Tecnologías no destructivas para clasificar la madera estructural. Proyecto MEND-ME

En este proyecto de I+D, cuya primera anualidad concluye ahora, AIDIMME investiga la evaluación no destructiva de madera estructural, así como nuevas soluciones y productos de refuerzo y consolidación para rehabilitar sistemas constructivos.

Está concluyendo la primera anualidad del proyecto de I+D MEND-ME (Desarrollo de una metodología para la evaluación no destructiva de madera estructural y aplicación innovadora a rehabilitación). El IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial) ha financiado esta anualidad del proyecto. El proyecto ha sido cofinanciado también por el Programa Operativo FEDER de la Comunidad Valenciana 2014-2020. MEND-ME consta de tres anualidades, y la primera ha transcurrido de enero de 2017 a junio de 2018.

El objetivo principal del proyecto consiste en desarrollar una metodología de análisis no destructivos que permita conocer el estado y calidad estructural de la madera nueva o antigua, para poder realizar rehabilitaciones de estructuras de madera en menor tiempo, de forma competitiva, sostenible, segura y fiable, así como aprovechar madera procedente de demoliciones bien para ejecutar esas rehabilitaciones o bien para usarla en nuevas estructuras.

MEND-ME nace de la necesidad del sector de la construcción y de muchos arquitectos de disponer de una caracterización mecánica y de una clasificación según el Código Técnico de la Edificación (CTE) de la madera existente en las edificaciones antiguas. Asimismo, nace de la necesidad, común a arquitectos, ingenieros y empresas de rehabilitación, de disponer de soluciones y productos de refuerzo y consolidación para madera que puedan usarse en obra de manera rápida y económica. Según Miguel Ángel Abián, jefe del Departamento de Tecnología y Biotecnología de la Madera, coordinador y director técnico del proyecto y responsable de la línea de I+D Madera en Construcción, “resulta necesario determinar fiablemente las propiedades físico-mecánicas de la madera antigua para que los arquitectos e ingenieros confíen en este material renovable y lo traten como un material normalizado. El CTE pone en pie de igualdad como materiales de construcción a la madera, el acero y el hormigón, siempre que se sigan sus procedimientos de cálculo”.

 

A continuación se exponen los principales resultados obtenidos en la primera anualidad.

 

  1. Investigación sobre las especies de madera nueva y antigua y sobre su uso y conservación en rehabilitación y construcción

Los resultados de esta investigación determinan que la madera en construcción empleada en España ha estado representada mayoritariamente por especies de madera pertenecientes al grupo de las coníferas, salvo en el norte, donde se utilizaban algunas frondosas.

Los datos obtenidos mediante consultas de la bibliografía y mediante el análisis realizado por AIDIMME de estructuras de madera en procesos de rehabilitación e intervención muestran que las especies de coníferas empleadas han sido Pinus halepensis (pino de Alepo o pino carrasco), Pinus taeda (pino amarillo del Sur, pino melis o pino mobila), Pinus nigra (pino negro), Pinus sylvestris (pino silvestre), Pinus pinaster (pino rodeno, pino marítimo o pino rubial o pino negral) y Pinus radiata (pino insigne, pino de Monterrey o pino de California) y Picea abies (abeto rojo). La única frondosa utilizada en la zona de levante ha sido Populus nigra (chopo negro).

Las especies de madera que se encuentran actualmente en desuso en actividades de rehabilitación son principalmente Pinus halepensis, Pinus taeda y Populus nigra. El resto de las enumeradas anteriormente siguen empleándose en procesos constructivos.

La madera conocida como mobila (o mobila vieja), muy presente en muchos edificios de la Comunidad Valenciana, entró en gran parte por el puerto de Valencia a finales del siglo XIX y principios del XX. Al analizar madera procedente de demoliciones y de estructuras de algunos edificios antiguos, AIDIMME encontró marcas en las cuales había referencias a los puertos de origen de la madera, los aserraderos y las compañías de exportación.

La mobila corresponde principalmente a la especie Pinus tadea, si bien también puede corresponder a las especies Pinus taeda L., Pinus elliottii Engelm, Pinus echinata Mill y Pinus palustris Mill, que comparten características similares. Es una madera procedente de árboles de crecimiento lento, con mucho duramen, casi sin albura, y en consecuencia con una gran cantidad de resina. Por ello es extraordinariamente densa (en algunos casos su densidad supera los 1000 kg/m3, y no suele bajar de 850 kg/m3), muy resistente a xilófagos (termita, carcoma y hongos) y presenta en ocasiones una resistencia mecánica superior a la correspondiente a la clase resistente C45 del Código Técnico de la Edificación. Esta resistencia tan elevada es más propia de algunas frondosas que de las coníferas. El pino silvestre actual, por ejemplo, tiene densidades comprendidas entre 500 y 540 kg/m3.

El duramen es leño biológicamente inactivo, con funciones de sostén para el árbol, que ocupa la porción del tronco entre la médula (corazón o parte más central) y la albura (parte joven de la madera). La duraminización o formación del duramen, que para el caso del haya (Fagus sylvatica) fue estudiada por AIDIMME en el proyecto europeo INNOBEECH, es un proceso con cambios microscópicos y a veces también macroscópicos (color) en la madera. Microscópicamente, la formación del duramen está muy asociada con la muerte (pérdida del núcleo y del protoplasma) de las células del parénquima.

Esto viene precedido normalmente por un cambio de la actividad fisiológica en dichas células. La formación del duramen se asocia también con la obstrucción de los vasos por sustancias minerales como sílice y carbonatos, extractos (sustancias gomosas, resinas) y tilosis (formación generalizada de tílides, estructuras que habitualmente obstruyen la cavidad de los elementos conductores del xilema). Por ese motivo la madera de duramen es poco o nada impregnable, incluso en tratamientos con autoclave y a presión: sus vasos están obstruidos.

La deposición de extractos en las células es la responsable de los cambios de color. Estos cambios constituyen un indicador evidente de duraminización, pero desde el punto de vista fisiológico el duramen no está limitado a las especies en las que puede distinguirse macroscópicamente. En todas las especies, las células del parénquima acaban muriendo; por tanto, la formación de duramen es un proceso natural de envejecimiento de los árboles.

La madera de mobila debe sus propiedades a su elevada proporción de duramen. A menudo, los ataques que ha sufrido de agentes xilófagos son superficiales y principalmente afectan a la albura, no al duramen. La madera que se instala en la actualidad tiene, proporcionalmente, más porcentaje de albura, y por eso su resistencia mecánica y frente a xilófagos es muy inferior a la de la mobila.

 

Imagen 1. Fotografías tomadas de los planos transversal, radial y tangencial de una muestra de pino silvestre. Proyecto MEND-ME
Imagen 1. Fotografías tomadas de los planos transversal, radial y tangencial de una muestra de pino silvestre.

 

  1. Fichas técnicas de las principales tecnologías de evaluación no destructiva

 

Se recopiló información técnica respecto a las tecnologías de evaluación no destructiva (NDT) y su posible uso en madera estructural. Para ello se recurrió a artículos científicos y técnicos, libros, guías técnicas, manuales, normas europeas e internacionales, memorias de proyectos de investigación, tesinas y tesis doctorales. Asimismo, a partir de búsquedas en las bases de datos de patentes, se recopilaron patentes relacionadas con esas tecnologías. Se analizó el funcionamiento de todas esas tecnologías, así como los inconvenientes que presentan para proporcionar resultados fiables y útiles en la madera antigua, dadas las características especiales de ésta (mayor densidad, mayor proporción de duramen, defectos no visibles, etc.).

A partir de toda la información anterior se prepararon completas fichas técnicas que resumen la información obtenida. Después, a partir de éstas, se prepararon fichas resumidas que están disponibles de forma abierta, pública y gratuita en la página electrónica de AIDIMME y que se han utilizado, entre otros recursos, para la transferencia y promoción de resultados a empresas y entidades valencianas.

 

A continuación se detallan las técnicas no destructivas estudiadas.

 

Técnica 1: Georradar

Principio físico: Propagación de radiación electromagnética en el elemento analizado y medida de la reflexión parcial en aquellas zonas con cambios en las propiedades dieléctricas. La radiación corresponde a las bandas de frecuencia situadas entre los 10 MHz y los 3 GHz (bandas de radiofrecuencias y de microondas).

Aplicación: Medida de la densidad; medida de la humedad; detección de huecos y cavidades ocultos.

 

Técnica 2: Microondas

Principio físico: Transmisión o reflexión de ondas electromágneticas de microondas (300 MHz-30 GHz) en el elemento analizado, y determinación de parámetros como las constantes dieléctricas en las tres direcciones, la pérdida dieléctrica, la amplitud, la fase, y la polarización de la onda en el medio.

Aplicación: Medida de la densidad; medida de la humedad; detección de huecos y cavidades ocultos.

 

Técnica 3: Resistografía

Principio físico: Resistencia que opone la madera a la penetración mediante un taladro de pequeño diámetro.

Aplicación: Medida indirecta de la densidad; detección y ubicación precisa de nudos; detección y ubicación precisa de defectos y singularidades (huecos, fendas, bolsas de resina, etc.), además de degradaciones por xilófagos.

 

Imagen 2. Evaluación mediante resistografía de una viga de carga en un edificio histórico de la ciudad de Valencia.
Imagen 2. Evaluación mediante resistografía de una viga de carga en un edificio histórico de la ciudad de Valencia.

 

Imagen 3. Resistografía de la viga de carga. A partir de los 16 cm desde la cara inferior hay una pérdida importante de sección.
Imagen 3. Resistografía de la viga de carga. A partir de los 16 cm desde la cara inferior hay una pérdida importante de sección.

 

Técnica 4: Radiación de rayos X

Principio físico: Absorción de rayos X en cada zona del elemento analizado.

Aplicación: Medida de la densidad media y obtención del perfil de densidad de la pieza analizada; detección y ubicación precisa de huecos y cavidades ocultas; detección y ubicación precisa de nudos.

 

Técnica 5: Ultrasonidos

Principio físico: Propagación de una onda ultrasónica en el elemento analizado y medida del tiempo de vuelo de la onda.

Aplicación: Determinación del módulo de elasticidad y de la resistencia a flexión; detección indirecta de defectos (huecos, fendas, etc.); detección indirecta de nudos.

 

Técnica 6: Vibraciones inducidas/ondas de presión

Principio físico: Propagación de una onda de presión o impacto en el elemento analizado y medida del tiempo de vuelo de la onda.  Dependiendo del equipo utilizado, la muestra debe tener los dos extremos libres o a menos uno.

Aplicación: Determinación del módulo de elasticidad y de la resistencia a flexión; detección indirecta de defectos (huecos, fendas, etc.); detección indirecta de nudos.

 

Técnica 7: Penetrometría

Principio físico: Introducción a presión de una varilla metálica en la madera con una energía prefijada.

Aplicación: Medida de la densidad; detección indirecta de defectos (huecos, ataques de xilófagos, etc.).

 

Técnica 8: Extracción de tornillos

Principio físico: Arranque de tornillos previamente clavados en la madera.

Aplicación: Medida de la densidad; detección indirecta de defectos (huecos, ataques de xilófagos, etc.).

 

Técnica 9: Termografía

Principio físico: Conductividad térmica de la madera.

Aplicación: Detección de humedades; detección de defectos y degradaciones próximos a la superficie.

 

Imagen 4. Primera hoja de la ficha de la técnica de microondas.
Imagen 4. Primera hoja de la ficha de la técnica de microondas.

 

Imagen 5. Primera hoja de la ficha de la técnica de rayos X.
Imagen 5. Primera hoja de la ficha de la técnica de rayos X.

 

 

  1. Desarrollo de una metodología de evaluación no destructiva de la madera estructural

Se está terminando de desarrollar una metodología específica, basada en una combinación de criterios visuales y ensayos no destructivos, para clasificar mecánicamente la madera estructural de acuerdo con el CTE.

Esta metodología permitirá determinar las propiedades mecánicas de la madera, tanto antigua como nueva, y clasificarla madera según el sistema de clases resistentes del CTE (en el caso de coníferas, C14, C16, C18, C20, C22, C24, C27, C30, C35, C40, C45 y C50; en el caso de frondosas, D18, D24, D30, D35, D40, D50, D60 y D70).

En Europa, toda la madera para construcción debe estar caracterizada según ese sistema de clases resistentes y llevar el marcado CE.

Los criterios visuales que se emplean para la metodología tienen en cuenta, entre otros parámetros, la proporción de duramen de la madera, así como la cantidad de nudos y su superficie. Los ensayos no destructivos inicialmente incluidos en la metodología corresponden a resistografías, vibraciones inducidas/ondas de presión y emisión/recepción de ultrasonidos.

 

Imagen 6. Realización de un ensayo de resistografía, técnica que forma parte de la metodología de evaluación no destructiva que se está acabando de desarrollar.
Imagen 6. Realización de un ensayo de resistografía, técnica que forma parte de la metodología de evaluación no destructiva que se está acabando de desarrollar.

 

Imagen 7. Realización de un ensayo de ultrasonidos, técnica que forma parte de la metodología de evaluación no destructiva que se está acabando de desarrollar.
Imagen 7. Realización de un ensayo de ultrasonidos, técnica que forma parte de la metodología de evaluación no destructiva que se está acabando de desarrollar.

 

Imagen 8. Rotura de una viga mediante ensayo de flexión según la norma UNE EN 408 para poder comparar los resultados con los obtenidos mediante la metodología en desarrollo de evaluación no destructiva.
Imagen 8. Rotura de una viga mediante ensayo de flexión según la norma UNE EN 408 para poder comparar los resultados con los obtenidos mediante la metodología en desarrollo de evaluación no destructiva.

 

 

Si desea más información contacte con AIDIMME.