CARACTERIZACIÓN DE LA MADERA KIRI PARA APLICACIONES AERONÁUTICAS UNIDAD DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO GRUPO ENSAYOS MECÁNICOS APLICADOS DEPARTAMENTO DE AERONÁUTICA FACULTAD DE INGENIERÍA – U.N.L.P. Ing. Claudio Rimoldi Ing. Esteban Fernández Ing. Mariano Mundo

INTRODUCCIÓN Extremadamente liviana y de estructura homogénea con betas definidas Buenas propiedades mecánicas (obtenidas en ensayos preliminares) Baja concentración de nudos y otros defectos Resistente a la humedad y a la intemperie, fácil de secar De gran estabilidad dimensional ante variaciones de humedad Fácil de trabajar y encolar Disponibilidad de tablones de más de 5 m de longitud y más de 50 mm de espesor Producción nacional De crecimiento excepcionalmente rápido Bajo costo Alto índice de retardabilidad de flama y buen aislante térmico

OBJETIVO Determinar características físicas y mecánicas de interés de esta madera para su aplicación en aeronáutica Pre diseño de una sección de un larguero sobre las base de las propiedades halladas Ensayo de flexión estática de la sección del larguero

METODOLOGÍA Madera = Material ortótropo Parámetros más importantes para el pre diseño de un larguero alar Módulo de elasticidad en la dirección “L” de la veta Tensiones normales (elástica y de rotura) en las direcciones en la dirección “L” Resistencia al corte de la madera en los planos normales a los vectores “R” y “T” Los valores de módulos de corte podrán ser estimados por diversos métodos

ENSAYOS REALIZADOS Densidad y Peso específico aparente (maderas macizas y laminadas) Humedad y contracción volumétrica Flexión (maderas macizas y laminadas) Compresión paralela a la veta Corte sobre madera maciza Corte sobre madera pegada Ensayo de una sección de larguero  

ENSAYOS Densidad y peso específico aparente El peso específico aparente: compara la densidad del material con la del agua. Las variaciones en la densidad afectan las propiedades mecánicas de la madera Tamaño de las muestras Procedimiento Medición de dimensiones utilizando calibre con 0,1 mm de resolución Medición del peso utilizando balanza con 0,01 gr de resolución Resultados Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestras Densidad aparente ρ 0,30 0,007 2,33 6

ENSAYOS Humedad y contracción volumétrica Madera: material higroscópico, la humedad afecta las propiedades mecánicas Procedimiento de la norma IRAM 9532 : Pesado de la muestra con un error de 0,01 gr Calentamiento por más de 20 hs a una temperatura de 103 º C 2º C Enfriar a temperatura ambiente en un desecador Pesado cada 2 hs hasta tener diferencia en peso menor a 0,01 gr Resultados Contracción volumétrica Se aprovecharon las muestras de ensayo de humedad Humedad según ANC 18 Clima continental Clima tropical 15% 20% Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestras Humedad H [%] 11,1 0,61 5,48 13 Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestras Contracción B%@H=10 2,5 - 6

ENSAYOS Flexión Norma IRAM 9545, Ensayos de flexión estática de maderas con densidad específica inferior a 0,5. Dimensiones de la probeta: Altura H = 50 mm, Ancho B = 50 mm, distancia entre apoyos L = 700 mm, Largo total D = 750 mm Módulo de elasticidad a flexión (Ef) Tensión proporcional (σp) Tensión de rotura (σr).

ENSAYOS Flexión Procedimiento de ensayo Se utilizó una máquina de ensayos universales de velocidad de desplazamiento constante La carga se midió por medio de una celda de carga de 1000 kg Reaccion CZC1000 Las deformaciones de la probeta fueron medidas por medio de un LVDT (Linear variable differential transformer) instalado en el centro de la viga (aproximadamente en el eje neutro)

ENSAYOS Flexión Resultados Es de hacer notar que módulo de elasticidad obtenido por este método no corresponde al real de la madera debido a la influencia del corte en las deformaciones debidas a la flexión. El error cometido puede ser, como mínimo, de aproximadamente el 10%. Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestras Flexión Ef [kg/mm2] 544 33,2 6,10 9 σp [kg/mm2] 3,01 0,11 3,84 σr [kg/mm2] 4,55 0,45 10,00

ENSAYOS Compresión Se tuvo en cuenta la norma IRAM 9551, Determinación de la compresión paralela al grano. Procedimiento de ensayo Se utilizó una máquina de ensayos universales de velocidad de desplazamiento constante La carga se midió por medio de una celda de carga de 2500 kg Reaccion CZC2500 Las deformaciones de la probeta fueron medidas mediante un extensómetro mecánico

ENSAYOS Compresión Resultados Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Módulo de elasticidad a compresión (Ec) Tensión proporcional a compresión (σpc) Tensión máxima a compresión (σrc) Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestras Compresión Ec [kg/mm2] 680 4,04 0,59 12 σp [kg/mm2] 2,15 0,12 5,57 σmax [kg/mm2] 2,57 0,15 6,00

ENSAYOS Compresión

ENSAYOS Corte sobre madera maciza Se tomó como referencia la norma IRAM 9596: Ensayo de resistencia a esfuerzos de corte para maderas. Se modificó el dispositivo de ensayo para generar las condiciones de borde semejantes a lo establecido en la norma. Velocidad de desplazamiento del cabezal: 0,5 mm/min. Inclinación de la veta deberá ser inferior a 1:12

ENSAYOS Corte sobre madera maciza Resultados Tensión máxima de corte r Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestras Corte r [Kg/cm2] 47,26 2,45 5,18 8

ENSAYOS Cálculo de módulo de corte Cálculo del módulo de corte Equivale a una relación E/G de 16,9 se corrobora la aproximación teórica de una relación de 16:1 entre E y G. Este valor es, formalmente, G31 sin embargo se considerará como un G promedio en las distintas direcciones, por ausencia de valores más precisos. Probetas (h/L)2 1/Ef 1,3x1,3x27 0,002318 0,001767 4,5x4,5x70 0,004508 0,001842 Ensayo Propiedad Valor medio Flexión Gmedio [kg/mm2] 35,1

ENSAYOS Corte sobre madera pegada   Pegamento utilizado: -Resina Ureica Fortex, modelo 1065 -Pegado a temperatura ambiente -Tiempo de secado de seis horas. Resultados Ensayo Propiedad Valor medio S Cv (%) Nº de muestras Corte r p [Kg/cm2] 42,5 2,80 6,59 6

COMPARACIÓN DE MATERIALES

COMPARACIÓN DE MATERIALES

COMPARACIÓN DE MATERIALES

SECCIÓN DE LARGUERO ALAR Aeronave liviana MTOW: 450 kg n= 3,8 Sección cercana a la raíz Envergadura: 8,8 m Cuerda media: 1,15 m Se aproximaron los esfuerzos en el larguero con una viga en un ensayo de flexión de tres puntos

SECCIÓN DE LARGUERO ALAR Sección cajón de la zona de ensayo construido con largueros y enchapado de kiri Se montaron dos strain gages, uno en la zona central del larguero traccionado (Deformación longitudinal) y otro sobre el laminado a -45° (contracción del campo diagonal). Se obtuvieron curvas de Carga deformación, se verificó el módulo elástico en la dirección de las fibras y la carga de rotura del componente. E= 650 Kg/mm2 Carga de rotura= 870 Kg

CONCLUSIONES   Fue posible obtener valores útiles de todas las propiedades mecánicas y físicas buscadas Importancia de la correcta selección de la madera en las propiedades mecánicas finales Bajo nivel de humedad en equilibrio con el ambiente, 11% (valor mas que aceptable para climas de alto porcentaje de humedad como el de la ciudad de La Plata) Prestaciones específicas semejantes a maderas de uso aeronáutico, sin embargo su módulo de elasticidad específico es del orden del 20% menor. Excelente resistencia al pegado Se comprobó que el valor del modulo de elasticidad real es mayor al obtenido por flexión (en un orden del 16%). Se comprobó que el costo es muy inferior a cualquiera de los materiales comparados