Tema 6: Estructura y Propiedades de las maderas.

1. Composición y Estructura de las maderas.

2. Anisotropía de la madera.

3. Propiedades de la madera.

4. Durabilidad y Agentes destructores de la madera.

5. Protección de las maderas.

6. Obtención y Procesado de la madera.

MATERIALES IICurso 2016-2017. Ciencia y Tecnología de la Edifica ción. C. Guadalajara

Profesor Gonzalo Barluenga Badiola

La madera

• Es el conjunto de tejidos que forman el tronco, lasraíces y las ramas de los árboles, excluida la corteza.

• Es un material no homogéneo y con comportamientoanisótropo, compuesto por fibras vegetales (celulosa).

• Tiene baja densidad y conductividad térmica, buencomportamiento acústico y mecánico.

• Es fácil de trabajar y conformar por corte y labra.

• Por otra parte, es combustible, de volumen inestable yatacable por insectos y ataques orgánicos (putrefacción)

• Hay muchas aplicaciones en construcción, en seccionesmacizas y como derivados (materiales compuestos).

Composición de la madera• La madera está compuesta principalmente por carbono

(50%), oxígeno (40 %) e hidrógeno (5 %).

• Estos elementos forman diferentes compuestosquímicos:Celulosa (40-50 %): constituye las paredes de las fibras(resistencia a tracción)

Lignina (20-30 %): une las fibras de celulosa (capacidadaglutinante)

Hemicelulosa (20-30 %): Forma parte de la matriz queaglutina las fibras (no constituye fibras por si mismas).

Componentes secundarios (5-7 %): resinas, grasas, ceras.Influyen en el olor y toxicidad de la madera y en laapetencia o no a agentes biológicos

Microestructura de la madera

• Como ser vivo, está compuesto por células confunciones especificas.

• Se distinguen tres tipos principales:

Células vasculares: forman vasos paralelos altronco que transportan la savia.

Células de sostén: son pequeñas y alargadas.Forman las fibras que proporcionan resistencia.

Células de nutrición: almacena los nutrientes.Forman radios medulares (perpendiculares altronco).

Macroestructura de la madera

• El crecimiento de la madera se produce de dentro aafuera (el exterior es más joven que el núcleo).

• La parte exterior se denomina albura (más blanda) y lainterior duramen (madera madura).

• Se distinguen tres estructuras diferenciadas:

Fibras: conjunto de células de sostén orientadas en ladirección del eje.

Radios: Conjuntos de células de nutrición, orientadasperpendiculares al eje.

Anillos de crecimiento: estructuras anulares respecto aleje debidas al crecimiento del árbol.

Estructura de la madera

Anisotropía de la madera

• Debido a su estructura fibrosa, las propiedades físicas ymecánicas de la madera no son isótropas.

• La dirección considerada condiciona las característicasy el comportamiento de la madera.

• Se diferencian tres direcciones:

Axial: en la dirección de las fibras.

Radial: perpendicular a las fibras.

Tangencial: tangente a los anillos.

Axial

Tangencial

Radial

Humedad de la madera

• La madera es un material higroscópico.

• El contenido de humedad de la madera en estadonatural es alto (50-300 %, dependiendo de la especie).

• Se presenta en tres formas diferentes :

De constitución: forma parte de la madera.

De impregnación: adherida a las paredes de las fibras.Su eliminación produce variaciones de las propiedades.

Libre: situada en las cavidades de la madera. Sueliminación no produce variaciones de las propiedades.

• En el procesado de la madera se elimina una gran partedel agua, alcanzándose las características definitivas.

Parámetros hídricos de la madera

• La madera tiende a equilibrar su humedad con la delambiente.

• En este proceso, se producen cambios en lasdimensiones del material (higroscopicidad).

• Se distinguen tres parámetros principales:

Contenido de humedad de la madera (CH): relaciónpeso de agua/ peso de la madera (%).

Punto de saturación de las fibras (PSF): Contenido dehumedad del agua de impregnación (≅ 30%).

Humedad de equilibrio con el ambiente (CHE).

• Las características físicas y mecánicas varían con el CH

Propiedades físicas de la madera (I)• Densidad: La estructura fibrosa confiere una alta

porosidad y baja densidad ( < 1 g/cm3, flotabilidad).

Densidad aparente: depende del contenido de agua. Suele darse con respecto a la cota internacional de humedad (CH 12 %)

Densidad real: Apenas varía con las especies.

• Higroscopicidad: Al variar el contenido de humedadcambia de volumen (Desde seca hasta PSF aumenta)

La variación depende de la dirección considerada:

Dirección longitudinal: inapreciable (0-0,8 %).

Dirección radial y tangencial (≅ 5-10 %).

Propiedades físicas de la madera (II)• Conductividad térmica y eléctrica: Secas, tienen un

bajo coeficiente de conductividad (Dieléctricas). El CHaumenta la conductividad.

• Dilatación térmica: Es muy baja.

• Reacción al fuego: Es un material combustible.(Euroclases C y D ).

La carbonización superficial protege el interior.

• Aislamiento acústico: En secciones macizas, aíslan elruido por reflexión (absorción acústica≅ 10 %).

(Los compuestos de fibras absorben hasta el 90 %.)

Comportamiento al fuego de la

madera

(V. P. Silva 2006)

Propiedades mecánicas de la madera (I)

• Son diferentes en función de la dirección considerada(longitudinal, radial y tangencial)

• En general, se suelen considerar la dirección de la fibray la perpendicular (combinación de radial y tangencial).

• Las características mecánicas cambian con el contenidode humedad (la madera húmeda es menos resistente ymenos rígida que la madera seca).

• Resistencia:

Alta a compresión y flexión en el eje de la fibra.

Baja en la dirección perpendicular y a cortante, debidoa la baja resistencia a rasante en la unión entre fibras.

Propiedades mecánicas de la madera

Ensayo a flexión

Ensayo de resistencia a cortante

Ensayo a cortante de una probeta de madera

Propiedades mecánicas de la madera (II)

• Rigidez: Tiene bajo módulo de elasticidad ( direcciónde la fibra≅ 10 GPa, dirección perpendicular≅ 5 GPa).Es distinta en compresión y tracción. Suele usarse la deflexión (combinación de ambas).

• Dureza: Resistencia a la penetración y talla. Seclasifican en blandas, semiduras y duras.

• Hendibilidad: propiedad que tienen las maderas deromper en la dirección de sus fibras mediante un cortelongitudinal.

• Fluencia: La madera bajo carga aumenta sudeformación con el tiempo (tensiones > 40 % de Rest.)

• Fatiga: Sufre fractura por fatiga frente a cargas cíclicaspor encima del 50-75 % de la Resistencia estática.

Durabilidad de la madera

• Como material orgánico puede deteriorarse por ataquede diferentes agentes:

A. Bióticos: Son seres vivos que se alimentan de madera.

Hongos

Insectos xilófagos (carcoma, termitas)

B. Abióticos: Son agentes ambientales (no son seres vivos)

Fuego

Humedad

Radiación solar y humedad (meteorización)

• Su efecto depende del CH y debe controlarse.

Hongos y Mohos• Organismos vegetales parásitos que pueden crecer

alimentándose de las sustancias nutrientes.

• Se reproducen por esporas, transportadas por el viento.

• Forman un tejido llamado micelio, que se ramifica e introduce en la madera, pudriéndola.

• Condiciones ambientales que favorecen la pudrición:

Temperatura 23-30ºC

Humedad relativa 18-20% (En torno al PSF).

Falta de luz y radiación solar directa

Poca ventilación

Síntomas de pudrición: Hongos y Mohos

• La existencia de hongos se puede detectar por una serie de síntomas :

1. Pérdida de resistencia, ablandamiento o desintegración.

2. Sonido hueco o cambio de sonido

3. Decoloración de la madera

4. Presencia de micelios

5. Característico olor a Moho

6. Posible presencia de insectos. (la madera atacada es más ‘apetecible’)

Insectos en las maderas

• Insectos Xilófagos (carcomas y termitas):

– Se nutren de la celulosa de la madera

– Clasificación de las maderas frente al ataque:

Muy atacables: alisos, cerezo

Atacables: Abedul, roble, nogal

Poco atacables: Arce, Castaño, Olmo

• Parásitos: viven a costa de las larvas de losanteriores y nos indican su localización

• Moradores: viven en la madera pero no se alimentande ella.

Agentes Abióticos• Agentes Químicos: En general los ácidos atacan y

destruyen la materia orgánica (Hidrolizan la celulosa).

• El fuego: La madera es un material combustible e inflamable a temperaturas bajas.

Su reacción al fuego se puede corregir por ignifugación.

• Presenta las siguientes ventajas:Baja conductividad térmica (la temperatura disminuye hacia el interior)

La carbonización superficial dificulta la salida de gases y la penetración del calor.

Al tener una mínima dilatación térmica no provoca desplomes ni deformaciones peligrosas.

Técnicas de Protección de la madera • Para evitar la degradación de la madera por agentes

externos existen diferentes métodos:

• Pincelado: Tratamiento de hidrofugación de la madera seca por aplicación de barnices, aceites, cal o betunes.

• Pulverizado: Aplicación de lacas a presión.

• Inmersión: en disoluciones de ClZn, SOCu o urea a presión ambiente o a alta presión (autoclave).

• Ignifugación: Protección frente al fuego

En profundidad: por inmersión en disoluciones salinas

En superficie: Revestimientos ignífugos o pincelado o pulverizado de pinturas o barnices intumescentes.

Protección preventiva frente a los agentes bióticos (apartado 3.2.1.2.del CTE SE M)

• Según el grado de exposición se establecen cinco niveles de riesgo de los elementos estructurales.

• Tipos de protección frente a agentes bióticos y métodos de impregnación:

Protección superficial: penetración media es de 3 mm, siendo como mínimo de 1 mm en cualquier parte de la superficie tratada.

Protección media: penetración media es superior a 3 mm en cualquier zona tratada, sin llegar al 75% del volumen impregnable.

Protección profunda: penetración media es igual o superior al 75% del volumen impregnable.

Protección frente a los agentes bióticos

Obtención de la madera

Obtención de la madera

• Se distinguen varias fases:

Corta: Talado del árbol.

Desaviado: Eliminación de la savia y humedad

Transporte y almacenamiento

Procesado: Despiece y transformación del material.

Tratamiento superficial y de acabado: proceso de losproductos para aplicaciones vistas

(teñido, barnizado, encerado)

Uniones: para algunas aplicaciones se requierensoluciones de unión de las diferentes piezas (ensambles,empalmes, acoplamientos, pletinas, adhesivos …)

Procesado de la madera maciza

• Consta devarias etapas:

• Serrado: se realiza en instalaciones industriales(aserraderos) que pueden ser fijas o móviles.

Se obtienen piezas macizas por corte (escuadradas)

• Tratamiento: Se aplican productos protectores paraevitar daños por agentes externos y mejorar su acabado.

• Secado: Modificación de la humedad del material hastaque alcance el equilibrio con el ambiente (CHE).

Se puede realizar de manera natural (al aire) oacelerado (en hornos, según cédulas de secado).

• Mecanizado: conformación de productos.

Secado de la madera

Horno de secado

Tema 6: Estructura y Propiedades de las maderas.

1. Composición y Estructura de las maderas.

2. Anisotropía de la madera.

3. Propiedades de la madera.

4. Durabilidad y Agentes destructores de la madera.

5. Protección de las maderas.

6. Obtención y Procesado de la madera.

Glosario de conceptos del Tema

•Madera •Punto saturación fibras •Hongos y mohos

•Composición madera •Propiedades físicas •Xilófagos

•Microestructura •Densidad aparente •Agentes Abióticos

•Macroestructura •Higroscopicidad •Técnicas de Protección

•Fibras •Reacción al fuego •Prot. Preventiva (CTE)

•Anillos •Prop. Mecánicas •Obtención de la madera

•Radios •Influencia anisotropía •Procesado de la madera

•Anisotropía •Hendibilidad •Serrado

•Humedad de la madera •Fluencia •Tratamiento

•Parámetros hídricos •Durabilidad •Secado

•Contenido de humedad •Agentes bióticos •Mecanizado y acabados

Bibliografía de consulta recomendada.

• Doran, D. K.;Construction materials referencebook, Ed. Butterworth, 1992.

• Guindeo, A. y otros;Especies de madera paracarpintería, construcción y mobiliario, AITIM,1997.

• Hornbostel, C.;Materiales para construcción.Tipos, usos y aplicaciones, Ed. Limusa Wiley,2002.

• http://infomadera.net/home/index.php(AITIM)