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• Roger_Fernandez_H

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Diapositiva 1

Carrera de Agroindustria Procesamiento de productos no alimenticios

Introducción al estudio de las propiedades y defectos naturales de la madera

La madera es una importante y versátil materia prima industrial, la que mediante transformaciones de distinta naturaleza permite la obtención de numerosos productos: energía, carbón vegetal, muebles, viviendas, fibras y celulosa entre otros. Las características técnicas de las maderas se determinan, aparte de por su composición estructural, por su composición química. La variedad de usos a que se puede destinar la madera es un reflejo de sus propiedades básicas, tanto físicas como químicas, y a la anatomía y estructura del material leñoso. Las que determinan también el comportamiento en servicio de la madera y sus derivados Un completo conocimiento de las características del material, es esencial para una eficiente transformación y correcta utilización. Diapositiva 2

Objetivos de aprendizaje Conocer las propiedades químicas, físicas y mecánicas de la madera ’ Familiarizarse con los defectos naturales de la madera ’

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Temas ’ ’ ’ ’

Componentes químicos de la madera Propiedades físicas de la madera Propiedades mecánicas de la madera Defectos de la madera

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Composición Química De La Madera

La obtención de información básica sobre la madera es difícil, puesto que ella representa una gran variabilidad, Esto se debe a que es producto del crecimiento de un organismo vivo, el árbol, y proviene no de uno, sino de numerosos árboles Es posible distinguir propiedades comunes a todas las maderas: anisotropía, combustibilidad, biodegrabilidad, etc Otras propiedades son específicas para cada especie de madera: apariencia, propiedades Químicas y físicas

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Composición Elemental De La Madera Carbono 50% ’ Oxígeno 43% ’ Hidrógeno 6% ’ Nitrógeno 0,3% ’ Cenizas (elementos inorgánicos) 0,7% ’

– K, Na, Mg, P, S, Fe, Si

En todas las maderas, tanto de coníferas como de latifoliadas, el análisis químico elemental da una composición promedio similar Entre las diferentes partes del árbol esta composición se mantiene El porcentaje de cenizas es mayor en la albura que en el duramen: potasio, sodio, magnesio, fósforo, azufre, hierro y silicio Diapositiva 6

Componentes Químicos Básicos De La Madera

Madera Holocelulosa

Lignina

Extraíbles (0,3....10%)

46...87%

41...18%

Resinas, grasas, ceras, aceites esenciales, pectina, taninos, colorantes, alcaloides

Celulosa

Hemicelulosa (Poliosas)

40...60%

32...18%

Pentosano Xilano

Hexosano

Arabano Manano

Los antecedentes que proporcionan más información respecto a la aptitud o comportamiento de una madera en un uso determinado, es la composición química básica Ésta expresa la participación porcentual de los distintos contribuyentes de la madera y es considerada representativa de la especie en cuestión

La pared celular vegetal es una estructura formada por varios compuestos químicos; el más importante de ellos es la celulosa (un polímero formado por moléculas del azúcar glucosa). Las moléculas de celulosa se unen en fibrillas, que constituyen el bastidor estructural de la pared. Hemicelulosas Grado de polimerización menor (100...200) Separación por hidrólisis: Pentosanos (C5H8O4)n: xilano (hule), arabano (más en latifoliadas) Hexosanos (C6H10O5)n: mananos, galactanos (más en coníferas) Otros componentes importantes de muchas paredes celulares son las ligninas, que aumentan la rigidez (son como el cemento), y las ceras —como cutina y suberina— que reducen la pérdida de agua por parte de las células. También se encuentran otras sustancias menores, los extraíbles, que corresponden a un gran número de diferentes compuestos, los cuales pueden o no estar presentes en determinado tipo, variando en tipo y cantidad: taninos y resinas Estas sustancias son responsables de algunas características especifícas de la madera Diapositiva 7

Celulosa ’

’

Principal componente de la madera Polímero lineal – alto peso molecular – estructura de cadena uniforme de anhidroglucosa

’

’

Insoluble en agua y en muchos solventes Grado de polimerización: De 1.500 a 5.000 (depende de especie)

Celulosa: Principal componente de la madera (+- la mitad) tanto en conif como latif

Polímero lineal de alto peso molecular, con una estructura de cadena uniforme y está constituido exclusivamente por cadenas de anhidroglucosa Debido al grado de polimerización (expresa el tamaño de la cadena), dependiente de cada especie, no se puede hablar de un solo tipo de celulosa Diapositiva 8

Propiedades físicas de la madera Resultan de la interrelación entre la composición química y las fuerzas físicas de la estructura fibrosa

Las propiedades principales de la madera son resistencia, dureza, rigidez y densidad. Ésta última suele indicar propiedades mecánicas puesto que cuanto más densa es la madera, más fuerte y dura es. Diapositiva 9

La Densidad ’

Unidades

’

Densidad (aparente) ρ =

’

m Densidad anhidra d 0, 0 = 0 V

’

Densida básica d 0, g = m0 V

’

( g / cm3 , kg / m 3 ) m V 0

g

Densidad real = 1,5 g/cm3

La densidad aparente es la relación masa / volumen, incluyendo las cavidades de la estructura capilar Densidad anhidra es la relación de la masa y el volumen en condiciones de u=0%

La densidad básica es la densidad con m a 0% y Volumen con la humedad de saturación de la fibra La densidad real es la densidad de la sustancia leñosa neta sin incluir los poros de la madera. Es constante para todas las maderas Diapositiva 10

Contenido de humedad

u=

(ma − m0 ) *100% m0

El contenido de humedad en la madera se expresa como porcentaje del peso de la madera secada al horno. El peso de la madera después de secada al horno se determina exponiendo la madera en el horno secador a una temperatura de 101 a 105 °C hasta que su peso sea constante El contenido de agua del árbol recién cortado depende de varios factores: especie, edad y tamaño del árbol, época del año en que se corta, ubicación, etc. Varía en coníferas entre 40 y 170%, En latifoliadas entre 35 y 130% relacionado a la masa totalmente seca La albura tiene más humedad que el duramen Aproximadamente el 30% del agua que tiene la madera verde está absorbida o retenida dentro de las paredes de las células,

Diapositiva 11 Niveles de humedad en la madera Agua Libre

1

Punto de saturación de la fibra (PSF)= 30%

2 Agua Retenida

Saturación máxima: 35...170%

Región de saturación de la fibra

Condensación capilar: u = 15% hasta PSF

3 4 1

Adsorción: u = 6...15%

Región higróscopica

Sorción química: u = 0...6%

En el CH de la madera se distingue entre: Punto de Saturación de la fibra PSF: es el CH en el que las paredes celulares se encuentran saturadas de agua, pero las cavidades están vacías Aunque hay algunas variantes según las especies, este valor es bastante similar entre ellas El PSF es significativo desde el punto de vista mecánico, físico y de las propiedades eléctricas Sobre el PSF no hay ninguna expansión significativa de la madera La separación del agua sobre el PSF es relativamente fácil, mientras que bajo el PSF se requieren considerables cantidades de energía La condensación capilar: es la humidificación de las cavidades capilares submicroscópicas de la pared celular Es acción de las fuerzas capilares Esta humidificación conduce al ensanchamiento de los tejidos celulares y al consiguiente aumento de volumen del cuerpo de la madera

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Variación De La Densidad ’

’

Cuando la humedad crece, la densidad también Para comparar se usa

ρ12 =

m V

Para fines comparativos es necesario expresar siempre la densidad a la humedad media de la madera seca al aire, esto es 12% En la práctica es difícil lograr que todas las probetas alcancen la misma humedad de 12%, por lo que hay que hacer una corrección de densidades Diapositiva 13

El trabajo de la madera ’

La madera se expande al tomar humedad

α = ’

Se contrae al perder humedad

β= ’

β l : β r : β t ≅ 1 : 10 : 20

l1 − l 0 * 100 l0

l0 − l1 *100 l0

Esto solamente sucede bajo el punto de saturación de la fibra

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Distorsión en la contracción de la madera

αl + αr + αt = αv

y

βl + βr + βt = βv

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Propiedades mecánicas de la madera ’

’

Esto es la resistencia de la madera a diferentes tipos de fuerzas externas, esfuerzos o solicitudes Cada resistencia es relativa a la especie y estado de la madera; y a la posición de la fuerza respecto a los anillos anuales y a la dirección de la fibra

Las propiedades mecánicas de la madera, como la de cualquier otro material, determinarán su capacidad para resistir fuerzas externas. Se entiende por fuerza externa cualquier agente que actuando exteriormente tienda a alterar la forma o dimensión de un cuerpo. La fuerza externa crea un estado de tensión interna provocando la deformación del cuerpo. Las propiedades mecánicas determinan el uso de la madera de acuerdo a las solicitaciones o tipos de carga a que estén expuestas El conocimiento de estas propiedades se obtiene a través de la experimentación, ya sea por medio de ensayos del material en

condiciones reales o por medio de experiencias de laboratorio en las que se hace uso de normas y aparatos de ensayos especiales Este último es el procedimiento adoptado en general, por requerir menos tiempo y material, y por tanto, el que más se adapta para el gran número de ensayos que deben realizarse debido a las variaciones naturales de la madera La resistencia engloba varias propiedades diferentes; una madera muy resistente en un aspecto no tiene por qué serlo en otros. Además la resistencia depende de lo seca que esté la madera y de la dirección en la que esté cortada con respecto a la veta. La madera siempre es mucho más fuerte cuando se corta en la dirección de la veta; por eso las tablas y otros objetos como postes y mangos se cortan así. La madera tiene una alta resistencia a la compresión, en algunos casos superior, con relación a su peso a la del acero. Tiene baja resistencia a la tracción y moderada resistencia a la cizalladura. Diapositiva 16

La madera como material anisotrópico ’

Las propiedades resistentes o elásticas de la madera no son las mismas en todas sus direcciones

La madera es en esencia un material heterogéneo, fibroso o poroso en contraposición a un cuerpo homogéneo o continuo como el acero que puede ser considerado como formado de partículas superpuestas sin vacíos Debido a esto, la madera no responde perfectamente a las hipótesis de base de la resistencia de materiales Las propiedades de la madera no son las mismas en todas las direcciones, como ocurre con un cubo de acero solicitado, por ej, a la compresión sobre sus caras En el caso de la madera existen diferencias de resistencia según la carga actúe paralela o transversalmente a las fibras Igualmente, la resistencia difiere según sea su dirección respecto a los anillos anuales Luego, la madera es un material anisotrópico, dado que sus propiedades resistentes o elásticas no son las mismas en todas sus direcciones En consecuencia, para definir un esfuerzo en la madera, es necesario especificar la dirección de las fuerzas aplicadas con relación a las fibras y los anillos anuales Para fines prácticos, la madera se considera un material ortotrópico, es decir, que tiene tres planos de simetría elástica mutuamente perpendiculares entre si El eje axial es paralelo a las fibras El eje tangencial es tangente a los anillos anuales El radial es normal a ellos En consecuencia, al referirse a los esfuerzos en la madera, deben referirse a los planos donde ellos se producen La madera no puede ser definida por la sola consideración de la especie, pudiendo variar sus propiedades mecánicas entre amplio límites; así pues para caracterizar una madera bajo el punto de vista mecánico hay que especificar su proveniencia La determinación de las propiedades mecánicas y físicas asociadas se efectúan mediante ensayos normalizados sobre probetas estandarizadas libres de defectos, obtenidas y ensayadas mediante los mismos métodos En general, estos ensayos son comparativos y empíricos y no corresponden a ciertas condiciones de empleo bien definidas La heterogeneidad y la anisotropia dificultan el uso y procesamiento de la madera, ya que estas, junto a la humedad y la temperatura, determinan sus propiedades técnicas

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La Dureza ’

’

’ ’

Bolita de acero de 10 mm de diámetro se hace penetrar en la madera por medio de una fuerza de 50 kg para maderas duras y 10 kg para maderas blandas Se mide el diámetro de la marca dejada por la bolita Unidades: kg/mm2 La dureza depende fuertemente de la humedad de la madera

La dureza indica la resistencia de la madera a la penetración de útiles de corte, al uso y al desgaste El concepto de dureza está implícito en la madera la hablar de maderas duras y maderas blandas Dada la heterogeneidad de la madera es difícil definir la dureza por ensayo, puesto que para un misma probeta se tiene madera blanda de lluvia (de primavera) y madera más dura de época seca (de verano) Por otra parte también se tienen variaciones de dureza según el sentido de la carga respecto a las fibras de la madera, es decir, habrá que diferenciar entre dureza normal o transversal y dureza axial El ensayo de dureza consiste en hacer penetrar en la madera una bolita o cilindro de acero En consecuencia, un ensayo de dureza axial es similar a un ensayo de compresión axial localizada, existiendo en efecto una gran correlación entre estos ensayos: la madera más dura es la que resiste mejor a la compresión axial

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Resistencia a la compresión

σc

La alta resistencia a la compresión es necesaria para columnas, cimientos y soportes en construcción. Fuerza paralela a las fibras = compresión axial Fuerza perpendicular a las fibras = compresión normal o transversal La madera, en muchos de sus usos, está sometida a cargas de esta naturaleza. Sin embargo, si se trata de columnas largas, es decir, piezas en las cuales el largo es mucho mayor que la menor dimensión de la sección transversal, se induce un momento flector antes de que se alcance a desarrollar toda la resistencia de compresión y la ruptura se produce por flexión lateral o “pandeo” en lugar de compresión. En dichas columnas, la carga sobre la cual se produce este esfuerzo se denomina “carga crítica” Los ensayos de compresión axial se efectúan en piezas cortas para evitar pandeo En la madera secada al aire se produce un deslizamiento sobre un plano oblicuo En la madera seca, la ruptura es generalmente súbita produciéndose por rajaduras longitudinales y la consiguiente quebradura En la madera muy húmeda a menudo ocurre un aplastamiento progresivo de la probeta

La humedad tiene una gran influencia sobre la resistencia a la compresión. La variación de resistencia es de aprox 4% por 1% de variación de humedad Entre todas las propiedades resistentes de la madera, la resistencia a la compresión es la que está más íntimamente ligada a la densidad. En promedio ro c varía de 700 a 800 veces la densidad, correspondiendo los valores inferiores a las coníferas Diapositiva 19

Resistencia a la tracción

La resistencia a la tracción axial o paralela a las fibras es significativamente mayor al de la tracción transversal o normal a las fibras. La resistencia normal a las fibras está basada en la adherencia mutua entre las fibras, la cual descansa básicamente en la sustancia lignino Esta prueba se utiliza también para conocer la resistencia de superficies encoladas Diapositiva 20

Resistencia al cizalle Áreas de corte

Análogamente al caso de la compresión pueden ocurrir que se produzcan tracciones intermedias entre los esfuerzos axiales y transversales La resistencia al cizalle normal a las fibras es de 3 a 4 veces mayor que la resistencia paralela a la fibra La oblicuidad de la carga respecto a las fibras tiene gran influencia en la capacidad de resistencia de la madera, esto hace necesario evitar toda inclinación de las fibras respecto al eje longitudinal de las piezas traccionadas, si se desea contar con una fuerza elevada Diapositiva 21

Resistencia a la flexión estática

Compresión Tensión

Compresión

Compresión

Tensión

Tensión

σf La flexión es un esfuerzo compuesto, en el que intervienen al mismo tiempo esfuerzos de tracción, compresión y esfuerzos de cizalle o cortantes La fuerza de tensión produce al lado que actúa esfuerzos de compresión en la madera, en el lado contrario produce esfuerzos de tensión La resistencia a la flexión es fundamental en la utilización de madera en estructuras, como viguetas, travesaños y vigas de todo tipo. Muchos tipos de madera que se emplean por su alta resistencia a la flexión presentan alta resistencia a la compresión y viceversa; pero la madera de roble, por ejemplo, es muy resistente a la flexión pero más bien débil a la compresión, mientras que la de secuoya es resistente a la compresión y débil a la flexión.

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Tipos de flexión estática en la madera

Compresión Tensión

La resistencia a la flexión depende de: Estructura de la madera Las dimensiones de la sección transversal Posición y separación de los apoyos A mayor humedad de la madera, menos resistencia a la flexión Un aumento en la temperatura causa también una reducción de la resistencia a la flexión Aumenta con el aumento de la densidad Hay algunas maderas que son particularmente resistentes a la flexión: haya(Buche), fresno (Esche), arce (Ahorn), abedul (Birke), cerezo, encino, Diapositiva 23

El curveado al vapor

La alta resistencia a la flexión se aplica en el curveado al vapor

Con un tratamiento al vapor a temperaturas entre 70 y 100 °C, muchas maderas se vuelven bastante moldeables Mantienen su forma después del secado en el molde Las maderas que se quiebran bajo la acción de una fuerza actuante, son quebradizas. Esta característica es más evidente en las especies de fibras cortas y en las tablas con anillos anuales entrecortados en varias partes Diapositiva 24

Otras propiedades de la madera Propiedades eléctricas ’ Propiedades acústicas ’ Propiedades caloríficas ’ Durabilidad ’ Textura ’ Color ’ Brillo ’ Olor ’

Otras propiedades mecánicas menos importantes pueden resultar críticas en casos particulares; por ejemplo, la elasticidad y la resonancia de la pieza la convierten en el material más apropiado para construir pianos de calidad. Teóricamente, la madera totalmente seca no conduce la electricidad. La conduce dependiendo de su contenido de humedad, de esto se vale el higrómetro para su funcionamiento El uso de la madera para instrumentos musicales y como aislante del ruido es una muestra de sus extraordinarias propiedades acústicas Debido a su constitución a base de celulosa y lignina y de su riqueza de poros, la madera tiene buenas propiedades como aislante del calor, es decir, la conductibilidad del calor es bastante baja 5.

DURACIÓN DE LA MADERA

La madera es, por naturaleza, una sustancia muy duradera. Si no la atacan organismos vivos puede conservarse cientos e incluso miles de años. Se han encontrado restos de maderas utilizadas por los

romamos casi intactas gracias a una combinación de circunstancias que las han protegido de ataques externos. La estructura de la madera, es decir, los anillos anuales con madera de lluvia y madera de sequía, el duramen y la albura, la dirección de la fibra y vasos, los rayos medulares y los extraíbles con sus diferentes colores y sensaciones ópticas, condiciona la apariencia característica y especial para cada especie. Diapositiva 25

Defectos De La Madera

Se consideran defectos de la madera a las variaciones de la estructura normal a través de las cuales se ve disminuido su valor de uso Debido a que las exigencias a la estructura de la madera dependen del uso que se le vaya a dar, del procesamiento para producto final, del acabado y de su uso racional, así, el mismo defecto puede aumentar o reducir el valor de uso. Por ej. La mancha azul de las maderas claras, disminuye significativamente su resistencia y así su valor de uso en construcciones o muebles. Sin embargo, esta madera se puede usar en algunas partes no estructurales. La madera panda dificulta la elaboración de muebles, sin embargo, para el fabricante de botes de madera, ésta es una ventaja

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Conicidad exagerada del tronco ’

Causas: – – – –

’

Especie Altura Edad Lugar de crecimiento

Efectos: – Bajo rendimiento – “Levantamiento del pelo” – Menor resistencia a flexión

Esto sucede cuando el tronco varía considerablemente de la forma de un cilindro y se parece más a un cono truncado Esto se da recién cuando la variación es más de 1 cm por metro Árboles que crecen solos tienen por lo general más conicidad que los que están más juntos, por lo mismo los árboles con este problema son también más nudosos La desventaja es que esto influye durante el aserrío o desarrollo de la chapa en el rendimiento y la resistencia de las tablas producidas, la tabla de orilla producida es más gruesa Otro problema es que durante la elaboración y el acabado se da “levantamiento de pelo” La resistencia a la flexión es menor Diapositiva 27

Tronco pando

Se puede dar pandeadura en una sola dirección o en dos

El valor de uso de este tipo de troncos baja considerablemente para madera aserrada y chapa La elaboración se dificulta considerablemente: problema de la “veta encontrada” Causas: la presión del viento, terreno inclinado, peso de la nieve, o herencia en algunas especies Diapositiva 28

Fibra retorcida Ángulo de espiral Ángulo de torcimiento

Esto es el crecimiento de la fibra en forma de rosca de tornillo A) Retorcimiento a la izquierda o en la dirección del sol y b) retorcimiento a la derecha Causas: Presión del viento y la radiación del sol, especialmente en árboles solitarios o que quedan en las orillas de los estratos de bosque, o que crecen en terrenos escarpados La madera producida de estos árboles se pandea y tuerce fácilmente Hay problemas de astillado en el cepillado La resistencia a casi todos los esfuerzos es menor Diapositiva 29

Madera de reacción

La madera de reacción se da por un mayor crecimiento del árbol en la parte contraria a donde pega el viento, y la madera crece en forma excéntrica. La sección del tronco se vuelve elíptica Hay una diferencia en el efecto del viento sobre las coníferas y las latifoliadas. Debido al crecimiento asimétrico se dan en la madera aserrada zonas donde hay veta junta y otras de veta separada, esto hace que las propiedades de resistencia sean diferentes y que se contraigan y expandan de manera diferente Esto dificulta su secado y su uso para productos ensamblados Madera de compresión: se da en la coníferas (1) La madera de compresión tiene una densidad entre 15 y 40% mayor que lo normal y es más oscura Madera de tensión: se da en las latifoliadas (2) Las maderas presentan fibras que sobresalen (pelo levantado) Las superficies cepilladas con frecuencia se rompen (revientan) Diapositiva 30 Defecto ocasionado por madera de compresión en una madera de conífera

Diapositiva 31

Fibra levantada causado por madera de tensión en una pieza de caoba

Diapositiva 32

Crecimiento Ondulado

Este defecto se da por crecimiento irregular de las fibras en espaciamientos cortos En estos tipos de árboles, el valor de uso como madera se ve bastante reducido por las dificultades en su secado y en su procesamiento, tendencia a torcerse y a rajarse Sin embargo, produce una veta bastante vistosa apreciada para el uso en chapas especiales, se usa también como madera de resonancia para instrumentos musicales y es adecuada para tornos Diapositiva 33

Los Nudos

Madera •2 - Cambium

•3 - Corteza

Nudos El nudo es una parte de la rama que ha sido desplazado por el crecimiento de otra madera en el árbol.

El nudo comienza normalmente, en la medula y aumenta de diámetro de la medula hacia afuera, mientras la rama este viva. Ocasionalmente, los nudos empiezan a alguna distancia de la medula. La forma o apariencia del nudo en una cara aserrada depende de la dirección en la que se haya cortado durante el proceso de manufactura de la madera. Los nudos suelen aparecer redondos u ovalados, o espigados si el nudo se corta aproximadamente paralelo a su eje mas largo. El nudo encerrado por los anillos anuales resulta del hecho de que, mientras la rama esta viva, sus fibras se entrelazan con las fibras del tronco del árbol. Una vez que la rama ha muerto en algún punto intermedio del crecimiento del árbol, la madera formada en el tronco del árbol deja de hacer conexión con el nudo, y empieza a crecer a su alrededor. Esto produce un nudo muerto o encajonado, que puede estar suelto o sujeto en su sitio por resinas, al cortar el tronco para convertirlo en madera aserrada. Cuando una rama muerta se rompe, la distorsión del grano en las siguientes capas leñosas se vuelve más y más reducida al presentarse nuevos crecimientos, y finalmente se produce madera con grano derecho. La distorsión y la suspensión del grano alrededor de los nudos, debilitan la madera y producen una contracción irregular, que se resuelve en distorsión. Cuando la madera se seca, los nudos y la madera a su alrededor tienden a agrietarse. Los nudos pueden también dislocarse a consecuencia de la contracción, ya sea del nudo o de la madera. Los nudos de la madera no son deseables por consideraciones estéticas, aparte de su efecto debilitador. Sin embargo algunos tipos de madera con nudos, como el pino, sí resultan vistosas por el dibujo de su veta y se utilizan para decoración y revestimiento de paredes.