mecánica de la madera

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Breve descripción de la aplicación de la mecánica de materiales en la madera.

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APLICACI0N BE LA NECANICA BE NATERIALES A LA NABERA Ios Ale Nichael Beiieia Bi. Ing. Luis A. uouoy 0NIvERSIBAB NACI0NAL BE C0R0B0BA FAC0LTAB BE CIENCIAS EXACTAS Y NAT0RALES NAESTRIA EN CIENCIAS BE LA INuENIERIA NENCI0N EN ESTR0CT0RAS Y uE0TECNIA NECANICA AvANZABA BE NATERIALES C0RB0BA, ARuENTINA 2u1u MECNICADELAMADERA1.INTRODUCCIONLa madera es un material ortotrpico encontrado como principal contenido del tronco de unrbol.Losrbolessecaracterizanportenertroncosquecrecencadaaoyqueestncompuestosporfibrasdecelulosaunidasconlignina.Lasplantasquenoproducenmaderasonconocidascomoherbceas.Como la madera la producen y se utiliza con fines estructurales es un material muy resistente ygracias a esta caracterstica y a su abundancia natural es utilizada ampliamente por el hombre,desde tiempos muy remotos. Una vez cortada y secada, la madera se utiliza para muchas ydiferentesaplicaciones1. 2.NATURALEZADELAMADERAYa que la madera proviene de los arboles, su naturaleza sigue los mismos patrones que la de unrbol;acontinuacinrepasaremosbrevementealgunasdeestascaractersticas. 2.1.AnillosdeCrecimientoLaactividaddelcrecimientosesiguesiempreycuandolascondicionesambientalessonadecuadasy el rbol es saludable. En climas templados, el ciclo anual caracterstico incluye una estacin decrecimientoyunatemporadainactiva.Enlamayoradelosrboles,lanaturalezadelaformacinde la clula de la madera es igualmente cclica, resultando en capas de crecimiento visible. Estosincrementos se denominan tambin anillos de crecimiento, o anillos anuales, cuando se lerelacion con el crecimiento anual. Estos anillos pueden variar de ancho como una caractersticade las especies y como resultado de condiciones de crecimiento (ver Figura 1). El carcterdistintivodelosanillosdecrecimientoenunaespecieenparticularsedeterminaporsuestructuracelular,generalmenteporlavariacindelgrosordeldimetrooparedcelulardelaclulaoporladistribucindediferentestiposdeclulas2.Figura1.AnillosdeCrecimiento(www.wikipedia.org)Enmuchoscasoscadaanillodecrecimientoesdistinto,mostrandounacapaligeraysuaveseguidaporunacapamsoscuraymsdensa.Elcontrastevisualentreestosanillosprediceunadiferenciaenladurezadelamadera(verFigura2).1www.wikipedia.org2Hoadley(2000);UnderstandingWoodFigura2.DiferenciaentreanillosdeCrecimiento(UnderstandingWood).2.2.FibrasoGranosNingunadiscusinotratadosobremaderapuedeirmuylejossinencontrarseconlapalabragranoo fibra. El trmino grano por s solo a menudo describe la direccin de las celdas o clulaslongitudinalesdominantesdeunrbol.Sustituyendoeltrminodireccindegranoagregaclaridadal tema, porque solo la palabra grano no tiene sentido dentro de un contexto. Por ejemplo, elsignificado es poco claro en la expresin, el grano de esta pieza de madera es insatisfactorio".Aqu es conveniente introducir la palabra grano usada para indicar los grados de contraste entrelos anillos. Si existe una diferencia pronunciada, la madera se dice que tiene grano o fibrairregular. Si un pequeo contraste es evidente, la madera se dice grano o fibra uniforme. En loscasos intermedios puede indicarse mediante modificadores compuestos tales como bastanteuniformeomoderadamenteirregular(verFigura3).Figura3.Fibrauniformealaizquierdayfibrairregularaladerecha(UnderstandingWood).2.3.AlburayDuramenEnpequeasramasyarbustos,elintegrodelamaderadeltalloestinvolucradaenlaconduccinde la savia hacia las partes superiores del rbol y as se le denomina albura. A medida que sedesarrolla el rbol, toda la seccin del tronco ya no es necesaria para satisfacer los requisitos deconduccin de savia. En el centro del tallo, ms cercana de la mdula, esta albura entonces setransformaenduramen. Figura4.Detallelaalburayelduramen(www.elmundoforestal.com).La transicin a duramen tambin est acompaada por la formacin en la pared celular de unmaterialllamadorecursoextractivo.Paraelcarpintero,elaspectomssignificativodelosrecursosextractivosdeldurameneselcolor,paralaalburadetodoslosrangosdeespeciesestevaradesdeelblanquecinoocremahastaunamarillentoobronceadoclaro(verFigura5).Figura5.Variacindepigmentacinenelduramen(UnderstandingWood).Elcoloroscurodelduramen,esdistintivodelagranmayorademaderas.Sinembargo,notodoslos recursos extractivos son color oscuro. Algunos rboles, no tienen el recurso extractivopigmentado, estos recursos extractivos incoloros o casi incoloros, sin embargo, pueden ofrecerresistencia a la desintegracin. La albura no es generalmente resistente a hongos, por lo quecualquier resistencia a la desintegracin se debe al duramen. A medida que la circunferencia delrbolaumentaconlaadicindeunanuevaalbura,eldimetrodelazonadeduramentambinseampla proporcionalmente (ver Figura 6). El ancho de la albura es caracterstica para algunasespecies o al menos relativamente, en tallos de rboles maduros de 3 a 4 pies de dimetro, laalburaescomnmentede1.5a2pulgadasdeancho,enrbolesmadurosdepinoblancooriental,peropuedeserhastade6pulgadasdeanchoenaspen,abedulymaple.Figura 6. Variacin de ancho de albura segn especie; el duramen (zona oscura) es pequeo en la cenizablanca (A) y amplio en la catalpa (B). El crecimiento del duramen y de la albura puede tambin variartremendamente dentro de una especie, segn condiciones de crecimiento. Ambas secciones (C) fueroncortadasdecedro.Eldelaizquierdacrecialasombrederbolesmsgrandesasualrededorreduciendosucorona. El de la derecha creci normalmente en una pradera abierta con una corona densa con mayornecesidaddeconduccindesavia(UnderstandingWood).2.4.DisposicinEstructuraldelosAnillosdeCrecimientoyRayasDebidoaladisposicindelascapasdecrecimientoenelrbol,ascomodelaorientacinverticalu horizontal de las celdas o clulas individuales, es adecuado considerar la estructura de maderaen trminos tridimensionales (ver Figura 7). Un plano es perpendicular al eje del tallo y se ledenominaplanotransversal,tpicamenteobservadoalfinaldeunperfil.Debidoaqueelrboldelaseccinesanlogoauncrculo,unplanoquepasaatravsdelamduladelamadera(comoelradiodeuncrculo)selellamaplanoradial.Unplanoparaleloalamdula,peronoquepasaporl, forma una tangente a la estructura circular de anillos de crecimiento y se le denomina planotangente.Lacurvaturadelosanillosdecrecimientonoesgeomtricamenteregular,ylasuperficieen cuestin es mayormente tangencial de manera ideal donde el plano es perpendicular a unplanoradial.Enlaprctica,cualquiersuperficiedeunperfiltalladoocepilladoesgeneralmenteaceptada como una superficie tangencial. En un pequeo cubo de madera, la curvatura de losanillos es insignificante, por lo que el cubo puede ser orientado para contener con bastanteprecisincarastransversales,radialesytangenciales(verFigura7).Figura7.Planosenuncubodemadera(UnderstandingWood).Laslminasoseccionesdelgadasdemadera,comocomnmenteseextraendelassuperficiesparaestudio,selesdenominanseccionestransversales,radialesytangenciales,dependiendodedondeprovienen.EstosplanososeccionessonamenudodesignadossimplementeporlasletrasX,RyT,respectivamente.2.5.DensidadyGravedadEspecifica2.5.1. Densidad(pesoporunidaddevolumen)Eselnicoindicadormsimportantedelaresistenciaenlamaderayporlotanto,puedepredecircaractersticas como la dureza, facilidad al corte y la resistencia al clavado. Las maderas densasgeneralmente se retraen e hinchan ms y habitualmente presentan mayores problemas en elsecado.Lasmaderasmsdensastambinsonmejorescombustibles.2.5.2. GravedadEspecficaEslarelacindeladensidaddeunasustanciaconrespectoaladensidaddeunasustanciapatrn(el agua, en el caso de la madera y otros slidos). La gravedad especfica a menudo se llama elndice de densidad. En la medicin de la densidad y de la gravedad especfica, se acostumbra ausarelpesoseco(alhorno)yvolumenactual.Debidoalacontraccinylahinchaznvolumtrica,el volumen de madera puede variar ligeramente con el contenido de humedad. La densidad seexpresaenpesoporunidaddevolumen,habitualmentecomolibrasporpiecbicoogramosporcentmetro cbico. El agua tiene una densidad de 62,4 lb/ft3 o 1 g/cm3. Una densidad de 37.44lb/ft3 o 0,6 g/cm3 de madera es, pues, seis dcimas el peso del agua y tiene una gravedadespecficade0,6.LaFigura8muestraalgunosvaloresdegravedadespecficaenmaderas.Figura8.Valoresdegravedadespecficadelamadera(UnderstandingWood).UnmensajevitalquesetransmiteenlaFigura8escmolostrminosfamiliaresdemaderadurayblandasonengaososrealmente.Dehecho,existendiferenciasentrelasmaderasdurasyblandas,pero, como se explicar en la siguiente seccin, los trminos de madera dura y blandasimplementedistinguenlosdosgruposampliosderbolesdentrodelreinovegetal.Lostrminossoninexactoscomoindicadoresdesuavidadodurezadelamadera.2.6.ClasificacinSistemticaElreinovegetalestcompuestodevariasdivisionesprincipales.Lasmaderassepuedendividirendosgrandesgrupos(separadosdeacuerdoacmonacenlassemillas).Lasgimnospermas(semillasdesnudas) que incluyen todos los rboles que producen madera blanda, y las angiospermas(semillascubiertas)queincluyentodoslosrbolesdemaderadura3.2.7.EstructuraCelularAunque no se necesita tener una detallada familiaridad con la estructura de la celda o clula decada especie, un conocimiento del detalle anatmico aumentar la comprensin de las ampliasdiferencias entre las maderas blandas y duras, y adems la razn de las diferencias entre cadaespecie(verFigura9).Dentrodeunaespecie,laestructuraanatmicatambinrevelaelgradodevariabilidad y ayuda a identificar ubicaciones especficas de dureza y suavidad relativas. Elentendimiento de la estructura de la clula es vital tambin para apreciar la permeabilidad de lamadera, que afecta, entre otras cosas, el secado y la absorcin al pintado, y especialmente ladesigualdaddelaspropiedadesenlasdiferentesdireccionesdelamadera.Figura9.Estructurascelularesdedistintasespeciesdemadera(UnderstandingWood).3Hoadley(2000);UnderstandingWood2.8.MaderasDurasSon aquellas que proceden de rboles de un crecimiento lento, por lo que son ms densas ysoportan mejor las inclemencias del tiempo, si se encuentran a la intemperie, que las blandas.Estas maderas proceden de rboles de hoja caduca, que tardan dcadas, e incluso siglos, enalcanzarelgradodemadurezsufic