compresión i traccion de la madera2

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORUROFACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍACARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

Y FLEXIÓN DE LA MADERA.

1. OBJETIVO .

El objetivo del presente ensayo, es el de estudiar las propiedades físicas y mecánicas de las maderas, tales como la densidad, deformabilidad, dureza, resistencia a la compresión, tracción, flexión, etc.

2. ANÁLISIS TEÓRICO.

(Para los informes inherentes a las maderas).

2.1 La madera – Definición.

La madera esta constituida por el conjunto de tejido que forma la masa de los troncos de los árboles, desprovistos de su corteza.

Es el material de construcción más ligero, resistente y de fácil trabajo utilizado por el hombre desde los primeros tiempos.La composición química de la madera es de 50 por 100 de carbono, 6 por 100 de hidrogeno, 42 por 100 de oxigeno y 1 por 100 de nitrógeno, y 1 por 100 de cenizas.El 50 por 100 de la madera esta formada por celulosa, el 30 por 100 por lignina, más rica en carbono y de carácter aromático, y el resto por las hemicelulosas, materias tánicas, colorantes, resinas y albúminas.

2.2 Propiedades Físicas de la Madera.-

Las propiedades de la madera dependen del crecimiento, edad, contenido de humedad, clases de terreno y distintas partes del tronco. Entre las propiedades físicas de la madera podemos detallar por su importancia:

2.2.1 Humedad.

La madera contiene agua de constitución, inherente a su naturaleza orgánica; agua de saturación, que impregna las paredes de los elementos leñosos, y agua libre, absorbida por capilaridad por los vasos y traqueadas.

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Como la madera es giroscópica, absorbe o desprende humedad, según el medio ambiente la humedad de la madera varía entre límites muy amplios. En la madera recién cortada oscila entre el 50 y 60 por 100, y por imbibición puede llegar hasta 250 y 300 por 100. Estas variaciones de humedad hace que la madera se hinche o contraiga, variando su volumen y, por consiguiente, su densidad.

2.2.2 Densidad.

La densidad real de las maderas es sensiblemente igual para todas las especies a 1,56.

La densidad aparente varia no solo de unas especies a otras, si no aun en la misma, con el grado de humedad y sitio del árbol, siendo más denso el duramen que la albura en la seca, y en la base y cogolla que en el tronco, y para hallar la densidad media de un árbol hay que sacar probetas de varios sitios. Como la densidad aparente comprende el volumen de los huecos y los macizos, cuanto mayor sea la densidad aparente de una madera, mayor será la superficie de sus elementos resistentes y menor el de sus poros. La densidad aparente de las maderas mas corrientes, secadas al aire, son:

Tipo de madera

Densidad aparente(Kg/dm3)

Pino común 0.32 – 0.76Pino negro 0.38 – 0.74Pino-lea 0.83 – 0.85Abeto 0.32 – 0.62Alerce 0.44 – 0.80Roble 0.71 – 1.07Encima 0.95 – 1.20Haya 0.60 – 0.90Álamo 0.45 – 0.70Chopo 0.45 – 0.54Olmo 0.56 – 0.82Nogal 0.60 – 0.81

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Las maderas se clasifican por su densidad aparente en: pesadas si es mayor de 0.8; ligeras, si esta comprendida entre 0.5 y 0.7, y muy ligeras, las menores de 0.5.

2.2.3 Contracción e Hinchamiento.

La madera cambia de volumen según la humedad que contiene. Cuando pierde agua, se contrae o merma, siendo mínima en la dirección axial, no pasa del 0.8 por 100; de 1 a 7.8 por 100, en dirección radial, y de 5 a 11.5 por 100, en la tangencial.

La contracción es mayor en la albura que en el corazón, originándose tensiones por la desecación que agrietan y alabean la madera, estando la convexidad en el duramen, y se obtiene una pieza que contenga corazón, duramen y albura, se contrae más por los extremos (albura), de aquí que el menor despiezo sea radial.

El hinchamiento se produce cuando absorbe humedad. La madera sumergida aumenta poco de volumen en sentido axial o de fibras, y de un 2.5 al 6 por 100, en el perpendicular, pero en peso, el aumento oscila del 50 al 150 por 100. La madera aumenta de volumen hasta el llamado punto de saturación (20 – 25 por 100 de agua), y a partir de él no aumenta más de volumen, aunque siga absorbiendo agua. Hay que tener, pues, muy presente estas variaciones de volumen en las piezas que hayan estar sometidas a oscilaciones de sequedad y humedad dejando los huecos necesarios par que los empujes que produzcan no comprometan la estabilidad de la obra.

2.2.4 Dureza.

La dureza de la madera es la resistencia que opone al desgaste, rayado, clavar, etc. Depende de su densidad, edad, estructura y si se trabaja en el sentido de sus fibras o en perpendicular, cuanto más vieja y dura es, mayor resistencia opone. La madera de corazón es mas dura que la de albura; la crecida lentamente, mas que la crecida deprisa.Por su dureza se clasifican en: muy duras: ébano, cerval, encina y tejo; bastantes duras: roble, arce, fresno, álamo, acacia, cerezo, almendro; algo duras; castaño, haya, nogal, aliso, pino pinaster y currasco, peral y manzano; blandas: abeto, alerce, pino sauce; muy blandas: el tilo, chopo.

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2.2.5 Hendebilidad.

O propiedad de separar la madera por cortes en sentido de sus fibras, paralelo al eje del tronco. El rajado es el más fácil en sentido de los radios por facilitarlo los radios medulares, siendo más hendibles cuando más dura, densa, carezcan de nudos, tengan fibras duras y con el calor. Las maderas más hendibles son las de encina, pino, abeto, arce, haya y aliso.

2.2.6 Conductividad.

La madera seca es mala conductora del calor y electricidad, pero húmeda se hace conductora de esta. La conductividad es mayor en el sentido longitudinal que en el radial o transversal, y más las maderas pesadas que las ligeras o porosas, por lo cual se emplean aisladores térmicos en los mangos, pavimentos, paredes, etc.

2.2.7 Dilatación térmica.

El coeficiente de dilatación lineal de la madera es muy pequeño, pudiendo ser despreciado, pues es en el abeto 35*10-7 y en el pino 7*10-6.

2.2.8 Duración.

La duración de la madera varía mucho con la clase y medio. A la intemperie, y sin impregnar, depende de las alternativas de sequedad y humedad; el roble dura 100 años; álamo 70 – 90; pino y alerce, 40 – 80; haya, 50; sauce 30; aliso chopo, 25 sumergidos en agua el roble y aliso, 100 años; olmo 90; haya 70; pino 50. La madera de roble, impregnada, tiene una duración casi ilimitada.La madera empotrada o enterrada en el suelo depende de la naturaleza del terreno; la arcilla y la arena húmeda es en el que más dura; después, en arena seco, y muy poco en el terreno calizo.Se admite como duración media de la madera enterrada de la de 10 años.

2.3 Propiedades resistentes de la Madera.

En la madera se puede reconocer tres direcciones principales que pueden considerarse ortogonales entre sí: longitudinal, tangencial y radial.

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La fuerza expresada por unidad de área es conocida como esfuerzo. Existen tres tipos de esfuerzos fundamentales a los que puede estar sometida una pieza de madera; compresión, tracción y flexión, corte o cizallamiento.

2.4 Propiedades Mecánicas.

Las propiedades mecánicas de la madera dependen del grado de humedad que contenga y de la densidad. La humedad tiene tanta importancia en la resistencia a la compresión que, por termino medio, por cada variación + 1 por 100 de humedad, la resistencia varía + 40 por 100.

2.4.1 Cotas de calidad MONNIN.

2.4.1.1 Compresión.

Fundada en la proporcionalidad entre la resistencia a la compresión y la densidad, si dividimos la resistencia a la compresión por centímetro cuadrado por el cuadrado de la densidad media con 15 por 100 de humedad, nos dará un coeficiente llamado cota específica de calidad que es prácticamente constante por cada especie o clase de madera:

Se divide por 100 para evitar decimales.

La cota estática de calidad se obtiene dividiendo la resistencia a compresión por centímetro cuadrado; C 100 D, nos dará la resistencia, a igualdad de pesos.

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Permite comparar diversa piezas de madera de una misma especia.

2.4.1.2 Cota de Tracción.

La resistencia unitaria a la tracción es, por termino medio, 2.5 veces mayor que la compresión C:

La tracción perpendicular a las fibras Ta mide la adherencia de estas

Y su cota es:

2.4.1.3 Cota de Flexión.

En este ensayo tiene gran importancia el número de nudos y fibras cortadas cuando están situados en la zona de fibras extendidas, y que para corregirlo se ha modificado la formula clásica de momento de flexión máximo para vigas apoyadas de sección rectangular:

Sustituyendo el exponente 2 por el índice tecnológico, variable con la clase de madera para poder tener en cuenta los nudos, MONNIN ha calculado los índices tecnológicos de las clases de madera comerciales: Madera de 1a clase (sin nudos). Índice 11/6 a 10/6; madera de 2a (corriente). Índice de 10/6 a 9/6; madera de 3a clase (inferior); Índice de 9/6 8/6.En la flexión se determina las cotas siguientes:

Cota estática de flexión

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Cota de tenacidad

O relación de las resistencias unitarias a la flexión y a la compresión: Cota de rigidez

O relación de la luz relativa L = 12 h a la flecha de curvatura f en el momento ruptura por flexión tiene un valor constante equivalente, cualquiera que sea h.Esta cota de rigidez a la rotura califica mejor que el coeficiente de elasticidad las propiedades de la madera, llamadas elasticidad, deformabilidad, plasticidad, flexibilidad.

2.4.1.4 Cota de Resistencia al Choque.

La resistencia al choque transversal, o resistencia, se expresa por la formula:

Siendo K un coeficiente de resistencia característico independiente de la escudaría, aprecia una propiedad de las maderas, llamada fragilidad, que no indican los otros ensayos.

El coeficiente de resistencia tangencial, es:

La cota de resistencia o dinámica es:

Según ANSTET, las cotas de calidad de las maderas están comprendidas entre los límites siguientes:

Densidad aparente. De 0.2 en las maderas ligeras exóticas, a 1.4 en las muy duras exóticas.

Resistencia a la compresión. Varia de 250 a 600 Kg/cm2 para que las resinosas; de 200 a 600 Kg/cm2 para las frondosa blandas, y 275 a 600, para las frondosa duras. Las maderas muy duras exóticas alcanzan hasta 1.0000 Kg/cm2.

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Cota de calidad estática

Esta comprendida entre 8 y 9.5, para las resinosas; de 7 – 8 para las frondosas blandas, y 6 – 7, para las frondosas duras.

Cota de calidad especifica

Es de 15 a 20, para las resinosas y frondosa blandas 12 a 15 para las resinosas pesadas, y 9 a 12 para las frondosas duras. Resistencia a al flexión. La resistencia varia de 900 - 1.200 Kg/cm2, para las resinas; para las resinas; de 800 – 1.000, para las frondosas blandas, y 1.000 – 1.500, para las frondosa duras.Tenacidad media de 2.5 a 3, para las tres categorías. Cotas de rigidez. De 30,40 para las resinosas y 20,30 para las frondosas. Dureza janka. 350 Kg. Para las muy blandas, y 1.500 para las muy duras.

2.5 Clasificación de las Maderas.

Maderas resinosas. Pino (pinus), pino silvestre, pino negro, pino negral, pino, marítimo, pino salgareño o laricio, pino piñonero, pino tea, melis, pino amarillo, pino oregon, abeto común o pinabete, abeto rojo o norte, alerce, ciprés, cedro y tejo.

Maderas frondosas. Roble albar, roble negral o rebollo, encina carrasca, alcornoque, quejigo, haya, olmo o álamo negro, aliso, castaño, plátano, fresno, acacia, chopo, sauce y eucalipto.

Maderas de árboles frutales. Nogal, Cerezo, Peral, manzano y olivo.

Maderas tropicales y africanas. Caoba de África, caoba de assie Sipo, caoba resinosa, nogal africano, limbo, avodire, tulipán de África, okoume, bilinga, ukola, balsa e iroko.Maderas exóticas. Utilizadas en ebanistería y talla artística: ébano, palo santo, sándalo amarillo, caoba, teca, etc.

2.6 Defectos de la Madera.

Brevemente nombraremos los principales defectos que pueden presentarse en las maderas: fibra torcida o revirada, madera

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curva o de vuelta, excentricidad de corazón, irregularidad de los anillos de crecimiento, entrecorteza, nudos, lupias y verrugas, fendas, cuadranura, acebolladura o calaña, pata de gallina, corazón partido o estrellado, corazón hueco, doble albura, madera bronca y madera borne.

2.7 Alteraciones.

Las principales y más perjudiciales son: enmohecimiento, pudrición, destrucción de la madera por insectos y moluscos etc.

2.8 Condiciones que debe reunir una Madera.

La buena madera para construcción debe exhalar olor fresco y agradable recién cortada, pues la madera deteriorada huele a húmedo y podrido.

Deberá estar seca, de tronco sano que se aprecia por el sonido claro que da por percusión cuando esta apoyada por dos puntos. No tendrá fibras torcidas, nudos, fendas, machas ni pudriciones y los anillos de crecimiento deberán de ser de igual espesor.

Las maderas se clasifican por clases: la de 1a no tendrá defectos ni alteraciones de ningún género; la de 2a y 3a podrán tener algún nudo o saltadizo, menores de 15 y 25 mm. Y pequeños otros defectos.

2.9 Usos y Aplicaciones de la Madera en Construcción.

La madera se emplea en construcción, en carpintería de taller y armar, cimentaciones con pilotes, apeos de minas, traviesas o durmientes de ferrocarril, postes, encofrados de hormigón, etc. Además, se fabrica la pasta de papel, nitrocelulosa o algodón pólvora seda artificial, destilación, carbonización, extractos tánicos, etc.

Moderadamente a sido objeto de nuevas elaboraciones, coma la madera contrachapada, laminada, comprimida, plástica, etc.

2.10 Ensayo de Maderas.

2.10.1 Densidad.

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La densidad real o peso específico ya hemos indicado que es casi igual para todas las especies, y se toma como valor media 1.56.

La densidad aparente varia con el grado de humedad de la probeta, y para obtener cifras comparables se corrige la densidad hallada y reduce a la humedad normal, que se toma del 15 por 100 para las maderas secadas al aire.

Se halla el peso de una probeta de 2*2*3 cm. Con la balanza sensible al centigramo, y el volumen, mediante un volumétrico de mercurio, pues en las medidas estequiométricas se cometen errores muy importantes, y lo mismo ocurre al recubrirlas de parafina.La densidad se calcula por la formula:

Y se reduce la humedad del 15 por 100 por la expresión:

Y el factor de corrección d por 1 por 100 de humedad viene dado por:

Siendo v el coeficiente de contracción.

2.10.2 Contracción.

La contracción o hinchamiento volumétrico total desde el estado de la madera verde o saturada al desecado, o viceversa, indica la aptitud de la madera para agrietarse durante la desecación. Se determina por la formula:

Siendo V1 el volumen de la probeta de 2*2*3 cm. Saturada, V3

el volumen de la probeta anhídrido.El coeficiente de contracción volumétrica v, o variación de la contracción para 1 por 100 de humedad se determina por la formula:

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Siendo V3 el volumen de la probeta en estado anhídrido, y V2

el volumen de la probeta II de humedad.El tanto por ciento de humedad corresponde al punto de saturación S, es:

Se determina la contracción en dirección tangencial o radial por mediciones directas con un calibrador o palmer que aprecie la centésima de milímetro sobre cuatro topes metálicos dispuestos en cruz sobre la probeta; primero, en estado verde o embebida, y después, seca.

El coeficiente de contracción volumétrica mide el movimiento de la madera no despieza radialmente; sirve para separar las maderas de ebanistería cuando aquel es menor de 0.35; las de construcción, cuando es menor de 0.55; las que solo se puede despiezar radialmente, menor de 0.75, y las que no sirven para nada, a menos que trabajen en humedad constante de 0.75 a 1.

2.10.3 Humedad y absorción de agua.

Se determina pesando P al centigramo una probeta y desecarla en la estufa a 100 – 105 °C hasta peso constante P’. Se calcula la humedad por la formula:

La absorción se hace con la misma probeta, sumergiéndola en agua destilada a 20 °C hasta peso constante P’’.

2.10.4 Dureza.

Se determina por los métodos de BRINELL, JANKA o CHALAIS – MEUDON, apreciando la penetración de una pieza metálica de forma determinada.

Los métodos de BRINELL y JANKA consisten en determinar la huella que produce una bola de acero con cierta carga. La bola BRINELL tiene 10 mm. De diámetro y se carga con 200 Kg, durante un minuto, apreciándose mal el diámetro del casquete, pues la madera, como es clásica, se contrae, y es mejor medir la fecha. La bola de JANKA tiene un diámetro de 11.284 mm. Y se introduce

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hasta la mitad, que lleva un anillo tope, con una carga que es la que mide se dureza. El procedimiento de CHALAIS – MEUDON practica una impresión con un semicilindro de acero de 15 mm., radio de, cargado con 100 Kg., midiendo la fecha, y su inversa mide la dureza.

El ensayo de dureza se hace en dirección axial principalmente, recomendando una distancia de 25 mm. Entre cada huella y 50 mm. En la tangencial y radial.

2.10.5 Resistencia a la Compresión.

Se determina en dirección axial, es decir, ejerciendo los esfuerzos paralelamente a las cifras o anillos de crecimiento, pues en la dirección perpendicular (tangencial o radial) las fibras se aplastan y acuñan subiendo la carga lo que se quiera.Se opera con probetas de 2*2*3 cm. Colocadas entre los platillos de una prensa hidráulica, después de medir exactamente la sección con un calibrador que aprecie la 0.1 mm. La duración del ensayo será, por la menos de 2 minutos. La resistencia se mide dividiendo la carga T por la superficie S:

Obteniéndose la resistencia a la compresión con la humedad H. para reducirla al 15 por 100 de humedad, se aplica la formula:

El valor medio de c es igual a 4 por 100 para 1 por 100 de humedad, variable con la especie, y se puede determinar exactamente haciendo una serie de ensayos sobre probetas de humedades diversas.

Y la cota estática de calidad, por:

2.10.6 Resistencia a la Tracción.

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La resistencia a la tracción paralela a la fibra, es la máxima resistencia, llegando a duplicar a la de compresión, y se toma como cota:

La resistencia a la tracción perpendicular a la fibra, Ta, es más interesante por medir su adherencia, teniendo por cota:

Se aprecia con la probeta de BREUIL de 70 mm.

2.10.7 Resistencia a la flexión Estática.

Se opera, para determinar la resistencia a la flexión estática tangencial a las capas anuales, con probetas prismáticas de 2*2*30 cm, medida en el sentido axial, es decir, paralela a las fibras.

Distancia entre apoyos, 24 cm, el cuchillo y los apoyos tienen un radio de 15 mm. Se determina la carga máxima soportada, P, y la flecha, f, con precisión de 0.5 mm. Y después, la humedad.Se calcula por centímetro cuadrado, por la formula:

La cota estática de flexión: por la formula:

La cota de tenacidad relativa, por la resistencia a la flexión y compresión:

Y la cota de rigidez, por Para la corrección de humedad se emplea el factor

medio 2 por 100 de menos por cada 1 por 100 de humedad de más (en general), igual a la mitad del factor de compresión para la compresión.

2.10.8 Resistencia al Choque o Resistencia.

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Se determina con probeta de 2*2*30 cm, en dirección tangencial, apoyada a 24 cm, sobre semicilindros de 15 mm. De radio y cota con un péndulo de 8.5 Kg., cayendo de una altura de 1.2 m., la que le da una energía de 10 Quilográmetros aproximadamente (maquina fabricada por AMSLER). Se apréciala energía W en Quilográmetros y se calcula el coeficiente de resistencia tangencial mínimo:

Siendo la cota de resistencia:

No habiendo necesidad de corrección de humedad, por ser despreciable.

2.10.9 Resistencia a la Hienda o Rajadura.

Se aprecia sobre la probeta de BREUIL, de 45 mm. De diámetro y 20 * 20 mm, y lleva una escotadura en forma de V, en la que ejercen los esfuerzos de separación de las capas anuales.Este ensayo interesa para las maderas que hayan de llevar muchos clavos o tornillos.

2.10.10 Resistencia al Desgaste.

Se practica como es las piedras, mediante pista giratoria o un chorro de arena, expresándose en peso y perdida de altura de una probeta que, generalmente, se hace 50 cm2.

2.10.11 Encolado.

Se puede apreciar aprovechando las probetas rotas por tracción perpendicular a la fibra, adherencia con la cala que se quiera ensayar.

3 Materiales y Equipo Utilizados.

Probetas de madera libres de rajaduras o defectos apreciables.

Prensas universal (tracción – compresión).

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4. Registro de Datos Experimentales y Cálculos.

* Compresión. F Kgr.f Rc = —— = ———

A cm2

* Flexión.

3PL Kgr.f Rc = ——— = ————

2bh2 cm2

4.1 Cálculo de compresión.

N°

Dimensiones cm

Volumen cm3

Peso gr

Compresión Kg

Area cm2

Densidad gr/cm3

Res. Comp

Tipo de madera

120,1*5,0*5,

0502,5 262 14.100

25,0

0,52 564Cederró

n

220,2*5,1*4,

6473,9 262 14.100

23,5

0,55 600Cederró

n

320,5*5,0*4,

7481,8 162 6.900

23,5

0,34293,6

Ochoó

420,1*5,2*4,

6480,8 195 11.000

23,9

0,41460,3

Ochoó

4.2 Cálculo de tracción.

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CEDRÓN

N° Muestra

Dimensiones (cm)

L(mm)

Tracción (Kg)

Fuerza P (KN)

Peso (gr)

Tipo de Madera

1 26.2*1.1*4.6 1,7 200 17.8 740Pino de monte

2 ‘’ 3,0 400 15.7 7003 ‘’ 4,0 600 12.5 630 Ochoo4 ‘’ 4,2 800 11.4 5855 ‘’ 5,0 1.000 14.3 675 Bibosi6 ‘’ 5,5 1.200 18.5 6257 ‘’ 6,0 1.400 16.3 660 Cederrón8 ‘’ 6,5 1.600 5259 ‘’ 7,0 1.800 30.8 1705 Cuta10 26.2*1.1*4.6 8,0 2.000 28.4 1480

5. GRAFICAS.

Probeta a Tracción Probeta a compresión

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Tracción (c)

Compresión ll(a)

Compresión h (b)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 E x 10-1

6. CONCLUSIONES.

En conclusión se puede decir que se cumplen los objetivos trazados los objetivos trazados de este ensayo que era el de estudiar la propiedades físicas y mecánicas de las maderas, y también se obtuvieron las resistencias de compresión y flexión; Esto es de gran importancia para un ingeniero debido a que tiene que saber sus propiedades físicas y mecánicas de la madera esto para saber para que tipo de construcción se utilice y que madera es mejor y la más recomendable para poder utilizarla y optimizar la construcción.

A manera de recomendación podemos decir que es necesario el conocimiento de las propiedades físicas y mecánicas de las maderas para poder recomendar al constructor cuál es la madera que necesita para su obra y poder así optimizar los materiales a utilizarse.

7. BIBLIOGRAFÍA.

F. Orus Asso......................Materiales de construcción Arq. Jorge Saravia Valle..........Materiales de construcción Editorial MIR. Apartado I.........Materiales de construcción

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