compuesto a base de resina poliéster y fibras naturales
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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería
2016
Compuesto a base de resina poliéster y fibras naturales como Compuesto a base de resina poliéster y fibras naturales como
relleno en conexión empernada solicitada a cizalladura doble relleno en conexión empernada solicitada a cizalladura doble
Luis Fernando Arias Guzmán Universidad de La Salle, Bogotá
Osthailyd Bautista Areiza Universidad de La Salle, Bogotá
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1
COMPUESTO A BASE DE RESINA POLIÉSTER, COMO RELLENO EN UNA
CONEXIÓN EMPERNADA DE GUADUA ANGUSTIFOLIA SOLICITADA A
CIZALLADURA DOBLE
LUIS FERNANDO ARIAS GUZMÁN
OSTHAILYD BAUTISTA AREIZA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTA D.C
2016
2
Compuesto a base de resina poliéster y fibras naturales como
relleno en conexión empernada solicitada a cizalladura doble
LUIS FERNANDO ARIAS GUZMÁN
OSTHAILYD BAUTISTA AREIZA
Trabajo de grado como Requisito para Optar al
Título de ingeniero civil
DIRECTOR
PhD. FABIÁN AUGUSTO LAMUS BÁEZ
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTA D.C
2016
3
Agradecimientos
Los autores Luis Fernando Arias Guzmán y Osthailyd
Bautista expresan su agradecimiento a:
Ingeniero Fabián Augusto Lamus Báez, director del trabajo
de investigación, por su colaboración y apoyo prestado
durante toda la investigación.
Al programa de Ingeniería Civil, por su colaboración y
apoyo durante toda nuestra carrera.
4
Contenido
1 Objetivos ............................................... 14
1.1 Objetivo general .................................... 14
1.2 Objetivos específicos ............................... 14
2 ANTECEDENTES ............................................ 15
3 MARCO TEORICO ........................................... 31
4 MATERIALES .............................................. 41
4.1 Guadua Angustifolia Kunth: .......................... 41
4.1.1 Ensayos de caracterización: ...................... 41
4.2 Material de relleno de probetas ..................... 67
4.2.1 Fique ............................................ 68
4.2.2 Resina poliéster ................................. 69
4.2.3 Trozos de Guadua ................................. 72
4.2.3 Ensayos de caracterización de Compuesto usado como
relleno. ............................................... 72
4.4 Pernos .............................................. 79
4.4.1 Ensayos de caracterización de pernos. ............ 80
4.5 Tuercas, arandelas y suplementos .................... 84
5 METODOLOGÍA ............................................. 86
5.1Probetas en extremos a compresión .................... 86
5.1.1 Descripción del Montaje: ......................... 86
5.1.2 Descripción del ensayo. .......................... 88
5.1.3 Elaboración de probetas: ......................... 89
6 ANÁLISIS DE RESULTADOS .................................. 95
6.1 Análisis visual ..................................... 95
6.1.1 Mecanismos de falla .............................. 95
6.2 Análisis gráfico ................................... 105
6.2.1 influencia del diámetro externo de la Guadua. ... 105
6.2.2 Influencia del espesor de pared de la Guadua. ... 110
5
6.2.3 Influencia del área de contacto ................. 114
6.2.4 Influencia del diámetro del perno. .............. 115
6.2.5 Comparación con los valores propuestos por el
reglamento NSR-10 ..................................... 119
7 CONCLUSIONES ........................................... 124
8 RECOMENDACIONES ........................................ 127
9 BIBLIOGRAFÍA ........................................... 128
6
Lista de tablas
Tabla 1.Takeuchi, Duarte & Erazo. 2013. Comparación. Valores
característicos en elementos solicitados a compresión
paralela (tabla 6). ....................................... 17
Tabla 2. Lamus, Plazas & Luna. 2015. Resultados de ensayos de
caracterización de la Guadua Angustifolia. [Tabla 1]. ..... 20
Tabla 3. González, Giraldo & Torres. 2013. Resultados
promedios del ensayo a compresión paralela y perpendicular a
la fibra, en canutos de Guadua angustifolia Kunth. [Tabla 1].
.......................................................... 27
Tabla 4.NSR 10. Cargas admisibles para uniones empernadas con
doble cizallamiento. [Tabla G.12.11-2]. ................... 35
Tabla 5. Resultados de resistencia a compresión paralela a la
fibra. .................................................... 44
Tabla 6. Comparación de resultados de resistencia a
compresión paralela a la fibra ............................ 45
Tabla 7.Resultados de resistencia a compresión perpendicular
a la fibra de la Guadua. .................................. 49
Tabla 8. Comparación resultados de resistencia a compresión
perpendicular a la fibra de la Guadua. .................... 50
Tabla 9. Resultados de resistencia a tracción paralela a la
fibra de la Guadua. ....................................... 55
Tabla 10. Comparación de resistencia a tracción paralela a la
fibra de la Guadua. ....................................... 55
Tabla 11. Resultados de resistencia a la tracción
perpendicular a la fibra de la Guadua. .................... 60
Tabla 12. Comparación de resistencia a tracción perpendicular
a la fibra de la Guadua. .................................. 60
Tabla 13. Contenidos de humedad en ensayos. ............... 61
Tabla 14. Resultados de resistencia al corte paralelo a la
fibra de la Guadua para probetas con nudo. ................ 66
7
Tabla 15. Resultados de resistencia al corte paralelo a la
fibra de la Guadua para probetas sin nudo. ................ 66
Tabla 16. Comparación resultados de resistencia al corte
paralelo a la fibra de la Guadua. ......................... 67
Tabla 17. Resultados de resistencia a compresión de Resina de
poliéster. ................................................ 74
Tabla 18. Resultados de resistencia a tracción indirecta de
compuesto. ................................................ 79
Tabla 19. Resultados de resistencia a la tracción de los tres
diferentes diámetros. ..................................... 83
Tabla 20. Rangos de variables de probetas rellenas para
ensayos a compresión. ..................................... 89
Tabla 21. Rangos de variables de probetas sin relleno para
ensayos a compresión. ..................................... 89
Tabla 22. Número de grupo según diámetro de probetas
especificado en la nomenclatura de las probetas rellenas
sometidas a compresión. ................................... 91
Tabla 23. Número de grupo según diámetro de perno
especificado en la nomenclatura de las probetas rellenas
sometidas a compresión. ................................... 91
Tabla 24 . Diámetro de perforación estándar según diámetro de
perno utilizado. .......................................... 94
Tabla 25. Porcentaje de probetas con relleno cuya falla se
produjo por corte. ........................................ 97
Tabla 25. Porcentaje de probetas sin relleno cuya falla se
produjo por corte. ........................................ 97
Tabla 26.Porcentaje de probetas con relleno cuya falla se
produjo por corte del perno. ............................. 101
Tabla 27. Porcentaje de probetas sin relleno cuya falla se
produjo por corte de perno. .............................. 102
Tabla 28. Porcentaje de probetas con relleno cuya falla se
produjo por corte de perno. .............................. 104
8
Lista de figuras
Figura 1. Tipo de probetas para el ensayo de tracción paralela a la fibra (Figura 16). Gabriele & Herrera 2004. 18
Figura 2.Dimensiones de la probeta usada para el ensayo de tracción paralela a la fibra (Figura 19). Gabriele & Herrera. 2004. 19
Figura 3. Lamus, Plazas & Luna. 2015. Montaje empleado para el ensayo de cizalladura doble producida por carga paralela al culmo. a) Detalle del apoyo, b) Esquema del apoyo, c) Esquema del montaje, d) Esquema de la probeta. [Figura 2] 20
Figura 4. Cely & Cruz. 2013. Modelo con la geometría general del módulo. (Figura 1). 22
Figura 5. Prieto. 2004. Falla por abolladura y cortante en dos planos EHP con nudo. (Foto 41). 24
Figura 6. Flórez, Edwin Helí.2003. Falla probetas al salirse del tabique. [Anexo H]. 26
Figura 7. Muestra de Guadual 32
Figura 8.Cabaña construida en Guadua, Finca el Samán, en el eje cafetero. 33
Figura 9.Cultivo de fique o Cabuya 36
Figura 10.Campesino en cultivo de fique 38
Figura 11. Pletinas usadas en el ensayo de compresión paralela a la fibra de la Guadua. 43
Figura 12. Montaje para ensayo de compresión paralela a la Guadua. 43
Figura 13. Comparación de datos de esfuerzo a compresión paralela a la fibra. 46
Figura 14. Muestra de probetas para ensayos de compresión perpendicular. 47
Figura 15. Montaje para ensayos de compresión perpendicular a la fibra de la Guadua. 48
Figura 16. Ardila, C (2013). Resistencia última ensayo a compresión perpendicular a la fibra (Cp) vs contenido de humedad (Ch). [Figura 10,4] 52
Figura 17. Muestra Probeta para ensayo de tracción paralela a la fibra de la Guadua con nudo. 53
Figura 18. Montaje de probetas en maquina universal para ser falladas. 54
Figura 19. Contenido de humedad hallado por diversas investigaciones en el ensayo de tracción paralela a la fibra de la Guadua angustifolia Kunth. 56
9
Figura 20. Probetas para ser ensayadas a tracción perpendicular a la fibra de la Guadua. 58
Figura 21. Montaje de ensayo de tracción perpendicular a la fibra de la Guadua. 59
Figura 22. Contenido de humedad hallado en diversas investigaciones en los ensayos de tracción perpendicular a la fibra de la Guadua angustifolia Kunth. 61
Figura 23. Dispositivos empleados para la aplicación de la carga en ensayo de corte paralelo a la fibra. 63
Figura 24. Probetas con nudo para ensayo de corte paralelo a la fibra de la Guadua. 64
Figura 25. Probetas sin nudo para ensayo de corte
paralelo a la fibra de la Guadua. 64
Figura 26. Montaje para ensayo de corte paralelo a la fibra de la Guadua. 65
Figura 27. Fibra de fique cortada a 20 mm. 69
Figura 28. Monómero de Estireno. 70
Figura 29. Catalizador de Resina MEC 71
Figura 30. Muestra de Resina de Poliéster líquida. 71
Figura 31. Trozos de guadua. 72
Figura 32. Probetas para ensayos a compresión. 73
Figura 33. Strain Gage adherido a la probeta para
caracterización de compuesto. 75
Figura 34. Chasis cDAQ-9174, National Instruments. 76
Figura 35. Gráfica esfuerzo-deformación de un cilindro de compuesto. 77
Figura 36. Probeta para ensayo de tracción indirecta. 78
Figura 37. Pernos de 3/8”, ½” y 5/8”. 80
Figura 38. Pernos para realizar el ensayo de tracción. 81
Figura 39. Perno ensayado en la máquina universal 82
Figura 40.Tuercas empleadas en ensayos 84
Figura 41. Arandelas 84
Figura 42. Neolite 85
Figura 43. Montaje para ensayos a compresión (Pletinas A). 87
Figura 44. Pletinas para ensayos a compresión (Pletina B). 88
Figura 45. Detalle de perforación en probetas 90
Figura 46. Nomenclatura de probetas sometidas a compresión. 92
10
Figura 47. Especificación de perforación para relleno de probetas. 93
Figura 48. Muestra de falla por aplastamiento en probetas rellenas. 96
Figura 49. Fisura por corte leve. 98
Figura 50.Fisura por corte medio. 98
Figura 51.Fisura por corte severo. 99
Figura 52. Fisura que atraviesa el nudo y tabique. 99
Figura 53. Muestra de flexión en perno 100
Figura 54. Falla por corte del perno. 101
Figura 55. Diámetro de perno vs porcentaje de probetas que fallaron por corte del perno. 102
Figura 56. Muestra de desplazamiento de tabique de la pared de la Guadua. 103
Figura 57. Diámetro de perno vs. Porcentaje de probetas con relleno que fallaron por tracción diametral. 104
Figura 58. Influencia de diámetro externo de la Guadua. Perno 3/8" 106
Figura 59. Influencia del diámetro externo de la Guadua. Perno 1/2" 107
Figura 60. Influencia del diámetro externo de la
Guadua. Perno 5/8" 108
Figura 61. Carga máxima vs diámetro externo de Guadua. 109
Figura 62. Influencia del espesor de pared. Perno 3/8" 110
Figura 63. Influencia del espesor de pared. Perno 1/2" 111
Figura 64. Influencia del espesor de pared. Perno 5/8" 112
Figura 65. Carga máxima vs Espesor de pared. 113
Figura 66. Carga máxima vs Área de influencia. 115
Figura 67. Incremento de carga con el uso de material de relleno. 116
Figura 68. Fuerza de tabique vs Diámetro interno. 118
Figura 69. Carga máxima y valores admisibles. Perno 3/8”. 120
Figura 70. Carga máxima y valores admisibles. Perno 1/2". 121
Figura 71. Carga máxima y valores admisibles. Perno 5/8". 122
11
Lista de anexos
ANEXO A FICHA TÉCNICA RESINA DE POLIÉSTER
ANEXO B RESULTADOS ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN DE GUADUA
ANGUSTIFOLIA KUNTH
ANEXO C RESULTADOS ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN DE COMPUESTO A
BASE DE RESINA POLIÉSTER
ANEXO D RESULTADOS ENSAYO DE TRACCIÓN DE PERNOS
ANEXO E RESULTADOS ENSAYOS A COMPRESIÓN DE CONEXIÓN EMPERNADA
12
INTRODUCCIÓN
La Guadua se ha venido implementando en Colombia como
material constructivo desde épocas antiguas, a pesar de
esto se ha restringido y limitado su uso en la
construcción debido a la utilización de materiales como
el concreto y a la carencia de normatividad para el
diseño de estructuras en Guadua. Sin embargo, se ha
logrado normalizar en cierta medida los procedimientos
para conocer mejor su comportamiento ante las diferentes
solicitaciones presentadas en las estructuras, mediante
varias investigaciones y estudios realizados
anteriormente con Guadua.
Cada día las construcciones en Guadua son más
comunes, sobre todo en la región andina, lugar donde se
cultiva en su mayoría. La construcción de dichas
estructuras posee actualmente una normatividad y tiene
lugar en el reglamento sismo resistente NSR-10; no
obstante, las estructuras constantemente siguen
presentando daños estructurales, especialmente en las
conexiones. Es por esto que se han realizado diversos
estudios para la determinación de los factores que
posiblemente influyan para que estas fallas persistan, y
así hallar la manera de evitarlas o controlarlas.
Debido a la escasez de información acerca del
comportamiento de las conexiones en Guadua cuando estas
se someten a fuerzas de tracción, la poca adherencia
entre el mortero debido a la retracción del mismo y la
débil resistencia que posee la guadua al cortante, ha
sido necesario evaluar un nuevo material de relleno para
13
las conexiones en Guadua que cumpla con los requerimientos de
este tipo de estructuras y reemplace al mortero.
En las conexiones dentro de una estructura de Guadua es
importante conocer las propiedades mecánicas y geométricas de
las secciones a utilizar, específicamente las conexiones
solicitadas a cizalladura doble podrían mejorar su
resistencia variando parámetros como el diámetro del canuto
de Guadua y de los pernos conectores, y a su vez optimizando
el material de relleno.
Este estudio pretende evaluar el material compuesto a
base de resina poliéster dentro de la Guadua con el fin de
aumentar la resistencia de las conexiones empernadas ante
cizalladura doble, para así encontrar los factores que pueden
ser tenidos en cuenta al momento de realizar un diseño para
una construcción en guadua. Debido a ello; en este documento
se verán los resultados de la investigación realizada en la
que se relaciona el comportamiento de una conexión empernada
de Guadua Angustifolia Kunth, rellena con un material a base
de resina de poliéster, variando los diámetros externos de la
Guadua y diámetros de los pernos cuando sus extremos se
encuentran sometidos a compresión, mostrando sus respectivas
fallas.
14
1 OBJETIVOS
1.1 Objetivo general
Determinar la influencia del uso de un material
compuesto a partir de resina poliéster y fibras
naturales en el comportamiento de una conexión empernada
para estructuras de Guadua Angustifolia Kunth solicitada
a cizalladura doble.
1.2 Objetivos específicos
Determinar la influencia del uso de un material
compuesto a partir de resina poliéster y fibras
naturales en la resistencia a la compresión de una
conexión empernada para estructuras de Guadua
Angustifolia solicitada a cizalladura doble.
Comparar la resistencia última de una conexión empernada
para estructuras de Guadua Angustifolia solicitada a
cizalladura doble cuando se usa un material compuesto a
partir de resina poliéster y fibras naturales como
relleno con los valores de resistencia especificados por
el Reglamento de Construcción Sismo Resistente NSR-10.
15
2 ANTECEDENTES
La Guadua, actualmente reconocida por ser un material
innovador en la construcción sismo resistente, liviano y
económico, ha dado lugar para diferentes investigaciones
donde evalúan su comportamiento a diferentes esfuerzos entre
otras cosas. A continuación, se muestran algunas
investigaciones que nos permitieron conocer acerca del
material y su comportamiento bajo diferentes cargas. Por otra
parte, se añaden estudios que tienen qué ver con el mortero
como material de relleno, modificación de materiales con
fibra de fique e influencia de pernos en conexiones de
Guadua.
En primera instancia, es oportuno hacer énfasis en la
resistencia mecánica a la tensión y la cizalladura de la
Guadua Angustifolia Kunth que fue estudiada por Ciro, Osorio,
& Vélez (2005), utilizando la fórmula para esfuerzo último a
cizalladura (Ecuación 1).
𝜎𝑢𝑙𝑡 =𝑃𝑢𝑙𝑡
Σ(T ∗ L)
(1)
En donde
𝜎𝑢𝑙𝑡= Esfuerzo último a cizalladura (N/mm2)
T = Espesor de la pared (mm)
L = Longitud de la probeta (mm)
La longitud y el espesor de la probeta fueron medidos en
cuatro puntos del elemento. Las pruebas a cizalladura fueron
realizadas a 18 elementos y la tensión paralela al grano a 15
elementos. Los diámetros externos variaron entre 9 y 12 cm, y
16
espesores de pared entre 0,6 y 1 cm, y entre 0,7 y 1,5 cm
para cizalladura. El valor del esfuerzo último promedio a
tensión que encontraron fue de 190,70 MPa con un
coeficiente de variación del 34%. Concluyen, además,
comparando los resultados de la prueba a tensión y
cizalladura, que la Guadua presenta más baja resistencia
mecánica en dirección perpendicular a sus fibras,
indicando la alta anisotropía presente en el material; el
esfuerzo último a cizalladura encontrado fue de 5,57 MPa
con un coeficiente de variación del 17%.
Consideramos ahora que la resistencia a la tracción
en la Guadua es importante ya que este comportamiento fue
uno de los evaluados en nuestra metodología a manera de
caracterización de la Guadua; la tracción en la Guadua
fue estudiada por Pacheco (2006) en su trabajo de grado,
luego de realizar 60 ensayos de probetas con nudo y 360
ensayos de probetas sin nudo en 3 secciones de la Guadua,
concluyó que la resistencia a la tracción perpendicular a
la fibra en Guadua Angustifolia es mayor en probetas con
nudo en un 38,7 % en comparación con probetas sin nudo.
En cuanto a la resistencia a la compresión paralela a
la fibra de la Guadua angustifolia que también fue
determinada en esta investigación, Takeuchi & González
(2007) concluyeron que la resistencia promedio a la
compresión paralela a la fibra aumentó con la altura de
las probetas, esto después de ensayar varios cañutos con
diferentes alturas; afirman también que la resistencia de
las probetas con nudos no es mayor a la resistencia de
probetas sin nudos.
Takeuchi, Duarte y Erazo (2013) también realizaron un
análisis comparativo de los resultados de resistencia a
17
compresión paralela a la fibra, realizadas con Guadua
angustifolia Kunth, entre diversas regiones de Colombia. Este
análisis involucra diversas investigaciones, de las cuales
compararon los valores de resistencia a compresión paralela a
la fibra de muestras tomadas de diferentes partes del país
realizando una tabla comparativa de estos valores,
especificando de qué región del país fueron tomadas las
muestras (Tabla 1).
Tabla 1.Takeuchi, Duarte & Erazo. 2013. Comparación. Valores
característicos en elementos solicitados a compresión paralela (tabla 6).
Fuente: Recuperado de revista Ingeniería y Región.
La comparación de estos resultados dio como conclusión
que las características del material pueden verse afectadas
por las condiciones climatológicas y edafológicas de cada
región específica. Además, encontraron que la Guadua
angustifolia del departamento del Huila presenta mayores
resistencias que las demás, siendo esta, según los autores,
la comparación más acertada ya que se realizó la misma
metodología y los contenidos de humedad fueron similares.
Por otra parte, Gabrielle & Herrera (2004) realizaron un
análisis completo de la Guadua del departamento de Santander
y los parámetros que afectan sus propiedades físicas y
químicas. En cuanto a las propiedades mecánicas,
especialmente la resistencia a la tracción paralela a la
18
fibra se describe el desarrollo del ensayo y la
elaboración de láminas de Guadua ahusadas, como se
ilustra en la Figura 1.
Figura 1. Tipo de probetas para el ensayo de tracción paralela a la fibra (Figura
16). Gabriele & Herrera 2004.
Fuente: Recuperado del trabajo de grado de José Gabrielle y Hernán Herrera.
Universidad Industrial de Santander.
La forma de este tipo de probetas induce a que la
falla se lleve a cabo en el centro de la misma y además
aporta una zona de agarre en sus extremos. Se ensayaron
60 probetas las cuales se dividieron en tres grupos. El
primer grupo consistió en 20 unidades de 20 cm de largo
sin nudo (10 extraídas de la Basa y 10 de la Cepa); el
segundo grupo con el mismo largo y también 20 probetas
(10 extraídas de la Basa y 10 de la Cepa) a diferencia de
las anteriores estas con nudo en la mitad. El tercer
grupo fueron otras 20 muestras más, igualmente 10 de Basa
y 10 de Cepa, las cuales fueron elaboradas con el fin de
19
observar el procedimiento, el funcionamiento de la máquina y
el sistema que sujeta a las probetas. Las dimensiones de
estas se encuentran especificadas en la Figura 2.
Figura 2.Dimensiones de la probeta usada para el ensayo de tracción
paralela a la fibra (Figura 19). Gabriele & Herrera. 2004.
Fuente: Recuperado del trabajo de grado de José Gabrielle y Hernán Herrera.
Universidad Industrial de Santander.
De los resultados dedujeron que, a tracción la
resistencia fue mayor en ausencia de nudo que en presencia de
este. Adicionalmente, de las Basas se obtuvieron mayores
resistencias que de las Cepas.
Lo que resalta desde luego en esta investigación es el
comportamiento a cizalladura doble de la Guadua. Lamus,
Plazas y Luna (2015), estudiaron la resistencia de una
conexión empernada solicitada a cizalladura doble paralela a
la fibra para estructuras de Guadua Angustifolia, primero
caracterizaron la Guadua angustifolia, cuyos resultados se
encuentran contenidos en la tabla 2. Y los detalles del
montaje en la Figura 3.
20
Tabla 2. Lamus, Plazas & Luna. 2015. Resultados de ensayos de caracterización de
la Guadua Angustifolia. [Tabla 1].
Fuente: Recuperado de revista Tecnura, 19 (43) 52-62.
Figura 3. Lamus, Plazas & Luna. 2015. Montaje empleado para el ensayo de
cizalladura doble producida por carga paralela al culmo. a) Detalle del apoyo, b)
Esquema del apoyo, c) Esquema del montaje, d) Esquema de la probeta. [Figura 2]
Fuente: Recuperado de revista Tecnura, 19 (43) 52-62.
Realizaron ensayos sobre 120 especímenes agrupados en
cuatro rangos de diámetro de cañuto y de pernos,
21
concluyendo que la resistencia de una conexión empernada en
Guadua angustifolia, solicitada a compresión paralela a la
fibra, se encuentra directamente relacionada con el área de
contacto entre el perno, la pared y la resistencia a la
compresión paralela a la fibra. En cuanto a la resistencia de
las conexiones empernadas ensayadas, encontraron coeficientes
de variación del 20% en promedio para los tres diámetros de
perno empleados en la conexión. Además, afirman que las
conexiones empernadas con diámetros pequeños tienden a
presentar mayor resistencia por unidad de área de contacto,
pero también aclaran que el diámetro del perno no es el único
factor que interviene en la resistencia mecánica de la
conexión.
Por otra parte, la experiencia de Oka, Triwiyono,
Siswosukarto, Awaludin (2014), que en su estudio de una
conexión empernada de bambú Gigantochoa Atroviolacea sometida
a cizalladura doble encontraron un valor teórico de 12,23 KN,
y otro experimental de 11,13 KN. También evidenciaron que los
factores que intervienen en el valor de la resistencia a la
cizalladura son: el espesor de la pared del bambú, tipo de
conector y material de relleno.
En cuanto a estructuras en Guadua, el trabajo de grado
titulado “Determinación de la resistencia de los elementos
que conforman la sección de un puente peatonal modular
construido con Guadua angustifolia Kunth”, sus autores Cely y
Cruz (2013) determinaron algunos valores de resistencia de
los elementos y analizaron los tipos de falla que se
presentaron. Para esto construyeron un módulo con el modelo
que se presenta en la figura 4. Para esta investigación
desarrollaron ensayos de compresión, flexión y tracción a los
elementos del puente. Al concluir todos los ensayos y
22
posteriormente analizados los datos obtenidos, afirmaron
que el relleno con mortero es una alternativa buena para
soportar las cargas que generan aplastamiento y
recomiendan revisar otra opción para el relleno ya que el
uso del mortero crea un aumento considerable en el peso
de los elementos y la estructura a tener en cuenta al
momento de diseñar construcciones en Guadua angustifolia
(Figura 4).
Figura 4. Cely & Cruz. 2013. Modelo con la geometría general del módulo.
(Figura 1).
Fuente: Recuperado del trabajo de grado de Jhon Cely y Jhon Cruz.
Universidad de la Salle.
En el trabajo de grado presentado por Prieto (2004),
en el cual recopiló información de investigaciones acerca
de conexiones en Guadua para el posterior diseño de una
23
conexión que arroje en los ensayos resultados que apliquen a
la realidad, esta aplicación es para una vivienda de un nivel
que es capaz de resistir las fuerzas horizontales producidas
por un evento sísmico. Prieto realizó algunos ensayos
preliminares para conocer individualmente el comportamiento
de los elementos que forman la unión. A las probetas
ensayadas se le sometió a la fuerza a la que estarían
solicitadas en la conexión. Una de estas solicitaciones es
cortante paralelo a la fibra, en donde sus fallas se
produjeron en probetas empernadas de las cuales la mitad
presentaban nudo en el extremo y la otra mitad no tenían
presencia de nudo. Las fallas se originaron por acción del
perno, intentando aplastar las paredes de la Guadua para
finalmente originar una falla por cortante como se muestra en
la Figura 5.
24
Figura 5. Prieto. 2004. Falla por abolladura y cortante en dos
planos EHP con nudo. (Foto 41).
Fuente: Recuperado de trabajo de grado de Raúl Prieto. Universidad
Industrial de Santander.
Finalmente se concluyó en esta investigación que la
presencia de nudo en los bordes aumenta la resistencia de
los elementos, también recomienda dejar una distancia
mínima de 10 veces el diámetro del perno ya que a una
distancia menor se evidenciaron fallas por cortante
paralelo a la fibra a cargas muy bajas.
Como se enunció en un comienzo, una de las variables
más significativas en el presente estudio es la
evaluación de un relleno en las conexiones, diferente al
mortero, que incluye una perforación para agregar el
material; estudiando el efecto de aplastamiento y las
consecuencias que tienen las perforaciones en los cañutos
de guadua con el fin de introducir el mortero que sirve
como material de relleno, Prada & Zambrano (2003)
25
ensayaron una solución epóxica para disminuir los efectos de
éstos cuando se somete el cañuto a esfuerzos de compresión,
variando la presencia de la perforación, el mortero de
relleno, y tapando la perforación con la masilla epóxica.
Prada y Zambrano encontraron que, aunque la masilla epóxica
presenta muchas ventajas en cuanto a su aplicación, acceso,
durabilidad y bajo costo, no es suficiente para solucionar a
cabalidad los problemas que causan las perforaciones, pero
aseguran que mejora notablemente la resistencia de la Guadua
cuando se somete a esfuerzos de compresión, ya que la
solución epóxica proporciona a la pared de la Guadua una
continuidad que aumenta la resistencia del cañuto.
Una de las razones para la búsqueda de otro material de
relleno es que la adherencia entre el mortero de relleno y
las paredes de la Guadua es poca, debido a la retracción del
mortero, entonces, al aplicar la tensión el bloque de mortero
únicamente se apoya en el tabique, desprendiendo de él la
resistencia a la conexión. Esto, incentivó a Flórez (2003) a
estudiar el comportamiento de dicha conexión a tensión, pero
ahora con la ayuda de un aditivo expansor en el mortero; la
unión consistió en un espécimen con cuatro cañutos de Guadua
rellenos de mortero, dos varillas, una a cada extremo,
completamente independientes, y una varilla embebida
abarcando dos entrenudos. En las probetas se evidencia que la
forma de barril que toma el mortero dentro del cañuto de
Guadua hace que aparezca un agrietamiento longitudinal en las
paredes de la Guadua, los problemas de exudación y
segregación influyeron en la expansión de las mezclas, así
que el aditivo expansor no reaccionó ni causó ningún efecto
ya que aunque sí expande el mortero, la adherencia entre éste
y la Guadua no aumenta debido a la capa interna de la Guadua
26
que no permite desarrollar una mayor fuerza de fricción
entre la Guadua y el mortero ¡Error! No se encuentra el
origen de la referencia..
Figura 6. Flórez, Edwin Helí.2003. Falla probetas al salirse del tabique. [Anexo
H].
Fuente: Recuperado de Trabajo de grado Edwin Helí Flórez, Universidad Nacional de
Colombia.
La resistencia a la compresión en canutos de Guadua
rellenos con mortero fue evaluada por González, Giraldo y
Torres (2013). Los autores elaboraron tres morteros con
diferentes materiales, los morteros fueron compuestos
por: cemento-arena, cemento-ceniza y cemento-polvo de
ladrillo. También realizaron ensayos de caracterización
de la Guadua y de los componentes del mortero
anteriormente mencionados. Las probetas realizadas se
dividen en cuatro grupos, de los cuales tres fueron
canutos rellenos con los morteros especificados y el
último grupo fueron canutos sin relleno, de cada grupo se
ensayaron seis probetas. Los canutos rellenos fueron
27
sometidos a proceso de curado y fueron ensayados a los 28
días de edad del mortero. Los resultados obtenidos se resumen
en la tabla 3.
Tabla 3. González, Giraldo & Torres. 2013. Resultados promedios del ensayo a
compresión paralela y perpendicular a la fibra, en canutos de Guadua angustifolia
Kunth. [Tabla 1].
Fuente: Recuperado de revista colombiana de materiales. 9, 30-34
De estos resultados concluyeron que las probetas rellenas
de morteros con adición de ceniza fueron más resistentes a
compresión paralela y perpendicular a las fibras que las
probetas de mortero convencional y aquellas con adiciones de
polvo de ladrillo. Esto abre campo a futuras investigaciones
con morteros y adiciones puzolánicas, para elaborarlos más
resistentes y ser usados como relleno en los canutos de
Guadua.
Phanratanamala (2014) en su investigación acerca del
comportamiento estructural de los conectores en el bambú
concluyó que utilizar pernos metálicos en la unión de
elementos proporciona una gran rigidez. Igualmente realizó
ensayos en los cuales se determinó que los pernos embebidos
en mortero funcionan mejor en solicitaciones a tracción que a
compresión. Phanratanamala encontró un valor promedio de la
resistencia a la compresión y a la tracción, cuyos valores
son 80 MPa y 180-200 MPa respectivamente, corroborando así
28
que el bambú posee una alta resistencia a la tracción
comparándola con la resistencia a la compresión.
Astuti, Bambang, Suprapto & Djoko (2014) investigaron
acerca de la distancia crítica de los pernos en las
conexiones en bambú Dendrocalamus, la cual se define como
la distancia máxima del perno hasta el final del tallo de
bambú sin nudos. Concluyeron que la resistencia al corte
es una de las principales propiedades mecánicas de este
tipo de bambú, la cual es un parámetro para analizar la
distancia del perno hasta el final de los troncos de
bambú sin nudo, establecieron que esta distancia debe ser
igual a cuatro ó cinco veces el diámetro externo del
bambú.
Por otra parte, Pachón y Sanabria (2014) en su
investigación para encontrar la influencia del diámetro
del perno en la resistencia al cizallamiento doble en
conexiones empernadas de Guadua Angustifolia, afirman que
el espesor de la Guadua influye directamente en la
resistencia de la conexión, aumentándola de manera
exponencial. Tres tipos de fallas fueron evidenciadas:
longitudinal, por asimetría y por fluencia; la primera
desprende los nudos ocasionando que falle completamente,
la segunda es ocasionada por la variabilidad en el
espesor de la Guadua a lo largo del espécimen, y la
última ocurrió por no ajustar el perno con la presión
adecuada.
La fibra de fique, siendo un material del compuesto a
base de resina de poliéster que sirvió de relleno en las
Guaduas, ha sido utilizada para mejorar otros materiales
de construcción tales como el concreto y el mortero;
Sosa, Águila, y Centeno (2011)estudiaron el desempeño que
29
tienen las fibras de fique en el concreto reforzado que se
usa para la construcción de paneles exteriores, y evaluaron
propiedades como: la trabajabilidad basada en el
asentamiento, peso unitario del concreto fresco, resistencia
a la flexión, resistencia a la compresión y módulo de
elasticidad. Caracterizaron los materiales tales como
cemento, agregado y fibras; mediante ensayos de laboratorio y
para la fibra de fique encontraron una densidad de 1,45
g/cm3; la relación de agua cemento fue de 0,6 y de
cemento/arena fue de 1:4 = 0,25. Para calcular el porcentaje
de fibra en el mortero utilizaron la siguiente ecuación: %
fibra en el mortero = m3 de fibra x 100/m3 de mortero, este
porcentaje de fibras osciló entre 0 y 1% variando también la
longitud de las fibras entre los especímenes. Del mortero con
fibra de fique concluyen que cuando aquel alcanza la carga de
rotura se comporta de manera plástica y no frágil como suele
serlo sin fibras de fique, esto lo hace utilizable para
paneles de cerramiento debido a su comportamiento plástico
antes de llegar al fallo final. Evidenciaron en las pruebas a
flexión que la fibra de fique no marca una tendencia de
mejoramiento, sin embargo, en las fibras cortas de fique y en
porcentajes pequeños se obtuvieron valores mayores de
resistencia que el patrón.
Por último, el trabajo de García (2011) en su artículo
titulado “Fibras y materiales de refuerzo: los poliésteres
reforzados aplicados a la realización de piezas en 3D”
definen los Fiber Reinforced Plastics ó PRF. Su composición
química consta de una matriz resina y un refuerzo, la primera
puede ser una resina de poliéster o algún otro tipo de resina
como poliuretano y acrílica, y el refuerzo pueden ser fibras
o tejidos tales como las fibras de vidrio. García considera
30
que la adición de fibras a la resina mejora propiedades
como la fragilidad, eleva la resistencia mecánica en la
dirección de las fibras, eleva la ligereza, y además
otorga flexibilidad. Para determinar qué tipo de fibra
usar como refuerzo el autor enumera los aspectos a tener
en cuenta, el primero es que ha de ser de calidad y
completamente compatible con la resina de poliéster,
seguido de que debe estar exento de humedad, luego deberá
ser impregnado con la resina y por último se deberán
conocer todas las características del refuerzo.
31
3 MARCO TEORICO
La Guadua Angustifolia es un material utilizado en la
industria de la construcción y posee diferentes usos como
material fundamental para edificar y también para elementos
secundarios. Se trata de una planta leñosa, perteneciente a
la familia del bambú que ocupa más extensión en América. Se
utiliza principalmente para la construcción, en las labores
agropecuarias y artesanales. Se han encontrado más de 30
especies distribuidas desde México hasta Argentina; puede
llegar a alcanzar 30 metros de altura o más y su diámetro
puede variar entre 1 y 22 centímetros. La Guadua es el tercer
género de bambú más alto del mundo, siendo superado solo por
dos especies ubicadas en Asia. (Pacheco, 2006). En la Figura
7 se muestra un guadual ubicado en el Quindío.
32
Figura 7. Muestra de Guadual
Fuente: Crónica del Quindío. [Internet]. Disponible en
<http://www.cronicadelquindio.com/noticia-completa-titulo-
inicia_muestra_de_la_guadua_>
En Colombia, La Guadua Angustifolia forma grandes
espacios de cultivos llamados “guaduales”, ubicados en la
región andina, principalmente en ríos y quebradas, en los
bosques y piedemontes de cordillera. La temperatura a la
cual crecen los guaduales oscila entre 17° y 26 °C, en
cuanto a la humedad, puede desarrollarse en 80-90%
inclusive en suelos aluviales ricos en cenizas
volcánicas, con fertilidad moderada y buen drenaje.
En América latina se encuentran aproximadamente 440
especies de bambú, de estas existen 16 del género Guadua.
(Jaramillo & Sanclemente, 2003). La Guadua se ha
convertido en una excelente alternativa de construcción y
se considera económica, liviana, de gran resistencia,
fácil de cortar, transportar y manejar, sostenible y al
mismo tiempo amigable con el medio ambiente, que
actualmente se encuentra en crisis, se estima que el área
en guaduales en Colombia suma alrededor de 36000
hectáreas. La guadua posee mayores beneficios en
comparación con otros materiales que la hacen aún más
productiva, es recurso natural, renovable y además puede
llegar a utilizarse en estructuras sismo resistentes.
Episodios como el terremoto en 1999 que afectó ciudades
el eje cafetero, hizo que el uso de la Guadua se
disparará rápidamente y actualmente es estudiado e
investigado con mucha frecuencia con el fin de obtener
propiedades mecánicas que ayuden a implementar la Guadua
33
en la construcción. En la Figura 8 se muestra la
implementación de la Guadua en cabañas.
Figura 8.Cabaña construida en Guadua, Finca el Samán, en el eje cafetero.
Fuente: wwww.mariocarvajal.com. [Internet]. Disponible en <
http://www.mariocarvajal.com/tag/quindio/>
Dentro de las ventajas que ofrece la Guadua se exalta que
es de rápido crecimiento y no requiere demasiados cuidados,
es óptima en la protección y mejoramiento del suelo debido a
su gran sistema de raíces que lo amarra, convirtiéndola en un
material irremplazable para mitigar la erosión. Se ha
convertido la Guadua en símbolo de la evolución de la cultura
americana, en países como Colombia, Ecuador y Venezuela.
34
Reglamento sobre la Guadua Angustifolia Kunth.
ICONTEC, haciendo uso de sus facultades ha creado
normas que son tenidas en cuenta por los constructores
que trabajan con este material, esto con el fin de
obtener el mayor rendimiento posible de la Guadua así
como la mejor calidad y aprovechamiento de la misma, como
por ejemplo la NTC 5300 (Cosecha y Pos cosecha de los
culmos de Guadua Angustifolia Kunth), NTD 5301 (Secado e
inmunizado de los culmos de Guadua Angustifolia Kunth),
NTC 5405 (Propagación vegetativa de Guadua Angustifolia
Kunth), NTC 5405 (Uniones para estructuras construidas en
Guadua Angustifolia), y la NTC 5525 (Métodos de ensayo
para determinar las propiedades físicas y mecánicas de la
Guadua Angustifolia Kunth).
El reglamento NSR-10 plantea utilizar la guadua solo
en proyectos de vivienda, educación, comercio e
industria, están limitadas las construcciones en Guadua a
dos pisos, se recomienda no superar un área de
construcción de 2000 m2, no se deben construir muros de
mampostería y concreto en un nivel superior. La NSR-10 se
refiere a una masa específica de 800 kg/m3, un equilibrio
de contenido de humedad ECH del 12%, módulo de
elasticidad promedio = 9500 MPa y un módulo de
elasticidad mínimo = 4000 MPa. Entre los esfuerzos
admisibles determinan (Tabla 4):
35
Esfuerzo Resistencia (MPa)
Flexión 15
Tracción 18
Compresión paralela al eje
longitudinal
14
Compresión perpendicular al
eje longitudinal (Para nudos
rellenos de concreto)
1.4
Corte 1.2
Tabla 4.NSR 10. Cargas admisibles para uniones empernadas con doble
cizallamiento. [Tabla G.12.11-2].
Fuente: NSR 10.
El fique
El fique y su cultivo se ha considerado desde hace mucho
tiempo como un factor económico y medio de sustento para los
habitantes de muchas provincias en el país, el desarrollo
tecnológico que ha envuelto al país en los últimos años ha
aumentado la importancia del fique y ha permitido avances
significativos en las formas tradicionales de producción y se
han creado nuevos productos con la materia prima, lo cual ha
originado la aparición de una gran variedad de artículos que
son demandados tanto en el mercado nacional como
internacional.
En las regiones andinas de Colombia, Venezuela y Ecuador
se dice que se originó el fique, debido a las condiciones
climáticas de estos tres países en donde el cultivo se
36
extiende durante casi todo el año. Y aunque sea Colombia
un país en donde se originó, nunca han existido grandes
plantaciones, todo lo que se produce proviene de pequeñas
fincas que tienen este cultivo, y en especial en los
departamentos de Cauca, Nariño, Santander, Antioquia y
Boyacá (Figura 9).
Figura 9.Cultivo de fique o Cabuya
Fuente: Plantas medicinales [Internet]. Disponible en
<http://rodrigomontoyazuluaga.blogspot.com.co/2012/11/cabuya-o-fique-raiz.html>
Muchas son las razones para creer en el cultivo del
fique como por ejemplo la duración del cultivo,
estabilidad y seguridad al agricultor, los costos de
instalación, hacen del fique un material atractivo, no es
un cultivo exigente además que aguanta inviernos,
veranos, granizadas y otros impactos ambientales, genera
trabajo para las familias, se utiliza para la creación de
37
artesanías papel y en construcción de viviendas, generando
así capital en el entorno. Se reconocen dos frentes de
trabajo, el primero y más importante a nivel rural en los
sitios de producción, los minifundios de estructuras
familiares con un alto contenido de mano de obra es donde se
cultiva el fique y el segundo frente a nivel urbano, en donde
tienen lugar los talleres, se transforma la fibra hasta
llegar a ser artículos comúnmente comercializados.
La cadena del fique se define por los siguientes
eslabones: fibra, bagazo y jugos en el eslabón primario;
hilados cordelería y tejidos en el intermedio; y tejidos
terminados, artesanías y empaques al igual que papel, están
ubicados en el eslabón final. FEDEPAPA, FENALCE, FEDEARROZ,
FEDERACAFE y colchones Spring son algunos de los consumidores
de fique, en cuanto a instituciones de apoyo se encuentran
universidades, centros de investigación, ministerio de
agricultura y desarrollo rural entre otros.
En el proceso de desfibración, la fibra y la savia verde
se adhieren obligando a lavar el fique; cuando la lluvia es
muy frecuente en algunas regiones, las máquinas
centrifugadoras secan la fibra que luego pasa por desecadora
de aire caliente, para eliminar el polvo que pueda haberse
adherido a la fibra y quitar las fibras débiles, debe
someterse a un proceso de cepillado industrial (Figura 10).
38
Figura 10.Campesino en cultivo de fique
Fuente: Little observationist. [Internet] Disponible en
<http://www.littleobservationist.com/2013/12/18/fique-colombia-handicrafts-plants-
products/>
De la planta de fique solo es utilizable un 4% de la
fibra, el agua ocupa un 85% y lo demás son desperdicios
de pulpas y fibrillas. Dentro de las propiedades de la
fibra de fique se encuentra su color que puede variar
entre perla y blanco puro, puede alcanzar hasta los 160
centímetros de largo, con un diámetro de hasta ½
milímetro, alrededor del 78% de la fibra está compuesta
por celulosa, que es la responsable de la degradación de
39
la fibra al ser utilizada en un medio alcalino, como en el
cemento, su capacidad de absorción y resistencia a la acción
destructora del agua salada la hacen atractiva para la
elaboración de cordelería marítima. (Sosa, Águila, & Centeno,
2011).
Resina de poliester:
Es un producto líquido que puede pasar a sólido por medio
de una reacción química involucrando un agente externo. La
resina necesita de otros materiales para lograr una
resistencia suficiente, estos materiales también llamados
cargas, hacen de la resina un material óptimo para diferentes
usos, disminuyendo su fragilidad y aumentando su resistencia
a deformaciones por fuerzas externas. La resina de poliester
es empleada en artesanías y también en la fabricación de
articulos para el hogar, objetos de decoración y juguetes.
Las resinas de poliéster surgen de una reacción llamada
esterificación, que se basa en hacer reaccionar ciertos
ácidos orgánicos o anhídridos de ácidos, denominados ácidos
di-o poli-carboxílicos, con un grupo de alcoholes denominados
Polioles. La gran versatilidad de las resinas de poliéster
insaturado incide en la amplia variación que puede llegar a
tener la resina en cuanto a su método de fabricación y
composición, esto permitiendo fabricar resinas para
diferentes requisitos de aplicación debido al gran número de
componentes de la resina. Los ácidos o anhídridos insaturados
o saturados hacen que cada resina tenga diferente reactividad
y propiedades finales diferentes.
En el mercado se consigue la resina en estado líquido y
debido a su alta viscosidad se le proporciona “Estireno”, un
disolvente que la convierte en un fluido fácil de manipular.
40
Al añadirle catalizador la combinación crea una serie de
radicales libres que enlazan los elementos químicos de la
resina formando así una red que hace que se gelifique,
llamando a este estado fase 1, el endurecimiento viene en
la fase 2, que es cuando la mezcla se convierte en
sólida, adquiera dureza, cuerpo y resistencia.
Las cargas son aquellos materiales que se le añaden a
la resina para dar determinadas propiedades, pueden ser
reforzantes, no reforzantes e ignifugas; los reforzantes
son aquellos que permiten repartir regularmente los
esfuerzos y se caracterizan por su bajo peso y que el
porcentaje a usar no debe exceder el 5%, los no
reforzantes, como es el caso del carbonato de calcio, que
mientras disminuye el costo y resistencia, aumenta la
viscosidad, y los ignifugantes que ayudan a reducir la
combustión entre ellos se encuentran los hidróxidos de
aluminio y óxidos de antimonio. (RESINAS DE POLIESTER Y
FIBRA DE VIDRIO. (ESTRATIFICADO))
Algunos de los ensayos más importantes para observar
el éxito de las reacciones durante el proceso de
fabricación de las resinas son:
Peso específico: peso por unidad de volumen que
tiene la resina; los valores normales del peso
específico de la resina de poliéster oscilan entre
1,10 y 1,15 g/cm3; se mide con un picnómetro.
Viscosidad: para estudiar la viscosidad se utiliza
con más frecuencia la medida de la elevación de
burbujas y el viscosímetro de vástago rotatorio.
41
4 MATERIALES
4.1 Guadua Angustifolia Kunth:
Los culmos de guadua que se utilizaron para la
elaboración de las probetas para esta investigación fueron
comprados en “Arme ideas en Guadua” que es una
comercializadora de Guadua ubicada en el municipio de Soacha,
Cundinamarca. Las Guaduas provenían del eje cafetero, cosecha
de una finca ubicada en el departamento del Quindío, la
guadua pasó por un proceso de inmunización y secado al sol.
La guadua se adquirió en longitudes de tres metros y los
diámetros se escogieron según la metodología desarrollada, el
diámetro osciló entre los 90 mm y 120 mm, y longitud de
probetas de 350 mm para ensayos de compresión. Una vez
cortada se cubrió y protegió de los agentes del medio
ambiente para no generar cambios en su humedad y evitar
fisuras que alteraran los resultados de los ensayos, aun así,
a algunas guaduas cuyas paredes tenían fisuras muy pequeñas
se les aplicó silicona de marca Sika, para vidrio, con el fin
de evitar que el relleno pudiera salirse, las propiedades
químicas de la Silicona fueron suficientes para soportar los
cambios térmicos producidos por la resina de poliéster y
también se utilizó para sellar la holgura de las
perforaciones que se realizaron de 1/16” más grande que el
diámetro del perno(tipo de perforación estándar).
4.1.1 Ensayos de caracterización:
Para determinar el comportamiento mecánico de la Guadua
se realizaron ensayos de caracterización del material, tales
como compresión y corte paralelo a la fibra (probetas con
42
nudo y sin nudo), según las especificaciones técnicas de
la norma Icontec NTC 5525, así como también ensayos de
compresión y tracción perpendicular, usando los montajes
propuestos por Pacheco (2006) y Torres (2005),
respectivamente. Para cada ensayo de caracterización se
fallaron 12 probetas.
A continuación, se explicarán los objetivos, equipos
utilizados, procedimiento y resultados de cada ensayo de
caracterización de la Guadua angustifolia, de igual
manera la comparación de los valores de esfuerzo promedio
con los hallados en otras investigaciones.
4.1.1.1 Ensayos de compresión paralela a la fibra
Este ensayo fue realizado bajo los parámetros de la
NTC 5525, solo se evaluaron probetas sin nudo, la altura
de las probetas fue de aproximadamente 1,5 veces el
promedio de los diámetros externos de las caras
superiores e inferiores de cada probeta. De igual manera,
después de realizar el corte con la máquina acolilladora,
se perfeccionaron las caras con el fin de que, al momento
de aplicar la carga mediante la máquina universal, la
distribución se hiciera uniformemente sobre la cara
superior, se usaron dos pletinas como se muestra en la
Se usaron dos pletinas, superior e inferior (Figura
11), untadas de aceite y además se colocó una lámina de
acero cortada como se aprecia en la Figura 12, para
reducir la fricción al momento de aplicar la carga entre
las pletinas y las caras de la probeta de guadua. En la
Figura 12 se muestra una probeta sin nudo. Los ensayos
fueron realizados en la máquina universal.
43
Figura 11. Pletinas usadas en el ensayo de compresión paralela a la fibra
de la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 12. Montaje para ensayo de compresión paralela a la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
44
Resultados.
Para determinar el esfuerzo último a compresión
paralela a la fibra, se divide la fuerza última alcanzada
por la probeta antes de fallar (Fúlt) en Newton entre el
área de aplicación de la carga, es decir el área de la
sección transversal expresada en mm2.Para ello se utilizó
la ecuación (2):
𝜎ú𝑙𝑡 =𝐹ú𝑙𝑡
A
(2)
Para el cálculo de A se utiliza la siguiente
ecuación, en donde se tiene en cuenta el diámetro externo
y el espesor de cada probeta (Ecuación (3)):
𝐴 =π
4∗ (𝐷𝑒 2 − (𝐷𝑒 − 2𝑡 )2) (3)
Donde 𝐷𝑒 es el diámetro externo de la probeta y t el
espesor de la misma. A continuación, en la Tabla 5, se
concluyeron los resultados de la resistencia a la
compresión paralela a la fibra.
Tabla 5. Resultados de resistencia a compresión paralela a la fibra.
Fuente: Elaboración propia.
Compresión paralela a la fibra de la Guadua
Esfuerzo
promedio
(MPa)
Desviación
estándar
Coeficiente
de variación
Contenido de
humedad promedio
50,35 8,50 16,87 10,26%
45
En la Tabla 6 se comparan los resultados de la
resistencia a la compresión paralela a la fibra de la Guadua,
con la obtenida por otros autores:
Tabla 6. Comparación de resultados de resistencia a compresión paralela a la
fibra
Fuente: Elaboración propia
Autor Esfuerzo promedio
(MPa)
Gonzales, E (2006) 41,81
Andrade, S (2013) 48,27
Pachón, V & Sanabria, J
(2014) 41,94
Arias, L & Bautista, O
(2016) 50,35
Los valores de esfuerzo promedio de resistencia a
compresión paralela a la fibra comparados anteriormente
presentan una desviación estándar del 4,37%; cada una de las
investigaciones presenta contenidos de humedad diferentes,
como se presenta a continuación (Figura 13):
46
Figura 13. Comparación de datos de esfuerzo a compresión paralela a la fibra.
Fuente: Elaboración propia.
A manera de comparación se realizó el gráfico
anterior del cual se puede inferir que para los cuatro
datos de investigaciones tomados se presenta una
tendencia que a mayor contenido de humedad menor esfuerzo
a compresión paralela a la fibra que puede soportar la
guadua, es posible que no solo la humedad sea un factor
determinante en la resistencia a compresión paralela,
sino que también influya la altura de la guadua a la cual
se obtuvieron las muestras, es decir la zona del culmo
del cual se haya extraído el material, entre otros.
4.1.1.2 Ensayo de compresión perpendicular a la fibra
Las probetas utilizadas para determinar el esfuerzo
último a compresión perpendicular tuvieron espesores
comprendidos entre 7 mm y 10 mm y diámetros externos
entre 90 mm y 120 mm, 12 probetas fueron falladas para
47
determinar la resistencia promedio y la longitud igual a 1,5
veces el diámetro promedio (Figura 14). En cuanto al montaje,
como se muestra en la Figura 15, la guadua se pone de tal
manera que la aplicación de la carga sea de manera
perpendicular a la fibra de la Guadua.
Figura 14. Muestra de probetas para ensayos de compresión
perpendicular.
Fuente: Elaboración propia.
48
Figura 15. Montaje para ensayos de compresión perpendicular a la
fibra de la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
Resultados
La resistencia a la compresión radial o perpendicular
a la fibra se calculó mediante la suposición de analizar
la mitad de la sección transversal de las probetas como
un arco con una carga en el centro que se refiere a la
carga aplicada en el ensayo por la máquina, donde el
momento flector en el centro de la luz es igual a la
reacción en el apoyo multiplicada por el radio promedio
R. En la ecuación (4) se define la resistencia a la
compresión perpendicular a la fibra:
49
𝜎 𝑐𝑝 =M ∗ c
I
(4)
El valor de c corresponde a la distancia entre el eje
neutro y la fibra extrema a compresión, que sería igual a la
mitad del espesor promedio de la Guadua, en cuanto al momento
de Inercia se calcularía respecto a la sección de base igual
a la longitud promedio y la altura igual al espesor promedio
de cada probeta, como se muestra en la ecuación (5):
𝜎 𝑐𝑝 =M ∗ c
I=
(𝐹 𝑢𝑙𝑡
2) ∗ (𝑅) ∗ (
𝑇𝑝
2)
(𝐿𝑝∗𝑡3𝑝
12)
(5)
A continuación, en la Tabla 7 se resumen los resultados
obtenidos para este ensayo.
Tabla 7.Resultados de resistencia a compresión perpendicular a la fibra
de la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
Compresión perpendicular a la fibra de la
Guadua
Esfuerzo
promedio
(MPa)
Desviación
estándar
(MPa)
Coeficiente
de
variación
Contenido
de humedad
promedio
17,03 3,18 7,33% 10,32%
A manera de comparación, en la tabla 8 se puede observar
el esfuerzo último a compresión perpendicular obtenido por
diferentes autores y el de la presente investigación:
50
Tabla 8. Comparación resultados de resistencia a compresión perpendicular a la
fibra de la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
Autor Esfuerzo promedio
(MPa)
Andrade, S (2013) 10,68
Ardila, C (2013) 4,42
Arias, F y Bautista, O (2016) 17,03
Proyecto MADRC (2010) 8,35
Los valores de las investigaciones mencionados
anteriormente presentan una desviación estándar de 5,28
MPa. El contenido de humedad de las probetas del trabajo
de investigación de Andrade (2013) fue de 14,27% y el
contenido de agua de las probetas de la presente
investigación fue de 10,32%, en ambas investigaciones se
emplearon culmos provenientes de El Quindío, al igual que
en el Proyecto MADRC “Validación de la Guadua
angustifolia como material estructural para diseño, por
el método de esfuerzos admisibles”, a diferencia de las
dos investigaciones nombradas anteriormente, el contenido
de humedad de las probetas ensayadas fue de 81,47%, casi
cuatro veces que el promedio de las humedades de las
probetas ensayadas por Andrade (2013) y las ensayadas en
esta investigación, aunque sea de la misma zona de
procedencia, la variación de humedades y la variación de
esfuerzos admisibles hacen que no se relacionen ni que se
pueda inferir nada acerca del comportamiento a compresión
perpendicular.
51
Por otra parte, en las probetas de Ardila, C (2013) que,
aunque no fueron extraídas del Quindío, el contenido de
humedad de sus especímenes fue similar al contenido de
humedad del Proyecto MADRC, de 83,60%, pero, aunque aumentó
la humedad en apenas un 2,13%, el esfuerzo a compresión
perpendicular disminuyó en casi un 53%, es decir que la
humedad y el esfuerzo a compresión perpendicular no tienen
mayor relación.
Ardila, C (2013) en su trabajo de investigación observó
mediante ensayos de compresión perpendicular en los cuales
varió el contenido de humedad de las probetas, que no hay una
relación directa entre la resistencia a la compresión
perpendicular a la fibra y su respectivo contenido de humedad
entre un 55 y 120%. La Figura 16 muestra que hay una
dispersión de puntos homogénea y no hay una tendencia
definida que permita relacionar el contenido de humedad con
algún tipo de cambio en el comportamiento a compresión
perpendicular.
52
Figura 16. Ardila, C (2013). Resistencia última ensayo a compresión perpendicular
a la fibra (Cp) vs contenido de humedad (Ch). [Figura 10,4]
Fuente: Recuperado de Trabajo de investigación de Ardila, C Universidad Nacional
de Colombia.
4.1.1.3 Ensayo de tracción paralela a la fibra
El ensayo de tracción paralela a la fibra se realizó
con base en la NTC 5525, la longitud de las probetas fue
de 500 mm y con una sección transversal cuadrada con
dimensiones iguales al espesor de la pared. Las probetas
fueron recortadas como se muestra en la Figura 17. Se
elaboraron 12 especímenes con nudo en aproximadamente el
centro de la misma, en donde se ahusó y 12 sin este nudo
en ese lugar.
53
Figura 17. Muestra Probeta para ensayo de tracción paralela a la fibra de la
Guadua con nudo.
Fuente: Elaboración propia.
En la máquina universal se colocó la probeta como se
muestra en Figura 18, se descartaron probetas en las cuales
la falla no se presenció en la zona de ensayo.
54
Figura 18. Montaje de probetas en maquina universal para ser
falladas.
Fuente: Elaboración propia.
Resultados
El cálculo de la resistencia a la tracción paralela a
la fibra se determinó usando la ecuación (6).
𝜎 =F ult
A=
F ult
h ∗ t
(6)
Donde F ult hace referencia a la carga aplicada a la
cual la probeta falla, en Newton, ℎ y t son el ancho de la
probeta y el espesor de la misma, respectivamente. En la
55
Tabla 9 se presenta el resultado de la resistencia promedio a
la tracción paralela a la fibra de la guadua:
Tabla 9. Resultados de resistencia a tracción paralela a la fibra de la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
Tracción paralela a la fibra
Esfuerzo
promedio
(MPa)
Desviación
estándar
(MPa)
Coeficiente
de variación
Contenido de
humedad
promedio
Con Nudo 108,928 10,21 14,52% 9,96%
Sin Nudo 126,736 8,16 6,43% 10,16%
Total 117,8318 12,83 10,89% 10,20%
En la Tabla 10 se pretende comparar la resistencia última
a la tracción paralela a la fibra obtenida en esta
investigación con la obtenida por otros autores:
Tabla 10. Comparación de resistencia a tracción paralela a la fibra de la Guadua
con nudo.
Elaboración propia.
Autor Esfuerzo promedio
(MPa)
Arias & Bautista (2016) 117,83
Gutiérrez, M (2011) 84,91
Andrade, S (2013) 124
Pachón & Sanabria (2014) 99,18
Ciro, Osorio & Vélez (2005) 190,7
Ahora se procede a analizar los contenidos de humedad que
poseían las probetas al momento de ser ensayadas en las
anteriores investigaciones (Figura 19).
56
Figura 19. Contenido de humedad hallado por diversas investigaciones en el ensayo
de tracción paralela a la fibra de la Guadua angustifolia Kunth.
Fuente: Elaboración propia.
Los valores de esfuerzo a tracción paralela a la
fibra, en general, presentan un valor de desviación
estándar de 43,01 MPa. Al momento de analizar los
contenidos de humedad con el fin de relacionarlos a la
resistencia a tracción paralela, no fue posible incluir
el valor de la investigación de Ciro, Osorio & Vélez,
puesto que en su artículo “Determinación de la
resistencia mecánica a tensión y cizalladura de la Guadua
angustifolia Kunth” no definieron un porcentaje de
contenido de humedad para las probetas ensayadas, solo se
mencionó que fue inferior al 20%.
Los contenidos de humedad que poseían las probetas de
las investigaciones mencionadas, varían entre 9,96% y
13,41% de humedad, pero no es posible establecer una
tendencia que relacione el contenido de humedad de las
probetas ensayadas a tracción paralela a la fibra con los
valores de esfuerzos últimos, ya sea que disminuya o
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,0012,0014,0016,00
Arias, L & Bautista, O
Gutierrez, M
Andrade, S
Pachon, V & Sanabria, J
Contenido de humedad (%)
Inve
stig
acio
nes
57
aumente. Como afirma Gutiérrez, M. en su investigación
“Factor de corrección por contenido de humedad para la
resistencia a tensión paralela a la fibra de la Guadua
Angustifolia Kunth”, la resistencia a la tensión paralela a
la fibra presenta una variación importante cuando el
contenido de humedad se encuentra por debajo del 10%, esto
podría explicar que el valor de esfuerzo de la presente
investigación fue el menor, siendo la humedad menor del 10%.
Entre el valor de esfuerzo a tracción paralela a la fibra de
la investigación de Gutiérrez, M. y la presente
investigación, hubo una reducción de resistencia cercana al
21%, esto confirma que “la resistencia a tensión paralela a
la fibra de la Guadua angustifolia Kunth puede disminuir
hasta un 27% para contenidos de humedad por debajo del 10%
del contenido de humedad del material” Gutiérrez, M (2011).
4.1.1.4 Ensayo de tracción perpendicular a la fibra.
El ensayo de tracción perpendicular a la fibra se realizó
con base en la metodología presentada por la Ingeniera Cari
A. Pacheco en su tesis “Resistencia a la tracción
perpendicular a la Fibra de la Guadua Angustifolia”, de la
Universidad Nacional de Colombia.
Se ensayaron 12 probetas sin nudo cuyas longitudes fueron
de una vez el diámetro exterior promedio de la probeta
(Figura 20).
58
Figura 20. Probetas para ser ensayadas a tracción perpendicular a la fibra de
la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
El dispositivo empleado para someter las probetas a
tracción perpendicular a la fibra de la Guadua consistió
en una adaptación del postulado en la tesis mencionada
anteriormente (Figura 21).
59
Figura 21. Montaje de ensayo de tracción perpendicular a la fibra de
la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
La resistencia a la tracción perpendicular a la fibra se
calculó de acuerdo a la Ecuación (7).
𝜎𝑢𝑙𝑡 =𝐹𝑢𝑙𝑡
A=
𝐹𝑢𝑙𝑡
2 𝑇𝑝 ∗ 𝐿𝑝
(7)
Donde 𝐹 𝑢𝑙𝑡 corresponde a la carga máxima aplicada a la
que la probeta llega a su falla (Newtons) y 𝐴 corresponde al
área e aplicación de la carga, que es dos veces el espesor
promedio por la longitud promedio.
A continuación, en la Tabla 11 se establecen los valores
arrojados en esta investigación:
60
Tabla 11. Resultados de resistencia a la tracción perpendicular a la fibra de
la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
tracción perpendicular a la fibra
Esfuerzo
promedio
(MPa)
Desviación
estándar
(MPa)
Coeficiente de
variación
Contenido
de humedad
promedio
0,53 0,22 41,08% 10,41%
En la Tabla 12 se pretende comparar la resistencia
última a la tracción perpendicular a la fibra obtenida en
esta investigación con la obtenida por otros autores:
Tabla 12. Comparación de resistencia a tracción perpendicular a la fibra de la
Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
Autor Esfuerzo
promedio (MPa)
Pacheco, C (2006) 0,728
Andrade, S (2013) 1,08
Pachón, V & Sanabria,
J (2014) 0,42
Arias, L & Bautista, O
(2016) 0,53
A continuación, se muestra el contenido de humedad de
las probetas usadas en las investigaciones mencionadas
anteriormente (Tabla 13):
61
Tabla 13. Contenidos de humedad en ensayos.
Fuente: elaboración propia.
Contenido de humedad
(%) Autor
10,4
Arias, L & Bautista, O
(2016)
14,27 Andrade, S (2013)
16,21
Pachón, V & Sanabria, J
(2014)
22,2 Pacheco, C (2006)
En la Figura 22 se relaciona el contenido de humedad y el
esfuerzo último a tracción perpendicular de los ensayos
realizados en algunas investigaciones:
Figura 22. Contenido de humedad hallado en diversas investigaciones en los
ensayos de tracción perpendicular a la fibra de la Guadua angustifolia Kunth.
Fuente: Elaboración propia
62
De la Figura 22 no es posible inferir un
comportamiento de tracción perpendicular en el cual
influya el contenido de humedad de las muestras
ensayadas, a pesar de que Pacheco (2006) concluyó
mediante una investigación que la resistencia a
tracción perpendicular es inversamente proporcional al
contenido de humedad, además, que aunque la humedad es un
factor muy importante (pero no el único) para la
resistencia de la Guadua y por lo tanto la cosecha y
secado son determinantes para la resistencia de la misma.
4.1.1.5 Ensayo de corte paralelo a la fibra
El ensayo de corte paralelo a la fibra de la Guadua
se realizó con base en la NTC 5525. Los dispositivos
fueron utilizados de tal manera que permitían que la
probeta se apoyara en su extremo inferior sobre dos
cuartas partes de su superficie opuestas entre sí, y a su
vez, en el extremo superior se aplicó la carga sobre las
dos cuartas partes que no estaban apoyadas en la parte
inferior (Figura 23).
63
Figura 23. Dispositivos empleados para la aplicación de la carga
en ensayo de corte paralelo a la fibra.
Fuente: Elaboración propia.
Se ensayaron 24 probetas de corte paralelo a la fibra de
la Guadua, 12 probetas con nudo (Figura 24) y 12 probetas sin
nudo (Figura 25), cuyas longitudes fueron aproximadamente
igual al promedio del diámetro exterior. El montaje se puede
apreciar en la Figura 26.
64
Figura 24. Probetas con nudo para ensayo de corte paralelo a la
fibra de la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 25. Probetas sin nudo para ensayo de corte paralelo a la
fibra de la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
65
Figura 26. Montaje para ensayo de corte paralelo a la fibra de
la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
Resultados:
La resistencia última al corte se calculó mediante la
división de la carga máxima soportara por la probeta Fúlt
(Newtons), entre el área de la superficie de la falla a
cortante Av, como se muestra en la ecuación (8):
𝑥 =F últ
Av=
F últ
(𝑡 ∗ 𝐿)
(8)
El área 𝐴𝑣 es la suma de los cuatro productos de 𝑡 y 𝐿,
siendo 𝑡 el espesor de la pared de la probeta de la Guadua y
𝐿, la longitud de la misma. En la Tabla 14 y Tabla 15 se
muestran los resultados de la resistencia al corte paralelo a
la fibra de la guadua con nudo y sin nudo respectivamente.
66
Tabla 14. Resultados de resistencia al corte paralelo a la fibra de la
Guadua para probetas con nudo.
Fuente: Elaboración propia.
Corte paralelo a la fibra, guadua con nudo
Esfuerzo
promedio
MPa
Desviación
estándar MPa
Coeficiente de
variación
Contenido de
humedad
promedio
5,90 1,01 17,08% 11,29%
Tabla 15. Resultados de resistencia al corte paralelo a la fibra de la
Guadua para probetas sin nudo.
Fuente: Elaboración propia.
Corte paralelo a la fibra, guadua sin nudo
Esfuerzo
promedio
MPa
Desviación
estándar MPa
Coeficiente de
variación
Contenido de
humedad
promedio
5,79 0,85 14,70% 11,57%
En la tabla 16 se comparan los resultados obtenidos
de la resistencia al corte paralelo a la fibra de la
Guadua con la obtenida en otras investigaciones.
67
Tabla 16. Comparación resultados de resistencia al corte
paralelo a la fibra de la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
sin nudo con nudo
Autor
Esfuerzo
MPa
Esfuerzo
MPa
Pantoja, N & Acuña, D (2005) 7,09 7,52
Andrade, S (2013) 8,3 8,48
Plazas, M (2013) 6,9 7,12
Arias, L & Bautista, O (2016) 5,79 5,90
El aumento de la resistencia a corte paralelo a la fibra
cuando las probetas poseen nudo es evidente en las cuatro
investigaciones comparadas en la tabla 16, el menor aumento
encontrado fue en la presente investigación, alrededor de 1%
de aumento de resistencia en comparación con las probetas sin
nudo, Andrade, S (2013) logró obtener un 2,1% de aumento de
resistencia, similar al de Lamus, Plazas & Luna (2015) que
fue de 3%, sin embargo Pantoja N & Acuña, (2005) lograron
alcanzar un 5% de más en resistencia a corte paralelo a la
fibra en sus probetas con nudo, también se encontró una
desviación estándar para las probetas con y sin nudo de 1
MPa.
4.2 Material de relleno de probetas
El relleno de las probetas está compuesto por Resina de
poliéster, fibra de fique y trozos de guadua de 10 mm x 10
mm. La manera de rellenar cada probeta consistió en realizar
una perforación exclusiva para introducir los pequeños trozos
de guadua y fique (El fique que se agregó fue el equivalente
68
al 3% de la cantidad de resina de poliéster), luego de
tener dentro de la probeta la cantidad necesaria de fique
y trozos de guadua se vertió por medio de un embudo de
3/4” la mezcla de resina de poliéster y monómero de
estireno teniendo así una mezcla sólida y consistente,
capaz de resistir esfuerzos a compresión, garantizando la
adherencia necesaria para que la guadua trabaje de la
mejor manera. A continuación, se especifica cada elemento
del compuesto.
4.2.1 Fique
El fique que se utilizó en el relleno es un fique
comercial sin ningún tipo de colorante ni trenzado, fácil
de manipular y cortar, la longitud de las fibras fue de
20 mm y la cantidad determinada para las probetas
corresponde al 3% del volumen del relleno. En la Figura
24 se muestra la fibra lista para ser parte del relleno
de la Guadua.
69
Figura 27. Fibra de fique cortada a 20 mm.
Fuente: Elaboración propia.
4.2.2 Resina poliéster
La resina de poliéster es el material base del compuesto,
su alta resistencia a la compresión lo hace un material
excelente para usarse como relleno de Guadua en conexiones,
el fique es agregado para mejorar la resistencia a tracción
de la resina y los trozos de Guadua para disminuir el volumen
ocupado por la resina, bajar el costo del relleno y mejorar
propiedades mecánicas del relleno.
La resina de poliéster fue adquirida en Alquímicos y se
compró por galones, a su vez se mezcló con monómero de
70
estireno (Figura 28) en una relación 2:1 resina y
estireno respectivamente, que trabaja como disolvente
ayudando a mejorar la viscosidad de la resina para
garantizar la penetración de la misma en medio de la
fibra de fique y los pequeños trozos de guadua. La forma
de pasar la resina de líquida a sólida es mediante un
catalizador, es peróxido (Figura 29) que se agrega en un
3% del volumen de la resina, con esta cantidad de
catalizador el tiempo de fraguado de la mezcla es de
aproximadamente 15 minutos, la mezcla queda totalmente
sólida y sin fracturarse (Figura 30).
Figura 28. Monómero de Estireno.
Fuente: Elaboración propia.
71
Figura 29. Catalizador de Resina MEC
Fuente: Elaboración propia.
Figura 30. Muestra de Resina de Poliéster líquida.
Fuente: Elaboración propia.
72
4.2.3 Trozos de Guadua
Como se mencionó anteriormente, la principal función
de los trozos de Guadua es aumentar la resistencia del
relleno ocupando volumen que también ayuda a disminuir la
cantidad de mezcla (Resina, estireno y MEC), y por tanto
el costo.
Se estableció cortar los trozos de guadua de 10 mm x
10 mm (Figura 31); así se logra un mayor acomodamiento de
los trozos, mayor ocupación de volumen y totalmente
empapados por la mezcla.
Figura 31. Trozos de guadua.
Fuente: Elaboración propia.
4.2.3 Ensayos de caracterización de Compuesto usado como
relleno.
Para conocer las propiedades mecánicas del compuesto,
se realizaron ensayos de compresión y tracción indirecta.
A continuación, se describen los ensayos:
4.2.3.1. Ensayo de Compresión.
73
Las probetas para definir la resistencia a compresión del
compuesto a base de resina poliéster se realizaron usando
como formaleta tubo de PVC de alta resistencia, de 3” de
diámetro, la altura equivalente a 2 veces el diámetro del
tubo (Figura 32).
Figura 32. Probetas para ensayos a compresión.
Fuente: Elaboración propia.
Se elaboraron 3 muestras que se ensayaron a compresión
simple y con el fin de calcular el esfuerzo se halló el área
de la sección transversal con la ecuación (9):
𝐴 =𝜋
4𝐷2
(9)
74
Donde A es el área de la sección transversal
expresada en mm y D es el diámetro promedio del espécimen
en mm2.
Conociendo el área, se procedió a calcular el
esfuerzo máximo a compresión de cada probeta con la
siguiente expresión (ecuación (10)):
𝜎ú𝑙𝑡 =𝐹𝑚á𝑥
𝐴
(10)
El termino Fmáx, es la fuerza máxima soportada por la
probeta al momento del ensayo en Newton y A es el área
anteriormente mencionada en mm2.
Tabla 17. Resultados de resistencia a compresión de Resina de poliéster.
Fuente: Elaboración propia.
Probeta Esfuerzo (MPa)
CS-01 16,235
CS-02 16,466
CS-03 14,823
Promedio 15,841
La Tabla 17 muestra los resultados de esfuerzos a la
compresión obtenidos del ensayo de compresión simple del
compuesto a base de resina poliéster, indicando que el
promedio de este valor fue de 15,841 MPa.
Adicionalmente, una de las 3 probetas se ensayó con
unas galgas extensiométricas, llamadas en inglés “Strain
Gages”. Estas se instalaron en el espécimen con el fin de
medir la deformación del mismo durante el ensayo. Estos
75
sensores miden la deformación gracias a la variación en su
resistencia eléctrica, la cual es causada por un cambio en la
longitud donde se encuentra adherida la galga. En la Figura
33 se puede observar la galga incluida en el cilindro.
Figura 33. Strain Gage adherido a la probeta para caracterización de compuesto.
Fuente: Elaboración propia.
76
Figura 34. Chasis cDAQ-9174, National Instruments.
Fuente: Elaboración propia.
Para la obtención de datos se utilizó un dispositivo
llamado Chasis cDAQ-91748 (Figura 34), el cual es una
plataforma portátil de adquisición de datos. Cada galga
se conectó a este dispositivo el cual a su vez dirigió la
información a un software llamado LabVIEW. Este programa
de computador es una plataforma de diseño y programación
con un lenguaje gráfico que fue desarrollado por National
Instruments, la cual es una empresa que se encarga de
desarrollar hardware y software para la optimización de
distintas mediciones en diversas áreas de conocimiento.
Dicha empresa también creo el chasis de adquisición de
datos anteriormente mencionado. Gracias a Fuentes y
Sierra (2016), que en su investigación “Longitud de
desarrollo para una barra N4 NTC 2289 en un elemento SFRC
a flexión” crearon una herramienta en el software
LabVIEW, la cual, a través del chasis y las galgas, mide
la deformación del material al cual esta adherido. Con
esta herramienta se logró establecer dicha deformación
77
para cada esfuerzo solicitado en el ensayo, para así
construir la gráfica esfuerzo vs deformación (Figura 35).
Figura 35. Gráfica esfuerzo-deformación de un cilindro de compuesto.
Fuente: Elaboración propia.
4.2.3.2 Ensayo de Tracción indirecta.
Para el desarrollo de este ensayo fue necesario elaborar
cilindros del compuesto con la ayuda de un tubo PVC de 3”, el
cual funcionó como formaleta para la realización de estas. Se
cortaron a una longitud aproximada al diámetro promedio de la
probeta y se ensayaron en la maquina universal de la
Universidad de la Salle como se ilustra en la Figura 36. Se
78
fabricaron tres probetas en total para el desarrollo del
ensayo.
Figura 36. Probeta para ensayo de tracción indirecta.
Fuente: Elaboración propia.
Para el cálculo de resultados se usó la ecuación (11)
y 12; la primera para hallar el área y la segunda para
calcular el esfuerzo a la tracción indirecta de cada
espécimen.
79
(11)
De la anterior expresión el término L es la longitud
promedio de la probeta en mm y D es el diámetro promedio de
las mismas en mm (Ecuación (12).
(12)
Para hallar el esfuerzo a la tracción indirecta, como es
habitual se divide Fmáx, que es la fuerza máxima, entre el
área comprometida a esta. (Ecuación (11)).
En la Tabla 18 se muestran los resultados de resistencia
a tracción indirecta del compuesto.
Tabla 18. Resultados de resistencia a tracción indirecta de compuesto.
Fuente: Elaboración propia.
Probeta
Esfuerzo
Máximo
(MPa)
TI-01 3,802
TI-02 3,895
TI-03 3,082
Promedio 3,593
4.4 Pernos
Se utilizaron tres diámetros diferentes de varillas
roscadas: 3/8”, 1/2” y 5/8, la varilla de 3/8” se adquirió en
longitudes de 3 metros, la de 1/2” de 3 metros y la de 5/8”
de 1 metro (Figura 37).
𝐴 =𝜋
2∗ 𝐿 ∗ 𝐷
𝜎ú𝑙𝑡 =𝐹𝑚á𝑥
𝐴
80
Figura 37. Pernos de 3/8”, ½” y 5/8”.
Fuente: Elaboración propia.
Los cortes dependieron directamente del diámetro
exterior de cada probeta, del montaje y del espacio
requerido para enroscar cada perno.
4.4.1 Ensayos de caracterización de pernos.
A continuación, se explica el ensayo que se realizó
para conocer la propiedad mecánica de tracción de los
pernos usados en esta investigación.
81
4.4.1.1 Ensayo de tracción.
Para este ensayo se utilizaron pernos correspondientes a
los diámetros utilizados en los ensayos, 3/8”, 1/2" y 5/8”;
los cuales se cortaron para elaborar probetas de 60 cm. Se
ensayaron 3 pernos de cada diámetro, para un total de 9
probetas. El ensayo consiste en halar los extremos de cada
varilla con la ayuda de las mordazas de la máquina universal
que pertenece a la Universidad de La Salle. En la Figura 38
se ilustran las probetas cortadas para este ensayo y un perno
montado en la máquina universal en la que se hicieron los
ensayos en la Figura 39.
Figura 38. Pernos para realizar el ensayo de tracción.
Fuente: Elaboración propia.
82
Figura 39. Perno ensayado en la máquina universal
Fuente: Elaboración propia.
Para hallar el valor de esfuerzo de cada probeta fue
necesario calcular el área de la sección transversal de
cada perno, para lo cual se utilizó en la Ecuación (13).
𝐴 =𝜋
4∗ 𝐷2
(13)
Donde A es el área de la sección transversal del
perno expresada en mmm2 y D es el diámetro en mm que
pertenece a cada perno.
Después de calculada el área de cada perno se
procedió a hallar el esfuerzo máximo a la tracción de
83
cada perno a la hora del ensayo, para esto se utilizó la
ecuación (14).
(14)
Donde 𝜎ú𝑙𝑡 es el esfuerzo último a la tracción de cada
espécimen, 𝐹𝑚á𝑥 la fuerza máxima establecida con el análisis
gráfico para cada probeta y A, el área transversal de la
varilla.
Los resultados de esfuerzo máximo a la fluencia variaron
entre 306 y 420 MPa, con un promedio de 338,716 MPa; mientras
que los resultados de esfuerzo máximo a la rotura estuvieron
entre 349 y 429 MPa, con una media de 379,175 MPa, como se
ilustra en la Tabla 19.
Tabla 19. Resultados de resistencia a la tracción de los tres
diferentes diámetros.
Fuente: Elaboración propia.
Probeta Esfuerzo Máximo de
fluencia (MPa)
Esfuerzo Máximo de
rotura (MPa)
3/8-1 420,210 429,562
3/8-2 315,657 358,448
3/8-3 329,133 378,808
1/2-1 324,882 385,238
1/2-2 342,173 382,120
1/2-3 353,411 385,246
5/8-1 342,393 383,164
5/8-2 306,496 349,684
5/8-3 314,094 360,310
Promedio 338,717 379,176
𝜎ú𝑙𝑡 =𝐹𝑚á𝑥
𝐴
84
4.5 Tuercas, arandelas y suplementos
Para asegurar las probetas se usaron tuercas
hexagonales (Figura 40) y arandelas planas de grado 2
(Figura 41¡Error! No se encuentra el origen de la
referencia.), además láminas de Neolite de
aproximadamente 5 mm de espesor, ubicada antes de la
arandela, con el fin de evitar daños en las probetas
(Figura 42).
Figura 40.Tuercas empleadas en ensayos
Fuente: Elaboración propia.
Figura 41. Arandelas
Fuente: Elaboración propia.
85
Figura 42. Neolite
Fuente: Elaboración propia.
86
5 METODOLOGÍA
La forma de los especímenes ensayados en esta
investigación consistía en un canuto cerrado con sus dos
nudos lindantes y con una extensión longitudinal
adicional de 30 a 50 mm en cada sentido con un perno
dispuesto transversalmente traspasando las dos paredes
del canuto. Para la elaboración de las probetas sometidas
a cizalladura doble en extremos a compresión se siguió la
metodología que se explica a continuación.
5.1Probetas en extremos a compresión
5.1.1 Descripción del Montaje:
El montaje consiste en dos pletinas de acero
(Pletinas A), unidas por medio de dos pernos de ½” que
mantienen el montaje rígido y capaz de soportar las
cargas a compresión a la que es sometida la Guadua en el
ensayo, este montaje fue creado por Mayra Alejandra
Plazas para elaborar los ensayos de su trabajo de grado y
utilizado en el año 2014 por Pachón y Sanabria (Figura
43).
87
Figura 43. Montaje para ensayos a compresión (Pletinas A).
Fuente: Elaboración propia.
Aparte de las dos pletinas de acero (Pletinas A), el
montaje cuenta con otras dos pletinas (Pletinas B) que poseen
una perforación para los tres diferentes diámetros de pernos
utilizados para los ensayos de compresión, estas pletinas se
colocan en las pletinas A y es allí de donde se sostiene cada
probeta( Figura 44).
88
Figura 44. Pletinas para ensayos a compresión (Pletina B).
Fuente: Elaboración propia.
5.1.2 Descripción del ensayo.
El ensayo consiste en aplicar carga de compresión en
un extremo de la probeta que lleva un perno de manera
transversal simulando un comportamiento a cizalladura
doble en la Guadua, la distancia desde el extremo
superior a la perforación es de 150 mm, y las variables
fueron el diámetro de la guadua y el diámetro del perno
para guaduas rellenas de compuesto a base de resina de
poliéster y guaduas sin ningún tipo de relleno (Tabla
20).
89
Tabla 20. Rangos de variables de probetas rellenas para ensayos a compresión.
Fuente: Elaboración propia.
Diámetro
de perno
Diámetro externo de Guadua
(mm)
90-99 100-109 110-120
3/8" 7 7 7
1/2" 7 7 7
5/8" 7 7 7
Entonces para cada grupo de la tabla anterior que hace
referencia a guaduas rellenas, se realizaron 7 ensayos, para
un total de 63 probetas.
Ahora es oportuno hacer énfasis en que, para evaluar la
resistencia a compresión de las guaduas rellenas, se
ensayaron guaduas sin relleno, con los mismos diámetros y
tamaños de pernos que las guaduas rellenas de compuesto.
(Tabla 21).
Tabla 21. Rangos de variables de probetas sin relleno para ensayos a compresión.
Fuente: Elaboración propia
Diámetro
de perno
Diámetro externo de Guadua
(mm)
90-99 100-109 110-120
3/8" 7 7 7
1/2" 7 7 7
5/8" 7 7 7
5.1.3 Elaboración de probetas:
La altura de las probetas que se fallaron a compresión
dependió únicamente de la altura del molde a utilizar para
los ensayos, en el cual la altura libre para la colocación de
las probetas fue de 350 mm aproximadamente, se escogieron
90
canutos con paredes en excelente estado para garantizar
el buen comportamiento de la Guadua.
En cuanto a las paredes de la Guadua seleccionamos
aquellas cuyo espesor oscilara entre 7 mm y 15 mm, por
cada probeta se tomaron 8 datos de espesores t, también
se tomaron cuatro diámetros externos por cada cara para
un total de 8 diámetros por probeta; fue necesario
perfeccionar la cara superior de cada probeta ya que
debía estar en un ángulo perfectamente recto, plana y con
una desviación máxima de 0,2 mm. La distancia entre el
extremo superior y la perforación por donde se atravesó
el perno fue de 150 mm para todas las probetas sin
importar la distancia entre nudos o su altura total
(Figura 45Figura 45. Detalle de perforación en probetas).
Figura 45. Detalle de perforación en probetas
Fuente: Elaboración propia.
91
La nomenclatura de las probetas fue conformada, primero,
por la letra C, que significa compresión, seguida del grupo
de clasificación del diámetro de la guadua (Tabla 22);
después, el grupo de clasificación del diámetro del perno
añadiendo a esto un guion cuyo número posterior indica el
número de probeta de ese grupo (Tabla 23). En la Figura 46 se
muestra un ejemplo de una probeta marcada.
Tabla 22. Número de grupo según diámetro de probetas especificado en la
nomenclatura de las probetas rellenas sometidas a compresión.
Fuente: Elaboración propia.
No de grupo Diámetro de
Guadua (mm)
1 90 - 99
2 100 - 109
3 110 - 120
Tabla 23. Número de grupo según diámetro de perno especificado en la
nomenclatura de las probetas rellenas sometidas a compresión.
Fuente: Elaboración propia.
No de grupo Diámetro de perno
1 3/8 "
2 1/2 "
3 5/8 "
92
Figura 46. Nomenclatura de probetas sometidas a compresión.
Fuente: Elaboración propia.
Relleno de probetas:
Para rellenar las probetas se realizó una perforación
de ¾” en su extremo inferior, a una distancia de 30 mm
del nudo inferior en un eje perpendicular al perno
(Figura 47).
93
Figura 47. Especificación de perforación para relleno de probetas.
Fuente: Elaboración propia.
Perforaciones y pernos:
El tipo de perforación que se realizó para esta
investigación fue estándar, tanto para guaduas rellenas como
para huecas, es decir con 1/16” de holgura con el fin de
atravesar el perno fácilmente a través de la Guadua y
contrarrestar las imperfecciones que podrían aparecer a la
hora de hacer la perforación. En la Tabla 24 se muestra para
cada perno el tamaño de la perforación realizada:
94
Tabla 24 . Diámetro de perforación estándar según diámetro de perno utilizado.
Fuente: Elaboración propia.
Diámetro de
perno (pulgadas)
Diámetro de
perforación
(pulgadas)
3/8 7/16
1/2 9/16
5/8 11/16
95
6 ANALISIS DE RESULTADOS
6.1 Análisis visual
6.1.1 Mecanismos de falla
Durante los ensayos de compresión en las conexiones
empernadas se pudieron observar cuatro tipos de fallas, tres
de ellas ocurrieron en la Guadua y una en el perno. En la
mayoría de las probetas no sólo se evidenció un mecanismo de
falla, por el contrario, existen hasta tres daños en una
misma probeta. A continuación, se describen los distintos
tipos de falla que se presentaron.
6.1.1.1 Aplastamiento en la pared de la Guadua sobre la
perforación.
Para atravesar el perno en la probeta fue necesario
realizar una perforación transversal a la misma. Esta falla
es producto del desplazamiento que realiza el perno sobre la
probeta debido a la fuerza externa de compresión aplicada por
la máquina universal al momento del ensayo, y consiste en la
compresión de las fibras de la pared de la Guadua en la zona
superior de la perforación, donde hace contacto con el perno
y en todo su recorrido. Esta tipología estuvo presente en el
100% de las probetas ensayadas tanto huecas como rellenas,
presenciándose más compresión de las fibras en las probetas
sin relleno.
Para las probetas sin relleno se presentaron
aplastamientos de pared de hasta 25 mm mientras que en las
96
probetas rellenas el aplastamiento en paredes no superó
los 10 mm (Figura 48).
Figura 48. Muestra de falla por aplastamiento en probetas rellenas.
Fuente: Elaboración propia
6.1.1.2 Corte paralelo a la fibra de la Guadua
La falla por cortante involucra las fracturas que se
producen a lo largo de la probeta en la misma dirección
de las fibras debido a que los esfuerzos cortantes
paralelos al eje del elemento superan la resistencia de
las fibras de la Guadua. Tras ocurrir el aplastamiento
aparecieron las fracturas, en algunas probetas la
profundidad de las fisuras fue de 1 mm, en otras alcanzó
los 5 mm.
En algunos casos éstas fisuras sobrepasaron los nudos
llegando hasta la parte superior de la probeta, en otros
casos no alcanzaban a llegar al nudo más cercano y en
otros más pocos las fisuras llegaron al tabique. Las
97
probetas donde se presentó la falla por corte fueron aquellas
en donde se emplearon los diámetros de perno de 1/2” y 5/8”.
En las probetas donde se empleó el perno de 3/8” de diámetro,
no se presentó este tipo de falla. En la ¡Error! No se
encuentra el origen de la referencia. se presenta el
porcentaje de probetas que fallaron por corte relacionando el
diámetro de perno empleado. En las probetas sin relleno, de
diámetro de perno de 5/8” fallaron un 71 %, las probetas de
3/8” y ½” presentaron otro tipo de fallas.
Tabla 25. Porcentaje de probetas con relleno cuya falla se produjo por corte.
Fuente: Elaboración propia.
Diámetro de perno % de probetas con fallas por corte
½” 14
5/8” 24
Tabla 26. Porcentaje de probetas sin relleno cuya falla se produjo por corte.
Fuente: Elaboración propia.
Diámetro de perno % de probetas con fallas por corte
5/8” 71
Las fisuras por corte se clasificaron según su
profundidad, esta clasificación comprende: fisuras leves,
fisuras medias y fisuras severas. Las fisuras leves
comprenden profundidades de 1mm a 2mm (Figura 49), las medias
representan profundidades de 2mm a 4mm (Figura 50) y las
severas con fisuras de más de 4mm (Figura 51). En la ¡Error!
98
No se encuentra el origen de la referencia. se muestra un
ejemplo de falla por corte cuya fisura alcanzo a llegar
al nudo y tabique (Figura 52).
Figura 49. Fisura por corte leve.
Fuente: elaboración propia.
Figura 50.Fisura por corte medio.
Fuente: elaboración propia.
99
Figura 51.Fisura por corte severo.
Fuente: elaboración propia.
Figura 52. Fisura que atraviesa el nudo y tabique.
Fuente: Elaboración propia.
6.1.1.3 Falla por corte del perno
La falla por corte del perno se produce debido a que la
resistencia de las paredes, por su espesor, genera más
resistencia a las fallas, haciendo que el perno no soporte la
carga implementada, generando flexión en el perno (Figura
53). En algunos casos la fluencia es tal que el perno falla
100
por corte (Figura 54). En donde más se presentó corte del
perno fue en las probetas ensayadas con perno de 3/8”. En
Tabla 27 se muestra los porcentajes de probetas que
presentaron este mecanismo de falla dependiendo del
diámetro del perno, En la Tabla 28 se presenta el
porcentaje de falla por corte de perno para las probetas
sin relleno. En la Figura 55 se puede evidenciar cómo a
medida que se aumentó el diámetro del perno, la falla por
corte del perno disminuyó, puesto que a mayor diámetro de
perno mayor área de contacto y resistencia de la varilla
a la deformación de la probeta.
Figura 53. Muestra de flexión en perno
Fuente: Elaboración propia.
101
Figura 54. Falla por corte del perno.
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 27.Porcentaje de probetas con relleno cuya falla se produjo por corte del
perno.
Fuente: Elaboración propia
Diámetro de
perno
% de probeta con
fallas por corte del
perno
3/8” 95
1/2” 29
5/8” 5
102
Tabla 28. Porcentaje de probetas sin relleno cuya falla se produjo por corte de
perno.
Fuente: Elaboración propia.
Diámetro de
perno
% de probeta con
fallas por corte del
perno
3/8” 2,53 %
1/2” 0%
5/8” 0%
Figura 55. Diámetro de perno vs porcentaje de probetas que fallaron por corte del
perno.
Fuente: Elaboración propia
103
6.1.1.4 Falla por tracción diametral.
Esta falla es específica de las probetas con relleno de
compuesto a base de resina poliéster. En la estructura
interna de la Guadua los entrenudos tienen una sección
transversal con un diámetro interno variable, siendo este
menor cerca de los nudos.
Durante el ensayo, cuando la fuerza externa es aplicada
quien se opone a ella es el perno que se encuentra embebido
en el relleno. Al desplazarse la Guadua en la misma dirección
de aplicación de la fuerza, el relleno, el cual se opone a la
fuerza y estando en contacto directo con las paredes de la
Guadua, ocasiona que estas tiendan a abrirse
longitudinalmente a través de la perforación, fallando por
tracción perpendicular a la fibra y causando que las fibras
del tabique se debiliten y éste se separe de las paredes de
la guadua como se aprecia en la Figura 56. En la Tabla 29 se
menciona según el diámetro de perno empleado el porcentaje de
probetas que fallaron por tracción diametral.
Figura 56. Muestra de desplazamiento de tabique de la pared de la Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
104
Tabla 29. Porcentaje de probetas con relleno cuya falla se produjo por corte de
perno.
Fuente: Elaboración propia.
Diámetro de
perno
% de probeta con
fallas por tracción
diametral
3/8” 5 %
1/2” 57%
5/8” 71%
Figura 57. Diámetro de perno vs. Porcentaje de probetas con relleno que fallaron
por tracción diametral.
Fuente: Elaboración propia.
De la Figura 57 se puede deducir que a medida que el
diámetro de perno aumentó, afectando el área de contacto,
105
el número de probetas que fallaron por tracción diametral
también aumentó, esto debido primero a que el perno es más
resistente a fallar por fluencia, también a que a medida que
el perno aumenta su resistencia supera la capacidad de
deformación de la Guadua haciendo que el tabique se desplace
con mayor facilidad.
6.2 Análisis gráfico
El objetivo principal de esta investigación es determinar
la influencia que tiene el compuesto a base de resina
poliéster como relleno en una conexión empernada solicitada a
cizalladura doble en extremo a compresión, variando el
diámetro de la Guadua y el diámetro del perno, y además
comparar la resistencia última obtenida mediante los ensayos
con los valores especificados en el reglamento.
A continuación, se mostrarán gráficamente el resultado de
los ensayos:
6.2.1 influencia del diámetro externo de la Guadua.
Una vez se obtuvieron las fuerzas últimas para cada
probeta, se realizaron los siguientes gráficos en los cuales
se presenta la carga máxima en relación con el diámetro
externo de la Guadua para cada diámetro de perno ensayado, en
los gráficos se evidencia la línea de tendencia creciente que
significa que a medida que aumenta el diámetro de la guadua,
aumenta la carga máxima en las probetas, se presentó el
anterior comportamiento en los tres diámetros de pernos
utilizados.
106
En la Figura 58, se puede observar la tendencia
lineal de los datos de las probetas ensayadas con perno
de diámetro 3/8”, con un R2 de 0,443, donde se evidencia
en la línea de tendencia que para diámetros externos
comprendidos entre 90 y 110 mm se presenta una
resistencia máxima discontinua, a diferencia de los
diámetros que se encuentran entre 110 mm y 120 mm los
cuales presentan cargas máximas similares y en ascenso.
Figura 58. Influencia de diámetro externo de la Guadua. Perno 3/8"
Fuente: Elaboración propia.
107
En la Figura 59, se demuestra la línea de tendencia
lineal de los datos de las probetas ensayadas con perno de ½”
de diámetro, con un R2 de 0,1578, siendo esta menor que la
línea de tendencia que pertenece a las Guaduas ensayadas con
diámetro de perno de 3/8”. Analizando los puntos de
dispersión en el único rango de diámetros en donde se
presenta carga máxima similar y en aumento es entre 90 mm y
97 mm de diámetro externo. En los demás diámetros la carga
máxima presenta un comportamiento discontinuo.
Figura 59. Influencia del diámetro externo de la Guadua. Perno 1/2"
Fuente: Elaboración propia.
108
En la Figura 60 se puede evidenciar la tendencia
lineal de los datos de fuerza máxima de las probetas
ensayadas con perno de 5/8”, con un R2 de 0,3959 También
se logró observar que hay una variación significativa en
los valores de carga máxima comprendidos en el rango de
104 a 111 mm. En los demás datos se mantiene la tendencia
lineal ascendente que siempre se espera.
Figura 60. Influencia del diámetro externo de la Guadua. Perno 5/8"
Fuente: Elaboración propia.
A continuación, se presenta un consolidado de las
cargas máximas soportadas por todos los especímenes,
109
discriminando los valores por los tres diferentes diámetros
de pernos. De este consolidado se concluye que, si se aumenta
el diámetro del perno y el diámetro de la Guadua, la carga
máxima aumenta para las probetas con los diferentes diámetros
de perno (Figura 61).
Figura 61. Carga máxima vs diámetro externo de Guadua.
Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 61 se observa que a mayor diámetro de perno
mayor es la capacidad de carga, aunque en los datos de la
varilla de ½ se presenta más dispersión, es decir menos
110
relación entre la carga máxima y el diámetro externo de
la Guadua.
6.2.2 Influencia del espesor de pared de la Guadua.
Como otra variable a evaluar, se analizaron los
diferentes espesores de pared de los especímenes y la
relación existente entre el espesor con la carga máxima
soportada por cada espécimen. A continuación, se presenta
la carga máxima obtenida en relación con el espesor de la
pared para los tres diferentes diámetros de pernos
utilizados.
Para las probetas ensayadas con pernos de 3/8” se
obtuvo un valor de R2 de 0,5549, y de la siguiente
gráfica se puede observar que la carga máxima soportada
por las probetas es directamente proporcional al espesor
de la pared (Figura 62).
Figura 62. Influencia del espesor de pared. Perno 3/8"
Fuente: Elaboración propia.
111
El valor de R2 de la Figura 63 descendió respecto a la
anterior, este con un valor de 0,5128, el cual corresponde a
las probetas ensayadas con perno de ½” de diámetro, en la
cual también se evidencia un aumento en la carga máxima
soportada mediante aumenta el espesor de la pared de la
probeta.
Figura 63. Influencia del espesor de pared. Perno 1/2"
Fuente: Elaboración propia.
Al igual que las dos últimas gráficas, que se refieren a
la carga máxima soportada contra el espesor de la pared, en
la Figura 64 se evidencia el aumento de la carga máxima de
las probetas con diámetro de perno de 5/8”, cuando aumenta el
espesor de pared de las mismas, obteniendo un R2 de 0,4152.
112
Figura 64. Influencia del espesor de pared. Perno 5/8"
Fuente: Elaboración propia.
De las Figura 62 Figura 63 y Figura 64 se analizó la
influencia del espesor de la pared en la resistencia a la
cizalladura doble y se deduce que mientras aumenta el
espesor de la pared de la guadua, aumenta la carga máxima
soportada, esto, a partir de la línea de tendencia
creciente que se observa en cada una de ellas, sin
importar el diámetro del perno utilizado, puesto que para
el perno de 3/8” ocurrió el mismo comportamiento como en
el 1/2” y 5/8”.
A continuación, en la Figura 65 se presenta las
cargas máximas obtenidas en los ensayos con respecto al
espesor de la pared de cada grupo de perno utilizado.
113
Figura 65. Carga máxima vs Espesor de pared.
Fuente: Elaboración propia.
De la Figura 65 se obtiene la influencia del espesor de
la guadua en la resistencia a la compresión paralela a la
fibra. Se deduce que, a mayor espesor de pared, mayor es
capacidad de carga de las probetas. Esto sucede ya que el
área de contacto con el perno aumenta, aumentando la carga
máxima que puede soportar la probeta, esto se evidencia en la
ecuación 15, donde la el área de contacto es directamente
proporcional al espesor de la pared, y a su vez el área de
contacto es directamente proporcional a la resistencia a la
compresión paralela.
114
6.2.3 Influencia del área de contacto
Para establecer la influencia del diámetro del perno
y el espesor de la pared en la resistencia a cizalladura
doble, para cada espécimen se calculó el área a
compresión como la proyección longitudinal de la zona de
contacto entre el perno y la pared del culmo,
considerando que la transferencia de carga se realiza
solo en la dirección paralela al culmo (Ecuación 15).
𝐴𝑐 = 2 ∗ 𝑡 ∗ 𝐷𝑝 (15)
Siendo t el espesor promedio de la pared del culmo y
Dp el diámetro del perno. En la Figura 66 se presentan
los valores de carga máxima en función del área a
compresión para todos los especímenes ensayados con y sin
relleno y se pretende comparar el uso del material de
relleno a base de resina de poliéster y la influencia que
tiene éste en la resistencia.
115
Figura 66. Carga máxima vs Área de influencia.
Fuente: Elaboración propia.
De la Figura 66 se infiere que el relleno proporciona un
aumento de resistencia en comparación con los especímenes que
no tenían relleno y que, además, a mayor área de contacto se
obtiene una mayor capacidad de carga, puesto que existe más
área que se opone a la fuerza externa aplicada, en este caso
de compresión.
6.2.4 Influencia del diámetro del perno.
Luego de obtener la carga máxima de todos los
especímenes, se procede a hallar el esfuerzo a compresión
116
actuante aplicado mediante el perno a la pared de la
guadua, a partir de la siguiente ecuación 16:
𝜎 =P
Ac
(16)
Donde P es la carga máxima soportada por cada
espécimen y Ac es el área de contacto a compresión. Se
agruparon los datos de esfuerzo según los tres diferentes
diámetros de perno, tanto para rellenas como para huecas,
con el fin de poder observar mediante el grafico el
comportamiento del esfuerzo en los dos casos.
Figura 67. Incremento de carga con el uso de material de relleno.
Fuente: Elaboración propia.
117
En la Figura 67 se presenta el valor promedio de los
esfuerzos máximos a compresión para cada uno de los diámetros
de perno con su respectiva desviación estándar entre esfuerzo
de probetas rellenas y vacías. Se observa que, para los dos
casos, tanto para las probetas sin ningún tipo de relleno
como para las probetas rellenas del compuesto a base de
resina poliéster, la resistencia aumenta con el diámetro del
perno de ½”, en las probetas sin relleno con pernos de mayor
diámetro el valor de resistencia a compresión tiende a
estabilizarse como ocurre con el perno de 5/8” al contrario
que en las probetas rellenas cuyo valor esfuerzo aumenta a
mayor diámetro de perno.
Fuerza del tabique
Para hallar la fuerza del tabique, es necesario primero
determinar la fuerza de la pared de la guadua; por
consiguiente, el área de contacto de la fuerza a compresión,
que es ejercida en la guadua mientras sucede el
comportamiento evaluado, que ya se explicó, el cual es dos
veces el espesor de la guadua multiplicado por el diámetro
del perno. La fuerza de la pared de la guadua hace referencia
a la carga que es capaz de soportar únicamente por su
espesor, sabiendo cuanto es el esfuerzo promedio a compresión
paralela de la guadua, entonces se deduce que la fuerza de la
pared (𝑓𝑝) es (Ecuación 17):
𝐹𝑝 = Ơ𝑎 ∗ 𝐴𝑐 (17)
118
Donde Ơa es el esfuerzo promedio a compresión
paralela a la fibra de la guadua calculada mediante
ensayos para efectos de caracterización de la Guadua, y
Ac es el área de contacto.
Ahora bien, para determinar la resistencia que tiene
el tabique del espécimen (𝑓𝑡), es decir cuánta carga
soportó, basta con una resta de la carga máxima (P max)
menos la fuerza de la pared (𝑓𝑝) (18):
𝐹𝑡 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 − 𝐹𝑝 (19)
A partir de lo anterior, se presenta en la Figura 68
la fuerza del tabique en relación con el diámetro interno
de los especímenes según el diámetro de perno usado:
Figura 68. Fuerza de tabique vs Diámetro interno.
Fuente: Elaboración propia.
119
En la Figura 68 se observa un incremento en la fuerza del
tabique a medida que el diámetro interno aumenta. Lo
anterior, según los datos de la gráfica, aplica para los
diámetros de perno de 3/8” y 5/8”, ya que los resultados
arrojados en probetas con diámetro de perno de 1/2” no se
evidencio un aumento significativo.
6.2.5 Comparación con los valores propuestos por el
reglamento NSR-10
Una vez calculadas las cargas máximas de los especímenes
en los cuales se reemplazó como relleno el material compuesto
a base de resina de poliéster y se solicitaron a compresión
paralela a la fibra, se realizaron las siguientes graficas en
donde se muestran los valores mencionados anteriormente con
respecto al diámetro exterior, junto con los valores dados en
el reglamento NSR-10 en función del diámetro del perno y
diámetro exterior de la guadua.
120
Figura 69. Carga máxima y valores admisibles. Perno 3/8”.
Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 69 se observa la tendencia lineal de los
datos de las probetas ensayadas con un R2 de 0,443 y la
tendencia lineal de los datos del reglamento con un R2 de
0,9993. Se puede decir que los valores de resistencia de
las probetas utilizando el compuesto a base de resina
poliéster son significativamente altos en comparación con
los propuestos en el reglamento NSR-10. Además de esto se
observa un aumento de carga mayor entre el intervalo de
diámetros trabajados en esta investigación en comparación
con los incrementos de carga de los diámetros propuestos
por la NSR-10.
121
Figura 70. Carga máxima y valores admisibles. Perno 1/2".
Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 70 se puede observar la tendencia lineal de
los datos de las probetas ensayadas con un R2 de 0,1578 y la
tendencia lineal de los datos del reglamento NSR-10, con un
R2 de 0,989. Aunque el R2 de las probetas ensayadas no supera
el 0,6, la carga máxima si aumenta en función del diámetro
exterior, tal como se muestra en la línea de tendencia de los
valores propuestos por el reglamento NSR-10.
122
Figura 71. Carga máxima y valores admisibles. Perno 5/8".
Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 71 se puede apreciar la tendencia lineal
de los datos de las probetas ensayadas con un R2 de
0,3959 y la tendencia lineal de los datos del reglamento
NSR-10 con un R2 de 0,9907. Las probetas ensayadas
presentan un incremento de aproximadamente cuatro veces
el valor propuesto por el reglamento NSR-10. A diferencia
de los valores de la gráfica de las probetas de las
cuales se usó perno de 3/8”, el incremento de carga entre
el intervalo de diámetros manejados en la presente
investigación, presenta un comportamiento similar o no
123
muy alejado de la tendencia que corresponde a los valores
propuestos por el reglamento NSR-10
De las Figura 69Figura 70Figura 71 se observa que los
valores admisibles propuestos en el reglamento NSR-10 son muy
bajos comparados con los valores obtenidos en los ensayos
realizados utilizando como material de relleno el compuesto a
base de resina poliéster. A pesar de esto en las dos líneas
de tendencia, tanto para la resultante de los valores
admisibles contempladas en la NSR-10, como para la línea de
tendencia resultado de los ensayos trabajados en esta
investigación, se observa el aumento de carga respecto al
diámetro externo de las probetas lo cual comprueba que es
directamente proporcional a la carga, pero no es el único
parámetro que influye en el soporte de carga.
124
7 CONCLUSIONES
La resistencia de una conexión empernada en Guadua
Angustifolia Kunth solicitada a cizalladura doble
paralela a la fibra en extremos a compresión se
encuentra directamente relacionara con la resistencia a
compresión paralela a la fibra y el área de contacto
entre el perno y las pareles del canuto de la Guadua.
Parámetros como el diámetro exterior de la Guadua, y
espesor de la pared del canuto, aunque tienen relación
con la resistencia máxima y se evidencia la ascendencia
de carga a medida que estas dos variables aumentan, no
son los únicos elementos que influyen en la resistencia
a cizalladura doble de la conexión, puesto que una vez
empieza a trabajar la pared de la Guadua, se trasmiten
esfuerzos al tabique por medio del relleno del canuto.
Una vez se controla la falla en el perno con la
implementación en las conexiones de pernos de 1/2” y
5/8”, el relleno a base de resina poliéster comienza a
trabajar ejerciendo fuerza contra el tabique de la
Guadua haciendo que se debilite, es allí donde tiene
lugar la falla por tracción diametral.
El incremento de carga que se obtuvo para las conexiones
cuyo canuto estuvo relleno del compuesto a base de
resina de poliéster y fibras naturales, fue en promedio
de 40,66%, para las probetas en donde se empleó un
diámetro de perno de ½ fue donde se obtuvo mayor
incremento de carga alcanzando el 44%, por el contrario,
125
en las conexiones donde el perno utilizado fue de 5/8”
se obtuvo el menor incremento que fue de 36%.
La resistencia de la conexión empernada aumenta cuando
se aumenta el diámetro del perno, las cargas máximas las
alcanzaron las conexiones cuyo diámetro de perno fue de
5/8” y las menores cargas las conexiones en donde se usó
el diámetro de perno de 3/8”, puesto que existe una
mayor área de contacto transmitiendo esfuerzos alrededor
del canuto.
La implementación de pernos con diámetro de 3/8” en las
conexiones empernadas no son viables, ya que el 95% de
las probetas ensayadas con relleno presentaron falla por
corte del perno.
En las probetas con varillas de 1/2” y 5/8” de diámetro,
se evidenció que el porcentaje de recurrencia en la
falla por cortante del perno disminuyo a 38% y 5%,
respectivamente, en relación con las probetas ensayadas
con diámetros de perno de 3/8” cuyo porcentaje de
aparición fue de 95%. Sin embargo, este mecanismo de
falla se presentó en los 3 diámetros de perno.
Los valores de resistencia del reglamento NSR-10 para
conexiones solicitadas a cizalladura doble paralela a la
fibra en función del diámetro de perno y el diámetro
externo de la Guadua se encuentran muy por debajo de los
valores encontrados en la presente investigación, lo que
126
conlleva a pensar que los valores del NSR-10 poseen un
factor de seguridad muy alto.
Cuando se utiliza el compuesto a base de resina de
poliéster como material de relleno en las conexiones, se
observó una disminución significativa del aplastamiento
de la pared de la Guadua en el recorrido del perno, esto
debido a que no sólo las paredes de la Guadua están
resistiendo la fuerza, sino que también el perno está
trasmitiendo esfuerzos al tabique por medio del relleno.
Aunque no hubo una reducción significativa en la
profundidad de las fisuras presentadas en las conexiones
rellenas del compuesto a base de resina de poliéster, en
comparación con las conexiones en las cuales no se usó
ningún tipo de relleno, el porcentaje de conexiones que
fallaron por cortante en las paredes de la Guadua si se
redujo en las conexiones donde se usó perno de 5/8”.
127
8 RECOMENDACIONES
Se recomienda no utilizar pernos de 3/8” en conexiones
empernadas en solicitaciones a compresión, ya que se
evidenció en los ensayos que la mayoría de las probetas
que poseían perno de este diámetro, fallaron por corte
del mismo antes que fallara la Guadua, haciendo que se
pierda el elemento que transmite directamente los
esfuerzos.
Como resultado de los ensayos realizados se determinó
que, a mayor diámetro de perno, tendían más a fallar por
tracción diametral, esto debido a que se aumenta el área
de la sección transversal de la varilla y por lo tanto
hay mayor resistencia a la falla por corte de la misma.
Para probetas que poseían diámetros de perno de 3/8”,
1/2" y 5/8”, el porcentaje de muestras que mostraron
este tipo de falla fue de 5%, 57% y 71%,
respectivamente. A causa de ello se sugiere utilizar un
confinamiento en el culmo de la Guadua para regular la
falla por tracción diametral. Dicho confinamiento puede
ser un zuncho metálico instalado después de verter la
mezcla y antes del ensayo.
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