LA TÉCNICA DE TRANSMISIÓN ULTRASÓNICA APLICADA A LA MADERA ESTRUCTURAL

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1 LA TÉCNICA DE TRANSMISIÓN ULTRASÓNICA APLICADA A LA MADERA ESTRUCTURAL Acuña, L.* 1 ; Díez, R. 2 ; Martín, L. 1 ; Casado, M. 1 ; Basterra, A. 1 ; Ramón, G. 1 y Relea, E 1 Laboratorio de Maderas de la Universidad de Valladolid 2 Instituto Nacional de Investigaciones Agrarias, CIFOR-INIA Autor para la correspondencia: maderas@iaf.uva.es *Avda. de Madrid 44 (Yutera), Palencia, España RESUMEN Para tratar de clasificar y caracterizar mecánicamente piezas de madera de tamaño estructural mediante técnicas no destructivas, se viene trabajando desde hace años con la aplicación de los ultrasonidos. En este trabajo se ha utilizado un equipo de transmisión Sylvatest y otro Fakopp con los que se observa que la medida de la velocidad de propagación de los ultrasonidos se ve modificada por la longitud de la pieza y por el ángulo que forma la dirección de medida entre palpadores con la dirección longitudinal de las fibras de la madera, debiendo ser corregida cuando se trabaja con piezas de madera de tamaño estructural. Asimismo, se observa una buena relación entre las características determinadas por la técnica ultrasónica y los ensayos de flexión estática y rotura, e indica que esta técnica no destructiva se puede utilizar con garantías en P. pinaster para llevar a cabo una clasificación resistente de la madera, aportando un rendimiento mayor que con la clasificación visual, UNE :2003, habitualmente utilizada. INTRODUCCIÓN Desde que la humanidad empieza a construir en madera, una preocupación que se repite indefinidamente es: Este madero aguantará el peso? Una solución pedestre pero muy utilizada es la de someter a carga una pieza de madera y comprobar si la estructura cae o resiste. Podemos aseverar que este procedimiento es el primer ensayo destructivo para la determinación de las propiedades elastomecánicas de la madera. La evolución de esta técnica de prueba y error nos ha llevado a dotarnos de un conjunto de normas de caracterización. En la tesis doctoral de E. Hermoso sobre caracterización estructural de madera (1) puede ampliarse el conocimiento de la normativa de ensayos destructivos. 1

2 Con la acumulación de experiencias (positivas o no), los carpinteros de armar empiezan a comprender que piezas de madera de la misma especie y escuadría pueden comportarse de formas muy distintas cuando forman parte de una estructura. Esta acumulación de conocimientos empíricos nos conduce a una clasificación (consciente o no) visual de la madera estructural que evoluciona hasta nuestros días. Esta técnica visual fragua en una profusa normativa que, por razones de espacio, podemos circunscribir al ámbito de la UE (UNE y EN 1912). En este ámbito parece existir un acuerdo general de que la presencia de defectos (singularidades según UNE ) tales como nudos, fendas, desviaciones de fibra, etc., hacen disminuir los valores de resistencia y elasticidad del material. La mayor objeción a las técnicas de clasificación visual es el hecho de que son realizadas por humanos y, por tanto, dependen de criterios personales de cada clasificador, si bien en la actualidad, los sistemas inteligentes (lecturas ópticas, redes neuronales) podrían paliar los sesgos producidos por el factor humano (2). En paralelo con el desarrollo y normalización de las clasificaciones visuales, se han desarrollado métodos de clasificación mecánica basados en deformación de las piezas y la utilización de muy diversos tipos de ondas atravesando las piezas en estudio. Del desarrollo de las mediciones por ondas en madera, la bibliografía puede remontarse, al menos, hasta los comienzos de los años ochenta (3) finalizando, de momento, con un amplio estudio de clasificación no destructiva (4) de piezas de gran escuadría. Durante estos veinte años, numerosos investigadores han utilizado la técnica de los ultrasonidos para determinar las propiedades elásticas de la madera (5,6,7,8,9,10) con mayor o menor acierto. Una revisión del estado de la cuestión (11) puede situar al lector con una cierta perspectiva. Notemos además que las citas anteriores refieren en exclusiva a la utilización de ultrasonidos que no es más que una de las posibles maneras de hacer pasar ondas por el material. La utilización de resistógrafos, de georradar, de ondas sónicas a diversas frecuencias y con varios métodos, de la termografía, amplia el campo de trabajo hasta límites insospechados. La mejor aplicación, ya sea en rehabilitación o en material nuevo, de algunas de las técnicas de forma aislada o complementándose, la descripción de protocolos de intervención sobre madera instalada y la mejora de la precisión de las mediciones NO destructivas ocuparán los esfuerzos de muchos investigadores durante los próximos años (acaso décadas). Por nuestra parte, presentamos un estudio sobre piezas estructurales de varias especies [Pinus sylvestris L. (pino silvestre), Pinus radiata D.Don (pino insignis), Pinus pinaster Ait. (pino resinero), Fagus sylvatica L. (haya) y Chlorophora excelsa Benth & Hook (iroko)], intentando realizar comparaciones entre velocidades longitudinales y tangenciales, posible influencia de la anisotropía del material, influencia del tamaño de las piezas en la medida de la velocidad del paso de la onda y la utilización de dos instrumentos de medida (ultrasonidos por medio de Sylvatest y de Fakopp. Los ensayos y análisis realizados que se incluyen en este trabajo se encuadran dentro del proyecto del Plan Nacional AGL subvencionado por el MCYT. 2

3 Determinación de las velocidades longitudinal y tangencial Para la determinación de las velocidades de transmisión longitudinal y transversal se han utilizado piezas de madera de tamaño estructural y calidad visual ME1 (UNE ) de 5 especies diferentes: Pinus sylvestris L. (pino silvestre), Pinus radiata D.Don (pino insignis), Pinus pinaster Ait. (pino resinero), Fagus sylvatica L. (haya) y Chlorophora excelsa Benth & Hook (iroko), se determinaron sus dimensiones con cinta métrica (mm) y se acondicionaron en el laboratorio hasta alcanzar un 12% de humedad aproximadamente. La determinación de las velocidades de paso se realizaron para las 5 especies con un equipo Sylvatest, figura 1, que trabaja por transmisión ultrasónica con un generador de 30 khz de frecuencia y dos palpadores, emisor y receptor, que se sitúan a una distancia conocida (L), midiéndose el tiempo (t) que tarda la onda ultrasónica en llegar de uno al otro. Para comprobar la reproductibilidad de las medidas que se realizan con este tipo de equipos, se utilizó con el pino silvestre un equipo Fakopp (45 khz), que utiliza transductores triangulares atornillados a la madera. Figura 1. Esquema de los acoplamientos de los equipos de medida en la dirección longitudinal. La velocidad de paso de la onda, medida en esa distancia, VL, se puede determinar por la ecuación (1). (1) Atendiendo a la relación que existe entre la velocidad de propagación ultrasónica en un material con sus propiedades elásticas se establece la ecuación (2), donde se asume que la propagación es unidireccional (longitudinal), perfectamente aceptable en piezas esbeltas. (2) Siendo: C11= primer coeficiente de la matriz de rigidez = densidad de la madera El = Modulo de elasticidad longitudinal 3

4 Para asegurar un acoplamiento óptimo entre los palpadores y el material, madera, se practicaron unos orificios de 5 mm de diámetro y 1 cm de profundidad, donde se introdujeron los extremos cónicos de las sondas, que siempre se dispusieron perpendicularmente al plano de las piezas. Figura 2. Posicionamiento de los palpadores en las medidas longitudinales (a) y transversales. El número de piezas utilizadas en estos ensayos para cada una de las especies han quedado recogidas en la tabla 1. Tabla 1. Especie y número de piezas utilizadas en cada ensayo (sylvatest) Los resultados obtenidos de las medidas de las velocidades longitudinal y transversal para cada una de las 5 especies se recogen en las tablas 2 y 3. Tabla 3. Velocidad de onda ultrasónica longitudinal, VL, m/s (Coef. de variación %) 4

5 Tabla 4. Velocidad de onda ultrasónica longitudinal transversal m/s (Coef. de variación) Las medidas en sentido transversal se realizaron en la dirección más ancha de la sección de las piezas, que por su tamaño no presentaban en muchas ocasiones una dirección absolutamente definida bien radial, bien tangencial-, si bien la dirección tangencial era la que de forma general predominaba. Un análisis estadístico de estas muestras pone de manifiesto la existencia de diferencias significativas entre las velocidades, tanto longitudinales como transversales, de todas las especies. DETERMINACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LA ANISOTROPÍA Unos de los problemas que más habitualmente se presenta para realizar la determinación de la velocidad ultrasónica de una pieza estructural de madera que forma parte de una estructura en uso, es la imposibilidad de poder realizar mediciones entre las testas. De este modo, hay que recurrir a realizar las mediciones por lo que se ha dado en llamar el método indirecto, que consiste en situar los palpadores sobre dos planos paralelos de la pieza, con lo que la dirección que sigue la onda entre emisor y receptor formará un ángulo con la dirección longitudinal de las fibras. Figura 3. Posicionamiento de los palpadores en las medidas indirectas, formando un ángulo con la dirección longitudinal. 5

6 Tabla 5. Especie y número de piezas utilizadas en los ensayos de anisotropía (sylvatest) Para determinar el efecto de la anisotropía al paso de la onda ultrasónica, entendiendo por tal la influencia del ángulo que forma la dirección de alineamiento de los palpadores (transductores) con la dirección longitudinal de las fibras, se realizaron un total de 960 medidas con distintos ángulos, entre 0 (longitudinal puro) y 90 (transversal puro), y a diferentes distancias. Representando en un gráfico las velocidades en m/s obtenidas frente a los ángulos que forman los palpadores con la dirección longitudinal, figura 4, se obtiene una clara tendencia descendente de la velocidad con el aumento del ángulo formado. Figura 4. Relación entre la velocidad de ultrasonidos (m/s) y la dirección de las fibras Estableciendo un modelo de 2º orden para cada una de las especies, se obtienen unos ajustes altamente significativos, y en los que el porcentaje explicado por la variable ángulo para todas y cada una de las especies es considerablemente alto. De esta forma, siempre que se pueda conocer el ángulo que forman la dirección longitudinal de las fibras, que normalmente será idéntica a la dirección longitudinal de la pieza, con la dirección de emisión-recepción de los palpadores, se podrá corregir la medida de la velocidad de onda V para obtener su velocidad equivalente V L correspondiente a =0, comprobándose que tras la transformación realizada las dos poblaciones de velocidades longitudinales (1) y las que se midieron formando un ángulo (0), no presentan diferencias estadísticamente significativas, como ha quedado recogido en la figura 5. 6

7 Tabla 6. Relación velocidad de ultrasonidos vs. ángulo para las 5 especies. Figura 5. Medias y 95,0 Porcentajes Intervalos LSD de las poblaciones longitudinal (1) y con grados (0) para pino silvestre. Determinación de la influencia de la longitud de la pieza Para realizar el análisis de la influencia directa que tiene la distancia entre los palpadores (longitud de la viga) en la medida de la velocidad longitudinal de propagación de la onda se utilizaron muestras de tres especies, P. sylvestris, P. pinaster y P. radiata, en las que se procedió midiendo la velocidad entre testas. Se realizaron 3 medidas en las piezas completas y otras tantas en las piezas que fueron resultando al ir cortando cada una de 10 en 10 centímetros desde uno de sus extremos. Los cortes se realizaron hasta llegar a tener una pieza de 50 cm de longitud. Figura 5. Corte de las piezas de madera y medida desde las testas 7

8 Tabla 7. Especie y número de piezas utilizadas en cada ensayo Los resultados obtenidos de este análisis directo se han recogido en la tabla 8. Las tres rectas de regresión presentan una pendiente negativa y supone que el retraso que sufre la medida de la onda por metro lineal sea de 109 m/s en el P. pinaster, 120 m/s en el P. sylvestris y de 182 m/s en el caso de P. radiata. Tabla 8. Relación Velocidad de ultrasonidos vs. distancia entre palpadores Todas las velocidades longitudinales determinadas con el equipo de ultrasonidos Sylvatest se podrán modificar con las ecuaciones experimentales expuestas, y, para ello, se optó por seleccionar la velocidad correspondiente a una pieza de referencia de longitud ideal de 0 cm, que denominaremos V 0, y que servirá para corregir el valor de lectura inicialmente obtenido. Figura 6. Recta para la corrección de la velocidad longitudinal de ultrasonidos para P. pinaster. 8

9 Comparación entre equipos de medida Para la comparación de las medidas de velocidades longitudinales y transversales entre los equipos de ultrasonidos Sylvatest y Fakopp, se han utilizado vigas de madera de P. sylvestris de 350 x 20 x 7 cm, tabla 9. Tabla 9. Velocidades longitudinal y transversal obtenida con dos equipos El resultado del análisis estadístico de los datos las dos poblaciones demuestra que existen diferencias significativas ente ambas, figura 7, concluyéndose por ello que los valores que se obtengan de cada uno de los aparatos no deben utilizarse de un modo comparativo ente ellos. Figura 7. Valores poblacionales para la velocidad longitudinal y transversal de ambos equipos. ANÁLISIS DE LA CALIDAD ESTRUCTURAL DE VIGAS DE PINUS PINASTER AIT. MEDIANTE ULTRASONIDOS Se utilizaron diferentes partidas de madera de P. pinaster de tamaño estructural, sobre las que se realizó una clasificación visual antes de ser ensayadas, asignando a cada una las calidades ME1, ME2 o rechazo, que la norma UNE establece. Los ensayos mecánicos se realizaron con máquina universal de ensayos, Ibertest Elib 100 W, con capacidad de carga de hasta 100 kn, con posibilidad de control por carga o por deformación, y un puente de flexión de hasta 6 m de luz. La medida de deformaciones se utilizaron comparadores micrométricos con precisión de 0,01 mm. Para establecer las propiedades resistentes y elásticas del P. pinaster se siguió la norma UNE- 9

10 EN 408, determinándose los valores de MOR (Módulo de rotura), MOE (Módulo de elasticidad local), MOEG (Módulo de elasticidad global) y MOEGTO (Módulo de elasticidad global de canto), realizándose las correcciones por humedad y altura de canto siempre que fuesen necesarias. La medida de las velocidades longitudinales de onda ultrasónica se realizó con el equipo Sylvatest, antes descrito, y se trabajó para determinar una velocidad fronteral que nos permitiese clasificar las piezas entre estructurales o no estructurales. Para fijar ese valor umbral de la velocidad V0 se estudiaron las distribuciones de las poblaciones que resultan de agrupar las piezas (vigas) por sus características elastomecánicas reales (C24, C18 y <C18) determinadas en máquina de ensayo, realizándose distintas aproximaciones y optando finalmente por utilizar un valor de la velocidad corregida V0 de 5150 m/s, valor que coincide con el valor medio de la población ME1, por encima del cual las piezas serán aceptadas como estructurales. Tabla 10. Características de la población total y asignaciones estructurales El porcentaje de aciertos y errores que resulta de esta clasificación, que se presentan en la tabla 11, hace que en una partida de P. pinaster clasificada visualmente, aproximadamente el 53% lo estén de forma correcta, un 16,6% estén peligrosamente sobrevaloradas y un 30% estén subvaloradas. Entre tanto, la clasificación realizada utilizando las velocidades de corte V 0 antes determinada, proporciona una clasificación mucho más ajustada a la realidad que la anterior y, si bien aún está lejos de la ideal, la ventaja que proporciona en todos los aspectos es destacable. Tabla 11. Aciertos y fallos de las clasificaciones visual y por ultrasonidos Cabría destacar tres aspectos importantes en este sentido. En primer lugar el mayor porcentaje de aciertos, un 72 %, a favor de la clasificación por ultrasonidos utilizando la velocidad V0, lo que supone una primera ventaja innegable del método; en segundo lugar algo no menos importante como es el menor porcentaje de piezas sobrevaloradas, que en realidad serían aquellas que podrían suponer un serio inconveniente para el consumidor, ya que las características que presentan estarán por debajo de las exigencias técnicas que de ellas se esperan. Por último, el que se obtenga, 10

11 aproximadamente, un 8 % menos de piezas subvaloradas, significa que éstas quedan incluidas en la clase estructural, y por tanto, en la cadena comercial. BIBLIOGRAFÍA (1) Hermoso, E Caracterización mecánica de la madera estructural de Pinus sylvestris L. Tesis doctoral. U.P.M. (2) Mier, R Clasificación de madera aserrada estructural mediante Inteligencia Artificial: Redes Neuronales. Proyecto final de carrera. E.T.S. Ingenieros de Montes. U.P.M. (3) Waubke, N. V Grundsätzliche Untersuchungen zur Eignung der Ultraschall Impulslaufzeitmessungen als vereinfachte und genauere Methode zur Klassification von Bauhölzern. 56p. Institut für Baustoffkunde und Bauphysik der Hochschule der Bundeswhr München, Deustschland. (4) Iñiguez, G Clasificación y evaluación mediante técnicas no destructivas de madera aserrada estructural de coníferas de gran escuadría. Tesis doctoral. U.P.M. (5) Bucur, V Ondes Ultrasonores dans le Bois. Caracterisation mécanique et qualité de certaines essences de bois. 188p. Thèse (Doctorat en Génie Mécanique) Institut Supérieur des Matériaux et de la Construction Mécanique, Saint-Ouen, France. (6) Sandoz, J. L Grading of Construction timber by ultrasound. Wood Science and Technology, 23(2), (7) Herzig, L Evaluation du module d Young de bois d épinette par méthode ultrasonore sur carottes de sondage. 290p., M.Sc. Thesis (Génie Forestière), Faculté de Foresterie et de Géomatique, Departement des Sciences du Bois et de la Forêt, Université Laval, Québec, Canada. (8) Koubaa, A; Hernández, R; Beaudoin, M.; Fortin, Y.; Poliquin J Nondestructive evaluation of physical, mechanical and anatomical properties of fast growing poplar hybrid clones. Proceedings CTIA/IUFRO International wood quality workshop "Timber management toward wood quality and end-product value". Québec, p (9) Hernández, R; Koubaa, A; Beaudoin, M.; Fortin, Y Selected mechanical properties of fast-growing poplar hybrid clones. Wood and Fiber Science, vol 30, n (10) Acuña, L.; Díez, M.R y Casado, M.. Los ultrasonidos y la calidad de la madera estructural. Aplicación a Pinus pinaster Ait. Boletín del CIDEU 2: 7-26 (2006). ISSN (11) Beall, F.C Overview of the use of ultrasonic technologies in research on wood properties. Wood Science and Technology 36, pp