Se identificaron culmos considerados maduros (3-6 años) (16) (17) y se cortaron en su longitud total (4000-4500 mm) (14), descartando la parte superior, denominada “varillón”, debido a que dicha sección no resulta de utilidad para la prueba debido a su diámetro inferior a 10 mm (Figura 2) (21). Cada sección tuvo una longitud de 1100 mm, considerando tres secciones equidistantes, sección inferior, media y superior, a lo largo del tallo de cada tramo. Cada tallo se referenció con un número consecutivo como lo establece la norma ISO 22157 para su correcta identificación (20). Previo a la ejecución de las pruebas mecánicas, se calcularon la densidad básica (Db) y el contenido de humedad en porcentaje (CH) de cada uno de los especímenes; lo anterior, con el fin de cuantificar la influencia de dichos factores en las características físicas y mecánicas, por la presencia de altos contenidos de humedad en el bambú, como ha sido sugerido por otros (22, 23, 24). Para ello, una vez cortadas las secciones de bambú, fueron protegidas de la lluvia y se dejaron secar sin contacto con el suelo por un periodo de 3 meses a la sombra, a una temperatura aproximada de 21 ± 3°C y una humedad relativa de 60 ± 5% (14).

Previo a su evaluación, cada una de las probetas se pesaron para obtener su peso inicial (m_h) y posteriormente, se secaron utilizando un horno a 103 °C ± 2 °C, durante 24 horas, para obtener su peso seco (m_o). Para poder determinar el volumen de las muestras, en algunas secciones de bambú se midió su volumen (V) por el método de inmersión. Enseguida, se calcularon los valores correspondientes a la densidad básica (Db) y contenido de humedad (CH) en porcentaje, mediante las ecuaciones [1 y 2]:

Posterior al cálculo de la densidad básica y contenido de humedad, se identificó cada sección del tallo en inferior (I), media (M) o superior (S); posteriormente, como se observa en la Figura 3, se prepararon probetas para pruebas de compresión con y sin nudo, a flexión y a tensión de acuerdo con la norma ISO 22157 y en concordancia de las normas ISO 22157 (2004a) (25) e ISO (2004b) (26). Las probetas de tensión de la especie Otatea f. s. presentan una geometría acorde a sus características morfológicas, (diámetro promedio del culmo 28.97 mm) y acorde a lo discutido en la literatura (3, 6, 25, 26, 27).

En la Tabla 1, se observa a detalle el diseño experimental, donde se enlista el número de probetas a evaluar para cada tipo de ensaye, especificando diámetro, longitud y espesor de pared promedio. Las pruebas mecánicas se realizaron en el Laboratorio de Materiales y Sistemas Estructurales (LMSE) de la Facultad de Arquitectura de la UNAM.

El equipo utilizado para la ejecución de las pruebas a flexión y tensión consistió en una máquina universal marca INSTRON^®, modelo 400HVLB14362-G2A-C3-D28 con capacidad de 200 toneladas. Para las pruebas de compresión, se empleó una Máquina INSTRON^® modelo 400RD-E1-H2 con capacidad de 200 toneladas, ambos equipos cuentan con un sistema de adquisición de datos para la obtención de gráficas y de valores para esfuerzo máximo y en punto de ruptura, ya que la sensibilidad de desplazamiento es de 0.05 mm/s, lo que permite trabajar con las probetas elaboradas en el presente estudio (Figura 4 y 5). Para obtener el peso de las muestras se utilizó una balanza analítica ENTRIS822-1S, con una precisión de 0.01 g., un horno eléctrico con un rango de 103 °C ± 2 °C para secado de material y para determinar la longitud se empleó un calibrador vernier digital, con un rango de 150 mm y una precisión de 0.01 mm.

Los especímenes para las pruebas a compresión se obtuvieron de la parte inferior, media y superior de la sección del tallo. La altura de la probeta fue de dos veces el diámetro con nudo y sin nudo (Figura 6). Para obtener el área de la sección transversal se midió y promedió los diámetros exteriores y los espesores de pared en cuatro puntos sobre ejes ortogonales de la sección. Para la obtención de la resistencia a la compresión, se aplicó una carga a una velocidad constante paralela a la dirección longitudinal de la probeta, registrando la carga máxima a la falla (F_ult), similar a lo realizado por otros investigadores (3, 27).

Así también, calculó el esfuerzo último de compresión (σ_ult) mediante la ecuación [3] y se registró el esfuerzo verdadero (σ_Ver) de cada ensayo.

Para este ensayo las probetas se ajustaron a lo que establece la norma ISO 22157-1 (25), las cuales se adaptaron a los parámetros de la prueba flexión a 3 puntos con una longitud entre apoyos de 500 mm y una longitud promedio de 700 mm. Para cada uno de los elementos se obtuvo diámetro promedio de 28.76 mm y espesor de pared promedio de 8.41mm (Tabla 1); mediante lecturas en tres secciones en su longitud y de los espesores de pared en cuatro puntos sobre ejes ortogonales de la sección en sus dos extremos. Como se observa en la Figura 4 y 7, la carga se aplicó de manera puntual a la mitad del claro (L ∕ 2), a una velocidad constante hasta la falla del espécimen. Durante la prueba, se registró la carga máxima aplicada a la falla (F_máx), con la que fue factible calcular su resistencia última a la flexión, (σ_ult) mediante las ecuaciones [4 y 5], respectivamente; obteniendo de igual manera la gráfica de esfuerzo-deformación (F- δ).

Con los promedios de diámetros y espesores de pared de la sección transversal del culmo (tallo) se obtiene el momento de inercia (I) de acuerdo con la ecuación [6].

Sustituyendo [4], [6] en [5] se obtiene la resistencia última a la flexión se obtiene:

Para ejecutar las pruebas de tensión paralela a la fibra, se cortaron especímenes de la sección transversal, de la parte inferior, media y superior en la dirección radial del tallo. Se obtuvieron 4 probetas de 500 mm de longitud por cada tallo, con nudo y sin nudo, teniendo una longitud efectiva para la probeta de 100 mm y sección transversal igual al espesor de la pared.

De acuerdo con la norma ISO 22157-1 y la NTC 552 2007 (26), se determinó el área de la sección transversal (A), para ello se tomaron medidas de la sección transversal en tres puntos a lo largo de la probeta, obteniendo el promedio en cada caso (Figura 8). Durante la ejecución de las pruebas, se obtuvo la gráfica de carga-deformación y se registró el valor de la carga máxima aplicada a la falla de cada probeta (F_ult). Enseguida se calculó el esfuerzo último de tensión (σ_ult) mediante la ecuación [1].

Los resultados de las pruebas de compresión paralela a la fibra, resistencia a la flexión y resistencia a la tensión, obtenidos de probetas de bambú con nudos y sin nudos, se presentan en las Tablas 4-9. Una vez recabados los datos derivados del programa experimental, estos fueron analizados mediante procedimientos estadísticos de acuerdo con (31), empleando el Software R 3.3.2 (32).

Los datos de esfuerzo máximo a la compresión paralela a la fibra se presentan en la Tabla 4. Una revisión más detallada de los datos permite advertir que los especímenes de la parte inferior del culmo presentaron valores promedio de 42.4 MPa, lo que contrasta con los valores obtenidos de especímenes de la parte media y superior, los cuales alcanzaron en promedio 49.60 y 45.47 MPa, respectivamente; pero las diferencias existentes entre los pares de medias no resultan significativas entre las tres secciones analizadas del culmo.

Al contrastar los datos obtenidos en el programa experimental mostrados en la Tabla 5, con valores de resistencia a la compresión para diferentes especies de bambú retomados de la literatura (3, 10, 11, 19, 33, 34, 35, 36, 37), es posible constatar que la Otatea F. S., tuvo un comportamiento superior o igual a los valores de resistencia a la compresión obtenidos en experimentaciones similares. Además de lo antes mencionado, los hallazgos también permitieron deducir que, en la mayoría de los casos, entre mayor la altura del culmo, mayor la resistencia a la compresión. De la misma manera, los datos mostraron que no existió un efecto significativo en la resistencia a la compresión de la Otatea fimbriata debido a la presencia o no de los nudos.

Con respecto a los datos generados de las pruebas de resistencia última a la flexión paralela a la fibra, los cuales son presentados en la Tabla 6, es posible deducir que los especímenes obtenidos de las secciones media y superior del culmo, fueron los que presentaron una mayor resistencia a la flexión al compararlos con aquellos obtenidos de la parte inferior.

Un análisis más detallado de los datos presentados en la Tabla 6, reveló que los especímenes obtenidos de la parte media y superior del culmo sin nudo presentaron valores promedio de 58.47 MPa y 48.94 MPa, respectivamente; en contraste, los especímenes obtenidos de la parte inferior alcanzaron solo 48.94 MPa en promedio. De acuerdo con dichos hallazgos, es posible asumir que en general, la resistencia a la flexión del bambú tendió a disminuir en un rango aproximado de 20 a 30% a medida que se incrementó la altura del tallo. Dicho hallazgo entra en controversia al analizar la información presentada en la Tabla 7, donde se destacan los datos publicados por otros autores sobre la resistencia a la flexión para otras especies de bambú (3, 11, 19, 33, 34, 35, 36, 37).

Al comparar los datos presentados en la Tabla 7, es interesante observar que conforme aumento la altura del culmo, la resistencia a la flexión tendió a aumentar en la mayoría de los casos; está en concordancia con lo observado en esta investigación.

Los resultados de las pruebas de tensión paralélala a la fibra, en probetas con nudo y sin nudo, se presentan en la Tabla 8. Al analizar los datos, es posible advertir que existe una diferencia de entre 11 a 14 % en los valores de tensión paralela a la fibra en especímenes sin nudo, obtenidos de las tres secciones de culmo inferior, media y superior.

En la tabla 9, se presenta una comparativa de los valores promedio obtenidos de las pruebas de tensión paralela a la fibra con respecto a datos recabados de investigaciones similares (11, 21, 21, 36-40). Al comparar dicha información, es posible advertir que, en la mayoría de los casos, existe una disminución de 22 a 48% en la resistencia a la tensión en aquellos especímenes obtenidos de la parte inferior y media del tallo, con respecto a los especímenes de la parte superior.

Los datos presentados en la Tabla 9, muestran un aumento en la resistencia a la tensión de aproximadamente 14% en los especímenes de la parte superior con respecto a los de la parte media e inferior. Dichos hallazgos, confirman la hipótesis de la existencia de una variabilidad en las características mecánicas del culmo con respecto a su longitud, esto debido quizás, a la variabilidad en el espesor de pared a lo largo del tallo, así como a las variaciones microestructurales que podrían presentarse a consecuencia de su edad de maduración. Esta hipótesis está en total concordancia con los resultados presentados en una investigación similar realizada para evaluar las propiedades mecánicas de dos especies de bambú provenientes de la región del sudeste asiático (27). En este trabajo experimental, de acuerdo con los resultados obtenidos, se concluye que es necesario considerar la no uniformidad en el comportamiento estructural del bambú, debido a la variaciones físicas y mecánicas encontradas a lo largo del culmo.

El efecto de la presencia de los nudos en las diferentes alturas del culmo (inferior, media y superior), con respecto a las propiedades mecánicas analizadas del bambú Otatea fimbriata Sonderst, se presentan en las Figs. 9-11. Las líneas verticales sobre las barras representan el error estándar de la media. De acuerdo con los resultados, es evidente que la presencia de los nudos en las diferentes alturas del culmo influyeron, aunque en distintos grados, en las propiedades mecánicas del bambú evaluadas.

Un análisis más detallado de los datos presentados en la Figura 9, donde se comparan los resultados de resistencia a la compresión paralela a la fibra en especímenes de las tres secciones de culmo, con y sin nudos; revelo que, en los especímenes sin nodo, hubo un ligero aumento en la resistencia a la compresión conforme se incrementó la altura del culmo. En cuanto a la resistencia a la compresión medida en las probetas con nudo, el valor promedio obtenido de los especímenes de la sección inferior del culmo fue de 40.4 MPa, lo que representa una reducción de entre 11 al 12% con respecto a los 46.2 MPa y 45.4 MPa, obtenidos de los especímenes de las secciones media y superior, respectivamente. Es interesante destacar que dicho comportamiento fue muy similar a lo encontrado en los especímenes sin nudo, lo que podría indicar una ligera variación en la resistencia a la compresión paralela a la fibra con respecto a su altura, sin importar la presencia o no de nudos a lo largo del tallo.

El efecto de la presencia de los nudos en la resistencia última a la flexión, para las tres diferentes alturas del culmo, son reportados en la Figura 10. De acuerdo con los resultados, es evidente que, la presencia de nudos en el culmo influyó de manera negativa en la resistencia a la flexión de la Otatea fimbriata. En especímenes con nudo, el promedio obtenido en probetas de la sección inferior fue de 10.66 MPa, para la parte media se obtuvo un promedio de 29.17 MPa y 27.21 MPa para probetas de la sección superior (ver Tabla 6). Al contrastar dichos datos, se observó una disminución mayor al 60% en la resistencia a la flexión en especímenes de la sección inferior con respecto a aquellos obtenidos de la sección media y superior.

Al hacer una revisión de los datos obtenidos de los especímenes con y sin presencia de nudos, los resultados revelaron que en general hubo una reducción en la resistencia a la flexión en las probetas con nudo con respecto a aquellas sin nudos. Específicamente, en los especímenes obtenidos de la sección inferior, su resistencia a la flexión disminuyó en aproximadamente 77%, al comparar los 47.63 MPa obtenidos en promedio para especímenes sin nudos en contraste con los 10.66 MPa obtenidos en aquellos con nudos. En el mismo sentido, al comparar los resultados de especímenes de la sección media, se tuvo una resistencia de 58.47 MPa para probetas sin nudo y 29.17 MPa para probetas con nudo, por lo que la reducción en la resistencia a la flexión fue de aproximadamente 50%. Y para los especímenes de sección superior, la reducción fue de 53%, ya que se obtuvieron valores de 48.94 MPa para especímenes sin nudo y 27.21 MPa para especímenes con nudo. Lo anterior, confirma la hipótesis de que la presencia de nudos en el culmo tuvo un efecto negativo en la resistencia ultima a la flexión de la Otatea fimbriata; sin embargo, dicho efecto se disminuyó aproximadamente en un 25% al incrementarse la altura del culmo.

La longitud efectiva de los culmos es de 4000-4500 mm por lo que para uso a flexión los nudos no pueden ser evitados. Los resultados de las pruebas de esfuerzo último a la tensión paralela a la fibra se reportan en la Figura 11. De acuerdo con los datos, los especímenes con nudos obtenidos para la sección media alcanzaron 100.6 MPa y 94.6 MPa para los de la superior. Al comparar los datos anteriores con los 110 MPa, obtenidos en los especímenes de la sección inferior, se observa una disminución de 8.5% con respecto a los de la sección media y 14% para los de la sección superior. Ante esto, es posible inferir que, en los especímenes con nudos, el esfuerzo de tensión de la Otatea fimbriata disminuyó ligeramente conforme se fue incrementándose la altura del culmo. Lo anterior, contrasta con los resultados obtenidos por (39), quienes concluyeron con base a los resultados de su investigación, que la tensión paralela a la fibra en secciones de bambú con nudo y entre nudo de la especie gigantochloa atroviolacea, aumentó conforme se incrementó la altura del culmo.

Al comparar los resultados de los especímenes sin nudo y con nudo, no se observó un efecto claro en la tensión paralela a la fibra, debido a la presencia o no de los nudos; dado que, mientras en los especímenes con nudo de la sección inferior hubo un incremento de aproximadamente 12%, con respecto a los sin nudo; en contraste, en la sección media se observó una disminución de aproximadamente 7%, debido a la presencia de los nudos. Finalmente, en los especímenes de la sección superior, se observó un ligero aumento menor al 2%, al comparar aquellos con y sin nudos. Por lo anterior, se puede inferir que la existencia o no de nudos en la Otatea fimbriata, no tuvo un efecto significativo en el esfuerzo de tensión paralela la fibra.