Propiedades físicas y mecánicas de tres especies de guaduas mexicanas (Guadua aculeata, Guadua amplexifolia y Guadua velutina)

Physical and mechanical properties of three Mexican guaduas (Guadua aculeata, Guadua amplexifolia and Guadua velutina)

Víctor Rubén Ordóñez-Candelaria¹* y Guadalupe Martha Bárcenas-Pazos¹

¹ Instituto de Ecología, A.C. Red de Ambiente y Sustentabilidad. victor.ordonez@inecol.mx

RESUMEN

Se determinaron algunas propiedades físicas y mecánicas de tres de las cinco especies del género Guadua que crecen en México con la finalidad de fomentar su uso en la construcción, aprovechando su comportamiento estructural. Las especies estudiadas fueron Guadua aculeata, Guadua amplexifolia y Guadua velutina sobre las que es conocido que poseen características adecuadas para la construcción de vivienda tradicional. Se recolectaron en los estados de Veracruz y Tabasco. Para G. velutina y G. amplexifolia los valores de densidad relativa básica (pa/vv) que se obtuvieron fueron entre 0,399 y 0,393 para la parte basal de los culmos, y de 0,514 y 0,506 para la parte superior. Para esta misma propiedad G. aculeata mostró valores ligeramente más altos, 0,429 en la parte basal y 0,653 para la parte superior de los culmos. De manera semejante los valores de resistencia en flexión (MOR), en condición verde, obtenidos fueron, en general, más bajos para la parte basal y más altos en la parte superior. Para G. velutina fueron entre 75,5 MPa y 88,3 MPa; para G. amplexifolia de 77,0 MPa y 102,1 MPa; y para G. aculeata de 59,7 MPa a 89,2 MPa.

Palabras clave: bambú, compresión, cortante, flexión, módulo de elasticidad, módulo de ruptura.

ABSTRACT

A test program on some physical and mechanical properties of three out of the five Guadua species growing in Mexico was carried out to promote their use in construction taking advantage of their structural behavior. Those species were Guadua amplexifolia, Guadua velutina and Guadua aculeata, which are traditionally well known to have characteristics for vernacular housing. Samples were collected in Veracruz and Tabasco states. Values obtained for G. velutina and G. amplexifolia basic relative density (ow/gv) range from 0,393 to 0,399 for the lowest part of culms, and from 0,506 to 0,514 for the top. G. aculeata showed values slightly higher, 0,429 in the base, 0,653 for top of culms. Values of bending strength (MOR), in green condition, were, generally, lower for base specimens and higher for top specimens. Bending strength values for unseasoned bamboo for G. velutina ranged from 7,5 MPa to 88,3 MPa; while G. amplexifolia were from 77,0 MPa to 102,1 MPa; and for G. aculeata, varied from 59,7 MPa to 89,2 MPa.

Key words: bamboo, compression, shear, bending, modulus of elasticity, modulus of rupture.

INTRODUCCIÓN

La madera de bambú se utiliza en México, de manera rústica, para edificar viviendas y otras construcciones menores en el medio rural, en donde crece naturalmente (Gutiérrez y Dorantes, 2005a y 2005b). Su uso y técnicas son tradicionales y locales basados en el conocimiento empírico heredado y de la disponibilidad de los bambúes locales (Cortés 2005a y 2005b).

Sin embargo, su calidad y durabilidad se pueden incrementar con la participación de arquitectos, ingenieros, tecnólogos de la madera y otros profesionales que generen o incrementen la información sobre las especies que se utilizan en la construcción, principalmente sobre sus propiedades físicas y mecánicas, su durabilidad natural, y sistemas de preservación o conservación, diseños arquitectónicos, sistemas constructivos, diseño estructural y de uniones (Ordóñez, 1999, Rodríguez, 2006). También se requiere más investigación sobre su distribución geográfica, identificación de especies, taxonomía, anatomía y silvicultura (Cortés, 2000). Muchos de estos temas se desarrollan en otros países como Ecuador, Colombia, Brasil, Costa Rica, China, India, y otros en donde crece naturalmente o ha sido introducido con fines comerciales (Cruz, 1994; Hidalgo, 1978 y 2003; Janssen, 2000; Lindholm y Palm, 2007; Mejia y Castillo, 1987; Tamolang et al., 1980: Villegas, 2003). De los bambúes que crecen en México, entre 20 y 30 especies son consideradas como leñosas (Cortés, 2005), de estas, las guaduas tiene tradición de ser utilizadas en la construcción (Gutiérrez y Dorantes, 2005a y 2005b).

La evaluación de las propiedades mecánicas del bambú se ha llevado a cabo utilizando estándares locales o regionales con culmos completos (Mohmod et al., 1993; Luna et al., 2013; Correal y Arbaláez, 2010), o basados en normas para madera con especímenes rectangulares (Cobos y León, 2007; Kamruzzama et al., 2008; Li, 2004; Lindholm y Palm, 2007; Osorio et al., 2007; Valero et al., 2005).

En México es muy escasa la información sobre las características tecnológicas de los bambúes (Ángeles et al., 2005; Gómez, 2002) que presentan condiciones como para ser utilizados en construcciones permanentes con mejores diseños arquitectónicos y estructurales (Correal y Arbeláez, 2010; Ordóñez, 2005), que permitan mejorar los sistemas constructivos actuales y proponer diseños novedosos utilizando un material vegetal barato, fácil de cultivar, y con reconocida tradición en otros países.

Este trabajo es el primer intento en el nivel nacional para determinar de manera metódica y estandarizada las características de los bambúes que crecen en el país, tomando como base la propuesta de normas para ensayos de laboratorio en el nivel mundial (Janssen 1999a y 1999b). La norma para ensayos de laboratorio con bambú fue emitida en 2005 (ISO, 2005).

Para el estudio se seleccionaron las especies Guadua aculeata, Guadua amplexifolia y Guadua velutina porque sus características de diámetro, altura y forma resultan las más adecuadas para su uso en la construcción de viviendas.

OBJETIVOS

MATERIALES Y MÉTODOS

Sitios de recolecta

Con base en la información de la distribución de las especies nativas de guaduas en México (Beetle et al., 1987, Pohl y Davidse, 1994) (Figs. 1 a 3,(2)) y el apoyo del Biól. Gilberto Cortés, reconocido por su amplio conocimiento sobre las especies nativas de bambú, se seleccionaron los sitios de recolecta. Los culmos de Guadua amplexifolia se recolectaron en el poblado de Monte Blanco, Veracruz; los de Guadua velutina en la población de Huimanguillo, Tabasco, y los de Guadua aculeata en Misantla, Veracruz. Los datos de los sitios de recolecta se presentan en la tabla 1.

De acuerdo con lo establecido por Janssen (1999a y 1999b), el tamaño de la muestra recolectada fue de 24 culmos (12 para ensayar en condición verde y 12 en condición seca), para lograr un equilibrio entre el costo de los ensayos y la confiabilidad estadística de los resultados, de 95%. En el caso de G. aculeata la plantación presentó ataques biológicos que no hicieron posible recolectar el número suficiente de ejemplares (Tabla 1).

Características del material

Los culmos se cortaron hasta una altura en la que su diámetro no fue mayor de 5 cm, considerando que un diámetro menor ya no es útil para la construcción. Cada tallo fue identificado de manera inequívoca por sitio de recolecta y con un número consecutivo. Se midió y registró su longitud aprovechable; y se dividió en tres tramos iguales, identificándolos como tramos basal (B), medio (M) y extremo superior (E).

Preparación de los especímenes y equipos

El material recolectado se transportó inmediatamente al laboratorio de pruebas del Inecol en Xalapa, Ver. Se separaron los 12 culmos para ensayar en condición "verde" sin permitir que perdieran humedad, y los restantes se pusieron a secar protegidos de la acción directa e intermitente de la lluvia y el sol, hasta que alcanzaron un contenido de humedad en equilibrio con las condiciones ambientales de la región de Xalapa, entre 18% y 20%. Se prepararon especímenes para ensayos de flexión estática de cada porción de los culmos (base, media y extremo), de acuerdo con lo establecido en la propuesta de norma de Janssen (1999a y 1999b). Las bases y aplicadores de cargas se diseñaron y fabricaron ex profeso, tomando como base los modelos presentados por el mismo autor.

Realización de ensayos

Los ensayos, en dos condiciones de humedad (verde y seca), se realizaron en una máquina universal de ensayos con capacidad de 25 t con un sistema de adquisición de datos para la obtención de gráficas. Para cada ensayo se obtuvieron los valores de esfuerzo y módulo de elasticidad en flexión y compresión, esfuerzo en cortante, densidad básica relativa (con base en el peso anhidro y el volumen verde (pa/vv) y el contenido de humedad al momento del ensayo. Por tipo de ensayo se estimaron los estadísticos básicos por sección del culmo y especie.

Flexión estática

Se diseñaron y fabricaron un aplicador de carga y los soportes inferiores de manera que se ajustaran a la sección circular del culmo para que no se desarrollaran concentraciones de esfuerzos durante el ensayo en el punto de aplicación de carga ni en la reacciones (Fig. 4). A cada espécimen se le midió el diámetro exterior en tres secciones de su longitud y se obtuvo el diámetro promedio, con este valor se determinó el claro de carga (l), igual a, por lo menos, 30 veces el diámetro promedio de cada uno (Janssen, 1999a y 1999b). El montaje de la prueba se ilustra en la figura 4; la carga se aplicó a los tercios del claro (l/3), a velocidad constante hasta la falla total de cada espécimen.

Se registró la carga máxima (P_máx) a la falla para calcular el módulo de ruptura, MOR (Ec. 1); y se obtuvieron gráficas de carga-deflexión (P-δ), para calcular el esfuerzo en el límite de proporcionalidad f_lp (Ec. 2) y el módulo de elasticidad MOE (Ec. 3). Después de cada ensayo, se cortó el espécimen transversalmente lo más cercano a la falla, pero sin incluirla, y se midieron el diámetro exterior (De) y los espesores de sus paredes (e) en dos direcciones ortogonales. Con los promedios de estos valores se estimó el momento de inercia, I (Ordóñez y Salomón, 2009).

Nomenclatura descrita en el Anexo 1.

Compresión paralela a la fibra

Los especímenes para este ensayo se obtuvieron de secciones de los de flexión estática que no presentaron falla después del ensayo. Se seleccionaron únicamente especímenes sin nudos, con una longitud (h) de 100 mm, que permitiera colocar el medidor de deformaciones holgadamente. Se midieron los diámetros exteriores de sus extremos, y los espesores (e) de sus paredes en cuatro puntos sobre ejes ortogonales de la sección, y se obtuvieron los promedios en ambas dimensiones para obtener el área (A), idealizando la sección como un anillo. Se aplicó carga, en la dirección de la longitud de la probeta, hasta la falla total. Se registraron la carga a la falla (P_máx) y la gráfica carga-deformación. Se calcularon el esfuerzo máximo, fc_máx (Ec. 4) y el módulo de elasticidad, E en compresión (Ec. 5).

Nomenclatura descrita en el Anexo 1.

Cortante paralelo a la fibra

Nomenclatura descrita en el Anexo 1.

Contenido de humedad y densidad relativa básica

Se obtuvo una porción de cada espécimen ensayado (flexión, compresión y cortante) al finalizar la prueba correspondiente, la cual fue pesada inmediatamente (PI), después se midió su volumen verde (VV), por el método de inmersión, y finalmente se obtuvo su peso anhidro (PA) secándola en una estufa con circulación forzada de aire, a 103 °C ± 2 °C, por 48 horas. En el caso de ensayos en condición verde el PI y VV se obtuvo inmediatamente al término de los ensayos. En los ensayos en condición seca, el orden de medición fue PI, PA y finalmente el VV saturando el espécimen en agua hasta que no varió su peso. Se calcularon la densidad básica y el contenido de humedad con las ecuaciones 7 y 8.

Nomenclatura descrita en el Anexo 1.

Para cada propiedad se estimaron el promedio, la desviación estándar y el coeficiente de variación, por sección del culmo y contenido de humedad.

RESULTADOS

Los resultados de los ensayos por especie se presentan en las tablas 2 a la 7 (3,4,5,6). Por cada ensayo y especie se presentan el tamaño de muestra ensayada finalmente, ya que por las características propias del material o fallas no aceptadas el número de resultados obtenidos no fue igual para cada especie o sección del culmo.

Los resultados en seco (CH < 30%) se presentan como un índice del comportamiento del bambú secado, ya que el tamaño de muestra es variable y muy pequeño para ser considerado como válido para el material de toda la especie.

En las figuras 5 a 10 (6,7,8,9) se ilustran la diferencias de los valores promedio por sección del culmo (basal, medio y extremo superior) para cada una de las propiedades obtenidas. Para fines comparativos, se han incluido datos de G. aculeata de Hueytamalco, Pue., tomados de Zaragoza (2012).

DISCUSIÓN

Como se observa en las tablas 2 a 6 (3,4,5), el número de especímenes por tipo de prueba y culmos ensayados en condición verde satisface lo establecido por Janssen (1999a y 1999b); lo que no fue posible alcanzar para los ensayos en condición seca, ya que durante el proceso de secado se colapsaron varios de los culmos, presentando características no deseables para ser ensayados. De aquellos que sí se obtuvieron especímenes para ensayo, los resultados obtenidos presentaron una alta dispersión. Algunos se descartaron al momento del ensayo sin incluirlos en el análisis; los que se presentan sólo son un índice del comportamiento del material ensayado, y no representan el comportamiento real del material proveniente de las guaduas estudiadas.

Durante el periodo de realización de este estudio no se encontró información publicada sobre ensayos mecánicos o físicos para alguna de las tres especies estudiadas. En el nivel nacional Zaragoza (2012) realizó una serie de ensayos con G. aculeata, de la región de Hueytamalco, Puebla, obteniendo resultados similares en cuanto a su resistencia y densidad que los obtenidos para las guaduas motivo de este trabajo. Con fines comparativos, en las figuras 6 a 10 (7,8,9), se muestran los resultados de los ensayos en condición verde para estas cuatro especies.

En el ensayo de flexión (Tabla 2, Fig. 6), en promedio, los valores de MOR en condición verde de las tres secciones de G. velutina y G. amplexifolia resultaron ligeramente mayores que los de G. aculeata, (70,4 MPa). El valor promedio de MOR de la muestra de G. aculeata resultó 17% más alto que el obtenido por Zaragoza (2012) (61,0 MPa) (Fig. 6), y también más alto que el encontrado para la misma especie, en Colombia (Sotela, 1990) y Ecuador (Luna et al., 2013), aunque más bajo que los presentados por Correal y Arbeláez (2010) para la misma especie, todos en condición verde. Los resultados para módulo de elasticidad (MOE) (Tabla 2, Fig. 7), en promedio para condición verde, no mostraron una marcada diferencia entre las tres especies de este estudio y los publicados para G. aculeata del estado de Puebla (Zaragoza, 2012). No se encontraron datos para estas especies ensayadas en su forma tubular en condición seca.

Los resultados de las pruebas de compresión paralela a la fibra, en condición verde (Tabla 4, Fig. 8), muestran que los valores de resistencia máxima (Fc), en promedio para G. aculeata (34,9 MPa) son más altos que los que presentaron G. velutina (25,1 MPa) y G. amplexifolia (28,6 MPa); Contrastando los resultados, en condición verde, con los publicados para G. angustifolia, Luna et al. (2007) presentan valores menores a los que se registraron para las guaduas mexicanas (19,1 MPa a 23,3 MPa) con material recolectado en Ecuador; mientras que Correal y Arbeláez (2010) presentan valores semejantes a los de G. aculeata y ligeramente más altos para las otras dos especies estudiadas. La resistencia máxima en compresión (Fc) en verde de G. aculeata es semejante a la obtenida para la misma especie y condición de humedad por Zaragoza (2012). En seco, Takeuchi y González (2007), obtuvieron valores promedio de 56,2 MPa para G. angustifolia de diversas localidades de Colombia, semejante al obtenido, en promedio, con G. aculeata (50,4 MPa) de este trabajo (Tabla 4), y más alto que el que se calculó para las otras dos especies. Zaragoza (2012) a su vez obtuvo valores semejantes para G. aculeata de la región de Hueytamalco, Pue. Respecto al módulo de elasticidad en compresión (E), en promedio, el valor obtenido para G. aculeata es aproximadamente 30% más alto que los obtenidos para G. velutina y G. amplexifolia. (Tablas 4 y 5, Fig. 9) en ambas condiciones. Para G. aculeata de la región de Hueytamalco, Pue., Zaragoza (2012) presenta valores más altos en ambas condiciones de humedad, Correal y Arbeláez (2010) también presentan valores más altos a los obtenidos en este estudio para la misma especie, en condición verde. A su vez, Takeuchi y González (2007) obtuvieron valores promedio, similares a los obtenidos en este trabajo para G. aculeata, y mayores, en promedio que los obtenidos aquí para G. amplexifolia y G. velutina.

En cortante paralelo a la fibra (Tablas 6 y 7, Fig. 10), en promedio, se observa que G. aculeata en condición verde tuvo una resistencia (5,31 MPa) casi 25% mayor, que la obtenida para G. velutina (4,03 MPa) y G. amplexifolia (4,40 MPa. En esta misma condición, Luna et al. (2013) obtuvieron, en promedio una resistencia menor para G. angustifolia (3,5 MPa a 4,3 MPa) que la obtenida aquí para G. aculeata y semejante a la de las otras dos especies incluidas en este trabajo. Correal y Arbeláez (2010), obtuvieron valores más altos (7,3 MPa a 7,9 MPa) para G. angustifolia, mientras que los valores determinados por Zaragoza (2012) para G. aculeata de Hueytamalco, Pue., en especímenes sin nudo y en ambas condiciones de humedad son similares, en promedio, a los presentados por G. aculeata y ligeramente mayores que los de las otras dos especies de este trabajo. Pantoja (2005) presenta valores de resistencia en cortante para G. angustifolia con especímenes sin nudo en condición seca, con material de diferentes localidades de Colombia: de Armenia 7,09 MPa, de Tierradentro 6,72 MPa y de Silvania 7,33 MPa; en promedio ligeramente mayores que los encontrados para las guaduas mexicanas. Sotela (1990) presenta valores de resistencia en cortante para especímenes de Guadua angustifolia con entrenudo y en condición seca (6,40 MPa) menores que los determinados aquí para G. aculeta (10,0 MPa) y semejantes a los obtenidos para G. amplexifolia y G. velutina.

En general el comportamiento de las tres especies fue semejante al encontrado para G. angustifolia y G. chacoensis por Luna et al. (2013); Correal y Arbaláez (2010) y Flores, 2008, quienes realizaron los ensayos en las mismas condiciones que las del presente estudio, es decir en culmos completos. Se hizo la comparación con los resultados de trabajos realizados principalmente con G. angustifolia por ser una especie con características parecidas a las de G. aculeata.

CONCLUSIONES

Los resultados de este trabajo representan una base para futuras investigaciones sistematizadas para generar mayor información sobre las características de los bambúes, especialmente para su uso en la construcción, sobre las que no existe información similar.

Con base en los resultados obtenidos se puede afirmar que las especies de guadua que crecen el México, sobre todo G. aculeata tiene propiedades similares y en algunos casos superiores a los de G. angustifolia, que está identificada como una especie excelente para ser usada en construcciones, y que por no contar con información de las especies nativas, se está utilizando en las plantaciones que se han venido estableciendo en México.

Además de la caracterización tecnológica de los bambúes que crecen en México y que se están usando en construcciones por quienes están entusiasmados con este material es necesario ampliar la investigación a otros temas como uniones, comportamiento de elementos de tamaño real (pandeo de columnas), vigas compuestas, muros de carga sujetos a acciones laterales, armaduras, etcétera

Con más estudios como este, se incrementará la base estadística para obtener valores de diseño confiables para una propuesta de norma de diseño y construcción con bambú.

RECONOCIMIENTOS

Los fondos para este trabajo fueron del Proyecto Conafor-Conacyt 2002-C01-567 Caracterización tecnológica de las especies mexicanas de guadua (Poaceae bambusoideae) y sus aplicaciones en la construcción. Los autores reconocen el apoyo de José Luis Martínez Castillo en la recolecta y preparación de material de ensayo, de Ignacio Salomón Quintana en la recolecta, preparación de material y realización de los ensayos y de Paula Zárate Morales en la preparación de los ensayos. También agradecen a dos revisores anónimos por sus aportaciones para mejorar este manuscrito.

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Nota

Este documento se debe citar como: Ordóñez-Candelaria, V.R. y G.M. Bárcenas Pazos. 2014. Propiedades físicas y mecánicas de tres especies de guaduas mexicanas (Guadua aculeata, Guadua amplexifolia y Guadua velutina). Madera y Bosques 20(2):111-125.