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DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL CI 5224 DISEO Y CONSTRUCCION EN MADERA UNIVERSIDAD DE CHILE Profesor : Mario Wagner M. _____________________

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Proyecto de definicin y caracterizacin mecnica de grados

estructurales para madera aserrada de pino radiata

Mario Wagner M. VIII/2009 Resumen Con el propsito de caracterizar la madera aserrada de Pino Radiata desde el punto de vista de las propiedades mecnicas requeridas para las aplicaciones estructurales en la construccin y posibilitar de esta manera el acceso de los productores nacionales de esta especie a los mercados internacionales y nacional de madera estructural, la Corporacin Chilena de la Madera, CORMA, desarroll entre los aos 1986 y 1989 el proyecto "Definicin de Grados Estructurales de Pino Radiata". Utilizando como procedimiento el ensayo a la rotura en flexin de aproximadamente 2000 piezas en tamao de comercializacin, se determinaron las propiedades mecnicas indispensables para implementar criterios de diseo estructural. Con anterioridad a los ensayos, las piezas se clasificaron en tres niveles cualitativos, basados en la metodologa de clasificacin de madera aserrada estructural neozelandesa, la que fue previamente racionalizada y adecuada a las condiciones nacionales. Con posterioridad se aplicaron en los principales aserraderos del pas sendos programas de verificacin de resistencias en el grado y de control de volmenes de recuperacin sobre cada uno de los Grados Estructurales definidos. Los resultados de los ensayos, que consistieron en la aplicacin de Cargas de Prueba sobre aproximadamente 8 000 piezas, hicieron recomendable modificar la definicin de los dos grados superiores, los que se asimilaron a grados estructurales de conferas recomendados por la Comisin Econmica para Europa de las Naciones Unidas. El reprocesamiento global de la informacin experimental permiti una calibracin de las correspondientes propiedades mecnicas admisibles. 1. INTRODUCCION. En los ltimos 45 aos el Pino Radiata ha pasado a ser la principal especie maderera utilizada en el pas y la que registra mayores volmenes de exportacin, situacin que se acentuar en el futuro, debido al aumento que han experimentado las plantaciones de la especie en las ltimas dcadas. Con el propsito de establecer y definir grados cualitativos que permitieran agrupar las piezas de madera de acuerdo a las caractersticas mecnicas y fsicas que determinan su calidad y uso en aplicaciones estructurales de la construccin, de manera de posibilitar la utilizacin de cada pieza de madera de acuerdo a su mximo potencial, la Corporacin Chilena de la Madera, CORMA, planific y desarroll entre 1985 y 1991 un proyecto de definicin de Grados Estructurales para Madera Aserrada de Pino Radiata. El estudio se subcontrat al Departamento Forestal de Fundacin Chile, institucin que fue asesorada adicionalmente por el experto neozelands Ian Whiteside y acadmicos de las Facultades de Ciencias Fsicas y Matemticas y de Ciencias Agrarias y Forestales de la Universidad de Chile. El inters comercial de las empresas productoras de madera aserrada se centr en el mercado de componentes estructurales para la construccin de viviendas


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estructuradas mediante sistemas de entramados livianos de madera, de acuerdo con los cnones constructivos y tecnolgicos establecidos en este campo, en Amrica del Norte. La decisin se fundament en el atractivo volumen de este tipo de madera transado anualmente en los mercados internacionales, cuya cifra bordeaba a la poca los 300 millones de metros cbicos. Teniendo presente el objetivo perseguido, el adecuado conocimiento de las caractersticas que se exigen para los productos comercializados en este mercado constituye un elemento estratgico relevante. Es posible obtener una respuesta bastante precisa, al respecto, si se identifican previamente las tipologas constructivas, las dimensiones tradicionalmente empleadas para las principales componentes del sistema estructural y las sobrecargas normativas de servicio imperantes en los pases cuyos mercados resultan de inters. Un estudio de simulacin desarrollado considerando las exigencias normativas mas rigurosas, vigentes en los pases con tecnologa de construccin en madera avanzada1, determin que: un grado estructural eficiente para vigas (de Escuadra 45*190 mm), debe garantizar valores para la tensin admisible de flexin, Ff , y el mdulo de elasticidad, Ef, de al menos 5,0 MPa y 5,66 GPa, respectivamente; un grado estructural eficiente para pies derechos de tabiqueras de paredes estructurales (de Escuadra 45*95 mm), debe garantizar para la tensin admisible de flexin, Ff , un valor de al menos 4,0 MPa. 2. PROYECTO EXPERIMENTAL. 2.1 Metodologa general. El mtodo decidido para alcanzar el objetivo descrito consisti en ensayar piezas aserradas de Pino radiata, en tamao de comercializacin, preclasificadas atendiendo a un criterio tentativo adaptado de la normativa neozelandesa, considerando los tres grados comercializados en Nueva Zelandia, dos escudaras y un nmero de ensayos suficientemente grande, como para asegurar sobre los resultados una adecuada representatividad y validez estadstica. El criterio de clasificacin se estructur sobre la base del control del tamao, ubicacin y frecuencia de los nudos, aplicndose el mtodo de la "Razn de rea Nudosa", RAN, utilizado en Europa y Oceana. Como se sealara, en una primera etapa se adoptaron los grados estructurales neozelandeses, ligeramente modificadas, con el propsito de subsanar ciertas inconsistencias en la definicin de los mismos. La pauta considerada se reproduce en le Tabla 1. La presencia de mdula se consider como una caracterstica no recomendable para las piezas de los dos mejores grados , no tanto por sus implicancias debilitantes, sino ms bien por las consecuencias que su presencia pudiera 1 Proyecto "Grados Estructurales de Pino radiata". Gerencia de Proyectos. Corporacin Chilena de la Madera. Enero 1990.


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acarrear sobre la estabilidad dimensional y calidad geomtrica de las piezas de madera, especialmente como consecuencia del secado.

TABLA 1 RAZONES DE REA NUDOSA TOTAL Y DE BORDE,

RAN Y RANB , CONSIDERADAS EN LA PAUTA DE CLASIFICACION. Grado Escuadra RAN RANB mm % % Estructural Selecto GS 45*90 33,3 33,3 45*180 25,0 33,3 Estructural 1 G1 45*90 33,3 100 45*180 25,0 100 Estructural 2 G2 45*90 50,0 100 45*180 33,3 100 Adicionalmente se incorporaron las restricciones sobre los defectos o caractersticas de crecimiento tradicionales, como inclinacin de la fibra, arista faltante y presencia de bolsillos de resina y corteza. 2.2 Obtencin de la muestra y fase experimental. La seleccin de las muestras se realiz estratificando el rea de crecimiento del Pino radiata en cuatro zonas: Norte (Maule), Centro Costa (Concepcin), Centro Interior (Cabrero, Los ngeles) y Sur (Valdivia). De cada una se obtuvo un nmero de muestras proporcional a la participacin que en ese momento tena cada zona en la produccin nacional total de Radiata. Como resultado definitivo se seleccionaron 1.800 piezas provenientes de siete aserraderos, considerando dos escuadras: 45*90 mm y 45*180 mm y tres categoras, GS (Grado Estructural Selecto) , G1(Grado Estructural N1) y G2 (Grado Estructural N2). En la clasificacin se control que, para cada pieza, el defecto condicionante del grado se ubicara en el tercio central de la longitud. La totalidad de las piezas se ensayaron en flexin, dispuestas de canto y cargadas en los puntos tercios de la luz. Se utiliz una mquina de carga Metriguard modelo 312, diseada expresamente para ensayos de esta naturaleza y calibrada para las dimensiones de las escuadras consideradas. En una primera etapa se solicit cada pieza dentro del rango elstico controlando las relaciones carga-deformacin, determinndose su Mdulo de Elasticidad. Posteriormente la carga se aplic con una velocidad constante que permiti alcanzar la rotura en uno o dos minutos. Las piezas se dispusieron en la mquina, de manera de inducir la flexo traccin hacia el borde mas defectuoso.


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3. DERIVACION DE TENSIONES ADMISIBLES. El procedimiento de derivacin de tensiones admisibles de los grados se adecu a la norma estadounidense ASTM D 2915-84 2. En este documento se establece un procedimiento de estadstica de orden para el procesamiento de los resultados experimentales obtenidos en el ensayo de piezas en tamao comercial, preclasificadas en un determinado grado. Teniendo presente las exigencias impuestas por los mtodos probabilsticos de diseo estructural que se han introducido en los pases desarrollados, en el estudio se condicion el percentil de exclusin del 5% con una confiabilidad estadstica del 75%. Los valores admisibles fueron referidos al contenido de humedad del 15%. Adicionalmente se estim prudente reducir el Mdulo de Elasticidad experimental, Ef, en aquellas combinaciones de grado y Escuadra, cuya densidad anhidra promedio excediera el valor medio del total medido para la muestra (do = 450 kg/m3). Con este propsito se establecieron correlaciones entre Ef y do, a travs de regresiones aplicadas sobre pares de valores correspondientes a piezas libres de defectos, incluyendo las piezas con presencia de mdula. En la Tabla 2 se entrega una sinopsis general de los resultados experimentales por grados y escuadras.

TABLA 2

RESULTADOS GLOBALES POR GRADOS Y ESCUADRAS. Grado Escuadra Cant. Humedad Densidad Mdulo de Mdulo de H [%] anhidra Ruptura Elasticidad mm* mm prom c.v. do MR Ef [kg/m3] [MPa] [MPa] prom c.v. prom c.v. prom c.v. Estructural 45*90 245 10,9 0,12 446 0,11 45,7 0,34 10. 221 0,25 Selecto 45*180 195 12,2 0,14 484 0,09 44,5 0,24 11 .922 0,16 Estructural 45*90 236 11,0 0,13 455 0,10 33,5 0,38 9 .503 0,23 N1 45*180 153 12,3 0,15 496 0,09 33,5 0,35 11. 712 0,20 Estructural 45*90 470 10,5 0,10 425 0,11 26,2 0,41 8 . 011 0,25 N2 45*180 517 11,6 0,11 464 0,10 27,6 0,39 10 .302 0,21 Las propiedades admisibles para los diferentes grados se derivaron para las dos escuadras, considerndose para todas las propiedades las correcciones por contenido de humedad indicadas en la norma ASTM D 2915-84 y las correcciones por densidad sobre el mdulo de elasticidad. Para este ltimo 2 ASTM D 2915 - 84 : Standard Method for Evaluating Allowable Properties for Grades of Structural Lumber. American Society for Testing and Materials. Filadelfia. EEUU. 1984


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parmetro se determina adicionalmente el valor caracterstico, inherente al percentil del 5% estimado con un 75% de confiabilidad estadstica, siguiendo el mtodo de estadstica de orden anteriormente mencionado. La Tabla 3 resume los resultados definitivos del proceso descrito. Si se comparan los valores de la tensin admisible de flexin y del mdulo elstico asignados al grado G2, con los valores mnimos que deba tener un grado estructural aplicable para usos de vigas de piso, en su Escuadra mayor, y a pies derechos de paredes estructurales, en su Escuadra menor (Ver Introduccin), se podr apreciar que dicho grado supera holgadamente las exigencias planteadas.

TABLA 3 PROPIEDADES DE DISEO PRELIMINARES EN FUNCIN DE GRADOS Y ESCUADRAS

Grado Escuadra Ff Ef prom Efk mm*mm MPa MPa MPa Estructural Selecto 45*90 12.3 10 200 6 510 (GS) 45*180 11.2 10 500 7 620 Estructural N1 45*90 7.7 9 320 5 880 (G1) 45*180 8.0 9 950 6 490 Estructural N2 45*90 5.7 8 010 5 000 (G2) 45*180 5.9 9 770 6 680 4. ESTUDIO COMPLEMENTARIO. Con el objetivo de verificar en la prctica la conveniencia y factibilidad de aplicacin de la anterior proposicin y con antelacin a un pronunciamiento definitivo respecto a los grados estructurales y las propiedades mecnicas admisibles, se decidi complementar el proyecto descrito, desarrollando dos actividades adicionales: un programa de verificacin de niveles de recuperacin y otro de verificacin de las propiedades admisibles de los Grados Estructurales propuestos. Se recurri para estos efectos a los principales aserraderos de las regiones productoras de Pino radiata, contndose adicionalmente con el apoyo del Fondo de Desarrollo Productivo de la Corporacin de Fomento de la Produccin, CORFO. 4.1 Programa de verificacin del nivel de recuperacin. Tuvo como propsito cuantificar en qu medida se compatibilizan los grados propuestos con los volmenes efectivos de recuperacin del producto del aserro, de manera que stos resulten convenientes para los aserraderos, tanto desde el punto de vista de las exigencias de los mercados objetivo, como tambin del volumen de rechazo que condiciona la produccin de madera estructural.


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4.2 Programa de verificacin en el grado. La fase esencial correspondi a la calibracin de las propiedades mecnicas de los grados, controlndose para cada pieza la capacidad para resistir, trabajando como viga y sin presentar evidencias visibles de deterioro, una carga de prueba especfica. En este programa, que const de aproximadamente 8 000 ensayos, se control en cada uno de los aserraderos seleccionados un nmero cercano a 400 piezas preclasificadas en cada combinacin de grado y Escuadra. La carga de prueba se determin en funcin de la correspondiente tensin admisible de flexin. El resultado se estim aceptable, cuando ms de un determinado porcentaje de las piezas resisti exitosamente la carga de prueba. En caso contrario se estudi la posibilidad de modificar la definicin del correspondiente grado y/o de reducir la correspondiente tensin admisible. En los ensayos las piezas se dispusieron, al igual que en la fase experimental principal, con su borde mas defectuoso solicitado en flexo traccin. El estudio permiti detectar para el grado G2 severas reducciones en las tensiones admisibles de flexin y en el mdulo de elasticidad, las que resultaron comprometedoras para sus posibilidades de comercializacin como producto estructural. Dado que ste constitua precisamente el nivel cualitativo considerado para la implementacin de estrategias de comercializacin de Pino radiata estructural, se estim prudente y necesario modificar su definicin a travs de un control ms intensivo de los nudos prximos a las zonas de borde de cara. 5. REDEFINICION DE LOS GRADOS ESTRUCTURALES 5.1 Estrategia considerada. Con el objetivo de asegurar como para las vigas una tensin admisible de flexin de 5 MPa, se consider conveniente incorporar, en la definicin de los Grados GS y G1, el concepto de "Condicin de Borde" aplicado en las normativas de la Comunidad Econmica Europea, ECE3. Esta condicin se manifiesta cuando ms del 50% de la zona de borde de la seccin transversal crtica se encuentra ocupada por nudos. Al existir una Condicin de Borde, las restricciones de RAN para un mismo Grado, son ms rigurosas que las establecidas para situaciones en las que sta no se manifiesta. Se decidi estudiar la posibilidad de definir como producto comercial por excelencia a este grado G1, en reemplazo del deficitario antiguo Grado G2.

3 ECE Recommended Standards for Stress Grading and Finger-jointing of Structural Coniferous sawn Timber. Volume XXXIV, Supplement 16. Timber Bulletin for Europe. Geneva. November 1982.


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La Tabla 4 resume la redefinicin de los Grados. El nuevo grado G2 incorpora las peores piezas del antiguo G2, a la vez que el nuevo grado G1, que recibe la lo ms selecto y granado del antiguo G2 representa, como se acaba de mencionar, el producto comercial de inters para las aplicaciones estructurales de viga. Los antiguos grados GS y G1 se fundieron en un nico grado, el nuevo GS.

TABLA 4

DEFINICIN DE GRADOS: CRITERIO MODIFICADO.

GS G1 G2 h 15 cm h > 15 cm

RAN 0,33 0,20 0,50 0,33 0,66 0,50 RANB 0,50 > 0,50 0,50 > 0,50 RANI 0,50 0,33

Inclinacin fibra

1 : 8 1 : 6 1 : 6

Mdula 2 no se acepta sin restriccin sin restriccin Canto

muerto 0,25 del ancho y del canto, respectivamente 1

Bolsillos de resina y

corteza 20 mm de ancho por 200 mm de largo o superficie equivalente 1

Fisuras: Si son superficiales y de largo menor que 300 mm, pueden ignorarse grietas de largo 1/4 L

600 mm de largo 1/4 L 900 mm

no ms de una grieta por metro lineal de pieza partiduras slo en los extremos

y de largo no superior al ancho de

la pieza.

largo 600 mm; en los extremos, de largo no superior a 1,5 veces el ancho de la pieza

NOTAS: 1 Se mantienen las restricciones antiguas 2 Se acepta mdula en piezas de altura superior a 140 mm del Grado GS cuando su ancho no exceda 12 mm, excepto para franjas de largo no superior a 100 mm, en las que se acepta hasta 18 mm de ancho. Adicionalmente debe controlarse que la presencia de mdula se manifiesta sobre el tercio central de la cara (referido a la altura de la Escuadra). En caso contrario la pieza se clasificar como G 1. L : longitud de la pieza. Si la nueva definicin se aplica sobre los resultados experimentales obtenidos en el proyecto principal, la derivacin de propiedades admisibles conduce a los valores indicados en Tabla 5.


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TABLA 5 TENSIONES ADMISIBLES Y MDULOS ELSTICOS TENTATIVOS.

CRITERIO MODIFICADO . Grad

o Escuad

ra #

piezas

Mrf cv Mrfk Ff Ef cv Ef k

mm*mm

[MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa]

GS 45*90 421 41,9 0,37 22,9 10,9 9,9 0,25 6,3 45*180 524 37,3 0,34 17,8 8,5 11,4 0,20 7,7

G1 45*90 286 29,6 0,34 14,7 7,0 8,8 0,25 5,8 45*180 244 26,2 0,38 11,6 5,5 9,7 0,20 7,1

G2 45*90 274 21,2 0,40 10,0 4,7 7,3 0,30 4,0 45*180 104 22,0 0,36 8,0 3,8 9,3 0,20 6,8

Mrf : mdulo de rotura promedio en flexin; Mrfk : mdulo de rotura en flexin caracterstico (mdulo de rotura superado por el 95% de las piezas en el 75% de los casos ); Ff : tensin admisible en flexin; Ef : mdulo de elasticidad promedio; Ef k : mdulo de elasticidad caracterstico (mdulo de elasticidad superado por el 95% de las piezas en el 75% de los casos ); cv : coeficiente de variacin = (desviacin estndar / promedio). 5.2 Descripcin de la poblacin muestral. Con el propsito de esclarecer las caractersticas de las frecuencias de distribucin de las muestras, en las siguientes figuras se presentan las curvas de frecuencia acumulada de los mdulos de rotura, MR, y de elasticidad, Ef , para los tres grados y las dos escuadras ensayadas. Basta un somero anlisis para apreciar el considerable nivel de superposicin existente entre los grados, lo que deja abierto el desafo para identificar factores de control visual mas efectivos que los considerados hasta el momento y que permitan identificar las piezas ms resistentes de las mas dbiles.


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Figura 1. Frecuencias acumuladas para la escuadra 45*90 mm


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Figura 2. Frecuencias acumuladas para la escuadra 45*180 mm


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5.3 Aplicacin del nuevo criterio sobre las muestras ensayadas en el programa de Verificacin en el Grado. La comparacin de los valores de las tensiones admisibles de flexin, Ff, y los mdulos de elasticidad medio y caracterstico, Ef y Efk, derivados del programa de ensayos en el Grado, y los correspondientes valores derivados del proyecto principal, permiti detectar algunas subvaluaciones, de manera que se decidi reducir levemente algunos valores admisibles. Para la nueva definicin del grado G1 esta diferencia no excede del 7%, en el caso de Ff y del 10% en Ef. Pese a esto, para la totalidad de los aserraderos, las tensiones admisibles de flexin y los mdulos elsticos medios, resultan superiores a 6,5 MPa y 7,9 GPa, respectivamente, condicin que favorece sus posibilidades de comercializacin. La siguiente tabla resume los valores que finalmente se propusieron para las propiedades mecnicas derivadas en el estudio.

TABLA 6 GRADOS ESTRUCTURALES PINO RADIATA.

TENSIONES ADMISIBLES Y MDULOS ELSTICOS DERIVADOS CONSIDERANDO UNA CONFIABILIDAD ESTADSTICA DEL 75% EN LA ESTIMACION DE LA PERCENTILA DEL 5%.

Grado Escuadra Ff E Ek mm *mm [MPa] [GPa] [GPa] E S 45*90 10,0 9,0 5,5 45*180 9,0 10,5 6,5 E 1 45*90 6,5 8,0 5,0 45*180 5,5 9,0 5,5 E 2 45*90 3,5 6,0 3,5 45*180 3,0 7,0 4,5

Para piezas de ancho (altura), h, diferente a las indicadas, las propiedades admisibles se pueden estimar, con suficiente aproximacin, mediante la aplicacin de las siguientes relaciones:

Ff h = Ff 90 * 4

90h ; Ef h = Ef 90 *

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h90 .

Aqu Ff h y Ff 90 corresponden a la tensin admisible de flexin para piezas de altura h [mm] y 90 [mm], respectivamente. Los mdulos elsticos deben interpretarse en forma anloga. Las propiedades indicadas en Tabla 7 se han referido a un contenido de humedad de la madera H = 15%. Para contenidos de humedad diferentes, las correspondientes propiedades se pueden establecer en forma aproximada, a travs de las expresiones recomendadas en la norma ASTM D 2915-84:

FfH = Ff 15 * [ 1,75 - 0,0333 * H ]

1,251 ; EfH = E f15 * [ 1,44 - 0,0200 * H ]

1,14 En estas expresiones H corresponde al contenido de humedad al que se desea referir la propiedad admisible, expresado como porcentaje. El subndice "H" designa la referencia a esta ltima condicin de humedad.


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5.4 Aplicacin del estudio sobre la normativa nacional La norma nacional de clculo de construcciones de madera, NCh 1198 OF91, considera mtodos de diseo determinsticos, por lo que en este caso la imposicin del concepto de confiabilidad estadstica superior al 50% no resulta pertinente. Por otra parte las propiedades mecnicas se refieren a un contenido de humedad del 12%. Es posible en consecuencia, al adecuar los resultados experimentales a estas condiciones, incrementar los valores admisibles de las propiedades mecnicas, con respecto a lo establecido en la Tabla 6, de acuerdo con lo que indica en la Tabla 7, lo que a su vez exige modificar levemente los factores de correlacin para la interpolacin de las propiedades para piezas de altura de seccin transversal intermedia entre las indicadas.


TENSIONES ADMISIBLES Y MDULOS ELSTICOS DERIVADOS CONSIDERANDO UNA CONFIABILIDAD ESTADSTICA DEL 50% EN LA ESTIMACION DE LA PERCENTILA DEL 5%.

Grado Escuadra Ff E Ek mm*mm [MPa] [MPa] [MPa] G S 45*90 11,0 9.000 5.500 45*180 9,6 10.500 6.500 G 1 45*90 7,5 8.000 5.000 45*180 6,5 9.000 5.500 G 2 45*90 4,0 6.000 3.500 45*180 3,5 7.000 4.500

Para escuadras de altura "h" intermedia, considerar

Ffh = Ff90 * 5

90

h ; Efh = Ef90 * 4

h

90 1,189*Ef90 Las propiedades indicadas se han referido a un contenido de humedad de la madera H = 12%. Para otros contenidos, de acuerdo con ASTM D 2915-84:

FfH = Ff 12 [ 1.75 - 0.0333 * H ]

1.35 ; EfH = E f12 [ 1.44 - 0.0200 * H ]

1.2 Aqu son: H = contenido de humedad al que se desea referir la propiedad admisible, [ % ]. El subndice "H" designa la referencia a esta ltima condicin de humedad. Expresiones aplicables slo si H 22 %. Para contenidos de humedad superiores, considerar H = 22 %. Para valores H menores que 12%, considerar el valor correspondiente a este ltimo lmite. En una primera etapa y dada la premura por disponer de una familia de tensiones admisibles lo mas completa posible y como una forma de optimizar el uso de recursos, las restantes propiedades mecnicas de inters en el diseo estructural se estimaron a travs de correlaciones desarrolladas en el extranjero para especies conferas de lento crecimiento, entre dichas propiedades y la tensin admisible de flexin.


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As, por ejemplo, las tensiones admisibles de compresin paralela, Fcp, y de traccin paralela, Ftp, se estiman como el 75% y 60% de la tensin admisible de flexin, respectivamente, prctica que aplicada sobre los grados de pino radiata, determina los siguientes valores. Grado GS G1 G2 Tensin admisible de compresin, Fcp 7,5 MPa 4,9 MPa 3,0 MPa Tensin admisible de traccin, Ftp 6,0 MPa 3,9 MPa 2,4 Mpa 5.5 Programa de verificacin de volmenes de produccin. Se limit a controles puntuales, al azar, de material proveniente de procesos de aserro tpicos en tres de los principales aserraderos del pas. En general, para las escuadras bajas, esto es, con dimensiones transversales del orden de 50*100 mm, la produccin se concentra en el grado G2 (30 a 60%), mientras que para las escuadras mayores, aproximadamente el 70% de la produccin clasifica en la categora G1 o mejor. Dado que las escuadras menores se destinan predominantemente para la construccin de tabiqueras de paredes, aplicacin cuya exigencia resistente, en relacin a la de los envigados de piso y de techo, resulta bastante reducida, el grado G2 podra tener un muy buen nicho comercial en aplicaciones de pie derecho (stud). Las escuadras mayores, que se destinan prioritariamente para la construccin de sistemas de envigados de piso, aplicacin que exige caractersticas estructurales generosas, presentan para el grado G1 un volumen de recuperacin comercialmente atractivo, al menos, desde el punto de vista de lo apreciado en el estudio. El material carente de aptitud estructural, designado como rechazo, no alcanz al 6% de la produccin, porcentaje que indudablemente resulta conveniente a los productores. 6. Conclusiones del Estudio. El resultado mas relevante del estudio es la definicin de los grados estructurales para la madera aserrada de pino radiata, procedimiento oficializado bajo forma de Norma Nacional NCh 1207, y la derivacin de las correspondientes propiedades mecnicas admisibles, que han sido incorporada, con algunos ajustes, en la norma nacional de clculo de construcciones de madera, NCh 1198. Con respecto a la definicin de los grados, cabe mencionar que sta se encuentra sumamente influenciada por la normativa de la Comunidad Econmica Europea, a la que se hiciera referencia anteriormente.


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El proceso seguido para la derivacin de las tensiones admisibles de los grados estructurales de Pino radiata a partir de la resistencia de flexin, se ajust estrictamente a la normativa norteamericana y se llev a cabo aplicando un criterio extremadamente confiable. Basado en el ensayo de aproximadamente 2.000 piezas de tamao estructural, consider un nivel de exclusin del 5% (slo el 5% de las piezas ensayadas evidencian resistencias inferiores a la que caracteriza la especie) establecido con una confiabilidad estadstica del 75% (al menos en 75 de cada 100 repeticiones del estudio, la resistencia que caracteriza a la especie cumplir al menos con el valor derivado en el estudio), condiciones ambas compatibles con el nuevo concepto probabilstico que se ha incorporado en las mas importantes normativas de clculo, tanto de Europa como de Amrica del Norte. La tensin admisible se obtuvo dividiendo la resistencia caracterstica por un factor de ajuste 2,1 que considera factores de duracin de la aplicacin de la carga (la madera ve incrementada su capacidad resistente en la medida que la duracin de la solicitacin disminuye y viceversa) y elementos de incertidumbre (factor de seguridad). La ejecucin de los ensayos incorpor elementos conservadores adicionales. Las piezas se ensayaron en flexin mediante la aplicacin de cargas concentradas en los puntos tercios de la luz. Esta disposicin condiciona que el tramo central de la pieza queda solicitado uniformemente al esfuerzo mximo. Al ubicar las piezas en la mquina de carga, se impuso que el defecto condicionante de grado se ubicara en el tercio central de la longitud, a la vez que se dispuso el borde ms comprometido por la presencia del defecto orientado hacia la zona flexo traccionada. En la prctica, la situacin ensayada tiene una probabilidad de ocurrencia de solo el 17%. En lo relativo a las propiedades mecnicas admisibles definidas para los distintos grados, su derivacin ha interpretado conservadoramente el procesamiento de los resultados obtenidos en el programa de aplicacin de la Carga de Prueba. 7. Estudios complementarios. Reconociendo que la adopcin de relaciones de concomitancia correspondi a la mejor opcin en una primera etapa, en la Corporacin Chilena de la Madera se plante la conveniencia de llevar a cabo una investigacin directa respecto de las propiedades mecnicas de mayor importancia prctica, especficamente las resistencias de compresin y de traccin. El nuevo proyecto desarrollado durante los aos 1990 y 1991 por CORMA, designado como "Pies derechos de Pino radiata", tuvo como propsito fundamental la cobertura de los objetivos anteriormente sealados. Para estos efectos se contrat como unidad ejecutora al Instituto Forestal, que puso a disposicin del proyecto tres mquinas de carga especializadas, de reciente adquisicin ( de flexin, traccin y compresin, respectivamente) y que fueron calibradas por especialistas del Instituto de Investigacin y Ensaye de Materiales de la Universidad de Chile, IDIEM.


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Mediante el ensayo de una muestra representativa de piezas aserradas preclasificadas en cada uno de los grados estructurales definidos en la norma NCh 1207 4, se determinaron las distintas resistencias y las correspondientes propiedades admisibles. Se ensayaron 400 piezas por cada combinacin de escuadra y grado estructural, en dos escuadras: 45*70 mm y 45*90 mm. En la VII Regin participaron los aserraderos Las Caas y Pacfico , en la VIII Regin los Aserraderos Prodex, Madex y Mininco, y en la X Regin, el aserradero Aragn. Las piezas seleccionadas se secaron en cmara hasta un contenido de humedad inferior al 15%, cepillndose posteriormente a las dimensiones requeridas. El programa experimental consult la medicin del mdulo de elasticidad en flexin y de la carga crtica de pandeo, en ambos casos mediante la aplicacin de ensayos de naturaleza no destructiva, y la determinacin de las resistencias de compresin y traccin paralela a la fibra, mediante la aplicacin de ensayos de rotura. Las piezas fueron reclasificadas y caracterizadas a travs de los diagramas y evaluacin numrica de las razones de rea nudosa total, de borde e individual, y de las mediciones de velocidad de crecimiento, densidades y contenido de humedad. El procesamiento estadstico de los resultados experimentales se ci a las especificaciones de la norma ASTM D 2915-84 . Las resistencias caractersticas se asimilaron al percentil del 5%, estimada con un nivel de confiabilidad estadstica del 75%, aplicando el mtodo no paramtrico del lmite de tolerancia. Las tensiones admisibles consideran factores de ajuste, con respecto a las resistencias caractersticas, ascendientes a 2,105 en traccin y 1,90 en compresin y se encuentran referidas al contenido de humedad 15%. En Tabla 8 se indican los valores de las tensiones y mdulos en mega pascales, "MPa". Aqu son : Fcp : tensin admisible de compresin paralela; Ftp :tensin admisible de traccin paralela; E : mdulo de elasticidad y Ek : mdulo de elasticidad inherente al percentil del 5%.

Para efectos de implementacin prctica en la norma de clculo de construcciones de madera NCh 1198, estos valores se pueden complementar con los derivados por Walter Santana en su tesis para optar al ttulo de Ingeniero Civil en la Facultad de CCFF y MM de la U. de Chile (Fcp , Fcn y Fciz). El hecho de que en este documento las propiedades admisibles se derivan con un 50 % de confiabilidad estadstica y se encuentran referidos al contenido de humedad H=12%, permite valores admisibles algo incrementados con relacin a los indicados en Tabla 8.

4 NCh 1207 OF90 "Pino Radiata. Clasificacin visual para uso estructural. Especificacin de los grados de calidad"


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TABLA 8 Derivacin de Tensiones Admisibles.

Escuadra Propiedad Grado G2 G1 GS 45*70 mm Fcp 6,1 7,1 8,8 Ftp 2,4 3,3 4,1 E 6.900 7.900 9.200 Ek* 3.800 3.900 5.000 45*90 mm Fcp 6,1 7,4 8,5 Ftp 2,3 (2,7) 2,3 (3,9) 4,0 (4,9) E 7.400 8.090 9.440 Ek* 3.900 4.500 4.500 NOTA : Las cifras entre parntesis reflejan los valores admisibles que resultan cuando se prescinde de la muestra proveniente del Aserradero Prodex * Valores estimados mediante el mtodo no paramtrico, con un 75% de confiabilidad estadstica (ASTM D2915)


TENSIONES ADMISIBLES COMPLEMENTARIAS DERIVADAS CONSIDERANDO UNA CONFIABILIDAD ESTADSTICA DEL 50% EN LA ESTIMACION DE LA PERCENTILA DEL 5%.

Tensin admisible de Grado compresin traccin cizalle paralela a la fibra normal a la fibra paralela a la fibra Fcp Fcn Ftp Fciz G S 10,0 2,5 4.6 1,1 G 1 8,5 2,5 3,6 1,1 G 2 7,0 2,5 3.0 1,1 Las correspondientes correcciones por humedad ( ASTM D2915-84) , son: Fcp,H = Fcp,12

[2.75 -0.0833*H1.75 ; Ftp,H = Ftp,12

[1.75 - 0.0333*H]1.35 ;

Fciz,H = Fciz,12 [1.33 - 0.0167*H]

1.13 En lo siguiente se resumen las conclusiones ms relevantes del estudio: Es posible incrementar la tensin admisible de compresin paralela en

todos los Grados, resultando especialmente interesantes los incrementos factibles de considerar en el Grado G2.

Resulta prudente reducir las tensiones admisibles de traccin paralela en los grados G1 y G2. Con el propsito de evitar penalizaciones excesivas sobre la escuadra 45*90 mm es conveniente, sin embargo, desarrollar un control en el Grado, con muestras suplementarias provenientes de la regin de Arauco, dado que las piezas provenientes de dicho origen corresponden sistemticamente a la poblacin ms dbil de la muestra global. Podra tratarse, en consecuencia, de una


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situacin sesgada, inducida por efectos de un proceso de secado inadecuado.

El mdulo de elasticidad promedio excede siempre los valores normativos determinados en el primer proyecto desarrollado por CORMA, consistente del ensayo de vigas de Pino radiata.

Para el mdulo de elasticidad caracterstico, en los grados G1 y GS se aprecian reducciones, producto de coeficientes de variacin superiores a los apreciados en el estudio de vigas. Sobre la base de los notables mejoramientos que ha sido posible apreciar

en los resultados experimentales, con respecto a los valores que es posible derivar por medio de correlaciones de concomitancia, el Grado G2 adquiere un indudable atractivo como producto estructural, especialmente adecuado para la construccin de tabiqueras de paredes resistentes en edificaciones de hasta tres niveles. Esto determina la factibilidad comercial de un importante volumen de la produccin tpica de aserro y permite a su vez la implementacin de estrategias de comercializacin, tanto en el pas como en el extranjero.

Dada la carencia de informacin sistemtica relativa a la influencia del contenido de humedad en piezas estructurales de madera aserrada de Pino radiata, y dado que las correcciones que se han aplicado por este concepto corresponden a relaciones empricas derivadas en el hemisferio norte para especies conferas de crecimiento lento, se estima recomendable desarrollar un proyecto experimental orientado a clarificar este aspecto en los grados visuales de Pino radiata estructural. El referir los resultados experimentales al contenido de humedad 15% incorpora reducciones que en muchos casos resultan superiores al 25 %, especialmente en la resistencia de compresin paralela a la fibra. El calificar esto de exagerado o prudente slo puede ser fundamentado por medio de la investigacin aplicada y en este caso, los beneficios inherentes a los resultados pueden reflejarse en valores admisibles an ms competitivos, frente a los de las conferas de lento crecimiento. Es posible incrementar las garantas cualitativas de las propiedades mecnicas del Grado Estructural Selecto, GS, incorporando una exigencia relativa al ancho promedio mnimo de anillos de crecimiento, con un lmite que podra definirse entre 12,5 y 10 mm. 8. Consideraciones finales. Cabe destacar, finalmente, que los valores admisibles para flexin incorporan un grado de rigurosidad que puede ser objeto de discusin. Esto se refiere a la posicin que se decidi para las piezas que se ensayaron en flexin, la que siempre condicion que el borde ms debilitado quedara solicitado en flexo traccin. Estudios similares desarrollados en Amrica del Norte 5 consideraron una disposicin aleatoria de las vigas, lo que de acuerdo con lo postulado por 5 Green David. In-Grade Testing: Impetus for change in the utilization of Structural lumber. Proceedings: Recent Advances in Spruce-fir Utilization Technology; Orono, ME, Agosto 1983.


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algunos especialistas, condiciona propiedades mecnicas incrementadas en hasta un 30% 6 Sobre la base de las consideraciones anteriores resulta razonable un cuestionamiento del criterio aplicado en Chile. La principal justificacin y que puede merecer objeciones, reside en la plena confiabilidad exigida para los resultados. Se sabe que el Pino radiata ha sido abiertamente cuestionado desde el punto de vista de sus atributos estructurales en los principales mercados que se han considerado como de inters comercial. Se ha estimado prudente iniciar la promocin de las propiedades estructurales a travs de valores "castigados", que pueden ser corroborados ante cualquier tipo de ensayo y ante cualquier tipo de interpretacin de los resultados de los mismos. No es descartable la hiptesis de que en determinados mercados el control cualitativo de las propiedades estructurales de la madera aserrada de Pino radiata se lleve a cabo con los "dados cargados". An cuando como argumento puede resultar inoficioso, cabe consignar por otra parte que para la derivacin de propiedades mecnicas del Pino radiata neozelands7, el organismo tcnico correspondiente adopt el mismo criterio conservador decidido a nivel nacional. Es evidente, en consecuencia, que existe una subvaluacin en las propiedades admisibles derivados para los distintos grados de Pino radiata, especialmente en lo que a tensiones de flexin se refiere. La estrategia que se deber adoptar en cada mercado especfico depender de las condiciones de dicho mercado y de los riesgos que resulte prudente asumir. Probablemente y por razones de imagen puede convenir incrementar algunos valores en un porcentaje, que puede variar entre el 10 y el 20%, cuando se perciba un ambiente positivo para la aceptacin de la especie, mientras que en otras situaciones lo prudente resulte considerar en una primera etapa los valores "castigados". Lo interesante es que pese a estar "castigadas ", las propiedades mecnicas resultan suficientes para permitir la construccin de viviendas factibles de ser verificadas bajo las normativas de clculo mas rigurosas. Es as como del anlisis de factibilidad de uso mencionado anteriormente, se estima que : el grado GS puede tener un amplio uso en la industria de la prefabricacin de cerchas de techo; el grado G1 se adecua eficientemente a la construccin de sistemas de envigados de piso; el grado G2 tiene su nicho comercial en los pies derechos de las tabiqueras de paredes.

6 Madsen Borg. In-Grade Testing - Problem Analysis. Forest Products Journal. Volumen 28, Nr.4 ', April 1978. 3 Walford G.B. Current knowledge of the in-grade bending strength of New Zealand radiata pine. Forest Research Institute. New Zealand Forest Service. FRI Bulletin N 15. Junio 1982.


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Finalmente resulta importante consignar que los estudios de volmenes de recuperacin de piezas estructurales llevados a cabo en los principales centros de produccin del pas, determinaron la factibilidad comercial de la produccin de madera aserrada estructural, dado que los porcentajes de rechazo apreciados quedaron siempre por debajo del 15%.

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