Caracterización físico mecánica del Pino Caribaea de la región central de Cuba

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(1)República de Cuba. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Facultad de Construcciones. Departamento de Ingeniería Civil.. Trabajo de Diploma. Título: Caracterización físico mecánica del Pino Caribaea de la región central de Cuba.. Autor: José Martínez Fernández.. Tutor: M.Sc. Ing. Rogel Torres Pacheco. Consultante: Dr. Ing. Rolando Lima Rodríguez.. Año: 2014.

(2) Resumen. El objetivo principal de esta Tesis fue la caracterización físico mecánica del Pino Caribaea var.caribaea. de la región central del país. Para ello se propuso una metodología de. experimentación adaptada a las posibilidades existentes, debido a limitaciones tecnológicas y para consultar la bibliografía correspondiente. El estudio se dirigió principalmente a la realización de ensayos (atendiendo a las regulaciones normativas existentes para tales efectos), sobre alrededor de 200 pequeñas probetas libres de defectos procedentes de 25 árboles tomados del Escambray Villaclareño, todas ellas de madera de pino de la mencionada especie que por nuestras condiciones climáticas la hacen diferente del resto. Propiedades físicas tales como; densidad, contenido de humedad, contracción radial y tangencial fueron determinadas con exactitud. Además propiedades mecánicas de dureza, resistencia a la compresión paralela y perpendicular a la fibra y a la flexión estática así como también, los módulos correspondientes. Los resultados se compararon con especies similares que pertenecen a ecosistemas boscosos situados en diferentes latitudes. El autor de este estudio expone experiencias y consideraciones personales para quienes deseen retomar la investigación sobre tan importante tema..

(3) Agradecimientos: Resulta verdaderamente difícil expresar mi gratitud a todas las personas que me han ayudado a realizar este trabajo. De manera sencilla quiero agradecer especialmente: . A mis padres porque sin su apoyo y dedicación no hubiese realizado este sueño.. . Al resto de mi familia; a mis padrinos; a mis amigos, los de aquí y… los de allá.. . A todo el claustro de profesores que intervinieron en mi formación profesional especialmente, a la Dra. Ing. Lesday Martínez Fernández así como al resto de los trabajadores de la Facultad de Construcciones.. . A mi tutor M.Sc. Ing. Rogel Torres Pacheco y mi profesor consultante Dr. Ing. Civil. Rolando Lima Rodríguez.. . Al M.Sc. Ing. Pedro Nolasco Ruiz y al Ing. Sergio Alfonso Chinea por ofrecerme sus experiencias.. . A los arquitectos Luis Orlando Fernández Squitín, M.Sc. Marlén Martínez Santos y M.Sc. José Luis Fleites Morales.. . A mi amigo Henry Herrera Díaz por su vital apoyo con la madera objeto de estudio de esta investigación.. . A la Dra. Janet Monteagudo Santiago y a la M.Sc. Ing. Leanet Del Valle Gil por apoyarme constante e incondicionalmente.. . Al colectivo de trabajadores del Instituto de Biotecnología de las Plantas, en particular a mi amigo Deivis Mirabal Rodríguez.. . Al colectivo técnico de los laboratorios pertenecientes a la ENIA, a la Fábrica de Instalaciones Fijas y a la Facultad de Ingeniería Mecánica.. . Al personal que labora en la biblioteca provincial ¨José Martí¨.. . A nuestro Obispo Mons. Arturo González Amador por permitirme estudiar.. . A todas las personas que me ayudaron de alguna forma, a los que creyeron que podía lograrlo y… a los que no..

(4) Dedicatoria. A toda mi familia, especialmente: A mi adorada madre por cuidarme y ocuparse tanto de mí. Al más talentoso y ejemplar de los profesores que haya tenido jamás, mi querido padre. A mi amado hijo por ser el motor impulsor de mi vida.. José Martínez Fernández..

(5) Índice Introducción ................................................................................................................................ I Capítulo 1: Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. ............................. 1 1.1. Introducción. .................................................................................................................... 1 1.2. Familias Maderables. ....................................................................................................... 5 1.3. Madera aserrada estructural. ........................................................................................... 6 1.4. Eficacia estructural. ......................................................................................................... 7 1.5. Clasificación de la madera. .............................................................................................. 8 1.6. Caracterización y propiedades de la madera. .................................................................. 9 1.6.1. Propiedades físicas. .................................................................................................. 9 1.6.2. Propiedades mecánicas. ......................................................................................... 13 1.6.3. Propiedades elásticas. ............................................................................................ 18 1.7. Experimentación y ensayos para determinar las características físicas mecánicas de la madera. ................................................................................................................................ 19 1.8. Diseño estructural con madera aserrada. ...................................................................... 33 1.9. Conclusiones parciales del capítulo. .............................................................................. 34 Capítulo 2: Propuesta metodológica de la experimentación. .................................................... 35 2.1. Introducción. .................................................................................................................. 35 2.2. Material y métodos. ....................................................................................................... 35 2.2.1. Datos generales del muestreo. ................................................................................ 35 2.2.2. Clasificación visual. ................................................................................................. 36 2.3. Maquinarias y otros equipos de trabajo. ........................................................................ 38 2.4. Metodología. .................................................................................................................. 41 2.4.1. Determinación de las propiedades físicas. .............................................................. 42 2.4.2. Determinación de las propiedades mecánicas. ....................................................... 44 2.4.3. Conclusiones parciales del capítulo. ....................................................................... 49 Capítulo 3: Evaluación y procesamiento de resultados. ........................................................... 50 3.1 Introducción. ................................................................................................................... 50 3.2. Parámetros de estudio. .................................................................................................. 50 3.3. Presentación de resultados. .......................................................................................... 51 3.3.1. Ensayos para la determinación de propiedades físicas. .......................................... 51 3.3.2. Ensayos para la determinación de propiedades mecánicas. ................................... 54 3.4. Conclusiones parciales. ................................................................................................. 59 Conclusiones generales. .......................................................................................................... 60.

(6) Recomendaciones. .................................................................................................................. 61 Referencias bibliográficas. ....................................................................................................... 62 Anexos ..................................................................................................................................... 65.

(7) Introducción.. Introducción La madera, es el material por excelencia más noble que jamás la especie humana ha utilizado tanto en la industria como en la construcción. Prácticamente todas las culturas de la humanidad han empleado la madera en la agricultura, pesca, ingeniería, vivienda, etc. Es probablemente el único recurso renovable que se utiliza a gran escala y que su aprovechamiento no daña al medio ambiente.. Es un material que de forma permanente se ha utilizado en la construcción, estando presente a lo largo de toda la historia de la civilización. Así, en las zonas de abundantes bosques la madera constituía la totalidad de la edificación, desde su estructura, hasta los cerramientos y cubierta. En zonas con menor cantidad de madera, ésta se usaba en la cubierta y en su estructura horizontal.. Actualmente hay cierto rechazo a utilizar la madera como material estructural, siendo más habitual el uso del acero y del hormigón. Ello es debido, en gran medida, a dos condicionantes, que son la durabilidad de las estructuras de madera y su comportamiento frente al fuego.. Sin embargo, se tiene en muchas ciudades numerosos ejemplos de edificios construidos de madera que han llegado a nuestros días en un excelente estado de conservación. Aunque la madera, en principio, es un elemento de construcción más caro que el hormigón y el acero, ofrece un tipo de diseño, una estética y una calidez que no ofrecen esos otros materiales.. La búsqueda de materiales alternativos de construcción se ha desarrollado generalmente por razones económicas, buscando materiales que sean factibles y adaptables a condiciones específicas de los lugares de construcción, sobre todo para el empleo en construcciones de tipo social. Situación problémica: En muchos países, incluyendo Cuba, el uso de la madera en el sector de la construcción actualmente se ve restringido por la insuficiencia de conocimientos técnicos, de infraestructura de producción adecuada, de leyes y normas. Cotidianamente se presentan problemas de diseño constructivo que, la mayoría, queremos resolver con la madera. Sin embargo, rara vez logramos acercarnos a alguno medianamente eficaz o eficiente.. I.

(8) Introducción. Muchas veces el fracaso ante la incapacidad de lograr el efecto deseado es condicionado por las limitaciones de disponer de los conocimientos necesarios a cerca de este útil material, que a pesar de ser poco homogéneo, es bien preciado por sus ventajas.. A partir de los últimos años del pasado siglo hemos visto como en nuestro país se ha estado empleando, con cada vez más fuerza en materia constructiva, la madera. El desarrollo del polo turístico de la cayería al norte de nuestra provincia, por ejemplo, muestra modernas edificaciones constituidas parcial o totalmente de dicho material.. Desde 1988 y con la aprobación de la Norma Cubana 53 -179 quedaron establecidos los métodos de cálculo para la elaboración de proyectos de estructuras de madera en Cuba. Este documento continúa utilizándose para tales fines a pesar de presentar algunas limitaciones además de su inevitable desactualización. La mencionada norma solo brinda valores aproximados de las propiedades mecánicas en una clasificación simplificada y provisional de tres tipos de madera: blanda (cedro hembra), mediana (pino de tea) y dura (júcaro negro).. Es evidente que las cifras son bastante conservadoras y además poco representativas pues la composición de nuestros ecosistemas boscosos ha experimentado cambios en cuanto a la tipología existente. La población de las maderas mencionadas en dicho documento ha disminuido. considerablemente. mientras. que. la. repoblación. forestal. se. orienta,. fundamentalmente, hacia la siembra de Pino Caribaea variante caribaea del que no se conocen dichos parámetros.. Teniendo en cuenta la situación evaluada, el autor del presente trabajo plantea el siguiente problema.. ¿Cómo obtener las propiedades físico-mecánicas a partir de una propuesta metodológica para la experimentación sobre la madera de Pino Caribaea de la región central del país? Justificación de la investigación: Teórica: Todo el estudio encaminado a la caracterización de esta madera constituye el preámbulo de futuras investigaciones.. II.

(9) Introducción. Práctica: Debido al uso cada vez más generalizado de la madera para fines estructurales y al insuficiente conocimiento acerca de esta variedad de pino que, entre otras razones es el que está al alcance de la mayoría de los usuarios, consideramos importante su estudio. Lograr un uso más racional del recurso siempre beneficiará la economía en general. Hipótesis Condicional: Si caracterizamos el comportamiento tenso-deformacional del Pino Caribaea a través de ensayos de laboratorio, estaremos ofreciendo herramientas que contribuirán a mejorar los diseños de elementos estructurales aplicados a la construcción.. Objetivo principal: Caracterizar el comportamiento tenso-deformacional del Pino Caribaea del centro del país para su utilización en elementos estructurales. Objetivos específicos: 1. Describir las principales características del Pino Caribaea, que permitan caracterizarla tenso-deformacionalmente. 2. Proponer un esquema de ensayos de laboratorio capaz de revelar el. comportamiento. de la madera Pino Caribaea. 3. Determinar los principales parámetros físico-mecánicos del Pino Caribaea necesarios para el diseño estructural de elementos de madera. Tareas científicas:. 1. Revisión de la bibliografía para analizar cómo es abordado el tema de la caracterización de los diferentes tipos de madera que se emplean en la actualidad en nuestro país y los diferentes métodos de diseño estructural.. 2. Organización metodológica de los procedimientos de ensayos de laboratorio para la obtención de las principales características físico mecánicas.. 3. Proposición del esquema de experimentación para la determinación de propiedades de la madera bajo las condiciones existentes y con los recursos disponibles.. 4. Análisis y procesamiento de resultados obtenidos en la experimentación.. III.

(10) Introducción. Novedad científica: Se ofrece una propuesta metodológica de experimentación basada en la aplicación de normas técnicas debidamente homologadas donde se obtienen las principales propiedades de la madera Pino Caribaea para lograr así diseños más asequibles y económicos. Estructura de la Tesis: El trabajo de diploma se estructura de la siguiente forma: resumen, una introducción general, 3 capítulos,. conclusiones,. recomendaciones,. referencias. bibliográficas. y. los. anexos. correspondientes. La estructura del trabajo se muestra a continuación:  Resumen.  Índice.  Introducción. . Situación problémica.. . Interrogante.. . Justificación de la investigación.. . Hipótesis condicional.. . Objetivo General.. . Objetivos Específicos.. . Tareas Científicas.. . Novedad Científica..  Capítulo I: Estado del conocimiento sobre la caracterización físico mecánica de la madera. Este capítulo brinda información actualizada a cerca del enfoque que se le da internacionalmente a las investigaciones referidas a la obtención de las propiedades de la madera. Su objetivo es exponer los fundamentos teóricos generales que sirven de punto de partida a la solución del problema científico planteado. Se referencian algunas de las variantes utilizadas con relación al tema. Se definen algunos conceptos que serán de utilidad en la comprensión del mismo y de la propuesta de solución. Finalmente se mencionan algunas conclusiones parciales.. IV.

(11) Introducción.  Capítulo II: Propuesta metodológica de la experimentación. Este capítulo describe todo el proceso de realización de los diferentes ensayos a partir de materiales y métodos. Comprende desde la obtención de las pequeñas probetas libres de defectos, secado de la madera, medición y pesaje del cuerpo de prueba hasta la culminación del trabajo de laboratorio. Brinda además conclusiones parciales de resultados.  Capítulo III: Evaluación y procesamiento de resultados. Los resultados obtenidos en los ensayos se procesan para dar a conocer los valores correspondientes a las características físicas y mecánicas de la madera del Pino Caribaea var. caribaea. Estos criterios son bases comparativas no solo con maderas de esta misma especie pero de diferentes variedades que crecen y se desarrollan en otras partes del mundo sino con otras especies. Se ofrecen las conclusiones parciales.  Conclusiones generales.  Recomendaciones.  Referencias Bibliográficas.  Anexos.. V.

(12) Introducción.. Secuencia de la investigación:. VI.

(13) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera.. Capítulo 1: Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. 1.1. Introducción. Este capítulo brinda información actualizada acerca del enfoque dado internacionalmente a las investigaciones referidas a la obtención de las propiedades de la madera. Su objetivo es exponer los fundamentos teóricos generales que sirven como punto de partida a la solución del problema científico planteado. Se referencian además algunas de las variantes utilizadas con relación al tema y se definen algunos conceptos que serán de utilidad en la comprensión del mismo y de la propuesta de solución. Finalmente se mencionan algunas conclusiones parciales.. La madera, desde lo más antiguo de la prehistoria hasta nuestros días, se revela como uno de los materiales más empleados para la construcción de estructuras, incluso, como soporte especializado para algunos de los seres vivos más antiguos de la tierra.. En la actualidad podría decirse que la edificación ha dado un gran giro, quizás más de concepto que en lo relativo a sus fundamentos. Los nuevos materiales de propiedades espectaculares y los medios técnicos tan evolucionados han permitido el desarrollo de proyectos de gran envergadura. Pero incluso, a pesar de esta evolución, la madera sigue siendo uno de los materiales por excelencia y, aludiendo a su simplicidad de concepto, sigue siendo una solución no sólo viable sino ventajosa para muchas de las necesidades estructurales. Herrero (2003).. La estructura de la madera está compuesta principalmente por células largas y esbeltas llamadas fibras. Estas células tienen una forma tubular hueca, cuya longitud sigue la dirección longitudinal del tronco (para el transporte de agua y nutrientes durante su crecimiento). Esto proporciona a las piezas cortadas de madera una característica que se conoce con el nombre de fibra; esta se dirige a lo largo de las piezas cortadas de madera. Esto a su vez suministra una referencia para observar diferentes acciones estructurales relacionadas con la fibra; es decir si son paralelas, perpendiculares u oblicuas a la misma. (Arriaga y Herrero, 2000).. 1.

(14) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. Los componentes principales de la madera son los siguientes: - La celulosa, arrollada helicoidalmente en la pared tubular, con una resistencia a la tracción de 980 kPa (10.000 kg/cm2), superior a la del acero. - La lignina, que constituye la masa de la pared tubular, actuando como aglomerante de la celulosa, con una resistencia a la compresión de 235 kPa (2.400 kg/cm2) (superior a la del hormigón). El origen orgánico de la madera la hace susceptible de ser degradada por organismos xilófagos. Este hecho permite considerarla como un material naturalmente biodegradable. Sin embargo, para la actuación de la mayoría de estos organismos xilófagos, se requieren contenidos de humedad o situaciones que no son frecuentes en una construcción bien concebida y mantenida. Estructura del tronco:. Fig. 1.1. Estructura del tronco. (Guzmán, 1990).. La mayor parte de los árboles usados con fines estructurales son exógenos, es decir que aumentan de tamaño creando madera en la superficie exterior debajo de la corteza.. 2.

(15) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. En una sección de un tronco podemos apreciar las distintas partes que lo forman, la parte más externa, la piel del árbol, es la parte que lo protege, se llama corteza y salvo en algunos casos, como el corcho, tiene escasas aplicaciones.. La siguiente capa llamada "líber" es una corona que envuelve el tronco formada por fibras elásticas por donde circulan los nutrientes del árbol, llamada también corteza interior.. Por debajo del "líber" encontramos el "cambium" se trata de un tejido elástico formado de células provistas de una delgada membrana de celulosa. A lo largo del periodo anual del crecimiento del árbol, el "cambium" forma un anillo; estos son llamados anillos anuales, que con frecuencia están compuestos por material alternado de color claro y de color oscuro, así que contando los anillos del corte podemos saber la edad del mismo.. A continuación encontramos otra corona circular llamada "albura" que ya es madera pero todavía sin madurar, en formación; ésta no se puede trabajar por ser poco estable y resistente. Debajo de la "albura" está el "duramen" que es la madera propiamente dicha, la que utilizaremos para los distintos usos, la más interna recibe el nombre de "madera vieja" distinguiéndose dentro del "duramen" por su color más oscuro.. En el centro del corte que observamos en la Fig. 1.1., como el eje del árbol, está la médula, que según el tipo de árbol puede ser más o menos gruesa, y con el paso del tiempo puede secarse y desaparecer. Observando un corte también podremos distinguir el tipo de madera al que pertenece. Las maderas blandas tienen una fibra de trama ancha mientras que en las duras la fibra es más compacta.. Según sea el plano o dirección que se considere respecto a la dirección longitudinal de sus fibras y anillos de crecimiento, el comportamiento tanto físico como mecánico del material, presenta resultados dispares y diferenciados. Para tener una idea de cómo se comporta, la madera resiste entre 20 y 200 veces más en el sentido del eje del árbol, que en el sentido transversal.. El eje tangencial, como su nombre lo indica, es tangente a los anillos de crecimiento y perpendicular al eje longitudinal de la pieza.. 3.

(16) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera.. Fig. 1.2. Eje tangencial en una pieza de madera. (Guzmán, 1990).. El eje radial es perpendicular a los anillos de crecimiento y al eje longitudinal.. Fig. 1.3. Eje radial en una pieza de madera. (Guzmán, 1990).. El eje longitudinal es paralelo a la dirección de las fibras y por ende, al eje longitudinal del tronco. Forma una perpendicular respecto al plano formado por los ejes tangencial y radial.. 4.

(17) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera.. Fig. 1.4. Eje longitudinal en una pieza de madera. (Guzmán, 1990).. 1.2. Familias Maderables. Especies Coníferas y Latifoliadas. El tipo particular de árbol del cual proviene la madera se denomina especie, existen dos grandes grupos botánicos que incluyen la mayor parte de las especies vegetales susceptibles de suministrar maderas comercializables: las Gimnospermas y Angiospermas a las que comúnmente se hace referencia de forma simplificada como coníferas, también llamadas como árboles de madera blanda y latifoliadas también llamadas como árboles de madera dura o de hojas frondosas. Los términos madera blanda y madera dura no expresan el verdadero grado de dureza de las distintas especies de árboles. Algunos árboles de madera blanda son tan duros como los árboles de madera dura de densidad media, en tanto que algunas especies de árboles de madera dura tienen madera más suave que algunos árboles de madera blanda.. En el grupo de las frondosas están las especies de hoja caduca presentes en todos los continentes. Normalmente se distingue entre frondosas de zonas templadas y frondosas tropicales. Se estima que existen en el mundo alrededor de 17.000 especies maderables de las cuales solo tienen carácter comercial unas 400 y sólo unas cuantas docenas son las seleccionadas con fines estructurales.. 5.

(18) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. Seguidamente presentamos en detalle la madera objeto de estudio de la investigación.. Pinus caribaea (variedad caribaea): tipo de conífera conocido comúnmente como pino macho, es una especie de pino nativo de Centroamérica y el Caribe. En Cuba es endémico de Pinar del Río, Isla de la Juventud y la región central del país. Es un árbol majestuoso y alto que crece rápidamente y produce una madera resinosa útil para la producción de maderaje y productos de papel. El pino caribeño se cultiva extensamente en plantaciones a través de los Trópicos húmedos. (Acosta, 1976; citado en Francis, 1992: 394-395).. El árbol alcanza alturas de 30 m y diámetros de hasta 75cm, aunque en sitios óptimos puede alcanzar alturas de hasta 45m, con fuste recto y limpio de ramas en los primeros 12m o más cuando adulto. Copa: piramidal, con ramas bajas horizontales o caedizas y ramas superiores ascendentes. Corteza: en árboles adultos es gruesa, pardo rojiza, y forma placas ásperas con profundas fisuras verticales y horizontales. En árboles jóvenes la corteza es más rojiza, áspera y escamosa. Hojas: en forma de aguja, en fascículos de tres (algunas veces 2, 4 o 5), de 15-25 cm de largo, rígidas, verde oscuro a verde amarillento. La madera es moderadamente liviana, de coloración clara, con tonos desde amarillo a amarillo-naranja en la albura y de naranja oscuro a café rojizo en el duramen; textura media a áspera, de grano recto, lustre medio. Fácil de trabajar con maquinaria, aunque la resina puede causar algunos problemas. Fácil de clavar, unir, moldurar y tornear, si está libre de resina. Produce resina de buena calidad para la producción de otros productos. (Rojas y Ortiz, 1990).. Para la realización de este trabajo se tomaron muestras de ejemplares plantados en nuestra provincia para que los resultados obtenidos sean representativos y cercanos a la realidad.. 1.3. Madera aserrada estructural. Se llama madera aserrada estructural a aquella madera clasificada específicamente para uso estructural, cuya especie y origen tiene sus propiedades mecánicas determinadas por ensayo normalizado.. La madera proviene de los árboles. Este es el hecho más importante a tener presente para entender su naturaleza. El origen de las cualidades o defectos que posee pueden determinarse a partir del árbol de donde proviene. La madera tiene una compleja estructura natural, diseñada. 6.

(19) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. para servir a las necesidades funcionales de un árbol en vida, más que ser un material diseñado para satisfacer necesidades constructivas.. Las primeras referencias a la clasificación de la madera aserrada se remontan a las reglas de clasificación decorativa escandinava recogidas por Swan Alverdson, en 1754. En 1833, ya estaban implantadas en estado de Maine (Estados Unidos) reglas de clasificación para sus maderas comerciales, este ejemplo se fue ampliando posteriormente a la zona de los grandes lagos y finalmente al sur de Estados Unidos en 1880. A finales del siglo XX se introdujeron reglas de clasificación en los estados de la zona Oeste. La introducción de las clasificaciones estructurales cobró un nuevo impulso a partir de 1970 cuando se pasó del ensayo de probetas de madera de tamaño reducido y libre de defectos a probetas de madera con dimensiones y características comerciales, con los defectos propios de su calidad. Esta nueva metodología es la base de las principales normas de clasificación utilizadas en la actualidad, que permiten la asignación de propiedades mecánicas a un amplio número de especies de madera. (Herrero, 2003).. (Proholz, 1998; citado por Herrero, 2003) define la madera aserrada como la utilizada para fines portantes y que ha sido sometida a un procesado mínimo de transformación que no incluye ni encolados ni ensambles de unión dentada, y que se obtiene mediante aserrado longitudinal del tronco y cepillado. Según las dimensiones y la relación entre las dimensiones de la sección de las piezas (grosor y altura), es habitual referirse a ellas como listones, tablas, tablones, madera escuadrada o madera de gruesa escuadría.. 1.4. Eficacia estructural. Si alguna propiedad de la madera como elemento estructural destaca entre otras es su gran eficacia estructural, entendiendo como eficacia la relación existente entre la funcionalidad de la estructura frente el coste global de producción.. Desde un punto de vista estructural la madera es el producto de un proceso evolutivo de millones de años encaminado a soportar esfuerzos de flexión y compresión con el menor gasto energético posible. Basta con fijarse en la estructura de un árbol para comprender cómo el tronco y las ramas han sido especialmente diseñadas para resistir el peso propio y la acción del viento o de la nieve.. 7.

(20) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera.. Tabla 1. Comparación de eficacia estructural en relación al peso y precio (Argüelles et al., 2000; citado en Herrero, 2003).. Es por eso que, en determinados usos cabe considerar a la madera como un material estructural alternativo y competitivo. Hasta hace unas décadas era frecuente en obras de rehabilitación y restauración la sustitución directa y sistemática de las estructuras de madera por estructura metálica por el simple hecho de la desconfianza o el desconocimiento de la madera. Cada material tiene unas ventajas específicas y, por tanto, será más adecuado a determinadas aplicaciones. Herrero (2003).. 1.5. Clasificación de la madera. La madera es por su naturaleza un material heterogéneo y como tal presenta importantes variaciones en sus parámetros. Por consiguiente, para utilizarla como elemento estructural, debe clasificarse con el objeto de caracterizar sus propiedades mecánicas según el uso previsto. En principio hay que diferenciar entre los métodos de clasificación: . Visual: en los que se evalúan visualmente características como el tamaño de los nudos, la desviación de la fibra o la anchura de los anillos de crecimiento, entre otros. Según Calleja (2013) es el más utilizado de los dos procedimientos. Basada en la determinación de la calidad resistente de la madera aserrada a partir de las singularidades que presentan las vigas, es un método que permite una rápida y económica clasificación de la madera, siendo además una técnica segura para el cliente pero severa para el productor, y por tanto subestima el material. En la actualidad se buscan ecuaciones que permitan estos cálculos con técnicas sencillas y rápidas, de forma eficaz y fiable, que permitan la determinación de la calidad de la madera aserrada y su uso posterior.. . La clasificación mecánica a través de métodos no destructivos (NDT, Non Destructive Testing) viene desarrollándose desde el siglo XX, trata de identificarlas propiedades físicas y mecánicas o defectos de un material o estructura sin modificar sus. 8.

(21) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. capacidades de uso. Éstas técnicas son adecuadas para medir algunos parámetros que estén relacionados con las propiedades de la madera (Pellerin y Ross, 2002; citado en Calleja, 2013). . La clasificación mecánica a través de métodos destructivos; donde sus características no se evalúan visualmente sino a través de ensayos realizados con máquinas para determinar los diferentes módulos de rotura del material.. 1.6. Caracterización y propiedades de la madera. La madera como material complejo, posee características que dependen no solo de su composición sino también de su constitución (o de la manera en que estén colocados los elementos que lo forman).. 1.6.1. Propiedades físicas. Las propiedades físicas de la madera son aquellas que determinan su comportamiento ante los distintos factores que intervienen en el medio ambiente normal, sin producir ninguna modificación química de su estructura.. Anisotropía La madera no es un material homogéneo, sino un material muy diferente según el plano o la dirección que reconsidere. Esto hace que sea necesario referenciar el plano o la sección considerada. La madera, es más resistente a los esfuerzos axiles que tangenciales, siendo también de diferente comportamiento a la dirección radial.. Heterogeneidad Se puede decir que la madera es un material heterogéneo, puesto que los diferentes elementos anatómicos que la forman, se pueden combinar de forma distinta según la especie de madera considerada, pudiendo incluso existir diferencias dentro de la misma especie según sea su procedencia (Díez et al., 2000).. Higroscopicidad La madera es un material higroscópico que presenta una marcada afinidad por el agua, que hace que permanezca en equilibrio dinámico con las condiciones higrotérmicas del medio en el. 9.

(22) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. que se encuentre, es decir, que tiende a absorber o a perder agua según las condiciones de humedad relativa y temperatura del aire. De esta forma a cada estado ambiental corresponde un grado de humedad de la madera, llamado humedad de equilibrio higroscópico (HEH).. 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 traqueidas.. La humedad de la madera varía entre límites muy amplios. En la madera recién cortada oscila entre el 50 y 60 por ciento, y por imbibición puede llegar hasta el 250 y 300 por ciento. La madera secada al aire contiene del 10 al 15 por ciento de su peso de agua, y como las distintas mediciones físicas están afectadas por el tanto por ciento de humedad, se ha convenido en referir los diversos ensayos a una humedad media internacional de 15 por ciento. La humedad de las maderas se aprecia, además del procedimiento de pesadas, de probetas, húmedas y desecadas, y el calorimétrico, por la conductividad eléctrica, empleando girómetros eléctricos. Estas variaciones de humedad hacen que la madera se hinche o contraiga, variando su volumen y, por consiguiente, su densidad.. Los métodos existentes para determinar el contenido de humedad son, método de la pesada, método de destilación y el empleo de medidores eléctricos (Torres, 1971; NCh 176/1.Of84). Según Cuevas (2003) citado por Díaz (2005), el contenido de humedad de la madera se calcula con la siguiente expresión: Fórmula (1.1) Cuevas (2003).. * 100 Donde: H: porcentaje de humedad (%) PH : Peso en el estado húmedo PO : Peso en el estado seco. En la construcción las maderas deben utilizarse siempre descortezadas y secas.. 10.

(23) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. Antes de la construcción, la madera deberá secarse a un contenido de humedad apropiado y tan parecido como sea práctico al contenido de humedad en equilibrio promedio de la región en la cual estará la estructura. Si el contenido de humedad de la madera excede el límite indicado para la madera seca (15 por ciento), el material solamente podrá usarse si el riesgo de pudrición en el tiempo que dure el secado es eliminado.. Densidad y Peso específico. La relación que existe entre la masa y el volumen de un cuerpo se llama densidad. Por costumbre cuando se usa el sistema métrico se toma la masa como el peso del cuerpo. El peso de la madera es la suma del peso de parte sólida más el peso del agua. El volumen de la madera es constante cuando están en el estado verde, el volumen disminuye cuando el contenido de humedad es menor que el punto de saturación de las fibras y vuelve a ser constante cuando se ha alcanzado el estado anhidro o seco al horno. La Norma Chilena NCh176/2.Of86 modificada en 1988, hace referencia a distintos tipos de densidad. a) Densidad de referencia: relación entre la masa y el volumen de la probeta, determinados ambos a un mismo contenido de humedad, para este tipo de densidad se definen. I.. Densidad anhidra: relación entre la masa y el volumen de la probeta en estado anhidro.. II.. Densidad normal: relación entre la masa y el volumen determinados ambos a un mismo contenido de humedad igual al 12%.. b) Densidad básica: relación entre la masa de la probeta en estado anhidro y el volumen de la probeta en estado verde. c) Densidad nominal: relación entre la masa de la probeta en estado anhidro y el volumen de la probeta al contenido de humedad en el ensayo (generalmente 12% CH). El peso específico es la relación entre el peso de la madera, a un determinado contenido de humedad, y el peso del volumen de agua desplazado por el volumen de la madera. Considerando que el agua tiene densidad igual a 1 puede decidirse que la relación entre la densidad de la madera dividida entre la densidad del agua igualan a su peso específico. En el sistema métrico la densidad y el peso específico tienen el mismo valor.. 11.

(24) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. La densidad es el cociente entre la masa y el volumen de la madera, la cual varía con la humedad es decir, cuando la humedad crece, la densidad también crece (Karsulovic, 1982; Pérez, 1983; Cuevas, 2003). Fórmula 1.2 Cuevas (2003). Donde:. V. Según (Goche et al., 2011) la densidad básica de la madera varía ampliamente dentro de un árbol, desde la médula hacia el exterior o desde la base del tronco hacía la copa. Para Goche et al. (2000) la variación es inherente a la especie, que la hace diferente a otras. Aunque puede estar influenciada por la edad, la forma del árbol, las diferencias genéticas, la velocidad de crecimiento y la historia evolutiva según (Kort et al., 1991; Zobel y Talbert, 1994; Valencia, 1994; Pittermann et al., 2006).También es el resultado de factores externos como: la luz, el suelo, la humedad y temperatura, así como de la competencia con otros organismos que forman parte del medio ambiente del árbol, todos ellos afectan su crecimiento y originan variaciones en la madera entre árboles o en piezas del mismo individuo (Jane, 1970; Dalla et al., 2009). 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 o de las fibras, no pasa del 0.8 por ciento; de 1 a 7.8 por ciento, en dirección radial, y de 5 a 11.5 por ciento, en la tangencial. La contracción es mayor en la albura que en el corazón, originando tensiones por desecación que agrietan y alabean la madera. El hinchamiento se produce cuando absorbe humedad. La madera sumergida aumenta poco de volumen en sentido axial o de las fibras, y de un 2.5 al 6 por ciento en sentido perpendicular; pero en peso, el aumento oscila del 50 al 150 por ciento. La madera aumenta de volumen hasta el punto de saturación (20 a 25 por ciento de agua), y a partir de él no aumenta más de volumen, aunque siga absorbiendo agua.. 12.

(25) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. Dureza La dureza de la madera es la resistencia que opone al desgaste, rayado, clavado, etc. Depende de su densidad, edad, estructura y si se trabaja en sentido de sus fibras o en el perpendicular. Mientras más vieja y dura es, mayor la resistencia que opone. La madera de corazón tiene mayor resistencia que la de albura: la crecida lentamente obtiene una mayor resistencia que la madera que crece de prisa.. Entre los métodos para la determinación de la dureza se cuenta con el ensayo que se realiza con el mecanismo de Janka, que consiste en una semiesfera, cuya sección ecuatorial mide 1cm2. El ensayo consiste en comprimir esta 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 milímetros por minuto. El valor de dureza Janka es la fuerza necesaria para que penetre en la madera toda la semiesfera.. Hendibilidad Se llama también facilidad a la raja y es la aptitud de las maderas a dividirse en el sentido longitudinal bajo la acción de una cuña. El rajado es más fácil, en sentido de los radios.. Conductividad La madera seca es mala conductora del calor y electricidad, no así cuando está húmeda. La conductividad es mayor en el sentido longitudinal que en radial o transversal, y más en las maderas pesadas que en las ligeras o porosas, por lo cual se emplean como aisladores térmicos en las paredes.. Dilatación térmica El coeficiente de dilatación lineal de la madera es muy pequeño, pudiendo ser despreciado.. 1.6.2. Propiedades mecánicas. Según Sotomayor (2002), las características mecánicas de la madera encuentran su aplicación en el diseño de estructuras. En la actualidad, el ingeniero y el arquitecto pueden considerar que la madera funciona mecánicamente como un sólido elástico y macroscópicamente homogéneo que obedece a las leyes de la resistencia de materiales y que, dentro de ciertos límites de. 13.

(26) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. calidad y variabilidad, puede ser un material confiable para su incorporación en el proceso constructivo.. Las principales características mecánicas de la madera útiles en la edificación con este material son: El Módulo de Elasticidad, el Módulo de Rigidez, el Módulo de Ruptura y la Resistencia al Límite Elástico. Esta definición es incompleta al no mencionar que las características mecánicas de cada madera en particular, son delimitadas por las variables físicas de referencia para la especie y las condiciones durante la determinación de la cota mecánica: Densidad, Contenido de Humedad y Temperatura y, sobre todo, las condiciones reales de servicio de la madera. Además, la industria de la construcción requiere de información confiable y estandarizada sobre la calidad tecnológica de la madera, para así poder incorporar este material al proceso de edificación. Esta conclusión implica a su vez proponer que la investigación del comportamiento mecánico de la madera debe orientarse hacia las necesidades propias de la industria.. Díez (2000) planteó que tradicionalmente, se han considerado como propiedades mecánicas:  Resistencia a la tracción paralela y perpendicular a la fibra.  Resistencia a la compresión paralela y perpendicular a la fibra.  Resistencia a flexión.  Resistencia al cortante. En la actualidad la resistencia de la madera se suele expresar en forma de valor característico, el cual no es sino el quinto percentil de una distribución de frecuencia de la resistencia. Representa pues, el valor de la resistencia que garantiza que el 95 % de la población presenta una resistencia igual o superior al valor seleccionado.  Resistencia a la tracción La tracción es el esfuerzo a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. La madera, posee una elevada resistencia a la tracción paralela a las fibras, motivada por la elevada resistencia que las cadenas de celulosa presentan ante esta solicitud mecánica.. 14.

(27) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. Por otro lado, su resistencia a la tracción perpendiculares muy baja, del orden de 30 a 70 veces inferiores. Esta falta de resistencia transversal, es debida a la orientación marcadamente longitudinal de la estructura de la madera, muy preparada para resistir las solicitaciones de flexión a que se ve sometido un árbol en pie. Conforme la estructura transversal de una especie sea más marcada, esta tendrá una mayor resistencia a la tracción transversal.. Esto se pone claramente de manifiesto en la aparición de frendas longitudinales en los elementos de directriz curva, así como en las uniones y apoyos en las que hagan acto de presencia estas solicitaciones. Se suele afirmar que la resistencia a la tracción viene muy afectada por la calidad de la madera pero que no es sensible a la humedad, de ahí que no suelan considerarse factores correctores (Díez 2000).  Resistencia a la compresión. Si se considera madera libre de defectos, su resistencia a la tracción paralela es mayor que la de compresión paralela. Este hecho se pone de manifiesto en el ensayo a flexión de probetas libres de defectos, en el que puede observarse que el fallo se suele producir por aplastamiento de las fibras en la zona comprimida.. Por el contrario, en la madera clasificada (en madera sin defectos sería al revés), la resistencia a la compresión es mayor que la resistencia a la tracción, a la vez que la diferencia de valores entre las dos direcciones (paralela y perpendicular) es menos acusada.. La rotura de la madera solicitada a compresión no resulta clara ya que lo que se produce en la práctica es un aplastamiento de las fibras, pudiendo el material seguir aguantando solicitaciones.. La resistencia a la compresión viene muy afectada por el contenido de humedad de la madera, pero la calidad de la madera la afecta menos que en tracción (Díez 2000).  Resistencia a la flexión Esta propiedad es una combinación de las dos citadas anteriormente, aunque por razones prácticas es frecuente considerarla como independiente.. 15.

(28) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera.. La madera presenta una notable resistencia a la flexión, sobre todo si se compara con su densidad. El Módulo de Rotura (MOR) refleja la máxima capacidad de carga en flexión de un elemento y es proporcional al momento máximo soportado. El Módulo de Rotura es un criterio aceptado de resistencia aunque no es una medida real de la tensión porque la fórmula que se emplea para su cálculo sólo es válida hasta el límite elástico.. La flexión de una pieza genera tensiones y compresiones de tracción paralelas a la fibra, que adoptan valores máximos en las fibras externas de la pieza y nulos en la fibra neutra.. El comportamiento a flexión de la madera es distinto al de la madera real ya que en el primer caso se puede observar que la rotura se produce compresión (por aplastamiento de las fibras en la zona comprimida) y en el segundo por tracción, por rotura de las fibras de la zona traccionada (debido a la mayor incidencia que los nudos tienen en la resistencia a la tracción).. La resistencia a la flexión viene afectada no sólo por el tamaño de los nudos sino por su frecuencia, de forma que nudos grandes repetidos, aunque sean pocos, influyen más que los nudos pequeños muy abundantes. La influencia de la humedad es menos acusada que en compresión, presentando, como es lógico, un comportamiento intermedio entre tracción y compresión (Díez 2000).  Resistencia al cortante El cortante es debido a solicitaciones en dirección perpendicular a las fibras. Estas solicitaciones pueden generar otras de tipo tangencial como consecuencia de la deformación de la madera. La manifestación del cortante puede tener tres formas distintas: . Cortante puro: las fibras son cortadas transversalmente por la acción del esfuerzo que se genera en dirección perpendicular a las fibras. El fallo se produce por aplastamiento y posterior rotura de las fibras. Este tipo de roturas es extraordinariamente raro en estructuras reales.. 16.

(29) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. . Deslizamiento: producido por tensiones de tipo tangencial, generadas por la acción del cortante y provocadas por la deformación de las piezas de madera solicitadas a flexión. La rotura se produce por deslizamiento de unas piezas sobre las otras en dirección longitudinal. La resistencia en este caso viene fuertemente afectada por la existencia previa de fendas en la estructura.. . Rodadura: similar al anterior pero en dirección transversal, produciéndose la rodadura de unas fibras sobre las otras. Este tipo de rodadura se produce en casos contados, tales como el encuentro de alas y almas de perfiles de doble T o en tableros contrachapados. Su resistencia es del orden de 20% al 30% de la resistencia por desplazamiento.. La influencia del cortante en la deformación a flexión es mucho más marcada en la madera que en el hormigón y el acero; y por otro lado, la resistencia al cortante viene fuertemente afectada por el contenido de humedad de la madera.. Sotomayor (2002) afirmó que las principales características mecánicas de la madera útiles en el proceso de edificación con madera son: El Módulo de Elasticidad, característica que cuantifica la capacidad de una madera a deformarse en el dominio elástico cuando una solicitación mecánica es aplicada durante un periodo determinado. El Módulo de Rigidez, particularidad que manifiesta la aptitud de deformación elástica de la madera expuesta a esfuerzos de tipo cortante. El Módulo de Ruptura, parámetro que expresa el esfuerzo máximo en el momento que falla mecánicamente un elemento en un proceso de carga – deformación. La Resistencia al Límite Elástico, dato que señala la máxima capacidad de resistencia mecánica elástica del material. Para cada madera en particular, sus características mecánicas son delimitadas por:  Las variables físicas de referencia para la especie y las condiciones durante la determinación de la cota mecánica: Densidad, Contenido de Humedad y Temperatura.. 17.

(30) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera.  El tipo de solicitación en el ensayo: Flexión, Tensión, Compresión, Cortante, Relajamiento o Flujo.  La velocidad de ensayo: Estática o Dinámica.  La orientación en el plano leñoso respecto a un referencial local de geometría: radial, tangencial o longitudinal.  Y sobre todo, las condiciones reales de servicio de la madera. La tabla 2, adaptada de Sotomayor (1987) citado por Sotomayor (2002), presenta un esquema general para identificar una característica mecánica y su significado físico.. Tabla 2. Esquema para identificar una característica mecánica y su significado físico. (Sotomayor, 2002). 1.6.3. Propiedades elásticas. Cualquier tipo de solicitación aplicada a la madera produce en esta una deformación en la dirección del esfuerzo. Si esta deformación es recuperable y se mantiene proporcional al esfuerzo aplicado, se dice que se encuentra ante un comportamiento elástico.. Este comportamiento no se mantiene indefinidamente en la madera, de forma que para una solicitación creciente llega un momento, normalmente llamado límite de proporcionalidad (que en una solicitación a flexión se sitúa en el intervalo del 70 al 80 % de la carga última, o de rotura) a partir del cual las deformaciones dejan de ser proporcionales al esfuerzo aplicado,. 18.

(31) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. creciendo de forma rápida y dejando de ser totalmente recuperables (aparece una componente permanente), encontrándose bajo un comportamiento inelástico.. Para Calleja (2013) dentro del campo elástico, el Módulo de Elasticidad es la variable de mayor transcendencia para el análisis de este comportamiento. El Módulo de Elasticidad se caracteriza por el inverso de la relación entre la deformación elástica unitaria y la solicitación unitaria que la ha provocado (F/A, donde F es el esfuerzo y A la sección en la que se aplica).. 1.7. Experimentación y ensayos para determinar las características físicas mecánicas de la madera. 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.. 19.

(32) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. 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. 20.

(33) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. 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. 21.

(34) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. 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. 22.

(35) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. 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%).. 23.

(36) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. . 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. 24.

(37) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. 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. 25.

(38) Capítulo 1. Estado del conocimiento sobre la caracterización de la madera. "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. 26.