Ultrasonidos y parámetros de clasificación visual para la caracterización de madera estructural de Populus x euramericana I-214.

Transcripción

1 Ultrasonidos y parámetros de clasificación visual para la caracterización de madera estructural de Populus x euramericana I-214. Milagros Casado Luis Acuña Daniel Vecilla Dr. Profesor Titular. Dep. Ing. Agrícola y Forestal Dr. Profesor Titular. Dep. Ing. Agrícola y Forestal Investigador. Dep. Ing. Agrícola y Forestal Univ. de Valladolid (Palencia, España) Univ. de Valladolid (Palencia, España) Univ. de Valladolid (Palencia, España) milac@iaf.uva.es maderas@iaf.uva.es vecilla@iaf.uva.es L. Alfonso Basterra Enrique Relea Gamaliel López Catedrático, Dep. Construc. Arquitectónicas Contra. Doctor. Dep. Ing. Agrícola y Forestal Contra. Doctor. Dep. Construc. Arquitectónicas ETSA. Univ. Valladolid. España E.T.S.II.AA. Univ. Valladolid. España E.TSA. Univ. Valladolid. España basterra@arqu.uva.es erelea@iaf.uva.es gama@arq.uva.es Palabras clave - populus, ultrasonidos, clasificación visual. Keywords - Poplar, ultrasonic methods, visual classification. RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados de los ensayos realizados sobre 338 piezas de Populus x euramericana I-214. La muestra está compuesta por las secciones más comercializadas para uso estructural: 130 x 50, 150 x 80 y 200x100 mm. Se analiza la eficiencia de clasificación mediante técnicas no destructivas con ultrasonidos combinados con criterios de clasificación visual y contrastando los resultados con ensayos de flexión según norma EN 408. Se analiza cuales son las principales singularidades presentes en la madera estructural de chopo que suponen su clasificación como rechazo según normas de clasificación visual. Los resultados del trabajo muestran que el empleo de ultrasonidos como método de clasificación de la madera aserrada de Populus x euramericana I-214 sobreestiman su calidad. Se proponen funciones de predicción de la elasticidad de la madera para cada método de ensayo en función de la velocidad de la onda ultrasónica añadiendo como variables independientes; la densidad de la madera, el diámetro relativo del nudo máximo en cara y canto y espesor de los anillos de crecimiento que explican el 68% de la variabilidad del módulo de elasticidad a flexión. Finalmente se constata que la 1

2 madera de chopo del clon I-214 tiene una resistencia a flexión aceptable, pero su módulo de elasticidad es bajo. Por consiguiente, su destino como madera estructural sería posible en las clases resistentes inferiores de la norma EN 338: C14 y C16. ABSTRACT This paper present the results of the tests realized on 338 pieces of Populus x euramericana I-214 of the most commercialized sections for structural use: 150 x 50, 150 x 80 and 200x100 mm. The efficiency of classification is analyzed by means of not destructive technologies like ultrasounds and induced vibrations combined with criteria of visual classification, pseudo not destructive tests like the screws extractor and confirming the results with bending tests according to norm EN 408. It is analyzed which are the principal singularities in the structural poplar wood of which suppose his classification as rejection according to the visual classification. The result shows that for the wood of Populus x euramericana I-214 ultrasonic methods overestimate the quality of the wood. We propose functions of prediction of the elasticity of the wood for every testing method depending on the speed of the ultrasonic wave adding as independent variables; the density of the wood, the relative diameter of the maximum knot in face and edge and thickness of the growing rings, that explain 68 % of the variability of the module of elasticity to flexion. Finally, we conclude that the poplar wood of the clown I-214 has a acceptable resistance to flexion, but his module of elasticity is low. Consequently, his destination like structural wood is only possible in the low resistant classes of the norm EN 338: C14 & C Introducción La gran difusión del cultivo del chopo se debe a su rápido crecimiento y a la capacidad de adaptación a diferentes condiciones de suelo y clima, es por esto, por lo que el cultivo del chopo va en aumento en toda Europa. La superficie ocupada con plantaciones de chopos en España supera las hectáreas aproximadamente; el 50% se encuentra en la cuenca del Duero y el 25% en la cuenca del Ebro. Las piezas ensayadas en el presente trabajo corresponden a plantaciones de estas dos cuencas. En Castilla y León se cultivan ha y es la primera región española en cuanto a producción de madera de chopo, en 2006 se cortaron m 3 de madera lo que representa el 62% de total nacional (M.A.P.A 2008.). Actualmente la madera de chopo, aunque pueda ser aplicada a usos muy diversos, se encuentra limitada a fines no estructurales por falta de una norma de clasificación para esta especie. Si bien en la norma UNE (UNE 56544:1997) se incluía junto a las coníferas, ya que inicialmente sus valores elastomecánicos son sensiblemente semejantes a ellas, en las siguientes versiones de la norma este género fue excluido. La madera de chopo no es una desconocida en aplicaciones estructurales; aún podemos encontrar en la actualidad importantes muestras de su utilización desde hace siglos, siendo un claro ejemplo de ello su uso en La Alhambra de Granada; sin embargo fue en el medio rural, cercano a vegas y riberas, donde esta madera más se utilizó. Hoy en día, se vienen realizando algunos trabajos de restauración con esta madera, especialmente en Italia ( Sala delle feste Castello del Valentino - Turín, XVIII; Teatro Verdi - Pisa, XIX, entre otros) (Castro, C. 2007) donde el uso del chopo fue habitual en los siglos XVII a XIX debido a la baja densidad del material, a su buena estabilidad dimensional y, esencialmente, a su abundancia en las zonas cercanas a las poblaciones. En la última década se ha estudiado el comportamiento del chopo en nuevos productos estructurales como el LVL (Castro G. et al 2003; Castro G. et al. 2004; Castro et al 2008) y a nivel nacional existe una empresa que comercializa LSL con madera de chopo. La caracterización actualizada de la madera de chopo puede garantizar un aumento del empleo de esta especie para uso estructural. 2

3 El desarrollo de las mediciones por ondas en la madera se remonta a mediados del siglo pasado. A comienzos de los años ochenta aparecen multitud de artículos científicos relacionados con el tema y es durante los últimos veinte años cuando numerosos investigadores han utilizado esta técnica para determinar las propiedades elásticas de la madera con distinto grado de acierto (Castro, G. et al 2004; Castro, G. et al 2008; Bucur, V 1984); Sandoz, J.L. 1989); Sandoz, J.L. et al 2000; Hernández, R. E. et al 1998; Acuña, L. et al, 2006; Conde, M. et 2007; Basterra, L. et al 2009). La aplicación de vibraciones inducidas con fines de clasificación de madera también comenzó a estudiarse en el siglo pasado: Karsulovic y León (Karsulovic, J. T. et al 2009) analizaron la impedancia acústica en maderas con nudos, y otros estudios se han centrado en el estudio de las propiedades resistentes de la madera y su variabilidad usando métodos acústicos (Divos, F. et al 2000 ; Divos, F. 2002; Pellerin, R.F. et al 2002), muchos son los trabajos publicados en la última década realizados con madera estructural (Brancheriau, L. et al 2006; Brancheriau, L. 2006), Arriaga con pino radiata (Arriaga, F. et al 2005), Carballo con pino pinaster (Carballo, J. et al 2008) y Casado con chopo (Casado, M. et al 2009) son algunas de las investigaciones más recientes. Puesto que la velocidad de transmisión de ondas ultrasónicas y frecuencia de vibración varían con la estructura del material, los métodos de ultrasonidos y vibraciones inducidas debe ser evaluado y puesto a punto para cada especie de madera antes de ser aplicado. Por ello un objetivo de este trabajo consiste en analizar la aplicabilidad de modelos de predicción de la calidad mecánica de la madera estructural de Populus x euramericana I-214 basados en las técnicas no destructivas señalada anteriormente. 2. Material y métodos Muestras de ensayo. El material objeto de estudio son 346 piezas de dos lotes de Populus x euramericana I-214 procedentes de chopos de 18 años en los que se han realizado escasos tratamientos selvícolas, en concreto sólo dos podas de formación. Las características de los lotes se muestran en la Tabla 1. Los lotes analizados proceden de choperas de la provincia de Palencia, y se procesaron para obtener madera aserrada en un aserradero de Cervera de Pisuerga. Lotes Nº de piezas Dimensiones (mm) x 50 x x 80 x x 100 x 4000 Tabla 1. Tamaño de los lotes ensayados Clasificación e inspección visual del material Todas las piezas fueron inspeccionadas visualmente según la norma española UNE (UNE 56544:1997), que incluía al chopo, y la francesa NF B (NF B :2007). Se analiza cuales son las principales singularidades presentes en la madera estructural de chopo que la rechazan según las normas de clasificación visual señaladas anteriormente. Se tomaron medidas de los nudos en cara y canto y se determinó para cada pieza las siguientes variables: d c : Diámetro relativo del máximo nudo de la cara en % (diámetro mayor en la cara dividido entre la anchura de la pieza). d h : Diámetro relativo del máximo nudo del canto en % (diámetro mayor en el canto dividido entre el espesor de la pieza). Aa: anchura de los anillos según norma UNE (UNE 56544:1997). 3

4 2. 3. Ensayos de ultrasonidos. Se utilizó el equipo de ultrasonidos: Sylvatest que trabaja por transmisión ultrasónica con un generador de 30 khz de frecuencia y con dos palpadores troncocónicos que se introducen en la madera. Se midieron las velocidades longitudinales entre las testas por triplicado Ensayos mecánicos según UNE- EN 408. Los ensayos de flexión se ejecutaron según la norma UNE-EN 408 (UNE-EN 408: 2004), con una máquina universal de ensayos IBERTEST modelo ELIB- 100W dotado de tres células de carga 5, 50 y 100 kn. Para la determinación del módulo de elasticidad global de canto a flexión (MOEGTO), se sitúa el medidor de desplazamiento LVDT de 20 mm en el canto de la pieza a ensayar. Las variables de funcionamiento de la máquina para el ensayo se seleccionaron dependiendo del canto de la pieza a ensayar, utilizando una velocidad adecuada para que el ensayo se realice según establece la norma indicada anteriormente. Una vez anotada la carga y la deformación del canto se retira el medidor de desplazamiento y se calcula el MOE. Tras ello se descarga y se realiza el ensayo de rotura anotándose entonces el módulo de rotura ó MOR. Los resultados de los ensayos de flexión fueron corregidos para expresaros a una humedad del 12% según la norma UNE-EN 384 (UNE-EN 384: 2004). Fig. 1. Ensayo de flexión Después de realizar todos los ensayos anteriores, en cada pieza se procede a extraer una probeta de 10 cm de longitud, de igual anchura y espesor de la pieza, próxima a la zona de rotura y libre de defectos. Con ellas se determina la densidad según lo dispuesto en la norma UNE-EN 408 (UNE-EN 408: 2004). El análisis estadístico se realizó utilizando el programa STATGRAPHICS Plus 5.1. En los diferentes análisis estadísticos se verificaron las hipótesis de normalidad de las variables y la independencia de los residuos. 3. Resultados y discusión. Aplicando los criterios de clasificación visual de la norma española UNE (UNE 56544:1997) el porcentaje de aciertos es de un 46,2%. Esto es debido a que se infravalora el 36,6% de la madera al definir como rechazo piezas que son C14 en la mayoría de los casos y unas pocas C18 como se aprecia en la tabla 3 y el gráfico 1. Sin embargo la norma de clasificación visual francesa consigue un elevado porcentaje de aciertos un 69,5 %, 4

5 debido a que esta norma clasifica como rechazos las piezas con una clase inferior a C18 y en el lote analizado el 89,3% de las piezas dieron en máquina valores inferiores a los definidos en la clase resistente C18 como se aprecia en el gráfico 1. MAQUINA* UNE :1997 NFB :2007 C24 11 (3,3%) 12 (3,6%) C18 25 (7,4%) 5 (1,5%) 74 (21,9%) C (34%) 88 (26%) Rechazo 187 (55,3%) 245 (72,5%) 252 (74,5%) Tabla 2. Rendimientos clasificatorios correspondientes a las normas de clasificación visual UNE 56544, NF B y en máquina de flexión. UNE :1997 NFB :2007 % Aciertos 46,2 % 69,5 % % Sobrevaloraciones 17,2 % 22,8 % % Infravaloraciones 36,6 % 7,7 % Tabla 3. Evaluación de los métodos de clasificación visual Clasificación Visual 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 C24 C18 C14 Rech. ME-1 ME-2 Rech. ST-II ST-III Rech. MAQUINA UNE56.544:1997 NFB :2007 Gráfica 1. Comparativa entre la clasificación en máquina y las normas: UNE y NBF Los criterios de clasificación de la norma española se acercan más a las propiedades elastomecánicas de la madera de chopo ensayada. Aún así el porcentaje de rechazos de las normas de clasificación visual analizadas fue muy elevado comparado con los ensayos de flexión, por lo que se estudió cuales eran las principales singularidades por las que se rechazaban las piezas estableciendo cuatro criterios; por nudos (como principal criterio pero también podían tener alguno de las otras singularidades), sólo por gemas, sólo por deformaciones máximas y sólo por entrecasco. El mayor porcentaje de rechazos se debe a la presencia de nudos en la cara y/o el canto suponen entre el 57,1% y el 61,5%, la presencia únicamente de gemas suponen entre un 38% y un 29% de rechazos y las deformaciones máximas causan un porcentaje inferior al 4%, finalmente el entrecasco supone un porcentaje más variable según la norma, ver tabla 4. 5

6 Motivo del rechazo UNE :1997 NFB :2007 Nudos 140 (57,1%) 155 (61,5%) Gemas 93 (38%) 73 (29%) Entrecasco 12 (4,9%) 15 (6%) Deformaciones 0 (0%) 9 (3,5%) Tabla 4. Porcentajes de rechazos según singularidades normas de clasificación visual UNE 56544, NF B Los resultados anteriores ponen de manifiesto que se puede mejorar la calidad de la madera aserrada de chopo con un control más riguroso durante el proceso de aserrado evitando la presencia de gemas y entrecasco en madera estructural, por otra parte un correcto apilado y secado puede evitar curvaturas, alabeos y abarquillados. Finalmente señalar que es fundamental realizar las podas de formación o guiado en los primeros años y varias podas de conformación del fuste en la primera mitad del turno para reducir la presencia de nudos grandes hasta los 6 metros de altura, que son las trozas con posible destino estructural. En la tabla 5 se indican los valores medios de las propiedades elastomecánicas para el total de piezas ensayadas, se han obtenido valores de densidad media y resistencia a flexión parecidos a los obtenidos anteriormente por otros autores (Gutierrez, A. et al 2001; Hernandez, R.E. et al 1998; Cuevas D.H. 2002; Casado, M. et al 2009). Los bajos valores del módulo de elasticidad limitan considerablemente su aplicación para uso estructural, pues se clasificarían como clase resistente C14, de las definidas en la norma EN 338 (UNE-EN 338: 2004). Los resultados obtenidos de las propiedades elastomecánicas son similares a los publicados sobre viguetas de madera laminada fabricadas con I-214 (Castro, C. 2007). Por otra parte, el módulo de elasticidad obtenido es similar a algunos productos estructurales como el LSL (Lignum strand) fabricado por Tabsal con virutas de chopo para viguetas estructurales de 50 mm de espesor, y el LVL elaborado con Populus sp. de sección 25 x 25 mm. Tabla 5. Estadística descriptiva de resultados de ensayos de ultrasonidos y de flexión según norma EN 408. Nº Variables Media Coef. varia. (%) datos Velocidad Sylvatest syl (m/s) ,89 3,87 MOE syl (N/mm 2 ) ,6 13,10 Ensayo de flexión MOE (N/mm 2 ) ,65 16,24 EN 408 MOR C (N/mm 2 ) 36, (valor característico)* (21,69)* 27,47 Densidad norma Densidad (Kg/m 3 ) 361, EN 408 (valor característico)* (315,3)* 10,88 Humedad norma EN Humedad (%) 312 9,71 7,49 Anchura Anillos Anchura (cm) 312 1,08 21,39 Se aplicaron técnicas de análisis de regresión con modelos lineales para obtener las relaciones matemáticas entre las variables determinadas en los ensayos. Como variables independientes se seleccionaron las que tenían un efecto significativo en la predicción del módulo de elasticidad obtenidos en los ensayos de flexión según UNE- EN 408 (UNE-EN 408: 2004). El modelo más significativo obtenido para la predicción del módulo de 6

7 elasticidad a flexión aparece en la tabla 6, se comprueba que la predicción resulta más segura considerando los diámetros relativos del nudo mayor en cara y canto y la anchura de los anillos. Tabla 6. Resumen del modelo de regresión para la estimación del Módulo de elasticidad por métodos no destructivos en madera de Populus x euramericana. Variable dependiente MOE Regresores Vel syl + Dens 12% + DNc + DNh + Aa p-valor modelo R 2 ajus (%) 0,000 68,15 Ecuación del ajuste MOE = ,3 + 2,98265*Vel sy l + 17,9491*Dens12% - 6,54491*DNc + 36,8918*DNh - 267,789*Aa Vel syl : Velocidad en m/s registrada mediante Sylvatest DNc: Diámetro relativo del mayor nudo en la cara expresado en tanto por uno. DNh: Diámetro relativo del mayor nudo en el canto expresado en tanto por uno. Aa: Anchura media de los 5 primeros anillos de crecimiento (cm) Dens12%: Densidad de la madera corregida al 12 % de humedad 4. Conclusiones Comparando la clasificación visual según la norma UNE (UNE 56544:1997) con los resultados de los ensayos de flexión se consigue un 46,2% de aciertos, se sobreestima el 17 % e infravalora el 36,6% de las probetas. La norma de clasificación francesa, al asignar valores más altos de resistencia que la española y debido al elevado número de rechazos en los lotes analizados, eleva el porcentaje de aciertos hasta el 69,5%, con un 22,8 % de sobreestimaciones, e infravalora el 7,7 % de las piezas. En ambas normas el mayor porcentaje de rechazos se debe a la presencia de nudos en la cara y/o el canto, ya que suponen cerca del 60%, la presencia únicamente de gemas suponen entre un 29 y un 38% de rechazos. A la vista de los resultados es posible mejorar la calidad de la madera aserrada de chopo con un control más riguroso durante el proceso de aserrado, evitando la presencia de gemas y entrecasco en madera estructura. Desde el punto de vista silvícola se deben realizar podas de formación en la primera mitad del turno para reducir la presencia de nudos grandes, principal causa de rechazo en la madera analizada. El empleo de ultrasonidos, por si solo, no ofrece buenos resultados para predecir el comportamiento elástico de la madera, pues ofrece valores de módulo de elasticidad superiores a los obtenidos en los ensayos de flexión y sobreestima la calidad de la madera de chopo, necesitan del complemento de otras variables predictoras. Se propone una función de predicción de la elasticidad de la madera para el método de ultrasonidos en función de la velocidad de la onda ultrasónica y añadiendo como variables independientes; la densidad de la madera, el diámetro relativo del nudo máximo en cara y canto y espesor de los anillos de crecimiento, que explican el 68% de la variabilidad del módulo de elasticidad a flexión. Finalmente señalar que las propiedades mecánicas de los lotes ensayados indican que el Populus x euramericana tiene una resistencia a flexión aceptable, pero su módulo de elasticidad es bajo. Por consiguiente, su destino como madera estructural sería posible en las clases resistentes inferiores de la norma EN 338: C14 y C16. Agradecimientos El trabajo que aquí se presenta se encuadra dentro del Proyecto de Clasificación por métodos no destructivos y pseudo no destructivos de madera estructural de Populus VA047A08 subvencionado por la Junta de Castilla y León. 7

8 Referencias Bibliográficas Acuña, L., Diez Barra, R., Casado, M. Los ultrasonidos y la calidad de la madera estructural. Aplicación a Pinus pinaster Ait. Revista Boletín de CIDEU. ISSN: , (2006), pp Arriaga, F.; Iñiguez, G.; Esteban, M. Assessment of strength and stiffness properties using longitudinal stress wave on structural gross cross section timber of radiata pin (Pinus radiata D. Don). Symposium NDT (2005), pp Basterra, L.; Acuña, L.; Casado, M.; Ramón-Cueto, G. & López, G. Diagnóstico y análisis de estructuras de madera mediante técnicas no destructivas: aplicación a la Plaza Mayor de Chinchón (Madrid). Informes de la Construcción, 61 (516), (2009), pp Brancheriau, L.; Bailleres, H. Use of the partial least squares method with acoustic vibration spectra as a new grading technique for structural timber. Holzforschung 57(6), (2006), pp Brancheriau, L. Influence of cross section dimensions on Timoshenko shear factor. Application to wooden beams in free flexural vibration. Annals of forest science, vol 63, (2006), pp Bucur, V. Relationship between grain angle of wood specimens and ultrasonic velocity, Catgut Acoustical Society Inc., 41 (1984), pp Carballo, J., Hermoso, E., Fernández-Golfín J.I. Influencia del tamaño en la predicción del módulo de elasticidad de vigas de madera de Pinus pinaster con técnicas vibratorias. II Jornadas de Investigación en Construcción. Instituto de ciencias de la construcción Eduardo Torroja. Madrid. (2008) pp Casado, M., Acuña, L., Vecilla, D., Bastera, A., Relea, E., Lopez, G., Ramón, G. Técnicas vibratorias aplicadas a madera estructural de Populus x euramericana. Actas del V Congreso Forestal Español. Ávila. (2009), ISBN REF: 5CFE Pág. 14 Castro, C. Aplicaciones del chopo en la construcción. Revista AITIM Nº 248, 82007), pp Castro, G.; Paganini, F.: Mised glued laminated timber of poplar and Eucaliptus grandis clones. Holsz als Roh - und Werkstoff 61: n. 4, (2003), pp Castro, G.; Zanuttini, R.; Multilaminar wood: Manufacturing process and main physicalmechanical properties. Forest Prod. J. 54(2) 2004: Castro, G.; Fragnelli, G. New technologic and alternative uses for poplar wood. Boletín CIDEU. 2, (2008), pp Conde, M.; Fernández Golfín, J. I.; Prieto, E. Mejora de la predicción de la resistencia y rigidez de la madera estructural con el método de ultrasonidos combinado con parámetros de clasificación visual. Materiales de Construcción, Vol. 57, 288, (2007), pp Cuevas D.H. Propiedades mecánicas de Populus x euramericana (Dode) Guinier creciendo en Valdivia, Chile. Bosque (Valdivia). Nº 23, vol. 2 (2002), pp Divos, F.; Tanaka, T. Effect of creep on modulus of elasticity determination of wood. J. Vibration Acoustics- Transactions ASME 122 (1), (2000), pp Divos, F. Portable Lumbre Grader. 13 th International Symposium on Non destructive Testing of Wood. Berkeley, California, USA. (2002), pp Gutiérrez A., Grau J.M. Y Baonza M. V. Propiedades físicas de la madera de diferentes clones de chopo. I Simposio del chopo. Zamora. Editorial Junta de Castilla y León (2001), pp Hernández, R. E., Koubaa, A., Beaudoin, M., Fortin, Y. Selected mechanical properties of Fast-growing poplar hybrid clones. Wood and Fiber Science 30(2), (1998), pp Karsulovic, J. T.; León, L. A.; Gaete, L. Ultrasonic detection of knots and annual ring orientation in Pinus radiata lumber, Wood and Fiber Science, 32 (3) (2009), pp M.A.P.A Datos estadísticos del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación NF B :2007. Règles d`utilisation du bois Dans la construction. Classement visuel pour l`emploi en structures des bois sciés français résineux et feuillus. Pellerin, R.F.; Ross, J.R. Non destructive evaluation of wood.usda Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison WI. Forest Products Society. ISBN , 2002, 209 pp. Sandoz, J.L. Grading of construction timber by ultrasound, Wood Science and Technology, 223 (1989), pp

9 Sandoz, J.L.; Benoit, Y. y Demay, L. Wood testing using acoustic-ultrasonic, 12 th International Symposium on Non-destructive Testing of Wood. 2000, pp UNE-EN 338: Madera estructural. Clases resistentes. UNE-EN 384: 2004: Timber structures. Determination of characteristic values of mechanical properties and density. UNE-EN 408: 2004: Timber structures. Structural timber and glued laminated timber. Determination of some physical and mechanical properties. UNE :1997. Clasificación visual de la madera aserrada para uso estructural. Zhou, D. A study of oriented structural board made from hybrid poplar. Physical and mechanical properties of OSB. Holz als Roh - und Werkstoff. 48:7-8,