CLASIFICACIÓN DE MADERA ESTRUCTURAL DE P. pinaster Ait

CLASIFICACIÓN DE MADERA ESTRUCTURAL DE P. pinaster Ait.
MEDIANTE ULTRASONIDOS
Dr. Luis Acuña Rello (1); Dr. Rafael Díez Barra (2); Dra. Milagros Casado Sanz (1); Ing.
Andrés Llorente Fernández (1); Dra. Mª Teresa Lázaro Sánchez (1); Dr. Alfonso Basterra
Otero (1); Dr. Enrique Relea Ganga (1); Dra. Gemma Cueto Ramón (1)
(1) Laboratorio de Maderas de la Universidad de Valladolid. Avda. de Madrid 44 (Yutera), 34071 – Palencia,
España. Correo electrónico: [email protected]
(2) Instituto Nacional de Investigaciones Agrarias, CIFOR-INIA. España
Palabras clave: Ultrasonidos, Pino, Clases resistentes, Módulo de elasticidad, Módulo de
rotura.
Resumen
Empleando la técnica de transmisión ultrasónica se estudió la posibilidad de clasificar la
madera estructural de P.pinaster Ait. en calidades aptas para su uso estructural, utilizándose
para ello diferentes partidas de madera de tamaño estructural, sobre las que se realizó una
clasificación visual antes de ser ensayadas, y asignándose a cada una ellas las calidades
ME1, ME2 o rechazo, que la norma UNE 56544 establece.
Las medidas de las velocidades longitudinales de onda ultrasónica se realizaron con un
equipo Sylvatest® y con ellas se trabajó para determinar una velocidad “frontera” que nos
permitiese clasificar las piezas entre estructurales o no estructurales; obteniéndose
finalmente a un valor de la velocidad V0, corregida por la distancia entre palpadores, de
5150 m/s.
Los resultados de este trabajo muestran una buena relación entre las características
determinadas por la técnica ultrasónica y los ensayos de flexión estática y rotura, en
particular los primeros, e indica que esta técnica no destructiva se puede utilizar con
garantías en P. pinaster Ait. para llevar a cabo una clasificación resistente de la madera,
aportando un rendimiento mayor que con la clasificación visual, UNE 56.544 y una menor
proporción de errores de riesgo en la asignación.
1.- Introducción
Hoy en día, la posibilidad de clasificar de forma precisa una determinada muestra de
madera estructural utilizando como criterio sus propiedades mecánicas, supondría aumentar
de forma importante el valor de mercado del material. Dado que el ensayo mecánico
necesario para determinar de forma exacta el módulo de rotura (MOR) y/o el módulo de
elasticidad (MOE) imposibilitaría el posterior uso de la madera, se han utilizado diferentes
métodos de predicción de la calidad del material, siendo la clasificación visual el método
más usado para decidir sobre la calidad mecánica de la madera, esencialmente por su
sencillez y por su bajo coste.
Históricamente, una de las primeras normas de clasificación visual de madera estructural se
estableció en los años 20 y fue desarrollada y publicada por el Forest Products Laboratory
de Madison (EE.UU.), habiendo aparecido desde entonces diferentes normas de
clasificación visual en Europa, pudiendo destacar las normas alemana (DIN), inglesa (BSI),
francesa (AFNOR), etc. (1)
Con independencia de cuál sea la norma de clasificación visual utilizada, todas tienen en
común el ser tremendamente conservadoras, lo que conlleva una doble lectura. Por una
parte lleva a eficiencias clasificadoras (porcentaje de acierto) muy bajas, raramente superan
el 50 % lo que va en detrimento del beneficio económico que pueda reportar el producto.
Por otra parte, también es un hecho el que se asegure al usuario un producto que estará, casi
siempre, por encima de las exigencias elasto-mecánicas preestablecidas.
La variabilidad que presenta la madera en todas sus propiedades, y en particular en las
mecánicas, es considerablemente amplia, lo que se puede achacar esencialmente a la
heredabilidad genética, al manejo selvícola y al procesamiento industrial, manifestándose
no solo entre árboles de diferentes especies, sino también dentro de una misma especie,
entre pies de una misma masa y dentro del mismo árbol. Variaciones de algunas
propiedades, medidas a través del coeficiente de variación, del 30-40% son relativamente
habituales (2), obligando a clasificar la madera en grupos o calidades, a los que se asigna
una resistencia con un nivel de seguridad aceptable.
Las variables clasificadoras que se utilizan en la Norma europea EN 338 para la definición
de esos grupos de calidad homogénea son Módulo de Rotura a la flexión (MOR), el
Módulo de elasticidad a flexión (MOE) y la densidad.
Los primeros ensayos empleando técnicas de ultrasonidos se remontan a 1965, cuando Lee
I. D. G. los utilizó para examinar el grado de pudrición de cubiertas de madera, habiendo
sido muchos los investigadores que han comprobado la eficacia del método de ultrasonidos
para determinar las constantes elásticas de la madera, (Bucur, V. 1984 a; Waubke, N.V.
1981, Sandoz, J.L 1989, Herzig, L. 1992, Koubaa, A. et al. 1997, Hernández, R. et al. 1998)
(3). La técnica de ultrasonidos puede ser aplicada, esencialmente, siguiendo los
procedimientos de transmisión o pulso eco, siendo los primeros los que más amplia
aplicación están teniendo en la madera, utilizándose muy ampliamente aquellos que
consisten en dos transductores, uno emisor y otro receptor que, perfectamente acoplados a
la madera, miden el tiempo que tarda la onda ultrasónica en llegar de uno a otro (TOF.Time of Flight).
La aplicabilidad del método reside en la fuerte relación existente entre las propiedades
elastomecánicas del material (Rajeshwar, B. 1997) en particular el módulo de elasticidad, y
la constante dinámica (C11) obtenida a partir de la velocidad de propagación de los
ultrasonidos. En estudios realizados sobre probetas pequeñas libres de defectos se han
obtenido buenos resultados en la predicción del módulo de elasticidad a través de la
velocidad de propagación de ultrasonidos y la densidad en equipos automáticos (Boström,
L. 1994). Para aplicar esta técnica como instrumento clasificador, ya en los años 70,
Pellerin R.F. (1978) y Agi J.J. (1978) concluyeron que la velocidad de las ondas
ultrasónicas decrecía a medida que aumentaban los defectos en tamaño y número (4),
permitiendo así poder establecer velocidades críticas entre calidades. Desde entonces han
aparecido un gran número de trabajos que utilizan la velocidad ultrasónica como variable
clasificadora de la calidad de la madera (5).
Los trabajos que aquí se presentan, se encuadran dentro del proyecto del Plan Nacional
I+D+I, AGL2002-03386 subvencionado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología de
España.
2.- Material y métodos
Se utilizó una muestra de 1300 vigas de madera de P. pinaster de diferentes escuadrías,
tabla 1, y de 3 regiones de procedencia de Castilla y León, Meseta Castellana, Sierra de
Oña-Bureba y Sierra de Gredos, figura 1.
Tabla 1.- Número de piezas ensayadas y tamaños por regiones de procedencia
Pinus pinaster. Ait
Región de procedencia
Sierra de Gredos
Meseta Castellana
Sierra de Oña-Bureba
Total
Nº de piezas
Dimensiones (mm)
62
110
208
33
252
55
112
189
100
176
1297
70 x 150 x 3000
50 x 100 x 2100
70 x 140 x 3000
150 x 250 x 5000
45 x 105 x 2300
100 x 200 x 4000
50 x 150 x 3000
70 x 200 x 4000
100 x 200 x 4100
60 x 130 x 2500
Figura 1.- Localización de las regiones de procedencia de P.pinaster.
Los ensayos mecánicos se realizaron con máquina universal, Ibertest Elib 100 W, figura 2,
con capacidad de carga de hasta 100 kN, con posibilidad de control por carga o por
deformación, y un puente de flexión de hasta 6,50 m de luz. Para la medida de las
deformaciones se utilizaron comparadores micrométricos con precisión de 0,01 mm.
Para establecer las propiedades resistentes y elásticas del P. pinaster se siguió la norma
UNE-EN 408, determinándose los valores de MOR (Módulo de rotura), MOE (Módulo de
elasticidad local), MOEG (Módulo de elasticidad global) y MOEGTO (Módulo de
elasticidad global de canto), realizándose las correcciones por humedad y altura de canto
siempre que fuesen necesarias. El cálculo de los valores característicos y medios de cada
una de las propiedades objeto de estudio, se efectuó siguiendo los criterios de la norma EN
384.
Figura 2.- Ensayos para la determinación de MOE, MOEG y MOEGTO
La norma española UNE 56544:2003 clasifica la madera en tres clases, denominadas ME-1,
ME-2 y rechazo. En la clase superior, la ME1, se suelen incluir piezas con poca nudosidad,
alta rectitud de fibras, desprovistas de gemas, médula o azulado; piezas, en suma, con una
elevada apariencia. A la clase segunda, la ME2, suelen asignarse aquellas piezas que
presentan una mayor nudosidad, una cierta inclinación general de la fibra, cierta cantidad
de gema o que presentan médula o azulado. Finalmente, a la clase denominada de rechazo
se asignan todas aquellas piezas que presentan defectos en una cuantía elevada, tabla 2.
Tabla 2.- Resumen la norma de clasificación visual UNE 56544:2003
CRITERIOS DE CALIDAD
ME-1
ME-2
Φ de los nudos sobre la cara (h)
Φ≤1/5 de “h”
Φ≤1/2 de “h”
Φ de los nudos sobre el canto (b)
Φ≤2/3 de “b” y Φ ≤ 30 mm
Φ≤ 2/3 de “b”
≤4 mm
≤5 mm
≤8 mm
≤10 mm
f ≤ 2/5
Sin limitación
Sin limitación
Sin limitación
Sin limitación
f ≤ 3/5
Anchura máxima del anillo de
crecimiento 1)
Pino silvestre
Pino laricio
Pino gallego y pinaster
Pino insigne (radiata)
De contracción 2) 3)
Acebolladuras, rayo,
Fendas
heladura,
abatimiento
Bolsas de resina y entrecasco
No Permitidas
Se admiten si su longitud es menor de 80 mm
Madera de compresión
Admisible en 1/5 de la sección o
la superficie externa de la pieza
Admisible en 2/5 de la sección o la
superficie externa de la pieza
Desviación de la fibra
1:10 (10%)
1:6 (16,7%)
≤1/4 de “L”
G ≤1/4
Admitida (no en clasif. en
húmedo)
≤1/3 de “L”
G ≤1/3
Gemas
Longitud
Anchura y espesor
Médula
Alteraciones biológicas
Muérdago (V. album)
Azulado
Pudrición
Galerías de insectos xilófagos
Dimensiones y tolerancias
Deformaciones máximas2)4)
Curvatura de cara
Curvatura de canto
Alabeo
Atejado o abarquillado
Admitida
No se admite
Se admite
No se admite
No se admiten
Según las especificaciones de la norma UNE-EN 336
10 mm (para una longitud de 2m)
8 mm (para una longitud de 2m)
1mm (por cada 25 mm de h)
1/25 de h
20 mm (para una longitud de 2 m)
12 mm (para una longitud de 2m)
2mm (por cada 25 mm de h)
1/25 de h
1) Estas características sólo se considerarán cuando se comercializa en húmedo.
2) Estas características no se considerarán cuando la clasificación se efectúa en húmedo.
3) Referidas a un 20% de contenido de humedad. Las fendas de contracción sólo se considerarán si su longitud es
mayor que la menor de las dimensiones siguientes: ¼ de la longitud de la pieza y 1m.
4) Referidas a un 20% de contenido de humedad. Pueden aceptare deformaciones mayores siempre que no afecten a la
estabilidad de la construcción (porque puedan corregirse durante la fase del montaje) y exista acuerdo expreso al
respecto entre el suministrador y el cliente.
Para secciones cuya relación h/b ≤ 1,5, las cuatro superficies serán consideradas como caras.
La muestra de madera se clasificó en los 3 grupos, ME1, ME2 y rechazo, atendiendo a 4
criterios diferentes. En primer lugar se utilizó la clasificación visual, UNE 56.544:2003, en
segundo lugar los grupos se crearon utilizando el valor del módulo de rotura (MOR) que se
obtuvo para cada pieza en la máquina de ensayo. La tercera clasificación se realizó
atendiendo al módulo de elasticidad (MOE) y, por último, la cuarta clasificación se realizó
atendiendo conjuntamente al MOR y al MOE de la pieza.
En esta última clasificación de doble exigencia, mucho más rigurosa, realizada por MOR y
por MOE se estableció el criterio de asignar “calidad 1” a aquella pieza que cumplía
simultáneamente esa misma condición en ambos casos, la “calidad 2” fue asignada siempre
que no se cumpliera la condición anterior y la pieza no presentase una calidad menor de 2
en cualquiera de las dos clasificaciones, MOR o MOE; finalmente, la “calidad 3 (rechazo)”
se asignó a aquellas piezas que en su clasificación por MOR y/o MOE tuvieran esa calidad,
figura 3. La norma EN 1912 asigna para el P. pinaster la clase resistente C24, si la calidad
asignada es ME1, y la C18, si es ME2, por lo que se han utilizado los valores de resistencia
y elasticidad que esa norma establece para clasificar por MOR y por MOE, tabla 3.
Tabla 3.- Valores característicos del P. pinaster con clases resistentes C24 y C18
Valor característico
Calidad visual
UNE 56.544
Clase resistente
En 338:2004
MOR (MPa)
MOE (MPa)
ME1
C24
24
11
ME2
C18
18
9
Se ha prescindido de incluir la densidad como variable clasificadora ya que los resultados
que de ella se han obtenido están muy por encima de los mínimos que para cada una de las
calidades exige la norma.
Figura 3.- Resultados porcentuales de las diferentes clasificaciones
Todas las velocidades longitudinales determinadas con el equipo de ultrasonidos
Sylvatest®, figura 4, se realizaron entre testas por triplicado, y fueron modificadas con las
ecuaciones experimentales obtenidas en nuestro Laboratorio. Para ello, se optó por expresar
la velocidad longitudinal como la correspondiente a una “pieza de referencia” de longitud
ideal de 0 cm, que denominamos V0, y que servirá para corregir el valor de lectura
inicialmente obtenido y permitir la comparación de velocidades para piezas de diferentes
longitudes (3).
Figura 4.- Equipo Sylvatest® utilizado
Utilizando la clasificación más exigente, MOR+MOE, que se identifica con la clasificación
real atendiendo al hecho de que la densidad no limita la calidad de la población (la densidad
siempre resulta apreciablemente mayor que la exigida en la norma), se analizaron los
valores de la velocidad de ultrasonidos de los 3 grupos que con ella se forman,
correspondientes a las clases C24 (ME1), C18 (ME2) y rechazo, decidiéndose simplificar la
clasificación a dos grupos, uno estructural, ME1 + ME2 y otro de rechazo.
La razón que obligó a esto es la conocida superposición poblacional, que cuando aparece,
hace inútiles en la mayoría de los casos el poder discernir y tomar decisiones precisas entre
los límites poblacionales, al menos en el caso que nos ocupa.
Para fijar el valor de corte de la velocidad V0 que permita asignar a cada pieza al grupo
estructural o al grupo rechazado, se estudiaron las distribuciones de las poblaciones y se
realizaron distintas aproximaciones, medias, medias móviles ponderadas, optimal ranking,
etc., optando por utilizar para madera estructural el valor V0 = 5150 m/s, coincidente con el
valor medio de la población C24, figura 5.
Densidad suavizada
10
Estructural
Rechazo
Valor de corte
(X 0,0001)
Densidad
8
⎯⎯
⎯⎯
⎯⎯
6
5150
4
2
4228
0
3200
3700
4200
5021
4700
5200
5700
6200
6700
7200
Velocidad V0 m/s
Figura 5.- Distribución de las poblaciones de calidades reales.
3.- Resultados y discusión
Para las agrupaciones de madera por calidades que se establecieron atendiendo a los
diferentes criterios de clasificación propuestos (visual, por MOR, por MOE, por
MOR+MOE) y para comprobar la relación existente en cada uno de ellos con la velocidad
longitudinal de ultrasonidos, se realizó un análisis de varianza que pretende determinar la
existencia de diferencias significativas entre los valores medios de la velocidad entre los
grupos, figura 6.
Se puede apreciar que, a excepción de la clasificación visual, en el resto de clasificaciones
se cumple que las medias de las velocidades de ultrasonidos son significativamente
distintas entre los tres grupos de calidad, siendo significativamente más alta la velocidad de
la clase 1 (ME1), seguida de la 2 (ME2) y, por último, la clase rechazada.
Si bien, y en cierta medida, este sería un resultado que cabría esperar por la influencia
(retardo en la señal) que los diferentes defectos tienen sobre la velocidad de propagación de
la onda ultrasónica, es destacable lo que sucede en la clasificación visual, en la que no
existen diferencias estadísticamente significativas entre los valores medios de la onda
ultrasónica para los grupos de calidad ME2 y rechazo.
4700
4500
4300
4100
1
ME1
2
ME2
3
Rech
Clasificación por MOR
Medias e intervalos LSD al 95%
5500
5300
5100
4900
4700
4500
1
ME1
2
ME2
3
Rech
Clasificación por MOE
Velocidad corregida m/s
4900
Velocidad corregida m/s
Velocidad corregida m/s
Velocidad corregida m/s
Medias e intervalos LSD al 95%
5100
Medias e intervalos LSD al 95%
5500
5300
5100
4900
4700
4500
1
ME1
2
ME2
3
Rech
Clasificación visual UNE 56.544
Medias e intervalos LSD al 95%
5500
5300
5100
4900
4700
4500
1
ME1
2
ME2
3
Rech
Clasificación por MOR + MOE
Figura 6.- Medias y grupos homogéneos para las distintas clasificaciones
Los valores característicos de la población total obtenida tras el ensayo destructivo (EN
408), así como los de las subpoblaciones formadas por piezas asignadas como
“estructurales” siguiendo tanto el criterio del método visual (clase ME1 + clase ME2) y el
del método de ultrasonidos, se presentan en la tabla 4, donde se comprobó que el grupo
estructural formado por la clasificación con ultrasonidos cumple sobradamente las
exigencias que para la clase resistente C18 establece la EN 338 para P. pinaster,
habiéndose obtenido valores muy cercanos a la clase C24.
Tabla 4.- Características de la población total de P. pinaster y asignaciones estructurales
Total
Nº de piezas
MOR característico (MPa)
MOE medio (MPa)
Clase según EN 338
1297
12,6
8509
< C14
Visual
ME1 + ME2
476
14,6
8676
C14
Ultrasonidos
V0 > 5150 m/s
430
23,3
10898
C22
Del total de las piezas que habían sido asignadas a la clase estructural tanto por el criterio
visual, como por el de ultrasonidos, no todas cumplen la exigencia resistente de la norma,
es decir, no han reportado valores mecánicos estructurales en el ensayo mecánico,
quedando recogidos en la tabla 5 las que de cada una de ellas realmente los cumplen, así
como sus características mecánicas.
Tabla 5.- Descripción de la población estructural real y de las asignaciones ciertas por
clasificación visual y por ultrasonidos en P. pinaster
Madera estructural
Nº de piezas
MOR característico (MPa)
MOE medio (MPa)
Clase según EN 338
Máquina de ensayo
656
22,4
10843
C22
Visual
261
23,5
10791
C22
Ultrasonidos
360
25,3
11591
C24
Para comprobar el riesgo de utilización de ambos métodos no destructivos, se comparan en
la población de piezas de madera que ha sido rechazada por los ensayos elasto-mecánicos
las que se han considerado estructurales por ambos criterios (visual y ultrasónico), es decir
se presentan las sobreestimas obtenidas por ambas clasificaciones, tabla 6. Igualmente, en
esta tabla se recogen las características de estas poblaciones.
Tabla 6.- Piezas de rechazo. Sobreestimas por clasificación visual y ultrasonidos en P. pinaster
Rechazo
Nº de piezas
MOR característico (MPa)
MOE medio (MPa)
Clase según EN 338
641
10,4
6120
< C14
Sobreestima
Visual
215
16,1
7204
C14
Sobreestima
Ultrasonidos
70
18,36
7036
C14
En la tabla 7 se presentan conjuntamente los aciertos y fallos de las clasificaciones visual y
por ultrasonidos para las dos agrupaciones, estructural y rechazo, que se establecen con los
valores reales de la máquina de ensayo.
Tabla 7.- Aciertos y fallos de las clasificaciones visual y por ultrasonidos en P. pinaster
Aciertos
Fallos
Estructurales
Rechazos
TOTAL
Sobreestimas
Subestimas
TOTAL
Clasificación
Visual
261 (20,1 %)
427 (32,9 %)
53,0 %
215 (16,6 %)
394 (30,4 %)
47,0 %
Ultrasonidos
V0 > 5150 m/s
360 (27,8 %)
573 (44,2 %)
72 %
70 (5,4 %)
296 (22,8 %)
28,2 %
4.- Conclusiones.
De todo lo expuesto se pueden extraer una serie de conclusiones. En primer lugar, se puede
afirmar que la asignación de calidad por ultrasonidos, al igual que ocurre en la clasificación
visual, tabla 5, es deseablemente conservadora, aunque la clasificación por ultrasonidos
toma una ventaja inicial al presentar un porcentaje de aciertos del 72%, bastante superior
al obtenido mediante la clasificación visual que fue de un 53%.
Otra de las ventajas observadas para la clasificación mediante ultrasonidos es que los
valores característicos del grupo estructural asignado corresponde a una clase resistente,
prácticamente, C24, mientras que en la clasificación visual ese grupo solo alcanzaría la
clase C22. Este hecho podría llevar a pensar en reducir el valor de paso V0, sin embargo al
hacerlo aparecen inmediatamente aumentos importantes en las sobreestimas que harían
perder efectividad al método.
En cuanto a los riesgos (sobreestimas) de los dos métodos de clasificación se observa que la
clasificación visual ha superado los límites de seguridad con una sobreestima del 16,5%
respecto al total de la población, siendo solamente del 5,4 % en la clasificación por
ultrasonidos. En cualquier caso, las sobreestimas por ambos métodos han incluido madera
de clase C14 dentro de la madera estructural.
El porcentaje de aciertos y errores que resulta de esta clasificación, presentados en la tabla
7, hace que en una partida de P. pinaster clasificada visualmente, aproximadamente el 53%
lo estén de forma correcta, un 16,6% estén peligrosamente sobrevaloradas y un 30% estén
subvaloradas. Entre tanto, la clasificación realizada utilizando la velocidad de corte V0 antes
determinada, proporciona una clasificación mucho más ajustada a la realidad que la anterior
y, si bien aún está lejos de la ideal, la ventaja que proporciona en todos los aspectos es
destacable.
Haciendo énfasis en ello, cabe destacar tres aspectos importantes en esta comparación. En
primer lugar el mayor porcentaje de aciertos, un 72 %, a favor de la clasificación mediante
la velocidad V0, lo que supone una primera ventaja innegable del método; en segundo lugar
algo tremendamente importante para el usuario final, como es el menor porcentaje de
piezas sobrevaloradas, que en realidad serían aquellas que podrían suponer un serio
inconveniente para el consumidor, ya que las características que presentan estarán por
debajo de las exigencias técnicas que de ellas se esperan.
Por último, el que se obtenga, aproximadamente, un 8 % menos de piezas subvaloradas,
significa que éstas están incluidas en la clase estructural, y por tanto, se han añadido a la
cadena comercial.
5.- Bibliografía.
(1) Hermoso, E. 2003. Caracterización mecánica de la madera estructural de Pinus
sylvestris L. Tesis doctoral. U.P.M.
(2) Fernández Golfín, J.I.; Díez, M.R. y Hermoso, E., 2001. Análisis y estado del arte de la
técnica de clasificación mecánica por máquina de la madera aserrada estructural.
Laboratorio de Estructuras. CIFOR-INIA. Madrid.
(3) Bucur, V. 1995. Acoustic of wood. New York: CRC Press Inc.
(4) Beall, F.C.; Biernacki, J.M.; Lemaster, R.L. 1994. The use of acousto-ultrasonics to
detect biodeterioration in utility poles. J Acoustic Emission 12:55–64.
(5) Acuña, L.; Díez Barra, M.R. y Casado, M. 2006. Los ultrasonidos y la calidad de la
madera estructural. Aplicación a Pinus pinaster Ait. Revista Boletín del CIDEU. ISSN:
1885-5237; pág: 6-26.