altura Base Medio Ápice Total No probetas ensayadas 14 14 14 42 Media* (kg/cm2) *Media con la misma letra no son significativamente diferentes P<0.05. Coeficiente de variación (%) 51 IV. RESULTADOS 4.1. Determinación de la variabilidad a la flexión estática, del culmo maduro de Guadua angustifo/ia Kunth, a diferentes niveles de altura Para los ensayos de flexión (cálculos del esfuerzo unitario en el límite proporcional, módulo de ruptura y módulo de elasticidad) se consideró como luz de probeta a la distancia entre los soportes de flexión la cual fue de 46 centímetros. 4.1.1. Cálculo del esfuerzo unitario en el límite proporcional Los resultados mostraron 31.32% mayor esfuerzo unitario en el límite proporcional en nivel ápice que en e! nivel base y 10.06% mayor esfuerzo en nivel ápice que en el nivel medio; los datos presentan distribución normal y no indican diferencias significativas en los tres niveles de altura. Asimismo, las probetas del nivel base presentaron mayor variabilidad con 48.86%, secundado de las probetas del nivel ápice con 48.02% de variabilidad y seguida de las probetas del nivel medio con 38.64% de variabilidad. Para determinar este cálculo se consideraron el 100% de las probetas (42 probetas), ya que durante el secado natural, las probetas elaboradas para flexión resistieron a la pérdida rápida de la humedad y no hubo ·. 53 ni contracciones ni deformaciones; lo que sr se observaron fueron algunas grietas en las probetas pero no fueron motivo para ser descartadas y se ensayaron con normalidad (Cuadro 8 y Figura 30). Cuadro 8. Esfuerzo unitario promedio en el Hmite proporcional en flexión. Nivel de No probetas Media* altura ensayadas (kg/cm2) Base 14 54.57 a Medio 14 71.54 a Ápice 14 79.46 a *Media con la misma letra no son significativamente diferentes P<0.05. iCI. ~ w .... 80.000 75,000 70,000 ; 65.000 :; 60.000 ss.ooo so.ooo Mo(80 Nivel Coeficiente de variación (%) 48.86 38.64 48.02 Figura 30. Esfuerzo unitario promedio en el límite proporcional en flexión. 54 4.1.2. Cálculo del esfuerzo unitario máximo (Módulo de ruptura) Los resultados mostraron 19.38% mayor esfuerzo en nivel medio que en el nivel base y 6.24% mayor esfuerzo en nivel medio que en el nivel ápice; los datos no presentan distribución normal y no indican diferencias significativas en los tres niveles de altura. Asimismo, las probetas del nivel ápice presentaron mayor variabilidad con 44.00%, secundado de las probetas· del nivel base con 33.56% de variabilidad y seguida de las probetas del nivel medio con 19.91% de variabilidad. Para determinar este cálculo se consideraron el 100% de las probetas (42 probetas), ya que durante el secado natural, las probetas elaboradas para flexión resistieron a la pérdida rápida de la humedad y no hubo ni contracciones ni deformaciones; lo que sí se observaron fueron algunas grietas en las probetas pero no fueron motivo para ser descartadas y se ensayaron con normalidad (Cuadro 9 y Figura 31 ). Cuadro 9. Esfuerzo unitario máximo promedio (MORF) en flexión. Nivel de No probetas Media* Coeficiente de variación altura ensayadas (kg/cm2) (%) Base 14 172.48 a 33.56 Medio 14 213.94 a 19.91 Ápice 14 200.61 a 44.00 *Media con la misma letra no son significativamente diferentes P<0.05. 220,000 210,ooo- g 200,000 :!E ~ e: "' Gl :!E 190,00 160.000 170,000 Medio Ápice Nivel Figura 31. Esfuerzo unitario máximo promedio (MORF) en flexión. 4.1.3. Cálculo del módulo de elasticidad 55 Los resultados mostraron 81.53% mayor módulo de elasticidad (MOEF) en nivel ápice que en el nivel base y 44.60% mayor módulo de elasticidad en nivel ápice que en el nivel medio; los datos no presentan distribución normal y existen diferencias significativas en los tres niveles de altura. Asimismo, las probetas del nivel base presentaron mayor variabilidad con 55.99%, secundado de las del nivel ápice con 52.93% de variabilidad y seguida de las del nivel medio con 31.47% de variabilidad. Para determinar este cálculo se consideraron el 100% de las probetas (42 probetas), ya que durante el secado natural, las probetas elaboradas para flexión resistieron a la pérdida rápida de la humedad y no hubo 56 ni contracciones ni deformaciones; lo que sí se observaron fueron algunas grietas en las probetas pero no fueron motivo para ser descartadas y se ensayaron con normalidad (Cuadro 10 y Figura 32). Cuadro 10. Módulo de elasticidad promedio (MOE) en flexión. Nivel de No probetas Media* Coeficiente de variación altura ensayadas (kg/cm2) Base 14 16,237.36 a Medio 14 48,713.87 b Ápice 14 87,930.24 e *Media con la misma letra no son significativamente diferentes P<0.05. 100000,000 ~ 60000,000 1 ::¡¡ '5 e .. ~ 40000,000 1 ¡ i 20000,000 : (%) 55.99 31.47 52.93 ,000 1, ~~------.-----------.-----------~------~ 6osc Medio Áplee Nivel Figura 32. Módulo de elasticidad promedio (MOE) en flexión. 57 4.2. Determinación de la variabilidad a la compresión paralela y perpendicular, del culmo maduro de Guadua angustifolia Kunth, a diferentes niveles de altura 4.2.1. Compresión paralela 4.2.1.1. Cálculo del esfuerzo al límite proporcional Los resultados mostraron 31.41% mayor esfuerzo al límite proporcional en nivel ápice que en el nivel base y 33.21% mayor esfuerzo en nivel ápice que en el nivel medio; los datos no presentan distribución normal y no indican diferencias significativas en los tres niveles de altura. Asimismo, las probetas del nivel base presentaron mayor variabilidad con 68,41 %, secundado de las del nivel ápice con 64,99% de variabilidad y seguida de las del nivel medio con 55,41% de variabilidad. Se consideraron el 85.71% del total de probetas, debido a problemas durante el secado natural (deformaciones y contracciones) (Cuadro 11 y Figura 33). Cuadro 11. Esfuerzo promedio al límite proporcional en compresión paralela. Nivel de Media* Coeficiente de No probetas ensayadas altura (kg/cm2) variación (%) Base 13 197.04 a 68.41 Medio 10 194.71 a 55.41 Ápice 13 291.54 a 64.99 *Media con la misma letra no son significativamente diferentes P<0.05. Q. ..... 300,000 280,000 260,000 w ' ~ 240000-c . ' .. CD ::¡¡: 220,000 200,000 180,000 58 Base Medio Ápice Nivel Figura 33. Esfuerzo promedio al límite proporcional en compresión paralela. 4.2.1.2. Cálculo del esfuerzo de rotura en compresión paralela Los resultados mostraron 34.95% mayor esfuerzo en nivel ápice que en el nivel base y 27.55% mayor esfuerzo en nivel ápice que en el nivel medio; los datos presentan distribución normal y no indican diferencias significativas en el nivel base con el nivel medio, pero sí en el nivel ápice. Asimismo, las probetas del nivel base presentaron mayor variabilidad con 34,45%, secundado de las del nivel medio con 28,19% de variabilidad y seguida de las del nivel medio con 19,63% de variabilidad. Se consideraron el 85,71% del total de probetas, debido a problemas durante el secado natural (deformaciones y contracciones). 59 Para determinar el esfuerzo promedio de rotura en compresión paralela se requería que las probetas estuvieran sin ningún defecto, sin presencia de grietas y/o rajaduras que puedan mermar la investigación al obtener datos anormales e imprecisos (Cuadro 12 y Figura 34). Cuadro 12. Esfuerzo promedio de rotura en compresión paralela. Nivel de Media* No probetas ensayadas altura (kg/cm2) Base 13 283.98 a Medio 10 316.27 a Ápice 13 436.53 b *Media con la misma letra no son significativamente diferentes P