ANATOMÍA DE LA MADERA: ESTRUCTURA Y MATERIAL CURSO DISEÑO EN MADERA – ARQUITECTURA – USS

ANATOMÍA BÁSICA DEL ÁRBOL.

Tronco, Sección transversal.

LO QUE VEMOS Se llama madera al conjunto de tejidos que forman el tronco, las raíces y las ramas, de los vegetales leñosos, excluida la corteza. La madera es un material orgánico y natural, compuesto fundamentalmente por celulosa (40-60%), hemicelulosa (5-25%) y lignina (20-40%). Celulosa Lignina Hemicelulosa La madera no es un material homogéneo, sino que está formado por un conjunto de células especializadas en tejidos que llevan a cabo las tres funciones fundamentales del vegetal:

• la conducción de la savia. • la transformación y almacenamiento de los productos vitales y • el sostén del vegetal.

Para cumplir con estas funciones, la madera posee tres tipos de tejidos: tejido vascular (de conducción), tejido parenquimático (de almacenamiento) y tejido fibroso (de resistencia). Se llaman elementos prosenquimáticos todas aquellas células alargadas y de paredes engrosadas, principalmente relacionadas con la conducción y resistencia mecánica; en cambio, se llaman elementos parenquimáticos a aquellas células cortas y de paredes relativamente delgadas que tienen la función del almacenamiento y distribución de las sustancias de reserva. Tejido Parenquimático Tejido Vascular Tejido Fibroso Esta heterogeneidad de la madera se refleja en sus propiedades físicas y mecánicas, y da lugar a lo que se conoce con el nombre de anisotropía de la madera, es decir el comportamiento desigual de la madera frente a una propiedad física según la dirección que se considere. En el estudio de la madera como material, se distinguen tres niveles dentro de los que se explican todas las características de su comportamiento físico-mecánico: la estructura de la pared celular (estructura submicroscópica), la agregación de células para formar madera limpia (estructura microscópica), y la consideración de la madera comercial con defectos (estructura macroscópica).

 

ESTRUCTURA SUBMICROSCÓPICA. En la figura se muestra la estructura de la fibra o célula leñosa.

• Lumen • S3, (capa interior , pared secun-daria) las microfibrillas se disponen con una ligera pendiente, pero sin orden estricto. • S2, (capa central, pared secundaria) las microfibrillas están orientadas en la dirección del eje longitudinal de la fibra con una ligera desviación ( 5 a 20°). • S1, (capa exterior, pared secun-daria) tiene un espesor de 0,1 a 0,2 μ, las microfibrillas se disponen con un ángulo de 50 a 70°. • P, ( pared primaria) fibrillas dispuestas en forma aleatoria, conformada por lignina y pectina. • LI, laminilla intermedia o pared intercelular, compuesta principalmente de lignina y pectina.

Fig. .1 Estructura submicroscópica, paredes de la célula. Desde el punto de vista resistente, la constitución de las fibras de madera, resulta una concepción realmente eficaz. La fibra tiene una sección hueca, lo que permite además de la conducción de la sustancia, la disminución del peso con una alta eficacia. La capa dominante de la pared secundaria, S2, tiene una capacidad adecuada para resistir fuerzas de tracción. Si el esfuerzo es de compresión, las microfibrillas de la capa S2, trabajan como columnas comprimidas que en este caso son ayudadas por las capas S1 y S3 que actúan como un zunchado y evitan el pandeo de estas.

ESTRUCTURA MICROSCÓPICA. Maderas coníferas. Las coníferas muestran una estructura relativamente sencilla en la que el 90 a 95% son células denominadas traqueidas. Estas, tienen forma alargada con una longitud de 2 a 5mm y un diámetro de 10 a 15 um con los extremos cerrados en forma afilada o plana. Estas fibras crecen en sucesivas capas anulares, y tienen su eje longitudinal paralelo al eje del tronco del árbol. El almacenamiento y transporte de las sustancias se realiza a través de las células de parénquima, que en las coníferas están dispuestas principalmente de forma radial (radios leñosos). Los canales resiníferos son cavidades longitudinales dentro del tejido, presentes en la mayoría de las coníferas.

Estructura microscópica de las coníferas.

Maderas latifoliadas. Están formados por elementos únicos y sus extremos están abiertos o perforados. La disposición de estos conductos puede ser de forma concentrada (marcando anillos), semidufusa o difusa. Las fibras de las latifoliadas tienen paredes de mayor espesor y menor luz interior que las traqueidas de las coníferas. La longitud de las fibras es del orden de 1 mm. Las células de parénquima son mucho más numerosas en las latifoliadas y los radios leñosos de mayor tamaño comparados con los de las coníferas.

Estructura microscópica de las latifoliadas.

CORTES PLANOS Con el fin de ser capaz de mirar a los diferentes aspectos de la madera es importante comprender primero los distintos planos que se pueden cortar para la observación. El corte más común es la sección transversal o corte transversal. Un corte radial es un corte vertical y cruza por el centro del árbol, similar a como se hacen pedazos de leña. El tercer tipo es el corte tangencial, que es perpendicular al corte radial.

ESTRUCTURA MACROSCÓPICA. La estructura macroscópica es visible a simple vista o con lupa de 10 aumentos. Para estudiar la estructura macroscópica de la madera se establecen tres planos o secciones.

Corona Tronco Raices

El tronco soporta el árbol y transporta alimentos y nutrientes desde las raíces a la corona.

 

Sección transversal la más común, donde se reconocen los anillos. 

 

 

Corte Radial, es un corte vertical por el centro del tronco. 

 

 

Corte tangencial, es un corte perpendicular a cualquier corte radial en el tronco. 

TIPOS DE TEJIDOS Al examinar un sector de un tronco de madera se pueden observar las siguientes estructuras cuyas características son fácilmente diferenciables (figura .5.).

• Corteza externa, constituida por células muertas. • Corteza interna o liber, por donde circula la savia ascendente. • Cambium, tejido que produce la madera o xilema hacia el interior y la corteza hacia el exterior. • Leño o tejido leñoso propiamente tal.

.

Al analizar a simple vista la sección transversal del leño, ya sea de conífera o latifoliada, es posible distinguir los siguientes sectores:

En el interior del tronco, se encuentran dos tipos distintos de tejido, cada uno compuesto de muchas capas diferentes. Los dos tipos de tejido son la corteza, la piel externa fina del árbol y la madera, la parte interna del árbol. DURAMEN Y ALBURA. Dentro del tejido leñoso pueden diferenciarse dos zonas: el duramen (pellín), en el interior del tronco, y la albura (hualle), en el exterior. La zona externa del tronco del árbol, que corresponde a la madera más joven, conduce la savia desde las raíces hasta la copa y se denomina albura. Con el paso del tiempo, estas células detienen su función fisiológica, relegándola a otras capas más jóvenes, constituyendo lo que se denomina duramen. La formación del duramen se caracteriza por modificaciones anatómicas y químicas que le confieren una coloración más oscura, una mayor densidad y resistencia a los ataques de insectos. Médula, tejido inactivo en el árbol adulto, que normalmente ocupa una posición central y de escasas cualidades mecánicas.

PROPIEDADES FISICAS Y MECANICAS. La madera es un material anisótropo. Sus propiedades físicas y en particular sus características mecánicas dependen de la dirección del esfuerzo con relación a la orientación de las fibras.

En la madera se pueden reconocer tres direcciones principales que pueden considerarse ortogonales entre sí, estas direcciones son la longitudinal (axial, paralela al eje de crecimiento del árbol), radial (perpendicular a la primera y cortando el eje del árbol) y tangencial (perpendicular a las dos primeras y tangente a los anillos de crecimiento).

En la práctica solo se consideran dos direcciones: paralela a la fibra (longitudinal) y perpendicular a la fibra (transversal, que engloba las direcciones radial y tangencial).

CONTENIDO DE HUMEDAD.

La madera contiene agua bajo tres formas: agua libre, agua higroscópica y agua de constitución. El agua libre se encuentra llenando las cavidades celulares. El agua higroscópica se halla contenida en las paredes celulares. El agua de constitución se encuentra formando parte integrante de la estructura molecular. El contenido de humedad es la masa de agua contenida en una pieza de madera, expresada como un porcentaje de la masa de la pieza anhidra. Para una muestra de madera el CH (contenido de humedad) será:

Peso húmedo – Peso anhidro CH % = x 100 Peso anhidro

El peso anhidro se consigue mediante el uso de un horno a 103 ± 2°C, también se le llama peso seco al horno. Existen dos valores del CH que son particularmente importantes, al primero se le llama Punto de Saturación de las Fibras (PSF) y es el contenido de humedad que tiene la madera cuando ha perdido la totalidad del agua libre y comienza a perder el agua higroscópica; depende de diversos factores y varía para las distintas especies, pero en general se acepta un 30% como promedio para la mayoría de las especies. Al segundo CH se le llama Contenido de Humedad de Equilibrio (CHE) cuando la madera expuesta al aire, pierde parte del agua higroscópica hasta alcanzar un CH en equilibrio con la humedad relativa del aire. La pérdida de humedad por debajo de este estado de equilibrio sólo podrá conseguirse por medio de tratamientos especiales de secado en horno o estufa. La norma Chilena de Cálculo de Construcciones en Madera (NCh 1198), define como madera en estado verde aquella cuyo contenido de humedad es superior al 30% y, como madera seca, aquella cuyo contenido de humedad no supera el 20%. En general no se recomienda el uso con fines estructurales de madera cuyo contenido de madera esté comprendido entre 20 y 30%. Por otra parte, es deseable que la madera destinada a la construcción tenga un contenido de humedad similar a la humedad de equilibrio del lugar en que ella presta servicio.

DENSIDAD. La densidad de un cuerpo es el cuociente formado por la masa y su volumen. La madera por ser higroscópica presenta aspectos complejos. Debido a que tanto la masa como el volumen de una pieza varían con el contenido de humedad, es importante expresar la condición bajo la cual es obtenida.

De acuerdo a la Norma Chilena 176/2. Of86 (Madera-PARTE 2: Determinación de la densidad) es posible definir:

• densidad anhidra: es la que relaciona la masa y el volumen de la madera anhidra. • densidad normal : es la que relaciona la masa y el volumen de la madera , ambas determinadas a un contenido

de humedad igual al 12%. • densidad básica : es la que relaciona la masa anhidra de la madera y su volumen a un contenido mayor o igual

que 30% (estado verde). • densidad nominal : es la que relaciona la masa anhidra de la madera y su volumen a un contenido de humedad

igual a 12%. • densidad de referencia : es la que relaciona la masa y el volumen de la madera, ambos determinados a un

mismo contenido de humedad. La densidad depende de la especie y es muy variable. Sus valores abarcan desde los 300 kg/m3 de las especies ligeras como la madera de balsa, hasta los 1.200 kg/m3 de las maderas pesadas como el guayacán. La densidad real de la madera (de la pared celular) es constante para todas las especies y alcanza el valor de 1.500 kg/m3. Esto significa que la diferencia de densidad aparente entre las distintas especies se consigue con una mayor o menor proporción de huecos en su interior.

CONTRACCIONES Y EXPANSIONES. La variación del contenido de humedad produce en la madera una variación de sus dimensiones. Cuando aumenta dicho contenido se expande (hincha), mientras que cuando disminuye se contrae (merma). Estos movimientos sólo tienen lugar cuando su contenido de humedad se encuentra por debajo del punto de saturación de la fibra (es decir cuando no hay agua libre). La norma chilena NCH 176/3. Of84, Madera- PARTE 3: Determinación de la contracción radial y tangencial, define la “contracción normal” como: la disminución de dimensiones que sufre la madera al perder humedad bajo el punto de saturación de las fibras, expresada como porcentaje de la dimensión de la madera al estado verde.

PROPIEDADES ELÉCTRICAS. La madera anhidra es un excelente aislante eléctrico, perdiendo esta cualidad con el aumento del contenido de humedad. En estado anhidro y a temperatura ambiental la resistencia eléctrica es de, aproximadamente, 1016 ohm-metro decreciendo a 104

ohm-metro cuando la madera está en estado verde. Esta gran diferencia que se produce en la resistencia eléctrica de la madera cuando su contenido de humedad varía entre 0 y 30%, es la base para el diseño de los instrumentos eléctricos que miden la humedad (xilohigrómetros) en forma no destructiva. La conductibilidad eléctrica de la madera varía según las tres direcciones anatómicas de la madera. La conductividad paralela a las fibras es el doble que la conductividad en el sentido transversal. Entre la conductividad en el sentido tangencial y radial existe una diferencia de aproximadamente 10%, siendo mayor en el sentido radial mayor que en el tangencial. PROPIEDADES ACÚSTICAS. Una de las principales ventajas de la madera es su capacidad para absorber vibraciones producidas por las ondas sonoras. Esta propiedad está íntimamente relacionada a su estructura fibrovascular, su naturaleza elastoplástica y su densidad. La capacidad que tiene un cuerpo de absorber ondas es directamente proporcional a su densidad. PROPIEDADES TÉRMICAS. Conductividad térmica es la medida de la cantidad de calor que fluye de un material sometido a un gradiente de temperatura, este valor se expresa en Watts por metro cuadrado, por grado Celsius para un milímetro de espesor (W/m2x °C x mm.). En general, el flujo de calor en los revestimientos y diafragmas, se produce en dirección normal a la fibra, por tal razón la conductividad térmica se mide en dicha dirección. La conductividad térmica a lo largo de las fibras es dos a tres veces mayor que en la dirección perpendicular a las fibras. Calor específico de la madera es la cantidad de calor necesaria para aumentar en 1 °C la temperatura de un gramo de madera. Diferentes estudios han demostrado que el calor específico de la madera no depende de la especie maderera ni de su densidad, pero si varía con la temperatura. Dilatación térmica: la madera al igual que otros materiales de construcción se dilata o contrae al aumentar o disminuir la temperatura. La dilatación es menor que la de los materiales convencionales, pero no despreciable.

PROPIEDADES MECANICAS La madera, cómo se ha mencionado anteriormente, es un material anisótropo formado por un haz de tubos huecos con una estructura diseñada para resistir tensiones paralelas a la fibra. El árbol produce esta estructura tubular, con una elevada eficacia para resistir a los esfuerzos a los que va a estar sometido en su vida, es decir los esfuerzos de flexión producidos por el viento y en menor grado, los de compresión producidos por las acciones gravitatorias. Debido a la ortotropía de su estructura, en la que se diferencian tres direcciones: longitudinal, radial y tangencial; es necesario considerar las propiedades mecánicas en a lo menos dos direcciones: la paralela y la perpendicular a la fibra.

1- TRACCIÓN PARALELA A LA FIBRA.

La resistencia a la tracción paralela en probetas pequeñas, libres de defectos es aproximadamente 2 veces la resistencia a la compresión paralela.

La influencia de defectos característicos de la madera (nudos, inclinación de la fibra, etc.) hacen que la resistencia de elementos a escala real, pueda llegar a ser un 15% del esfuerzo de rotura de probetas libres de defecto.

2- COMPRESIÓN PARALELA A LA FIBRA.

La madera presenta gran resistencia a los esfuerzos de compresión paralela a sus fibras. Esto proviene del hecho que las fibras están orientadas con su eje longitudinal en esa dirección. La capacidad resistente está limitada por el pandeo de las fibras, más que por su resistencia al aplastamiento.

3- FLEXIÓN.

La resistencia a la flexión de la madera es muy elevada, sobre todo comparada con su densidad. La flexión se origina por un momento flector, que produce en la sección de la pieza tensiones de compresión y de tracción paralelas a la fibra, las que alcanzan valores máximos en las fibras extremas y valores nulos en la fibra neutra.

La diferencia entre la resistencia a la tracción y a la compresión paralela genera un comportamiento característico de las vigas de madera en flexión. Como la resistencia a la compresión es menor que a la tracción, la madera falla primero en la zona de compresión.

4- TRACCIÓN PERPENDICULAR A LA FIBRA.

La resistencia de la madera a la tracción perpendicular a la fibra es muy baja (del orden de 30 a 70 veces menos que en la dirección paralela). Esta baja resistencia se justifica por las escasas fibras que tiene la madera en la dirección perpendicular al eje del árbol (radios leñosos) y la consiguiente falta de trabazón transversal de las fibras longitudinales.

5- COMPRESIÓN PERPENDICULAR A LA FIBRA. Bajo este tipo de carga las fibras están sometidas a un esfuerzo perpendicular a su eje, y tiende a comprimir las pequeñas cavidades contenidas en ellas. Este tipo de esfuerzo es característico de las zonas de apoyo de las vigas, donde se concentra toda la carga en pequeñas superficies que deben ser capaces de transmitir la reacción sin sufrir deformaciones importantes o aplastamiento

6- CORTE.

TENSIONES TANGENCIALES DE CORTADURA: las fibras son cortadas transversalmente por el esfuerzo. La falla se produce por aplastamiento. TENSIONES TANGENCIALES DE DESLIZAMIENTO: la falla se produce por el deslizamiento de unas fibras con respecto a otras en la dirección longitudinal. TENSIONES TANGENCIALES DE RODADURA: la falla se produce por rodadura de unas fibras sobre las otras.

FACTORES QUE AFECTAN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS.

La madera tiene una compleja estructura natural, diseñada para servir las necesidades funcionales de una planta en vida. No siempre resulta fácil de entender por qué las probetas de una especie maderera determinada, extraídas de diferentes árboles o aún de piezas provenientes del mismo árbol, muestran una pronunciada diferencia en su densidad y en su resistencia. La variabilidad entre árboles de la misma especie responde a diferencias genéticas, de ambiente y/o ambas. En un mismo árbol el crecimiento es irregular. Existen además diferencias en las propiedades mecánicas, debido al tratamiento de la madera durante su elaboración.

- DEFECTOS DE LA MADERA. Recibe este nombre cualquiera irregularidad física, química, o físico-química de la madera, que afecta su aspecto, resistencia o durabilidad, determinando generalmente una limitación en su uso o aplicación.

- CONTENIDO DE HUMEDAD.

Las propiedades mecánicas de la madera varían en función del contenido de humedad. Si aumenta el contenido de humedad disminuyen la resistencia y el módulo de elasticidad. Esta dependencia, tiene lugar para contenidos de humedad inferiores al punto de saturación de las fibras; por encima de este valor, el agua se encuentra libre rellenando las cavidades de las fibras y no influye en las propiedades mecánicas.

En la madera libre de defectos, para efectos prácticos, puede considerarse que existe una relación lineal entre cada propiedad mecánica y la humedad, para contenidos de humedad comprendidos entre el 8 y el 20%.

- DURACIÓN DE LA CARGA.

Se ha constatado mediante ensayos que la resistencia de la madera depende en alto grado del tiempo de aplicación de la carga a la que está sometida. Así, ante cargas de duración permanente se obtienen resistencias que son del orden de un 60% de las deducidas en un ensayo de corta duración (5 ± 2 minutos).

- DENSIDAD.

La densidad es una medida de la cantidad de material sólido que posee la madera y tiene una marcada influencia en la resistencia mecánica de esta. En probetas pequeñas libres de defectos puede esperarse que la resistencia sea directamente proporcional a la densidad, es decir, a mayor densidad mayor resistencia.

- TEMPERATURA.

En general, las propiedades mecánicas de la madera decrecen cuando ella se calienta y aumentan cuando la madera se enfría. La relación entre la resistencia de la madera y la temperatura de exposición es aproximadamente lineal siempre que su contenido de humedad permanezca constante y las temperaturas sean inferiores a 150°C. La madera no sufre alteraciones cuando se la expone a temperaturas no superiores a 67°C, ya sea temporal o permanente. Si las temperaturas son superiores a 67°C y menores a 100°C, y la exposición es ocasional, tampoco hay reducción de la resistencia.

Las temperaturas inferiores a 200°C, pero superiores a 100°C, pueden afectar fuertemente la resistencia de la madera, si ella tiene un largo período de exposición. Por ejemplo, once meses a una temperatura de 100°C, puede reducir la resistencia de la madera en hasta un 83%.