REVISTA OFICIAL de la Asociación de Corrugadores del Caribe, Centro y Suramérica (ACCCSA)
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La fuerza de compresión de una caja de cartón corrugado es una medición directa de la resistencia al apilado de los embalajes de cartón corrugado, pero dado que las propiedades de resistencia a la carga de una caja son a menudo de una importancia decisiva bajo las condiciones de transporte modernas, puede decirse también que la resistencia a la compresión constituye una medición general del rendimiento potencial de un embalaje de cartón corrugado. La resistencia a la compresión se mide de acuerdo a un método de ensayo estandarizado y se designa en general por el valor BCT (Box Compression Test, Ensayo de Compresión de la Caja). La Figura 1.1 muestra un ejemplo de cajas de cartón corrugado que se han aplastado debido a una resistencia insuficiente a la compresión del embalaje.

  

El método BCT

El método BCT es un ensayo de carga puro de dirección superior a inferior que se utiliza como regla sobre cajas de cartón corrugado vacías y selladas, comprimiéndose entre placas planas paralelas en un medidor de compresión a una velocidad de compresión constante, usualmente de 10-13 mm/min. La fuerza y la deformación quedan registrados de forma continua hasta el momento en que se produce un fallo de compresión. La fuerza máxima obtenida queda registrada como la resistencia a la compresión de la caja de cartón corrugado. El ensayo se lleva a cabo bajo una atmósfera estandarizada, 23° C y 50% RH.

El método está reconocido de forma general como el que mejor se corresponde a los resultados prácticos en el apilamiento de cajas de cartón corrugado. El método BCT también ha demostrado ser un buen método de comparación de las capacidades de soporte de carga para cajas de diferente cartón corrugado. Las cajas deben ser sin embargo del mismo tamaño para que la comparación sea válida. Un determinado número de normas de ensayos describen en detalle cómo debe llevarse a cabo el ensayo y el informe, por ejemplo: FEFCO n° 50, TAPPI T-804, etc.

Equipo de medición

Una condición para llevar a cabo el ensayo BCT bajo condiciones precisas y uniformes es que el medidor de compresión satisfaga los requerimientos básicos especificados en la norma de ensayo. Estos requerimientos se fijan de forma que las diferentes condiciones de ensayo que puedan influenciar los resultados se mantendrán bajo control lo máximo posible. Esto es esencial si los resultados del ensayo deben ser comparables independientemente de dónde haya tenido lugar el ensayo. Algunos de estos requerimientos dados por las normas tienen relación con el diseño de las placas de compresión. Estas deberán ser planas y rígidas. El paralelismo de las placas se requiere que como regla sea mejor que 2/1000; esto es, si las placas tienen una longitud de 1000 mm, la desviación por paralelismo no puede superar los 2 mm.

Otro requerimiento es el de una velocidad de compresión fija, especificada para ser 10-13 mm/min. Puede parecer un poco extraño que la velocidad se especifique de forma relativamente precisa, teniendo en cuenta que los casos reales de carga a los que se somete una caja de cartón corrugado varían desde cargas cortas bruscas hasta cargas estáticas de más de un año de duración.

Una caja sometida a una carga estática de un valor del 80-90 % del valor BCT medido se aplastará después de unos minutos. Bajo una carga estática que sea un 60 % del valor BCT, puede transcurrir hasta un mes antes de que se produzca el aplastamiento. La velocidad de carga especificada no tiene por tanto relevancia para los casos reales de carga, pero es extremadamente importante para los ensayos comparativos que la velocidad se especifique dentro de unos límites ajustados.

La precisión del sistema de medición de fuerzas se especifica por ejemplo en la norma FEFCO que sea del 2 % de la fuerza.

  

FEFCO especifica también unos requerimientos de precisión del 5 % en la medición de la deformación, lo que es en cierta manera inconsistente dado que no es necesario que la deformación deba registrarse según la norma FEFCO. El código TAPPI T-804 indica por otro lado que los diagramas fuerza/deformación deberán incluirse en el informe. El medidor de resistencia a la compresión deberá por tanto incluir la posibilidad de registrar la fuerza como una función de la deformación.

¿Qué propiedades hacen que la caja de cartón corrugado sea resistente a las cargas?

Para proporcionar una respuesta satisfactoria de tipo general a esta pregunta, no podemos confiar únicamente en el método de compresión de la caja, BCT, es decir, en mediciones llevadas a cabo sobre cajas de cartón corrugado vacías cargadas mediante placas planas paralelas.

  

La realidad es a menudo algo completamente diferente, y deben también tenerse en cuenta los puntos siguientes:

Los ensayos en la práctica han demostrado que únicamente puede contarse con un 20 - 35 % del valor medido BCT de resistencia a la compresión, esto es, se requiere un factor de seguridad de 3-5 veces. En algunos casos se adoptaría incluso un factor de seguridad más alto, cuando se espere una manipulación en condiciones desfavorables, por ejemplo diferentes cargas y descargas durante el transporte, diferentes condiciones climáticas y tiempos de almacenamiento largos.

Sin embargo, el valor BCT ha demostrado ser por sí mismo una propiedad muy importante para describir el comportamiento de un embalaje de material corrugado durante el apilado y el transporte.

Desde este punto de partida, podemos estudiar aquellas propiedades del cartón corrugado que proporcionan su resistencia a la caja de cartón corrugado. También podemos ir un paso más allá y estudiar las materias primas, esto es, cómo el liner y el fluting afectan a las propiedades del cartón corrugado.

Se han escrito innumerables artículos sobre este tema con una característica común, el hecho de que la relación entre propiedades de la caja de cartón corrugado y del propio cartón corrugado comprometen a menudo la resistencia a la compresión y la rigidez a la flexión del material de cartón corrugado y las dimensiones externas de la caja. McKee y sus colaboradores llevaron a cabo el trabajo básico a principios de los años 60.

Vamos a describir el método y el equipo de medición necesario, de forma que el fabricante de cartón pueda por sí mismo optimizar su producto en relación a su rendimiento. Nuestro punto de vista es que sólo el propio fabricante de cartón es quien posee el conocimiento necesario. Nadie más posee una mejor visión desde dentro del mercado y del potencial del proceso de producción. Todos vivimos bajo condiciones propias que hacen imposible realizar afirmaciones de tipo general sobre la elección entre diferentes flutings, liners kraft y grados de liners de prueba.

Nos concentraremos por tanto totalmente en la tecnología necesaria para una buena medición. Sin el conocimiento de cómo llevar a cabo mediciones de una manera correcta sobre la materia prima de liners y flutings, sobre el cartón corrugado acabado y sobre la caja completa de cartón corrugado, todos los esfuerzos de optimización serán inútiles. Las mediciones llevadas a cabo de manera incorrecta, o los métodos incorrectos, pueden generar confusión en lugar de claridad. “Conocer -medir- es saber” ha sido una aseveración siempre cierta, pero, si se mide incorrectamente, ¿qué conocimiento se tiene entonces?

La ecuación de McKee

De acuerdo con la ecuación de McKee, la resistencia a la compresión BCT de una caja de cartón corrugado de diseño RSB (Regular Slotted Box, Caja Regular Ranurada) puede predecirse a partir del conocimiento de:

   

 

k1 y k2 son constantes elegidas de forma que el producto indica la resistencia BCT en N.

La base teórica indica que la rigidez a la flexión del cartón corrugado está influenciada en gran manera por la distancia entre la línea central de doblado neutral de la hoja y los centros de los liners de la superficie, es decir, aproximadamente el espesor del cartón.

Observar que la ecuación simplificada no tiene en consideración, obviamente, el valor real de rigidez a la flexión, que a su vez depende de la rigidez a la tracción de las capas de liners y en CD (dirección transversal) también del fluting, por lo que esta ecuación no debería utilizarse para calcular los valores de resistencia BCT por comparación cuando se utilicen diferentes grados de liners y flutings. Como cliente, puede usted esperar entonces que los fabricantes de liners kraft prefiera mostrar la excelencia de sus productos con la ayuda de la ecuación completa de McKee, mientras que los fabricantes de fluting y de liners de prueba prefieran, con toda probabilidad, utilizar la ecuación simplificada.

La razón es comprensible. Los liners de prueba de calidad y los flutings de calidad proporcionan valores de resistencia a la compresión a un nivel equiparable cuando menos a los valores dados por el liner kraft. El liner kraft posee de hecho un valor considerablemente mayor de resistencia al estallido, pero no existe una correlación verdadera entre la resistencia al estallido y el valor BCT.

Sin embargo, se alcanza un valor de rigidez a la tracción considerablemente mayor con el liner kraft que con el liner de prueba, y ello conduce a una mayor rigidez a la flexión en el cartón corrugado acabado y por lo tanto también a un valor de resistencia BCT mayor.

La razón de fondo para la ecuación simplificada en la que se excluyeron variaciones en la rigidez a la flexión del cartón corrugado es que, cuando McKee desarrolló las ecuaciones, no existían buenos instrumentos de medición para la determinación precisa de la rigidez a la flexión.

Afortunadamente, ya no es así en el presente. Con los instrumentos mencionados en el capítulo 3, que han sido desarrollados en colaboración con Christer Fellers, de STFI, puede determinarse la rigidez a la flexión con una precisión extremadamente buena, en ambas direcciones del cartón corrugado.

No hay por tanto razón alguna para no utilizar la ecuación de Mc- Kee completa en la cual se incluyen tanto la resistencia a la compresión como la rigidez a la flexión.

La ecuación de McKee probablemente no proporciona una respuesta completa a cómo el valor BCT depende de las propiedades ECT y de rigidez a la flexión del cartón corrugado. Las desviaciones se producen ciertamente, por ejemplo, debido a líneas de pliegue en la caja. Se cumple el hecho de que sin embargo para un número estadísticamente garantizado de cajas de diferentes tamaños, fabricadas a partir de diferentes grados de cartón corrugado, la relación es válida.

Es evidente a partir de la ecuación de McKee que existe una fuerte conexión entre la resistencia a la compresión y la rigidez a la flexión del cartón corrugado, y la resistencia BCT. Que un valor alto de la resistencia a la compresión del cartón implique un valor BCT alto es obvio. El que también se requiera un valor alto de rigidez a la flexión se hace pronto aparente si se estudia la forma en que se produce el colapso por compresión durante la carga de una caja de cartón corrugado.

Bajo cargas bajas, la carga se distribuye uniformemente alrededor de la periferia de la caja. Si se incrementa la carga, se alcanza un nivel de carga crítica en el que las paredes de la caja se comban elásticamente, mientras que los bordes verticales de la caja permanecen rectos. La distribución de carga alrededor de la periferia de la caja se concentra entonces en las esquinas. Si la carga se incrementa aún más, el colapso tiene lugar en primer lugar en las zonas de las esquinas cercanas a los puntos donde convergen los bordes verticales y horizontales. Por lo tanto los paneles de la caja se rompen por colapso a la compresión en el liner interior.

  
 

1.5 La carga hasta el colapso en función de la deformación bajo carga de una caja de cartón corrugado pegada y sellada.

La capacidad de máxima resistencia a la carga de la caja de cartón corrugado dependerá por tanto no únicamente de la capacidad de resistencia a la carga de compresión del cartón corrugado, sino también en gran parte de la capacidad del cartón corrugado de resistir el comben de los paneles de la caja, es decir, su rigidez a la flexión.

Cuanto mayor sea la rigidez a la flexión del cartón corrugado, mejor será la participación de la totalidad del material de cartón corrugado en cuanto a soportar la carga aplicada.

Tanto el tamaño de la caja como el proceso de conformación pueden tener influencia sobre la relación entre el valor BCT calculado y el medido. A continuación dos ejemplos significativos:

El pliegue de las solapas superior e inferior tiene un efecto sobre el valor BCT. El movimiento de doblado hacia afuera, presente cuando se cierran las solapas, deberá ser el mínimo posible para conseguir un mayor valor de BCT. Esta es también la razón para la mayor resistencia, en comparación con el BCT, cuando la compresión se realiza únicamente sobre los paneles verticales de una caja.

Optimización del BCT

El estudio de las relaciones entre el papel y la caja de cartón corrugado acabada indica cuáles son aquéllas relaciones cuya medición es especialmente importante con el fin de obtener las propiedades deseadas en el producto terminado, es decir, la mayor resistencia BCT posible al menor precio posible.

  

BCTLa relación entre la resistencia ECT del cartón corrugado y las resistencias a la compresión del liner y del fluting.

La relación entre el valor ECT y las resistencias a la compresión del liner y del fluting puede escribirse en general como:

El problema está en encontrar el valor correcto de la constante “k”. Teóricamente, la suma de las resistencias de compresión de los liners y del fluting debería igualarse al valor ECT, de forma que k = 1 o posiblemente inferior con el fin de compensar la reducción en la resistencia de compresión del fluting causada por el ondulador, reducción que es prácticamente despreciable. La realidad, desafortunadamente, es algo más complicada. Debido a la dificultad en la determinación del valor ECT del cartón y de las resistencias de compresión del liner y del fluting bajo exactamente las mismas condiciones de medición, hay que convivir con un factor “k” que será una función de los métodos de ensayo elegidos. Además, la afirmación de que “la suma de las resistencias de compresión de los liners y del fluting debe ser igual al valor ECT” puede ser válida únicamente si la deformación en el momento del colapso es igual tanto para el liner como para el fluting, cosa que raramente ocurre. De cualquier forma faltan por el momento métodos para la determinación de rutina de la deformación al colapso en la compresión. Sin embargo, en este campo se están llevando a cabo actualmente interesantes investigaciones por parte de, por ejemplo, el Laboratorio de Productos Forestales de los EE.UU.

Un ejemplo de cómo el valor de “k” depende del método de medición lo dan los resultados siguientes publicados por la SCA en Suecia.

El valor ECT se ha determinado en cada caso de acuerdo con el método FEFCO.

La relación entre la rigidez a la flexión del cartón corrugado y la rigidez a la tracción del liner y del fluting es tal vez aún más complicado de determinar teóricamente. Asumiendo que, con el fin de obtener una buena rigidez a la flexión, la principal tarea del papel ondulado es la de mantener separados los liners para soporte de cargas de tracción y de compresión durante la flexión del cartón corrugado, la conexión puede simplificarse a:

Siendo Sb B la rigidez a la flexión, Ew es el índice de rigidez a la tracción (kNm/kg) en la dirección relevante y WI el momento de inercia en la flexión.

Ew MD proporciona la rigidez a la flexión del cartón corrugado en la dirección de la máquina ( Sb B,MD ) y Ew CD la rigidez a la flexión del cartón corrugado en la dirección transversal ( Sb B,CD ).

Otra regla empírica basada en la teoría indica que la rigidez a la flexión del cartón corrugado es proporcional al cuadrado del espesor total del cartón corrugado. El espesor queda a su vez determinado por el tipo de ondulado y en cómo la condición del perfil del rizado se ha mantenido a lo largo del cartón corrugado y de las máquinas de transformación. Dado que el espesor afecta de forma importante al momento de inercia de la flexión, debería medirse cuidadosamente con una galga de espesores normalizada, prevista para utilización en el cartón corrugado. Es posible que la presión de medición estandarizada sea demasiado baja como para indicar cambios en el espesor debido al aplastamiento del cartón que pueda influenciar el valor del BCT (ver capítulos 3 y 6).

La rigidez a la flexión del cartón corrugado se subestima en cierto modo, en particular en la dirección transversal, si se desprecia la contribución de la capa ondulada a la rigidez a la flexión del cartón corrugado, pero los cálculos se facilitan de forma considerable, mediante el empleo de la ecuación 1.5.

Resumen

El valor ECT, y por tanto también el valor BCT, puede incrementarse para una caja de tamaño dado mediante el empleo de liners y de fluting con un valor más alto de resistencia a la compresión, o mediante una materia prima idéntica con un gramaje más alto. En la fórmula de McKee para el cálculo del valor BCT de cajas de cartón corrugado, el valor de ECT se eleva a la potencia 0,75.

La rigidez a la flexión para una altura dada de rizado y para un gramaje de cartón corrugado sólo puede incrementarse en la práctica distribuyendo el gramaje en los liner tanto como sea posible, y utilizando un liner con una mayor rigidez a la tracción en el lado del cartón corrugado. En la fórmula de McKee, la rigidez media geométrica a la flexión,

sólo se, eleva a la potencia’de 0,25. Es por tanto fácil de subestimar el efecto de la rigidez a la flexión. En realidad es justamente a través de un incremento en el valor de rigidez a la flexión como se puede incrementar el valor BCT. La razón es que la rigidez a la flexión aumenta espectacularmente incluso con un aumento moderado del gramaje del liner. Cuando se optimiza la resistencia BCT, se deben al mismo tiempo considerar otras propiedades de resistencia, como la FCT (capítulo 6) y la resistencia al estallido (capítulo 7) de forma que éstas no se desprecien por completo. Perseguir un valor alto de rigidez a la flexión no debe dar lugar a que el valor FCT sea tan bajo y el cartón corrugado se dañe fácilmente, o las capas onduladas sean incapaces de mantener separadas durante la flexión a los liners que soportan la carga.

Con un buen conocimiento de cómo las propiedades del papel afectan a las propiedades del cartón corrugado, estas relaciones pueden colocarse en la ecuación de McKee en lugar de los valores de la rigidez a la flexión y del valor ECT. La fórmula se hace entonces ciertamente más compleja, pero con la ayuda de un ordenador y de alguno de los populares programas de cálculo que el mercado ofrece, la optimización es fácil con una precisión relativamente buena. También pueden introducirse en la ecuación los precios actuales de las materias primas y otros factores de producción, lo que hace entonces posible desarrollar un análisis más refinado. Con tales técnicas, se crean las condiciones naturales para optimizar el comportamiento del producto corrugado. Pero no debemos olvidar que esta técnica se basa en relaciones inciertas y que es absolutamente necesario tener acceso a un laboratorio de papel bien equipado, en el que puedan realizarse mediciones de forma cuidadosa, no sólo sobre el papel y el cartón corrugado acabado, sino también sobre la caja de cartón corrugado.

Respecto al potencial en cuanto a beneficios, deberá tenerse en consideración que los costes de las materias primas constituyen como regla más de la mitad del coste del producto de cartón corrugado.

Desde este punto de vista, el coste de un laboratorio moderno y bien equipado, destinado al cartón corrugado, es insignificante en relación al beneficio que puede proporcionar.

“Medir más y aprender más sobre el producto”.

En la figura 1.7 se muestra cómo se prepara una caja de cartón corrugado para efectuar la medición de la resistencia BCT.

 
 

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