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Introducción
La madera como material estructural, es históricamente uno de los materiales de construcción más utilizado (Villar, Crespo, Lorenzana y Guaita, 2015). Aunque en otros países el consumo de la madera en construcción aumenta (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, 2016); en Costa Rica, en el sector su consumo disminuyó luego del año 2009 (ONF, 2015), debido a la crisis financiera internacional (Chaves, 2012).
Ese decrecimiento del uso de la madera en países como Costa Rica, se le atribuye además a una serie de dificultades que van desde el aprovechamiento forestal hasta su uso en construcción (Ministerio de Ambiente, Energía y Telecomunicaciones (MINAE, 2015). Otros factores que explican ese decaimiento del uso de la madera, son la falta de especificaciones técnicas como lo tienen otros materiales de la construcción, como el acero o el concreto (Coto, 2015). Por consecuencia, su uso quedó rezagado a un material de acabado y carpintería (Zhou, Tam y Lau, 2015).
Sin embargo; en los últimos años se manifestó un importante resurgimiento del uso de la madera con funciones estructurales en países como España. Íñiguez (2007) anotó una serie de carencias relacionadas con la dificultad para evaluar las propiedades mecánicas y de resistencia como material estructural. El profesional estructural requiere para sus propuestas de diseño de cálculos estructurales, de información confiable para proyectar las dimensiones de los elementos y los valores de resistencia de las conexiones que componen la estructura de la construcción, tales como vigas, columnas y armaduras (Moya y González 2014, Tuk, 2010).
En Costa Rica recientemente apareció una normativa de clasificación de la madera para el uso estructural (Coto, 2015), que pretende solventar la falta de información de las características estructurales de la madera; conocida como “Madera estructural-clasificación en grados estructurales para la madera aserrada mediante evaluación visual” y que pertenece al Instituto de Normas Técnicas de Costa Rica (INTECO) 06-07-03:2011. A pesar de este primer intento de normalizar el uso de la madera estructural, se han observado algunas debilidades en el momento de clasificar la madera.
Según CEN (2011) en trabajos realizados también en España, existen una gran variedad de normas de clasificación visual que responden a diferentes criterios como: la práctica histórica, especies o grupos de especies, procedencias geográficas, requisitos dimensionales, etc. González (2013), en un estudio realizado en Chile, comparó los estándares de clasificación visual de la Unión Europea, Australia y Estados Unidos. Los estándares de los países europeos de clasificación visual se limitan a entregar principios básicos que deben ser adoptados por las diferentes normas de clasificación visual de cada país; además, ofrecen una metodología de agrupamiento de la madera de diferentes calidades visuales en un sistema único de clases resistentes. Se hace una adecuada diferenciación entre evaluación visual o mecánica. En Australia, la norma de clasificación visual pasa a un segundo plano y lo que realmente importa, es la demostración de que la madera cumple con los requerimientos de resistencia y rigidez para el grado asignado (CHHWA, 2013). Un caso ideal es el sistema norteamericano, el cual no contempla ensayos mecánicos para la evaluación del método de clasificación visual; ya que este se basa en la estricta aplicación de normas de clasificación que son regularmente actualizadas por agencias redactoras de normas bajo la supervisión del American Lumber Standard Committee (ALSC, 2012).
En Costa Rica, la norma INTECO 06-07-03:2011, presenta una clasificación visual que determina los esfuerzos admisibles mediante pruebas mecánicas. El presente trabajo describe una serie de normas de clasificación visual estructural de la madera aserrada en diferentes países y se hace una comparación con la Norma INTECO 06-07-03:2011, con el objetivo de mejorar la norma actual y proponer los nuevos elementos de clasificación que se deben considerar en la norma de INTECO 06-07- 03:2011 para la comercialización de la madera.
Material y métodos
Se revisaron las normas de clasificación visual estructural de madera aserrada en diferentes países y la norma INTECO 06-07-03:2011 (INTECO, 2012), en las instalaciones del Instituto Tecnológico de Costa Rica, ubicado en Cartago, Costa Rica, en las coordenadas WGS89: 9,8572°N y 83,9123°O, entre los meses de mayo a junio del 2017.
Revisión de normas de clasificación visual de madera estructural en otros países
Se hizo una revisión bibliográfica de las normas de clasificación visual para los países: Uruguay con la Norma IRAM 9664. “Madera estructural. Determinación de los valores característicos de las propiedades mecánicas y la densidad” (Guillaumet, 2012). Chile con la norma NCh 1207. “Pino radiata - Clasificación visual para uso estructural” (González, 2013). España con la norma UNE 56544:2003. “Clasificación Visual de la Madera Aserrada con destino Estructural” (AITIM, 1999). Australia con la norma AS 2082. ”Madera latifoliadas. Clasificación visual para usos estructurales” (CHHWA, 2013). El resumen de la información de cada una de estas normas se presenta en el cuadro 1.
Propuesta de modificación de la Norma INTECO de Costa Rica
Se partió de las razones de resistencia y conceptos de cada defecto, presentes en los apartados número cinco y seis de la norma INTECO 06-07-03:2011. Además, se tomó en consideración, la clasificación visual en grados estructurales de las normas extranjeras. Con lo que se establecieron tres clases resistentes para cada defecto admisible (Cuadro 2).
Comprobación de la aplicación de nuevos criterios en la norma de clasificación para madera aserrada mediante Evaluación Visual INTECO 06-07-03:2011 para Cupressus lusitanica y Alnus acuminata de Costa Rica
Especie de madera, dimensiones y condiciones de la madera.
Se realizó una evaluación visual a 65 piezas de madera con corte tangencial, se seleccionó esta cantidad de piezas, ya que la norma costarricense INTECO 06-07- 03:2011 no establece un límite máximo o mínimo de piezas a evaluar. La distribución de piezas fue: 34 piezas de Ciprés (Cupressus lusitanica) y 31 piezas de Jaúl (Alnus acuminata). Se seleccionaron dichas especies por su rápido crecimiento, de uso común en plantaciones y por su valor comercial. La madera fue obtenida de la producción de dos aserraderos en la provincia de Cartago Costa Rica, donde las piezas de madera en el caso de A. acuminata provenían de rodales naturales y el C. lusitanica de plantaciones comerciales de dicha provincia. Las dimensiones de las piezas de madera eran de 7,5 cm de ancho, 3,5 de alto o peralte y 231,0 cm de largo. La madera recién aserrada fue secada en un secador de horno NARDI® de 2 m3 de capacidad de calentamiento eléctrico. Los programas de secado aplicados a las dos especies están especificados en Moya, Ureña, Salas, Muñoz y Espinosa (2013).
Clasificación Visual por defectos.
Las piezas fueron clasificadas estructuralmente según la nueva propuesta (Cuadro 2) por cantidad y cobertura de nudos, inclinación de grano y curvatura.
Determinación del módulo de elasticidad en flexión: Se realizaron las pruebas del módulo de elasticidad en flexión (MOE), de cada una de las 65 piezas acorde con la norma ASTM D198-15 (ASTM 2015). El MOE se determinó de forma no destructiva, sin quebrar la totalidad de las 65 piezas de madera. Primeramente, para conocer la carga de ruptura máxima se seleccionaron tres piezas de madera por cada especie y se llevaron al punto de quiebre. De las tres piezas se seleccionó la pieza con menor resistencia a carga, donde se determinó que la carga máxima para C. lusitanica fue de 151 Kg y para A. acuminata de 131 Kg. Posteriormente para determinar el MOE de las restantes 59 piezas, se ensayaron al 70 % de esta carga máxima. Las pruebas se llevaron a cabo en una máquina de prueba marca Tinius Olsen con una capacidad de 60 toneladas (figura 1). En la prueba, se aplicó la carga de manera que el desplazamiento de la articulación siguió el plano de la carga, a una velocidad de 2 mm.min-1 a dos cargas. El ensayo se realizó en un lapso promedio de 12 min, lo cual es consistente con la norma, que establece que el fallo debe ocurrir entre 5 y 15 min (ASTM 2015).
Análisis estadístico
En el caso de la clasificación visual, cada pieza se especificó en clases por cada defecto admisible según el cuadro 2. Además, se realizó una distribución de cantidad de piezas por defecto y especie (figura 2).
A cada pieza se le calculó el valor MOE (Ecuación 1) y se clasificó según el valor MOE establecido por Moya y González (2014), que es de 75000 Kg/m3 para ambas especies. Según el parámetro establecido y los porcentajes que se rigen por la norma INTECO, las piezas en clase 1 fueron las que obtuvieron un MOE.
mayor o igual que el 55 % , en la clase 2 las piezas entre 45 % y 54 % y la clase 3 las piezas con un valor menor o igual que 44 %.
Donde:
MOE es el módulo de elasticidad (km/m3)
L es la distancia entre apoyos o luz (m)
b es el ancho de probeta (m)
d es la altura de probeta (m)
PLP es la carga en el límite de proporcionalidad (kg)
YLP es la deflexión al eje neutro (m)
Con la ayuda del programa Minitab 18; se desarrolló un análisis de estadística descriptiva, con el cálculo de los valores promedio, desviación estándar y coeficiente de variación para el valor MOE según clase. Además, para esta clasificación por MOE, se aplicó un análisis de varianza para confirmar la existencia de diferencias significativas entre los promedios de las variables (P <0,05) para cada especie, según la distribución por clases (1, 2 y 3) y finalmente se aplicó la prueba de Tukey para determinar las diferencias estadísticas entre las medias.
Por último, se calculó el porcentaje de piezas por clase según las dos clasificaciones: Visual y MOE por especie.
Resultados y discusión
Clasificación Visual por defectos
En la figura 2, se muestra la distribución de clases de resistencia por defectos de las piezas de C. lusitanica y A. acuminata. Se observó que, en las dos especies, la mayor cantidad de las piezas se clasificaron en la calidad 2, cuando se evaluaron los nudos e inclinación de la fibra. Los defectos en curvatura en la mayoría de las piezas fueron catalogadas como calidad 1. En el caso de nudos para C. lusitanica, 25 piezas fueron clase 3 y 9 piezas clase 2. En A. acuminata se encontraron piezas en todas las clases, con una mayor concentración en la clase 2 con 17 piezas. En la inclinación del grano en ambas especies sólo se encontraron piezas con clases 1 y 2, con una mayor distribución en clase 2 (25 piezas de C. lusitanica y 26 piezas de A. acuminata), lo que concuerda con lo que encontraron Moya y González (2014), donde C. lusitanica y A. acuminata están en los valores intermedios (Clase 2) de especificaciones admisibles de diseño por grado estructural.
Finalmente, en la clasificación por curvaturas se encontraron en A. acuminata un total de 18 piezas que presentaron curvas con menos de 10 mm en una pieza de 2,54 m de largo, al igual que para 7 piezas en el caso de C. lusitanica, por lo que se al ser curvaturas menores de 10 mm, se clasificaron las piezas como clase 1.
Clasificación mediante Módulo de elasticidad en flexión
En el cuadro 4, se presenta el MOE promedio por cada clase y especie. El MOE promedio para las clases 1 y 3 es más alto para A. acuminata y en la clase 2 el MOE promedio es más alto para C. lusitanica. Sin embargo, se encontró que en la clasificación para C. lusitanica entre las tres clases no hay diferencias significativas. En la clasificación de A. acuminata se encontraron diferencias significativas entre las clases 1 y 3. Entre las clases 1 y 2 y 2 y 3 no hubo diferencias significativas.
Figure 2 Distribution of defects admissible in visual classification for sawn wood of C. lusitanica and A. acuminata.
Para ambas especies, el parámetro de MOE menor, es decir, en el grado estructural 3, según porcentaje menor o igual que 44 %, establecido por la norma INTECO, fue de 60000 Kg/m3 (Moya y González, 2014); y como se observa el MOE promedio en ambas especies para la presente clasificación, en la clase 3 está por debajo del mínimo de resistencia. Las razones que puede explicar estos resultados son que la madera aserrada proviene de un tronco sin importar la especie y el tamaño, y es sumamente variable en propiedades, dentro de ellas las mecánicas (Coto, 2015). Como lo menciona Gálvez (2011) en su trabajo en madera estructural en España, las piezas de madera aserrada suelen diferir en resistencia hasta 10 veces dentro de la madera de un mismo árbol.
Clasificación: Visual y MOE por especie
En el caso de C. lusitanica la evaluación visual, se dividió sólo en dos clases, donde se obtuvo una distribución de las piezas de un 32 % en la clase 2 y en la clase 3 un 68 %. En la evaluación MOE si se encontró una distribución en 3 clases, con 94 % en la clase 3 y un 3 % para las clases 1 y 2. En el caso de la madera de A. acuminata, la evaluación visual presentó una distribución sólo en las clases 2 y 3 con un 87 % y 13 % respectivamente. La evaluación MOE tuvo una distribución en las tres clases, las clases 1 y 2 con 10 % cada una y en la clase 3 un 80 % (figura 3).
Según el trabajo comparativo de normas internacionales de González (2013), la relación de la clasificación visual con los valores mecánicos, tiende a subestimar la capacidad de la madera estructural, porque la cuantificación visual de los parámetros conlleva cierta complejidad de interpretación que en muchos casos, queda en la subjetividad del clasificador (Íñiguez, 2007). En nuestro trabajo, al comparar la distribución visual y mecánica, se obtuvo que para C. lusitanica 21 de las piezas coincidieron para la clase 3. En 11 piezas la evaluación visual subestimó la clase de resistencia en comparación a la evaluación MOE y para las 2 piezas restantes se sobrestimó la resistencia visual.
Cuadro 4 Clasificación módulo de elasticidad (MOE) para madera aserrada de C. lusitanica y A. acuminata.
Nota: Los valores entre paréntesis corresponden al coeficiente de variación de cada dato. Las letras unidas a los promedios indican diferencias estadísticamente significativas entre las especies al 95 %.
*El coeficiente de variación para los datos es cero, porque sólo muestra un dato para esa clasificación.
Figure 3 Distribution in visual and MOE classification, for sawn timber of C. lusitanica and A. acuminata.
Para A. acuminata la comparación visual y mecánica, para la clase 2 en ambas evaluaciones coincidieron en 3 piezas; para la clase 3 coincidieron 4 piezas. En 21 piezas la clase resistente visual subestimó al valor MOE y 3 piezas se sobrestimaron. En resumen, la evaluación visual llevada a cabo a partir del Cuadro 2, subestimó la capacidad de la madera estructural en un 49,23 % de las piezas evaluadas al compararse con la clasificación MOE.
Se corroboró que la propuesta de evaluación visual por defectos admisibles en la que se basa la norma INTECO 06-07-03:2011, presenta un 43,08 % de piezas clasificadas igual a la clasificación MOE que se determinó por ensayo en flexión (Paniagua, 2010). Esta coincidencia viene a ser el primer paso para definir la clasificación de cada pieza de madera en grados estructurales, considerando los principales defectos de una pieza de madera y como lo menciona Coto (2015) sin la necesidad de recurrir a métodos mecánicos y/o destructivos.
Conclusiones
Las normativas internacionales de madera estructural por clasificación visual muestran que primero se realiza con una clasificación por defectos presentes en cada pieza y estos se agrupan en grados estructurales.
Los defectos admisibles o presentes en cada pieza tales como presencia y cobertura de nudos, inclinación de grano, presencia de médula y torceduras, se evalúan de manera subjetiva en los aserraderos, depósitos y ventas de madera, de modo que no son confiables para el uso estructural de la madera en la construcción.
Al comparar las normas internacionales con la norma nacional INTECO 06-07-03:2011, fue evidente que la agrupación por defectos visuales para Costa Rica no existe. Esta norma sólo presenta una clasificación por clase, que sólo considera el MOE.
La clasificación visual para uso estructural de la madera de C. lusitanica y A. acuminata, fue semejante y se colocó en la calidad 2.
Cuando se comparan las clasificaciones visual y mecánica, la resistencia en la evaluación visual, subestimó en un 49,23 %, sobrestimó en un 7,69 % y coincidió en un 43,08 %.
