CLASIFICACIÓN DE MADERA ESTRUCTURAL DE GRAN ESCUADRÍA DE Pinus sylvestris L. MEDIANTE MÉTODOS NO DESTRUCTIVOS

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1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MONTES CLASIFICACIÓN DE MADERA ESTRUCTURAL DE GRAN ESCUADRÍA DE Pinus sylvestris L. MEDIANTE MÉTODOS NO DESTRUCTIVOS TESIS DOCTORAL MARÍA JOSÉ MONTERO GARCÍA-ANDRADE Ingeniero Agrónomo 2013

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3 DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN Y VÍAS RURALES ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MONTES Clasificación de madera estructural de gran escuadría de Pinus sylvestris L. mediante MARÍA JOSÉ MONTERO GARCÍA-ANDRADE Ingeniero Agrónomo Director Miguel Esteban Herrero Doctor Ingeniero de Montes 2013

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5 Tribunal nombrado por el Magfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid, el día de de. Presidente Vocal Vocal Vocal Secretario D. D. D. D. D. Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis Doctoral el día de de, en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Montes de la UPM. Calificación: El presidente: Los vocales: El secretario:

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7 Agradecimientos Quiero dar las gracias a todas las personas que han hecho posible que esta tesis haya sido realizada. Al Ministerio de Educación y Ciencia, cuyas competencias en materia de investigación ha asumido el Ministerio de Economía y Competitividad por la financiación del proyecto de investigación de referencia BIA , al que ha estado asociada la beca F.P.I. de la que he podido disfrutar. Gracias a mi tutor, Miguel Esteban Herrero. Por su tiempo y toda su ayuda durante estos años. Gracias a Francisco Ayuga Téllez, por proponerme hacer el doctorado y tutorar mis primeros años. A todo el equipo de Unidad Docente de Cálculo de Estructuras de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Montes de la UPM por acogerme entre maderas, por sus comentarios y sugerencias desde que empecé a trabajar con ellos. Gracias al personal del Laboratorio de Maderas del INIA, por su ayuda siempre que lo he necesitado. En los ensayos, carpintería y resolviendo las dudas teóricas al empezar la tesis. A mis compañeros de ensayos, Ramón García Lombardero, Raquel Mateo Campos, Jaime de la Mata Jiménez y Daniel Fernández Llana. Por lo buenos ratos entre vigas, que a la hora de escribir tanto se echan de menos. A mis compañeros en agrónomos durante los primeros años de doctorado y a los de montes durante los últimos. Gracias por acompañarme y por los cafés, que también se necesitan. Al final de los agradecimientos, aunque son lo primero y llevan conmigo desde el principio, gracias a toda mi familia y amigos. A mis padres y mis hermanos, que creen en mí más que yo misma. Gracias de forma especial a César, Pedro y Blanca, que han sufrido la tesis. Gracias por su apoyo incondicional durante estos años. Son por los que, gracias a Dios, no he tirado la toalla.

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9 Índice general Índice general... i Índice de imágenes... vii Índice de tablas... xvii Resumen... xxi Abstract... xxiii 1. INTRODUCCIÓN OBJETIVO DE LA TESIS DOCTORAL ANTECEDENTES Generalidades sobre la madera estructural de gran escuadría Factores que influyen en las propiedades mecánicas de la madera Especie Calidad de la madera Humedad Duración de la carga Tamaño de la pieza Descripción de la especie: Pinus sylvestris L Propiedades de la madera de pino silvestre para uso estructural Métodos no destructivos Clasificación visual Defectos ligados a su anatomía Defectos ligados al proceso de aserrado Alteraciones biológicas Deformaciones Clasificación de gruesa escuadría (b > 70 mm) Métodos de transmisión de ondas Parámetros que definen las ondas Potencia del equipo emisor Frecuencia Longitud de onda Amplitud de onda i -

10 Atenuación de la onda o pérdida de señal Factores que afectan a la velocidad de propagación de la onda Ondas de ultrasonidos Ondas de impacto Ondas vibratorias Otros métodos mecánicos Prueba de carga Clasificación mecánica Penetrómetro Resistógrafo Arranque de tornillo Otros Cuadro resumen de Conclusiones de los Ensayo mecánico estructural Ensayo a flexión La influencia de la humedad en la madera Métodos y equipos para la medición de la humedad Influencia de la humedad en las propiedades de la madera Proceso de secado La humedad y su influencia en las técnicas no destructivas Conclusiones MATERIAL Y METODOLOGÍA Equipo humano Equipo material Pequeño material y material auxiliar Xilohigrómetro Estufa Balanza Medición del tiempo de paso de una onda a través de la madera Sylvatest Microsecond Timer Equipos de vibración Portable Lumber Grader (PLG) Pórticos para ensayos mecánicos ii -

11 Equipos no destructivos puntuales Arranque de tornillo (MAT) Penetómetro (Pilodyn) Material de ensayo Metodología Planteamiento general de la metodología Selección de muestras en aserradero, recepción en laboratorio Clasificación visual Ultrasonidos (Sylvatest) Onda sónica generada por un impacto (Microsecond Timer) Onda de vibración (Portable Lumber Grader) Ensayo mecánico según la norma UNE EN Disposición de ensayo Módulo de elasticidad global Módulo de elasticidad local Tensión de rotura Sección de rotura Obtención de rebanadas próximas a la sección de rotura Determinación del contenido de humedad en estufa Determinación de la densidad Ensayos locales. Resistencia al arranque de tornillo Ensayos locales. Penetrómetro Medición de humedad y técnicas no destructivas Organización de datos y análisis de resultados Resumen de la metodología y técnicas empleadas ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS Introducción al análisis Estudio preliminar de lotes Clasificación visual. Norma aplicada: UNE-EN Vigas: PS 000 SG/CG/H Vigas: PS 000 SG/CG. Dimensiones nominales 150 x 200 mm Vigas: PS 000 SG. Dimensiones nominales 150 x 200 mm Vigas: PS 000 CG. Dimensiones nominales 150 x 200 mm Vigas: PS 000 H. Dimensiones nominales 100 x 150 mm Ondas de impacto (equipo Microsecond Timer) iii -

12 5.5. Ondas ultrasónicas (equipo Sylvatest) Vibración longitudinal (equipo Portable Lumber Grader) Relación entre velocidad de onda y propiedades mecánicas La velocidad de onda para mejorar la clasificación visual Toda la muestra, clasificación visual Toda la muestra, clasificación por velocidad Toda la muestra, clasificación visual y por velocidad Lote SG, clasificación visual Lote SG, clasificación visual y por velocidad Vibración transversal (equipo Portable Lumber Grader) Resistencia al arranque de tornillo (equipo MAT) Comparativa de mediciones sobre la cara con o sin gema Resumen de resultados Profundidad de penetración (equipo Pilodyn) Comparativa de mediciones sobre la cara con o sin gema Resumen de resultados Densidad Relación entre densidad global (viga) y local (rebanada) Vigas PS 000 SG/CG (150 x 200 mm) Vigas PS 00 H ( 100 x 150 mm) Densidad estimada con penetrómetro y arranque de tornillo Vigas PS 000 SG/CG (150 x 200 mm) Vigas PS 00 H (100 x 150 mm) Módulo de elasticidad Módulo de elasticidad global Módulo de elasticidad local Módulo de elasticidad estático Velocidad de transmisión de onda Módulo de elasticidad estático - Módulo de elasticidad dinámico Tensión de rotura Tensión de rotura a flexión Tensión de rotura a flexión - Velocidad de transmisión Tensión de rotura a flexión - Módulo de elasticidad dinámico Humedad Sistemas de medición de la humedad Influencia de la humedad en dimensiones, peso y clasificación visual Influencia de la humedad en la velocidad de onda iv -

13 Rangos de humedad e influencia sobre la velocidad de onda Coeficientes de corrección de velocidad por humedad CONCLUSIONES Clasificación visual Rendimiento de la clasificación visual Influencia del secado en la clasificación visual Propiedades mecánicas de las calidades visuales Velocidad de transmisión de onda Transmisión de onda y trayectoria Eficacia de la velocidad de onda como parámetro de clasificación Eficacia de la velocidad de onda combinada con clasificación visual Estimación de la densidad Determinación de la densidad por pieza completa o por rebanada Estimación de la densidad mediante Estimación del módulo de elasticidad Relación entre módulo de elasticidad global y local Estimación del módulo de elasticidad mediante métodos no destructivos Vibración transversal Estimación de la resistencia Estimación de la resistencia mediante Influencia del contenido de humedad en las técnicas no destructivas Comparación de mediciones con diferentes electrodos Influencia del contenido de humedad en las propiedades físicas y mecánicas Influencia del contenido de humedad en la velocidad de onda Líneas futuras de investigación BIBLIOGRAFÍA UTILIZADA ANEXO 1. ESTADILLOS PIEZAS PS 000 SG/CG Anexo 1.1. Estadillo inicial de ensayos Anexo 1.2. Estadillo 1. Piezas PS 000 SG/CG. Limpio Anexo 1.3. Estadillo 1. Piezas PS 000 SG/CG. Completo ANEXO 2. ESTADILLOS PIEZAS PS 000 H v -

14 Anexo 2.1. Estadillo 1. Piezas PS 00 H. Limpio Anexo 2.2 Estadillo 1. Piezas PS 00 H. Completo ANEXO 3. ESTADILLO PARALA TOMA DE DATOS DE HUMEDAD ANEXO 4. TABLAS DE RESULTADOS Anexo 4.1. Leyenda de tabla resumen de datos Anexo 4.2. Tablas de resultados vi -

15 Índice de imágenes Imagen 3.1. Anisotropía de la madera. Direcciones principales Imagen 3.2. Madera estructural. Cara, canto, altura y testa Imagen 3.3. Relación entre resistencia y contenido de humedad de la madera Imagen 3.4. Curvas de Madison y Eurocódigo: resistencia y duración de la carga Imagen 3.5. Ley de tensiones en flexión Imagen 3.6. Bosque de pino silvestre Imagen 3.7. Bosque de pino silvestre Imagen 3.8. Distribución europea del Pinus sylvestris L Imagen 3.9. Distribución española del Pinus sylvestris L Imagen Criterio general de medición de nudos en cara y en canto Imagen Medición de la desviación de la fibra Imagen Medición y evaluación de fendas de secado Imagen Medición y evaluación de las gemas Imagen Madera afectada de azulado Imagen Madera atacada por termitas Imagen Medición de las deformaciones Imagen Propagación ondas P y ondas S Imagen Propagación ondas Rayleigh y Love Imagen Frecuencia de una onda Imagen Rango de frecuencias Imagen Longitud y Amplitud de onda Imagen Relación Velocidad de transmisión-temperatura Imagen Detalle de palpadores cónicos Imagen Detalle de palpadores para clavar en la madera Imagen Detalle de palpadores planos Imagen Medida directa de testa a testa Imagen Medida directa de cara a cara Imagen Medida indirecta cara-cara Imagen Medida semi-directa de testa a cara Imagen Efectos de las singularidades en la transmisión de ultrasonidos Imagen Equipo Sylvatest Trío Imagen Equipo Microsecond Timer vii -

16 Imagen Representación gráfica del primer y segundo armónico Imagen Clasificación mecánica: esquemas Computermatic y Cook Bolinder Imagen Pilodyn Imagen Detalle del Pilodyn Imagen Resistógrafo Imagen Perfil resistográfico Imagen Superposición resistografía-pieza madera Imagen Perfil sobre madera sana - Perfil sobre madera atacada Imagen Equipo de Arranque de tornillo de Fakopp Imagen Imagen termográfica de un techo de madera Imagen Sección transversal de una troza de madera y su vista mediante tomografía computarizada Imagen Propiedades obtenidas a partir de TND Imagen Valores de límite elástico y resistencia última de Pinus sylvestris L Imagen Descenso de la fibra neutra de una pieza sometida a flexión pura Imagen Direcciones de la madera Imagen Estados de la madera en función del contenido de humedad Imagen Conductividad eléctrica y contenido de humedad de la madera Imagen Temperatura, humedad relativa y humedad de equilibrio Imagen Diferencias en la contracción del material en función de la dirección Imagen Diferencia entre contracción radial y tangencial del pino silvestre Imagen Esfuerzos de secado Imagen 4.1. Material Auxiliar Imagen 4.2. Material Auxiliar Imagen 4.3. Material Auxiliar Imagen 4.4. Xilohigrómetro Imagen 4.5. Humedad medida con xilohigrómetro utilizando pinzas Imagen 4.6. Detalle de las pinzas Imagen 4.7. Disposición de clavos y tirafondos empleados Imagen 4.8. Detalle clavos aislados en el fuste Imagen 4.9. Estufa Imagen Balanza Imagen Sylvatest Trío. Equipo Imagen Sylvatest Trío. Detalle de resultados Imagen Microsecond Timer. Equipo Imagen Microsecond Timer. Detalle de resultado viii -

17 Imagen Balanza y micrófono del PLG Imagen Apoyo para ensayo de vibración longitudinal Imagen Apoyos para ensayo de vibración transversal Imagen Pórtico IBERTEST. Modelo PFIB 600/300W Imagen Pórtico IBERTEST. Modelo PFIB 600/300W Imagen Pórtico IBERTEST. Modelo PELFIB 150W Imagen Resultados de ensayo Imagen Resultados de ensayo. Gráfico fuerza - tiempo Imagen Detalle de colocación de los extensómetros Imagen Arranque de tornillo Imagen Pilodyn Imagen Vigas con gema lo largo de uno de sus cantos Imagen Selección de piezas en aserradero Imagen Selección de piezas en aserradero Imagen Secado y acondicionamiento de las piezas en exterior Imagen Cubierta para proteger las piezas Imagen Secado y acondicionamiento de las piezas en nave Imagen Rebanadas para ensayos locales y de humedad en estufa Imagen Rebanadas para ensayos locales Imagen Lote de 26 vigas H Imagen Marcado y selección de piezas en aserradero Imagen Condiciones de trabajo en laboratorio Imagen Detalle de la medida de fendas Imagen Detalle de la medida de fendas. Galga Imagen Esquema de medida de gemas Imagen Medida de gemas con forcípula Imagen Medida directa. Testa-testa Imagen Medida directa. Cara 1 - cara 3. Distancia entre puntos: 18 h Imagen Medida indirecta. Cara 1 cara 1. Distancia entre puntos: 18 h Imagen Medida de frecuencia longitudinal con PLG Imagen Medida de frecuencia transversal sobre cara y canto con PLG Imagen Ensayo de flexión según la norma UNE EN Imagen Ensayo de flexión según la Norma UNE EN Imagen Disposición de ensayo de flexión para módulo de elasticidad global Imagen Medición de deformación para calcular módulo de elasticidad global ix -

18 Imagen Disposición de ensayo de flexión para módulo de elasticidad local Imagen Medición de deformación para calcular módulo de elasticidad local Imagen Medición de deformación para calcular el módulo de elasticidad local Imagen Gráfico Fuerza/deformación en tramo elástico Imagen Esquema de rotura y diagrama de momentos. Tercio central Imagen Esquema de rotura y diagrama de momentos. Fuera de tercio central Imagen Sección de rotura Imagen Pesada de una rebanada Imagen Secado en estufa de las rebanadas Imagen Registro gráfico de rebanada Imagen Registro gráfico de rebanada Imagen Arranque de tornillo. Ensayo en dirección radial Imagen Pilodyn. Ensayo en dirección radial Imagen Medición humedad. Disposición longitudinal de clavos Imagen Medición humedad. Disposición transversal de clavos Imagen Medición humedad. Piezas para la medición Imagen Medición humedad. Medición con xilohigrómetro Imagen Medición humedad. Diferentes medios de medición Imagen Medición humedad. Medición con pinzas y clavos aislados Imagen 5.1. Gráfico de medias. SG/CG/H. Densidad global (kg/m 3 ) Imagen 5.2. Gráfico de medias. SG/CG/H. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) Imagen 5.3. Gráfico de medias. SG/CG/H. Módulo de elasticidad local (N/mm 2 ) Imagen 5.4. Gráfico de medias. SG/CG/H. Tensión de rotura (N/mm 2 ) Imagen 5.5. Detalle del apoyo de las piezas con la gema trabajando a tracción Imagen 5.6. Gráfico de medias. SG/CG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y posición de la gema Imagen 5.7. Gráfico de medias. SG/CG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y posición de la gema Imagen 5.8. Gráfico de medias. SG/CG. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y posición de la gema Imagen 5.9. Gráfica de análisis de cargas de factor Imagen Rendimiento de la clasificación visual. SG/CG/H Imagen Causa del rechazo. SG/CG/H Imagen Gráfico de medias. SG/CG/H. Densidad global (kg/m 3 ) y clase visual Imagen Gráfico de medias. SG/CG/H. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clase visual x -

19 Imagen Gráfico de medias. SG/CG/H. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clase visual Imagen Clasificación visual. R-MEG Imagen Causa del rechazo Imagen Gráficos de medias. SG/CG/H. Densidad (kg/m 3 ) y clasificación visual. Sin criterio gema en el lote CG Imagen Gráficos de medias. SG/CG/H. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin criterio gema en el lote CG Imagen Gráficos de medias. SG/CG/H. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin criterio "gema" en el lote CG Imagen Clasificación visual. SG/CG Imagen Causa del rechazo. SG/CG Imagen Gráfico de medias. SG/CG. Densidad (kg/m 3 ) y clasificación visual Imagen Gráficos de medias. SG/CG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual Imagen Gráficos de medias. SG/CG. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual Imagen Clasificación visual. SG/CG. Sin criterio "gema" en el lote CG Imagen Causa del rechazo. SG/CG. Sin criterio "gema" en el lote CG Imagen Gráfico de medias. SG/CG. Densidad (kg/m 3 ) y clasificación visual. Sin criterio gema en el lote CG Imagen Gráfico de medias. SG/CG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin criterio gema en el lote CG Imagen Gráfico de medias. SG/CG. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin criterio gema en el lote CG Imagen Clasificación visual. SG Imagen Causas del rechazo. SG Imagen Gráfico de medias. SG. Densidad global (kg/m 3 ) y clasificación visual Imagen Gráfico de medias. SG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual Imagen Gráfico de medias. SG. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual Imagen Clasificación visual. SG. Sin considerar defectos de secado Imagen Causa del rechazo. SG. Sin considerar defectos de secado Imagen Gráfico de medias. SG. Densidad (kg/m 3 ) y clasificación visual. Sin considerar defectos de secado Imagen Gráfico de medias. SG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin considerar defectos de secado Imagen Gráfico de medias. SG. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin considerar defectos de secado xi -

20 Imagen Clasificación visual. CG Imagen Causa del rechazo. CG Imagen Clasificación visual. CG. Sin criterio gema Imagen Causa del rechazo. CG. Sin criterio gema Imagen Gráfico de medias. CG. Densidad (kg/m 3 ) y clasificación visual. Sin criterio gema Imagen Gráfico de medias. CG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin criterio gema Imagen Gráfico de medias. CG. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin criterio gema Imagen Evolución de la clasificación visual en función del secado. H. (azul MEG, rojo R) Imagen Evolución de la clasificación visual en función del secado. Causas del rechazo. H Imagen Clasificación visual. H. Humedad media del lote 43,2% Imagen Causa del rechazo. H. Humedad media del lote 43,2% Imagen Clasificación visual. H. Humedad media del lote 12,0% Imagen Causa del rechazo. H. Humedad media del lote 12,0% Imagen Gráfico de medias. H. Densidad (kg/m 3 ) y clasificación visual. Humedad media del lote 12,0% Imagen Gráfico de medias. H. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual. Humedad media del lote 12,0% Imagen Gráfico de medias. H. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual. Humedad media del lote: 12,0% Imagen Histograma de frecuencias. Velocidad Microsecond Timer Testa-Testa (m/s) Imagen Valores Observados-predichos. Velocidad Microsecond Timer (m/s) Imagen Histograma de frecuencias. Velocidad Sylvatest testa-testa (m/s) Imagen Valores predichos-observados. Velocidad Sylvatest (m/s) Imagen Histograma de frecuencias. Velocidad de vibración longitudinal (m/s) Imagen Percentiles de velocidad Imagen ANOVA de medias del módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación por velocidad Imagen ANOVA de medias de la tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación por velocidad Imagen ANOVA entre clases visuales para el módulo de elasticidad global (N/mm 2 ). SG CG H Imagen ANOVA entre clases visuales para la tensión de rotura (N/mm 2 ). SG CG H xii -

21 Imagen ANOVA entre clases de velocidad para el módulo de elasticidad global (N/mm 2 ). SG CG H Imagen ANOVA entre clases de velocidad para la tensión de rotura (N/mm 2 ). SG CG H Imagen Gráfico de medias del MOE Glo12 con la nueva clasificación CV +V. SG CG H Imagen Gráfico de medias de TDR pos con la nueva clasificación CV +V. SG Imagen Gráfico de medias del MOE Glo12 con la nueva clasificación CV +V. SG Imagen Gráfico de medias del MOE Glo12 con la nueva clasificación CV +V. SG Imagen Gráfico de medias del MOE Glo12 con la nueva clasificación CV+V. SG Imagen Gráfico de medias de TDR pos con la nueva clasificación CV+V. Lote SG Imagen Histograma de frecuencias. Frecuencia de vibración transversal sobre canto (Hz) Imagen Histograma de frecuencias. Frecuencia de vibración transversal sobre cara (Hz) Imagen Medidas en dirección radial sobre la gema y fuera de ella Imagen Histograma comparativo de fuerza de arranque de tornillo con gema y sin gema Imagen Histograma comparativo de penetrómetro en cantos con o sin gema Imagen Gráfico de caja y bigotes. Densidad global (kg/m 3 ) Imagen Histograma de frecuencias. Densidad global (kg/m 3 ) Imagen Gráfico de medias del análisis de varianza de la densidad global: H SG/CG (kg/m 3 ) Imagen Gráfico de medias del análisis de varianza de la densidad global: H/G/CG (kg/m 3 ) Imagen Gráfico de caja y bigotes. Densidad local (kg/m 3 ) Imagen Histograma de frecuencias. Densidad local (kg/m 3 ) Imagen Gráfico de medias del análisis de varianza de la densidad local H SG/CG (kg/m 3 ) Imagen Gráfico de medias del análisis de varianza de la densidad local H/SG/CG (kg/m 3 ) Imagen Modelo ajustado de densidad global-densidad local (kg/m 3 ) Imagen Gráfico caja y bigotes. Densidad global (kg/m 3 ). Piezas SG/CG Imagen Histograma de frecuencias. Densidad global (kg/m 3 ). Piezas SG/CG Imagen Gráfico caja y bigotes. Densidad local (kg/m 3 ). Piezas SG/CG Imagen Histograma de frecuencias. Densidad local (kg/m 3 ). Piezas SG/CG Imagen Modelo ajustado de densidad global- local (kg/m 3 ). Piezas SG/CG Imagen Gráfico de caja y bigotes. Densidad global (kg/m 3 ). Piezas H xiii -

22 Imagen Histograma de frecuencias. Densidad global (kg/m 3 ). Piezas H Imagen Gráfico de caja y bigotes. Densidad local (kg/m 3 ). Piezas H Imagen Histograma de frecuencias. Densidad local (kg/m 3 ). Piezas H Imagen Modelo ajustado de densidad global-local (kg/m 3 ). Piezas H Imagen Valores observados - predichos. Densidad local a partir de penetrómetro (kg/m 3 ) Imagen Gráfico de caja y bigotes. Densidad calculada con la profundidad de penetración (kg/m 3 ) Imagen Histograma de frecuencias. Densidad calculada con la profundidad de penetración (kg/m 3 ) Imagen Gráfico de medias. Densidad estimada con la profundidad de penetración. Piezas H SG/CG (kg/m 3 ) Imagen Gráfico de medias. Densidad estimada con la profundidad de penetración. Piezas H SG CG (kg/m 3 ) Imagen Valores observados - predichos. Densidad local a partir de la resistencia al arranque de tornillo (kg/m 3 ) Imagen Gráfico de caja y bigotes. Densidad calculada con la resistencia al arranque de tornillo (kg/m 3 ) Imagen Histograma de frecuencias. Densidad calculada con la resistencia al arranque de tornillo (kg/m 3 ) Imagen Análisis de varianza. Densidad calculada con la profundidad de penetración. H SG/CG (kg/m 3 ) Imagen Análisis de varianza. Densidad calculada con la profundidad de penetración. H SG CG (kg/m 3 ) Imagen Valores observados - predichos. Densidad global a partir de la profundidad de penetración y resistencia al arranque de tornillo (kg/m 3 ) Imagen Valores observados - predichos. Densidad local a partir de la profundidad de penetración y resistencia al arranque de tornillo (kg/m 3 ) Imagen Histograma de frecuencias MOEglo (N/mm 2 ) Imagen Medias del análisis de la varianza del módulo de elasticidad global (N/mm 2 ). H SG/CG Imagen Medias del análisis de la varianza del módulo de elasticidad global (N/mm 2 ). H SG CG Imagen Histograma de frecuencias MOEloc (N/mm 2 ) Imagen Medias del análisis de la varianza del módulo de elasticidad local (N/mm 2 ). H SG/CG Imagen Medias del análisis de la varianza del módulo de elasticidad local (N/mm 2 ). H SG CG Imagen Modelo ajustado de Módulos de Elasticidad (N/mm 2 ) Imagen Valeros predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). Microsecond Timer xiv -

23 Imagen Valores predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). Sylvatest Imagen Valores predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). PLG longitudinal Imagen Medias de los módulos de elasticidad (N/mm 2 ) Imagen Valores predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). Microsecond Timer Imagen Valores Predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). Sylvatest Imagen Valores predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). PLG longitudinal Imagen Valores predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). PLG transversal canto Imagen Valores predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). PLG transversal cara Imagen Histograma de frecuencias de la tensión de rotura (N/mm 2 ) Imagen Análisis ANOVA para la tensión de rotura (N/mm 2 ). H SG/CG Imagen Análisis ANOVA para la tensión de rotura (N/mm 2 ). H SG CG Imagen Valores predichos-observados. Tensión de Rotura (N/mm 2 ). Microsecond Timer Imagen Valores predichos-observados. Tensión de rotura (N/mm 2 ). Sylvatest Imagen Valores predichos-observados. Tensión de rotura (N/mm 2 ). PLG Imagen Valores predichos-observados. Tensión de rotura (N/mm 2 ). Microsecond Timer Imagen Valores Predichos-observados. Tensión de Rotura (N/mm 2 ). Sylvatest Imagen Valores predichos-observados. Tensión de rotura (N/mm 2 ). PLG longitudinal Imagen Valores predichos-observados. Tensión de Rotura (N/mm 2 ). PLG transversal canto Imagen Valores predichos-observados. Tensión de rotura (N/mm 2 ). PLG transversal cara Imagen Evolución del contenido de humedad (%) de todas las piezas durante el proceso de secado Imagen Evolución del contenido medio de humedad (%) según cada sistema de medida Imagen ANOVA contenido de humedad medido con diferentes electrodos (H media 35,5%) Imagen ANOVA contenido de humedad medido con diferentes electrodos (H media 21,4%) xv -

24 Imagen ANOVA contenido de humedad medido con diferentes electrodos (H media 11,8%) Imagen Merma producida en cara Imagen Merma producida en canto Imagen Relación peso-humedad Imagen Relación peso-días de secado Imagen Relación densidad - humedad Imagen Rendimiento de la clasificación visual y contenido de humedad Imagen Relación Velocidad de transmisión - días de secado Imagen Relación Velocidad de onda - humedad Imagen ANOVA velocidad de onda para diferentes equipos y contenidos de humedad Imagen Relación entre velocidades para distintos rangos de humedad. Equipo Sylvatest Imagen Velocidad de onda con contenido de humedad entre 11,8 y 21,4 %. Sylvatest Imagen Velocidad de onda con contenido de humedad entre 11,8 y 21,4 %. Microsecond Timer Imagen Velocidad de onda con contenido de humedad entre 11,8 y 21,4 %. PLG xvi -

25 Índice de tablas Tabla 3.1. Características de las principales maderas españolas (valores medios en madera libre de defectos) Tabla 3.2. Regiones de procedencia española del Pinus sylvestris L Tabla 3.3. Clase Visual-Clase Resistente Tabla 3.4. Propiedades de la madera en función de la clase resistente asignada Tabla 3.5. Especificaciones según UNE para piezas de sección rectangular con anchura b >70 mm Tabla 3.6. Resumen Tabla 4.1. Dimensiones de la muestra Tabla 4.2. Resumen de los ensayos no destructivos, equipos y variables Tabla 4.3. Resumen de la metodología para cada viga de los lotes SG/CG Tabla 4.4. Resumen de la metodología para cada viga del lote H Tabla 5.1. Esquema de trabajo Tabla 5.2. Resultados de la clasificación visual. SG/CG/H Tabla 5.3. Motivos de Rechazo de la clasificación visual. SG/CG/H Tabla 5.4. Valores medios en función de la clase visual Tabla 5.5. Resultado de la clasificación visual. SG/CG/H. Sin criterio gema en CG Tabla 5.6. Motivos de Rechazo en la clasificación visual. SG/CG/H. Sin criterio "gema" en CG Tabla 5.7. Valores medios en función de la clase visual sin considerar criterio "gema" en el lote CG Tabla 5.8. Resultados de la clasificación visual. SG/CG Tabla 5.9. Motivos de Rechazo en la clasificación visual. SG/CG Tabla Valores medios en función de la clase visual. Piezas SG y CG Tabla Resultados de la clasificación visual. SG/CG. Sin criterio gema en el lote CG Tabla Motivos de rechazo en la clasificación. SG/CG. Sin criterio gema en el lote CG Tabla Valores medios en función de la clase visual. SG/CG. Sin criterio gema en el lote CG Tabla Resultados de la clasificación visual. SG Tabla Motivos de Rechazo en la clasificación visual. SG Tabla Valores medios en función de la clase visual. SG Tabla Resultados de la clasificación visual. SG. Sin considerar defectos de secado xvii -

26 Tabla Motivos de Rechazo. SG. Sin considerar defectos de secado Tabla Valores medios en función de la clase visual. SG. Sin considerar efectos de secado Tabla Clasificación visual. CG Tabla Motivos de Rechazo en la clasificación visual. CG Tabla Valores medios en función de la clase visual. CG Tabla Clasificación visual. CG. Sin criterio gema Tabla Motivos de Rechazo de piezas CG Tabla Valores medios en función de la clase visual. CG. Sin criterio gema Tabla Resultados de la clasificación visual y contenido de humedad. H Tabla Motivos de Rechazo visual y contenido de humedad. H Tabla Valores medios en función de la clase visual. H Tabla Velocidad Microsecond Timer Testa-Testa (m/s) y coeficientes de variación (%) Tabla Resumen de velocidades Microsecond Timer Cara-Cara (m/s) y coeficientes de variación (%) Tabla Velocidad Sylvatest testa-testa (m/s) y coeficientes de variación (%) Tabla Velocidad Sylvatest cara-cara (m/s) y coeficientes de variación (%) Tabla Velocidades de vibración longitudinal PLG (m/s) y coeficientes de variación (%) Tabla Diferencias significativas de propiedades de la madera para clases obtenidas en función de la velocidad de transmisión Tabla Propiedades mecánicas medias según su clase de transmisión de onda (percentil 25) Tabla Valores medios en función de la clase visual para todas las piezas. SG CG H Tabla Valores medios en función de la clase por velocidad. SG CG H Tabla Valores medios en función de la clase visual y clase de velocidad. SG CG H Tabla Valores medios en función de la clase visual. SG Tabla Valores medios en función de la clase visual y clase de velocidad. SG Tabla Resumen de frecuencias de vibración transversal (Hz) y coeficientes de variación (%) Tabla Comparativa arranque de tornillo sobre la gema o fuera de ella (C.V.) Tabla Valores de fuerza de arranque de tornillo medios (kn) corregidos al 12% de humedad y Coeficientes de variación (C.V.) Tabla Comparativa de penetrómetro sobre la gema o fuera de ella (C.V.) Tabla Valores de profundidad de penetración medios corregidos al 12% de humedad (mm) y Coeficientes de variación xviii -

27 Tabla Resultados densidad corregida al 12% de humedad (Kg/m 3 ) Tabla Resultados densidad media (kg/m 3 ). Piezas SG/CG Tabla Resultados densidad media (kg/m 3 ). Piezas H Tabla Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y coeficientes de variación por lotes Tabla Módulo de elasticidad local (N/mm 2 ) y coeficientes de variación por lotes Tabla Resultados de MOEglo y MOEloc (N/mm 2 ) Tabla Módulos de elasticidad estático y dinámico por transmisión de onda, y coeficientes de variación Tabla Módulos de elasticidad dinámicos por vibración y coeficientes de variación Tabla Tensión de rotura y coeficientes de variación (%) Tabla Variaciones en las dimensiones de las piezas durante el proceso de secado Tabla Rendimiento en % de la clasificación visual y contenido de humedad. Lote H Tabla Resumen datos Humedad - Velocidades Tabla Rangos de humedad y relación entre velocidades de onda para Sylvatest Tabla Rangos de humedad y factores de corrección Tabla Factores de corrección medio de velocidad para contenido de humedad entre 9 y 25% Tabla 6.1. Propiedades mecánicas en función de las clases de velocidad de transmisión de onda Tabla 6.2. Propiedades mecánicas en función de las clases visuales y clases de velocidad de onda. SG CG H Tabla 6.3. R 2 para estimación de densidad mediante técnicas no destructivas Tabla 6.4. R 2 para estimación del MOE mediante velocidad de onda y vibración longitudinal Tabla 6.5. R 2 para estimación del MOE mediante vibración transversal Tabla 6.6. R 2 para estimación de la tensión de rotura mediante velocidad de onda y vibración xix -

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29 Resumen Esta Tesis Doctoral aborda el estudio de algunas técnicas no destructivas para la clasificación de madera de pino silvestre (Pinus sylvestris L.) de procedencia española y de gruesa escuadría para uso estructural. Para la estimación del módulo de elasticidad y de la resistencia se han aplicado técnicas basadas en la propagación de una onda a través de la madera: onda de ultrasonidos (Sylvatest) o de impacto (Microsecond Timer) en dirección longitudinal, o vibración en dirección longitudinal y transversal (PLG). Para la estimación de la densidad se han utilizado métodos puntuales basados en el penetrómetro (Pilodyn) y en la resistencia al arranque de un tornillo. Las variables obtenidas han sido relacionadas con los resultados de la clasificación visual y con las propiedades de la madera determinadas mediante ensayo mecánico. Además, se ha estudiado la influencia de la humedad de la madera en la velocidad de propagación de la onda para definir factores de corrección a los equipos comerciales utilizados en esta Tesis Doctoral. La muestra de estudio está formada por 244 piezas procedentes de El Espinar, Segovia, con dimensiones nominales 150 x 200 x 4000 mm (218 piezas) y 100 x 150 x 3000 mm (26 piezas). De todas las piezas se tomaron datos de dimensiones, contenido de humedad y clasificación visual según la norma UNE En las primeras 218 vigas se aplicaron las técnicas de ultrasonidos, onda de impacto y vibraciones, se determinó la densidad de cada pieza completa y se ensayaron según la norma UNE-EN 408 para obtener el módulo de elasticidad global (en todos los casos) y local (en un porcentaje), así como de la tensión de rotura. Se extrajeron tres rebanadas para los ensayos puntuales y para el cálculo de la densidad. En las otras 26 piezas se repitieron los ensayos (transmisión de onda, vibración y clasificación visual) durante el proceso de secado natural, desde que la madera se encontraba húmeda (en torno al 40 %) hasta la humedad de equilibrio higroscópico (en torno al 9%). Respecto a la clasificación visual no se han observado diferencias significativas entre la calidad MEG o las rechazadas. Se han estudiado las consecuencias del secado (principalmente las deformaciones) y no se ha encontrado justificación para que estos defectos penalicen la clasificación. - xxi -

30 Para la densidad, el mayor R 2 obtenido ha sido de un 47% a partir del uso combinado de los dos equipos puntuales (penetrómetro y arranque de tornillo). Para el módulo de elasticidad y la tensión de rotura, la mejor relación se ha obtenido a partir de la técnica de vibración longitudinal, con unos coeficientes de 79% y un 52% respectivamente. Se ha estimado que el aumento de un punto porcentual en el contenido de humedad de la madera produce una pérdida de velocidad de onda del 0,58% para Sylvatest y Microsecond Timer, y del 0,71% para PLG. Estos valores son generalizables para un rango de humedades entre 9 y 25 %. - xxii -

31 Abstract This Doctoral Thesis approach the study of some non-destructive techniques as a classification method for structural use of Scots pine wood of Spanish origin with large cross section. To estimate the modulus of elasticity and strength have been used techniques based on the propagation of a wave through the timber: ultrasonic wave (Sylvatest) or stress wave (Microsecond Timer) in longitudinal direction, or vibration in longitudinal and transversal direction (PLG). Local probing methods have been applied to estimate the density, based on penetrometer (Pilodyn) and the screw withdrawal resistance meter. The different variables obtained were compared with the results of the visual grading and the values of the properties of the wood determined by the standardized test of the pieces. Furthermore, the influence of the moisture content of the wood on the velocity of propagation of the waves through the timber has been analyzed in order to establish a correction factor for the commercial devices used in this Doctoral Thesis. The sample tested consists of 244 pieces from El Espinar, Segovia, with nominal dimensions 150 x 200 x 4000 mm (218 pieces) and 100 x 150 x 3000 mm (26 pieces). Data collection about dimensions, moisture content and visual grading according to the UNE standard were carried out on all the pieces. The first 218 pieces were tested by non destructive techniques based on ultrasonic wave, stress wave and vibration, the density was measured on each piece and bending test according to the UNE-EN 408 standard was carried out for calculating the global modulus of elasticity (all the pieces) and the local one (only a representative group), as well as the bending strength. Three slices were removed for implementing the local probing and to calculate the density. In the other 26 pieces the tests (wave transmission, vibration and visual grading) were repeated during the natural drying process, from wet timber (around 40 % moisture content) up to the equilibrium moisture content (around 9%). Regarding the visual grading no significant differences were observed between MEG or rejected pieces. The effects of drying (deformations) have been studied, and justification for the specification hasn't been found. To estimate the density, the greater R 2 obtained was 47% by using both penetrometer and screw withdrawal. For the modulus of elasticity and bending strength, the best - xxiii -

32 relationship has been found with the longitudinal vibration, with coefficients of 79% and 52% respectively. It has been estimated that an increase of a point of the moisture content of the wood produces a decrease on the velocity obtained from ultrasonic or stress wave of 0,58%, and 0,71 % for the one obtained from vibration. Those values can be generalized for a range of moisture content from 9 to 25 %. - xxiv -

33 1. INTRODUCCIÓN La madera es uno de los materiales más antiguos empleados en la construcción. Además, es demandada en carpintería y como combustible, lo que supone una gran competitividad a la hora de decidir su aprovechamiento. Su importancia como material de construcción ha sido variable a lo largo de la historia. En épocas recientes ha sido reemplazada por otros materiales como el hormigón y el acero, que son materiales homogéneos de comportamiento previsible y más sencillos de conseguir. En España, el desuso de la madera en la construcción fue llamativo durante el siglo XX. Sin embargo en los últimos años se está recuperando su empleo en la construcción, en gran parte por tratarse de un material sostenible, renovable y ecológico. La madera utilizada en la construcción es empleada en elementos estructurales como vigas o pilares que trabajan como estructuras portantes. Estas maderas resulta conveniente que sean de rápido crecimiento, económicas, y que garanticen la resistencia y estabilidad de los elementos a construir. La tendencia actual se orienta a la utilización de coníferas, maderas en general resistentes y de bajo peso propio. Estas características se observan en el pino silvestre (Pinus sylvestris L.), considerado uno de los mejores pinos de España por su calidad, limpieza y rectitud de fibra gracias a la poda natural que realiza. La implantación en España de la Ley 38/1999 de 5 de noviembre, de Ordenación de la Edificación (LOE), el Código Técnico de la Edificación, aprobado en 2006 (CTE) y la Directiva Europea 89/106 de Productos de la Construcción han hecho que por primera vez la madera estructural esté enmarcada en una normativa de obligado cumplimiento. Esto supone un reto y una posibilidad de certificar y demostrar el potencial de la madera en el campo estructural. Las normas fijan un criterio objetivo que debe cumplir un producto, en este caso la madera, definiendo algunas de las características del mismo. Fijar los niveles de calidad y seguridad se convierte en un aspecto fundamental para facilitar la transparencia en el mercado, imprescindible a la hora de competir con otros materiales. La normalización es el proceso por el que se unifican criterios de fabricantes, proveedores, trabajadores, consumidores, usuarios y los poderes públicos para fijar las características técnicas que deberá reunir, en este caso, la madera estructural. Supone la implantación de una serie de garantías que deben ser cubiertas de forma obligatoria por los diferentes - 1 -

34 1. Introducción agentes que intervienen en el proceso de la edificación. Esto ha derivado en la necesidad de ampliar la investigación sobre la madera como material estructural, de estudiar la caracterización del material en función de la especie, la procedencia, la escuadría y otros factores, con el fin de asegurar con datos científicos que cumple los requisitos de seguridad, calidad y durabilidad exigidos por las normas correspondientes. Desde la entrada en vigor del Código Técnico de la Edificación se exige la asignación de una clase resistente a la madera de uso estructural que asegure unos valores mínimos de densidad, elasticidad y resistencia. Además, los Sellos de Calidad se ofrecen con carácter voluntario para garantizar la correcta clasificación y asignación de clase resistente de los aserraderos. Una de las dificultades que presenta la madera para ser utilizada en estructuras es la determinación de sus propiedades mecánicas. Para ello se han establecido sistemas normalizados de clasificación por procedencias, especies y calidades. Otros sistemas no destructivos de clasificación que están siendo investigados constituyen la base de esta Tesis Doctoral. El sistema más extendido está basado en la clasificación visual para la asignación de clases resistentes en madera aserrada. La clasificación visual para madera aserrada consiste en la valoración de las singularidades presentes en la pieza para catalogar la misma en un sistema de calidades, como madera válida para la construcción o rechazarla para este fin. Esta clasificación visual es sencilla, aunque en la mayoría de los casos resulta demasiado conservadora. Además, incorpora un componente subjetivo que puede variar en función del operario que la realice. Por esta razón, la búsqueda de otros sistemas de clasificación alternativos que conlleven un mejor análisis de la variabilidad, se convierte en un objetivo fundamental para la mejora de la clasificación de la madera de construcción (Fernández- Golfín, 2003). Una de las alternativas para cubrir las deficiencias de la clasificación visual consiste en la implantación de máquinas de clasificación mecánica. Resulta un método caro y no aplicable a todas las escuadrías empleadas en la construcción, pero cuenta con respaldo normativo, lo que supone una ventaja importante en el caso de escuadrías menores. La Norma aplicable para la clasificación mecánica es EN Estructuras de madera. Madera estructural con sección transversal rectangular clasificada por resistencia. Parte 4: Equipo de clasificación. Equipo de clasificación con sistema controlado automáticamente

35 1. Introducción La variedad de nomenclaturas y normas europeas complicaba la comercialización de madera en países diferentes al originario del material. Como solución, se creó el Sistema Europeo de Clases Resistentes para madera, recogido en la norma UNE EN 338 y publicado en Con esta norma se aceptaba la creación de las clases resistentes de la madera, de C-14 a C-40 para las coníferas y D-30 a D-70 para las frondosas. A cada una de las clases se les asignan una serie de valores numéricos para cada propiedad habitual en el cálculo (resistencia a flexión, tracción, compresión, cortante, módulos de elasticidad) así como las densidades media y característica. La segunda parte del problema, la asignación de las calidades obtenidas con la norma de cada país al sistema europeo de clases resistentes, lo resuelve la norma UNE EN 1912, un documento de consenso redactado por el Comité Técnico CEN/TC 124, que dicta las normas que afectan a los productos destinados al mercado estructural, como la madera (Fernández-Golfín et al., 1998.). Cada país ha tenido que declarar (y justificar) a qué clase resistente europea corresponden sus especies y calidades clasificadas según su sistema propio. En España se publicó por primera vez en el año 1997 la norma UNE Clasificación visual de la madera aserrada para uso estructural (Adell, 2005). Esta norma es de aplicación a coníferas de importancia comercial y utilizadas habitualmente en estructuras, entre ellas el Pinus sylvestris L.. La última versión aprobada de esta Norma corresponde a UNE 56544:2011. En el caso del pino silvestre, la clase resistente asignada en función de su clasificación visual varía entre C18, si la madera es clasificada visualmente como ME2, C22 si es MEG, y C27 si es ME1 (UNE-EN 1912). Para las frondosas, la Norma de clasificación visual aplicable en España es la UNE Completan este conjunto normativo aplicable a la madera estructural de gruesa escuadría, la norma EN 408 de ensayos estructurales y EN 384 de cálculo de valores característicos, que establecen la metodología de la caracterización mecánica de las diversas especies de madera estructural comercializada en la Unión Europea. Para poder caracterizar la madera de uso estructural es necesaria la determinación de sus propiedades mecánicas mencionadas anteriormente. En principio se estudiaron los valores correspondientes a estas características en pequeñas escuadrías (inferiores a 70 x 200 mm). En España y sobre el pino silvestre, hay que destacar los estudios llevados a cabo en el INIA (Fernández-Golfín et al. 1997; Hermoso et al. 2002). El estudio de la gruesa escuadría no se inicia en España hasta el año Esta línea de investigación en gran escuadría continúa desarrollándose por varios grupos de investigación nacionales en distintas especies de madera

36 1. Introducción En la actualidad hay veinticinco instituciones (o personas individuales) que forman parte de los grupos de investigación que estudian sobre madera estructural en España. Estas investigaciones pueden clasificarse en (Esteban et al. 2007): - Caracterización de madera aserrada para uso estructural. Dentro de este apartado, se diferencian los estudios por especie, escuadría y procedencia. - Técnicas no destructivas en madera. Estudio de factores que influyen en dichas técnicas como: humedad, longitud de la pieza, calidad de la madera. - Uniones y sistemas estructurales. - Protección y durabilidad. - Intervención en estructuras existentes. Peritación y rehabilitación. - Modelización e informatización. - Fuego. - Control de calidad de la madera en construcción. - Otros. Durante los últimos años ha aumentado el trabajo en la caracterización de la madera aserrada para uso estructural mediante ensayo mecánico y en la exploración de técnicas y que permitan clasificar la madera en aserradero. Para lograr la caracterización del material, uno de los enfoques de las técnicas no destructivas está dirigido a estimar las propiedades mecánicas de la madera, completando así las conclusiones y resultados obtenidos con la clasificación visual y mejorando la predicción de las propiedades o la detección de defectos no visibles en el material. Las técnicas no destructivas se caracterizan por no modificar de manera sensible las propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales de la pieza. Se basan en la aplicación de fenómenos físicos para la evaluación de las propiedades del material por lo que están menos determinadas por la subjetividad del operario que realiza el ensayo, como puede pasar en la clasificación visual. Estas técnicas tratan de mejorar la capacidad de predicción de las propiedades del material y aumentar la fiabilidad del cálculo estructural. Los aserraderos y fábricas de madera para uso estructural han mostrado interés en ensayos no destructivos y su posible empleo en sus líneas de producción, ya que otras técnicas como la clasificación mecánica no pueden llevarse a cabo con las escuadrías mayores. Además, su posible empleo en - 4 -

37 1. Introducción obras existentes hace que sean métodos estudiados y valorados positivamente por un mayor número de agentes implicados. Por todo lo anterior, esta Tesis Doctoral aborda el estudio de las técnicas no destructivas como método para la clasificación de madera estructural de pino silvestre de procedencia española y de gran escuadría, y profundiza en la influencia del contenido de humedad de la madera en dichas técnicas. Se centra en el estudio de las técnicas no destructivas basadas en la utilización de equipos comerciales portátiles con el objeto de complementar las técnicas de clasificación visual de la madera de gruesa escuadría de procedencia española. Para ello se ha trabajado con dos lotes de vigas de madera de pino silvestre: piezas de dimensiones nominales 4000 x 200 x 150 mm procedentes del aserradero de El Espinar (Segovia, España), de este lote aproximadamente la mitad se encuentran escuadradas y el resto presentan gemas en uno de sus cantos; - 26 piezas de la misma especie y procedencia, con dimensiones nominales 3000 x 150 x 100 mm, destinadas al estudio de la influencia de la humedad en las técnicas no destructivas. Se ha llevado a cabo la clasificación visual de las piezas y los ensayos no destructivos basados en diferentes técnicas: - la medición de la velocidad de propagación de una onda a través del material (equipos Sylvatest y Microsecond Timer); - en el análisis de vibraciones inducidas (Portable Lumber Grade); - en la resistencia al arranque de un tornillo (MAT); - en la profundidad de penetración de una varilla (Pilodyn). La base de toda la investigación se resume en el análisis de relaciones entre variables que permitan predecir las propiedades mecánicas de la madera obtenidas mediante ensayo mecánico a partir de los estimadores medidos mediante las diferentes técnicas no destructivas, con una especial dedicación al estudio de la influencia de la humedad de la madera

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39 2. OBJETIVO DE LA TESIS DOCTORAL El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el estudio de algunas técnicas no destructivas como método para la clasificación para uso estructural de la madera de pino silvestre de procedencia española de gran escuadría. Se pretende concretar soluciones prácticas que permitan estimar las propiedades físicas y mecánicas de la madera para uso estructural mediante la utilización de equipos comerciales aplicables en madera nueva y en estructuras existentes. Como objetivos particulares se encuentran: - Análisis del rendimiento de la clasificación visual en gruesa escuadría de pino silvestre de procedencia española relacionada con la velocidad de propagación de una onda a través de la madera. - Determinación de las propiedades físicas y mecánicas de la madera mediante ensayo normalizado (Norma UNE-EN 408): densidad, módulo de elasticidad estático y resistencia. - Establecer relaciones entre variables que permitan predecir o estimar el módulo de elasticidad estático y la resistencia a partir de parámetros no destructivos basados en la velocidad de propagación de una onda o las vibraciones inducidas. - Estimación de la densidad a partir de la resistencia al arranque de tornillo o a la penetración de una varilla en la madera. - Análisis de la influencia del contenido de humedad en la velocidad de propagación de una onda a través de la madera como técnica no destructiva. Los objetivos complementarios del trabajo realizado, pueden enumerarse en: - Incorporar los resultados del trabajo a la base de datos existente de ensayos y madera estructural, cuyo objeto a medio plazo es caracterizar las maderas estructurales españolas y normalizar el uso de técnicas no destructivas. - Comparativa de diferentes sistemas de medición de humedad. - Clasificación de la madera de Pinus sylvestris L. en función de los resultados obtenidos combinando la clasificación visual y las técnicas no destructivas

40 2. Objetivo de la Tesis Doctoral - Comparativa del rendimiento de esta clasificación con los resultados obtenidos únicamente con la clasificación visual actual

41 3. ANTECEDENTES 3.1. Generalidades sobre la madera estructural de gran escuadría La madera es definida en la Real Academia Española como la parte sólida de los árboles cubierta por la corteza (Diccionario RAE, 2001). En el Diccionario Forestal (Diccionario Forestal, 2005), aparecen tres definiciones: la primera es relativa a la madera desde el punto de vista de anatomía vegetal principal tejido lignificado y conductor de agua en fustes, hojas y raíces caracterizado por la presencia de elementos traqueales. En segundo lugar define a la madera desde el punto de vista de la industria forestal como materia leñosa y celulósica situada en tallos de más de una año, entre la médula y la corteza de un árbol, arbusto o mata. Y la tercera, como aprovechamiento forestal define a la madera como material en forma de árboles en pie o apeados, o productos obtenidos después de su transformación. Se trata de un material heterogéneo y, a grandes rasgos, se puede describir como un material compuesto por elementos fibrosos huecos agrupados y entrelazados a nivel microscópico y macroscópico, orientados en su mayoría en la misma dirección y dejando abundantes huecos para permitir el paso de la savia y otros productos. Como consecuencia se obtiene un material muy eficiente estructuralmente, resistente y, al mismo tiempo, muy ligero. Por este motivo se puede considerar a la madera como un material estructural alternativo y competitivo. El uso de la madera se remonta a las primeras civilizaciones por ser un recurso disponible en la naturaleza. El hombre ha explotado estas ventajas para la construcción de estructuras de todo tipo, predominando aquellas en las que la madera trabaja para soportar esfuerzos de flexión y de compresión en la dirección de la fibra. Al principio, las estructuras consistían en troncos de madera apilados horizontalmente y ensamblados en las esquinas. Sin embargo, en los primeros aserraderos de madera se comenzó a serrar los troncos por sus dos lados, para optimizar el uso de la materia prima y estandarizar sus medidas en base a secciones escuadradas. La madera aserrada es la forma más elemental de aprovechamiento del tronco. Se trata de madera maciza que se ha obtenido a través de la industria de primera transformación, mediante procesos simples basados en el aserrado, secado y cepillado. Las piezas están - 9 -

42 3. Antecedentes generalmente escuadradas, con caras paralelas entre sí y cantos perpendiculares a las mismas. La estructura fibrosa de la madera, junto con la presencia de singularidades en su estructura, hacen que sea un material muy heterogéneo, por lo que la utilización de la madera aserrada en estructuras requiere caracterizar el material mediante la determinación fiable de sus propiedades físicas y mecánicas, así como otras características relacionadas con su comportamiento al fuego y durabilidad. Una de las propiedades que hace que sea un material más difícil de caracterizar es su anisotropía, que hace que estas propiedades físicas y mecánicas puedan variar en función del eje sobre el que se aplique el esfuerzo. Estas direcciones son: - Dirección axial, paralela a las fibras y al eje del árbol. Es en esta dirección donde la madera presenta mejores propiedades. - Dirección radial, perpendicular al axial, corta el eje del árbol en el plano transversal desde el interior hacia el exterior del tronco. - Dirección tangencial, tangente a los anillos de crecimiento y perpendicular al eje del árbol. Imagen 3.1. Anisotropía de la madera. Direcciones principales. Fuente 1 : Vignote Además, las irregularidades presentes en la madera provocan discontinuidades y desviaciones en la fibra que conllevan una disminución importante de las propiedades 1 Nota: Todas las referencias a imágenes o tablas en las que no se cite la fuente han sido realizadas por la autora de la Tesis Doctoral o son propiedad del Grupo de investigación Construcción con Madera de la UPM

43 3. Antecedentes mecánicas de la pieza. La singularidad de mayor importancia es la presencia de nudos como consecuencia de la existencia de ramas en el árbol. Los nudos dan lugar a una desviación local de la fibra y a la consiguiente pérdida de capacidad resistente. Considerando sus particularidades y su procedencia se puede clasificar la madera por especie y calidad, y a cada combinación de especie, calidad y procedencia asignarle una resistencia, una elasticidad y una densidad que caracterizan al material. Hasta los años 70, el estudio de la capacidad resistente de la madera se llevaba a cabo en probetas pequeñas y libres de defectos, que no son muestras representativas del material real empleado en la construcción. Es a partir de los 70 cuando se cuestionan estos ensayos y se comienza a trabajar con piezas de tamaño estructural y con defectos en su sección. Los primeros ensayos de caracterización en España se llevaron a cabo sobre probetas con dimensiones inferiores a 70 mm de espesor, dando lugar a las primeras versiones de las normas de clasificación. En la actualidad, esta normativa está siendo completada con los estudios de caracterización de la gruesa escuadría entre los que se encuentran los de esta Tesis Doctoral. A continuación se definen algunos conceptos sobre la madera estructural de gran escuadría de sección rectangular (Esteban, 2003): - Cara: de los cuatro lados de una pieza de sección rectangular son los dos lados de mayor dimensión, normalmente colocados en posición vertical en una pieza sometida a flexión. - Altura: dimensión de la cara en sentido perpendicular a la pieza, también denominado grueso de la pieza o altura de cara. Expresado como h por corresponderse con la altura del rectángulo que conforma la sección. - Canto: de los cuatro lados de una pieza de sección rectangular son los lados de menor dimensión, normalmente colocados en el plano horizontal en una pieza sometida a flexión. - Espesor: dimensión del canto en sentido perpendicular a la pieza, también denominado anchura. Se expresa normalmente como b por corresponderse con la base del rectángulo que conforma la sección

44 3. Antecedentes Imagen 3.2. Madera estructural. Cara, canto, altura y testa. Fuente: Esteban Estas denominaciones hacen referencia a una posición y uso concretos de la pieza. En la actualidad, la normativa española de clasificación de madera estructural considera gran escuadría las piezas con un espesor de 70 mm o más. Las diferencias entre pequeña y gran escuadría hacen que ciertas propiedades que han sido deducidas a partir de piezas pequeñas no se puedan extrapolar directamente a la madera de gran escuadría. Una de las diferencias entre piezas de pequeña y de gran escuadría tiene que ver con el despiece del tronco del árbol durante el aserrado. Para producir piezas de pequeña escuadría se puede recurrir a casi cualquier zona del tronco, cercana o no al centro. Para producir piezas de gran escuadría el aserrado tendrá que aprovechar necesariamente todo el tronco, incluido el centro en la mayoría de las piezas. Como consecuencia, las piezas estructurales de madera de pequeña escuadría tenderán a tener más proporción de madera de albura, más blanda y ligera, mientras que las de gran escuadría suelen presentar una mayor proporción de madera de duramen, más resistente, durable y pesada, por lo que se puede esperar un mejor comportamiento estructural aunque implique la presencia del corazón de la pieza con madera juvenil o médula. Este aspecto es a menudo debatido y no siempre es posible prever si las prestaciones de la gruesa escuadría son mejores que las de menor escuadría. En relación con el aserrado, hay que tener en cuenta que en piezas más pequeñas es posible evitar ciertas singularidades como las gemas y seleccionar zonas con una menor desviación de la fibra, sin embargo en escuadrías mayores, es más complicado. En cuanto al proceso de secado, las de pequeña escuadría tienen mayor facilidad para un secado gradual porque presentan mayor superficie específica, por lo que en general las fendas de secado serán menores en número y tamaño (Esteban, 2003)

45 3. Antecedentes La presencia de defectos mencionados como fendas de secado importantes y defectos de aserrado en madera de gran escuadría, supone en muchos casos su rechazo visual aunque puedan tener una buena capacidad resistente. Sin embargo puede haber defectos internos y ocultos que sí perjudiquen la capacidad resistente de la pieza y no sea evaluable con dicha clasificación, por lo que otros complementarios pueden adquirir utilidad en la clasificación de estas piezas. Desde el principio de la redacción de la norma UNE-EN 384 (1999) Madera estructural. Determinación de los valores característicos de las propiedades mecánicas y la densidad, se cuestionó la influencia que podían ejercer las dimensiones de una pieza sobre las propiedades resistentes de la madera. La dependencia, entre otros factores, del tamaño de la pieza, supone una dificultad más a la hora de prever el comportamiento resistente del material. En el caso del pino silvestre, el efecto del tamaño ha sido estudiado dejando patente su influencia significativa, como se explica en apartados posteriores. La durabilidad de la madera como material de construcción va a depender fundamentalmente de factores externos. Si la interacción con el medio se reduce y se protege de determinados agentes como la humedad, la madera es en sí mismo un material muy durable. Los elementos que reducen la durabilidad de la madera son distinguen básicamente en dos tipos: agentes abióticos y agentes bióticos. Entre los agentes abióticos hay que destacar el fuego, la radiación ultravioleta de la luz solar, el agua de lluvia y viento, y el uso entre otros. Los agentes bióticos que afectan a la madera son muchos y pueden llegar a ser muy agresivos, entre ellos se citan los hongos y los insectos xilófagos. Estos ataques suelen estar asociados a una humedad elevada. La madera de albura, más blanda y rica en nutrientes, es más vulnerable. La madera de duramen es mucho más dura y difícil de penetrar. Además de los beneficios que las plantaciones y bosques traen consigo durante el proceso de crecimiento de la madera, este material presenta una serie de propiedades que la hacen muy adecuada para el sector de la construcción (Queipo de Llano et al. 2010). En principio cualquier especie se puede utilizar con seguridad como material estructural si se conocen sus propiedades mecánicas, pero en la práctica el número de las especies habituales es reducido. Dentro de éstas está el Pino silvestre (Pinus sylvestris L.), en el que se centra el objetivo de esta Tesis Doctoral

46 3. Antecedentes 3.2. Factores que influyen en las propiedades mecánicas de la madera Especie En los años 60 quedó demostrado que la relación entre resistencia y rigidez analizada en especies distintas (pino silvestre y abeto rojo) sobre el mismo ancho de tabla, no eran estadísticamente diferentes. Tratando de simplificar el método y partiendo de estos resultados, algunos autores defendían la opción de considerar una única relación de la resistencia con la rigidez con validez universal independiente de la especie (Sunley y Hudson, 1964; Müller, 1968). Curry y Tory (1976) concluyeron sobre la posibilidad de adoptar las mismas regresiones para Pinus sylvestris y Picea abies pero no para otra madera como el Hemlok. En caso de aplicar estas relaciones universales sobre un número elevado de especies, muchas de ellas resultaría altamente infravaloradas. Por ello, si se pretende conseguir altos rendimientos clasificatorios es conveniente considerar regresiones comunes sólo para especies cuyo comportamiento sea similar (Fernández Golfín, 2001). A continuación aparece una tabla resumen con las características más representativas de las principales especies de maderas españolas. Tabla 3.1. Características de las principales maderas españolas (valores medios en madera libre de defectos). Fuente: Vignote, Silvestre Radiata Roble Castaño Haya Chopo Densidad (kg/m 3 ) Módulo de elasticidad (N/mm 2 ) Resistencia flexión estática (N/mm 2 ) ,7 79,5 107,0 71,0 110,0 61,2-14 -

47 3. Antecedentes Calidad de la madera Es el factor de mayor relevancia en la resistencia de la madera dentro de cada especie. Las singularidades propias del desarrollo del árbol influyen, en la mayoría de los casos, en sus propiedades mecánicas. En función del árbol, la especie y las condiciones ambientales, las propiedades pueden ser muy variables. Una pieza de un lote de determinada especie puede tener una resistencia 10 veces mayor que otra del mismo lote y misma especie. Esta diferencia es más notable en piezas pequeñas (Glos et al, 2002 recogido en Adell, 2005). Estas diferencias inciden en la necesidad de clasificar la madera estructural por calidades, ya sea mediante clasificación visual o mediante técnicas no destructivas, pero de forma que se garantice una resistencia mínima para su empleo en la construcción Humedad La humedad es una de las características fundamentales que influyen en el comportamiento de la madera. Tiene gran influencia en sus propiedades físicas y mecánicas y en los cambios dimensionales de la misma. Para valores de humedad entre el 8% y el 20% y piezas de madera libre de defectos se considera que existe una relación lineal entre las propiedades mecánicas y el contenido de humedad. Para niveles de humedad por debajo del 30% y madera comercial, a medida que aumenta la humedad de la madera, disminuye su resistencia y su módulo de elasticidad (Arriaga et al, 2003)

48 3. Antecedentes Imagen 3.3. Relación entre resistencia y contenido de humedad de la madera. Fuente: Arriaga et al En este tipo de madera, piezas de tamaño real y con singularidades, la dependencia entre humedad y propiedades mecánicas varía de la siguiente forma (Baño, 2009): - Resistencia a tracción paralela a la fibra en madera de baja calidad: independiente del contenido de humedad. - Resistencia a compresión paralela a la fibra para cualquier calidad de la madera: el contenido de humedad sí influye. - Resistencia a flexión, el comportamiento es intermedio entre los dos anteriores, aunque la influencia en el 5º percentil es muy reducida. Los ensayos de caracterización de la madera se llevan a cabo bajo contenidos de humedad en torno al 12 %. Por ello, para aplicar los valores de las propiedades mecánicas en el cálculo estructural habrá que aplicar las correcciones correspondientes a la exposición a la humedad de la estructura en cuestión, por lo que se definen 3 clases de servicio en el Código Técnico de la Edificación: - Clase de servicio 1: Contenido de humedad por debajo del 12%. Estructuras bajo cubierta y cerradas. - Clase de servicio 2: Humedad inferior al 20%. Estructuras bajo cubiertas pero abiertas y expuestas al ambiente exterior. Estructuras en ambientes húmedos. - Clase de servicio 3: Estructuras expuestas a la intemperie o en contacto con agua o suelo

49 3. Antecedentes Por la importancia del contenido de humedad en la madera para el desarrollo de la Tesis Doctoral, se amplía este punto en el apartado Duración de la carga Para una misma calidad de la madera, a mayor duración de la carga se obtiene menor resistencia. Wood estudió la relación entre la resistencia y la duración de la carga, que quedó expresada con la gráfica de Madison (Wood, 1951). Esta relación es conservadora para cargas con duración inferior a un año y va en contra de la seguridad para cargas de mayor duración. En el Eurocódigo 5 (UNE-EN ) se ha adoptado esta curva con alguna modificación para su empleo en el cálculo de las estructuras de madera. Imagen 3.4. Curvas de Madison y Eurocódigo: resistencia y duración de la carga. Fuente: Arriaga et al Los ensayos para la determinación de las propiedades mecánicas se realizan con una duración normalizada de forma que la rotura se produzca entre los 3 y los 7 minutos de ensayo. La duración de la carga y la clase de servicio se combinan para obtener un coeficiente de corrección para los cálculos estructurales con madera

50 3. Antecedentes Tamaño de la pieza En los años veinte, Newlin y Trayer desarrollaron los primeros estudios sobre la influencia de la altura del canto de la pieza en la resistencia a flexión, llegando hasta alturas de 300 mm (Newlin 1924). Los estudios de otros autores alcanzaron los 400 mm de sección, estos resultados se consideraron para la normativa aplicable en Estados Unidos, y fueron publicados en 1954 (Freas et al. 1954) Weibull propuso una teoría basada en que la probabilidad de que exista una zona de menor resistencia en una pieza de gran volumen es mayor frente a una de pequeño volumen (Weibul, 1939). Es la teoría del eslabón más débil, y concluye que una pieza sujeta a tensión es tan resistente como su parte más débil. Supone que el fallo de una pieza se produce cuando la tensión supera la resistencia del elemento más débil incluido en ella. Se aplicó por primera vez a la madera en 1966 (Bohanan, 1966). Cuando la pieza está sometida a tracción, el esfuerzo se puede considerar constante a lo largo de la pieza, por lo que el fallo se producirá en la zona más débil, que suele estar relacionada con la existencia de nudos y desviación o discontinuidad local de las fibras que producen un aumento de tensión. Cuando la pieza está sometida a flexión, la distribución de tensiones es triangular con los valores máximos localizados en los extremos de la pieza. La probabilidad de que coincida alguno de estos puntos de mayor esfuerzo con algún defecto crítico es menor que cuando la tensión es la misma en toda la sección. Si la altura de la pieza es menor, la tensión máxima producida también lo es. Imagen 3.5. Ley de tensiones en flexión

51 3. Antecedentes El efecto de la altura en las piezas sometidas a compresión es muy inferior a los casos anteriores. Los estudios sobre la influencia de las dimensiones de la pieza en la resistencia de la madera analizaron la relación MOR-MOE en diferentes secciones y concluyeron que la resistencia disminuía conforme aumentaban las dimensiones de las piezas (Curry & Tory, 1976). Por el contrario, otro estudio resultó contradictorio en este aspecto, afirmando que un aumento del volumen no implicaba una pérdida de resistencia (Madsen, 1992). La teoría sobre la pérdida de resistencia al aumentar las dimensiones cobró fuerza dando un protagonismo mayor a la altura de la cara y prácticamente ninguno al espesor de la pieza (Boström, 1994; 1999). Como resultado de estos estudios se determinó un coeficiente de corrección de la resistencia en la norma EN 384, llamado factor de altura (k h), con el objetivo de evitar cualquier efecto sobre la resistencia de la pieza, considerando valor de referencia de la altura de cara 150 mm. El estudio de idoneidad de la fórmula propuesta en la Norma para la corrección del factor de altura para la especie de pino silvestre se llevo a cabo obteniendo resultados favorables (Hermoso, 2003), por lo que se da por válida para los cálculos que fueran necesarios. Con estos datos se puede concluir que según aumenta el tamaño de la cara de la pieza, se produce una disminución de la resistencia. Esta conclusión coincide con los valores asignados por la norma UNE-EN 384. Respecto a la influencia del canto, se comprueba que al aumentar éste, también disminuye la resistencia, aunque en menor medida. Al analizar el efecto del volumen se comprueba que al aumentar el volumen de la pieza disminuye la resistencia. El efecto descrito es más relevante en piezas de calidad inferior que en las de mayor calidad. (Hermoso et al. 2002). Con estos datos se hace patente la necesidad de considerar el efecto de la altura de la cara en la resistencia. La corrección de la resistencia en función del tamaño de la pieza se propone a través de un coeficiente determinado por la relación entre una dimensión nominal o de referencia y la dimensión real de la pieza, elevado a un exponente, g. Este exponente se denomina parámetro del efecto de tamaño. Para el efecto de la longitud en la resistencia a flexión los autores de los estudios correspondientes proponen un valor g = 0,17 a 0,20, para el efecto de la longitud en la

52 3. Antecedentes tracción paralela a la fibra un valor g = 0,18 y para la influencia de la altura un valor de 0,10 (Madsen 1986, 1992, Barret 1974, 1990). La influencia de la altura de la sección y del espesor sobre la resistencia característica a flexión en las especies españolas Pinus sylvestris L. y Pinus nigra Arn. subsp. Salzmannii resulta ser significativa aunque diferente entre ellas. El efecto de la especie resulta también significativo y la proposición de coeficientes de valor general debe efectuarse con precaución, debiéndose evitar extrapolaciones (Fernández-Golfín et al. 2002). En ambos casos, el efecto del espesor resulta ser estadísticamente significativo. Para el Pinus sylvestris L., se propone un valor de g = 0,20, valor similar a los de las investigaciones anteriormente citadas, y en el caso del Pinus nigra Arn. subsp. Salzmannii el valor de g es de 0,51 (Fernández-Golfín et al. 2002). El Eurocódigo 5 y el DB de Seguridad Estructural del CTE sólo consideran el efecto tamaño en la resistencia a flexión y tracción paralela a la fibra con un parámetro dependiente de la altura g = 0,20 en madera maciza, para una altura de referencia de 150 mm. Como se ha comentado, la norma UNE-EN 384 fija el mismo valor de altura de cara normalizado de 150 mm y en el caso de realizarse la determinación de la resistencia con alturas diferentes, el factor de corrección viene definido por: k h 150 h 0,2-20 -

53 3. Antecedentes 3.3. Descripción de la especie: Pinus sylvestris L. Imagen 3.6. Bosque de pino silvestre Fuente: Ángel S. Crespo Imagen 3.7. Bosque de pino silvestre. Fuente: Ángel S. Crespo Su nombre científico es Pinus sylvestris L. El adjetivo sylvestris se debe a que es el único pino que crece de forma natural en Suecia, patria de Linneo, botánico que describió la especie. Su nombre común puede variar dependiendo de su lugar de origen. En la península Ibérica se le conoce como pino blanquillo o pino de Valsaín si su origen es la Sierra de Guadarrama, pino serrano si es de la sierra de Gredos, albar si es de Soria, Burgos, Cuenca, Sierra de Baza o Sierra de Guadarrama occidental, rojal en Levante, Aragón y Cataluña, royo en Huesca o lerr en el País Vasco. También es denominado en España pino cortezuelo o cortezudo y bermejo entre otros (Villacampa, 1868; Laguna y Ávila, 1883; Ruiz de la Torre, 1979; citados por Rojo y Montero, 1996). La nomenclatura general para esta especie está definida en la norma europea UNE-EN 13556, Madera aserrada y madera en rollo. Nomenclatura de las maderas utilizadas en Europa. Código PNSY, procedencia Europa. Nombre normalizado en inglés: redwood o Scots pine., en francés: pyn sylvestre, en alemán Kiefer y en español pino silvestre

54 3. Antecedentes Es un árbol monoico y perennifolio. Es esbelto y puede alcanzar los metros de altura y diámetros normales superiores a los 100 cm al alcanzar los 500 ó 600 años. La copa nunca es de gran tamaño. Se podría definir un crecimiento volumétrico que varía entre 2 y 5 m 3 /ha (Prontuario Forestal, 2005). En lugares idóneos su crecimiento puede alcanzar los 30 metros de altura y 35 cm de diámetro en 120 años. Si el medio es mediocre en el mismo intervalo de tiempo no pasará de los 20 metros. Si se aumenta el ciclo a años se obtiene madera de mejor calidad y más cara, aunque aumenta el riesgo de ataques de hongos. El crecimiento volumétrico en España es aproximadamente la mitad del conseguido en el resto de Europa. De joven su cuerpo es cónico piramidal, pero va deformándose con la edad, siendo un tronco derecho, cilíndrico y recto. Por esta razón las trozas que se obtienen son bastante rectas. Su ramificación es muy regular en la juventud y más desequilibrada con el paso del tiempo. Cuando crece en espesura posee una ramificación escasa que acaba reducida al tercio superior por poda natural. La nudosidad también depende de la procedencia y del tratamiento selvícola. En España es normal la existencia de pocos nudos en las primeras trozas de los árboles maduros, y nudos bastante abundantes de tamaño mediano a grande en las trozas superiores. La madera del pino silvestre es compacta. El color de la albura es blanco amarillento y el del duramen algo más marrón o rojizo. Ambas zonas son de fácil diferenciación en la sección transversal. Los anillos de crecimiento aparecen muy marcados, teniendo una anchura variable (entre 1-3 mm hasta los 7-8 mm). Se considera uno de los mejores pinos de España por su calidad, limpieza y rectitud de fibra gracias a la poda natural que realiza. Su secado al aire es rápido sin perder calidad aunque presenta una tendencia al azulado. Si el secado es artificial este riesgo es menor. El pino silvestre ocupa la mayor extensión de todas las especies del género Pinus y de la familia Pinaceae. Tiene su origen en Asia, norte y centro de Europa, norte de Italia y Macedonia y noroeste de Portugal. Su área de distribución es muy extensa por Europa y Asia, se extiende unos km en dirección este-oeste, desde los 8ºO de su límite occidental en España hasta los 141ºE del oriental en las proximidades del mar de Ojotsk. Latitudinalmente, abarca una distancia de km, estando su límite septentrional a 70º 20 en Noruega, y el meridional en Sierra Nevada (España), en el paralelo 37º (Boratynski, 1991)

55 3. Antecedentes El pino silvestre se extiende de manera continua en el centro y norte de su área de distribución, donde forma extensos bosques de llanura y media montaña. Alcanza el nivel del mar en zona Escandinava y es frecuente la orientación sur y suroeste. En las zonas más al sur aparece de forma discontinua y en altitudes más elevadas, prefiriendo exposiciones de umbría. En la Imagen 3.8 se muestra la distribución del pino silvestre en Europa. Imagen 3.8. Distribución europea del Pinus sylvestris L. Fuente: Mátyás et al El límite sur occidental de la especie se encuentra en la Península Ibérica. En España ocupa Ha (Anuario de Estadística Forestal, 2008) como especie monoespecífica y unas Ha en mezcla con otras frondosas, coníferas o quercíneas. En España la especie vive principalmente entre los 800 y los m de altitud, aunque rebasa estos límites ampliamente en algunos casos. Su óptimo productivo se encuentra los 800 y los m. Fuera de estas cotas el pino tiene problemas de regeneración y su producción desciende considerablemente. En España vive principalmente en altitudes entre 800 y 2000 metros, aunque puede estar fuera de estos límites. El intervalo productivo y de regeneración óptimo está ente y metros. Se reparte en los tres principales sistemas montañosos, Pirenaico, Ibérico y

56 3. Antecedentes Central (Rojo y Montero, 1996) y en diferentes áreas marginales procedentes de masas de mayor presencia en el pasado. Las regiones de procedencia del pino silvestre en España podrían resumirse en ( 2008): Tabla 3.2. Regiones de procedencia española del Pinus sylvestris L. Fuente: REGIÓN AGRUPACIÓN COMENTARIOS 1. Alto valle del Porma Marginal 2. Alto Ebro Sistema Ibérico Limitaciones térmicas por temperaturas muy bajas. Procedencia de calidad no muy buena en forma y crecimiento. 3. Pirineo Navarro Pirineos Buena calidad en valle Roncal 4. Prepirineo Montano Seco Pirineos 5. Prepirineo Montano Húmedo Aragonés Pirineos Límite ecológico de la especie. Mala calidad. Pinares de buena calidad en extremo oriental. 6. Prepirineo Montano Húmedo Catalán Pirineos Sobre suelos silíceos. 7. Prepirineo Catalán Pirineos 8. Sistema Ibérico Septentrional Sistema Ibérico 9. Sierra de Ayllón Sistema Central Pinares secundarios en cotas bajas (<500 mm) Masas de gran tamaño y alta calidad Poblaciones aisladas de mediana calidad. 10. Sierra de Guadarrama Sistema Central Poblaciones de alta calidad 11. Sierra de Gredos Sistema Central Población relíctica. Conservación 12. Montes Universales Sistema Ibérico Procedencia de gran extensión, importancia y alta calidad. 13. Sierra de Javalambre Sistema Ibérico Rodales dispersos. Conservación 14. Sierra de Gúdar Sistema Ibérico Pinares de mediana calidad. 15. Sierras de Tortosa y Beceite Sistema Ibérico Calidad regular por actividad humana. Conservación. 16. Montañas de Prades Marginal Población relíctica. Conservación 17. Sierras Penibéticas Marginal Población relíctica. Conservación 18. Alto Carrión Marginal Bajas temperaturas y altas precipitaciones 19. Arenales de la Meseta Norte Marginal Zonas de baja pluviosidad

57 3. Antecedentes Las masas españolas se reparten en tres grandes grupos en los sistemas Pirenaico, Ibérico, y Central, aunque hay otras zonas aisladas. En la Imagen 3.9 se muestra la distribución en España de la especie. Las diferentes regiones de procedencia aparecen indicadas en rojo, las masas de las especies autóctonas aparecen en color verde y las no autóctonas en azul. Imagen 3.9. Distribución española del Pinus sylvestris L. Fuente: Propiedades de la madera de pino silvestre para uso estructural La clasificación de la madera para uso estructural de procedencia española y la definición de sus propiedades físicas y mecánicas viene determinada por las siguientes normas: - UNE Clasificación visual de la madera aserrada para uso estructural. Madera de coníferas. Determina el sistema de clasificación visual aplicable a la madera aserrada de las principales especies de coníferas españolas con sección rectangular. Establece dos calidades para las piezas con grosor menor o igual a 70 mm, denominadas ME-1 y ME- 2 (Madera Estructural). Para piezas con espesor mayor de 70 mm establece una calidad denominada MEG (Madera Estructural Gruesa). Esta clasificación está descrita en el apartado correspondiente de esta tesis de clasificación visual. - UNE-EN 336. Madera estructural. Coníferas y chopo. Dimensiones y tolerancias

58 3. Antecedentes Establece las clases de tolerancia dimensional de forma que el material (madera aserrada exclusivamente) tenga una desviación máxima permitida respecto a las dimensiones nominales. - UNE-EN 338. Madera estructural. Clases resistentes. Establece un sistema de clases resistentes, asignando a cada clase resistente los valores característicos de las propiedades de resistencia, rigidez y densidad. - UNE-EN Madera estructural. Clases resistentes. Asignación de clases visuales y especies. Establece la relación de la calidad visual obtenida mediante las normas de clasificación visual de las diferentes procedencias (en España la UNE 56544) con las clases resistentes (UNE-EN 338). Asigna a cada clase visual la clase resistente correspondiente. Estas normas son básicas para la comercialización de maderas para uso estructural en Europa. Con la clase de resistencia requerida nos permite obtener un listado de especies, procedencias y calidades de madera que cumple con los requisitos exigidos a dicha clase de resistencia (Gálvez, 2011). De esta forma, si las piezas de madera cumplen las especificaciones visuales descritas en la norma UNE 56544, en función de la clase visual asignada le corresponde una clase resistente. Esta relación está definida en la UNE- EN Los valores de las propiedades físicas y mecánicas de cada clase resistente vienen especificados en la UNE-EN 338. Estos datos para el Pinus sylvestris L. de procedencia española son los siguientes: Tabla 3.3. Clase Visual-Clase Resistente. Fuente UNE-EN Clase Visual Clase Resistente ME 1 ME 2 MEG C27 C18 C

59 3. Antecedentes Tabla 3.4. Propiedades de la madera en función de la clase resistente asignada. Fuente: UNE-EN Métodos no destructivos Los métodos de ensayo no destructivos se pueden definir como técnicas, basadas en fenómenos físicos, que permiten examinar los materiales sin que afecte o altere de manera permanente a sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Estos métodos aplicados a la madera estructural permiten estimar sus propiedades físicas y resistentes: densidad, módulo de elasticidad y resistencia. La posibilidad de clasificar de forma correcta y sin que sufra daños una pieza de madera para uso estructural permite aumentar su valor comercial al tiempo que resulta imprescindible para acometer el cálculo estructural. Las bases teóricas para el empleo de las técnicas no destructivas en piezas de madera las estableció Jayne en 1959 (Jayne, 1959). Según el autor, el comportamiento estático del material puede describirse a partir de su comportamiento dinámico. Así, con datos

60 3. Antecedentes obtenidos en ensayos no destructivos se pueden calcular las propiedades dinámicas y a partir de éstas estimar sus propiedades estáticas. En la actualidad los sistemas de clasificación no destructiva normalizados y utilizados en la industria de la madera en España y en Europa son la clasificación visual y la clasificación mecánica. En muchos casos son excesivamente exigentes con el material, lo que conlleva una pérdida de su valor y una asignación de calidad con frecuencia infravalorada. Desde los años cincuenta se han estudiado ensayos no destructivos y su aplicación para la determinación de las constantes elásticas de la madera obteniendo buenos resultados (Bell, 1950; Galiginaitis, 1954; James, 1962; Senft, 1962; Pellerin, 1965). Existen además estudios recientes (Sandoz, 2000; Beall, 2002; Esteban, 2003; Íñiguez, 2007; Baar et al. 2011; Montón, 2012) que avalan la caracterización de la madera con, como ultrasonidos, vibratorios o locales. La relación de los valores obtenidos con estos métodos y los obtenidos con otros ensayos destructivos permiten establecer relaciones para estimar con fiabilidad aceptable las propiedades mecánicas y físicas de la madera. Algunos estudios reducen el número de variables para la clasificación no destructiva a la velocidad de paso de una onda ultrasónica, a la procedencia y a una función de defectos sobre la sección de la pieza con mayor número de nudos, diferenciando los que trabajan a compresión de los que lo hacen a tracción. Con ellas se llegó a obtener una explicación de la tensión de rotura de aproximadamente el 40%, por lo que se podrá estimar el valor de la resistencia atendiendo únicamente a la clasificación visual y al ensayo de ultrasonidos, pudiendo realizarse ambos a pie de obra. En este caso se confirmó la eficacia de la utilización de la función de defectos en la predicción del valor de la resistencia a rotura de las vigas de madera, en Pinus pinaster Ait. de las regiones de procedencia Gredos y Bureba - Sierra de Oña. (Acuña et al., 2004). Otros autores han empleado también la variable nudos en el estudio de las propiedades de la madera con técnicas no destructivas. Se ha evaluado el efecto de la cantidad de nudo sobre la reducción de la capacidad resistente. Siendo la cantidad de nudo la relación lineal entre la suma de los diámetros de los nudos y el perímetro de la sección y la pérdida de módulo resistente la relación entre el módulo resistente de la sección a la que se descuentan los diámetros de los nudos y el módulo resistente de la sección completa. Se ha relacionado la variable cantidad de nudo con los distintos valores de módulo de elasticidad, velocidad de ultrasonidos y de módulo de elasticidad dinámico. Se obtuvieron

61 3. Antecedentes valores significativos, aunque aplicados en piezas de madera muy irregulares procedente de estructuras existentes resultaron especialmente bajos: con el módulo de elasticidad global (R 2 = 0,24), la velocidad de ultrasonidos (R 2 = 0,28) y su correspondiente módulo de elasticidad dinámico (R 2 = 0,10) (Esteban, 2003). Otros estudios en madera estructural procedente de obras existentes también han dado resultados muy bajos para la estimación del módulo de elasticidad con métodos no destructivos: obtienen un R 2 = 0,06 si el método utilizado es la clasificación visual y 0,15 si es con el equipo de ultrasonidos Sylvatest (Branco et al. 2010). La explicación dada por el autor a estos valores tan bajos hace referencia a la variabilidad de la densidad de la madera nueva o vieja. Por lo general, la densidad estudiada por el autor es mayor en la madera vieja, dando mejores resultados en las propiedades mecánicas del material. La dificultad para determinar la densidad por medios locales no destructivos en madera existente en estructuras, hace que la estimación del módulo de elasticidad sea menos precisa que en laboratorio. La precisión en la estimación de la densidad para predecir el módulo de elasticidad dinámico a partir de métodos de transmisión de onda es fundamental, sin embargo no es fácil de calcular con in situ, por lo que en ocasiones se presupone una densidad en función de la madrea empleada (Kasal and Anthony, 2004). Las diferencias entre aplicar las técnicas en madera nueva o vieja también ha sido objeto de estudio por parte de algunos autores que no han encontrado diferencias entre estos resultados (Gorlacher, 1991) (Lourenço et al., 2007). Como una primera clasificación global de las técnicas no destructivas se pueden dividir en: - Clasificación visual. - Métodos de propagación de onda. - Otros métodos mecánicos. - Otros métodos (electromagnéticos, nucleares, etc.) Clasificación visual La clasificación visual es la primera técnica de evaluación de la madera para su selección en función del uso que se le vaya a dar. Se basa en el estudio de las singularidades

62 3. Antecedentes presentes en la pieza a estudiar. En este punto se detallarán dichas particularidades y sus límites de aceptación para considerar una madera apta para su empleo. La primera clasificación por métodos visuales es del año Fue publicada por el Forest Products Laboratory (EEUU) (Fernández-Golfín et al, 2001) y los primeros cambios aparecieron 20 años después para mejorar su eficacia. Desde entonces hasta hoy se han hecho continuas correcciones y mejoras de las diferentes normas vigentes. Una de las principales dificultades de este tipo de normas es la ponderación de las diferentes singularidades o defectos del material para predecir su calidad. Entre las normas actuales para la clasificación visual de la madera dentro del ámbito de la Unión Europea, en la que se aplica el sistema de clases resistentes, se encuentran las siguientes: la alemana DIN 4074, la británica BS 4978, la francesa NF B 52001, la nórdica INSTA 142 y las españolas UNE y UNE Fuera de Europa: Norma de Estados Unidos NGRDL y norma Canadiense NLGA. Del análisis previo de estos procedimientos de clasificación se puede deducir que las líneas propuestas por la norma DIN 4074 para la clasificación visual de la madera son las que aportan unos resultados más ajustados a las características de la madera de gran escuadría (Esteban, 2003). Desde los años noventa hasta la actualidad, se han llevado a cabo diferentes estudios en España sobre la clasificación de madera estructural (Fernández-Golfín, 1998; Díez, 1998; Conde, 2007; Hermoso, 2001, 2003b, 2007; Adell, 2005; Íñiguez, 2007). La norma vigente en España es la última versión de la UNE 56544: Clasificación visual de la madera aserrada para uso estructural. Madera de coníferas, que establece un sistema de clasificación visual aplicable a la madera aserrada para uso estructural de sección rectangular de las principales coníferas españolas, entre las que se encuentra el pino silvestre. La incorporación en el año 2007 de la diferencia de clasificación por tamaño, estableciendo la calidad MEG para gruesa escuadría, supone una gran novedad de enfoque. Esta clasificación se basa en la evaluación mediante una inspección visual de las singularidades que presente la pieza de madera: ligadas a su anatomía, ligadas al aserrado, alteraciones biológicas y deformaciones. Se denominan singularidades a las características naturales asociadas, por lo general, al crecimiento del árbol. Suelen implicar una disminución de las propiedades mecánicas de la madera debido a que suponen irregularidades en la anatomía de la madera. Las normas nacionales de clasificación resistente que se emplean en la actualidad están basadas en escuadrías comerciales, que abarcan gruesos de 35 a 100 mm y con un canto

63 3. Antecedentes máximo de unos 300 mm. Algunas normas de clasificación incluyen las grandes escuadrías, pero no parecen existir suficientes fundamentos en su desarrollo. Las principales ventajas de la clasificación visual son que se trata de un método sencillo, fácil, rápido, barato y con resultados inmediatos. Puede combinarse con otros métodos. Los inconvenientes son que tiene un carácter conservador, por lo que a menudo infravaloran la capacidad de la madera, y la subjetividad del operario al realizar la clasificación. Las singularidades o defectos de las piezas de madera cuantificables con la clasificación visual conforme a la norma UNE son: - defectos ligados a su anatomía, - defectos ligados al proceso de aserrado, - alteraciones biológicas, - deformaciones Defectos ligados a su anatomía - Nudos. Son originados por la presencia de ramas en el árbol. Se mide el diámetro del nudo en dirección perpendicular al eje longitudinal. La presencia de nudos implica una desviación local de fibra, provocando una concentración de tensiones distribuida de forma irregular. La influencia del nudo va a ser mayor en la resistencia a tracción que a compresión y va a depender de su tamaño (relación entre el diámetro y la dimensión de la superficie en la que se manifieste) y de su localización en la pieza. Imagen Criterio general de medición de nudos en cara y en canto. Norma UNE

64 3. Antecedentes - Desviación de fibra. Se mide por la pendiente de la dirección de la fibra respecto al eje de la pieza. Puede ser una desviación global, que afecte a toda la pieza, o local, debida por ejemplo a un nudo, en cuyo caso no se considera para la evaluación de la calidad. Imagen Medición de la desviación de la fibra. Norma UNE Anillos de crecimiento. El espesor de los anillos puede medirse en la sección transversal de la pieza de madera. La presencia de anillos muy anchos en la proximidad de la médula puede indicar presencia de madera juvenil. - Acebolladuras. De acuerdo con la Norma UNE-EN 844-9, se denomina acebolladura a la separación, total o parcial, entre dos anillos de crecimiento contiguos. Este tipo de singularidad es fácilmente reconocible en la sección transversal ya que sigue perfectamente la línea de separación entre anillos. Se producen por falta de adherencia entre capas de madera por las irregularidades en el crecimiento del árbol, como por ejemplo una helada o un incendio. - Entrecasco. Son inclusiones de corteza en la las fibras que suelen surgir cuando el tronco sufre un daño. Producen desviación local de fibra. - Bolsas de resina. Son zonas de acumulación de resina que se forman durante el crecimiento de las coníferas, en general como respuesta a un ataque o agresión física. También producen desviación local de la fibra

65 3. Antecedentes - Fendas. Son grietas superficiales que cortan perpendicularmente los anillos de crecimiento. La mayoría se producen durante el secado de las piezas, pero también pueden ser debidas a heladura, provocadas por rayos o de abatimiento. De acuerdo con la Norma UNE-EN 844-9, una fenda será pasante cuando se extienda entre dos superficies opuestas. Según la superficie donde se manifiesten, las fendas podrán ser de cara, de canto o de testa. Las fendas de cara y de canto pueden afectar, o no, a las testas. Se medirá la profundidad de las fendas con una galga de 0,2 mm de espesor. No se tendrán en cuenta aquellas fendas que tengan una longitud inferior a la menor dimensión de las dos siguientes: 1/4 de la longitud de la pieza y 1 m. Las fendas cuya anchura no supere 1 mm pueden despreciarse. Imagen Medición y evaluación de fendas de secado. Norma UNE Evaluación de las fendas: a) f/b b) (f 1 + f 2)/b Defectos ligados al proceso de aserrado - Gemas. Defectos en el aserrado dejando visible parte de la corteza. Se produce una falta de madera, generalmente en las aristas de la pieza, cuando en el aserrado se intercepta la superficie del tronco del árbol. De acuerdo con la Norma UNE-EN 1310, la gema se evaluará por su longitud (L) y por su dimensión transversal, en relación a la

66 3. Antecedentes longitud de la pieza y a las dimensiones de la sección (g), respectivamente, en la sección de máxima pérdida de arista (Imagen 3.13). A efectos de la longitud, si la gema se manifiesta en más de una zona de una misma arista, se sumarán las diferentes longitudes. Evaluación en la sección transversal: Donde: h h máx h b b, b b b b g, - b y h son el espesor y la altura de la sección. - h-h 1, b-b 1 y b-b 2 son respectivamente el grosor o la anchura de las gemas. Imagen Medición y evaluación de las gemas. Norma UNE Médula. Es una zona situada en el interior del primer anillo de crecimiento, constituida fundamentalmente de tejido blando. Su estructura anatómica es distinta a la del resto de la madera, y el problema de su presencia no radica en su influencia en la resistencia global de la pieza, sino en que la madera de su proximidad puede ser madera juvenil. Se evalúa si está presente en la pieza o no Alteraciones biológicas - Parásitos. Cualquier organismo que por sus características biológicas es capaz de dañar o destruir la estructura de la madera provocando daños y mermas de sus propiedades mecánicas

67 3. Antecedentes - Hongos. Los hongos de pudrición de la madera pueden ser agrupados en dos categorías: de pudrición blanca y de pudrición parda. El contenido de humedad en la madera que favorece el desarrollo de los hongos oscila entre el 30 % y el 50 % de humedad. Por debajo del 20 % su acción es prácticamente nula. La temperatura óptima de desarrollo está entre 20 ºC y 30 ºC, la actividad es prácticamente nula por debajo de los 4 ºC y superior a los 40 ºC. El oxígeno es un elemento fundamental para su desarrollo, el porcentaje debe ser siempre mayor al 20 % de volumen de oxígeno por volumen de madera. En la clasificación visual se tienen en cuenta cuando el daño es considerable para evaluarlo en superficie. Otros hongos cromógenos como el azulado no afectan de manera significativa a las propiedades mecánicas, aunque aumentan su permeabilidad y favorecen la humedad, facilitando el desarrollo de hongos de pudrición. Imagen Madera afectada de azulado. Fuente: - Xilófagos. Insectos que se alimentan de los componentes principales de la madera. Pueden ocasionar graves daños en las estructuras y en ocasiones aparecen junto con los hongos. Existen varias órdenes de insectos que atacan a las maderas. Las más importantes en la Península Ibérica son los coleópteros, como la carcoma, y los isópteros, como las termitas. Imagen Madera atacada por termitas. Fuente:

68 3. Antecedentes Deformaciones Suelen ser debidas a las diferencias de contracción en el proceso de secado de la madera entre unas zonas y otras, o a la presencia de madera juvenil o de reacción, que se ponen de manifiesto liberando tensiones internas en el proceso de aserrado. - Curvaturas de cara y canto. Se miden las deformaciones máximas de la cara o del canto respectivamente, en un tramo de 2 metros de longitud. - Alabeo. Se define como la deformación de la superficie sobre una longitud representativa de dos metros. - Abarquillado. Deformación máxima sobre la anchura de la sección. Imagen Medición de las deformaciones. Fuente: Norma UNE

69 3. Antecedentes Clasificación de gruesa escuadría (b > 70 mm) A continuación se muestra el cuadro resumen con las especificaciones para la clasificación de piezas de sección rectangular con espesor b > 70 mm, como es el caso de este estudio, de acuerdo con la Norma UNE 56544: Tabla 3.5. Especificaciones según UNE para piezas de sección rectangular con anchura b >70 mm. Especificaciones Diámetro de los nudos sobre cara (h) Diámetro de los nudos sobre canto (b) Anchura máxima del anillo de crecimiento a Fendas de secado b, c Fendas por rayo, heladura o abatimiento Acebolladuras Bolsas de resina y entrecascos Madera de compresión MEG e d 2/3 de h d 2/3 de b Sin limitación f 2/3 de b. Las fendas de contracción sólo se considerarán si su longitud es mayor que la menor de las dimensiones siguientes: 1 m y 1/4 de L No permitidas No permitidas Desviación de la fibra 1:6 (16,7%) Gemas, longitud Se admiten si su longitud es 1/5 de h Admisible en 2/5 de la sección o de la superficie externa de la pieza 1/3 de L Gemas, dimensión relativa g 1/3 Médula a Alteraciones Biológicas: Muérdago Azulado Pudrición Galerías de insectos xilófagos Deformaciones máximas: b, c, d Admitida No se admite Se admite No se admite No se admite Curvatura de cara 20 mm (para una L de 2 m) Curvatura de canto 12 mm (para una L de 2 m) Alabeo Abarquillado 2 mm por cada 25 mm de h para una L de 2 m 1/25 de h a b c Estos criterios sólo se consideran cuando se comercializa en húmedo. Estos criterios no se consideran cuando la clasificación se efectúa en húmedo. Referidas al 20 % de contenido de humedad

70 3. Antecedentes d e Pueden aceptarse deformaciones mayores siempre que no afecten a la estabilidad de la construcción (porque puedan corregirse durante la fase del montaje) y exista acuerdo expreso al respecto entre el suministrador y el cliente. Abreviaturas: b: canto, h: cara, L: longitud de la pieza, d: diámetro del nudo medido para nudos individuales o agrupados, f: suma de la profundidad de la fenda en ambas caras dividido entre el ancho de la pieza. Las piezas que cumplan estas especificaciones son consideradas aptas y clasificadas como Madera Estructural de Gran Escuadría (MEG), mientras que las que no cumplan alguno de estos requisitos serán consideradas piezas de Rechazo (R) Métodos de transmisión de ondas La técnica de transmisión de ondas mecánicas se basa en la propagación de una onda a través de un medio. Hay diferentes métodos en función del origen y la naturaleza de la onda, la forma de medir la respuesta o el equipo procesador de la señal. Aunque la técnica se basa siempre en los mismos principios físicos, se pueden encontrar alternativas muy variadas entre los equipos comerciales. Los equipos de transmisión de onda tienen las ventajas de ser métodos económicos, fiables, portátiles y sencillos de utilizar. Los tipos de onda que pueden propagarse a través de un material pueden ser de compresión o longitudinales (ondas P), ondas de cortante o transversales (ondas S) y ondas de superficie (ondas Rayleigh y ondas Love). En las ondas P las partículas vibran en la dirección de avance de la onda y en las S en la dirección perpendicular. Las ondas P se propagan en cualquier medio, mientras que las S sólo en medios sólidos, ya que los líquidos no ofrecen resistencia a los esfuerzos cortantes. Una onda Rayleigh se propaga a lo largo de la superficie de un sólido y el movimiento de las partículas es retrógrado. (Malhotra y Carino, 2003)

71 3. Antecedentes Imagen Propagación ondas P y ondas S. Fuente: Kalipedia Imagen Propagación ondas Rayleigh y Love. Fuente: Kalipedia En todos los casos los frentes de onda son diferentes y dependen de la fuente empleada para generar el impulso. La velocidad de propagación también es distinta, siendo las P las más rápidas y las Rayleigh las más lentas. Describir la propagación de una onda en un medio heterogéneo como la madera es muy complejo. El desarrollo básico de la teoría de propagación de ondas en la madera parte del supuesto simplificado de que se trata de un medio infinito, isótropo y elástico. Después de la clasificación visual, los de propagación de onda sónica son de los que hay referencias más antiguas. Comenzaron a emplearse en 1929, aunque no fue hasta la II Guerra Mundial cuando se empezaron a obtener resultados significativos (Íñiguez, 2007). En la década de 1940, Floyd Firestone en Estados Unidos, Donald Sproule en Inglaterra y en Alemania Adolf Trost, desarrollaron y perfeccionaron la tecnología de ultrasonidos para la detección de defectos en diversos tipos de materiales, así como para la detección de submarinos y otras aplicaciones militares (Sziliard 1982). Desde entonces, los avances en el conocimiento de los sistemas acústicos (ultrasonidos o sonidos, según la frecuencia de trabajo) han encontrado aplicaciones con éxito en la industria y en la construcción como herramientas básicas para el control de calidad, especialmente en el campo de las estructuras metálicas (control de soldaduras), así como

72 3. Antecedentes en el del hormigón y en la madera, en el campo de la clasificación de madera aserrada y la diagnosis de estructuras existentes (Montón, 2012). Con la velocidad de la onda medida en dirección transversal a la pieza pueden detectarse pudriciones o degradaciones en árboles en pie, madera en rollo o aserrada (Wang et al. 2004, Santaclara et al. 2009). Con la velocidad longitudinal se pueden estimar las propiedades resistentes de la madera puesta en obra (Ross y Hunt 2000, Brashaw et al. 2005, Esteban et al. 2006, Wang et al. 2008, Iñiguez et al. 2009, Divos and Sismándy, 2011). En esta Tesis Doctoral el estudio de las técnicas no destructivas se ha centrado en la transmisión de ondas acústicas y de impacto midiendo las variables de velocidad de transmisión de la onda y frecuencia natural de vibración. Las ondas acústicas son vibraciones mecánicas que se propagan a través de casi todos los materiales. Su velocidad depende fundamentalmente de la densidad del material y de las propiedades elásticas del medio en que se propagan. La velocidad de propagación es: v f donde: v es la velocidad de propagación (m/s) λ f es la longitud de onda (m) es la frecuencia de vibración (1/s) La aplicación de las técnicas de transmisión de onda a través de la madera, con la frecuencia y condiciones adecuadas, puede considerarse como si se tratara de un medio homogéneo. En este caso se pueden aplicar las ecuaciones de Christoffel que relacionan la velocidad de propagación de las ondas acústicas con el coeficiente de la matriz de rigidez y este a su vez, con el modulo de elasticidad o de Young. Esta relación es utilizada en los métodos de transmisión de ondas ultrasónicas y sónicas. Son varios los métodos existentes y todos ellos resultan útiles en la predicción de las propiedades mecánicas de la madera, si bien, cada uno presenta sus ventajas e inconvenientes de aplicación, como se describe en el análisis comparativo realizado para la inspección de puentes de madera por el Forest Products Laboratory, en Estados Unidos (Brashaw et al., 2005)

73 3. Antecedentes El objetivo principal de la técnica es la determinación del módulo de elasticidad dinámico deducido a partir de la velocidad de propagación de una onda y de la densidad del material. s v t 2 E din v Donde: v velocidad de propagación de onda (m/s) s t longitud entre sensores (m) tiempo (s) E din módulo de elasticidad dinámico (N/mm 2 ) (Para expresarlo en N/mm 2, multiplicar por 10-6 ) ρ densidad del material (kg/m 3 ) El valor de la densidad puede calcularse con diferentes (arranque de tornillo, PLG o vibración, penetrómetro) o destructivos, sacando una rebanada de la pieza, pesando y midiendo las dimensiones. Estos equipos se explican en el apartado A partir del módulo de elasticidad dinámico se puede deducir el módulo de elasticidad estático y la resistencia. La relación entre los módulos de elasticidad estático y dinámico ha sido estudiada obteniendo coeficientes de relación entre 0,90 y 0,96 en madera libre de defectos (Perstorper, 1994; Tanaka et al. 1991). La diferencia entre el módulo de elasticidad dinámico obtenido con técnicas no destructivas y el estático ha sido estudiada en madera libre de defectos por otros autores, fijando la fluencia como el factor más determinante en las diferencias (Divos, 2005). Afirman que la fluencia está presente de forma diferente en los procesos de larga y de corta duración, de ahí que el tiempo característico de cada ensayo determine algunas diferencias. Para ello se porpone la siguiente ecuación en función de la duración del ensayo: MOE t1 = MOE t2 * (1 + 0,017 * log (t 2-t 1)) Siendo: MOE t1 modulo de elasticidad en N/mm 2, obtenido mediante el ensayo 1 en el tiempo característico del ensayo t

74 3. Antecedentes MOE t2 modulo de elasticidad en N/mm 2, obtenido mediante el ensayo 2 en el tiempo característico del ensayo t Parámetros que definen las ondas A grandes rasgos, los parámetros que definen la naturaleza de las ondas y de los equipos emisores de ondas son los siguientes: - Potencia del equipo emisor - Frecuencia - Longitud de onda - Amplitud de onda Potencia del equipo emisor Los equipos se clasifican según la potencia que generan, dando lugar a una clasificación en los grupos de alta y de baja potencia. Esta división se debe a si el paso de la onda altera alguna propiedad del material (alta potencia) o es utilizado para la medición o diagnóstico (baja potencia). Los equipos de alta potencia generan potencia del orden de vatios o kilovatios y los equipos de baja están en un intervalo de milivatios. La potencia de emisión se relaciona con la capacidad de la onda para alcanzar mayores recorridos Frecuencia Es la repetición del movimiento de cada partícula del medio. Puede expresarse como la inversa del periodo T y su unidad de medida es 1/s ó Hz

75 3. Antecedentes Imagen Frecuencia de una onda. Fuente: Bernal, Si las oscilaciones mecánicas generadas son de alta frecuencia (mayor a 20 khz) el sistema se denomina ultrasónico, mientras que si toman valores entre 2 Hz y 20 khz, el sistema se llama sónico. Por debajo de 20 Hz se trata de frecuencias infrasónicas. Para la selección de la frecuencia de trabajo, existen tres niveles: - Ultrasonidos de baja frecuencia: de 20 khz a 1 MHz. - Ultrasonidos de frecuencia media: de 1 a 10 MHz. - Ultrasonidos de alta frecuencia: de 10 a 25 MHz. Imagen Rango de frecuencias. Fuente: Rincón, Dependiendo de la sensibilidad que se desee y del material a inspeccionar se debe seleccionar la frecuencia adecuada de trabajo. La capacidad de penetración o alcance de una onda decrece a medida que la frecuencia aumenta, por lo que en una aplicación específica se recomienda la mayor frecuencia posible que tenga la capacidad de penetración requerida en la inspección. Los primeros materiales en los que se comenzaron a utilizar los ultrasonidos fueron los metales y el hormigón. No es hasta los años 70 cuando empieza a emplearse en madera. En madera, se enmarca en el grupo de técnicas acústicas basadas en la medición de la

76 3. Antecedentes velocidad de propagación de una onda de frecuencia elevada (frecuencias superiores a los 20 khz). Su límite superior puede llegar a 10 6 khz. Los límites tan amplios de los ultrasonidos han facilitado su uso con diferentes objetivos. La aparición de equipos portátiles y ligeros ha facilitado en gran medida su empleo en materiales de construcción. En estos casos la frecuencia va de 15 khz a 150 khz. Cuando la frecuencia es mayor el espesor del material a estudiar tiene que ser como máximo de 2 metros, mientras que para frecuencias pequeñas esta dimensión puede llegar a los 20 metros. A modo de ejemplo se indican intervalos de frecuencia más utilizados en distintos materiales: - Materiales metálicos: frecuencias medias entre 1 y 5 MHz, aunque también superiores (15 MHz). - Materiales no metálicos (cerámicos o plásticos): baja y media frecuencia entre 0,25 y 4 MHz. - Hormigón: baja frecuencia de 50 a 200 khz. - Madera: baja frecuencia de 20 a 500 khz. El límite superior de frecuencia utilizable en un ensayo está relacionado con el tamaño de las células o cristales que formen el material. Si se elige una frecuencia demasiado elevada, su longitud de onda será muy pequeña, y las partículas, o células en el caso de la madera, que forman el material pueden provocar difracciones y reflexiones que generen ruido en la señal recibida. Otro índice para la limitación de la frecuencia de trabajo es la absorción, que aumenta al incrementar la frecuencia de trabajo, por lo que en el caso de la madera, que tiene una absorción elevada, las frecuencias a utilizar no deben ser muy altas. El uso de frecuencias bajas permite barrer mayores distancias, pero reduce la sensibilidad del método, por lo que dentro de las posibilidades de los equipos acústicos habrá que valorar qué parámetros se están buscando para elegir el más adecuado Longitud de onda Es la distancia mínima entre dos puntos con la misma posición y la misma velocidad. No puede ser inferior al tamaño medio de los componentes del material. La madera está

77 3. Antecedentes formada principalmente por traqueidas en coníferas y fibras en frondosas. La longitud de las traqueidas es de 4-5 mm y la de las fibras está cerca del milímetro de longitud, aunque es muy variable de una especie a otra. Por tanto, en el eje longitudinal se deben utilizar longitudes de onda del orden de milímetros. Así por ejemplo, en piezas de 50 mm de longitud la mínima frecuencia a utilizar es de 2 MHz, y en piezas de 135 mm se sitúa en 1,35 MHz (Bucur, 2006). Estas frecuencias utilizadas no generan problemas en los ejes tangencial y radial, donde una longitud de onda de milímetros excede el tamaño de las dimensiones celulares en estos ejes. Además, en la madera la propagación de la onda también depende de las propiedades de la pared celular, que es la que le confiere sus propiedades mecánicas, y de las dimensiones de la pieza. Existen varios equipos, pero en lo esencial poseen transductores encargados de emitir y recibir la onda para medir el tiempo de propagación a través del material. Con el tiempo transcurrido y la distancia recorrida se obtiene la velocidad de propagación de la onda a través del material Amplitud de onda Es la máxima distancia que alcanza un punto al paso de las ondas respecto a su posición de equilibrio, y es un indicador de la potencia de la onda. Así, la amplitud es mayor en las proximidades del emisor y se atenúa a medida que la onda atraviesa el medio. Imagen Longitud y Amplitud de onda. Fuente: Bernal, Atenuación de la onda o pérdida de señal La atenuación de la onda es la pérdida de intensidad o amplitud de la onda a medida que atraviesa el medio. En la madera se necesita emitir una onda de amplitud mayor que en

78 3. Antecedentes otros materiales como el acero, porque la pérdida de señal o atenuación es más alta. La pérdida de energía acústica depende de: - El material y geometría de la pieza inspeccionada. El carácter anisótropo de la madera favorece la atenuación de la onda, para reducirla se recure a ondas de baja frecuencia. - La frecuencia, si es muy alta, aumenta la atenuación. - El acoplamiento con el transductor. - Defectos importantes de la pieza. Esta atenuación de la energía puede darse por: - Disipación. Una onda sonora se disipa a medida que se aleja de su fuente porque su energía se distribuye en un área cada vez mayor. La atenuación por disipación es proporcional al cuadrado de la distancia recorrida desde la fuente. - Absorción. Se debe a las pérdidas por fricción, con lo que esta energía se convierte en calor. Esta pérdida de energía en forma de calor es permanente, independientemente de factores geométricos o defectos, por lo que no se puede utilizar como información adicional en las técnicas no destructivas. La perdida de calor, en la mayoría de los materiales, es directamente proporcional a la frecuencia. - Colisión. Sucede cuando las ondas tienen que atravesar pequeñas grietas y, en general, zonas menos homogéneas de material. Cuando el tamaño de dicha imperfección es menor al 1% de la longitud de onda (λ), las perdidas por colisión son despreciables. Si la dimensión del defecto excede el 10% de λ, la atenuación de la onda debido a la colisión es del orden del tamaño de la grieta al cubo. En este caso, la perdida de energía puede servir para identificar el tamaño de las imperfecciones. - Impedancia acústica (Z). Es la resistencia que opone el material al ser atravesado por las ondas. Depende de la densidad del material y la velocidad de propagación. Cuando la onda pasa de un material a otro distinto se pueden dar dos casos: - Si la impedancia acústica de los dos medios es muy diferente, al llegar a la superficie de separación una parte se refleja y otra parte pasa (se refracta). - Si las impedancias acústicas de los materiales son parecidas, la mayor parte del haz pasará de un material a otro. Según el principio de impedancia acústica, la energía reflejada en una interfase será tanto mayor cuanto mayor sea la diferencia entre las impedancias de los dos medios

79 3. Antecedentes que forman la interfase. Cuando la onda encuentra una interfase con aire, la reflexión es total porque el aire no dispone de la rigidez necesaria para transmitir la onda recibida desde un medio sólido. Las pérdidas de energía acústica debidas a la impedancia se pueden producir bien en presencia de una discontinuidad en el material (interfase material-aire), o por falta de homogeneidad en la estructura (variación de densidad en la pieza). Debido a ello, es posible identificar con técnicas acústicas defectos como grietas o fendas. Además, también pueden producirse pérdidas de energía durante la emisión y la recepción de la onda sonora, es decir, en el acoplamiento entre el transductor y la superficie del material. Estas pérdidas deben evitarse en la medida de lo posible mediante un acoplamiento adecuado (evitando la presencia de aire en la interfase transductor-material), ya sea por medio de algún gel o garantizado el contacto con palpadores que tengan la geometría adecuada Factores que afectan a la velocidad de propagación de la onda Los factores externos que pueden influir y determinar la velocidad de propagación de dichas ondas acústicas son: a) La longitud de la trayectoria debe considerarse cuando se realicen comparaciones relativas entre lecturas de piezas de longitud muy diferentes, ya que estudios previos en determinados equipos sugieren una pérdida de velocidad al aumentar la longitud. (Arriaga, 2006). Con ensayos de ultrasonidos utilizando el equipo Sylvatest en piezas de Erythrophleum ivorense A. Chev., se estimó una disminución media de 83 m/s en la velocidad de propagación por cada aumento de un metro lineal en la longitud (Arriaga et al. 2006). Para pino silvestre, los estudios más recientes dan como resultado una disminución de 83 m/s en madera con nudos y 63 m/s en madera limpia (Íñiguez et al. 2007b). Otro estudio realizado en distintas especies de frondosas y coníferas, partió de piezas de 3 m de longitud y una sección transversal de 12 x 5 cm, llegando a piezas de 20 cm de longitud. Se realizaron medidas de la velocidad longitudinal de ultrasonidos de frecuencia 22 khz en cada disminución de 10 cm de longitud. Con

80 3. Antecedentes una longitud de onda de 20 cm de media, se encontró un punto crítico en L/λ = 3, a partir del cual la velocidad obtenida no sufría diferencias significativas al variar la longitud de la pieza. Sin embargo, por debajo de ese valor, la velocidad disminuía significativamente en cada corte. Es decir, se constató la existencia de una longitud, equivalente a varias veces la longitud de onda λ, a partir de la cual la velocidad obtenida no sufre variaciones significativas (Oliveira, 2006). La falta de normalización de los equipos de medida obliga a realizar mediciones de contraste para comprobar la influencia que puede tener la distancia recorrida por la onda entre los palpadores. Dependiendo del umbral de detección propio del diseño del aparato se producirá un aparente retraso en la lectura de recepción de la onda. Si este retraso es importante, como sucede en el caso del Sylvatest, supondrá obtener velocidades inferiores en las piezas de mayor longitud incluso si son de la misma calidad (Acuña et al. 2006). b) Contenido de humedad. Se estima que para cada incremento de un 1% de humedad respecto al valor de referencia del 12%, se produce una disminución de la velocidad de transmisión de la onda de un 0,5% siguiendo una relación lineal entre el 5% y el 30% (Sandoz, 1989). Por tanto, será necesario considerar el contenido de humedad en el momento de la medición para la estimación de las propiedades físicas y mecánicas del material. En el campo de las técnicas no destructivas, la humedad va a influir en la velocidad de propagación de la onda, y por lo tanto en el módulo de elasticidad determinado con estos equipos. La variación del contenido de humedad y su influencia en la velocidad de transmisión de una onda es más importante en el caso de propagación longitudinal. En las direcciones tangencial y radial depende de la especie. En especies brasileñas, los resultados obtenidos por debajo del punto de saturación de fibra y en dirección longitudinal indican que por cada disminución de un grado de humedad, la velocidad disminuye entre 23,6 m/s y 25,4 m/s (Gonçalves, 2008). Por otro lado, la influencia del contenido de humedad sí es diferente en función de la especie, por lo que no deben extrapolarse los resultados (Matthews et al., 1994)

81 3. Antecedentes c) Temperatura. La temperatura también en la velocidad de propagación de la onda. La velocidad disminuye de forma lineal al aumentar la temperatura para diferentes grados de humedad (James, 1961; Sandoz, 1993). El efecto de la temperatura es independiente de la especie a estudiar (Matthews et al., 1994). Imagen Relación Velocidad de transmisión-temperatura. Fuente: Sandoz, d) Sensores. Acoplamiento. Siempre se debe asegurar que los transductores tengan un buen acoplamiento sobre la superficie del material. En madera se suelen usar transductores cónicos que no necesitan sustancias como geles o aceites que garanticen el buen acople, aunque se recomienda realizar un pretaladro para dejar un hueco en la madera y facilitar el acople. Los palpadores que se clavan en la madera tienen la ventaja de no verse afectados por la intensidad de la presión ejercida sobre ellos. Otros equipos utilizan palpadores planos con gel de contacto. En todos los casos es recomendable no mover los transductores durante las mediciones porque se puede generar ruido y una lectura errónea

82 3. Antecedentes Imagen Detalle de palpadores cónicos. Imagen Detalle de palpadores para clavar en la madera. Imagen Detalle de palpadores planos. Fuente: Gonçalves. e) Dirección. Los transductores se pueden colocar de forma que las medidas sean directas o indirectas en relación a la directriz de la pieza y, por tanto, en relación a la dirección de la fibra de la madera, como se muestra en los siguientes esquemas. Se entiende que una medida es directa si los transductores se encuentran en mayor o menor medida enfrentados. Imagen Medida directa de testa a testa. Imagen Medida directa de cara a cara

83 3. Antecedentes Imagen Medida indirecta cara-cara. Imagen Medida semi-directa de testa a cara. Mientras sea posible deberá utilizarse la transmisión directa, ya que proporciona la máxima sensibilidad y recorre una trayectoria bien definida. Además, la presión sonora es máxima para la dirección axial del palpador y disminuye para las direcciones oblicuas según aumenta el ángulo. Sin embargo, algunas veces tiene que examinarse la pieza mediante trayectorias diagonales o indirectas. En esta tesis se han realizado mediciones directas e indirectas con el objeto de establecer una relación entre ellos y determinar un factor de corrección si fuera necesario. Algunos estudios establecen ecuaciones de segundo orden para relacionar las velocidades de transmisión con diferentes ángulos, obteniendo coeficientes R 2 del orden del 90% (Acuña et al. 2006). La onda al atravesar la pieza puede encontrarse con algún defecto en el interior. En ese caso puede suceder: - la onda sigue su camino si el tamaño de la singularidad es pequeño en comparación con la longitud de onda. - perder parte de su energía para superar el obstáculo, llegando debilitada si el defecto es de igual tamaño que la onda. - generar una onda secundaria esférica con el obstáculo como punto central. - no llegar al palpador receptor por encontrarse con una irregularidad superior que impide a la onda continuar su propagación. Además, lo normal es que una discontinuidad como una grieta o un nudo en el material, tenga por efecto un aumento del recorrido entre emisor y receptor para sortear el obstáculo y, por tanto, un aumento del tiempo empleado en la transmisión

84 3. Antecedentes Imagen Efectos de las singularidades en la transmisión de ultrasonidos Ondas de ultrasonidos El método de aplicación de ultrasonidos que resulta más adecuado en la verificación de materiales heterogéneos como la madera y el hormigón es el de transmisión de onda (Sandoz, 1996). En esta tesis el equipo utilizado ha sido el Sylvatest. Dispone de un transductor piezoeléctrico, compuesto por unos cristales cerámicos capaces de emitir una vibración cuando son excitados por la electricidad, o de emitir una corriente eléctrica cuando reciben una vibración. El emisor activado por una corriente eléctrica emite una vibración que se transmite a la madera como un impulso mecánico, la onda atraviesa la pieza y llega al receptor, que al vibrar emite una señal eléctrica. Las frecuencias de las ondas emitidas y la sensibilidad para recibir una onda de determinada frecuencia dependen del ángulo de corte y del tamaño de los cristales que forman el piezoeléctrico. Aún tratándose de ondas ultrasónicas, se trata en general de ondas de frecuencia relativamente baja y longitud de onda relativamente grande para reducir la atenuación, conseguir el alcance necesario en las piezas de madera y poder sortear las irregularidades propias del material. Las correlaciones que se obtienen entre la velocidad de propagación en la dirección longitudinal con las propiedades mecánicas de la madera dan coeficientes R 2 del orden de 45-75% (Sandoz 1989, Machado et al., 1998). En las secciones de gran escuadría los resultados son también del mismo orden (Arriaga et al., 2005, 2006). Esta relación es mejor que la que se obtiene a través de la evaluación de la nudosidad según la norma de clasificación visual

85 3. Antecedentes La utilización de las medidas por ultrasonidos alcanza una precisión mayor cuando se emplea conjuntamente con los parámetros de clasificación visual. De este modo se ha llegado a obtener coeficientes de determinación R 2 de 80% combinando la clasificación visual según la norma DIN 4074 y el módulo de elasticidad obtenido por ultrasonidos, mediante un análisis de regresión múltiple (Ceccotti y Togni, 1996). Trabajos recientes de investigación proponen una relación entre velocidad de propagación de ultrasonidos y tensión de rotura en madera de pino silvestre, con un coeficiente de determinación R 2 = 34%, según la expresión (Hermoso, 2001): donde: σ R tensión de rotura R 0, v 94,98 v velocidad de ultrasonidos Por todo ello cabe considerar esta técnica como alternativa válida para la caracterización estructural de la madera. Las propiedades de la onda ultrasónica propagada dependen de parámetros asociados al material y a la geometría de la pieza, por lo que no se deben extrapolar resultados a otras especies o productor derivados. Imagen Equipo Sylvatest Trío. Fuente: Sylvatest

86 3. Antecedentes Ondas de impacto La técnica se basa en la medición de la velocidad de propagación de una onda generada por un impacto. Se trata de frecuencias de vibración más bajas que las utilizadas por los ultrasonidos y generadas de manera diferente, pero el planteamiento teórico es similar. La ventaja de las ondas de impacto (o sónicas) frente a los ultrasonidos se basa en que utilizan una frecuencia más baja y, por tanto, de mayor alcance, lo que permite estudiar distancias mayores o piezas más largas. Por el contrario, una frecuencia más baja supone una señal menos clara y se pierde resolución en la medición. Al igual que en el caso de los ultrasonidos, el valor de velocidad nos permite estimar las propiedades mecánicas del material, y en caso de conocer la densidad, calcular el módulo de elasticidad dinámico. Otros métodos de impacto son el método de ecos, el método de impulso-respuesta y el de análisis espectral de ondas de superficie. Estos equipos se han utilizado principalmente en hormigón y acero (Malhotra et al. 2003). Imagen Equipo Microsecond Timer. Fuente: Fakopp Ondas vibratorias Los métodos de análisis dinámico por vibraciones inducidas tienen por objeto determinar la frecuencia natural de vibración de la pieza. En esta línea se pueden citar trabajos

87 3. Antecedentes anteriores realizados por Ferenc Divos de la Universidad de Sopron en Hungría (Divos, F., 2002). Esta técnica ha sido muy empleada en el proyectos de caracterización de madera estructural de grandes escuadrías, (Arriaga et al, 2005; Íñiguez et al, 2007). Cuando una pieza es sometida a un impacto, responde con comportamiento dinámico en forma de una vibración cuya frecuencia depende de sus propiedades físicas y mecánicas, fundamentalmente el módulo de elasticidad dinámico y la densidad. En estas técnicas se analiza el modo de vibración a partir de una señal que puede ser captada mediante un micrófono o un acelerómetro y sometida a un analizador de espectro para obtener la frecuencia y la amplitud. La relación matemática teórica supone que son medios homogéneos, isótropos y elásticos. Pero en la madera y en el hormigón, que no cumplen con estas condiciones, también puede utilizarse el método siempre que las dimensiones de la pieza a estudiar sean grandes en relación a los elementos que constituyen el material (Malhotra et al. 2003). Es un método rápido y puede emplearse con piezas muy diferentes en tamaño. Estas diferencias en el tamaño y el peso de las piezas influyen en la frecuencia. Las piezas de mayor tamaño presentan frecuencias de resonancia menores y vibran a frecuencias más bajas, tendiendo a dar valores de módulo de elasticidad dinámico proporcionalmente más altos que en piezas más pequeñas (Kesler and Higuchi, 1954). Es sabido a partir de las leyes fundamentales de la física de ondas que la velocidad de una onda a través de un material depende de su rigidez y densidad. La expresión general para obtener la velocidad se basa en los parámetros básicos de la onda (frencuencia y longitud de onda) de acuerdo a la ecuación siguiente: Donde: v velocidad de la onda (m/s) v f f longitud de onda (m) frecuencia (Hz) Cuando a lo largo de la pieza en vibración se acopla un número entero de ondas es cuando tienen lugar las series de armónicos. En caso de ondas longitudinales, el número básico de ondas que se ajustan a la longitud de la pieza se corresponde con la mitad de una longitud de onda ( /2). Este modo de vibración se corresponde con el primer armónico o frecuencia natural. El segundo armónico corresponde a una onda completa ( ) ajustada a la longitud de la pieza, y así sucesivamente se definen los sucesivos armónicos (2... n )

88 3. Antecedentes Imagen Representación gráfica del primer y segundo armónico. emisor pieza L receptor 1 er armónico / 2 2º armónico 2 De este modo, la longitud de onda del primer armónico (n = 1) y la velocidad de la onda pueden calcularse de acuerdo a las ecuaciones siguientes: 2 L Donde: v velocidad de la onda (m/s) v 2 L f 1 L f 1 longitud de la pieza (m) frecuencia fundamental (Hz) correspondiente al primer modo de vibración o primer armónico. En caso del segundo (n = 2) y sucesivos armónicos (n) la velocidad se puede obtener de la misma forma a partir de la ecuación de la longitud de onda. La forma más sencilla de determinar el modo de vibración de piezas de madera es golpear en una testa y medir la frecuencia de la vibración inducida en dirección longitudinal. De este modo, una vez conocida la velocidad de propagación de la onda en el primer modo de vibración, el cálculo del módulo de elasticidad dinámico es análogo al caso de las ondas sónicas: E din E din 2 v 2 2 L f

89 3. Antecedentes donde: E din módulo de elasticidad dinámico (N/mm 2 ) (para expresarlo en N/mm 2 multiplicar por el factor 10-6 ) L f longitud de la pieza (m) frecuencia natural de vibración longitudinal (n=1) (Hz) ρ densidad de la pieza (kg/m 3 ) Cuando no sea posible medir la frecuencia longitudinal, puede hacerse con un golpe transversal a la pieza, midiendo la frecuencia natural en flexión. En este caso, para calcular el módulo de elasticidad dinámico se puede emplear la ecuación de Euler que tiene por solución la siguiente expresión: E din 2 2 f n m L n I donde: E din módulo de elasticidad dinámico (N/mm 2 ) 3 f n frecuencia natural de vibración en flexión (1/s). Si n=1 se trata del básico o fundamental de vibración, que es el utilizado en este trabajo γ n constante, en el caso de γ 1= 2,267 m L masa de la pieza (kg) longitud de la pieza (mm) I momento de inercia de la sección (mm 4 ) La simplificación de la ecuación de Euler no considera la deformación por cortante incluida en la vibración de flexión, por lo que el resultado no es del todo preciso. Pero en piezas con una esbeltez superior a 15 (L / h > 15) es aceptable y las diferencias con métodos más precisos pero mucho más complicados son despreciables. La relación entre módulo de elasticidad dinámico y estático ha sido también objetivo de estudio (Divos y Tanaka, 2005). Aunque existe muy buena correlación entre el módulo de elasticidad estático y dinámico, los valores de rigidez obtenidos a partir del módulo dinámico suelen ser superiores a los reales o estáticos, por lo que en la bibliografía se recomienda su corrección si se van a utilizar en cálculos estructurales Otros métodos mecánicos

90 3. Antecedentes Son ensayos no destructivos basados en la aplicación de fuerzas y medición de deformaciones. La relación entre la carga y la deformación permite obtener el módulo de elasticidad y, mediante correlaciones, estimar los restantes parámetros como la resistencia Prueba de carga En general, una prueba de carga consiste en someter a cada pieza o a un sistema formado por varias piezas a un ensayo de flexión hasta alcanzar un nivel de carga equivalente al valor de cálculo reducido por un coeficiente de seguridad. La medición de las deformaciones observadas bajo carga permiten estimar la rigidez del elemento o sistema, así como el módulo de elasticidad del material u otras propiedades mecánicas. No es habitual emplearlo en piezas individuales de madera para su clasificación, sin embargo es frecuente para la estimación de las propiedades mecánicas de sistemas estructurales construidos Clasificación mecánica El sistema más extendido de clasificación mecánica se basa en la realización de un ensayo de flexión para relacionar esfuerzos con deformaciones. Los primeros trabajos referidos a este tipo de clasificación datan de 1961 en Estados Unidos (Hoyle, 1961) y de 1962 en Europa (Sunley y Curry, 1962). La actual normativa aplicable en Europa es la EN 14081: Timber structures Strength graded structural timber with rectangular cross section Part 4: Machine grading Grading machine settings for machine controlled systems y la UNE EN 519: Madera con uso estructural. Clasificación. Requisitos para la clasificación mecánica de la madera y de las máquinas de clasificación. La máquina de clasificación, a medida que recibe piezas de madera en continuo, las somete a una flexión de tabla sobre tramos de luz comprendidos entre 50 y 120 cm. En algunas máquinas unos rodillos se encarga de aplicar una carga determinada para medir la deformación provocada. En otras se fija la deformación que debe producirse y miden la

91 3. Antecedentes carga necesaria. Este ensayo se realiza en varias secciones de la pieza a medida que atraviesa la máquina y se determina el módulo de elasticidad en el tramo más desfavorable. El espesor máximo con el que se puede trabaja es de 100 mm. Hay alunos modelos que incorporan sistemas de medición de humedad, densidad o nudosidad. Imagen Clasificación mecánica: esquemas Computermatic y Cook Bolinder. Fuente: Montón Entre los inconvenientes del método cabe destacar la limitación en tamaño de las piezas, puesto que los equipos comerciales no pueden clasificar piezas de gran escuadría con espesores superiores a 100 mm, que siempre es recomendable una inspección visual complementaria para identificar defectos que la máquina no pueda reconocer y que implica un coste elevado. Una exhaustiva revisión sobre la clasificación mecánica está recogida por Fernández- Golfín (Fernández-Golfín el al. 2001). Además, hay publicaciones más recientes sobre el rendimiento de estas máquinas (Bengston, 2006; Bacher, 2008; Hanhijärvi, 2008a, 2008b; Nocenti, 2010, Ranta-Maunus, 2010) Penetrómetro El método de sondeo con penetrómetro consiste en la introducción de una aguja en la madera mediante un impacto de energía controlada. Se dispara sobre la madera una varilla metálica percutora impulsada por la fuerza elástica de un resorte. La profundidad de penetración está relacionada con la densidad y puede revelar la existencia de ataques internos en la madera producidos por hongos u otros organismos xilófagos. En el ámbito de la madera estructural o de la selvicultura es considerado un método no destructivo ya que únicamente se realiza un pequeño orificio de unos 2,5 mm de diámetro y con una profundidad variable de entre 5 y 20 mm, dependiendo de la resistencia a la penetración

92 3. Antecedentes que ofrezca la madera. En ningún caso, este orificio causa daños importantes a la madera o al vegetal vivo. En otros ámbitos se considera semidestructivo y su utilización puede verse limitada si en necesario preservar intacta la superficie de la madera, como puedan ser obras de arte, artesonados u otros elementos. Entre los aparatos más conocidos en este campo destaca el Pilodyn. Se trata de un equipo versátil, su aplicación en España es conocida desde hace tiempo y su aplicación en madera estructural es objeto de estudios recientes obteniendo un R 2 en pino silvestre de 35% (Bobadilla et al, 2007). Imagen Pilodyn. Fuente: Bobadilla et al Imagen Detalle del Pilodyn. Fuente: Pilegaard, En otras especies, otros autores han obtenido mejores coeficientes entre la densidad y la profundidad de penetración, alcanzando valores de R 2 entre 70 y 85% (Cown et al. 1998). En obras existentes también es empleado por su sencillez para estimar propiedades de la madera como describen diferentes autores (Watt et al. 1996; Bobadilla et al., 2007; Íñiguez

93 3. Antecedentes et al. 2008), en algunos de estos casos combinado el penetrómetro con otras técnicas no destructivas portátiles. Debido a la importancia de la humedad en las propiedades de la madera, hay autores que proponen valores de corrección para la profundidad de penetración en función del contenido de humedad (Smith and Morrell, 1986). La ventaja principal es que se trata de un equipo ligero, de fácil manejo y rápido. Como inconveniente, sólo se estiman valores de densidad local, por lo que para extrapolar el resultado a una pieza habrá que repetir el ensayo en varios puntos Resistógrafo La utilización del resistógrafo como técnica de análisis no destructiva se aplica en la inspección de madera sobre todo para localizar secciones degradadas u obtener información del interior de las piezas. Evalúa la resistencia que la madera opone a la penetración de una aguja de acero del orden de 1,25 a 1,5 mm de diámetro que gira a velocidad constante mientras se introduce en la madera. El valor de la resistencia al taladro es un indicador de la densidad de la madera que tiene que atravesar, y es medido a partir de la potencia consumida por el motor del taladro. Esta lectura se interpretará posteriormente en términos de variación de densidad. Imagen Resistógrafo. Fuente: Mariño et al La punta de la aguja tiene un diámetro igual a dos veces el espesor del vástago para permitir que la fuerza ejercida se concentra en dicho punto y evitar el rozamiento de la

94 3. Antecedentes varilla sobre la madera. La geometría de la cabeza del resistógrafo permite que la aguja penetre con facilidad con diferentes ángulos de inclinación, si la lectura no es perpendicular a la superficie en ocasiones se puede recurrir a un útil que facilita el acople del equipo con el ángulo de inclinación adecuado. El registro de datos se realiza gráficamente a través de una memoria y una pequeña impresora que reproduce los perfiles resistográficos a escala 1:1 mientras se realiza el ensayo: fuerza ejercida (% amplitud) por unidad de longitud. Así pues, es posible conocer el estado de la madera a medida que se va obteniendo la lectura en el equipo. Los perfiles que se obtienen son capaces de diferenciar el espesor de los anillos de crecimiento por la diferencia de densidad entre la madera de verano y la madera de primavera. Cuando la madera presenta un ataque por hongos la resistencia a la penetración disminuye significativamente hasta un nivel constante, y cuando presenta un ataque por insectos la resistencia disminuye puntualmente a medida que el resistógrafo atraviesa las galerías producidas por ellos o sus larvas (Álvarez et al. 2005). Imagen Perfil resistográfico. Fuente: Vilches y Correal, Imagen Superposición resistografía-pieza madera. Fuente: Vilches y Correal,

95 3. Antecedentes Imagen Perfil sobre madera sana - Perfil sobre madera atacada. Fuente: Álvarez et al, Estudios realizados con varios ángulos de penetración han dado buenos resultados para la estimación de la resistencia a flexión, con R 2 de 88-89%. Sin embargo, para la estimación de la densidad en dichos estudios el coeficiente R 2 baja hasta el 52% (Vilches y Correal, 2009). Estos resultados en densidad contrastan con los de otros autores que sí han obtenido buenos coeficientes, con valores de R 2 por encima del 80% (Acuña el al. 2011; Mariño et al, 2002). Otros autores apoyan los buenos resultados del resistógrafo como herramienta válida para la inspección de estructuras de madera y obtención de los valores de resistencia y densidad de la madera combinando diferentes ángulos de medida (Álvarez et al. 2005). Lógicamente, la medición obtenida tiene carácter local y por ello es necesario realizar varias perforaciones en un mismo elemento de madera para poder detectar posibles daños en su interior. Su principal ventaja es que es una técnica rápida y precisa, sensible a pequeños cambios de densidad en la madera. Como inconveniente, tiene carácter puntual, es un método más costoso y difícil de transportar Arranque de tornillo Consiste en la medición de la fuerza necesaria para extraer un tornillo del material a estudiar, que se encuentra relacionada con su densidad

96 3. Antecedentes Este tipo de ensayo es habitual en el control de las propiedades de la madera y de los tableros derivados de la madera para su uso en carpintería, pero su uso en madera estructural no se encuentra muy extendido. El ensayo consiste en insertar un tirafondo de dimensiones adecuadas a una profundidad determinada y medir la fuerza necesaria para extraerlo. Es necesario calibrar el equipo, definir la profundidad y el tipo de tornillo adecuados con los que se van a trabajar. Es un ensayo no destructivo de carácter puntual con el que se obtienen buenos resultados en la determinación de la densidad de la madera. Estudios recientes han obtenido un R 2 de 67% para diferentes especies españolas (Íñiguez et al, 2010). Si se combinan los datos obtenidos con los resultados de otras técnicas no destructivas también se pueden estimar las propiedades mecánicas del material. Este equipo también se puede utilizar con éxito como técnica de diagnóstico predictiva de daños bióticos en la madera (Niemz et al. 1998), ya que es capaz de detectar diferencias en la resistencia al arranque en función del estado de la madera, siendo de gran utilidad cuando esta no muestra indicios externos de su degradación. Antecedentes de esta aplicación pueden citarse en trabajos realizados por Ferenc Divos para la inspección de estructuras existentes (Divos, 1998) y como estimador de las propiedades resistentes de la madera (Divos, 1997). En este trabajo, se han realizado ensayos con dicha máquina portátil Screw Withdrawal Resistance Meter de Fakopp. Consta básicamente de tres partes: un dispositivo de sujeción del tornillo, un transductor que registra la fuerza máxima de arranque, y un husillo, para la extracción del tornillo. Imagen Equipo de Arranque de tornillo de Fakopp. Fuente: Bobadilla et al.,

97 3. Antecedentes Se ha comprobado la existencia de una relación estadísticamente significativa entre la densidad media y la fuerza media de arranque obtenida en el canto de las piezas de madera, obteniendo un R 2 de 62% (Casado et al. 2010). Otros estudios obtienen una estimación de la resistencia a compresión perpendicular a la fibra de la madera a partir del momento torsor necesario para introducir un tornillo en la pieza (Walter et al. 2005). Esta técnica se ha empezado a utilizar en estudios de caracterización de las propiedades físicas de la madera estructural. La regresión entre la fuerza de arranque y densidad real alcanza un coeficiente de correlación de 49,9% (Bobadilla et al, 2007). Como ventajas principales, es un equipo de fácil manejo y portátil. Su principal inconveniente es la puntualidad de su resultado, por lo que se recomienda repetir el ensayo en varios puntos de la pieza Otros Existen otros métodos que están basados en mediciones realizadas con campos magnéticos o corrientes eléctricas, los métodos nucleares, realizados con rayos X, Gamma y resonancias magnéticas. Algunos ejemplos de estas técnicas son: - Métodos electromágneticos: Termografía infrarroja (TIR): se basa en la transferencia de calor entre el material y el ambiente que lo rodea. Se obtiene la temperatura de la superficie de un material mediante la captación de la radiación infrarroja que emite. El mapa térmico de la superficie se conoce como termograma. La madera presenta una serie de propiedades térmicas, que se emplean en la inspección termográfica. Estas propiedades son el calor específico, la conductividad y la difusividad térmica. Cuando el flujo de calor en la madera es alterado por la presencia de singularidades o defectos se generan contrastes de temperatura en su superficie. Existen dos tipos de técnicas: termografía activa y termografía pasiva. En la termografía activa se usa una estimulación externa para provocar un flujo de calor interno en el material

98 3. Antecedentes La termografía pasiva se refiere a aquellos casos en los que no se usa ninguna estimulación de calentamiento o enfriamiento externo para provocar un flujo de calor. Imagen Imagen termográfica de un techo de madera. Fuente: - Métodos nucleares: Radiografía: es una técnica que utiliza una radiación penetrante generada a partir de varias fuentes, normalmente electrones, neutrones, rayos gamma y rayos X. Dicha fuente emite un haz de radiación dirigida hacia el material de estudio. El material examinado tiene diferentes niveles de absorción de la radiación en función de la densidad del material. La detección de defectos internos mediante radiología está limitada por el tamaño y orientación de los defectos. Para la localización de grietas internas es necesario que la grieta tenga un tamaño adecuado, por lo menos de un 2 % del espesor de las piezas, y estar orientadas de manera paralela al haz de radiación. Tomografía computarizada: técnica que permite reconstruir la sección transversal de un objeto mediante el empleo de rayos X. Se puede utilizar para detección de pudriciones, estudios dendrocronológicos, cubicación precisa dearboles, etc. No obstante no ha sido muy utilizado en el ámbito forestal debido a su elevado coste. Dicha técnica se basa en proporcionar movimiento circular a un generador de rayos X y a una placa fotográfica, mientras que el árbol permanece entre ambas. De esta manera la sombra de un determinado plano del árbol, se halla situada siempre en la misma posición de la placa, pero las sombras del resto del árbol están en continuo movimiento, con lo cual son borradas por completo

99 3. Antecedentes Imagen Sección transversal de una troza de madera y su vista mediante tomografía computarizada. Fuente: Aguilera et al., Cuadro resumen de A continuación se presenta un cuadro resumen de las técnicas no destructivas descritas y alguna otra no comentada por no ser empleada en el estudio principal de la Tesis, pero que también se emplea en madera. Tabla 3.6. Resumen TÉCNICA INSPECCIÓN TIPO DEFECTO VENTAJAS LIMITACIONES Inspección visual Clasificación mecánica Resistógrafo Penetrómetro Resistencia al arranque de tornillo Inspección superficial de singularidades o defectos Inspección volumétrica. Método mecánico Inspección volumétrica. Método mecánico Inspección volumétrica. Método mecánico Inspección volumétrica. Método mecánico Superficiales Fendas, nudosidad. Algunas detectan singularidades internas Cambios en la densidad provocados por fendas o pudriciones Cambios en la densidad provocados por pudriciones o xilófagos. Cambios en la densidad provocados por pudriciones o xilófagos Bajo coste. Información inmediata Fiables, rápidas. Proporciona la clase resistente Muy precisa, rápida, evalúa zonas de difícil acceso u ocultas en empotramientos Rápida, portátil, precisa. Detecta daños no visibles Rápida, portátil, precisa. Detecta daños no visibles Subjetiva, depende del técnico. No detecta defectos internos Elevado coste. Limitaciones de tamaño de pieza. No portátil. Elevado coste y peso. Evaluación puntual. Evaluación puntual. Evaluación puntual. Requiere protocolo de aplicación de la técnica

100 3. Antecedentes TÉCNICA INSPECCIÓN TIPO DEFECTO VENTAJAS LIMITACIONES Ultrasonido Ondas sónicas Vibración Emisiones acústicas Infrarrojo Radiografía Tomografía computerizada Inspección volumétrica. Método acústico Inspección volumétrica. Método acústico Inspección volumétrica. Método acústico Inspección volumétrica. Método acústico Inspección volumétrica. Método electromagnético Inspección volumétrica. Método nuclear Inspección volumétrica. Método nuclear/acústico Permite detectar defectos o singularidades internos y espesores Permite detectar defectos o singularidades internos y espesores Permite detectar defectos o singularidades internos Grietas y su velocidad de crecimiento. Fatiga, corrosión, pudrición Defectos estructurales, grietas, pudrición, laminaciones o huecos Grietas, inclusiones, porosidad, pudrición, uniformidad del material Grietas, inclusiones, porosidad, pudrición, uniformidad del material, alineación de componentes Detecta defectos internos. Obtención de información cualitativa y cuantitativa. Portátil Detecta defectos internos, obtención de información cualitativa y cuantitativa. Técnica fácil y rápida de aplicar Facilidad y rapidez de aplicación e interpretación Localiza puntos de rotura con alta precisión; determina parámetros para estimar vida útil de los elementos Cubre una gran área de inspección rápidamente. Permite mediciones de los elementos internos de una estructura Detecta grietas internas. Obtención de información cualitativa y cuantitativa Detecta grietas internas. Obtención de una impresión permanente. Da información cualitativa y cuantitativa Puede requerir el uso de un acoplante que distorsione la señal Menor resolución que ultrasonidos. No todas las esbelteces de la pieza son válidas. Limitaciones para materiales en servicio Coste relativamente elevado, dificultad en el análisis e interpretación de los datos obtenidos Coste elevado. Baja sensibilidad para detectar grietas Elevado coste. No detecta grietas ni defectos de tamaño pequeño Elevado coste, no detecta defectos de pequeño tamaño. Requiere mucho tiempo para obtener la imagen

101 3. Antecedentes Conclusiones de los Puede concluirse que clasificación visual es un método fiable y de fácil aplicación en madera nueva. Supone un sistema relativamente evolucionado y normalizado que, en la actualidad, está encontrando una implantación aceptable en muchos sectores. En estructuras existentes las normas de clasificación visual no siempre resultan una herramienta fiable por las dificultades que presenta su aplicación, especialmente en lo relativo a la medición y cuantificación de algunos parámetros de clasificación. En ocasiones la clasificación visual tiende a infravalorar las propiedades de la madera estructural. Entre otras técnicas no destructivas, las más importantes por su implantación y desarrollo son la clasificación mecánica, indicada especialmente para la clasificación de madera nueva en aserradero y en serie, y la técnica de transmisión de onda, aplicable en fábrica y en estructuras existentes. Existen otras técnicas no destructivas que pueden encontrar posibilidades de implantación por su relativa facilidad de manejo, pero aún queda por contrastar su eficacia y fiabilidad en la predicción de las propiedades mecánicas de la madera estructural. La abundante bibliografía encontrada al respecto denota el interés y la necesidad que en diferentes ámbitos despierta esta problemática. En esta Tesis Doctoral los equipos empleados para la estimación de las propiedades mecánicas y físicas que definen la capacidad estructural del material son los descritos en el gráfico siguiente: Imagen Propiedades obtenidas a partir de TND

102 3. Antecedentes 3.6. Ensayo mecánico estructural El ensayo utilizado y sus características, como tiempo de ensayo, carga aplicada, humedad, luz de ensayo, puntos de aplicación de la carga, etc., son determinantes a la hora de calcular las propiedades de la madera. Para tener criterios comunes y condiciones similares entre los diferentes laboratorios europeos se normalizó el ensayo correspondiente. En este caso la Normativa a seguir es: - Norma UNE-EN 408. Estructuras de madera. Madera aserrada y madera laminada para uso estructural. Determinación de algunas propiedades físicas y mecánicas. Esta norma ha sufrido cambios y actualizaciones constantes desde finales de los años noventa hasta hoy, evolucionando para lograr una mayor precisión y fiabilidad en los resultados y facilitando el desarrollo de los ensayos. Con esta norma quedan especificados los métodos de ensayo para obtener las propiedades más importantes utilizando probetas de madera de dimensiones estructurales. Estas propiedades son el módulo de elasticidad en flexión, el módulo de elasticidad transversal, la resistencia a la flexión, el módulo de elasticidad en tracción paralela a la fibra, resistencia a la tracción paralela a la fibra, módulo de elasticidad en compresión paralela a la fibra, resistencia a la compresión paralela a la fibra, módulo de elasticidad en tracción perpendicular la fibra, resistencia en tracción perpendicular a la fibra, módulo de elasticidad en compresión perpendicular a la fibra, resistencia a la compresión perpendicular a la fibra y resistencia a cortante. Además define también los procedimientos para la determinación de las dimensiones, la humedad y el peso específico de las piezas. Se puede aplicar con piezas rectangulares o circulares de madera maciza o empalmada con uniones dentadas y madera laminada encolada. Para la obtención de los valores característicos de estas propiedades a partir de los resultados de los ensayos y determinar se utiliza la norma: - Norma UNE-EN 384. Madera estructural. Determinación de los valores característicos de las propiedades mecánicas y la densidad

103 3. Antecedentes Ensayo a flexión En una pieza de madera sometida a flexión simple hay que distinguir entre el comportamiento de la fibra comprimida y la traccionada. En compresión, la relación entre tensión y deformación es elástica hasta un determinado valor de deformación (ε c,0,y) que es variable con cada especie, a partir del cual se entra en una zona de deformaciones elastoplasticas que finaliza en un tramo recto bajo tensión constante (f c,0,u), asociada a unas deformaciones que varían entre (ε c,0,p) y (ε c,0,u). En tracción, la relación entre tensión es elástica hasta la rotura, adoptando la pendiente un ángulo de inclinación (β), mayor que el de compresión en tramo elástico (α). Este comportamiento se expresa gráficamente para la madera de pino silvestre en la Imagen (Baño et al 2012). Imagen Valores de límite elástico y resistencia última de Pinus sylvestris L. Fuente: Baño et al Si se admite la hipótesis de tensión y deformación plana de la sección durante los primeros estados de carga en una flexión simple, la ley de tensiones seguirá una distribución formada por dos rectas con diferente pendiente. Como consecuencia de este comportamiento, la fibra neutra desciende, alejándose del comportamiento clásico de la resistencia de materiales para sólidos isótropos en los que la fibra neutra permanece sobre el eje de flexión (Baño et al. 2012)

104 3. Antecedentes Imagen Descenso de la fibra neutra de una pieza sometida a flexión pura. Fuente: Baño et al Debido a este desplazamiento de las fibras, la medida del valor de módulo de elasticidad local es de menor fiabilidad que el global (Íñiguez, 2007). Por este motivo se han realizado los ensayos para determinar el módulo de elasticidad global y, a partir de este valor, obtener el módulo local La influencia de la humedad en la madera Uno de los objetivos principales de esta Tesis Doctoral es el estudio de la influencia de la humedad en las técnicas no destructivas, por lo que a continuación se desarrollan algunos de los conceptos más importantes en relación a la humad de la madera que deben tenerse en cuenta. La madera es un material poroso y heterogéneo en su estructura que presenta un comportamiento anisótropo e higroscópico, por lo que sus propiedades físicas y mecánicas son también variables en función del contenido de humedad y de la dirección respecto a la fibra

105 3. Antecedentes Imagen Direcciones de la madera. Fuente: CORMA La cantidad de agua existente en la madera puede variar mucho según la especie, el tipo de madera (albura o duramen) y la edad de la madera (madera juvenil o madera adulta). Puede encontrarse en forma líquida ocupando los huecos celulares (agua libre), impregnando las paredes celulares (agua de impregnación) o formando parte de la propia estructura molecular de la madera (agua de constitución). Por tratarse de un material higroscópico y poroso puede intercambiar agua con el ambiente en función de la temperatura y humedad relativa del medio que le rodea. Imagen Estados de la madera en función del contenido de humedad. Fuente: de la Mata, En lo que se refiere a las propiedades físicas y mecánicas, el contendido de humedad que influye en la madera es el debido al agua que impregna las paredes celulares, puesto que el agua libre sólo altera el peso específico aparente

106 3. Antecedentes El contenido de humedad en la madera se expresa como la cantidad de agua contenida en la madera en porcentaje de peso respecto a su masa anhidra, en forma de un tanto por ciento sobre su peso seco. Los valores de referencia que deben tenerse en cuenta son los siguientes: - Por encima de un valor próximo al 30 % las paredes celulares se encuentran completamente impregnadas o saturadas de agua y existe agua libre ocupando los huecos celulares. Estos valores los presentan árboles recién aserrados, el agua se encuentra en el lumen de las células y es retenida por fuerzas capilares. - Cuando el contenido de humedad está próximo al 30 % se denomina punto de saturación de la fibra (PSF). Este valor es muy similar para todas las especies de madera. - Valores por debajo del 30 % indican que el agua existente en la madera se encuentra impregnando las paredes celulares y que no existe agua libre. Para extraer el agua de constitución habría que destruir la madera, por lo que cuando se habla de variaciones en el contenido de humedad de la madera siempre se referirá al agua libre y de impregnación Métodos y equipos para la medición de la humedad Para la medición del contenido de humedad pueden diferenciarse, entre otros, el método gravimétrico y los métodos eléctricos. En el primer caso se calcula el contenido de humedad mediante un proceso de secado en estufa y pesadas sucesivas de una probeta de madera. Los métodos eléctricos determinan el contenido de humedad a partir de las propiedades eléctricas de la madera, tales como la resistencia eléctrica y la constante dieléctrica. El xilohigrómetro de resistencia es uno de los equipos más utilizados y mide la resistencia eléctrica de la madera mediante electrodos clavados en la madera. En este caso hay que tener en cuenta que la madera tiene una resistencia eléctrica que varía con el contenido de humedad, en menor grado con la temperatura y que también depende de la especie. En el estado seco (a 9% de humedad y 20 C) la madera es un muy buen aislante eléctrico con muy buena resistencia eléctrica. Para valores superiores de humedad la resistencia eléctrica disminuye de forma importante. Con valores de humedad por encima del 30 % la

107 3. Antecedentes resistencia disminuye notablemente hasta estabilizarse en un valor casi constante debido a la presencia de agua libre. Por ello la sensibilidad de estos equipos es mayor con niveles de humedad por debajo del 30 % de contenido de humedad. No obstante, para contenidos de agua por debajo de 8%, la resistencia eléctrica es tan alta que la medición es casi imposible. En la práctica el medidor de humedad de resistencia funciona bien en un rango de valores de contenido de humedad entre el 8% y el 25%, con una precisión del orden de ± 2. Con todo, existen en el mercado aparatos con escalas desde 5% o 6% hasta 100%, pero exigen cierta prudencia al interpretar los resultados obtenidos fuera del rango de 8% a 25%, ya que se pueden indicar valores muy imprecisos. A.J. Stamm establece una relación entre la conductividad y el contenido de humedad de la madera, existiendo una relación lineal por debajo del punto de saturación de fibra (30 %) (Stamm, 1964). Imagen Conductividad eléctrica y contenido de humedad de la madera. Fuente: Stamm, Como se ha comentado, la medida del equipo va a depender también de la temperatura, por lo que, antes de tomar una medición hay que esperar a que la madera se haya acondicionado a la temperatura ambiente y utilizar los factores de corrección indicados por el fabricante del aparato. Los modelos actuales incorporan un selector para corregir el efecto de la temperatura. Además, los equipos suele disponer de una opción para indicar la especie de madera

108 3. Antecedentes Otras precauciones que se deben considerar en el uso del xilohigrómetro de resistencia eléctrica son las siguientes: - Si las probetas contienen una gran diferencia de contenido de agua entre el centro y la superficie (gradiente de humedad), deben realizarse varias lecturas a diferentes profundidades para obtener un valor medio representativo. Se estima que el gradiente de humedad entre el interior de la probeta y la superficie sigue una distribución cuyo valor medio se encuentra en torno a un tercio del espesor de la pieza. Por ello conviene usar clavos de fuste aislado que miden la conductividad sólo en su extremo, haciéndolos penetrar en la madera hasta 1/3 de la dimensión de la pieza. - Las tablas no deben estar impregnadas con ningún producto ni tener revestimientos superficiales que puedan alterar los valores de conductividad. Por ejemplo, existen factores de corrección que deben utilizarse para la medición de humedad en madera impregnada con sales. Otro método utilizado en la industria es el que funciona según el principio de la capacidad eléctrica. La medición por capacidad depende de la densidad de la madera, por lo tanto, el aparato debe ser calibrado para cada especie. Este método es especialmente útil cuando se precisa conocer el contenido de agua en la superficie de la madera, lo que puede ser importante para el encolado o para la medición en chapas. Los electrodos tienen forma de superficies planas y no dañan la madera porque no la perforan como los electrodos clavados. Existen otros métodos para medir humedad en la madera como radiación infrarroja, microondas o por destilación, algunos de ellos utilizados en la industria maderera Influencia de la humedad en las propiedades de la madera Los valores de contenido de humedad de la madera que deben tenerse en cuenta como referencia son los siguientes: - Al ser cortada en el bosque, se encuentra con los lúmenes y paredes celulares saturados de agua. A esta condición de humedad en la madera se le designa como contenido de humedad máximo (CH máx.). Los primeros cambios en el contenido de humedad son debidos al intercambio del agua libre que ocupa los lúmenes celulares

109 3. Antecedentes con la atmósfera, y no tienen repercusión importante porque no afecta a las paredes celulares. - Al ir perdiendo agua en función de las condiciones ambientales, la madera pierde el agua contenida en sus lúmenes celulares hasta alcanzar el punto de saturación de las fibras (PSF), que corresponde al contenido de humedad en el cual se ha eliminado toda el agua libre del interior pero las paredes celulares se mantienen completamente saturadas de agua. El contenido de humedad en el PSF depende de varios factores y es variable para las diversas especies. Sin embargo, para fines prácticos se acepta en general un 30% como promedio. - Si continúa la pérdida de humedad, por debajo del punto de saturación de las fibras la madera comienza a perder agua contenida en sus paredes celulares. Los fenómenos de hinchazón y merma se producen principalmente en este periodo, cuando hay variaciones en el contenido de humedad por debajo del 30% o punto de saturación de la fibra, hasta alcanzar el nivel de contenido de humedad en el que el proceso se detiene. Es el llamado contenido de humedad de equilibrio de la madera y depende fundamentalmente de la especie, la temperatura y la humedad relativa del ambiente en que se encuentre la madera. - La pérdida de humedad por debajo de la humedad de equilibrio sólo puede lograrse mediante secado artificial, que permite extraer, si se desea, toda el agua contenida en la madera hasta alcanzar el estado anhidro. Imagen Temperatura, humedad relativa y humedad de equilibrio. Fuente: de la Mata,

110 3. Antecedentes El contenido de humedad influye tanto en las propiedades físicas como mecánicas del material, destacando los siguientes aspectos: 1. El volumen de las piezas, porque la variación del contenido de agua de las paredes celulares va a provocar hinchazón o contracción de las dimensiones. Como la madera tiene un comportamiento anisótropo, los cambios dimensionales normales de la madera son de magnitud diferente en las direcciones tangencial, radial y longitudinal. La contracción tangencial es 1,5 a 3 veces mayor que la contracción radial y la longitudinal es normalmente despreciable en la madera. Esta diferencia entre contracción radial y tangencial causa la aparición de fendas, inevitable en piezas de escuadrías relativamente grandes. Las diferencias entre contracción tangencial y radial son debidas a la mayor contracción en el sentido tangencial que sufren los anillos de madera de verano, particularmente en coníferas, y por otra a la restricción a los cambios dimensionales que ejercen los radios leñosos en la dirección radial. La limitada contracción longitudinal es debida a la orientación longitudinal de los principales tejidos constituyentes de la madera. Este cambio en las dimensiones de las piezas es en ocasiones determinante para la clasificación visual. Piezas en principio clasificadas como aptas para la construcción pueden pasar a ser rechazadas después del proceso de secado. La contracción se calcula comparando los cambios dimensionales con la dimensión inicial de las piezas. D 1 D2 C 100 D2 Siendo: C D 1 D 2 Contracción (mm) Dimensión pieza saturada (mm) Dimensión pieza seca (mm)

111 3. Antecedentes Imagen Diferencias en la contracción del material en función de la dirección. Fuente: Mora, N En el caso del pino silvestre, la contracción radial es de un 4,0 % y la tangencial de 7,7 %. (Hermoso, 2003). Imagen Diferencia entre contracción radial y tangencial del pino silvestre

112 3. Antecedentes 2. La densidad de la madera, que expresa la relación entre la masa de la madera y el volumen que ocupa. El contenido de humedad de la madera influye sobre ambas características, la masa, que varía al tener mayor o menor contenido de agua, y en el volumen, como se ha explicado anteriormente. La densidad de referencia se toma para un contenido de humedad del 12%. Normalmente las maderas de mayor densidad presentan una mejor resistencia mecánica y una mayor cantidad de material leñoso, pero son más difíciles de trabajar y tratar. De acuerdo a la densidad normal las maderas pueden clasificarse técnicamente en maderas livianas, semipesadas y pesadas. La densidad de la madera varía además con la especie y depende de la edad de los árboles. La densidad de la madera está también relacionada con la estructura anatómica de la madera. 3. La resistencia mecánica y módulo de elasticidad de la madera. Por encima del punto de saturación de fibra la resistencia y la elasticidad no se ve casi afectadas. Por debajo de este valor, la disminución del contenido de humedad conlleva una variación de la resistencia de la madera, aumentando en todas sus direcciones al secarse el materia (Gerhards, 1982) Proceso de secado Para completar los temas concernientes al contenido de humedad hay que destacar la importancia del proceso de secado. El secado de una pieza de madera tiene lugar por un mecanismo de evaporación de agua en la superficie, acompañado por un movimiento de agua desde el interior hacia la superficie. Ello conlleva la formación de un gradiente de humedad desde el interior (mayor humedad) hacia el exterior de la pieza (menor humedad). El proceso de secado de la madera está influenciado por: - Velocidad, temperatura y humedad del aire y de la superficie de la madera. - Temperatura y contenido de humedad de la madera, aptitud higroscópica, permeabilidad y anatomía de la madera y potencial de transmisión de calor. Como consecuencia del gradiente de humedad entre el interior de la pieza y la superficie aparecen unas tensiones de tracción y compresión que, cuando superan la resistencia de la

113 3. Antecedentes madera a tracción perpendicular a la fibra, dan lugar a grietas fendas de secado. Estas tensiones de tracción perpendicular a la fibra son mayores en la superficie durante las primeras etapas del secado, y mayores en el interior de la pieza en las etapas avanzadas del secado. Imagen Esfuerzos de secado. Fuente: Joly, P.; More.Chevalierd, F., 1980 ESFUERZO TRACCIÓN COMPRESIÓN La humedad y su influencia en las técnicas no destructivas Como se ha visto, las propiedades físicas de la madera dependen entre otras características del contenido de humedad, por lo que se trata de un factor determinante en lo relativo a la utilización de técnicas no destructivas. Para estimar su influencia, en la actualidad existen estudios en algunas especies de madera que demuestran que existe una relación entre la humedad y la velocidad de transmisión de onda (Oliveira et al. 2005). Las particularidades y heterogeneidad de la madera hacen que sea interesante el estudio de esta influencia para las distintas especies. Además, se ha comprobado que la velocidad de transmisión de onda varía al modificar el contenido de agua de la madera incluso por encima del punto de saturación de fibra (Simpson and Wang, 2001; Mishiro, 1995). En la mayoría de las especies estudiadas la velocidad de transmisión de onda obtenida en madera verde es similar a la obtenida al alcanzar el punto de saturación de fibra. Sin embargo aumenta de forma rápida al disminuir la humedad por debajo del punto de saturación de la fibra hasta niveles en los que se puede considerar madera seca (Oliveira et al. 2005). En el caso de las especies de procedencia brasileña Goupia glabra y Araucaria angustifolia, por cada grado porcentual

114 3. Antecedentes de aumento del contenido de humedad la velocidad de propagación de la onda ultrasónica longitudinal disminuye 23,6 m/s y 25,4 m/s respectivamente en contenidos de humedad entre el punto de saturación de fibra hasta el secado de estufa (Gonçalves, 2008). En general, para cualquier temperatura ambiente, la velocidad de transmisión disminuye al aumentar el contenido de humedad. La relación humedad-velocidad por debajo del punto de saturación de fibra en el pino radiata es lineal, sin embargo por encima de este valor se pierde la linealidad, siendo la diferencia más patente en temperaturas bajas (Moreno Chan et al. 2010). En el caso del Pinus resinosa, los estudios recientes relacionan la importancia del rango de temperaturas de medida con la humedad y la velocidad de transmisión de onda, concluyendo que a temperatura ambiente es posible establecer una relación entre estas variables, pero en condiciones cercanas a la temperatura de congelación esta relación depende de otros factores y complica la generalización de la relación incluso para una misma especie (Gao et al., 2011). El fabricante de Microsecond Timer y PLG propone una corrección de la velocidad de onda un 1% por cada grado de humedad respecto al 12 %, según si indica en los manuales de los equipos. MST y PLG). Para Sylvatest, el fabricante propone una corrección de 0,8% (Sandoz, 1989). Estos tres equipos han sido parte de los utilizados en esta Tesis Doctoral. Todos estos estudios concluyen que la velocidad de las ondas de los equipos de ultrasonidos disminuye al aumentar el contenido de humedad, y esta relación puede variar en función de la especie, por lo que se trata de un valor que conviene fijar en torno a un valor de referencia para establecer las correcciones oportunas Conclusiones Como conclusión, y por la importancia de este punto en el desarrollo de la tesis, se puede destacar que: 1. El contenido de humedad es un factor relevante pero controlable. 2. La importancia de la determinación del contenido de humedad deriva de la influencia que tiene en las propiedades físicas y mecánicas del material

115 3. Antecedentes 3. La madera es un material higroscópico que tiende a un equilibrio con las condiciones ambientales y aumenta o disminuye el contenido de humedad provocando que lo varíen sus dimensiones y su volumen. 4. Las propiedades mecánicas varían cuando el contenido de humedad está por debajo del punto de saturación de la fibra (30%). El módulo de elasticidad y la resistencia disminuyen al aumentar el contenido de agua. Hay autores que han propuesto ecuaciones para ajustar la relación entre el contenido de humedad y las propiedades del material, con una aproximación muy aceptable y sin incurrir en grandes errores, a pesar de haber usado los datos de especies de coníferas diferentes. Son relaciones útiles para especies similares al pino mexicano (Ordoñez, V.R.; Dávalos, R. 1996). Además existen otros estudios interesantes en relación al tema en los que concluyen que el contenido de humedad influye de forma clara e importante en el módulo de elasticidad, siendo algo menor en la tensión de rotura (Green et al., 2007). Este estudio en concreto se desarrolló en piezas de diámetro pequeño de Pinus contorta, frecuente en Estados Unidos

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117 4. MATERIAL Y METODOLOGÍA 4.1. Equipo humano Personal de Laboratorio de Estructuras de Madera del Centro de Investigación Forestal del Instituto Nacional de Investigaciones Agrarias. (CIFOR-INIA). Este Laboratorio tiene una amplia experiencia en realización de ensayos con madera estructural y gran escuadría. Está acreditado por ENAC y es un referente a nivel nacional dentro del sector de la construcción con madera. Personal del grupo de investigación Construcción con Madera de la Universidad Politécnica de Madrid. Una de las líneas de investigación principales del grupo son los ensayos no destructivos en madera, que a su vez es la base de esta Tesis Doctoral Equipo material Pequeño material y material auxiliar Material empleado en la toma de datos de dimensiones de las vigas (cara, canto y longitud), y tamaño y localización de singularidades: - Flexómetros de 5 m de longitud con una precisión de 1 mm, clase II. - Escuadras de carpintero de diferentes tamaños para marcar los puntos de referencia necesarios para los ensayos. - Galga 20 (espesor de 5 micras) para medir profundidad de las fendas. - Regla milimetrada para la medición de anchura y profundidad de fendas. - Perfil metálico de 2 m de longitud para la medición del alabeo y las curvaturas. - Forcípula para la medición de las dimensiones de las vigas con gemas. Taladro eléctrico de la marca BOSCH, modelo PSB 570 RE, potencia de 570 W para realizar los agujeros para la realización de las pruebas de ultrasonido

118 4. Material y metodología Imagen 4.1. Material Auxiliar Imagen 4.2. Material Auxiliar Imagen 4.3. Material Auxiliar Xilohigrómetro Empleado para determinar la humedad de las vigas en diferentes momentos del estudio siguiendo la norma UNE-EN Este equipo está basado en la medición de la resistencia de la madera al paso de corriente eléctrica, que es proporcional al contenido de humedad. El rango de mayor fiabilidad de medidas se obtiene con valores entre 8% y 30% de humedad. Consta de una consola, funciona con pilas y da una lectura digital con un decimal. La consola va unidad a dos electrodos que se clavan en la madera con una maza. Una vez calibrado el equipo para la especie y la temperatura ambiente se procede a medir la humedad

119 4. Material y metodología Imagen 4.4. Xilohigrómetro Para una parte de los estudios de la tesis, la humedad se ha medido con diferentes sistemas de clavos y tornillos conectados a los electrodos con unas pinzas. Imagen 4.5. Humedad medida con xilohigrómetro utilizando pinzas Imagen 4.6. Detalle de las pinzas Este equipo ha sido empleado con diferentes tornillos y clavos para la medición de la humedad durante el proceso de secado de las piezas de dimensiones nominales 100 x 150 x 3000 mm. - dos tirafondos de 70 mm de largo y 4 mm de diámetro, clavados a una profundidad de 66 mm (equivalente a 2/3 del espesor la sección). - dos clavos de 60 mm de largo y 4 mm de diámetro, clavados a una profundidad de 33 mm (equivalente a 1/3 del espesor de la sección). - dos clavos aislados en 4 piezas, clavados a una profundidad de 50 mm (equivalente a la mitad del espesor de la sección)

120 4. Material y metodología - dos clavos aislados 5 piezas, clavados a una profundidad de 33 mm (equivalente a 1/3 del espesor de la sección). Imagen 4.7. Disposición de clavos y tirafondos empleados Imagen 4.8. Detalle clavos aislados en el fuste Estufa Para la determinación de la humedad en rebanadas de las vigas una vez ensayadas, se ha empleado: - Estufa de secado Dry Big Rango de temperaturas de 5º ºC. Condiciones normalizadas de uso: 103 ±2 ºC. Lectura de datos digital. Imagen 4.9. Estufa

121 4. Material y metodología Balanza La balanza se ha empleado para la determinación del contenido de humedad de piezas de madera conforma a la norma UNE-EN y para el cálculo de la densidad del material. - Balanza. SB DeltaRange. Mettler Toledo Rango de medidas: desde 5 g hasta g. Precisión de 0,1 g. Imagen Balanza Medición del tiempo de paso de una onda a través de la madera Sylvatest - Sylvatest Duo Equipo de transmisión de onda ultrasónica de 22 khz. Equipo diseñado por la empresa suiza CBS-CBT. Está compuesto por dos sensores, uno emisor y otro receptor y una consola que muestra los datos del tiempo de paso y el pico de energía de la onda. Los sensores tienen uno de los extremos en forma cónica para concentrar la energía en poca superficie y ser introducidos en la madera para mejorar su acople, para lo que se realizan los agujeros necesarios en la viga con un taladro. La precisión de lectura es de

122 4. Material y metodología 1 µs para el tiempo de propagación. Las dimensiones del aparato son: 38 x 102 x 203 mm y un peso aproximado de 1,4 kg. - Sylvatest Trio Se trata de una versión actualizada del equipo anterior y de similar funcionamiento, con las ventajas de proporcionar lecturas dos veces más rápidas, disponer de una pantalla de mayor tamaño y de cables más robustos, lo que provoca menos problemas e interferencias. Imagen Sylvatest Trío. Equipo. Imagen Sylvatest Trío. Detalle de resultados Microsecond Timer Equipo de transmisión de onda sónica provocada por un impacto. Desarrollado por el Laboratorio de Técnicas no Destructivas de la Madera de la Universidad del Oeste de Hungría en Sopron y comercializado por Fackopp Enterprise. Está formado por dos sensores y una consola en la que aparece el tiempo de paso expresado en microsegundos con un margen de error de ± 1µs. Los sensores tienen forma de clavo, para poder ser introducidos en la madera sin necesidad de realizar un pretaladro para conseguir un buen acoplamiento. Una vez clavados los dos sensores se golpea con un martillo al emisor, y en la consola se obtiene el tiempo que tarda la onda en llegar al receptor

123 4. Material y metodología Imagen Microsecond Timer. Equipo Imagen Microsecond Timer. Detalle de resultado Equipos de vibración Portable Lumber Grader (PLG) Equipo desarrollado también por el Laboratorio de Técnicas no Destructivas de la Madera de la Universidad del Oeste de Hungría en Sopron y comercializado por Fackopp Enterprise. Es utilizado para pesar las vigas y obtener su frecuencia natural de vibración. Está compuesto por los siguientes elementos: - Balanza. Capacidad máxima 125 kg y precisión de ±1g. Dimensiones: 300 x 150 x 90 mm. - Micrófono. Recibe la señal con una sensibilidad de -57 db (0 db = 1 V/mbar a Hz). Rango de frecuencia: Hz. Temperatura de funcionamiento: 0 40ºC. - Martillo para golpear la viga. El peso del martillo debe de estar entre el 0,1-3 % del peso de la viga. - Base acolchada para apoyar la viga en el otro extremo. - Apoyos metálicos para el cálculo de la frecuencia transversal sobre los que apoyar la viga. - Software propio instalado en un ordenador

124 4. Material y metodología Imagen Balanza y micrófono del PLG. Imagen Apoyo para ensayo de vibración longitudinal. Imagen Apoyos para ensayo de vibración transversal Pórticos para ensayos mecánicos - Pórtico IBERTEST. Modelo PFIB 600/300W Diseñado para los ensayos mecánicos según la norma UNE EN 408. Es un pórtico hidráulico con dos células de carga, de 100 kn y 600 kn respectivamente. Tiene una resolución de 0,01 kn. Posee varios extensómetros de diversos recorridos. En este pórtico se han ensayado 140 piezas de esta tesis. La célula de carga utilizada ha sido la de 600 kn y se ha empleado el extensómetro de 50 mm marca HBM, modelo WA, resolución de 0,001 mm y escala 1/1. La velocidad de trabajo en el tramo elástico ha sido de 0,1 kn/s y en el tramo de rotura de 0,2 kn/s

125 4. Material y metodología Imagen Pórtico IBERTEST. Modelo PFIB 600/300W Imagen Pórtico IBERTEST. Modelo PFIB 600/300W - Pórtico IBERTEST. Modelo PELFIB 150W Diseñado para los ensayos mecánicos según la norma UNE EN 408. Es un pórtico electromecánico con dos células de carga, de 50 kn y 150 kn respectivamente. Tiene una resolución de 0,01 kn. Posee varios extensómetros de la marca HBM de distintos recorridos. En este pórtico se han ensayado 102 vigas. La célula de carga utilizada ha sido la de 150 kn a escala 1/1 y se ha empleado el extensómetro de 50 mm marca HBM, modelo WA, resolución de 0,001 mm y escala 1/1. La velocidad de trabajo en el tramo elástico ha sido de 0,1 kn/s y en el tramo de rotura de 0,2 kn/s. Imagen Pórtico IBERTEST. Modelo PELFIB 150W

126 4. Material y metodología Imagen Resultados de ensayo. Imagen Resultados de ensayo. Gráfico fuerza - tiempo. Las células de carga y extensómetros son calibradas una vez al año por un organismo acreditado por ENAC (Ibertest) y revisados por personal del laboratorio varias veces al año. En los casos en los que ha sido necesario emplear dos extensómetros, el segundo ha sido de características similares pero de 20mm

127 4. Material y metodología Imagen Detalle de colocación de los extensómetros Equipos no destructivos puntuales Arranque de tornillo (MAT) Mide la fuerza necesaria para arrancar un tirafondo de 70 mm de largo y 4 mm de diámetro atornillado a una profundidad determinada. Está formado por dos partes, una de ellas es con la que se realiza el arranque, y está unida a la otra, que es una consola que registra los datos del ensayo. La célula de carga es de 5 kn con una precisión de 10 N. En este caso se ha empleado el equipo portátil desarrollado en la Universidad del Oeste de Hungría en Sopron y comercializado por Fakopp Enterprise. Imagen Arranque de tornillo Penetómetro (Pilodyn) Mide la profundidad de penetración de una varilla de acero de 2,5 mm de diámetro. Se libera un muelle comprimido con una energía de 6 julios que impulsa la varilla y hace que se clave en la madera. La profundidad alcanzada se mide en la regla del equipo, que marca

128 4. Material y metodología de 0 a 40 mm con una precisión de 1 mm. El equipo utilizado en este caso ha sido el Pilodyn, modelo 6J Forest, comercializado por Proceq. Imagen Pilodyn Todos los equipos que necesitan ser calibrados, lo son dentro de los requerimientos de cada caso en particular Material de ensayo El material a ensayar ha sido financiado por el Proyecto de Investigación Influencia de algunos defectos en las propiedades mecánicas de la madera de gran escuadría para uso estructural: fendas de secado y defectos de aserrado aprobado por el Ministerio de Educación y Ciencia, dentro del Plan Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica Ref: BIA Han sido un total de 244 piezas divididas en tres lotes de piezas: piezas escuadradas con denominación PS 000 SG (Sin Gema) piezas con gema en uno de los cantos PS 000 CG (Con Gemas) vigas PS 00 H (Humedad). Los dos primeros lotes constituyen un total de 218 vigas de madera de la especie Pinus sylvestris L. procedentes del aserradero de Maderas El Espinar (Segovia). Las dimensiones nominales de las vigas son 200 x 150 mm, siendo 116 de ellas escuadradas. El resto presentan una gema continua a largo de uno de sus cantos como se puede ver en la imagen

129 4. Material y metodología Imagen Vigas con gema lo largo de uno de sus cantos. La longitud ha variado entre 4 y 5 metros. El motivo de la elección de este material es que es de las maderas más habituales en el mercado español. Se trata de una dimensión que se encuentra en el rango de las más utilizadas y de las más presentes en estructuras existentes que, además, se ajusta a los estudios previos realizados sobre la gran escuadría. La selección de las vigas se ha llevado a cabo en el propio aserradero, buscando un lote de características uniformes para los diferentes objetivos de la Tesis Doctoral. Se han aplicado criterios de clasificación visual y se han realizado mediciones no destructivas de la velocidad de propagación de una onda a través del material. Imagen Selección de piezas en aserradero. Imagen Selección de piezas en aserradero. Este mismo material sirve de base para otro estudio en curso sobre la influencia de las fendas y las gemas en la capacidad resistente de las piezas de madera

130 4. Material y metodología LOTE (Nº PIEZAS) PS 000 SG/CG (218 piezas) PS 000 SG (116 piezas) PS 000 CG (102 piezas) Tabla 4.1. Dimensiones de la muestra. LONGITUD (MM) CARA (MM) CANTO (MM) Nominal Media Nominal Media Nominal Media Las vigas han sido sometidas a un proceso de secado al aire bajo cubierta durante un año. Después de estos 12 meses y antes de proceder a su caracterización y ensayos correspondientes cada lote de 20 vigas ha pasado entre 1 y 3 semanas en el interior de la nave para asegurar las condiciones de temperatura y humedad del material. Imagen Secado y acondicionamiento de las piezas en exterior. Imagen Cubierta para proteger las piezas. Imagen Secado y acondicionamiento de las piezas en nave

131 4. Material y metodología Para los ensayos de determinación de humedad en estufa, arranque de tronillo y penetrómetro se han extraído dos probetas de las vigas una vez ensayadas a flexión según la Norma EN 408. Una de ellas se ha utilizado para la determinación de la humedad y otra para los otros dos ensayos locales. Estas probetas han sido sacadas de la zona libre de defectos más próxima a la rotura. La dimensión nominal de dichas piezas es: 200 x 150 x 150 mm. Imagen Rebanadas para ensayos locales y de humedad en estufa. Imagen Rebanadas para ensayos locales. El tercer lote de estudio está compuesto por 26 piezas de Pinus sylvestris L. procedentes del aserradero de El Espinar, Segovia, España. Sus dimensiones nominales son 150 x 100 mm y 3000 mm de largo. Imagen Lote de 26 vigas H. El objetivo principal de este lote es estudiar la influencia de la humedad en los parámetros de los ensayos no destructivos. Por este motivo se han seleccionado en húmedo en aserradero con el mismo método que el lote anterior y se ha empezado a trabajar en ellas cuando el contenido de humedad medio superaba el 30%. Los equipos de ensayos no

132 4. Material y metodología destructivos empleados en esta fase han sido Sylvatest Trío, Microsecond Timer de Fakopp y Portable Lumber Grader, descritos anteriormente. Para el ensayo mecánico de las piezas se ha empleado el pórtico de Ibertest, también descrito Metodología Planteamiento general de la metodología El método general de trabajo de la Tesis Doctoral puede diferenciarse en cuatro etapas: - Revisión bibliográfica - Fase experimental - Obtención y análisis de resultados - Redacción de la tesis como documento final Algunas de estas etapas se han solapado en el tiempo. Para llevar a cabo la revisión bibliográfica se han consultado las publicaciones más relevantes a nivel nacional e internacional relacionadas con el tema. Los temas en los que se ha centrado esta búsqueda son: - madera estructural, - clasificación visual en madera de gran escuadría, - métodos de ensayos no destructivos en madera, - influencia de la humedad en la calidad estructural de la madera y en los. El primer paso de la fase experimental consistió en la selección de piezas de madera en aserradero y su traslado al laboratorio. Una vez en el laboratorio se han preparado las muestras y se han llevado a cabo los ensayos correspondientes. Todos los procedimientos experimentales de la Tesis se han dividido en función de los tres lotes de vigas descritos en el apartado de material a ensayar. Los dos primeros se han ensayado de forma conjunta, un total de 218 vigas con o sin gemas como característica diferenciadora y un tercer lote de 26 vigas de menor tamaño para el estudio de la influencia de la humedad en las medidas obtenidas con ensayos no destructivos

133 4. Material y metodología Con las 218 vigas CG y SG (200 x 150 x 4200 mm) las fases de trabajo en laboratorio han sido: - Fase 1: Sobre piezas completas. Registro, toma de datos, dimensiones y clasificación visual. Medida de humedad con xilohigrómetrto. Aplicación de técnicas no destructivas, acústicas y de vibración. - Fase 2: Sobre piezas completas. Ensayos mecánicos. Medida del contenido de humedad con xilohigrómetro. - Fase 3: Sobre rebanadas. Humedad en estufa. Densidad en rebanadas. Métodos no destructivos puntuales. En las 26 vigas H (150 x 100 x 3000 mm) han seguido el siguiente esquema experimental: - Fase 1: Sobre piezas completas. Registro, toma de datos, dimensiones y clasificación visual en húmedo. Medida de humedad con xilohigrómetrto. - Fase 2: Sobre piezas completas. Medidas del contenido de humedad con xilohigrómetrto y aplicación de técnicas no destructivas durante el proceso de secado natural. Clasificación visual para varios niveles de humedad. - Fase 3: Sobre piezas completas. Ensayos mecánicos. Medida del contenido de humedad con xilohigrómetrto. - Fase 4: Sobre rebanadas. Humedad en estufa. Densidad en rebanadas. Métodos no destructivos puntuales Selección de muestras en aserradero, recepción en laboratorio Como se ha comentado en la descripción del material, se han seleccionado las piezas en el aserradero para que fueran lotes homogéneos. Se ha medido en todos los casos el contenido de humedad, dimensiones y velocidad de transmisión de onda con Microsecond Timer de Fakopp, seleccionando las piezas con resultados similares en cada caso

134 4. Material y metodología Imagen Marcado y selección de piezas en aserradero. Imagen Condiciones de trabajo en laboratorio. Una vez llevadas a laboratorio, las condiciones medias de contorno han sido de 20º de temperatura y un 40% de humedad relativa. Las 218 piezas PS 000 SG/CG (Sin Gema y Con Gema) se han retestado a una longitud de 4,20 m, y de las 26 PS 00 H se han restestado las que tenían las testas en mal estado para la aplicación de ultrasonidos. Todas las piezas se han numerado y marcado siguiendo la nomenclatura: - PS_000_SG - PS_000_CG - PS_00_H Donde: PS indica especie Pinus sylvestris L. 000 el número de orden de la pieza SG CG H lote de piezas sin gema lote de piezas con gema en uno de sus cantos lote de piezas seleccionadas para el estudio de la humedad en las técnicas no destructivas. Se han numerado las caras y cantos de cada pieza para facilitar los ensayos y la toma de datos. Además las piezas han sido marcadas en el centro, a 6 h y 18 h desde el centro a ambos lados y en ambas caras y en el centro y 18 h en uno de sus cantos, siendo h la dimensión nominal de la altura

135 4. Material y metodología También se han marcado los puntos correspondientes a la distancia de 5 h desde el centro en los casos en los que se ha calculado el módulo de elasticidad local Clasificación visual La clasificación visual de las piezas se ha llevado a cabo en diferentes momentos. En las piezas PS 000 SG/CG (Sin Gema/Con Gema) sólo una vez, con la madera seca y antes de realizar los ensayos. En el caso de las piezas de humedad (H) se ha llevado a cabo cuando la madera estaba verde, en dos puntos intermedios del proceso de secado natural de las vigas y con las piezas secas. Al llevar a cabo la clasificación visual, se ha medido la humedad de cada viga con xilohigrómetro en el tercio central según la Norma UNE-EN : Para la clasificación visual de las piezas, los datos recogidos han sido: - Dimensiones. Se han medido la longitud de la viga en la cara 1 y las dimensiones medias de canto y cara del tercio central de la cara 1. - Diámetros de los peores nudos de cada cara y cada canto. Se ha medido con flexómetro en la dirección perpendicular a la dirección de la fibra el diámetro del peor nudo. - Peor sección de la pieza. Medición del ratio de diámetros de nudos concentrados o C.K.D.R (Concentrated Knot Diameter Radio). Se han sumado los diámetros de los peores nudos que hay en una misma sección y se ha dividido divide entre el perímetro de la sección en este punto. - Longitud y anchura de las bolsas de resina y entrecascos. El valor determinante es la longitud. En caso de haber más de una bolsa de resina o más de un entrecasco, se ha seleccionado el peor de cada uno. Se han medido con flexómetro. - Madera de compresión. Se ha visto si hay o no y la superficie a la que afecta. - Presencia o no de alteraciones biológicas. - Máxima desviación de fibra. En este caso no ha sido necesario utilizar el trazador de fibra y se ha medido la pendiente de la fibra con un flexómetro. Se ha calculado con las coordenadas X e Y de dos puntos la fibra en el tramo más desfavorable de desviación

136 4. Material y metodología - Deformaciones: curvatura de cara o canto y alabeo. Se han colocado las piezas sobre una superficie recta y sobre la viga una regla rectangular de acero de 2 metros de longitud. Se ha medido la deformación en cara y canto. Para el alabeo se ha medido respecto a la mesa en la que está apoyada. - Medición de fendas. Se han considerado las fendas presentes en las dos caras y los dos cantos. No se han tenido en cuenta las fendas de anchura menor a 2 mm. Se ha considerado la misma fenda si la separación es menor o igual a 1 cm. Para registrar las fendas se ha establecido un sistema plano de ejes generales. El eje X es paralelo a la dirección longitudinal de la viga y el eje Y perpendicular. Las medidas tomadas en cada viga han sido: - profundidad cada 10 cm, con galga calibrada de 0,2 mm de espesor, - anchura máxima de fenda, - profundidad de la fenda en el punto de anchura máxima, - coordenadas x e y del punto inicial, del final y de anchura máxima de la fenda. - Registro gráfico. Además se ha realizado un registro gráfico de la viga completa con resolución suficiente para poder representar con mayor precisión las fendas en la pieza. Imagen Detalle de la medida de fendas. Imagen Detalle de la medida de fendas. Galga

137 4. Material y metodología - Medición de gemas. Para su evaluación en las piezas sin gema en toda su longitud se ha medido la longitud de las gemas existentes y su anchura, para poder evaluar su relación con la medida del canto o cara de la pieza. En las 102 piezas en las que un canto es una gema a lo largo de toda la viga, se han tomado las siguientes medidas cada 30 centímetros: - h 1: medida de la cara 1, con flexómetro. - h máx: medida de la h máxima, con forcípula. - h 2: medida de la cara 3, con flexómetro. Imagen Esquema de medida de gemas. Imagen Medida de gemas con forcípula. Una vez que han sido evaluados estos parámetros se ha llevado a cabo la clasificación visual de las piezas según la norma UNE 56544, aplicable a la madera aserrada de sección rectangular de las principales especies de coníferas españolas para uso estructural. Esta norma diferencia para vigas de gran escuadría (con espesor mayor de 70 mm), una clase denominada Madera Estructural Gruesa (MEG). Las piezas que no han cumplido las condiciones para ser MEG han sido rechazadas visualmente. Las especificaciones están concretadas en la Tabla Ultrasonidos (Sylvatest) El ensayo no destructivo de medición del tiempo de transmisión de la onda ultrasónica con el equipo Sylvatest se ha llevado a cabo sobre las piezas completas

138 4. Material y metodología En este caso para el correcto acople de los palpadores ha sido necesario realizar un taladro en las posiciones en las que posteriormente se colocaran los sensores. Se han utilizado dos brocas diferentes para los agujeros de las testas o las caras por la inclinación necesaria en estos últimos, buscando que los sensores estén lo más enfrentados posibles. La broca ha sido diseñada para este ensayo, para asegurar un acople perfecto entre sensor y madera. Una vez realizados los taladros se ha introducido en cada uno de ellos uno de los sensores y se han comenzado los ensayos. El sensor emisor emite cuatro señales captadas por el receptor y el equipo calcula la media de estos valores de tiempo de transmisión en microsegundos. Con dicho valor y la distancia entre sensores se ha calculado la velocidad de propagación. El equipo también mide la amplitud máxima de señal, pero es un dato que no es objeto de esta Tesis, por lo que no se ha considerado. Las medidas que han sido realizadas en las primeras piezas PS 000 SG/CG han sido: - Dos mediciones de testa a testa, una superior y otra inferior situadas a 1/3 y 2/3 de la dimensión de la testa. - Cuatro mediciones de cara a cara a una distancia de mm entre puntos. Dos de estas medidas en caras opuestas, una superior y otra inferior (a 1/3 y 2/3 de la dimensión de la cara) y dos en la misma cara, una superior y otra inferior (1/3 y 2/3 de la dimensión de la cara) - Cuatro mediciones de cara a cara a una distancia de mm entre puntos. Dos de estas medidas en caras opuestas y dos en la misma cara. Una superior y otra inferior respectivamente (1/3 y 2/3 de la dimensión de la cara) - En el caso de vigas con presencia de gema a lo largo de toda su longitud, se ha medido además el tiempo de paso de la onda de canto a canto a una distancia de mm en el canto de la gema. Las medidas cara-cara se han realizado para comparar sus resultados con los obtenidos testa-testa, en principio más fiable, pero no siempre posible de realizar, principalmente en estructuras existentes. Los valores de velocidad obtenidos han sido corregidos a una humedad de referencia del 12 % de acuerdo al factor de de corrección propuesto por el fabricante del equipo (0,8%)

139 4. Material y metodología Medidas realizadas: Imagen Medida directa. Testa-testa. 1/3 h 2/3 h Imagen Medida directa. Cara 1 - cara 3. Distancia entre puntos: 18 h. Imagen Medida indirecta. Cara 1 cara 1. Distancia entre puntos: 18 h. Estas medidas se repiten para una distancia de 6 h. En las piezas PS 00 H sólo se han realizado las medidas de testa a testa pero para diferentes contenidos de humedad Onda sónica generada por un impacto (Microsecond Timer) Medición del tiempo de transmisión de una onda acústica a través la madera. El equipo que se ha utilizado es el Microsecond Timer de Fakopp. En este caso no ha sido necesario utilizar el taladro, los sensores se han clavado directamente en la madera para asegurar un buen acople. El impulso se genera golpeando el extremo emisor con un martillo y el equipo registra el tiempo en microsegundos. En cada medición se han realizado tres lecturas y se ha calculado el valor medio, siempre que la diferencia en valor absoluto entre estos valores no haya superado los 3 microsegundos

140 4. Material y metodología Se han hecho las mismas medidas que con el equipo de ultrasonidos Sylvatest, y también se han corregido los valores a una humedad de referencia del 12% según el factor propuesto por el fabricante para este equipo (1%) Onda de vibración (Portable Lumber Grader) Consiste en la determinación de la frecuencia natural de vibración. El equipo utilizado ha sido el Portable Lumber Grade (PLG) de Fakopp. En este caso se ha determinado la frecuencia longitudinal y, sobre canto y cara, la frecuencia transversal. Para la frecuencia longitudinal, se ha colocado cada viga sobre uno de sus cantos en dos apoyos rígidos cubiertos por una superficie acolchada. Uno de ellos corresponde a la balanza que registra la mitad del peso de la viga. La superficie de los apoyos permite la libre vibración de la pieza en el sentido longitudinal de la misma. En el extremo se ha colocado un micrófono apoyado sobre un taco de madera para que quede a una altura aceptable para registrar la vibración. El micrófono y la balanza están unidos a un amplificador que transforma los datos para que queden registrados en el ordenador. En el programa informático instalado se han introducido las dimensiones de cada viga, el valor de CKDR y la diferencia entre 12 % como valor de referencia de humedad y la humedad de la pieza en el momento del ensayo. Se ha golpeado una de las testas con un martillo y el micrófono ha captado la señal, pasando los datos al ordenador, que ha procesado la información de cada pieza y calculado la frecuencia natural de vibración mediante la transformada de Furier de la señal acústica. Con este dato el mismo programa ha facilitado la velocidad de propagación de la onda, la densidad, el módulo de elasticidad y ha asignado una clase resistente a cada viga. Imagen Medida de frecuencia longitudinal con PLG PC Micrófono Martillo Balanza Amplificador

141 4. Material y metodología En el caso de la frecuencia transversal, cada viga se ha colocado también sobre los cantos en dos apoyos rígidos metálicos colocados a una distancia de 0,223 L (mm) desde cada extremo según la indicación del manual del equipo. En este caso se ha sujetado el micrófono y golpeado la pieza en el centro de la misma, en el canto superior y en sentido transversal. El micrófono ha recogido la señal y el ordenador ha registrado la frecuencia natural de vibración transversal sobre el canto. Se ha realizado este mismo ensayo apoyando la pieza en la cara para estimar la frecuencia transversal sobre cara y poder evaluar si existe diferencia entre ambas medidas. Imagen Medida de frecuencia transversal sobre cara y canto con PLG. Micrófono Apoyos metálicos En este ensayo se ha llevado a cabo el registro del peso de la viga con la balanza del PLG para el cálculo de la densidad de la pieza entera Ensayo mecánico según la norma UNE EN 408 Todos los ensayos se han realizado sobre máquinas universales del laboratorio y cumplen todos los criterios de precisión en la medida, de no rozamiento con los topes y de aplicación de carga Disposición de ensayo Se ha llevado a cabo el ensayo de flexión conforme a la norma UNE-EN 408:2004. En los casos de vigas escuadradas la posición de la pieza en el ensayo ha sido al azar. En las vigas con gemas se han ensayado la mitad con la gema hacia arriba (compresión) y la otra mitad con la gema hacia abajo (tracción)

142 4. Material y metodología Primero se lleva a cabo la aplicación de la carga durante el tramo elástico con una velocidad de 0,1 kn/s. Posteriormente se han retirado los extensómetros que miden la deformación para el cálculo de los módulos de elasticidad y se ha completado el ensayo hasta alcanzar la rotura con una velocidad de carga de 0,2 kn/s. Imagen Ensayo de flexión según la norma UNE EN 408. Imagen Ensayo de flexión según la Norma UNE EN Módulo de elasticidad global Se ha calculado el módulo de elasticidad global en todas las vigas conforme a la norma UNE-EN 408:2004. El valor obtenido se ha corregido en función del contenido de humedad en relación al 12% de referencia según la norma UNE-EN 384 a razón de un 1% del módulo de elasticidad por cada grado de humedad. Se ha colocado la pieza en el pórtico correspondiente. La distancia entre apoyos ha sido de 18 h y las cargas han sido aplicadas de forma simétrica en los tercios de la luz de ensayo, separadas seis veces el valor de la altura. Para el cálculo del módulo de elasticidad global, se ha medido la deformación producida en el canto inferior de la viga respecto a los puntos de apoyo

143 4. Material y metodología Imagen Disposición de ensayo de flexión para módulo de elasticidad global. Fuente: Norma UNE 408. Imagen Medición de deformación para calcular módulo de elasticidad global. La fórmula que se ha utilizado es: E m, g 3 3 l ( F 2 - F 1 ) 3a a = 3 bh ( w2 - w1 ) 4l l Donde: E m,g módulo de elasticidad global (N/mm 2 ). h b l a es la altura de la pieza en la sección de rotura, en mm. es la achura de la pieza en la sección de rotura, en mm. es la longitud del vano entre apoyos, en mm. es la distancia entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de la carga, en mm

144 4. Material y metodología F 2-F 1 es el incremento de la fuerza en el tramo de comportamiento elástico de la pieza, en N. w 2-w 1 es el incremento de las deformaciones en el tramo de comportamiento elástico de la pieza, en mm Módulo de elasticidad local El módulo de elasticidad local se ha obtenido e 64 piezas (44 escuadradas y 20 con gema), y el valor obtenido también ha sido corregido al contenido de humedad de referencia del 12 %. Para el cálculo del módulo de elasticidad local, el extensómetro debe medir la deformación producida a la altura de la fibra neutra entre dos puntos centrales separados una distancia de cinco veces la altura de la pieza. Para esto se ha colocado en el centro una placa metálica a la altura de la fibra neutra y una percha metálica que sujeta el extensómetro para medir la deformación. En este ensayo sólo se ha considerado la medida en el tercio central de la pieza, libre de influencias de cortantes. Imagen Disposición de ensayo de flexión para módulo de elasticidad local. Fuente: Norma UNE

145 4. Material y metodología Imagen Medición de deformación para calcular módulo de elasticidad local. Imagen Medición de deformación para calcular el módulo de elasticidad local. La fórmula utilizada ha sido: E m, l 2 al1 ( F 2 - F 1 ) = 16I( w - w ) Donde: E m,l módulo de elasticidad local (N/mm 2 ). 2 1 l 1 a F 2-F 1 es la longitud del vano en el que se miden las deformaciones, en mm. es la distancia entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de la carga, en mm. es el incremento de la fuerza en el tramo de comportamiento elástico de la pieza, en N w 2-w 1 es el incremento de las deformaciones en el tramo de comportamiento elástico de la pieza, en mm. I es el momento de inercia de la sección de rotura, en mm 4. En todos los casos, se han tomado lecturas de la deformación producida a medida que ha aumentado la carga con velocidad constante y se han seleccionado los valores que han quedado en el tramo elástico. En ambos casos, cuando se cumple con las condiciones de ensayo, el valor de (F 2-F 1) / (w 2- w 1) se calcula con la pendiente de la recta de regresión entre fuerzas y deformaciones en el tramo elástico

146 4. Material y metodología Imagen Gráfico Fuerza/deformación en tramo elástico Tensión de rotura Cálculo de la resistencia a flexión según norma UNE-EN 408. Es el mismo ensayo que el descrito para el cálculo del módulo de elasticidad, pero una vez concluida la primera parte del ensayo en tramo de comportamiento elástico, se ha continuado aumentando la carga hasta producir la rotura. Imagen Esquema de rotura y diagrama de momentos. Tercio central. Fuente: Esteban,

147 4. Material y metodología Se ha calculado con la expresión: Donde: tensión de rotura (N/mm 2 ). F R es la carga de rotura, en N. 3 a F b h R 2 a h b es la distancia entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de la carga, en mm. es la altura de la pieza en la sección de rotura, en mm. es la achura de la pieza en la sección de rotura, en mm. El ensayo ha sido diseñado de forma que se produce un momento máximo y constante en el tercio central. La mayoría de las piezas ha roto dentro de ese margen. Pero cuando la rotura se ha producido fuera de este tercio, generalmente por la presencia de algún defecto importante, es necesario corregir el valor de tensión de rotura para ajustarlo al momento flector resistido. Imagen Esquema de rotura y diagrama de momentos. Fuera de tercio central. Fuente: Esteban, 2003 En estos casos la fórmula a aplicar ha sido: 3 F R L x 2 b h 2 Donde: tensión de rotura (N/mm 2 )

148 4. Material y metodología F R es la carga de rotura, en N. L x h b es la longitud del vano entre apoyos, en mm. es la distancia desde el centro de la pieza a la sección de rotura, en mm. es la altura de la pieza en la sección de rotura, en mm. es la achura de la pieza en la sección de rotura, en mm Sección de rotura Se ha registrado la sección longitudinal y transversal de los perfiles, indicando punto de rotura, nudos en la sección y médula, así como la causa última de la rotura. Además se han tomado todos los datos en soporte digital fotográfico. Imagen Sección de rotura Obtención de rebanadas próximas a la sección de rotura De acuerdo a la norma UNE-EN 408, de la zona próxima a la sección de rotura se ha obtenido una rebanada de la pieza libre de defectos para calcular su densidad. Además, se han marcado otras dos rebanadas de 75 cm de largo de características similares para realizar los ensayos puntuales (penetrómetro y resistencia al arranque de tornillo), así como para reservar una contramuestra de cada pieza

149 4. Material y metodología Se ha identificado cada rebanada con la nomenclatura correspondiente al nombre de la pieza PS_000_SG y un número I, II ó III, según la posición de la rebanada respecto a la sección de rotura, siendo la I la más próxima a dicha sección. - Rebanada I: a continuación del ensayo de flexión se han registrado sus dimensiones y se ha pesado. Con estos datos se ha determinado la densidad de la rebanada y se ha continuado el proceso de secado en estufa para calcular el contenido de humedad. - La rebanada II se ha reservado para los ensayos puntuales. - La rebanada III se ha utilizado para realizar un registro fotográfico de los perfiles de las rebanadas y ha sido almacenada como contramuestra Determinación del contenido de humedad en estufa La determinación del contenido de humedad se ha llevado a cabo sobre las rebanadas mediante el método de secado en estufa y pesadas sucesivas según norma la UNE-EN Imagen Pesada de una rebanada. Imagen Secado en estufa de las rebanadas

150 4. Material y metodología Imagen Registro gráfico de rebanada. Imagen Registro gráfico de rebanada. Además, en cada una de las fases de trabajo con rebanadas se ha medido la humedad con xilohigrómetro para hacer las correcciones correspondientes, ya que ha sido imposible acondicionar el volumen de madera de acuerdo a los requisitos de la norma correspondiente Determinación de la densidad La densidad de las piezas se ha calculado de forma directa (a partir del peso y del volumen) con dos métodos diferentes. En ambos casos los valores de densidad han sido corregidos al valor de referencia del 12% de humedad de acuerdo al factor de corrección referido en la norma UNE-EN 384 (0,5% de densidad por cada punto porcentual de humedad). - Densidad global (Dglo): se ha calculado dividiendo el peso de la viga entera obtenido con la balanza del PLG, entre el volumen estimado con las medidas de las dimensiones tomadas en el tercio central. - Densidad local o de rebanada (Dreb): obtenida con el peso y volumen de una rebanada de 150 mm de espesor, obtenida de la zona cercana a la rotura según la norma UNE-EN

151 4. Material y metodología Ensayos locales. Resistencia al arranque de tornillo El ensayo de resistencia al arranque de tornillo se ha llevado a cabo en la rebanada II, de la que también se han registrado sus dimensiones. La resistencia al arranque de tornillo se ha medido en dirección radial y tangencial a los anillos de crecimiento y se ha calculado el valor medio por pieza. Para su utilización ha sido necesario introducir un tirafondo de 70 mm de largo y 4 mm de diámetro en la madera hasta alcanzar la profundidad de 20 mm. Esto se ha realizado utilizando un destornillador eléctrico y una guía de madera para intentar conseguir la máxima perpendicularidad posible. Una vez colocado el tornillo se ha puesto el equipo sobre él y se ha encajado la cabeza del tirafondo en la uña de arranque, unida al dispositivo preparado para tirar del tornillo y a la célula de carga que a su vez está conectado con la consola donde aparecen los datos de la fuerza necesaria para arrancarlo. Se ha puesto el equipo a cero y se ha realizado el ensayo. Una vez colocado, se ha girado el mando provocando que la uña tire del tornillo hasta arrancarlo y se ha registrado el valor de fuerza máxima aplicada durante el proceso. Imagen Arranque de tornillo. Ensayo en dirección radial Ensayos locales. Penetrómetro También en la rebanada II se ha medido la profundidad de penetración con el equipo Pilodyn. Es un equipo sencillo y de fácil manejo. Se ha cargado el muelle ejerciendo cierta

152 4. Material y metodología presión en la parte posterior, hasta que la varilla queda sujeta. Se ha colocado de forma recta y perpendicular a la superficie sobre el punto en el que se quiere tomar la medida, y se ha aplicado una fuerza en la superficie superior, que ha accionado el muelle que a su vez ha liberado la varilla. En ese momento se puede leer la profundidad que ha alcanzado la varilla en la escala del equipo. En cada pieza se han tomado dos valores, uno en dirección radial y otra tangencial y se ha calculado el valor medio para cada rebanada. Imagen Pilodyn. Ensayo en dirección radial Medición de humedad y técnicas no destructivas Se ha trabajado con las 26 vigas PS 00 H de dimensiones nominales 100 x 150 x 3000 mm. Las primeras labores han sido descritas en el apartado de selección de muestra y preparación en laboratorio. También se ha realizado la clasificación visual de la muestra en tres momentos diferentes, con tres niveles de humedad distintos para estudiar las diferencias entre la clasificación visual en verde o en seco. La medida de la humedad de la viga en un primer momento ha sido realizada con el xilohigrómetro en el tercio central según la Norma UNE-EN Al igual que en el resto de las piezas se ha realizado un registro gráfico de cada viga completa con resolución suficiente para poder representarla con mayor precisión

153 4. Material y metodología El objeto de este estudio ha sido analizar la influencia de la humedad en los ensayos no destructivos. Para ello se han llevado a cabo mediciones de humedad durante el proceso de secado natural de la madera. Las primeras mediciones se han realizado con contenidos de humedad superiores al 30%. Las últimas para un contenido de humedad medio del 9%. El proceso ha durado 41 semanas. Además se han vuelto a medir las dimensiones en dos ocasiones para poder analizar la merma del material, cuando la humedad ha sido algo superior al punto de equilibrio, 14,4% y para el contenido de humedad de equilibrio (12%). La humedad se ha medido con diferentes elementos descritos en el apartado de material para comparar y evaluar su fiabilidad e idoneidad. - dos tirafondos de 70 mm de largo y 4 mm de diámetro atornillados hasta una profundidad de 66 mm (que corresponde a 2/3 del espesor de la pieza). - dos clavos de 60 mm de largo y 4 mm de diámetro, clavados hasta una profundidad de 33 mm (1/3 del espesor). - dos clavos de fuste aislado en 4 de las piezas, clavados hasta una profundidad de 50 mm (1/2 del espesor). - dos clavos de fuste aislado en 5 de las piezas clavados hasta una profundidad de 33 mm (1/3 del espesor). Se ha medido la humedad con el xilohigrómetro y sus clavos correspondientes, y con el xilohigrómetro y unas pinzas con cada uno de estos elementos. Imagen Medición humedad. Disposición longitudinal de clavos. Imagen Medición humedad. Disposición transversal de clavos

154 4. Material y metodología Imagen Medición humedad. Piezas para la medición. Imagen Medición humedad. Medición con xilohigrómetro. Imagen Medición humedad. Diferentes medios de medición. Imagen Medición humedad. Medición con pinzas y clavos aislados. La colocación de estos elementos ha sido en una de las caras de la viga, elegida de forma aleatoria y a un metro de distancia de una de las testas. Los ensayos no destructivos que se han realizado sobre piezas completas han sido: Sylvatest, Microsecond Timer y Portable Lumber Grading (PLG), que se han descrito también en el apartado correspondiente. La diferencia es que en estas piezas se ha repetido varias veces durante el proceso natural de secado de la madera. Las vigas han sido recibidas con un valor de humedad medio superior al 30% y, tras el proceso de secado y medición de parámetros no destructivos, se han ensayado a flexión cuando el contenido de humedad medio del lote ha alcanzado el 9%. El peso de cada viga también se ha tomado con la balanza del PLG y se ha anotado para todos los valores de humedad en los que se han llevado a cabo los ensayos no destructivos. Luego se ha realizado el ensayo mecánico según la norma UNE- EN 408 y se han calculado los parámetros correspondientes: módulo de elasticidad global en todas las vigas, módulo de elasticidad local y resistencia a flexión. Como se ha explicado, se ha localizado la sección de rotura y determinado la causa última de la rotura. Se ha registrado la sección longitudinal y transversal de los perfiles en

155 4. Material y metodología estadillo, indicando punto de rotura, nudos en la sección y médula. Además se han tomado todos los datos en soporte digital fotográfico. Se ha medido el contenido de humedad de la madera en una zona cercana a la rotura según norma UNE-EN Después se han realizado los ensayos en rebanadas descritos en los apartados anteriores Organización de datos y análisis de resultados Todos los datos han sido almacenados en tablas o estadillos, según el momento. En aserradero y recepción en el laboratorio se han utilizado tablas sencillas para anotar nomenclatura de la pieza, dimensiones, humedad y la velocidad de transmisión de onda medida con Microsecond Timer para la selección de la muestra. El registro de los ensayos completos se ha realizado en estadillos diseñados para cada caso de estudio. El primer paso que se ha llevado a cabo ha sido el análisis de las variables principales de los ensayos, para lo que se ha utilizado el programa informático Statgraphics. Para la evaluación de los resultados se han calculado la media aritmética como parámetro de centralidad y el coeficiente de variación como indicador de la dispersión de datos. Como representación gráfica se ha obtenido el histograma de frecuencias. Se ha realizado un análisis de varianza para estudiar la influencia de determinados factores en la variabilidad de las características físicas y mecánicas del material. Las variables dependientes como la densidad, el módulo de elasticidad y el módulo de rotura se han analizado en función de la clasificación visual y de los valores obtenidos con los equipos no destructivos. Con el ajuste por regresión se ha analizado la relación entre una variable dependiente (calidad del material) en función de la predicción de otras independientes (propiedades del mismo). La regresión lineal es una herramienta que permite ver la relación entre distintas variables correlacionadas. Mediante ella se puede investigar la analogía entre una variable dependiente y otra independiente (Regresión Lineal Simple) o entre varias independientes (Regresión Lineal Múltiple) con fines, principalmente predictivos. La regresión lineal

156 4. Material y metodología conlleva, además, una serie de procedimientos de diagnóstico que confirman la viabilidad de la predicción. La bondad del ajuste se mide mediante el coeficiente correlación múltiple o de Pearson, R, y su cuadrado o de determinación, R 2, el primero expresado en una rango de 1 a 1, y el segundo en 0 a 1. En el caso de que sean 1, la relación entre las variables independientes y la dependiente es perfecta. Existen además otros valores estadísticos que confirmarán la fiabilidad de la regresión. Los coeficientes estandarizados permiten, en la regresión múltiple, conocer la importancia de las distintas variables. Esto se indica mediante el valor absoluto de las mismas. Los intervalos de confianza nos aprueban la precisión de las predicciones. La tabla del análisis de varianza, ANOVA, informa sobre la relación intervariable. Analiza la relación de cada grupo y entre los diferentes grupos. Para determinar si la diferencia entre grupos es significativa o no, el valor - P se ha fijado en el 5% Resumen de la metodología y técnicas empleadas Ensayo Tabla 4.2. Resumen de los ensayos no destructivos, equipos y variables. Dato de Dato Parámetro a Equipo Relación partida obtenido calcular Corrección Clasificación visual Pequeño material: flexómetro, galga Dimensiones y defectos superficiales Clase Visual UNE UNE EN 1912 Clase resistente UNE EN Determinación humedad Xilohigrómetro - Humedad Ultrasonidos Sylvatest Longitud Humedad Tiempo de propagación Vsy12=L/tsy Módulo de elasticidad dinámico E sy12=ρ 12 V 2 sy12 Corregir densidad y velocidad Acústico impacto Microsecond Timer Longitud Humedad Tiempo de propagación V f12=l/t fy Módulo de elasticidad dinámico E f12=ρ 12 V 2 f12 Corregir densidad y velocidad

157 4. Material y metodología Vibración PLG Dimensiones, humedad, CKDR Peso, densidad, frecuencia longitudinal y transversal V v12=2 L f Módulo de elasticidad dinámico E v12=ρ 12 V 2 v12 Corregir densidad y velocidad Arranque de tornillo MAT - Resistencia al arranque de un tornillo - Densidad - Penetrómetro Pildyn - Profundidad de penetración - Densidad - Con carácter general, por cada punto de aumento en el contenido de humedad respecto a la de referencia (12%): - la densidad disminuye un 0,5%. Factor de corrección definido en la Norma EN la velocidad de Sylvatest disminuye un 0,8%, factor de corrección propuesto por Sandoz (Sandoz, 1989). - la velocidad de Microsecond Timer disminuye un 1% factor de corrección propuesto por Divos en el manual del equipo. - la velocidad obtenida por vibración disminuye un 1% factor de corrección propuesto por Divos en el manual del equipo. - si la corrección se hace sobre los módulos de elasticidad directamente, éstos disminuyen un 1% por cada aumento en el contenido de humedad respecto a la de referencia (12%). Norma UNE 384. Tabla 4.3. Resumen de la metodología para cada viga de los lotes SG/CG. Lote PS 000 SG Lote PS 000 CG Selección piezas en aserradero Traslado al INIA. Secado al aire bajo cubierta Dimensiones, registro de fendas Clasificación visual. Medida humedad Selección piezas en aserradero Traslado al INIA. Secado al aire bajo cubierta Dimensiones, registro de fendas y gemas Clasificación visual. Medida humedad

158 4. Material y metodología Registro gráfico Técnicas no destructivas. Sylvatest. Microsecond Timer. PLG. Medida humedad Ensayo Mecánico. Medida humedad Obtención de rebanadas Humedad en estufa y con xilohigrómetro. Cálculo de densidad: Rebanada 1 Ensayos locales rebanada 2: Arranque tornillo. Penetrómetro Registro gráfico Técnicas no destructivas. Sylvatest. Microsecond Timer. PLG. Medida humedad Ensayo Mecánico. Medida humedad Obtención de rebanadas Humedad en estufa y con xilohigrómetro. Cálculo de densidad: Rebanada 1 Ensayos locales rebanada 2: Arranque tornillo. Penetrómetro Registro gráfico rebanada 3. Registro gráfico rebanada 3. Procesamiento de datos Procesamiento de datos Tabla 4.4. Resumen de la metodología para cada viga del lote H. Lote PS 00 H Selección piezas en aserradero Traslado al INIA. Medida humedad Dimensiones Clasificación visual. Medida humedad Registro gráfico Técnicas no destructivas. Sylvatest. Microsecond Timer. PLG. Medida humedad. Repetición del punto anterior con 15 contenidos de humedad distintos. Clasificación visual para 3 contenidos de humedad diferentes. Ensayo Mecánico. Medida humedad Obtención rebanadas Humedad mediante secado en estufa y con xilohigrómetro. Cálculo de densidad: Rebanada 1 Ensayos locales rebanada 2: Arranque tornillo. Penetrómetro Procesamiento de datos

159 5. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 5.1. Introducción al análisis En este punto se van a analizar los resultados obtenidos para las propiedades mecánicas de las piezas ensayadas en relación a las conclusiones a las que se llega considerando la norma de clasificación visual y otros, por separado o combinados, estudiando las relaciones entre variables de estos métodos. Se pretende establecer una relación entre los diferentes sistemas de clasificación no destructivos o estimadores no destructivos con las propiedades físicas y mecánicas de la madera que definen su clase resistente, con el objetivo de mejorar los métodos de predicción de las propiedades mecánicas de la madera estructural. Además se estudia en profundidad la influencia de la humedad en la madera en las técnicas no destructivas y en las propiedades de la madera. De esta forma, se podrá predecir con cierta fiabilidad las propiedades mecánicas sin renunciar a un rendimiento aceptable en la metodología. Tabla 5.1. Esquema de trabajo. Estimadores no destructivos Propiedades de la madera Factores que influyen Clasificación visual Ondas sónicas (de impacto) Ondas Ultrasónicas Vibración longitudinal Vibración transversal Resistencia al arranque de tornillo Profundidad de penetración Densidad Módulo de elasticidad Resistencia Especie Calidad Procedencia Dimensiones Humedad Longitud En esta Tesis se ha analizado la influencia del contenido de humedad sobre las técnicas no destructivas. Existen otros factores a los que se hace referencia que no han sido incluidos en el estudio

160 5. Análisis y discusión de resultados Para realizar el estudio completo se ha trabajado con 244 piezas seleccionadas en el aserradero de El Espinar Estudio preliminar de lotes Para organizar el estudio de los resultados obtenidos en los ensayos se ha realizado una primera revisión global de las propiedades físicas y mecánicas de las piezas en función de los tres lotes (CG, SG, H). Todas las variables de módulos de elasticidad y densidad se encuentran corregidas al contenido de humedad de referencia, así como la tensión de rotura se corresponde con la obtenida en la sección de rotura aunque se haya producido fuera del tercio central. Imagen 5.1. Gráfico de medias. SG/CG/H. Densidad global (kg/m 3 ) DenGlo CG H SG Imagen 5.2. Gráfico de medias. SG/CG/H. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) MOE glo CG H SG

161 5. Análisis y discusión de resultados Imagen 5.3. Gráfico de medias. SG/CG/H. Módulo de elasticidad local (N/mm 2 ) MOE loc CG H SG Imagen 5.4. Gráfico de medias. SG/CG/H. Tensión de rotura (N/mm 2 ) TDR pos CG H SG Resulta llamativa la diferencia de las medias del módulo de elasticidad local y global para los lotes SG y CG. Estas diferencias pueden deberse al aplastamiento que sufre el canto en los puntos de apoyo, que es menor si la superficie es recta y regular y mayor si es curva como en el caso de la gema. Esta diferencia repercute de manera significativa si las deformaciones se miden en el canto inferior de la pieza, como es el caso para calcular el módulo de elasticidad global, pero no surte efecto en la medición de deformaciones en la fibra neutra para la obtención del módulo de elasticidad local. Imagen 5.5. Detalle del apoyo de las piezas con la gema trabajando a tracción

162 5. Análisis y discusión de resultados Para analizar con mayor precisión estas diferencias se ha repetido en análisis ANOVA diferenciando también el lote con gema en función de si han sido ensayadas a con la gema trabajando a tracción (en el borde inferior y de apoyo) o a compresión (en el borde superior). Cuando la gema se dispone en el borde inferior y trabaja a tracción (CGT), la superficie de apoyo no es horizontal y homogénea, por lo que se produce un aplastamiento en los apoyos que afecta a la deformación del canto inferior. Sin embargo en el caso de las piezas ensayadas con la gema trabajando a compresión (CGC), el apoyo de la pieza es recto y regular y no se produce el aplastamiento en los puntos de apoyo. Como se aprecia en las gráficas, el módulo de elasticidad global es mayor en las piezas con gema que trabajan a compresión (CGC). No se dan diferencias significativas con el lote SG. Los valores de las piezas trabajando a tracción (CGT) sí son notoriamente inferiores, y hacen que la media del lote completo baje considerablemente. Imagen 5.6. Gráfico de medias. SG/CG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y posición de la gema MOE Glo CGC CGT SG En el módulo de elasticidad local, esta diferencia no tiene lugar porque la deformación medida en la fibra neutra de la pieza no está afectada por la diferencia en el aplastamiento de los apoyos

163 5. Análisis y discusión de resultados Imagen 5.7. Gráfico de medias. SG/CG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y posición de la gema MOE loc CGC CGT SG Para la tensión de rotura, sin embargo, se obtienen resultados bajos para las piezas que han sido ensayadas con la gema comprimida (CGC). En las piezas con gema traccionada (CGT) el resultado es similar a los de las piezas escuadradas (SG). Por un lado, la disminución de resistencia en el caso de gemas comprimidas puede explicarse por efecto de una concentración de tensiones en el borde superior que tiene lugar como consecuencia de la curvatura de la gema. Por otro, cuando la gema está traccionada, aunque la sección neta resistente es menor que en una pieza con una sección rectangular envolvente, el resultado se ve beneficiado del efecto de continuidad de la fibra en el borde inferior. Imagen 5.8. Gráfico de medias. SG/CG. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y posición de la gema TDR pos CGC CGT SG Para la densidad, existen diferencias significativas entre los lotes SG/CG y el lote H. Para el caso del módulo de elasticidad, la diferencia significativa se da entre los lotes SG y CG y en el caso del módulo de rotura, los tres lotes se consideran significativamente diferentes. Por este motivo los resultados se analizarán de forma global para las 244 piezas y luego se estudiarán los lotes por separado

164 5. Análisis y discusión de resultados El primer paso que se ha dado ha sido el análisis factorial de los datos para estudiar la posible relación entre ellos: los datos obtenidos con las técnicas no destructivas y las propiedades que definen la capacidad constructiva de la madera. El análisis factorial es una técnica estadística multivariante cuya finalidad es analizar las relaciones de dependencia existentes entre un conjunto de variables. Analiza la estructura de las interrelaciones entre un gran número de variables sin distinción entre dependientes e independientes. Utilizando esta información calcula un conjunto factores que buscan explicar con un menor número de variables dichas interrelaciones. Es, por lo tanto, una técnica de reducción de datos dado que si se cumplen sus hipótesis, la información contenida en la matriz de datos puede expresarse, sin mucha distorsión, en un número menor de dimensiones representadas por dichos factores. Imagen 5.9. Gráfica de análisis de cargas de factor. Factor 2 1 0,7 0,4 0,1 CKDR DenGlo12 DenReb12 FreCto FA M12 MOE loc12 MOE Glo12 VelMT12 MOR pos VelSyl12 Vel Lplg2 FrecCara -0,2-0,5-0,8 Prof M12-0,7-0,4-0,1 0,2 0,5 0,8 1,1 Factor 1 Como se observa en el gráfico, las velocidades de transmisión (Vel) son buenos indicadores para la estimación del módulo de elasticidad (MOE) y tensión de rotura (MOR). La resistencia de arranque al tornillo (F) parece mejor estimador que la profundidad de penetración (Prof) para el cálculo de la densidad de la madera (Dens). A continuación se describen los aspectos fundamentales

165 5. Análisis y discusión de resultados 5.3. Clasificación visual. Norma aplicada: UNE-EN Resultados obtenidos aplicando la Norma vigente para la clasificación visual de las piezas, UNE EN 56544:2010. Al ser gran escuadría (b >70 mm), las posibilidades de clasificación en función de sus características visuales son dos: - Madera Estructural Gruesa (MEG). - Rechazo (R). En el apartado se presentan los resultados considerando todas las piezas clasificadas, 244 piezas de Pinus sylvestris L., sin considerar las diferencias de escuadría ni la peculiaridad de la presencia de gema a lo largo de uno de sus cantos. En los apartados siguientes se divide en dos lotes en función de la escuadría. Los resultados de este apartado quedan organizados de la siguiente forma: Clasificación visual de: piezas. Vigas PS 000 SG/CG/H - Vigas PS 000 SG/CG/H sin considerar criterio gema en lote CG piezas. Vigas PS 000 SG/CG - Vigas PS 000 SG/CG sin considerar criterio gema en lote CG piezas. Vigas PS 000 SG piezas. Vigas PS 000 CG - Vigas PS 000 CG sin considerar criterio gema - 26 piezas. Vigas PS 00 H. Resultados de la clasificación visual en húmedo y seco Vigas: PS 000 SG/CG/H Tabla 5.2. Resultados de la clasificación visual. SG/CG/H. Nº % Madera Estructural Gruesa (MEG) 90 36,89 Rechazo (R) ,11 TOTAL

166 5. Análisis y discusión de resultados El número elevado de rechazos (63,11 %) se debe a la existencia de 102 piezas con gema a lo largo de uno de sus cantos (todo el lote CG). Por lo tanto son rechazo esas 102 piezas, además de las que sean rechazo por otros criterios entre el total de las piezas. Tabla 5.3. Motivos de Rechazo de la clasificación visual. SG/CG/H. MEG R Nº % Nº % Nudo cara (NC) ,18 2 0,82 Nudo canto (Ncto) ,31 9 3,69 Bolsa Resina (BR) ,00 0 0,00 Entrecasco (Ec) ,13 7 2,87 Desviación de fibra (DF) ,18 2 0,82 Fendas , ,97 Curvatura Cara (CC) ,18 2 0,82 Curvatura Canto (Ccto) ,54 6 2,46 Alabeo , ,30 Gemas , ,62 TOTAL 90 36, ,11 Imagen Rendimiento de la clasificación visual. SG/CG/H. Imagen Causa del rechazo. SG/CG/H

167 5. Análisis y discusión de resultados En los gráficos siguientes se muestran los resultados de ANOVA para las propiedades físicas y mecánicas correspondiente a la clase obtenida MEG y la rechazada. Imagen Gráfico de medias. SG/CG/H. Densidad global (kg/m 3 ) y clase visual Den Glo MEG R Imagen Gráfico de medias. SG/CG/H. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clase visual MOE Glo MEG R Imagen Gráfico de medias. SG/CG/H. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clase visual TDR pos MEG R CV Tabla 5.4. Valores medios en función de la clase visual. Densidad global media (Kg/m 3 ) Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) MEG+R ,98 MEG ,06 R ,

168 5. Análisis y discusión de resultados Como se observa en gráficos y tabla, respecto a la densidad no existe una diferencia significativa entre ambos grupos. Respecto al módulo de elasticidad y la resistencia se observa una tendencia hacia valores más bajos para las piezas rechazadas, aunque no estadísticamente significativa. Esta tendencia es más clara en el módulo de elasticidad global. En este caso y en la tensión de rotura sí se cumple que las piezas clasificadas como MEG son algo mejores de media que las rechazadas. Sin embargo, esta clasificación puede considerarse sesgada por la naturaleza del lote CG por tratarse de 102 piezas que desvirtúan la clasificación. Fueron seleccionadas con esta peculiaridad para otro estudio, por lo que si analizamos las 244 vigas sin tener en cuenta el criterio de gemas en esas 102 piezas, el resultado es el siguiente: Tabla 5.5. Resultado de la clasificación visual. SG/CG/H. Sin criterio gema en CG. Nº % Madera Estructural Gruesa (MEG) ,49 Rechazo (R) 72 29,51 TOTAL Tabla 5.6. Motivos de Rechazo en la clasificación visual. SG/CG/H. Sin criterio "gema" en CG. MEG R Causa Nº % Nº % Nudo cara (NC) ,18 2 0,82 Nudo canto (Ncto) ,31 9 3,69 Bolsa Resina (BR) ,00 0 0,00 Entrecasco (Ec) ,13 7 2,87 Desviación de fibra (DF) ,18 2 0,82 Fendas , ,97 Curvatura Cara (CC) ,18 2 0,82 Curvatura Canto (Ccto) ,54 6 2,46 Alabeo , ,

169 5. Análisis y discusión de resultados Gemas ,18 2 0,82 TOTAL , ,51 Imagen Clasificación visual. R-MEG Imagen Causa del rechazo Imagen Gráficos de medias. SG/CG/H. Densidad (kg/m 3 ) y clasificación visual. Sin criterio gema en el lote CG Den Glo MEG R Imagen Gráficos de medias. SG/CG/H. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin criterio gema en el lote CG MOE Glo MEG R

170 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Gráficos de medias. SG/CG/H. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin criterio "gema" en el lote CG TDR pos MEG R Tabla 5.7. Valores medios en función de la clase visual sin considerar criterio "gema" en el lote CG. CV Densidad global media (Kg/m 3 ) Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) MEG+R ,98 MEG ,46 R ,27 En este caso, tratándose de diferencias estadísticamente poco significativas, se observa una tendencia contraria a la anterior, cuya explicación se puede encontrar en el diferente comportamiento de las piezas con gema respecto a las piezas escuadradas. A continuación se van a estudiar estas comparaciones dividiendo las piezas en función de su escuadría, y dentro de las SG/CG también se estudiará la diferencia entre tener gema o no a lo largo de uno de sus cantos Vigas: PS 000 SG/CG. Dimensiones nominales 150 x 200 mm Tabla 5.8. Resultados de la clasificación visual. SG/CG. Nº % Madera Estructural Gruesa (MEG) 78 35,78 Rechazo (R) ,22 TOTAL

171 5. Análisis y discusión de resultados Al igual que en el análisis anterior, el número elevado de rechazos (64,22 %) se debe a la existencia de las 102 piezas del lote CG. Tabla 5.9. Motivos de Rechazo en la clasificación visual. SG/CG. MEG R Nº % Nº % Nudo cara (NC) ,54 1 0,46 Nudo canto (Ncto) ,79 7 3,21 Bolsa Resina (BR) ,00 0 0,00 Entrecasco (Ec) ,71 5 2,29 Desviación de fibra (DF) ,08 2 0,92 Fendas , ,80 Curvatura Cara (CC) ,00 0 0,00 Curvatura Canto (Ccto) ,25 6 2,75 Alabeo , ,55 Gemas , ,71 TOTAL 78 35, ,22 Imagen Clasificación visual. SG/CG. Imagen Causa del rechazo. SG/CG

172 5. Análisis y discusión de resultados En las siguientes imágenes se muestran los gráficos de medias. ANOVA Piezas PS 000 SG/CG. 150 x 200 mm. Densidad (kg/m 3 ), módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y Tensión de rotura (N/mm 2 ) en función de la clasificación visual. Imagen Gráfico de medias. SG/CG. Densidad (kg/m 3 ) y clasificación visual Den Glo MEG R Imagen Gráficos de medias. SG/CG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual MOE Glo MEG R Imagen Gráficos de medias. SG/CG. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual TDR pos MEG R En este caso tampoco se observan diferencias estadísticamente significativas entre ambos grupos

173 5. Análisis y discusión de resultados CV Tabla Valores medios en función de la clase visual. Piezas SG y CG. Densidad global media (Kg/m 3 ) Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) MEG+R ,10 MEG ,09 R ,54 Si no se considera el criterio gema en el lote CG, los resultados serían los siguientes: Tabla Resultados de la clasificación visual. SG/CG. Sin criterio gema en el lote CG. Nº % Madera Estructural Gruesa (MEG) ,39 Rechazo (R) 58 26,61 TOTAL Tabla Motivos de rechazo en la clasificación. SG/CG. Sin criterio gema en el lote CG. MEG R Nº % Nº % Nudo cara (NC) ,54 1 0,46 Nudo canto (Ncto) ,79 7 3,21 Bolsa Resina (BR) ,00 0 0,00 Entrecasco (Ec) ,71 5 2,29 Desviación de fibra (DF) ,08 2 0,92 Fendas , ,80 Curvatura Cara (CC) ,00 0 0,00 Curvatura Canto (Ccto) ,25 5 2,75 Alabeo , ,55 Gemas ,08 2 0,92 TOTAL , ,

174 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Clasificación visual. SG/CG. Sin criterio "gema" en el lote CG Imagen Causa del rechazo. SG/CG. Sin criterio "gema" en el lote CG Imagen Gráfico de medias. SG/CG. Densidad (kg/m 3 ) y clasificación visual. Sin criterio gema en el lote CG Den Glo MEG R Imagen Gráfico de medias. SG/CG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin criterio gema en el lote CG MOE Glo MEG R

175 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Gráfico de medias. SG/CG. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin criterio gema en el lote CG TDR pos MEG R Tampoco se observan diferencias estadísticamente significativas entre ambos grupos. CV Tabla Valores medios en función de la clase visual. SG/CG. Sin criterio gema en el lote CG. Densidad global media (Kg/m 3 ) Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) MEG+R ,10 MEG ,87 R ,74 A la vista de los resultados anteriores, a continuación se reproducen los mismos análisis para cada lote por separado Vigas: PS 000 SG. Dimensiones nominales 150 x 200 mm Tabla Resultados de la clasificación visual. SG. Nº % Madera Estructural Gruesa (MEG) 78 67,2 Rechazo (R) 38 32,8 TOTAL

176 5. Análisis y discusión de resultados Tabla Motivos de Rechazo en la clasificación visual. SG. MEG R Nº % Nº % Nudo cara (NC) ,14 1 0,86 Nudo canto (Ncto) ,28 2 1,72 Bolsa Resina (BR) ,00 0 0,00 Entrecasco (Ec) ,41 3 2,59 Desviación de fibra (DF) ,28 2 1,72 Fendas , ,93 Curvatura Cara (CC) ,00 0 0,00 Curvatura Canto (Ccto) ,28 2 1,72 Alabeo , ,07 Gemas ,28 2 1,72 TOTAL 78 67, ,76 A continuación se presentan los gráficos resúmen correspondientes: Imagen Clasificación visual. SG. Imagen Causas del rechazo. SG. Como se puede observar el motivo principal de rechazo de las piezas es fruto del secado de las mismas. Tanto las fendas como las deformaciones de alabeo y curvaturas son consecuencia de la pérdida de humedad en la madera. En el caso de las deformaciones hay una nota aclaratoria en la Norma para poder comercializar estar piezas si en el montaje existe la posibilidad de corregir dichas deformaciones. En el caso de las fendas, sin

177 5. Análisis y discusión de resultados embargo, no hay nada que permita la salida comercial de las piezas clasificadas en seco con un respaldo normativo. Como se ha descrito en puntos anteriores, estas mismas piezas son objeto de otro estudio para analizar la influencia de las fendas de secado en las propiedades mecánicas y verificar si el rechazo producido es justificado. Imagen Gráfico de medias. SG. Densidad global (kg/m 3 ) y clasificación visual DenGlo MEG R Imagen Gráfico de medias. SG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual MOEGlo MEG R Imagen Gráfico de medias. SG. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual TDR pos MEG R

178 5. Análisis y discusión de resultados CV Tabla Valores medios en función de la clase visual. SG. Densidad global media (Kg/m 3 ) Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) MEG+R ,09 MEG ,09 R ,14 Si se repite el análisis sin considerar los efectos del secado (deformaciones y fendas), los resultados de la clasificación visual son los siguientes: Tabla Resultados de la clasificación visual. SG. Sin considerar defectos de secado. Nº % Madera Estructural Gruesa (MEG) ,38 Rechazo (R) 10 8,62 TOTAL Tabla Motivos de Rechazo. SG. Sin considerar defectos de secado. MEG R Nº % Nº % Nudo cara (NC) ,14 1 0,86 Nudo canto (Ncto) ,28 2 1,72 Bolsa Resina (BR) ,00 0 0,00 Entrecasco (Ec) ,41 3 2,59 Desviación de fibra (DF) ,28 2 1,72 Fendas Curvatura Cara (CC) Curvatura Canto (Ccto) Alabeo Gemas ,28 2 1,72 TOTAL , ,

179 5. Análisis y discusión de resultados A continuación se presentan los gráficos resúmen correspondientes: Imagen Clasificación visual. SG. Sin considerar defectos de secado. Imagen Causa del rechazo. SG. Sin considerar defectos de secado. Imagen Gráfico de medias. SG. Densidad (kg/m 3 ) y clasificación visual. Sin considerar defectos de secado DenGlo MEG R Imagen Gráfico de medias. SG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin considerar defectos de secado MOEGlo MEG R

180 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Gráfico de medias. SG. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin considerar defectos de secado TDR pos MEG R CV Tabla Valores medios en función de la clase visual. SG. Sin considerar efectos de secado Densidad global media (Kg/m 3 ) Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) MEG+R ,09 MEG ,47 R ,03 En estos casos tampoco se justifican diferencias significativas entre ambos grupos, pero las clasificadas como Madera Estructural Gruesa sí tiene valores medios superiores a los obtenidos en el lote de rechazadas. Esto apunta a la necesidad de una revisión de la clasificación visual y al estudio detenido de los efectos de secado en la calidad de la madera estructural. Las fendas y deformaciones no parecen provocar pérdida de las propiedades resistentes de la madera y sin embargo son motivo de rechazo Vigas: PS 000 CG. Dimensiones nominales 150 x 200 mm Tabla Clasificación visual. CG. Nº % Madera Estructural Gruesa (MEG) 0 0 Rechazo (R) TOTAL

181 5. Análisis y discusión de resultados Tabla Motivos de Rechazo en la clasificación visual. CG. MEG R Nº % Nº % Nudo cara (NC) Nudo canto (Ncto) 97 95,1 5 4,9 Bolsa Resina (BR) Entrecasco (Ec) ,04 2 1,96 Desviación de fibra (DF) Fendas ,04 2 1,96 Curvatura Cara (CC) Curvatura Canto (Ccto) 99 97,06 3 2,94 Alabeo 93 91,18 9 8,82 Gemas TOTAL En este caso, como es lógico, el 100% de las piezas son clasificadas como rechazo por la presencia de gema. No es una clasificación visual representativa de una población. Es un conjunto seleccionado para analizar el efecto de las gemas en la madera de gran escuadría y en los ensayos no destructivos. Imagen Clasificación visual. CG. Imagen Causa del rechazo. CG

182 5. Análisis y discusión de resultados CV Tabla Valores medios en función de la clase visual. CG. Densidad global media (Kg/m 3 ) Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) MEG+R ,83 MEG R ,83 En caso de no considerar el criterio gemas en este lote, los resultados obtenidos serían: Tabla Clasificación visual. CG. Sin criterio gema. Nº % Madera Estructural Gruesa (MEG) Rechazo (R) TOTAL Tabla Motivos de Rechazo de piezas CG. Sin considerar criterio gema MEG R Nº % Nº % Nudo cara (NC) Nudo canto (Ncto) 97 95,1 5 4,9 Bolsa Resina (BR) Entrecasco (Ec) ,04 2 1,96 Desviación de fibra (DF) Fendas ,04 2 1,96 Curvatura Cara (CC) Curvatura Canto (Ccto) 99 97,06 3 2,94 Alabeo 93 91,18 9 8,82 Gemas TOTAL

183 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Clasificación visual. CG. Sin criterio gema. Imagen Causa del rechazo. CG. Sin criterio gema. Imagen Gráfico de medias. CG. Densidad (kg/m 3 ) y clasificación visual. Sin criterio gema Den Glo MEG R Imagen Gráfico de medias. CG. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin criterio gema MOE Glo MEG R

184 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Gráfico de medias. CG. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual. Sin criterio gema TDR pos MEG R CV Tabla Valores medios en función de la clase visual. CG. Sin criterio gema. Densidad global media (Kg/m 3 ) Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) MEG+R ,83 MEG ,70 R ,28 Al igual que en los análisis anteriores, la presencia o no de la gema no justifica las diferencias que puedan apreciarse entre ambas calidades. Si bien se observan valores medios menores de módulo de elasticidad y tensión de rotura en las piezas de rechazo, estas diferencias no resultan estadísticamente significativas Vigas: PS 000 H. Dimensiones nominales 100 x 150 mm En el caso del lote de 26 vigas de 150 mm x 100 mm, se han clasificado visualmente en varios momentos, en función del contenido de humedad en las piezas. De esta forma hay resultados para las vigas saturadas (con un contenido de humedad medio superior al 30%), vigas secas (con un valor medio de humedad estable del 9%) y dos clasificaciones más para valores de humedad intermedios

185 5. Análisis y discusión de resultados Tabla Resultados de la clasificación visual y contenido de humedad. H. Saturadas Intermedio Intermedio Secas % H ad Nº % % H ad Nº % % H ad Nº % % H ad Nº % MEG 21 80, , , ,2 43,1 14,4 12,0 8,8 R 5 19, , , ,8 TOTAL 43, , , , Tabla Motivos de Rechazo visual y contenido de humedad. H. 43,2 % H ad 14,4 % H ad 12,0 % H ad 8,8 % H ad MEG R MEG R MEG R MEG R Causa Nº % Nº % Nº % Nº % Nº % Nº % Nº % Nº % NC Ncto BR Ec DF Fendas CC CCto Alabeo Gemas TOTAL Imagen Evolución de la clasificación visual en función del secado. H. (azul MEG, rojo R)

186 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Evolución de la clasificación visual en función del secado. Causas del rechazo. H. Imagen Clasificación visual. H. Humedad media del lote 43,2%. Imagen Causa del rechazo. H. Humedad media del lote 43,2%. Imagen Clasificación visual. H. Humedad media del lote 12,0%. Imagen Causa del rechazo. H. Humedad media del lote 12,0%

187 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Gráfico de medias. H. Densidad (kg/m 3 ) y clasificación visual. Humedad media del lote 12,0% Den Glo MEG R Imagen Gráfico de medias. H. Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación visual. Humedad media del lote 12,0% MOE glo MEG R Imagen Gráfico de medias. H. Tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación visual. Humedad media del lote: 12,0% TDR pos MEG R CV Tabla Valores medios en función de la clase visual. H. Densidad global media (Kg/m 3 ) Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) MEG+R ,02 MEG ,37 R ,

188 5. Análisis y discusión de resultados Como se observa en este apartado, los efectos del secado en las piezas rebajan de forma considerable el rendimiento de la clasificación visual global del lote, por lo que requiere un estudio más detallado de las variables para evaluar su influencia real en la calidad y resistencia de la madera estructural. Además en ningún caso se han encontrado diferencias significativas entre piezas clasificadas visualmente como MEG o R, por lo que no parece que esta clasificación aislada aporte información sobre la resistencia de las piezas a emplear Ondas de impacto (equipo Microsecond Timer) La velocidad de propagación de la onda se obtiene al dividir la distancia recorrida conocida entre el tiempo de transmisión, que lo da el equipo en cuestión. En este caso se han medido tiempos de transmisión de testa a testa, siendo la longitud total de la pieza la distancia recorrida. Debido a que en ocasiones no es posible tomar medidas en las testas, se han medido tiempos de transmisión de cara a cara a unas distancias de 6 h y 18 h, realizando las medidas en la misma cara y en diferentes en los lotes SG y CG, como se explica en el capítulo de metodología. A continuación se presentan los resultados para el equipo de transmisión de onda de impacto empleado, Microsecond Timer de Fakopp. Los valores han sido corregidos para el valor de humedad de referencia del 12% y por el ángulo respecto a la fibra (Arriaga et al., 2009). Para el análisis de la normalidad de las variables, se ha empleado el programa estadístico Statgraphics, y se han analizado los residuos tipificados. Su estudio se ha realizado mediante los histogramas de frecuencias, gráficos de probabilidad acumulada y valores de sesgo estandarizado y curtosis estandarizado. Para que se ajuste a una distribución normal embos valores deben estar comprendidos entre -2 y +2. En este caso no es una distribución normal si se consideran las piezas del lote H. Los otros dos lotes sí cumplen con la distribución normal. Se ha comprobado que eliminando los datos que rompen la normalidad del lote H no se producen cambios relevantes en el resultado, por lo que se ha desarrollado el análisis con el lote completo

189 5. Análisis y discusión de resultados Tabla Velocidad Microsecond Timer Testa-Testa (m/s) y coeficientes de variación (%). Equipo Microsecond Timer Media (m/s) C.V. (%) Total ,6 Vigas SG+CG ,4 Vigas SG ,4 Vigas CG ,4 Vigas H ,7 Imagen Histograma de frecuencias. Velocidad Microsecond Timer Testa-Testa (m/s) frecuencia Vel TT MST 12 Tabla Resumen de velocidades Microsecond Timer Cara-Cara (m/s) y coeficientes de variación (%). Medida Directa 18 h Directa 6 h Indirecta 18 h Indirecta 6 h Media (m/s) C.V. (%) Media (m/s) C.V. (%) Media (m/s) C.V. (%) Media (m/s) C.V. (%) Total , , , ,6 Vigas SG , , , ,4 Vigas CG , , , ,9 Las relaciones lineales de las velocidades testa-testa y cara-cara de los tres lotes aportan el siguiente resultado: Vel T-T.MT12= 458, , * Vel c-c.mt.d A R 2 = 89% Vel T-T.MT12= 567, , * Vel c-c.mt.i R 2 = 91% Vel T-T.MT.12= 294, , * Vel c-c.mt.d A R 2 = 54%

190 5. Análisis y discusión de resultados Vel T-T.MT12= 2207, , * Vel c-c.mt.i R 2 = 49% Donde: Vel T-T.MT12 Vel c-c.mt.d A Vel c-c.mt.i Vel c-c.mt.d A Vel c-c.mt.i es la velocidad de transmisión de la onda en m/s, corregida al 12% de humedad. Distancia recorrida: testa-testa y el tiempo medido con Microsecond Timer. Con la corrección dada por el fabricante para cada equipo. es la velocidad de transmisión de la onda en m/s. Distancia recorrida: 18 h. Cada palpador en una cara, y el tiempo medido con Microsecond Timer. Correcciones aplicadas: propia del equipo, humedad y ángulo. es la velocidad de transmisión de la onda en m/s. Distancia recorrida: 18 h. Los dos palpadores en una misma cara, y el tiempo medido con Microsecond Timer. Correcciones aplicadas: propia del equipo y humedad. es la velocidad de transmisión de la onda en m/s. Distancia recorrida: 6 h. Cada palpador en una cara, y el tiempo medido con Microsecond Timer. Correcciones aplicadas: propia del equipo, humedad y ángulo. es la velocidad de transmisión de la onda en m/s. Distancia recorrida: 6 h. Los dos palpadores en una misma cara y el tiempo medido con Microsecond Timer. Correcciones aplicadas: propia del equipo y humedad. Se obtiene un R 2 mayor en el caso de los valores de 18 h, en las que hay menor diferencia de distancia respecto a las medidas testa-testa. Si se conjugan ambas medidas, directa e indirecta, mejora algo la relación: Vel T-T.MT12= 433, ,36736*Vel c-c.mt.d A + 0,553827* Vel c-c.mt.i R 2 = 92% Por lo que cuando no sea posible medir testa-testa, que son medidas con menor error por hacerlo en paralelo a la fibra, se recomienda hacer las medidas lo más cerca a la testa posible. En este caso no se han separado por lotes porque el coeficiente R 2 es suficientemente alto y esta regresión da buenos ajustes para cualquier pieza

191 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Valores Observados-predichos. Velocidad Microsecond Timer (m/s) observado predicho 5.5. Ondas ultrasónicas (equipo Sylvatest) La velocidad de propagación de la onda se obtiene, al igual que en las ondas de impacto, dividiendo la distancia recorrida entre el tiempo de transmisión medido por el equipo. Como en el caso anterior, se han medido tiempos de transmisión de testa a testa, siendo la longitud total de la pieza la distancia recorrida, y tiempos de transmisión de cara a cara a unas distancias de 6 h y 18 h, realizando las medidas en la misma y en diferentes caras en los lotes SG y CG. Se han hecho las correcciones oportunas por humedad y ángulo. Para la humedad se ha considerado el factor fijado por el fabricante del equipo (Sandoz, 1989). Por otro lado, se ha aplicado una corrección por longitud según los estudios propios para este equipo (Arriaga et al. 2009). A continuación se presentan los resultados para el equipo de transmisión de onda ultrasónica empleado, Sylvatest. En este caso, las distribuciones son normales para cualquiera de los lotes o combinaciones de los mismos. Tabla Velocidad Sylvatest testa-testa (m/s) y coeficientes de variación (%). Equipo Sylvatest Media (m/s) C.V. (%) Total ,9 Vigas SG+CG ,1 Vigas SG ,9 Vigas CG ,2 Vigas H ,

192 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Histograma de frecuencias. Velocidad Sylvatest testa-testa (m/s) frecuencia Vel.TT.Syl.12 Tabla Velocidad Sylvatest cara-cara (m/s) y coeficientes de variación (%). Medida Directa 18 h Directa 6 h Indirecta 18 h Indirecta 6 h Media (m/s) C.V. (%) Media (m/s) C.V. (%) Media (m/s) C.V. (%) Media (m/s) C.V. (%) Total , , , ,8 Vigas SG , , , ,1 Vigas CG , , , ,7 Las relaciones lineales de las velocidades testa-testa y cara-cara de los lotes quedan: Vel T-T.Syl12= 816, , * Vel c-c.syl.d A.L R 2 = 76% Vel T-T.Syl12= 759, ,87793 * Vel c-c.syl.i R 2 = 76% Vel T-T.Syl12= -182, ,974441* Vel c-c.syl.d A.L R 2 = 53% Vel T-T.Syl12= 1819,69 + 0,618641* Vel c-c.syl.i R 2 = 51% Donde: Vel T-T.Syl12 Vel c-c.syl.d A.L es la velocidad de transmisión de la onda en m/s, corregida al 12% de humedad. Distancia recorrida: testa-testa, y el tiempo medido con Sylvatest. es la velocidad de transmisión de la onda en m/s. Distancia recorrida: 18 h. Cada palpador en una cara, y el tiempo medido con Sylvatest. Correcciones aplicadas: humedad, longitud y ángulo

193 5. Análisis y discusión de resultados Vel c-c.syl.i L Vel c-c.syl.d A.L Vel c-c.syl.i L es la velocidad de transmisión de la onda en m/s. Distancia recorrida: 18 h. Ambos palpadores en la misma cara, y el tiempo medido con Sylvatest. Correcciones aplicadas: humedad y longitud. es la velocidad de transmisión de la onda en m/s. Distancia recorrida: 6 h. Cada palpador en una cara, y el tiempo medido con Sylvatest. Correcciones aplicadas: humedad, longitud y ángulo. es la velocidad de transmisión de la onda en m/s. Distancia recorrida: 6 h. Ambos palpadores en la misma cara, y el tiempo medido con Sylvatest. Correcciones aplicadas: humedad y longitud. Obteniendo un R 2 mayor en el caso de las medias de 18 h, en las que hay menor diferencia de distancia respecto a las medidas testa-testa. Si se conjugan ambas medidas, directa e indirecta, mejora algo la relación: Vel T-T.Syl12= 643, ,44518*Vel c-c.syl.d :LA + 0,454701* Vel c-c.syl.i L R 2 = 79% Por lo que cuando no sea posible medir testa-testa, que son medidas con menor error por hacerlo en paralelo a la fibra, se recomienda hacer las medidas de cara desde puntos cercanos a la testa y, cuando sea posible, tomar ambas medidas a lo largo de la misma cara y entre caras opuestas. Imagen Valores predichos-observados. Velocidad Sylvatest (m/s) observado predicho 5.6. Vibración longitudinal (equipo Portable Lumber Grader) El ensayo de vibración inducida permite calcular la velocidad de propagación mediante el producto de la frecuencia natural de vibración por dos veces la longitud de la pieza. En el

194 5. Análisis y discusión de resultados caso de las velocidades de transmisión de onda longitudinal obtenidas con el PLG, las distribuciones son normales para cualquiera de los lotes o combinaciones de los mismos. Tabla Velocidades de vibración longitudinal PLG (m/s) y coeficientes de variación (%) Equipo PLG Media (m/s) C.V. (%) Total ,5 Vigas SG+CG ,7 Vigas SG ,2 Vigas CG ,0 Vigas H ,9 Imagen Histograma de frecuencias. Velocidad de vibración longitudinal (m/s) frecuencia Vel L PLG Relación entre velocidad de onda y propiedades mecánicas Como se ha visto en el análisis de factores introductorio sobre la relación entre estimadores no destructivos y las propiedades de la madera, la velocidad de transmisión de una onda parece ser un buen estimador para obtener el módulo de elasticidad estático y la resistencia del material. Como primer análisis se ha fijado una velocidad de transmisión límite para cada equipo. Los límites de velocidad se han establecido para los percentiles 10% (v 10), 15% (v 15), 20% (v 20) y 25% (v 25). Es decir, en el 10 % de las piezas se ha obtenido un valor de velocidad inferior a v 10 m/s, en el 15 % de las piezas la velocidad es inferior a v 15, y así sucesivamente

195 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Percentiles de velocidad. Frecuencia 10 % 15 % 20 % 25 % 50 % v10 v15 v20 v25 vmed Velocidad (m/s) Para cada límite de velocidad estudiada, se ha evaluado la diferencia en las propiedades mecánicas entre el grupo de rechazo, el grupo de madera seleccionada y el grupo total de muestra, eligiendo el límite en el que esta diferencia sea significativa entre los tres lotes. En la tabla siguiente se resume si se han detectado diferencias significativas entre el módulo de elasticidad global (MOE log,12) y tensión de rotura (MOR pos) obtenidos para los diferentes percentiles de clasificación y para cada equipo. Tabla Diferencias significativas de propiedades de la madera para clases obtenidas en función de la velocidad de transmisión. Percentil que marca el límite de velocidad de transmisión para la clasificación 10% 15% 20% 25% Sylvatest Microsecond Timer PLG MOE glo12 No Sí Sí Sí MOR pos No No No Sí MOE glo12 No No Sí Sí MOR pos No No No Sí MOE glo12 No Sí Sí Sí MOR pos No No No Sí Viendo que para el percentil 25 se obtienen diferencias significativas en todos los equipos entre las dos clases definidas y la muestra total, tanto para el módulo de elasticidad como

196 5. Análisis y discusión de resultados para la tensión de rotura, se han determinado las velocidades límites correspondientes a este percentil para Sylvatest, Microsecond Timer y PLG: - Sylvatest: v25 sylvatest = m/s S1: piezas con velocidad v m/s S2: piezas con velocidad v < m/s - MST: v25 MST = m/s MT1: piezas con velocidad v m/s MT2: piezas con velocidad v < m/s - PLG: v25 PLG = m/s PLG1: piezas con velocidad v m/s PLG2: piezas con velocidad v < m/s - Total: todas las piezas de la muestra Imagen ANOVA de medias del módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y clasificación por velocidad MOE Glo S1 S2 MT1 MT2 PLG1 PLG2 Todas

197 5. Análisis y discusión de resultados Imagen ANOVA de medias de la tensión de rotura (N/mm 2 ) y clasificación por velocidad MOR pos S1 S2 MT1 MT2 PLG1 PLG2 Todas Tabla Propiedades mecánicas medias según su clase de transmisión de onda (percentil 25). Todas S1 S2 MT1 MT2 PLG1 PLG2 MOE glo12 (N/mm 2 ) MOR pos (N/mm 2 ) 37,98 40,62 29,80 40,38 30,56 40,55 30,19 Como resultado de este análisis se concluye que la velocidad de propagación de la onda puede utilizarse como un parámetro clasificador que es capaz de discriminar de manera clara las piezas de mayor calidad con un rendimiento aceptable. Discriminando el 25% de las piezas con menor velocidad se obtiene una mejora de la clasificación que en módulo de elasticidad pasa de un valor medio de N/mm 2 hasta valores que, según el equipo utilizado, se sitúan entre y N/mm 2. En el caso de la resistencia, para el mismo percentil, los valores medios pasan de 37,98 N/mm 2 obtenido para todas las piezas, hasta valores entre 40,38 a 40,62 N/mm La velocidad de onda para mejorar la clasificación visual Partiendo de los límites de velocidad definidos para que la diferencia entre grupos sea significativa, se ha realizado una clasificación en función de la velocidad de transmisión. Se ha denominado clase A (aceptables) a las piezas que cumplen con el criterio de velocidad de US, MST y PLG igual o superior al umbral del percentil 25. Clase NA (no aceptables) a las que no cumplen con estos tres límites de velocidad. A continuación se muestran los resultados de los siguientes análisis: - toda la muestra, sólo clasificación visual

198 5. Análisis y discusión de resultados - toda la muestra, sólo clasificación por velocidad. - toda la muestra, clasificación visual y por velocidad. - lote SG, sólo clasificación visual. - lote SG, clasificación visual y por velocidad. Los resultados de módulo de elasticidad y tensión de rotura para la clasificación visual de todas las piezas, así como la comparación entre calidades, se resumen en la tabla y en las figuras a continuación Toda la muestra, clasificación visual Tabla Valores medios en función de la clase visual para todas las piezas. SG CG H. CV Nº Piezas / % Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) MEG+R 243 / 100 % ,98 MEG 90 / 37 % ,06 R 153 / 63 % ,34 Imagen ANOVA entre clases visuales para el módulo de elasticidad global (N/mm 2 ). SG CG H MOE glo MEG R

199 5. Análisis y discusión de resultados Imagen ANOVA entre clases visuales para la tensión de rotura (N/mm 2 ). SG CG H TDRpos MEG R Toda la muestra, clasificación por velocidad Si se comparan los resultados con los obtenidos mediante clasificación por velocidad, los resultados son los siguientes: Tabla Valores medios en función de la clase por velocidad. SG CG H. CV Nº Piezas / % Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) A+NA 243 / 100 % ,98 A 159 / 65 % ,22 NA 84 / 35 % ,78 Imagen ANOVA entre clases de velocidad para el módulo de elasticidad global (N/mm 2 ). SG CG H MOE glo A NA

200 5. Análisis y discusión de resultados Imagen ANOVA entre clases de velocidad para la tensión de rotura (N/mm 2 ). SG CG H TDRpos A NA Comparando los resultados se aprecia que la clasificación por velocidad de transmisión de onda es mejor diferenciador de la calidad de la madera que la inspección visual, tanto porque aumenta el rendimiento como por la asignación de propiedades mecánicas Toda la muestra, clasificación visual y por velocidad Se ha aplicado el criterio de velocidad en las piezas que han sido rechazas visualmente para dar lugar a una nueva clase (MEG +v), formada por las piezas MEG de la clasificación visual, a las que se añaden algunas piezas que habían sido rechazadas pero que cumplen con la especificación de velocidad superior al percentil 25. Con esta nueva clasificación se obtiene el siguiente resultado: Tabla Valores medios en función de la clase visual y clase de velocidad. SG CG H. CV +V Nº Piezas / % Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) Total 243 / 100 % ,98 MEG +v 188 / 77 % ,22 R +v 55 / 23 % ,

201 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Gráfico de medias del MOE Glo12 con la nueva clasificación CV +V. SG CG H MOE Glo MEG +v R +v Imagen Gráfico de medias de TDR pos con la nueva clasificación CV +V. SG TDR pos MEG +v R +v Como se puede apreciar, las diferencias son significativas entre ambos grupos. El número de piezas rechazadas es mucho menor y los valores medios de módulo de elasticidad y tensión de rotura mejoran para el nuevo grupo de las aceptadas (MEG +v), empeorando de forma considerable en las rechazadas (R +v) Lote SG, clasificación visual A continuación se resumen los resultados del mismo análisis centrado en el lote SG (formado por 116 piezas escuadradas), por considerar que se trata del lote más representativo. En la clasificación visual se aprecia la misma tendencia que en el conjunto de la muestra y las calidades visuales aparecen poco diferenciadas

202 5. Análisis y discusión de resultados CV Nº Piezas / % Tabla Valores medios en función de la clase visual. SG. Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) MEG+R 116 / 100 % ,09 MEG 78 / 67 % ,09 R 38 / 33 % ,14 Imagen Gráfico de medias del MOE Glo12 con la nueva clasificación CV +V. SG MOEGlo MEG R Imagen Gráfico de medias del MOE Glo12 con la nueva clasificación CV +V. SG TDR pos MEG R Lote SG, clasificación visual y por velocidad En este análisis se comparan las calidades creadas mediante clasificación visual junto a la clasificación por velocidad. Al igual que en la muestra completa, aparecen diferencias significativas entre las nuevas calidades MEG +V y R +V. El número de piezas rechazadas disminuye sensiblemente, así como los valores medios de medio de módulo de elasticidad y tensión de rotura, sin que por ello se vea perjudicada la clase MEG +v, en la que mejora ligeramente la tensión de rotura

203 5. Análisis y discusión de resultados Tabla Valores medios en función de la clase visual y clase de velocidad. SG. CV Nº Piezas / % Módulo de elasticidad global medio (N/mm 2 ) Tensión de rotura media (N/mm 2 ) MEG+R 116 / 100 % ,09 MEG 104 / 90 % ,97 R 12 / 10 % ,47 Imagen Gráfico de medias del MOE Glo12 con la nueva clasificación CV+V. SG MOE Glo MEG +v R +v Imagen Gráfico de medias de TDR pos con la nueva clasificación CV+V. Lote SG TDR pos MEG +v R +v 5.9. Vibración transversal (equipo Portable Lumber Grader) Este ensayo se ha realizado sólo en las vigas de sección 150 x 200 mm correspondientes a los grupos PS 000 SG y PS 000 CG

204 5. Análisis y discusión de resultados Tabla Resumen de frecuencias de vibración transversal (Hz) y coeficientes de variación (%). Medida Sobre canto Sobre cara Frecuencia (Hz) C.V. (%) Frecuencia (Hz) C.V. (%) Total 55 7, ,0 Vigas SG 52 7,2 39 8,4 Vigas CG 58 16, ,2 Imagen Histograma de frecuencias. Frecuencia de vibración transversal sobre canto (Hz) frecuencia Frec tr cto Imagen Histograma de frecuencias. Frecuencia de vibración transversal sobre cara (Hz) frecuencia Frec tr cara En los apartados siguientes se desarrollan las relaciones entre los datos tomados con el equipo y las propiedades mecánicas correspondientes

205 5. Análisis y discusión de resultados Resistencia al arranque de tornillo (equipo MAT) Comparativa de mediciones sobre la cara con o sin gema El valor de fuerza de arranque de tornillo radial en las piezas con gema se ha obtenido sobre el canto que presenta gema y sobre el canto libre de ella con el objeto de analizar si existen diferencias. Imagen Medidas en dirección radial sobre la gema y fuera de ella. Los valores de esta comparativa se resumen a continuación: Tabla Comparativa arranque de tornillo sobre la gema o fuera de ella (C.V.) Fuera de la Sobre gema la gema Media Mediana Desviación estándar Coeficiente de variación Mínimo Máximo Rango 1,31 kn 1,225 kn 0,33 25% 0,73 kn 2,42 kn 1,69 kn 1,32 kn 1,285 kn 0,32 24% 0,6 kn 2,3 kn Rango: 1,7 kn

206 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Histograma comparativo de fuerza de arranque de tornillo con gema y sin gema. FARad frecuencia ,5 1 1,5 2 2,5 3 FARadG Siendo: - FARad, la resistencia al arraque de tornillo en dirección radial a la pieza sobre el canto libre gema. - FARadG, la resistencia al arraque de tornillo en dirección radial a la pieza sobre el canto con gema. Como consecuencia de esta comparativa se ha observado que no hay diferencias sgnificativas ambas formas de medición, por lo que se han generalizado las mediciones sobre el resto de las piezas en el canto sin gema, de manera análoga en los tres lotes de piezas CG, SG y H Resumen de resultados En cada piezas se han efectuado mediciones en dirección radial y tangencial y se ha obtenido el valor medio. Los resultados para cada lote de piezas se resumen en la tabla siguiente

207 5. Análisis y discusión de resultados Tabla Valores de fuerza de arranque de tornillo medios (kn) corregidos al 12% de humedad y Coeficientes de variación (C.V.) Fuerza de arranque de tornillo radial (kn) Fuerza de arranque de tornillo tangencial (kn) Fuerza de arranque media (kn) Media C.V Media C.V Media C.V TOTAL 1,24 25,50 1,35 25,15 1,30 22,97 Vigas SG+CG 1,26 24,47 1,38 23,10 1,32 21,33 Vigas SG 1,22 23,58 1,31 22,47 1,27 20,85 Vigas CG 1,31 24,94 1,46 22,34 1,39 20,86 Vigas H 1,00 27,97 1,06 36,76 1,03 30, Profundidad de penetración (equipo Pilodyn) Comparativa de mediciones sobre la cara con o sin gema Al igual que en el caso anterior, se han comparado las mediciones radiales realizadas sobre la gema o sobre una cara libre de gema y se han observado algunas diferencias mayores, aunque sin llegar a ser relevantes. Por ello se han generalizado las mediciones radiales en todos los lotes sobre las caras sin gema. El resultado de la comparativa se resume a continuación: Tabla Comparativa de penetrómetro sobre la gema o fuera de ella (C.V.) Fuera de la Sobre gema la gema Media Mediana Desviación estándar Coeficiente de variación Mínimo Máximo Rango 11,6 mm 11,5 mm 2,13 18,4% 7 mm 17 mm 10 mm 11,3 mm 11,0 mm 2,05 18,2% 7 mm 17 mm 10 mm

208 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Histograma comparativo de penetrómetro en cantos con o sin gema. ProfRad frecuencia ProfRadG Siendo: - ProfRad, la profundidad de penetración en dirección radial a la pieza sobre el canto libre gema. - ProfRadG, la profundidad de penetración en dirección radial a la pieza sobre el canto con gema Resumen de resultados El valor que se va a emplear para el trabajo corresponde a la media de los valores radial y tangencial. Tabla Valores de profundidad de penetración medios corregidos al 12% de humedad (mm) y Coeficientes de variación. Profundidad de Profundidad de Profundidad de penetración tangencial penetración radial (mm) penetración media (mm) (mm) Media C.V Media C.V Media C.V TOTAL 12,1 20,1 11,4 19,5 11,7 18,4 Vigas SG+CG 11,7 17,9 11,1 16,8 11,4 15,8 Vigas SG 11,9 17,3 10,8 17,0 11,4 16,0 Vigas CG 11,6 18,6 11,3 16,3 11,5 15,6 Vigas H 15,0 20,6 14,9 16,0 15,0 16,

209 5. Análisis y discusión de resultados Densidad Si bien es posible calcular la densidad mediante métodos directos a partir del peso y del volumen de las piezas, es conveniente disponer de medios indirectos que permitan estimarla con fiabilidad, ya sea para poder generalizar un valor mediante un número aceptable de ensayos o para estimar al densidad en madera de estructuras existentes en las que no es posible obtener de forma directa el peso o el volumen. En este apartado se muestran las relaciones entre variables orientadas con el objeto de estimar la densidad de la madera. Todos los valores de densidad se encuentran corregidos a un contenido de humedad de referencia del 12 %. Los valores aparecen expresados en kg/m 3 (densidad), mm (profundidad de penetración con Pilodyn) y kn (resistencia al arranque de tornillo) Relación entre densidad global (viga) y local (rebanada) La densidad se ha calculado con dos métodos diferentes. En ambos casos los valores de densidad han sido corregidos al valor de referencia del 12% de humedad. - Densidad global (Dglo): se ha calculado dividiendo el peso de la viga entera obtenido con el PLG, entre el volumen estimado con las medidas de las dimensiones tomadas en el tercio central. - Densidad local o de rebanada (Dreb): obtenida con el peso y volumen de una rebanada de 150 mm de espesor, obtenida de la zona cercana a la rotura según la norma UNE-EN 408. Los valores obtenidos para el análisis de la variable densidad global corregida al 12% de humedad para las 244 piezas dan un valor medio de densidad de 500 kg/m 3, con un coeficiente de variación de 7,32%. Esta variable se ajusta a una distribución normal como se puede observar en las gráficas siguientes

210 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Gráfico de caja y bigotes. Densidad global (kg/m 3 ) Den Glo12 Imagen Histograma de frecuencias. Densidad global (kg/m 3 ) frecuencia DenGlo12 Si realizamos el análisis de varianza para la densidad global de las piezas en función del grupo al que pertenecen, se obtiene: Imagen Gráfico de medias del análisis de varianza de la densidad global: H SG/CG (kg/m 3 ) DenGlo H SG/CG Imagen Gráfico de medias del análisis de varianza de la densidad global: H/G/CG (kg/m 3 ) DenGlo CG H SG

211 5. Análisis y discusión de resultados No se han encontrado diferencias significativas entre los tres grupos de piezas. Los valores obtenidos para el análisis de la variable densidad local o de rebanada corregida al 12% de humedad para las 242 piezas dan una densidad media de 486 kg/m 3, con un coeficiente de variación de 9,12%. Se puede afirmar que se ajusta a una distribución normal. Imagen Gráfico de caja y bigotes. Densidad local (kg/m 3 ) Den12 Imagen Histograma de frecuencias. Densidad local (kg/m 3 ) frecuencia Den12 En el caso de la densidad local, sí existe una diferencia significativa entre grupos, marcada especialmente entre el lote H y los grupos SG y CG. Imagen Gráfico de medias del análisis de varianza de la densidad local H SG/CG (kg/m 3 ) Den H SG/CG

212 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Gráfico de medias del análisis de varianza de la densidad local H/SG/CG (kg/m 3 ) Den CG H SG Se ha estudiado la relación entre estos valores para dar validez a cualquiera de los valores de densidad global o local por rebanada, obteniéndose un modelo lineal que describe dicha relación: Den Glo12 = 192, , * Den Reb12 R 2 = 58 %. Donde: Den Glo12 Den Reb12 es la densidad global de la pieza es la densidad local o de la rebanada Estos resultados indican una relación moderadamente fuerte entre ambos valores, aunque no tan alta como cabría esperar. Como consecuencia de esta relación se concluye que puede utilizarse la densidad global en lugar de la densidad local definida en la norma UNE- EN 408:2004. En el gráfico siguiente se aprecia que puede considerarse aceptable la regresión lineal, aunque conviene estudiar alguno de los valores que se sale de la relación. Imagen Modelo ajustado de densidad global-densidad local (kg/m 3 ) DenGlo DenReb

213 5. Análisis y discusión de resultados Tabla resumen: Tabla Resultados densidad corregida al 12% de humedad (Kg/m 3 ). Den glo12 (kg/m 3 ) Den Reb12 (kg/m 3 ) Media C.V. Media C.V. Vigas SG/CG/H 500 7, ,12 Como conclusión, debido a la existencia de diferencias significativas entre las densidades calculadas para los lotes H y SG/CG, en los siguientes apartados se ha desrrollado el análisis por separado para cada uno de ellos Vigas PS 000 SG/CG (150 x 200 mm) Los valores obtenidos para el análisis de la variable densidad global corregida al 12% de humedad en las 218 piezas de escuadría 150 x 200 mm son una densidad media de 501 kg/m 3 y un coeficiente de variación de 7,30%. Los valores estadísticos se encuentran dentro del rango esperado para datos provenientes de una distribución normal. Imagen Gráfico caja y bigotes. Densidad global (kg/m 3 ). Piezas SG/CG DenGlo

214 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Histograma de frecuencias. Densidad global (kg/m 3 ). Piezas SG/CG frecuencia DenGlo12 Los valores obtenidos para el análisis de la variable densidad local o de rebanada corregida al 12% de humedad de las 218 piezas de sección 150 mm x 200 mm son una media de 489 kg/m 3 y un coeficiente de variación de 8,80%. La distribución de esta variable no se ajusta a una normal. Se ha repetido el análisis del mismo caso eliminando los datos que distorsionan la normalidad y se han obtenio resuldados muy similares, por lo que se ha completado el análisis con el lote completo. Imagen Gráfico caja y bigotes. Densidad local (kg/m 3 ). Piezas SG/CG DenReb12 Imagen Histograma de frecuencias. Densidad local (kg/m 3 ). Piezas SG/CG frecuencia DenLoc12 Se ha estudiado la relación entre las variables de densidad global y local dentro de este lote obteniéndose el siguiente modelo lineal:

215 5. Análisis y discusión de resultados Den Glo12SGCG = 174, , * Den Reb12SGCG R 2 = 62% Donde: Den Glo12SGCG Den Reb12SGCG es la densidad global de la pieza es la densidad local Estos resultados indican una relación estadísticamente significativa entre ambos valores, por lo que puede utilizarse la densidad global en lugar de la densidad local, como puede en el gráfico siguiente: Imagen Modelo ajustado de densidad global- local (kg/m 3 ). Piezas SG/CG DenGlo DenReb12 La separación en lotes, daría como resultado las relaciones: Lote SG: Den Glo12SG = 173, , * Den Reb12SG R 2 = 67% Lote CG: Den Glo12CG = 166, , * Den Reb12CG R 2 = 58% El coeficiente de determinación es algo menor en el caso de las piezas con gema. Esto es debido a la dificultad que presenta la medición exacta del volumen en secciones tan irregulares. En la tabla siguiente se resumen los resultados para estos dos lotes: Tabla Resultados densidad media (kg/m 3 ). Piezas SG/CG. Den glo12 (kg/m 3 ) Den Reb12 (kg/m 3 ) Media C.V. Media C.V. Vigas SG+CG 501 7, ,80 Vigas SG 502 7, ,80 Vigas CG 499 7, ,

216 5. Análisis y discusión de resultados Vigas PS 00 H ( 100 x 150 mm) Los valores estadísticos obtenidos para el análisis de la variable densidad global en las 26 piezas, obtenida durante el proceso de secado en el momento en que el valor medio de la humedad del lote estaba cerca del 12% y corregida cada pieza a ese valor, son una media de 495 kg/m 3 y un coeficiente de variación es de 7,09%. La distribución de la serie de datos se ajusta a la normalidad. Imagen Gráfico de caja y bigotes. Densidad global (kg/m 3 ). Piezas H DenGlo12 Los valores anómalos corresponden a las piezas PS 01 H, PS 04 H, PS 08 H y PS 09 H. Imagen Histograma de frecuencias. Densidad global (kg/m 3 ). Piezas H. 6 5 frecuencia DenGlo12 En el caso de la densidad local o de rebanada, los valores estadísticos obtenidos para el análisis de la variable con el valor de la humedad corregida para el 12% son para 24 (dos piezas de lo lote no pudieron ensayarse a flexión y no se extrajeron rebanadas) piezas, una media de 463 kg/m 3 y un coeficiente de variación: 10,76%. Los valores de sesgo estandarizado y de curtosis estandarizada se encuentran dentro del rango esperado para datos provenientes de una distribución normal

217 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Gráfico de caja y bigotes. Densidad local (kg/m 3 ). Piezas H Den12 Los valores anómalos corresponden a las piezas PS 04 H, PS 08 H, PS 12 H y PS 13 H. Imagen Histograma de frecuencias. Densidad local (kg/m 3 ). Piezas H. 8 6 frecuencia Den12 En este caso la relación entre densidad global y local quedaría de la siguiente forma: Donde: Den Glo12H = 266, , * Den Reb12H R 2 = 41% Den Glo12H Den Reb12H es la densidad global es la densidad local Al igual que en los análisis anteriores, estos resultados indican una relación estadísticamente significativa entre ambos valores y se concluye que puede utilizarse la densidad global en lugar de la calculada con la rebanada. No obstante, coeficiente de determinación pone de manifiesto que puede tratarsde un ajuste poco fiable. En el gráfico siguiente se confirma esta conclusión, aunque puede deberse al tamaño de la muestra formada sólo por 24 piezas

218 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Modelo ajustado de densidad global-local (kg/m 3 ). Piezas H DenGlo DenReb12 En la tabla siguiente se resumen los resultados para este lote: Tabla Resultados densidad media (kg/m 3 ). Piezas H. Den glo12 (kg/m 3 ) Den Reb12 (kg/m 3 ) Media C.V. Media C.V. VigasH 495 7, , Densidad estimada con penetrómetro y arranque de tornillo Los ensayos de penetrómetro y arranque de tornillo descritos anteriormente permiten estimar la densidad sin necesidad de pesar la pieza o sacar una rebanada. Se trata de medidas puntuales que, como se ha explicado anteriormente, se han realizado en la dirección radial y tangencial tomando como referencia los anillos de crecimiento de la pieza, y descartando las mediciones realizadas sobre las gemas. A continuación se presentan los datos de densidad estimados a partir de las variables de estudio obtenidas con ambos ensayos, todas ellas corregidas a un contenido de humedad de referencia en la madera del 12 %. Si se estudia la densidad local obtenida con las rebanadas y los datos de penetrómetro, tenemos la ecuación que relaciona estas dos variables: Den Reb12 = 622,932 11,6226 * Prof med12 R 2 : 32% Residuos atípicos superiores en valor absoluto a 3: PS 076 SG y PS 13 H. Donde: Den Reb12 es la densidad local

219 5. Análisis y discusión de resultados Prof med12 es la profundidad de penetración, en mm, de la varilla del equipo Pilodyn El valor estadístico R 2 indica que el modelo ajustado explica un 32% la variabilidad en Den Reb12, indicando una relación moderadamente fuerte entre las variables. Imagen Valores observados - predichos. Densidad local a partir de penetrómetro (kg/m 3 ) observado predicho Imagen Gráfico de caja y bigotes. Densidad calculada con la profundidad de penetración (kg/m 3 ) Densidad Pil Imagen Histograma de frecuencias. Densidad calculada con la profundidad de penetración (kg/m 3 ) Densidad Pil El análisis estadístico de la densidad, en este caso para las 242 piezas, da un valor medio de 486 kg/m 3 y un coeficiente de variación de 5,17%. Los valores más alejados de la media corresponden a las piezas: PS 02 H, PS 03 H, PS 04 H, PS 08 H, PS 10 H, todos del lote de 26 piezas más pequeñas y seleccionadas aparte. Por ello conviene completar el análisis para cada lote por separado

220 5. Análisis y discusión de resultados La comparativa entre los resultados obtenidos para cada lote queda resumida en los gráficos siguientes: Imagen Gráfico de medias. Densidad estimada con la profundidad de penetración. Piezas H SG/CG (kg/m 3 ) Densidad Pil H SG/CG Imagen Gráfico de medias. Densidad estimada con la profundidad de penetración. Piezas H SG CG (kg/m 3 ) Densidad Pil CG H SG Se pone de manifiesto una importante diferencia entre el lote H y el resto de la muestra, mientras que no se aprecian diferencias entre los lotes CG y SG. En el caso del arranque de tornillo, se mide la resistencia al arranque de un tirafondo normalizado atornillado a la madera para relacionarlo con la densidad. Analizados los tres lotes se ha identificado una relación estadísticamente significativa entre Den Reb12 y FA Med12 con un nivel de confianza del 95,0% que se resume en la ecuación siguiente: Den Reb12 = 375, ,2801 * FA Med12 R 2 : 33% Donde: Den Reb12 FA med12 es la densidad local es la resistencia al arranque de tornillo, en kn Residuos atípicos con un valor absoluto superior a 3: PS 076 SG, PS 036 CG y PS 14 H

221 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Valores observados - predichos. Densidad local a partir de la resistencia al arranque de tornillo (kg/m 3 ) observado predicho El análisis estadístico en este caso de la densidad obtenida para las 242 piezas es una media de 486 kg/m 3 con un coeficiente de variación: 5,21%. Los valores más alejados de la media corresponden a las piezas: PS 048 CG, PS 090 CG y PS 08 H. Imagen Gráfico de caja y bigotes. Densidad calculada con la resistencia al arranque de tornillo (kg/m 3 ) Densidad MAT Imagen Histograma de frecuencias. Densidad calculada con la resistencia al arranque de tornillo (kg/m 3 ) frecuencia Densidad MAT Como se puede apreciar en los gráficos siguientes, las diferencias estadísticas entre los tres grupos son significativas, siendo especialmente marcada la diferencia con el lote H

222 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Análisis de varianza. Densidad calculada con la profundidad de penetración. H SG/CG (kg/m 3 ) Densidad MAT H SG/CG Imagen Análisis de varianza. Densidad calculada con la profundidad de penetración. H SG CG (kg/m 3 ) Densidad MAT CG H SG En la práctica normalmente se trabaja con un único valor de densidad para todas las piezas. Ante la dificultad que puede presentar calcular las densidades reales de la pieza completa o de una rebanada, principalmente en obras existentes, se propone la estimación de dicho valore a partir de estimadores obtenidos con los equipos no destructivos de aplicación local. Aplicando el ajuste de mínimos cuadrados se obtienen las relaciones: Den Glo12 = 503,14 5,10475 * Prof med ,2275* FA med12 R 2 : 34% Den Reb12 = 500,663 7,24375 * Prof med ,694 * FA med12 R 2 : 41% Imagen Valores observados - predichos. Densidad global a partir de la profundidad de penetración y resistencia al arranque de tornillo (kg/m 3 ) observado predicho

223 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Valores observados - predichos. Densidad local a partir de la profundidad de penetración y resistencia al arranque de tornillo (kg/m 3 ) observado predicho La combinación de las variables mejora la predicción de los resultados, principalmente en el caso de la densidad local Vigas PS 000 SG/CG (150 x 200 mm) La ecuación que relaciona la densidad de la rebanada con la profundidad de penetración en estos dos lotes es: Den Reb12SGCG = 646,915-13,8625 * Prof medsgcg R 2 : 34% Si separamos por lotes, las ecuaciones correspondientes serán: Vigas SG: Den Reb12SG = 629,762-12,7226 * Prof medsg R 2 : 29% Vigas CG: Den Reb12CG = 668,837-15,3589 * Prof medcg R 2 : 40% La relación es estadísticamente significativa entre Den Reb12 y Prof med con un nivel de confianza del 95,0%, y moderadamente fuerte entre las variables tanto para el grupo completo (SG/CG) como por lotes separados. El análisis estadístico en este caso de la densidad obtenida para las 218 piezas es de 489 kg/m 3 de media y un coeficiente de variación de 5,11%. Se puede decir que se ajusta a una distribución normal. En el caso del arranque de tornillo, existe una relación estadísticamente significativa con un nivel de confianza del 95,0%. Den Reb12SGCG = 378, ,4842 * FA Med12SGCG R 2 : 30% Si separamos por lotes, las ecuaciones correspondientes serán: Vigas SG: Den Reb12SG = 385, ,974 * FA Med12SG R 2 : 24%

224 5. Análisis y discusión de resultados Vigas CG: Den Reb12CG = 368, ,7225 * FA Med12CG R 2 : 36% En ambos casos existe una relación estadísticamente significativa entre Den Reb12 y FA Med12. Los coeficientes de correlación indican una relación moderadamente fuerte entre las variables para el grupo completo (SG/CG) y para los lotes por separado. El análisis estadístico en este caso de la densidad obtenida para las 218 piezas es 489 kg/m 3 de media y coeficiente de variación de 4,82%. Aplicando el ajuste de mínimos cuadrados para relacionar la densidad con ambos valores, se obtienen las relaciones: Den Glo12SGCG = 536,475-8, 0549 * Prof Med12SGCG + 42, 4969 * FA Med12SGCG R 2 : 41% Den Reb12SGCG = 531, 68-9, * Prof Med12SGCG + 49, 9238 * FA Med12SGCG R 2 : 41% Si se separan los dos lotes: Den Glo12SG = 536,867-7, * Prof Med12SG+ 44, 3222 * FA Med12SG R 2 : 42% Den Glo12CG = 511,259-7, * Prof Med12CG + 50, 0675 * FA Med12CG R 2 : 39% Den Reb12SG = 534,084-9, * Prof Med12SG + 44, 1439 * FA Med12SG R 2 : 34% Den Reb12CG = 539, 87 10, 3572 * Prof Med12CG + 51, 6492 * FA Med12CG R 2 : 47% Vigas PS 00 H (100 x 150 mm) Si ha estudiado la densidad local obtenida con las rebanadas y los datos de profundidad de penetración con el siguiente resultado: Den Reb12H = 598,859 9,07467 * Prof Med12H R 2 : 21% El valor estadístico R 2 indica una relación relativamente débil entre las variables. El resultado del análisis estadístico en este caso de la densidad obtenida para las 24 piezas (en 2 de las 26 piezas que forman el lote no se concluyeron los ensayos) es una media 463 kg/m 3 y coeficiente de variación: 4,92%. Se encuentra dentro del rango esperado para datos provenientes de una distribución normal. En el caso del arraque de tornillo, existe una relación estadísticamente significativa entre variables. Den Reb12H = 363, ,7542 * FA Med12H R 2 : 36%

225 5. Análisis y discusión de resultados El valor estadístico R 2 indica una relación moderadamente fuerte entre las variables. El análisis estadístico en este caso de la densidad obtenida para las 24 piezas es, media de 436 kg/m 3 y coeficiente de variación de 6,81%. Se ajusta a una distribución normal. Aplicando el ajuste de mínimos cuadrados para relacionar las tres variables se obtienen las relaciones: Den Reb12H = 460,276 5,28972 * Prof Med12H + 79,1962 * FA Med12H R 2 : 42% Para la densidad global el ajuste es: Den Glo12H = 520,259 5,0935 * Prof Med12H + 50,1961 * FA Med12H R 2 : 38% Módulo de elasticidad A partir de la velocidad de la onda que atraviesa una pieza y de la densidad del material se puede obtener el módulo de elasticidad dinámico, que se encuentra fuertemente relacionado con el módulo de elasticidad estático. En este apartado se muestran las relaciones entre las variables relacionadas con los módulos de elasticidad y los obtenidos a partir de los ensayos dinámicos de vibración o de propagación de onda. En los análisis que se muestran a continuación todos los valores de módulo de elasticidad y de velocidad de onda han sido corregidos al contenido de humedad de referencia del 12 %. Los valores dinámicos han sido calculados con la densidad global. Los subíndices SG, CG o H indican el lote correspondiente. Los valores aparecen expresados en N/mm 2 (módulos de elasticidad) y m/s (velocidad) Módulo de elasticidad global Módulo de elasticidad local El ensayo mecánico de flexión conforme a la norma UNE-EN 408 permite el cálculo del módulo de elasticidad global y local. Para el módulo de elasticidad global se mide la deformación producida en el canto inferior de la pieza entre los puntos de apoyo, y para el módulo de elasticidad local se mide la deformación en la fibra neutra entre dos puntos separados una distancia 5 h, siendo h la altura de la sección

226 5. Análisis y discusión de resultados Se ha obtenido el módulo de elasticidad global en las 218 vigas de los lotes PS 000 SG y PS 000 CG. En el lote de las piezas PS 00 H se ha obtenido el valor en 25 de las 26 piezas (en dos piezas que presentaban un fuerte alabeo no se completó el ensayo hasta la rotura y en una de ellas sólo se pudo determinar el módulo de elasticidad por no poder garantizar la seguridad durante el ensayo). La distribución del módulo de elasticidad global (MOE glo) no se ajusta a un modelo normal, la pieza PS 057 CG, rompe la normalidad de la distribución con un MOE de N/mm Imagen Histograma de frecuencias MOEglo (N/mm 2 ). Distribución Normal frecuencia (X 1000,0) MOEglo12 El valor medio del módulo de elasticidad global es 9007 N/mm 2 con un coeficiente de variación del 19%. Tabla Módulo de elasticidad global (N/mm 2 ) y coeficientes de variación por lotes. MOE Glo12 Media C.V Vigas SG+CG+H % Vigas SG+CG % Vigas SG % Vigas CG % Vigas H % Se ha realizado un análisis de varianza para estudiar posibles diferencias entre lotes, obteniendo el resultado que se representa en las gráficas siguientes

227 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Medias del análisis de la varianza del módulo de elasticidad global (N/mm 2 ). H SG/CG MOEglo H SG/CG Imagen Medias del análisis de la varianza del módulo de elasticidad global (N/mm 2 ). H SG CG MOEglo CG H SG En el primer gráfico se ve que no hay diferencias significativas entre los grupos diferenciados por su escuadría, sin embargo en el segundo gráfico se observa una diferencia significativa entre los lotes SG y CG. El módulo de elasticidad local se ha calculado en 20 piezas del lote SG, 20 del grupo CG y en todas las vigas del lote H (65 piezas en total) para establecer una comparación con el módulo de elasticidad global. En el caso de módulo de elasticidad local, la distribución no se ajusta a un modelo normal, como se puede observar en la Imagen Se ha repetido el análisis eliminando los datos que se alejan de la normalidad y se han obteniendo diferencias muy poco representativas, por lo que el análisis se ha llevado a cabo con los lotes completos de piezas

228 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Histograma de frecuencias MOEloc (N/mm 2 ) Distribución Normal frecuencia ,5 1 1,5 2 2,5 3 (X 10000,0) MOEloc12 Tabla Módulo de elasticidad local (N/mm 2 ) y coeficientes de variación por lotes. MOE Glo12 Media C.V Vigas SG+CG+H % Vigas SG+CG % Vigas SG % Vigas CG % Vigas H % El análisis de la varianza concluye que existen diferencias estadísticamente significativas entre los lotes, como se muestra en los gráficos siguientes. Imagen Medias del análisis de la varianza del módulo de elasticidad local (N/mm 2 ). H SG/CG MOEloc H SG/CG

229 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Medias del análisis de la varianza del módulo de elasticidad local (N/mm 2 ). H SG CG MOEloc CG H SG A continuación, se muestra la tabla resumen con los valores medios obtenidos en cada caso junto con el coeficiente de variación. Tabla Resultados de MOEglo y MOEloc (N/mm 2 ). MOE glo12 (N/mm 2 ) MOE loc12 (N/mm 2 ) Media C.V Media C.V Total , ,67 Vigas SG+CG , ,72 Vigas SG , ,58 Vigas CG , ,99 Vigas H , ,00 Como se puede observar, el coeficiente de variación es mayor para el módulo de elasticidad local. La relación entre estas dos variables para los tres lotes se puede ajustar al siguiente modelo: MOE loc12 = -276, ,30299 * MOE glo12 R 2 = 30% Donde: MOE glo12 módulo de elasticidad global MOE loc12 módulo de elasticidad local

230 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Modelo ajustado de Módulos de Elasticidad (N/mm 2 ) (X 10000,0) 3 2,5 MOEloc12 2 1,5 1 0, MOEglo12 (X 1000,0) Sin embargo, si se estudia esta relación en los diferentes lotes, el coeficiente de determinación mejora considerablemente, siendo el más bajo de todos el del lote de piezas con gema: Vigas SG/CG: MOE loc12sgcg = 242, , * MOE glo12 SGCG R 2 = 30% Vigas SG: MOE loc12sg = 181, ,16504 * MOE glo12 SG R 2 = 82% Vigas CG: MOE loc12cg = -8153,9 + 2,65921 * MOE glo12cg R 2 = 65% Vigas H: MOE loc12h = -1184,62 + 1,21381 * MOE glo12 H R 2 = 79% Módulo de elasticidad estático Velocidad de transmisión de onda En los casos en los que no es posible determinar la densidad de la pieza no sería posible calcular el módulo de elasticidad dinámico, por lo que surge el interés en conocer las posibilidades de predicción del módulo de elasticidad global directamente a partir de la la velocidad de onda. A continuación se muestran los resultados de estas relaciones para los diferentes equipos, en términos de correlación lineal con sus respectivos coeficientes de determinación R 2. Microsecond Timer MOE glo12 = -9496, , 7109* Vel MT12 R 2 = 39%

231 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Valeros predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). Microsecond Timer observado predicho Si separamos por lotes las regresiones son: Lote SG/CG: MOE glo12sgcg = ,1 + 4,00415* Vel MT12SGCG R 2 = 41% Lote SG: MOE glo12sg = ,7 + 4,57087* Vel MT12SG R 2 = 53% Lote CG: MOE glo12cg = ,8 + 3,88409* Vel MT12CG R 2 = 43% Lote H: MOE glo12h = -3214,71 + 2,50414* Vel MT12H R 2 = 29% Sylvatest MOE glo12 = -9117,65 + 3,71382 * Vel Syl12 R 2 = 39% Imagen Valores predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). Sylvatest. (X 1000,0) observado (X 1000,0) predicho Si separamos por lotes las regresiones son: Lote SG/CG: MOE glo12sgcg = -9014,93 + 3,69075 * Vel Syl12SGCG R 2 = 39% Lote SG: MOE glo12sg = -9013,38 + 3,7484 * Vel Syl12SG R 2 = 41%

232 5. Análisis y discusión de resultados Lote CG: MOE glo12cg = -8631,72 + 3,54549 * Vel Syl12CG R 2 = 37% Lote H: MOE glo12h = ,8 + 4,35485 * Vel Syl12H R 2 = 48% PLG, vibración longitudinal MOE glo12 = -8901,81 + 4,05458 * Vel VibL12 R 2 = 46% Imagen Valores predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). PLG longitudinal. (X 1000,0) observado predicho (X 1000,0) Si separamos por lotes las regresiones son: Lote SG/CG: MOE glo12sgcg = -8798,64 + 4,03433 * Vel VibL12SGCG R 2 = 45% Lote SG: MOE glo12sg = -9643,64 + 4,29234 * Vel VibL12SG R 2 = 51% Lote CG: MOE glo12cg = -8185,98 + 3,81788 * Vel VibL12CG R 2 = 43% Lote H: MOE glo12h = ,50 + 4,32006 * Vel VibL12H R 2 = 54% Donde: MOE glo12 Vel MT12 Vel Syl12 Vel VibL12 módulo de elasticidad global velocidad de de onda con Microsecond Timer velocidad de onda con Sylvatest velocidad de onda longitudinal con Portable Lumber Grader En la mayoría de los casos el R 2 aumenta al separar los lotes, excepto para las vigas con gema (CG), en las que el coeficiente no varía o disminuye

233 5. Análisis y discusión de resultados Módulo de elasticidad estático - Módulo de elasticidad dinámico El parámetro no destructivo más empleado después de la clasificación visual para la estimación de la calidad de la madera estructural es el módulo de elasticidad dinámico obtenido a partir de la velocidad de transmisión de una onda y la densidad de la madera. Se ha estudiado la relación entre el módulo de elasticidad dinámico calculado con la velocidad de onda obtenida mediante los diferentes equipos, así como los obtenidos mediante el análisis de vibración longitudinal y transversal, y el módulo de elasticidad estático obtenido con el ensayo a flexión. Tabla Módulos de elasticidad estático y dinámico por transmisión de onda, y coeficientes de variación. MOE glo12 MOE dinsylvatest12 MOE dinmicrosecontimer12 Media (N/mm 2 ) C.V. (%) Media (N/mm 2 ) C.V. (%) Media (N/mm 2 ) C.V. (%) Total , , ,8 Vigas SG+CG , , ,0 Vigas SG , , ,9 Vigas CG , , ,8 Vigas H , , ,9 Tabla Módulos de elasticidad dinámicos por vibración y coeficientes de variación. MOE dinvibl12 MOE dinvibtrcto12 MOE dinvibtrcara12 Media (N/mm 2 ) C.V. (%) Media (N/mm 2 ) C.V. (%) Media (N/mm 2 ) C.V. (%) Total , , ,6 Vigas SG+CG , , ,6 Vigas SG , , ,1 Vigas CG , , ,0 Vigas H ,

234 5. Análisis y discusión de resultados Las diferencias de los módulos de elasticidad dinámicos respecto al estático presentan unas diferencias de entre 7,8% y 35,6 %, correspondientes al calculado con la vibración longitudinal y el Microsecond Timer respectivamente. Estas diferencias pueden ser justificadas por el fenómeno de fluencia que afecta a los ensayos estáticos que tienen lugar con una mayor duración y que dan lugar a mayores deformaciones. Por otro lado, también se observan valores inferiores al módulo de elasticidad obtenido por vibración respecto al obtenido directamente a partir de la velocidad de una onda. A continuación se presenta la comparativa de las medias obtenidas para los diferentes módulos de elasticidad: Imagen Medias de los módulos de elasticidad (N/mm 2 ) Media MOEGlo MOESyl MOE MT MOEVL MOEVTCtoMOEVTCara A continuación se muestra el análisis realizado para cada equipo. Microsecond Timer MOE glo12 = 1374,86 + 0,635735* MOE dinmt12 R 2 = 54% Imagen Valores predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). Microsecond Timer. (X 1000,0) observado (X 1000,0) predicho

235 5. Análisis y discusión de resultados Si separamos por lotes las regresiones son: Lote SG/CG: MOE glo12sgcg = 942, ,665957* MOE dinmt12sgcg R 2 = 47% Lote SG: MOE glo12sg = 804, ,717978* MOE dinmt12sg R 2 = 63% Lote CG: MOE glo12cg = 162, ,6845* MOE dinmt12cg R 2 = 49% Lote H: MOE glo12h = 2294,24 + 0,603476* MOE dinmt12h R 2 = 62% Sylvatest MOE glo12 = 384, , * MOE dinsyl12 R 2 = 56% Imagen Valores Predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). Sylvatest. (X 1000,0) observado (X 1000,0) predicho Si separamos por lotes las regresiones son: Lote SG/CG: MOE glo12sgcg = 405, , * MOE dinsyl12sgcg R 2 = 55% Lote SG: MOE glo12sg = 1186,68 + 0,68453 * MOE dinsyl12sg R 2 = 59% Lote CG: MOE glo12cg = -46, , * MOE dinsyl12cg R 2 = 53% Lote H: MOE glo12h = 181, ,74177 * MOE dinsyl12h R 2 = 71% PLG, vibración longitudinal MOE glo12 = 352, , * MOE dinvibl12 R 2 = 63%

236 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Valores predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). PLG longitudinal. (X 1000,0) observado (X 1000,0) predicho Si separamos por lotes las regresiones son: Lote SG/CG: MOE glo12sgcg = 356, , * MOE dinvibl12sgcg R 2 = 62% Lote SG: MOE glo12sg = 573, , * MOE dinvibl12sg R 2 = 72% LoteCG: MOE glo12cg = 269, , * MOE dinvibl12cg R 2 = 58% Lote H: MOE glo12h = 417, , * MOE dinvibl12h R 2 = 79% PLG, vibración transversal sobre canto MOE glo12 = , * MOE dinvibtrcto12 R 2 = 45% Imagen Valores predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). PLG transversal canto. (X 1000,0) observado (X 1000,0) predicho Si separamos por lotes las regresiones son: Lote SG: MOE glo12sg = 2750,75 + 0, * MOE dinvibtrcto12sg R 2 = 55% Lote CG: MOE glo12cg = 3942,53 + 0, * MOE dinvibtrcto12cg R 2 = 40%

237 5. Análisis y discusión de resultados PLG, vibración transversal sobre cara MOE glo12 = 5779,65 + 0, * MOE dinvibtrcara12 R 2 = 19% Imagen Valores predichos-observados. Módulo de elasticidad (N/mm 2 ). PLG transversal cara. (X 1000,0) observado (X 1000,0) predicho Si separamos por lotes las regresiones son: Lote SG: MOE glo12sg = 4210,39 + 0, * MOE dinvibtrcara12sg R 2 = 40% Lote CG: MOE glo12cg = 6408,71 + 0, * MOE dinvibtrcara12cg R 2 = 9% Donde: MOE glo12 MOE dinmt12 MOE dinsyl12 MOE dinvibl12 MOE dinvibtrcto12 MOE dinvibtrcara12 módulo de elasticidad global módulo de elasticidad dinámico con Microsecond Timer módulo de elasticidad dinámico con Sylvatest módulo de elasticidad dinámico con PLG en vibración longitudinal módulo de elasticidad dinámico con PLG en vibración transversal sobre el canto módulo de elasticidad dinámico con PLG en vibración transversal sobre la cara Como se puede observar la diferenciación entre lotes favorece la relación entre variables

238 5. Análisis y discusión de resultados Tensión de rotura Los métodos basados en la propagación de onda o vibración permiten obtener con seguridad el módulo de elasticidad dinámico del material, a partir del cual se puede estimar el módulo de elasticidad estático. Sin embargo, la resistencia en la madera depende además de otros factores como la presencia de defectos, por lo que su predicción a partir de la velocidad de propagación de una onda suele conducir a resultados menos ajustados. A continuación se muestran los resultados de los análisis entre variables planteados con el objeto de estimar la tensión de rotura lo la resistencia a partir de los estimadores no destructivos. Todos los análisis mostrados a continuación están basados en valores de velocidad y de las propiedades de la madera corregidos por contenido de humedad y por la posición de la rotura según corresponda, y se hace referencia a cada uno de los lotes: SG, CG o H Tensión de rotura a flexión A continuación se muestra el cuadro resumen de los resultados obtenidos a partir del ensayo mecánico para determinación de la tensión de rotura según la norma UNE-EN 408. Tabla Tensión de rotura y coeficientes de variación (%). Media (N/mm 2 ) C.V. (%) Total 38,0 12,2 Vigas SG+CG 37,1 31,0 Vigas SG 39,1 27,8 Vigas CG 34,8 11,8 Vigas H 46,0 15,

239 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Histograma de frecuencias de la tensión de rotura (N/mm 2 ) frecuencia MORpos El análisis de varianza para la tensión de rotura en función del lote estudiado es: Imagen Análisis ANOVA para la tensión de rotura (N/mm 2 ). H SG/CG MORpos H SG/CG Imagen Análisis ANOVA para la tensión de rotura (N/mm 2 ). H SG CG MORpos CG H SG SG/CG/H Se observan diferencias significativas entre los tres lotes Tensión de rotura a flexión - Velocidad de transmisión Una primera aproximación a la estimación de la tensión de rotura puede realizarse directamente a partir de los datos de velocidad de transmisión de onda, cuyas relaciones se presentan a continuación para cada uno de los equipos

240 5. Análisis y discusión de resultados Microsecond Timer TDR pos= -50, , * Vel MT12 R 2 = 17% Imagen Valores predichos-observados. Tensión de Rotura (N/mm 2 ). Microsecond Timer observado predicho La separación por lotes corresponde a las relaciones: Lote SG/CG: TDR possgcg = -75, , * Vel MT12SGCG R 2 = 29% Lote SG: TDR possg= -104, , * Vel MT12SG R 2 = 35% Lote CG: TDR poscg= -65, , * Vel MT12CG R 2 = 29% Lote H: TDR posh= 26, , * Vel MT12H R 2 = 1% El dato correspondiente a las vigas H es llamativamente bajo. Puede ser debido a que la muestra es de un número muy pequeño de piezas. Donde: TDR pos Vel MT12 tensión de rotura velocidad de transmisión de onda con Microsecond Timer Sylvatest TDR pos= -60, , * Vel Syl12 R 2 = 23%

241 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Valores predichos-observados. Tensión de rotura (N/mm 2 ). Sylvatest observado predicho La separación por lotes corresponde a las relaciones: Lote SG/CG: TDR possgcg = -65, , * Vel Syl12SGCG R 2 = 29% Lote SG: TDR possg= -78, , * Vel Syl12SG R 2 = 27% Lote CG: TDR poscg= -57, , * Vel Syl12CG R 2 = 31% Lote H: TDR posh= -52, , * Vel Syl12H R 2 = 6% El dato correspondiente a las vigas H es llamativamente bajo. Puede ser debido a que la muestra es de un número muy pequeño de piezas. Donde: TDR pos Vel Syl12 tensión de rotura velocidad de onda con Sylvatest PLG, vibración longitudinal TDR pos= -66, , * Vel PLGVL12 R 2 = 30% Imagen Valores predichos-observados. Tensión de rotura (N/mm 2 ). PLG observado predicho

242 5. Análisis y discusión de resultados La separación por lotes corresponde a las relaciones: Lote SG/CG: TDR possgcg= -64, , * Vel PLG12SGCG R 2 = 35% Lote SG: TDR possg= -90, , * Vel PLGVL12SG R 2 = 39% Lote CG: TDR poscg= -51, , * Vel PLGVL12CG R 2 = 33% Lote H: TDR posh= -105, , * Vel PLGVL12H R 2 = 17% De nuevo el dato correspondiente al lote vigas H resulta llamativamente bajo. Donde: TDR pos Vel PLGVL12 tensión de rotura velocidad de onda con Tensión de rotura a flexión - Módulo de elasticidad dinámico El cálculo del módulo de elasticidad dinámico implica introducir en el modelo el valor de la densidad de la madera, que se encuentra relacionada sus propiedades mecánicas, por lo que cabe esperar que el análisis de la relación entre la resistencia y el módulo de elasticidad dinámico aporte mejores resultados. A continuación se presentan las relaciones obtenidas entre la tensión de rotura y los módulos de elasticidad dinámicos obtenidos para cada equipo. Microsecond Timer TDR pos = 1, , * MOE MT12 R 2 = 22%

243 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Valores predichos-observados. Tensión de rotura (N/mm 2 ). Microsecond Timer observado predicho Si separamos por lotes, las regresiones resultantes son las siguientes: Lote SG/CG: TDR possgcg = -6, , * MOE MT12SGCG R 2 = 33% Lote SG: TDR possg = -13, , * MOE MT12SG R 2 = 40% Lote CG: TDR poscg = -7, , * MOE MT12CG R 2 = 36% Lote H: TDR posh = 18, , * MOE MT12H R 2 = 8% Donde: MOE MT12 TDR pos módulo de elasticidad dinámico con Microsecond Timer tensión de rotura Sylvatest TDR pos = -7, , * MOE Syl12 R 2 = 31% Imagen Valores Predichos-observados. Tensión de Rotura (N/mm 2 ). Sylvatest observado predicho

244 5. Análisis y discusión de resultados Si separamos por lotes las regresiones son: Lote SG/CG: TDR possgcg = -8, , * MOE Syl12SGCG R 2 = 36% Lote SG: TDR possg = -12, , * MOE Syl12SG R 2 = 40% Lote CG: TDR poscg = -5, , * MOE Syl12CG R 2 = 35% Lote H: TDR posh = -2, , * MOE Syl12H R 2 = 15% Donde: MOE Syl12 TDR pos módulo de elasticidad dinámico con Sylvatest tensión de rotura PLG, vibración longitudinal La relación entre tensión de rotura y módulo de elasticidad dinámico calculado con la frecuencia de la vibración longitudinal es la siguiente: TDR pos = -9, , * MOE PLGVL12 R 2 = 37% Imagen Valores predichos-observados. Tensión de rotura (N/mm 2 ). PLG longitudinal observado predicho Si separamos por lotes las regresiones son: Lote SG/CG: TDR possgcg = -9, , * MOE PLGVL12SGCG R 2 = 42% Lote SG: TDR possg = -19, , * MOE PLGVL12SG R 2 = 52% Lote CG: TDR poscg = -3, , * MOE PLGVL12CG R 2 = 35% Lote H: TDR posh = -17, , * MOE PLGVL12H R 2 = 25%

245 5. Análisis y discusión de resultados Donde: MOE PLGVL12 TDR pos módulo de elasticidad dinámico con PLG en vibración longitudinal. tensión de rotura. PLG, vibración transversal sobre canto Resultados para la estimación del módulo de elasticidad: TDR pos = 10, , * MOE PLGVTcto12 R 2 = 26% Imagen Valores predichos-observados. Tensión de Rotura (N/mm 2 ). PLG transversal canto observado predicho Si separamos por lotes las regresiones son: Lote SG: TDR possg = -3, , * MOE PLGVTcto12SG R 2 = 37% Lote CG: TDR poscg = 15, , * MOE PLGVTcto12CG R 2 = 20% PLG, vibración transversal sobre cara TDR pos = 15, , * MOE PLGVTcara12 R 2 = 19%

246 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Valores predichos-observados. Tensión de rotura (N/mm 2 ). PLG transversal cara observado predicho Si separamos por lotes las regresiones son: Lote SG: TDR possg = 6, , * MOE PLGVTcara12 R 2 = 28% Lote CG: TDR poscg = 19, , * MOE PLGVTcara12 R 2 = 14% Donde: MOE PLGVTcto12 MOE PLGVTcara12 TDR pos módulo de elasticidad dinámico con PLG en vibración transversal sobre el canto. módulo de elasticidad dinámico con PLG en vibración transversal sobre la cara. es la tensión de rotura. Los subíndices SG, CG indican el lote correspondiente Humedad El estudio de la influencia de la humedad sobre las técnicas no destructivas se ha llevado a cabo sobre el lote de las 26 piezas PS 00 H, con unas dimensiones nominales de 100 x 150 mm Sistemas de medición de la humedad Como se ha descrito en el capítulo de metodología, el contenido de humedad se ha medido con diferentes sistemas. Se ha utilizado un único xilohigrómetro pero con diferentes electrodos, dando lugar a diferentes mediciones:

247 5. Análisis y discusión de resultados - los propios del xilohigrómetro (H xil). - tirafondos (H tiraf). - clavos (H clavos). - clavos de fuste aislado (H CI aislados). En las imágenes siguientes se puede apreciar la evolución del contenido de humedad de las probetas para todos sistemas de medida de la humedad durante el proceso de secado natural. Desde la llegada al laboratorio hasta que se considera que el contenido de humedad de la madera ha quedado estabilizado transcurrieron unos 300 días. Imagen Evolución del contenido de humedad (%) de todas las piezas durante el proceso de secado. Imagen Evolución del contenido medio de humedad (%) según cada sistema de medida

248 5. Análisis y discusión de resultados En las primeras etapas, cuando el contenido de humedad supera el punto de saturación de fibra se obtienen valores entre piezas muy dispares y la pérdida de contenido de agua es rápida. La variabilidad no es determinante para el estudio, puesto que por encima del 30% de contenido de humedad las medidas realizadas con xilohigrómetro pueden enmascarar errores importantes. Cuando se alcanza un contenido de humedad en torno al 20%, esta diferencia de valores disminuye. La distribución del agua en la madera es más uniforme y el proceso de secado se ralentiza hasta alcanzar el contenido de humedad de equilibrio en torno al 12%. En este punto el contenido de humedad se estabiliza. Se ha estudiado la variabilidad entre los diferentes electrodos en tres momentos del proceso de secado, cuando la humedad en la madera alcanzó valores representativos del 35,5%, 21,4% y 11,8% (valores medios del lote en función del valor H xil). Imagen ANOVA contenido de humedad medido con diferentes electrodos (H media 35,5%) Media H Xil H Tiraf H Clavos H Cl Aislados Para una humedad media del lote del 35,5%, medida tomada con los electrodos del xilohigrómetro, se obtienen diferencias significativas entre las medidas realizadas con los clavos aislados y los clavos y tirafondos y entre las obtenidas con los tirafondos y los clavos del xilohigrómetro con martillo

249 5. Análisis y discusión de resultados Imagen ANOVA contenido de humedad medido con diferentes electrodos (H media 21,4%) Media H Xil H Tiraf H Clavos H Cl Aislados Para una humedad media de 21,4% medida con xilohigrómetro con martillo y sus clavos correspondientes, las diferencias significativas se dan sólo entre las medidas de los tirafondos y los clavos aislados. Imagen ANOVA contenido de humedad medido con diferentes electrodos (H media 11,8%). 12,2 11,7 Media 11,2 10,7 10,2 9,7 H Xil H Tiraf H Clavos H Cl Aislados H Cl A 1/3 Para una humedad media de 11,8% obtenida con xilohigrómetro y sus clavos correspondientes, las diferencias significativas se dan entre las medidas de los clavos aislados y tirafondos y entre los clavos aislados y clavos del xilohigómetro. Los clavos aislados clavados a 1/3 de profundidad presentan diferencias significativas en todos los casos excepto con los otros clavos aislados. El valor que menos variabilidad presenta en general es el obtenido con los electrodos del mismo xilohigrómetro, además es el método más utilizado en la práctica por su facilidad de manejo y por el coste elevado de los clavos aislados. Por ello, para llevar a cabo el análisis de la influencia de la humedad sobre las técnicas no destructivas se ha utilizado el valor del contenido de humedad determinado por este método

250 5. Análisis y discusión de resultados Influencia de la humedad en dimensiones, peso y clasificación visual Durante el proceso de secado de una pieza de madera se produce una reducción de sus dimensiones, fundamentalmente sus dimensiones transversales. Además, la disminución del contenido de humedad en la madera puede provocar fendas y deformaciones como curvaturas o alabeos. Como resultado de esta variación de las dimensiones y la aparición de defectos de secado, el rendimiento en la clasificación visual puede verse alterado considerablemente. Las variaciones dimensionales observadas en el lote durante el secado quedan resumidas en la tabla y en las figuras siguiente para valores medios. Tabla Variaciones en las dimensiones de las piezas durante el proceso de secado. Días Humedad (%) Cara (mm) Canto (mm) Transcurridos 14 42,8 144,3 95, ,4 141,2 92, ,0 139,1 91, ,8 138,5 91,3 %Merma/%Variación Humedad 0,118 0,117 Imagen Merma producida en cara

251 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Merma producida en canto. Como se puede observar en las gráficas, las dimensiones transversales de las piezas merman con el secado de las piezas, pudiendo ajustarse a una tendencia lineal. Estos datos han sido recogidos para contenidos de humedad entre 42,8% y 8,8 %. Durante el proceso de secado de las probetas, la dimensión media de cara ha mermado 5,8 mm sobre 144,3 mm de dimensión inicial, y el canto 3,8 mm sobre 95,1 mm. En ambos casos se produce una merma del 4 % de la dimensión, lo que implica una reducción de un 0,12% de la dimensión por cada 1% de disminución del contenido de humedad. Por otro lado, la pérdida de humedad implica una reducción del peso de la pieza que, en teoría, será al igual al peso del agua perdida. En la gráfica siguiente se representa la pérdida de peso de las piezas durante el secado en valores medios del lote, en la que también se observa una tendencia más rápida durante las primeras etapas del proceso. Imagen Relación peso-humedad

252 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Relación peso-días de secado. Esta variación en el peso, unido a la merma en sus demisiones supone una variación en la densidad. La densidad (kg/m 3 ) ha sido calculada en las diferentes etapas del secado como el cociente entre el peso total de la pieza (kg) y su volumen (m 3 ) calculado con las dimensiones medias del tercio central de la viga. En el gráfico siguiente se muestra la evolución de la densidad durante el proceso de secado. Imagen Relación densidad - humedad. Como se puede observa se produce una reducción densidad al disminuir el contenido de humedad en las piezas. El proceso de secado produce que las piezas sufran deformaciones. Dado que las especificaciones de la clasificación visual dependen en gran medida de las dimensiones transversales (canto y cara) de las piezas, la reclasificación de las piezas cuando se han

253 5. Análisis y discusión de resultados secado y han mermado sus dimensiones, puede conducir a un resultado diferente. Por otro lado, pueden aparecer defectos como fendas de secado y deformaciones como curvaturas en canto, en cara y alabeos. Como queda descrito en el apartado 5.3.5, la clasificación visual de las probetas se ha llevado a cabo de acuerdo a la norma UNE en tres momentos del proceso de secado: madera húmeda (43,1%), en un punto intermedio (14,4) y en madera seca (8,8%). Los resultados concluyen que el proceso de secado en piezas seleccionadas de forma homogénea perjudica el rendimiento de forma significativa por la desclasificación de las piezas cuyos defectos se encuentran próximos al umbral de la especificación. Esta desclasificación tiene lugar principalmente en las primeras etapas del secado, mientras que en las etapas finales de secado se producen pocas variaciones. Tabla Rendimiento en % de la clasificación visual y contenido de humedad. Lote H. H % 43,1 14,4 8,8 MEG % 80,8 46,2 46,2 R % 19,2 53,8 53,8 Imagen Rendimiento de la clasificación visual y contenido de humedad MEG R ,1% 14,4% 8,8% Influencia de la humedad en la velocidad de onda La velocidad de propagación de las ondas aumenta a medida que la madera pierde humedad. El contenido alto de agua en la madera supone un inconveniente a la propagación de las ondas provocando que su velocidad de transmisión sea más baja

254 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Relación Velocidad de transmisión - días de secado. Imagen Relación Velocidad de onda - humedad. Si se seleccionan tres valores representativos de humedad media y las correspondientes velocidades se obtiene:

255 5. Análisis y discusión de resultados Humedad (%) 35,5% (1) Tabla Resumen datos Humedad - Velocidades Velocidad Velocidad Sylvatest (m/s) Microsecond Timer (m/s) Velocidad PLG (m/s) Media C.V 7,4 7,6 17,5 31,9% (2) 21,4% (3) 11,8% (4) 9,0% (5) Media ,15 C.V 6,6 6,2 7,1 Media C.V 4,2 4,0 5,1 Media C.V 4,5 3,9 4,8 Media C.V 4,1 3,9 4,8 Se puede comprobar que contenidos de humedad elevados conducen a mayor dispersión en los resultados a la vez que a velocidad de onda más bajas. El gráfico ANOVA para comparar estos valores: Imagen ANOVA velocidad de onda para diferentes equipos y contenidos de humedad Media S 1 MT 1PLG 1 S 2 MT 2PLG 2 S 3 MT 3PLG 3 S 4 MT 4PLG 4 S 5 MT 5PLG 5 Como se puede observar, la velocidad aumenta para todos los equipos al disminuir el contenido de humedad. Entre los equipos Sylvatest (onda de ultrasonidos) y Microsecond Timer (onda de impacto) no se aprecian diferencias significativas a lo largo del proceso de

256 5. Análisis y discusión de resultados secado. Sin embargo, durante todo el proceso se observa cómo la velocidad de una onda de vibración longitudinal con el equipo PLG es significativamente más baja. Para la estimación de la relación del contenido de humedad y la velocidad de propagación de las distintas ondas, se han empleado todas las humedades medidas con xilohigrómetro y las velocidades correspondientes. Las ecuaciones obtenidas y el correspondiente R 2 son: Equipo Sylvatest: Vel Syl = 5.002,37-19,9285 * H % R 2 : 44% Equipo Microsecond Timer: Vel MT = 5.039,65 20,2382 * H % R 2 : 48% Equipo PLG: Vel PLG = 4.623,6 20,1985 * H % R 2 : 34% Donde: H % Vel Syl Vel MT Vel PLG Contenido de humedad medido con xilohigrómetro. Velocidad de transmisión de onda. Equipo Sylvatest. Velocidad de transmisión de onda. Equipo Microsecond Timer. Velocidad de transmisión de onda. Equipo Portable Lumber Grader Rangos de humedad e influencia sobre la velocidad de onda Para tratar de acotar el efecto de la humedad sobre cada equipo se han relacionado los valores de velocidad obtenidos en dos momentos diferenciados del proceso de secado que definan un rango de humedad en el que sea aplicable un factor de corrección. Se ha seleccionado el mayor rango posible comparando los valores de R 2 obtenidos mediante regresión lineal para diferentes intervalos de contenidos de humedad. A continuación se muestra el gráfico de velocidades obtenidas con Sylvatest bajo diferentes contenidos de humedad y las relaciones entre valores para diferentes rangos. El rango que proporciona un mayor ajuste se obtiene entre 11,8% y 21,4% de humedad, con un R 2 de 0,

257 5. Análisis y discusión de resultados Estos valores permiten generalizar una relación lineal entre la velocidad y el contenido de humedad, siempre que la madera se encuentre en un estado intermedio entre lo que podría considerarse madera húmeda (20 %) y madera acondicionada con el ambiente (12%). Esta situación permite abarcar la mayor parte de situaciones que se encuentran en la práctica y se encuentra dentro de las posibilidades de medición con xilohigrómetro. Otros rangos también serían posibles, pero teniendo en cuenta que la relación entre velocidad a diferentes contenidos de humedad se alejaría de la relación lineal cuya determinación habría que acometer con una mayor cantidad de datos. Tabla Rangos de humedad y relación entre velocidades de onda para Sylvatest. H min % H max % R 2 11,8 21,4 0,805 9,0 21,4 0,675 11,8 25,0 0,582 9,0 25,0 0,416 9,0 31,0 0,192 9,0 35,5 0, Imagen Relación entre velocidades para distintos rangos de humedad. Equipo Sylvatest V m/s (low valu e moisture content) V m/s (top value moisture content) 9,0%-31,0% 9,0%-25% 9,0%-21,4% 11,8%-21,4% 11,8%-25,0% 9,0%-35,5% y = 0,3155x ,1 y = 0,5644x ,8 y = 0,8509x y = 0,9647x + 380,6 y = 0,6927x ,9 y = 0,2305x ,4 R 2 = 0,1915 R 2 = 0,4162 R 2 = 0,675 R 2 = 0,8051 R 2 = 0,5818 R 2 = 0,

258 5. Análisis y discusión de resultados Coeficientes de corrección de velocidad por humedad En este punto comparan las velocidades de transmisión de onda obtenidas con los diferentes equipos para el rango de contenido de humedad definido entre la madera húmeda (20%) y próxima al punto de equilibrio (12%): Sylvatest, Microsecond Timer y PLG. Vel Syl 11,8% = 380, , * Vel Syl 21,4% R 2 : 80% Imagen Velocidad de onda con contenido de humedad entre 11,8 y 21,4 %. Sylvatest S 11,8% S 21,4% Vel MT 11,8% = 850, , * Vel MT 21,4% R 2 :70% Imagen Velocidad de onda con contenido de humedad entre 11,8 y 21,4 %. Microsecond Timer MT 11,8% MT 21,4% Vel PLG 11,8% = 566, , * Vel PLG 21,4% R 2 :83%

259 5. Análisis y discusión de resultados Imagen Velocidad de onda con contenido de humedad entre 11,8 y 21,4 %. PLG PLG 11,8% PLG 21,4% En el caso de Sylvatest y de Microsecond Timer se ha calculado la diferencia de velocidad de onda medida en cada viga al 11,8 y 21,4 % de humedad, lo que supone un a disminución de 9,6 puntos porcentuales de humedad. El valor medio de la pérdida de velocidad correspondiente a esa disminución de humedad implica una pérdida del 0,53 y 0,54% de velocidad por cada grado de humedad y para cada equipo. Es decir, la velocidad de propagación de la onda a través de la madera disminuye un 0,53% (Sylvatest) o un 0,54% (Microsecond Timer) por cada punto porcentual de variación del contenido de humedad en un rango de 11,8% a 21,4%. La misma operación en el caso del PLG conduce a un valor de 0,71% de velocidad por cada grado de humedad en el mismo rango. Aunque desde un punto de vista teórico podría extrapolarse este resultado para valores de humedad desde madera seca hasta el punto de saturación de la fibra, en la práctica se ha observado que ampliando el rango anterior se obtienen relaciones lineales menos fuertes. En el rango del 9,0 al 25,0 % de humedad el coeficiente de determinación desciende a 0,416. Y en otros rangos más ámplios el coeficiente obtenido es aún menor. Tabla Rangos de humedad y factores de corrección. 9,0 % 11,8 % 21,4 % 25,0 % 31,0 % 35,5 % R 2 Sylvatest Sylvatest Microsecond Timer PLG 0,805 0,53 % 0,54 % 0,71 % 0,675 0,67% 0,64% 0,75% 0,582 0,50% 0,54% 0,67% 0,416 0,62% 0,61% 0,70% 0,192 0,59% 0,58% 0,64% 0,124 0,61% 0,61% 0,64%

260 5. Análisis y discusión de resultados Como propuesta en la práctica, para obtener un factor de corrección válido para el mayor rango posible de humedades, se puede proponer un valor medio entre los obtenidos con mayor coeficiente de determinación y para la humedad comprendida entre la madera seca (9,0%) y próxima al punto de saturación de la fibra (25,0%). Tabla Factores de corrección medio de velocidad para contenido de humedad entre 9 y 25%. Sylvatest Microsecond Timer PLG 9,0-25,0 % 0,580 % 0,583 % 0,708 %

261 6. CONCLUSIONES En esta Tesis Doctoral se ha estudiado una muestra de 244 piezas de madera de pino silvestre de procedencia española y de tamaño estructural formada por 3 lotes: - SG 116 piezas escuadradas, de madera acondicionada y con dimensiones nominales 150 x 200 x 4200 mm. - CG 102 piezas escuadradas en tres caras y con gema, de madera acondicionada y con dimensiones nominales 150 x 200 x 4200 mm. - H 26 piezas escuadradas, de madera húmeda y con dimensiones nominales 100 x 150 x 3000 mm. Sobre esta muestra, según el lote y objetivo de trabajo, se han llevado a cabo los siguientes estudios: - Clasificación visual de acuerdo a la norma UNE Determinación de propiedades físicas (densidad) y mecánicas (módulo de elasticidad y tensión de rotura) de acuerdo a la norma UNE-EN Medición del contenido de humedad de la madera. - Medición de la velocidad de propagación de una onda a través de la madera con tres equipos comerciales: Sylvatest (onda ultrasónica), Microsecond Timer (onda de impacto) y PLG (vibración longitudinal y transversal). - Medición de la profundidad de penetración de una aguja en la madera con penetrómetro y de la resistencia al arranque de un tornillo. Con estos estudios, de acuerdo a los objetivos generales planteados en esta Tesis Doctoral, ha sido posible completar los objetivos particulares relacionados con las siguientes parámetros: - Clasificación visual. - Los métodos de transmisión de onda y vibración en madera de pino silvestre. - Estimación de la densidad de la madera de pino silvestre mediante técnicas no destructivas. - Estimación del módulo de elasticidad de la madera de pino silvestre mediante técnicas no destructivas

262 6. Conclusiones - Estimación de la resistencia de la madera de pino silvestre mediante técnicas no destructivas. - Análisis de la influencia de la humedad en la velocidad de la propagación de onda para equipos comerciales sobre la madera de pino silvestre. Así, se han completado los siguientes objetivos particulares: 1. Analizar el rendimiento de la clasificación visual de la madera de gruesa escuadría (MEG) de acuerdo a la norma UNE Analizar la influencia del proceso de secado en el rendimiento de la clasificación visual. 3. Comparar las propiedades mecánicas de la madera obtenidas para las calidades visuales. 4. Analizar los métodos de transmisión de onda en función de la trayectoria y el ángulo respecto a la directriz de la pieza. 5. Analizar la eficacia de los métodos de transmisión de onda para la clasificación estructural. 6. Analizar la eficacia de los métodos de transmisión de onda combinados con la clasificación visual para la clasificación estructural. 7. Comparar la densidad obtenida a partir de piezas completas o de rebanadas. 8. Establecer relaciones que permiten estimar la densidad a partir de las mediciones puntuales con penetrómetro y arranque de tornillo. 9. Comparar el módulo de elasticidad local y global obtenidos de acuerdo a la norma UNE-EN Establecer relaciones que permiten estimar el módulo de elasticidad de la madera objeto de estudio a partir de las técnicas no destructivas basadas en la velocidad de propagación de onda. 11. Establecer relaciones que permiten estimar el módulo de elasticidad de la madera a partir de las técnicas no destructivas basadas en la vibración transversal

263 6. Conclusiones 12. Establecer relaciones que permiten estimar la resistencia de la madera objeto de estudio a partir de las técnicas no destructivas basadas en la velocidad de propagación de onda. 13. Evaluar diferentes electrodos para medir el contenido de humedad con xilohigrómetro. 14. Analizar la influencia del contenido de humedad en algunas propiedades físicas. 15. Analizar la influencia del contenido de humedad sobre la velocidad de propagación de onda y establecer un factor de corrección para cada equipo. A continuación se resumen las conclusiones más relevantes obtenidas en el estudio Clasificación visual Las muestras para esta Tesis Doctoral han sido seleccionadas procurando un lote relativamente homogéneo para llevar a cabo el estudio de las técnicas destructivas reduciendo en lo posible la interferencia de otros factores. La mayoría de las piezas han sido seleccionadas en aserradero como piezas de calidad MEG según la norma UNE 56544, pero cuyos defectos no se alejan excesivamente del umbral de las especificaciones que definen esa calidad Rendimiento de la clasificación visual La particularidad de la muestra seleccionada de manera homogénea ha permitido analizar el rendimiento de la clasificación visual de acuerdo a la norma UNE EN en piezas de gruesa escuadría situadas en el entorno de las especificaciones de la calidad MEG. De las 116 piezas que forman el lote SG (piezas escuadradas sin gema), por considerarse el lote más representativo, se obtuvo un porcentaje del 67,2 % de calidad MEG y del 32,8 % de rechazo. Los defectos que producen el mayor número de rechazos son las fendas de secado (el 12,93 de las piezas) y el alabeo (12,07 %). Estos rendimientos no pueden extrapolarse a la madera de gruesa escuadría de pino silvestre en general por proceder de una muestra ligeramente sesgada, pero permiten

264 6. Conclusiones avanzar el comportamiento de la norma de clasificación y, como se verá más adelante, contrastarlo con los efectos del secado o con las propiedades mecánicas obtenidas mediante los ensayos mecánicos Influencia del secado en la clasificación visual Como consecuencia del secado natural de la madera se produce una merma de las dimensiones y aparecen defectos, fundamentalmente deformaciones, que tienen como consecuencia un aumento significativo de piezas rechazadas y un descenso en el rendimiento de la clasificación. En 26 piezas clasificadas en húmedo (43,1 % de humedad) se obtuvo un rendimiento del 80,8 % de piezas de calidad MEG y del 19,2 % de piezas de rechazo, mientras que en la reclasificación de la madera seca (8,8 % de humedad), la calidad MEG descendió hasta el 46,2 % y el rechazo aumentó hasta el 53,8 %. El principal defecto que conduce al aumento de los rechazos es el alabeo, aunque posteriormente se ha comprobado que su influencia en las propiedades mecánicas no parece significativa. Las fendas de secado, en un análisis preliminar no parecen afectar al rendimiento de la clasificación y tampoco se ha podido comprobar que tengan una influencia significativa en las propiedades mecánicas. Los parámetros específicos de clasificación que permiten predecir deformaciones en madera verde de gran escuadría (anchura máxima del anillo y presencia de médula) no discriminan las piezas que luego serán rechazo en seco. En cuanto a las mermas como consecuencia de la disminución del contenido de humedad, se produce una reducción en las dimensiones transversales, tanto en la altura de cara como en la anchura de canto de un 0,12 % por cada grado de humedad perdido Propiedades mecánicas de las calidades visuales Con carácter general, en la muestra analizada no se han observado diferencias significativas entre las piezas clasificadas como MEG o las piezas rechazadas

265 6. Conclusiones De las 116 piezas escuadradas (lote SG), para la calidad MEG formada por el 46,2% de las piezas se obtuvo una resistencia media de 38,09 N/mm 2, mientras que para las piezas de rechazo la resistencia media obtenida ha sido de 41,14 % N/mm 2. No se observaron diferencias significativas entre estos dos grupos ni con el conjunto del lote, para el que se obtuvo una resistencia de 39,09 N/mm 2. En cuanto a la influencia de los defectos se ha constatado que la presencia de gemas en uno de los cantos no siempre perjudica la capacidad resistente de las piezas de madera, aunque este aspecto depende claramente del signo de las tensiones sobre el borde que presente la gema. Si la gema se encuentra en el borde comprimido se produce una reducción sensible de la capacidad resistente de las piezas aunque, paradójicamente, se produce un aumento del módulo de elasticidad local. Si la gema se encuentra en el borde traccionado no se observan diferencias respecto a la sección escuadrada. En cuanto al resto de los defectos se ha realizado el mismo análisis del lote SG sin tener en cuenta aquellos que han surgido como consecuencia del secado (deformaciones y fendas de secado). En ese caso, el porcentaje de piezas que alcanzaría la calidad MEG sería del 91,3 % pero tampoco se obtendría una diferenciación significativa de sus propiedades mecánicas. Para la calidad MEG se obtendría una resistencia media de 39,47 N/mm 2 (apenas un 2,6 % superior a la calidad MEG obtenida clasificando con todos los parámetros), para las piezas de rechazo sería de 35,03 N/mm 2 y para el total de las piezas sería de 39,09 N/mm Velocidad de transmisión de onda La técnica de transmisión de ondas, en cualquiera de los casos estudiados, es una técnica con menos variables y menos subjetiva que la clasificación visual Transmisión de onda y trayectoria Los mejores resultados se obtiene midiendo la velocidad de transmisión de la onda directamente de testa a testa, puesto que es la menos afectada por el ángulo de la trayectoria de la onda con la fibra de la madera. No obstante, existe una buena relación entre la velocidad de testa a testa con la velocidad medida entre dos puntos en la misma

266 6. Conclusiones cara (indirecta) o en caras opuestas (directa), siendo mucho mejores los resultados obtenidos si se mide entre puntos separados una distancia igual a 18 h que a una distancia de 6 h (siendo h la altura de la cara de la sección). Analizando la relación entre mediciones de testa a testa y mediciones de cara para el Microsecond Timer, se obtienen coeficientes de determinación (R 2 ) de entre 49 y 63% si se mide entre dos puntos a una distancia de 6 h, y de entre 89 y 91% si se mide entre dos puntos a una distancia de 18 h. Para el Sylvatest estos valores resultan entre 53 y 51 % (para 6 h) y en torno al 76 % (18 h). Por ello, cuando no es posible acceder a las testas para realizar mediciones directas se recomienda medir a través de las caras abarcando la mayor longitud posible. Se obtienen también relaciones algo mejores si se combinan medidas directas (sensores en diferentes caras) e indirectas (sensores en la misma cara) a una distancia de 18 h que si sólo se toma una de dichas medidas. Los R 2 obtenidos son 91% para Microsecond Timer y 79% en el caso del Sylvatest Eficacia de la velocidad de onda como parámetro de clasificación Es posible establecer un valor umbral de velocidad de transmisión de onda para definir una clasificación de las piezas de forma efectiva. Este umbral de velocidad sería el correspondiente al percentil 25 de las piezas (v 25 m/s). De esta manera, rechazando el 25 de las piezas que no alcanzan el umbral de velocidad (v < v 25) se puede obtener una mejora en las propiedades mecánicas estimadas mediante esta técnica. Estos porcentajes son mejores que los definidos en general por la clasificación visual para discriminar calidades. En el caso de Sylvatest la velocidad límite sería de m/s, en el caso de Microsecond Timer será m/s y en el caso del PLG, m/s. Este criterio mejora los resultados obtenidos con la clasificación visual, como se pude comprobar en los valores de módulo de elasticidad y resistencia de la tabla siguiente

267 6. Conclusiones MOE glo12 (N/mm 2 ) MOR pos (N/mm 2 ) Tabla 6.1. Propiedades mecánicas en función de las clases de velocidad de transmisión de onda. Todas Sylvatest Microsecond Timer PLG > 4700 m/s < 4700 m/s > 4802 m/s < 4802 m/s > 4224 m/s < 4221 m/s ,98 40,62 29,80 40,38 30,56 40,55 30, Eficacia de la velocidad de onda combinada con clasificación visual La aplicación combinada de la velocidad de onda junto a la clasificación visual permite mejorar sensiblemente el rendimiento y la asignación de propiedades mecánicas, como se puede apreciar en la tabla comparativa siguiente entre los sistemas de clasificación: clasificación visual: MEG, R (según UNE 56544) clasificación por velocidad: A (v v 25), NA (< v 25) clasificación visual y por velocidad: MEG +v y R +v La clase MEG +v está formada por todas las piezas de la clase MEG según la clasificación visual y por las piezas que, siendo R según clasificación visual, cumplen con una velocidad superior al percentil 25 (v v 25). Tabla 6.2. Propiedades mecánicas en función de las clases visuales y clases de velocidad de onda. SG CG H. Clasificación visual Velocidad Clasificación visual + velocidad R % MOE g N/mm 2 MOR N/mm 2 R % MOE g N/mm 2 MOR N/mm 2 R % MOE g N/mm 2 MOR N/mm 2 Total ,98 Total ,98 Total ,98 MEG ,06 A ,22 MEG +v ,22 R ,34 NA ,78 R +v ,

268 6. Conclusiones 6.3. Estimación de la densidad Con el objeto de establecer relaciones entre estimadores y la densidad real de la madera, en primer lugar se ha obtenido de forma directa el valor de la densidad de las piezas determinando el volumen y el peso de piezas completas o de rebanadas. Para estimar de manera indirecta la densidad se han realizado ensayos de penetrómetro y arranque de tornillo Determinación de la densidad por pieza completa o por rebanada La determinación de la densidad real de las piezas de madera se ha llevado a cabo sobre las piezas completas (densidad global) o sobre rebanadas (densidad local). Relacionando los valores obtenidos por ambos métodos para todas las piezas de la muestra se han obtenido coeficientes de determinación entre el 41 y el 62%. Si sólo se consideran los lotes CG y SG se pueden establecer relaciones con valores de R 2 del 62% y si sólo se consideran las piezas escuadradas SG alcanza el 67%. En el lote de piezas con gema se obtiene un valor inferior por la dificultad que implica el cálculo del volumen de la pieza completa. Dado que la norma UNE-EN 408 propone un método específico para determinar la densidad a través de una rebanada y que, en general, este valor presenta una dispersión menor entre los obtenidos para las 242 piezas, el análisis de relaciones con los parámetros no destructivos se ha basado en el valor de densidad local Estimación de la densidad mediante Los (o semidestructivos) basados en ensayos puntuales de profundidad de penetración (pilodyn) y arranque de tornillo (MAT) permiten medir variables con las que es posible estimar la densidad. No se han detectado diferencias significativas si los ensayos se realizan sobre una gema o sobre alguna de las caras escuadradas. La diferencia entre los valores tangenciales y

269 6. Conclusiones radiales hace que sea recomendable, siempre que se pueda, medir ambos valores y emplear el valor medio para los cálculos. El mayor coeficiente de determinación para la estimación de la densidad se ha obtenido combinando ambos métodos (penetrómetro y arranque de tornillo), alcanzado en el mejor de los casos un valor de R 2 del 47%, en contraste con los resultados mayores obtenidos por otros autores. Tabla 6.3. R 2 para estimación de densidad mediante técnicas no destructivas. Todas SG/CG SG CG H Otros autores Íñiguez, 2007 Montón, 2012 global - rebanada 58% 62% 67% 58% 41% 71% 90% rebanada - Pilodyn 32% 34% 29% 40% 21% 59% 31% rebanada - MAT 33% 30% 24% 36% 36% 64% 53% rebanada - MAT + Pilodyn 41% 41% 34% 47% 42% global - MAT + Pilodyn 34% 41% 42% 39% 38% Considerando más representativos los lotes SG y CG, la mejor relación se obtiene combinando ambas técnicas con la densidad tanto global como local: Den Glo12SGCG = 536,475-8,0549 * Prof Med12SGCG + 42,4969 * FA Med12SGCG R 2 : 41 % Den Reb12SGCG = 531,68-9,548 * Prof Med12SGCG + 49,9238 * FA Med12SGCG R 2 : 41 % 6.4. Estimación del módulo de elasticidad Con el objeto de establecer relaciones entre estimadores no destructivos y el módulo de elasticidad real de las piezas de madera, se ha obtenido de forma directa el módulo de elasticidad (global y local) mediante un ensayo de flexión normalizado (UNE-EN 408). La estimación indirecta del módulo de elasticidad a partir de técnicas no destructivas se ha llevado a cabo a partir de la velocidad de onda en propagación longitudinal o mediante técnicas de vibración transversal

270 6. Conclusiones Relación entre módulo de elasticidad global y local La relación entre los módulos de elasticidad global y local estudiada por lotes obtiene un buen coeficiente de determinación con valores del 82% para piezas escuadradas, 65% en el caso de las piezas con gemas, y 79% para las piezas H. Con estos resultados se puede dar por válido el calculo del módulo de elasticidad global con carácter general, y a partir de éste estimar el local cuando sea necesario Estimación del módulo de elasticidad mediante métodos no destructivos Es posible la estimación del módulo de elasticidad estático a partir del módulo de elasticidad dinámico, calculado a partir de la velocidad de propagación de onda y de la densidad de la madera. Para la estimación del módulo de elasticidad estático por este método, midiendo la velocidad de propagación de la onda con los equipos Sylvatest, Microsecond Timer y PLG, se obtienen R 2 cercanos al 54%. Estos resultados son similares a los obtenidos en esta especie por otros autores. La relación entre los módulos de elasticidad dinámico y estático varía en función del equipo y del lote seleccionado. En el caso del Microsecond Timer el R 2 total es del 54%, alcanzando un máximo para el lote de las vigas escuadradas (SG) del 63%. Para el equipo de ultrasonidos, Sylvatest, los resultados obtenidos son similares. Para el conjunto de todas las piezas se obtiene un R 2 del 56%, alcanzando el máximo en las vigas del lote H con un valor del 71%. Con el PLG y las ondas vibratorias se obtienen mejores regresiones para vibraciones longitudinales, alcanzando un R 2 del 63% para el conjunto de las piezas y del 79% en el caso de las vigas H

271 6. Conclusiones Tabla 6.4. R 2 para estimación del MOE mediante velocidad de onda y vibración longitudinal. Todas SG/CG SG CG H Otros autores Íñiguez, 2007 Montón, 2012 MOE global - MOE local 30% 30% 82% 65% 79% 63% 94% MOE global - V MST 39% 41% 53% 43% 29% -- 70% MOE global - V Syl 39% 39% 41% 37% 48% 53% 72% MOE global - V PLG 46% 45% 51% 43% 54% 52% 73% MOE est - Moe din MST 54% 47% 63% 49% 62% -- 78% MOE est - Moe din Syl 56% 55% 59% 53% 71% 74% 82% MOE est - Moe din vibración longitudinal PLG 63% 63% 72% 58% 79% 76% 85% Como resumen, si se considera que el lote más representativo es de las piezas escuadradas (SG) y aunque en algún otro lote se obtienen relaciones más fuertes, las mejores estimaciones obtenidas con cada equipo son las siguientes: Microsecond timer: MOE glo12sg = 804, ,717978* MOE dinmt12sg R 2 = 63% Sylvatest: MOE glo12sg = 1186,68 + 0,68453 * MOE dinsyl12sg R 2 = 59% PLG, vibración longitudinal: MOE glo12sg = 573, , * MOE dinvibl12sg R 2 = 72% Vibración transversal Aparte de los métodos habituales para el cálculo de la velocidad de onda en propagación longitudinal, ya sea con Sylvatest, con Microsecond Timer o mediante vibración longitudinal con PLG, se ha analizado el comportamiento de las piezas de los lotes SG y CG en vibración transversal con PLG para estimar su módulo de elasticidad

272 6. Conclusiones Se han realizado ensayos de vibración transversal de cara y de canto. Las piezas del lote con gema (CG) dan valores con una dispersión elevada debido a lo irregular de la sección. Los resultados más representativos se han obtenido para las piezas escuadradas (SG). En el caso de las vibraciones transversales existe gran diferencia si se hace sobre canto o sobre cara. Para el caso de vibraciones sobre canto se encuentran valores similares a los de transmisión de onda longitudinal, entre un 40% y un 55%. Sin embargo sobre cara no se supera el 40%, por lo que en caso de tener que emplear la vibración transversal se recomienda realizarlo sobre canto. Tabla 6.5. R 2 para estimación del MOE mediante vibración transversal. Relaciones Todas SG/CG SG CG H MOE est - Moe din vibración transversal canto PLG MOE est- Moe din vibración transversal cara PLG Otros autores Íñiguez, 2007 Montón, % 55% 40% % -- 19% 40% 9% Teniendo en cuenta que el lote de las piezas escuadradas es el más representativo, las mejores estimaciones del módulo de elasticidad a partir de los métodos de vibración transversal son las siguientes: PLG, vibración transversal de canto: MOE glo12sg = 2750,75 + 0, * MOE dinvibtrcto12sg R 2 = 55% PLG, vibración transversal de cara: MOE glo12sg = 4210,39 + 0, * MOE dinvibtrcara12sg R 2 = 40% 6.5. Estimación de la resistencia Para la estimación de la resistencia de las piezas a partir de estimadores no destructivos, se ha obtenido de forma directa la tensión de rotura en flexión de las piezas de madera mediante un ensayo normalizado (UNE-EN 408). La estimación indirecta de la resistencia a partir de técnicas no destructivas se ha llevado a cabo a partir de la velocidad de onda en propagación longitudinal o mediante técnicas de

273 6. Conclusiones vibración transversal, o bien a partir del módulo de elasticidad dinámico obtenido con alguna de estas técnicas Estimación de la resistencia mediante La estimación de la tensión de rotura o resistencia de piezas de madera mediante técnicas no destructivas basadas en la velocidad de propagación de onda es posible. Sin embargo, la resistencia depende fundamentalmente de otros factores como los defectos, que no son adecuadamente interpretados por los equipos comerciales basados en estas técnicas y utilizados en esta Tesis Doctoral. Por ello, los análisis de relaciones suelen proporcionar modelos de estimación menos precisos. En las piezas estudiadas se obtienen coeficientes de determinación entre la tensión de rotura y las variables no destructivas que no superan el 52%, y sólo alcanzan este valor para el lote de las vigas escuadradas (SG) con la vibración longitudinal. Tabla 6.6. R 2 para estimación de la tensión de rotura mediante velocidad de onda y vibración. Relaciones Todas SG/CG SG CG H Otros autores Íñiguez, 2007 Montón, 2012 TDR - V MST 17% 29% 35% 29% 1% -- 26% TDR - V Syl 23% 29% 27% 31% 6% -- 26% TDR - V PLG 30% 35% 39% 33% 17% -- 31% TDR - MOE din MST 22% 33% 40% 36% 8% -- 40% TDR - MOE din Syl 31% 36% 40% 35% 15% 60% 40% TDR - MOE din vibración longitudinal PLG TDR - MOE din vibración transversal canto PLG TDR - MOE din vibración transversal cara PLG 37% 42% 52% 35% 25% 65% 47% -- 26% 37% 20% % -- 19% 28% 14% Considerando el lote de piezas escuadradas como el más representativo, la mejor estimación se obtenida a partir del módulo de elasticidad dinámico obtenido en vibración longitudinal:

274 6. Conclusiones TDR possg = -19, , * MOE PLGVL12SG R 2 = 52% 6.6. Influencia del contenido de humedad en las técnicas no destructivas Para este estudio se han seleccionado 26 piezas (lote H) de madera húmeda y se han realizado mediciones no destructivas durante el proceso de secado natural de las piezas. Se ha realizado un estudio comparativo entre diferentes métodos de medición de humedad que permitan realizar lecturas de manera continuada durante el proceso de secado de la madera. Se han analizado los resultados obtenidos de la clasificación visual (descrito anteriormente) y de la velocidad de propagación de onda en distintas etapas del proceso de secado Comparación de mediciones con diferentes electrodos Se han contrastado diferentes métodos para la medición del contenido de humedad de la madera con xilohigrómetro mediante electrodos de diferente tipo: clavos propios del equipo, clavos, tirafondos y clavos de fuste aislado. Se ha confirmado que el contenido de humedad de las probetas se mide de manera más exacta mediante el empleo de electrodos de fuste aislado, ya que este tipo de electrodos mide el contenido de humedad a la profundidad que indica la norma. Los valores obtenidos con otros tipos de electrodos son mayores que los de clavos aislados. Los resultados más cercanos a los de los clavos aislados corresponden a los clavados en el momento con el martillo del xilohigrómetro Influencia del contenido de humedad en las propiedades físicas y mecánicas Se han medido las dimensiones transversales de las piezas en el proceso de secado al pasar de un contenido de humedad medio de 42,8% y el 8%. Con esa diferencia de

275 6. Conclusiones humedad se han detectado mermas del 4 % de las dimensiones, lo que equivale a una reducción de la dimensión transversal de un 0,12% por cada grado de humedad. Este valor concuerda con la bibliografía especializada para la madera de pino silvestre Influencia del contenido de humedad en la velocidad de onda Para analizar la influencia del contenido de humedad en la velocidad de transmisión de las distinas ondas se ha seleccionado un rango de contenido de humedad entre el 11,8 y el 21,4 %. Ese rango se corresponde con los valores de madera húmeda (20 %) y madera en equilibrio higroscópico (12%), es fácil de medir con xilohigrómetro y es en el que se ha podido establecer una relación lineal con la velocidad de onda. Del análisis llevado a cabo se obtiene un valor medio de 0,5% de variación de velocidad por cada grado de humedad, válido para los equipos Sylvatest y Microsecond Timer. La velocidad de propagación de la onda a través de la madera disminuye un 0,5% por cada punto porcentual de variación del contenido de humedad en un rango de 11,8% 21,4%. En el caso del PLG este valor es de 0,7% Líneas futuras de investigación Dentro de las líneas abiertas en el grupo de investigación Construcción con Madera, ya se encuentran en desarrollo algunos trabajos que abordan diversos temas, todos ellos relacionados entre sí y complementarios, a partir de los cuales se están desarrollando actualmente otras tres Tesis Doctorales: - Estudio detallado de la influencia de las fendas y los defectos de aserrado en las propiedades mecánicas de la madera para uso estructural. - Caracterización para uso estructural de otras especies de madera de procedencia española y otras escuadrías, tanto las incluidas en las normas UNE (pino silvestre, pino laricio, pino radiata y pino pinaster) y UNE (eucalipto) como otras especies - Estudio detallado de otros factores en la clasificación como la temperatura, el tamaño y la esbeltez de la pieza

276 6. Conclusiones - Ampliación del estudio de las mismas técnicas empleadas en esta Tesis Doctoral mediante la utilización de otros equipos comerciales, preferiblemente portatiles. - Aplicación de las redes neuronales en el ámbito de la madera de gran escuadría para uso estructural para mejorar los modelos estadísticos. - Caracterización y modelización de uniones tradicionales en estructuras de madera mediante el método de los elementos finitos. Aparte de ellos se pueden citar otras líneas abiertas a partir de esta Tesis Doctoral, entre los que cabe señalar: - Desarrollo de equipos propios para la aplicación de técnicas no destructivas adaptados a la gruesa escuadría y en particular a estructuras existentes. - Modelización del comportamiento dinámico de vibración de transmisión de onda a través de la madera mediante el método de los elementos finitos. - Inclusión en la normativa de clasificación de madera estructural las técnicas no destructivas, combinadas entre ellas o combinadas con la clasificación visual. - Estudio de las posibilidades de aplicación de otras técnicas (IR, Rayos X, Microondas) no investigadas hasta ahora en el grupo de investigación y que son de aplicación en otros campos. - Estudio en detalle de la influencia de la humedad en la clasificación visual, diferencias entre clasificación en seco (dry graded) y en húmedo (wet graded)

277 7. BIBLIOGRAFÍA UTILIZADA - ACUÑA, L.; CASADO, M.; RENEDO, F.; LLORENTE, A.; BASTERRA, A; BARRANCO, I.; De CASO, E. Evaluación resistente no destructiva de madera de Pinus Pinaster Ait. de las regiones de procedencia Gredos y Bureba - Sierra de Oña Universidad de Valladolid. - ACUÑA, L.; BASTERRA, L.A.; CASADO, M.; LOPEZ, G.; RAMON-CUETO, G.; RELEA, E.; MARTÍNEZ, C.; GONZALEZ, A. Aplicación del resistógrafo a la obtención de la densidad y la diferenciación de especies de madera. Materiales de Construcción Vol. 61, 303, Julio-septiembre ISSN: ISSN: ACUÑA L.; DÍEZ, M.R.; CASADO, M.; LLORENTE, A.; LÁZARO, M.T.; BASTERRA, A.; RELEA, E.; CUETO, G. Clasificación de madera estructural de Pinus pinaster Ait. mediante ultrasonidos. En III Congreso Iberoamericano de Productos Forestales. (Buenos Aires, Argentina) ACUÑA, L.; DÍEZ, M.R.; CASADO, M. Los ultrasonidos y la calidad de la madera estructural. Aplicación a Pinus pinaster ait. Boletín del CIDEU 2: ISSN ADELL ALMAZÁN, F.J.; Comparación de las normas de clasificación de madera estructural española (UNE 56544) y alemana (DIN 404) para madera de pino silvestre (Pinus sylvestris, L.) de procedencia alemana. Proyecto fin de carrera. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Montes. Universidad Politécnica de Madrid AGUILERA, C.; RAMOS, M.; SALINAS, D. Visualización interna de nudos en rollizos de madera de Pinus radiata d. Don utilizando rayos-x. Maderas. Ciencia y tecnología. 4(2): , ÁLVAREZ, L.; BASTERRA, A.; CASADO, M.; ACUÑA, L. Aplicación del resistógrafo al diagnóstico de elementos singulares en Estructura de madera. I Jornadas de Investigación en Construcción. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja Consejo Superior de Investigaciones Científicas ANUARIO DE ESTADÍSTICA AGRARIA, ARGÜELLES BUSTILLO, R. Predicción con Simulación Animada del comportamiento de piezas de madera. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Madrid ARRIAGA, F.; ÍÑIGUEZ, G.; ESTEBAN, M.; BOBADILLA, I. Proposal of a methodology for the assessment of existing timber structures in Spain. 16th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood. Beijing, China ARRIAGA, F.; IÑIGUEZ, G.; Y ESTEBAN, M., BOBADILLA, I. Madera aserrada de gran escuadría para uso estructural y sus particularidades. Informes de la construcción Vol 59, nº 506, pp ARRIAGA, F.; ÍÑIGUEZ, G.; FERNÁNDEZ-GOLFÍN, J. Y ESTEBAN, M. Structural Tali timber (Erythrophleum ivorense A. Chev., Erythrophleum suaveolens Brenan.):

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287 7. Bibliografía - AENOR. Estructuras de madera. Madera aserrada y madera laminada encolada para uso estructural. Determinación de algunas propiedades físicas y mecánicas. UNE-EN 408. AENOR. - AENOR. Madera estructural. Clases resistentes. Asignación de clases visuales y especies. UNE-EN AENOR. - AENOR. Madera aserrada y madera en rollo. Terminología. Parte 9: Términos relativos a las singularidades de la madera aserrada. UNE-EN AENOR. - AENOR. Madera aserrada y madera en rollo. Método de medida de las singularidades. UNE-EN AENOR. - AENOR. Madera aserrada y madera en rollo. Nomenclatura de las maderas utilizadas en Europa. UNE-EN AENOR. - AENOR. Timber structures Strength graded structural timber with rectangular cross section Part 4: Machine grading Grading machine settings for machine controlled systems. EN AENOR. - AENOR. Clasificación visual de la madera aserrada para uso estructural. Madera de coníferas. UNE AENOR. - AENOR. Clasificación visual de la madera aserrada para uso estructural. Madera de frondosas. UNE AENOR. - AENOR. Características físico-mecánicas de la madera. Determinación de la resistencia a la flexión estática. UNE AENOR. - AENOR. Eurocódigo 5. Estructural de madera. Parte 1, Reglas generales y reglas para la edificación. UNE-EN AENOR. - AENOR. Madera Estructural. Clases resistentes. UNE EN 338. AENOR. - AENOR. Contenido de humedad de una pieza de madera aserrada. Parte 1: Determinación por el método de secado en estufa. UNE-EN AENOR. - AENOR. Contenido de humedad de una pieza de madera aserrada. Parte 2: Estimación por el método de la resistencia eléctrica. UNE-EN AENOR. - BRITISH STANDARDS INSTITUTION. Visual strength grading of softwood specification. BS London: British Standards Institution. - MINISTERIO DE FOMENTO. Código Técnico de la Edificación (CTE). Ministerio de Fomento. - DIN Teil 1 (sortiert als Kantholz) (Graded as joist) Sortierung von Holz nach der Tragfähigkeit, -Teil 1: Nadelschnittholz. - Directiva Europea 89/106 de Productos de la Construcción

288 7. Bibliografía - CHARLOTTENLUND: DANKS STANDARD. Nordic visual strength grading rules for timber. INSTA 142. Charlottenlund: Danks Standard. - Ley 38/1999 de 5 de noviembre, de Ordenación de la Edificación (LOE) - NF B A1. Règles d utilisation du bois dans les constructions; Classement visuel pour emploi en structure pour les principales essences résineuses et feuillues. - Real Decreto 289/2003, de 7 de marzo, sobre comercialización de los materiales forestales de reproducción. Webs /Sig-Forest/Paginas/DistribucionEspecies.aspx oncontenido&sec=68&ar=12&cont=6895&web=6&zona=profesores&menuseleccio nado=

289 ANEXO 1. ESTADILLOS PIEZAS PS 000 SG/CG Anexo 1.1. Estadillo inicial de ensayos

290 ANEXO 1. Estadillos piezas PS 000 SG/CG Anexo 1.2. Estadillo 1. Piezas PS 000 SG/CG. Limpio

291 ANEXO 1. Estadillos piezas PS 000 SG/CG

292 ANEXO 1. Estadillos piezas PS 000 SG/CG Anexo 1.3. Estadillo 1. Piezas PS 000 SG/CG. Completo

293 ANEXO 1. Estadillos piezas PS 000 SG/CG

294

295 ANEXO 2. ESTADILLOS PIEZAS PS 000 H Anexo 2.1. Estadillo 1. Piezas PS 00 H. Limpio

296 Clasificación de madera estructural de gran escuadría de pinus sylvestris L. mediante ANEXO 2. Estadillos piezas PS 000 H

297 Clasificación de madera estructural de gran escuadría de pinus sylvestris L. mediante ANEXO 2. Estadillos piezas PS 000 H Anexo 2.2 Estadillo 1. Piezas PS 00 H. Completo

298 Clasificación de madera estructural de gran escuadría de pinus sylvestris L. mediante ANEXO 2. Estadillos piezas PS 000 H

299 ANEXO 3. ESTADILLO PARALA TOMA DE DATOS DE HUMEDAD