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17 / 11 / 2016

Las propiedades mecánicas

de Bambú

¿Cuáles son las propiedades mecánicas del bambú? Es probablemente una de las preguntas más frecuentes de los arquitectos, ingenieros y propietarios de edificios que están interesados en utilizar el bambú como material de construcción. Las propiedades del material para la madera, el acero, el hormigón e incluso los productos semiacabados de bambú, como los suelos y los paneles de bambú, están disponibles desde hace mucho tiempo, pero no es el caso de las varas de bambú. ¿Por qué?

"Las propiedades de resistencia del bambú suelen ser dos o tres veces mejores que las de la madera convencional. Sin embargo, las incertidumbres legales que rodean a los códigos y normas de construcción dificultan el uso de las cañas de bambú como material estructural de construcción en Europa".

Bambú es un nombre colectivo para más de 1575 especies de plantas diferentes pertenecientes a la familia de las gramíneas (Gramineae). Cada una de estas especies de bambú tiene diferentes propiedades estructurales y mecánicas, al igual que las especies de madera convencionales como la teca, el roble, la balsa, etc. Además, las propiedades mecánicas de una misma especie de bambú también pueden variar mucho. Estas diferencias se deben a la edad del tallo del bambú, el contenido de humedadel condiciones de crecimiento (clima, altitud, condiciones del suelo), y en el que parte del tallo del bambú las pruebas se llevan a cabo.

Dado que las especies de bambú más adecuadas para la construcción proceden de países tropicales, suele ser difícil averiguar las condiciones exactas de cultivo y obtener un buen material de prueba. Por ello, los distintos estudios suelen arrojar resultados divergentes y aún no se conoce con certeza el comportamiento del material en determinadas situaciones.

¿Por qué son importantes las propiedades mecánicas?

En Europa no existe ninguna norma (Eurocódigo) para las cañas de bambú como material de construcción. La falta de este código de construcción con bambú dificulta la tarea de quienes quieren construir con este material, por lo que urge establecer reglas y normas claras.

Las pruebas ya realizadas con el bambú en cuanto a la resistencia a la compresión, la resistencia a la tracción y la resistencia a la flexión son prometedoras y suelen mostrar resultados mucho mejores en comparación con los materiales de construcción convencionales. Sin embargo, hay otros factores que deben ser investigados antes de que se pueda emitir un código de construcción legal para las varas de bambú como material de construcción. Estas otras propiedades son:

  • Sostenibilidad
  • Seguridad contra incendios
  • Impacto medioambiental
  • Facilidad de uso
  • Eficiencia energética

Especialmente en los ámbitos de la resistencia al fuego y la durabilidad, todavía es necesario seguir investigando. No obstante, en los últimos años se han realizado importantes avances con la introducción de la norma internacional ISO 22157.

prueba de flexión del bambú
Prueba de flexión | Foto: Pablo Acevedo

La Organización Internacional de Normalización (ISO)

En 2004, la Organización Internacional de Normalización (ISO) elaboró su propia norma para determinar las propiedades mecánicas del bambú. En la norma ISO 22157, no sólo se citan la deflexión, la compresión, la tensión y el cizallamiento como propiedades importantes, sino que el contenido de humedad también es un parámetro relevante.

En este artículo, presentamos algunos resultados de pruebas de diferentes fuentes y de diferentes tipos de bambú. Es importante señalar que no todas las pruebas se realizaron según la norma ISO 22157, pero da una buena imagen general. Para la especie de bambú Guadua angustifolia, más conocida como el bambú más fuerte del mundo, se realizaron pruebas en Colombia según la norma ISO 22157. Puedes leer los resultados un poco más adelante.

Para el futuro, nos remitimos a las tablas con información sobre las pruebas. Estas tablas se encuentran en el PDF que acompaña a este blog.


Resistencia a la compresión

Para cumplir con la normativa europea, deben probarse dos tipos de resistencia a la compresión según la norma ISO 22157, a saber, la resistencia a la compresión paralela a la dirección de la fibra y la resistencia a la compresión perpendicular a la dirección de la fibra. Curiosamente, la norma ISO 22157 sólo describe el método de ensayo paralelo a la dirección de la fibra, y aún no proporciona una metodología para la resistencia a la compresión perpendicular a la dirección de la fibra.

Debido a la forma natural del tallo de bambú, no se probará una muestra de un tallo, sino tres muestras diferentes por tallo. Se toma una muestra de la parte inferior del tronco, de la parte central y de la parte superior del tronco. Esto es necesario porque un tallo de bambú no tiene una sección transversal continua y hay diferencias en las propiedades estructurales entre la sección inferior, que tiene un diámetro mayor, y la sección superior, que tiene un diámetro menor.

construcción de troncos de bambú
La construcción de un tronco

El espécimen no debe contener nudos, porque los resultados en estos especímenes no darían una imagen real. De hecho, los nudos son las zonas más fuertes (cuando se someten a presión) debido a la estructura de las fibras. Siempre se toma una muestra entre dos nudos, ya que es la zona más débil del tallo de bambú.

Cuando las varas de bambú se utilizan como columnas o vigas, sólo se pueden utilizar las secciones inferior, media y superior para estas aplicaciones constructivas. El cabezal y el tubo del tronco no se utilizan para aplicaciones constructivas debido a su pequeño diámetro exterior.

Resistencia a la compresión y módulo de elasticidad del bambú Guadua (G. angustifolia)

En 2010, el Universidad de los Andes en Bogotá, Colombia Las propiedades mecánicas de la especie de bambú Guadua angustifolia se probaron según la norma ISO 22157. Para investigar la influencia de la edad del tallo de bambú en sus propiedades mecánicas, se probaron tallos de bambú de dos, tres, cuatro y cinco años.

Los contenidos de humedad respectivos de los tallos de bambú fueron 59,3%, 56,5%, 56,7% y 65,2%. Es importante mencionar estos contenidos de humedad porque el contenido de humedad es un parámetro importante para las propiedades de resistencia del tallo de bambú. El diámetro exterior medio de la parte inferior del tallo de bambú era de 13 cm, el de la parte media de 12 cm y el de la parte superior de 10 cm.

La máxima resistencia a la compresión de la Guadua angustifolia (en estado verde) se observó en troncos de 3 a 4 años, con una resistencia media a la compresión de aproximadamente 40 N/mm² . La resistencia a la compresión de la Guadua de 5 años disminuyó aproximadamente 16% en comparación con la resistencia a la compresión del Bambú Guadua de 3-4 años.

pruebas de resistencia a la compresión del bambú
Las propiedades mecánicas del bambú 6

Comparación de la resistencia a la compresión de diferentes especies de bambú

La siguiente tabla ofrece una visión general de la resistencia a la compresión de los diferentes tipos de bambú. Es importante señalar que no todos los resultados se obtuvieron utilizando el método de prueba prescrito en la norma ISO 22157. Los resultados deben considerarse como valores medios, por lo que la diferencia de edad o altura del tallo de bambú no suele tenerse en cuenta.

Conclusión

La resistencia a la compresión de las distintas especies de bambú se sitúa en gran medida entre el 40 y 80 N/mm². Esto es entre dos y cuatro veces mayor que la resistencia a la compresión de la mayoría de las especies comerciales de madera. La diferencia de resultados puede explicarse por los diferentes métodos de ensayo y las muestras utilizadas. Sin embargo, está claro que la edad y el contenido de humedad de las cañas de bambú tienen una importante influencia en su resistencia a la compresión. Las pilas de bambú con un bajo contenido de humedad tienen un mayor resistencia a la compresión que las cañas de bambú con un alto contenido de humedad.


Resistencia a la tracción

La máxima resistencia a la tracción del bambú se determina probando las fibras (tiras de bambú) y no todo el tallo de bambú. Al igual que en el caso de la resistencia a la compresión, la norma ISO 22157 proporciona directrices para la resistencia a la tracción paralela a la dirección de la fibra, pero no para la resistencia a la tracción perpendicular a la dirección de la fibra.

Para medir la resistencia a la tracción del bambú, se ensayan tres tiras de prueba por tallo de bambú, tomadas de la parte inferior, media y superior del tallo. Cada tira de bambú tiene 100 mm de largo, de 10 a 20 mm de ancho y su grosor es igual al del tallo de bambú.

Cada pieza de ensayo debe contener un nodo, porque la dirección de la fibra del nodo es opuesta a la dirección de la fibra del tronco. Por lo tanto, se considera que el nodo es el punto más débil cuando se carga en tensión (cuando se prueba la resistencia a la compresión es al revés). El contenido de humedad de cada una de estas piezas de ensayo debe determinarse también según lo prescrito en la norma ISO 22157.

La siguiente tabla muestra la resistencia a la tracción de las especies de bambú más utilizadas para aplicaciones estructurales.

Conclusión

La resistencia media a la tracción de las diferentes especies de bambú se sitúa en gran medida en torno al 160 N/mm². Esto es tres o cuatro veces mayor que la resistencia a la tracción de la mayoría de las maderas comerciales.


Tensión de cizallamiento

El esfuerzo cortante máximo que puede soportar un tallo de bambú es importante para el desarrollo de sistemas de conexión. También en este caso, la norma ISO 22157 proporciona directrices para el esfuerzo cortante paralelo a la dirección de la fibra, pero no para el esfuerzo cortante perpendicular a la dirección de la fibra.

Al igual que en las pruebas anteriores, se analizan tres muestras por tallo de bambú, tomadas de la parte inferior, media y superior del tallo. La diferencia con la prueba de presión es que en esta prueba la mitad de las probetas deben contener un nodo.

Antes de que comience el ensayo, la muestra se mide en detalle. La altura de la probeta y el grosor del tallo se miden en los cuatro puntos de cizallamiento. Esto es importante porque el grosor del tallo de bambú puede variar y el espécimen puede no ser completamente recto.

Tensión de cizallamiento del bambú Guadua (G. angustifolia)

En la Universidad de los Andes, en Colombia, también se determinó el esfuerzo cortante máximo en los mismos tallos de bambú de los que se determinó la resistencia a la compresión, utilizando el método de ensayo discutido según la norma ISO 22157. Al igual que en el caso de la resistencia a la compresión, la tabla muestra que la sección media del tallo de bambú presenta los mejores valores a una edad de entre tres y cuatro años, y a una edad mayor el esfuerzo cortante máximo vuelve a disminuir. El bambú Guadua tiene una tensión de cizallamiento máxima de aproximadamente 8 N/mm² (con un contenido de humedad de aproximadamente 56,6%).

pruebas de resistencia al cizallamiento del bambú
Las propiedades mecánicas del bambú 7

Comparación de la tensión de cizallamiento de diferentes especies de bambú

Las tensiones de cizallamiento de diferentes especies de bambú se muestran en la siguiente tabla. Una vez más, los resultados deben considerarse como valores medios, ya que no podemos confirmar que todas las pruebas se hayan realizado de acuerdo con la norma ISO 22157.

Conclusión

La tensión a la que se produce el cizallamiento, paralela a la dirección de la fibra, es unas 10 veces menor que la resistencia a la compresión e incluso hasta 20 veces menor que la resistencia a la tracción de la misma especie de bambú. Sin embargo, la resistencia al corte de la mayoría de las especies de bambú es aproximadamente el doble de la resistencia al corte de las maderas tropicales (3 a 6 N/mm²).


Resistencia a la flexión

La deflexión de un tallo de bambú influye directamente en el comportamiento de la estructura construida, por lo que es necesario poder predecir la deflexión de cada elemento de una estructura antes de utilizarla. El método más utilizado para determinar la deflexión de una viga o pilar es la prueba de deflexión en cuatro puntos. En la norma ISO 22157, esta prueba se utiliza para determinar la resistencia a la flexión de un tallo de bambú.

Resistencia a la flexión del bambú Guadua (G. angustifolia)

La prueba de flexión en cuatro puntos prescrita en la norma ISO 22157 se realizó en el Universidad de los Andes en Colombia. La prueba de flexión se realizó en los mismos tallos de bambú que las pruebas para determinar la resistencia a la compresión y al corte.

Durante la prueba de flexión en cuatro puntos, se determinó el módulo de elasticidad y, por supuesto, la resistencia a la flexión. Los resultados de esa prueba se muestran en la siguiente tabla.

El módulo de elasticidad de Guadua angustifolia es más alto en la parte inferior y media del tronco a una edad de cuatro a cinco años. Este no es el caso de la parte superior del tronco, donde el mayor módulo de elasticidad se alcanza a una edad de tres a cuatro años, al igual que en la determinación del módulo de elasticidad en la prueba de compresión.

La resistencia a la flexión del tallo de bambú tampoco es la misma para las tres partes; la parte superior del tallo de bambú tiene una mayor resistencia a la flexión que la parte inferior. La resistencia a la flexión aumenta con la altura del tronco. La resistencia a la flexión de la Guadua angustifolia es de aproximadamente 100 N/mm².

Comparación de la resistencia a la flexión de diferentes especies de bambú

La resistencia a la flexión de la Guadua angustifolia está en el mismo orden de magnitud que la resistencia a la flexión de otras especies de bambú comúnmente utilizadas. La siguiente tabla muestra un resumen de la resistencia a la flexión de algunas otras especies de bambú. No todos los resultados se obtuvieron mediante la prueba de flexión en cuatro puntos prescrita en la norma ISO 22157. Por lo tanto, estos valores pueden mostrar una pequeña desviación, pero dan una idea del orden de magnitud de la resistencia a la flexión de las diferentes especies de bambú.

Conclusión

La resistencia a la flexión de la mayoría de las especies de bambú se sitúa entre 50 y el 150 N/mm² ¿Qué pasa con es el doble que la mayoría de las maderas convencionales. Las desviaciones en los resultados de las pruebas de la tabla anterior se deben probablemente al contenido de humedad de los tallos de bambú probados y a los diferentes métodos de prueba. Por ejemplo, un tronco de bambú con un bajo contenido de humedad es más probable que tenga una menor resistencia a la flexión que un tronco de bambú con un mayor contenido de humedad.

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