Fundamentos del diseño y la construcción con madera. Pablo Guindos
externa como por la interna, que tienen una mayor inclinación de las fibras.
Las especies frondosas presentan una anatomía más compleja que las coníferas, conteniendo un mayor número de tipos de células que cumplen distintas funciones fisiológicas. En las primeras se pueden diferenciar las fibras que proveen la resistencia mecánica, constituyendo el tejido de sostén, con paredes celulares más gruesas que en las coníferas y longitudes comprendidas entre 1 mm y 1,5 mm. Dentro de este tejido se distribuye un segundo tipo, los vasos conductores, con diámetros variables entre 0,02 mm y 0,5 mm, y que se extienden verticalmente en el árbol apareciendo con distinta distribución según las especies. Aquellos casos donde se distinguen claramente los vasos más grandes en la madera temprana, de los pequeños en la madera tardía, se definen como porosidad anular. Si esa distribución no presenta un cambio brusco se denomina porosidad semianular. Sin embargo, en la mayoría de las especies existe una disposición irregular de los vasos, recibiendo el nombre de porosidad difusa. Un tercer grupo es el constituido por el tejido de almacenamiento o parénquima, que aparece tanto en sentido longitudinal como radial, y su número es mayor que en las coníferas. En Figura 2.2.3 se muestra la típica anatomía observada en coníferas y latifoliadas.
| figura 2.2.3 Estructura básica de una especie conífera y una latifoliada. |
Las especies de coníferas muestran una estructura más simple, con mayoría de fibras traqueidas, de longitud variable entre 2 mm y 5 mm y esbeltez muy grande, ya que el diámetro es aproximadamente la centésima parte de su longitud. Este tejido, que constituye un porcentaje variable entre el 90% y el 95% del total, cumple la función de dar resistencia y a su vez de transporte de alimento. Se organiza en filas radiales, presentando paredes más gruesas y menores diámetros en la madera tardía (de otoño) que en la temprana (de primavera), originando diferentes densidades; su longitud coincide con la dirección del eje del árbol. El otro grupo es el constituido por el tejido de reserva, el parénquima, que se ocupa de almacenar los elementos nutritivos y se desarrolla fundamentalmente en sentido radial. Los canales de resina son longitudinales y forman cavidades en el tejido.
El crecimiento vertical del árbol ocurre en forma continua, y en su parte central aparece la médula, que en general tiene menor calidad que el resto de la madera. El crecimiento de las capas periféricas del tronco, responsables por el desarrollo horizontal, da lugar a la formación de los anillos anuales de crecimiento. El tejido celular que produce la nueva madera se denomina cambium y está ubicado en la parte externa, recubierto por la cáscara o corteza, siendo el mismo muy delgado. Si se observa a simple vista la sección transversal del tronco, se puede apreciar que ese desarrollo se produce con dos tipos diferentes de tejidos, que responden a la madera generada en primavera, o leño temprano, y a la formada en el otoño, o leño tardío, respectivamente. Ambos sumados, constituyen un anillo anual. La diferencia entre ambos tejidos es más nítida en algunas especies que en otras, pero, en general, los formados en primavera poseen células de paredes más delgadas y mayor lumen, para facilitar el transporte de savia. Por el contrario, los de otoño tienen células con mayor espesor de pared y menores huecos, confiriendo mayor resistencia al material que conforman.
La madera formada en primavera es en general de color más claro y posee menor densidad que la del otoño, precisamente como consecuencia del menor espesor de sus paredes. Si bien es necesario tener en cuenta algunas variables tales como la especie, el clima y las condiciones del suelo donde se desarrolla la planta entre otras, en general existe una relación entre el espesor de los anillos y la densidad. En la mayoría de las coníferas, el espesor del leño tardío, de otoño, se mantiene casi constante y la diferencia se produce en el espesor del leño temprano, por lo cual a un mayor espesor del anillo se corresponde con una menor densidad.
Si se toma el caso de las maderas de especies frondosas con porosidad anular, estas en general se caracterizan por formar anillos de madera de primavera con marcados poros, los vasos conductores, y con espesor casi constante, apareciendo la variación en el leño tardío, y, en consecuencia, a mayor espesor de los anillos corresponde una mayor densidad. Esta circunstancia no se presenta cuando la porosidad es difusa. La relación entre el espesor de los anillos anuales y la densidad, explica la causa por la cual, en la mayoría de las normas de clasificación visual de piezas de madera, se considera al mencionado espesor como un parámetro de importancia, y, en el caso de las coníferas, a menor espesor, mayor calidad de madera.
A su vez, en la medida que el árbol madura y aumenta la cantidad de anillos, se generan dos grandes zonas en su sección transversal. La parte más reciente, la externa, por la cual asciende la savia desde las raíces hacia el extremo superior, se denomina albura. Con el paso del tiempo las células son modificadas, incrustadas con extractivos orgánicos, dando lugar a la formación del duramen en la zona interior. Este es generalmente más denso, menos permeable y más resistente a los ataques de insectos y hongos. Existe por otra parte, una diferencia entre los anillos de crecimiento que se formaron en la época temprana del árbol —habitualmente entre 5 y 20—, con aquellos que ocupan la parte exterior del tronco. A la madera formada por los primeros, se le denomina madera juvenil, en alusión a la edad del árbol cuando ella se constituyó, y al resto se le denomina madera adulta. Particularmente, en las especies de coníferas la madera juvenil cercana a la médula presenta fibras más cortas, con espesores de paredes más delgados y una mayor inclinación de las microfibrillas en la capa media de la pared secundaria. Como consecuencia, se obtiene una menor resistencia y rigidez, y mayores niveles de contracción y expansión que la madera adulta.
En resumen, puede afirmarse que, la estructura de las paredes de las células, la unión de éstas para constituir los tejidos de la madera libre de defectos y las singularidades que presenta en tamaños de uso estructural, representan tres niveles anatómicos fundamentales que es necesario considerar para comprender el comportamiento de este material. En efecto, en el primer nivel se encuentra la explicación a las importantes diferencias experimentadas por la contracción y expansión en dirección transversal respecto de la longitudinal (entre 10 y 20 veces superior para la primera). El segundo nivel ofrece la razón por la cual la rigidez encontrada en dirección longitudinal es entre 20 y 40 veces mayor que en la transversal. El tercer nivel, que considera la presencia de nudos2.10 y otras singularidades que serán descriptas más adelante, explica la enorme diferencia que se encuentra para la resistencia entre una probeta pequeña, libre de defectos, y una de tamaño estructural que no sea de primera calidad. Dicha diferencia es crucial en la caracterización y clasificación de la madera, hasta tal punto que conforma dos enfoques diferentes de diseño estructural: el método de las tensiones admisibles, y el método de las tensiones últimas. En la literatura inglesa, la madera libre de defectos suele denominarse clear wood o simplemente wood, mientras que a las piezas mayores con defectos se les denomina lumber o timber.
En resumen, en la Figura 2.2.4 se ilustra la estructura jerárquica de la madera, desde la estructura visible en el tronco, hasta la organización supramolecular de los constituyentes en la nanoescala.
| figura 2.2.4 Estructura jerárquica de la madera: desde el tronco hasta la organización molecular. |
2.3 Propiedades físicas de la estructura: humedad y densidad
La descripción de la organización interna de la madera presentada en el apartado anterior, permite abordar el análisis de las propiedades físicas más importantes para su uso estructural, como son el contenido de humedad y la densidad aparente. Además de influir sobre el comportamiento mecánico, estas propiedades explican los fenómenos de contracción y expansión, otra propiedad física de consideración en el diseño porque puede ocasionar tensiones internas, así como deformaciones y fisuras.
2.3.1 Contenido de humedad
La presencia del agua en la madera se manifiesta ocupando los espacios celulares e intercelulares del leño (agua libre), o impregnando las paredes de las células (agua de impregnación), pudiendo en ambos casos eliminarse