Fundamentos del diseño y la construcción con madera. Pablo Guindos
y que no se puede ser extraída sin destruir el tejido. En el análisis de las propiedades vinculadas al diseño estructural se hace referencia solamente a las dos primeras.
El contenido de humedad en la madera es definido como el cociente de la masa de agua contenida, removible físicamente, y la masa de la madera seca (anhidra) que la contiene, expresada en porcentaje. Esta última se obtiene por secado en estufa a una temperatura de 103 +/- 2 °C. Se considera que se alcanza esta condición, cuando la diferencia entre dos pesadas sucesivas con intervalos de 6 horas es igual o menor al 5% de la masa de la pieza de madera empleada.
Cuando la madera verde (o con un elevado contenido de humedad) se seca natural o artificialmente, el agua que primero pierde es el agua libre. Mientras esto sucede, no se producen variaciones volumétricas ni alteraciones de importancia en las propiedades mecánicas. Después de la pérdida del agua libre, el agua remanente se ubica en las paredes celulares saturándolas, y por esa razón a ese contenido de humedad se lo conoce como punto de saturación de las fibras (PSF). A fines prácticos, y si bien con variaciones entre especies, este punto puede considerarse ubicado entre el 28% y el 32%. Al ser la madera un material higroscópico2.11, su contenido de humedad dependerá en cada caso de la temperatura y la humedad relativa ambiente (HR). La humedad de equilibrio interno (HE) en un determinado clima, se alcanza luego de un tiempo, el cual varía también con las dimensiones de las piezas.
La variación de la HE causada por una variación de HR a una temperatura constante, se le conoce como isoterma de sorción. Sucede que en una misma madera esta isoterma no es siempre constante (disminuye con ciclos sucesivos), lo que se conoce como histéresis de sorción. También sucede que la HE en ciclos de absorción es aproximadamente 1% inferior a ciclos de sorción. La Figura 2.2.1 ilustra la HE típicamente contenida en la madera para diferentes temperaturas y HR ambientales.
La importancia del PSF deriva de que, a partir del mismo, el agua perdida es extraída de las paredes celulares y por lo tanto estas son modificadas, produciendo variaciones tanto de las dimensiones como del comportamiento resistente y elástico de las piezas. Es decir, que en la medida que disminuye el contenido de humedad por debajo de ese punto, se produce una reducción de las dimensiones y un aumento, en general, en la resistencia y rigidez de la madera. Es imposible que el tenor de humedad alcance el 0% (estado anhidro) en forma natural, pero en climas secos se pueden alcanzar porcentajes de equilibrio inferiores al 10%. El clima denominado normal es el correspondiente a 20 °C de temperatura y 65% de HR ambiente, lo que origina una HE de aproximadamente 12% en la mayoría de las maderas y es tomada como humedad de referencia internacionalmente para la determinación de las propiedades de resistencia y rigidez.
| figura 2.3.1 Ilustración de la HE típica de la madera según temperatura y HR (basado en Forest Products Laboratory, FPL, 2010). |
En Chile, la medición del contenido de humedad se regula por la norma NCh176/1, la cual contempla tanto el método de secado con estufa, como la determinación por xilohigrómetro2.12 (determinación de la humedad a partir de la variación de conducción eléctrica vía electrodos) y la destilación (determinación por remoción de la humedad con un solvente).
2.3.2 Densidad aparente
La densidad del material que constituye las paredes de las células de la madera, excluidos los vacíos, alcanza un valor aproximado de 1500 kg/m3. La densidad aparente es definida como el cociente entre la masa y el correspondiente volumen aparente. Para la madera, ésta oscila entre valores de 110 kg/m3 y 1300 kg/m3, debido a la influencia de la porosidad. Las especies de elevada porosidad, en general de rápido crecimiento, se acercan al primero, mientras que al segundo se aproximan las maderas tropicales de mayor dureza, ver Figura 2.3.2.1.
| figura 2.3.2.1 Efecto del porcentaje de poros y pared celular en la densidad de la madera (basado en Neuhaus 1994). |
La heterogeneidad que caracteriza la anatomía de este material, ya descripta anteriormente, explica en parte la variabilidad que exhibe esta propiedad entre especies, dentro de una especie, de una plantación, de un árbol, e incluso de una pieza estructural.
Teniendo en cuenta que normalmente este material contiene agua, cuya masa se agrega a la de la madera y a su vez produce variaciones en el volumen por debajo del punto de saturación de las fibras, se debe definir siempre el contenido de humedad para el cual se calcula la densidad. En ingeniería estructural esta propiedad se expresa habitualmente para dos valores del contenido de humedad. La denominada densidad en clima normal (referida como densidad normal), ya definido anteriormente, es la más importante. La densidad anhidra, para la madera secada al horno, suele también emplearse en algunas reglas de diseño.
La densidad aparente está correlacionada positivamente con la mayoría de las propiedades mecánicas de muchos materiales, y la madera, cuya fascinante estructura ha sido diseñada y optimizada por la naturaleza no es una excepción, aunque el nivel de correlación varía para distintas especies y zonas de cultivo. En consecuencia, es un parámetro indicativo de la resistencia y la rigidez adoptado usualmente en investigaciones y en la normativa internacional referida a la clasificación por resistencia y al diseño estructural. La influencia de la densidad en algunas de las propiedades mecánicas más importantes, es ilustrada en la Figura 2.3.2.2.
| figura 2.3.2.2 Influencia de la densidad en algunas de las propiedades mecánicas más importantes (basado en Neuhaus 1994). |
En Chile la medición de la densidad se regula mediante la NCh176/2, la cual además de prestablecer la medición de la densidad normal y la densidad anhidra, una densidad básica (relación de masa anhidra y volumen verde) y una densidad nominal (relación de masa anhidra y volumen de ensayo, generalmente al 12%). Por otra parte, la determinación de la densidad en paneles de madera se efectúa de acuerdo a la NCh792. Las densidades anhidras y normales de las distintas especies se presentan en el anexo E de la NCh1198, tanto los valores medios como los característicos (percentil del 5%).
2.3.3 Estabilidad dimensional
Tal como se presentó, cuando la humedad de la madera disminuye del PSF se producen cambios dimensionales debido a la variación del tamaño de los poros de las paredes celulares. La hinchazón se refiere al aumento dimensional debido al incremento de la humedad, mientras que a la contracción se le denomina merma. Los cambios dimensionales de estado verde a anhidro en T son habitualmente del orden del 8% para coníferas, mientras que en R las variaciones son alrededor de la mitad. Esto genera tensiones internas que pueden llegar a producir deformaciones, fisuras y grietas reduciendo la calidad del producto. De hecho, la equidad de contracciones y dilataciones en R y T es un indicador de poca propensión a la deformación, lo que es muy importante para ciertas aplicaciones tales como ebanistería. Como es lógico, los cambios dimensionales en las direcciones transversales se incrementan con la densidad (mayor porcentaje de paredes celulares). Por otro lado, los cambios en la dirección L son relativamente insignificantes, del orden de 0.1% de madera verde a madera anhidra, aunque pueden llegar a ser hasta el 2% en madera juvenil.
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| figura 2.3.3 Ilustración de deformaciones típicas tras el secado de la madera de acuerdo a su posición en el tronco (basado en Forest Products Laboratory, FPL, 2010). |
En estado seco, los cambios dimensionales tienden a ser cuasi-lineales, así que es posible predecir la diferencia dimensional en cada dirección (∆t) sin más que multiplicar la diferencia de humedad (∆H) por un coeficiente de contracción lineal en L (CL), R (CR) y T (CT):
Los cambios longitudinales se suelen despreciar, aunque pueden jugar un papel importante en piezas con gran contenido de madera juvenil. Estos cambios son un aspecto importante a considerar en el diseño de edificios de mediana altura de entramado ligero. A partir de las contracciones longitudinales, es posible establecer un coeficiente de contracción volumétrica que es calculado como la suma