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Characterization of the shear properties in the radial-tangential section of Sitka spruce by the antisymmetrical four-point bending test of side-tapered and V-notched samples

Este estudio demuestra que los ensayos de flexión en cuatro puntos antisimétricos en muestras de picea de Sitka con conicidad lateral, profundidad suficiente y espesor de galga apropiado, proporcionan un método eficaz para caracterizar las propiedades de cortante en el plano radial-tangencial, mientras que las muestras con muesca en V requieren una mayor optimización.

Autores originales: Hiroshi Yoshihara, Masahiro Yoshinobu, Makoto Maruta

Publicado 2026-07-31

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CC BY 4.0

Autores originales: Hiroshi Yoshihara, Masahiro Yoshinobu, Makoto Maruta

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás construyendo un rascacielos de madera. Aunque la madera es fuerte, tiene una debilidad secreta: es como una pila de cartas de juego. Si empujas las cartas hacia los lados, se deslizan fácilmente una sobre otra, pero si las empujas directamente hacia abajo, se mantienen firmes. En el mundo de la ingeniería, esta fuerza de "deslizamiento" se llama cizalladura, y la dirección donde la madera se desliza más fácilmente es entre sus "anillos" (radial) y su "veta" (tangencial). Este es el plano "Radial-Tangencial" o RT.

Cuando los ingenieros diseñan edificios altos de madera, necesitan saber exactamente cuánta fuerza puede soportar este "deslizamiento" antes de que la estructura colapse. El problema es que medir esta fuerza de deslizamiento es complicado. Si simplemente sujetas un bloque de madera con una prensa y tiras de él, la presión suele concentrarse en un único punto diminuto, lo que hace que la madera se rompa prematuramente y dé un número falso y bajo. Los científicos han estado buscando una forma de probar esta resistencia al deslizamiento sin aplastar la muestra o utilizar máquinas complicadas y supercaras. Quieren una prueba que sea simple, justa y que diga la verdad sobre cómo se comporta realmente la madera.

Aquí es donde un equipo de investigadores de la Universidad de Shimane y del Instituto de Ciencia de Shizuoka intervino. Decidieron jugar a la "gimnasia de la madera" utilizando un método llamado flexión de cuatro puntos antisimétrica. Piensa en esto como si sostuvieras un palo largo y delgado con las manos en los extremos, y dos amigos empujaran el palo desde el centro, pero en direcciones opuestas. Esto crea una fuerza de torsión y deslizamiento justo en el centro del palo.

Los investigadores probaron dos formas diferentes de dar forma a la madera para hacer que esta fuerza de deslizamiento ocurriera exactamente donde ellos querían. La primera forma fue una muestra de lados cónicos (side-tapered), que parecía un rectángulo que se volvía más delgado en los extremos, casi como una púa de guitarra. La segunda forma fue una muestra con muesca en V (V-notched), que tenía un corte en forma de "V" en el medio, como un mordisco en una galleta. Utilizaron abeto de Sitka, una madera común utilizada en la construcción, y cortaron estas muestras en varios tamaños para ver qué forma y tamaño daban la lectura más precisa de la resistencia al deslizamiento de la madera.

Para asegurarse de que sus resultados fueran reales, no se limitaron a las pruebas físicas. También realizaron simulaciones por computadora (como el motor de física de un videojuego) para ver cómo se movían las fuerzas a través de la madera, y realizaron pruebas de vibración flexural (golpear la madera y escuchar su sonido) para obtener una medida base de la rigidez de la madera. Compararon todos estos números para ver qué configuración de prueba era el "estándar de oro".

Esto es lo que encontraron:

Las muestras de lados cónicos fueron las claras ganadoras, pero con un detalle. Los investigadores descubrieron que la profundidad de la muestra importaba mucho. Si la madera era demasiado corta (solo 10 mm de profundidad), se rompía por flexión antes de poder mostrar siquiera su resistencia al deslizamiento. Sin embargo, una vez que hicieron las muestras más profundas (20 mm o más), la madera se comportó perfectamente, deslizándose exactamente donde los investigadores querían.

Hubo un detalle más que hacer bien: el grosor de la parte más estrecha de la muestra (la "región de calibre"). Cuando hicieron esta parte muy delgada (5 mm), la prueba sugería que la madera era más fuerte al deslizarse de lo que realmente era. Era como intentar medir la resistencia de una cuerda tirando de un hilo fino y deshilachado; los números parecían buenos, pero eran engañosos. Cuando usaron una sección estrecha ligeramente más gruesa (10 mm), los resultados coincidieron perfectamente con las simulaciones por computadora y las pruebas de vibración.

Por otro lado, las muestras con muesca en V fueron un poco más frustrantes. Aunque funcionaban aceptablemente para distancias muy pequeñas entre los cortes, a medida que la separación entre los cortes en "V" se hacía más ancha, la madera empezaba a fallar de formas extrañas. En lugar de deslizarse suavemente en el medio, el estrés se acumulaba cerca de los soportes, y la madera se rompía por flexión o concentración de tensiones en lugar de por puro deslizamiento. Los resultados de las muestras con muesca en V fueron menos consistentes y no coincidieron tan bien con las otras pruebas como las de los lados cónicos.

Al final, el estudio sugiere que, si quieres medir qué tan bien resiste el abeto de Sitka al deslizamiento en su dirección más débil, la mejor receta es una muestra de lados cónicos que tenga al menos 20 mm de profundidad y una sección estrecha de 10 mm de grosor. Esta configuración evita las "trampas de tensión" que arruinan otras pruebas y ofrece una imagen clara y honesta de la resistencia de la madera. Es una forma simple y práctica de asegurar que los rascacielos de madera del futuro no se deslicen y se desarmen bajo presión.

Resumen Técnico: Caracterización de las Propiedades de Cizalladura en la Picea de Sitka mediante Flexión de Cuatro Puntos Antisimétrica

Planteamiento del Problema
La integridad mecánica de los edificios de madera de gran altura, particularmente aquellos que utilizan madera contralaminada (CLT), depende en gran medida de la evaluación precisa de las propiedades de cizalladura en el plano radial-tangencial (RT) de la madera sólida. Aunque el plano RT suele ser el eslabón más débil en las estructuras de CLT, las metodologías existentes para caracterizar estas propiedades en madera sólida enfrentan limitaciones significativas. Las pruebas de cizalladura de bloque estandarizadas (p. ej., ASTM D143-14, JIS Z 2101) y otros métodos especializados (Iosipescu, Arcan, marco de cizalladura) a menudo sufren de concentraciones de esfuerzo cerca de las superficies cargadas o requieren una instrumentación compleja. Estas concentraciones de esfuerzo pueden inducir una falla prematura, lo que conduce a valores de resistencia al corte subestimados. La prueba de flexión de cuatro puntos antisimétrica (ASFPB) utilizando muestras con conicidad lateral ha sido aplicada con éxito al plano longitudinal-radial (LR), pero su aplicación al plano RT sigue estando insuficientemente investigada. En el plano RT, la baja resistencia a la tracción a lo largo de las direcciones radial o tangencial aumenta el riesgo de falla debido a momentos de flexión en lugar de fuerzas de cizalladura, lo que complica el aislamiento de las propiedades de cizalladura pura.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque multifacético que combina pruebas experimentales, simulaciones de elementos finitos (FE) y pruebas de vibración flexural (FV) para caracterizar las propiedades de cizalladura de la picea de Sitka (Picea sitchensis Carr.) en el plano RT.

Preparación de Muestras: Se prepararon muestras rectangulares de picea de Sitka (240 × 40 × 30/10 mm). Se investigaron dos geometrías:
- Muestras con conicidad lateral: El espesor se redujo simétricamente en los extremos para crear una región de calibración con espesores ( $b$ ) de 5 mm y 10 mm. La profundidad de la muestra ( $H$ ) varió de 10 a 40 mm.
- Muestras con muescas en V: Se realizaron muescas en V (ángulo de 90°, radio de raíz de 2.5 mm) para variar la distancia entre las raíces de las muescas ( $h$ ) de 10 a 34 mm.
Pruebas Experimentales:
- Pruebas ASFPB: Las muestras se cargaron de forma antisimétrica utilizando cilindros de acero (20 mm de diámetro) a una velocidad de cabezal de 2 mm/min. Se unió un extensómetro triaxial al centro del plano RT para medir las deformaciones normales ( $\epsilon_R, \epsilon_T$ ) y la deformación de cizalladura ( $\gamma_{RT}$ ). El esfuerzo cortante ( $\tau_{RT}$ ) se calculó basándose en la teoría de vigas para ambas geometrías.
- Pruebas de Vibración Flexural (FV): Se realizaron en muestras rectangulares iniciales para determinar los valores base del módulo de Young ( $E_R$ ) y el módulo de cizalladura ( $G_{RT}$ ) utilizando el método de iteración de Hearmon.
Análisis de Elementos Finitos (FE): Se realizaron simulaciones FE 2D (ANSYS 2025 R2) para modelar tanto las condiciones "no equipadas" (idealizadas) como las "equipadas" (contacto con cilindros de acero, coeficientes de fricción variables). Estas simulaciones analizaron las distribuciones de esfuerzo ( $\sigma_R, \sigma_T, \tau_{RT}$ ) y los campos de deformación para predecir la influencia de la geometría de la muestra y la fricción de la fijación en el módulo de cizalladura calculado.
Análisis Estadístico: Los resultados experimentales se sometieron a pruebas t y Análisis de Varianza (ANOVA) para comparar las propiedades de cizalladura entre las diferentes configuraciones de muestra y contra la base de FV.

Contribuciones Clave

Evaluación Sistemática de ASFPB para el Plano RT: El estudio proporciona la primera investigación detallada sobre la aplicabilidad de la prueba ASFPB específicamente para el plano RT de la madera sólida, abordando el desafío único de la falla inducida por flexión en esta orientación.
Optimización de la Geometría: Al variar la profundidad ( $H$ ) y el espesor de calibración ( $b$ ) para las muestras con conicidad lateral, y el espaciamiento de muesca ( $h$ ) para las muestras con muescas en V, el estudio identifica parámetros geométricos específicos que minimizan los efectos del momento de flexión y las concentraciones de esfuerzo.
Validación mediante Comparación de Multimétodos: La investigación integra de manera única los datos experimentales de ASFPB con mediciones independientes de FV y simulaciones de FE para validar la confiabilidad de la caracterización de las propiedades de cisalladura.
Análisis de Modo de Falla: El documento documenta la transición en los modos de falla (de dominado por flexión a dominado por cizalladura) como una función de la profundidad y la geometría de la muestra, proporcionando evidencia visual y estadística de las condiciones óptimas de prueba.

Resultos

Módulo de Cizalladura ( $G_{RT}$ ):
- Muestras con conicidad lateral: Las simulaciones FE indicaron que los valores de $G_{RT}$ aumentaron con la profundidad de la muestra ( $H$ ), un efecto amplificado por la fricción en la condición "equipada". Experimentalmente, los valores de $G_{RT}$ para muestras con $b=5$ mm fueron significativamente mayores que las bases de FV, mientras que las muestras con $b=10$ mm no mostraron una diferencia significativa con los resultados de FV (excepto en $H=10$ mm).
- Muestras con muescas en V: Los valores experimentales de $G_{RT}$ no fueron significativamente diferentes de los resultados de FV en todos los valores de $h$ , pero el ángulo de deformación principal ( $\bar{\psi}$ ) mostró una mayor variabilidad en comparación con las muestras con conicidad lateral, lo que sugiere una reducción menos efectiva de los componentes de esfuerzo normal.
Modos de Falla:
- Para muestras con conicidad lateral con $H=10$ mm, la falla ocurrió en el límite entre las porciones recta y cónica debido a los momentos de flexión. Cuando $H \ge 20$ mm, la falla se propagó oblicuamente a través de la región de calibración, indicando dominancia de cizalladura.
- Para muestras con muescas en V, la falla se desplazó desde la región de calibración hacia los puntos de carga/soporte a medida que $h$ aumentaba (específicamente en $h=34$ mm), indicando que un mayor espaciamiento de muescas no logró inducir la falla por cizalladura entre las muescas.
Resistencia al Corte ( $F_{RT}$ ) y Límite Proporcional ( $Y_{RT}$ ):
- En muestras con conicidad lateral, $F_{RT}$ se estabilizó para $H > 20$ mm, mientras que $Y_{RT}$ se mantuvo relativamente constante para $b=10$ mm.
- En muestras con muescas en V, tanto $F_{RT}$ como $Y_{RT}$ disminuyeron significativamente a medida que $h$ aumentaba, atribuido a los efectos de concentración de esfuerzo cerca de los puntos de carga internos.
Condiciones Óptimas: El análisis estadístico (ANOVA) confirmó que la prueba ASFPB utilizando muestras con conicidad lateral con un espesor de calibración de $b=10$ mm y una profundidad de $H > 20$ mm produce propiedades de cizalladura más consistentes con las bases de FV, minimizando simultáneamente las variaciones dependientes de la configuración.

Significancia
El artículo concluye que la prueba ASFPB es un método viable y práctico para caracterizar las propiedades de cizalladura de la madera sólida en el plano RT, siempre que se cumplan condiciones geométricas específicas. El estudio demuestra que el uso de muestras con conicidad lateral con suficiente profundidad ( $H > 20$ mm) y un espesor de calibración que no sea innecesariamente estrecho ( $b=10$ mm) mitiga eficazmente el riesgo de falla inducida por flexión y concentración de esfuerzos. Este enfoque ofrece una alternativa novedosa a los protocolos de prueba complejos o que concentran esfuerzos, permitiendo una evaluación más precisa de las propiedades de cizalladura críticas para el desempeño estructural de las construcciones modernas de madera. Los autores señalan, sin embargo, que estos hallazgos son específicos para las configuraciones probadas y la picea de Sitka, lo que sugiere que se requiere más investigación para generalizar estas condiciones óptimas a través de diferentes especies de madera y geometrías de muestra.

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