UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MONTES

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1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MONTES CLASIFICACIÓN MEDIANTE TÉCNICAS NO DESTRUCTIVAS Y EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA ASERRADA DE CONÍFERAS DE GRAN ESCUADRÍA PARA USO ESTRUCTURAL TESIS DOCTORAL GUILLERMO ÍÑIGUEZ GONZÁLEZ Ingeniero de Montes 2007

2 DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN Y VÍAS RURALES ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MONTES Clasificación mediante técnicas no destructivas y evaluación de las propiedades mecánicas de la madera aserrada de coníferas de gran escuadría para uso estructural GUILLERMO ÍÑIGUEZ GONZÁLEZ Ingeniero de Montes Director FRANCISCO ARRIAGA MARTITEGUI Dr. Arquitecto 2007

3 Tribunal nombrado por el Magfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid, el día de de Presidente D. Vocal D. Vocal D. Vocal D. Secretario 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

4 Nagoreri

5 Índice Índice...i Índice de tablas...v Índice de figuras... vii Agradecimientos... 1 Resumen... 3 Summary Introducción Objetivos Antecedentes Madera libre de defectos y madera de tamaño estructural Madera de tamaño estructural: pequeña y gran escuadría Particularidades de las piezas de gran escuadría Determinación de las propiedades físicas y mecánicas de la madera aserrada estructural Técnicas no destructivas Clasificación de los métodos no destructivos Clasificación visual Métodos mecánicos Métodos acústicos Técnicas destructivas o ensayo mecánico estructural Densidad y contenido de humedad Ensayo de las propiedades en dirección paralela a la fibra...55 i

6 - Ensayo de las propiedades en dirección perpendicular a la fibra Ensayo de cortante Determinación de las propiedades mecánicas a partir de las propiedades más representativas Medios y equipos utilizados Laboratorio de Maderas del CIFOR-INIA Equipo humano Medios y equipos materiales Flexómetro, escuadra, trazador, galgas, etc Xilohigrómetro Equipo de ultrasonidos Equipo de vibración Pórtico de ensayos mecánicos Laboratorio de Maderas, Resinas y Corcho de la EU Ingeniería Técnica Forestal Equipo humano Medios y equipos materiales Flexómetro, calibre y taladro Cámara climática Xilohigrómetro Balanza Estufa Penetrómetro Equipo de arranque de tornillo Calibración de equipos y cálculo de incertidumbres Metodología Material de ensayo Desarrollo experimental Determinación de las propiedades físicas Contenido de humedad...83 ii

7 Densidad Clasificación visual Profundidad de penetración Resistencia al arranque de tornillo Tiempo de transmisión de la onda ultrasónica Frecuencia natural de vibración longitudinal Ensayo mecánico de flexión Módulo de elasticidad local Módulo de elasticidad global Tensión de rotura Análisis y discusión de resultados Clasificación visual Rendimientos de clasificación según la norma UNE 56544: Propiedades físicas y mecánicas por calidad visual Propuesta de modificación de las especificaciones de la norma UNE 56544: Densidad vs. profundidad de penetración y resistencia al arranque de tornillo Densidad local y global Profundidad de penetración Resistencia al arranque de tornillo Módulo de elasticidad vs. tiempo de transmisión y frecuencia de vibración longitudinal Módulo de elasticidad global Módulo de elasticidad local Tiempo de transmisión - velocidad de propagación de onda ultrasónica Frecuencia de vibración longitudinal - velocidad de propagación onda de presión Módulo de elasticidad estático vs. dinámico Módulo de elasticidad estático vs. velocidad iii

8 6.4. Tensión de rotura vs. tiempo de transmisión y frecuencia de vibración longitudinal Tensión de rotura a flexión Tensión de rotura a flexión vs. módulo de elasticidad dinámico Tensión de rotura a flexión vs. velocidad Corrección por nudosidad Tensión de rotura a flexión, módulo de elasticidad y densidad Efecto de tamaño en la resistencia a flexión Conclusiones y propuestas Clasificación visual Técnicas no destructivas Estimación de las propiedades físicas: densidad Estimación de las propiedades mecánicas: módulo de elasticidad y resistencia a flexión Propiedades físicas y mecánicas de la madera de gran escuadría Efecto del tamaño de la pieza y la especie Líneas futuras de investigación Estancias en otros Centros Bibliografía Libros y revistas Normativa Proyectos Fin de Carrera y Tesis Doctorales Sitios web Anexos Anexo A: Estadillo Anexo B: Leyenda de tablas resumen de resultados Anexo C: Tablas resumen de resultados iv

9 Índice de tablas Tabla 4.1 Incertidumbres de medida Tabla 5.1 Material de ensayo Tabla 5.2 Contenido de humedad de la madera con xilohigrómetro por especie y fase de ensayo Tabla 5.3 Diferencias entre los valores medios del contenido de humedad de la madera por especie medidos con xilohigrómetro y estufa Tabla 5.4 Especificaciones de la norma UNE 56544: Tabla 5.5 Rendimientos de clasificación conforme a la UNE 56544: 2003 por especie y calidad visual Tabla 6.1 Calidad visual por parámetro de clasificación Tabla 6.2 Propiedades físicas y mecánicas por especie, tamaño de sección y calidad visual según UNE 56544: Tabla 6.3 Rendimientos de clasificación después de la modificación I Tabla 6.4 Valor medio de las propiedades físicas y mecánicas después de la modificación I Tabla 6.5 Rendimientos de clasificación después de las modificaciones I y II Tabla 6.6 Valor medio de las propiedades físicas y mecánicas después de las modificaciones I y II Tabla 6.7 Tabla de especificaciones propuesta para la clasificación de piezas de sección rectangular con anchura b > 70 mm Tabla 6.8 Valor medio y coeficiente de variación de la densidad local y global por especie Tabla 6.9 Valor medio y coeficiente de variación de la profundidad de penetración por especie Tabla 6.10 Valor medio y coeficiente de variación de la fuerza de extracción por especie Tabla 6.11 Valor característico de la densidad calculado mediante la expresión del Eurocódigo 5 (EN : 2004/prA1) y comparativa Tabla 6.12 Valor medio y coeficiente de variación del módulo de elasticidad global por especie y tamaño de sección Tabla 6.13 Valor medio y coeficiente de variación del módulo de elasticidad global y local del pino radiata de sección 150x200 mm Tabla 6.14 Valor medio y coeficiente de variación de la velocidad de propagación de la lectura directa testa-testa y de la amplitud máxima por especie y tamaño de sección125 Tabla 6.15 Valor medio y coeficiente de variación de la velocidad de propagación de diferentes lecturas ultrasónicas en pino radiata de sección 150x200 mm Tabla 6.16 Valor medio y coeficiente de variación de la velocidad obtenida por vibración por especie y tamaño de sección Tabla 6.17 Valor medio y coeficiente de variación del módulo de elasticidad estático y dinámico por especie y tamaño de sección Tabla 6.18 Valor característico, valor medio y coeficiente de variación de la tensión de rotura por especie y tamaño de sección Tabla 6.19 Valor medio y coeficiente de variación de la nudosidad (CKDR) por especie v

10 y tamaño de sección Tabla 6.20 Valor medio y coeficiente de variación de la tensión de rotura, el módulo de elasticidad global y la densidad por especie Tabla 6.21 Coeficientes de determinación de las relaciones lineales entre las propiedades físicas y mecánicas de la madera Tabla 6.22 Resistencia característica a flexión para diferentes tamaños de la sección en madera de calidad ME Tabla 7.1 Especificaciones para la clasificación visual de piezas de sección rectangular con anchura b > 70 mm Tabla 7.2 Propiedades físicas y mecánicas de la madera de gran escuadría vi

11 Índice de figuras Figura 3.1 Extracción de probetas de ensayo: pequeñas y libres de defectos (izquierda), madera aserrada estructural y madera enteriza (derecha) Figura 3.2 Relación entre resistencia y duración de la carga. Curva de Madison Figura 3.3 Diferentes formatos de la madera. De derecha a izquierda: probeta libre de defectos, madera aserrada de pequeña y gran escuadría; y madera procedente de estructuras antiguas Figura 3.4 Relación entre resistencia y tamaño Figura 3.5 Parámetros no destructivos vs. Propiedades resistentes Figura 3.6 Equipo de clasificación mecánica por flexión (fuente: Metriguard, Inc.) Figura 3.7 Equipo de medición del tiempo de propagación de un impulso acústico (fuente: Metriguard, Inc.) Figura 3.8 Equipo de termografía por infrarrojos (fuente: Nippon Avionics, Ltd.) Figura 3.9 Imagen por rayos Gamma de un tronco de abeto (fuente: Divos, 2005a) Figura 3.10 Singularidades en madera aserrada Figura 3.11 Máquina de clasificación mecánica (CIFOR - INIA) Figura 3.12 Detalle del resistógrafo Figura 3.13 Salida gráfica del resistógrafo Figura 3.14 Equipo de penetración para hormigón (fuente: James Instruments, Inc.).. 29 Figura 3.15 Varilla clavada en la madera (fuente: Proceq) Figura 3.16 Esclerómetro para hormigón (fuente: James Instruments, Inc.) Figura 3.17 Máquina de arranque de tornillo (fuente: Fakopp) Figura 3.18 Perturbación originada por ondas P o longitudinales Figura 3.19 Equipo de ultrasonidos para hormigón (fuente: James Instruments, Inc.) 39 Figura 3.20 Técnica de ultrasonidos. Método de transmisión Figura 3.21 Métodos de lectura de ultrasonidos Figura 3.22 Palpador ultrasonidos (fuente: Fakopp) Figura 3.23 Detección de pudriciones internas mediante tomografía acústica (fuente: Divos, 2005a) Figura 3.24 Detalle de vibración longitudinal Figura 3.25 Detalle de vibración de flexión Figura 3.26 Detalle de vibración de torsión Figura 3.27 Dispositivo de ensayo para la determinación del E aparente Figura 3.28 Método de la luz variable Figura 3.29 Gráfica de los pares de valores Figura 3.30 Dispositivo de ensayo de tracción paralela a la fibra Figura 3.31 Dispositivo de ensayo de compresión paralela a la fibra Figura 3.32 Probetas para ensayo de tracción o compresión perpendicular a la fibra. 62 Figura 3.33 Dispositivo de ensayo de tracción o compresión perpendicular a la fibra. 63 Figura 3.34 Gráfico de carga/deformación en compresión perpendicular a la fibra Figura 3.35 Dispositivo de ensayo de cortante Figura 4.1 Detalle del trazador Figura 4.2 Detalle del xilohigrómetro vii

12 Figura 4.3 Sylvatest Duo...71 Figura 4.4 Probeta sobre el PLG Figura 4.5 Pórtico de ensayos hidráulico PFIB 600/300W Figura 4.6 Ensayo de flexión de la probeta PS-31-A Figura 4.7 Pórtico de ensayos electromecánico de 150W Figura 4.8 Pilodyn 6J Forest Figura 4.9 Equipo de arranque de tornillo (Screw Withdrawal Force Meter) Figura 5.1 Material de ensayo Figura 5.2 Transporte del material de ensayo al laboratorio Figura 5.3 Detalle de extracción de la rebanada Figura 5.4 Esquema de las posiciones de lectura radial y tangencial Figura 5.5 Detalle de la escala reglada del equipo de penetración Figura 5.6 Detalle del equipo de arranque de tornillo (MAT) Figura 5.7 Medición del tiempo de propagación de la onda ultrasónica en lectura directa testa-testa Figura 5.8 Amortiguación de la señal acústica (fuente: Aicher et al., 2002) Figura 5.9 Medición del tiempo de propagación de la onda ultrasónica en lectura directa cara-cara (izquierda) y lectura indirecta cara-cara (derecha) Figura 5.10 Equipo de medida de la frecuencia de vibración longitudinal y la masa Figura 5.11 Dispositivo de ensayo para la medición del módulo de elasticidad local.. 95 Figura 5.12 Gráfico fuerza / deformación en tramo elástico Figura 5.13 Dispositivo de ensayo para la medición del módulo de elasticidad global96 Figura 5.14 Dispositivo de ensayo para la medición de la tensión de rotura Figura 5.15 Diagrama de momentos flectores del ensayo de flexión Figura 6.1 Análisis del porcentaje de rechazo por parámetro de clasificación Figura 6.2 Análisis del porcentaje de rechazo por parámetro de clasificación para el pino radiata Figura 6.3 Análisis del porcentaje de rechazo por parámetro de clasificación para el pino silvestre Figura 6.4 Análisis del porcentaje de rechazo por parámetro de clasificación para el pino laricio Figura 6.5 Gráfico de medias del análisis de la varianza del módulo de elasticidad por calidad visual del pino radiata Figura 6.6 Histograma de frecuencias de la densidad global del pino radiata al 12 %110 Figura 6.7 Gráfico de medias del análisis de la varianza de la densidad global por especie Figura 6.8 Histograma de frecuencias de la profundidad de penetración radial Figura 6.9 Gráfico de medias del análisis de la varianza de la profundidad de penetración por especie Figura 6.10 Gráfico de valores observados frente a predichos de la densidad local (profundidad de penetración) Figura 6.11 Histograma de frecuencias de la fuerza de extracción tangencial Figura 6.12 Gráfico de medias del análisis de la varianza de la fuerza de extracción por especie Figura 6.13 Gráfico de valores observados frente a predichos de la densidad local viii

13 (fuerza de extracción) Figura 6.14 Histograma de frecuencias del módulo de elasticidad global al 12 % de toda la muestra Figura 6.15 Histograma de frecuencias del módulo de elasticidad global al 12 % del pino radiata Figura 6.16 Gráfico de medias del análisis de la varianza del módulo de elasticidad por especie Figura 6.17 Recta de regresión entre el módulo de elasticidad local y global del pino radiata de sección 150x200 mm Figura 6.18 Histograma de frecuencias de la velocidad de propagación de la onda ultrasónica en la lectura directa testa-testa del pino radiata al 12 % Figura 6.19 Histograma de frecuencias de la amplitud máxima de la onda ultrasónica en la lectura directa testa-testa del pino laricio Figura 6.20 Recta de regresión lineal entre la velocidad de ultrasonidos de la lectura directa testa-testa y directa cara-cara Figura 6.21 Histograma de frecuencias de la velocidad obtenida por vibración del pino silvestre Figura 6.22 Histograma de frecuencias del módulo de elasticidad dinámico obtenido por ultrasonidos Figura 6.23 Histograma de frecuencias del módulo de elasticidad dinámico obtenido por vibración Figura 6.24 Gráfico de medias del análisis de la varianza del módulo de elasticidad dinámico de ultrasonidos por especie Figura 6.25 Gráfico de medias del análisis de la varianza de la velocidad de vibración por especie Figura 6.26 Histograma de frecuencias de la tensión de rotura de toda la muestra Figura 6.27 Histograma de frecuencias de la tensión de rotura del pino radiata Figura 6.28 Gráfico de medias del análisis de la varianza de la tensión de rotura por especie Figura 6.29 Gráfico de valores observados vs. predichos de la tensión de rotura Figura 6.30 Relación de Diámetro de Nudo Concentrado (CKDR, Concentrated Knot Diameter Ratio) Figura 6.31 Recta de regresión lineal entre la tensión de rotura a flexión y el módulo de elasticidad global para toda la muestra Figura 7.1 Coeficientes de determinación, R 2, obtenidos entre cada variable no destructiva y la propiedad resistente estimada ix

14 Agradecimientos Como algún otro doctorando ya expresó, el desarrollo de una Tesis Doctoral puede describirse como un camino en soledad poblado de compañías. Por ello, mi deseo es que sirvan los siguientes párrafos como justo agradecimiento a todos aquellos que han compartido este periodo y experiencia conmigo. En estos cuatro años, muchas han sido las personas e Instituciones que han contribuido, en mayor o menor medida, de manera directa o indirecta, a la realización de este trabajo de investigación, de ahí que no pueda dedicarles unas palabras a todas ellas. Seguro que no están todas las que son, pero es seguro que son todas las que están. En primer lugar, agradezco el apoyo personal y profesional recibido por la Unidad Docente de Cálculo de Estructuras de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Montes de la UPM. De ellos, he aprendido lo que la palabra Docencia significa en su máximo exponente. En ese sentido, he de agradecer muy sinceramente: el ejemplo, la dedicación y el saber investigador y docente de mi director de Tesis, D. Francisco Arriaga, el cual, con su continua y cercana disponibilidad, siempre estuvo ahí cuando lo necesité. Por otro lado, agradezco el apoyo económico, material y administrativo recibido por el Ministerio de Educación y Ciencia, a través de su programa de becas doctorales de Formación de Personal Investigador (Proyectos de Investigación: AGL y AGL FOR). Esta beca FPI, me ha permitido desarrollar el doctorado de manera exclusiva, y disfrutar de estancias en otros Centros de Investigación y Organismos Superiores de Enseñanza. Agradezco al Laboratorio de Maderas del INIA, el poder haberme introducido en el mundo del laboratorio por la puerta grande. Su experiencia y labor investigadora en el campo de la construcción con madera, es difícilmente comparable a ninguna otra en España. Sin la ayuda inestimable y los gratos momentos vividos con ellos, la dura campaña de ensayos no hubiese sido posible. De igual modo, he de agradecer al Laboratorio de Maderas, Resinas y Corcho de la EUIT Forestal, su disponibilidad y buen hacer. Igualmente, resulta inestimable la experiencia adquirida en la Asociación de Investigación Técnica de las Industrias de la Madera y corcho (AITIM). Les agradezco el haberme dado la oportunidad de conocer y compartir con ellos el mundo real de la madera, con su problemática y paisanaje. Las enseñanzas aprendidas y vividas, han contribuido muy positivamente a que las conclusiones de esta Tesis puedan, si procede, llevarse fácilmente al sector de la madera. 1

15 Una parte muy importante del doctorado se ha desarrollado fuera del grupo de trabajo habitual, de ahí que no pueda dejar de agradecer y valorar la solidaridad y hospitalidad con la que todos los grupos de trabajo a los que me unido, me han dispensado. La gran cantidad de personas conocidas y experiencias vividas, han hecho de este trabajo unas vacaciones. Agradezco al Laboratorio de Técnicas No Destructivas en Madera (Roncsolásmentes Faanyagvizsgálati Laboratórium) de la Universidad del Oeste de Hungría, Sopron; al Departamento de Tecnología de la Madera (Department of Wood Science) de la Universidad de la Columbia Británica, Canadá, y al Departamento de Construcción e Ingeniería de la Madera (Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktion) de la Universidad Técnica de Munich, Alemania, el buen acogimiento y las enseñazas recibidas. Como suele decirse: last but not least, mi más profundo agradecimiento a toda mi familia, por su incondicional apoyo e interés en toda tarea que inicio, por loca que ésta sea. Valga como ejemplo, una Tesis Doctoral. 2

16 Resumen En el presente trabajo de investigación se recogen los análisis, resultados y conclusiones obtenidos mediante la clasificación visual y aplicación de otras técnicas no destructivas, junto a la evaluación de las propiedades mecánicas, de madera aserrada de coníferas de gran escuadría para uso estructural. La muestra de estudio consistió en un total de 395 piezas de madera aserrada estructural, con dimensiones transversales entre 150x200 mm y 200x250 mm, y de las siguientes especies de coníferas: pino radiata (Pinus radiata D. Don), pino silvestre (Pinus sylvestris L.) y pino laricio (Pinus nigra subsp. salzmannii (Dunal) Franco). Se ha realizado la clasificación visual de toda la muestra conforme a las disposiciones descritas por la norma UNE 56544: 2003, registrando los diferentes parámetros de clasificación que explican cada calidad visual asignada. El alto porcentaje de rechazo obtenido, del orden del 43 %, junto con la baja predicción de las propiedades resistentes de los grupos de calidad obtenidos, justifican la necesidad de una modificación de la normativa actual, al menos en lo que se refiere a las piezas de gran escuadría. La situación normativa en otros países, añadida a la experiencia recogida en trabajos previos de investigación, así lo avalan. Con esta situación, se propone la revisión de las limitaciones de los parámetros de clasificación y se justifica la creación de una clase visual única: MEG (Madera Estructural Gruesa), para las piezas de anchura mayor de 70 mm. Se aconseja limitar la longitud de las bolsas de resina y entrecasco a 1,5 veces la altura de la sección, h; y el tamaño de nudo de cara, a 2/3 de h. Igualmente se abandona el concepto de nudo de margen. Por otro lado, la aplicación de las técnicas no destructivas (penetrómetro, arranque de tornillo, ultrasonidos y vibración inducida) ha validado y reforzado las ideas sobre precisión, portabilidad y facilidad de empleo de estos métodos. Los valores de estimación alcanzados con coeficientes de determinación, R 2, de: 0,64, para la densidad; 0,76, para el módulo de elasticidad; y 0,68, para la resistencia; confirman su futuro prometedor como herramientas no destructivas para la estimación de las propiedades resistentes de la madera aserrada estructural. Finalmente, no se observa en las variables resistentes una tendencia clara según el tamaño de la sección de los lotes estudiados. Igualmente, se hace una comparación con los resultados alcanzados para esas especies, con los datos obtenidos de otros estudios con probetas de menor escuadría. 3

17 Summary This research work contains the results, analysis and conclusions obtained by means of visual grading and application of several non-destructive tests, together with the evaluation of mechanical properties, of large cross-section sawn coniferous timber for structural use. The study sample consisted of a total of 395 pieces of sawn timber, with cross-sections from 150 x 200 mm to 200 x 250 mm, and of the following species of coniferous: radiata pine (Pinus radiata D. Don), Scots pine (Pinus sylvestris L.) and laricio pine (Pinus nigra subsp. salzmannii (Dunal) Franco). The whole sample was visually graded according to the regulations contained in the UNE 56544: 2003 standard, recording the different grading parameters which explain each one of the visual qualities assigned. The high percentage of rejection, at approximately 43 %, together with the low rate of prediction of the strength properties of the quality groups obtained, justify the need for current standards to be modified, at least regarding large cross-section timber. The standards used in other countries and the experience gained in previous research work show this to be necessary. In this situation, it is proposed that the limitations of the grading parameters be revised, justifying the creation of a single visual class: MEG, for pieces with a width greater than 70 mm. It is advisable that the length of resin and bark pockets be limited to 1.5 times the height of the section, h; and that the size of facial knots be limited to 2/3 h. The concept of marginal knots should be abandoned. On the other hand, the use of non-destructive testing techniques, such as the penetrometer, screw withdrawal, ultrasound and vibration has validated and added to the perception that these methods are exact, portable and easy to use. The estimated values attained with a coefficient of determination, R 2, of approx.: 0.64 for density; 0.76 for the elasticity modulus and 0.68 for strength. These confirm their promising future as non-destructive tools for estimation of the strength properties of sawn structural timber. Finally, no clear tendency was observed in the strength variables depending on the size of the cross-section of the batches studied. A comparison is made with the results obtained for the species in question, using the data obtained for them with smaller cross-section test pieces. 4

18 Introducción 1. Introducción En la actualidad, entre otras razones por la reciente puesta en vigor de la Ley de Ordenación de la Edificación y del Código Técnico de la Edificación, una de las más fuertes exigencias en el sector de la construcción, es la encaminada a satisfacer la creciente demanda de garantías en todos los aspectos relacionados con la calidad, entendida en el más amplio de sus significados, y con la seguridad de los edificios; así como lo relativo a la durabilidad. Como es lógico, la construcción con madera no resulta ajena a esta tendencia. Una rápida descripción del sector de la construcción con madera, partiría del hecho constatado del abandono progresivo de la madera como material estructural, y su resurgimiento como material de acabado. Como consecuencia, también ha sufrido el abandono de los oficios propios de la carpintería de armar. Estas deficiencias se hacen evidentes desde la fase de proyecto, hasta la fase de ejecución de cualquier obra con madera, desde la falta de conocimiento y de herramientas de trabajo para los técnicos, hasta la falta de mano de obra cualificada para el levantamiento de las estructuras de madera, pasando por el suministro del material, los controles de calidad, etc. Sin embargo, también se puede constatar un aumento significativo de actividad en el sector, tanto en obra nueva como en restauración y rehabilitación. Por ello, las carencias y la demanda detectada entre los diferentes profesionales y empresas relacionadas, así como la ausencia de respuesta a dichas cuestiones, constituyen la principal motivación de este trabajo de investigación. Podría decirse, que las deficiencias detectadas están casi siempre relacionadas con la dificultad para evaluar las propiedades mecánicas y resistentes de la madera como material estructural. En la actualidad, en nuestro país existen normas de clasificación visual (UNE 56544: 2003, para coníferas; UNE 56546: en fase de información pública, para frondosas (actualmente sólo para el eucalipto)) cuyo uso, aunque aún no está muy extendido, empieza a encontrar implantación en la industria. Sin embargo, estas normas de clasificación del material están basadas en investigaciones llevadas a cabo sobre piezas estructurales de madera de pequeña escuadría (100x40 mm hasta 200x70 mm), no resultando adecuadas, en términos de rendimiento y predicción de las propiedades mecánicas, para las piezas de madera aserrada de gran escuadría. Por otro lado, el creciente desarrollo y empleo de otras técnicas no destructivas de 5

19 Introducción evaluación de las propiedades de la madera, justifican su utilización como técnicas complementarias, e incluso en algunos casos, sustitutorias de la clasificación visual. Sus excelentes resultados se están haciendo notar en la rápida implantación, tanto en líneas de producción (aserraderos, fábricas de madera laminada, etc.) como en la inspección de estructuras existentes. En este sentido, la estimación de las propiedades resistentes de la madera de gran escuadría, cuya clasificación mecánica por máquina no es posible debido a las dimensiones de la sección transversal, tiene en las técnicas de ultrasonidos o de vibración, un futuro muy halagüeño. De ahí, que en este trabajo de investigación se pretenda, por un lado, evaluar la norma de clasificación visual vigente aplicada a piezas de gran escuadría, y por otro, analizar una serie de técnicas no destructivas portátiles (ultrasonidos, análisis de vibraciones, métodos de penetración y resistencia al arranque de tornillo), con idea de aportar pautas y variables de clasificación de madera, objetivas y eficaces, basadas en el grado de predicción de cada una de las propiedades, y aplicables tanto en aserradero como en obra. Además, mediante el ensayo mecánico, se obtienen los valores de las propiedades mecánicas de la madera de coníferas de gran escuadría habitualmente utilizada en las estructuras de nuestro país. Contribuyendo al conocimiento más profundo del material y complementando los trabajos de investigación anteriormente desarrollados en esta línea. La Tesis Doctoral queda, pues, justificada desde los siguientes puntos de vista: - La necesidad de complementar el Código Técnico de la Edificación (CTE), en lo que hace referencia al Capítulo 1 (Materiales), y más en concreto, en la prescripción de la calidad en madera aserrada (llegando a proponer una modificación en la normativa vigente de clasificación, que contemple a la gran escuadría como un grupo diferenciado). - La necesidad de establecer otras metodologías de clasificación y analizar diversas tecnologías de aplicación, en la evaluación resistente de madera, tanto colocada en obra como suministro, necesarias para cumplir con lo establecido sobre el control de la estructura en el CTE y servir de apoyo a las Inspecciones Técnicas de Edificios (ITEs). - Aportar una sustancial mejora en el conocimiento de la madera como material de construcción, en general, y analizar el efecto del tamaño de la sección, en particular. - Potenciar y afianzar el creciente mercado de la madera aserrada estructural, eliminando las reticencias de tipo técnico que el uso de este material pueda generar por la ausencia de una normativa clara que regule su calidad. 6

20 Introducción - Ampliar el conocimiento y uso de algunas técnicas no destructivas, como son los ultrasonidos, el análisis de vibraciones, los métodos de penetración y la resistencia al arranque de tornillo. Evaluando su capacidad como estimadores de las propiedades mecánicas del material. De acuerdo con lo anteriormente expuesto, la realización del presente estudio de investigación es necesaria pero además oportuna, ya que estamos en el tramo de implantación de toda la normativa sobre construcción en madera y fiabilidad estructural, normativa que quedaría incompleta si no se incluyera una norma de evaluación de la calidad estructural de la madera de grandes escuadrías. Además de la inmediata obligatoriedad del Marcado CE de la madera aserrada estructural, el 1 de Septiembre de 2007, por la Directiva de Productos de la Construcción. 7

21 Objetivos 2. Objetivos El objetivo principal de este trabajo de investigación es la clasificación mediante técnicas no destructivas y la evaluación de las propiedades mecánicas, de la madera aserrada de coníferas de gran escuadría de uso estructural. Todo ello, orientado hacia su aplicación en la evaluación de la calidad del material, además de en aserradero y en obra nueva, en estructuras existentes y obras de restauración o rehabilitación. Para ello, se ha procedido a la aplicación y al análisis de diversos métodos no destructivos, entre los que se encuentra la clasificación visual, y a la evaluación de las propiedades resistentes mediante ensayo mecánico, de un lote de madera aserrada de conífera de gran escuadría, formada por las especies y secciones más habituales en construcción. Los valores reales de las propiedades físicas y mecánicas de la madera, son contrastados con los valores estimados mediante las diversas técnicas no destructivas; analizándose el grado de predicción y las ventajas e inconvenientes de la aplicación de cada uno de los métodos. Como objetivos específicos podemos destacar: - La evaluación de los resultados de la clasificación visual conforme a la norma UNE 56544: 2003, realizada sobre piezas de gruesa escuadría. Optimización del método mediante una propuesta de modificación de la norma que se ajuste a las singularidades del tamaño de sección. - El estudio de aplicabilidad y ajuste para gruesa escuadría de diferentes técnicas no destructivas: penetrómetro, arranque de tornillo, ultrasonidos y vibración inducida. Análisis del grado de predicción y presentación de modelos de ajuste. - El análisis de las propiedades físicas y mecánicas de la madera de conífera de gruesa escuadría, y estudio del efecto del tamaño de sección. - La evaluación de la utilización de la clasificación visual y otras técnicas no destructivas con el fin de mejorar la predicción de las propiedades resistentes de la madera. Con ello, se pretende contribuir al conocimiento más profundo del material, y complementar los trabajos de investigación anteriormente desarrollados en esta línea. Para la consecución de estos objetivos, el presente estudio se llevó a cabo sobre una muestra de madera formada por un total de 395 piezas de madera aserrada estructural, de las siguientes especies de coníferas: pino radiata (Pinus radiata D. Don), 8

22 Objetivos pino silvestre (Pinus sylvestris L.) y pino laricio (Pinus nigra subsp. salzmannii (Dunal) Franco). El material de ensayo procede de muestras representativas de madera estructural, con dimensiones transversales entre 150x200 mm y 200x250 mm. Antes de proceder al diseño del experimento y el posterior desarrollo experimental, se realizó un profundo estudio bibliográfico basado en la madera de gran escuadría, clasificación y singularidades. Tanto, la búsqueda centrada en documentos especializados en el tema, como la asistencia a congresos y conferencias nacionales e internacionales relacionados, ha permitido conocer de cerca las técnicas no destructivas hoy vigentes, y el estado actual en materia de clasificación. Una vez seleccionado el material de ensayo y haciendo uso de la metodología y principios seleccionados, tanto normalizados como en fase experimental, se procedió al estudio completo de toda la muestra. Aplicando, en primer lugar, toda la batería de ensayos correspondientes a la aplicación de las diversas técnicas no destructivas y la clasificación visual. Cuyo objetivo era registrar las variables que luego serían utilizadas como estimadores. Posteriormente, se ensayaron mecánicamente las probetas midiendo las propiedades resistentes. De esta forma, se alcanza el objetivo de conocer las propiedades reales de la madera de gran escuadría. Y, analizar, el posible efecto de tamaño de la sección. Con ambos grupos de resultados, parámetros directos e indirectos, se plantean los modelos de regresión que servirán para estimar y clasificar futuros lotes de madera de gruesa escuadría. Conociendo el grado de acierto y error al aplicar cada una de las técnicas. La investigación experimental, y posterior desarrollo de la Tesis Doctoral, se ha visto fuertemente influenciada y enriquecida por las estancias disfrutadas por el doctorando en Centros de Investigación y Organismos Superiores de Enseñanza, fuera de su grupo de trabajo habitual. Más de la mitad de los cuatro años de trabajo, ha estado en contacto con personas y centros de primera línea en lo que se refiere a esta disciplina. Ya que entre los objetivos secundarios buscados, estaba alcanzar la perspectiva más amplia posible sobre la línea investigadora desarrollada. Por otro lado, entre las líneas futuras de investigación se abre un amplio abanico de posibilidades y campos en los que es necesario un mayor conocimiento en relación a la madera de gran escuadría, en general, y a las técnicas no destructivas, en particular. La ampliación de la base de datos de piezas de gran escuadría clasificadas visualmente, contribuirá a refrendar las propuestas de modificación de la norma, aquí introducidas. 9

23 Objetivos El estudio en profundidad y por separado de cada una de las técnicas no destructivas planteadas, incidiendo en los conceptos físicos básicos de funcionamiento de cada una de ellas, permitirá encontrar nuevas variables no destructivas que puedan ser utilizadas como estimadores de las variables. 10

24 Antecedentes 3. Antecedentes 3.1. Madera libre de defectos y madera de tamaño estructural La madera es un material heterogéneo debido a su estructura fibrosa y a la presencia de irregularidades en su estructura; la más evidente es la presencia de nudos que son consecuencia de la existencia de ramas en el árbol. Un nudo supone una discontinuidad en el material y una desviación local de las fibras muy importante. Las propiedades mecánicas de la pieza de madera con nudos quedan reducidas notablemente. Es fácil entender que para el estudio de las propiedades mecánicas de la madera se pueden plantear dos alternativas. La primera de ellas, consiste en el estudio del material libre de singularidades o defectos (nudos, desviación de la fibra y otros). Lógicamente las piezas de este material tienen que ser de reducidas dimensiones para evitar la presencia de singularidades; este formato se denomina: probetas pequeñas y libres de defectos. En las normas de los países europeos como, por ejemplo, la UNE 56537: 1979, la sección transversal de las probetas es de 20x20 mm (50x50 mm en la norma norteamericana ASTM D143-94: 2000), y la longitud de 300 mm (750 mm en la norma ASTM D143-94: 2000). La otra alternativa, es el estudio del material en probetas del mismo tamaño que las piezas que se comercializan, lo que supone la presencia de singularidades. Su tamaño es prácticamente el mismo que el que se emplea en su aplicación estructural. La denominación de este formato es el tamaño estructural o tamaño comercial. Evidentemente, las propiedades mecánicas así obtenidas son mucho más reducidas que las calculadas a partir de probetas pequeñas y libres de defectos. El procedimiento de obtención de las propiedades físicas y mecánicas de la madera hasta la década de los 70 del siglo pasado, se basaba en el ensayo de probetas pequeñas y libres de defectos. Los métodos de cálculo de estructuras de madera seguían el formato de las tensiones admisibles del material. Esta tensión admisible o resistencia se obtenía a partir de un percentil (normalmente el 5 %) de la distribución normal de la resistencia, al que se aplicaban una serie de ajustes por duración de la carga, humedad, altura de la sección, calidad y coeficiente de seguridad global. A partir de los años 70, este procedimiento se pone en cuestión como sistema válido para predecir el comportamiento de la madera de tamaño estructural y con defectos, de las diferentes calidades comerciales. 11

25 Antecedentes El Profesor Madsen, del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de la Columbia Británica, en Canadá, llevó a cabo un extenso estudio experimental con el objetivo de comprobar la validez de dicho sistema (Madsen, 1992). Sus resultados dejaban claro que el procedimiento desarrollado hasta entonces se alejaba, en muchos casos, de la realidad, y por tanto, era necesario un cambio de planteamiento. Por otro lado, la suposición de que la distribución estadística de las variables era normal, daba lugar a resultados demasiado conservadores, y en muchos casos otras distribuciones no simétricas resultaban mucho más precisas. En la figura 3.1, se muestra el diferente planteamiento que tiene la investigación con probetas pequeñas y libres de defectos frente a las de madera de tamaño estructural, que arranca desde la obtención de las probetas del fuste del árbol. Figura 3.1 Extracción de probetas de ensayo: pequeñas y libres de defectos (izquierda), madera aserrada estructural y madera enteriza (derecha) Las piezas pequeñas se extraen con la fibra recta y libres de defectos, de rebanadas obtenidas a varios niveles de altura en el fuste y, generalmente, con diferentes orientaciones con el fin de estudiar su influencia en las propiedades físicas y mecánicas. Su objetivo se centra más en el estudio científico de la madera que produce el árbol. Sin embargo, en la parte derecha de la figura se observa cómo la madera aserrada estructural, que contendrá defectos y singularidades del árbol, da lugar a varias piezas en cada troza. Si la pieza es de gran escuadría normalmente es enteriza (contiene el 12

26 Antecedentes corazón) y se obtiene una pieza por troza. Igualmente, la relación entre resistencia y duración de la carga expresada en la denominada Curva de Madison, deducida en los años 50 por Lyman W. Wood (Wood, 1951), figura 3.2, resultaba ser conservadora en el caso de madera estructural para cargas de duración menor a 1 año, y contra la seguridad, para cargas de mayor duración. Figura 3.2 Relación entre resistencia y duración de la carga. Curva de Madison En el sistema de probetas pequeñas y libres de defectos, el efecto de la calidad de la madera se introducía mediante unos factores de corrección de la resistencia en función de la calidad de la pieza comercial. Esta corrección era la misma para casi todas las especies, lo que suponía una simplificación que se alejaba de la realidad. Los trabajos experimentales concluían que este procedimiento no era válido (Madsen, 1992). En la figura 3.3, se muestran las diferencias que existen en los diferentes formatos de las probetas de madera. Las piezas de dimensiones pequeñas (20x20 mm) están libres de defectos y tienen la fibra recta. La madera aserrada estructural con escuadrías pequeñas comerciales (50x150 a 70x200 mm, aproximadamente) contiene los defectos y singularidades de la calidad de madera correspondiente. La madera de gran escuadría (del orden de 150x200 mm) presenta una relevancia mucho mayor de las fendas de secado y suelen ser piezas enterizas. Finalmente, la madera de gran escuadría y procedente de estructuras antiguas, contiene con frecuencia grandes gemas en sus aristas y secciones muy irregulares. 13

27 Antecedentes Figura 3.3 Diferentes formatos de la madera. De derecha a izquierda: probeta libre de defectos, madera aserrada de pequeña y gran escuadría; y madera procedente de estructuras antiguas 3.2. Madera de tamaño estructural: pequeña y gran escuadría En la actualidad, la caracterización de la madera estructural se realiza mediante ensayos en probetas con tamaño estructural y con la calidad comercial correspondiente. En el caso de Europa, los ensayos para la determinación de las propiedades mecánicas se realizan de acuerdo con la norma UNE-EN 408: 2004, y el procedimiento de estimación de los valores característicos, de acuerdo con la norma EN 384: Los valores característicos de las propiedades mecánicas que se obtienen para cada calidad, quedan asignados en un sistema de clases resistentes definido en la norma UNE-EN 338: 2003; con el fin de simplificar el manejo de la gran diversidad que supondría considerar las combinaciones de especie, procedencia y calidad. Sin embargo, la resistencia de la madera depende, entre otros factores, del tamaño de la pieza. Esta particularidad del material que se conoce por efecto de tamaño, supone otra complicación añadida en el proceso de caracterización y de cálculo, si se compara con otros materiales. El efecto de tamaño ha sido estudiado y sobre todo, experimentado en la madera, desde la segunda década del siglo pasado. 14

28 Antecedentes Los primeros estudios sobre el efecto del tamaño en la resistencia de la madera fueron realizados por Newlin y Trayer en los años 20 (Newlin et al., 1924). En 1947, Dawley y Youngquist continuaron esos trabajos analizando la relación en vigas con altura de la sección de hasta 400 mm. Estas experiencias fueron publicadas por Freas y Selbo en 1954 (Freas et al., 1954), y sus conclusiones fueron recogidas en la normativa de cálculo de los Estados Unidos de América como factor de altura para el ajuste de la resistencia a flexión. Hasta ese momento, los trabajos sobre el efecto del tamaño de la pieza se basaban en el estudio de la influencia del canto de la pieza (o altura de la sección). Sin embargo, en 1939 Weibull (Weibull, 1939) había propuesto una teoría con carácter más amplio sobre el efecto del tamaño basada en la concepción estadística de la resistencia. Las bases de esta teoría se fundamentan en el hecho de que existe una mayor probabilidad de que haya una zona de baja resistencia en una pieza de gran volumen frente a una pieza de pequeño volumen. Su generalidad se asienta en que la relación se establece entre resistencia y volumen, en lugar de entre resistencia y altura de la sección. Se denomina teoría del eslabón más débil, y supone que el fallo de la pieza se produce cuando la tensión alcanza el mismo valor, que la tensión que produciría el fallo del elemento más débil contenido en su volumen si se ensayara independientemente. Esta hipótesis se cumple en materiales con un comportamiento frágil. En los materiales de comportamiento dúctil, su validez es menor, ya que cuando una parte de la pieza alcanza la tensión máxima es posible una redistribución de las tensiones alcanzando cargas de rotura mayores. Esta teoría del eslabón más débil fue aplicada por primera vez a la madera por Bohannan en los años 60, estudiando la influencia del tamaño en la resistencia a flexión (Bohannan, 1966). Sin embargo, en su trabajo encontró un ajuste mejor con los resultados experimentales si en lugar de utilizar el volumen de la pieza, empleaba simplemente la longitud de la pieza y la altura de la sección. En 1974, el Profesor Barrett de la Universidad de la Columbia Británica en Vancouver, Canadá, comprobó el efecto del tamaño en la resistencia a tracción perpendicular a la fibra en madera de pino Oregón (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco), (Barrett, 1974); y en 1976, Mau constató un efecto más acentuado en la madera laminada encolada (Mau, 1976). La resistencia a cortante también mostraba cierta dependencia del tamaño de la pieza, como observaron Foschi y Barrett en sus trabajos de investigación (Foschi et al., 1975). En las piezas sometidas a tracción, el esfuerzo axil suele ser constante a lo largo de la longitud de la pieza. Por tanto, cualquier sección se encuentra sometida a la misma tensión y el fallo se producirá en la sección más débil. 15

29 Antecedentes Es fácil entender que cuanto mayor sea la longitud de la pieza mayor será la probabilidad de encontrar el defecto pésimo de la calidad de la madera, y por tanto, el valor característico de la resistencia será menor. La sección más débil lo será por la existencia de singularidades, como nudos, que suponen una discontinuidad de las fibras, y por tanto un aumento de la tensión; o bien, por la desviación de la fibra, que conduce también a una disminución de la resistencia (Lam et al., 1990). En las piezas sometidas a flexión la situación es algo más compleja. Si sobre un conjunto de piezas de madera de la misma calidad estructural, se realizan ensayos de rotura a flexión y se divide la muestra en dos lotes, uno con luz mayor que el otro, se obtiene un valor característico de la resistencia mayor en las piezas más cortas. Normalmente, la ley de momentos flectores es variable a lo largo de la longitud y los valores máximos se alcanzan en unas zonas determinadas. Además, la distribución de las tensiones debidas a la flexión da lugar a una ley triangular en la que los valores máximos se alcanzan en las fibras extremas de la sección. Por tanto, la probabilidad de que los defectos más graves queden situados en la zona de mayor tensión, es más baja cuanto más pequeña sea la pieza. En esta situación, la resistencia obtenida depende de la disposición de las cargas, además del tamaño. En el caso de las piezas sometidas a compresión, la situación es parecida al caso de la tracción, pero con algunas particularidades. El fallo por compresión, sin posibilidad de pandeo, presenta un comportamiento mucho más dúctil que el fallo por tracción, de comportamiento frágil. Por tanto, una sección sometida a una tensión de compresión elevada a causa de los defectos existentes, puede admitir más carga al plastificarse parcialmente la sección. Por esta razón, el efecto del tamaño es menos marcado en la compresión. Si se ensayan a rotura dos grupos de piezas de diferentes tamaños (S1; S2), y se obtienen los valores característicos de las resistencias (f1; f2), respectivamente. La diferencia del tamaño puede deberse a la altura de la sección (h), a la longitud de la pieza (l) o a su volumen (V). La relación que existe entre el tamaño y la resistencia puede expresarse como una relación lineal de sus logaritmos, figura

30 Antecedentes Figura 3.4 Relación entre resistencia y tamaño Se define como parámetro del efecto del tamaño, la pendiente de esa relación lineal: logf g = logs 1 2 logf 2 logs 1 La relación, k, entre las resistencias para cada tamaño es, por tanto: f k = f 1 2 S = S 2 1 g Los Profesores Madsen y Barrett resumen los resultados obtenidos en sus numerosos trabajos de investigación respecto al parámetro del efecto de tamaño (Madsen et al., 1986; 1992; Barrett et al., 1994; 1995), y proponen los siguientes valores para cada propiedad: En la resistencia a la flexión, el efecto de la longitud da lugar a un valor de g = 0,17 a 0,20. Para la altura de la sección no parece detectarse este efecto. No obstante, la relación entre luz y altura de la sección es prácticamente constante en las piezas estructurales en flexión, con lo que el parámetro puede considerarse el mismo para ambas dimensiones. El efecto de la anchura no se aprecia en la madera limpia, pero en el caso de la madera comercial con singularidades, el fenómeno es contrario a la longitud, de manera que a mayor anchura la resistencia aumenta. El parámetro se estima como g = -0,23. En la resistencia a la tracción paralela a la fibra, el efecto de la longitud es, aproximadamente, g = 0,18; con lo que es aceptable unificarlo con el 0,20 de la flexión. Para la altura, se sugiere un factor de 0,10. 17