Fundamentos del diseño y la construcción con madera. Pablo Guindos
para el uso estructural de la madera debido a su negativo efecto en las propiedades mecánicas, y son considerados tanto en forma individual como en forma grupal. Finalmente, es necesario también distinguir entre nudos sanos, en los que existe una continuidad material con el tronco ya que se corresponden con ramas vivas, frente a nudos muertos que pueden suponerse como un ‘agregado’ de madera sin continuidad con el material y por tanto resultan más desfavorables en la reducción de resistencia. No obstante, en numerosos casos las normas no distinguen nudos sanos de muertos con el fin simplificar el proceso de clasificación por resistencia.
2.1.2 Inclinación de las fibras
Teniendo en cuenta la estructura de la pared celular, ya descrita anteriormente, el paralelismo de las fibras con relación al eje longitudinal de la pieza resulta de suma importancia para su comportamiento estructural. En este sentido, desde que las mayores resistencias y rigideces se alcanzan en la dirección de las fibras, para aquellos árboles en los cuales el crecimiento ordena las células en forma espiralada, del aserrado se obtienen piezas con sus propiedades mecánicas muy afectadas.
Además de la desviación global de las fibras, se observan desviaciones locales, especialmente alrededor de los nudos, lo que produce que estos defectos sean especialmente desfavorables. La Figura 2.1.2 ilustra las desviaciones de fibra locales típicamente observadas en el plano tangencial al tronco y el plano radial alrededor de los nudos.
| figura 2.1.2 Desviaciones locales de fibra en los planos tangenciales y radiales alrededor de los nudos. |
2.1.3 Madera de reacción2.3
Esta singularidad se genera, cuando el tronco del árbol es sometido a elevados esfuerzos producidos por fuerzas exteriores tales como la acción del viento. En las coníferas se manifiesta como madera de compresión2.4 y en las frondosas como madera de tracción2.5, siendo la primera de ellas la de mayor importancia para el uso estructural de este material. La madera de compresión presenta anillos de crecimiento con un mayor ancho del leño tardío, y en consecuencia resulta más difícil distinguirlo del leño temprano que en la madera normal. Si bien ese mayor ancho del leño tardío redunda en una mayor densidad de la madera, también exhibe una mayor inclinación de las microfibrillas en la capa media de la pared secundaria, lo que origina un comportamiento similar al descripto anteriormente para la madera juvenil cercana a la médula.
2.1.4 Fisuras y deformaciones
La presencia de fisuras se encuentra dentro del grupo de singularidades relacionadas tanto a la constitución interna de la madera como a los procesos de producción y a la exposición al medio ambiente. Se produce normalmente como consecuencia de los diferentes niveles de contracción experimentados según las tres direcciones principales. La pérdida de agua de impregnación de las paredes celulares por debajo del punto de saturación de las fibras, origina una contracción sustancialmente mayor en la dirección tangencial que en la radial. Este comportamiento produce deformaciones no deseadas, y también ocasiona rajaduras y torceduras durante el proceso de secado que varían para las diferentes especies. Las deformaciones no provocan disminuciones en las propiedades mecánicas, pero generan excentricidades que pueden exceder los límites permitidos. Las fisuras afectan en mayor medida a los miembros estructurales sometidos a flexión y compresión, que a los solicitados a tracción paralela a las fibras.
2.1.5 Ataques biológicos
Los hongos y los insectos xilófagos2.6 son los agentes biológicos de mayor importancia para la degradación de la madera. En general el ataque de estos agentes se produce cuando la estructura está en servicio, y está relacionado con el grado de exposición al medio ambiente, la durabilidad natural de la madera y su nivel de protección. No obstante, existen insectos que se desarrollan en el árbol y, consecuentemente, luego del aserrado de las piezas de madera estructural ya se revela este tipo de singularidad que se encuentra limitada en los métodos de clasificación por resistencia.
2.1.6 Otras singularidades
Las imperfecciones o daños producidos durante el aserrado de las piezas estructurales, tales como la arista faltante o gema, no implican una alteración de la respuesta mecánica del material, pero afectan a las dimensiones de su sección transversal. La reacción de los árboles ante ataques externos, tales como la formación de bolsas de resina2.7 en coníferas y de kino2.8 en los eucaliptos, genera alteraciones que se ponen de manifiesto luego del aserrado de las piezas estructurales y deben ser evaluadas por analogía con alguna singularidad similar ya tipificada.
2.2 Estructura interna
A pesar de las diferencias existentes, las características fundamentales de las paredes celulares son comunes a la mayoría de las especies. La sustancia básica que la compone es la celulosa, que se presenta agregada en unidades largas llamadas fibrillas elementales, las que, a su vez, se unen para formar las microfibrillas. Éstas últimas se recubren por hemicelulosa y se unen entre sí con uniones de hemicelulosas y pectinas. Por otra parte, la lignina, cuya estructura exacta aún a día de hoy es desconocida, se supone se integra a este entramado en formas globulares. El componente que aporta mayor rigidez a la pared celular es la celulosa, cuyo módulo elástico se sitúa en valores superiores a los 30 GPa. Sin embargo, la disposición de las fibrillas está ligeramente desviada respecto del eje axial de la traqueida por lo que, en lugar de formar un compuesto muy rígido, se genera una estructura con una excepcional capacidad de absorción de energía y ductilidad. Mientras que la celulosa y la hemicelulosa son muy hidrofílicas, la lignina es altamente hidrofóbica, jugando un papel crucial en la relativa impermeabilización de la pared celular y su durabilidad. No obstante, los espacios existentes entre las fibrillas elementales pueden ser ocupados por moléculas de agua bajo ciertos gradientes de presión, y consecuentemente una microfibrilla, formada por la unión de varias fibrillas elementales, puede variar su espesor, produciendo los llamados cambios dimensionales2.9 (hinchazón y merma) de la madera.
| figura 2.2.1 Simulación del pandeo no lineal de un fragmento de pared celular Picea abies de origen sueco (microfibrillas, hemicelulosa y lignina) obtenido en la nanoescala mediante crio-microscopía electrónica. La celulosa se representa en rojo, hemicelulosa en verde y lignina en amarillo. |
La capa existente entre las células individuales se denomina laminilla media, siendo la que mantiene la cohesión necesaria para formar el tejido y está compuesta fundamentalmente por lignina y pectina. Entre ésta y el espacio interior, denominado lumen, se ubica la pared celular, que posee tres capas denominadas pared primaria, secundaria y terciaria. La pared primaria se encuentra en contacto con la laminilla media y en la misma las microfibrillas se orientan al azar, entrelazándose, siendo su espesor muy delgado. La secundaria se puede descomponer en tres partes bien diferenciadas, una externa muy delgada, con un espesor del orden de décimas de micrómetro, que presenta un promedio de inclinación de las microfibrillas, con respecto al eje de la célula, de entre 50° y 70°. Una parte media que cuenta con un mayor espesor, de varios micrómetros, y con las microfibrillas orientadas mayoritariamente en la dirección longitudinal (de 5° a 20°). Finalmente, una parte interna que no ofrece un orden estricto en su orientación. La pared terciaria se ubica contra el espacio interior de la célula. La Figura 2.2.2 muestra esquemáticamente la organización de las células, donde se puede apreciar la disposición de la laminilla media, en el contorno, y el espacio interior en cada una. Entre ambos, y para una célula en particular, se detalla la estructura de la pared, con sus capas características, de las cuales sobresalen las tres partes que constituyen la capa media, conforme a la descripción efectuada anteriormente.
| figura 2.2.2 Estructura de una pared celular. |
La estructura de la pared celular puede analizarse también desde el punto de vista de su comportamiento estructural; la capa media de la pared secundaria, que bajo esta perspectiva es la más importante, puede absorber los esfuerzos de tracción debido a la orientación predominantemente longitudinal de las microfibrillas que la integran. A