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.