I. INTRODUCCIÓN

La madera es un material combustible. Se requiere información experimental sobre su resistencia al fuego, para cálculos de Ingeniería y para el diseño de productos de madera y sus derivados. A pesar de la combustibilidad de la madera, pueden plantearse soluciones constructivas con este material que permitan alcanzar condiciones suficientes de seguridad en caso de incendio. Respecto al proceso de combustión de la madera y su comportamiento al fuego en edificaciones, se puede encontrar información en Canadian Wood Council (1996), Babu (2008), Confemadera (2010), Ansell (2012) y Aseeva et al. (2014). Los investigadores han desarrollado ensayos específicos y modelos numéricos para estudiar el comportamiento al fuego de la madera y recomiendan estudiar caso por caso. Entre otros, los principales parámetros estudiados son el tiempo de ignición, la pérdida de masa y la velocidad de carbonizado. Es estos reportes, no se informa sobre mediciones directas de la disminución de los módulos dinámicos de probetas de madera.

El ultrasonido es un método de carácter no destructivo, práctico y económico, empleado para caracterizar el comportamiento mecánico de la madera (Pellerin y Ross, 2002). El módulo dinámico, derivado de las pruebas de ultrasonido, puede ser utilizado como índice comparativo de la calidad en una especie particular; y como parámetro de ingeniería necesario para el análisis estructural probabilístico y sísmico de estructuras de madera (Joint Committee on Structural Safety, 2006)(Dietsch & Köhler, 2010).

En el diseño de estructuras de madera que resistan al fuego, el objetivo principal es evaluar la integridad estructural en la exposición al mismo y después del incendio. El módulo dinámico de la madera después de ser sometida al fuego, es un parámetro que permite cuantificar la capacidad portante remanente de los elementos de madera en caso de incendio. Sin embargo, se torna complejo aprovechar los resultados experimentales producidos en condiciones de laboratorio, los cuales permitan formular criterios de seguridad en caso de incendio, y que sean apropiados a la construcción con madera. No obstante, existe evidencia empírica en donde los valores obtenidos por medio de los ensayos de resistencia al fuego en condiciones de laboratorio, concuerdan con los resultados de los incendios a gran escala (Babrauskas, 2005)(Chung, 2010)(Xu et al., 2015).

Las especies Tabebuia rosea (Bertol.) DC., Andira inermis (W. Wright) DC., Juglans pyriformis Liebm., Quercus spp. y Cordia elaeagnoides (Ruiz & Pav.) Oken, son endémicas de México y Centroamérica (Cordero y Boshier, 2003). Sus características físicas y mecánicas están reportadas por Tamarit Urias y López Torres (2007),Silva Guzmán et al. (2010) y Sotomayor Castellanos (2015). El comportamiento al fuego de estas especies ha sido estudiado por Sotomayor Castellanos y Carrillo Gómez (2017). Los autores reportan que el tiempo de ignición y la pérdida de masa son parámetros parciales del comportamiento de la madera al fuego; y que el comportamiento de la madera depende, entre otros factores, dl contenido de humedad, las condiciones de exposición y la variabilidad inherente de la madera. No se encontraron antecedentes de otras investigaciones referentes a la respuesta de estas especies en su exposición al fuego, las cuales hayan sido evaluadas con ultrasonido.

El objetivo de la investigación fue determinar y comparar la densidad aparente, la velocidad de onda y el módulo dinámico de cinco maderas mexicanas, antes y después de ser sometidas al fuego.

II. DESARROLLO

1. Metodología

Se recolectaron piezas de madera aserrada de las especies: T. rosea, A. inermis, J. pyriformis, Quercus spp y C. elaeagnoides, en aserraderos del Estado de Michoacán (19° 10′ 07″ latitud Norte - 101° 53′ 59″ longitud Oeste), México. A partir de las piezas aserradas, se prepararon dos grupos de probetas: un primer grupo de 35 probetas de cada especie para determinar el contenido de humedad; e igualmente un segundo grupo de 35 probetas por especie para determinar la densidad, y así realizar las pruebas de comportamiento al fuego y de ultrasonido. Todas las probetas se elaboraron solamente con madera de albura, se revisó que estuviesen libres de anomalías de crecimiento y de madera de duramen.

Para cada probeta del primer grupo, el contenido de humedad de la madera se calculó por el método de diferencia de pesos, según establece la norma ISO 13061-1: 2014 (International Organization for Standardization, 2014a). Las dimensiones de las probetas fueron de 0,02 m x 0,02 m de sección transversal, por 0,06 m de longitud; orientadas respectivamente en las direcciones radial, tangencial y longitudinal con respecto al plano leñoso.

Para el segundo grupo, se recortaron 35 probetas de cada especie siguiendo las recomendaciones de la norma ISO 3129:2012 (International Organization for Standardization, 2012). Las probetas fueron almacenadas durante 24 meses en una cámara de acondicionamiento con una temperatura de 20 °C y una humedad relativa del aire de 65 %, hasta lograr un peso constante. Las dimensiones de estas probetas fueron de 0,02 m x 0,02 m de sección transversal, por 0,40 m de longitud; orientadas respectivamente en las direcciones radial, tangencial y longitudinal. La densidad aparente de la madera al momento del ensayo se determinó de acuerdo con la norma ISO 13061-2:2014 (International Organization for Standardization, 2014b).

Pruebas de resistencia al fuego

Las pruebas de resistencia al fuego siguieron el protocolo reportado por Sotomayor Castellanos y Carrillo Gómez (2017). Se preparó un dispositivo de ensayo que consistió en un mechero de gas y dos soportes para las probetas (Figura 1). Se posicionó la probeta entre los soportes, de tal forma que la llama del mechero impactara en la dirección transversal de la misma.

Figura 1.
Dispositivo para las pruebas de comportamiento al fuego (Sotomayor Castellanos & Carrillo Gómez, 2017)

La metodología implementada para las pruebas de resistencia al fuego consistió en las siguientes etapas:

1. 1. 1. Se midieron el peso y las dimensiones de la probeta antes del tratamiento.

   2. La probeta se posicionó en el dispositivo para las pruebas de comportamiento al fuego (Figura 1). La orientación fue la dirección radial coincidiendo con el flujo vertical de la flama.

   3. La probeta se expuso durante 2 minutos al fuego directo de la flama de un mechero de laboratorio tipo Meker-Fisher, con regulación de aire y de gas, quemador de 0,03 m de diámetro y temperatura máxima de 1300 °C.

   4. Con un cronómetro se midió el tiempo necesario para que apareciera la ignición en por lo menos las tres caras de la probeta expuestas a la flama.

   5. La probeta se retiró de la flama y se paró su combustión en una cama de arena.

   6. La masa de la zona de madera carbonizada se retiró y se midió el peso de la probeta después del tratamiento.

   Cálculo de densidad aparente y del contenido de humedad

   La densidad aparente de la madera al momento del ensayo se calculó con la ecuación (1) (International Organization for Standardization, 2014): (Error 1: La referencia (International Organization for Standardization, 2014) debe estar ligada) (Error 2: El tipo de referencia (International Organization for Standardization, 2014) es un elemento obligatorio) (Error 3: No existe una URL relacionada)

Dónde: ρCH = Densidad aparente (kg m-3), P = Peso de la probeta (kg), V = Volumen de la probeta (m3)

El contenido de humedad de la madera se calculó con la ecuación (2) (International Organization for Standardization, 2014):

Siendo CH = Contenido de humedad (%), Ph = Peso de la probeta en estado húmedo (kg), Ps = Peso de la probeta en estado seco (kg)

Pruebas de ultrasonido

Las pruebas de ultrasonido adecuaron el protocolo reportado por Sotomayor Castellanos y Villaseñor Aguilar (2016). Las pruebas consistieron en suministrar un impulso ultrasónico en transmisión directa con la dirección longitudinal de la probeta. La velocidad del ultrasonido se calculó con el cociente entre la longitud de las probetas y el tiempo de transmisión medido con el aparato SylvatestÒ, posicionado en un dispositivo para pruebas no destructivas (Figura 2). En lo sucesivo, a los parámetros determinados se les asoció el subíndice “us”, para identificarlos como derivados de pruebas de ultrasonido.

Figura 2.
Dispositivo experimental para las pruebas de ultrasonido.

A partir de la ecuación de onda (3) (Meyers, 1994):

u = Vector desplazamiento, x = Coordenada espacial, t = Coordenada temporal, v = Velocidad de onda

Se calculó el módulo dinámico con la ecuación (4) (Pellerin & Ross, 2002):

Eus= Módulo dinámico (N m-2), vus= Velocidad de onda del ultrasonido (m s-1),

ρCH = Densidad aparente a un contenido de humedad CH (kg m-3)

Diseño experimental

Para cada una de las cinco especies estudiadas, las variables de respuesta fueron la densidad aparente (ρCH) y la velocidad de onda (vus). El módulo dinámico (Eus) se definió variable derivada (Ecuación 4). En el tratamiento de exposición al fuego se consideró el factor de variación, y se contrastaron dos grupos de muestras: 1) la madera antes del tratamiento (AT) y 2) la madera después del tratamiento (DT). Se calcularon los estadísticos descriptivos: media ( ), desviación estándar (σ) y coeficiente de variación porcentual (CV).

Se calcularon el sesgo (S) y curtosis (C). Una vez verificada la distribución normal de las muestras, se realizaron pruebas t de Student de diferencia de medias ( ) para un nivel de confiabilidad del 95%. Cuando no se confirmó la normalidad en la distribución de las muestras, se realizaron pruebas no paramétricas de Kruskal-Wallis de diferencia de medianas ( ) para un nivel de confiabilidad del 95%. La hipótesis nula se contrastó con la hipótesis alterna . Para las pruebas no paramétricas las hipótesis fueron similares, pero empleando las medianas.

Adicionalmente se calcularon, para antes y después del tratamiento, las regresiones lineales

(y = ax ± b) entre las variables ρCH y vus, así como sus coeficientes de determinación (R2). Para estas correlaciones se utilizaron los 175 datos obtenidos de las cinco especies. Para el Eus se calculó la regresión lineal y su coeficiente de determinación empleando los valores promedio de cada una de las especies. Para cada una de las cinco especies se realizaron 35 réplicas (probetas) antes del tratamiento y 35 después del tratamiento, empleando y comparando una a una la misma probeta. El análisis estadístico se realizó con el programa estadístico Statgraphics.

2. Resultados y discusión

La Tabla 1 detalla los resultados de la densidad aparente, de la velocidad de onda y del módulo dinámico para las cinco especies estudiadas. La Tabla 2 muestra los resultados de las pruebas de normalidad, así como las de comparación de medias y de medianas para la densidad aparente y la velocidad de onda. La Figura 3 presenta cinco probetas después del tratamiento de exposición al fuego. En dicha figura, los números de las probetas corresponden a la numeración de las probetas de la Tabla 1.

La magnitud promedio del contenido de humedad de la madera antes del tratamiento fue de 12,2% y después del tratamiento disminuyó a 11,91%, lo que representa una variación de 2,5%. Por lo tanto, se consideró que el contenido de humedad en la madera no influyó en los resultados.

Después de la exposición al fuego, las probetas mostraron una zona de madera carbonizada cercana a la zona de propagación de la flama. Su aspecto fue similar en las cinco especies (Figura 3). Sin embargo, en el centro de las probetas, se observó una menor sección residual a medida que la densidad de la madera fue mayor. No se observaron hendiduras o desprendimientos de materia en ninguna de las probetas.

Densidad aparente

Con excepción de la especie Quercus spp., los valores de sesgo y curtosis de la densidad aparente confirmaron la distribución normal de las muestras (Tabla 2). De ello deriva que para Quercus spp., el valor P < 0,5 de la prueba de Kruskal-Wallis de diferencia de medianas, sugiere que no existió una diferencia estadísticamente significativa en la densidad antes y después del tratamiento. Sin embargo, para las especies T. rosea, A. inermis, J. pyriformis y C. elaeagnoides, el valor P > 0,5 de la prueba t de Student de diferencia de medias, indicó una desigualdad estadísticamente significativa de ρCH ocasionada por la exposición de la madera al fuego.

Después de la exposición al fuego, la densidad aparente disminuyó de manera inversamente proporcional a la densidad de la especie en el siguiente orden: T. rosea (5,2%), A. inermis (3,4%), J. pyriformis (3,5%), Quercus spp. (2,7%) y C. elaeagnoides (2,0%). Esta tendencia se ilustra en la Figura 4a, donde el coeficiente de determinación de la correlación ρCH DT en función de ρCH AT es muy alto (R2 = 0,99). Los puntos en las Figuras 4a y 4b representan 175 valores correspondientes a todas las probetas estudiadas. Debido a la escala empleada, no se visualizan los 175 datos analizados. Después del tratamiento el coeficiente de variación de la densidad aparente aumentó para todas las especies: T. rosea (6,3%), A. inermis (10,0%), J. pyriformis (5,2%), Quercus spp. (3,2%) y C. elaeagnoides (3,1%). Es decir, cada probeta y cada especie perdieron masa en cantidades diferentes. Los valores promedio de las densidades aparentes antes del tratamiento, se situaron al interior del intervalo reportado por Tamarit Urias y López Torres (2007), Silva Guzmán et al. (2010) y Sotomayor Castellanos (2015) para estas maderas (613 kg m-3 < ρCH < 996 kg m-3). Sin embargo, los valores particulares entre cada especie difieren entre sí.

Velocidad de onda

Para la velocidad de onda de las cinco especies, los valores de sesgo y curtosis confirmaron su distribución normal en las muestras (Tabla 2). Para T. rosea, J. pyriformis, Quercus spp. y C. elaeagnoides no se observó variación antes y después de la exposición al fuego. La especie A. inermis es la excepción, su valor P > 0,5 de las pruebas de diferencia de medias confirmó una diferencia significativa de vus entre la madera, antes y después del tratamiento.

Con excepción de T. rosea, especie para la cual la velocidad de onda disminuyó 6,7%, la vus aumentó para A. inermis (0,4%), J. pyriformis (9,4%), Quercus spp. (15,2%) y C. elaeagnoides (4,5%). Esta discontinuidad en los resultados se indica en la Figura 4b, donde el coeficiente de determinación de la correlación vus DT en función de vus AT es muy bajo. Por su parte, y después del tratamiento, el coeficiente de variación de la velocidad de onda aumentó para T. rosea (77,2%) y A. inermis (31,4%); pero disminuyó para J. pyriformis (26,4%), Quercus spp. (7,0%) y C. elaeagnoides (18,4%).

Las magnitudes de las velocidades de onda antes del tratamiento son similares a las determinadas con ultrasonido en la dirección longitudinal reportadas por Gonçalves et al. (2014): Apuleia leiocarpa (ρCH = 650 kg m-3, vus = 4875 m s-1), Goupia glabra (ρCH = 720 kg m-3, vus = 4999 m s-1) y Eucalyptus saligna (ρCH = 395 kg m-3, vus = 5002 m s-1).

Módulo dinámico

Los valores promedio de Eus disminuyeron después de la exposición de la madera al fuego (Tabla 1) en el siguiente orden: T. rosea (17,6%), A. inermis (2,5%), y C. elaeagnoides (10,7%). Por el contrario, las especies J. pyriformis y Quercus spp., aumentaron sus módulos dinámicos en 15,4% y 29,1% respectivamente.

La magnitud del módulo dinámico antes del tratamiento de las cinco especies fue similar a los módulos obtenidos por ultrasonido, reportados por Bachtiar et al. (2017) para Juglans regia (Eus = 11190 MN m-2, ρCH = 647 kg m-3) y Prunus avium (Eus = 8238 MN m-2, ρCH = 560 kg m-3). Son notorios los resultados para J. pyriformis y Quercus spp. Efectivamente, la expectativa del efecto en la exposición al fuego de una pieza de madera es la reducción en su resistencia mecánica, en este estudio de caso representada por su módulo dinámico.

Un análisis más detallado de las 175 probetas estudiadas, en cuanto a la dispersión de la velocidad de onda antes del tratamiento (vus AT), y en función de la velocidad de onda después del tratamiento (vus DT), resulta en una regresión con un coeficiente de determinación muy bajo (Figura 4b). La correlación del módulo dinámico calculado con la ecuación 4, representa la combinación de las correspondencias entre la densidad aparente y la velocidad de onda. Ello establece un coeficiente de determinación bajo (Figura 4c).

La correlación estadísticamente significativa, entre las densidades antes y después del tratamiento, contrasta con la dispersión importante entre las velocidades de onda correspondientes. Por lo tanto, es la velocidad de onda la variable que influye de manera preponderante en la estimación del módulo dinámico. Este resultado sugiere que la pérdida de masa, o su disminución en la densidad aparente, son previsibles cuando se trata de una pieza de madera con las dimensiones empleadas en este estudio de caso; no así la velocidad de onda determinada con ultrasonido.

Figura 3.
Probetas después del tratamiento. Los números de las probetas corresponden a la numeración de las que aparecen en la Tabla 1.

Figura 4.

III. CONCLUSIONES

La presente investigación determinó la densidad aparente, la velocidad de onda y el módulo dinámico de cinco maderas mexicanas. El uso del ultrasonido permitió comparar, en una misma probeta, estos parámetros antes y después de ser sometida al fuego.

Cuando la madera es expuesta al fuego, cada especie se comporta de manera diferente. En consecuencia, las especies de madera con mayor densidad aparente pierden menos masa. La densidad aparente de la madera después de la exposición al fuego, presenta una fuerte correlación con la densidad de la madera antes de ser expuesta al mismo. En cambio, la velocidad de onda y el módulo dinámico no se correlacionan bien.

Los resultados de la investigación son particulares para las condiciones experimentales de este estudio de caso. Para sugerir un comportamiento más general de la madera expuesta al fuego, son recomendables estudios intensivos con métodos normalizados.

Referencias

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