Experimentación y ensayos para determinar las características físicas mecánicas de la

Antes de abordar el tema podríamos preguntarnos; ¿cómo se determinan las características mecánicas de la madera?

La madera proviene de árboles que han crecido en ecosistemas forestales y en climas que van desde la tundra, en latitudes extremas, hasta regiones de selva cálida–húmeda cerca de las costas y trópicos. Como consecuencia, existe una gran diversidad cualitativa de madera, producto de esta pluralidad de ecosistemas y particularidades climáticas.

El ingeniero, el arquitecto y el usuario de la madera como elemento estructural, requieren de información confiable y estandarizada de la resistencia mecánica del material,(Sotomayor, 1987; citado en Sotomayor, 2002).Esto brinda seguridad y confiabilidad en los procesos constructivos y de diseño, así como mejora la calidad y la fabricación de productos donde la madera juega un papel substancial.

Para resolver esta paradoja, las características tecnológicas de la madera son obtenidas aplicando ensayos normalizados y en otras ocasiones los investigadores utilizan procedimientos o ensayos exploratorios destinados a dar respuesta a dificultades particulares de diseño o análisis.

Los ensayos normalizados son los procedimientos aceptados por la comunidad científica e industrial que garantizan la calidad de las conclusiones al utilizar rigurosos muestreos estadísticos y controlando los factores o variables que pudieran distorsionar los resultados.

Estas prácticas establecen las reglas acerca de cómo la madera debe ser preparada y sometida a experimentos para medir su comportamiento en condiciones de laboratorio o campo. Las normas son prescritas por instituciones académicas, asociaciones acreditadas y otras veces por las mismas industrias. Entre las normas utilizadas más frecuentemente están las normas ASTM (American Society for Testing and Materials, 2000), las normas DIN (Deutches Institut Für Normung, 1988), las normas ISO (International Organization for Standardization, 1975), las normas UNE (Unificación de Normativas Españolas) y las Normas COPANT (Comisión Panamericana de Normas Técnicas), entre otras.

A continuación se exponen una serie de trabajos, realizados bajo diferentes enfoques, referidos a la experimentación.

1) En un boletín titulado ¨Características físico-mecánicas de las maderas¨, que data de la década del 70, se publicaron las propiedades físico-mecánicas de las especies de madera de coníferas y de frondosas con mayor interés desde el punto de vista comercial. La mayor parte de los datos fueron tomados del Forest Product Research, de Inglaterra. Los ensayos se realizaron según las normas British Standard de las que brindamos un resumen a continuación. (Herrero, 2003)

o Ensayos físicos:

La humedad de la madera se expresa como el peso de agua que ésta contiene referido como porcentaje del peso seco de la misma muestra de madera. La forma de determinarla es pesar una muestra de madera y luego secarla en estufa a una temperatura de 103 ± 2°C, hasta que dos pesadas consecutivas den el mismo valor. La pérdida de peso experimentada en el proceso dividida por el peso seco, y expresado el resultado en tanto por cien, indican la humedad de la muestra.

o Ensayos de características mecánicas:

Este ensayo se realiza en probetas libres de defectos de 2 x 2 cm. de sección y 30cm. de longitud para ser ensayadas con una distancia entre apoyos de 28 cm. La carga es aplicada en el centro de la probeta y sobre los dos centímetros de arista. La carga se aplicará con una velocidad de 6.5mm/minuto. La probeta debe orientarse de manera que los anillos de crecimiento sean paralelos a la dirección de la aplicación de la carga. El ensayo se interrumpe

cuando la carga que soporta la probeta desciende 1/10 de la máxima registrada durante el ensayo, o bien cuando la flecha supera los 6 cm. Este ensayo sirve para determinar el módulo de rotura y el módulo de elasticidad.

o Compresión paralela a la fibra:

En este ensayo se usan probetas de 2x2 cm. de sección y 6 cm longitud. En el ensayo se aplica la carga a la velocidad de 0.6mm/minuto. La máxima resistencia a la compresión paralela a la fibra se calcula dividiendo la máxima carga que soporta la pieza antes de romper por su sección.

o Dureza:

Este ensayo se realiza con el mecanismo de Janka, que consiste en una semiesfera cuya sección ecuatorial mide 1cm2. Consiste en comprimir dicha semiesfera contra la madera en dirección perpendicular a la fibra y en un plano radial o tangencial. La penetración se realiza a una velocidad de 6.25 mm/minuto. El valor de dureza Janka es la fuerza necesaria para que penetre en la madera toda la semiesfera.

o Esfuerzo cortante paralelo a la fibra:

La probeta para este ensayo es un cubo de madera de 2 cm de arista, en el que se realiza un empuje paralelo a la fibra hasta la rotura. La velocidad del ensayo es de 0.5 mm/minuto. Generalmente se realizan los ensayos en dirección radial y tangencial.

2) Calleja (2013) realizó un estudio de la efectividad de las normas de clasificación visual con madera estructural de Populus x euroamericana con el objetivo de desarrollar la metodología de ensayos no destructivos (clasificación visual) para la determinación de la capacidad resistente de madera estructural de Populus x euroamericana I-214 y comparar las normas de clasificación utilizadas para determinar la clase resistente de madera estructural, con otros métodos de ensayo destructivos según la norma EN 408 (ensayo de rotura).

Se analizaron 93 vigas de madera de Populus x euroamericanaI-214 procedente de una plantación ubicada en la localidad de Revilla de Collazos (Palencia). Las muestras eran de dos tamaños o escuadrías diferentes (3000 x 150 x 50 mm y 3000 x 120 x 80 mm). De la primera

escuadría se analizaron 53 vigas y de la segunda, 40 vigas. Todas, una vez recepcionadas, fueron apiladas en el laboratorio aproximadamente hasta alcanzar la Humedad de Equilibrio Higroscópico (H.E.H.), o lo que es lo mismo, una humedad cercana al 12 %.

Para la clasificación visual, se fueron tomando una por una y se fueron midiendo y anotando en un estadillo, las diferentes características que presentaban. Todo ello acorde con las tres normas de clasificación visual de la madera que se tienen en cuenta en el presente trabajo: Norma UNE EN 56544:2007; Norma DIN 4074:2003 y Norma NF B52-001:2007.

Se midió la humedad de cada una de las vigas del ensayo con la ayuda de un xilohigrómetro, colocando los sensores paralelamente al sentido longitudinal de las fibras, según establece la norma UNE EN 13183-2:2002. Después del ensayo de flexión, se procedió a medir la humedad de cada pieza por el método de secado en estufa según norma EN 13183-1/AC: 2004.

Para la realización de los ensayos de rotura se ha utilizado una máquina universal de ensayo modelo ELIB 100 W, para la determinación del módulo de elasticidad global de canto a flexión (MOEGTO) que utiliza un comparador micrométrico con precisión de 0,01 mm colocado en el canto de la pieza a ensayar.

Calleja concluye sus ensayos de la forma siguiente:

 A la hora de clasificar las vigas según las normas visuales utilizadas, la singularidad más influyente es la del diámetro de los nudos, la cual, constituye en promedio el 60% de los rechazos en cada una de las normas utilizadas.

 Las normas de clasificación visual de vigas de uso estructural subestiman de manera considerable la capacidad resistente de las mismas, por lo que aportan seguridad a la hora de clasificar lotes de madera para dicho uso. En promedio las subestimas en la clasificación que realizaron las normas alcanzó el 72% de las piezas de la muestra analizada.

 La utilización de funciones de defectos que ponderan la localización de los nudos (singularidades) con respecto a las zonas de compresión y de tracción, al igual que su tamaño (diámetro), aumenta de manera significativa la efectividad en la predicción del comportamiento tanto del módulo de rotura (MOR) como del módulo de resistencia a

flexión (MOE) de las vigas de madera de chopo para uso estructural. Dichas funciones llegan a explicar el 28,76% del comportamiento del MOR, y un 24,70% del comportamiento del MOE.

Ensayo de determinación del módulo de elasticidad local en flexión (MOE).

3) Hermoso (2001) sostuvo en su tesis de ¨Caracterización mecánica de la madera estructural de pinus Sylvestris¨ que la referencia utilizada para los métodos de ensayo de la madera estructural es la norma EN 408 (1995, revisada en 1998) "Estructuras de madera. Madera aserrada y madera laminada encolada para uso estructural. Determinación de algunas propiedades físicas y mecánicas" redactada por el Comité Técnico CEN/TC 124 Estructuras de madera. Esta norma regula la metodología para el ensayo a flexión, tracción, compresión del material así como para la determinación de la densidad.

El uso de ambas normas junto con la norma de clasificación visual (UNE 56.544), permitió determinar los valores característicos de resistencia, rigidez y densidad que corresponden a cada una de las clases de calidad.

Según esta norma, la probeta debe tener como mínimo una longitud de 19 veces la altura de la cara (h). Este requisito es necesario porque la pieza debe colocarse simplemente apoyada sobre su canto, entre dos puntos que disten 18 veces la altura de la sección (18h), por lo que una longitud un poco mayor es necesaria para conseguir la estabilidad.

Ensayo de determinación de la resistencia a la flexión estática (MOR).

De nuevo, la norma EN 408 exige realizar el ensayo sobre probetas de longitud 19 veces la cara de la sección (h) como mínimo, y en caso de no poder ser así, se debe registrar la luz de la pieza.

Conclusiones de estos ensayos:

 La aplicación de técnicas clasificadoras a través de métodos automáticos de tipo mecánico, pueden llegar a duplicar (75%) la efectividad obtenida por métodos visuales (35%).

 Se hace necesario emplear los Módulos Globales en vez del Local en los procesos de caracterización de llamadera estructural. Esta conclusión está en concordancia con las últimas tendencias de las normas EN 408 y EN 384.

 El análisis de la altura de cara para el pino silvestre muestra que conforme aumenta el tamaño de la cara de la pieza se produce una disminución de la resistencia, confirmando los resultados de estudios previos (Hermoso et al., 2007). En cuanto la aplicación del factor de altura a la resistencia, se ratifica la idoneidad del valor considerado en la norma EN 384 (0,2).

 Los resultados con probetas de pequeñas dimensiones son indicadores fiables de la resistencia de la madera estructural, si bien sobrestiman fuertemente el valor de la resistencia a flexión, y útiles en la comparación entre especies así como en la estimación de propiedades máximas de una madera. Por estos motivos su determinación no debe ser obviada en los estudios de caracterización de las maderas.

El nuevo enfoque de la normativa de ensayos en Europa.

En este apartado haremos referencias a aspectos de las normas EN-384 y 408. En el llamado nuevo enfoque se ensayan las propiedades mecánicas con elementos de tamaño comercial, según las "dimensiones representativas de cada procedencia o aserradero" (EN 384). No existen probetas en el sentido tradicional de pieza extraída o seleccionada, se ensayan lo que pueden ser elementos estructurales completos con sus defectos, tal y como salen del aserrado y repasado de sus caras. A primera vista, además del tamaño de las probetas, que veremos más adelante, resalta el tamaño de las muestras, pues se aplica un enfoque estadístico que usa gran cantidad de material. Tenemos un mínimo de 40 probetas por muestra, y al menos una muestra por cada tamaño representativo. Valga como ejemplo, que para evitar penalizaciones en los resultados necesitaremos un mínimo de 200 probetas para 5 muestras o de 400 probetas en el caso de tengamos sólo 4 muestras. Compárese con los tamaños de muestra de las normas de ensayos anteriores, unas 200 frente a 50 ó 60 de las normas UNE (normas españolas), o alrededor de 30 en las normas COPANT, ambas para ensayos de flexión, y todo ello referido a unos valores comunes en la dispersión de los resultados.

Se deben ensayar las dimensiones (secciones) usuales del aserrado para uso estructural de cada procedencia, que como sabemos, está muy limitado por el tamaño y calidad de las trozas. El canto de referencia es de 150 mm. La longitud para los ensayos de flexión y cortante, es de

al menos 19 veces la mayor dimensión transversal. Para los ensayos de tracción y compresión necesitaremos una longitud de sólo 18 y 9 veces el canto, respectivamente. Compárense esas dimensiones (para un canto de 150 mm, tendríamos una longitud de, al menos, 2,85 m) con las dimensiones de 50 x 50 x 750 mm, en las normas COPANT o incluso los 30 x 30 x 300 mm, de las normas españolas, para ensayos de flexión. En España estos ensayos se han realizado hasta el momento con especies de coníferas (Pinus Sylvestris L. Pinus nigra Am. Pinus pinaster Ait., Pinus radiata D. Don.), por los laboratorios del INIA en Madrid y Valsaín.

Previamente a los ensayos mecánicos se acondicionan las probetas a un 65% de humedad relativa y 20°C, lo que en las coníferas equivale a un 12% de humedad aproximadamente, se determinan las dimensiones, la densidad y el contenido en agua. Tanto el peso específico como el contenido en humedad se volverán a comprobar en todas la probetas una vez rotas las piezas. El contenido de humedad obtenido por desecación servirá además para relacionarlo con las medidas hechas con higrómetro de resistencia, medida mucho más fácil de obtener, pero indirecta.

Para las bases teóricas y prácticas del cálculo de la madera en estructura se establece el Eurocódigo Estructural n° 5, que posee adaptaciones en cada país. En esta normativa se designa el material resistente madera con una letra (C o D en madera aserrada para conífera o frondosa, respectivamente), seguido de la resistencia característica a flexotracción expresada en mega pascales (N/mm2). Se tienen valores desde C-14 hasta C-28, en coníferas, por ejemplo. Por tanto, como ya se dijo, el cálculo y la denominación son similares al de otros materiales estructurales.

Para llegar en la práctica a obtener dichas resistencias características necesitamos la calidad estructural del material, obtenida ya sea por la llamada clasificación visual o con la clasificación mecánica. La clasificación visual utiliza los defectos aparentes de la madera tales como fibra, anillos, nudos, etc., y es similar a la de otros países. Para dicha clasificación se usan los mismos criterios en cada país miembro, sólo que varía el ámbito de las especies a las que se aplica. Actualmente están aún en proceso de revisión, son las EN 518 y EN 519, y que en España son las UNE-EN-56.544 para clasificación visual de madera aserrada de conífera de uso estructural y UNE-EN-56.544 para clasificación mecánica de madera aserrada. Las calidades estructurales obtenidas son 1RA, 2DA, y según los países una 3ERA, más el

"rechazo”. En la norma EN 338 se establecen los conceptos generales sobre clases resistentes y la obtención de las resistencias características. Las condiciones de muestreo e interpretación de los ensayos se dan en la norma EN 384, en la cual se establece, además, la posibilidad de comparar estos ensayos con otros sobre probetas "pequeñas libres de defectos", tal como las cita textualmente.

Conclusivamente se puede apuntar que la complejidad de esta normativa en lo que se refiere a los ensayos producirá seguramente la reticencia de muchos especialistas, dada esa gran incertidumbre que se tiene con este material. Puede parecer negativo ese exceso quizá de refinamiento teórico al definir distintos módulos, y diversidad de propiedades mecánicas y físicas para cada clase resistente. Pero, debido al planteamiento más complejo y global de los ensayos, que emplean gran cantidad de piezas con el tamaño propio de su uso, con defectos y distintas calidades, hemos de convenir que se obtendrán unos valores numéricos mucho más fiables y realistas que el de otros métodos sobre probetas de pequeña dimensión. (Hermoso et al., 2007). El nuevo enfoque en los ensayos mecánicos de la madera aserrada para uso estructural en la normativa europea.(Ariza, 2002).

El autor de la presente investigación considera muy importante el hecho de que en Europa se unificara el criterio normativo pues contribuye a facilitar el complejo trabajo de la experimentación sobre maderas, que en muchas ocasiones, pertenecen a ecosistemas boscosos de similares características.

4) En un estudio realizado en España por Basterra et al. (2009) se comparan los valores de resistencia obtenidos en el “ensayo a flexión estática para madera de uso estructural” según la norma UNE EN 408 y los valores del “ensayo a flexión estática de probetas libres de defectos” provenientes de esas mismas vigas, según la norma UNE 56 537 para una partida de madera de Pinus Sylvestris L. procedente del pinar de Navafría en Segovia.

Para ello se ensayaron un total de 89 vigas de tamaño estructural, obteniéndose posteriormente de cada una de ellas probetas de pequeñas dimensiones libres de defectos para su ensayo a flexión. Se demostró la elevada influencia que ejerce la presencia de defectos

en las vigas de tamaño estructural sobre sus propiedades físico-mecánicas, siendo los nudos la particularidad anatómica con mayor influencia sobre la resistencia a flexión de la madera.

Para la realización de este trabajo se utilizaron una partida de madera comercial de pinus Sylvestris L. (pino silvestre), de dimensiones estructurales. Cada pieza fue clasificada visualmente según la norma española UNE 56.544.Fueron ensayadas a flexión en una máquina de ensayos universal, según la norma EN 408, para obtener el Módulo de elasticidad global estático de cada una de ellas y, posteriormente, se llevaron hasta la rotura, obteniéndose el Módulo de rotura.

De los resultados de este ensayo se deduce que la aplicación de la norma UNE 56.544:2003 no resulta excesivamente precisa para hacer una clasificación resistente de madera estructural, ya que desestima muchas piezas con unas características resistentes superiores a lo que se define en la norma UNE EN 338, con la consiguiente pérdida de rendimiento clasificatorio y de pérdida de valor en el mercado.

La resistencia a la flexión estática de las probetas libres de defectos se determina de acuerdo a la metodología establecida en la norma UNE 56.537-79. Para ello, a partir de las vigas de tamaño estructural ensayadas a flexión, se han obtenido las probetas libres de defectos, con forma de prisma cuadrangular de 300x20x20 mm.

El ensayo de las probetas libres de defectos se realiza con la máquina universal de ensayos, colocando para ello la probeta sobre dos apoyos cilíndricos de ejes paralelos con un radio de 15 ± 0,5 mm, separados 240 ± 1 mm. La carga se aplica centrada entre los apoyos, mediante otro cilindro de 15 ± 0,5 mm de radio, figura 1.5. Una vez colocada la probeta con su cara radial hacia arriba, se inicia el ensayo a flexión, sometiendo a la probeta a una carga con velocidad constante de 5 mm/min hasta la rotura, tomando en ese momento el valor de carga de rotura con una aproximación de 0,1 kg.

Fig. 1.5. Esquema de ensayo a flexión. (Acuña et al., 2007)

Los ensayos descritos anteriormente arrojan las siguientes conclusiones.

 Los valores de resistencia a flexión obtenidos del ensayo de probetas libres de defectos según la norma UNE 56.537-79 son sensiblemente superiores a los valores reales de resistencia a flexión obtenidos mediante el ensayo a flexión de madera estructural según la norma UNE EN 408. Por lo tanto, no se trata de un método de ensayo fiable para la caracterización mecánica de la madera utilizando los criterios de cálculo recomendados en la actualidad (Eurocódigo).

 A pesar de lo anteriormente dicho los ensayos que están a nuestro alcance, evidentemente, son los que se realizan con pequeñas probetas libres de defectos. Consideramos sea útil para emprender el camino de la caracterización de la madera en nuestro país.

5) Por otra parte existe una investigación realizada en la provincia de Mendoza, Argentina, para determinar las características físico-mecánicas de una amplia colección de clones de Populusspp (Álamo). De ellos se extrajeron muestras para realizar los ensayos físicos y mecánicos. Los ensayos físicos desarrollados sobre las muestras fueron: