Análisis experimental y por el método de los elementos finitos del estado de tensiones en uniones carpinteras de empalme de llave

Resumo

In this research, the halved and tabled traditional timber scarf joint is analyzed. This joint consists in two end joint pieces usually subjected to tension. Initially, the study is discussed from an experimental point of view. In this way, 3 critical cross-sections are established (section of the notch, section of the horizontal plane and reduced section) and mechanical tests are performed to achieve the failure on each of critical sections by changing the geometry of the joint. The study is completed by developing a finite element model which allows verify experimental results and extend the analysis to other geometries. This model has to simulate the real behavior of the material which is being studied, so mechanical tests are performed to obtain the elastic constants and the coefficients of friction of the material. In the reduced section, an abrupt decrease of the effective cross-section takes place, and this effect is also experimentally analyzed. These tests indicate that a crack is initiated before the bending-tension failure occurs in the reduced section. The test material consists of wood of Pinus sylvestris L. coming from the “Valsaín´s Sawmill” (Segovia) with “premium quality” according to the nonstructural wood visual classification of sawmill. It is observed that initiation of a crack, in the mortise (bottom of reduced section), and shear stress concentration, at the initial part of the heel (beginning of horizontal plane), completely determine the mechanical behaviour of the joint, resulting in 3 failure modes: local compression failure in the section of the notch, shear failure in the horizontal plane, and failure of stresses concentration, mainly perpendicular to the grain tension, at the bottom of reduced section. The geometric optimization is obtained for halved and tabled traditional scarf joint, when the joint has made with similar properties of wood than tested specimens, for any height and width of the cross-section. It is considered the failure due to the initiation of a crack in reduced section, by applying a correction coefficient into the usual equation used to design the members subjected to both tension and bending. Therefore, it is possible to obtain, analytically, the design conditions to be met of the 3 critical cross-sections. According to the theoretical optimization, the tension strength of complete cross-section is reduced until 14%, when using this type of joint. The experimental optimization indicates even a greater reduction, until 6%. En el presente trabajo de investigación se analiza el comportamiento mecánico de las uniones tradicionales de empalme de llave, que consisten en dos piezas unidas por sus testas transmitiéndose entre ellas principalmente un esfuerzo de tracción. Inicialmente, el estudio se aborda desde un punto de vista experimental. De este modo, se establecen las 3 secciones críticas o de estudio (sección del encaje, sección rasante del cogote y sección reducida) y se realizan ensayos mecánicos, variando la geometría de la unión, para alcanzar la rotura en cada una de ellas. Se completa el estudio mediante la elaboración de un modelo por elementos finitos que permite verificar los resultados experimentales y ampliar el análisis a otras geometrías. Este modelo debe simular el comportamiento real del material objeto de estudio, por lo que se realizan ensayos para obtener las constantes elásticas y los coeficientes de rozamiento del mismo. También se analiza, experimentalmente, el efecto entalladura que reduce bruscamente la sección completa del tirante, estableciendo que el fallo por flexotracción en la sección reducida de la pieza, no llega a producirse por el inicio previo de una grieta. El material de ensayo consiste en madera de Pinus sylvestris L. (pino silvestre) procedente del Aserradero de Valsaín (Segovia) y de calidad “Extra” o “Primera” según la clasificación visual no estructural del aserradero. Se observa que el inicio de una grieta en la mortaja del rediente y la concentración de tensiones tangenciales en la parte inicial del cogote, determinan completamente el comportamiento mecánico de la unión, dando lugar a 3 modos distintos de rotura: fallo por compresión en la sección del encaje, fallo por cortante en la sección rasante y fallo por concentración de tensiones, principalmente tracciones perpendiculares, en el rebaje de la sección reducida. Se consigue optimizar geométricamente cualquier empalme de llave confeccionado con madera de características similares a la ensayada, para cualquier valor de la altura y de la anchura de la sección. Se considera el agotamiento en la sección reducida causado por el inicio de grieta, mediante la aplicación de un coeficiente corrector en la expresión habitual de agotamiento por flexotracción, en consecuencia, finalmente es posible obtener, de modo analítico, un valor del índice de agotamiento en cada una de las 3 secciones de estudio. La optimización teórica del empalme de llave indica que la capacidad resistente del tirante bruto se reduce al 14%, cuando se coloca este tipo de unión tradicional. Experimentalmente se obtiene, que, para la sección ensayada, la capacidad resistente del tirante bruto se reduce todavía más, llegando al 6%.