Caracterización de la madera estructural de castaño para nueva construcción

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1 48 Caracterización de la madera estructural de castaño para nueva construcción Abel Vega, Vanesa Baño, Isabel Fernández, Soledad Rodríguez. Área de Madera Estructural y Construcción. en En el año 2006, la aprobación del Código Técnico de la Edificación eliminó el vacío reglamentario existente en España hasta el momento con relación a la madera, estableciendo los criterios de cálculo y dimensionado de las estructuras para edificación de madera estructural, con los mismos niveles de seguridad que el acero, el hormigón y otros materiales empleados en la construcción. El C.T.E. establece el uso de cuatro especies de coníferas como madera estructural (pino silvestre, pino pinaster, pino insigne y pino laricio), las cuales pueden ser calculadas de acuerdo a una clase resistente y de ahí desarrollar todas las propuestas de dimensionado establecidas para cualquier edificación realizada con madera. A nivel de frondosas, el Eucalipto de procedencia española está reconocido a nivel europeo de forma que puede ser calculado de acuerdo a unos valores característicos establecidos en el C.T.E. Se aprecia por tanto que el castaño, que tan importante uso ha tenido en la arquitectura tradicional, no está a día de hoy reconocido a nivel normativo para poder afrontar estructuras de edificación con él. Esto choca con la alta demanda e interés de muchos usuarios y empresas de la madera, que reconocen en el castaño altísimas cualidades como madera para edificación, como así viene demostrándose desde hace siglos. En la actualidad, el está desarrollando un proyecto de caracterización de la madera estructural de castaño con el objetivo final de obtener todos los parámetros necesarios que permitan la propuesta de inclusión de esta especie en las normativas europeas y nacionales. 1. Variables a tener en cuenta para proyectar con madera A la hora de proyectar con elementos de madera estructural es necesario tener en cuenta una serie de variables relacionadas con el material, las cuales se describen a continuación: 1.1. Especie La variación de las propiedades de la madera, en términos generales, se produce entre especies. Para cada producto, existe una especie concreta que por sus características y propiedades resistentes se adecúa mejor que otras a los requerimientos de calidad. La primera división que se hace entre maderas consiste en la diferenciación entre coníferas y frondosas. 1.2.Tipo de madera Madera aserrada Se denomina madera aserrada estructural a la utilizada para fines portantes y que ha sido sometida a un procesado mínimo de transformación y clasificación resistente, de modo que se conocen sus propiedades físicas y mecánicas. Se obtiene mediante aserrado longitudinal del tronco y cepillado. Madera laminada Constituye un producto de aplicación estructural compuesto por laminas de madera (espesor entre 33 y 45 mm normalmente), habitualmente de una sola especie, que se superponen y encolan longitudinalmente y entre sus caras en el sentido paralelo a las fibras. Madera microlaminada La madera microlaminada está compuesta por laminas de madera de pequeño espesor que se encolan primero longitudinalmente y después entre las caras, superponiéndolas para formar grandes paneles. Rollizos Se llama madera en rollo a los troncos de los arboles apeados que se desraman y separan de la copa, y que posteriormente se cortan a unas dimensiones normalizadas. Tableros Son piezas en las que predomina la longitud y la anchura sobre el espesor, y en los que el elemento constitutivo principal es la madera. Existen numerosos tipos de tableros, con propiedades, composiciones y aplicaciones muy variadas. 1.3.Clases de servicio La humedad de la madera influye en sus propiedades mecánicas y, por lo tanto, en el cálculo. Por ello, se utiliza un sistema de clases de servicio dirigido a la asignación de los valores resistentes y al cálculo de las deformaciones bajo unas condiciones ambientales determinadas. La definición de estas clases es la siguiente: Clase de servicio 1: La humedad del material se corresponde con una temperatura ambiental de 20±2º y la humedad relativa del aire sólo excede el 65% unas pocas semanas al año. En esta clase, la humedad de equilibrio higroscópico en la mayoría de las coníferas no excede el 12%, y se asigna a estructuras bajo cubierta y cerradas. Clase de servicio 2: La humedad del material se corresponde a una temperatura ambiental cercana a los 20º y la humedad relativa del aire excede el 85% unas pocas semanas al año. En esta clase de servicio, la humedad de equilibrio higroscópico para coníferas no excede el 20%, asignándose a estructuras cubiertas pero expuestas a ambiente exterior o húmedo. Clase de servicio 3: Condiciones climáticas que conduzcan a contenidos de humedad superiores al de la clase de servicio 2. Quedan asignadas a esta clase las estructuras expuestas a la intemperie, en contacto con el agua o con el suelo Clases de uso La durabilidad de la madera tiene una fuerte variabilidad que depende de las condiciones ambientales a las que se someta una vez puesta en obra. Existe para ello una clasificación basada en las situaciones a las que se expone la madera y que están directamente relacionadas con los tratamientos protectores que debe recibir (Tablas 1 y 2).

2 49 CLASE DE USO CARACTERÍSTICAS SITUACIÓN DEL ELEMENTO CONTENIDO DE HUMEDAD RIESGO 1 Bajo cubierta y protegido de la intemperie < 20% Termitas y coleópteros 2 Bajo cubierta pero en contacto con ambiente exterior Puede sobrepasar el 20% Hongos, termitas y coleópteros Exterior, descubierto, protegido 3.1. Exterior, descubierto, no protegido Puede sobrepasar el 20% 4 En contacto con suelo o agua dulce > 20% permanentemente 5 En contacto permanente con agua salada > 20% permanentemente Hongos, termitas y coleópteros Permanente de pudrición y ataque de termitas Permanente pudrición, termitas y xilófagos marinos Tabla 1. Clases de uso (C.T.E.-D.B.-S.E.-M:2009) 1.5. Diseño El diseño está íntimamente ligado al cálculo y a las propiedades de la madera. Parte del diseño viene definido por el cálculo, el tipo de madera y las uniones a emplear. Lo más importante a tener en cuenta al empezar a diseñar con madera es que las uniones se comportan como articulaciones, siendo muy difícil conseguir uniones rígidas en madera similares a las que se obtienen en el acero o en el hormigón armado. Mediante un buen diseño se puede conseguir también una buena protección de la madera frente a la humedad, evitando la acción de hongos e insectos que puedan degradarla Cálculo Uno de los factores más importantes a la hora de realizar una estructura de madera es su cálculo estructural. Para ello en España es de obligado cumplimiento, desde el año 2007, el Código Técnico de la Edificación (C.T.E.) en su Documento Básico de Seguridad Estructural en Madera. Dicha norma es válida para madera aserrada y laminada, y establece el método de cálculo de la resistencia y deformación de la CLASE DE USO TIPO DE PROTECCIÓN MÉTODO DE TRATAMIENTO 1 Superficial Pincelado Pulverización Inmersión breve (>3 minutos) 2 Superficial Pincelado Pulverización Inmersión breve (>3 minutos) Recomendable media Inmersión prolongada Autoclave (doble vacío) Inmersión prolongada Media 3 Autoclave (doble vacío) Recomendable profunda Autoclave (vacío-presión) 4 Profunda Autoclave (vacío-presión) 5 Profunda Autoclave (vacío-presión) Tabla 2. Clases de protección y métodos de tratamiento (C.T.E.-D.B.-S.E.-M:2009) madera, así como de las uniones. Para edificaciones o estructuras no recogidas en el C.T.E. está permitido el uso del Eurocódigo 5 Proyecto de Estructuras de Madera. Los Eurocódigos estructurales son un conjunto de normas europeas de carácter voluntario, encargadas por la Comisión Europea al Comité Europeo de Normalización (CEN) y que recogen métodos comunes en todos los Estados Miembro de la Unión Europea para el cálculo y dimensionado de estructuras y de productos prefabricados estructurales. Debido a la gran variedad de especies de madera, las diversas procedencias de la

3 50 misma y las distintas normas de clasificación en función de cada país de origen, la madera se agrupa en lo que se denominan Clases Resistentes. Éstas se definen como una combinación de especies y calidades de madera en grupos con propiedades de resistencia, rigidez y densidad similares. 2. Inclusión de una madera estructural en el C.T.E. El proceso a seguir para la inclusión de una madera para uso estructural en el Código Técnico de la Edificación está definido por la normativa europea establecida por el comité CEN TC 124. Este es el proceso a seguir para la futura inclusión de la madera de castaño (Ver gráfico 1). Una vez comprobadas las exigencias generales y determinado el muestreo, es necesario conocer mediante ensayos los valores de resistencia rigidez y densidad. Estos valores y los calculados según la norma UNE EN 384 definen al grupo de madera analizado en una clase resistente definida en la norma UNE EN 338. Por otro lado, es necesario establecer también la correspondencia de esta clase resistente asignada con la denominada calidad visual, definida en normativas propias de cada país, según la norma UNE EN Figura 1 Gráfico 1 Definición de una clasificación acorde a la norma UNE EN : Clasificación resistente de la madera estructural de sección rectangular. Parte 1. Exigencias generales. Realización de ensayos para la determinación de las propiedades de la madera UNE EN 408: Madera aserrada para uso estructural. Determinación de algunas propiedades físicas y mecánicas Cálculo de los valores característicos de las propiedades mecánicas UNE EN 384: Determinación de los valores característicos de las propiedades mecánicas y densidad Asignación de las clases resistentes a la madera de castaño UNE EN 338: Madera estructural. Clases resistentes. Aprobación de la norma de clasificación y asignaciones resistentes del CEN TC 124 UNE EN 1912: Madera estructural. Clases resistentes. Asignación de calidades visuales y especies 3. Caracterización estructural de la madera de castaño 3.1. Ensayo mecánico y asignación de clase resistente La norma UNE EN 408 establece los procedimientos y el ensayo mecánico (Figura 1) a realizar sobre las probetas de madera con el fin de obtener valores de propiedades físicas y mecánicas. El análisis de los datos obtenidos en este ensayo permite la obtención de los valores característicos de resistencia a flexión, módulo de elasticidad y densidad mediante lo establecido en la norma UNE EN 384. Es necesario conocer los valores característicos de estas propiedades, que son los que realmente definen la clase resistente, para lo que son calculados los valores ajustados al 5º percentil en la distribución estadística de cada propiedad. Estas propiedades sirven de entrada a la tabla de clases resistentes de la norma UNE EN 338 (Tabla 3), separadas en dos categorías, correspondientes a madera de coníferas (denominadas mediante la letra C ) y de frondosas (denominadas mediante la letra D ), seguidas de un número que indica el valor de resistencia a flexión en N/mm2 (p.e.

4 51 Tabla 3. UNE EN 338 D30, para una frondosa con un valor de resistencia a flexión de 30 N/mm2). Actualmente en el C.T.E. sólo están recogidas cuatro especies de coníferas (Pinus nigra, Pinus pinaster, Pinus sylvestris y Pinus radiata) y una de frondosa (Eucalyptus globulus), con sus correspondientes propiedades de rigidez, resistencia y densidad. La aprobación y la asignación de la clase resistente a una especie de madera distinta (en este caso el castaño, Castanea sativa) es función del CEN TC 124, en base a la correcta aplicación de la normativa y realización de los ensayos Clasificación visual Por otra parte, están las normas de clasificación visual propias de cada país, en las que son establecidas unas clases de calidad visuales basadas en criterios como medición de singularidades (nudos, fendas, defectos). De este modo, las normas española UNE (para coníferas) y UNE (para frondosas) establecen categorías de calidad visual (ME-1 y ME-2 para coníferas y MEF para frondosas), válidas para el pino silvestre, pino pinaster, pino insigne, pino laricio y eucalipto. La norma europea UNE 1912 recoge las distintas normas de clasificación visual estatales, con clases de calidad visual diferentes, y las relaciona con las clases resistentes establecidas en la normativa europea, de forma que sea posible asignar unos valores característicos de sus propiedades a cualquier procedencia clasificada visualmente. La norma UNE establece el procedimiento de asignación de las clases de calidad visuales para las frondosas en España, aunque sólo es aplicable al eucalipto, y asigna una única clase (MEF) o el rechazo de la pieza para uso estructural, en función de singularidades de la madera como nudos y defectos (Figura 2). Por ello, resulta de gran importancia la aplicación de esta norma al castaño, de forma que se pueda evaluar la adecuación de estos criterios visuales a esta especie y proponer las modificaciones necesarias para su correcta clasificación, que sea acorde a los valores resistentes conocidos mediante los ensayos mecánicos Técnicas no destructivas Un método no destructivo es aquella prueba realizada en un material de manera que no altere de forma permanente sus propiedades físicas, mecánicas o dimensionales, y que implique por lo tanto un daño nulo o imperceptible en el mismo. En función de la técnica utilizada podemos realizar la siguiente clasificación de los métodos no destructivos:

5 52 Figura 2 Figura 3 - Métodos mecánicos: basados en la aplicación de fuerzas y medición de otras acciones mecánicas. Dentro de este grupo encontramos las pruebas de carga, el sondeo con penetrómetro o la perforación resistográfica. - Métodos acústicos: están basados en la determinación de la velocidad de transición del sonido en el material y otras mediciones de naturaleza acústica. En este grupo se incluyen las técnicas basadas en ondas de impacto, ultrasonidos y análisis de vibraciones. - Métodos electromagnéticos: basados en las mediciones efectuadas mediante corrientes eléctricas o campos magnéticos. En este grupo se encuentran los xilohigrómetros de resistencia eléctrica, las mediciones con microondas y la termografía. - Métodos nucleares: emplean rayos X, rayos gamma y resonancia magnética. Actualmente, los ensayos no destructivos que se están realizando en el dentro del proceso de caracterización estructural de la madera de castaño están basados en técnicas acústicas (Figura 3). Los equipos utilizados son los siguientes: - Fakopp Microsecond Timer: Emplea una onda sónica (con frecuencias comprendidas entre los 20Hz y los 20kHz) generada mediante un impacto de un martillo. - Sylvatest Trio: Está basado en el estudio de la transmisión de ondas en un material cuya frecuencia es superior al umbral máximo de audición humano (20kHz). - Portable Lumber Grader (PLG): Se basa en la frecuencia natural de vibración de una pieza de dimensiones y densidad conocidas. A través del uso de los diferentes métodos se obtiene el denominado módulo de elasticidad dinámico, el cual está íntimamente relacionado con el módulo de elasticidad estático obtenido en los ensayos mecánicos destructivos. Esta comparación con los resultados obtenidos gracias a la rotura permitirá una validación de estos métodos como técnicas de obtención de las propiedades mecánicas del material sin alterar la integridad y propiedades del mismo. 4. Conclusiones Los ensayos que están siendo realizados actualmente en el con castaño de procedencia asturiana indican la adecuación de estas metodologías para la correcta caracterización de la madera de esta especie. A modo de ejemplo, se muestran los resultados obtenidos en una de las probetas de ensayo, con la aplicación de las metodologías descritas: Los resultados particulares de esta probeta indican que se corresponde con una clase resistente D30 según la norma UNE EN 338, observándose una buena correlación con los métodos no destructivos y su estimación del módulo de elasticidad. Aún así, es necesario el ensayo de una muestra representativa que tenga en cuenta las diferentes procedencias, calculando los valores característicos para el total de la población, y no de forma individual. Una vez obtenidos los resultados de todo el muestreo establecido, se podrá dar inicio al cada día más necesario proceso de inclusión de la madera de castaño en el Código Técnico de la Edificación. Figura 4:Resultados probeta del castaño Dimensiones 100x40x2500 mm Módulo de elasticidad estático 14,85 N/mm 2 Ensayo Mecánico Resistencia a Flexión 53,91 N/mm 2 Densidad 652 kg/m 3 Clasificación Visual Clase de Calidad Visual MEF Ensayos No Destructivos Módulo de elasticidad dinámico 14,72 N/mm 2