¡Descarga Apuntes madera y más Apuntes en PDF de Materiales solo en Docsity!
- INTRODUCCIóN
- COMPOSICIóN Y ESTRUCTURAS DE LA MADERA
COMPOSICIÓN ESTRUCTURA MACROSCÓPICA ESTRUCTURA MICROSCÓPICA DE LA MADERA COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS CONSTITUYENTES DE LA PARED CELULAR
- PROPIEDADES FÍSICAS
ANISOTROPÍA HUMEDAD DE LA MADERA. RELACIONES AGUA - MADERA CONTENIDO DE HUMEDAD. HINCHAZÓN Y MERMA DE LA MADERA COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN VOLUMéTRICA PUNTO DE SATURACIÓN DE LAS FIBRAS PESO ESPECíFICO HIGROSCOPICIDAD HOMOGENEIDAD DURABILIDAD INFLAMACIÓN Y COMBUSTIÓN
- PROPIEDADES MECÁNICAS
ELASTICIDAD - DEFORMABILIDAD FLEXIBILIDAD DUREZA CORTADURA HENDIBILIDAD DESGASTE RESISTENCIA AL CHOQUE RESISTENCIA A LA TRACCIÓN RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN FLEXION ESTÁTICA
1. INTRODUCCIÓN
La madera es un material complejo, con unas propiedades y características que dependen no solo de su composición sino de su constitución (o de la manera en que están colocados u orientados los diversos elementos que la forman). El como están colocados u ordenados estos elementos nos servirá para comprender mejor el comportamiento, algunas veces poco lógico (aparentemente) de este material.
En primer lugar se ha de recordar que la madera no es un material de construcción, fabricado a propósito por el hombre, sino que es un material obtenido del tronco y las ramas de los árboles cuya finalidad es la de facilitar el crecimiento y supervivencia de este elemento vegetal.
La madera no es un material homogéneo, está formado por diversos tipos de células especializadas que forman tejidos.
Estos tejidos sirven para realizar las funciones fundamentales del arbol; conducir la savia, transformar y almacenar los alimentos y por último formar la estructura resistente o portante del árbol.
Será interesante recordar algunos conceptos respecto a la composición, microestructura y sobre todo la macroestructura de la madera.
2. COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURAS DE LA MADERA
COMPOSICIÓN
Es una sustancia fibrosa, organizada, esencialmente heterogénea, producida por un organismo vivo que es el árbol.
Sus propiedades y posibilidades de empleo son, en definitiva, la consecuencia de los caracteres, organización y composición química de las celulas que la constituyen.
El origen vegetal de la madera, hace de ella un material con unas caracteristicas peculiares que la diferencia de otros de origen mineral.
Elementos organicos de que se componen:
-Celulosa: 40-50% -Lignina: 25-30% -Hemicelulosa: 20-25% (Hidratos de carbono)
Analicemos, una por una, las diferentes partes que se puedan observar en una sección normal al eje del árbol.
-Médula:
Parte central del árbol. Constituida por tejido flojo y poroso. Tiene un diámetro muy pequeño. Madera vieja y normalmente agrietada. Se suele desechar en los procesos de elaboración de la madera.
-Duramen:
Madera de la parte interior del tronco. Constituido por tejidos que han llegado a su máximo desarrollo y resistencia (debido al proceso de lignificación.) De coloración, a veces, mas oscura que la exterior. Madera adulta y compacta. Es aprovechable. La duraminización (transformación de albura a duramen) de la madera se caracteriza por una serie de modificaciones anatómicas y químicas, oscurecimiento, aumento de densidad y mayor resistencia frente a los ataques de los insectos.
-Albura:
Se encuentra en la parte externa del tronco, bajo la corteza. Constituida por tejidos jóvenes en período de crecimiento (zona viva). Contiene mucha savia y materias orgánicas. De coloración más clara que el duramen, mas porosa y mas ligera, con mayor riesgo frente a los ataques bióticos.
-Cambium:
Capa existente entre la albura y la corteza, constituye la base del crecimiento en especial del tronco,generando dos tipos de células:
Hacia el interior: Madera (albura)
Hacia el exterior: Liber
-Liber:
Parte interna de la corteza. Es filamentosa y poco resistente. Madera embrionaria viva.
-Corteza:
Capa exterior del tronco.Tejido impermeable que recubre el liber y protege al árbol.
-Radios leñosos:
Bandas o láminas delgadas de un tejido, cuyas células se desarrollan en dirección radial, o sea, perpendicular a los anillos de crecimiento. Ejercen una función de trabazón. Almacenan y difunden las materias nutritivas que aporta la savia descendente (igual que las células de parénquima). Contribuyen a que la deformaciòn de la madera sea menor en dirección radial que en la tangencial.
Son más blandos que el resto de la masa leñosa. Por ello constituyen las zonas de rotura a comprensión, cuando se ejerce el esfuerzo paralelamente a las fibras.
-Anillos anuales:
. Cada anillo corresponde al crecimiento anual, consta de dos zonas claramente diferenciadas:
-Una formada en primavera: Predominan en ella los vasos gruesos que conducen la savia bruta hasta las hojas (tejido vascular). Color claro, pared delgada y fibras huecas y blandas.
-Otro formado en verano: Tienen los vasos más pequeños y apretados.Sus fibras forman el tejido de sostén. Color oscuro denso y fibras de paredes gruesas.
En zonas tropicales (o en las zonas donde no se producen, practicamente, variaciones climáticas con los cambios de estación, y la actividad vital del árbol
Todo ello hace de la madera un material resistente y ligero, que puede competir favorablemente con otros materiales utilizados en la construcción, en cuanto a la relación resistencia-peso específico.
En el sentido axial distinguimos:
a)- Fibras alargadas, de pared gruesa formadas por células que se han prolongado afinándose en las puntas, constituyendo los tejidos de sostén, es decir, la estructura y la parte resistente de la madera (tejido fibroso).
En las coníferas estas células son las mismas que sirven para permitir la circulación de los fluidos.
b)- Vasos y poros de pared delgada (tejido vascular), formando los órganos de conducción o vehículo de la savia ascendente o bruta; los poros de la madera aparecen en sección transversal (pequeños agujeros), y en sección longitudinal (pequeñas estrias).
c)- Células de parénquima, son cortas y poco abundantes. Difunden y almacenan en todo el espesor del árbol la savia descendente o elaborada.
El parénquima constituye una especie de tejido conjuntivo (tegumental o de defensa), que vincula entre si a los otros tejidos y que está formado por células poliédricas de paredes celulósicas delgadas y esponjosas.
Esta especialización entre estructura y función sólo existe en los árboles frondosos; en los resinosos, todas las fibras son de caracter especial, llamadas traqueidas, de paredes más o menos espesas según la época del año en que se han formado.
En el sentido radial hay menos células, y estas se disponen por bandas o láminas delgadas (radios medulares), intercaladas entre las fibras y los vasos, a los que cruzan en ángulo recto, dirigiéndose desde la corteza hasta el centro del árbol.
En esas bandas de células llamadas radios celulares o mallas, almacenan y difunden, como las células del parénquima, las materias nutritivas que arrastra la savia descendente.
En ciertas especies se encuentran en ambos sentidos, axial y radial, unos canales secretores de resina.
De lo dicho anteriormente se desprende que la madera es un material heterogéneo y anisótropo, por tanto, sus propiedades variarán según la dirección que se condidere.
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS CONSTITUYENTES DE LA
PARED CELULAR
El análisis de los distintos componentes será el siguiente:
CELULOSA
La celulosa es el principal componente estructural de la madera. Seria el equivalente a las armaduras en el hormigón armado.
La celulosa es un polímero lineal, cuya fórmula es (C6 H10 O5) n siendo elvalor
de n varios miles de unidades.
HEMICELULOSA
Se considera a la hemicelulosa como el agente cementante que mantiene aglomeradas las microfibrillas y evita fisuras cuando las fibras de la madera son sometidas a esfuerzos de torsión, flexión o compresión que acuan sobre ellas.
La hemicelulosa, tambien un polímero, cuyas fórmulas (C5 H8 O4)n y (C6 H O4)n siendo el valor de n de centenares de unidades. Su grado de
polimerización es menor que el de la celulosa.
LIGNINA.
Podríamos decir que la lignina actua como impermeabilizante de las cadenas de celulosa (muy hidrófilas) y como aglomerante de las estructuras fibrilares de las células.
HUMEDAD DE LA MADERA. RELACIONES AGUA - MADERA
Es la propiedad más importante, pues influye sobre todas las demas, propiedades físicas, mecánicas, mayor o menor aptitud para su elaboración, estabilidad dimensional y resistencia al ataque de seres vivos.
El agua es el vehículo de transporte que utilizan las plantas para su alimento, esto, unido a la higroscopicidad de la madera, hace que esta tenga normalmente en su interior cierta cantidad de agua, que es necesario conocer antes de su uso, debido a las modificaciones que produce en las características físicas y mecánicas.
El agua en la madera, puede estar presente de tres formas diferentes:
-Agua de constitución o agua combinada: Es aquella que entra a formar parte de los compuestos químicos que constituyen la madera. Forma parte integrante de la materia leñosa (de su propia estructura), y no se puede eliminar si no es destruyendo al propio material (por ejemplo, quemándola).
-Agua de impregnación o de saturación: Es la que impregna la pared de las células rellenando los espacios submicroscópicos y microscópicos de la misma. Se introduce dentro de la pared celular, siendo la causa de la contracción de la madera cuando la pierde (desorción) y de su expansión o hinchamiento cuando la recupera (sorción: retención de agua). Se puede eliminar por calentamiento hasta 100 - 110° C.
-Agua libre: Es la que llena el lumen de las células o tubos (vasos, traqueidas, etc.) Es absorbida por capilaridad.
El agua libre, una vez perdida por la madera, ya no puede ser recuperada a partir de la humedad atmosférica. Para recuperarla, habra de ser por inmersión directa en el agua. El agua libre no tiene mas repercusión que la ocupación física de los huecos, y por consiguiente no influye en la hinchazón o merma de la madera ni en las propiedades mecánicas.
Las dos últimas, impregnación y libre son las que constituyen la humedad de la madera. La humedad es la cantidad de agua que contiene la madera expresada en % de su peso en estado anhídro o húmedo.
CONTENIDO DE HUMEDAD.
Definimos como contenido de humedad o simplemente humedad de la madera h a la relación del peso del agua contenida en la madera, al peso de la madera anhidra y se calcula de la siguiente forma:
h (^) =
Ph (^) − Po Po
x 100
en la que Ph representa el peso de la madera que estamos estudiando, Po el peso de la madera anhidra y se multiplica por 100 para asi obtener el % de contenido de humedad de la madera referida al peso seco
En algunos casos (industria de la pasta para papel), interesa obtener el % de contenido de humedad de la madera referida al peso húmedo con lo que la fórmula para obtenerlo será:
x =
Ph − Po Ph
x 100
La humedad no es constante en todo el espesor de la pieza, siendo menor en el interior y teniendo más humedad la albura que el duramen.
La madera contiene más agua en verano que en invierno. Es un material higroscópico, lo cual significa que absorbe o desprende agua en función del ambiente que le rodea.
Expuesta al aire pierde agua y acaba estabilizándose a una humedad que depende de las condiciones del ambiente: temperatura y humedad.
Si estas condiciones varían, también variará su contenido de humedad. La humedad de la madera tiende a estar en equilibrio con el estado del aire ambiente. Este equilibrio no es el mismo si la madera está secándose, que si está absorbiendo agua.
El primer tipo de agua que elimina la madera es el agua libre; esta pérdida se hace practicamente sin variación de las carecteristicas fisico - mecánicas (varia su densidad aparente.)
Desaparecida el agua libre, queda el agua de impregnación de la pared celular (satura las fibras de la madera) y que al disminuir por medio de la evaporación o secado modifica las propiedades fisico - mecánicas (su dureza y la mayoría de las resistencias mecánicas aumentan) y el volumen de la pieza de madera disminuye como consecuencia de la disminución de volumen de las paredes de cada una de sus células.
La humedad de la madera depende, ahora, de las condiciones higrotérmicas del ambiente. A cada par de valores de temperatura y humedad relativa del aire corresponde, en la madera, una humedad comprendida entre el 0% y el 30% (punto de saturación de las fibras, aproximadamente), que recibe el nombre de " Humedad de equilibrio higroscópico ". Este " Punto de saturación
del 18% al 13% (al abrigo de la lluvia)
Madera desecada (muy seca):
menos del 13% (secado natural o en clima seco)
Madera anhidrida:
0% (en estufa a 103° C. Estado inestable)
Humedad normal para ensayos: Las humedades de la madera para la realización de ensayos ha sido el 12 y el 15% según paises y normas. Actualmente tiende a usarse la humedad de equilibrio que se obtiene a una temperatura de 20°C. y con una humedad relativa del 65%, lo que nos da una humedad en la madera de aproximadamente del 12%.
-Para las obras, la guía de humedad que debe de tener la madera según la naturaleza de la obra, es la siguiente:
Obras hidráulicas: 30% de humedad (contacto en agua)
Túneles y galerias: de un 25% a un 30% de humedad (medios muy húmedos)
Andamios, encofrados y cimbras: 18% al 25% de humedad (expuestos a la humedad)
En obras cubiertas abiertas: 16% a 20% de humedad.
En obras cubiertas cerradas: 13% a 17% de humedad.
En locales cerrados y calentados: 12% al 14% de humedad
En locales con calefacción contínua: 10% al 12% de humedad.
HINCHAZÓN Y MERMA DE LA MADERA
Es la propiedad que posee la madera de variar sus dimensiones y por tanto su volumen cuando su contenido de humedad cambia.
Cuando una madera se seca por debajo de P. S. F., se producen unos fenómenos comunmente llamados " movimientos, trabajo o juego de la madera " ; si el fenómeno es de aumento de volumen, se designa con el nombre de " Hinchazón " y si ocurre el fenómeno inverso de disminución de volumen " Merma ".
El aumento de volumen con la humedad es, practicamente, proporcional a la misma, hasta un punto que coincide apróximadamente con el 25% de humedad, sigue el aumento de volumen, pero con incrementos cada vez menores, hasta el Punto de saturación de las fibras (PSF) a partir del cual el volumen permanece practicamente constante, (deformación máxima).
La contracción volumétrica total, mide la contracción volumétrica entre los estados de saturación y anhidro.
B % (^) = Vs^ −^ Vo Vo
B%= Contracción volumétrica total.
Vs= Volumen de la probeta saturada de agua
Vo= Volumen de la probeta en estado anhidro.
La contracción volumétrica entre dos estados de humedad viene dado por el porcentaje de variación de volumen entre los dos estados.
La medida de contracción volumétrica no es suficiente para determinar la calidad de una madera.Es preciso saber como se comporta bajo la influencia de las variaciones de humedad próximas a la humedad normal, que es, en general, la que corresponde al ambiente de empleo de la madera.
CLASE CONTRACCION
TOTAL %
TIPO DE COMPARACION
Gran contracción 20 al 15% Madera en rollo con grandes fendas de desecación que deberán aserrarse antes del secado (haya, fresno, roble)
Contracción media 15 al 10% Madera en rollo con fendas medias, pudiendo ser conservada en rollo para apeos, postes, andamiaje. (resinosas, acacias, caoba de Africa)
Pequeña contracción 10 al 5% Madera en rollo con pequeñas fendas que se puede secar antes de su despiece, desenrollo etc.
(nogal, chopo etc.
COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN VOLUMÉTRICA
Dicho coeficiente mide la variación del volumen de la madera cuando su humedad varía un 1%.
En el sentido longitudinal o de la fibra (axial) de la madera, el movimiento es muy pequeño, y en la practica se considera nulo (0,1%), mientras que en el sentido radial el movimiento puede variar entre un 4,5 y un 8%. En el sentido tangencial (anillos anuales), la contracción es, en general de 1,5 a 2 veces mayor que en el sentido radial. Esta diferencia de contracciones, según los sentidos radial y tangencial, es una de las causas de las deformaciones y fendas que se producen durante el proceso de secado. Existen algunas clases de madera en las que las contracciones radial y tangencial son practicamente iguales. Estas maderas, aún con una fuerte contracción, si se desecan con cuidado no se deforman; son las maderas de ebanistería por excelencia (caobas, etc).
La contracción volumétrica debido a las variaciones lineales de sus tres dimensiones, viene expresada por la siguiente formula:
B % = 100 1 +
L 100
×^1 +^
R 100
×^1 +^
T 100
−^1
que representan el volumen contraido de la unidad.
Siendo: L = contracción lineal longitudinal o axial.
R = Contracción lineal radial.
T = Contracción lineal tangencial.
Es por consiguiente de gran interes conocer la cuantía de las contracciones lineales, medidas que se calculan en la mayoría de los laboratorios dedicados al estudio de las propiedades de las maderas.
Las formulas que para ello se emplean, análogas a la ya conocida para calcular la contracción volumétrica total son:
L % =
Ls (^) − Lo Lo
R % =
Rs (^) − Ro Ro
T % =
Ts (^) − To To
Ls, Rs, Ts = Longitudes axial, radial y tangencial de la madera en estado de saturación.
Lo, Ro, To = Longitudes axial, radial y tangencial de la madera en estado anhidro
Las contracciones de una tabla simétrica, según su corte pueden ser:
Curvatura de canto, curvatura de tabla, acanaladura y alabeo (diferencia entre las contracciones radiales y tangenciales)
El movimiento es mas acusado en la madera de la periferia del tronco que en la del corazón por ello las tablas tienden a curvarse hacia la albura (absorbe mayor cantidad de agua)
PESO ESPECÍFICO
Por definición podemos decir que:
Peso específico =
Peso Volumen
Al ser un material poroso podemos considerar o no los poros para determinar el peso específico. Dada esta naturaleza porosa y las variciones de peso y volumen, en función del contenido de humedad, hay que especificar las condiciones en que se verifican las medidas del peso específico.
Si consideramos los poros contemplamos el volumen aparente y obtenemos el peso específico aparente
Si consideramos solo la masa leñosa (deducimos el volumen de poros) obtenemos el peso específico real.
Siendo V = coeficiente de contracción volumétrica.
Las variaciones del peso específico en función de la humedad pueden verse en el gráfico de Kollman, donde se aprecia, ademas, la máxima humedad que puede alcanzar una madera.
El conocimiento del peso específico aparente (considerando los poros) es muy importante pues en función de este valor podremos hacernos una idea aproximada de su comportamiento fisico - mécanico.
Si su valor es alto, significa que hay pocos poros y mucha materia resistente.
Pe (^) ap =
P V (^) ap
En la madera, se puede relacionar, aunque no linealmente, el peso específico aparente con su capacidad resistente.
Los árboles de las zonas templadas, presentan una densidad heterogénea (No constante dentro de una misma especie, pudiendo variar según el origen o procedencia del árbol y según la zona del tronco en que se tome la probeta)
En árboles tropicales esta heterogeneidad es menos acusada, pues al carecer de anillos de crecimiento su estrutura es más homogénea. El peso específico aparente aumenta con la edad.
Clasificación de la madera según su peso específico aparente.
TIPO RESINOSAS FRONDOSAS
Muy ligeras 0,4 0, Ligeras 0,4 a 0,5 0,5 a 0, Semipesadas 0,5 a 0,6 0,65 a 0, Pesadas 0,6 a 0,7 0,8 a 1, Muy pesadas >0,7 >1,
HOMOGENEIDAD
Una madera es homogénea cuando su estructura y la composición de sus fibras resulta uniforme en cada una de sus partes (Ejemplos: Peral, manzano, tilo, boj, arce, etc.)
Son poco homogéneas:
-Las maderas con radios medulares muy desarrollados (Ej. encina, fresno)
-Las maderas con anillos anuales de crecimiento con notables diferencias entre la madera de primavera y la de otoño (Ej. abeto,...)
DURABILIDAD
Es una propiedad muy variable, pues depende de muchos factores: el medio ambiente, la especie de la madera, la forma de apeo, las condiciones de la puesta en obra, la forma de secado, las alteraciones de la humedad y sequedad, el contacto con el suelo (empotrada en terrenos arcillosos y en arena húmeda se conserva mucho tiempo, en arenas y calizas, duran poco), el agua (sumergida en agua dulce se conserva mucho tiempo), su tratamiento antes de ser usada, su protección una vez puesta en obra (pinturas,etc.) A más densidad mayor duración. Son maderas durables: La encina, el roble, la caoba, el haya, tec.
INFLAMACIÓN Y COMBUSTIÓN
Las maderas arden, lo cual desde el punto de su utilización como combustible, es una cualidad, pero para su empleo en la construcción y decoración es un defecto.
Se clasifica a efectos de su reacción ante el fuego dentro de la clase M3 M4 M
(M0, M1, M2, M3, M4, M5, es la clasificación en orden creciente en cuanto a su
grado de combustibilidad de los materiales).
Las reacciones que se producen son las siguientes:
La celulosa de la madera, constituyente de la fibra vegetal, al arder se combina con el oxígeno del aire, dejando un pequeño residuo ceniciento, procedente de la lignina y de las sales minerales; cuando el oxígeno es abundante y la temperatura suficiente la destrucción es casi total, pero si la combustión es incompleta por carencia de estos factores, la celulosa sufre una deshidratación y la madera queda convertida en carbón vegetal, carente de resistencia.
