REVISTA OFICIAL de la Asociación de Corrugadores del Caribe, Centro y Suramérica (ACCCSA)
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Definición de resistencia a la compresión del borde

La resistencia a la compresión del borde, ECS (llamada también ECT o resistencia al aplastamiento del borde), del cartón corrugado se define como la fuerza de compresión máxima que una pieza de ensayo soportará sin que se produzca ningún fallo (colapso) en la misma.

  

La carga se aplica entre placas paralelas con una velocidad de carga dada, usualmente de 10/15 mm/min, con la pieza de ensayo de pie sobre un borde con el fluting perpendicular a las placas y aplicando la fuerza sobre el otro borde . La resistencia a la compresión de borde máxima se indica por norma como una fuerza, por unidad de longitud, por ejemplo, kN/m.

En diferentes normas se describe con detalle cómo se llevará a cabo el ensayo.

Hoy en día no hay duda alguna de que la resistencia a la compresión del borde es una de las propiedades más importantes del cartón corrugado. Tal como se ha indicado en el capítulo 1, existe una relación fuerte entre la resistencia ETC del cartón corrugado y la resistencia a la compresión de la caja de cartón corrugado acabada, BCT según la ecuación de Mckee. La relación ha quedado confirmada por un número de investigaciones independientes.

En una amplia investigación llevada acabo en el Instituto de Investigación Sueco del Embalaje, se han sometido más de 11000 cajas de cartón corrugado a ensayos prácticos de transporte.

El objetivo de la investigación era determinar qué propiedades del cartón corrugado proporcionarían la mejor correlación con el comportamiento real de la caja de cartón corrugado. Esta investigación establece claramente una buena conexión entre la resistecia ETC y el comportamiento general de la caja durante el transporte.

Medición de la resistencia a la compresión del borde

La medición de la resistencia a la compresión del borde del cartón corrugado empezó en algún momento durante los años 1950. La importancia obvia del método para la predicción de la resistencia BTC la convirtio rápidamente en objeto de normalización, con el resultado de que hoy en día tenemos en principio cinco formas diferentes con la pretención de medir la misma propiedad. El hecho de que se utilicen métodos diferentes es aceptable siempre que todos ellos conduzcan a los mismos resultados de resistencia a la compresión del cartón corrugado, pero este no es el caso. Pueden obtenerse diferencias de hasta el 30% entre los resultados obtenidos por diferentes laboratorios que utilizan diferentes métodos, lo que por supuesto debe considerarse insatisfactorio, aunque los diferentes métodos clasifiquen a los diferentes cartones en aproximadamente el mismo orden. Con diferencias tan grandes en la medición de la resistencia a la compresión del borde, hablamos simplemente de diferentes clases de calidad del cartón corrugado.

Situemos como punto de partida que un buen método de ensayo es aquel que:

1 - mide realmente lo que pretende medir, esto es, en este caso la resistencia a la compresión pura de la totalidad de la pieza de ensayo de cartón corrugado,

  

2 - es preciso y reproducible,

3 - es fácil de realizar como método de rutina en un laboratorio con dedicación al papel corrugado.

Desde este punto de partida revisaremos de forma crítica los diferentes métodos con el objeto de comprobar hasta que punto satisfacen estos criterios.

Diferentes métodos de ensayo

Tan pronto como se introdujo el método ECT, se observó que existía un problema consistente en que la pieza de ensayo, se encuentra de costumbre aplastada en las superficies extremas. Esto significa que era imposible determinar si el método medía realmente la resistencia a la compresión del borde del cartón corrugado o si el resultado del ensayo es una indicación de lo bien que se había llegado a conseguir cortar la pieza de ensayo con los bordes paralelos o de hasta que punto las placas de compresión son planas y paralelas.

Estas son al menos dos serias razones por las que debemos a toda costa evitar fallos debidos a la compresión de las superficies extremas:

En primer lugar, el fallo del cartón corrugado debido a la compresión en una caja de cartón corrugado no tiene lugar en cualquier superficie del borde.

En segundo lugar, para que un método de ensayo tenga una opción razonable de ser preciso y reproducible, el resultado del ensayo, esto es, la resistencia a la compresión del borde, no debe depender directamente del corte de la pieza de muestra o del medidor de compresión utilizado.

Además el nuevo método mejorado de medición de resistencia a la compresión para el liner y el fluting, el SCT, mide la resistencia de compresión del material de papel y no de las superficies del borde. Debe por tanto añadirse el requerimiento correspondiente para el método de ensayo del cartón corrugado completo.

Diferentes métodos de evitar el fallo del borde

Para evitar el fallo del borde se utilizan tres principios diferentes, todos ellos protegen las superficies del borde de la muestra de cartón corrugado de alguna manera, mediante refuerzo, sujeción o reduciendo la concentración de fuerzas en la superficie del borde.

El método TAPPI

En las normas TAPPI T-811 y T-823, las superficies del borde se refuerzan bañando los extremos de la muestra en cera parafínica fundida (fig. 2.2)

El método funciona al menos hasta el punto de poder eliminar el fallo del borde para grados de cartón -48- Edición XXXV Capacitación con una resistencia de compresión de borde de hasta 15kN/m. Para grados de cartón con una resistencia de compresión superior, el impregnado con cera parafínica no puede prevenir con certeza el fallo del borde.

La mayor desventaja del método es, sin embargo, la complejidad del procedimiento de preparación de la pieza de ensayo, incluyendo por ejemplo el reacondicionamiento de la pieza de ensayo.

La norma T-823 describe la preparación de la pieza de ensayo de la manera siguiente:

Bañar cada borde de carga( borde largo) con parafina fundida (punto de fusión aproximado, 125 °F o 52 °C) hasta una profundidad de 6mm (1/4”) y mantenerlo así hasta que la parafina absorbida, tal como puede determinarse visualmente, empieza a emigrar por encima de la zona de 6mm (1/4”) empapada. Normalmente, es satisfactorio un baño de 3 segundos en parafina fundida a una temperatura de 69-74 °C (170-180 °F).

Si se produce una migración excesivamente rápida reducir la temperatura de la parafina fundida. Inmediatamente despúes del baño, secar durante un momento los bordes de carga de la muestra con papel de toalla precalentado sobre una placa caliente mantenida a 77-82 °C (170-180 °F).

    

El método TAPPI de utilización de muestras preparadas con parafina fundida satisface los dos primeros criterios aunque no por completo para grados de cartón corrugado que posean una resistencia a la compresión elevada.

No puede decirse sin embargo que se satisfaga el tercer criterio, considerando la complejidad del procedimiento de preparación de la pieza de ensayo. El método TAPPI de refuerzo por cera no satisfará los requerimientos básicos establecidos para lograr un buen método.

Método de mordaza de sujeción

Una alternativa al método TAPPI es la de asegurar la pieza de ensayo mediante mordazas. Se han desarrollado diferentes dispositivos de sujeción con este propósito. Sin embargo se ha demostrado que la fuerza de sujeción es extremadamente crítica y que debe adaptarse para grados diferentes de fluting. También hay que mencionar que únicamente en ocasiones excepcionales el método de sujeción por mordaza consigue evitar el fallo por compresión del borde.

Existen varios defectos en el método de utilización de mordazas de sujeción.

Ha sido de hecho posible mostrar que pueden obtenerse resultados de ensayo equivalentes con este método y con el método TAPPI, pero estos ensayos se han llevado a cabo bajo condiciones muy especiales en laboratorios de investigación donde ha sido posible cortar las muestras con una precisión muy elevada, y ajustar la fuerza de sujeción de las mordazas, con dispositivos especiales. Una fuente de error se encuentra en las mordazas, que usualmente se guían con cojinetes de bolas lineales. Estos no deben contribuir con ninguna fuerza adicional debido a la fricción, lo que se producirá con toda probabilidad si no se lleva a cabo un mantenimiento meticuloso de las mordazas. Los cojines de bolas de este tamaño son extremadamente sensibles al polvo del papel, el cual rapidamente puede hacer que se atasquen y originen una fuerza adicional no deseada.

Este método no satisface por tanta ninguno de los tres criterios que establecimos para el establecimiento de un buen método de ensayo.

Noma industrial japonesa JIS Z-0401

Este método se basa en el mismo principio que el método mencionado anteriormente, esto es, en que se utilicen mordazas de sujeción especiales para coger y proteger la muestra de ensayo del fallo del borde. Los métodos se distinguen por el hecho de que en este caso a la muestra se le da además una forma aguda en la cintura.

  
  

Las investigaciones comparativas han mostrado, sin embargo, que este método proporciona valores de compresión de borde que son bajos en comparación con resistencias de las materias primas del componente. La razón no se comprende con claridad, pero posiblemente el corte en punta resultará en concentraciones indeseadas de esfuerzos. ¡Pero el fallo por compresión del borde no se produce nunca!

El método JIS Z-0401 no mide lo que se pretende medir y desde ese punto de vista no es por tanto preciso. Además, el corte de las muestras es un procedimiento complicado y que exige mucho tiempo, y el método tiene los mismos defectos que todos los demás métodos de sujeción por mordazas, esto es, existe el riesgo de que las fuerzas de las mordazas o los atascos de los cojinetes de bolas interfieran en el ensayo. Por lo tanto el método no puede recomendarse.

¿Tiene solución el problema de intentar evitar el fallo por compresión de borde?

El fallo por compresión de borde puede evitarse efectivamente reduciendo la concentración de fuerzas en las superficies extremas de la pieza de ensayo. Esto se consigue diseñando la pieza de ensayo de forma que las superficies extremas que se encuentran contra las placas de compresión sean mayores que el área de la sección transversal media de la muestra de ensayo, el método de prueba denominado de “ángulo rebajado circular”.

El método de ángulo rebajado FPL

El método de ángulo rebajado circular se presentó tan pronto como en 1964 en un artículo en TAPPI de John W. Koning Jr,. del Laboratorio de Productos Forestales, Masison, Wisconsin, EE.UU. El método se ha utilizado desde entonces con éxito en un determinado número de proyectos de investigación en el Laboratorio de Productos Forestales, donde los ensayos ECT han sido esenciales para la consecución de los proyectos. El hecho de que el método no se haya extendido todavía de forma amplia se justifica con toda seguridad en que el equipo para la preparación de la pieza de ensayo no ha estado hasta hoy en día disponible comercialmente. En colaboración con Lars-Erick Eriksson, del Instituto de Investigaciones Sueco de Embajales, y con Christer Fellers del STFL, Lorentzen & Wettre ha desarrollado un método extremadamente simple y racional que produce piezas de ensayo de ángulo rebajado circular con una gran precisión.   

El método de ángulo rebajado satisface los tres criterios establecidos como necesarios para conseguir un buen método de ensayo.

El método de ángulo rebajado mide lo que pretende medir, esto es, la resistencia a la compresión pura, siendo preciso y reproducible, y es fácil de utilizar como método de rutina en el laboratorio de cartón corrugado.

Otros métodos de medición de la resistencia de compresión de borde

El método de ensayo que se ha extendido ampliamente por Europa es el método FEFCO, aunque este método no intenta evitar el fallo del borde. La norma de ensayo FEFCO N° 8 no menciona siquiera que el fallo por compresión de borde pueda provocar un resultado de ensayo incorrecto. Sin embargo se conoce ya de forma general que el resultado del ensayo depende gran parte de si las superficies de borde de la pieza de ensayo son paralelas o no.

El debilitamiento, reconocido durante el ensayo quese produce debido a una distribución de esfuerzos irregular tiene como resultado inevitable un resultado de ensayo demasiado bajo y por lo tanto incorrecto. Puede imaginarse que si simplemente se pudieran cortar las piezas de muestra lo suficientemente paralelas y que si las placas de compresión del medidor de compresión fueran lo suficientemente paralelas no debería haber problema alguno.

Todo esto se ha intentado ya en diferentes ocasiones, pero sin éxito. El valor de la resistencia de compresión de borde aumenta cuanto más paralelas puedan cortarse las muestras, pero nadie ha sido capaz de indicar tolerancias de paralelismo para las piezas de ensayo. En otras palabras no ha sido posible evitar totalmente el fallo de compresión de borde de esta manera.

Probablemente, las mediciones de mayor envergadrura en este campo han sido realizadas por Lars-Erik Eriksson en el Instituto de Investigaciones Sueco de Embalajes. Sus estudios han indicado que en general es dificil obtener piezas de ensayo con desviaciones de paralelismo inferiores a 0,1 mm. Se sabe al mismo tiempo que la compresión para alcanzar el fallo es de una magnitud de 0,5-1% para la mayoria de las materias primas del cartón corrugado. Para una pieza de ensayo FEFCO (fig. 2.7) con una altura de 25 mm se obtiene una compresión máxima en el fallo de magnitud 0,1-0,2 mm. Para una pieza de ensayo TAPPI la compresión alcanza el doble de este valor. Los errores de corte deben ser como máximo de una décima parte de estos valores, esto es, 0,01-0,02mm, para evitar una influencia fuerte debido a la falta de paralelismo en los bordes de la pieza de ensayo.

 

Aun cuando fuera posible alcanzar la precisión en el corte de las piezas de ensayo con medidas alrededor de esta tolerancia, se seguiría produciendo probablemente el fallo de borde, dado que las fibras del papel de las superficies extremas y el encolado entre el fluting y el liner quedan dañados por las tensiones mecánicas que aparecen durante el corte y constituyen por tanto la parte débil de la pieza de ensayo.

Comparación entre los resultados de diferentes métodos de ensayo

  

La figura 2.8 muestra el resultado de una amplia comparación entre valores de resistencia a la compresión de borde obtenidos con métodos de ensayo diferentes. La investigación fue realizada por FEFCO y se presentó en el seminario técnico de FEFCO en Niza, en 1987.

En una comparación directa entre el método TAPPI y el método FPL de ángulo rebajado circular llevado a cabo por J W Koning Jr, del Laboratorio de Productos Forestales, publicado en Tappi Journal 1986, las ventajas del método de ángulo rebajado se hacen claramente evidentes.

El método de ángulo rebajado proporciona los mismos resultados de ensayo que el método TAPPI para resistencias de compresión de borde de hasta aproximadamente 15 kN/m. Por encima de este valor, el encerado de las piezas de ensayo TAPPI obviamente no consigue ya impedir el fallo de borde, y el método TAPPI proporciona por tanto un valor de ensayo inferior que el método de ángulo rebajado.

Una comparación muy simple, pero muy ilustrativa, de la diferencia entre el método FEFCO y el método FPL se ha llevado a cabo en STFI. El resultado de esta investigación ha mostrado un valor de resistencia a la compresión claramente más alto con piezas de ensayo en las que se evitó el fallo de borde mediante un corte en la “cintura” de las mismas (método de ángulo rebajado circular) que con las piezas de ensayo sometidas a ensayo según el método FEFCO, figura 2.10. La diferencia principal para cinco grados diferentes de fluting C fue de hecho del 31%.

Con el fin de eliminar la influencia de las diferentes capacidades de corte de piezas de muestra paralelas en cortadores distintos, se utilizó en el estudio de STFI un cortador Billerud modelo 08-B modificado, de forma que ambos tipos de piezas de ensayos pudieran cortarse exactamente bajo las mismas condiciones. Esta fue una condición muy importante para la comparación, dado que el resultado obtenido en el ensayo por el método FEFCO es en gran parte una función de con qué precisión se han cortado las piezas de ensayo.

  

Se obtuvo una dispersión aún mayor con el método FPL porque el área sometida a ensayo es aún menor que la utilizada en el método FEFCO. Esta dispersión es, sin embargo, de importancia secundaria en comparación con las diferencias observadas entre laboratorios diferentes que utilizan el método FEFCO, debido a la extremada sensibilidad del método en cuanto al paralelismo “exacto” de las piezas de muestra y al paralelismo “exacto” de las placas de compresión. El problema se acentúa en el método FEFCO debido a la baja altura de la pieza de ensayo, lo que significa que un error de corte dado conduce a una desviación relativa mayor. Pero los mismos argumentos pueden aplicarse a todos los métodos, utilizando piezas de ensayo rectangulares.

Una de las razones más importantes para utilizar el método FPL es que la medición se lleva a cabo de una manera similar a aquella mediante la cual se miden hoy en día las resistencias a la compresión del liner y del fluting utilizando el método SCT de compresión en corto (conocido también como el método STFI, ver capítulo 4). Esto significa que cuando se calcula la resistencia ECT a partir de las resistencias de compresión de los componentes del cartón, el factor “k” se aproximará a la unidad y podrá probablemente ignorarse por completo.

Una razón mas es que en la medición de la resistencia de compresión, BCT, de una caja de cartón corrugado, el fallo no tiene lugar normalmente en ninguna superficie de borde cortado limpiamente, tal como el método FEFCO implica, a pesar de que los pliegues horizontales en el borde de una caja pueden afectar al resultado BCT.

  

Deberá esperarse por tanto un cálculo más preciso del valor BCT para un tamaño de caja dado en base al método FPL.

Conclusión

La resistencia a la compresión de borde es una de las propiedades más importantes del cartón corrugado. Está relacionada tanto con la resistencia al apilamiento como con el comportamiento general frente al transporte de una caja de cartón corrugado. El valor ECT debe por tanto medirse de una forma tan precisa como sea posible. Existen sin embargo diferentes métodos en vigor, los cuales proporcionan resultados diferentes.

Una manera simple y segura de determinar qué método de ensayo de compresión de borde proporciona el valor de resistencia de compresión pura de un cartón corrugado es la de investigar qué método da los resultados de ensayo más altos.

Los fallos potenciales tales como el corte incorrecto de las muestras, piezas de ensayo demasiado altas en relación con el espesor del cartón corrugado, concentraciones detenciones no controladas en la pieza de ensayo, medidor de compresión de poca calidad con placas inestables, etc., dan como resultado una estimación demasiado baja de la resistencia a la compresión del borde.

La única excepción (exceptuando la calibración incorrecta de fuerzas del medidor de compresión) es el caso en que se utilizan mordazas guiadas por cojinetes de bolas lineales, dado que éstos pueden proporcionar un valor de fuerza adicional debido a la fricción. Otra forma de evaluar si el método de compresión de borde mide realmente la resistencia de compresión pura del cartón corrugado es investigando hasta qué punto la resistencia de compresión calculada a partir de la materia prima coincide con el valor ECT medido. Esto supone, por supuesto, que las resistencias de compresión de los liners y el fluting pueden medirse con gran precisión y que también puede medirse la tensión de compresión en el fallo, de forma que las resistencias de compresión de liners y fluting puedan añadirse a la misma tensión de compresión. Una investigación de este estilo ha sido llevada a cabo por David W. Bormett del Laboratorio de Productos Forestales, donde se incluyeron tanto el método TAPPI de encerado como el método de ángulo rebajado. La investigación mostró una mejor concordancia cuando se utilizó el método de ángulo rebajado circular (Boxboard Container, Noviembre 1986). La conclusión a que se llega es que el método de ángulo rebajado circular es en todos los aspectos superior al resto de métodos. El método puede por tanto recomendarse realmente.

   

 
 

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