La madera es definida en la Real Academia Española como “la parte sólida de los árboles cubierta por la corteza” (Diccionario RAE, 2001). En el Diccionario Forestal (Diccionario Forestal, 2005), aparecen tres definiciones: la primera es relativa a la madera desde el punto de vista de anatomía vegetal “principal tejido lignificado y conductor de agua en fustes, hojas y raíces caracterizado por la presencia de elementos traqueales”. En segundo lugar define a la madera desde el punto de vista de la industria forestal como “materia leñosa y celulósica situada en tallos de más de una año, entre la médula y la corteza de un árbol, arbusto o mata”. Y la tercera, como aprovechamiento forestal define a la madera como “material en forma de árboles en pie o apeados, o productos obtenidos después de su transformación”.
Se trata de un material heterogéneo y, a grandes rasgos, se puede describir como un material compuesto por elementos fibrosos huecos agrupados y entrelazados a nivel microscópico y macroscópico, orientados en su mayoría en la misma dirección y dejando abundantes huecos para permitir el paso de la savia y otros productos. Como consecuencia se obtiene un material muy eficiente estructuralmente, resistente y, al mismo tiempo, muy ligero. Por este motivo se puede considerar a la madera como un material estructural alternativo y competitivo.
El uso de la madera se remonta a las primeras civilizaciones por ser un recurso disponible en la naturaleza. El hombre ha explotado estas ventajas para la construcción de estructuras de todo tipo, predominando aquellas en las que la madera trabaja para soportar esfuerzos de flexión y de compresión en la dirección de la fibra. Al principio, las estructuras consistían en troncos de madera apilados horizontalmente y ensamblados en las esquinas. Sin embargo, en los primeros aserraderos de madera se comenzó a serrar los troncos por sus dos lados, para optimizar el uso de la materia prima y estandarizar sus medidas en base a secciones escuadradas.
La madera aserrada es la forma más elemental de aprovechamiento del tronco. Se trata de madera maciza que se ha obtenido a través de la industria de primera transformación, mediante procesos simples basados en el aserrado, secado y cepillado. Las piezas están
generalmente escuadradas, con caras paralelas entre sí y cantos perpendiculares a las mismas.
La estructura fibrosa de la madera, junto con la presencia de singularidades en su estructura, hacen que sea un material muy heterogéneo, por lo que la utilización de la madera aserrada en estructuras requiere caracterizar el material mediante la determinación fiable de sus propiedades físicas y mecánicas, así como otras características relacionadas con su comportamiento al fuego y durabilidad.
Una de las propiedades que hace que sea un material más difícil de caracterizar es su anisotropía, que hace que estas propiedades físicas y mecánicas puedan variar en función del eje sobre el que se aplique el esfuerzo. Estas direcciones son:
- Dirección axial, paralela a las fibras y al eje del árbol. Es en esta dirección donde la madera presenta mejores propiedades.
- Dirección radial, perpendicular al axial, corta el eje del árbol en el plano transversal desde el interior hacia el exterior del tronco.
- Dirección tangencial, tangente a los anillos de crecimiento y perpendicular al eje del árbol.
Imagen 3.1. Anisotropía de la madera. Direcciones principales. Fuente 1: Vignote 2006.
Además, las irregularidades presentes en la madera provocan discontinuidades y desviaciones en la fibra que conllevan una disminución importante de las propiedades
1 Nota: Todas las referencias a imágenes o tablas en las que no se cite la fuente han
sido realizadas por la autora de la Tesis Doctoral o son propiedad del Grupo de investigación Construcción con Madera de la UPM.
mecánicas de la pieza. La singularidad de mayor importancia es la presencia de nudos como consecuencia de la existencia de ramas en el árbol. Los nudos dan lugar a una desviación local de la fibra y a la consiguiente pérdida de capacidad resistente. Considerando sus particularidades y su procedencia se puede clasificar la madera por especie y calidad, y a cada combinación de especie, calidad y procedencia asignarle una resistencia, una elasticidad y una densidad que caracterizan al material.
Hasta los años 70, el estudio de la capacidad resistente de la madera se llevaba a cabo en probetas pequeñas y libres de defectos, que no son muestras representativas del material real empleado en la construcción. Es a partir de los 70 cuando se cuestionan estos ensayos y se comienza a trabajar con piezas de tamaño estructural y con defectos en su sección. Los primeros ensayos de caracterización en España se llevaron a cabo sobre probetas con dimensiones inferiores a 70 mm de espesor, dando lugar a las primeras versiones de las normas de clasificación. En la actualidad, esta normativa está siendo completada con los estudios de caracterización de la gruesa escuadría entre los que se encuentran los de esta Tesis Doctoral.
A continuación se definen algunos conceptos sobre la madera estructural de gran escuadría de sección rectangular (Esteban, 2003):
- Cara: de los cuatro lados de una pieza de sección rectangular son los dos lados de mayor dimensión, normalmente colocados en posición vertical en una pieza sometida a flexión.
- Altura: dimensión de la cara en sentido perpendicular a la pieza, también denominado grueso de la pieza o altura de cara. Expresado como ‘h’ por corresponderse con la altura del rectángulo que conforma la sección.
- Canto: de los cuatro lados de una pieza de sección rectangular son los lados de menor dimensión, normalmente colocados en el plano horizontal en una pieza sometida a flexión.
- Espesor: dimensión del canto en sentido perpendicular a la pieza, también denominado anchura. Se expresa normalmente como ‘b’ por corresponderse con la base del rectángulo que conforma la sección.
Imagen 3.2. Madera estructural. Cara, canto, altura y testa. Fuente: Esteban 2003.
Estas denominaciones hacen referencia a una posición y uso concretos de la pieza.
En la actualidad, la normativa española de clasificación de madera estructural considera gran escuadría las piezas con un espesor de 70 mm o más. Las diferencias entre pequeña y gran escuadría hacen que ciertas propiedades que han sido deducidas a partir de piezas pequeñas no se puedan extrapolar directamente a la madera de gran escuadría.
Una de las diferencias entre piezas de pequeña y de gran escuadría tiene que ver con el despiece del tronco del árbol durante el aserrado. Para producir piezas de pequeña escuadría se puede recurrir a casi cualquier zona del tronco, cercana o no al centro. Para producir piezas de gran escuadría el aserrado tendrá que aprovechar necesariamente todo el tronco, incluido el centro en la mayoría de las piezas. Como consecuencia, las piezas estructurales de madera de pequeña escuadría tenderán a tener más proporción de madera de albura, más blanda y ligera, mientras que las de gran escuadría suelen presentar una mayor proporción de madera de duramen, más resistente, durable y pesada, por lo que se puede esperar un mejor comportamiento estructural aunque implique la presencia del corazón de la pieza con madera juvenil o médula. Este aspecto es a menudo debatido y no siempre es posible prever si las prestaciones de la gruesa escuadría son mejores que las de menor escuadría.
En relación con el aserrado, hay que tener en cuenta que en piezas más pequeñas es posible evitar ciertas singularidades como las gemas y seleccionar zonas con una menor desviación de la fibra, sin embargo en escuadrías mayores, es más complicado.
En cuanto al proceso de secado, las de pequeña escuadría tienen mayor facilidad para un secado gradual porque presentan mayor superficie específica, por lo que en general las fendas de secado serán menores en número y tamaño (Esteban, 2003).
La presencia de defectos mencionados como fendas de secado importantes y defectos de aserrado en madera de gran escuadría, supone en muchos casos su rechazo visual aunque puedan tener una buena capacidad resistente. Sin embargo puede haber defectos internos y ocultos que sí perjudiquen la capacidad resistente de la pieza y no sea evaluable con dicha clasificación, por lo que otros métodos no destructivos complementarios pueden adquirir utilidad en la clasificación de estas piezas.
Desde el principio de la redacción de la norma UNE-EN 384 (1999) “Madera estructural. Determinación de los valores característicos de las propiedades mecánicas y la densidad”, se cuestionó la influencia que podían ejercer las dimensiones de una pieza sobre las propiedades resistentes de la madera. La dependencia, entre otros factores, del tamaño de la pieza, supone una dificultad más a la hora de prever el comportamiento resistente del material. En el caso del pino silvestre, el efecto del tamaño ha sido estudiado dejando patente su influencia significativa, como se explica en apartados posteriores.
La durabilidad de la madera como material de construcción va a depender fundamentalmente de factores externos. Si la interacción con el medio se reduce y se protege de determinados agentes como la humedad, la madera es en sí mismo un material muy durable. Los elementos que reducen la durabilidad de la madera son distinguen básicamente en dos tipos: agentes abióticos y agentes bióticos.
Entre los agentes abióticos hay que destacar el fuego, la radiación ultravioleta de la luz solar, el agua de lluvia y viento, y el uso entre otros.
Los agentes bióticos que afectan a la madera son muchos y pueden llegar a ser muy agresivos, entre ellos se citan los hongos y los insectos xilófagos. Estos ataques suelen estar asociados a una humedad elevada. La madera de albura, más blanda y rica en nutrientes, es más vulnerable. La madera de duramen es mucho más dura y difícil de penetrar.
Además de los beneficios que las plantaciones y bosques traen consigo durante el proceso de crecimiento de la madera, este material presenta una serie de propiedades que la hacen muy adecuada para el sector de la construcción (Queipo de Llano et al. 2010).
En principio cualquier especie se puede utilizar con seguridad como material estructural si se conocen sus propiedades mecánicas, pero en la práctica el número de las especies habituales es reducido. Dentro de éstas está el Pino silvestre (Pinus sylvestris L.), en el que se centra el objetivo de esta Tesis Doctoral.