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INTRODUCCIÓN
La demanda en el uso de materiales sostenibles, eficaces y que sean duraderos, pero al mismo tiempo respetando al medio ambiente, considerando que se fabrican a partir de recursos naturales, se ha convertido en una exigencia progresiva de la sociedad. Es así que hoy en día se busca materiales de rápida renovación para la construcción teniendo como uno de los principales objetivos del diseño sostenible la transformación del proceso lineal en la industria de la construcción a un proceso cíclico en que los productos y los materiales puedan ser reutilizados, recuperados y reciclados. Entre los materiales de rápida renovación están: Cáñamo, Linaza, Soja, Álamo, Coco, Girasol, Corcho, Caucho, Lana, Bambú, Algodón, Agro-fibras. El cáñamo tiene múltiples usos por su resistencia superior a otras agro-fibras, en algunas aplicaciones in-situ en la construcción en se combina con cal para enlucidos y losas de hormigón. La soja se utiliza como aislamiento térmico en espuma proyectada (poliuretano ecológico) compuesta por plástico reciclado y aceite de soja [1, 2].
Uno de estos materiales sostenibles es el roble. El término roble se utiliza para referirse a muchas especies de árboles del género Quercus, nativo del hemisferio norte, y ocasionalmente también a especies de otros géneros de la misma familia (Fagaceae) o incluso de otras familias, como en el caso de algunas especies sudamericanas de Nothofagus (fam. Nothofagaceae) [3].
La madera de roble presenta la fibra recta, el grano grueso y en ella se puede distinguir claramente la albura del duramen. El serrado es difícil pero el desgaste de las sierras es normal. El secado debe ser lento y delicado, ya que existe el riesgo de que aparezcan fendas superficiales. Esta madera es durable contra la acción de los hongos, pero sensible a los anobios, líctidos y cerambícidos, y medianamente durable a las termitas [4].
El roble presenta buenas aptitudes para la obtención de chapa a la plana si se vaporiza previamente, y no presenta problemas para el encolado. La madera de esta especie de roble se utiliza en carpintería interior, mobiliario, traviesas y obras hidráulicas, y antiguamente fue muy utilizada en catedrales góticas y en construcción naval. También es una madera que se emplea en botería para elaborar vino de calidad, siendo equiparable a los robles de procedencia francesa o americana [5]
La madera presenta defectos y cambios de propiedades con la humedad [3]. Es por ello que es necesario la caracterización mecánica y térmica de esta serie de materiales, para saber con seguridad sus propiedades. La realización de gran número de ensayos permite determinar con exactitud las propiedades de la madera y, al mismo tiempo, conocer el comportamiento de la variabilidad. Desde un punto de vista tecnológico esto nos permite controlar mejor las propiedades del material y diseñar procesos productivos para obtener productos de calidad homogénea.
La dureza, la higroscopicidad, la contracción volumétrica y el coeficiente de contracción volumétrica generalmente son las propiedades con mayor variabilidad, por lo que hay que tenerlo en cuenta enla caracterización [3].
El presente estudio tiene por objeto la caracterización térmica y mecánica de roble de las provincias de Loja, Manabí y el Oro. Los resultados se han obtenido mediante un análisis estadístico; ensayos térmicos y mecánicos realizados con probetas del material libre de defectos y bajo normas internacionales ASTM, ISO y normas nacionales INEN.
MATERIALES Y MÉTODOS
En este apartado se van a exponer la metodología de ensayo de la conductividad térmica, contenido de humedad, y la caracterización mecánica, que incluyen la resistencia a la compresión paralela a la fibra de la madera, comprensión perpendicular a la fibra de la madera, resistencia a la flexión y resistencia a la tracción.
Se realizaron ensayos térmicos y mecánicos con probetas de madera dura roble. Para la madera dura roble se lo obtuvo de tres diferentes provincias del Ecuador de la región Costa: Manabí, El Oro y de la Región Sierra: Loja ya que su habita se encuentra en hondonadas de bosque seco. Crece entre los 0-500 msnm [6].
Para la adquisición del Roble se tuvo que hacer un sondeo en las diferentes regiones del país dando como resultado la adquisición de ejemplares en los distintos aserraderos de la región costa: El Oro, Manabí y de la región sierra Loja. Para los ensayos térmicos se utilizaron 9 probetas: 3 probetas de El Oro, 3 probetas de Manabí y 3 probetas de Loja. Para los ensayos mecánicos se necesitaron 60 probetas las cuales de dividieron para los diferentes ensayos de Compresión Paralela, Compresión Perpendicular, Flexión y Tracción, de tal forma que su utilizaron 5 para cada ensayo.
A continuación, se detalla la metodología de ensayo:
Ensayos térmicos
Para poder medir los ensayos de conductividad térmica del roble se utilizó la máquina térmica de placa caliente del laboratorio de ensayos térmicos y eficiencia energética de la Escuela Politécnica del Litoral (ESPOL), λ-Meter EP500e, Versión C de medición de conductividad.
La ecuación del flujo de calor se calcula con:
q = Rapidez del flujo de calor a través del espécimen (W)
k = Condición de conductividad térmica 0,01 a 1,00 (W/m °K)
A = Área de la sección transversal (m^2)
ΔT = Diferencia de temperaturas a través del espécimen (ºC o °K)
d = Espesor de la muestra (m)
Los ensayos para la determinación de conductividad térmica se basan en la norma ISO 8302 (1991) por el método de placa caliente resguardada, las muestran deben ser de composición homogénea con un área de 150 x 150 mm², espesores de 10 mm hasta 200 mm. Los ensayos se ejecutan a temperaturas entre -10 ° C hasta 50 ° C este procedimiento permite medir rango de conductividades de 0,002 a 2,5 W/ m ° K [7] y ASTM-C177 [8]. Para poder realizar los ensayos térmicos se necesitaron 9 probetas de madera dura roble, previamente se debe mantener las probetas en un cuarto con humedad y temperatura controlada de 23 °C por un periodo de 24 horas. Después de haber transcurrido el tiempo necesario de acondicionamiento se procede a tomar las medidas con balanzas de precisión de ± 0.05 g.
Se verifica con instrumentos de precisión que la muestra cumpla la normativa ISO 8302, a continuación, se toman 5 medidas de la probeta para tener un promedio o media aritmética, después se cubren las probetas de la madera dura roble con plástico de polipropileno posteriormente se coloca encima de la muestra gel ultrasónico evitando espacios de vació.
Ensayos de contenido de humedad (CH)
Para los ensayos de Contenido de Humedad (CH) de la madera dura roble se los realizo bajo la norma ASTM D4442 [9] y NCh176/1 [10], el agua está presente en la madera de tres formas: higroscópica o fija, agua libre y agua de constitución. El contenido de humedad es el porcentaje en peso que tiene el agua libre más el agua molecular con respecto al peso de la madera seca o anhidra.
Tabla 1: Características de la muestra de madera dura roble para el análisis según norma ASTM D4442 [9]
La ecuación de contenido de humedad de la madera dura roble se calcula con:
CH= Contenido de Humedad expresado en %
Ph= Peso de la madera en su estado húmedo inicial
Ps= Peso de la madera en estado anhidro peso final
Para determinar el peso de la madera en su estado húmedo inicial (Ph) se lo realiza con una balanza de apreciación de ±0,5 mg marca OHAUS modelo PA 214-8033041136.
Posteriormente se ingresan las probetas en el horno de secado para la madera dura a una temperatura de 103 °C ± 2 °C equipos de la Universidad Internacional SEK (UISEK) marca DAIHAN SCIENTIFIC modelo WOF 105- 0409303119D006.
Después de las 24 horas según norma ASTM D4442 [9] determinar el peso de la madera en estado anhidro peso final (Ps).
Caracterización de propiedades mecánicas
Para los ensayos mecánicos se utilizó la maquina universal electro-hidráulica de la UISEK la cual genera una fuerza máxima de 600 KN
Los resultados de los ensayos de este proyecto de investigación nos dan una curva de esfuerzo vs. deformación o carga vs. desplazamiento.
Para los ensayos mecánicos a la compresión paralela, compresión perpendicular, flexión y tracción se los realizo bajo la norma ASTM D143-14 [11] y NCh176/1 [10].
Compresión
La resistencia a la compresión perpendicular a la fibra de la madera dura del roble corresponde a la resistencia que opone la viga de 50x50x150 mm3, a una velocidad de carga aplicada de 0,31 mm/min en sentido perpendicular a la dirección de las fibras.
La ecuación de la resistencia máxima se calcula con:
σmax= Resistencia máxima (MPa)
Pmax = Carga necesaria hasta penetración de 2.5 mm (N)
S = Área de contacto por la placa de acero sobre la superficie del espécimen (mm2).
Al resultado final se le realizó una media aritmética para tener un resultado con el que comparar. A los resultados de los ensayos de compresión con los de la norma ASTM D143-14 [11] .
Flexión
El ensayo de Flexión se produce cuando la viga de 50x50x760 mm3 con luz de flexión de 710 mm es sometido a la aplicación de cargas transversales en su eje longitudinal a 2,50 mm/min.
El módulo de elasticidad en el límite proporcional se calcula con la ecuación:
E = módulo de elasticidad (MPa)
P2 = Carga límite de proporcionalidad (N)
L = Longitud entre apoyos (mm)
d1 = Deformación del espécimen en el límite de proporcionalidad (mm)
b = Base de la probeta (mm)
h = Altura de la probeta (mm)
EL esfuerzo unitario para el límite de proporcionalidad se calcula con la ecuación:
σmax = Esfuerzo máximo a flexión (MPa)
P2 = Carga límite de proporcionalidad (N)
L = Longitud entre apoyos (mm)
b = Base de la probeta (mm)
h = Altura de la probeta (mm)
Al resultado final se le realizó una media aritmética para tener un resultado con el que comparar. A los resultados de los ensayos de flexión con los de la norma ASTM D143-14 [11], que especifica que debe de tener unos valores de la menos 75 MPa.
Tracción
El ensayo de tracción es la fuerza que realiza la viga de 25x25x460 mm3. El resultado del ensayo da lugar a una tensión que se calcula con:
σ1 = Esfuerzo (MPa)
P = Carga límite de proporcionalidad (N)
A = Área en la sección mínima de la probeta (mm2)
La ecuación del esfuerzo unitario máximo se calcula con:
σmax = Esfuerzo máximo (Mpa)
Pmax = Carga máxima (N)
A = Área de la sección mínima de la probeta (mm2)
Al resultado final se le realizó una media aritmética para tener un resultado con el que comparar. A los resultados de los ensayos de tracción con los de la norma ASTM D143-14 [11], que especifica que debe de tener unos valores de la menos 165 MPa.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En este apartado se van a exponer los resultados de la conductividad térmica, contenido de humedad, y los resultados de caracterización mecánica, que incluyen la resistencia a la compresión paralela a la fibra de la madera, comprensión perpendicular a la fibra de la madera, resistencia a la flexión y resistencia a la tracción. A continuación, se va a exponer cada uno de estos resultados.
Resultados de conductividad térmica
La Tabla 2, muestra los resultados del ensayo térmico de las 9 probetas de la madera dura roble. Los resultados del ensayo térmico de las probetas de la madera dura roble muestran que en ocho de las nueve probetas la conductividad térmica tiene que estar entre el rango de 0,16 y 0,19 (W/m K). El rango definido para que cumpla las condiciones el ensayo es de 0,16 y 0,19 (W/m K) según la norma ASTM-C177. El Ensayo 2 no cumple la norma la conductividad térmica es de 0,142 W/ m K establecida en los valores de la norma ASTM-C177.
Resultados de contenido de humedad (CH)
La Tabla 3, muestra los resultados del ensayo de CH de las 15 probetas de la madera dura roble . En el caso del contenido de humedad, ninguna de las probetas de la madera dura roble supera el 30 % según lo establecido en la norma ASTM D4442 [9] y la norma chilena NCh176/1 [10]
Resultados de la caracterización mecánica
Resultados de compresión paralela a la fibra
La Tabla 4, muestra los resultados del ensayo de compresión paralela de la madera dura roble teniendo una media del módulo de elasticidad de 8241,113 Mpa y esfuerzo máximo de 350,179 MPa. Se observa en la tabla que los valores del módulo de elasticidad son superiores en el caso del roble que proviene de la provincia de Loja. En el caso de la provincia del oro el 40 % de las probetas no cumplieron con los resultados según la norma ASTM D143 [11].
Resultados de compresión perpendicular a la fibra
En la Tabla 5 se muestran los resultados teniendo la media de la resistencia máxima σ 𝑚𝑎𝑥 igual a 20,11 MPa cumpliendo los ensayos la norma ASTM D143-14 [11]. En las 15 probetas ensayadas de las tres regiones la la resistencia máxima (MPa) varía entre 19,08 y 20,69 MPa. Los resultados obtenidos son inferiores a la de la compresión paralela a la fibra.
Resultados de flexión
La Tabla 6 muestras los resultados de los ensayos de flexión de la madera dura roble teniendo una media del esfuerzo EMf igual a 83,74 MPa cumpliendo la norma ASTM D143-14 [11]. Los resultados obtenidos muestran como los resultados de la provincia del ORO son sensiblemente superiores a las de otras provincias. Los resultados de EMf varian entre 77,11 y 89,90 MPa.
Resultados de tracción
La Tabla 7. Muestra los resultados de los ensayos de tracción donde la probeta 8, 13 y 15 han tenido valores por debajo de los valores de referencia de la norma ASTM D143-14 [11]. En el caso de las probetas provenientes de la provincia del ORO, todas las probetas cumplen con la norma .
CONCLUSIONES
En esta investigación se ha realizado una caracterización para mejorar las condiciones de habitabilidad y consumo de energía, generando información sobre las características térmicas del roble al ser una madera de aplicación en la construcción. La caracterización del roble se realizó mediante ensayos de conductividad térmica, contenido de humedad y ensayos de resistencia a la tracción, a la flexión, a la compresión paralela y perpendicular, aplicando normas nacionales e internacionales
Los resultados del ensayo térmico de las probetas de la madera dura roble muestran que en ocho de las nueve probetas la conductividad térmica tiene que estar entre el rango de 0,16 y 0,19 (W/m K). Estos resultados cumplen con la norma ASTM-C177 [8]. En el caso del contenido de humedad, ninguna de las probetas de la madera dura roble supera el 30 %. Dichos resultados están en correspondencia con la norma ASTM D4442 [9]. Los resultados del ensayo de compresión paralela de la madera dura roble tuvieron en media el módulo de elasticidad de 8241,113 MPa. Cuatro probetas no cumplieron la norma ASTM D143-14 [11], pues tuvieron valores por debajo de 7250 MPa. Los resultados de compresión perpendicular mostraron una resistencia a la flexión media igual a 20,11 Mpa cumpliendo en todos los casos la norma ASTM D143-14 [11], pues tuvieron valores por debajo de 19 MPa. Este tipo Los resultados de los ensayos de flexión de la madera dura roble tuvieron un esfuerzo en media de 83,74 MPa cumpliendo la norma ASTM D143-14 [11]. En el caso de los ensayos a tracción tres probetas no cumplieron con la norma ASTM D143-14 [11].
