Resumen: Debido a las tendencias actuales de desarrollo sostenible, el bambú Guadua ha
desarrollado un amplio estudio y aplicaciones técnicas en el área de la
construcción, que incluye su distribución y exportación en regiones donde no
existe. En México (considerado como centro de origen de más de 200 especies de
maguey pulquero), principalmente en las comunidades rurales, el Quiote de Maguey
Manso maduro es ampliamente utilizado para el mismo fin. El presente trabajo de
investigación tiene como objetivo evaluar las propiedades mecánicas de tracción
y flexión, basándose respectivamente en las normas ASTM E8M-11 y DIN 52-186,
para estas dos clases de pedúnculos. La comparación de los resultados obtenidos
en estas pruebas muestra que el Quiote presenta un valor de esfuerzo máximo de
flexión 2.83 veces la del bambú Guadua, por consiguiente, un módulo de flexión
mayor. Por lo tanto, en las pruebas de tracción, el bambú tiene una menor
resistencia, pero una mayor capacidad de deformación respecto al Quiote. Hasta
ahora no existen reportes técnicos sobre las propiedades mecánicas de ningún
tipo de maguey, por lo tanto, los resultados reportados en esta investigación
son temas de interés tanto en la física como en la ingeniería de materiales y
sientan las bases para el desarrollo de proyectos técnicos, que posteriormente
con una adecuada gestión de comercialización permitirán contribuir al desarrollo
sustentable de las comunidades rurales productoras de agave.
Palabras clave: Quiote de maguey manso, bambú guadua, tracción, deformación, flexión, módulo de flexión.
Abstract: Due to current trends in sustainable development, Guadua bamboo has developed an
extensive study and technical applications in the construction area, which
includes its distribution and export in regions where it does not exist. In
Mexico (considered as the center of origin of more than 200 species of maguey
pulquero), mainly in rural communities, the mature Quiote de Maguey Manso is
widely used for the same purpose. The present research work has as objective to
evaluate the mechanical properties of traction and flexion, based respectively
on ASTM E8M-11 and DIN 52-186 standards, for these two classes of peduncles. The
comparison of the results obtained in these tests shows that the Quiote presents
a maximum bending stress value 2.83 times that of Guadua bamboo, hence, a
greater flexural modulus. Therefore, in tensile tests, bamboo has a lower
resistance, but a greater deformation capacity compared to Quiote. Until now
there are no technical reports on the mechanical properties of any type of
maguey, therefore, the results reported in this research are topics of interest
in both physics and materials engineering and lay the foundations for the
development of technical projects, which later, with the proper marketing
management, will contribute to the sustainable development of rural
agave-producing communities.
Keywords: Maguey manso quiote, guadua bamboo, traction, deformation, flexion, flexural modulus.
Carátula del artículo
Evaluación y comparación de resistencia a la tracción y flexión de
Quiote del Maguey Manso (Agave Salmiana) contra bambú
Guadua
Evaluation and comparison of tensile and flexural strength of
Quiote from Maguey Manso (Agave Salmiana) against Guadua
bamboo
Diego Isaac Pérez-González diegopg316@gmail.com
Benemérita Universidad Autónoma de
Puebla, Mexico
Jesús Eduardo Castro-Olivares jesus_eduardo25@hotmail.com
Benemérita Universidad Autónoma de
Puebla, Mexico
Javier Flores-Méndez javier.floresme@correo.buap.mx
Benemérita Universidad Autónoma de
Puebla, Mexico
Jesús Alberto Mendoza-Quiñonez jesus.mendozaq@correo.buap.mx
Benemérita Universidad Autónoma de
Puebla, Mexico
Antonio Michua-Camarillo antonio.michua@correo.buap.mx
Benemérita Universidad Autónoma de
Puebla, Mexico
Manuel Aparicio-Razo epouvanter@gmail.com
Benemérita Universidad Autónoma de
Puebla, Mexico
Ingeniería, investigación y tecnología, vol. XXII, núm. 3, pp. 30-35, 2021
Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de
Ingeniería
Recepción: 28 Mayo 2020
Aprobación: 28 Abril 2021
Introducción
El estudio de los esfuerzos en los sistemas mecánicos es un tema de interés para el
área de ingeniería. Los componentes mecánicos en general están sujetos a diversos
esfuerzos y deformaciones que los materiales deben ser capaces de soportar (González & Mesa, 2004).
Tradicionalmente, la manera de caracterizar las propiedades de un material es por
medio de diferentes pruebas mecánicas destructivas normalizadas, en las cuales
destacan los ensayos tracción, flexión, compresión, dureza, etcétera. Estas pruebas
son importantes debido a que permiten evaluar las cargas y deformaciones máximas que
puede soportar un material (Faraldos & Goberna,
2011).
En la prueba destructiva de flexión (DIN 52-186,
1976), el objetivo principal es someter una probeta de un material a una
carga controlada en dirección perpendicular a su eje longitudinal para evaluar el
comportamiento esfuerzo-deformación y la resistencia a la flexión (DeWolf et al., 2018). Por otra
parte, la prueba de tracción (ASTM E8/E8M-11,
2011) somete la probeta del material a una carga axial controlada,
midiendo el límite elástico, resistencia al alargamiento o carga de rotura (DeWolf et al., 2018).
Una de las líneas de investigación con mayor interés en la ingeniería mecánica es la
evaluación de las propiedades mecánicas de materiales que provienen de la
naturaleza, tales como las fibras (Juárez et
al., 2006; Carrasco,
2015), hongos (Sánchez, 2004), de
origen animal (Shubhra et al.,
2011) y tallos (Chaowana,
2013).
Hablando específicamente de los materiales provenientes de tallos, el estudio y la
aplicación del bambú en los últimos años ha crecido gracias a las bioconstrucciones
para crear viviendas (Ordóñez, 1999), y a las
aplicaciones en la industria farmacéutica, cosmética, alimenticia y aeronáutica
(Cedeño et al.,
2011).
En México, el bambú de mayor uso es de la especie Guadua, el cual se produce en la
región de Veracruz (Dávila et al.,
2012). Esta especie de bambú ha sido sometida a diferentes estudios,
donde se destacan sus propiedades a tracción, compresión, corte y flexión (López & Correal, 2009; Estrada, 2010; Osorio et al., 2010). En la Figura 1, se aprecia el bambú Guadua cortado y seco.
Figura 1:
Bambú Guadua seco
El bambú Guadua presenta magnificas propiedades mecánicas, sin embargo, aún falta por
estudiar un gran número de especies. Por otra parte, el tallo o pedúnculo conocido
como Quiote del Maguey, es un género de plantas monocotiledóneas,
generalmente suculentas, pertenecientes a la antigua familia
Agavaceaeque que crece en la mayor parte de México (León, 2014) como se muestra en la Figura 2.
A lo largo de la historia, el Quiote se ha utilizado en diversas tareas, entre las
que destacan la construcción de estructuras y elaboración de nidos para aves,
siempre que esté seco. Sin embargo, su uso no solo se limita a emplearlo cuando está
seco. En estado verde se utiliza para consumo humano, produciendo principalmente
golosinas (Alanís et al.,
2011).
Tradicionalmente, en las comunidades antiguas, el Quiote seco se empleaba como vigas
en la construcción de casas o cercas para limitar distintos territorios, gracias a
su alta resistencia y dureza, así como el uso de su fibra para diferentes
aplicaciones (Ramsay, 2015).
Los usos tradicionales del Quiote lo hacen un material interesante. Su tallo es un
tronco vertical con alta envergadura y ortogonalidad respecto al suelo, lo cual hace
intuir una alta resistencia a la flexión.
Actualmente, a diferencia del bambú Guadua, no hay reportes técnicos sobre pruebas
mecánicas de flexión para el pedúnculo Quiote, el cual presenta una morfología
similar. Por lo tanto, en este trabajo, mediante el uso de probetas normalizadas se
establece la metodología experimental para realizar las pruebas mecánicas
normalizadas de resistencia a la tracción y flexión para estos dos materiales.
Resulta muy interesante el hallazgo de que el Quiote de Maguey Manso presenta una
resistencia a la flexión prácticamente al doble de la del bambú Guadua, así como su
módulo de flexión. En lo que respecta a la tracción, el esfuerzo máximo del bambú es
menor que el del Quiote y por lo tanto, presenta una mayor deformación máxima.
La originalidad de este trabajo es muy pertinente y puede sentar las bases para
futuras investigaciones en la ciencia e ingeniería de materiales, así como el
desarrollo sustentable de las comunidades rurales productoras de agave
Metodología para las pruebas de tracción y flexión
La metodología de este estudio se centralizó en realizar una serie de ensayos de
tracción y flexión, basados en normas internacionales. Para poder efectuar estas
pruebas se obtuvieron especímenes de bambú Guadua y Quiote con diámetros en el rango
de 4 - 4.5 in. En el caso del bambú se seleccionaron dos tallos de una altura de 3 m
provenientes de la comunidad de La Perla-Veracruz-México, los cuales se dejaron
secar por un periodo de 5 meses. En el caso de Quiote se obtuvo un espécimen de
Maguey Manso con una longitud de 6 m cortado de la región de Santa
Cruz-Tlaxcala-México, el cual se dejó secar por un periodo de 7 meses. El proceso de
secado es necesario, debido a la alta concentración de líquidos que retienen debido
a su morfología.
Para el bambú y el Quiote se aseguró que la concentración de humedad relativa en el
medio ambiente fuera lo más bajo posible (35-40 %), manteniendo una temperatura de
secado de 25 ° C. En la Figura 3, se observan
los especímenes de tallos de bambú Guadua y Quiote utilizados.
Figura 3:
a) Tallos de Quiote y b) bambú Guadua utilizados
Para cada una de las pruebas se ensayaron 10 probetas de los especímenes de bambú
Guadua y Quiote, en una configuración plana basadas en la norma ASTM E8M-11
(Tracción) y DIN 52-186 (Flexión), ver Figuras
4 y 5.
Figura 4:
Parámetros geométricos con base en la norma ASTM E8M-11 para el
cálculo de la Resistencia a la tracción [L0 : Longitud total (m), LC : Longitud de sección reducida (m), b: Grosor de
la muestra (m), t: Ancho de la muestra (m),
R: Radio del filete (m) y wt:
Ancho de zona de ensayo (m)]
Figura 5:
Parámetros geométricos con base en la norma DIN 52-186 para el
cálculo del módulo de flexión [F: Carga de flexión (N),
L: Distancia entre rodillos (m),
w: Ancho de la muestra (m), b: Grosor
de la muestra (m) y d: Deformación de deflexión por
carga (m)]
Las probetas se evaluaron por medio de una máquina universal de ensayos mecánicos de
la marca Shimadzu AG-IC 100kN, con parámetros de velocidad de desplazamiento de
1mm/s y resolución de los gráficos de 0.01 unidades. Las propiedades mecánicas de
interés medidas (resistencia máxima a la tracción y flexión) en cada probeta fueron
calculadas con base en los datos suministrados al Software Trapezium®, donde se
especifican las condiciones del ensayo según las recomendaciones de cada una de las
normas (Tabla 1).
Tabla 1:
Condiciones geométricas en las probetas según las normas ASTM E8M-11
y DIN 52-186
En la Figura 6, se puede apreciar el montaje de
los ensayos de tracción y flexión para cada probeta de Quiote y bambú en la máquina
universal de ensayos mecánicos.
Figura 6:
a) Ensayo de tracción y b) de flexión en la máquina universal de
ensayos mecánicos
Las probetas se maquinaron de tal forma que las fibras fueran paralelas a la
dirección de la carga y que la zona de trabajo fuese la región intermedia de las
caras del tallo (cámbium y duramen), por consiguiente, las pruebas realizadas en
este trabajo no consideran las fibras exteriores ni interiores del tallo. Es
importante mencionar que las regiones del Quiote y bambú utilizadas para fabricar
las probetas fueron aquellas desprovistas de nudos (o entre-nudos), es decir, las
fracciones centrales del tallo (Figura 7).
Figura 7:
Zona entre nudo del tallo
Finalmente, las medidas estadísticas usadas para la evaluación de los resultados
fueron la media y la desviación estándar.
Resultados
Las Figuras 8 y 9, muestran las gráficas promedio “Esfuerzo de tracción
(flexión) vs Deformación Unitaria” para los ensayos realizados en las
probetas. En ambos casos se puede observar que el Quiote ofrece una mayor
resistencia a la tensión. En lo que respecta a las pruebas de flexión, la
deformación en ambos materiales tiene prácticamente el mismo valor, a diferencia de
la tracción, donde el bambú presenta mayor deformación. Por lo tanto, ambos gráficos
sugieren que el Quiote presenta una mayor capacidad de absorción de energía antes de
fracturarse.
Figura 8:
Gráfico Esfuerzo de tracción vs Deformación Unitaria
del bambú Guadua y Quiote
Figura 9:
Gráfico Esfuerzo de flexión vs Deformación unitaria
del bambú Guadua y Quiote
De manera más explícita, los resultados promedio de ambas pruebas se muestran en las
Tablas 2 y 3.
Tabla 2:
Comparación de esfuerzo máximo de flexión del Quiote y bambú
Guadua
Tabla 3:
Comparación de esfuerzo máximo de tracción y deformación del Quiote y
bambú Guadua
De los resultados de la Tabla 2, se puede
apreciar que el Quiote presenta un valor de esfuerzo máximo de flexión 2.83 veces
mayor que el del bambú, lo que sugiere que este tipo de pedúnculo presenta mejores
propiedades mecánicas en condiciones de flexión pura. Por otra parte, la Tabla 3 indica un valor de esfuerzo máximo de
tracción mayor para el Quiote respecto al bambú (2 veces más). Sin embargo, en el
caso de la deformación se puede observar que el bambú presenta mejores cualidades
(1.52 veces más).
Dentro del mismo marco de la norma DIN 52-186, se determinó el módulo de flexión
Eb para los dos pedúnculos, calculado a través de la ecuación (1).
(1)
La Tabla 4, muestra los valores promedio del
módulo de flexión, donde se indica que el del Quiote es 2.04 veces superior al del
bambú Guadua, tal y como se observa en el comportamiento gráfico de la Figura 9.
Tabla 4:
Comparación de módulo de flexión del Quiote y bambú Guadua
Para relacionar el peso de cada uno de estos materiales con el volumen que ocupan, se
evaluó su densidad. La Tabla 5 muestra los
valores calculados de forma experimental.
Tabla 5:
Valor de densidad de los tallos de bambú y Quiote
Es importante señalar que los resultados obtenidos para las propiedades mecánicas del
bambú Guadua coinciden con los reportados en diferentes estudios (González et al., 2007; Sapuyes et al., 2018), lo cual
valida esta metodología de trabajo y medición.
Discusión y conclusiones
La evaluación de los esfuerzos de tracción y flexión en las dos especies de tallos es
bastante interesante, principalmente se han logrado documentar técnicamente las
propiedades mecánicas de un tallo que es desconocido en la mayoría de las regiones
de México y el mundo.
En el caso del bambú Guadua, los resultados obtenidos son semejantes a estudios ya
reportados, lo cual es una buena referencia para la validez de esta metodología
experimental. Sin embargo, es muy importante considerar que la evaluación de estas
propiedades mecánicas puede presentar importantes fluctuaciones debido al tipo y
calidad de las fibras presentes en cada pedúnculo. Esencialmente, estas variaciones
residen en la composición molecular de las fibras que componen el tallo y que están
íntimamente ligados a parámetros complejos como la geografía, calidad del suelo y
clima donde crecen.
El Quiote es un tallo completamente desconocido en la sociedad para aplicaciones en
el área de ingeniería. Con base en los estudios realizados en este trabajo se
demuestra que presenta propiedades muy atractivas, ya que lo pueden hacer un
material altamente eficaz en resistencia mecánica porque posee características
superiores a la tracción, tenacidad y flexión respecto al bambú Guadua.
Adicionalmente a los resultados presentados, se proponen realizar ensayos referentes
a la resistencia cortante, fatiga y compresión para obtener un panorama más general
de las características del Quiote. De los 285 tipos de Maguey que hay descritos en
el mundo, 200 se encuentran en México y su ecosistema varía en regiones áridas,
semiáridas y templadas, por lo tanto, es muy conveniente realizar más
investigaciones que incluyan los índices de crecimiento del tallo de Quiote, ya que
su patrón de crecimiento pudiera ser semejante al bambú.
Finalmente, la presente investigación es tema de interés tanto en la física como en
la ingeniería de materiales y sienta las bases para el desarrollo de proyectos
técnicos, que posteriormente con una adecuada gestión de comercialización es una
opción para contribuir al desarrollo sustentable de las comunidades rurales que
dependen del aprovechamiento integral del maguey pulquero.
Referencias
ASTM E8/E8M-11. (2011). Standard test methods for tension testing of
metallic materials. ASTM book of standards.
Cedeño, A. & Irigoyen, J. (2011). El Bambú en México.
Usjt. arq. urb, 6(2), 223-243.
https://doi.org/10.37916/arq.urb.vi6.317
Chaowana, P. (2013). Bamboo: An alternative raw material for wood
and wood-based composites. Journal of Materials Science
Research, 2(2), 90-102.
https://doi.org/10.5539/jmsr.v2n2p90
DeWolf, J., Beer, F. & Johnston, R. (2018). Mecánica de
materiales. España: McGraw-Hill.
DIN 52-186. (1976). Prüfung von Holz Biegeversuch-Deutsches Institut
für Normung e. V. 3.
Faraldos, M. & Goberna, C. (2011). Técnicas de análisis
y caracterización de materiales. Madrid: Editorial
CSIC.
Juárez, C., Valdez, P. & Durán, A. (2006). Fibras naturales de
lechuguilla como refuerzo en materiales de construcción. Revista
Ingeniería de Construcción, 21(3), 225-234. http://www.ing.puc.cl/ric
López, L. & Correal, J. (2009). Estudio exploratorio de los
laminados de bambú Guadua angustifolia como material estructural.
Maderas, Ciencia y tecnología, 11(3), 171-182.
http://dx.doi.org/10.4067/S0718-221X2009000300001
Ordóñez, V. (1999). Perspectivas del bambú para la construcción en
México. Madera y Bosques, 5(1), 3-12.
https://doi.org/10.21829/myb.1999.511350
Osorio, L., Trujillo, E., Van Vuure, A., Lens, F., Ivens, J. &
Verpoest, I. (2010). The relationship between the bamboo fibre microstructure
and mechanical properties. Proceedings 14th European conference on composite
materials (on cd-rom), Paper ID: 982-ECCM14, 1-10. Recuperado de https://lirias.kuleuven.be/retrieve/215393
Sánchez, C. (2004). Modern aspects of mushroom culture technology.
Microbiology and Biotechnology, 64(6), 756-762.
https://doi.org/10.1007/s00253-004-1569-7
Sapuyes, E., Osorio, J., Takeuchi, C., Duarte, M. & Erazo, W.
(2018). Resistencia y elasticidad a la flexión de la guadua angustifolia Kunth
de Pitalito, Huila. Revista de Investigación, 11(1), 97-111.
https://revistas.uamerica.edu.co/index.php/rinv/article/view/182
Shubhra, Q., AKMM, A. & MDH, B. (2011). Mechanical and
degradation characteristics of natural silk fiber reinforced gelatin composites.
Materials letters, 65(2), 333-33.
https://doi.org/10.1016/j.matlet.2010.09.059
Notas
Notas
Cómo citar: Pérez-González D., Castro-Olivares J.E., Flores-Méndez
J., Mendoza-Quiñonez J.A., Michua-Camarillo A. & Aparicio-Razo M. (2021).
Evaluación y comparación de resistencia a la tracción y flexión de Quiote del
Maguey Manso (
Agave Salmiana) contra bambú Guadua.
Ingeniería Investigación y Tecnología, 22 (03), 1-6.
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2021.22.3.019
