RESUMEN
El siguiente reporte contiene la información recopilada en los laboratorios
efectuados tanto en la sede de la Universidad de Costa Rica, así como los
efectuados en el Instituto Nacional de Aprendizaje.
Se debió realizar en dos sedes debido a que la sede de la UCR no cuenta
con el equipo necesario para realizar los ensayos, mientras que el INA al ser un
centro de corte técnico si cuenta con todo lo necesario.
En las tres semanas transcurridas en el laboratorio se analizaron las cargas
axiales, y deformaciones ocurridas por las mismas cargas, en materiales con
distinta composición y forma.
Esto se realizó con un equipo especial que tensa el material hasta que
ocurra una falla; es decir que se rompa. El análisis computarizado brinda todos los
datos necesarios como lo son el tiempo, la carga máxima, la zona plástica y
elástica, entre otros. Que posteriormente son compilados y comparados con los
valores de medición humana, para la realización de este informe.
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ÍNDICE
RESUMEN...............................................................................................................2
OBJETIVOS.............................................................................................................1
MARCO TEÓRICO...................................................................................................2
EQUIPO...................................................................................................................5
PROCEDIMIENTO...................................................................................................6
DATOS Y RESULTADOS........................................................................................7
Tabla 1. Dimensiones Iniciales.............................................................................7
Tabla 2. Dimensiones Finales..............................................................................7
Tabla 3. Estricción y Alargamiento por medición instrumental.............................8
Tabla 4. Datos en la Zona Elástica.......................................................................8
Tabla 5. Datos en Fuerza Máxima........................................................................9
Tabla 6. Datos en la Zona de Falla.......................................................................9
Gráfico 1. Cargas axiales vs. extensión, probeta 1............................................10
Gráfico 2. Cargas axiales vs. extensión, probeta 2............................................10
Gráfico 3. Cargas axiales vs. extensión, probeta 3............................................11
Gráfico 4. Cargas axiales vs. extensión, probeta 4............................................11
Tabla 7. Mediciones Iniciales..............................................................................12
ii
Tabla 8. Estricción y Alargamiento.....................................................................12
Tabla 9. Fuerza Máxima, Esfuerzo Máximo y Módulo de Elasticidad.................12
Gráfico 5. Cargas Axiales vs. Alargamiento, varilla turkey.................................13
ANÁLISIS DE RESULTADOS................................................................................14
CONCLUSIONES...................................................................................................16
BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................17
Anexos...................................................................................................................18
Anexo 1. Datos originales de las probetas.........................................................18
Anexo 2. Datos originales de la varilla turca.......................................................20
1
OBJETIVOS
Objetivo General
Experimentar los fenómenos de deformación y falla que se generan en una
probeta a la hora de ser sometida a cargas axiales.
Objetivos Específicos
Familiarizarse con el equipo utilizado en el laboratorio.
Observar en una manera experimental los esfuerzos donde el material se
comporta de una manera elástica y donde ya rebasa y se torna un esfuerzo
plástico.
2
MARCO TEÓRICO
Este experimento es utilizado para medir la resistencia de un material, en
nuestro caso una probeta de aluminio, sometido a fuerzas axiales. El experimento
consiste en alargar hasta que falle una probeta por medio de fuerzas de tensión,
con el fin de conocer propiedades de dicho material, tales como su resistencia y
rigidez.
Con el fin de conocer más sobre lo realizado en este laboratorio hay que
tener en cuenta ciertos conceptos y fórmulas utilizados, como puede ser esfuerzo
y deformación.
La zona elástica es la zona donde la fuerza que es aplicada sobre el
elemento no la daña; es decir, tiene la capacidad de retornar a su estado original.
Esta zona es donde los ingenieros buscan quedarse a la hora de realizar
estructuras de distintos tipos.
La zona plástica es la zona donde la fuerza sobrepasa la zona plástica y el
material no tiene la capacidad de retornar a su estado original, sufre una
deformación.
El esfuerzo ingenieril o simplemente esfuerzo es la capacidad de un
material de soportar fuerzas aplicadas sobre su eje principal. El esfuerzo está
relacionado proporcionalmente con la fuerza que se aplique sobre él, e
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inversamente proporcional al área transversal sobre el que se está aplicando la
fuerza. Su fórmula es:
1. σ=FA
Dónde:
σ : esfuerzo (Pa)
F: fuerza (N)
A: (m2)
La deformación es el cambio en la longitud que sufre, en nuestro caso la
probeta de aluminio cuando ya sobrepasa la zona elástica. Su fórmula es:
2. e=L−LoLo
Dónde:
e: deformación.
L: longitud final (m)
L0: longitud inicial (m)
En cuanto al equipo utilizado, se utilizó una máquina de tensión de la
compañía estadounidense Instron, pertenece a la familia 3360. Su modelo, 3369,
es el de mayor capacidad de su familia ya que alcanza tensiones de hasta 50kN.
Se puede suponer que su estado es idóneo dado que recién fue instalada y
calibrada.
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El equipo utilizado en el INA, es una máquina que cumple los mismos
requisitos que la Instron pero con una capacidad mucho mayor, esta máquina es
la Zwick modelo 5P1000
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EQUIPO
Equipo Marca Modelo
Sistema universal de ensayo bicolumna Instron 3369
Sistema universal de ensayo bicolumna Zwick 5P1000
Probetas de Aluminio
Vernier Mitutoyo Serie 500
Micrómetro Mitutoyo
Varilla de construcción Turquía* ½ pulgada
*País de Origen
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PROCEDIMIENTO
Antes de comenzar el procedimiento, se debió medir con precisión,
utilizando verniers y micrómetros, todas las dimensiones de las cuatro probetas a
las cuales se les realizó la prueba de falla.
El procedimiento en su totalidad la realizó el profesor; sin embargo, a lo que se
logró observar el procedimiento se notó relativamente sencillo y se puede
enumerar detalladamente en unos cuantos pasos:
1. Se enciende el computador y el sistema universal de ensayo bicolumna, los
cuales están conectados entre sí.
2. Se coloca la probeta entre ambas pinzas del sistema de ensayo.
3. En el computador, se le indica al sistema de ensayo que comience la
prueba tensando la probeta.
4. Se espera la que la probeta falle.
5. El computador nos brinda toda la información para que se logre interpretar
de una manera sencilla.
Cabe destacar que el procedimiento es el mismo para las cuatro probetas
utilizadas.
6.
7
DATOS Y RESULTADOS
Las siguientes dos tablas representan los datos medidos antes y después
de las pruebas utilizando instrumentos tales como el vernier y el micrómetro, para
mayor precisión se tomaron varias medidas y se realizó un promedio.
Tabla 1. Dimensiones Iniciales
Longitud(mm)
Ancho(mm)
Espesor(mm)
Probeta 1 201.36 12.54 0.435
Probeta 2 201.36 12.565 0.42
Probeta 3 201.24 12.57 0.46
Probeta 4 201.24 12.57 0.46
Tabla 2. Dimensiones Finales
Longitud(mm)
Ancho(mm)
Espesor(mm)
Probeta 1 204.91 12.4 0.42
Probeta 2 205.36 12.32 0.4
Probeta 3 206.1 12.47 0.41
Probeta 4 207.23 12.38 0.41
Los datos de la siguiente tabla fueron obtenidos utilizando los datos de las dos
tablas anteriores.
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Tabla 3. Estricción y Alargamiento por medición instrumental
Estricción
(%)
Alargamiento
(%)
Probeta 1 -4.53 1.76
Probeta 2 -6.62 1.99
Probeta 3 -11.58 2.42
Probeta 4 -12.22 2.98
Los datos de las siguientes tres tablas representan los datos brindados por
el computador, el cual se basa en los datos tomados desde el equipo utilizado en
el presente laboratorio.
Tabla 4. Datos en la Zona Elástica
Cambio máximo en la extensión
(%)Fuerza Elástica
(N)Fluencia(MPa)
Probeta 1 1.40 1344.62 246.50
Probeta 2 1.49 1325.98 243.08
Probeta 3 1.67 1345.13 232.82
Probeta 4 1.60 1346.96 233.13
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Tabla 5. Datos en Fuerza Máxima
Cambio en la extensión
(mm)Cargamax
(N)Esfuerzomax
(MPa)
Probeta 1 > 2.43 1405.30 257.62
Probeta 2 > 2.43 1386.96 254.26
Probeta 3 > 2.7 1410.22 244.08
Probeta 4 > 2.63 1411.38 244.28
Tabla 6. Datos en la Zona de Falla
Cambio en la extensión
(%)
Reducción del área transv.
(%)
Cargarot
(kN)Esfuerzorot
(MPa)
Probeta 1 4.03 -83.32 > 1.25 228.74
Probeta 2 4.63 -83.32 > 0.62 113.38
Probeta 3 4.53 -73.08 > 1.23 212.50
Probeta 4 4.47 -73.08 > 1.25 215.60
Las siguientes cuatro gráficas ilustran de una mejor manera lo visto en las
tablas, cada una de ellas representa por separado a cada una de las cuatro
probetas utilizadas en el laboratorio.
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Gráfico 1. Cargas axiales vs. extensión, probeta 1.
Gráfico 2. Cargas axiales vs. extensión, probeta 2.
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Gráfico 3. Cargas axiales vs. extensión, probeta 3.
Gráfico 4. Cargas axiales vs. extensión, probeta 4.
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Los siguientes datos corresponden a la prueba realizada en el INA por
técnicos especializados sobre una varilla de construcción de origen turco de media
pulgada. La prueba fue realizada en privado, por lo que los instrumentos
utilizados no se conocen.
Tabla 7. Mediciones Iniciales
Longitud(mm)
Diámetro(mm)
Varilla 1 122 12.07
Varilla 2 122.09 12.03
Tabla 8. Estricción y Alargamiento
Estricción(%)
Alargamiento(%)
Varilla 1 55.19 50.86
Varilla 2 56.22 50.66
Tabla 9. Fuerza Máxima, Esfuerzo Máximo y Módulo de Elasticidad
Fuerzamax
(N)Esfuerzomax
(N/mm2)Elasticidad
(N/mm2)Varilla 1 60135.43 525.56 15387.81
Varilla 2 59693.41 525.18 15066.71
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Además se puede observar que la fuerza necesaria para romper la varilla
fue mayor a los 400N/mm2
Gráfico 5. Cargas Axiales vs. Alargamiento, varilla turkey.
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ANÁLISIS DE RESULTADOS
La mayoría de resultados se encuentra en un rango similar entre las
diferentes probetas; sin embargo si se notaron discrepancias entre los resultados
de estricción y alargamiento, comparando los resultados brindados por el
programa de la máquina y los calculados “a mano”.
Se puede observar que en los calculados el porcentaje de alargamiento
ronda entre 1,76% y el 2,98% mientras que en los calculados por la máquina los
mismos resultados rondan el 4%, que si bien no es mucho el cambio, si es lo
suficiente como para considerar que alguno de los dos cálculos tiene algo
incorrecto.
El mayor error se da en la comparación entre estricciones, ya que los
porcentajes calculados por medio de calculadora rondan entre -4% y el -12%, que
si bien son bastante variables tienen cierta consistencia en el hecho que
permanecen; sin embargo, si se analiza los datos brindados por el computador se
observa que la reducción dada es cerca del -90% para los cuatro casos. Lo cual
no tiene sentido debido a que se nota claramente visualmente que las probetas no
tuvieron mayor cambio.
El último punto a considerar es el hecho de la fuerza para hacer que la
probeta 2 fallara no fue consistente con la fuerza necesaria para las otras tres
probetas. Ya que para esta fue de 0,62 kN mientras que para los otros tres casos
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fue de 1,25 kN. Este error se debe a la forma de cálculo o defección de este
parámetro según el software.
En cuanto a la varilla turca se observa que su esfuerzo es mucho mayor,
entre los factores que afectan es el tipo de material, ya que el hierro puede
soportar mayores fuerzas que el aluminio, a pesar de que ambos tienen
capacidades amplias. Además del área, ya que el área transversal de la varilla era
considerablemente mayor que la de la las probetas de aluminio.
Se observa que tanto el porcentaje de alargamiento, así como el de
estricción son grandes; es decir, el material es bastante flexible antes de su rotura.
Esto es lo que se busca al agregar estas varillas en la construcción, ya que el
hormigón por si solo no logra soportar fuerzas de tensión elevadas, pero si se
agregan varillas de este tipo, la tensión es considerablemente mayor, además d la
flexibilidad en casos de sismos o terremotos.
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CONCLUSIONES
El experimento cumplió con los objetivos, ya que se logró conocer el equipo
utilizado tanto en la sede de la Universidad como en la sede del INA. En este caso
se observaron los diferentes tipos de equipo que se utilizan en ambos lugares
adecuándose a presupuesto y necesidad de cada centro de estudio.
Se logró estudiar el comportamiento de las probetas bajo fuerzas de
tensión. Cuando las fuerzas rebasaron el esfuerzo máximo elástico y llegaron a
romperse se observó la deformación que sufrieron tanto en el área transversal
como en la longitud total.
Se logró observar satisfactoriamente que la ruptura de la probeta se da con
un ángulo de 45°, el cual es el valor teórico esperado.
Se notó que en un laboratorio las pruebas no siempre son perfectas, dado
lo que paso con la probeta 2 y su “fallo adelantado” en la ruptura el cual se debió a
un error en el software que maneja el equipo. Factor que únicamente el técnico o
ingeniero con el tiempo logra descubir.
Como recomendación se puede decir que para una mejor formación
ingenieril y para visualizar mejor los resultados que probablemente se tengan que
desempeñar en las labores, se debería de contar con un equipo de mayor
capacidad dentro del campus de la UCR.
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18
BIBLIOGRAFÍA
Muñoz, Marco V. (2004) Metrología e instrumentación: manual de
laboratorio; Primera Edición; Editorial de la Universidad de Costa Rica;
San José, Costa Rica; Pag. XII – XVIII
Beer, Ferdinand P. (2012) Mecánica de materiales; Sexta Edición;
Editorial McGraw-Hill; México D.F.; Pag. 2-139.
Instron. http://www.instron.com/es-ar/products/testing-systems/universal-
testing-systems/electromechanical/3300/3360-dual-column?region=South
%20America. Recuperado el 19 – 09 – 2015.
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Anexos
Anexo 1. Datos originales de las probetas
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Anexo 2. Datos originales de la varilla turca