PROPIEDADES MECÁNICAS Y CLASIFICACIÓN DE LA MADERA ASERRADA DE USO ESTRUCTURAL, DE DIFERENTES CONÍFERAS ESPAÑOLAS J. 1. FERNÁNDEZ-GOLFÍN SECO, M. R. DÍEZ BARRA, A. GUTIÉRREZ OLIVA, M.V. BAONZA MERINO, H.ALVAREZNoVES* * CENTRO DE INVESTIGACIÓN FORESTAL (CIFOR), INIA, LABORATORIO DE MADERAS. APARTADO 8111,28080 MADRID RESUMEN Se presentan los resultados de la caracterización mecánica de la madera aserrada de tamaño (150x50x3000 mm) y usos estructurales de Pinus sylvestris, P. radiata y P. pinaster de diferentes procedencias, llevada a cabo en el Centro de Investigación Forestal (CIFOR) del INIA. Se aportan los valores característicos y clases de resistencia que corresponden a las clases de calidad definidas en la norma UNE 56544. Se efectúa una comparación y análisis de los resultados obtenidos, extrayendo conclusiones respecto del diferente comportamiento observado para las tres especies. P.e.: Madera estructural, Pinus sylvestris, Pinus pinaster, Pinus radiata, Valores característicos. SUMMARY The results of the mechanical characterization of the structural timber (l50x50x300rnm size) from different spanish provenances of Pinus sylvestris, P. radiata and P. pinaster carried out by the Forest Research Centre (CIFOR-INIA) is presented. Characteristic values and strength classes, corresponding to the visual quality classes defined by the spanish standard UNE 56544 are also given. A comparison and discussion of the results for the different species are done and sorne conclusions are given. K.W.: Structural timber, Pinus sylvestris, P. radiata, P. pinaster, Characteristic values INTRODUCCIÓN La labor normalizadora del comité CEN TC 124 Estructuras de madera, así como la adopción del método de cálculo conocido como Eurocodigo 5", del comité CEN TC 250 Eurocodigos, basado en el sistema de los elementos finitos, obliga a la determinación de los valores característicos de resistencia de las maderas españolas. La determinación del valor característico ha de hacerse por especies y para maderas de calidad asimilable, empleando métodos de ensayo normalizados, definidos por las normas de CEN TC 124. Los valores característicos serán de aplicación, pues, para una madera y una calidad dadas, por lo que es necesario definir un método clasificatorio de la calidad, bien visual o mecánico. En Espada el Método de determinación de la calidad visual de una madera para usos resistentes esta contemplado en la norma UNE 56544, que en su versión definitiva (noviembre 1996) distingue dos clases de calidad (MEl y ME2), en función de la presencia y características de ciertas particularidades de la madera, que tienen una incidencia comprobada 171
en su resistencia, como son: nudos de cara y canto, inclinación de la fibra, madera juvenil y de compresión, fendas de diverso tipo, ataques por agentes bióticos... La necesidad de determinar valores característicos, definidos éstos como los valores que garantizan que el 95% de las maderas tengan una resistencia superior o igual al considerado (5 percentil), obliga al ensayo de un número elevado de piezas (siempre superior a 40 para cada variable y calidad analizadas), que se incrementa notablemente conforme el número de variables consideradas aumenta. Los resultados que se exponen son consecuencia de diversos trabajos efectuados a lo largo de más de 12 años sobre las tres especies citadas, entre los que cabe reseñar los realizados sobre procedencias españolas de Pinus pinaster (gallego y de la meseta) y Pinus radiata (Ortiz et. al., 1990; Ortiz y Martínez, 1991, López de Roma et al., 1991, Fernández-Golfín y Díez Barra, 1996ayb), así como sobre Pinus sylvestris (proyecto INIA SC-93-165, Fernández-Golfín y Díez Barra, 1996c). Un proyecto similar sobre Pinus nigra (4 procedencias españolas) esta actualmente en ejecución. MATERIAL Y MÉTODOS Para cada una de las tres especies de madera se diseñó un muestreo similar en el que se tuvo en cuenta la dispersión de las masas, sus zonas de calidad de estación y las posibles regiones de procedencia, así como el peso relativo de cada una de ellas respecto de la superficie total ocupada por la especie. Por razones de capacidad máxima de trabajo del Laboratorio, en pino silvestre sólo se consideraron tres regiones de procedencia (Sistema Central, Sistema ibérico y Álava), quedando pendiente la caracterización de las restantes masas. En cada Región la selección de las parcelas de donde se extrajo la madera se hizo con el criterio de que estuvieran señaladas para corta y de que fueran representativas de las diferentes calidades de estación. La selección de los árboles, dentro de cada parcela, se efectuó aleatoriamente entre los señalados para corta y de forma que fueran representativos de las distintas clases diamétricas existentes. Se trató de evitar efectos de borde, de proximidad de corrientes de agua, así como cualquier otro que pudiera sesgar la muestra. Señaladas las parcelas y los árboles, se procedió a su corta, despiezándolos en trozas de tres metros, que fueron trasladas a aserraderos de la zona, obteniéndose piezas de 160x60x3000 mm (dimensiones en verde). Todas las piezas incorporando errores de aserrado fueron eliminadas, aunque tomadas en consideración para el cálculo de los rendimientos globales de madera clasificada. El resto de las piezas correctamente aserradas fueron trasladadas a los laboratorios del CIFOR, donde fueron secadas al aire hasta una humedad final del 10-12%. Visualmente fueron desechadas todas aquellas piezas deformadas durante el secado e inadecuadas para el posterior ensayo mecánico. Las piezas seleccionadas fueron cepilladas por sus cuatro caras hasta llevarlas a dimensiones homogéneas (l50x50 mm), facilitando con ello el posterior manejo y clasificación visual de la madera. Posteriormente, se procedió a inventariar en cada una de ellas los defectos más sobresalientes y la ubicación de las secciones críticas. Toda esta información, junto con alguña otra accesoria como la presencia de médula, madera juvenil o de compresión, etc. ; fue recogida en una ficha por pieza, de forma que en el futuro cada pieza individual pudiera ser reclasificada por cualquier otra norma visual que se plantease. Secas, medidas y cepilladas las piezas e inventariados los defectos, se procedió a realizar el ensayo a flexión, según EN 408. Este ensayo se efectuó en dos etapas, obteniéndose en la primera el valor del Módulo de Elasticidad en flexión (MOE) y en la segunda el Módulo de Rotura en flexión (MOR). 172
Sobre las piezas rotas se procedió a la valoración de las secciones de rotura y a la extracción de las probetas en las que se determinaron la anchura media de los anillos y la densidad. Las secciones de rotura fueron clasificadas de acuerdo con la norma UNE 56544, la cual considera dos únicas clases de calidad, denominadas como ME 1 Y ME2, respectivamente. Esta norma denomina a la madera rechazada, no apta para el uso estructural, como MER. El cálculo de los valores de cada pieza y de los característicos y medios de la población se efectuó de acuerdo con la norma europea EN 384. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Rotas las piezas y con todos los datos obtenidos de cada una de ellas, se procedió a la evaluación estadística de los resultados. El número total de piezas consideradas en los cálculos fue de 572 para el pino radiata, 545 para el pino pinaster y 662 para el silvestre. El total de piezas ensayadas fue superior al arriba mencionado en un 50%, despreciándose, de acuerdo con EN 384, los valores de todas aquellas piezas que rompieron fuera del tercio central. En este cómputo tampoco figuran todas aquellas piezas que aún siendo ensayadas, sus secciones de rotura fueron posteriormente clasificadas como de rechazo. En la Tabla 1 figuran los valores medios y característicos obtenidos globalmente para cada especie, así como los rendimientos de clasificación (% de piezas pertenecientes a cada clase de calidad definida en la norma UNE 56544) y la asignación a clases resistentes que son de aplicación, de acuerdo con la norma UNE-EN 384. Debe indicarse que los datos de los valores característicos han sido calculados según la metodología de la norma UNE-EN 384, con la que, en principio, no estamos de acuerdo, ya que penaliza fuertemente a las especies de ámbito geográfico reducido (por ejemplo al pino radiata). Este hecho puede traer consigo que los datos que aquí se exponen sean ligeramente distintos a los aportados por nosotros mismos en otros trabajos. Del análisis de los datos de dicha tabla pueden extraerse algunas conclusiones, que seguidamente pasamos a resumir: 1-, Se observa una gran similitud entre las propiedades de los pinos silvestre y pinaster, aunque este último suele presentar una significativa mayor densidad, quizá debida a su mayor contenido en resina y menores módulos de elasticidad medios. Estas similares propiedades son evidentes tanto desde el punto de vista de sus valores medios como característicos. No obstante, la asignación de las clases resistentes de la norma EN 338 a las clases de calidad definidas por la norma UNE 56544 no es idéntica en ambos casos, ya que en pino pinaster el valor del MOE de la clase ME1 (11462) queda por debajo del valor mínimo permitido para la clase resistente C30 (12000), lo que obliga a clasificarla en la clase inmediatamente inferior. 2-, El pino radiata presenta valores del MOR y de la densidad significativamente peores, especialmente en la calidad ME 1, lo que se hace evidente no sólo desde el punto de vista de los valores medios, sino de los característicos. Los valores del MOE son intermedios entre las restantes especies. Los valores característicos, especialmente los del MOR, en esta especie están fuertemente penalizados debido al inaceptable nivel de sobrestima que se produce en las clases ME1 y ME2. Este hecho significa en la practica que, considerando la tabla de clasificación de la norma UNE 56544 (común para todas las especies), quedan clasificadas como ME1 piezas cuyo comportamiento mecánico posterior se corresponde con la clase ME2 o, incluso con la MER 173
(rechazo). Se considera que esta estima es inaceptable cuando el porcentaje de sobrestima supera el 5%, valor a partir del cual el valor característico del lote cae por debajo del marcado para la clase considerada (30 Mpa para la clase ME 1 Y 18 Mpa para la ME2). La causa de este proceder ha de ser atribuida a particularidades no contempladas en la norma de clasificación UNE 56544, no pudiendo considerarse ni el número de cantos y caras afectados por nudos (en la sección critica) ni la presencia de médula, pues fueron también evaluados, comprobándose su nula o no significativa incidencia en la resistencia a flexión de las piezas. En la practica esto quiere decir que la norma de clasificación UNE 56544 parece adaptarse mejor a las particularidades de la madera de los pinos silvestre y pinaster y peor a las del pino radiata, lo que hace aventurar la conveniencia de desarrollar un sistema de clasificación específico para este pino. A este respecto, cabe destacar que es el método descrito por la norma Neozelandesa NZS 3631 el que aporta mejores valores mecánicos y de rendimiento por clases de calidad, entre todas las normas analizadas (NFB 52-001-5, INSTA 142, DIN 4074, BS 4978, ECE). En la Tabla 2 se aporta una interesante evaluación del comportamiento mecánico real de las piezas de las tres especies, presentándola en forma del porcentaje de piezas que pueden encuadrarse dentro de cada clase resistente en función del valor del MOR obtenido en los ensayos. Por simplificación se consideraron, como la norma UNE 56544, sólo tres clases de resistencia, la 1-, con MOR 30 Mpa, la 2-, con MOR estrictamente menor que 30 Mpa y mayor o igual que 18 Mpa y la 3-, con MOR estrictamente menor que 18 Mpa. De acuerdo con los resultados obtenidos (Tabla 2), se observa que el pino pinaster es el que presenta un porcentaje más elevado de piezas con MOR superior a 30 Mpa (72%), y que este incremento del porcentaje se realiza a costa de las dos restantes clases resistentes (22% para la clase de 18 a 30 Mpa y 6% para la clase inferior a 18MPa). Esto quiere decir que esta madera, con independencia de los criterios de la norma de clasificación UNE 56544 es la que puede considerarse como más apta para el uso resistente. Este hecho, junto con la similitud que presentan los valores medios del MOR para los pinos silvestre y pinaster (Tabla 1), llevan a concluir que el pino pinaster es más homogéneo (menor variabilidad) y resistente que los dos restantes. Con respecto al pino radiata debe concluirse que aunque el número de piezas altamente resistentes es mayor que para el pino silvestre (53% frente a 49%), sus valores globales, tanto medio como característico, son menores (Tabla 1), lo cual se explica por el hecho de que los valores extremos en esta especie (máximo y mínimo) son menores y la diferencia entre ambos más elevada (baste aquí recordar que, por definición la variabilidad penaliza fuertemente a los valores característicos, al ser éste el 5 percentil de la distribución) De acuerdo con lo anterior, puede decirse que el pino radiata presenta un elevado potencial de mejora si tras un exhaustivo trabajo de investigación se determina la causa que justifica esta alta variabilidad y se puede incorporar a la definición de la clase ME 1 de la norma UNE 56544 algún sistema de evaluación visual que evite el fuerte valor de sobrestima que actualmente presenta. CONCLUSIONES Como conclusiones finales, resumen de los resultados antes citados, puede decirse que los pinos silvestre y pinaster son muy similares mecánicamente, aunque el primero es algo más rígido y ligero que el segundo. Se observa que el pino pinaster tiene una ligera mayor 174
variabilidad, que se nota en los valores característicos, no imputable a la madera en sí, sino al método de clasificación. también puede decirse que el pino radiata proporciona una madera muy adecuada para el trabajo resistente y que posee un potencial de mejora (selvícola, genética y de métodos de clasificación) enorme, ya que reduciendo su mayor variabilidad puede proporcionar madera de las mismas clases resistentes que para los otros dos pinos. Aunque por razones del espacio disponible no se han aportado los datos (consultables en Fernández-Golfín y Díez Barra, 1996), puede afirmarse que el tamaño del anillo tiene una incidencia no significativa (coeficientes de determinación inferiores al 10%, para regresiones de tipo lineal) en la resistencia y que la presencia de Médula o de madera juvenil no afecta significativamente a la resistencia, aunque si al nivel de deformaciones en servicio (motivo por lo cual la norma UNE 56544 excluye su presencia en la clase alta, la ME 1). REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS BS 4978 (1988). Softwoods grades for structural use. ESI DIN 4074-1 (1989). Clasificación de la madera de coníferas según su capacidad portante. DIN. ECE recommended standards for stress grading and finger-jointing of structural coniferous sawn timber (1982). FERNÁNDEZ-GOLFÍN SECO, J.I.; DÍEZ BARRA, M.R. (1996). Growth rate as a predictor of density and mechanical quality of sawn timber from fast growing species. Halz als Rah-und Werkst~ff54(3): 171-175. FERNÁNDEZ-GOLFÍN SECO, J.I.; DÍEZ BARRA, M.R. (1996). Caracterización de la madera estructural de pino radiata. Análisis de la norma UNE 56544 y propuestas para su mejora. Memoria interna pendiente de publicación. FERNÁNDEZ-GOLFÍN SECO, J.I.; DÍEZ BARRA, M.R. (1996). Caracterización mecánica de la madera aserrada de pino silvestre de los Sistemas Central e ibérico mediante probetas de tamaño estructural. Enviado a Revista de Investigación Agraria, Serie Sistemas y Recursos Forestales. (Pendiente de publicación). INSTA 142 (1994). Nordic visual stress grading rules for timber. NFB 52-001-5 (1992). Regles d dúutilisation du bois dans les constructions. Caractáristiques mécaniques conventionnelles associúes au classement visuel des principales essences rúsineuses et feuillues utilisúes en structures. AFNOR. NZS 3631 (1978). Classification and grading of New Zealand timbers (national grading rules) ORTIZ, J.; CRUZ, H.; BLANCHON, J.L. (1990). Informe final del proyecto MAIB-0129 Standard Quality ofpinus pinaster (informe interno). ORTIZ,J.; MARTÍNEZ,J.J. (1991). características mecánicas de la madera de pino gallego, obtenidas a partir de ensayos con piezas de tamaño estructural. AITIM 150:95-10l. UNE 56544 (1996). Clasificación visual de la madera aserrada para uso estructural. AENOR (pendiente de publicación). UNE-EN 338. Madera estructural. Clases de resistencia. UNE-EN 384 (1996). Madera estructural. Determinación de los valores característicos de las propiedades mecánicas y la densidad. AENOR UNE-EN 408 (1995) Estructuras de madera. Madera aserrada y madera laminada encolada para uso estructural. Determinación de algunas propiedades físicas y mecánicas. 175
TABLA 1 Resumen de resultados, por especies s 433 429 1 MOR 61 38 43 1 31 20.5 17 v MOE Eo,s 13139 10975 11337 e s 2.0 t clase resistente C30 C18 C14 r Rendimiento clasificatorio 29% 48% 100% e P. Densidad 519 487 508 3) 432 411 414 r MOR 48.6 34.7 37 a (MPa) 27 18 17 d MOE Eo,s 12610 11080 11293 i a 7.0 t clase resistente C24 C18 C14 a Rendimiento clasificatorio 26% 46% 100% P. 557 503 535 469 424 435 p 57 39.4 42 i 30 18 16 n MOE Eo,s 11462 9657 10445 a s 4.1 t clase resistente C24 C18 C14 e Rendimiento clasificatorio 34% 47% 100% r TABLA 1: Resumen de resultados, por especies - 40% 35% 12% 60/0 TABLA 2: Asignación a clases de resistencia en función de la resistencia real de las piezas 176