Clasificación de madera estructural de Populus x euramericana mediante ultrasonidos.

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2 2/9 Clasificación de madera estructural de Populus x euramericana mediante ultrasonidos. CASADO SANZ, M. 1, COLUNGA VILLAR, A., ACUÑA RELLO, L. 1, BASTERRA OTERO, A 2, RAMÓN CUETO, G 2., LÓPEZ RODRIGEZ, G 3., RELEA GANGAS E 1. 1 Dr. Ingeniero del Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal, Universidad de Valladolid. España. 2 Dr. Arquitecto del Departamento de Construcciones Arquitectónicas, Universidad de Valladolid. España. 3 Arquitecto del Departamento de Construcciones Arquitectónicas, Universidad de Valladolid. España Resumen En este artículo se presenta un trabajo de investigación enfocado a valorar la idoneidad de los ultrasonidos para clasificar madera aserrada de chopo. Se muestran los resultados de clasificación de 32 piezas de madera estructural (120 x 80 x 3000 mm) de Populus x euramericana I-214 de la cuenca del Duero (España). Se utilizaron los equipos Sylvatest y Fakopp con los que se determinaron las velocidades frontera que permitiera clasificar las piezas en estructurales o no estructurales. Adicionalmente las piezas fueron ensayadas a flexión según la norma EN 408:2004. Los resultados del trabajo muestras que para madera estructural de chopo existe una buena correlación entre la velocidad de propagación longitudinal de ultrasonidos y el módulo de elasticidad. Los valores obtenidos por los dos equipos de ultrasonido son estadísticamente diferentes, lo que supone el inconveniente de no poder realizar comparaciones directas entre lotes de madera medidos con equipos diferentes. Por otra parte es una técnica no destructiva que se puede utilizar con garantías para clasificación resistente en tablones de Populus x euramericana aportando una menor proporción de errores de riesgo que con la clasificación visual. El trabajo que aquí se presenta se encuadra dentro del proyecto VA047A08 subvencionado por la Junta de Castilla y León. Palabras clave Clasificación no destructiva, chopo, ultrasonidos, clases resistentes, madera estructural. 1. Introducción España supera las hectáreas de plantaciones de chopo de las que más del 60% están certificadas. En 2006 se cortaron m 3 de madera de este género (MAPA, 2008) sin embargo su destino para uso estructural se encuentra con la falta de una norma de clasificación para esta especie. Si bien en la Norma UNE : 1997 (Clasificación visual de madera aserrada para uso estructural), se incluía junto a las coníferas, ya que inicialmente, sus valores elastomecánicos son sensiblemente semejantes a ellas, pero en las siguientes versiones de esa norma este género ya no quedó incluido. La madera de chopo no es una desconocida en aplicaciones estructurales aún podemos encontrar en la actualidad importantes muestras de su utilización hace siglos (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, además de su uso en algunos elementos estructurales de casas unifamiliares en Norteamérica y en el norte de Palencia, se vienen realizando algunos trabajos de restauración con esta madera, especialmente en Italia ( Sala delle feste Castello del

3 3/9 Valentino - Turín, XVIII; Teatro Verdi - Pisa, XIX) 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. La técnica de ultrasonidos aplicada a la madera se remonta a los años 50 y a mediados de los ochenta (Waubke N. V. 1981) 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 (Bucur V. (1984), Sandoz J.L. (1989), Koubaa A. et al (1997), Hernández R. et al (1998), Acuña L. et al (2006)). 2. Objetivos Los objetivos de este trabajo son por un lado comparar la eficiencia de clasificación de distintas normas de clasificación visual en madera estructural de chopo, y por otro analizar la técnica de transmisión ultrasónica como una posibilidad de clasificar madera aserrada de gran escuadría de chopo en calidades aptas para uso estructural. 3. Metodología. El material objeto de estudio son 32 vigas de Populus x euramericana I-214 de la cuenca del Duero (España) del termino Revilla de Collazos (Palencia), proceden de chopos de 18 años en los que se han realizado escasos tratamientos culturales en concreto sólo dos podas de formación. Se trata de una muestra de piezas de gran escuadría (MEG), cuyas dimensiones aproximadas son: 120 x 80 x 3000 mm. Sobre cada una de las vigas se realizaron los siguientes ensayos: - Se clasificaron visualmente según la norma española UNE :1997 que incluía al chopo y la última versión del 2007 que incluye una clasificación para la madera de gran escuadría con b> 70 mm como es el caso (MEG), la francesa NF B52-001:2007 y la alemana DIN : Se midió la humedad con un xilohigrómetro según lo establecido en la norma UNE- EN :2002 y por el método de secado en estufa según norma EN /AC: Se realizaron los ensayos no destructivos con los equipos de ultrasonidos Sylvatest y Fakopp. - Se ensayo a flexión según norma UNE-EN 408:2003 para la adquisición del módulo de elasticidad global y resistencia a la flexión. - Se midió la densidad según norma UNE-EN 408:2004. Se utilizaron dos equipos de ultrasonidos: Sylvatest que trabaja por transmisión ultrasónica con un generador de 30 khz de frecuencia y con dos palpadores, emisor y receptor, troncocónicos que se introducen en la madera, el segundo equipo es de la casa Fakopp tiene un generador de 45 khz y dos transductores triangulares que se atornillan a la madera, (ver figura 1). Se midieron las velocidades longitudinales entre las testas por triplicado con ambos equipos.

4 4/9 L Sylvatest tiempo tiempo Fakopp Figura 1. Esquema de palpadores de los dos equipos de ultrasonidos (Acuña L. et al 2006) Los ensayos de flexión se ejecutaron según la norma UNE-EN 408:2004, con una máquina universal de ensayos Ibertest Elib 100 W. Para la determinación del módulo de elasticidad global de canto a flexión (MOEGTO) que utiliza un comparador micrométrico con precisión de 0,01 mm colocado en el canto de la pieza a ensayar. Se siguió la norma UNE-EN 408 para establecer las propiedades resistentes y elásticas del lote ensayado, determinándose los valores de MOR (Módulo de Rotura), MOE (Móludo de Elasticidad local) y MOEGTO (Módulo de Elasticidad global de canto), realizándose las correcciones por humedad y altura de canto siempre que fuesen necesarias. El cálculo de los valores característicos y medios de cada una de las propiedades objeto de estudio se efectuó siguiendo la norma EN 384. Siguiendo la norma de clases resistentes EN 338:2004 se definen los valores característicos para las clases C18 y C14, tabla 1, utilizando la clasificación más exigente MOR+MOE según los valores de elasticidad y resistencia que establece dicha norma. Se analizaron los valores de la velocidad de ultrasonidos y se definieron dos grupos, uno estructural (incluía a las dos calidades) y otro rechazo. Para fijar el valor de corte de la velocidad V 0 que permitiera asignar a cada pieza al grupo estructural o al grupo de rechazo, se estudiaron las distribuciones de las poblaciones y se realizaron distintas aproximaciones, medias, medias móviles ponderadas, etc optando por utilizar para madera estructural el valor m/s coincidiendo con el valor medio de la población superior ó igual a la clase C14. Tabla 1: Valores correspondientes a cada clase estructural. Clase Ensayos máquina Fakopp Sylvatest resistente EN 338 MOR (N/mm²) MOE (N/mm²) Densidad (kg/m³) Velocidad (m/s) Velocidad (m/s) C C-14 >14 >7.000 > Rechazo <14 <7.000 < Estructural , No estruc <4.547,57 <5.000

5 5/9 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. 4. Resultados. En la tabla 2 se indican los rendimientos de la clasificación visual UNE en la versión de 1997 y 2007, NF B52-001:2007 y DIN : 2003 comparados con los resultados de flexión en la máquina de ensayos. Tabla 2. Rendimientos clasificatorios correspondientes a la clasificación visual española, francesa y alemana y los resultados del ensayo de flexión EN 408 (Maquina). Clases resistentes de referencia MAQUINA EN 408 Clasificación visual UNE56.544:2007 C18 0 (0 %) MEG C14 2 (6,2 %) 24 (75%) ME-2 12 (37,5%) Clasificación visual UNE56.544:1997 ME-1 6 (18,75%) Clasificación visual DIN LS (40,6%) LS7 11 (34,4%) Clasificación visual NFB ST-II 13 (40,6%) ST-III (25%) Rechazo 30 (93,4%) 8 (25%) 14 (43,75%) 8 (25%) 11(34,4%) En la tabla 3 se indican los rendimientos de clasificación de los dos equipos de ultrasonidos comparados con los resultados de los ensayos de flexión. Tabla 3. Rendimientos clasificatorios correspondientes a la clasificación con los equipos de ultrasonidos y en máquina de flexión. Clases resistentes de referencia MAQUINA EN 408 SYLVATEST FAKOPP C18 0 (0 %) 26 (81%) 21 (66%) C14 2 (6,2 %) Rechazo 30 (93,4%) 6 (19%) 11 (34%) Según los valores de los métodos de ultrasonidos la población tiene un Módulo de elasticidad dinámico de N/mm 2 según el Sylvatest y de N/mm 2 con el Fakopp, en ambos casos superior a los resultados de máquina y sobreestiman las piezas ensayadas. Se realizó un análisis de la varianza en el que se comprobó la existen diferencias significativas entre las velocidades ofrecidas por los dos equipos de ultrasonidos como se aprecia en la figura 2, esto supone el inconveniente de no poder realizar comparaciones directas entre lotes de madera medidos con equipos diferentes.

6 6/9 Gráfico de Cajas y Bigotes V12_F_D V12_SD respuesta Figura 2. Diagrama de cajas de los valores las velocidades de propagación de la onda con los equipos de ultrasonidos Sylvatest (V12-SD) y del (Fakopp V12-FD). La tabla 4 muestra la estadística descriptiva con las características del lote de Populus x euramericana con los resultados de los ensayos realizados por métodos no destructivos con ultrasonidos y los ensayos de flexión. Tabla 4. Estadística descriptiva de los resultados de los ensayos de ultrasonidos y de flexión según norma EN408:2004. Ultrasonidos Ensayo de flexión EN 408 Densidad norma EN 408 Humedad norma EN Variables Nº datos Media Coef. varia. (%) Velocidad fakopp (m/s) ,1 23,6 MOE fakopp (N/mm 2 ) ,8 24,7 Velocidad sylvatest (m/s) ,7 22,9 MOE sylvatest (N/mm 2 ) ,4 24,5 MOE (N/mm 2 ) ,3 10,87 MOR C (N/mm 2 ) (valor característico)* Densidad (Kg/m 3 ) (valor característico)* ,3 (19,9)* 346,7 (317,9)* 24,95 8,05 Humedad (%) 32 9,6 4,85 Se realizaron análisis estadísticos para poder predecir las propiedades mecánicas a partir de los resultados de los ensayos de ultrasonidos con el Sylvatest y Fakopp teniendo en cuenta únicamente las variables que se relacionaban significativamente con el MOR y con el MOE. Los resultados indican una relación lineal entre el módulo de elasticidad estático y la velocidad longitudinal de la onda ultrasónica medida con el Sylvatest, teniendo en cuenta el espesor de los anillos y la función de nudos en la zona de tracción se obtuvo un R 2 ajustado de 0,46 (ecuación 1), inferior al conseguido en trabajos anteriores en madera de coníferas Acuña L. et al (2006 y 2008) y Conde M. et al (2007) MOE12 = -2083,29 + 0,793654*VelocidadSD + 8,06013*Dens ,94*Anchura anillos - 0, *F tracc Ca total (1)

7 7/9 5. Discusión. Como se puede apreciar en la tabla 2 todas las normas de clasificación visual analizadas sobreestiman el lote ensayado, de muy baja calidad estructural ya que según los resultados de la clasificación de la norma EN 338 un 93% son rechazos, debido a los bajos resultados en el módulo de elasticidad. La norma de clasificación visual que mejores resultados da es la UNE de El criterio de clasificación definido en la tabla 3 el criterio para los dos equipos de ultrasonidos, desafortunadamente, nos da una sobreestimación de las características estructurales del lote ensayado. Las propiedades mecánicas del lote de Populus x euramericana ensayado indican valores de densidad media y resistencia a flexión similares a los obtenidos por otros autores (Gutiérrez A. et al 2001, Hernández R. E., et al 1998), la elasticidad es inferior que en los trabajos de los autores anteriores y con valores más parecidos a los resultados de Populus x euramericana de Chile (Cuevas D.H. 2002). Los bajos valores del Módulo de elasticidad limitan considerablemente su aplicación para uso estructural pues no permite clasificarla según las clases resistentes definidas en la norma EN 338, esto coincide con resultados similares en viguetas de madera laminada fabricadas con I-214 (Castro C. 2007). Cabe destacar que dicho módulo de elasticidad es ligeramente inferior al producto estructural LSL o Lignum strand fabricado con virutas de chopo de espesores similar 50 mm ofrece un resultados de 6500 N/mm 2. Por otra parte se podría elegir una clasificación mixta como la propuesta para madera de gran escudaría puesta en obra (Iñiguez G. 2007), así el lote ensayado tendría una clase resistente C18 como resistente a la flexión y C14 por elasticidad considerando el valor de 5º percentil en lugar del valor medio. 6. Conclusiones. Los criterios de clasificación visual de las dos versiones de la norma española UNE (1997 y 2007), de la francesa NF B 52: y de la alemana DIN 4074 ofrecen unos resultados nada satisfactorios en el lote analizado, todas sobreestiman las piezas con un error superior al 50% lo que supone un importante riesgo en uso estructural. Consideramos que se debe seguir trabajando en definir unos buenos criterios de clasificación visual para el chopo en madera de gran escuadria. El empleo de ultrasonidos como técnica predictora del comportamiento elástico de la madera, ofrece valores de módulo de elasticidad superiores a los obtenidos en los ensayos de flexión y sobreestima la calidad del lote. Los resultados que se han obtenido con los equipos transmisión ultrasónica Sylvatest y Fakopp indican que las velocidades longitudinales son significativamente distintas, no siendo válida la comparación de velocidades aún cuando se realice para la misma especie y calidad si se utilizan equipos diferentes. Las propiedades mecánicas del lote de Populus x euramericana I-214 ensayado indican que tiene una resistencia a flexión aceptable pero con un bajo módulo de elasticidad que no entra en las clases resistentes según la norma EN 338, ya que es inferior a la clase C14, a pesar de obtenerse unos valores de resistencia a la flexión buenos que permitirían clasificarlo con una clase resistente C18. Si bien estos resultados deben tomarse con cautela dado el reducido número de piezas ensayadas, son resultados esperanzadores para su destino como

8 8/9 madera estructural, que podría equivaler un tablero estructural como el LVL de madera de chopo de 50 mm de espesor. Esta especie podría ofrecer un destino con un ciclo de vida más largo prolongando por más tiempo la acumulación del carbono, sin olvidar que la relación calidad/precio sería otro factor más a considerar en la elección del chopo para uso estructural. 7. Agradecimientos. El trabajo que aquí se presenta se encuadra dentro del proyecto VA047A08 subvencionado por la Junta de Castilla y León. 8. Bibliografía. 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: , ACUÑA, L.; DIEZ BARRA, R.; CASADO, M.; LLORENTE, A.; LÁZARO, T.; BASTERRA, A.; RELEA, E.; CUETO, G.; Clasificación de madera estructural de Pinus pinaster Ait mediante ultrasonidos. III Congreso Forestal Iberoamericano. Argentina. ISSN: , BUCUR, V Ondes ultrasonores dans le bois. Caractérisation mécanique et qualité de certaines essences de bois. 188 pp. Thèse Institut Supérieur des Matériaux et de la Construction Mécanique, Saint-Ouen, France. CASTRO, C.; Aplicaciones del chopo en la construcción. Revista AITIM Nº 248, CUEVAS D.H Propiedades mecánicas de Populus x euramericana (Dode) Guinier creciendo en Valdivia, Chile. Bosque (Valdivia). 23 (2), CONDE, M.; FERNÁNDEZ GOLFÍN, J. I.; HERMOSO, 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, EN Contenido de humedad de una pieza de madera aserrada. Parte 2: Determinación por el método de resistencia eléctrica. EN 338:1999. Estructuras de maderas. Clases resistentes. EN /AC Contenido de humedad de una pieza de madera aserrada. Parte 1: Determinación por el método de secado en estufa. EN-UNE 384: Madera estructural. Determinación de los valores característicos de las propiedades mecánicas y de la densidad. GUTIÉRREZ A., GRAU J.M. Y BAONZA M. V Propiedades físicas de la madera de diferentes clones de chopo. I Simposio del chopo. Editorial Junta de Castilla y León Zamora

9 9/9 HERNÁNDEZ, R. E.; KOUBAA, A.; BEAUDOIN, M.; FORTIN, Y Selected mechanical properties of Fast-growing poplar hybrid clones. Wood and Fiber Science 30(2), IÑIGUEZ, G.; Clasificación y evaluación mediante técnicas no destructivas de madera aserrada estructural de coníferas de gran escuadría. Tesis doctoral.u.p.m. Madrid. MAPA Datos estadísticos del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación UNE 56544:1997. Clasificación visual de la madera aserrada para uso estructural. UNE 56544:2007. Clasificación visual de la madera aserrada para uso estructural. Madera de coníferas. UNE-EN 408:2004. Estructuras de madera. Madera aserrada y madera laminada encolada para uso estructural. Determinación de algunas propiedades físicas y mecánicas. UNE-EN 408:2004. Estructuras de madera. Madera aserrada y madera laminada encolada para uso estructural. Determinación de algunas propiedades físicas y mecánicas. WAUBKE, N. V.; Grundsätzliche Untersuchunggen sur Elignung der Ultraschall Impulslaufzeitmessungen als vereingachte und genauere Methode zur Klassification von Bauhölzern. 56 p. Institut für Baustoffkunde und Bauphysil der Hochschule der Bundeswhr München, Deustesc