Tema 6: Estructura y Propiedades de las maderas.

Transcripción

1 Tema 6: Estructura y Propiedades de las maderas. 1. Composición y Estructura de las maderas. 2. Anisotropía de la madera. 3. Propiedades de la madera. 4. Durabilidad y Agentes destructores de la madera. 5. Protección de las maderas. 6. Obtención y Procesado de la madera. MATERIALES II Curso Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara Profesor Gonzalo Barluenga Badiola La madera Es el conjunto de tejidos que forman el tronco, las raíces y las ramas de los árboles, excluida la corteza. Es un material no homogéneo y con comportamiento anisótropo, compuesto por fibras vegetales (celulosa). Tiene baja densidad y conductividad térmica, buen comportamiento acústico y mecánico. Es fácil de trabajar y conformar por corte y labra. Por otra parte, es combustible, de volumen inestable y atacable por insectos y ataques orgánicos (putrefacción) Hay muchas aplicaciones en construcción, en secciones macizas y como derivados (materiales compuestos).

2 Composición de la madera La madera está compuesta principalmente por carbono (50%), oxígeno (40 %) e hidrógeno (5 %). Estos elementos forman diferentes compuestos químicos: Celulosa (40-50 %): constituye las paredes de las fibras (resistencia a tracción) Lignina (20-30 %): une las fibras de celulosa (capacidad aglutinante) Hemicelulosa (20-30 %): Forma parte de la matriz que aglutina las fibras (no constituye fibras por si mismas). Componentes secundarios (5-7 %): resinas, grasas, ceras. Influyen en el olor y toxicidad de la madera y en la apetencia o no a agentes biológicos Microestructura de la madera Como ser vivo, está compuesto por células con funciones especificas. Se distinguen tres tipos principales: Células vasculares: forman vasos paralelos al tronco que transportan la savia. Células de sostén: son pequeñas y alargadas. Forman las fibras que proporcionan resistencia. Células de nutrición: almacena los nutrientes. Forman radios medulares (perpendiculares al tronco).

3 Macroestructura de la madera El crecimiento de la madera se produce de dentro a afuera (el exterior es más joven que el núcleo). La parte exterior se denomina albura (más blanda) y la interior duramen (madera madura). Se distinguen tres estructuras diferenciadas: Fibras: conjunto de células de sostén orientadas en la dirección del eje. Radios: Conjuntos de células de nutrición, orientadas perpendiculares al eje. Anillos de crecimiento: estructuras anulares respecto al eje debidas al crecimiento del árbol. Estructura de la madera

4 Anisotropía de la madera Debido a su estructura fibrosa, las propiedades físicas y mecánicas de la madera no son isótropas. La dirección considerada condiciona las características y el comportamiento de la madera. Se diferencian tres direcciones: Axial: en la dirección de las fibras. Radial: perpendicular a las fibras. Tangencial: tangente a los anillos. Tangencial Axial Radial Humedad de la madera La madera es un material higroscópico. El contenido de humedad de la madera en estado natural es alto ( %, dependiendo de la especie). Se presenta en tres formas diferentes : De constitución: forma parte de la madera. De impregnación: adherida a las paredes de las fibras. Su eliminación produce variaciones de las propiedades. Libre: situada en las cavidades de la madera. Su eliminación no produce variaciones de las propiedades. En el procesado de la madera se elimina una gran parte del agua, alcanzándose las características definitivas.

5 Parámetros hídricos de la madera La madera tiende a equilibrar su humedad con la del ambiente. En este proceso, se producen cambios en las dimensiones del material (higroscopicidad). Se distinguen tres parámetros principales: Contenido de humedad de la madera (CH): relación peso de agua/ peso de la madera (%). Punto de saturación de las fibras (PSF): Contenido de humedad del agua de impregnación ( 30%). Humedad de equilibrio con el ambiente (CHE). Las características físicas y mecánicas varían con el CH Propiedades físicas de la madera (I) Densidad: La estructura fibrosa confiere una alta porosidad y baja densidad ( < 1 g/cm 3, flotabilidad). Densidad aparente: depende del contenido de agua. Suele darse con respecto a la cota internacional de humedad (CH 12 %) Densidad real: Apenas varía con las especies. Higroscopicidad: Al variar el contenido de humedad cambia de volumen (Desde seca hasta PSF aumenta) La variación depende de la dirección considerada: Dirección longitudinal: inapreciable (0-0,8 %). Dirección radial y tangencial ( 5-10 %).

6 Propiedades físicas de la madera (II) Conductividad térmica y eléctrica: Secas, tienen un bajo coeficiente de conductividad (Dieléctricas). El CH aumenta la conductividad. Dilatación térmica: Es muy baja. Reacción al fuego: Es un material combustible. (Euroclases C y D ). La carbonización superficial protege el interior. Aislamiento acústico: En secciones macizas, aíslan el ruido por reflexión (absorción acústica 10 %). (Los compuestos de fibras absorben hasta el 90 %.) Comportamiento al fuego de la madera (V. P. Silva 2006)

7 Propiedades mecánicas de la madera (I) Son diferentes en función de la dirección considerada (longitudinal, radial y tangencial) En general, se suelen considerar la dirección de la fibra y la perpendicular (combinación de radial y tangencial). Las características mecánicas cambian con el contenido de humedad (la madera húmeda es menos resistente y menos rígida que la madera seca). Resistencia: Alta a compresión y flexión en el eje de la fibra. Baja en la dirección perpendicular y a cortante, debido a la baja resistencia a rasante en la unión entre fibras. Propiedades mecánicas de la madera Ensayo a flexión

8 Ensayo de resistencia a cortante Ensayo a cortante de una probeta de madera Propiedades mecánicas de la madera (II) Rigidez: Tiene bajo módulo de elasticidad ( dirección de la fibra 10 GPa, dirección perpendicular 5 GPa). Es distinta en compresión y tracción. Suele usarse la de flexión (combinación de ambas). Dureza: Resistencia a la penetración y talla. Se clasifican en blandas, semiduras y duras. Hendibilidad: propiedad que tienen las maderas de romper en la dirección de sus fibras mediante un corte longitudinal. Fluencia: La madera bajo carga aumenta su deformación con el tiempo (tensiones > 40 % de Rest.) Fatiga: Sufre fractura por fatiga frente a cargas cíclicas por encima del % de la Resistencia estática.

9 Durabilidad de la madera Como material orgánico puede deteriorarse por ataque de diferentes agentes: A. Bióticos: Son seres vivos que se alimentan de madera. Hongos Insectos xilófagos (carcoma, termitas) B. Abióticos: Son agentes ambientales (no son seres vivos) Fuego Humedad Radiación solar y humedad (meteorización) Su efecto depende del CH y debe controlarse. Hongos y Mohos Organismos vegetales parásitos que pueden crecer alimentándose de las sustancias nutrientes. Se reproducen por esporas, transportadas por el viento. Forman un tejido llamado micelio, que se ramifica e introduce en la madera, pudriéndola. Condiciones ambientales que favorecen la pudrición: Temperatura 23-30ºC Humedad relativa 18-20% (En torno al PSF). Falta de luz y radiación solar directa Poca ventilación

10 Síntomas de pudrición: Hongos y Mohos La existencia de hongos se puede detectar por una serie de síntomas : 1. Pérdida de resistencia, ablandamiento o desintegración. 2. Sonido hueco o cambio de sonido 3. Decoloración de la madera 4. Presencia de micelios 5. Característico olor a Moho 6. Posible presencia de insectos. (la madera atacada es más apetecible ) Insectos en las maderas Insectos Xilófagos (carcomas y termitas): Se nutren de la celulosa de la madera Clasificación de las maderas frente al ataque: Muy atacables: alisos, cerezo Atacables: Abedul, roble, nogal Poco atacables: Arce, Castaño, Olmo Parásitos: viven a costa de las larvas de los anteriores y nos indican su localización Moradores: viven en la madera pero no se alimentan de ella.

11 Agentes Abióticos Agentes Químicos: En general los ácidos atacan y destruyen la materia orgánica (Hidrolizan la celulosa). El fuego: La madera es un material combustible e inflamable a temperaturas bajas. Su reacción al fuego se puede corregir por ignifugación. Presenta las siguientes ventajas: Baja conductividad térmica (la temperatura disminuye hacia el interior) La carbonización superficial dificulta la salida de gases y la penetración del calor. Al tener una mínima dilatación térmica no provoca desplomes ni deformaciones peligrosas. Técnicas de Protección de la madera Para evitar la degradación de la madera por agentes externos existen diferentes métodos: Pincelado: Tratamiento de hidrofugación de la madera seca por aplicación de barnices, aceites, cal o betunes. Pulverizado: Aplicación de lacas a presión. Inmersión: en disoluciones de ClZn, SOCu o urea a presión ambiente o a alta presión (autoclave). Ignifugación: Protección frente al fuego En profundidad: por inmersión en disoluciones salinas En superficie: Revestimientos ignífugos o pincelado o pulverizado de pinturas o barnices intumescentes.

12 Protección preventiva frente a los agentes bióticos (apartado del CTE SE M) Según el grado de exposición se establecen cinco niveles de riesgo de los elementos estructurales. Tipos de protección frente a agentes bióticos y métodos de impregnación: Protección superficial: penetración media es de 3 mm, siendo como mínimo de 1 mm en cualquier parte de la superficie tratada. Protección media: penetración media es superior a 3 mm en cualquier zona tratada, sin llegar al 75% del volumen impregnable. Protección profunda: penetración media es igual o superior al 75% del volumen impregnable. Protección frente a los agentes bióticos

13 Obtención de la madera Obtención de la madera Se distinguen varias fases: Corta: Talado del árbol. Desaviado: Eliminación de la savia y humedad Transporte y almacenamiento Procesado: Despiece y transformación del material. Tratamiento superficial y de acabado: proceso de los productos para aplicaciones vistas (teñido, barnizado, encerado) Uniones: para algunas aplicaciones se requieren soluciones de unión de las diferentes piezas (ensambles, empalmes, acoplamientos, pletinas, adhesivos )

14 Procesado de la madera maciza Consta de varias etapas: Serrado: se realiza en instalaciones industriales (aserraderos) que pueden ser fijas o móviles. Se obtienen piezas macizas por corte (escuadradas) Tratamiento: Se aplican productos protectores para evitar daños por agentes externos y mejorar su acabado. Secado: Modificación de la humedad del material hasta que alcance el equilibrio con el ambiente (CHE). Se puede realizar de manera natural (al aire) o acelerado (en hornos, según cédulas de secado). Mecanizado: conformación de productos. Secado de la madera Horno de secado

15 Tema 6: Estructura y Propiedades de las maderas. 1. Composición y Estructura de las maderas. 2. Anisotropía de la madera. 3. Propiedades de la madera. 4. Durabilidad y Agentes destructores de la madera. 5. Protección de las maderas. 6. Obtención y Procesado de la madera. Glosario de conceptos del Tema Madera Punto saturación fibras Hongos y mohos Composición madera Propiedades físicas Xilófagos Microestructura Densidad aparente Agentes Abióticos Macroestructura Higroscopicidad Técnicas de Protección Fibras Reacción al fuego Prot. Preventiva (CTE) Anillos Prop. Mecánicas Obtención de la madera Radios Influencia anisotropía Procesado de la madera Anisotropía Hendibilidad Serrado Humedad de la madera Fluencia Tratamiento Parámetros hídricos Durabilidad Secado Contenido de humedad Agentes bióticos Mecanizado y acabados

16 Bibliografía de consulta recomendada. Doran, D. K.; Construction materials reference book, Ed. Butterworth, Guindeo, A. y otros; Especies de madera para carpintería, construcción y mobiliario, AITIM, Hornbostel, C.; Materiales para construcción. Tipos, usos y aplicaciones, Ed. Limusa Wiley, (AITIM)