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CAPÍTULO 2

ANATOMÍA Y FÍSICA DE LA MADERA

PRINCIPALES CONTRIBUIDORES:

JUAN CARLOS PITER Y ROCÍO RAMOS (UTN, ARGENTINA)

La madera es un sólido natural, compuesto fundamentalmente por células alargadas (traqueidas y radios leñosos) cuyas paredes celulares se componen de celulosa (≈40-50%), hemicelulosa (≈20-40%), y lignina (≈20-30%). De acuerdo a la especie, se encuentran presentes también resinas, terpenos, taninos, minerales y sustancias incrustantes, constituyendo los extractivos, de los cuales el contenido se sitúa entre el 2 y el 5%. La madera se obtiene de dos categorías de árboles conocidos como angiospermas y gimnospermas. Al primer grupo, de estructura interna mucho más compleja, pertenecen las especies frondosas o latifoliadas2.1, provenientes de árboles con hojas caducas (en su mayoría), y en el segundo se incluyen las especies de coníferas2.2, con una estructura mucho más primitiva y simple (la mayor parte de células son traqueidas). Si bien el objetivo de este apartado no es profundizar los detalles referidos a estos dos grupos, es necesario considerar algunas características básicas de cada uno, pues influyen sobre las propiedades físicas y mecánicas.

2.1 Singularidades

Las singularidades son determinantes en las propiedades mecánicas. Estas son ocasionadas a merced de las condiciones de crecimiento del árbol, y también como consecuencia del proceso de cultivo y producción de la madera y su exposición al medio ambiente. Se describen a continuación las singularidades más relevantes para la clasificación por resistencia, a excepción del espesor de los anillos de crecimiento y la presencia de médula circundada por madera juvenil, que ya fueron mencionados anteriormente.

2.1.1 Nudos

Los nudos son originados como consecuencia de la existencia de ramas que se desprenden del tronco principal, partiendo desde la médula. En la medida que los sucesivos anillos de crecimiento engrosan la parte exterior del árbol, la parte incluida de la rama, la cual también aumenta su diámetro, forma un cono que se desarrolla junto con el tronco. Cuando el corte de la pieza extraída del tronco principal involucra a ese cono, se encuentra un nudo, el cual, en este caso, se denomina nudo fijo o nudo vivo. Si la rama se desprende, las sucesivas capas de madera nueva envuelven al cono que ella formaba, el cual no se desarrolla más en conjunto con el árbol ni afecta a los nuevos anillos externos de crecimiento, dando lugar a la formación de un nudo flojo, suelto o muerto, que incluso puede contener parte de la cáscara. Finalmente, también es posible que un nudo haya sido generado por una yema durmiente, lo cual no suele transcender de los primeros anillos del árbol. Es fácil comprender que una adecuada poda puede provocar que en una sección transversal se encuentre un importante manto exterior de madera sana, ya que la eliminación de las ramas en forma temprana hace que los nudos queden solamente en la zona interior del tronco, cercana a la médula. En la Figura 2.1.1 puede apreciarse tanto la interrupción como la desviación de las fibras que ocasiona la presencia de un nudo, lo que constituye una anomalía que afecta la resistencia y rigidez del material.

figura 2.1.1 Anomalías producidas por la presencia de un nudo.

Existen particularidades que es necesario tener en cuenta para las distintas especies. En el caso de las coníferas, que tienen un tronco dominante del cual se desprenden ramas a intervalos regulares, se encuentran espacios sin nudos seguidos luego de grupos de los mismos. Este agrupamiento es más difícil de encontrar en especies frondosas. Los nudos constituyen un defecto al cual investigadores y normas le atribuyen una gran importancia para el uso estructural de la madera debido a su negativo efecto en las propiedades mecánicas, y son considerados tanto en forma individual como en forma grupal. Finalmente, es necesario también distinguir entre nudos sanos, en los que existe una continuidad material con el tronco ya que se corresponden con ramas vivas, frente a nudos muertos que pueden suponerse como un ‘agregado’ de madera sin continuidad con el material y por tanto resultan más desfavorables en la reducción de resistencia. No obstante, en numerosos casos las normas no distinguen nudos sanos de muertos con el fin simplificar el proceso de clasificación por resistencia.

2.1.2 Inclinación de las fibras

Teniendo en cuenta la estructura de la pared celular, ya descrita anteriormente, el paralelismo de las fibras con relación al eje longitudinal de la pieza resulta de suma importancia para su comportamiento estructural. En este sentido, desde que las mayores resistencias y rigideces se alcanzan en la dirección de las fibras, para aquellos árboles en los cuales el crecimiento ordena las células en forma espiralada, del aserrado se obtienen piezas con sus propiedades mecánicas muy afectadas.

Además de la desviación global de las fibras, se observan desviaciones locales, especialmente alrededor de los nudos, lo que produce que estos defectos sean especialmente desfavorables. La Figura 2.1.2 ilustra las desviaciones de fibra locales típicamente observadas en el plano tangencial al tronco y el plano radial alrededor de los nudos.

figura 2.1.2 Desviaciones locales de fibra en los planos tangenciales y radiales alrededor de los nudos.

2.1.3 Madera de reacción2.3

Esta singularidad se genera, cuando el tronco del árbol es sometido a elevados esfuerzos producidos por fuerzas exteriores tales como la acción del viento. En las coníferas se manifiesta como madera de compresión2.4 y en las frondosas como madera de tracción2.5, siendo la primera de ellas la de mayor importancia para el uso estructural de este material. La madera de compresión presenta anillos de crecimiento con un mayor ancho del leño tardío, y en consecuencia resulta más difícil distinguirlo del leño temprano que en la madera normal. Si bien ese mayor ancho del leño tardío redunda en una mayor densidad de la madera, también exhibe una mayor inclinación de las microfibrillas en la capa media de la pared secundaria, lo que origina un comportamiento similar al descripto anteriormente para la madera juvenil cercana a la médula.

2.1.4 Fisuras y deformaciones

La presencia de fisuras se encuentra dentro del grupo de singularidades relacionadas tanto a la constitución interna de la madera como a los procesos de producción y a la exposición al medio ambiente. Se produce normalmente como consecuencia de los diferentes niveles de contracción experimentados según las tres direcciones principales. La pérdida de agua de impregnación de las paredes celulares por debajo del punto de saturación de las fibras, origina una contracción sustancialmente mayor en la dirección tangencial que en la radial. Este comportamiento produce deformaciones no deseadas, y también ocasiona rajaduras y torceduras durante el proceso de secado que varían para las diferentes especies. Las deformaciones no provocan disminuciones en las propiedades mecánicas, pero generan excentricidades que pueden exceder los límites permitidos. Las fisuras afectan en mayor medida a los miembros estructurales sometidos a flexión y compresión, que a los solicitados a tracción paralela a las fibras.

2.1.5 Ataques biológicos

Los hongos y los insectos xilófagos2.6 son los agentes biológicos de mayor importancia para la degradación de la madera. En general el ataque de estos agentes se produce cuando la estructura está en servicio, y está relacionado con el grado de exposición al medio ambiente, la durabilidad natural de la madera y su nivel de protección. No obstante, existen insectos que se desarrollan en el árbol y, consecuentemente, luego del aserrado de las piezas de madera estructural ya se revela este tipo de singularidad que se encuentra limitada en los métodos de clasificación por resistencia.

2.1.6 Otras singularidades

Las imperfecciones o daños producidos durante el aserrado de las piezas estructurales, tales como la arista faltante o gema, no implican una alteración de la respuesta mecánica del material, pero afectan a las dimensiones de su sección transversal. La reacción de los árboles ante ataques externos, tales como la formación de bolsas de resina2.7 en coníferas y de kino2.8 en los eucaliptos, genera alteraciones que se ponen de manifiesto luego del aserrado de las piezas estructurales y deben ser evaluadas por analogía con alguna singularidad similar ya tipificada.

2.2 Estructura interna

A pesar de las diferencias existentes, las características fundamentales de las paredes celulares son comunes a la mayoría de las especies. La sustancia básica que la compone es la celulosa, que se presenta agregada en unidades largas llamadas fibrillas elementales, las que, a su vez, se unen para formar las microfibrillas. Éstas últimas se recubren por hemicelulosa y se unen entre sí con uniones de hemicelulosas y pectinas. Por otra parte, la lignina, cuya estructura exacta aún a día de hoy es desconocida, se supone se integra a este entramado en formas globulares. El componente que aporta mayor rigidez a la pared celular es la celulosa, cuyo módulo elástico se sitúa en valores superiores a los 30 GPa. Sin embargo, la disposición de las fibrillas está ligeramente desviada respecto del eje axial de la traqueida por lo que, en lugar de formar un compuesto muy rígido, se genera una estructura con una excepcional capacidad de absorción de energía y ductilidad. Mientras que la celulosa y la hemicelulosa son muy hidrofílicas, la lignina es altamente hidrofóbica, jugando un papel crucial en la relativa impermeabilización de la pared celular y su durabilidad. No obstante, los espacios existentes entre las fibrillas elementales pueden ser ocupados por moléculas de agua bajo ciertos gradientes de presión, y consecuentemente una microfibrilla, formada por la unión de varias fibrillas elementales, puede variar su espesor, produciendo los llamados cambios dimensionales2.9 (hinchazón y merma) de la madera.

figura 2.2.1 Simulación del pandeo no lineal de un fragmento de pared celular Picea abies de origen sueco (microfibrillas, hemicelulosa y lignina) obtenido en la nanoescala mediante crio-microscopía electrónica. La celulosa se representa en rojo, hemicelulosa en verde y lignina en amarillo.

La capa existente entre las células individuales se denomina laminilla media, siendo la que mantiene la cohesión necesaria para formar el tejido y está compuesta fundamentalmente por lignina y pectina. Entre ésta y el espacio interior, denominado lumen, se ubica la pared celular, que posee tres capas denominadas pared primaria, secundaria y terciaria. La pared primaria se encuentra en contacto con la laminilla media y en la misma las microfibrillas se orientan al azar, entrelazándose, siendo su espesor muy delgado. La secundaria se puede descomponer en tres partes bien diferenciadas, una externa muy delgada, con un espesor del orden de décimas de micrómetro, que presenta un promedio de inclinación de las microfibrillas, con respecto al eje de la célula, de entre 50° y 70°. Una parte media que cuenta con un mayor espesor, de varios micrómetros, y con las microfibrillas orientadas mayoritariamente en la dirección longitudinal (de 5° a 20°). Finalmente, una parte interna que no ofrece un orden estricto en su orientación. La pared terciaria se ubica contra el espacio interior de la célula. La Figura 2.2.2 muestra esquemáticamente la organización de las células, donde se puede apreciar la disposición de la laminilla media, en el contorno, y el espacio interior en cada una. Entre ambos, y para una célula en particular, se detalla la estructura de la pared, con sus capas características, de las cuales sobresalen las tres partes que constituyen la capa media, conforme a la descripción efectuada anteriormente.

figura 2.2.2 Estructura de una pared celular.

La estructura de la pared celular puede analizarse también desde el punto de vista de su comportamiento estructural; la capa media de la pared secundaria, que bajo esta perspectiva es la más importante, puede absorber los esfuerzos de tracción debido a la orientación predominantemente longitudinal de las microfibrillas que la integran. A su vez, cuando es sometida a esfuerzos de compresión, esta es contenida y arriostrada contra su flexión lateral o pandeo flexional tanto por la capa externa como por la interna, que tienen una mayor inclinación de las fibras.

Las especies frondosas presentan una anatomía más compleja que las coníferas, conteniendo un mayor número de tipos de células que cumplen distintas funciones fisiológicas. En las primeras se pueden diferenciar las fibras que proveen la resistencia mecánica, constituyendo el tejido de sostén, con paredes celulares más gruesas que en las coníferas y longitudes comprendidas entre 1 mm y 1,5 mm. Dentro de este tejido se distribuye un segundo tipo, los vasos conductores, con diámetros variables entre 0,02 mm y 0,5 mm, y que se extienden verticalmente en el árbol apareciendo con distinta distribución según las especies. Aquellos casos donde se distinguen claramente los vasos más grandes en la madera temprana, de los pequeños en la madera tardía, se definen como porosidad anular. Si esa distribución no presenta un cambio brusco se denomina porosidad semianular. Sin embargo, en la mayoría de las especies existe una disposición irregular de los vasos, recibiendo el nombre de porosidad difusa. Un tercer grupo es el constituido por el tejido de almacenamiento o parénquima, que aparece tanto en sentido longitudinal como radial, y su número es mayor que en las coníferas. En Figura 2.2.3 se muestra la típica anatomía observada en coníferas y latifoliadas.

figura 2.2.3 Estructura básica de una especie conífera y una latifoliada.

Las especies de coníferas muestran una estructura más simple, con mayoría de fibras traqueidas, de longitud variable entre 2 mm y 5 mm y esbeltez muy grande, ya que el diámetro es aproximadamente la centésima parte de su longitud. Este tejido, que constituye un porcentaje variable entre el 90% y el 95% del total, cumple la función de dar resistencia y a su vez de transporte de alimento. Se organiza en filas radiales, presentando paredes más gruesas y menores diámetros en la madera tardía (de otoño) que en la temprana (de primavera), originando diferentes densidades; su longitud coincide con la dirección del eje del árbol. El otro grupo es el constituido por el tejido de reserva, el parénquima, que se ocupa de almacenar los elementos nutritivos y se desarrolla fundamentalmente en sentido radial. Los canales de resina son longitudinales y forman cavidades en el tejido.

El crecimiento vertical del árbol ocurre en forma continua, y en su parte central aparece la médula, que en general tiene menor calidad que el resto de la madera. El crecimiento de las capas periféricas del tronco, responsables por el desarrollo horizontal, da lugar a la formación de los anillos anuales de crecimiento. El tejido celular que produce la nueva madera se denomina cambium y está ubicado en la parte externa, recubierto por la cáscara o corteza, siendo el mismo muy delgado. Si se observa a simple vista la sección transversal del tronco, se puede apreciar que ese desarrollo se produce con dos tipos diferentes de tejidos, que responden a la madera generada en primavera, o leño temprano, y a la formada en el otoño, o leño tardío, respectivamente. Ambos sumados, constituyen un anillo anual. La diferencia entre ambos tejidos es más nítida en algunas especies que en otras, pero, en general, los formados en primavera poseen células de paredes más delgadas y mayor lumen, para facilitar el transporte de savia. Por el contrario, los de otoño tienen células con mayor espesor de pared y menores huecos, confiriendo mayor resistencia al material que conforman.

La madera formada en primavera es en general de color más claro y posee menor densidad que la del otoño, precisamente como consecuencia del menor espesor de sus paredes. Si bien es necesario tener en cuenta algunas variables tales como la especie, el clima y las condiciones del suelo donde se desarrolla la planta entre otras, en general existe una relación entre el espesor de los anillos y la densidad. En la mayoría de las coníferas, el espesor del leño tardío, de otoño, se mantiene casi constante y la diferencia se produce en el espesor del leño temprano, por lo cual a un mayor espesor del anillo se corresponde con una menor densidad.

Si se toma el caso de las maderas de especies frondosas con porosidad anular, estas en general se caracterizan por formar anillos de madera de primavera con marcados poros, los vasos conductores, y con espesor casi constante, apareciendo la variación en el leño tardío, y, en consecuencia, a mayor espesor de los anillos corresponde una mayor densidad. Esta circunstancia no se presenta cuando la porosidad es difusa. La relación entre el espesor de los anillos anuales y la densidad, explica la causa por la cual, en la mayoría de las normas de clasificación visual de piezas de madera, se considera al mencionado espesor como un parámetro de importancia, y, en el caso de las coníferas, a menor espesor, mayor calidad de madera.

A su vez, en la medida que el árbol madura y aumenta la cantidad de anillos, se generan dos grandes zonas en su sección transversal. La parte más reciente, la externa, por la cual asciende la savia desde las raíces hacia el extremo superior, se denomina albura. Con el paso del tiempo las células son modificadas, incrustadas con extractivos orgánicos, dando lugar a la formación del duramen en la zona interior. Este es generalmente más denso, menos permeable y más resistente a los ataques de insectos y hongos. Existe por otra parte, una diferencia entre los anillos de crecimiento que se formaron en la época temprana del árbol —habitualmente entre 5 y 20—, con aquellos que ocupan la parte exterior del tronco. A la madera formada por los primeros, se le denomina madera juvenil, en alusión a la edad del árbol cuando ella se constituyó, y al resto se le denomina madera adulta. Particularmente, en las especies de coníferas la madera juvenil cercana a la médula presenta fibras más cortas, con espesores de paredes más delgados y una mayor inclinación de las microfibrillas en la capa media de la pared secundaria. Como consecuencia, se obtiene una menor resistencia y rigidez, y mayores niveles de contracción y expansión que la madera adulta.

En resumen, puede afirmarse que, la estructura de las paredes de las células, la unión de éstas para constituir los tejidos de la madera libre de defectos y las singularidades que presenta en tamaños de uso estructural, representan tres niveles anatómicos fundamentales que es necesario considerar para comprender el comportamiento de este material. En efecto, en el primer nivel se encuentra la explicación a las importantes diferencias experimentadas por la contracción y expansión en dirección transversal respecto de la longitudinal (entre 10 y 20 veces superior para la primera). El segundo nivel ofrece la razón por la cual la rigidez encontrada en dirección longitudinal es entre 20 y 40 veces mayor que en la transversal. El tercer nivel, que considera la presencia de nudos2.10 y otras singularidades que serán descriptas más adelante, explica la enorme diferencia que se encuentra para la resistencia entre una probeta pequeña, libre de defectos, y una de tamaño estructural que no sea de primera calidad. Dicha diferencia es crucial en la caracterización y clasificación de la madera, hasta tal punto que conforma dos enfoques diferentes de diseño estructural: el método de las tensiones admisibles, y el método de las tensiones últimas. En la literatura inglesa, la madera libre de defectos suele denominarse clear wood o simplemente wood, mientras que a las piezas mayores con defectos se les denomina lumber o timber.

En resumen, en la Figura 2.2.4 se ilustra la estructura jerárquica de la madera, desde la estructura visible en el tronco, hasta la organización supramolecular de los constituyentes en la nanoescala.

figura 2.2.4 Estructura jerárquica de la madera: desde el tronco hasta la organización molecular.

2.3 Propiedades físicas de la estructura: humedad y densidad

La descripción de la organización interna de la madera presentada en el apartado anterior, permite abordar el análisis de las propiedades físicas más importantes para su uso estructural, como son el contenido de humedad y la densidad aparente. Además de influir sobre el comportamiento mecánico, estas propiedades explican los fenómenos de contracción y expansión, otra propiedad física de consideración en el diseño porque puede ocasionar tensiones internas, así como deformaciones y fisuras.

2.3.1 Contenido de humedad

La presencia del agua en la madera se manifiesta ocupando los espacios celulares e intercelulares del leño (agua libre), o impregnando las paredes de las células (agua de impregnación), pudiendo en ambos casos eliminarse por medios físicos. Existe también la denominada agua de constitución, que forma parte de la pared celular y que no se puede ser extraída sin destruir el tejido. En el análisis de las propiedades vinculadas al diseño estructural se hace referencia solamente a las dos primeras.

El contenido de humedad en la madera es definido como el cociente de la masa de agua contenida, removible físicamente, y la masa de la madera seca (anhidra) que la contiene, expresada en porcentaje. Esta última se obtiene por secado en estufa a una temperatura de 103 +/- 2 °C. Se considera que se alcanza esta condición, cuando la diferencia entre dos pesadas sucesivas con intervalos de 6 horas es igual o menor al 5% de la masa de la pieza de madera empleada.

Cuando la madera verde (o con un elevado contenido de humedad) se seca natural o artificialmente, el agua que primero pierde es el agua libre. Mientras esto sucede, no se producen variaciones volumétricas ni alteraciones de importancia en las propiedades mecánicas. Después de la pérdida del agua libre, el agua remanente se ubica en las paredes celulares saturándolas, y por esa razón a ese contenido de humedad se lo conoce como punto de saturación de las fibras (PSF). A fines prácticos, y si bien con variaciones entre especies, este punto puede considerarse ubicado entre el 28% y el 32%. Al ser la madera un material higroscópico2.11, su contenido de humedad dependerá en cada caso de la temperatura y la humedad relativa ambiente (HR). La humedad de equilibrio interno (HE) en un determinado clima, se alcanza luego de un tiempo, el cual varía también con las dimensiones de las piezas.

La variación de la HE causada por una variación de HR a una temperatura constante, se le conoce como isoterma de sorción. Sucede que en una misma madera esta isoterma no es siempre constante (disminuye con ciclos sucesivos), lo que se conoce como histéresis de sorción. También sucede que la HE en ciclos de absorción es aproximadamente 1% inferior a ciclos de sorción. La Figura 2.2.1 ilustra la HE típicamente contenida en la madera para diferentes temperaturas y HR ambientales.

La importancia del PSF deriva de que, a partir del mismo, el agua perdida es extraída de las paredes celulares y por lo tanto estas son modificadas, produciendo variaciones tanto de las dimensiones como del comportamiento resistente y elástico de las piezas. Es decir, que en la medida que disminuye el contenido de humedad por debajo de ese punto, se produce una reducción de las dimensiones y un aumento, en general, en la resistencia y rigidez de la madera. Es imposible que el tenor de humedad alcance el 0% (estado anhidro) en forma natural, pero en climas secos se pueden alcanzar porcentajes de equilibrio inferiores al 10%. El clima denominado normal es el correspondiente a 20 °C de temperatura y 65% de HR ambiente, lo que origina una HE de aproximadamente 12% en la mayoría de las maderas y es tomada como humedad de referencia internacionalmente para la determinación de las propiedades de resistencia y rigidez.

figura 2.3.1 Ilustración de la HE típica de la madera según temperatura y HR (basado en Forest Products Laboratory, FPL, 2010).

En Chile, la medición del contenido de humedad se regula por la norma NCh176/1, la cual contempla tanto el método de secado con estufa, como la determinación por xilohigrómetro2.12 (determinación de la humedad a partir de la variación de conducción eléctrica vía electrodos) y la destilación (determinación por remoción de la humedad con un solvente).

2.3.2 Densidad aparente

La densidad del material que constituye las paredes de las células de la madera, excluidos los vacíos, alcanza un valor aproximado de 1500 kg/m3. La densidad aparente es definida como el cociente entre la masa y el correspondiente volumen aparente. Para la madera, ésta oscila entre valores de 110 kg/m3 y 1300 kg/m3, debido a la influencia de la porosidad. Las especies de elevada porosidad, en general de rápido crecimiento, se acercan al primero, mientras que al segundo se aproximan las maderas tropicales de mayor dureza, ver Figura 2.3.2.1.

figura 2.3.2.1 Efecto del porcentaje de poros y pared celular en la densidad de la madera (basado en Neuhaus 1994).

La heterogeneidad que caracteriza la anatomía de este material, ya descripta anteriormente, explica en parte la variabilidad que exhibe esta propiedad entre especies, dentro de una especie, de una plantación, de un árbol, e incluso de una pieza estructural.

Teniendo en cuenta que normalmente este material contiene agua, cuya masa se agrega a la de la madera y a su vez produce variaciones en el volumen por debajo del punto de saturación de las fibras, se debe definir siempre el contenido de humedad para el cual se calcula la densidad. En ingeniería estructural esta propiedad se expresa habitualmente para dos valores del contenido de humedad. La denominada densidad en clima normal (referida como densidad normal), ya definido anteriormente, es la más importante. La densidad anhidra, para la madera secada al horno, suele también emplearse en algunas reglas de diseño.

La densidad aparente está correlacionada positivamente con la mayoría de las propiedades mecánicas de muchos materiales, y la madera, cuya fascinante estructura ha sido diseñada y optimizada por la naturaleza no es una excepción, aunque el nivel de correlación varía para distintas especies y zonas de cultivo. En consecuencia, es un parámetro indicativo de la resistencia y la rigidez adoptado usualmente en investigaciones y en la normativa internacional referida a la clasificación por resistencia y al diseño estructural. La influencia de la densidad en algunas de las propiedades mecánicas más importantes, es ilustrada en la Figura 2.3.2.2.

figura 2.3.2.2 Influencia de la densidad en algunas de las propiedades mecánicas más importantes (basado en Neuhaus 1994).

En Chile la medición de la densidad se regula mediante la NCh176/2, la cual además de prestablecer la medición de la densidad normal y la densidad anhidra, una densidad básica (relación de masa anhidra y volumen verde) y una densidad nominal (relación de masa anhidra y volumen de ensayo, generalmente al 12%). Por otra parte, la determinación de la densidad en paneles de madera se efectúa de acuerdo a la NCh792. Las densidades anhidras y normales de las distintas especies se presentan en el anexo E de la NCh1198, tanto los valores medios como los característicos (percentil del 5%).

2.3.3 Estabilidad dimensional

Tal como se presentó, cuando la humedad de la madera disminuye del PSF se producen cambios dimensionales debido a la variación del tamaño de los poros de las paredes celulares. La hinchazón se refiere al aumento dimensional debido al incremento de la humedad, mientras que a la contracción se le denomina merma. Los cambios dimensionales de estado verde a anhidro en T son habitualmente del orden del 8% para coníferas, mientras que en R las variaciones son alrededor de la mitad. Esto genera tensiones internas que pueden llegar a producir deformaciones, fisuras y grietas reduciendo la calidad del producto. De hecho, la equidad de contracciones y dilataciones en R y T es un indicador de poca propensión a la deformación, lo que es muy importante para ciertas aplicaciones tales como ebanistería. Como es lógico, los cambios dimensionales en las direcciones transversales se incrementan con la densidad (mayor porcentaje de paredes celulares). Por otro lado, los cambios en la dirección L son relativamente insignificantes, del orden de 0.1% de madera verde a madera anhidra, aunque pueden llegar a ser hasta el 2% en madera juvenil.

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figura 2.3.3 Ilustración de deformaciones típicas tras el secado de la madera de acuerdo a su posición en el tronco (basado en Forest Products Laboratory, FPL, 2010).

En estado seco, los cambios dimensionales tienden a ser cuasi-lineales, así que es posible predecir la diferencia dimensional en cada dirección (∆t) sin más que multiplicar la diferencia de humedad (∆H) por un coeficiente de contracción lineal en L (CL), R (CR) y T (CT):

Los cambios longitudinales se suelen despreciar, aunque pueden jugar un papel importante en piezas con gran contenido de madera juvenil. Estos cambios son un aspecto importante a considerar en el diseño de edificios de mediana altura de entramado ligero. A partir de las contracciones longitudinales, es posible establecer un coeficiente de contracción volumétrica que es calculado como la suma de los 3 coeficientes lineales.

En Chile la medición de los coeficientes de contracción se efectúa de acuerdo a las normas NCh176/3, NCh980 y NCh3053. En la determinación de los coeficientes de contracción se contempla además la posibilidad de colapso, lo que genera irregularidades geométricas en algunas especies tras las etapas iniciales de secado por debajo del PSF. Los coeficientes de contracción lineales en R y T de las maderas chilenas se encuentran en el anexo F de la NCh1198.

2.4 Lecturas adicionales

Argüelles Alvarez R, Arriaga Martitegui F, Martinez Calleja JJ (2000) Estructuras de Madera, Diseño y Cálculo. AITIM, España.

Coronel E. (1994) Fundamentos de las propiedades físicas y mecánicas de las maderas. Santiago del Estero, ITM, España.

Hoffmeyer P (1995) Wood as a building material. In: Timber Engineering STEP 1, pp. A4/1-A4/20, Países Bajos.

Forest Products Laboratory (2010) Wood Handbook, Wood handbook-Wood as an engineering material. General Technical Report FPL-GTR-190, Department of Agriculture, Forest Service, EE.UU.

Neuhaus H (1994) Lehrbuch des Ingenieurholzbaus. Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Alemania.