TESIS DE ENCOLADO

Julio Lu

La unión de madera con adhesivos data de hace más de tres mil años, es clave en la industria moderna de productos de madera, sin embargo, no se registran estudios realizados con los adhesivos modernos, disponibles en el mercado peruano y con las maderas amazónicas. Esto ha conllevado a limitar el uso en la construcción de elementos sin importancia estructural, a las piezas de madera adheridas, como los ornamentos y decoraciones, así como en la industria del mueble a incurrir en sobrecostos, para maquinar ensambles con un menor aprovechamiento de la madera. Igualmente a que se valoren mucho las piezas de madera de gran dimensión y se tiendan a desvalorizar o descartar las pequeñas. Un indicador de este resultado es el 17,8% (FAO 2001) de aprovechamiento de la madera rolliza. Si bien este indicado es negativo, también representa una gran oportunidad, para fabricar productos como vigas y tableros compuestos de pequeñas secciones de madera adheridas o encoladas entre sí, de gran demanda potencial en el mercado. Si bien en la industria nacional, podemos encontrar fábricas de tableros y triplay, la tecnología que utilizan es obsoleta y ninguno es competitivo ni tienen la calidad o la garantía para uso estructural. La tesis propone validar un método para determinar los parámetros óptimos estudiando los diversos factores, que afectan la resistencia al cizallamiento de las uniones de piezas de maderas nativas adheridas con diversos adhesivos del mercado nacional. Con el objetivo de poder diseñar y fabricar elementos o productos para uso estructural en construcción, a precios y calidad competitivos. El método propuesto, se inicia seleccionando una especie como base o testigo para realizar estudios comparativos de resistencia al cizallamiento. Para el caso particular, se seleccionó la especie cachimbo, porque es una madera que tiene demanda en el mercado y cuenta con buenas propiedades mecánicas, además, se seleccionaron 3 marcas de adhesivos de una misma clase (Las clases Se diferencian por la base), cola blanca de carpintero, que es la de uso generalizado, en la producción de productos de madera. Los ensayos están basados en las siguientes Normas: ASTM D 5751-99 (Adhesives Used for Laminate Joints in Nonstructural Lumber Products), JIS K 6852-1994 (Testing methods for shear strength of adhesive bonds by compression loading).EN 205:1991. Métodos de ensayo de adhesivos para madera de uso no estructural. El método propuesto consistirá en realizar ensayos de resistencia al cizallamiento hasta la falla de probetas normalizadas, preparadas ex profesamente en condiciones controladas, donde uno por uno, se variará el valor de cada parámetro, y se determinará la resistencia al cizallamiento resultante. Luego los resultados se comparan mediante análisis de varianza. Para fabricar las probetas, se han diseñado, construido y validado un equipo de fabricación de diversos tipos de probetas para ensayos de adherencia. Además se ha formulados un conjunto de procedimientos, para la implementación del método, preparación de los materias a ensayar, los ensayos, registro y procesamiento de los resultados. El método validado, permite determinar los parámetros óptimos, con pocos ensayos y, lograr la máxima resistencia posible de las uniones encoladas de piezas de madera, dentro de las condiciones del proceso de producción, con la finalidad de fabricar cualquier producto de maderas adheridas, incluyendo las de uso estructural. Resultado: Se ha validado un método de determinación de parámetros óptimos, y un equipo para construir probetas de ensayo de adherencia. En el proceso de validación se ha encontrado preliminarmente, los siguientes resultados: 1. Las colas ensayadas de la misma clase, de tres marcas diferentes, no muestran diferencias significativas en la resistencia al esfuerzo de cizallamiento (kg/cm2), la selección es económica. 2. El tipo de corte radial (R) o tangencial (T), no muestran diferencias significativas en la resistencia al esfuerzo de cizallamiento (kg/cm2). Por el número de muestras realizadas este factor no necesitara mayor comprobación. Es un factor menos a tomar en cuenta. Sin embargo es necesario realizar ensayo de la combinación del corte radial (R) con corte tangencial (T) y en el tiempo. 3. El contenido de humedad CH15% y CH25%, para las tres marcas de colas de la misma clase ensayadas, no muestran diferencias de efecto significativo en la resistencia al cizallamiento. 4. Es necesario realizar juegos de ensayos adicionales, para confirmar, los resultados preliminares de los ensayos realizados en las pruebas de validación del método.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS VALIDACIÓN DE METODO PARA DETERMINAR PARÁMETROS ÓPTIMOS DE LOS PROCESOS DE UNION, MEDIANTE ADHESIVOS DISPONIBLES DEL MERCADO NACIONAL CON MADERAS AMAZÓNICAS, PARA LA PRODUCCIÓN DE COMPONENTES DE USO ESTRUCTURAL TESIS Para optar el Título Profesional de: INGENIERO INDUSTRIAL JULIO EDGARDO LU CHANG-SAY Lima – Perú 2014 0 DEDICATORIA Dedico esta tesis a mí mentora y madre Victoria Chang-Say Vda. De Lu, quien siendo viuda con 6 hijos, cuando Yo tenía 14 años, con su increíble capacidad é inteligencia, siempre ha apoyado con consejo, recomendaciones y procurado todo lo mejor a su alcance, para que recibamos la mejor educación posible, y hasta la fecha no deja de preocuparse, ni descansar para hacer de sus hijos, mejores profesionales y personas. 1 AGRADECIMIENTO Mi mejor agradecimiento por que hicieron posible esta tesis: Ing. Juan Alvares Leyva; por invitarme a participar del proyecto PIPEA100-11, que me ha brindado la gran oportunidad de rencontrarme con mi alma mater y con un tema pará titularme como ingeniero con esta tesis. Ing. Jorge Chau Chau; por su iniciativa de nombrarme coordinador del proyecto PIPEA100-11 y hacer reconectarme con mi alma mater, así como sus consejos, recomendaciones y asesoría para que uno de los resultados, sea esta tesis. Arq. Moisés Chang-Say Yon; mi tío, que en paz descanse, por introducirme en la mecánica, así como en la madera, enseñarme todo los que sabía, sobre el secado y procesamiento de la madera, fue el principio, que me ha convertido en un experto en la transformación y procesamiento de la madera. Carmen, Roció, Gisela, Úrsula y Estuardo Lu Chang-Say; mis hermanas y hermano, que siempre me han apoyado y confiado en los muchos proyecto en que he emprendido, que me han permitido obtener amplios conocimientos y experiencias en muchos y variados campos de la ingeniería industrial. Dr. Luis Huamán Piruleta; por recomendar en 1986, para trabaja en el ICE, permitiéndome aprende de comercio exterior, promoción de exportaciones y producción de diversos productos e industrias. En general a todos mis maestros e Ingenieros de la facultad de industriales y sistemas, que han participa en mí formación como ingeniero industrial. Ingenieros Luis Acuña, Daniel Alcántara, Guillermo Cruz; Asesores y jurados en esta tesis. 2 INDICE DESCRIPTORES TEMÁTICOS ..................................................... 7 RESUMEN ...................................................................................... 8 INTRODUCCIÓN .......................................................................... 11 ANTECEDENTES .............................................................................................. 11 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ........................................................................... 12 IMPORTANCIA DEL TEMA ............................................................................... 12 HIPÓTESIS....................................................................................................... 13 OBJETIVO DEL ESTUDIO .................................................................................. 13 ALCANCES ...................................................................................................... 13 METODOLOGIA .............................................................................................. 14 CAPITULO I .................................................................................. 16 1.1. DIAGNOSTICO ...................................................................................... 16 1.1.1 Investigación en campo y bibliográfica ................................................................................................. 16 1.1.2 ProductoS de madera que utilizan adhesivos ....................................................................................... 17 1.1.3 Triplay, Tableros ..................................................................................................................................... 18 1.1.4 Los factores y parámetros de proceso en el encolado del triplay y tableros ...................................... 19 1.1.5 Los tableros aglomerados...................................................................................................................... 21 1.1.6 Muebles de madera ............................................................................................................................... 21 1.1.7 Los factores y/o parámetrosdel proceso en el encolado de muebles de madera .............................. 22 1.1.8 Los factores y/o parámetros del proceso de encolado según los proveedores de adhesivos ........... 24 1.2. RESULTADOS DEL DIAGNOSTICO .......................................................... 26 CAPITULO II ................................................................................. 28 3 2.1. MARCO TEORICO ................................................................................. 28 2.2. LA MADERA ......................................................................................... 28 2.2.1. Morfología .............................................................................................................................................. 28 2.2.2. Cortes de la madera ............................................................................................................................... 29 2.2.3. Propiedades físicas y mecánicas de la madera. .................................................................................... 31 2.2.4. Especies: ................................................................................................................................................. 34 2.2.5. Uso estructural....................................................................................................................................... 34 2.2.6. Resistencia mecánica ............................................................................................................................. 35 2.2.7. Cálculo de la resistencia a la tracción de la madera ............................................................................. 36 2.2.8. Calculo del esfuerzo de flexión y de corte ............................................................................................ 37 2.2.9. Procesos básicos de producción con madera. ...................................................................................... 37 2.2.10. Unión de la madera................................................................................................................................ 39 2.3. LOS ADHESIVOS ................................................................................... 44 2.3.1. El uso de adhesivos en la madera ......................................................................................................... 44 2.3.2. Adherencia de la Madera ...................................................................................................................... 45 2.3.3. Aplicación de Adhesivos: ....................................................................................................................... 48 2.3.4. Penetración de la Superficie de la Madera: .......................................................................................... 49 2.3.5. Humidificación, Flujo y Penetración de la Madera:.............................................................................. 50 2.3.6. Ajustes en los Adhesivos........................................................................................................................ 51 2.3.7. Separación de Solventes: ....................................................................................................................... 51 2.3.8. Polimerización: ....................................................................................................................................... 51 2.3.9. Solidificación por Enfriamiento: ............................................................................................................ 51 2.3.10. Composición de los adhesivos ............................................................................................................... 52 2.3.11. Curado de los adhesivos ........................................................................................................................ 52 2.3.12. Tipos de Adhesivos de origen sintético................................................................................................. 52 2.4. EL ENCOLADO ...................................................................................... 54 2.5. ENSAYOS DE RESISTENCIA AL CIZALLAMIENTO DE LOS ADHESIVOS ........................................................................................ 55 2.6. ANALISIS ESTADÍSTICOS ....................................................................... 56 2.6.1. Comparación de múltiplespoblaciones ................................................................................................. 56 2.6.2. ANOVA de un factor............................................................................................................................... 57 CAPITULO III ................................................................................ 61 3.1. MARCO TECNICO APLICATIVO .............................................................. 61 4 3.1.1. Objeto ..................................................................................................................................................... 61 3.1.2. Uso y Significado .................................................................................................................................... 61 3.1.3. Metodología. .......................................................................................................................................... 61 3.2. ANÁLISIS Y DEFINICIÓN DEL MÉTODO PARA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS, EN EL ENCOLADO DE MADERAS ........... 62 3.2.1. Los factores que afectan la resistencia de las uniones adheridas de madera. ................................... 62 3.2.2. Método por tabulación .......................................................................................................................... 63 3.2.3. Método de diseño de experimental, comparativo con varios factores .............................................. 63 3.2.4. Selección de la especie de madera ....................................................................................................... 65 3.2.5. Selección de las colas ............................................................................................................................. 65 3.2.6. La mejor cola .......................................................................................................................................... 66 3.2.7. Comparación entre el corte radial y tangencial ................................................................................... 66 3.2.8. Comparación entre madera seca al horno (CH15%) y sin secar (CH25%) ........................................... 66 3.2.9. Comparación por acabado superficial ................................................................................................. 66 3.2.10. Otros factores y/o parámetros por determinar .................................................................................. 67 3.2.11. La comparación entre valores de los parámetros ................................................................................ 67 3.3. IMPLEMENTACION DEL METODO PARA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS, EN EL ENCOLADOS DE MADERAS .................. 68 3.3.1. Objeto ..................................................................................................................................................... 68 3.3.2. Uso y significado .................................................................................................................................... 69 3.3.3. La madera para probetas....................................................................................................................... 70 3.3.4. Las colas: ................................................................................................................................................ 72 3.3.5. Juego de probetas para ensayo............................................................................................................. 74 3.4. MÉTODO PARA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS, EN EL ENCOLADOS DE MADERAS .......................................................... 75 3.4.1. Objeto ..................................................................................................................................................... 75 3.4.2. Uso y significado .................................................................................................................................... 75 3.4.3. PROCEDIMIENTOS .................................................................................................................................. 76 CAPITULO IV ............................................................................... 81 4.1. ENSAYOS Y RESULTADOS ..................................................................... 81 4.2. IMPLEMENTACIÓN DEL MÉTODO.................................................... 81 4.2.1. EQUIPO PARA FABRICACIÓN DE PROBETAS. ........................................................................................ 82 4.2.2. Equipo de ensayo de tracción. .............................................................................................................. 84 4.2.3. Equipos de medición y registro. ............................................................................................................ 84 5 4.3. IMPLEMENTACIÓN DE LOS ENSAYOS .............................................. 85 4.3.1. Selección de las maderas:...................................................................................................................... 85 4.3.2. Preparación de la madera para fabricación de las probetas: .............................................................. 86 4.3.3. Selección de las colas ............................................................................................................................. 87 4.3.4. Los ensayosa realizar ............................................................................................................................. 88 4.3.5. La construcción de las probetas de ensayo .......................................................................................... 91 4.4. ENSAYOS DE LAS PROBETAS ............................................................ 94 4.5. RESULTADO DE ENSAYOS ................................................................ 95 4.6. ANÁLISIS DE RESULTADO................................................................. 97 4.6.1. Comparación entre colas C1, C2, C3. ................................................................................................... 97 4.6.2. Comparación la madera seca en horno y sin seca con la cola C1. ....................................................... 98 4.6.3. Comparación entre el corte radial ( R ) y tangencial (T) ...................................................................... 99 CAPITULO V .............................................................................. 100 ANALISIS ECONOMICO FINANCIERO Y COMPARATIVO ENTRE SISTEMA EXISTENTE Y SISTEMA PROPUESTO ................................................................100 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................ 102 1. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES DEL DIAGNOSTICO .......................102 2. CONCLUSIONES, OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MÉTODO Y ENSAYOS REALIZADOS ................104 2.1. Implementación del método ............................................................................................................... 104 2.2. Los ensayos y la construcción de probetas. ........................................................................................ 104 2.3. Resultados y análisis ............................................................................................................................ 105 3. CONCLUSIONES DE LA TESIS: ...............................................................107 4. RECOMENDACIONES DE LA TESIS ........................................................110 GLOSARIO DE TERMINOS ...................................................... 112 BIBLIOGRAFIA .......................................................................... 113 ANEXOS ..................................................................................... 113 6 DESCRIPTORES TEMÁTICOS       Productos de madera que utilizan adhesivos Los factores y parámetros de proceso en el encolado de madera La madera o Morfología o Especies o Uso o Cortes o Resistencia mecánica o Procesamiento o Tipos de uniones. Los adhesivos y colas o Usos o Características o Fuerzas que interviene en las uniones adheridas o Resistencia mecánica o Preparación para el pegado o El pegado Metodología para optimizar el proceso de pegado de maderas o Equipos o Inversión o Experimentos y pruebas o Características y Preparación de las probetas de ensayos de adherencia  Resultados  Conclusiones  Observaciones Recomendaciones. 7 RESUMEN La unión de madera con adhesivos data de hace más de tres mil años, es clave en la industria moderna de productos de madera, sin embargo, no se registran estudios realizados con los adhesivos modernos, disponibles en el mercado peruano y con las maderas amazónicas. Esto ha conllevado a limitar el uso en la construcción de elementos sin importancia estructural, a las piezas de madera adheridas, como los ornamentos y decoraciones, así como en la industria del mueble a incurrir en sobrecostos, para maquinar ensambles con un menor aprovechamiento de la madera. Igualmente a que se valoren mucho las piezas de madera de gran dimensión y se tiendan a desvalorizar o descartar las pequeñas. Un indicador de este resultado es el 17,8% (FAO 2001) de aprovechamiento de la madera rolliza. Si bien este indicado es negativo, también representa una gran oportunidad, para fabricar productos como vigas y tableros compuestos de pequeñas secciones de madera adheridas o encoladas entre sí, de gran demanda potencial en el mercado. Si bien en la industria nacional, podemos encontrar fábricas de tableros y triplay, la tecnología que utilizan es obsoleta y ninguno es competitivo ni tienen la calidad o la garantía para uso estructural. La tesis propone validar un método para determinar los parámetros óptimos estudiando los diversos factores, que afectan la resistencia al cizallamiento de las uniones de piezas de maderas nativas adheridas con diversos adhesivos del mercado nacional. Con el objetivo de poder diseñar y fabricar elementos o productos para uso estructural en construcción, a precios y calidad competitivos. El método propuesto, se inicia seleccionando una especie como base o testigo para realizar estudios comparativos de resistencia al cizallamiento. Para el caso particular, se seleccionó la especie cachimbo, porque es una madera que tiene demanda en el mercado y cuenta con buenas propiedades mecánicas, además, se seleccionaron 3 marcas de adhesivos de una misma clase (Las clases 8 Se diferencian por la base), cola blanca de carpintero, que es la de uso generalizado, en la producción de productos de madera. Los ensayos están basados en las siguientes Normas: ASTM D 5751-99 (Adhesives Used for Laminate Joints in Nonstructural Lumber Products), JIS K 6852-1994 (Testing methods for shear strength of adhesive bonds by compression loading).EN 205:1991. Métodos de ensayo de adhesivos para madera de uso no estructural. El método propuesto consistirá en realizar ensayos de resistencia al cizallamiento hasta la falla de probetas normalizadas, preparadas ex profesamente en condiciones controladas, donde uno por uno, se variará el valor de cada parámetro, y se determinará la resistencia al cizallamiento resultante. Luego los resultados se comparan mediante análisis de varianza. Para fabricar las probetas, se han diseñado, construido y validado un equipo de fabricación de diversos tipos de probetas para ensayos de adherencia. Además se ha formulados un conjunto de procedimientos, para la implementación del método, preparación de los materias a ensayar, los ensayos, registro y procesamiento de los resultados. El método validado, permite determinar los parámetros óptimos, con pocos ensayos y, lograr la máxima resistencia posible de las uniones encoladas de piezas de madera, dentro de las condiciones del proceso de producción, con la finalidad de fabricar cualquier producto de maderas adheridas, incluyendo las de uso estructural. Resultado: Se ha validado un método de determinación de parámetros óptimos, y un equipo para construir probetas de ensayo de adherencia. En el proceso de validación se ha encontrado preliminarmente, los siguientes resultados: 1. Las colas ensayadas de la misma clase, de tres marcas diferentes, no muestran diferencias significativas en la resistencia al esfuerzo de cizallamiento (kg/cm 2), la selección es económica. 2. El tipo de corte radial (R) o tangencial (T), no muestran diferencias significativas en la resistencia al esfuerzo de cizallamiento (kg/cm 2). Por el número de muestras realizadas este factor no necesitara mayor comprobación. Es un factor 9 menos a tomar en cuenta. Sin embargo es necesario realizar ensayo de la combinación del corte radial (R) con corte tangencial (T) y en el tiempo. 3. El contenido de humedad CH15% y CH25%, para las tres marcas de colas de la misma clase ensayadas, no muestran diferencias de efecto significativo en la resistencia al cizallamiento. 4. Es necesario realizar juegos de ensayos adicionales, para confirmar, los resultados preliminares de los ensayos realizados en las pruebas de validación del método. 10 INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES La madera se podría decir, sin temor a equivocarse, es el primer material que utilizó el hombre para fabricar herramientas, armas y construir su vivienda, a pesar de todos los avances técnicos, la madera sigue estando vigente como material para la construcción, tanto por lo estético como por sus propiedades físico - mecánicas de resistencia mecánica, aislamiento, versatilidad, etc. Pero, sobre todo, por qué tiene una huella de carbono neutra, frente al cemento que se estima en 800kg por tonelada. Las desventajas de las maderas enteras y grandes, en la construcción, radican principalmente en lo siguiente:   Mayor costo de las maderas anchas y largas, porque las dimensiones máximas están determinadas por el tronco del árbol del que se obtienen. Dificultades técnicas para procesar madera de grandes dimensiones, como ejemplos: Se requiere equipos de mayores dimensiones para el aserrío; así como el secado de madera con espesor mayor a 2 pulgadas, técnicamente es posible pero económicamente no es rentable porque la razón es cuadrática. Las desventajas de las maderas enteras y grandes, han sido superadas con el desarrollo de la tecnología de los materiales y adhesivos. Actualmente, en el mercado exterior se encuentran muchos materiales para construcción, que son madera adherida con otros materiales y otras maderas. Pero todos estos productos provienen de madera reforestada, como pino y eucalipto. Imagen 1, invernadero, Winter Garden, studio Pringle, Richards, Sharratt Architects 11 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA En el mercado nacional hay disponible muchos productos de madera unidos con adhesivos, mayoritariamente los de calidad, son de origen importado, generalmente de madera pino de reforestación. La oferta nacional de productos adheridos de madera es con tecnología basada en ficha y propiedades técnicas provistas por los mismos proveedores de los productos adhesivos. Los fabricantes de productos de madera, basados en algunas pruebas empíricas, con buen criterio, han desarrollado muchos productos. Sin embargo, muchas no cuentan con la rigurosidad técnica necesaria que les permita predecir, con un mínimo grado de incertidumbre, el comportamiento de las uniones encoladas. Por otra parte estos ensayos no se documentan correctamente. Es así que, hay muchos procedimientos implementados, basados en el buen criterio técnico de lograr un mejor producto pero no necesariamente apropiados, quedando siempre mucha incertidumbre. En estas condiciones, difícilmente se pueden desarrollar productos competitivos, con maderas nativas para el mercado nacional y de exportación, menos aún productos de uso estructural. Este problema central tiene otros múltiples efectos, como un bajo aprovechamiento de la madera rolliza que se extrae, bajos precios de los productos de madera, oferta de productos con poco valor agregado, mínimo crecimiento del sector y deforestación de los bosques. IMPORTANCIA DEL TEMA El Perú cuenta con el segundo bosque más grande del mundo. Sin embargo, exportamos menos de US/$100 millones al año de productos forestales. Estudios indican que de los árboles que se extraen, solo se aprovecha el 17,8% (FAO 2001) del volumen extraído, que constituyen las tablas, cuartones y listones de madera comercial, sin embargo, solo 55% de dichos porcentaje tiene alto valor comercial, el resto son medidas pequeñas con poco valor comercial en el mercado. El contar con un método para determinar los parámetros óptimos de los procesos, para la unión de maderas mediante adhesivos, nos permitiría fabricar y ofertar productos, con un valor de por lo menos 4 veces superior al que se obtiene 12 actualmente, porque la madera corta y de recuperación, contiene muy poco valor agregado, generalmente tiene un precio mínimo de refugio o de recuperación. Precisamente utilizando estas secciones de madera con pequeñas dimensiones, se mejoraría sustancialmente el aprovechamiento de la madera rolliza. Según estudios de la FAO 2001, en el mundo el aprovechamiento de la madera rolliza como madera es de 55%, en el Perú es de 17,8%, si bien se puede discutir que son arboles de plantaciones manejadas y que los troncos son de mejor calidad, también se puede decir que los troncos de bosques naturales al ser de mucho mayor diámetro, deberían tener mejor aprovechamiento. La explicación más razonable es la tendencia a valorar más a lo que en el mercado se llama madera comercial larga, mientras que la madera recuperada llamada corta y paquetería se valora muy poco y se prefiere hacer carbón o descartarla, en lugar de darle valor agregado. Por tanto un proceso para dar uso a secciones pequeñas de madera debería contribuir a mejorar el aprovechamiento de la madera rolliza en el Perú. HIPÓTESIS La resistencia al cizallamiento de las uniones adheridas de maderas, está determinada por los valores de los parámetros en el proceso de realizar las uniones, que afectan la resistencia de la unión, un método validado de determinación de los parámetros óptimos, permitirá optimizar la producción de producto de madera, así como, diseñar y producir componentes de uso estructural con las maderas amazónicas. OBJETIVO DEL ESTUDIO El objetivo dela tesis, es validar un método, para determinar los parámetros óptimos de los procesos de unión de madera con adhesivos, obteniendo la máxima resistencia al cizallamiento (kg/cm 2). Para aplicarlos al desarrollo de componentes de madera de uso estructural. ALCANCES Está tesis se limita a validar el método, con la implementación y los primeros resultados de los ensayos alcanzados con la aplicación del método propuesto. Ensayos que se harán con unas especies de maderas pocos conocidas (LKS, Less Know Specie) y, una clase de adhesivo de 3 marcas diferentes. La clase de 13 adhesivos para iniciar la investigación, será la cola blanca de carpintero, de uso popular en el mercado. Sin embargo los alcances de esta tesis son muy amplios, porque su implementación beneficiaria primeramente a todos los producen que elaboran productos de madera y todos los que consumen dichos productos, es decir a todos los peruanos, en los siguientes aspectos:  Su aplicación permitirá desarrolla mejoras en las uniones de maderas con  adhesivos. Obteniéndose productos de mejor calidad y competitivos.  mejorar los procesos y el aprovechamiento de la madera.  exportación. Mejora y reducción de costos en la producción de productos de madera, al Mejora de la producción de productos de madera para el mercado local y de Es base para el desarrollo de nuevos productos con madera de pequeñas secciones adheridas, con el aprovechamiento de la madera corta y de  recuperación. Base para desarrollar de vigas laminadas y tableros a listonados de madera, para uso estructural y en construcción, con el aprovechamiento de la madera corta y de recuperación. De gran demanda en el país porque hay déficit de    viviendas en el país. Base para el diseño y desarrollo de nuevos equipos y maquinarias con el aprovechamiento de madera corta y de recuperación. Impulsará la mejora en el nivel de aprovechamiento de la madera en el Perú que es de 17,8% (FAO 2001). Base para el desarrollo de una tecnología de no tala de árboles, que mitigue la depredación de los bosques y permita agregar valor al bosque, sin dejar de producir madera, así como contribuir a mitigar el cambio climático. METODOLOGIA Se inicia la investigación con visitas técnicas y entrevistas con los encargados de producción de aserraderos, empresas de producción de productos de maderas, así como proveedores de adhesivos, de los cuales se deberá obtener, las fichas técnicas sobre los adhesivos y las variables que afectan el pegado. 14 Conjuntamente con una investigación bibliográfica, sobre la madera, los procesos de la madera para la producción de productos, los adhesivos y sus usos, así como de normas técnicas relacionadas e investigaciones y tesis realizadas. Se determinaran las variables, desde la perspectiva de los que emplean los adhesivos, conjuntamente con las de los proveedores de adhesivos. Se diseñará y formulará un método experimental para determinar los parámetros óptimos de los procesos de pegados. Requiriéndose los siguientes resultados: 1. Una metodología para investigar las variables en el encolado de las maderas, con implementación de métodos, procedimientos, equipos y materiales necesarios. 2. Diseño y construcción de un equipo de construcción de probetas de ensayo. 3. Validación del método propuesto para determinar los factores y parámetros que afectar la resistencia de las uniones adheridas. 15 CAPITULO I 1.1. DIAGNOSTICO 1.1.1 INVESTIGACIÓN EN CAMPO Y BIBLIOGRÁFICA Se han hecho vistas técnicas y entrevistas con:  Tres fábricas de triplay, tableros enchapados y alistonados, realizando entrevistas a los ingenieros encargados de producción sobre la fabricación de los tableros y en especial sobre los parámetros delos procesos de pegado.  o Imosa o Triplay Amazónico o GEA Tres visitas a aserraderos de troncos, entrevistando a los técnicos sobre el proceso de aserrío de la madera.  o Aserradero Vásquez o Aserradero Monte Blanco o Aserradero Peso Una visita a la fábrica de tableros aglomerados; en la entrevista se trató sobre los procesos de fabricación de los aglomerados y melamina.  o Tableros Peruanos Dos visitas a madereras, que habilitan y proveen de madera para construcción y se ha entrevistado a los encargados dela comercialización de madera para construcción y el proceso de habilitado. o Maderera Mantovani S.A. o Amazonias Maderas 16  Tres visitas a fábricas de muebles y productor de madera, realizando entrevistas a los ingenieros encargados de producción, sobre, la fabricación de mueble y productos de madera, en especial sobre los parámetros de los procesos de pegado.  o Exportimos o Taller A. o Industry of Furniture Tres entrevistas con técnicos de tres marcas de adhesivos conocidas en el mercado nacional, se solicitó sus fichas técnicas, y trato sobre las características y ventajas de sus productos.  o Glucom o Racol o Fuller Se han realizado un promedio de 20 horas de visitas a internet. 1.1.2 PRODUCTOS DE MADERA QUE UTILIZAN ADHESIVOS La oferta nacional de productos de madera que utilizan procesos con adhesivos se dividen en los siguientes grupos:  La producción de triplay, tableros enchapados y tableros alistonados; son todos productos consistentes en tableros formados por láminas y/o piezas de madera unidas por adhesivos. El papel del adhesivo es fundamental porque es el único    elemento de unión entre los componentes. Tableros aglomerados; son tableros formados con viruta y aserrín de madera aglomerada con adhesivos. En la fabricación de muebles, las piezas de madera se unen utilizando sistemas de ensambles con espigas y se fijan con adhesivos. En país no existe producción de productos de madera para uso estructural unidas con adhesivos, como pilares o vigas compuestas laminadas. Los elementos estructurales como vigas y pilares se fabrican de maderas enteras solidas y/o reticuladas con uniones mecánicas de clavos y/o pernos. 17 Figura 2 1.1.3 Figura 3 TRIPLAY, TABLEROS De las vistas técnicas y entrevistas realizadas encontramos lo siguiente: Los procesos para el encolado son similares en la fabricación del triplay, tableros enchapados y tableros alistonados. Se inicia con la preparación de las láminas o de la madera en el caso de los tableros alistonados. Las láminas se preparan a partir del tronco, desenrollándose una lámina continua en un torno laminador, luego se corta en sección mediante una guillotina, con demasía en relación a las dimensiones finales del tablero. Los listones para los tableros alistonados, se obtienen aserrando listones, de madera recuperada de los centros, resultante del proceso de torneado de laminación y/o de la recuperación del aserrío de madera comercial, las dimensiones son generalmente 15mm a 20mm de espesor, 45mm a 50mm ancho, 25mm a 60cm de longitud. El proceso de aserrío consiste primero hacer bloque con el espesor del ancho del listón, luego se corta los listones empleando una sierra múltiple. El secado de las láminas se realiza en un túnel de secado, generalmente al contenido de humedad de 15% (CH15%) en relación al peso seco de la madera, es decir la madera con 0% de humedad. Los listones se secan en un horno de secado tipo túnel, generalmente a CH15%. El encolado de láminas, consiste en aplicar la cola, en una de las caras, con una maquina encoladora que generalmente consta de un rodillo aplicador. Las láminas se ensamblan una sobre otra en capas generalmente de a 3 y se prensan. 18 La cola es de base fenólica o formaldehido de tipo termo estable, generalmente se requiere calentar hasta 100Cº, para que el adhesivo se active y/o seque lo suficiente para poder mover las piezas unidas. El prensado se realiza en equipo que tiene platos múltiples con la dimensiones ligeramente mayor al tablero en proceso, la presión aplicada puedes llegar hasta 20kg/cm2. El encolado de tableros alistonados; la cola se aplica en los cantos de los listones y se ensambla sobre una mesa con calentamiento que cuenta con un bastidor de las dimensiones del tablero a fabricar, luego el bastidor aplica presión en el perímetro del tablero. También se puede hace en forma continua, emplear una maquina componedora, que forma una especie de tablero continuo entre dos placas calientes. 1.1.4 LOS FACTORES Y PARÁMETROS DE PROCESO EN EL ENCOLADO DEL TRIPLAY Y TABLEROS Los parámetros del proceso, están basadas en la recomendación de los proveedores de adhesivos, que son ajustados por los usuarios en base a algunos ensayos empíricos. Estos parámetros son ajustados tomando en cuenta los siguientes factores y parámetros: 1. Acabado de las superficies 2. Tiempos de ensamble 3. Tiempos de cierre. 4. Presión de cierre. 5. Temperatura en cierre. 6. Tiempo de curado. Ensayos y pruebas: En todas las empresas de triplay visitadas, la única prueba empírica que realizan regularmente, consiste en sumergir en agua fría y/o caliente pequeñas secciones de triplay, por uno o más días, y esperar que las láminas no se despeguen. Básicamente es una prueba para determinar la resistencia del adhesivo al agua y la humedad. Pero, esto se hace sin normalización; tampoco se lleva un registro de estos ensayos. 19 Cuando se consultó a los técnicos e ingenieros encargados de la producción, sobre cuál era la resistencia al esfuerzo máximo de la unión encolada entre las láminas, ninguno pudo dar respuesta a esta pregunta. R Resistencia al cizallamiento Kg/cm2 Ga Ha (a) Medio ambiente Pa M C Variaciones de cada factor y/o parámetro GEA Factores que influyen en la resistencia al cizallamiento (Kg/cm2) TRIPLAY AMAZONICO Código de factor IMOSA Cuadro A, de factores y/o parámetros para triplay y tableros alistonados No tienen datos (Ga) Grados Cº, temperatura (Ha) Humedad relativa (%) (Pa) Presión atmosférica. (M )especie de madera M1,2,3,4,,,,,, (C) cola C1,2,3,4,…… 30 30 30 80 80 80 Presión normal una atmosfera LUPUNA, PANGUANA Úrea formaldehido No hay medida, solo se controla que la capa cubrir uniforme toda la superficie EP (EP) Espesor de la (R) recomendación película en micras del proveedor CH% (CH) % de Contenido de Humedad de la madera Se seca en túnel de secado (horno) D (D)Dirección del Corte Tangencial No aplicable es fibra entre cruzada A (A) Acabado superficial El corte de torno equivale a un pulidos Corte de sliceres muy fino (pulido) TE (TE)Tiempo de Ensamble Minutos., No hay límite recomendado TC (TC) Tiempo de Cierre minutos PR (P)Presión de Cierre (kg/cm2) GR (G) temperatura de Curado en Cierre. TA (TA)Tiempo de curado abierto Hora Tiempo necesario para qué la cola alcance temperatura de ajuste PR recomendada por fabricante (5 a 6) 18 18 18 No es aplicable Aprox. 15min/cm 3 3 3 GCR promedio Rf 100 100 100 TAR Recomendado por proveedor 72 72 72 Fuente propia tabulada de las visitas técnicas realizadas 20 1.1.5 LOS TABLEROS AGLOMERADOS Solo existe una fábrica de tableros aglomerados en el Perú (Laredo), la cual utiliza una mezcla de madera pino y eucalipto. El proceso comienza chipiando la madera hasta reducirla a virutas, luego se seca y mezcla con úrea formaldehido, esta mezcla es depositada en un molde, para ser prensada y calentada, formándose el tablero. 1.1.6 MUEBLES DE MADERA De las visitas técnicas y entrevista con los técnicos, los procesos de encolado en la fabricación de muebles son los siguientes: Maquinando: Generalmente el sistema de ensamble, como machihembrado o caja y espiga, sin embargo también puede ser, a tope como los tableros alistonados o en láminas. Generalmente se prensan con sargentas (prensas manuales de tornillo). Machihembrado: Consiste generalmente en tallar longitudinalmente un canal en un canto y en el canto opuesto una lengüeta que encaje en dicho canal. Esta operación ser realiza con una maquina tupi, por medio de una un juego de frezas con el perfil, macho y hembra. Caja y espiga: La caja consiste en tallar un canal corto cerrado por ambos extremos, y tallar una espiga con el perfil y la profundidad de dicho canal corto, con un ajuste afín de que ingrese a presión. El proceso de hacer el canal corto se realiza en una máquina escopladora, y la espiga mediante una maquina espigadora, que consiste en reduce el ancho y espeso de un extremo para que encaje en el canal corto que es la caja. Encolado: Se utiliza generalmente un chisguete aplicador y se esparce con una espátula o brocha. Ensamble: Se ensamblan las piezas artesanalmente introduciendo las espigas en las cavidades a golpes; cuando son muchas unidades se realiza mediante una prensa de ensamblado. La cola: En todas las empresas fabricantes de muebles visitadas, emplean la cola PVA, cola blanca de carpintero (cola sintética) de diversas marcas. Prensado: Cuando la unión utiliza un ensamble de caja y espiga, no requiere prensado para fijar la piezas, sin embrago, en las uniones a topo y tipo machihembrada, se prensan, usualmente con sargentas. 21 1.1.7 LOS FACTORES Y/O PARÁMETROSDEL PROCESO EN EL ENCOLADO DE MUEBLES DE MADERA Los parámetros del proceso están basados en la recomendación de los proveedores de colas, los cuales son ajustados en algunos ensayos empíricos, se han obtenido los siguientes factores y parámetros: 1. La especie 2. La cola 3. Contenido de humedad de la madera 4. Orientación del corte 5. Preparación de las superficies de encolado y las uniones 6. Tiempos de ensamble 7. Tiempos de cierre. 8. Presión de cierre. 9. Temperatura en cierre. 10. Tiempo de curado. Ensayos y pruebas: En todas las empresas visitadas, la prueba empírica consiste tomar una unión encolada y someterla a algún esfuerzo o impacto para flexionarlos o separarlo, pero esto se hace manualmente sin un mecanismo para medir el esfuerzo y sin normalización; tampoco se llevan registros de estos ensayos. Se debe mencionar que indicaron que la orientación del corte, el contenido de humedad y el tipo de madera podían influir en la resistencia de las uniones de madera. Cuando se consultó a los técnicos é ingenieros encargados de la producción, sobre cuál era el esfuerzo máximo de la unión encolada entre las láminas, ninguno pudo dar respuesta a esta pregunta. 22 R Resistencia al cizallamiento Kg/cm2 Variaciones de cada factor y/o parámetro Industry of Furniture Factores que influyen en la resistencia al cizallamiento (Kg/cm2) Talle A Código de factor Exportimo Cuadro B, de factores y/o parámetros para encolado de muebles de madera Según proveedor 100kg/cm2 No tienen datos M (M )especie de madera (Ga) Grados Cº, temperatura (Ha) Humedad relativa (%) (Pa) Presión atmosférica. 3000 especies conocidas C (C) cola C1,2,3,4,…… EP (EP) Espesor de la Cubrir la superficie a película en micras encolar CH% (CH) % de humedad de la madera (S) seca al horno (H) sin secar al horno. D (D)Dirección del Corte Corte (R)Radial Corte (T)Tangencial Se estima una diferencia y hay recomendaciones de no mezclar corte radial con tangencial A (A) Acabado superficial (D)al corte de disco, (C)cepillado, (L)lijado., pulidos Se considera que las superficies rugosas son mejores TE (TE)Tiempo de Ensamble Minutos., TC (TC) Tiempo de Cierre minutos PR (P)Presión de Cierre (kg/cm2) Suficiente para no dejar burbujas de aire No hay control, se prensas con tornillo de ajuste manual GR (G) temperatura de Curado en Cierre. Ha mayor temperatura menos tiempo Temperatura ambiente TA (TA)Tiempo de curado abierto Hora Recomendado por proveedor 3 días Ga Ha (a) Medio ambiente Pa La cola blanca requiere tener solvente para el ensamble Recomendable el mayor tiempo posible, hasta poder manipular la unión 25 25 25 90 90 90 Presión normal una atmosfera Diversas especies Cola blanca de carpintero (cola sintética) No hay medida, solo se controla que la capa cubrir uniforme toda la superficie 15 15 15 Máximo 10 min Mínimo 1 hora No se aplica Fuente propia tabulada de las visitas técnicas realizadas 23 1.1.8 LOS FACTORES Y/O PARÁMETROS DEL PROCESO DE ENCOLADO SEGÚN LOS PROVEEDORES DE ADHESIVOS Se han visitado tres empresas proveedoras de pegamentos, que proveen colas con diversas bases. En lo que respecta a la cola blanca de carpintero, las tres cuentas con más de dos marcas en el mercado, se diferencian básicamente por el precio y por el contenido de sólidos. En todos los casos se seleccionó la marca con más contenido de sólidos, de cada una de las empresas, las marcas de colas son las siguientes: 1. GLUKOLA UR, es desarrollada y formulada en el Perú. 2. DORUS KL 4010, es desarrollada en el exterior y formulada en el país. 3. RAD3, es 100% procedente del exterior. De las fichas técnicas obtenidas de estas colas se ha confeccionadora TABLA 1 que a continuación se muestra: TABLA 1 LAS COLAS COD C1 C2 C3 COLA BASE % SOLIDOS GLUKOLA Resina de Polivinilo UR Acetato (PVA) Resistencia N/mm2 49 - 51 DORUS KL4010 Resina de Polivinilo Acetato (PVA) 47+-3% RAD3 Resina de Polivinilo y Vinil Ester (PVA) 49 - 51 10 Fuente propia tabulada de las visitas técnicas realizadas Según los mismos proveedores de las colas, los factores y/o parámetros a tomar en cuenta son: 1. Preparación de las superficies de encolado 2. Espesor de la capa del pegamento 3. Tiempos de ensamble 4. Tiempos de cierre. 5. Presión de cierre. 6. Temperatura en cierre. 7. Tiempo de curado. 8. Condiciones en el curado 24 CUADRO C, FACTORES Y/O PARÁMETROS DEL PROCESO DE Variaciones de cada factor y/o parámetro Resistencia al cizallamiento Kg/cm2 R Ga (a) Medio ambiente Ha Pa RAD3 Factores que influyen en la resistencia al cizallamiento (Kg/cm2) DORUS KL4010 Código de factor GLUKOLA UR ENCOLADO SEGÚN LOS PROVEEDORES DE ADHESIVOS No presentan datos 100 (Ga) Grados Cº, temperatura 25 (Ha) Humedad relativa % 85 (Pa) Presión atmosférica. Condiciones normales Más de 4 clases de adhesivos de distinta base. M (M )especie de madera M1,2,3,4,,,,,, C (C) cola C1,2,3,4,…… EP (EP) Espesor de la Cubrir la superficie a película encolar CH% (CH) % de Contenido de Humedad de la madera (S) seca al horno (H) sin secar al horno. 10 a 25 D (D)Dirección del Corte Corte (R)Radial Corte (T)Tangencial No hay recomendaciones A (A) Acabado superficial, (D) al corte de disco, (C) cepillado, (L) lijado. Superficie limpia libre de polvos TE (TE)Tiempo de Ensamble Minutos., Mínimo debe haber solvente para el ensamble 10 TC (TC) Tiempo de Cierre minutos Recomendable el mayor tiempo posible, hasta poder manipular la unión PR (P)Presión de Cierre (kg/cm2) recomendada Suficiente para no dejar burbujas de aire 3 a 7 kg/cm2 GR (G) temperatura de Curado en Cierre. Ha mayor temperatura menor tiempo Temperatura ambiente Temperatura ambiente hasta 80Co TA (TA)Tiempo de curado abierto Hora Tiempo para 80% resistencia Máxima C1 C2 C3 125 a 175 g/m2 10 10 Mínimo 30 minutos Mínimo 72 horas Fuente propia tabulada de las visitas técnicas realizadas. 25 1.2. RESULTADOS DEL DIAGNOSTICO Como resultado de las visitas técnicas realizadas, tanto a proveedores de colas como a los fabricantes de productos de madera, hemos tabulado en total 16 factores y/o parámetros que determinan la resistencia de las uniones encoladas: Entre los cuales son 3 los factores del medio ambiente a tomar en cuenta: 1. Temperatura 2. Humedad relativa 3. Presión atmosférica Son 6 los factores considerados por los fabricantes de productos de madera: 1. Especie de madera 2. La cola 3. Preparación de la superficie 4. Área encolada 5. Orientación del corte 6. Contenido de humedad de la madera Son 7 los factores considerados por los proveedores de los pegamentos: 1. Espesor de capa del pegamento 2. Tiempo de ensamble 3. Tiempo de cierre 4. Presión de cierre 5. Temperatura de cierre 6. Tiempo de curado 7. Condiciones del curado En la Tabla 2 ha continuación, se tabulan todos los factores a considerar (fuente propia, resultado de visitas técnicas), que afecta la resistencia de las uniones encoladas de los procesos de fabricación con madera. 26 R Resistencia al cizallamiento Kg/cm2 Ga Ha (a) Medio ambiente No presentan datos 100 25 (Ha) Humedad relativa % 85 Industry of Furniture Condiciones normales M (M )especie de madera 3000 especies conocidas C (C) cola C1,2,3,4,…… EP (EP) Espesor de la Cubrir la superficie 125 a 175 g/m2 película a encolar CH% (CH) % de humedad de la madera No hay adhesivos específicos Más de 4 clases de adhesivos de distinta base. 10 a 25 No hay recomendacion es D (D)Dirección del Corte Corte (R)Radial Corte (T)Tangencial A (A) Acabado superficial, (D) al corte de disco, Superficie limpia libre (C) cepillado, de polvos (L) lijado. TE (TE)Tiempo de Ensamble Minutos., Mínimo debe haber solvente para el ensamble 10 TC (TC) Tiempo de Cierre minutos Recomendable el mayor tiempo posible, hasta poder manipular la unión Mínimo 30 minutos PR (P)Presión de Cierre (kg/cm2) GR (G) temperatura de Curado en Cierre. TA (TA)Tiempo de curado abierto Hora 10 Cola blanca de carpintero (cola sintética) No hay medida, solo se controla que la capa cubrir uniforme toda la superficie 15 (S) seca al horno (H) sin secar al horno. Suficiente para no dejar burbujas de aire Ha mayor temperatura menor tiempo Tiempo para 80% resistencia Máxima Talle A No tienen datos (Ga) Grados Cº, temperatura (Pa) Presión atmosférica. Pa Exportimo Variaciones de cada factor y/o parámetro RAD3 Factores que influyen en la resistencia al cizallamiento (Kg/cm2) DORUS KL4010 Código de factor GLUKOLA UR TABLA 2 10 15 15 Se estima una diferencia y hay recomendaciones de no mezclar corte radial con tangencial Se considera que las superficies rugosas son mejores Máximo 10 min Mínimo 1 hora 3 a 7 kg/cm2 No hay control, se prensas con tornillo de ajuste manual Temperatura ambiente hasta 80Co Temperatura ambiente Mínimo 72 horas No se aplica 27 CAPITULO II 2.1. MARCO TEORICO La investigación aplicada propuesta, toca varios campos de la tecnología aplicada, respecto al empleo, aprovechamiento, procesamiento e interacción entre los materiales, como es la madera y los adhesivos, así como los fundamentos para el estudio e investigación del uso de materiales y su resistencia. Los temas teóricos a tratar son: 1) La madera, características, propiedades físico mecánicas y su procesamiento y transformación, para la fabricación de productos con el empleo de adhesivos. 2) Los adhesivos, sus características fisicoquímicas y el proceso de adherencia. 3) La tecnología de la unión de maderas mediante adhesivos. 4) Análisis estadísticos de los resultados de las investigaciones y ensayos. 2.2. LA MADERA 2.2.1. MORFOLOGÍA Figura Nº 4: Morfología de la madera 28 La morfología de la madera está conformada por ejes vegetativos que crecen en capas concéntricas, con estructura de fibras longitudinales. La conformación de productos orgánicos que se forman dentro de estas estructuras es infinita y muy variada (ver figura nº4). 2.2.2. CORTES DE LA MADERA En la figura Nº 5, se observa el corte trasversal de esta estructura, en donde se aprecia las capas como anillos concéntricos, donde cada anillo permite distinguir los cambios de estación de un año a otro. Mientras que si se hace un corte tangencial a este cilindro, se aprecia las vetas que usualmente se observa en la madera. Por otro lado, un corte que atraviese los anillos de crecimiento (Corte Radial), las vetas se verían como líneas paralelas. Cote radial (A) corte Tangencial (B) Figura Nº 5: Cortes de la madera La dirección del corte determina las deformaciones y contracción que sufre la madera, en el proceso de secado. El conocimiento de esto permite estimar una demasía para lograr una medida final. Las maderas en corte radial son las más estables dimensionalmente y son las más preciadas en el mercado internacional, especialmente en maderas utilizadas para pisos. La principal ventaja del corte radial es que las tensiones están orientadas en la dirección de más ancho de sección, contrarrestando los efectos de flexión y alaveamiento. El aserrado de maderas, según el estado de la técnica, es un proceso relativamente fácil y de alta precisión, por el uso de discos de corte y cuchillas insertadas con pastillas recubiertas diamantadas o de carburo de silicio, cuyos ángulos cortantes 29 son muy durables y proporcionan un corte limpio y muchas veces sin necesidad de otro proceso de cepillado. Ver figura Nª 8 Figura Nº6. Corte de madera Los tipos de máquinas de corte y cepillado que se usan con mayor frecuencia son la sierra circular, el cepillo calibrado, garlopa de banco y la galopa cepilladora. La diferencia de estas últimas es que la garlopa cepilla la cara inferior, mientras que el cepillo calibrador cepilla la cara superior manteniendo el mismo espesor a lo largo de toda la madera. En la figura Nª 7 se observa una maquina universal que cuenta con Sierra circular, Garlopa, Cepillo calibrados, Ecopladora y Tupi y afiladora múltiple. Figura Nº 7 : maquina Universal Figura Nº 8: Cepillo calibrador Después de la extracción de la madera en trozas, estas son llevadas a plantas de aserrado donde son cortadas en formas prismáticas con diversos cortes según la zona y orientación dentro del tronco. Generalmente se presentan tres tipos de cortes: radial, tangencial y oblicuo, según la orientación de las fibras de la madera, como mostramos en la figura 9 a continuación. 30 FIGURA 9 Corte Radial Corte Tangencial Corte Mixto 2.2.3. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LA MADERA. Las propiedades principales de la madera son resistencia, dureza, rigidez y densidad. Ésta última suele indicar propiedades mecánicas puesto que cuanto más densa es la madera, más fuerte y dura es. 31  La resistencia engloba varias propiedades diferentes; una madera muy  resistente en un aspecto no tiene por qué serlo en otros.  en la que esté cortada con respecto a la dirección del grano. Además la resistencia depende de lo seca que esté la madera y de la dirección La madera siempre es mucho más fuerte cuando se corta en la dirección del grano, es decir cortes radiales, por eso las tablas y otros objetos como postes y  mangos se cortan así. La madera tiene una alta resistencia a la compresión y tracción en la dirección paralela a la fibra, en algunos casos superior, con relación a su peso a la del  acero.  fibra y moderada resistencia a la cizalladura.  soportes en la construcción. La madera tiene baja resistencia a la tracción en la dirección perpendicular a la La alta resistencia a la compresión es necesaria para cimientos, columnas y La resistencia a la flexión es fundamental en la utilización de madera en estructuras, como viguetas, travesaños y vigas de todo tipo. A continuación graficamos los principales esfuerzos mecánicos que la madera puede resistir. Compresión paralela. Es la resistencia dela madera a soportar cargas de compresión paralelas a la dirección del grano. FIGURA 10, Compresión paralela a la fibra Tracción paralela. Es la resistencia de la madera a soportar cargas de tracción paralelas a la dirección del grano. 32 FIGURA 11, Tracción Corte o cizallamiento. Es la resistencia de la madera a soportar cargas de cizallamiento que pueden ser paralelas o perpendiculares al grano. FIGURA 12, Cizallamiento Es la resistencia de la madera a soportar cargas originadas por una carga vertical sobre una cara de ella. Esta carga genera esfuerzos de cizallamiento paralelos al grano, esfuerzos de compresión y esfuerzos de tracción. FIGURA 13, Flexión Compresión Tracción Cabe añadir que también la madera puede estar muchas veces exigidas, por la combinación de estos efectos. 33 2.2.4. ESPECIES: Se estiman que en el Perú existen aproximadamente 3,000 especies arbóreas conocidas (1/3 del total) de los cuales la mayoría son LKS (Less know specie) ya que sólo un grupo pequeño (aproximadamente 25 a 30 especies) son comerciales. Dentro de las especies LKS, se encuentran muchas con características y propiedades muy singulares, como por ejemplo especies de menos de 130 kg/m3, mientras que la quinilla colorada alcanza la densidad 890 kg/m 3. 2.2.5. USO ESTRUCTURAL. Actualmente en el Perú, el uso de madera como elemento estructural en la construcción, es muy limitado. Mayoritariamente sólo se destina para carpintería de puertas y ventanas y para cobertura de pisos de parquet o similar. No hay un uso difundo para estructuras de varios pisos debido a que es considerada no apta para construcción de múltiples niveles y por qué los costos de construcción y operación son relativamente elevados. Sin embargo, su uso debería ser más intensivo y extensivo debido a que el futuro impone la mitigación al cambio climático. En este sentido la producción y uso de madera tiene una doble ventaja; por un lado, la madera es un medio para capturar el carbono atmosférico y, por otro lado permite reducir las emisiones de CO 2. La madera tiene una huella de carbono MUY BAJA en comparación con el concreto armado, ladrillo tarrajeado e incluso el drywall. La madera tiene otras múltiples ventajas, estructuralmente son antisísmicas, buen aislante del calor y sonido. Resiste al calor del fuego y es ignífuga con el tratamiento y aplicación de un acabado especial. Finalmente es uno de los materiales de acabado más finos, agradable al tacto y a la vista, proyecta calidez, y siempre es muy apreciado en todos los mercados. Uno de los aspectos negativos es la tala indiscriminada que sobrepasa el ritmo de crecimiento y desarrollo de los bosques. Si se tala un árbol se requerirá, de acuerdo a cada especie, un lapso de 45 a 80 años para que se desarrolle otro semejante. De un árbol talado, en general se aprovecha menos del 50%, tomando en cuenta que se dejan en el bosque las ramas, aletas de la base, las secciones muy delgadas, torcidas, cortas, rotas y rajadas. 34 Por otra parte del volumen total del tronco obtenido también se aprovecha entre 18% y 45%, siendo aproximadamente del 20% al 25% en aserrín y viruta, del 15% al 20 % de trozos muy delgados, retacería y recortes, y el resto en leña, carapa, etc. En cuanto al uso de maderas largas, para funciones estructurales, se presentan limitaciones de orden operativo, técnicos, costos, pandeos, y otros problemas de manipulación, secado, corte, cepillado y transporte. 2.2.6. RESISTENCIA MECÁNICA La resistencia mecánica de la madera se relaciona directamente con su densidad y contenido y distribución de la lignito en sus estructuras de fibras, esto hace que la resistencia varíe significativamente en los tres ejes, así como si es de tracción o compresión. TABLA 3 CARACTERISTICAS FISICO MECANICOS DE LA MADERA COD M1 ESPECIES Color del duramen Densidad gr/cm3 básica M2 M3 M4 M5 M6 Cachim Copaiba Bolaina Capirona Shihuah Panguan bo uaco a blanco Marrón cremos 610 410 760 870 490 590 Contracción radial (%) 4,96 3,40 3,50 5,0 5,50 3,71 Contracción tangencial (%) 7,58 7,00 5,50 9,0 9,10 6,88 Contracción Volumétrica (%) 8,58 10,70 10,75 15 15 6,69 468 587 303,43 425 1353 380 Módulo elasticidad en Flexión (Kg/cm2) 131000 112000 97860 100000 153000 100000 Módulo de Rotura en flexión (kg/cm2) 735 736 507 723 1286 511 Compresión (kg/cm2) 342 268 270,60 283 672 264 66 74 50,91 67 145 41 Dureza (Kg/cm2) de lado paralela Compresión perpendicular (kg/cm2) Fuente, Estudios realizados por el Acuerdo de Cartagena 35 En general la resistencia a la tracción paralela a la fibra y flexión alcanza valores muy altos, comparativamente mejores que el acero, si lo dividimos entre la densidad de cada uno. Igualmente, la resistencia a la compresión paralela a la fibra es muy superior a la del concreto. Por estas propiedades, es un excelente material para uso estructural en la construcción. Por las muchas especies, las aplicaciones son múltiples y variadas, hay especies muy duras para usarse en los pisos y/o estructuras de puentes, y algunos de densidades, muy bajas para usarse en tabique y como material aislante. Usando combinadamente se pueden lograr construcciones muy fuertes, sólidas y muy estéticas (ver Tabla 3). 2.2.7. CÁLCULO DE LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN DE LA MADERA σult= Fult /A en kg/cm2 Dónde: ult = Esfuerzo último a la tracción paralela a la fibra, con aproximación de.10Kg. Fult = Carga máxima que resiste antes de fallar, en kg. A = Área de la sección (cm2) El Módulo de Elasticidad, se calcula como la pendiente de la curva esfuerzo vs. Deformación unitaria determinada entre los valores de carga 0,2Fult y 0,8Fult 36 2.2.8. CALCULO DEL ESFUERZO DE FLEXIÓN Y DE CORTE FIGURA 14 τ =σ = 3PL/2bh2en kg/cm2 Dónde: = Esfuerzo a flexión último, con una aproximación de .5 kg. = Esfuerzo a corte último, con una aproximación de 5 kg. P = Carga aplicada L= Distancia entre apoyos b = Ancho de la probeta h = Alto de la probeta M = Momento máximo para cada aplicación de carga. Determinado por medio de un análisis elástico de una viga estáticamente determinada. 2.2.9. PROCESOS BÁSICOS DE PRODUCCIÓN CON MADERA. Proceso 1: Selección de material Consiste en escoger las secciones de madera adecuadas en calidad y cantidad, según el requerimiento de la lista de materiales. Proceso 2: Habilitado primario Las maderas deben aserrarse al espesor, ancho y largo, con la tolerancia y demasías, necesarias para absorber la contracción por secado y acabado, sin que queden marcas del proceso de corte y habilitado. 37 Proceso 3: Secado El secado se debe realizar a un nivel de humedad en equilibrio con el medio donde se ubica la madera. El contenido de humedad es una propiedad física muy importante porque de ella dependen las propiedades mecánicas óptimas de la madera, así como la fuerza de adherencia y las dimensiones físicas. Por esta razón, es muy necesario el secado al horno para poder aprovechar la madera al máximo y mantener la calidad de los productos derivados en el tiempo. La humedad en la madera se entiende como la relación entre la masa de agua y la masa de sólidos presentes en el material. Si bien en la actualidad hay muchos instrumentos que pueden medir rápidamente y con relativa presión la humedad de la madera, es importante contar con un procedimiento de precisión para comprobar y calibrar dichas mediciones. Cabe resaltar que el contenido de humedad de la madera presenta variaciones en función de la humedad relativa del medio ambiente en donde se encuentra (atmosférica, el brillo solar, la evaporación y otras variables climáticas que influyen en la humedad resultante), tendiendo a llegar al contenido de humedad de equilibrio de la madera en dichas condiciones. En general toda todas las maderas difícilmente se secan al aire y se estabiliza sus dimensiones. Todas las maderas que se utilizan en la fabricación de algún producto, deben ser secadas al horno para asegurar su estabilidad dimensional y óptimas condiciones mecánicas. Un secado al aire (AD), difícilmente puede llegar a menos de 20% de Humedad en lugares como Lima. Un secado en horno puede llegar a 6% de humedad, el tiempo necesario, depende del espesor de la madera, el contenido inicial de humedad y la especie. Como referencia un espesor de 28 mm por lo regular requiere 15 días de secado. El secado en horno se realiza modificando y contralando la humedad y temperatura del medio, y añadiendo energía térmica necesaria para evaporar el agua retenida dentro de la madera, de tal modo que se aceleré el tiempo de secado. Se debe tener en cuenta que 1 metro cúbico de madera puede contener más de 500 litros de agua, lo que supone una demanda importante de energía térmica de alrededor 528 Kcal/litro para evaporar dicha agua. 38 Proceso 4: Maquinado y calibrado de la madera a. Trozado.- Cuando las piezas son muy largas se realiza esta operación, que se realiza en una sierra radial, y consiste en cortar las tablas de madera atreves de en todo su ancho, para predeterminar un largo de las piezas, que faciliten su manipulación en los procesos siguientes. b. Garlopeado.- Es una operación de cepillado de la cara inferior, con una garlopa, se emplea para escuadrar y enderezar un canto o una cara de la tabla de madera, para ser utilizada como guía para obtener una tabla recta. c. Cepillado.- Esta operación se realiza en una maquina regruesadora o cepillo, para calibrar el espesor y llegar al espesor final de cada una de las piezas a trabajar. d. Corte al ancho medida exacta.- Esta operación se realiza en una sierra circular. Consiste en definir el ancho final de las piezas de madera a utilizar, para lo cual se emplea como guía la madera previamente enderezada con la garlopa. e. Corte al largo y ángulo en medida exacta. Esta operación se realiza en una sierra radial mediante el apoyo de guías y plantillas. 2.2.10. UNIÓN DE LA MADERA El proceso de fabricación de objetos de madera supone trabajar con uniones, las mismas que pueden ser de diferentes tipos. Los medios para fijar tales uniones son también muy variados y permiten obtener grados deseados de empalmes y resistencias mecánicas de los objetos fabricados. En nuestro caso, es necesario un estudio de los tipos de uniones para seleccionar las más apropiadas para la fabricación de vigas compuesta y tijerales. En principio existen básicamente tres tipos de uniones de madera: 1. JUNTAS: La unión de dos o más maderas por sus caras o cantos respectivos. 2. ANGULAR La unión formando un ángulo. 3. EMPALMES: Uniones aplicadas para prolongar la longitud de la madera. Estos tres tipos de juntas constan además de una serie de variantes que ofrecen diversos grados de resistencia, solidez y ensambles de partes, desde elementos articulados hasta elementos monolíticos. 39 Ensambles de junta: Los ensambles de junta son los sistemas para unir dos o más piezas de madera, especialmente para unir las caras y los cantos. A continuación enumeraremos los principales ensambles de juntas que se conocen. a. Juntas plana  Junta de Madera superpuesta: La unión se produce por el contacto de una pieza con la otra (para reforzar se requiere cola o clavos)      Junta plana o a tope Junta plana o a tope reforzada con clavijas Junta plana glaseada o a media madera Junta plana ranurada y lengüeta Junta plana y refuerzos de espiga (se emplea para obtener mayor resistencia a roturas)  Junta plana unida mediante doble cola de milano ( suele encontrarse en mobiliario antiguo)  Junta plana unida FIGURA 15 mediante galleta  Junta machihembrada b. Lengüeta     De lengüeta y ranura en ángulo A media madera con lengüeta De lengüeta suelta y ranura Inglete con lengüeta c. Inglete   En cola de milano En cola de milano acuñada 40        Inglete simple Inglete con lengüeta Con llaves de chapa Enclavijado. inglete con junta plana: se corta el extremo de la pieza a 45º inglete con espiga independiente: inglete con llave: se cortan a inglete los extremos de la pieza y se realiza una caja pasante en forma perpendicular Analizando lo anterior concluimos que lo más adecuado, para encolados y traslapados de secciones cortas de madera, es el uso los ensambles de junta, ya que si se emplea otro sistema de lengüeta, inglete o enclavijado implicará un mayor costo de maquinado y mayor inversión en maquinaria y equipo (fresas y cuchillas). Además de ello, se sabe que el desperdicio de madera puede ser mayor si se emplea cuñas, lengüetas o filetes, ya que en general el maquinado de estas piezas puede generar un 25% más de madera para obtener el espesor final requerido. En las juntas encoladas a tope, la sección encolada es más grande y generalmente las colas son más resistentes que el esfuerzo cortante paralelo a la fibra, en donde la unión encolada es más fuerte que la sección útil de la madera. La principal desventaja es que se tiene que mantener prensadas las piezas hasta que la cola se cure lo suficiente para mantenerse unida. Ensambles de empalme: Los ensambles de empalme son sistemas utilizados para prolongar las maderas longitudinalmente. Al igual que las juntas hay múltiples sistemas para empalmar maderas, siendo necesario hacer un estudio para identificar la solución más adecuada para la fabricación de piezas grandes y de espesores requeridos. 41 Figura Nª 16, Ensambles de empalme Figura 17,: Ensambles de empalme de de inglete inglete Empalme a tope con brida:   Empalme media madera  Empalme a media clavija  Empalme a espiga cuadrada  Empalme a tope con llave en forma de milano  Empalme a media madera con testa en sesgo  Empalme a horquilla  Empalme a dientes triangulares Finger Joint El empalme Finger joint que se muestra en la figura Nº 8, es uno de los más eficientes ya que tiene una gran área de encolado con un mínimo traslape y es capaz de recibir cargas de tracción y compresión. Adicionalmente es un empalme fácil de hacer con una fresa simple y con muy poco desperdicio de madera. Dado que el ensamble finger joint no son resistentes en cargas concentradas de flexión, se recomienda traslapar con otros listones para lograr luces cortas o en el caso de los tijerales. Este tipo de empalme es el más adecuado para la conformación de piezas grandes de madera. 42 Figura Nº 18. Empalme finger joint Ensambles en ángulo Son los sistemas para unir componentes por los ángulos de las maderas. Estos tipos de ensamble son muy usados en muebles, puertas, ventanas, etc. Sin embargo un elemento reticulado o tijeral puede utilizar muchos ensambles de ángulo, lo que le daría mayor resistencia a la flexión en grandes luces y una mínima carga estática. En la figura Nº 9 y 10 se observa un ensamblé mediante clavija, traslapada y/o tope: Las uniones a tope se refuerzan con elementos externos a la madera (en su mayoría de origen metálico). El ensamble de caja y espiga, se usa en su mayoría para uniones en ángulo recto, mientras que el ensamblé en ángulo mediante tarugos es el sustituto débil del ensamble de caja y espiga Figura Nº 19: Ensamble en alguno tipo caja y espiga Figura Nº 20 Ensamble en ángulo tipo tarugo a. Media madera: Consiste en tallar o destajar media madera de la pieza con otra media madera. Similarmente al ensamble de empalme, se destaja media madera de un extremo y se ensamble sin destaja en T. 1. En esquina 2. Media madera en T 43 3. Media madera en cola de milano 4. Media madera en cruz 5. Atenaza 6. Lengüeta suelta y ranura 7. Rebaje simple 8. De lengüeta y ranura en ángulo. b. Cola de milano: Ensamble a cola de milano: para uniones que estén sometidas a fuerzas de tracción, la forma trapezoidal, tanto de la espiga como de la caja impide que se deslice. Ver figura 21. FIGURA 21 Lazos vistos o sencillos   Lazos semiocultos  Junta a inglete con lazos ocultos  Lazos ocultos con doble solapa  Lazos semiocultos para un armazón Lazos en ángulo Este tipo de ensamble es el de uso clásico en la fabricación de muebles especialmente en cajones. En la fabricación de vigas de tijeras, solo un tipo de ensamble es el más utilizado, el de clavijas traslapadas o a tope con chapa de refuerzo metálicas. 2.3. LOS ADHESIVOS El adhesivo es una formulación que sirve para mantener unidas dos piezas de madera, o madera con metal, de forma que las piezas unidas resistan los esfuerzos físicos y mecánicos que se apliquen sobre ellas. Los adhesivos para madera se emplean para lograr la adherencia entre dos piezas de madera de manera firme y duradera. Existen multitud de adhesivos en base a productos de diferente origen. La unión se realiza de una forma muy compleja que incluye aspectos mecánicos y aspectos físicos y químicos. 2.3.1. EL USO DE ADHESIVOS EN LA MADERA El encolado o enlace de madera, es una actividad que se ha practicado por muchos siglos. Se estima que el 70% de los productos en la práctica industrial es madera 44 enlazada (Hemingway and Conner 1989). Los adhesivos están diseñados para aplicaciones específicas, relacionadas a miles de productos (Rice 1990). Lo más comunes, son aquellos adhesivos utilizados en la fabricación de compuestos o aquellos que se utilizan en el ensamblaje de productos. El mercado más grande de producción de madera, es el de los paneles, incluyendo las maderas flexibles, placas de filamentos orientados (OSB), placas de fibras y de partículas. Los adhesivos representan del 2 a 8% en comparación del peso total de los productos terminados. 2.3.2. ADHERENCIA DE LA MADERA La adherencia es el esfuerzo de la capa molecular del adhesivo que entra en contacto con la capa superficial de los substratos, tales como la madera. En general, la madera es fácil de adherir en comparación con la mayoría de substratos. Las superficies (en la madera) no son atraídas uniformemente en un contacto tan cercano, requiriendo del adhesivo para mantener a las superficies unidas. Tanto para maderas laminadas como para las uniones al tope, los adhesivos pueden ser curados por calor o bien a temperatura ambiente. En la construcción y la fabricación de mobiliario, los adhesivos utilizados poseen tiempos de secado muy largos y usualmente se realizan a temperatura ambiente. La mayoría de los adhesivos para uniones de madera se componen de formaldehidos como Co-monómero, generando preocupación por la emisión de sustancias formaldehídicas. Usualmente en este proceso de adherencias, el esfuerzo localizado es muy diferente del esfuerzo aplicado, así mismo como lo es el distribuido del concentrado (Dillard 2002). Se necesita considerar ambos aspectos de la fuerza de adherencia, tanto el químico como el mecánico, porque la fuerza de adherencia es una medición de la fractura, cuyo proceso termina donde se localiza el mayor esfuerzo bajo condiciones específicas de ensayo. 45 Tabla 4 Resinas Tipo Viscosidad Distribución de Peso Molecular Porciones de Reactivos Valor de Curado Total de Sólidos Catalizadores Mezcla Clavo Rellenos Sistema Solvente Duración pH Protecciones Variables de la Adherencia en la Madera Madera Procesos Efectos Especie Cantidad de adhesivo Esfuerzo Distribución del Densidad Módulo de cortante adhesivo Contenido de Elevada Resistencia al Humedad Relativa humedad pliegue Plano de corte: Radial, tangencial, Temperatura Arrastre transversal o mixto Corteza vs. Cuerpo de Tiempo directo de % de Fractura en la la madera ensamblaje madera Maderas Jóvenes vs. Tiempo Indirecto de Tipo de fractura Maduras ensamblaje Maderas prematuras Prensado Seco vs. Húmedo vs. Dilatadas Reacción de la Penetración del Módulo de elasticidad madera adhesivo Angulo de la partícula Vía Gaseosa Temperatura Porosidad de la Resistencia de Tiempo de prensado madera hidrólisis Rugosidad superficial Pre-tratados Resistencia al fuego Resistencia Biológica: Daño por Post-tratados Hongos, bacterias, deshidratación insectos, etc. Temperatura de Daño por producción Finalizado adherencia Suciedad, contaminación, Resistencia extractos, capacidad ultravioleta de protección, superficies químicas. Nota: Recopilación por NormKutscha . Algunas teorías de la adherencia acentúan aspectos mecánicos y otras ponen más énfasis en aspectos químicos, la estructura química y las interacciones determinan las características mecánicas y las características mecánicas determinan la fuerza que se concentra en vínculos químicos individuales. 46 Para que los adhesivos formen dispositivos de seguridad, tienen que humedecer el fondo del substrato lo suficiente, de modo que penetre un poco del producto, para que actúen tanto las fuerzas químicas como las mecánicas en la unión. Para que un dispositivo de seguridad mecánico trabaje, los enlaces del adhesivo deben ser lo suficientemente fuertes para soportarlos. Por todo lo anterior, la interacción del madera-adhesivo necesita ser evaluada en tres escalas espaciales (milímetro, micrómetro, y el nanómetro) (Frazier 2002, Frihart 2003). El milímetro implica observaciones por el ojo o la microscopia ligera. El uso de exploraciones microscópicas electrónicas, permite observaciones respecto al micrómetro o al nivel celular. Mientras que el nivel del nanómetro, es la escala espacial en la cual las moléculas adhesivas necesitan trabajar recíprocamente con la madera para que el enlace se forme. Ver figura Nª22  Figura Nª 22 Fractura de Uniones por Adhesivos: es el lugar donde ocurre la fractura en una unión adhesiva como resultado de la pérdida de la capacidad de carga   del pegamento. Fractura del Substrato: es la fractura localizada en el sustrato o superficie inherente. Interfase: esta es la región de dimensión finita, que se extiende de un punto en el que el adhesivo posee características particulares, y comienzan a cambiar a las características generales de la adherencia con la madera, a un punto en el que las características del pegamento se comportan de la misma manera. • Tiempo de Ensamblaje: es el intervalo del tiempo entre la aplicación del pegamento en el substrato y el uso de la presión, o calor, o ambos, hasta el ensamble. 47 • Ajustes: es convertir un pegamento en un estado fijo o endurecido por medio de una acción química o física en los componentes del mismo. • Curado: es cambiar las características físicas de un pegamento por la reacción química, de un estado a otro. • Agarre: es la característica de un pegamento que le permite formar un enlace de la fuerza mensurable inmediatamente después que el pegamento y el adherente se ponen en contacto bajo presión. • Adhesivos Estructurales: es un agente de la vinculación, usado para transferir cargas requeridas entre los adherentes expuestos a los ambientes del efecto típicos para la estructura implicada. 2.3.3. APLICACIÓN DE ADHESIVOS: No todos los adhesivos son de aplicación directa a los substratos de madera, algunas superficies deben ser tratadas antes de efectuarse los enlaces. 1. El primer paso en la formación de un enlace implica en esparcir el pegamento sobre la superficie de madera. 2. Después de la aplicación del adhesivo, una combinación de ensambles directos e indirectos, se utiliza dependiendo del proceso específico del enlace. 3. En algunos casos, el calor y la humedad se utilizan durante el proceso de enlace, esto permite que el pegamento se vuelva más líquido y la madera más deformable (Green et al. 1999). 4. Es así, como el Adhesivo tiene que fluir sobre la superficie total, y en los vacíos causados por la porosidad que está presente con casi todas las superficies. 5. La madera es una de las superficies de enlace más compleja, que se encuentra generalmente en la mayoría de los usos adhesivos. 6. Agregando la tensión, compresión y la valoración de las partículas, aumenta la complejidad de la interacción adhesiva de la madera. 48 2.3.4. PENETRACIÓN DE LA SUPERFICIE DE LA MADERA: En una escala mayor, la madera es un substrato rugoso, celuloso y aniso trópico; es debido a estas características, que la penetración de los adhesivos y cualquier otra substancia posee cualidades específicas. En la figura Nº 13 a continuación se observa que la penetración adhesiva de la unión es buena para una superficie sana (grafica A), pero no para una superficie de madera desmoronada y maltratada (B). Figura Nº23       A B Los tipos y los tamaños de las células son dramáticamente diferentes entre las madera duras y las blandas. Las células de las maderas duras con las paredes más finas, son más fáciles de enlazar debido a un volumen más accesible. La madera de savia se considera más fácil enlazar debido a los cambios en los estratos. La madera joven, en compresión, y tensión distorsionan la estructura celular de los enlaces y debilitan la región de la interface adhesiva de la madera. El mejor método para preparar una superficie de madera para enlaces, es utilizar las placas laminadas muy finas. La superficie de la madera-enlace varía considerablemente dependiendo de cómo la superficie está preparada y qué tipo de madera es. 49 Figura Nº 24 : Cuadros de la microscopia electrónica de la exploración de secciones transversales (a) del pino amarillo meridional y (b) del arce duro 2.3.5. HUMIDIFICACIÓN, FLUJO Y PENETRACIÓN DE LA MADERA: FIGURA 25 Para que un enlace se forme, el adhesivo necesita mojar y fluir sobre una superficie, y en algunos casos penetrar en el substrato. Es importante entender que los términos significan diversas cosas aun cuando parecen muy similares. • La adherencia por humidificación es la capacidad de una gota adhesiva de formar un ángulo de bajo contacto con la superficie. • El flujo implica el adhesivo extendiendo por esa superficie bajo un tiempo razonable. El flujo no sólo depende del ángulo de contacto sino también de la viscosidad del adhesivo. Con una viscosidad más baja, el mejor adhesivo fluye y moja más de la superficie. 50 • La penetración es la capacidad del pegamento de moverse en los vacíos de la superficie del substrato o en el substrato mismo. Para logra un enlace fuerte, el adhesivo debe penetrar en todas las porosidades del substrato en una microescala. 2.3.6. AJUSTES EN LOS ADHESIVOS El ajuste es convertir un adhesivo en un estado fijo o endurecido por la acción química o física, tal como condensación, polimerización, oxidación, vulcanización, congelación, hidratación, o evaporación del solvente volátil. • Para la mayoría de adhesivos poliméricos, es necesario reaccionarlos mediante la perdida de solventes o minerales en el compuesto. • Para muchos otros tipos de adhesivos es necesaria la evaporación o pérdida de agua, enfriamiento y la polimerización de los mismos. 2.3.7. SEPARACIÓN DE SOLVENTES: Los solventes son un problema debido a la naturaleza no porosa del substrato que previene el retiro del solvente por la migración dentro y a través del substrato. Es así como la mayoría de los procesos de enlace requieren de maderas que estén dentro de una gama aceptable en contenido de agua, para conseguir una adecuada manejabilidad. 2.3.8. POLIMERIZACIÓN: Para lograr un enlace más fuerte, un peso molecular más alto y un mayor número de polímeros reticulados, son generalmente mejores los procesos de polimerización, que consiste en la activación con aplicación de calor, el cambio en el pH, catalizadores, la adición de un segundo componente, o la radiación. 2.3.9. SOLIDIFICACIÓN POR ENFRIAMIENTO: Muchos adhesivos usados con anterioridad para las maderas, eran sensibles a derretimientos por calor. Debido a que los adhesivos termo sensibles y los plásticos usados para los compuestos son poliméricos, tienen una capacidad limitada de fluidez. Mientras el adhesivo se enfría, su viscosidad se eleva rápidamente para una mejor adherencia de soldadura. 51 2.3.10. COMPOSICIÓN DE LOS ADHESIVOS Muchas veces se utiliza la palabra “cola” para denominar adhesivos de la madera, pero esta acepción es un poco más restrictiva, ya que sólo hace referencia a los adhesivos en fase acuosa.   Componente principal: material que actúa de ligante, actualmente se corresponden con productos orgánicos de síntesis.  Endurecedores: sustancias que se añaden para acelerar su fraguado.  adhesivo. Pueden ser productos insecticidas, fungicidas, ignifugan-tés, etc.  Cargas: sustancias que se añaden para mejorar las características del Complementos: sustancias que se añaden para rebajar su precio. Solventes: vehículo en que va disuelto el adhesivo, pueden ser acuosos, orgánicos, hidrodispersables, espumas, etc. 2.3.11. CURADO DE LOS ADHESIVOS Los tipos de curado de los adhesivos determinan muchas veces el desempeño de los mismos, algunas consideraciones para los curados y su relación con las características de los enlaces en la madera son: 1. El curado lento a temperatura ambiente, proporciona el tiempo necesario para que los componentes de la madera estén cubiertos con el adhesivo y se mantengan unidos durante el ensamblaje. 2. El calor y la humedad dejan ablandar a la madera, permitiendo que las superficies de madera colindantes sean traídas en contacto más cercano. 3. Sobre la calefacción, el curado del pegamento es rápido, reduciendo el retardo cuando se aplica presión. 2.3.12. TIPOS DE ADHESIVOS DE ORIGEN SINTÉTICO Dentro de los adhesivos sintéticos, que son las que más se utilizan actualmente, se distinguen: 1. Adhesivos termoplásticos: Una vez fraguados recobran su plasticidad por la acción del calor. 2. Emulsiones vinílicas: Acetato de polivinilo (PVAC), policloruro de vinilo (PVC), acetato de vinilo y etileno (EVA), etc. De un solo componente o dos. 52 3. Adhesivos termofusibles (hot-melt): El término termofusible define su forma de aplicación. Se suministran en forma de resina sólida, que se vuelve líquida con la aplicación del calor y se vuelve a endurecer cuando se enfría. Tenemos por ejemplo: a. Adhesivos de caucho natural o sintético b. Adhesivos de poliuretano c. Adhesivos epoxídicos. De un solo componente o varios. d. Adhesivos mixtos de epoxi y poliuretano 4. Adhesivos termoestables. Una vez fraguadas no recobran su plasticidad por la acción del calor. Se mencionan los siguientes a. Urea formaldehído (UF) b. Melamina úrea formaldehído (MUF) c. Melamina fenol formaldehído (MPF) d. Fenol formaldehído (PF) e. Resorcina formaldehído (RF) y de resorcina - fenol formaldehído (RPF) f. Isocianato 5. Cola blanca vinílica. Hay una gran variedad de colas blancas, con distintas densidades y características de secado. Estas colas se elaboran en base a resina vinílica soluble en agua. Al secarse, los componentes vinílicos tienden a reunirse. Se utiliza una capa muy fina, pero las piezas deben encajar perfectamente. Su secado es bastante rápido, alrededor de una hora, y se torna transparente. No es resistente al agua. 6. Resina alifática. También conocida como pegamento amarillo de carpintero. Seca en 15 minutos, no es tóxica. Más resistente al agua y al calor que el pegamento blanco. No requiere de sujeción mediante sargentas para optimizar los resultados. 53 2.4. EL ENCOLADO Es el proceso de unión de dos piezas con adhesivos, se denomina encolado, el objetivo es lograr, la máxima resistencia posible al cizallamiento (kg/cm 2), así como la permanencia de estas propiedades en el tiempo y en las condiciones de trabajo. Se compone de tres operaciones: 1. Encolado o aplicados de colas 2. Armado o ensamblado 3. Prensado Factores y/o parámetros que influyen en el esfuerzo máximo de cizallamiento, son múltiples. Los más importantes, según los fabricantes de pegamento y las empresas fabricantes de productos de madera, son: 1. La especie de madera 2. La cola, diversa clases y marcas de pegamento 3. Preparación de las superficies de encolado y las uniones, al corte de disco, cepillado o lijado 4. Orientación del corte; el corte puede ser radial o tangencial 5. Contenido de humedad de la madera relativa a su peso (%) 6. Espesos de capa del pegamento 7. Tiempos de ensamble o armado; es el tiempo requerido para unir los componentes 8. Tiempos de cierre; es el tiempo que permanece unidos con presión 9. Presión de cierre; es la fuerza de presión aplicada entre las maderas 10. Temperatura en cierre; es la temperatura que se mantiene mientras se aplica la presión 11. Tiempo de curado; es el tiempo necesario para que el pegamento alcance el 80% de su resistencia máxima 12. Condiciones en el curado; es la temperatura y la humedad del ambiente donde se mantiene las piezas hasta que alcance el 80% de la resistencia máxima 54 2.5. ENSAYOS DE RESISTENCIA AL CIZALLAMIENTO DE LOS ADHESIVOS La resistencia al cizallamiento de los adhesivo se determina aplicando un esfuerzo controlado sobre dos maderas unidas por un adhesivo determinado, obteniendo valores de resistencia (adherencia ), y de elasticidad especifica. La resistencia al cizallamiento por tracción se determinará siguiendo la fórmula: σult = Fult /A en N Dónde: ult = Esfuerzo de cizallamiento con aproximación de 0.1 N Fult = Carga máxima que resiste antes de fallar, en kN. A = Área de la sección encolada (mm 2) El Módulo de Elasticidad, se calcula como la pendiente de la curva esfuerzo vs. Deformación unitaria determinada entre los valores de carga 0.2 F ult y 0.8 Fult FIGURA 26 55 FIGURA 27 2.6. ANALISIS ESTADÍSTICOS 2.6.1. COMPARACIÓN DE MÚLTIPLESPOBLACIONES La comparación de diversos conjuntos de resultados es habitual en los laboratorios analíticos. Así, por ejemplo, puede interesar comparar diversos métodos de análisis con diferentes características, de diversos analistas entre sí, o una serie de laboratorios que analizan una misma muestra con el mismo método (ensayos colaborativos). También sería el caso cuando queremos analizar una muestra que ha estado sometida a diferentes tratamientos o ha estado almacenada en diferentes condiciones. En todos estos ejemplos hay dos posibles fuentes de variación: una es el error aleatorio en la medida y la otra es lo que se denomina factor controlado (tipo de método, diferentes condiciones, analista o laboratorio). Las herramientas estadísticas más utilizadas que permite la separación de las diversas fuentes de variación es el análisis de la varianza (ANOVA, del inglés Analysis of Variance) [Massart, 1997]. El ANOVA también puede utilizarse en situaciones donde ambas fuentes de variación son aleatorias. Un ejemplo sería en los diversos adhesivos y el contenido de humedad de la madera. Por tanto tenemos dos fuentes de variación por dos factores diferentes. Cuando tengamos un factor, controlado o aleatorio, aparte del error propio de la medida, hablaremos del ANOVA de un factor. Es el caso de la cola y el contenido de humedad, entonces hablaríamos de un ANOVA de dos factores. 56 En los casos donde tenemos dos o más factores que influyen, se realizan los experimentos para todas las combinaciones de los factores estudiados, seguido del ANOVA. Se puede deducir entonces si cada uno de los factores o una interacción entre ellos tienen influencia significativa en el resultado. Para utilizar el ANOVA de forma satisfactoria deben cumplirse tres tipos de hipótesis, aunque se aceptan ligeras desviaciones de las condiciones ideales: 1. Cada conjunto de datos debe ser independiente del resto. 2. Los resultados son obtenidos para cada conjunto, deben seguir una distribución normal. 3. Las varianzas de cada conjunto de datos no deben diferir de formas s ignificativa. 2.6.2. ANOVA DE UN FACTOR Tomemos como ejemplo la comparación de 3 colas, que analizan k veces con el mismo procedimiento, el valor es la resistencia al cizallamiento, de tres colas de la misma clase pero de diferente proveedor. El objetivo del ANOVA aquí es comparar los errores sistemáticos con los aleatorios obtenidos preparar probetas con diversas colas pero con los mismo parámetros. Tabla 5 Resultados 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 R 8 R 9 R 10 R 11 R 12 R Suma Promedio nk C1 S 15,645124 33,141597 27,660113 H 39,445864 46,338295 39,327849 18,383613 11,852621 47,007079 29,599799 29,349049 31,719269 153,69015 215,78012 25,6150251 35,9633547 6 6 C2 H 46,751069 34,107502 13,136138 15,311724 49,132013 47,023453 19,776641 36,032581 42,938528 41,590114 30,239859 51,697703 427,73733 35,6447776 C3 H 35,213799 37,354637 37,281354 18,970114 44,620500 37,128630 29,214058 33,720707 54,092175 46,038266 44,643375 49,206204 467,48382 38,956985 12 12 Suma 617,58978 647,10165 1264,6914 35,130317 36 57 Fuente propia, resultado de ensayos realizados Tabla 5. Resultados de los ensayos de resistencia al cizallamiento de las uniones adheridas con tres adhesivos del mercado (Colas C1, C2, C3). Para ser ensayados en el laboratorio de materiales de la UNI. En la tabla 1 se muestran los resultados obtenidos (expresados kg/cm2). Observando los valores medios todo parece indicar que existen diferencias entre las colas y principalmente en el la madera S (seca al horno de la CL1). Ahora bien, ¿son dichas diferencias significativas? El ANOVA responde a esta cuestión. El objetivo del ANOVA es comparar los diversos valores medios para determinar si alguno de ellos difiere significativamente del resto. Para ello se utiliza una estrategia lógica: si los resultados proporcionados por los diversos ensayos realizados no contienen errores sistemáticos, los valores medios respectivos no diferirán mucho los unos de los otros y su dispersión, debida a los errores aleatorios, será comparables a la dispersión presente individualmente en cada adhesivo. El secreto está, pues, en descomponer la variabilidad total de los datos en dos fuentes de variación: las debidas al ensayo y la diferencia entre la marcas de colas. Matemáticamente, la suma de cuadrados total, SS T, puede descomponerse como una suma de dos sumas de cuadrados: SST=SSR+SSCl SST es la suma de las diferencias al cuadrado de cada resultado individual respecto a la media de todos los resultados y por tanto, representa la variación total de los datos. SSR mide las desviaciones entre los resultados individuales (Xkj), de cada cola, (donde j indica el nº de repetición) y la media dela cola (Xk) y, por lo tanto, es una medida de la dispersión dentro de cada cola. Cuando se divide SSR por los correspondientes grados de libertad, (N - K), se obtiene el cuadrado medio (o MS, del inglés Mean Square) "dentro de cada cola", MSR. Por su lado, SSCl mide las desviaciones entre los resultados medios de las colas y el resultado medio global y, dividido por sus grados de libertad, (k - 1), constituye el 58 cuadrado medio "entre colas", MSCl. La Tabla 6 muestra las diferentes fórmulas para calcular las sumas de cuadrados y las correspondientes varianzas. Tabla 6. Expresiones para el cálculo del ANOVA de un factor (K indica tipos de cola y N el número total de resultados). Tabla 6 Se calculan, por tanto, MSCl y MSR como una medida de las dispersiones y se comparan mediante una prueba de hipótesis F. Si no existe diferencia estadísticamente significativa entre ellas, la presencia de errores aleatorios será la causa predominante de la discrepancia entre los valores medios. Si, por el contrario, existe algún error sistemático, MSCl será mucho mayor que MSR, con lo cual el valor calculado de F será mayor que el valor tabulado Ftab para el nivel de significación escogido y los grados de libertad mencionados. A continuación se muestra la típica tabla ANOVA (formulas tabla 6) obtenida para los resultados del ejemplo de la Tabla 5: Tabla 7. Tabla ANOVA para los resultados de la Tabla 5 Fuente Entre Colas Dentro de las colas Total Suma de cuadrados Grados de libertad Cuadrado medio 726,305115 3 242,101705 1,90318329 4070,68231 32 127,208822 4796,98742 35 Fcal Ftab = 2,92 (95%,3,32) 59 Como Fcal>Ftab, en este caso se podría concluir que al menos una de las colas ha producido resultados que difiere de forma estadísticamente significativa del resto de las colas. El ANOVA no indica cual difiere significativamente de las otras. Sin embargo siguiendo el mismo en ejemplo que hemos presentado, podemos tomar los mismos datos y hacer una ANOVA comparando cada una de las colas con las otras, o con cada una de las otras y siguiendo ese procedimiento analítico común y riguroso. Podemos determinar cuál difiere significativamente del resto, y si esta muestra un resistencia al cizallamiento (kg/cm2) superior al resto superior, será la mejor. Tomando el mismo ejemplo y de la tabla 5, pero tomando es tipo de corte radial (R) o tangencial (T). Si se comprueba que Hay diferencias significativas en los resultados. Se comprobaría un efecto en la resistencia por el tipo de corte Tabla 8. T abla 8. Grados Fuente Suma de de Cuadrado cuadrados libertad medio Fcal 24,1930627 1 24,1930627 0,17234435 4772,79436 34 140,376305 4796.98742 35 Entre Cortes Dentro del corte Total Ftab = 4,171 (95%, 1, 34) La Tabla de resultados al utilizar las formulas de la Tabla 6, para calcular el cuadrado de las medias asociado a cada una de las fuentes de variabilidad. Una vez calculados, las varianzas asociadas al muestreo y a la medida instrumental, puede calcularse fácilmente utilizando las formulas de la Tabla 6.También existen numerosos paquetes estadísticos que realizan el cálculo del ANOVA y proporcionan el cuadrado de las medias. Por tanto, en la práctica únicamente es necesario aplicar las formula de la Tabla 6 para obtener las varianzas. 60 CAPITULO III 3.1. MARCO TECNICO APLICATIVO 3.1.1. OBJETO Analizar y definir las diversas alternativas y consideraciones de los métodos y procedimientos, para determinar los parámetros óptimos de los procesos de encolados en la fabricación de productos de madera de uso estructural y no estructural. 3.1.2. USO Y SIGNIFICADO Es necesario analizar la diversas alternativa y consideraciones de los métodos, para determinar los parámetros óptimos, porque son muchos los factores y valores por cada factora tomar en cuenta, se pueden terminar haciendo muchos ensayos, sin logran un resultados concluyente, rápidamente para cada combinación de madera y colas. Que se planea procesar o se tiene en proceso. Definir un método es importante para la fabricación de productos competitivos y de calidad, pero es fundamental en la fabricación de componentes de uso estructural como son las vigas compuestas de madera. Es la base para desarrollar productos con pequeñas secciones de madera, que pueden mitigar la depredación de los bosque naturales y el cambio climático, permitir desarrolla un tecnología de no tala de los bosques. 3.1.3. METODOLOGÍA. Partiendo de la Tabla 2, donde se han tabulado todos factores o parámetros ha considerar en los procesos de pegado de las maderas, de acuerdo a los fabricantes de productos de madera y a los proveedores de adhesivos. 61 Se asignan valores a cada uno de los factores o parámetros, determinando un punto por vez, en una secuencia que permita obtener los parámetros óptimos con el mínimo de ensayos posibles. Por tanto cada columna en dicha tabla determina un ensayo, todas las probetas construidas para ese ensayo, constituye un juego de ensayo, a cada columna que representa un ensayo le podemos asignar un código, que nombre dicho ensayo (Ver Tabla 10). Teniendo definidos los factores y ordenado en la Tabla 10, es necesario definir una un conjunto de procedimientos y métodos, para determinar el valor de los parámetros óptimos, con el mínimo número de ensayos, así como para implementar los ensayos, realizar los ensayo, registras y procesar los resultados. 3.2. ANÁLISIS Y DEFINICIÓN DEL MÉTODO PARA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS, EN EL ENCOLADO DE MADERAS 3.2.1. LOS FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA DE LAS UNIONES ADHERIDAS DE MADERA. Determinar los factores que afectan la resistencia de las uniones adheridas de madera, es el primer paso para determinar los parámetro óptimos del proceso de pegado con adhesivos. En el marco teórico, en lo referente a los adhesivos, encontramos un cuadro de las variables que influyen en la adherencia de la madera, recopilada por NormKutscha, se contabilizan 59 variables (ver Tabla 4 en el marco teórico), en dicho cuadro. Son muchas variables, algunas muy difíciles de medir y/o controlar, son básicamente un estudio científicos y teórico de todo los factores que intervienen en el pegado, muy complejo desde el punto de vista técnicos-aplicativo. Sin embargo hay una solución desde el punto de vista práctico. Resultado del diagnóstico realizado en el CAPITULO I, en el que se recopilo información de los fabricantes de producto de madera, y de empresas proveedoras de adhesivos. Se determinó, qué acorde con sus experiencias, son 12los factores más significativos, en la resistencia de las colas uniones encoladas (ver Tabla 10). Estos 12 factores o parámetros, son tomados en cuenta normalmente, y de algún modo son controlados en los procesos de producción, en todas las empresas que 62 trabaja con la madera. Por tanto la determinación del efecto de estos parámetros, en la resistencia de la unión encolada, sería el camino para llegar a la respuesta de la hipótesis y a la solución del problema central planteado, teniendo el efecto de cada factor definido en una gráfica, la implementación en los procesos de producción no requerirá mayor inversión, que simplemente, mantener los parámetros en los niveles pre determinados. 3.2.2. MÉTODO POR TABULACIÓN Los parámetros determinan el valor del esfuerzo máximo de cizallamiento de los adhesivos. Lo cual se obtienen aplicando un esfuerzo controlado sobre dos maderas unidas por el adhesivo en ensayo, obteniendo valores de resistencia (adherencia). Basados en ese ensayo, un posible método consiste, en fabricar muestras (probetas), manteniendo todos los factores con un mismo valor, excepto unos, al cual se le asignan por lo menos tres valores diferentes a igual juego de muestras. Luego se ensayan y determina el promedio del esfuerzo máximo de cizallamiento de cada juego de muestras. Al tener tres puntos, se proyecta una función, que permitirá predecir el valor de esfuerzo máximo de cizallamiento para cualquier valor de dicho factor. Así sucesivamente, se puede determinar el valor para cada factor. Sin embargo, se requieren cierta cantidad de probetas para lograr un nivel de significancia aceptable (tamaño muestra) para cada factor y cada punto en dicha gráfica, que puede significar un número muy grande probetas a preparar y ensayar. Teniendo en cuenta que en el Perú hay más de 8,000 especies de madera y se puede encontrar en el mercado, más de 15 marcas de adhesivos y más 4 clases de adhesivos de diversas bases. Por tanto la primera propuesta es válida para fines científicos y de investigación, pero ineficiente para fines prácticos en la producción, donde se buscan un valor óptimo y no todos los valores posibles. Es necesario definir un método, que permita determinar los parámetros, más eficientemente, que implique un número mínimo de ensayos. 3.2.3. MÉTODO DE DISEÑO DE EXPERIMENTAL, COMPARATIVO CON VARIOS FACTORES Proponemos un método comparativo con varios factores. Se inicia seleccionado una especie de madera y tres marcas de cola de la misma base, fijando todos los 63 otros parámetros en un mismo valor como se muestra en la tabla de la página a continuación (Tabla 10, fuente propia. resultado de visitas técnicas realizadas), usando un primer valor como testigo. TABLA 10 (M )especie de madera C (C)Tipo de cola C , , , ,…… EP (EP) Espesor de la película en micras (R) recomendación del proveedor CH % E (S) seca al horno (H) sin secar al horno longitud de traslape 25mm Corte (R)Radial Corte (T)Tangencial ((D)al corte de disco, (C)cepillado, (L)lijado TER (R)Recomendación del fabricante D (D )Dirección del Corte A (A) Acabado superficial, estandarizar acabados TE (TE)Tiempo de Ensamble Minutos. TC (TC) Tiempo de TCR recomendado Cierre minutos (P)Presión de Cierre PR recomendada (kg/cm2) por fabricante PR M1 M1 M1 M1 M1 M1 M1 C1 C1 C2 C2 C3 C3 S H S H S H (Ga) Grados Cº, Temperatura (Ha) Humedad relativa (Pa) Presión atmosférica. M (CH) % de Contenido de Humedad de la madera Área de sección (E)encolada M1CL3H Pa M1CL3S (Ma) Medio ambiente M1CL2H Ha Mad era solid a M1CL2S Ga Variaciones de cada factor y parámetros M1CL1H Código de factor Factores que influyen en la resistencia al cizallamiento (Kg/cm2) M1CL1S Cuadro Variables a Ensayar GR (G) temperatura de Curado en Cierre. TA (TA)Tiempo de TAR Recomendado curado abierto Hora por proveedor GCR promedio Rf 25 25 25 25 25 25 R= R= R= R= R= R= T T T T T T D D D D D D 10 10 10 10 10 10 30 30 30 30 30 30 10 10 10 10 10 10 25 25 25 25 25 25 48 48 48 48 48 48 64 3.2.4. SELECCIÓN DE LA ESPECIE DE MADERA Como los procesos de producción comienzan con la materia prima, es decir, se inicia con una especie de madera. Es lógico iniciar seleccionando las especies de madera involucradas en la producción priorizando las de mayor área a encolar. 3.2.5. SELECCIÓN DE LAS COLAS En el caso de la madera la mejor clase de cola para iniciar ensayos, son el grupo de cola blanca clásica de carpintero. Se inicia comparando losque regularmente se emplea y se realizan ensayos para comparar los con otras alternativas similares y determinar la mejor de las alternativas. En una segunda etapa, se puede comparar, con adhesivos de otra clase, es decir adhesivos fabricados con otra base, distinta a la que regularmente se emplea, con la finalidad de buscar alternativas de mejoras o soluciones a problemas. Comparando el esfuerzo de cizallamiento máximo (kg/cm 2) de cada cola podemos determinar cuál es la mejor cola de las ensayadas. Los criterios de selección son los siguientes: 1. Disponibilidad en el mercado. 2. Propiedades adhesivas. 3. Costos TABLA 11 CARACTERISTICAS FISICO QUIMICAS DE LA COLA COD COLA BASE % SOLIDOS Color C1 GLUKOLA UR Resina de Polivinil Acetato (PVA) 49 - 51 Blanco C2 DORUS KL4010 Resina de Polivinil Acetato (PVA) 47+-3% blanco/crema C3 RAD3 Ph Resistencia N/mm2 3-4.5 Resina de Polivinil y 49 - 51 Blanco 4–6 Vinil Ester (PVA) Fuente, ficha técnica de proveedores de adhesivos 10 65 3.2.6. LA MEJOR COLA Comparamos la resistencia promedio, si se encuentra diferencias significativas, seleccionamos la que tenga el promedio de resistencia más alto. Caso contrario la decisión es económica. De ser este el caso podemos acumular todas las muestras en un mismo grupo para compararlos con otros resultados. 3.2.7. COMPARACIÓN ENTRE EL CORTE RADIAL Y TANGENCIAL Si en la prueba anterior se hizo con corte radial, preparamos otro juego igual con corte tangencial y las comparamos, si no muestran diferencia significativa. Todo el conjunto es una sola muestra. 3.2.8. COMPARACIÓN ENTRE MADERA SECA AL HORNO (CH15%) Y SIN SECAR (CH25%) Siguiendo la misma secuencia, si en la muestras anteriores se hicieron con madera seca al horno (CH15%), se prepara un juego similar con cada uno de los pegamentos, pero con madera sin secar al horno (CH25%). Comparando los resultados, podemos encontrar que una cola tiene diferencias significativas de resistencia, entre la madera seca al horno de la madera sin secar. Como también podemos encontrar que no hay diferencias significativas entre la madera seca y sin secar al horno. Como en los casos anteriores si no hay diferencia significativa todo es parte de una sola muestra. 3.2.9. COMPARACIÓN POR ACABADO SUPERFICIAL Para este punto ya se ha determinado la mejor cola, el efecto del contenido de humedad y el tipo de corte. Así mismo ya se tiene un valor de referencia para cada parámetro, por tanto, para determinar los siguientes parámetros, solo basta preparar dos juego de probeta adicionales para estimar un valor en cualquiera de los parámetros restantes, más un juego adicional de probetas para confirmar el valor estimado. Como en la primera prueba de entrada se hizo con probetas, con el acabado que da el corte del disco, los otros dos acabados superficiales serían, cepillado y lijado, finalmente se tienen tres grados de acabados diferentes, cuya comparación puede indicar diferencias significativas entre ellas. También podemos continuar el proceso comparando y determinando grados dentro de un mismo tipo de acabado. 66 3.2.10. OTROS FACTORES Y/O PARÁMETROS POR DETERMINAR Ya se tienen valores de referencia para cada parámetro, por tanto los siguientes parámetros, solo requieren que se prepare dos juego de probeta adicionales para estimar un valor en cualquiera de los parámetros restantes, más un juego adicional de probetas para confirmar el valor estimado. Es necesario señalar que algunos de los parámetros, pueden estar determinados por los equipos de producción disponibles y/o por el proceso mismo de producción, como pueden ser el tiempo de cierre, teniendo en cuenta, que para mantener la piezas unidas a un presión determinada, implica disponer de algún tipo de prensa, cuyo número puede estar limitado por la inversión que representan otras consideraciones. 3.2.11. LA COMPARACIÓN ENTRE VALORES DE LOS PARÁMETROS La comparación se realiza, mediante análisis de varianza de los promedios de resistencia al cizallamiento, de cada juego de probetas ensayados. Si la comparación indica que no hay diferencia significativa, estos resultados incrementan el tamaño de la muestras, por lo que finalmente, el nivel de significancia de los datos obtenidos será alto. 67 3.3. IMPLEMENTACION DEL METODO PARA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS, EN EL ENCOLADOS DE MADERAS La implementación del método es la inversión a realizar para realizar los ensayos, inversión que es muy importante, para mantener la calidad y competitividad de la producción existente, así como para el desarrollo de nuevos productos. En este aspecto los equipos para ensayos son el aspecto clave, no por la inversión, sino principalmente por ser crítico, no se puede hacer los ensayos, sin máquina de ensayo, no se pueden hacer las probetas sin unos equipos para fabricar las probetas, donde se controla cada parámetro del proceso de fabricar las probetas. Adicionalmente, hay otros equipos e instrumentos de medición que son complementarios, pero que son fáciles de adquirir en el mercado. Sin embargo si bien la UNI cuenta con el equipo para realizar los ensayos de tracción, en el laboratorio de ensayo de materiales. Para construir las probetas de ensayo, no existe equipo comercial para ese fin, donde se puedan controlar todas las variables identificadas en la Tabla 2. En este aspecto la implementación, implica, el diseño, construcción y validación de un equipo para la construcción de probetas de ensayos. El segundo aspecto importante son los procedimientos y métodos de preparación de los ensayos y materiales, el registro de la información, la ejecución de los ensayos y el procesamiento de los resultados. 3.3.1. OBJETO Implementar los equipos, herramientas, materiales, procedimientos y ensayo, que hacen materialmente posible y cuando se requiera, la aplicación del método de determinación de parámetros óptimos, oportunamente, en el mínimo de tiempo, costo y con el mejor resultados posible. 68 3.3.2. USO Y SIGNIFICADO Proporciona los medios necesarios para ejecutar el método propuesto. Como son los equipos, materiales, organización, información. Personal. Equipos Un calibrador con capacidad de medir las dimensiones físicas de las probetas con aproximación de 0,1 mm 1. Extensómetro, capaz de medir desplazamientos con una aproximación de 0,1mm. Y desformímetro de vástago con un recorrido de 30 milímetros y división de escala de 10-2 milímetros. 2. Equipo para registrar la humedad relativa temperatura en un periodo de 30 días. 3. Máquina de Ensayo: La máquina de ensayo deberá tener una capacidad de carga de 50 toneladas o más, con manómetro indicador de carga y carga máxima y debe reunir las condiciones de velocidad expuesta en el siguiente numerales.   Aplicar la carga cada 10 kg para obtener una cantidad suficiente de datos de desplazamientos para graficarlo. Aplicar carga hasta que la muestra falle y registrar la carga máxima soportada por el espécimen durante el ensayo. 4. La máquina debe operar mecánicamente y aplicar la carga de una manera continua y no en forma intermitente, y sin choques. 5. Máquina fotográfica para registrar, carga máxima aplicada, lugar y tipo de falla, la apariencia de la probeta. 6. Higrómetro de clavo y de contacto. 7. Un equipo hidráulico debidamente instalado para uso regular, con capacidad para prensar simultáneamente 3 probetas, con instrumentación para control de presión, temperaturas y tiempos, con aditamentos. guías y apoyos para el armado de las probetas y realizar el prensado, debe poder aplicar una presión entre 2 a 50kg/cm2. en el área cubierta con adhesivo. 69 3.3.3. LA MADERA PARA PROBETAS 1. Seleccionar un mínimo de tres especies de uso más frecuencia. Entre ellas selecciona la de mayor requerimiento de encolado. 2. Anticipar 30 días la madera para preparar las probetas, tiempo mínimo que se requiera para preparar y secar madera. 3. El volumen: Como las colas son el material a investigar, la madera debe tener características homogéneas, es recomendable seleccionar toda la madera para todos los ensayos de un mismo lote. Para los cual se debe calcular el volumen necesario, con un 30% adicional. Usar las siguientes formulas Vt=Vc+Vm Vc=1.5PtxNe=1.5Ptx(24xNC+3xNc) Vm=Ve+Vf Ve=2.5PtxNt Vf=10Ptx(Nf+1) En donde: Pt= Pies tableares de madera. Vt= Volumen total de un especie de madera en Pt para realizar todos los ensayos de probeta para fabricar vigas. Vc= Volumen total de madera en Pt para realizar todos los ensayos de colas. Vm= Volumen total de madera en Pt para realizar todos los ensayos de resistencia mecánica. Ve= Volumen total de madera en Pt para realizar todos los ensayos de tracción de empalmes. Vf= Volumen total de madera en Pt para realizar todos los ensayos de flexión, de traslapes. Ne= Número total de ensayos de colas NC= Numero de clase o tipos de colas a ensayar. Nc= Numero de cola a ensayar. Nt= Numero de ensayos de Tracción de empalmes Nf= Numero de ensayos de flexión de traslapes. 70 4. La madera libre de defectos: como trizaduras, grietas, rajaduras, ojos, perforaciones por ataque biológico, hongos. Se deben eliminar las probetas que desarrollen grietas en el proceso de corte y secado. 5. La madera para probetas de ensayo: Debe ser de una misma especie y provenir de un mismo lote, para los cual se deben seleccionar las tablas libres de defectos, sin trizaduras, grietas, rajaduras, ojos, perforaciones por ataque biológico, hongos. Se deben eliminar las probetas que desarrollen grietas en el proceso de corte, al confeccionar las probetas de todos los ensayos. 6. Corte para el secado: Para los ensayos de cola, con secado al horno, se debe cortar los tablones a un mínimo de 30mm de espesor, para el secado en horno. Para ensayo mecánico el corte de los tablones es a 25mm de espesor. 7. El secado: La madera seca al horno KD (Kilm Dry) 12%-15%. La madera seca al aire. AD (Air Dry) 25%-40%. 8. Corte para probetas: Previo al corte los tablones se comprueba su humedad con el medidor de clavos, para iniciar enderezando una cara y canto en la garlopa y cepilla las dos caras hasta llegar a terminar en 25mm, luego se corta en listones de 28 mm, luego se cepilla formando, listones cuadrado de 25mmx25mm. Estos listones se dividen por la mitad según el corte radial o tangencial que se requiera, manteniendo igual cantidad de ambos, el espesor final es de 10mm... El corte y cepillado de toda la madera debe realizarse en una operación y almacenarse en bolsas plásticas para que no ingrese la humedad y polvo. Se debe tener cuidado de separar los de corte radial de los de corte tangencial. 9. El acabado superficial de testigo: Es al corte del disco de widia (dientes carburados). Debe ser lisa, iguales y homogéneas en todas las probetas. 10. Para asegurar la homogeneidad: De la cara encoladas de todas la probetas, se debe emplearse un disco nuevo, una misma máquina, rpm del disco y velocidad de arrastre para el corte de la cara a encolarse. En caso de las caras cepilladas es similar, las cuchillas deben ser nuevas y estar afiladas. 11. La probeta de madera húmeda deben almacenarse en sombra, cortados en cuadrados de 30mmx30mm y deben cortar como máximo 5 días antes de ser utilizados. Similarmente para los ensayos de flexión se debe cortar con una demasía de 4 milímetro, para ser acabado máximo 1 semana antes de su uso. 71 12. Calibración de los equipos de corte: Para asegurar la homogeneidad en el acabado superficial el corte, de la cara a encolar de todas las probetas debe realizarse en una misma máquina, con el mismo ajuste de rpm del eje de corte y velocidad de arrastre, utilizando un disco nuevo, con máximo 1,000 pt de trabajo. Igualmente la cepillado calibradora debe utilizar un juego de cuchilla recién afiladas y utilizar una misma velocidad de arrastre para todas las probetas, similarmente en caso del lijado utilizar una única lijadora orbital con lija 100 de madera y lijar por 3 segundo la superficie a ensayar. 13. Las dimensiones de ancho y espesor se deben trabajar con una aproximación de 0,1mm. 3.3.4.  LAS COLAS: La cola es el espécimen en ensayo, se debe obtener del mismo fabricante, de un lote estándar, En el ensayo comparativo es con diversas colas, se debe utilizar y conservase conforme a las especificaciones e indicaciones del fabricante.  Se debe contactar con los fabricantes de cola y obtener muestras en cantidad suficiente para realizar todos los ensayos de una etapa más el 30% adicional. Se puede estimar el volumen de cola necesario, con la formula siguiente: Vl=0,05ltXPt En donde: Vl=Litros de cola Pt=Pies tableares totales de madera para las probetas.  Información de colas: Se debe solicitar a cada fabricante, información, completa de, las características físicas y químicas de las colas, base, pH, % sólidos, especificaciones de uso y parámetros: Tiempo máximo y mínimo de apertura, Presión máxima y mínima de cierre. Tiempo y Temperatura máxima y mínima de curado en cierre, Tiempo mínimo y máximo de curado en apertura. Los cuales debe documentarse y registrase en una hoja Excel para el procesamiento. 72 También se pueden ensayar colas especialmente formuladas por los proveedores y compararlas con las regulares.  Dimensiones de la probeta de ensayo de adherencia: Longitud mínima de las probetas 450mm. La medida los listones es 25mmX10mmX300mm, tolerancia  de +-0.05mm. La madera para probetas debe estar libre de defectos como trizaduras, grietas, rajaduras, ojos, perforaciones por ataque biológico, hongos. Se deben eliminar  las probetas que desarrollen grietas en el proceso de corte. El traslape mínimo debe ser la sección a encolar y es de 20mm, el máximo se puede determinar según convenga. Cabe señalar que si las falla se presenta 100% en la madera. Significa que el área encolada es muy grande, la fuerza de adherencia ha superado la resistencia de la madera, el esfuerzo nos indica que la cola ensaya, cuenta con un esfuerzo mayor al determinado por el ensayo. Se debe hacer otro juego de ensayos, con menor área encolada para confirmar los  resultados...  Estas probetas deberán estar marcadas con un código de serie único.  determinarse con una aproximación de 0,1 mm, promediando dos mediciones. Las dimensiones empleadas para calcular el área de la sección encolada debe Corte de la madera para fabricar las probetas: Previo al corte de los tablones se comprueba su humedad con el medidor de clavos. Enderezar una cara en garlopa y cepillar las dos caras hasta llegar terminar en 25mm, luego se corta en listones de 28 mm, luego se cepilla formando, listones cuadrados de 25mmx25mm. Estos listones se dividen por la mitad según el corte radial o tangencial que se requiera, manteniendo igual cantidad de ambos, el espesor final es de 10mm. El corte y el cepillado de toda la madera debe realizarse en una operación y almacenarse en bolsas plásticas para que no ingrese la humedad y el polvo. Se debe tener cuidado de separar los de corte radial de los   de tangencial. Marcado de las probetas: Se deben marcadas con un código de serie único, código de ensayo y fecha de fabricación. El código de serie es un número correlativo que se genera por cada probeta que se confeccione. Igualmente se genera un código un código de ensayo, para el juego de probeta del ensayo. Ver tabla 13: 73  Debe marcarse en las probetas con un plumón indeleble el código único del ensayo y la fecha de construcción. 3.3.5. JUEGO DE PROBETAS PARA ENSAYO 1. Un juego de ensayo, consta de 6 probetas, las cuales deben preparase una a continuación de la otra, en las condiciones y parámetros exigidos por el ensayo. Utilizando la prensa con instrumentación con una precisión de 5% del valor de requerido por el ensayo. 2. El armado en el encolado debe realizarse con una precisión de 1,0mm. 3. En vista de la limitada cantidad de prensas con control de parámetro, se debe programar primero los ensayos con tiempo de cierre y tiempo de curado abierto mayores. 4. El curado de las probetas en abierto, se debe realizar en un medio con sombra, donde no ingrese la lluvia y donde se encuentre un equipo de control con registro de temperatura y humedad. 5. Llegado a su tiempo de curado abierto las 6 probetas se deben empacarse en plástico, para ser transportadas al laboratorio ensayos. 74 3.4. MÉTODO PARA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS, EN EL ENCOLADOS DE MADERAS 3.4.1. OBJETO Determinar el efecto de los diversos factores en el esfuerzo máximo de cizallamiento de las uniones de maderas mediante adhesivos, así como los valores de los parámetros óptimos para cualquier proceso de encolados en cualquier especie de madera y con cualquier clase o tipo de adhesivo. 3.4.2. USO Y SIGNIFICADO Comparar y determinara el efecto de los valores de los parámetros y su óptimo, siguiendo una secuencia de actividades secuenciales o alternativas estudiadas para lograr el objetivos eficaz y eficientemente. Es la base para definir los parámetros de todo los procesos de fabricación de productos unión con adhesivos, permitiendo producir productos competitivos en calidad y costo. Al determinarse un valor de esfuerzo de cizallamiento máximo, esto permite calcular la resistencia de cualquier unión realizada con adhesivos, permitiendo mejorar al diseño de la unión. Permitirá desarrollar mejores y nuevos productos competitivos en calidad y costo Es fundamental para la fabricación de productos competitivos y de calidad, y fundamental en la fabricación de materiales de uso estructural como puede ser en la madera. La unión de partes y piezas mediante adhesivos, siempre ha sido de importancia en la madera, sin embargo en la actualidad, el uso de adhesivos está extendido a muchos otros materiales incluso compuestos con la madera. Es casi imposible obtener un producto competitivo y de calidad, en productos, cuyas partes y piezas son unidad con adhesivos, si los valores de los parámetros, no están claramente determinados. Permitirá mejorar el aprovechamiento de la madera hasta en 400% y agregar valor a la madera hasta en 400%. 75 Es la base para desarrolla productos con pequeñas secciones de madera y desarrollar una tecnología de no tala, que pueden mitigar la depredación de los bosque naturales y el cambio climático. 3.4.3. PROCEDIMIENTOS El método se compone de los siguientes procedimientos: 1. Selección de la madera: 1. Se debe determinar previamente los criterios de selección, y seleccionar un mínimo de tres especies de más uso frecuente. 2. Y seleccionar la de mayor requerimiento de encolado. 3. Luego se puede ampliar las alternativas, según se requiera. 2. Selección de los adhesivos y colas: 1. Buscar en el mercado y seleccionar un mínimo de 2 de colas alternativas de las clases y marcas que regularmente se emplean. 2. Contactar al proveedor, conseguir la muestra en la cantidad necesaria y la información completa de la cola. 3. Registro y manejo de datos en Excel: 1. La información y los datos de la cola obtenida de los fabricantes así como los resultados de los ensayos debe registrarse y procesarse en hoja Excel. 2. Obtener información de proveedores, registrar en un Excel, calcular los valores promedios de: Tiempo máximo y mínimo de apertura, presión máxima y mínima de cierre. Tiempo y temperatura máxima y mínima de curado en cierre, tiempo mínimo y máximo de curado en apertura. Determinar puntos medios entre el valor promedio y los máximos y mínimos. Dentro de estos rangos para ajustar los valores. 3. Cargar los datos en el Cuadro Variables a Ensayar (Tabla 13). 4. Diseñar el ensayo en el Cuadro Variables a Ensayar (Tabla 13)... 5. Registral los resultados en el Cuadro Variables a Ensayar (Tabla 13). 6. Cada juego de ensayo debe contar con su hoja de reporte que acompañara las probetas, el laboratorio debe entrega el reporte con los resultados y las fotos de los ensayos. 76 7. Estos reportes deberán ser vertidos en el Excel y registrar los resultados en el Cuadro Variables a Ensayar (Tabla 13). Los datos y las fotos deben guardarse en una memoria USB para este fin, finalmente se debe quemarse un CD con los resultado y las fotos. Cada juego de probetas de ensayo tiene un código de identificación y cada probeta tiene un correlativo único de identificación, que debe marcarse en la probeta en el momento de su fabricación (ver tabla 1). 4. Fabricación de los juegos de probetas conforme a los ensayos requeridos 1. En el Cuadro Variables a Ensayar (Tabla 13) se indicas los valores de cada parámetro según los ensayos a realizar. 2. El primer ensayo de referencia, seleccionar la especie de madera de mayor área encolada y ensayar con la cola que regularmente se emplea, secada al horno y acaba con el corte del disco, parámetros los mismos que regularmente se emplean regularmente en el proceso de encolados. 3. Fabricar las probetas conforme valores a los parámetros de diseño de la prueba, indicado en el Cuadro Variables a Ensayar (Tabla 13), 4. Determinación de la mejor cola: Fabricar dos juegos de ensayo adicionales con los mismos valores de parámetros del ensayo de referencia, pero con dos colas de la misma clase pero de otras marcas. 5. Efecto del corte tangencial o radial: Fabricar la mitad de todos los juegos es con corte radial y la otra mitad con corte tangencial. 6. Efecto del contenido de humedad: Fabricar con los mismos valores de parámetros 1 juegos adicionales pero con madera sin secar y con cada cola ensayada. 7. Efecto del acabado superficial: Con una de las colas ensayadas y los mismos valores de los parámetros fabricar, un juego adicional cepillado y otro lijado. 8. Determinación de parámetros óptimos: Fabricar con la mejor cola, para cada parámetro que se desea determinar su óptimo, dos juegos con el valor promedio y valor máximo dado por los fabricantes. 77 9. Para otra madera y/o otros adhesivos: Para otras maderas o colas, con los resultados y parámetros óptimos, fabricar un juego adicional por cada cola y madera y comparar, si no hay diferencia significativa, se mantiene los parámetros. En caso sea significativa la diferencia y es un adhesivo con mayor resistencia se tiene un adhesivo mejor. 10. En caso la falla se presente mayoritariamente (=>50%) en la madera y no en la línea de encolado, de preferencia fabricar otro juego con menor área encolada. 11. A cada juego de probetas, aplicar un ensayo de resistencia al cizallamiento a la unión encolada, hacer cálculos, sacar promedios y comparar valores de resistencia mediante ANOVA. Graficar los valores y determinar los valores óptimos para la cola estudiada. 12. Determinar el nivel de significancia en el encolado de otras maderas o colas. Si es significativo, es un dato para ese caso. Si no es significativo. Los resultados son aplicables para muchas especies o colas según sea el caso. 5. Ensayo de resistencia al cizallamiento de uniones encoladas. 1. Colocar la probeta en la mordaza. Debe ser una mordaza plana con textura y nivel de rugosidad específicas para que no se presente deslizamientos de las probetas. 2. Lecturas de alargamiento: Las lecturas del extensómetro se leerán para incrementos de carga constantes de 10kg para trazar con suficiente exactitud diagramas esfuerzo deformación. 3. La lectura de carga máxima en la máquina se debe fotografiar y anotar en reporte. 4. El extensómetro se puede retirar cuando se hayan obtenido los datos suficientes para poder trabajar. 5. Determinación del contenido de humedad con instrumentos. Anotar en reporte. 78 6. Fotografía el indicador de carga máxima, y la falla en la probeta, colocar un letrero, con el código único, código de ensayo y fecha. A fin de registrar fotográficamente, todos los datos. 7. Fotos deben incluir el código de identificación de la muestra. 8. Fotos de la falla producida en la probeta, anotarse localización y observaciones. 6. Cálculo de la resistencia de la unión encolada La resistencia al cizallamiento por tracción se determinará siguiendo la fórmula: σult = Fult /A en kg/cm2 Dónde: ult = Esfuerzo de cizallamiento con aproximación de 10kg. Fult = Carga máxima que resiste antes de fallar, en kg/cm2 A = Área de la sección encolada (cm2) 7. Informe de resultado de los ensayo de probetas: 1. Número de identificación. 2. Contenido de humedad, instrumental y/o laboratorio de ser el caso 3. Dimensiones de la sección encolada (cm). 4. Área de la sección encolada (cm²). 5. Carga máxima (kg). 6. Fotos del ensayo y de la falla producida. 7. Anotaciones, descripción del tipo de falla y observaciones. 8. Copia digital de la información. 8. Cálculos y análisis de resultados 1. Los resultados se registraran en cuadro Excel similar al cuadro de ensayo comparativo. 79 2. ANOVA, significancia de las colas. 3. ANOVA, significancia del corte tangencia y radial en la resistencia del encolado. 4. ANOVA, Significancia del contenido humedad en la resistencia del encolado. 5. La mejor cola, para madera seca y sin secas. 6. Porcentajes de falla en madera 9. Informe de parámetros óptimos: 1. Especie con la que se realizaron los ensayos. 2. Resistencia al cizallamiento en kg/cm2 o de cada ensayo. 3. Los mejores proveedores de cada clase de cola 4. La clase de cola más resistente. 5. La mejores colas en madera seca al aire 6. Si hay diferencia significativa entre el encolado de cara con corte radial y tangencial. 7. Resistencia al cizallamiento de cada clase de cola. 8. Información de los proveedores, de los parámetros, de tiempo (Tx) máximo y (Tm) mínimo de apertura, presión (Px) máxima y (Pm) mínima de cierre. tiempo y temperatura (Gx) máxima y (Gm) mínima de curado en cierre, tiempo (TAm) mínimo y (TAx) máximo de curado en apertura. 9. Informe de los registro de humedad y temperatura en los en el ambiente de curado de las probetas. 10. Copia digital de la información. 11. Observaciones, conclusiones y recomendaciones 80 CAPITULO IV 4.1. ENSAYOS Y RESULTADOS Comprende lograr los siguientes resultados. 1. Implementación del método 2. Implementación de los ensayos 3. Los ensayos 4. Análisis de resultados 5. Observaciones, conclusiones y observaciones de los resultados. 4.2. IMPLEMENTACIÓN DEL MÉTODO En el Capítulo III se ha definido el método y los procedimientos. En esta etapa la inversión principal ha sido en el equipo de fabricación de probetas. No hay en el mercado equipos comerciales, para tal fin, a pesar de la importancia y relevancia de este equipo. Más aún se estima que hay 8,000 especies de madera y muchas clases y marcas de adhesivos. En este sentido se ha diseñado construido y validado un equipo, qué permitirá hacer probetas de diversos tipos. Desde las estandarizada para los ensayos de adherencia, hasta secciones reales de vigas laminadas. También se ha incluido, resistencia para el calentamiento y control de temperatura con tiempos para los caso de adhesivos que requieran temperatura, para el curado en cierre. . 81 4.2.1. EQUIPO PARA FABRICACIÓN DE PROBETAS. Se ha diseñado, construido, instalado y validado un equipo para la construcción de probetas para el desarrollo de diversos productos con adhesivos. Permitirá la fabricación de varios tipos de probetas, que serán utilizadas para optimizar los métodos y procesos, así como para desarrollar nuevos productos y procesos (Ver figura 28 al 30) El equipo se ha instalado con suministro de energía independiente y en una disposición, que permitirá ser operado adecuadamente, en el momento que se requiera. El equipo permitirá fabricar conjuntamente un juego de probetas para ensayos, de maderas adheridas con adhesivos de diversas clases, igualmente madera compuesta con otros materiales (ver imágenes 28 al 30). Los tipos de probetas para ensayo que se pueden fabricar son:   Probeta para ensayo de cizallamiento de adhesivos, de diversas secciones, de 20mmX20mm hasta 100mmX100mm. Probeta para ensayo de cizallamiento de uniones de cabeza, por machihembrado, media madera, finger joint, espiga, secciones de  20mmX20mm hasta 100mmX100mm.  20mmX20mmX300mm hasta 100mmX120mmX900mm Probeta de sección de viga compuesta para ensayo de flexión de Con los aditamentos adecuados se puede configura para fabricar cualquier tipo de probetas que se requiera construir. Especificaciones técnicas del equipo de fabricación de probetas:   Conjunto de 6 pistones hidráulicos, diámetro 100mm  Conjunto de 6 Platos de 100mmX150mm, altura, 150mm hasta 450mm  de 20Cº a 300Cº  Manómetro y regulador de presión.  Cada plato cuenta con resistencia y pirómetro para el control de temperatura Bomba hidráulica de 7gl/min hasta 180kg/cm 2 Temporizado y electroválvulas para el control de tiempos de prensado. 82 FIGURA 28 Equipo en proceso de instalación y calibración Manometro de presion indicando un presión de 20kg cm2 Tablero con el equipo funcionado FIGURA 29 FIGURA 30 83 FIGURA 31: Pruebas de validación del equipo de fabricación probetas de ensayo 4.2.2. EQUIPO DE ENSAYO DE TRACCIÓN. Equipo del laboratorio de ensayo de la Universidad Nacional de Ingeniería. Máquina de ensayo Amsler, la máquina de ensayo tiene una capacidad de aplicar cargas de hasta 20 toneladas o más, reúne las condiciones de velocidad expuesta en el siguiente numeral.   Aplicar la carga cada 5 kg para obtener una cantidad suficiente de datos de desplazamientos para graficarlo. Aplicar carga hasta que la muestra falle y registrar la carga máxima soportada por el espécimen durante el ensayo. 4.2.3. EQUIPOS DE MEDICIÓN Y REGISTRO.   Higrómetro de contacto marca Marrary. Pie de rey digital 84 4.3. IMPLEMENTACIÓN DE LOS ENSAYOS 4.3.1. SELECCIÓN DE LAS MADERAS: Se seleccionó la madera para iniciar los ensayos en base a los criterios siguientes: 1. Disponibilidad del aprovisionamiento. 2. Costo. 3. Propiedades de resistencia mecánica. 4. Demanda del mercado TABLA 11 Maderas Seleccionadas COD M1 M2 M3 ESPECIES Cachimbo Copaiba Huairuro Color del duramen blanco cremoso Densidad gr/cm3 básica pardo amarillo claro 0,59 0,61 0,61 Contracción Volumétrica (%) 12,1 10,7 9,4 Contracción tangencial (%) 7,58 7 6,3 Contracción radial (%) 4,96 3,4 3,19 Módulo elasticidad en Flexión (Kg/cm2) 131000 112000 136000 Módulo de Rotura en flexión (kg/cm2) 735 736 838 342 268 443 66 74 71 compresión paralela (kg/cm2) compresión perpendicular (kg/cm2) Corte paralelo a la fibra (kg/cm2) Dureza de (Kg/cm2) lado 84 468 105 587 650 Fuente, Acuerdo de Cartagena 85 Si bien hay tres especies seleccionadas de madera LKS (ver Tabla 11), se ha seleccionado la madera Cachimbo como referencia para todos los ensayos, por ser una especie, de precio bajo, con mucha oferta en el mercado y muy buenas propiedades de resistencia mecánicas. 4.3.2. PREPARACIÓN DE LA MADERA PARA FABRICACIÓN DE LAS PROBETAS:    Se han aserrado 200pt (pies tableares) de madera a 30mm de espesor de las siguientes especies: Cachimbo, Huairuro y Copaiba (ver imagen 19). Se ha secado al horno 150pt de las siguientes especies de madera: Cachimbo, Huairuro y Copaiba (ver imagen 19). Para la preparación de las probetas para los ensayos de adherencia, se han preparado un total 100 listones de 25mmX25mmX450mm de madera, 50 secas al horno y 50 sin secar al horno (ver imagen 25). FIGURA 32: MADERA PARA PROBETAS SECA AL HORNO 86 4.3.3. SELECCIÓN DE LAS COLAS Se ha seleccionado dos colas alternativas, las que usualmente se emplean es GLUKOLA UR, de formulación y fabricación nacional, la KL4010 es de formulación importada pero fabricación nacional y la RAD3 es de origen importado. Los criterios de selección fueron los siguientes: 1. Disponibilidad en el mercado. 2. Propiedades adhesivas. 3. Costos Las colas seleccionadas, son la clásica cola de carpintero, que requiere un tiempo de prensado y curado a temperatura ambiente (Ver tabla 12). Se contactó con cada uno de los proveedores, realizado una visita técnica a las instalaciones, y recabado información sobre los diversos adhesivos, obtenidos muestras de un lote estándar del inventario para venta y las fichas técnicas de todas las colas a ensayar. TABLA 12 ADHESIVOS SELECCIONADOS PARA ENSAYO COD COLA BASE % SOLIDOS Color C1 GLUKOLA UR Resina de Polivinilo Acetato (PVA) 49 - 51 Blanco C2 DORUS KL4010 Resina de Polivinilo Acetato (PVA) 47+-3% blanco/crema C3 pH Resisten cia N/mm2 3-4.5 Resina de Polivinilo 49 - 51 Blanco 4–6 y Vinil Ester (PVA) Fuente, datos de fichas técnicas de los proveedores de adhesivos. RAD3 10 87 4.3.4. LOS ENSAYOSA REALIZAR Los ensayos se definen en la Tabla 13. El primer ensayo sirve de referencia para los siguientes ensayos, de las 16 variables definidas se han de asignar los siguientes valores:  Medio ambiente Ta, Ha, Pa: son los valores de temperatura, humedad relativa y presión. Se tomara como condiciones normales, la media de la ciudad de   Lima. Madera M1: Es la especie de madera cachimbo que será, la referencia para todas las pruebas. Con diversos adhesivos. Colas C1, C2, C3: Son las tres marcas de colas con las que se iniciaran los ensayos. Son las colas blancas de carpintero, comercialmente llamada “cola  sintética”. Es una cola PBA con base de polivinilo. Espesor de película (EP): no se controlara este parámetro, sin embargo se asegurará de aplicar el adhesivo con una brocha, sobre una cara, hasta que la  probeta, esté totalmente cubierta con el adhesivo. Dirección del corte ( D ): La mitad del todo los juegos de ensayo conformado por 6 probetas, será con corte radial ( R ) y la otra mitad tangencial ( T )  denominadas corte radial. Contenido humedad (CH): Seco al horno (S ) aproximadamente CH15%, sin secar ( H ) aproximadamente CH25%. Para esta primera prueba se construirá   un juego en con CH15% ( S ) se hará otro con CH25%( H ). Acabado superficial ( D ): El acabado superficial es con el corte del disco. Tiempos de ensamble (TE): Se ha fijado en 10 minutos, tiempo máximo recomendado por los fabricantes y es una limitación en el proceso de     producción. Tiempo de cierre (TC): Se ha fijado en 30minutos porque es una restricción del proceso de producción. Presión de cierre ( P ): 10 kg/cm2 como punto de partida. Temperatura de curado en cierre ( G ): Es la temperatura ambiente porque la cola blanca se cura al medio ambiente. Tiempo de currado (TA): Los primeros ensayos se realizaron en 48 horas. Resultados posibles de obtener: Con los parámetros asignados con estos valores, se podrán obtener los siguientes resultados: 88  La mejor cola: El ensayo es de una especie de madera, con tres colas a ensayar. Permitirá determinara el esfuerzo de máximo de cizallamientos (kg/cm2). Esto nos permite la comparar la fuerza de adherencia de estas esta tres colas con la especie seleccionada y determinar la mejor cola o adhesivo,  para esa especie en particular. Efecto del tipo de corte: Sin embargo podemos aprovechar este mismo ensayo para comparar el efecto del corte radial con el corte tangencial. Para lo cual la mitad de las probetas será fabricada con el corte tangencial y la otra con el corte radial. Se hará la comparación, empleando análisis de varianza para determinar si las medias tienen una diferencia significativa. En caso contrario, es un parámetro menos a considerar del proceso de adherencia de las  maderas. Efector de la humedad en la Madera: Teniendo en cuenta que por cada probeta construida con madera seca al horno, hay otro juego adicional, hecha en madera sin secar al horno. Esto permite determinar el efecto de la humedad en el esfuerzo máximo de cizallamiento (kg/cm 2). Así como se puede determinase que hay una cola mejor para ese caso, como también que no hay  diferencia significativa en encolar madera seca al horno y sin secar. Determinación de parámetros: Serán ajustados conforme los valores indicados en el Cuadro Variables a Ensayar que son el valor menor dados por los proveedores. Para el caso de del tiempo de armado se estableció en 10min, así como 30mín el tiempo de cierre, este último es crítico, lo determina el proceso de producción en planta. Porque podría requerirse una inversión mayor en prensas, para el proceso de ensamble. 89 TABLA 13 (Ma) Medio ambiente Pa M C C , , , ,…… (EP) Espesor de la (R) recomendación película en micras del proveedor CH % (CH) % de Contenido (S) seca al horno de Humedad de la (H) sin secar al horno madera E Área de (E)Encolada D (D )Dirección del Corte TE TC P M1 M1 M1 M1 M1 M1 C1 C1 C2 C2 C3 C3 S H S H S H (Ha) Humedad relativa (Pa) Presión atmosférica. EP A M1 Cº, (M )especie de madera (C)Tipo de cola M1CL3H Ha M1CL3S (Ga) Grados Temperatura M1CL2H Ga Mad era solid a M1CL2S Variaciones de cada factor y parámetros M1C1H Factores que influyen Código en la resistencia al cizallamiento (Kg/cm2) M1C1S Cuadro Variables a Ensayar sección longitud de traslape 25mm Corte (R)Radial Corte (T)Tangencial (A) Acabado ((D)al corte de disco, superficial, (C)cepillado, estandarizar acabados (L)lijado TER (TE)Tiempo de (R)Recomendación Ensamble Minutos. del fabricante (TC) Tiempo de Cierre TCR recomendado minutos (P)Presión de Cierre ( R )recomendada (kg/cm2) por fabricante 25 25 25 25 25 25 R= R= R= R= R= R= T T T T T T D D D D D D 10 10 10 10 10 10 30 30 30 30 30 30 10 10 10 10 10 10 G (G) temperatura Curado en Cierre. de ( R )recomendad por fabricante 25 25 25 25 25 25 TA (TA)Tiempo de curado TAR Recomendado abierto Hora por proveedor 48 48 48 48 48 48 Fuente propia, tabulado de visitas técnicas realizadas 90 4.3.5. LA CONSTRUCCIÓN DE LAS PROBETAS DE ENSAYO EL ENSAMBLE Y PRENSADO DE LAS PROBETAS, FIGURA 33 La probeta de ensayo: Las dimensiones de las probetas son de 20mmX25mmX450mm. Se confeccionaron trozando un listón de 25mmX25mmX450mm en dos mitades de largo distintos, luego las dos mitades de sección cuadrado se dividió en dos mitades iguales de 10mmX25mm, de acuerdo a la orientación de corte. Los dos listones más largo se unen con un traslape entre sí, y dos más cortos se pegan en los extremo, formándose las probetas de 20mmX25mmX450mm con la línea de encolado centrada.    Se han fabricado un total 36 probetas, de madera Cachimbo, total 6 juegos de ensayos, de 6 probetas cada uno (ver imagen 25). Se han utilizado tres colas PVA, fabricando con cada uno, 1 juego con madera seca al horno y otro juego con madera sin secar. Para la comparación de resistencia del corte radial con tangencial, la mitad de las probetas son de corte radial y la otra mitad de corte tangencial. Posibilitándose, la comparación de la adherencia entre ambos, sin requerir   preparar más probetas. Se determinará la mejor cola, de las 3 empleadas, para un tiempo de cierre de 30min y presión de 10kg/cm 2 (ver tabla 13). Determinar el efecto del contenido de humedad en el encolado. Como la mitad de las probetas, son de maderas seca y las restantes sin secar, se puede 91 determinar el efecto del contenido de humedad en la fuerza de pegado con las   diversas colas ensayadas. Se posibilita determinar la mejor cola para madera secada al horno y sin secar. Como se requiere que la mitad de las probetas sean con corte radial y la otra mitad con corte tangencial, la madera para las probetas se cortaron a 45 cm de longitud y una sección cuadra acabada 25mmx25mm. Siendo una sección cuadrada, se selecciona la dirección y se corta por el centro y rectifica el espesor para que termine en 10mm, a continuación se marca las dos mitades, se corta cada mitad a 23.75cm de largo, y se encola entre con un traslape de 25mm, las dos secciones más cortas, se encolan en lados opuesto para mantener la sección rectangular, y el traslape a media madera. El prensado, la temperatura y los tiempos se realizan con los valores indicados en el Cuadro Variables a Ensayar Tabla 13 para el ensayo. Detalles del Ensamble FIGURA 34 La Presión FIGURA 35 Guía para el ensamblado de probetas, FIGURA 36 92 La Sección Traslapada, FIGURA 37 Probetas Construidas Para los Ensayos, FIGURA 38 93 4.4. ENSAYOS DE LAS PROBETAS Ensayos en Laboratorios de la UNI, FIGURA 39 y 40 Los ensayos de tracción para determinación del esfuerzo máximo de cizallamiento (kg/cm2). Fueron realizados en el laboratorio de ensayos de materiales de la Universidad Nacional de Ingeniería (Ver imágenes 26 – 27). Obteniéndose los siguientes resultados, ver TABLA 14. Sección traslapada de las probetas, FIGURA 41 94 4.5. RESULTADO DE ENSAYOS Tabla 14, resultado de ensayos realizados en laboratorio de materiales de la UNI, Ancho Código Probetas A1 A2 P1 RS C1 25.39 25.53 P2 RS C1 25.6 P3 RS C1 25.34 TRASLAPE A Prom. T Prom. Área cm2 CH Prom. Car ga Ma x. Kg. Esfuerzo Max. kg/cm2 CONTENIDO DE HUMEDAD CH1 CH2 Lugar de falla T1 T2 25.46 27.78 27.77 27.775 7.0715 13 14.1 13.55 130 18.3836 Unión 26.23 25.915 26.14 25.95 26.045 6.7496 15.5 14.8 15.15 80 11.8526 Unión 25.17 25.255 26.79 27.12 26.955 6.8075 13.4 15.5 14.45 320 47.0071 Unión P7 TS C1 25.6 25.3 25.45 24.97 25.26 25.115 6.3918 16.4 15.9 16.15 100 15.6451 Unión P8 TS C1 25.45 25.82 25.635 25.81 25.98 25.895 6.6382 16.9 17.5 17.2 220 33.1416 Unión P9 TS C1 25.35 25.41 25.38 27.15 26.98 27.065 6.8691 15.3 14.5 14.9 190 27.6601 Unión P4 RH C1 25.15 25.18 25.165 24.52 23.81 24.165 6.0811 22.4 21.2 21.8 180 29.5998 Unión P5 RH C1 25.04 25.33 25.185 25.63 25.78 25.705 6.4738 20.7 20 20.35 190 29.3490 Unión P6 RH C1 25.63 25.21 25.42 26.47 28.1 27.285 6.9358 21.5 26.3 23.9 220 31.7193 Unión P10 TH C1 24.99 25.31 25.15 25.25 25.15 25.2 6.3378 26 23.8 24.9 250 39.4459 Unión P11 TH C1 25.05 25.4 25.225 24.89 24.73 24.81 6.2583 22.5 27.5 25 290 46.3383 Unión P12 TH C1 26.02 24.91 25.465 26.93 26.99 26.96 6.8654 18.9 21.4 20.15 270 39.3278 Unión P13 TH C2 24.93 25.34 25.135 25.53 25.53 25.53 6.4170 24.9 26.9 25.9 300 46.7511 Unión P14 TH C2 25.08 24.97 25.025 25.94 25.61 25.775 6.4502 23.8 24.3 24.05 220 34.1075 Unión P15 TH C2 25.16 25.45 25.305 27.16 26.99 27.075 6.8513 20.6 20.1 20.35 90 13.1361 Unión P16 TH C2 25.18 25.33 25.255 25.62 26.1 25.86 6.5309 20.1 21.7 20.9 100 15.3117 Unión P17 TH C2 25.36 25.08 25.22 25.65 26 25.825 6.5131 25.5 22.5 24 320 49.1320 Unión P18 TH C2 25.23 25.53 25.38 26.3 25.65 25.975 6.5925 23.5 21.2 22.35 310 47.0235 Unión P19 RH C2 25.14 25.01 25.075 26.39 26.04 26.215 6.5734 28.3 28.3 28.3 130 19.7766 Unión P20 RH C2 25.08 25.26 25.17 25.83 24.89 25.36 6.3831 18.4 20.6 19.5 230 36.0326 Unión P21 RH C2 25.26 25.29 25.275 26.01 25.59 25.8 6.5210 22.5 20.9 21.7 280 42.9385 Unión P22 RH C2 25.07 25.05 25.06 27.16 26.57 26.865 6.7324 21.2 19.7 20.45 280 41.5901 Unión P23 RH C2 25.01 25.18 25.095 26.47 26.24 26.355 6.6138 18.5 19.5 19 200 30.2399 Unión P24 RH C2 25.12 24.95 25.035 26.12 26.42 26.27 6.5767 23.1 24.1 23.6 340 51.6977 Unión 25 TH C3 25.42 25.48 25.45 26.88 26.68 26.78 6.8155 19.6 18.8 19.2 240 35.2138 Unión P26 TH C3 25.3 25.25 25.275 25.38 25.46 25.42 6.4249 18.9 15.6 17.25 240 37.3546 Unión P27 TH C3 25.14 25.46 25.3 26.5 26.51 26.505 6.7058 20 20.6 20.3 250 37.2814 Unión P28 TH C3 25.09 25.05 25.07 27.55 27.12 27.335 6.8529 16.7 21.2 18.95 130 18.9701 Unión P29 TH C3 24.81 25.15 24.98 26.92 26.91 26.915 6.7234 20 20.3 20.15 300 44.6205 Unión P30 TH C3 25.08 25.01 25.045 26.7 27.07 26.885 6.7333 16.1 18.6 17.35 250 37.1286 Unión P31 RH C3 25.05 25.23 25.14 26.13 25.61 25.87 6.5037 20.1 23.2 21.65 190 29.2141 Unión P32 RH C3 24.9 24.96 24.93 26.09 26.25 26.17 6.5242 20.7 25.3 23 220 33.7207 Unión P33 RH C3 25.14 25.1 25.12 27.29 27.17 27.23 6.8402 14.6 16.4 15.5 370 54.0922 Unión P34 RH C3 25.33 25.26 25.295 26.69 26.55 26.62 6.7335 15.2 16 15.6 310 46.0383 Unión P35 RH C3 25.2 25.08 25.14 26.9 26.56 26.73 6.7199 16 21.5 18.75 300 44.6434 Unión P36 RH C3 24.87 24.83 24.85 26.24 26.1 26.17 6.5032 18.2 22.1 20.15 320 49.2062 Unión 95 La carga máxima promedio aplicada: El ensayo se realiza en una máquina que realiza incrementos de carga de 5kg, con una velocidad constante, la carga máxima en promedio ha sido de 232kg (Ver Tabla 14), Lugar de la falla: La falla por el esfuerzo ha ocurrido en la unión encolada, en el 100% de las probetas ensayadas (ver fotos). Esfuerzo cizallamiento máximo promedio: El promedio del esfuerzo es de 35k/cm2 (ver registro de resultados Tabla 14). Probetas ensayadas, 100% falla en unión, FIGURA 42 El área de sección encolada: Se han tomado dos mediciones, al ancho y traslape para determinar la sección en colada, el promedio ha sido de 6,62 cm2 (ver registros de resultados Tabla 14), Contenidos de humedad de la madera: Se han tomado dos mediciones por probetas, para determinar el contenido de humedad, con un medidor de contacto marca Marrary, calibrada a la densidad del Cachimbo. ,   La madera seca al horno se encuentra en promedio en CH15, 23%. La madera sin secar se encuentra en promedio en CH21, 14% 96 4.6. ANÁLISIS DE RESULTADO. 4.6.1. COMPARACIÓN ENTRE COLAS C1, C2, C3. De los resultados calculamos la tabla 15. Obteniéndose los esfuerzo máximo para los tres adhesivos.    Esfuerzo máximo de C1=35,9634kg/cm2 Esfuerzo máximo de C2=35,6448 kg/cm2 Esfuerzo máximo de C3=38,9570 kg/cm2 TABLA 15 Resultados kg/cm2 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 R 8 R 9 R 10 R 11 R 12 R Suma Promedio C1 S H 15,6451 33,1416 27,6601 39,4459 46,3383 39,3278 18,3836 11,8526 47,0071 29,5998 29,3490 31,7193 153,6902 25,6150 215,7801 35,9634 C2 H C3 H 46,7511 34,1075 13,1361 15,3117 49,1320 47,0235 19,7766 36,0326 42,9385 41,5901 30,2399 51,6977 427,7373 35,6448 35,2138 37,3546 37,2814 18,9701 44,6205 37,1286 29.2141 33,7207 54,0922 46,0383 44,6434 49,2062 467,4838 38,9570 Cálculos de los resultados de la tabla 14 TABLA 16, ANOVA ENTRE COLAS Del análisis de resultados por ANOVA, Tabla 16 aplicando las formula de la tabla 6. Fuente Entre Colas Dentro de cada cola Total Suma de cuadrados Grados de libertad Cuadrado medio 726,3051 3 242,1017 4070,682 32 127,2088 Fcal 1,90318329 4796,987 35 Ftab = 2,92 (95%,3,32) 97 Se concluye que no hay diferencia significativa de esfuerzo máximo entre las 3 colas ensayadas, la selección de la cola es económica. 4.6.2. COMPARACIÓN LA MADERA SECA EN HORNO Y SIN SECA CON LA COLA C1. De la Tabla 15 encontramos el esfuerzo máximo de la madera seca al horno y sin secar, por la Tabla 17, las cuatro columnas evaluadas no muestra diferencia significativas, por tanto, preliminarmente podemos concluir que no hay diferencia significativa en la resistencia entre la madera seca al horno y sin secar para las tres colas ensayada, adicionalmente se ha realizado un ANOVA con la cola C1, tampoco se ha encontrado diferencia significativas.    Esfuerzo máximo de la madera seca al horno ( S ) =25,6150kg/cm2 Esfuerzo máximo de la madera sin secar al horno ( H ) =35,9634kg/cm2 El análisis de varianza indica que no hay diferencia significativa en el esfuerzo máximo entre la madera seca y sin secar al horno, el Fcal= 1,1758, Ftab = 4,545, 0,1,1,4. Tabla 17 Fuente Entre Colas Dentro de cada cola Total Suma de cuadrados Grados de libertad Cuadrado medio 726,3051 3 242,1017 4070,682 32 127,2088 Fcal 1,90318329 4796,987 35 Ftab = 2,92 (95%,3,32) 98 4.6.3. COMPARACIÓN ENTRE EL CORTE RADIAL ( R ) Y TANGENCIAL (T) De la Tabla 18 calculada de los resultados encontramos es esfuerzo máximo del corte tangencial y radial, se aprecia muy poca diferencia.   El esfuerzo máximo del corte tangencial=34,3kg/cm2 El esfuerzo máximo del corte radial=35,9kg/cm2 TABLA 18 Resultados kg/cm2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T T T T T T R R R R R R CL1 CL2 CL3 Suma Promedio S H H H 15,6451 39,4459 46,7511 35,2138 33,1416 46,3383 34,1075 37,3546 27,6601 39,3278 13,1361 37,2814 617,5898 34,3105 15.3117 18,9701 49,1320 44,6205 47,0235 37,1286 18,3836 29,5998 19,7766 29,2141 11,8526 29,3490 36,0326 33,7207 47,0071 31,7193 42,9385 54,0922 647,1016 35,9501 41,5901 46,0383 30,2399 44,6434 51,6977 49,2062 Cálculos de los resultados de la tabla 14 Del análisis de varianza realizado, en la Tabla 19, con la aplicación de las formulas de la Tabla 6, encontramos qué no hay diferencia significativa entre la resistencia máxima del corte tangencial y radial, el Fcal= 0,1723, Ftab = 0,171 (95%, 1,34.) TABLA 19, ANOVA ENTRE CORTE RADIAL Y TANGENCIAL Fuente Entre Cortes Dentro del corte Total Suma de cuadrados Grados de libertad Cuadrado medio Fcal 24,1931 1 24,1931 0,1723 4772,794 34 140,3763 4796,987 35 Ftab = 4,171 (95%,1,34) 99 CAPITULO V ANALISIS ECONOMICO FINANCIERO Y COMPARATIVO ENTRE SISTEMA EXISTENTE Y SISTEMA PROPUESTO Sistema Existente Se prefiere entera, trabajar larga, Propuesto con ancha madera Si y se utiliza madera corta y de gruesa. recuperación, la madera corta está al Evitando las uniones y pegas con menos a 70% del costo normal del sobre costos de hasta 100% más mercado, de la madera larga y la madera para medidas especiales de recuperación, hasta menos del 50%. Las dimensiones están limitadas por Utilizando pequeñas piezas adheridas de las dimensiones del tronco y árbol del madera, no hay limitaciones que se obtiene la madera, así como dimensionales en cuanto a los que se de los equipos para procesarla, las puede grandes dimensiones de maderas son maderas pedidos especiales y construir. Hay laminadas estructuras de de grandes costosos. dimensiones. El costo de la madera puede Actualmente imposibles en algunos estar `por debajo de la media, porque es casos. madera corta y considerada de baja calidad. Los productos de madera con Conociendo el esfuerzo de máximo de uniones, se introducen en muchas cizallamiento (kg/cm 2), se puede hacer un operaciones, la diseño óptimo de las uniones utilizando el resistencia de la unión adherida. Esto mínimo de madera, igualmente tiempos y involucra para más asegurar madera, más costos de operaciones y procesos. La operaciones, tiempo de operación y reducción del costo será radical, mayor al más costo. 50%. 100 En el Perú solo se aprovecha el En el mundo el aprovechamiento es de 17,81% (FAO 2001) de la madera en 55%. Se obtendrán mejorar radicales con troncos, como madera, el porcentaje el restante, es leña, carbón y residuos. porcentaje, de aprovechamiento empleo de piezas adheridas. El y el aumento de valor de la madera, podrá mejorar hasta en 400%, teniendo en cuenta que, la leña y carbón, es un valor de refugio. El aprovechamiento de la madera en Impulsar el uso de uniones pegadas, el Perú es de menos de 17,81% puede mejorar el aprovechamiento en (FAO2001) principalmente por los más de 50% y los ingresos y el valor métodos de aprovechamiento actual agregado en más de 100%. Se debe tener de la madera y por la costumbre, de en cuenta que la madera corta se valora utilizar piezas de maderas grandes, hasta menos del 70% de la madera larga reduciendo la uniones. comercial, si se emplea en la fabricación de productos de uso estructural, su valor estaría mínimo 50% sobre el valor la madera comercial larga. Por tanto las cifras propuestas están demostradas. Actualmente se talan árboles que se Se podría desarrollar una tecnología estima requieren más de 50 años, basada en pequeñas piezas de madera para su desarrollo, no hay proceso de encoladas entre si, obtenidas de las reforestación, validados para ramas y raleos de los bosques, sin recurrir recuperar las áreas desforestadas y a la tala del árbol. De este modo, el degradas en la selva del Perú. bosque generaría continuamente, madera en lugar de esperar más de 50 años para que el árbol se regenere. 101 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 1. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES DEL DIAGNOSTICO Como resultado de las visitas técnicas realizadas, tanto a proveedores de colas como a los fabricantes de productos de madera, hemos tabulado en total 16 factores y/o parámetros que determinan la resistencia de las uniones encoladas: Entre los cuales son 3 los factores del medio ambiente a tomar en cuenta son: Temperatura, Humedad relativa, Presión atmosférica Son 6 los factores considerados por los fabricantes de productos de madera: Especie de madera, La cola, Preparación de la superficie, Área encolada, Orientación del corte, Contenido de humedad de la madera Son 7 los factores considerados por los proveedores de los pegamentos: Espesor de capa del pegamento, Tiempo de ensamble, Tiempo de cierre, Presión de cierre, Temperatura de cierre, Tiempo de curado, Condiciones del curado. En la Tabla 20 a continuación, se tabulan todos los factores a considerar (fuente propia, resultado de visitas técnicas), que afecta la resistencia de las uniones encoladas de los procesos de fabricación con madera. 102 R Resistencia al cizallamiento Kg/cm2 Ga Ha (a) Medio ambiente No presentan datos 100 25 (Ha) Humedad relativa % 85 Industry of Furniture Condiciones normales M (M )especie de madera 3000 especies conocidas C (C) cola C1,2,3,4,…… EP (EP) Espesor de la Cubrir la superficie 125 a 175 g/m2 película a encolar CH% (CH) % de humedad de la madera (S) seca al horno (H) sin secar al horno. 10 a 25 D (D)Dirección del Corte Corte (R)Radial Corte (T)Tangencial No hay recomendacion es A (A) Acabado superficial, (D) al corte de disco, Superficie limpia libre (C) cepillado, de polvos (L) lijado. TE (TE)Tiempo de Ensamble Minutos., Mínimo debe haber solvente para el ensamble 10 TC (TC) Tiempo de Cierre minutos Recomendable el mayor tiempo posible, hasta poder manipular la unión Mínimo 30 minutos PR (P)Presión de Cierre (kg/cm2) GR (G) temperatura de Curado en Cierre. TA (TA)Tiempo de curado abierto Hora Suficiente para no dejar burbujas de aire Ha mayor temperatura menor tiempo Tiempo para 80% resistencia Máxima Talle A No tienen datos (Ga) Grados Cº, temperatura (Pa) Presión atmosférica. Pa Exportimo Variaciones de cada factor y/o parámetro RAD3 Factores que influyen en la resistencia al cizallamiento (Kg/cm2) DORUS KL4010 Código de factor GLUKOLA UR TABLA 20 No hay adhesivos específicos Más de 4 clases de adhesivos de distinta base. 10 Cola blanca de carpintero (cola sintética) No hay medida, solo se controla que la capa cubrir uniforme toda la superficie 15 10 15 15 Se estima una diferencia y hay recomendaciones de no mezclar corte radial con tangencial Se considera que las superficies rugosas son mejores Máximo 10 min Mínimo 1 hora 3 a 7 kg/cm2 No hay control, se prensas con tornillo de ajuste manual Temperatura ambiente hasta 80Co Temperatura ambiente Mínimo 72 horas No se aplica 103 2. CONCLUSIONES, OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MÉTODO Y ENSAYOS REALIZADOS 2.1. IMPLEMENTACIÓN DEL MÉTODO El equipo se ha diseñado y dimensiona, para construir por lo menos tres tipos de probetas que se requieren construir y ensayar, para desarrollar productos. Entre las cuales, están las probetas de ensayo de adherencia, probetas de sistema de ensamble y probetas de modelo prototipo de los productos. Por ser clave el equipo de fabricación de probetas es, es recomendable que toda empresa cuente con algún tipo de equipos para hacer probetas de ensayo. Se podría diseñar y construir un equipo muchos más chico, que solo sirva para fabricar 3 probetas de ensayo, que no cuente con calentamiento ni control de temperatura. Simplemente es una prensa hidráulica con bomba manual y manómetro, para fabricar las probetas, con temperatura de cierre al medio ambiente. Esto permitirá, ajustar los valores en los parámetros de los procesos, donde se utilizan colas y adhesivos a temperatura ambiente, que constituyen la gran mayoría en productos de madera. 2.2. LOS ENSAYOS Y LA CONSTRUCCIÓN DE PROBETAS. El tiempo de ensamble y cierre: Se determinó un tiempo de ensamble de 10 min y tiempo de cierre 30min, porque es una de las especificaciones del proceso de producción. Recomendación 1: Realizar ensayos, con tiempo de cierre de 60 y 90 minutos, con la mejor cola determinada por el ensayo para determinar el efecto del tiempo de cierre sobre la resistencia del encolado. La presión de cierre: Se ha utilizado 10kg/cm 2 de presión en el prensado. En el proceso se observó que la presión de cierre influye en el espesor de capa y la dispersión de la cola. Recomendación: Realizar un ensayo con 5kg/cm 2 y 20kg/cm2 para determinar el efecto sobre la resistencia de la presión de prensado. 104 El prensado: En la operación se observó, que la superficie de la madera no es tan plana como el metal, porque se observa que el prensado no es totalmente homogéneo. Recomendación: Realizar un juego de ensayo colocando una superficie elástica como el caucho que absorba las pequeñas imperfección de la madera, afín de determinar el efecto sobre la resistencia. Este ensayo se debe realizar con los mismo parámetros iníciales, y compararlos con dichos resultados, 2.3. RESULTADOS Y ANÁLISIS La adherencia de la madera seca y sin secar al horno: Se observa una diferencia de resistencia máxima de 10kg/cm2 mayor en la madera seca al horno, aunque él según el análisis de varianza indica que no hay diferencia significativa, sin embargo solo se han ensayado 6 probetas madera seca al horno, de las 36 ensayadas. Recomendación: Prepara juegos con madera seca al horno, y repetir los mismos ensayos con madera secada al horno, para confirmar estos primeros resultados. La adherencia del corte tangencial y radial: Si bien se ha comprobado que no hay diferencia significativa en la adherencia del corte tangencial y radial, la diferencia del índice de contracción por tipo de cortes en el tiempo, puede causar fallas en la adherencia al crearse tensiones internas. Recomendación: Fabricar 1 juego de probetas de corte radial y otro juego de corte tangencial, adicionalmente 2 juegos donde se combinen el corte radial y tangencial. Guardar las probetas bajo sombra, luego de una semana ensayar 3 probetas de corte radial, 3 de corte tangencial y 6 combinados. Luego de 90 días ensayar los restantes. Este ensayo, nos permitirá conocer el efecto del tiempo en la adherencia, de la combinación del corte radial y tangencial. La mejor cola: Como el esfuerzo de adherencia máxima es similar, pero adicionalmente el análisis de varianza nos muestra diferencias significativas, la mejor cola será la que tenga menor costo por m 2 de encolado. ¡La evaluación es económica! 105 Recomendación: Hacer pruebas de rendimiento en producción, se debe determinar el costo por litro de cada cola. Luego determinar los m 2 por litro de cada cola. El de menor costo, será la mejor cola. La presión y los tiempos de curado: Son parámetros fundamentas en la clave para fabricar vigas compuestas. Los ensayos no se han concluido, se debe continuar hasta determinar los parámetros óptimos. Recomendación: Se debe hacer 4 juegos de probetas, afín de determinar la presión óptima y tiempo de curado, que permita lograr la máxima resistencia al cizallamiento de la unión pegado. 106 3. CONCLUSIONES DE LA TESIS: 1. Ha quedado demostrada la hipótesis, inicial, de que los factores determinan, el valor de los parámetros óptimos, que tienen efecto sobre la resistencia al cizallamiento de las uniones adheridas o encolas de las maderas, quedando demostrada la hipótesis como resultado de los ensayos realizados. Ver tabla 21 a continuación TABLA 21 Resultados kg/cm2 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 R 8 R 9 R 10 R 11 R 12 R Suma Promedio Varianza C1 S H 15,6451 33,1416 27,6601 39,4459 46,3383 39,3278 18,3836 11,8526 47,0071 29,5998 29,3490 31,7193 153,6902 25,6150 143,2579 215,7801 35,9634 38,89054 C2 H C3 H 46,7511 34,1075 13,1361 15,3117 49,1320 47,0235 19,7766 36,0326 42,9385 41,5901 30,2399 51,6977 427,7373 35,6448 165,3807 35,2138 37,3546 37,2814 18,9701 44,6205 37,1286 29.2141 33,7207 54,0922 46,0383 44,6434 49,2062 467,4838 38,9570 82,76861 Cálculos de los resultados de la tabla 14 En la tabla 21 vemos los resultados, del ensayo de resistencia al cizallamiento de las 36 probetas, que fueron construidas ex profésame controlando los 16 parámetros que se propone en el método, y donde se han ensayado tres parámetros:   Tres marcas de cola codificadas como; C1, C2, C3  horno (H). Dos contenidos de humedad diferente; Seca al horno (S) y sin secar al Dos tipos de corte; Corte radial (R) y corte tangencial (T). Como vemos en la tabla 20, la resistencia al cizallamiento de cada probeta es diferente, sin embargo analizando los resultados, de los 4 grupos de datos, por tipos de cola y contenidos de humedad, podemos ver, que se presentan 107 diferencia en el promedio y la varianza, efecto de la variación del valor de cada parámetro controlado. 2. Se ha validado el método de determinación de parámetros óptimos, aplicados a procesos de producción, con maderas adheridas para uso estructural, aunque falte realizar muchos más ensayos para determinar el efecto sobre los otros factores considerados, así como para otras maderas, adhesivos y colas, pero esto se debe hacer en función de las necesidades. Teniendo en cuenta que se estima un aproximado de 8,000 especies de maderas y muchas marcas y clases de adhesivos en el mercado. 3. El propósito de tener un método validado de determinación de parámetros óptimos ha sido cumplido por los siguientes resultados: La Tabla 20 muestran los resultados de los ensayos con la aplicación del método, habiendo comparado tres factores de los 16 propuestos por el método: tres tipos de cola, con una sola especie de madera seca al horno y sin secar al horno; así como la dirección de corte, si bien los resultados no son concluyentes, y los datos según la tabla 16 muestras diferencia, los datos se pueden agruparse hasta en 8 grupos de datos, diferentes.  Del análisis de varianza aplicando, en el capítulo 3 en resumen el resultado, es que no hay diferencia significativa en la resistencia al de cizallamiento de    las tres colas ensayadas y que la resistencia en promedio es 35kg/cm2. No hay diferencia significativa de la resistencia, en la dirección del corte. El contendió de humedad no ha sido significativa en los ensayos realizados. Se requiere realizar más ensayos para lograr resultados concluyentes. Sin embargo esto pocos resultados ya son de gran impacto y relevancia en las muchas aplicaciones que derivan de estos resultados. 4. El impacto y el alcance de no haberse implementado un método en el Perú, han dado como resultante, varios efectos negativos en el mercado y el sector. 1. Tratar de utilizar el mínimo de uniones posibles. 2. Al tender a maderas de mayores dimensiones, la demanda se ha orientado a valorar más las piezas más anchas, gruesas y largas. Tanto que en algunos casos se ha preferido transportar la madera rolliza, a pesar del altísimo costo, para ser trabajada en la costa y Lima. 108 3. En los centros de producción como Pucallpa e Iquitos, las maderas de menos de 6 pies de longitud, se valoran a menos del 50% de las iguales o mayores a dicha longitud. 4. El aprovechamiento de la madera en el Perú, es muy bajo. Menos del 18% (FAO 2001), cuando en el mundo es mayor a 55%. 5. Se pagan sobrecostos de casi 100% transportando agua, aserrín, leña y desperdicios de madera, hacia la costa. 6. La generalización de uso de madera larga en la construcción. 7. Mayor consumo de madera, más operaciones y proceso, mayores costos, en fabricación de muebles, al tratar de usar el mínimo de uniones, maquinar complejos y costosos sistemas de uniones. 8. No se desarrollen ni oferten más productos de maderas adheridas. 5. Relevancia del método propuesto y desarrollado en la investigación realizada, es la solución a todos los problemas indicados anteriormente, así como para desarrollar métodos, para mejorar el aprovechamiento de las maderas nativas del Perú. 6. Se estima que un 70% de los productos en madera requieren algún tipo de unión adherida. 109 4. RECOMENDACIONES DE LA TESIS 1. Implementar por lo menos un pequeño equipo para fabricar probetas de ensayo de adherencia, en todas las empresas que fabriquen productos de madera. Una inversión menor de S/.6000 entre equipos y ensayo, así como menos de 30pt de madera, pueden ahorrar muchos sobrecostos futuros en la producción. El equipo:   Una gata hidráulica de 10 toneladas;  Estructura de prensa.  Servicio por 100 ensayos en los laboratorio de materiales de la UNI  Manómetro de presión con dial de 4 pulgadas y 100kg/cm2  Mano de obra para construir y ensamblar la prensa. Madera y cola para construir las probetas. 2. Implementar un laboratorio de ensayos de adhesivos en la UNI. Equipado con equipos para construir las probetas de ensayo.   Sierra circular para corte de la madera. S/.3000  Sierra radial. S/1500  Cepillo calibrado. S/.3000  Equipo de prensado, con control de presión, temperatura y tiempo. S/30000 Inversión total S/.37500 3. Aplicar el método validado para determinar los parámetros óptimos, de todos los procesos con adhesivos que estén en producción. 4. Iniciar un programa para rediseñar las uniones y procesos, de todos los productos en producción, relacionados con la unión de maderas, basados en el conocimiento de los parámetros óptimos de las uniones adheridas. 5. Desarrollo de nuevos productos con la aplicación del método y empleo de secciones cortas de madera. 6. La optimización de procesos en la actualidad, debería comenzar por la cadena de valor, aplicando una matriz de valor agregado o cualquier otra técnica de análisis a los procesos de creación de valor, con la aplicación de métodos de reingeniería, nuevas tecnologías y conocimientos, conjuntamente con las experiencias y destrezas aprendidas. A fin de lograr mejoras radicales, antes que mejorar los métodos y procesos existentes buscando pequeñas 110 mejoras (Ver anexo HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS Y MEJORA DE PROCESOS Septiembre de 2008). Todo esto debido ha la velocidad de cambio y ciclo de vida actual de los productos, así como avances de la tecnología, que establecen cambios radicales, acompañados de ciclos cortos de mejora continua. 111 GLOSARIO DE TERMINOS C1, C2 C3…. Convención adoptada, para codificación las colas. M1, M2, M…Convención adoptada para codificar las especies de madera. CHx%, Contenido de humedad de la madera, (peso de agua contenida/peso seco de las madera)%. Tablero alistonado, tablero construido en base a listones de madera adheridas entre sí. Viga laminada, viga construida con láminas o tablas de madera. Vigas compuestas de madera, vigas construidas con madera y otros materiales. Madera aglomerada, material fabricado con aserrín aglomerado con adhesivos. Pt. pie tablear de madera, sistema de medida inglesa de la madera, un pie X un pies X una pulgada de espesor. Tiempo de armado o ensamble. Es el tiempo disponible para unir la pieza que tiene cola aplicada. Tiempo de cierre, es el tiempo transcurrido, donde las piezas de madera se mantienen un bajo presión. Presión de cierre, es la presión aplicada al prensado de la madera, hasta que el adhesivo consolide su resistencia. Temperatura de curado en cierre, temperatura requerida para que el adhesivo consolide su resistencia El curado, es el proceso que requiere los adhesivos, para consolidar sus propiedades adhesivas. Corte radial, es la dirección del corte radial a los anillos de crecimiento del tronco. Corte tangencial, es la dirección de corte tangente a los anillos de crecimiento del tronco. Lumen, es el espacio interno de un componente o estructura celular. 112 BIBLIOGRAFIA 1. MANUAL DE SECADO DE LA MADERA: Junta de Acuerdo de Cartagena, Coordinador Fernando Sanz Manrique. 1998 2. WOOD HANDBOOK: Wood as an engineering material. Prepared by Forest Products Laboratory. Forrest Servicie, US. Departmet of Agriculture. Rev. 1987 3. ADHERENCIA Y ADHESIVOS PARA MADERA, Materiales de Nueva Generación y Materiales Eficientes. “Master τficial en Proyecto Arquitectónicos y Ciudades” Universidad de Alcalá. Valeria Marïa Quevedo Machuca (07/7/2012) 4. “HAσDBττK τF WττD CHEMISTRY AσD WττD CτMPτSITES” Charles R. Frihart, - Wood Adhesion and Adhesives- , USDA, Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, WI. 5. ISO 4587 Adhesives – Determination of tensile lap-shear strength of rigid-to-rigid bonded assemblies 2003 6. JIS K 6852-1994 (Testing methods for shear strength of adhesive bonds by compression loading). 7. EN 205:1991. Métodos de ensayo para adhesivos para la madera de uso no estructural 8. ASTM INTERNATIONAL (United States). D5751: Adhesives used for laminate joints in nonstructural lumber products. West 9. BENITES MACIEL, L. Adhesividad de maderas nacionales. Proyecto de tecnología de ensayo de productos forestales, LATUJICA (1998-2003). Montevideo: LATU, 2003. (Informe de Investigación. Serie Forestales; 12) 10. COMITÉ EUROPEO DE NORMALIZACIÓN (Bélgica). EN205: Métodos de ensayo para adhesivos para la madera de uso no estructural. Bruselas: CEN, 1991. 11. JAPANESE STANDARD ASSOCIATION (Japan). JIS K6852. Testing methods for shear strength of adhesive bonds by compression loading. Tokio: JSA, 1994. 113 12. PÉREZ DEL CASTILLO, A.; BENITES Maciel, L. Propiedades mecánicas y resistencia de uniones encoladas de vigas laminadas. Proyecto de tecnología de ensayo de productos forestales, LATUJICA (1998-2003). Montevideo: LATU, 2002. (Informe de Investigación. Serie Forestales; 10) 13. QUAGLIOTTI ESTRADÉ, S. Evaluación de la resistencia a la adhesión y el porcentaje de falla en madera en Eucalyptus grandis, Pinustaeda, Pinuselliottii, Cedrelaspp y Tabebuiaipe. Montevideo: LATU, 2007. (Nota Técnica; 9). 14. Douglas J. Gardner, “Adhesion Mechanisms of Durable Wood Adhesive Bonds”. Stokke2005. 15. D.L. Massart, B.M.G. Vandeginste, L.M.C. Buydens, S. de Jong, P.J. Lewi, J. Smeyers-Verbeke, “Handbook of Chemometrics and Qualimetrics: Part A”, Elsevier (1997), Amsterdam. 114 ANEXOS 1. Tabla de valores de F de Fisher al 95% 2. Estados Unidos Mexicanos. Programa especial de mejora de la administración públicas federa 2008-2012, HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS Y MEJORA DE PROCESOS Septiembre de 2008. 3. Fichas técnicas de colas 115 116

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS VALIDACIÓN DE METODO PARA DETERMINAR PARÁMETROS ÓPTIMOS DE LOS PROCESOS DE UNION, MEDIANTE ADHESIVOS DISPONIBLES DEL MERCADO NACIONAL CON MADERAS AMAZÓNICAS, PARA LA PRODUCCIÓN DE COMPONENTES DE USO ESTRUCTURAL TESIS Para optar el Título Profesional de: INGENIERO INDUSTRIAL JULIO EDGARDO LU CHANG-SAY Lima – Perú 2014 DEDICATORIA Dedico esta tesis a mí mentora y madre Victoria Chang-Say Vda. De Lu, quien siendo viuda con 6 hijos, cuando Yo tenía 14 años, con su increíble capacidad é inteligencia, siempre ha apoyado con consejo, recomendaciones y procurado todo lo mejor a su alcance, para que recibamos la mejor educación posible, y hasta la fecha no deja de preocuparse, ni descansar para hacer de sus hijos, mejores profesionales y personas. 1 AGRADECIMIENTO Mi mejor agradecimiento por que hicieron posible esta tesis: Ing. Juan Alvares Leyva; por invitarme a participar del proyecto PIPEA100-11, que me ha brindado la gran oportunidad de rencontrarme con mi alma mater y con un tema pará titularme como ingeniero con esta tesis. Ing. Jorge Chau Chau; por su iniciativa de nombrarme coordinador del proyecto PIPEA100-11 y hacer reconectarme con mi alma mater, así como sus consejos, recomendaciones y asesoría para que uno de los resultados, sea esta tesis. Arq. Moisés Chang-Say Yon; mi tío, que en paz descanse, por introducirme en la mecánica, así como en la madera, enseñarme todo los que sabía, sobre el secado y procesamiento de la madera, fue el principio, que me ha convertido en un experto en la transformación y procesamiento de la madera. Carmen, Roció, Gisela, Úrsula y Estuardo Lu Chang-Say; mis hermanas y hermano, que siempre me han apoyado y confiado en los muchos proyecto en que he emprendido, que me han permitido obtener amplios conocimientos y experiencias en muchos y variados campos de la ingeniería industrial. Dr. Luis Huamán Piruleta; por recomendar en 1986, para trabaja en el ICE, permitiéndome aprende de comercio exterior, promoción de exportaciones y producción de diversos productos e industrias. En general a todos mis maestros e Ingenieros de la facultad de industriales y sistemas, que han participa en mí formación como ingeniero industrial. Ingenieros Luis Acuña, Daniel Alcántara, Guillermo Cruz; Asesores y jurados en esta tesis. 2 INDICE DESCRIPTORES TEMÁTICOS ................................................... 7 RESUMEN ................................................................................... 8 INTRODUCCIÓN ....................................................................... 11 ANTECEDENTES ............................................................................................. 11 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA .......................................................................... 12 IMPORTANCIA DEL TEMA .............................................................................. 12 HIPÓTESIS ..................................................................................................... 13 OBJETIVO DEL ESTUDIO ................................................................................. 13 ALCANCES ..................................................................................................... 13 METODOLOGIA ............................................................................................. 14 CAPITULO I ............................................................................... 16 1.1. DIAGNOSTICO ..................................................................................... 16 1.1.1 Investigación en campo y bibliográfica ..............................................................................................16 1.1.2 ProductoS de madera que utilizan adhesivos ....................................................................................17 1.1.3 Triplay, Tableros ................................................................................................................................18 1.1.4 Los factores y parámetros de proceso en el encolado del triplay y tableros .....................................19 1.1.5 Los tableros aglomerados ..................................................................................................................21 1.1.6 Muebles de madera ...........................................................................................................................21 1.1.7 Los factores y/o parámetrosdel proceso en el encolado de muebles de madera .............................22 1.1.8 Los factores y/o parámetros del proceso de encolado según los proveedores de adhesivos ...........24 1.2. RESULTADOS DEL DIAGNOSTICO ......................................................... 26 CAPITULO II .............................................................................. 28 3 2.1. MARCO TEORICO ................................................................................ 28 2.2. LA MADERA ........................................................................................ 28 2.2.1. Morfología .........................................................................................................................................28 2.2.2. Cortes de la madera ..........................................................................................................................29 2.2.3. Propiedades físicas y mecánicas de la madera. .................................................................................31 2.2.4. Especies: ............................................................................................................................................34 2.2.5. Uso estructural. .................................................................................................................................34 2.2.6. Resistencia mecánica .........................................................................................................................35 2.2.7. Cálculo de la resistencia a la tracción de la madera ..........................................................................36 2.2.8. Calculo del esfuerzo de flexión y de corte .........................................................................................37 2.2.9. Procesos básicos de producción con madera. ...................................................................................37 2.2.10. Unión de la madera ...........................................................................................................................39 2.3. LOS ADHESIVOS .................................................................................. 44 2.3.1. El uso de adhesivos en la madera ......................................................................................................44 2.3.2. Adherencia de la Madera ..................................................................................................................45 2.3.3. Aplicación de Adhesivos: ...................................................................................................................48 2.3.4. Penetración de la Superficie de la Madera: .......................................................................................49 2.3.5. Humidificación, Flujo y Penetración de la Madera: ...........................................................................50 2.3.6. Ajustes en los Adhesivos....................................................................................................................51 2.3.7. Separación de Solventes: ...................................................................................................................51 2.3.8. Polimerización: ..................................................................................................................................51 2.3.9. Solidificación por Enfriamiento: ........................................................................................................51 2.3.10. Composición de los adhesivos ...........................................................................................................52 2.3.11. Curado de los adhesivos ....................................................................................................................52 2.3.12. Tipos de Adhesivos de origen sintético .............................................................................................52 2.4. EL ENCOLADO ..................................................................................... 54 2.5. ENSAYOS DE RESISTENCIA AL CIZALLAMIENTO DE LOS ADHESIVOS ....................................................................................... 55 2.6. ANALISIS ESTADÍSTICOS ...................................................................... 56 2.6.1. Comparación de múltiplespoblaciones .............................................................................................56 2.6.2. ANOVA de un factor ..........................................................................................................................57 CAPITULO III ............................................................................. 61 3.1. MARCO TECNICO APLICATIVO ............................................................. 61 3.1.1. Objeto ................................................................................................................................................61 3.1.2. Uso y Significado ................................................................................................................................61 3.1.3. Metodología. .....................................................................................................................................61 3.2. ANÁLISIS Y DEFINICIÓN DEL MÉTODO PARA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS, EN EL ENCOLADO DE MADERAS ........... 62 3.2.1. Los factores que afectan la resistencia de las uniones adheridas de madera. ..................................62 3.2.2. Método por tabulación ......................................................................................................................63 3.2.3. Método de diseño de experimental, comparativo con varios factores .............................................63 3.2.4. Selección de la especie de madera ....................................................................................................65 3.2.5. Selección de las colas.........................................................................................................................65 3.2.6. La mejor cola .....................................................................................................................................66 3.2.7. Comparación entre el corte radial y tangencial .................................................................................66 3.2.8. Comparación entre madera seca al horno (CH15%) y sin secar (CH25%)..........................................66 3.2.9. Comparación por acabado superficial ..............................................................................................66 3.2.10. Otros factores y/o parámetros por determinar ................................................................................67 3.2.11. La comparación entre valores de los parámetros .............................................................................67 3.3. IMPLEMENTACION DEL METODO PARA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS, EN EL ENCOLADOS DE MADERAS .................. 68 3.3.1. Objeto ................................................................................................................................................68 3.3.2. Uso y significado ................................................................................................................................69 3.3.3. La madera para probetas ...................................................................................................................70 3.3.4. Las colas:............................................................................................................................................72 3.3.5. Juego de probetas para ensayo .........................................................................................................74 3.4. MÉTODO PARA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS, EN EL ENCOLADOS DE MADERAS ......................................................... 75 3.4.1. Objeto ................................................................................................................................................75 3.4.2. Uso y significado ................................................................................................................................75 3.4.3. PROCEDIMIENTOS .............................................................................................................................76 CAPITULO IV ............................................................................ 81 4.1. ENSAYOS Y RESULTADOS .................................................................... 81 4.2. IMPLEMENTACIÓN DEL MÉTODO ................................................... 81 4.2.1. EQUIPO PARA FABRICACIÓN DE PROBETAS. .....................................................................................82 4.2.2. Equipo de ensayo de tracción. ...........................................................................................................84 4.2.3. Equipos de medición y registro. ........................................................................................................84 4.3. IMPLEMENTACIÓN DE LOS ENSAYOS ............................................. 85 4.3.1. Selección de las maderas: ..................................................................................................................85 4.3.2. Preparación de la madera para fabricación de las probetas: ............................................................86 4.3.3. Selección de las colas.........................................................................................................................87 4.3.4. Los ensayosa realizar .........................................................................................................................88 4.3.5. La construcción de las probetas de ensayo .......................................................................................91 4.4. ENSAYOS DE LAS PROBETAS ........................................................... 94 4.5. RESULTADO DE ENSAYOS ................................................................ 95 4.6. ANÁLISIS DE RESULTADO. ............................................................... 97 4.6.1. Comparación entre colas C1, C2, C3. ................................................................................................97 4.6.2. Comparación la madera seca en horno y sin seca con la cola C1. .....................................................98 4.6.3. Comparación entre el corte radial ( R ) y tangencial (T) ...................................................................99 CAPITULO V ........................................................................... 100 ANALISIS ECONOMICO FINANCIERO Y COMPARATIVO ENTRE SISTEMA EXISTENTE Y SISTEMA PROPUESTO ...............................................................100 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................... 102 1. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES DEL DIAGNOSTICO .......................102 2. CONCLUSIONES, OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MÉTODO Y ENSAYOS REALIZADOS ................104 2.1. Implementación del método ...........................................................................................................104 2.2. Los ensayos y la construcción de probetas. .....................................................................................104 2.3. Resultados y análisis ........................................................................................................................105 3. CONCLUSIONES DE LA TESIS: ..............................................................107 4. RECOMENDACIONES DE LA TESIS .......................................................110 GLOSARIO DE TERMINOS .................................................... 112 BIBLIOGRAFIA ....................................................................... 113 ANEXOS .................................................................................. 115 DESCRIPTORES TEMÁTICOS          Productos de madera que utilizan adhesivos Los factores y parámetros de proceso en el encolado de madera La madera o Morfología o Especies o Uso o Cortes o Resistencia mecánica o Procesamiento o Tipos de uniones. Los adhesivos y colas o Usos o Características o Fuerzas que interviene en las uniones adheridas o Resistencia mecánica o Preparación para el pegado o El pegado Metodología para optimizar el proceso de pegado de maderas o Equipos o Inversión o Experimentos y pruebas o Características y Preparación de las probetas de ensayos de adherencia Resultados Observaciones Conclusiones Recomendaciones. 7 RESUMEN La unión de madera con adhesivos data de hace más de tres mil años, es clave en la industria moderna de productos de madera, sin embargo, no se registran estudios realizados con los adhesivos modernos, disponibles en el mercado peruano y con las maderas amazónicas. Esto ha conllevado a limitar el uso en la construcción de elementos sin importancia estructural, a las piezas de madera adheridas, como los ornamentos y decoraciones, así como en la industria del mueble a incurrir en sobrecostos, para maquinar ensambles con un menor aprovechamiento de la madera. Igualmente a que se valoren mucho las piezas de madera de gran dimensión y se tiendan a desvalorizar o descartar las pequeñas. Un indicador de este resultado es el 17,8% (FAO 2001) de aprovechamiento de la madera rolliza. Si bien este indicado es negativo, también representa una gran oportunidad, para fabricar productos como vigas y tableros compuestos de pequeñas secciones de madera adheridas o encoladas entre sí, de gran demanda potencial en el mercado. Si bien en la industria nacional, podemos encontrar fábricas de tableros y triplay, la tecnología que utilizan es obsoleta y ninguno es competitivo ni tienen la calidad o la garantía para uso estructural. La tesis propone validar un método para determinar los parámetros óptimos estudiando los diversos factores, que afectan la resistencia al cizallamiento de las uniones de piezas de maderas nativas adheridas con diversos adhesivos del mercado nacional. Con el objetivo de poder diseñar y fabricar elementos o productos para uso estructural en construcción, a precios y calidad competitivos. El método propuesto, se inicia seleccionando una especie como base o testigo para realizar estudios comparativos de resistencia al cizallamiento. Para el caso particular, se seleccionó la especie cachimbo, porque es una madera que tiene demanda en el mercado y cuenta con buenas propiedades mecánicas, además, se seleccionaron 3 marcas de adhesivos de una misma clase (Las clases Se diferencian por la base), cola blanca de carpintero, que es la de uso generalizado, en la producción de productos de madera. Los ensayos están basados en las siguientes Normas: ASTM D 5751-99 (Adhesives Used for Laminate Joints in Nonstructural Lumber Products), JIS K 6852-1994 (Testing methods for shear strength of adhesive bonds by compression loading).EN 205:1991. Métodos de ensayo de adhesivos para madera de uso no estructural. El método propuesto consistirá en realizar ensayos de resistencia al cizallamiento hasta la falla de probetas normalizadas, preparadas ex profesamente en condiciones controladas, donde uno por uno, se variará el valor de cada parámetro, y se determinará la resistencia al cizallamiento resultante. Luego los resultados se comparan mediante análisis de varianza. Para fabricar las probetas, se han diseñado, construido y validado un equipo de fabricación de diversos tipos de probetas para ensayos de adherencia. Además se ha formulados un conjunto de procedimientos, para la implementación del método, preparación de los materias a ensayar, los ensayos, registro y procesamiento de los resultados. El método validado, permite determinar los parámetros óptimos, con pocos ensayos y, lograr la máxima resistencia posible de las uniones encoladas de piezas de madera, dentro de las condiciones del proceso de producción, con la finalidad de fabricar cualquier producto de maderas adheridas, incluyendo las de uso estructural. Resultado: Se ha validado un método de determinación de parámetros óptimos, y un equipo para construir probetas de ensayo de adherencia. En el proceso de validación se ha encontrado preliminarmente, los siguientes resultados: 1. Las colas ensayadas de la misma clase, de tres marcas diferentes, no muestran diferencias significativas en la resistencia al esfuerzo de cizallamiento (kg/cm 2), la selección es económica. 2. El tipo de corte radial (R) o tangencial (T), no muestran diferencias significativas en la resistencia al esfuerzo de cizallamiento (kg/cm2). Por el número de muestras realizadas este factor no necesitara mayor comprobación. Es un factor 9 menos a tomar en cuenta. Sin embargo es necesario realizar ensayo de la combinación del corte radial (R) con corte tangencial (T) y en el tiempo. 3. El contenido de humedad CH15% y CH25%, para las tres marcas de colas de la misma clase ensayadas, no muestran diferencias de efecto significativo en la resistencia al cizallamiento. 4. Es necesario realizar juegos de ensayos adicionales, para confirmar, los resultados preliminares de los ensayos realizados en las pruebas de validación del método. INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES La madera se podría decir, sin temor a equivocarse, es el primer material que utilizó el hombre para fabricar herramientas, armas y construir su vivienda, a pesar de todos los avances técnicos, la madera sigue estando vigente como material para la construcción, tanto por lo estético como por sus propiedades físico - mecánicas de resistencia mecánica, aislamiento, versatilidad, etc. Pero, sobre todo, por qué tiene una huella de carbono neutra, frente al cemento que se estima en 800kg por tonelada. Las desventajas de las maderas enteras y grandes, en la construcción, radican principalmente en lo siguiente:   Mayor costo de las maderas anchas y largas, porque las dimensiones máximas están determinadas por el tronco del árbol del que se obtienen. Dificultades técnicas para procesar madera de grandes dimensiones, como ejemplos: Se requiere equipos de mayores dimensiones para el aserrío; así como el secado de madera con espesor mayor a 2 pulgadas, técnicamente es posible pero económicamente no es rentable porque la razón es cuadrática. Las desventajas de las maderas enteras y grandes, han sido superadas con el desarrollo de la tecnología de los materiales y adhesivos. Actualmente, en el mercado exterior se encuentran muchos materiales para construcción, que son madera adherida con otros materiales y otras maderas. Pero todos estos productos provienen de madera reforestada, como pino y eucalipto. Imagen 1, invernadero, Winter Garden, studio Pringle, Richards, Sharratt Architects 11 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA En el mercado nacional hay disponible muchos productos de madera unidos con adhesivos, mayoritariamente los de calidad, son de origen importado, generalmente de madera pino de reforestación. La oferta nacional de productos adheridos de madera es con tecnología basada en ficha y propiedades técnicas provistas por los mismos proveedores de los productos adhesivos. Los fabricantes de productos de madera, basados en algunas pruebas empíricas, con buen criterio, han desarrollado muchos productos. Sin embargo, muchas no cuentan con la rigurosidad técnica necesaria que les permita predecir, con un mínimo grado de incertidumbre, el comportamiento de las uniones encoladas. Por otra parte estos ensayos no se documentan correctamente. Es así que, hay muchos procedimientos implementados, basados en el buen criterio técnico de lograr un mejor producto pero no necesariamente apropiados, quedando siempre mucha incertidumbre. En estas condiciones, difícilmente se pueden desarrollar productos competitivos, con maderas nativas para el mercado nacional y de exportación, menos aún productos de uso estructural. Este problema central tiene otros múltiples efectos, como un bajo aprovechamiento de la madera rolliza que se extrae, bajos precios de los productos de madera, oferta de productos con poco valor agregado, mínimo crecimiento del sector y deforestación de los bosques. IMPORTANCIA DEL TEMA El Perú cuenta con el segundo bosque más grande del mundo. Sin embargo, exportamos menos de US/$100 millones al año de productos forestales. Estudios indican que de los árboles que se extraen, solo se aprovecha el 17,8% (FAO 2001) del volumen extraído, que constituyen las tablas, cuartones y listones de madera comercial, sin embargo, solo 55% de dichos porcentaje tiene alto valor comercial, el resto son medidas pequeñas con poco valor comercial en el mercado. El contar con un método para determinar los parámetros óptimos de los procesos, para la unión de maderas mediante adhesivos, nos permitiría fabricar y ofertar productos, con un valor de por lo menos 4 veces superior al que se obtiene 12 actualmente, porque la madera corta y de recuperación, contiene muy poco valor agregado, generalmente tiene un precio mínimo de refugio o de recuperación. Precisamente utilizando estas secciones de madera con pequeñas dimensiones, se mejoraría sustancialmente el aprovechamiento de la madera rolliza. Según estudios de la FAO 2001, en el mundo el aprovechamiento de la madera rolliza como madera es de 55%, en el Perú es de 17,8%, si bien se puede discutir que son arboles de plantaciones manejadas y que los troncos son de mejor calidad, también se puede decir que los troncos de bosques naturales al ser de mucho mayor diámetro, deberían tener mejor aprovechamiento. La explicación más razonable es la tendencia a valorar más a lo que en el mercado se llama madera comercial larga, mientras que la madera recuperada llamada corta y paquetería se valora muy poco y se prefiere hacer carbón o descartarla, en lugar de darle valor agregado. Por tanto un proceso para dar uso a secciones pequeñas de madera debería contribuir a mejorar el aprovechamiento de la madera rolliza en el Perú. HIPÓTESIS La resistencia al cizallamiento de las uniones adheridas de maderas, está determinada por los valores de los parámetros en el proceso de realizar las uniones, que afectan la resistencia de la unión, un método validado de determinación de los parámetros óptimos, permitirá optimizar la producción de producto de madera, así como, diseñar y producir componentes de uso estructural con las maderas amazónicas. OBJETIVO DEL ESTUDIO El objetivo dela tesis, es validar un método, para determinar los parámetros óptimos de los procesos de unión de madera con adhesivos, obteniendo la máxima resistencia al cizallamiento (kg/cm2). Para aplicarlos al desarrollo de componentes de madera de uso estructural. ALCANCES Está tesis se limita a validar el método, con la implementación y los primeros resultados de los ensayos alcanzados con la aplicación del método propuesto. Ensayos que se harán con unas especies de maderas pocos conocidas (LKS, Less Know Specie) y, una clase de adhesivo de 3 marcas diferentes. La clase de adhesivos para iniciar la investigación, será la cola blanca de carpintero, de uso popular en el mercado. Sin embargo los alcances de esta tesis son muy amplios, porque su implementación beneficiaria primeramente a todos los producen que elaboran productos de madera y todos los que consumen dichos productos, es decir a todos los peruanos, en los siguientes aspectos:     Su aplicación permitirá desarrolla mejoras en las uniones de maderas con adhesivos. Obteniéndose productos de mejor calidad y competitivos. Mejora y reducción de costos en la producción de productos de madera, al mejorar los procesos y el aprovechamiento de la madera. Mejora de la producción de productos de madera para el mercado local y de exportación. Es base para el desarrollo de nuevos productos con madera de pequeñas secciones adheridas, con el aprovechamiento de la madera corta y de  recuperación. Base para desarrollar de vigas laminadas y tableros a listonados de madera, para uso estructural y en construcción, con el aprovechamiento de la madera corta y de recuperación. De gran demanda en el país porque hay déficit de    viviendas en el país. Base para el diseño y desarrollo de nuevos equipos y maquinarias con el aprovechamiento de madera corta y de recuperación. Impulsará la mejora en el nivel de aprovechamiento de la madera en el Perú que es de 17,8% (FAO 2001). Base para el desarrollo de una tecnología de no tala de árboles, que mitigue la depredación de los bosques y permita agregar valor al bosque, sin dejar de producir madera, así como contribuir a mitigar el cambio climático. METODOLOGIA Se inicia la investigación con visitas técnicas y entrevistas con los encargados de producción de aserraderos, empresas de producción de productos de maderas, así como proveedores de adhesivos, de los cuales se deberá obtener, las fichas técnicas sobre los adhesivos y las variables que afectan el pegado. Conjuntamente con una investigación bibliográfica, sobre la madera, los procesos de la madera para la producción de productos, los adhesivos y sus usos, así como de normas técnicas relacionadas e investigaciones y tesis realizadas. Se determinaran las variables, desde la perspectiva de los que emplean los adhesivos, conjuntamente con las de los proveedores de adhesivos. Se diseñará y formulará un método experimental para determinar los parámetros óptimos de los procesos de pegados. Requiriéndose los siguientes resultados: 1. Una metodología para investigar las variables en el encolado de las maderas, con implementación de métodos, procedimientos, equipos y materiales necesarios. 2. Diseño y construcción de un equipo de construcción de probetas de ensayo. 3. Validación del método propuesto para determinar los factores y parámetros que afectar la resistencia de las uniones adheridas. CAPITULO I 1.1. DIAGNOSTICO 1.1.1 INVESTIGACIÓN EN CAMPO Y BIBLIOGRÁFICA Se han hecho vistas técnicas y entrevistas con:  Tres fábricas de triplay, tableros enchapados y alistonados, realizando entrevistas a los ingenieros encargados de producción sobre la fabricación de los tableros y en especial sobre los parámetros delos procesos de pegado.  o Imosa o Triplay Amazónico o GEA Tres visitas a aserraderos de troncos, entrevistando a los técnicos sobre el proceso de aserrío de la madera.  o Aserradero Vásquez o Aserradero Monte Blanco o Aserradero Peso Una visita a la fábrica de tableros aglomerados; en la entrevista se trató sobre los procesos de fabricación de los aglomerados y melamina.  o Tableros Peruanos Dos visitas a madereras, que habilitan y proveen de madera para construcción y se ha entrevistado a los encargados dela comercialización de madera para construcción y el proceso de habilitado. o Maderera Mantovani S.A. o Amazonias Maderas 16  Tres visitas a fábricas de muebles y productor de madera, realizando entrevistas a los ingenieros encargados de producción, sobre, la fabricación de mueble y productos de madera, en especial sobre los parámetros de los procesos de pegado.  o Exportimos o Taller A. o Industry of Furniture Tres entrevistas con técnicos de tres marcas de adhesivos conocidas en el mercado nacional, se solicitó sus fichas técnicas, y trato sobre las características y ventajas de sus productos.  o Glucom o Racol o Fuller Se han realizado un promedio de 20 horas de visitas a internet. 1.1.2 PRODUCTOS DE MADERA QUE UTILIZAN ADHESIVOS La oferta nacional de productos de madera que utilizan procesos con adhesivos se dividen en los siguientes grupos:  La producción de triplay, tableros enchapados y tableros alistonados; son todos productos consistentes en tableros formados por láminas y/o piezas de madera unidas por adhesivos. El papel del adhesivo es fundamental porque es el único    elemento de unión entre los componentes. Tableros aglomerados; son tableros formados con viruta y aserrín de madera aglomerada con adhesivos. En la fabricación de muebles, las piezas de madera se unen utilizando sistemas de ensambles con espigas y se fijan con adhesivos. En país no existe producción de productos de madera para uso estructural unidas con adhesivos, como pilares o vigas compuestas laminadas. Los elementos estructurales como vigas y pilares se fabrican de maderas enteras solidas y/o reticuladas con uniones mecánicas de clavos y/o pernos. 17 Figura 2 1.1.3 Figura 3 TRIPLAY, TABLEROS De las vistas técnicas y entrevistas realizadas encontramos lo siguiente: Los procesos para el encolado son similares en la fabricación del triplay, tableros enchapados y tableros alistonados. Se inicia con la preparación de las láminas o de la madera en el caso de los tableros alistonados. Las láminas se preparan a partir del tronco, desenrollándose una lámina continua en un torno laminador, luego se corta en sección mediante una guillotina, con demasía en relación a las dimensiones finales del tablero. Los listones para los tableros alistonados, se obtienen aserrando listones, de madera recuperada de los centros, resultante del proceso de torneado de laminación y/o de la recuperación del aserrío de madera comercial, las dimensiones son generalmente 15mm a 20mm de espesor, 45mm a 50mm ancho, 25mm a 60cm de longitud. El proceso de aserrío consiste primero hacer bloque con el espesor del ancho del listón, luego se corta los listones empleando una sierra múltiple. El secado de las láminas se realiza en un túnel de secado, generalmente al contenido de humedad de 15% (CH15%) en relación al peso seco de la madera, es decir la madera con 0% de humedad. Los listones se secan en un horno de secado tipo túnel, generalmente a CH15%. El encolado de láminas, consiste en aplicar la cola, en una de las caras, con una maquina encoladora que generalmente consta de un rodillo aplicador. Las láminas se ensamblan una sobre otra en capas generalmente de a 3 y se prensan. La cola es de base fenólica o formaldehido de tipo termo estable, generalmente se requiere calentar hasta 100Cº, para que el adhesivo se active y/o seque lo suficiente para poder mover las piezas unidas. El prensado se realiza en equipo que tiene platos múltiples con la dimensiones ligeramente mayor al tablero en proceso, la presión aplicada puedes llegar hasta 20kg/cm2. El encolado de tableros alistonados; la cola se aplica en los cantos de los listones y se ensambla sobre una mesa con calentamiento que cuenta con un bastidor de las dimensiones del tablero a fabricar, luego el bastidor aplica presión en el perímetro del tablero. También se puede hace en forma continua, emplear una maquina componedora, que forma una especie de tablero continuo entre dos placas calientes. 1.1.4 LOS FACTORES Y PARÁMETROS DE PROCESO EN EL ENCOLADO DEL TRIPLAY Y TABLEROS Los parámetros del proceso, están basadas en la recomendación de los proveedores de adhesivos, que son ajustados por los usuarios en base a algunos ensayos empíricos. Estos parámetros son ajustados tomando en cuenta los siguientes factores y parámetros: 1. Acabado de las superficies 2. Tiempos de ensamble 3. Tiempos de cierre. 4. Presión de cierre. 5. Temperatura en cierre. 6. Tiempo de curado. Ensayos y pruebas: En todas las empresas de triplay visitadas, la única prueba empírica que realizan regularmente, consiste en sumergir en agua fría y/o caliente pequeñas secciones de triplay, por uno o más días, y esperar que las láminas no se despeguen. Básicamente es una prueba para determinar la resistencia del adhesivo al agua y la humedad. Pero, esto se hace sin normalización; tampoco se lleva un registro de estos ensayos. Cuando se consultó a los técnicos e ingenieros encargados de la producción, sobre cuál era la resistencia al esfuerzo máximo de la unión encolada entre las láminas, ninguno pudo dar respuesta a esta pregunta. R Resistencia al cizallamiento 2 Kg/cm Ga Ha (a) Medio ambiente Pa M C Variaciones de cada factor y/o parámetro GEA Factores que influyen en la resistencia al cizallamiento 2 (Kg/cm ) TRIPLAY AMAZONICO Código de factor IMOSA Cuadro A, de factores y/o parámetros para triplay y tableros alistonados No tienen datos (Ga) Grados Cº, temperatura (Ha) Humedad relativa (%) (Pa) Presión atmosférica. (M )especie de madera M1,2,3,4,,,,,, (C) cola C1,2,3,4,…… 30 30 30 80 80 80 Presión normal una atmosfera LUPUNA, PANGUANA Úrea formaldehido No hay medida, solo se controla que la capa cubrir uniforme toda la superficie EP (EP) Espesor de la (R) recomendación película en micras del proveedor CH% (CH) % de Contenido de Humedad de la madera Se seca en túnel de secado (horno) D (D)Dirección del Corte Tangencial No aplicable es fibra entre cruzada A (A) Acabado superficial El corte de torno equivale a un pulidos Corte de sliceres muy fino (pulido) TE (TE)Tiempo de Ensamble Minutos., No hay límite recomendado No es aplicable TC (TC) Tiempo de Cierre minutos Tiempo necesario para qué la cola alcance temperatura de ajuste Aprox. 15min/cm PR (P)Presión de Cierre (kg/cm2) PR recomendada por fabricante (5 a 6) GR (G) temperatura de Curado en Cierre. TA (TA)Tiempo de curado abierto Hora 18 18 18 3 3 3 GCR promedio Rf 100 100 100 TAR Recomendado por proveedor 72 72 72 Fuente propia tabulada de las visitas técnicas realizadas 1.1.5 LOS TABLEROS AGLOMERADOS Solo existe una fábrica de tableros aglomerados en el Perú (Laredo), la cual utiliza una mezcla de madera pino y eucalipto. El proceso comienza chipiando la madera hasta reducirla a virutas, luego se seca y mezcla con úrea formaldehido, esta mezcla es depositada en un molde, para ser prensada y calentada, formándose el tablero. 1.1.6 MUEBLES DE MADERA De las visitas técnicas y entrevista con los técnicos, los procesos de encolado en la fabricación de muebles son los siguientes: Maquinando: Generalmente el sistema de ensamble, como machihembrado o caja y espiga, sin embargo también puede ser, a tope como los tableros alistonados o en láminas. Generalmente se prensan con sargentas (prensas manuales de tornillo). Machihembrado: Consiste generalmente en tallar longitudinalmente un canal en un canto y en el canto opuesto una lengüeta que encaje en dicho canal. Esta operación ser realiza con una maquina tupi, por medio de una un juego de frezas con el perfil, macho y hembra. Caja y espiga: La caja consiste en tallar un canal corto cerrado por ambos extremos, y tallar una espiga con el perfil y la profundidad de dicho canal corto, con un ajuste afín de que ingrese a presión. El proceso de hacer el canal corto se realiza en una máquina escopladora, y la espiga mediante una maquina espigadora, que consiste en reduce el ancho y espeso de un extremo para que encaje en el canal corto que es la caja. Encolado: Se utiliza generalmente un chisguete aplicador y se esparce con una espátula o brocha. Ensamble: Se ensamblan las piezas artesanalmente introduciendo las espigas en las cavidades a golpes; cuando son muchas unidades se realiza mediante una prensa de ensamblado. La cola: En todas las empresas fabricantes de muebles visitadas, emplean la cola PVA, cola blanca de carpintero (cola sintética) de diversas marcas. Prensado: Cuando la unión utiliza un ensamble de caja y espiga, no requiere prensado para fijar la piezas, sin embrago, en las uniones a topo y tipo machihembrada, se prensan, usualmente con sargentas. 1.1.7 LOS FACTORES Y/O PARÁMETROSDEL PROCESO EN EL ENCOLADO DE MUEBLES DE MADERA Los parámetros del proceso están basados en la recomendación de los proveedores de colas, los cuales son ajustados en algunos ensayos empíricos, se han obtenido los siguientes factores y parámetros: 1. La especie 2. La cola 3. Contenido de humedad de la madera 4. Orientación del corte 5. Preparación de las superficies de encolado y las uniones 6. Tiempos de ensamble 7. Tiempos de cierre. 8. Presión de cierre. 9. Temperatura en cierre. 10. Tiempo de curado. Ensayos y pruebas: En todas las empresas visitadas, la prueba empírica consiste tomar una unión encolada y someterla a algún esfuerzo o impacto para flexionarlos o separarlo, pero esto se hace manualmente sin un mecanismo para medir el esfuerzo y sin normalización; tampoco se llevan registros de estos ensayos. Se debe mencionar que indicaron que la orientación del corte, el contenido de humedad y el tipo de madera podían influir en la resistencia de las uniones de madera. Cuando se consultó a los técnicos é ingenieros encargados de la producción, sobre cuál era el esfuerzo máximo de la unión encolada entre las láminas, ninguno pudo dar respuesta a esta pregunta. R Resistencia al cizallamiento 2 Kg/cm Variaciones de cada factor y/o parámetro Según proveedor 2 100kg/cm Industry of Furniture Factores que influyen en la resistencia al cizallamiento 2 (Kg/cm ) Talle A Código de factor Exportimo Cuadro B, de factores y/o parámetros para encolado de muebles de madera No tienen datos M (M )especie de madera (Ga) Grados Cº, temperatura (Ha) Humedad relativa (%) (Pa) Presión atmosférica. 3000 especies conocidas C (C) cola C1,2,3,4,…… EP (EP) Espesor de la Cubrir la superficie a película en micras encolar CH% (CH) % de humedad de la madera (S) seca al horno (H) sin secar al horno. D (D)Dirección del Corte Corte (R)Radial Corte (T)Tangencial Se estima una diferencia y hay recomendaciones de no mezclar corte radial con tangencial A (A) Acabado superficial (D)al corte de disco, (C)cepillado, (L)lijado., pulidos Se considera que las superficies rugosas son mejores TE (TE)Tiempo de Ensamble Minutos., TC (TC) Tiempo de Cierre minutos PR (P)Presión de Cierre (kg/cm2) Suficiente para no dejar burbujas de aire No hay control, se prensas con tornillo de ajuste manual GR (G) temperatura de Curado en Cierre. Ha mayor temperatura menos tiempo Temperatura ambiente TA (TA)Tiempo de curado abierto Hora Recomendado por proveedor 3 días Ga Ha (a) Medio ambiente Pa La cola blanca requiere tener solvente para el ensamble Recomendable el mayor tiempo posible, hasta poder manipular la unión 25 25 25 90 90 90 Presión normal una atmosfera Diversas especies Cola blanca de carpintero (cola sintética) No hay medida, solo se controla que la capa cubrir uniforme toda la superficie 15 15 15 Máximo 10 min Mínimo 1 hora No se aplica Fuente propia tabulada de las visitas técnicas realizadas 1.1.8 LOS FACTORES Y/O PARÁMETROS DEL PROCESO DE ENCOLADO SEGÚN LOS PROVEEDORES DE ADHESIVOS Se han visitado tres empresas proveedoras de pegamentos, que proveen colas con diversas bases. En lo que respecta a la cola blanca de carpintero, las tres cuentas con más de dos marcas en el mercado, se diferencian básicamente por el precio y por el contenido de sólidos. En todos los casos se seleccionó la marca con más contenido de sólidos, de cada una de las empresas, las marcas de colas son las siguientes: 1. GLUKOLA UR, es desarrollada y formulada en el Perú. 2. DORUS KL 4010, es desarrollada en el exterior y formulada en el país. 3. RAD3, es 100% procedente del exterior. De las fichas técnicas obtenidas de estas colas se ha confeccionadora TABLA 1 que a continuación se muestra: TABLA 1 LAS COLAS COD C1 C2 C3 COLA BASE % SOLIDOS GLUKOLA Resina de Polivinilo UR Acetato (PVA) Resistencia N/mm2 49 - 51 DORUS KL4010 Resina de Polivinilo Acetato (PVA) 47+-3% RAD3 Resina de Polivinilo y Vinil Ester (PVA) 49 - 51 10 Fuente propia tabulada de las visitas técnicas realizadas Según los mismos proveedores de las colas, los factores y/o parámetros a tomar en cuenta son: 1. Preparación de las superficies de encolado 2. Espesor de la capa del pegamento 3. Tiempos de ensamble 4. Tiempos de cierre. 5. Presión de cierre. 6. Temperatura en cierre. 7. Tiempo de curado. 8. Condiciones en el curado CUADRO C, FACTORES Y/O PARÁMETROS DEL PROCESO DE Variaciones de cada factor y/o parámetro Resistencia al cizallamiento 2 Kg/cm R Ga (a) Medio ambiente Ha Pa RAD3 Factores que influyen en la resistencia al cizallamiento (Kg/cm2) DORUS KL4010 Código de factor GLUKOLA UR ENCOLADO SEGÚN LOS PROVEEDORES DE ADHESIVOS No presentan datos 100 (Ga) Grados Cº, temperatura 25 (Ha) Humedad relativa % 85 (Pa) Presión atmosférica. Condiciones normales Más de 4 clases de adhesivos de distinta base. M (M )especie de madera M1,2,3,4,,,,,, C (C) cola C1,2,3,4,…… EP (EP) Espesor de la Cubrir la superficie a película encolar CH% (CH) % de Contenido de Humedad de la madera (S) seca al horno (H) sin secar al horno. 10 a 25 D (D)Dirección del Corte Corte (R)Radial Corte (T)Tangencial No hay recomendaciones A (A) Acabado superficial, (D) al corte de disco, (C) cepillado, (L) lijado. Superficie limpia libre de polvos TE (TE)Tiempo de Ensamble Minutos., Mínimo debe haber solvente para el ensamble 10 TC (TC) Tiempo de Cierre minutos Recomendable el mayor tiempo posible, hasta poder manipular la unión PR (P)Presión de Cierre (kg/cm2) recomendada Suficiente para no dejar burbujas de aire 3 a 7 kg/cm GR (G) temperatura de Curado en Cierre. Ha mayor temperatura menor tiempo Temperatura ambiente Temperatura ambiente o hasta 80C TA (TA)Tiempo de curado abierto Hora Tiempo para 80% resistencia Máxima C1 C2 125 a 175 g/m C3 2 10 10 Mínimo 30 minutos 2 Mínimo 72 horas Fuente propia tabulada de las visitas técnicas realizadas. 1.2. RESULTADOS DEL DIAGNOSTICO Como resultado de las visitas técnicas realizadas, tanto a proveedores de colas como a los fabricantes de productos de madera, hemos tabulado en total 16 factores y/o parámetros que determinan la resistencia de las uniones encoladas: Entre los cuales son 3 los factores del medio ambiente a tomar en cuenta: 1. Temperatura 2. Humedad relativa 3. Presión atmosférica Son 6 los factores considerados por los fabricantes de productos de madera: 1. Especie de madera 2. La cola 3. Preparación de la superficie 4. Área encolada 5. Orientación del corte 6. Contenido de humedad de la madera Son 7 los factores considerados por los proveedores de los pegamentos: 1. Espesor de capa del pegamento 2. Tiempo de ensamble 3. Tiempo de cierre 4. Presión de cierre 5. Temperatura de cierre 6. Tiempo de curado 7. Condiciones del curado En la Tabla 2 ha continuación, se tabulan todos los factores a considerar (fuente propia, resultado de visitas técnicas), que afecta la resistencia de las uniones encoladas de los procesos de fabricación con madera. R Resistencia al cizallamiento 2 Kg/cm Ga Ha (a) Medio ambiente No presentan datos 25 (Ha) Humedad relativa % 85 Industry of Furniture Condiciones normales M (M )especie de madera 3000 especies conocidas C (C) cola C1,2,3,4,…… EP (EP) Espesor de la Cubrir la superficie 2 125 a 175 g/m película a encolar CH% (CH) % de humedad de la madera No hay adhesivos específicos Más de 4 clases de adhesivos de distinta base. 10 a 25 No hay recomendacion es D (D)Dirección del Corte Corte (R)Radial Corte (T)Tangencial A (A) Acabado superficial, (D) al corte de disco, Superficie limpia libre (C) cepillado, de polvos (L) lijado. TE (TE)Tiempo de Ensamble Minutos., Mínimo debe haber solvente para el ensamble 10 TC (TC) Tiempo de Cierre minutos Recomendable el mayor tiempo posible, hasta poder manipular la unión Mínimo 30 minutos PR (P)Presión de Cierre (kg/cm2) GR (G) temperatura de Curado en Cierre. TA (TA)Tiempo de curado abierto Hora 10 Cola blanca de carpintero (cola sintética) No hay medida, solo se controla que la capa cubrir uniforme toda la superficie 15 (S) seca al horno (H) sin secar al horno. Suficiente para no dejar burbujas de aire Ha mayor temperatura menor tiempo Tiempo para 80% resistencia Máxima Talle A No tienen datos 100 (Ga) Grados Cº, temperatura (Pa) Presión atmosférica. Pa Exportimo Variaciones de cada factor y/o parámetro RAD3 Factores que influyen en la resistencia al cizallamiento (Kg/cm2) DORUS KL4010 Código de factor GLUKOLA UR TABLA 2 10 15 15 Se estima una diferencia y hay recomendaciones de no mezclar corte radial con tangencial Se considera que las superficies rugosas son mejores Máximo 10 min Mínimo 1 hora 3 a 7 kg/cm No hay control, se prensas con tornillo de ajuste manual Temperatura o ambiente hasta 80C Temperatura ambiente 2 Mínimo 72 horas No se aplica CAPITULO II 2.1. MARCO TEORICO La investigación aplicada propuesta, toca varios campos de la tecnología aplicada, respecto al empleo, aprovechamiento, procesamiento e interacción entre los materiales, como es la madera y los adhesivos, así como los fundamentos para el estudio e investigación del uso de materiales y su resistencia. Los temas teóricos a tratar son: 1) La madera, características, propiedades físico mecánicas y su procesamiento y transformación, para la fabricación de productos con el empleo de adhesivos. 2) Los adhesivos, sus características fisicoquímicas y el proceso de adherencia. 3) La tecnología de la unión de maderas mediante adhesivos. 4) Análisis estadísticos de los resultados de las investigaciones y ensayos. 2.2. LA MADERA 2.2.1. MORFOLOGÍA Figura Nº 4: Morfología de la madera 28 La morfología de la madera está conformada por ejes vegetativos que crecen en capas concéntricas, con estructura de fibras longitudinales. La conformación de productos orgánicos que se forman dentro de estas estructuras es infinita y muy variada (ver figura nº4). 2.2.2. CORTES DE LA MADERA En la figura Nº 5, se observa el corte trasversal de esta estructura, en donde se aprecia las capas como anillos concéntricos, donde cada anillo permite distinguir los cambios de estación de un año a otro. Mientras que si se hace un corte tangencial a este cilindro, se aprecia las vetas que usualmente se observa en la madera. Por otro lado, un corte que atraviese los anillos de crecimiento (Corte Radial), las vetas se verían como líneas paralelas. Cote radial (A) corte Tangencial (B) Figura Nº 5: Cortes de la madera La dirección del corte determina las deformaciones y contracción que sufre la madera, en el proceso de secado. El conocimiento de esto permite estimar una demasía para lograr una medida final. Las maderas en corte radial son las más estables dimensionalmente y son las más preciadas en el mercado internacional, especialmente en maderas utilizadas para pisos. La principal ventaja del corte radial es que las tensiones están orientadas en la dirección de más ancho de sección, contrarrestando los efectos de flexión y alaveamiento. El aserrado de maderas, según el estado de la técnica, es un proceso relativamente fácil y de alta precisión, por el uso de discos de corte y cuchillas insertadas con pastillas recubiertas diamantadas o de carburo de silicio, cuyos ángulos cortantes 29 son muy durables y proporcionan un corte limpio y muchas veces sin necesidad de otro proceso de cepillado. Ver figura Nª 8 Figura Nº6. Corte de madera Los tipos de máquinas de corte y cepillado que se usan con mayor frecuencia son la sierra circular, el cepillo calibrado, garlopa de banco y la galopa cepilladora. La diferencia de estas últimas es que la garlopa cepilla la cara inferior, mientras que el cepillo calibrador cepilla la cara superior manteniendo el mismo espesor a lo largo de toda la madera. En la figura Nª 7 se observa una maquina universal que cuenta con Sierra circular, Garlopa, Cepillo calibrados, Ecopladora y Tupi y afiladora múltiple. Figura Nº 7 : maquina Universal Figura Nº 8: Cepillo calibrador Después de la extracción de la madera en trozas, estas son llevadas a plantas de aserrado donde son cortadas en formas prismáticas con diversos cortes según la zona y orientación dentro del tronco. Generalmente se presentan tres tipos de cortes: radial, tangencial y oblicuo, según la orientación de las fibras de la madera, como mostramos en la figura 9 a continuación. 30 FIGURA 9 Corte Radial Corte Tangencial Corte Mixto 2.2.3. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LA MADERA. Las propiedades principales de la madera son resistencia, dureza, rigidez y densidad. Ésta última suele indicar propiedades mecánicas puesto que cuanto más densa es la madera, más fuerte y dura es. 31    La resistencia engloba varias propiedades diferentes; una madera muy resistente en un aspecto no tiene por qué serlo en otros. Además la resistencia depende de lo seca que esté la madera y de la dirección en la que esté cortada con respecto a la dirección del grano. La madera siempre es mucho más fuerte cuando se corta en la dirección del grano, es decir cortes radiales, por eso las tablas y otros objetos como postes y  mangos se cortan así. La madera tiene una alta resistencia a la compresión y tracción en la dirección paralela a la fibra, en algunos casos superior, con relación a su peso a la del    acero. La madera tiene baja resistencia a la tracción en la dirección perpendicular a la fibra y moderada resistencia a la cizalladura. La alta resistencia a la compresión es necesaria para cimientos, columnas y soportes en la construcción. La resistencia a la flexión es fundamental en la utilización de madera en estructuras, como viguetas, travesaños y vigas de todo tipo. A continuación graficamos los principales esfuerzos mecánicos que la madera puede resistir. Compresión paralela. Es la resistencia dela madera a soportar cargas de compresión paralelas a la dirección del grano. FIGURA 10, Compresión paralela a la fibra Tracción paralela. Es la resistencia de la madera a soportar cargas de tracción paralelas a la dirección del grano. 32 FIGURA 11, Tracción Corte o cizallamiento. Es la resistencia de la madera a soportar cargas de cizallamiento que pueden ser paralelas o perpendiculares al grano. FIGURA 12, Cizallamiento Es la resistencia de la madera a soportar cargas originadas por una carga vertical sobre una cara de ella. Esta carga genera esfuerzos de cizallamiento paralelos al grano, esfuerzos de compresión y esfuerzos de tracción. FIGURA 13, Flexión Compresión Tracción Cabe añadir que también la madera puede estar muchas veces exigidas, por la combinación de estos efectos. 33 2.2.4. ESPECIES: Se estiman que en el Perú existen aproximadamente 3,000 especies arbóreas conocidas (1/3 del total) de los cuales la mayoría son LKS (Less know specie) ya que sólo un grupo pequeño (aproximadamente 25 a 30 especies) son comerciales. Dentro de las especies LKS, se encuentran muchas con características y 3 propiedades muy singulares, como por ejemplo especies de menos de 130 kg/m , 3 mientras que la quinilla colorada alcanza la densidad 890 kg/m . 2.2.5. USO ESTRUCTURAL. Actualmente en el Perú, el uso de madera como elemento estructural en la construcción, es muy limitado. Mayoritariamente sólo se destina para carpintería de puertas y ventanas y para cobertura de pisos de parquet o similar. No hay un uso difundo para estructuras de varios pisos debido a que es considerada no apta para construcción de múltiples niveles y por qué los costos de construcción y operación son relativamente elevados. Sin embargo, su uso debería ser más intensivo y extensivo debido a que el futuro impone la mitigación al cambio climático. En este sentido la producción y uso de madera tiene una doble ventaja; por un lado, la madera es un medio para capturar el carbono atmosférico y, por otro lado permite reducir las emisiones de CO2. La madera tiene una huella de carbono MUY BAJA en comparación con el concreto armado, ladrillo tarrajeado e incluso el drywall. La madera tiene otras múltiples ventajas, estructuralmente son antisísmicas, buen aislante del calor y sonido. Resiste al calor del fuego y es ignífuga con el tratamiento y aplicación de un acabado especial. Finalmente es uno de los materiales de acabado más finos, agradable al tacto y a la vista, proyecta calidez, y siempre es muy apreciado en todos los mercados. Uno de los aspectos negativos es la tala indiscriminada que sobrepasa el ritmo de crecimiento y desarrollo de los bosques. Si se tala un árbol se requerirá, de acuerdo a cada especie, un lapso de 45 a 80 años para que se desarrolle otro semejante. De un árbol talado, en general se aprovecha menos del 50%, tomando en cuenta que se dejan en el bosque las ramas, aletas de la base, las secciones muy delgadas, torcidas, cortas, rotas y rajadas. 34 Por otra parte del volumen total del tronco obtenido también se aprovecha entre 18% y 45%, siendo aproximadamente del 20% al 25% en aserrín y viruta, del 15% al 20 % de trozos muy delgados, retacería y recortes, y el resto en leña, carapa, etc. En cuanto al uso de maderas largas, para funciones estructurales, se presentan limitaciones de orden operativo, técnicos, costos, pandeos, y otros problemas de manipulación, secado, corte, cepillado y transporte. 2.2.6. RESISTENCIA MECÁNICA La resistencia mecánica de la madera se relaciona directamente con su densidad y contenido y distribución de la lignito en sus estructuras de fibras, esto hace que la resistencia varíe significativamente en los tres ejes, así como si es de tracción o compresión. TABLA 3 CARACTERISTICAS FISICO MECANICOS DE LA MADERA COD M1 ESPECIES Color del duramen Densidad gr/cm3 básica M2 M3 M4 M5 M6 Cachim Copaiba Bolaina Capirona Shihuah Panguan bo uaco a blanco Marrón cremos 610 410 760 870 490 590 Contracción radial (%) 4,96 3,40 3,50 5,0 5,50 3,71 Contracción tangencial (%) 7,58 7,00 5,50 9,0 9,10 6,88 Contracción Volumétrica (%) 8,58 10,70 10,75 15 15 6,69 468 587 303,43 425 1353 380 Módulo elasticidad en 2 Flexión (Kg/cm ) 131000 112000 97860 100000 153000 100000 Módulo de Rotura en 2 flexión (kg/cm ) 735 736 507 723 1286 511 Compresión 2 (kg/cm ) 342 268 270,60 283 672 264 66 74 50,91 67 145 41 Dureza 2 (Kg/cm ) de lado paralela Compresión 2 perpendicular (kg/cm ) Fuente, Estudios realizados por el Acuerdo de Cartagena 35 En general la resistencia a la tracción paralela a la fibra y flexión alcanza valores muy altos, comparativamente mejores que el acero, si lo dividimos entre la densidad de cada uno. Igualmente, la resistencia a la compresión paralela a la fibra es muy superior a la del concreto. Por estas propiedades, es un excelente material para uso estructural en la construcción. Por las muchas especies, las aplicaciones son múltiples y variadas, hay especies muy duras para usarse en los pisos y/o estructuras de puentes, y algunos de densidades, muy bajas para usarse en tabique y como material aislante. Usando combinadamente se pueden lograr construcciones muy fuertes, sólidas y muy estéticas (ver Tabla 3). 2.2.7. CÁLCULO DE LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN DE LA MADERA σult= Fult /A en kg/cm 2 Dónde: ult = Esfuerzo último a la tracción paralela a la fibra, con aproximación de.10Kg. Fult = Carga máxima que resiste antes de fallar, en kg. 2 A = Área de la sección (cm ) El Módulo de Elasticidad, se calcula como la pendiente de la curva esfuerzo vs. Deformación unitaria determinada entre los valores de carga 0,2Fult y 0,8Fult 36 2.2.8. CALCULO DEL ESFUERZO DE FLEXIÓN Y DE CORTE FIGURA 14 τ =σ = 3PL/2bh2en kg/cm2 Dónde: = Esfuerzo a flexión último, con una aproximación de .5 kg. = Esfuerzo a corte último, con una aproximación de 5 kg. P = Carga aplicada L= Distancia entre apoyos b = Ancho de la probeta h = Alto de la probeta M = Momento máximo para cada aplicación de carga. Determinado por medio de un análisis elástico de una viga estáticamente determinada. 2.2.9. PROCESOS BÁSICOS DE PRODUCCIÓN CON MADERA. Proceso 1: Selección de material Consiste en escoger las secciones de madera adecuadas en calidad y cantidad, según el requerimiento de la lista de materiales. Proceso 2: Habilitado primario Las maderas deben aserrarse al espesor, ancho y largo, con la tolerancia y demasías, necesarias para absorber la contracción por secado y acabado, sin que queden marcas del proceso de corte y habilitado. 37 Proceso 3: Secado El secado se debe realizar a un nivel de humedad en equilibrio con el medio donde se ubica la madera. El contenido de humedad es una propiedad física muy importante porque de ella dependen las propiedades mecánicas óptimas de la madera, así como la fuerza de adherencia y las dimensiones físicas. Por esta razón, es muy necesario el secado al horno para poder aprovechar la madera al máximo y mantener la calidad de los productos derivados en el tiempo. La humedad en la madera se entiende como la relación entre la masa de agua y la masa de sólidos presentes en el material. Si bien en la actualidad hay muchos instrumentos que pueden medir rápidamente y con relativa presión la humedad de la madera, es importante contar con un procedimiento de precisión para comprobar y calibrar dichas mediciones. Cabe resaltar que el contenido de humedad de la madera presenta variaciones en función de la humedad relativa del medio ambiente en donde se encuentra (atmosférica, el brillo solar, la evaporación y otras variables climáticas que influyen en la humedad resultante), tendiendo a llegar al contenido de humedad de equilibrio de la madera en dichas condiciones. En general toda todas las maderas difícilmente se secan al aire y se estabiliza sus dimensiones. Todas las maderas que se utilizan en la fabricación de algún producto, deben ser secadas al horno para asegurar su estabilidad dimensional y óptimas condiciones mecánicas. Un secado al aire (AD), difícilmente puede llegar a menos de 20% de Humedad en lugares como Lima. Un secado en horno puede llegar a 6% de humedad, el tiempo necesario, depende del espesor de la madera, el contenido inicial de humedad y la especie. Como referencia un espesor de 28 mm por lo regular requiere 15 días de secado. El secado en horno se realiza modificando y contralando la humedad y temperatura del medio, y añadiendo energía térmica necesaria para evaporar el agua retenida dentro de la madera, de tal modo que se aceleré el tiempo de secado. Se debe tener en cuenta que 1 metro cúbico de madera puede contener más de 500 litros de agua, lo que supone una demanda importante de energía térmica de alrededor 528 Kcal/litro para evaporar dicha agua. 38 Proceso 4: Maquinado y calibrado de la madera a. Trozado.- Cuando las piezas son muy largas se realiza esta operación, que se realiza en una sierra radial, y consiste en cortar las tablas de madera atreves de en todo su ancho, para predeterminar un largo de las piezas, que faciliten su manipulación en los procesos siguientes. b. Garlopeado.- Es una operación de cepillado de la cara inferior, con una garlopa, se emplea para escuadrar y enderezar un canto o una cara de la tabla de madera, para ser utilizada como guía para obtener una tabla recta. c. Cepillado.- Esta operación se realiza en una maquina regruesadora o cepillo, para calibrar el espesor y llegar al espesor final de cada una de las piezas a trabajar. d. Corte al ancho medida exacta.- Esta operación se realiza en una sierra circular. Consiste en definir el ancho final de las piezas de madera a utilizar, para lo cual se emplea como guía la madera previamente enderezada con la garlopa. e. Corte al largo y ángulo en medida exacta. Esta operación se realiza en una sierra radial mediante el apoyo de guías y plantillas. 2.2.10. UNIÓN DE LA MADERA El proceso de fabricación de objetos de madera supone trabajar con uniones, las mismas que pueden ser de diferentes tipos. Los medios para fijar tales uniones son también muy variados y permiten obtener grados deseados de empalmes y resistencias mecánicas de los objetos fabricados. En nuestro caso, es necesario un estudio de los tipos de uniones para seleccionar las más apropiadas para la fabricación de vigas compuesta y tijerales. En principio existen básicamente tres tipos de uniones de madera: 1. JUNTAS: La unión de dos o más maderas por sus caras o cantos respectivos. 2. ANGULAR La unión formando un ángulo. 3. EMPALMES: Uniones aplicadas para prolongar la longitud de la madera. Estos tres tipos de juntas constan además de una serie de variantes que ofrecen diversos grados de resistencia, solidez y ensambles de partes, desde elementos articulados hasta elementos monolíticos. 39 Ensambles de junta: Los ensambles de junta son los sistemas para unir dos o más piezas de madera, especialmente para unir las caras y los cantos. A continuación enumeraremos los principales ensambles de juntas que se conocen. a. Juntas plana  Junta de Madera superpuesta: La unión se produce por el contacto de una pieza con la otra (para reforzar se requiere cola o clavos)      Junta plana o a tope Junta plana o a tope reforzada con clavijas Junta plana glaseada o a media madera Junta plana ranurada y lengüeta Junta plana y refuerzos de espiga (se emplea para obtener mayor resistencia a roturas)  Junta plana unida mediante doble cola de milano ( suele encontrarse en mobiliario antiguo)  Junta plana unida FIGURA 15 mediante galleta  Junta machihembrada b. Lengüeta     De lengüeta y ranura en ángulo A media madera con lengüeta De lengüeta suelta y ranura Inglete con lengüeta c. Inglete   En cola de milano En cola de milano acuñada 40        Inglete simple Inglete con lengüeta Con llaves de chapa Enclavijado. inglete con junta plana: se corta el extremo de la pieza a 45º inglete con espiga independiente: inglete con llave: se cortan a inglete los extremos de la pieza y se realiza una caja pasante en forma perpendicular Analizando lo anterior concluimos que lo más adecuado, para encolados y traslapados de secciones cortas de madera, es el uso los ensambles de junta, ya que si se emplea otro sistema de lengüeta, inglete o enclavijado implicará un mayor costo de maquinado y mayor inversión en maquinaria y equipo (fresas y cuchillas). Además de ello, se sabe que el desperdicio de madera puede ser mayor si se emplea cuñas, lengüetas o filetes, ya que en general el maquinado de estas piezas puede generar un 25% más de madera para obtener el espesor final requerido. En las juntas encoladas a tope, la sección encolada es más grande y generalmente las colas son más resistentes que el esfuerzo cortante paralelo a la fibra, en donde la unión encolada es más fuerte que la sección útil de la madera. La principal desventaja es que se tiene que mantener prensadas las piezas hasta que la cola se cure lo suficiente para mantenerse unida. Ensambles de empalme: Los ensambles de empalme son sistemas utilizados para prolongar las maderas longitudinalmente. Al igual que las juntas hay múltiples sistemas para empalmar maderas, siendo necesario hacer un estudio para identificar la solución más adecuada para la fabricación de piezas grandes y de espesores requeridos. 41 Figura Nª 16, Ensambles de empalme Figura 17,: Ensambles de empalme de de inglete inglete Empalme a tope con brida:         Empalme media madera Empalme a media madera con testa en sesgo Empalme a media clavija Empalme a horquilla Empalme a espiga cuadrada Empalme a dientes triangulares Empalme a tope con llave en forma de milano Finger Joint El empalme Finger joint que se muestra en la figura Nº 8, es uno de los más eficientes ya que tiene una gran área de encolado con un mínimo traslape y es capaz de recibir cargas de tracción y compresión. Adicionalmente es un empalme fácil de hacer con una fresa simple y con muy poco desperdicio de madera. Dado que el ensamble finger joint no son resistentes en cargas concentradas de flexión, se recomienda traslapar con otros listones para lograr luces cortas o en el caso de los tijerales. Este tipo de empalme es el más adecuado para la conformación de piezas grandes de madera. 42 Figura Nº 18. Empalme finger joint Ensambles en ángulo Son los sistemas para unir componentes por los ángulos de las maderas. Estos tipos de ensamble son muy usados en muebles, puertas, ventanas, etc. Sin embargo un elemento reticulado o tijeral puede utilizar muchos ensambles de ángulo, lo que le daría mayor resistencia a la flexión en grandes luces y una mínima carga estática. En la figura Nº 9 y 10 se observa un ensamblé mediante clavija, traslapada y/o tope: Las uniones a tope se refuerzan con elementos externos a la madera (en su mayoría de origen metálico). El ensamble de caja y espiga, se usa en su mayoría para uniones en ángulo recto, mientras que el ensamblé en ángulo mediante tarugos es el sustituto débil del ensamble de caja y espiga Figura Nº 19: Ensamble en alguno tipo Figura Nº 20 Ensamble en ángulo tipo caja y espiga tarugo a. Media madera: Consiste en tallar o destajar media madera de la pieza con otra media madera. Similarmente al ensamble de empalme, se destaja media madera de un extremo y se ensamble sin destaja en T. 1. En esquina 2. Media madera en T 43 3. Media madera en cola de milano 4. Media madera en cruz 5. Atenaza 6. Lengüeta suelta y ranura 7. Rebaje simple 8. De lengüeta y ranura en ángulo. b. Cola de milano: Ensamble a cola de milano: para uniones que estén sometidas a fuerzas de tracción, la forma trapezoidal, tanto de la espiga como de la caja impide que se deslice. Ver figura 21. FIGURA 21 Lazos vistos o sencillos      Lazos semiocultos Lazos ocultos con doble solapa Junta a inglete con lazos ocultos Lazos semiocultos para un armazón Lazos en ángulo Este tipo de ensamble es el de uso clásico en la fabricación de muebles especialmente en cajones. En la fabricación de vigas de tijeras, solo un tipo de ensamble es el más utilizado, el de clavijas traslapadas o a tope con chapa de refuerzo metálicas. 2.3. LOS ADHESIVOS El adhesivo es una formulación que sirve para mantener unidas dos piezas de madera, o madera con metal, de forma que las piezas unidas resistan los esfuerzos físicos y mecánicos que se apliquen sobre ellas. Los adhesivos para madera se emplean para lograr la adherencia entre dos piezas de madera de manera firme y duradera. Existen multitud de adhesivos en base a productos de diferente origen. La unión se realiza de una forma muy compleja que incluye aspectos mecánicos y aspectos físicos y químicos. 2.3.1. EL USO DE ADHESIVOS EN LA MADERA El encolado o enlace de madera, es una actividad que se ha practicado por muchos siglos. Se estima que el 70% de los productos en la práctica industrial es madera 44 enlazada (Hemingway and Conner 1989). Los adhesivos están diseñados para aplicaciones específicas, relacionadas a miles de productos (Rice 1990). Lo más comunes, son aquellos adhesivos utilizados en la fabricación de compuestos o aquellos que se utilizan en el ensamblaje de productos. El mercado más grande de producción de madera, es el de los paneles, incluyendo las maderas flexibles, placas de filamentos orientados (OSB), placas de fibras y de partículas. Los adhesivos representan del 2 a 8% en comparación del peso total de los productos terminados. 2.3.2. ADHERENCIA DE LA MADERA La adherencia es el esfuerzo de la capa molecular del adhesivo que entra en contacto con la capa superficial de los substratos, tales como la madera. En general, la madera es fácil de adherir en comparación con la mayoría de substratos. Las superficies (en la madera) no son atraídas uniformemente en un contacto tan cercano, requiriendo del adhesivo para mantener a las superficies unidas. Tanto para maderas laminadas como para las uniones al tope, los adhesivos pueden ser curados por calor o bien a temperatura ambiente. En la construcción y la fabricación de mobiliario, los adhesivos utilizados poseen tiempos de secado muy largos y usualmente se realizan a temperatura ambiente. La mayoría de los adhesivos para uniones de madera se componen de formaldehidos como Co-monómero, generando preocupación por la emisión de sustancias formaldehídicas. Usualmente en este proceso de adherencias, el esfuerzo localizado es muy diferente del esfuerzo aplicado, así mismo como lo es el distribuido del concentrado (Dillard 2002). Se necesita considerar ambos aspectos de la fuerza de adherencia, tanto el químico como el mecánico, porque la fuerza de adherencia es una medición de la fractura, cuyo proceso termina donde se localiza el mayor esfuerzo bajo condiciones específicas de ensayo. 45 Tabla 4 Resinas Tipo Viscosidad Distribución de Peso Molecular Porciones de Reactivos Valor de Curado Total de Sólidos Catalizadores Mezcla Clavo Rellenos Sistema Solvente Duración pH Protecciones Variables de la Adherencia en la Madera Madera Procesos Efectos Especie Cantidad de adhesivo Esfuerzo Distribución del Densidad Módulo de cortante adhesivo Contenido de Elevada Resistencia al Humedad Relativa humedad pliegue Plano de corte: Radial, tangencial, Temperatura Arrastre transversal o mixto Corteza vs. Cuerpo de Tiempo directo de % de Fractura en la la madera ensamblaje madera Maderas Jóvenes vs. Tiempo Indirecto de Tipo de fractura Maduras ensamblaje Maderas prematuras Prensado Seco vs. Húmedo vs. Dilatadas Reacción de la Penetración del Módulo de elasticidad madera adhesivo Angulo de la partícula Vía Gaseosa Temperatura Porosidad de la Resistencia de Tiempo de prensado madera hidrólisis Rugosidad superficial Pre-tratados Resistencia al fuego Resistencia Biológica: Daño por Hongos, bacterias, Post-tratados deshidratación insectos, etc. Temperatura de Daño por producción Finalizado adherencia Suciedad, contaminación, Resistencia extractos, capacidad ultravioleta de protección, superficies químicas. Nota: Recopilación por NormKutscha . Algunas teorías de la adherencia acentúan aspectos mecánicos y otras ponen más énfasis en aspectos químicos, la estructura química y las interacciones determinan las características mecánicas y las características mecánicas determinan la fuerza que se concentra en vínculos químicos individuales. 46 Para que los adhesivos formen dispositivos de seguridad, tienen que humedecer el fondo del substrato lo suficiente, de modo que penetre un poco del producto, para que actúen tanto las fuerzas químicas como las mecánicas en la unión. Para que un dispositivo de seguridad mecánico trabaje, los enlaces del adhesivo deben ser lo suficientemente fuertes para soportarlos. Por todo lo anterior, la interacción del madera-adhesivo necesita ser evaluada en tres escalas espaciales (milímetro, micrómetro, y el nanómetro) (Frazier 2002, Frihart 2003). El milímetro implica observaciones por el ojo o la microscopia ligera. El uso de exploraciones microscópicas electrónicas, permite observaciones respecto al micrómetro o al nivel celular. Mientras que el nivel del nanómetro, es la escala espacial en la cual las moléculas adhesivas necesitan trabajar recíprocamente con la madera para que el enlace se forme. Ver figura Nª22  Figura Nª 22 Fractura de Uniones por Adhesivos: es el lugar donde ocurre la fractura en una unión adhesiva como resultado de la pérdida de la capacidad de carga   del pegamento. Fractura del Substrato: es la fractura localizada en el sustrato o superficie inherente. Interfase: esta es la región de dimensión finita, que se extiende de un punto en el que el adhesivo posee características particulares, y comienzan a cambiar a las características generales de la adherencia con la madera, a un punto en el que las características del pegamento se comportan de la misma manera. • Tiempo de Ensamblaje: es el intervalo del tiempo entre la aplicación del pegamento en el substrato y el uso de la presión, o calor, o ambos, hasta el ensamble. 47 • Ajustes: es convertir un pegamento en un estado fijo o endurecido por medio de una acción química o física en los componentes del mismo. • Curado: es cambiar las características físicas de un pegamento por la reacción química, de un estado a otro. • Agarre: es la característica de un pegamento que le permite formar un enlace de la fuerza mensurable inmediatamente después que el pegamento y el adherente se ponen en contacto bajo presión. • Adhesivos Estructurales: es un agente de la vinculación, usado para transferir cargas requeridas entre los adherentes expuestos a los ambientes del efecto típicos para la estructura implicada. 2.3.3. APLICACIÓN DE ADHESIVOS: No todos los adhesivos son de aplicación directa a los substratos de madera, algunas superficies deben ser tratadas antes de efectuarse los enlaces. 1. El primer paso en la formación de un enlace implica en esparcir el pegamento sobre la superficie de madera. 2. Después de la aplicación del adhesivo, una combinación de ensambles directos e indirectos, se utiliza dependiendo del proceso específico del enlace. 3. En algunos casos, el calor y la humedad se utilizan durante el proceso de enlace, esto permite que el pegamento se vuelva más líquido y la madera más deformable (Green et al. 1999). 4. Es así, como el Adhesivo tiene que fluir sobre la superficie total, y en los vacíos causados por la porosidad que está presente con casi todas las superficies. 5. La madera es una de las superficies de enlace más compleja, que se encuentra generalmente en la mayoría de los usos adhesivos. 6. Agregando la tensión, compresión y la valoración de las partículas, aumenta la complejidad de la interacción adhesiva de la madera. 48 2.3.4. PENETRACIÓN DE LA SUPERFICIE DE LA MADERA: En una escala mayor, la madera es un substrato rugoso, celuloso y aniso trópico; es debido a estas características, que la penetración de los adhesivos y cualquier otra substancia posee cualidades específicas. En la figura Nº 13 a continuación se observa que la penetración adhesiva de la unión es buena para una superficie sana (grafica A), pero no para una superficie de madera desmoronada y maltratada (B). Figura Nº23       A B Los tipos y los tamaños de las células son dramáticamente diferentes entre las madera duras y las blandas. Las células de las maderas duras con las paredes más finas, son más fáciles de enlazar debido a un volumen más accesible. La madera de savia se considera más fácil enlazar debido a los cambios en los estratos. La madera joven, en compresión, y tensión distorsionan la estructura celular de los enlaces y debilitan la región de la interface adhesiva de la madera. El mejor método para preparar una superficie de madera para enlaces, es utilizar las placas laminadas muy finas. La superficie de la madera-enlace varía considerablemente dependiendo de cómo la superficie está preparada y qué tipo de madera es. 49 Figura Nº 24 : Cuadros de la microscopia electrónica de la exploración de secciones transversales (a) del pino amarillo meridional y (b) del arce duro 2.3.5. HUMIDIFICACIÓN, FLUJO Y PENETRACIÓN DE LA MADERA: FIGURA 25 Para que un enlace se forme, el adhesivo necesita mojar y fluir sobre una superficie, y en algunos casos penetrar en el substrato. Es importante entender que los términos significan diversas cosas aun cuando parecen muy similares. • La adherencia por humidificación es la capacidad de una gota adhesiva de formar un ángulo de bajo contacto con la superficie. • El flujo implica el adhesivo extendiendo por esa superficie bajo un tiempo razonable. El flujo no sólo depende del ángulo de contacto sino también de la viscosidad del adhesivo. Con una viscosidad más baja, el mejor adhesivo fluye y moja más de la superficie. 50 • La penetración es la capacidad del pegamento de moverse en los vacíos de la superficie del substrato o en el substrato mismo. Para logra un enlace fuerte, el adhesivo debe penetrar en todas las porosidades del substrato en una microescala. 2.3.6. AJUSTES EN LOS ADHESIVOS El ajuste es convertir un adhesivo en un estado fijo o endurecido por la acción química o física, tal como condensación, polimerización, oxidación, vulcanización, congelación, hidratación, o evaporación del solvente volátil. • Para la mayoría de adhesivos poliméricos, es necesario reaccionarlos mediante la perdida de solventes o minerales en el compuesto. • Para muchos otros tipos de adhesivos es necesaria la evaporación o pérdida de agua, enfriamiento y la polimerización de los mismos. 2.3.7. SEPARACIÓN DE SOLVENTES: Los solventes son un problema debido a la naturaleza no porosa del substrato que previene el retiro del solvente por la migración dentro y a través del substrato. Es así como la mayoría de los procesos de enlace requieren de maderas que estén dentro de una gama aceptable en contenido de agua, para conseguir una adecuada manejabilidad. 2.3.8. POLIMERIZACIÓN: Para lograr un enlace más fuerte, un peso molecular más alto y un mayor número de polímeros reticulados, son generalmente mejores los procesos de polimerización, que consiste en la activación con aplicación de calor, el cambio en el pH, catalizadores, la adición de un segundo componente, o la radiación. 2.3.9. SOLIDIFICACIÓN POR ENFRIAMIENTO: Muchos adhesivos usados con anterioridad para las maderas, eran sensibles a derretimientos por calor. Debido a que los adhesivos termo sensibles y los plásticos usados para los compuestos son poliméricos, tienen una capacidad limitada de fluidez. Mientras el adhesivo se enfría, su viscosidad se eleva rápidamente para una mejor adherencia de soldadura. 51 2.3.10. COMPOSICIÓN DE LOS ADHESIVOS Muchas veces se utiliza la palabra “cola” para denominar adhesivos de la madera, pero esta acepción es un poco más restrictiva, ya que sólo hace referencia a los adhesivos en fase acuosa.      Componente principal: material que actúa de ligante, actualmente se corresponden con productos orgánicos de síntesis. Endurecedores: sustancias que se añaden para acelerar su fraguado. Cargas: sustancias que se añaden para mejorar las características del adhesivo. Pueden ser productos insecticidas, fungicidas, ignifugan-tés, etc. Complementos: sustancias que se añaden para rebajar su precio. Solventes: vehículo en que va disuelto el adhesivo, pueden ser acuosos, orgánicos, hidrodispersables, espumas, etc. 2.3.11. CURADO DE LOS ADHESIVOS Los tipos de curado de los adhesivos determinan muchas veces el desempeño de los mismos, algunas consideraciones para los curados y su relación con las características de los enlaces en la madera son: 1. El curado lento a temperatura ambiente, proporciona el tiempo necesario para que los componentes de la madera estén cubiertos con el adhesivo y se mantengan unidos durante el ensamblaje. 2. El calor y la humedad dejan ablandar a la madera, permitiendo que las superficies de madera colindantes sean traídas en contacto más cercano. 3. Sobre la calefacción, el curado del pegamento es rápido, reduciendo el retardo cuando se aplica presión. 2.3.12. TIPOS DE ADHESIVOS DE ORIGEN SINTÉTICO Dentro de los adhesivos sintéticos, que son las que más se utilizan actualmente, se distinguen: 1. Adhesivos termoplásticos: Una vez fraguados recobran su plasticidad por la acción del calor. 2. Emulsiones vinílicas: Acetato de polivinilo (PVAC), policloruro de vinilo (PVC), acetato de vinilo y etileno (EVA), etc. De un solo componente o dos. 52 3. Adhesivos termofusibles (hot-melt): El término termofusible define su forma de aplicación. Se suministran en forma de resina sólida, que se vuelve líquida con la aplicación del calor y se vuelve a endurecer cuando se enfría. Tenemos por ejemplo: a. Adhesivos de caucho natural o sintético b. Adhesivos de poliuretano c. Adhesivos epoxídicos. De un solo componente o varios. d. Adhesivos mixtos de epoxi y poliuretano 4. Adhesivos termoestables. Una vez fraguadas no recobran su plasticidad por la acción del calor. Se mencionan los siguientes a. Urea formaldehído (UF) b. Melamina úrea formaldehído (MUF) c. Melamina fenol formaldehído (MPF) d. Fenol formaldehído (PF) e. Resorcina formaldehído (RF) y de resorcina - fenol formaldehído (RPF) f. Isocianato 5. Cola blanca vinílica. Hay una gran variedad de colas blancas, con distintas densidades y características de secado. Estas colas se elaboran en base a resina vinílica soluble en agua. Al secarse, los componentes vinílicos tienden a reunirse. Se utiliza una capa muy fina, pero las piezas deben encajar perfectamente. Su secado es bastante rápido, alrededor de una hora, y se torna transparente. No es resistente al agua. 6. Resina alifática. También conocida como pegamento amarillo de carpintero. Seca en 15 minutos, no es tóxica. Más resistente al agua y al calor que el pegamento blanco. No requiere de sujeción mediante sargentas para optimizar los resultados. 53 2.4. EL ENCOLADO Es el proceso de unión de dos piezas con adhesivos, se denomina encolado, el objetivo es lograr, la máxima resistencia posible al cizallamiento (kg/cm2), así como la permanencia de estas propiedades en el tiempo y en las condiciones de trabajo. Se compone de tres operaciones: 1. Encolado o aplicados de colas 2. Armado o ensamblado 3. Prensado Factores y/o parámetros que influyen en el esfuerzo máximo de cizallamiento, son múltiples. Los más importantes, según los fabricantes de pegamento y las empresas fabricantes de productos de madera, son: 1. La especie de madera 2. La cola, diversa clases y marcas de pegamento 3. Preparación de las superficies de encolado y las uniones, al corte de disco, cepillado o lijado 4. Orientación del corte; el corte puede ser radial o tangencial 5. Contenido de humedad de la madera relativa a su peso (%) 6. Espesos de capa del pegamento 7. Tiempos de ensamble o armado; es el tiempo requerido para unir los componentes 8. Tiempos de cierre; es el tiempo que permanece unidos con presión 9. Presión de cierre; es la fuerza de presión aplicada entre las maderas 10. Temperatura en cierre; es la temperatura que se mantiene mientras se aplica la presión 11. Tiempo de curado; es el tiempo necesario para que el pegamento alcance el 80% de su resistencia máxima 12. Condiciones en el curado; es la temperatura y la humedad del ambiente donde se mantiene las piezas hasta que alcance el 80% de la resistencia máxima 54 2.5. ENSAYOS DE RESISTENCIA AL CIZALLAMIENTO DE LOS ADHESIVOS La resistencia al cizallamiento de los adhesivo se determina aplicando un esfuerzo controlado sobre dos maderas unidas por un adhesivo determinado, obteniendo valores de resistencia (adherencia ), y de elasticidad especifica. La resistencia al cizallamiento por tracción se determinará siguiendo la fórmula: σult = Fult /A en N Dónde: ult = Esfuerzo de cizallamiento con aproximación de 0.1 N Fult = Carga máxima que resiste antes de fallar, en kN. A = Área de la sección encolada (mm2) El Módulo de Elasticidad, se calcula como la pendiente de la curva esfuerzo vs. Deformación unitaria determinada entre los valores de carga 0.2 Fult y 0.8 Fult FIGURA 26 55 FIGURA 27 2.6. ANALISIS ESTADÍSTICOS 2.6.1. COMPARACIÓN DE MÚLTIPLESPOBLACIONES La comparación de diversos conjuntos de resultados es habitual en los laboratorios analíticos. Así, por ejemplo, puede interesar comparar diversos métodos de análisis con diferentes características, de diversos analistas entre sí, o una serie de laboratorios que analizan una misma muestra con el mismo método (ensayos colaborativos). También sería el caso cuando queremos analizar una muestra que ha estado sometida a diferentes tratamientos o ha estado almacenada en diferentes condiciones. En todos estos ejemplos hay dos posibles fuentes de variación: una es el error aleatorio en la medida y la otra es lo que se denomina factor controlado (tipo de método, diferentes condiciones, analista o laboratorio). Las herramientas estadísticas más utilizadas que permite la separación de las diversas fuentes de variación es el análisis de la varianza (ANOVA, del inglés Analysis of Variance) [Massart, 1997]. El ANOVA también puede utilizarse en situaciones donde ambas fuentes de variación son aleatorias. Un ejemplo sería en los diversos adhesivos y el contenido de humedad de la madera. Por tanto tenemos dos fuentes de variación por dos factores diferentes. Cuando tengamos un factor, controlado o aleatorio, aparte del error propio de la medida, hablaremos del ANOVA de un factor. Es el caso de la cola y el contenido de humedad, entonces hablaríamos de un ANOVA de dos factores. 56 En los casos donde tenemos dos o más factores que influyen, se realizan los experimentos para todas las combinaciones de los factores estudiados, seguido del ANOVA. Se puede deducir entonces si cada uno de los factores o una interacción entre ellos tienen influencia significativa en el resultado. Para utilizar el ANOVA de forma satisfactoria deben cumplirse tres tipos de hipótesis, aunque se aceptan ligeras desviaciones de las condiciones ideales: 1. Cada conjunto de datos debe ser independiente del resto. 2. Los resultados son obtenidos para cada conjunto, deben seguir una distribución normal. 3. Las varianzas de cada conjunto de datos no deben diferir de formas significativa. 2.6.2. ANOVA DE UN FACTOR Tomemos como ejemplo la comparación de 3 colas, que analizan k veces con el mismo procedimiento, el valor es la resistencia al cizallamiento, de tres colas de la misma clase pero de diferente proveedor. El objetivo del ANOVA aquí es comparar los errores sistemáticos con los aleatorios obtenidos preparar probetas con diversas colas pero con los mismo parámetros. Tabla 5 Resultados 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 R 8 R 9 R 10 R 11 R 12 R Suma Promedio nk C1 S 15,645124 33,141597 27,660113 H 39,445864 46,338295 39,327849 18,383613 11,852621 47,007079 29,599799 29,349049 31,719269 153,69015 215,78012 25,6150251 35,9633547 6 6 C2 H 46,751069 34,107502 13,136138 15,311724 49,132013 47,023453 19,776641 36,032581 42,938528 41,590114 30,239859 51,697703 427,73733 35,6447776 C3 H 35,213799 37,354637 37,281354 18,970114 44,620500 37,128630 29,214058 33,720707 54,092175 46,038266 44,643375 49,206204 467,48382 38,956985 12 12 Suma 617,58978 647,10165 1264,6914 35,130317 36 57 Fuente propia, resultado de ensayos realizados Tabla 5. Resultados de los ensayos de resistencia al cizallamiento de las uniones adheridas con tres adhesivos del mercado (Colas C1, C2, C3). Para ser ensayados en el laboratorio de materiales de la UNI. En la tabla 1 se muestran los resultados obtenidos (expresados kg/cm2). Observando los valores medios todo parece indicar que existen diferencias entre las colas y principalmente en el la madera S (seca al horno de la CL1). Ahora bien, ¿son dichas diferencias significativas? El ANOVA responde a esta cuestión. El objetivo del ANOVA es comparar los diversos valores medios para determinar si alguno de ellos difiere significativamente del resto. Para ello se utiliza una estrategia lógica: si los resultados proporcionados por los diversos ensayos realizados no contienen errores sistemáticos, los valores medios respectivos no diferirán mucho los unos de los otros y su dispersión, debida a los errores aleatorios, será comparables a la dispersión presente individualmente en cada adhesivo. El secreto está, pues, en descomponer la variabilidad total de los datos en dos fuentes de variación: las debidas al ensayo y la diferencia entre la marcas de colas. Matemáticamente, la suma de cuadrados total, SST, puede descomponerse como una suma de dos sumas de cuadrados: SST=SSR+SSCl SST es la suma de las diferencias al cuadrado de cada resultado individual respecto a la media de todos los resultados y por tanto, representa la variación total de los datos. SSR mide las desviaciones entre los resultados individuales (Xkj), de cada cola, (donde j indica el nº de repetición) y la media dela cola (Xk) y, por lo tanto, es una medida de la dispersión dentro de cada cola. Cuando se divide SSR por los correspondientes grados de libertad, (N - K), se obtiene el cuadrado medio (o MS, del inglés Mean Square) "dentro de cada cola", MSR. Por su lado, SSCl mide las desviaciones entre los resultados medios de las colas y el resultado medio global y, dividido por sus grados de libertad, (k - 1), constituye el 58 cuadrado medio "entre colas", MSCl. La Tabla 6 muestra las diferentes fórmulas para calcular las sumas de cuadrados y las correspondientes varianzas. Tabla 6. Expresiones para el cálculo del ANOVA de un factor (K indica tipos de cola y N el número total de resultados). Tabla 6 Se calculan, por tanto, MSCl y MSR como una medida de las dispersiones y se comparan mediante una prueba de hipótesis F. Si no existe diferencia estadísticamente significativa entre ellas, la presencia de errores aleatorios será la causa predominante de la discrepancia entre los valores medios. Si, por el contrario, existe algún error sistemático, MSCl será mucho mayor que MSR, con lo cual el valor calculado de F será mayor que el valor tabulado Ftab para el nivel de significación escogido y los grados de libertad mencionados. A continuación se muestra la típica tabla ANOVA (formulas tabla 6) obtenida para los resultados del ejemplo de la Tabla 5: Tabla 7. Tabla ANOVA para los resultados de la Tabla 5 Fuente Entre Colas Dentro de las colas Total Suma de cuadrados Grados de libertad Cuadrado medio 726,305115 3 242,101705 1,90318329 4070,68231 32 127,208822 4796,98742 35 Fcal Ftab = 2,92 (95%,3,32) 59 Como Fcal>Ftab, en este caso se podría concluir que al menos una de las colas ha producido resultados que difiere de forma estadísticamente significativa del resto de las colas. El ANOVA no indica cual difiere significativamente de las otras. Sin embargo siguiendo el mismo en ejemplo que hemos presentado, podemos tomar los mismos datos y hacer una ANOVA comparando cada una de las colas con las otras, o con cada una de las otras y siguiendo ese procedimiento analítico común y riguroso. Podemos determinar cuál difiere significativamente del resto, y si 2 esta muestra un resistencia al cizallamiento (kg/cm ) superior al resto superior, será la mejor. Tomando el mismo ejemplo y de la tabla 5, pero tomando es tipo de corte radial (R) o tangencial (T). Si se comprueba que Hay diferencias significativas en los resultados. Se comprobaría un efecto en la resistencia por el tipo de corte Tabla 8. Tabl a 8. Grados Fuente Suma de de Cuadrado cuadrados libertad medio Fcal 24,1930627 1 24,1930627 0,17234435 4772,79436 34 140,376305 4796.98742 35 Entre Cortes Dentro del corte Total Ftab = 4,171 (95%, 1, 34) La Tabla de resultados al utilizar las formulas de la Tabla 6, para calcular el cuadrado de las medias asociado a cada una de las fuentes de variabilidad. Una vez calculados, las varianzas asociadas al muestreo y a la medida instrumental, puede calcularse fácilmente utilizando las formulas de la Tabla 6.También existen numerosos paquetes estadísticos que realizan el cálculo del ANOVA y proporcionan el cuadrado de las medias. Por tanto, en la práctica únicamente es necesario aplicar las formula de la Tabla 6 para obtener las varianzas. 60 CAPITULO III 3.1. MARCO TECNICO APLICATIVO 3.1.1. OBJETO Analizar y definir las diversas alternativas y consideraciones de los métodos y procedimientos, para determinar los parámetros óptimos de los procesos de encolados en la fabricación de productos de madera de uso estructural y no estructural. 3.1.2. USO Y SIGNIFICADO Es necesario analizar la diversas alternativa y consideraciones de los métodos, para determinar los parámetros óptimos, porque son muchos los factores y valores por cada factora tomar en cuenta, se pueden terminar haciendo muchos ensayos, sin logran un resultados concluyente, rápidamente para cada combinación de madera y colas. Que se planea procesar o se tiene en proceso. Definir un método es importante para la fabricación de productos competitivos y de calidad, pero es fundamental en la fabricación de componentes de uso estructural como son las vigas compuestas de madera. Es la base para desarrollar productos con pequeñas secciones de madera, que pueden mitigar la depredación de los bosque naturales y el cambio climático, permitir desarrolla un tecnología de no tala de los bosques. 3.1.3. METODOLOGÍA. Partiendo de la Tabla 2, donde se han tabulado todos factores o parámetros ha considerar en los procesos de pegado de las maderas, de acuerdo a los fabricantes de productos de madera y a los proveedores de adhesivos. 61 Se asignan valores a cada uno de los factores o parámetros, determinando un punto por vez, en una secuencia que permita obtener los parámetros óptimos con el mínimo de ensayos posibles. Por tanto cada columna en dicha tabla determina un ensayo, todas las probetas construidas para ese ensayo, constituye un juego de ensayo, a cada columna que representa un ensayo le podemos asignar un código, que nombre dicho ensayo (Ver Tabla 10). Teniendo definidos los factores y ordenado en la Tabla 10, es necesario definir una un conjunto de procedimientos y métodos, para determinar el valor de los parámetros óptimos, con el mínimo número de ensayos, así como para implementar los ensayos, realizar los ensayo, registras y procesar los resultados. 3.2. ANÁLISIS Y DEFINICIÓN DEL MÉTODO PARA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS, EN EL ENCOLADO DE MADERAS 3.2.1. LOS FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA DE LAS UNIONES ADHERIDAS DE MADERA. Determinar los factores que afectan la resistencia de las uniones adheridas de madera, es el primer paso para determinar los parámetro óptimos del proceso de pegado con adhesivos. En el marco teórico, en lo referente a los adhesivos, encontramos un cuadro de las variables que influyen en la adherencia de la madera, recopilada por NormKutscha, se contabilizan 59 variables (ver Tabla 4 en el marco teórico), en dicho cuadro. Son muchas variables, algunas muy difíciles de medir y/o controlar, son básicamente un estudio científicos y teórico de todo los factores que intervienen en el pegado, muy complejo desde el punto de vista técnicos-aplicativo. Sin embargo hay una solución desde el punto de vista práctico. Resultado del diagnóstico realizado en el CAPITULO I, en el que se recopilo información de los fabricantes de producto de madera, y de empresas proveedoras de adhesivos. Se determinó, qué acorde con sus experiencias, son 12los factores más significativos, en la resistencia de las colas uniones encoladas (ver Tabla 10). Estos 12 factores o parámetros, son tomados en cuenta normalmente, y de algún modo son controlados en los procesos de producción, en todas las empresas que 62 trabaja con la madera. Por tanto la determinación del efecto de estos parámetros, en la resistencia de la unión encolada, sería el camino para llegar a la respuesta de la hipótesis y a la solución del problema central planteado, teniendo el efecto de cada factor definido en una gráfica, la implementación en los procesos de producción no requerirá mayor inversión, que simplemente, mantener los parámetros en los niveles pre determinados. 3.2.2. MÉTODO POR TABULACIÓN Los parámetros determinan el valor del esfuerzo máximo de cizallamiento de los adhesivos. Lo cual se obtienen aplicando un esfuerzo controlado sobre dos maderas unidas por el adhesivo en ensayo, obteniendo valores de resistencia (adherencia). Basados en ese ensayo, un posible método consiste, en fabricar muestras (probetas), manteniendo todos los factores con un mismo valor, excepto unos, al cual se le asignan por lo menos tres valores diferentes a igual juego de muestras. Luego se ensayan y determina el promedio del esfuerzo máximo de cizallamiento de cada juego de muestras. Al tener tres puntos, se proyecta una función, que permitirá predecir el valor de esfuerzo máximo de cizallamiento para cualquier valor de dicho factor. Así sucesivamente, se puede determinar el valor para cada factor. Sin embargo, se requieren cierta cantidad de probetas para lograr un nivel de significancia aceptable (tamaño muestra) para cada factor y cada punto en dicha gráfica, que puede significar un número muy grande probetas a preparar y ensayar. Teniendo en cuenta que en el Perú hay más de 8,000 especies de madera y se puede encontrar en el mercado, más de 15 marcas de adhesivos y más 4 clases de adhesivos de diversas bases. Por tanto la primera propuesta es válida para fines científicos y de investigación, pero ineficiente para fines prácticos en la producción, donde se buscan un valor óptimo y no todos los valores posibles. Es necesario definir un método, que permita determinar los parámetros, más eficientemente, que implique un número mínimo de ensayos. 3.2.3. MÉTODO DE DISEÑO DE EXPERIMENTAL, COMPARATIVO CON VARIOS FACTORES Proponemos un método comparativo con varios factores. Se inicia seleccionado una especie de madera y tres marcas de cola de la misma base, fijando todos los 63 otros parámetros en un mismo valor como se muestra en la tabla de la página a continuación (Tabla 10, fuente propia. resultado de visitas técnicas realizadas), usando un primer valor como testigo. TABLA 10 (M )especie de madera C (C)Tipo de cola C , , , ,…… EP (EP) Espesor de la película en micras (R) recomendación del proveedor CH % E D (D )Dirección del Corte A (A) Acabado superficial, estandarizar acabados TE (TE)Tiempo de Ensamble Minutos. TC PR M1 M1 M1 M1 M1 M1 M1 C1 C1 C2 C2 C3 C3 S H S H S H (Ga) Grados Cº, Temperatura (Ha) Humedad relativa (Pa) Presión atmosférica. M (CH) % de Contenido de Humedad de la madera Área de sección (E)encolada M1CL3H Pa M1CL3S (Ma) Medio ambiente M1CL2H Ha Mad era solid a M1CL2S Ga Variaciones de cada factor y parámetros M1CL1H Código de factor Factores que influyen en la resistencia al cizallamiento (Kg/cm2) M1CL1S Cuadro Variables a Ensayar (S) seca al horno (H) sin secar al horno longitud de traslape 25mm Corte (R)Radial Corte (T)Tangencial ((D)al corte de disco, (C)cepillado, (L)lijado TER (R)Recomendación del fabricante (TC) Tiempo de TCR recomendado Cierre minutos (P)Presión de Cierre PR recomendada (kg/cm2) por fabricante GR (G) temperatura de Curado en Cierre. TA (TA)Tiempo de TAR Recomendado curado abierto Hora por proveedor GCR promedio Rf 25 25 25 25 25 25 R= R= R= R= R= R= T T T T T T D D D D D D 10 10 10 10 10 10 30 30 30 30 30 30 10 10 10 10 10 10 25 25 25 25 25 25 48 48 48 48 48 48 64 3.2.4. SELECCIÓN DE LA ESPECIE DE MADERA Como los procesos de producción comienzan con la materia prima, es decir, se inicia con una especie de madera. Es lógico iniciar seleccionando las especies de madera involucradas en la producción priorizando las de mayor área a encolar. 3.2.5. SELECCIÓN DE LAS COLAS En el caso de la madera la mejor clase de cola para iniciar ensayos, son el grupo de cola blanca clásica de carpintero. Se inicia comparando losque regularmente se emplea y se realizan ensayos para comparar los con otras alternativas similares y determinar la mejor de las alternativas. En una segunda etapa, se puede comparar, con adhesivos de otra clase, es decir adhesivos fabricados con otra base, distinta a la que regularmente se emplea, con la finalidad de buscar alternativas de mejoras o soluciones a problemas. Comparando el esfuerzo de cizallamiento máximo (kg/cm2) de cada cola podemos determinar cuál es la mejor cola de las ensayadas. Los criterios de selección son los siguientes: 1. Disponibilidad en el mercado. 2. Propiedades adhesivas. 3. Costos TABLA 11 CARACTERISTICAS FISICO QUIMICAS DE LA COLA COD COLA BASE % SOLIDOS Color Ph C1 GLUKOLA UR Resina de Polivinil Acetato (PVA) 49 - 51 Blanco C2 DORUS KL4010 Resina de Polivinil Acetato (PVA) 47+-3% blanco/crema 3-4.5 C3 RAD3 Resina de Polivinil y Vinil Ester (PVA) 49 - 51 Blanco 4–6 Resistencia N/mm2 10 Fuente, ficha técnica de proveedores de adhesivos 65 3.2.6. LA MEJOR COLA Comparamos la resistencia promedio, si se encuentra diferencias significativas, seleccionamos la que tenga el promedio de resistencia más alto. Caso contrario la decisión es económica. De ser este el caso podemos acumular todas las muestras en un mismo grupo para compararlos con otros resultados. 3.2.7. COMPARACIÓN ENTRE EL CORTE RADIAL Y TANGENCIAL Si en la prueba anterior se hizo con corte radial, preparamos otro juego igual con corte tangencial y las comparamos, si no muestran diferencia significativa. Todo el conjunto es una sola muestra. 3.2.8. COMPARACIÓN ENTRE MADERA SECA AL HORNO (CH15%) Y SIN SECAR (CH25%) Siguiendo la misma secuencia, si en la muestras anteriores se hicieron con madera seca al horno (CH15%), se prepara un juego similar con cada uno de los pegamentos, pero con madera sin secar al horno (CH25%). Comparando los resultados, podemos encontrar que una cola tiene diferencias significativas de resistencia, entre la madera seca al horno de la madera sin secar. Como también podemos encontrar que no hay diferencias significativas entre la madera seca y sin secar al horno. Como en los casos anteriores si no hay diferencia significativa todo es parte de una sola muestra. 3.2.9. COMPARACIÓN POR ACABADO SUPERFICIAL Para este punto ya se ha determinado la mejor cola, el efecto del contenido de humedad y el tipo de corte. Así mismo ya se tiene un valor de referencia para cada parámetro, por tanto, para determinar los siguientes parámetros, solo basta preparar dos juego de probeta adicionales para estimar un valor en cualquiera de los parámetros restantes, más un juego adicional de probetas para confirmar el valor estimado. Como en la primera prueba de entrada se hizo con probetas, con el acabado que da el corte del disco, los otros dos acabados superficiales serían, cepillado y lijado, finalmente se tienen tres grados de acabados diferentes, cuya comparación puede indicar diferencias significativas entre ellas. También podemos continuar el proceso comparando y determinando grados dentro de un mismo tipo de acabado. 66 3.2.10. OTROS FACTORES Y/O PARÁMETROS POR DETERMINAR Ya se tienen valores de referencia para cada parámetro, por tanto los siguientes parámetros, solo requieren que se prepare dos juego de probeta adicionales para estimar un valor en cualquiera de los parámetros restantes, más un juego adicional de probetas para confirmar el valor estimado. Es necesario señalar que algunos de los parámetros, pueden estar determinados por los equipos de producción disponibles y/o por el proceso mismo de producción, como pueden ser el tiempo de cierre, teniendo en cuenta, que para mantener la piezas unidas a un presión determinada, implica disponer de algún tipo de prensa, cuyo número puede estar limitado por la inversión que representan otras consideraciones. 3.2.11. LA COMPARACIÓN ENTRE VALORES DE LOS PARÁMETROS La comparación se realiza, mediante análisis de varianza de los promedios de resistencia al cizallamiento, de cada juego de probetas ensayados. Si la comparación indica que no hay diferencia significativa, estos resultados incrementan el tamaño de la muestras, por lo que finalmente, el nivel de significancia de los datos obtenidos será alto. 67 3.3. IMPLEMENTACION DEL METODO PARA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS, EN EL ENCOLADOS DE MADERAS La implementación del método es la inversión a realizar para realizar los ensayos, inversión que es muy importante, para mantener la calidad y competitividad de la producción existente, así como para el desarrollo de nuevos productos. En este aspecto los equipos para ensayos son el aspecto clave, no por la inversión, sino principalmente por ser crítico, no se puede hacer los ensayos, sin máquina de ensayo, no se pueden hacer las probetas sin unos equipos para fabricar las probetas, donde se controla cada parámetro del proceso de fabricar las probetas. Adicionalmente, hay otros equipos e instrumentos de medición que son complementarios, pero que son fáciles de adquirir en el mercado. Sin embargo si bien la UNI cuenta con el equipo para realizar los ensayos de tracción, en el laboratorio de ensayo de materiales. Para construir las probetas de ensayo, no existe equipo comercial para ese fin, donde se puedan controlar todas las variables identificadas en la Tabla 2. En este aspecto la implementación, implica, el diseño, construcción y validación de un equipo para la construcción de probetas de ensayos. El segundo aspecto importante son los procedimientos y métodos de preparación de los ensayos y materiales, el registro de la información, la ejecución de los ensayos y el procesamiento de los resultados. 3.3.1. OBJETO Implementar los equipos, herramientas, materiales, procedimientos y ensayo, que hacen materialmente posible y cuando se requiera, la aplicación del método de determinación de parámetros óptimos, oportunamente, en el mínimo de tiempo, costo y con el mejor resultados posible. 68 3.3.2. USO Y SIGNIFICADO Proporciona los medios necesarios para ejecutar el método propuesto. Como son los equipos, materiales, organización, información. Personal. Equipos Un calibrador con capacidad de medir las dimensiones físicas de las probetas con aproximación de 0,1 mm 1. Extensómetro, capaz de medir desplazamientos con una aproximación de 0,1mm. Y desformímetro de vástago con un recorrido de 30 milímetros y división de escala de 10-2 milímetros. 2. Equipo para registrar la humedad relativa temperatura en un periodo de 30 días. 3. Máquina de Ensayo: La máquina de ensayo deberá tener una capacidad de carga de 50 toneladas o más, con manómetro indicador de carga y carga máxima y debe reunir las condiciones de velocidad expuesta en el siguiente numerales.   Aplicar la carga cada 10 kg para obtener una cantidad suficiente de datos de desplazamientos para graficarlo. Aplicar carga hasta que la muestra falle y registrar la carga máxima soportada por el espécimen durante el ensayo. 4. La máquina debe operar mecánicamente y aplicar la carga de una manera continua y no en forma intermitente, y sin choques. 5. Máquina fotográfica para registrar, carga máxima aplicada, lugar y tipo de falla, la apariencia de la probeta. 6. Higrómetro de clavo y de contacto. 7. Un equipo hidráulico debidamente instalado para uso regular, con capacidad para prensar simultáneamente 3 probetas, con instrumentación para control de presión, temperaturas y tiempos, con aditamentos. guías y apoyos para el armado de las probetas y realizar el prensado, debe poder aplicar una presión entre 2 a 50kg/cm2. en el área cubierta con adhesivo. 69 3.3.3. LA MADERA PARA PROBETAS 1. Seleccionar un mínimo de tres especies de uso más frecuencia. Entre ellas selecciona la de mayor requerimiento de encolado. 2. Anticipar 30 días la madera para preparar las probetas, tiempo mínimo que se requiera para preparar y secar madera. 3. El volumen: Como las colas son el material a investigar, la madera debe tener características homogéneas, es recomendable seleccionar toda la madera para todos los ensayos de un mismo lote. Para los cual se debe calcular el volumen necesario, con un 30% adicional. Usar las siguientes formulas Vt=Vc+Vm Vc=1.5PtxNe=1.5Ptx(24xNC+3xNc) Vm=Ve+Vf Ve=2.5PtxNt Vf=10Ptx(Nf+1) En donde: Pt= Pies tableares de madera. Vt= Volumen total de un especie de madera en Pt para realizar todos los ensayos de probeta para fabricar vigas. Vc= Volumen total de madera en Pt para realizar todos los ensayos de colas. Vm= Volumen total de madera en Pt para realizar todos los ensayos de resistencia mecánica. Ve= Volumen total de madera en Pt para realizar todos los ensayos de tracción de empalmes. Vf= Volumen total de madera en Pt para realizar todos los ensayos de flexión, de traslapes. Ne= Número total de ensayos de colas NC= Numero de clase o tipos de colas a ensayar. Nc= Numero de cola a ensayar. Nt= Numero de ensayos de Tracción de empalmes Nf= Numero de ensayos de flexión de traslapes. 70 4. La madera libre de defectos: como trizaduras, grietas, rajaduras, ojos, perforaciones por ataque biológico, hongos. Se deben eliminar las probetas que desarrollen grietas en el proceso de corte y secado. 5. La madera para probetas de ensayo: Debe ser de una misma especie y provenir de un mismo lote, para los cual se deben seleccionar las tablas libres de defectos, sin trizaduras, grietas, rajaduras, ojos, perforaciones por ataque biológico, hongos. Se deben eliminar las probetas que desarrollen grietas en el proceso de corte, al confeccionar las probetas de todos los ensayos. 6. Corte para el secado: Para los ensayos de cola, con secado al horno, se debe cortar los tablones a un mínimo de 30mm de espesor, para el secado en horno. Para ensayo mecánico el corte de los tablones es a 25mm de espesor. 7. El secado: La madera seca al horno KD (Kilm Dry) 12%-15%. La madera seca al aire. AD (Air Dry) 25%-40%. 8. Corte para probetas: Previo al corte los tablones se comprueba su humedad con el medidor de clavos, para iniciar enderezando una cara y canto en la garlopa y cepilla las dos caras hasta llegar a terminar en 25mm, luego se corta en listones de 28 mm, luego se cepilla formando, listones cuadrado de 25mmx25mm. Estos listones se dividen por la mitad según el corte radial o tangencial que se requiera, manteniendo igual cantidad de ambos, el espesor final es de 10mm... El corte y cepillado de toda la madera debe realizarse en una operación y almacenarse en bolsas plásticas para que no ingrese la humedad y polvo. Se debe tener cuidado de separar los de corte radial de los de corte tangencial. 9. El acabado superficial de testigo: Es al corte del disco de widia (dientes carburados). Debe ser lisa, iguales y homogéneas en todas las probetas. 10. Para asegurar la homogeneidad: De la cara encoladas de todas la probetas, se debe emplearse un disco nuevo, una misma máquina, rpm del disco y velocidad de arrastre para el corte de la cara a encolarse. En caso de las caras cepilladas es similar, las cuchillas deben ser nuevas y estar afiladas. 11. La probeta de madera húmeda deben almacenarse en sombra, cortados en cuadrados de 30mmx30mm y deben cortar como máximo 5 días antes de ser utilizados. Similarmente para los ensayos de flexión se debe cortar con una demasía de 4 milímetro, para ser acabado máximo 1 semana antes de su uso. 71 12. Calibración de los equipos de corte: Para asegurar la homogeneidad en el acabado superficial el corte, de la cara a encolar de todas las probetas debe realizarse en una misma máquina, con el mismo ajuste de rpm del eje de corte y velocidad de arrastre, utilizando un disco nuevo, con máximo 1,000 pt de trabajo. Igualmente la cepillado calibradora debe utilizar un juego de cuchilla recién afiladas y utilizar una misma velocidad de arrastre para todas las probetas, similarmente en caso del lijado utilizar una única lijadora orbital con lija 100 de madera y lijar por 3 segundo la superficie a ensayar. 13. Las dimensiones de ancho y espesor se deben trabajar con una aproximación de 0,1mm. 3.3.4.  LAS COLAS: La cola es el espécimen en ensayo, se debe obtener del mismo fabricante, de un lote estándar, En el ensayo comparativo es con diversas colas, se debe utilizar y conservase conforme a las especificaciones e indicaciones del fabricante.  Se debe contactar con los fabricantes de cola y obtener muestras en cantidad suficiente para realizar todos los ensayos de una etapa más el 30% adicional. Se puede estimar el volumen de cola necesario, con la formula siguiente: Vl=0,05ltXPt En donde: Vl=Litros de cola Pt=Pies tableares totales de madera para las probetas.  Información de colas: Se debe solicitar a cada fabricante, información, completa de, las características físicas y químicas de las colas, base, pH, % sólidos, especificaciones de uso y parámetros: Tiempo máximo y mínimo de apertura, Presión máxima y mínima de cierre. Tiempo y Temperatura máxima y mínima de curado en cierre, Tiempo mínimo y máximo de curado en apertura. Los cuales debe documentarse y registrase en una hoja Excel para el procesamiento. 72 También se pueden ensayar colas especialmente formuladas por los proveedores y compararlas con las regulares.  Dimensiones de la probeta de ensayo de adherencia: Longitud mínima de las probetas 450mm. La medida los listones es 25mmX10mmX300mm, tolerancia  de +-0.05mm. La madera para probetas debe estar libre de defectos como trizaduras, grietas, rajaduras, ojos, perforaciones por ataque biológico, hongos. Se deben eliminar  las probetas que desarrollen grietas en el proceso de corte. El traslape mínimo debe ser la sección a encolar y es de 20mm, el máximo se puede determinar según convenga. Cabe señalar que si las falla se presenta 100% en la madera. Significa que el área encolada es muy grande, la fuerza de adherencia ha superado la resistencia de la madera, el esfuerzo nos indica que la cola ensaya, cuenta con un esfuerzo mayor al determinado por el ensayo. Se debe hacer otro juego de ensayos, con menor área encolada para confirmar los    resultados... Estas probetas deberán estar marcadas con un código de serie único. Las dimensiones empleadas para calcular el área de la sección encolada debe determinarse con una aproximación de 0,1 mm, promediando dos mediciones. Corte de la madera para fabricar las probetas: Previo al corte de los tablones se comprueba su humedad con el medidor de clavos. Enderezar una cara en garlopa y cepillar las dos caras hasta llegar terminar en 25mm, luego se corta en listones de 28 mm, luego se cepilla formando, listones cuadrados de 25mmx25mm. Estos listones se dividen por la mitad según el corte radial o tangencial que se requiera, manteniendo igual cantidad de ambos, el espesor final es de 10mm. El corte y el cepillado de toda la madera debe realizarse en una operación y almacenarse en bolsas plásticas para que no ingrese la humedad y el polvo. Se debe tener cuidado de separar los de corte radial de los   de tangencial. Marcado de las probetas: Se deben marcadas con un código de serie único, código de ensayo y fecha de fabricación. El código de serie es un número correlativo que se genera por cada probeta que se confeccione. Igualmente se genera un código un código de ensayo, para el juego de probeta del ensayo. Ver tabla 13: 73  Debe marcarse en las probetas con un plumón indeleble el código único del ensayo y la fecha de construcción. 3.3.5. JUEGO DE PROBETAS PARA ENSAYO 1. Un juego de ensayo, consta de 6 probetas, las cuales deben preparase una a continuación de la otra, en las condiciones y parámetros exigidos por el ensayo. Utilizando la prensa con instrumentación con una precisión de 5% del valor de requerido por el ensayo. 2. El armado en el encolado debe realizarse con una precisión de 1,0mm. 3. En vista de la limitada cantidad de prensas con control de parámetro, se debe programar primero los ensayos con tiempo de cierre y tiempo de curado abierto mayores. 4. El curado de las probetas en abierto, se debe realizar en un medio con sombra, donde no ingrese la lluvia y donde se encuentre un equipo de control con registro de temperatura y humedad. 5. Llegado a su tiempo de curado abierto las 6 probetas se deben empacarse en plástico, para ser transportadas al laboratorio ensayos. 74 3.4. MÉTODO PARA DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS ÓPTIMOS, EN EL ENCOLADOS DE MADERAS 3.4.1. OBJETO Determinar el efecto de los diversos factores en el esfuerzo máximo de cizallamiento de las uniones de maderas mediante adhesivos, así como los valores de los parámetros óptimos para cualquier proceso de encolados en cualquier especie de madera y con cualquier clase o tipo de adhesivo. 3.4.2. USO Y SIGNIFICADO Comparar y determinara el efecto de los valores de los parámetros y su óptimo, siguiendo una secuencia de actividades secuenciales o alternativas estudiadas para lograr el objetivos eficaz y eficientemente. Es la base para definir los parámetros de todo los procesos de fabricación de productos unión con adhesivos, permitiendo producir productos competitivos en calidad y costo. Al determinarse un valor de esfuerzo de cizallamiento máximo, esto permite calcular la resistencia de cualquier unión realizada con adhesivos, permitiendo mejorar al diseño de la unión. Permitirá desarrollar mejores y nuevos productos competitivos en calidad y costo Es fundamental para la fabricación de productos competitivos y de calidad, y fundamental en la fabricación de materiales de uso estructural como puede ser en la madera. La unión de partes y piezas mediante adhesivos, siempre ha sido de importancia en la madera, sin embargo en la actualidad, el uso de adhesivos está extendido a muchos otros materiales incluso compuestos con la madera. Es casi imposible obtener un producto competitivo y de calidad, en productos, cuyas partes y piezas son unidad con adhesivos, si los valores de los parámetros, no están claramente determinados. Permitirá mejorar el aprovechamiento de la madera hasta en 400% y agregar valor a la madera hasta en 400%. 75 Es la base para desarrolla productos con pequeñas secciones de madera y desarrollar una tecnología de no tala, que pueden mitigar la depredación de los bosque naturales y el cambio climático. 3.4.3. PROCEDIMIENTOS El método se compone de los siguientes procedimientos: 1. Selección de la madera: 1. Se debe determinar previamente los criterios de selección, y seleccionar un mínimo de tres especies de más uso frecuente. 2. Y seleccionar la de mayor requerimiento de encolado. 3. Luego se puede ampliar las alternativas, según se requiera. 2. Selección de los adhesivos y colas: 1. Buscar en el mercado y seleccionar un mínimo de 2 de colas alternativas de las clases y marcas que regularmente se emplean. 2. Contactar al proveedor, conseguir la muestra en la cantidad necesaria y la información completa de la cola. 3. Registro y manejo de datos en Excel: 1. La información y los datos de la cola obtenida de los fabricantes así como los resultados de los ensayos debe registrarse y procesarse en hoja Excel. 2. Obtener información de proveedores, registrar en un Excel, calcular los valores promedios de: Tiempo máximo y mínimo de apertura, presión máxima y mínima de cierre. Tiempo y temperatura máxima y mínima de curado en cierre, tiempo mínimo y máximo de curado en apertura. Determinar puntos medios entre el valor promedio y los máximos y mínimos. Dentro de estos rangos para ajustar los valores. 3. Cargar los datos en el Cuadro Variables a Ensayar (Tabla 13). 4. Diseñar el ensayo en el Cuadro Variables a Ensayar (Tabla 13)... 5. Registral los resultados en el Cuadro Variables a Ensayar (Tabla 13). 6. Cada juego de ensayo debe contar con su hoja de reporte que acompañara las probetas, el laboratorio debe entrega el reporte con los resultados y las fotos de los ensayos. 76 7. Estos reportes deberán ser vertidos en el Excel y registrar los resultados en el Cuadro Variables a Ensayar (Tabla 13). Los datos y las fotos deben guardarse en una memoria USB para este fin, finalmente se debe quemarse un CD con los resultado y las fotos. Cada juego de probetas de ensayo tiene un código de identificación y cada probeta tiene un correlativo único de identificación, que debe marcarse en la probeta en el momento de su fabricación (ver tabla 1). 4. Fabricación de los juegos de probetas conforme a los ensayos requeridos 1. En el Cuadro Variables a Ensayar (Tabla 13) se indicas los valores de cada parámetro según los ensayos a realizar. 2. El primer ensayo de referencia, seleccionar la especie de madera de mayor área encolada y ensayar con la cola que regularmente se emplea, secada al horno y acaba con el corte del disco, parámetros los mismos que regularmente se emplean regularmente en el proceso de encolados. 3. Fabricar las probetas conforme valores a los parámetros de diseño de la prueba, indicado en el Cuadro Variables a Ensayar (Tabla 13), 4. Determinación de la mejor cola: Fabricar dos juegos de ensayo adicionales con los mismos valores de parámetros del ensayo de referencia, pero con dos colas de la misma clase pero de otras marcas. 5. Efecto del corte tangencial o radial: Fabricar la mitad de todos los juegos es con corte radial y la otra mitad con corte tangencial. 6. Efecto del contenido de humedad: Fabricar con los mismos valores de parámetros 1 juegos adicionales pero con madera sin secar y con cada cola ensayada. 7. Efecto del acabado superficial: Con una de las colas ensayadas y los mismos valores de los parámetros fabricar, un juego adicional cepillado y otro lijado. 8. Determinación de parámetros óptimos: Fabricar con la mejor cola, para cada parámetro que se desea determinar su óptimo, dos juegos con el valor promedio y valor máximo dado por los fabricantes. 77 9. Para otra madera y/o otros adhesivos: Para otras maderas o colas, con los resultados y parámetros óptimos, fabricar un juego adicional por cada cola y madera y comparar, si no hay diferencia significativa, se mantiene los parámetros. En caso sea significativa la diferencia y es un adhesivo con mayor resistencia se tiene un adhesivo mejor. 10. En caso la falla se presente mayoritariamente (=>50%) en la madera y no en la línea de encolado, de preferencia fabricar otro juego con menor área encolada. 11. A cada juego de probetas, aplicar un ensayo de resistencia al cizallamiento a la unión encolada, hacer cálculos, sacar promedios y comparar valores de resistencia mediante ANOVA. Graficar los valores y determinar los valores óptimos para la cola estudiada. 12. Determinar el nivel de significancia en el encolado de otras maderas o colas. Si es significativo, es un dato para ese caso. Si no es significativo. Los resultados son aplicables para muchas especies o colas según sea el caso. 5. Ensayo de resistencia al cizallamiento de uniones encoladas. 1. Colocar la probeta en la mordaza. Debe ser una mordaza plana con textura y nivel de rugosidad específicas para que no se presente deslizamientos de las probetas. 2. Lecturas de alargamiento: Las lecturas del extensómetro se leerán para incrementos de carga constantes de 10kg para trazar con suficiente exactitud diagramas esfuerzo deformación. 3. La lectura de carga máxima en la máquina se debe fotografiar y anotar en reporte. 4. El extensómetro se puede retirar cuando se hayan obtenido los datos suficientes para poder trabajar. 5. Determinación del contenido de humedad con instrumentos. Anotar en reporte. 78 6. Fotografía el indicador de carga máxima, y la falla en la probeta, colocar un letrero, con el código único, código de ensayo y fecha. A fin de registrar fotográficamente, todos los datos. 7. Fotos deben incluir el código de identificación de la muestra. 8. Fotos de la falla producida en la probeta, anotarse localización y observaciones. 6. Cálculo de la resistencia de la unión encolada La resistencia al cizallamiento por tracción se determinará siguiendo la fórmula: σult = Fult /A en kg/cm2 Dónde: ult = Esfuerzo de cizallamiento con aproximación de 10kg. Fult = Carga máxima que resiste antes de fallar, en kg/cm2 A = Área de la sección encolada (cm2) 7. Informe de resultado de los ensayo de probetas: 1. Número de identificación. 2. Contenido de humedad, instrumental y/o laboratorio de ser el caso 3. Dimensiones de la sección encolada (cm). 4. Área de la sección encolada (cm²). 5. Carga máxima (kg). 6. Fotos del ensayo y de la falla producida. 7. Anotaciones, descripción del tipo de falla y observaciones. 8. Copia digital de la información. 8. Cálculos y análisis de resultados 1. Los resultados se registraran en cuadro Excel similar al cuadro de ensayo comparativo. 79 2. ANOVA, significancia de las colas. 3. ANOVA, significancia del corte tangencia y radial en la resistencia del encolado. 4. ANOVA, Significancia del contenido humedad en la resistencia del encolado. 5. La mejor cola, para madera seca y sin secas. 6. Porcentajes de falla en madera 9. Informe de parámetros óptimos: 1. Especie con la que se realizaron los ensayos. 2. Resistencia al cizallamiento en kg/cm2 o de cada ensayo. 3. Los mejores proveedores de cada clase de cola 4. La clase de cola más resistente. 5. La mejores colas en madera seca al aire 6. Si hay diferencia significativa entre el encolado de cara con corte radial y tangencial. 7. Resistencia al cizallamiento de cada clase de cola. 8. Información de los proveedores, de los parámetros, de tiempo (Tx) máximo y (Tm) mínimo de apertura, presión (Px) máxima y (Pm) mínima de cierre. tiempo y temperatura (Gx) máxima y (Gm) mínima de curado en cierre, tiempo (TAm) mínimo y (TAx) máximo de curado en apertura. 9. Informe de los registro de humedad y temperatura en los en el ambiente de curado de las probetas. 10. Copia digital de la información. 11. Observaciones, conclusiones y recomendaciones 80 CAPITULO IV 4.1. ENSAYOS Y RESULTADOS Comprende lograr los siguientes resultados. 1. Implementación del método 2. Implementación de los ensayos 3. Los ensayos 4. Análisis de resultados 5. Observaciones, conclusiones y observaciones de los resultados. 4.2. IMPLEMENTACIÓN DEL MÉTODO En el Capítulo III se ha definido el método y los procedimientos. En esta etapa la inversión principal ha sido en el equipo de fabricación de probetas. No hay en el mercado equipos comerciales, para tal fin, a pesar de la importancia y relevancia de este equipo. Más aún se estima que hay 8,000 especies de madera y muchas clases y marcas de adhesivos. En este sentido se ha diseñado construido y validado un equipo, qué permitirá hacer probetas de diversos tipos. Desde las estandarizada para los ensayos de adherencia, hasta secciones reales de vigas laminadas. También se ha incluido, resistencia para el calentamiento y control de temperatura con tiempos para los caso de adhesivos que requieran temperatura, para el curado en cierre. . 81 4.2.1. EQUIPO PARA FABRICACIÓN DE PROBETAS. Se ha diseñado, construido, instalado y validado un equipo para la construcción de probetas para el desarrollo de diversos productos con adhesivos. Permitirá la fabricación de varios tipos de probetas, que serán utilizadas para optimizar los métodos y procesos, así como para desarrollar nuevos productos y procesos (Ver figura 28 al 30) El equipo se ha instalado con suministro de energía independiente y en una disposición, que permitirá ser operado adecuadamente, en el momento que se requiera. El equipo permitirá fabricar conjuntamente un juego de probetas para ensayos, de maderas adheridas con adhesivos de diversas clases, igualmente madera compuesta con otros materiales (ver imágenes 28 al 30). Los tipos de probetas para ensayo que se pueden fabricar son:   Probeta para ensayo de cizallamiento de adhesivos, de diversas secciones, de 20mmX20mm hasta 100mmX100mm. Probeta para ensayo de cizallamiento de uniones de cabeza, por machihembrado, media madera, finger joint, espiga, secciones de   20mmX20mm hasta 100mmX100mm. Probeta de sección de viga compuesta para ensayo de flexión de 20mmX20mmX300mm hasta 100mmX120mmX900mm Con los aditamentos adecuados se puede configura para fabricar cualquier tipo de probetas que se requiera construir. Especificaciones técnicas del equipo de fabricación de probetas:       Conjunto de 6 pistones hidráulicos, diámetro 100mm Conjunto de 6 Platos de 100mmX150mm, altura, 150mm hasta 450mm Cada plato cuenta con resistencia y pirómetro para el control de temperatura de 20Cº a 300Cº Bomba hidráulica de 7gl/min hasta 180kg/cm2 Manómetro y regulador de presión. Temporizado y electroválvulas para el control de tiempos de prensado. 82 FIGURA 28 Equipo en proceso de instalación y calibración Manometro de presion indicando un presión de 20kg cm2 Tablero con el equipo funcionado FIGURA 29 FIGURA 30 83 FIGURA 31: Pruebas de validación del equipo de fabricación probetas de ensayo 4.2.2. EQUIPO DE ENSAYO DE TRACCIÓN. Equipo del laboratorio de ensayo de la Universidad Nacional de Ingeniería. Máquina de ensayo Amsler, la máquina de ensayo tiene una capacidad de aplicar cargas de hasta 20 toneladas o más, reúne las condiciones de velocidad expuesta en el siguiente numeral.   Aplicar la carga cada 5 kg para obtener una cantidad suficiente de datos de desplazamientos para graficarlo. Aplicar carga hasta que la muestra falle y registrar la carga máxima soportada por el espécimen durante el ensayo. 4.2.3. EQUIPOS DE MEDICIÓN Y REGISTRO.   Higrómetro de contacto marca Marrary. Pie de rey digital 84 4.3. IMPLEMENTACIÓN DE LOS ENSAYOS 4.3.1. SELECCIÓN DE LAS MADERAS: Se seleccionó la madera para iniciar los ensayos en base a los criterios siguientes: 1. Disponibilidad del aprovisionamiento. 2. Costo. 3. Propiedades de resistencia mecánica. 4. Demanda del mercado TABLA 11 Maderas Seleccionadas COD M1 M2 M3 ESPECIES Cachimbo Copaiba Huairuro Color del duramen blanco cremoso Densidad gr/cm3 básica pardo amarillo claro 0,59 0,61 0,61 Contracción Volumétrica (%) 12,1 10,7 9,4 Contracción tangencial (%) 7,58 7 6,3 Contracción radial (%) 4,96 3,4 3,19 Módulo elasticidad en Flexión (Kg/cm2) 131000 112000 136000 Módulo de Rotura en flexión (kg/cm2) 735 736 838 342 268 443 66 74 71 compresión paralela (kg/cm2) compresión perpendicular (kg/cm2) Corte paralelo a la fibra (kg/cm2) Dureza de (Kg/cm2) lado 84 468 105 587 650 Fuente, Acuerdo de Cartagena 85 Si bien hay tres especies seleccionadas de madera LKS (ver Tabla 11), se ha seleccionado la madera Cachimbo como referencia para todos los ensayos, por ser una especie, de precio bajo, con mucha oferta en el mercado y muy buenas propiedades de resistencia mecánicas. 4.3.2. PREPARACIÓN DE LA MADERA PARA FABRICACIÓN DE LAS PROBETAS:    Se han aserrado 200pt (pies tableares) de madera a 30mm de espesor de las siguientes especies: Cachimbo, Huairuro y Copaiba (ver imagen 19). Se ha secado al horno 150pt de las siguientes especies de madera: Cachimbo, Huairuro y Copaiba (ver imagen 19). Para la preparación de las probetas para los ensayos de adherencia, se han preparado un total 100 listones de 25mmX25mmX450mm de madera, 50 secas al horno y 50 sin secar al horno (ver imagen 25). FIGURA 32: MADERA PARA PROBETAS SECA AL HORNO 86 4.3.3. SELECCIÓN DE LAS COLAS Se ha seleccionado dos colas alternativas, las que usualmente se emplean es GLUKOLA UR, de formulación y fabricación nacional, la KL4010 es de formulación importada pero fabricación nacional y la RAD3 es de origen importado. Los criterios de selección fueron los siguientes: 1. Disponibilidad en el mercado. 2. Propiedades adhesivas. 3. Costos Las colas seleccionadas, son la clásica cola de carpintero, que requiere un tiempo de prensado y curado a temperatura ambiente (Ver tabla 12). Se contactó con cada uno de los proveedores, realizado una visita técnica a las instalaciones, y recabado información sobre los diversos adhesivos, obtenidos muestras de un lote estándar del inventario para venta y las fichas técnicas de todas las colas a ensayar. TABLA 12 ADHESIVOS SELECCIONADOS PARA ENSAYO COD COLA BASE % SOLIDOS Color C1 GLUKOLA UR Resina de Polivinilo Acetato (PVA) 49 - 51 Blanco C2 DORUS KL4010 Resina de Polivinilo Acetato (PVA) 47+-3% blanco/crema C3 pH Resisten cia N/mm2 3-4.5 Resina de Polivinilo 49 - 51 Blanco 4–6 y Vinil Ester (PVA) Fuente, datos de fichas técnicas de los proveedores de adhesivos. RAD3 10 87 4.3.4. LOS ENSAYOSA REALIZAR Los ensayos se definen en la Tabla 13. El primer ensayo sirve de referencia para los siguientes ensayos, de las 16 variables definidas se han de asignar los siguientes valores:  Medio ambiente Ta, Ha, Pa: son los valores de temperatura, humedad relativa y presión. Se tomara como condiciones normales, la media de la ciudad de   Lima. Madera M1: Es la especie de madera cachimbo que será, la referencia para todas las pruebas. Con diversos adhesivos. Colas C1, C2, C3: Son las tres marcas de colas con las que se iniciaran los ensayos. Son las colas blancas de carpintero, comercialmente llamada “cola  sintética”. Es una cola PBA con base de polivinilo. Espesor de película (EP): no se controlara este parámetro, sin embargo se asegurará de aplicar el adhesivo con una brocha, sobre una cara, hasta que la  probeta, esté totalmente cubierta con el adhesivo. Dirección del corte ( D ): La mitad del todo los juegos de ensayo conformado por 6 probetas, será con corte radial ( R ) y la otra mitad tangencial ( T )  denominadas corte radial. Contenido humedad (CH): Seco al horno (S ) aproximadamente CH15%, sin secar ( H ) aproximadamente CH25%. Para esta primera prueba se construirá   un juego en con CH15% ( S ) se hará otro con CH25%( H ). Acabado superficial ( D ): El acabado superficial es con el corte del disco. Tiempos de ensamble (TE): Se ha fijado en 10 minutos, tiempo máximo recomendado por los fabricantes y es una limitación en el proceso de     producción. Tiempo de cierre (TC): Se ha fijado en 30minutos porque es una restricción del proceso de producción. 2 Presión de cierre ( P ): 10 kg/cm como punto de partida. Temperatura de curado en cierre ( G ): Es la temperatura ambiente porque la cola blanca se cura al medio ambiente. Tiempo de currado (TA): Los primeros ensayos se realizaron en 48 horas. Resultados posibles de obtener: Con los parámetros asignados con estos valores, se podrán obtener los siguientes resultados: 88  La mejor cola: El ensayo es de una especie de madera, con tres colas a ensayar. Permitirá determinara el esfuerzo de máximo de cizallamientos (kg/cm2). Esto nos permite la comparar la fuerza de adherencia de estas esta tres colas con la especie seleccionada y determinar la mejor cola o adhesivo,  para esa especie en particular. Efecto del tipo de corte: Sin embargo podemos aprovechar este mismo ensayo para comparar el efecto del corte radial con el corte tangencial. Para lo cual la mitad de las probetas será fabricada con el corte tangencial y la otra con el corte radial. Se hará la comparación, empleando análisis de varianza para determinar si las medias tienen una diferencia significativa. En caso contrario, es un parámetro menos a considerar del proceso de adherencia de las  maderas. Efector de la humedad en la Madera: Teniendo en cuenta que por cada probeta construida con madera seca al horno, hay otro juego adicional, hecha en madera sin secar al horno. Esto permite determinar el efecto de la humedad en el esfuerzo máximo de cizallamiento (kg/cm2). Así como se puede determinase que hay una cola mejor para ese caso, como también que no hay  diferencia significativa en encolar madera seca al horno y sin secar. Determinación de parámetros: Serán ajustados conforme los valores indicados en el Cuadro Variables a Ensayar que son el valor menor dados por los proveedores. Para el caso de del tiempo de armado se estableció en 10min, así como 30mín el tiempo de cierre, este último es crítico, lo determina el proceso de producción en planta. Porque podría requerirse una inversión mayor en prensas, para el proceso de ensamble. 89 TABLA 13 (Ma) Medio ambiente Pa M C C , , , ,…… (EP) Espesor de película en micras CH % (CH) % de Contenido (S) seca al horno de Humedad de la (H) sin secar al horno madera E Área de (E)Encolada D (D )Dirección del Corte TE TC P M1 M1 M1 M1 M1 M1 C1 C1 C2 C2 C3 C3 S H S H S H (Ha) Humedad relativa (Pa) Presión atmosférica. EP A M1 Cº, (M )especie de madera (C)Tipo de cola M1CL3H Ha M1CL3S (Ga) Grados Temperatura M1CL2H Ga Mad era solid a M1CL2S Variaciones de cada factor y parámetros M1C1H Factores que influyen Código en la resistencia al cizallamiento (Kg/cm2) M1C1S Cuadro Variables a Ensayar la (R) recomendación del proveedor sección longitud de traslape 25mm Corte (R)Radial Corte (T)Tangencial (A) Acabado ((D)al corte de disco, superficial, (C)cepillado, estandarizar acabados (L)lijado TER (TE)Tiempo de (R)Recomendación Ensamble Minutos. del fabricante (TC) Tiempo de Cierre TCR recomendado minutos (P)Presión de Cierre ( R )recomendada (kg/cm2) por fabricante 25 25 25 25 25 25 R= R= R= R= R= R= T T T T T T D D D D D D 10 10 10 10 10 10 30 30 30 30 30 30 10 10 10 10 10 10 G (G) temperatura Curado en Cierre. de ( R )recomendad por fabricante 25 25 25 25 25 25 TA (TA)Tiempo de curado TAR Recomendado abierto Hora por proveedor 48 48 48 48 48 48 Fuente propia, tabulado de visitas técnicas realizadas 90 4.3.5. LA CONSTRUCCIÓN DE LAS PROBETAS DE ENSAYO EL ENSAMBLE Y PRENSADO DE LAS PROBETAS, FIGURA 33 La probeta de ensayo: Las dimensiones de las probetas son de 20mmX25mmX450mm. Se confeccionaron trozando un listón de 25mmX25mmX450mm en dos mitades de largo distintos, luego las dos mitades de sección cuadrado se dividió en dos mitades iguales de 10mmX25mm, de acuerdo a la orientación de corte. Los dos listones más largo se unen con un traslape entre sí, y dos más cortos se pegan en los extremo, formándose las probetas de 20mmX25mmX450mm con la línea de encolado centrada.    Se han fabricado un total 36 probetas, de madera Cachimbo, total 6 juegos de ensayos, de 6 probetas cada uno (ver imagen 25). Se han utilizado tres colas PVA, fabricando con cada uno, 1 juego con madera seca al horno y otro juego con madera sin secar. Para la comparación de resistencia del corte radial con tangencial, la mitad de las probetas son de corte radial y la otra mitad de corte tangencial. Posibilitándose, la comparación de la adherencia entre ambos, sin requerir   preparar más probetas. Se determinará la mejor cola, de las 3 empleadas, para un tiempo de cierre de 30min y presión de 10kg/cm2 (ver tabla 13). Determinar el efecto del contenido de humedad en el encolado. Como la mitad de las probetas, son de maderas seca y las restantes sin secar, se puede 91 determinar el efecto del contenido de humedad en la fuerza de pegado con las   diversas colas ensayadas. Se posibilita determinar la mejor cola para madera secada al horno y sin secar. Como se requiere que la mitad de las probetas sean con corte radial y la otra mitad con corte tangencial, la madera para las probetas se cortaron a 45 cm de longitud y una sección cuadra acabada 25mmx25mm. Siendo una sección cuadrada, se selecciona la dirección y se corta por el centro y rectifica el espesor para que termine en 10mm, a continuación se marca las dos mitades, se corta cada mitad a 23.75cm de largo, y se encola entre con un traslape de 25mm, las dos secciones más cortas, se encolan en lados opuesto para mantener la sección rectangular, y el traslape a media madera. El prensado, la temperatura y los tiempos se realizan con los valores indicados en el Cuadro Variables a Ensayar Tabla 13 para el ensayo. Detalles del Ensamble FIGURA 34 La Presión FIGURA 35 Guía para el ensamblado de probetas, FIGURA 36 92 La Sección Traslapada, FIGURA 37 Probetas Construidas Para los Ensayos, FIGURA 38 93 4.4. ENSAYOS DE LAS PROBETAS Ensayos en Laboratorios de la UNI, FIGURA 39 y 40 Los ensayos de tracción para determinación del esfuerzo máximo de cizallamiento (kg/cm2). Fueron realizados en el laboratorio de ensayos de materiales de la Universidad Nacional de Ingeniería (Ver imágenes 26 – 27). Obteniéndose los siguientes resultados, ver TABLA 14. Sección traslapada de las probetas, FIGURA 41 94 4.5. RESULTADO DE ENSAYOS Tabla 14, resultado de ensayos realizados en laboratorio de materiales de la UNI, Ancho Código Probetas A1 A2 P1 RS C1 25.39 25.53 P2 RS C1 25.6 P3 RS C1 25.34 TRASLAPE A Prom. T Prom. Área cm2 CH Prom. Car ga Ma x. Kg. Esfuerzo Max. kg/cm2 CONTENIDO DE HUMEDAD CH1 CH2 Lugar de falla T1 T2 25.46 27.78 27.77 27.775 7.0715 13 14.1 13.55 130 18.3836 Unión 26.23 25.915 26.14 25.95 26.045 6.7496 15.5 14.8 15.15 80 11.8526 Unión 25.17 25.255 26.79 27.12 26.955 6.8075 13.4 15.5 14.45 320 47.0071 Unión P7 TS C1 25.6 25.3 25.45 24.97 25.26 25.115 6.3918 16.4 15.9 16.15 100 15.6451 Unión P8 TS C1 25.45 25.82 25.635 25.81 25.98 25.895 6.6382 16.9 17.5 17.2 220 33.1416 Unión P9 TS C1 25.35 25.41 25.38 27.15 26.98 27.065 6.8691 15.3 14.5 14.9 190 27.6601 Unión P4 RH C1 25.15 25.18 25.165 24.52 23.81 24.165 6.0811 22.4 21.2 21.8 180 29.5998 Unión P5 RH C1 25.04 25.33 25.185 25.63 25.78 25.705 6.4738 20.7 20 20.35 190 29.3490 Unión P6 RH C1 25.63 25.21 25.42 26.47 28.1 27.285 6.9358 21.5 26.3 23.9 220 31.7193 Unión P10 TH C1 24.99 25.31 25.15 25.25 25.15 25.2 6.3378 26 23.8 24.9 250 39.4459 Unión P11 TH C1 25.05 25.4 25.225 24.89 24.73 24.81 6.2583 22.5 27.5 25 290 46.3383 Unión P12 TH C1 26.02 24.91 25.465 26.93 26.99 26.96 6.8654 18.9 21.4 20.15 270 39.3278 Unión P13 TH C2 24.93 25.34 25.135 25.53 25.53 25.53 6.4170 24.9 26.9 25.9 300 46.7511 Unión P14 TH C2 25.08 24.97 25.025 25.94 25.61 25.775 6.4502 23.8 24.3 24.05 220 34.1075 Unión P15 TH C2 25.16 25.45 25.305 27.16 26.99 27.075 6.8513 20.6 20.1 20.35 90 13.1361 Unión P16 TH C2 25.18 25.33 25.255 25.62 26.1 25.86 6.5309 20.1 21.7 20.9 100 15.3117 Unión P17 TH C2 25.36 25.08 25.22 25.65 26 25.825 6.5131 25.5 22.5 24 320 49.1320 Unión P18 TH C2 25.23 25.53 25.38 26.3 25.65 25.975 6.5925 23.5 21.2 22.35 310 47.0235 Unión P19 RH C2 25.14 25.01 25.075 26.39 26.04 26.215 6.5734 28.3 28.3 28.3 130 19.7766 Unión P20 RH C2 25.08 25.26 25.17 25.83 24.89 25.36 6.3831 18.4 20.6 19.5 230 36.0326 Unión P21 RH C2 25.26 25.29 25.275 26.01 25.59 25.8 6.5210 22.5 20.9 21.7 280 42.9385 Unión P22 RH C2 25.07 25.05 25.06 27.16 26.57 26.865 6.7324 21.2 19.7 20.45 280 41.5901 Unión P23 RH C2 25.01 25.18 25.095 26.47 26.24 26.355 6.6138 18.5 19.5 19 200 30.2399 Unión P24 RH C2 25.12 24.95 25.035 26.12 26.42 26.27 6.5767 23.1 24.1 23.6 340 51.6977 Unión 25 TH C3 25.42 25.48 25.45 26.88 26.68 26.78 6.8155 19.6 18.8 19.2 240 35.2138 Unión P26 TH C3 25.3 25.25 25.275 25.38 25.46 25.42 6.4249 18.9 15.6 17.25 240 37.3546 Unión P27 TH C3 25.14 25.46 25.3 26.5 26.51 26.505 6.7058 20 20.6 20.3 250 37.2814 Unión P28 TH C3 25.09 25.05 25.07 27.55 27.12 27.335 6.8529 16.7 21.2 18.95 130 18.9701 Unión P29 TH C3 24.81 25.15 24.98 26.92 26.91 26.915 6.7234 20 20.3 20.15 300 44.6205 Unión P30 TH C3 25.08 25.01 25.045 26.7 27.07 26.885 6.7333 16.1 18.6 17.35 250 37.1286 Unión P31 RH C3 25.05 25.23 25.14 26.13 25.61 25.87 6.5037 20.1 23.2 21.65 190 29.2141 Unión P32 RH C3 24.9 24.96 24.93 26.09 26.25 26.17 6.5242 20.7 25.3 23 220 33.7207 Unión P33 RH C3 25.14 25.1 25.12 27.29 27.17 27.23 6.8402 14.6 16.4 15.5 370 54.0922 Unión P34 RH C3 25.33 25.26 25.295 26.69 26.55 26.62 6.7335 15.2 16 15.6 310 46.0383 Unión P35 RH C3 25.2 25.08 25.14 26.9 26.56 26.73 6.7199 16 21.5 18.75 300 44.6434 Unión P36 RH C3 24.87 24.83 24.85 26.24 26.1 26.17 6.5032 18.2 22.1 20.15 320 49.2062 Unión 95 La carga máxima promedio aplicada: El ensayo se realiza en una máquina que realiza incrementos de carga de 5kg, con una velocidad constante, la carga máxima en promedio ha sido de 232kg (Ver Tabla 14), Lugar de la falla: La falla por el esfuerzo ha ocurrido en la unión encolada, en el 100% de las probetas ensayadas (ver fotos). Esfuerzo cizallamiento máximo promedio: El promedio del esfuerzo es de 35k/cm2 (ver registro de resultados Tabla 14). Probetas ensayadas, 100% falla en unión, FIGURA 42 El área de sección encolada: Se han tomado dos mediciones, al ancho y traslape para determinar la sección en colada, el promedio ha sido de 6,62 cm2 (ver registros de resultados Tabla 14), Contenidos de humedad de la madera: Se han tomado dos mediciones por probetas, para determinar el contenido de humedad, con un medidor de contacto marca Marrary, calibrada a la densidad del Cachimbo. ,   La madera seca al horno se encuentra en promedio en CH15, 23%. La madera sin secar se encuentra en promedio en CH21, 14% 96 4.6. ANÁLISIS DE RESULTADO. 4.6.1. COMPARACIÓN ENTRE COLAS C1, C2, C3. De los resultados calculamos la tabla 15. Obteniéndose los esfuerzo máximo para los tres adhesivos.    Esfuerzo máximo de C1=35,9634kg/cm2 Esfuerzo máximo de C2=35,6448 kg/cm2 Esfuerzo máximo de C3=38,9570 kg/cm2 TABLA 15 Resultados kg/cm2 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 R 8 R 9 R 10 R 11 R 12 R Suma Promedio C1 S H 15,6451 33,1416 27,6601 39,4459 46,3383 39,3278 18,3836 11,8526 47,0071 29,5998 29,3490 31,7193 153,6902 25,6150 215,7801 35,9634 C2 H C3 H 46,7511 34,1075 13,1361 15,3117 49,1320 47,0235 19,7766 36,0326 42,9385 41,5901 30,2399 51,6977 427,7373 35,6448 35,2138 37,3546 37,2814 18,9701 44,6205 37,1286 29.2141 33,7207 54,0922 46,0383 44,6434 49,2062 467,4838 38,9570 Cálculos de los resultados de la tabla 14 TABLA 16, ANOVA ENTRE COLAS Del análisis de resultados por ANOVA, Tabla 16 aplicando las formula de la tabla 6. Fuente Entre Colas Dentro de cada cola Total Suma de cuadrados Grados de libertad Cuadrado medio 726,3051 3 242,1017 4070,682 32 127,2088 Fcal 1,90318329 4796,987 35 Ftab = 2,92 (95%,3,32) 97 Se concluye que no hay diferencia significativa de esfuerzo máximo entre las 3 colas ensayadas, la selección de la cola es económica. 4.6.2. COMPARACIÓN LA MADERA SECA EN HORNO Y SIN SECA CON LA COLA C1. De la Tabla 15 encontramos el esfuerzo máximo de la madera seca al horno y sin secar, por la Tabla 17, las cuatro columnas evaluadas no muestra diferencia significativas, por tanto, preliminarmente podemos concluir que no hay diferencia significativa en la resistencia entre la madera seca al horno y sin secar para las tres colas ensayada, adicionalmente se ha realizado un ANOVA con la cola C1, tampoco se ha encontrado diferencia significativas.    Esfuerzo máximo de la madera seca al horno ( S ) =25,6150kg/cm2 Esfuerzo máximo de la madera sin secar al horno ( H ) =35,9634kg/cm2 El análisis de varianza indica que no hay diferencia significativa en el esfuerzo máximo entre la madera seca y sin secar al horno, el Fcal= 1,1758, Ftab = 4,545, 0,1,1,4. Tabla 17 Fuente Entre Colas Dentro de cada cola Total Suma de cuadrados Grados de libertad Cuadrado medio 726,3051 3 242,1017 4070,682 32 127,2088 Fcal 1,90318329 4796,987 35 Ftab = 2,92 (95%,3,32) 98 4.6.3. COMPARACIÓN ENTRE EL CORTE RADIAL ( R ) Y TANGENCIAL (T) De la Tabla 18 calculada de los resultados encontramos es esfuerzo máximo del corte tangencial y radial, se aprecia muy poca diferencia.   El esfuerzo máximo del corte tangencial=34,3kg/cm2 El esfuerzo máximo del corte radial=35,9kg/cm2 TABLA 18 Resultados kg/cm2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T T T T T T R R R R R R CL1 CL2 CL3 Suma Promedio S H H H 15,6451 39,4459 46,7511 35,2138 33,1416 46,3383 34,1075 37,3546 27,6601 39,3278 13,1361 37,2814 617,5898 34,3105 15.3117 18,9701 49,1320 44,6205 47,0235 37,1286 18,3836 29,5998 19,7766 29,2141 11,8526 29,3490 36,0326 33,7207 47,0071 31,7193 42,9385 54,0922 647,1016 35,9501 41,5901 46,0383 30,2399 44,6434 51,6977 49,2062 Cálculos de los resultados de la tabla 14 Del análisis de varianza realizado, en la Tabla 19, con la aplicación de las formulas de la Tabla 6, encontramos qué no hay diferencia significativa entre la resistencia máxima del corte tangencial y radial, el Fcal= 0,1723, Ftab = 0,171 (95%, 1,34.) TABLA 19, ANOVA ENTRE CORTE RADIAL Y TANGENCIAL Fuente Entre Cortes Dentro del corte Total Suma de cuadrados Grados de libertad Cuadrado medio Fcal 24,1931 1 24,1931 0,1723 4772,794 34 140,3763 4796,987 35 Ftab = 4,171 (95%,1,34) 99 CAPITULO V ANALISIS ECONOMICO FINANCIERO Y COMPARATIVO ENTRE SISTEMA EXISTENTE Y SISTEMA PROPUESTO Sistema Existente Se prefiere entera, trabajar larga, Propuesto con ancha madera Si y se utiliza madera corta y de gruesa. recuperación, la madera corta está al Evitando las uniones y pegas con menos a 70% del costo normal del sobre costos de hasta 100% más mercado, de la madera larga y la madera para medidas especiales de recuperación, hasta menos del 50%. Las dimensiones están limitadas por Utilizando pequeñas piezas adheridas de las dimensiones del tronco y árbol del madera, no hay limitaciones que se obtiene la madera, así como dimensionales en cuanto a los que se de los equipos para procesarla, las puede construir. grandes dimensiones de maderas son maderas pedidos especiales y Hay laminadas estructuras de de grandes costosos. dimensiones. El costo de la madera puede Actualmente imposibles en algunos estar `por debajo de la media, porque es casos. madera corta y considerada de baja calidad. Los productos de madera con Conociendo el esfuerzo de máximo de uniones, se introducen en muchas cizallamiento (kg/cm2), se puede hacer un operaciones, para asegurar la diseño óptimo de las uniones utilizando el resistencia de la unión adherida. Esto mínimo de madera, igualmente tiempos y involucra más madera, más costos de operaciones y procesos. La operaciones, tiempo de operación y reducción del costo será radical, mayor al más costo. 50%. 100 En el Perú solo se aprovecha el En el mundo el aprovechamiento es de 17,81% (FAO 2001) de la madera en 55%. Se obtendrán mejorar radicales con troncos, como madera, el porcentaje el restante, es leña, carbón y residuos. empleo de piezas adheridas. El porcentaje, de aprovechamiento y el aumento de valor de la madera, podrá mejorar hasta en 400%, teniendo en cuenta que, la leña y carbón, es un valor de refugio. El aprovechamiento de la madera en Impulsar el uso de uniones pegadas, el Perú es de menos de 17,81% puede mejorar el aprovechamiento en (FAO2001) principalmente por los más de 50% y los ingresos y el valor métodos de aprovechamiento actual agregado en más de 100%. Se debe tener de la madera y por la costumbre, de en cuenta que la madera corta se valora utilizar piezas de maderas grandes, hasta menos del 70% de la madera larga reduciendo la uniones. comercial, si se emplea en la fabricación de productos de uso estructural, su valor estaría mínimo 50% sobre el valor la madera comercial larga. Por tanto las cifras propuestas están demostradas. Actualmente se talan árboles que se Se podría desarrollar una tecnología estima requieren más de 50 años, basada en pequeñas piezas de madera para su desarrollo, no hay proceso de encoladas entre si, obtenidas de las reforestación, validados para ramas y raleos de los bosques, sin recurrir recuperar las áreas desforestadas y a la tala del árbol. De este modo, el degradas en la selva del Perú. bosque generaría continuamente, madera en lugar de esperar más de 50 años para que el árbol se regenere. 101 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 1. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES DEL DIAGNOSTICO Como resultado de las visitas técnicas realizadas, tanto a proveedores de colas como a los fabricantes de productos de madera, hemos tabulado en total 16 factores y/o parámetros que determinan la resistencia de las uniones encoladas: Entre los cuales son 3 los factores del medio ambiente a tomar en cuenta son: Temperatura, Humedad relativa, Presión atmosférica Son 6 los factores considerados por los fabricantes de productos de madera: Especie de madera, La cola, Preparación de la superficie, Área encolada, Orientación del corte, Contenido de humedad de la madera Son 7 los factores considerados por los proveedores de los pegamentos: Espesor de capa del pegamento, Tiempo de ensamble, Tiempo de cierre, Presión de cierre, Temperatura de cierre, Tiempo de curado, Condiciones del curado. En la Tabla 20 a continuación, se tabulan todos los factores a considerar (fuente propia, resultado de visitas técnicas), que afecta la resistencia de las uniones encoladas de los procesos de fabricación con madera. 102 R Resistencia al cizallamiento 2 Kg/cm Ga Ha (a) Medio ambiente No presentan datos 25 (Ha) Humedad relativa % 85 Industry of Furniture Condiciones normales M (M )especie de madera 3000 especies conocidas C (C) cola C1,2,3,4,…… EP (EP) Espesor de la Cubrir la superficie 2 125 a 175 g/m película a encolar CH% (CH) % de humedad de la madera (S) seca al horno (H) sin secar al horno. 10 a 25 D (D)Dirección del Corte Corte (R)Radial Corte (T)Tangencial No hay recomendacion es A (A) Acabado superficial, (D) al corte de disco, Superficie limpia libre (C) cepillado, de polvos (L) lijado. TE (TE)Tiempo de Ensamble Minutos., Mínimo debe haber solvente para el ensamble 10 TC (TC) Tiempo de Cierre minutos Recomendable el mayor tiempo posible, hasta poder manipular la unión Mínimo 30 minutos PR (P)Presión de Cierre (kg/cm2) GR (G) temperatura de Curado en Cierre. TA (TA)Tiempo de curado abierto Hora Suficiente para no dejar burbujas de aire Ha mayor temperatura menor tiempo Tiempo para 80% resistencia Máxima Talle A No tienen datos 100 (Ga) Grados Cº, temperatura (Pa) Presión atmosférica. Pa Exportimo Variaciones de cada factor y/o parámetro RAD3 Factores que influyen en la resistencia al cizallamiento (Kg/cm2) DORUS KL4010 Código de factor GLUKOLA UR TABLA 20 No hay adhesivos específicos Más de 4 clases de adhesivos de distinta base. 10 Cola blanca de carpintero (cola sintética) No hay medida, solo se controla que la capa cubrir uniforme toda la superficie 15 10 15 15 Se estima una diferencia y hay recomendaciones de no mezclar corte radial con tangencial Se considera que las superficies rugosas son mejores Máximo 10 min Mínimo 1 hora 3 a 7 kg/cm No hay control, se prensas con tornillo de ajuste manual Temperatura o ambiente hasta 80C Temperatura ambiente 2 Mínimo 72 horas No se aplica 103 2. CONCLUSIONES, OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL MÉTODO Y ENSAYOS REALIZADOS 2.1. IMPLEMENTACIÓN DEL MÉTODO El equipo se ha diseñado y dimensiona, para construir por lo menos tres tipos de probetas que se requieren construir y ensayar, para desarrollar productos. Entre las cuales, están las probetas de ensayo de adherencia, probetas de sistema de ensamble y probetas de modelo prototipo de los productos. Por ser clave el equipo de fabricación de probetas es, es recomendable que toda empresa cuente con algún tipo de equipos para hacer probetas de ensayo. Se podría diseñar y construir un equipo muchos más chico, que solo sirva para fabricar 3 probetas de ensayo, que no cuente con calentamiento ni control de temperatura. Simplemente es una prensa hidráulica con bomba manual y manómetro, para fabricar las probetas, con temperatura de cierre al medio ambiente. Esto permitirá, ajustar los valores en los parámetros de los procesos, donde se utilizan colas y adhesivos a temperatura ambiente, que constituyen la gran mayoría en productos de madera. 2.2. LOS ENSAYOS Y LA CONSTRUCCIÓN DE PROBETAS. El tiempo de ensamble y cierre: Se determinó un tiempo de ensamble de 10 min y tiempo de cierre 30min, porque es una de las especificaciones del proceso de producción. Recomendación 1: Realizar ensayos, con tiempo de cierre de 60 y 90 minutos, con la mejor cola determinada por el ensayo para determinar el efecto del tiempo de cierre sobre la resistencia del encolado. La presión de cierre: Se ha utilizado 10kg/cm2 de presión en el prensado. En el proceso se observó que la presión de cierre influye en el espesor de capa y la dispersión de la cola. Recomendación: Realizar un ensayo con 5kg/cm2 y 20kg/cm2 para determinar el efecto sobre la resistencia de la presión de prensado. 104 El prensado: En la operación se observó, que la superficie de la madera no es tan plana como el metal, porque se observa que el prensado no es totalmente homogéneo. Recomendación: Realizar un juego de ensayo colocando una superficie elástica como el caucho que absorba las pequeñas imperfección de la madera, afín de determinar el efecto sobre la resistencia. Este ensayo se debe realizar con los mismo parámetros iníciales, y compararlos con dichos resultados, 2.3. RESULTADOS Y ANÁLISIS La adherencia de la madera seca y sin secar al horno: Se observa una diferencia de resistencia máxima de 10kg/cm2 mayor en la madera seca al horno, aunque él según el análisis de varianza indica que no hay diferencia significativa, sin embargo solo se han ensayado 6 probetas madera seca al horno, de las 36 ensayadas. Recomendación: Prepara juegos con madera seca al horno, y repetir los mismos ensayos con madera secada al horno, para confirmar estos primeros resultados. La adherencia del corte tangencial y radial: Si bien se ha comprobado que no hay diferencia significativa en la adherencia del corte tangencial y radial, la diferencia del índice de contracción por tipo de cortes en el tiempo, puede causar fallas en la adherencia al crearse tensiones internas. Recomendación: Fabricar 1 juego de probetas de corte radial y otro juego de corte tangencial, adicionalmente 2 juegos donde se combinen el corte radial y tangencial. Guardar las probetas bajo sombra, luego de una semana ensayar 3 probetas de corte radial, 3 de corte tangencial y 6 combinados. Luego de 90 días ensayar los restantes. Este ensayo, nos permitirá conocer el efecto del tiempo en la adherencia, de la combinación del corte radial y tangencial. La mejor cola: Como el esfuerzo de adherencia máxima es similar, pero adicionalmente el análisis de varianza nos muestra diferencias significativas, la 2 mejor cola será la que tenga menor costo por m de encolado. ¡La evaluación es económica! 105 Recomendación: Hacer pruebas de rendimiento en producción, se debe determinar el costo por litro de cada cola. Luego determinar los m2 por litro de cada cola. El de menor costo, será la mejor cola. La presión y los tiempos de curado: Son parámetros fundamentas en la clave para fabricar vigas compuestas. Los ensayos no se han concluido, se debe continuar hasta determinar los parámetros óptimos. Recomendación: Se debe hacer 4 juegos de probetas, afín de determinar la presión óptima y tiempo de curado, que permita lograr la máxima resistencia al cizallamiento de la unión pegado. 106 3. CONCLUSIONES DE LA TESIS: 1. Ha quedado demostrada la hipótesis, inicial, de que los factores determinan, el valor de los parámetros óptimos, que tienen efecto sobre la resistencia al cizallamiento de las uniones adheridas o encolas de las maderas, quedando demostrada la hipótesis como resultado de los ensayos realizados. Ver tabla 21 a continuación TABLA 21 Resultados kg/cm2 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 7 R 8 R 9 R 10 R 11 R 12 R Suma Promedio Varianza C1 S H 15,6451 33,1416 27,6601 39,4459 46,3383 39,3278 18,3836 11,8526 47,0071 29,5998 29,3490 31,7193 153,6902 25,6150 143,2579 215,7801 35,9634 38,89054 C2 H C3 H 46,7511 34,1075 13,1361 15,3117 49,1320 47,0235 19,7766 36,0326 42,9385 41,5901 30,2399 51,6977 427,7373 35,6448 165,3807 35,2138 37,3546 37,2814 18,9701 44,6205 37,1286 29.2141 33,7207 54,0922 46,0383 44,6434 49,2062 467,4838 38,9570 82,76861 Cálculos de los resultados de la tabla 14 En la tabla 21 vemos los resultados, del ensayo de resistencia al cizallamiento de las 36 probetas, que fueron construidas ex profésame controlando los 16 parámetros que se propone en el método, y donde se han ensayado tres parámetros:    Tres marcas de cola codificadas como; C1, C2, C3 Dos contenidos de humedad diferente; Seca al horno (S) y sin secar al horno (H). Dos tipos de corte; Corte radial (R) y corte tangencial (T). Como vemos en la tabla 20, la resistencia al cizallamiento de cada probeta es diferente, sin embargo analizando los resultados, de los 4 grupos de datos, por tipos de cola y contenidos de humedad, podemos ver, que se presentan 107 diferencia en el promedio y la varianza, efecto de la variación del valor de cada parámetro controlado. 2. Se ha validado el método de determinación de parámetros óptimos, aplicados a procesos de producción, con maderas adheridas para uso estructural, aunque falte realizar muchos más ensayos para determinar el efecto sobre los otros factores considerados, así como para otras maderas, adhesivos y colas, pero esto se debe hacer en función de las necesidades. Teniendo en cuenta que se estima un aproximado de 8,000 especies de maderas y muchas marcas y clases de adhesivos en el mercado. 3. El propósito de tener un método validado de determinación de parámetros óptimos ha sido cumplido por los siguientes resultados: La Tabla 20 muestran los resultados de los ensayos con la aplicación del método, habiendo comparado tres factores de los 16 propuestos por el método: tres tipos de cola, con una sola especie de madera seca al horno y sin secar al horno; así como la dirección de corte, si bien los resultados no son concluyentes, y los datos según la tabla 16 muestras diferencia, los datos se pueden agruparse hasta en 8 grupos de datos, diferentes.  Del análisis de varianza aplicando, en el capítulo 3 en resumen el resultado, es que no hay diferencia significativa en la resistencia al de cizallamiento de    las tres colas ensayadas y que la resistencia en promedio es 35kg/cm2. No hay diferencia significativa de la resistencia, en la dirección del corte. El contendió de humedad no ha sido significativa en los ensayos realizados. Se requiere realizar más ensayos para lograr resultados concluyentes. Sin embargo esto pocos resultados ya son de gran impacto y relevancia en las muchas aplicaciones que derivan de estos resultados. 4. El impacto y el alcance de no haberse implementado un método en el Perú, han dado como resultante, varios efectos negativos en el mercado y el sector. 1. Tratar de utilizar el mínimo de uniones posibles. 2. Al tender a maderas de mayores dimensiones, la demanda se ha orientado a valorar más las piezas más anchas, gruesas y largas. Tanto que en algunos casos se ha preferido transportar la madera rolliza, a pesar del altísimo costo, para ser trabajada en la costa y Lima. 108 3. En los centros de producción como Pucallpa e Iquitos, las maderas de menos de 6 pies de longitud, se valoran a menos del 50% de las iguales o mayores a dicha longitud. 4. El aprovechamiento de la madera en el Perú, es muy bajo. Menos del 18% (FAO 2001), cuando en el mundo es mayor a 55%. 5. Se pagan sobrecostos de casi 100% transportando agua, aserrín, leña y desperdicios de madera, hacia la costa. 6. La generalización de uso de madera larga en la construcción. 7. Mayor consumo de madera, más operaciones y proceso, mayores costos, en fabricación de muebles, al tratar de usar el mínimo de uniones, maquinar complejos y costosos sistemas de uniones. 8. No se desarrollen ni oferten más productos de maderas adheridas. 5. Relevancia del método propuesto y desarrollado en la investigación realizada, es la solución a todos los problemas indicados anteriormente, así como para desarrollar métodos, para mejorar el aprovechamiento de las maderas nativas del Perú. 6. Se estima que un 70% de los productos en madera requieren algún tipo de unión adherida. 109 4. RECOMENDACIONES DE LA TESIS 1. Implementar por lo menos un pequeño equipo para fabricar probetas de ensayo de adherencia, en todas las empresas que fabriquen productos de madera. Una inversión menor de S/.6000 entre equipos y ensayo, así como menos de 30pt de madera, pueden ahorrar muchos sobrecostos futuros en la producción. El equipo:       Una gata hidráulica de 10 toneladas; Manómetro de presión con dial de 4 pulgadas y 100kg/cm2 Estructura de prensa. Mano de obra para construir y ensamblar la prensa. Servicio por 100 ensayos en los laboratorio de materiales de la UNI Madera y cola para construir las probetas. 2. Implementar un laboratorio de ensayos de adhesivos en la UNI. Equipado con equipos para construir las probetas de ensayo.      Sierra circular para corte de la madera. S/.3000 Cepillo calibrado. S/.3000 Sierra radial. S/1500 Equipo de prensado, con control de presión, temperatura y tiempo. S/30000 Inversión total S/.37500 3. Aplicar el método validado para determinar los parámetros óptimos, de todos los procesos con adhesivos que estén en producción. 4. Iniciar un programa para rediseñar las uniones y procesos, de todos los productos en producción, relacionados con la unión de maderas, basados en el conocimiento de los parámetros óptimos de las uniones adheridas. 5. Desarrollo de nuevos productos con la aplicación del método y empleo de secciones cortas de madera. 6. La optimización de procesos en la actualidad, debería comenzar por la cadena de valor, aplicando una matriz de valor agregado o cualquier otra técnica de análisis a los procesos de creación de valor, con la aplicación de métodos de reingeniería, nuevas tecnologías y conocimientos, conjuntamente con las experiencias y destrezas aprendidas. A fin de lograr mejoras radicales, antes que mejorar los métodos y procesos existentes buscando pequeñas 110 mejoras (Ver anexo HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS Y MEJORA DE PROCESOS Septiembre de 2008). Todo esto debido ha la velocidad de cambio y ciclo de vida actual de los productos, así como avances de la tecnología, que establecen cambios radicales, acompañados de ciclos cortos de mejora continua. 111 GLOSARIO DE TERMINOS C1, C2 C3…. Convención adoptada, para codificación las colas. M1, M2, M…Convención adoptada para codificar las especies de madera. CHx%, Contenido de humedad de la madera, (peso de agua contenida/peso seco de las madera)%. Tablero alistonado, tablero construido en base a listones de madera adheridas entre sí. Viga laminada, viga construida con láminas o tablas de madera. Vigas compuestas de madera, vigas construidas con madera y otros materiales. Madera aglomerada, material fabricado con aserrín aglomerado con adhesivos. Pt. pie tablear de madera, sistema de medida inglesa de la madera, un pie X un pies X una pulgada de espesor. Tiempo de armado o ensamble. Es el tiempo disponible para unir la pieza que tiene cola aplicada. Tiempo de cierre, es el tiempo transcurrido, donde las piezas de madera se mantienen un bajo presión. Presión de cierre, es la presión aplicada al prensado de la madera, hasta que el adhesivo consolide su resistencia. Temperatura de curado en cierre, temperatura requerida para que el adhesivo consolide su resistencia El curado, es el proceso que requiere los adhesivos, para consolidar sus propiedades adhesivas. Corte radial, es la dirección del corte radial a los anillos de crecimiento del tronco. Corte tangencial, es la dirección de corte tangente a los anillos de crecimiento del tronco. Lumen, es el espacio interno de un componente o estructura celular. 112 BIBLIOGRAFIA 1. MANUAL DE SECADO DE LA MADERA: Junta de Acuerdo de Cartagena, Coordinador Fernando Sanz Manrique. 1998 2. WOOD HANDBOOK: Wood as an engineering material. Prepared by Forest Products Laboratory. Forrest Servicie, US. Departmet of Agriculture. Rev. 1987 3. ADHERENCIA Y ADHESIVOS PARA MADERA, Materiales de Nueva Generación y Materiales Eficientes. “Master τficial en Proyecto Arquitectónicos y Ciudades” Universidad de Alcalá. Valeria Marïa Quevedo Machuca (07/7/2012) 4. “HAσDBττK τF WττD CHEMISTRY AσD WττD CτMPτSITES” Charles R. Frihart, - Wood Adhesion and Adhesives- , USDA, Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, WI. 5. ISO 4587 Adhesives – Determination of tensile lap-shear strength of rigid-to-rigid bonded assemblies 2003 6. JIS K 6852-1994 (Testing methods for shear strength of adhesive bonds by compression loading). 7. EN 205:1991. Métodos de ensayo para adhesivos para la madera de uso no estructural 8. ASTM INTERNATIONAL (United States). D5751: Adhesives used for laminate joints in nonstructural lumber products. West 9. BENITES MACIEL, L. Adhesividad de maderas nacionales. Proyecto de tecnología de ensayo de productos forestales, LATUJICA (1998-2003). Montevideo: LATU, 2003. (Informe de Investigación. Serie Forestales; 12) 10. COMITÉ EUROPEO DE NORMALIZACIÓN (Bélgica). EN205: Métodos de ensayo para adhesivos para la madera de uso no estructural. Bruselas: CEN, 1991. 11. JAPANESE STANDARD ASSOCIATION (Japan). JIS K6852. Testing methods for shear strength of adhesive bonds by compression loading. Tokio: JSA, 1994. 113 12. PÉREZ DEL CASTILLO, A.; BENITES Maciel, L. Propiedades mecánicas y resistencia de uniones encoladas de vigas laminadas. Proyecto de tecnología de ensayo de productos forestales, LATUJICA (1998-2003). Montevideo: LATU, 2002. (Informe de Investigación. Serie Forestales; 10) 13. QUAGLIOTTI ESTRADÉ, S. Evaluación de la resistencia a la adhesión y el porcentaje de falla en madera en Eucalyptus grandis, Pinustaeda, Pinuselliottii, Cedrelaspp y Tabebuiaipe. Montevideo: LATU, 2007. (Nota Técnica; 9). 14. Douglas J. Gardner, “Adhesion Mechanisms of Durable Wood Adhesive Bonds”. Stokke2005. 15. D.L. Massart, B.M.G. Vandeginste, L.M.C. Buydens, S. de Jong, P.J. Lewi, J. Smeyers-Verbeke, “Handbook of Chemometrics and Qualimetrics: Part A”, Elsevier (1997), Amsterdam. 114 ANEXOS 1. Tabla de valores de F de Fisher al 95% 2. Estados Unidos Mexicanos. Programa especial de mejora de la administración públicas federa 2008-2012, HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS Y MEJORA DE PROCESOS Septiembre de 2008. 3. Fichas técnicas de colas 115 116

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