Clasificación estructural de la madera de

Abstract

The aim of this research work is the determination of the mechanical properties of timber of Pinus radiata D. Don from Catalonia, by means of non destructive methods, with the secondary aim to complete the national data base of this species. Moreover, the prediction capacity of non destructive techniques for the estimation of mechanical properties of timber is analyzed in order to its application to the assessment of existing structures and, also, in the structural grading of new timber. The studied sample was constituted by 150 sawn timber pieces of 80x120x2400 mm dimensions of radiata pine (Pinus radiata D. Don) from Catalonia. Firstly, the pieces were visually graded according to the spanish standard UNE 56544:2011, recording all analyzed parameters that were used for the assignment of visual grades. Then, some non destructive tests were carried out; probing, screw withdrawal, ultrasound waves, stress waves, longitudinal and bending dynamic analysis of vibrations, and drill core specimens, with the same objective, for the determination of physical and mechanical properties in order to stress grading of timber pieces. Finally, mechanical tests (destructive tests) were carried out (UNE-EN 408:2011) obtaining the actual mechanical and physical values for each piece: local and global modulus of elasticity in bending, bending strength and density. These values were used to assignment of mechanical properties for the visual grade of the timber and the determination of the aptitude for the prediction of mechanical properties by means of non destructive testing. The visual grading according to the UNE 56544 standard (MEG grade), for a strength class equal or less to C18, gives a reject percentage of 47 % and a 73 % for a strength class superior to C18, being the twist, in both cases, the main reason for these high reject percentage. The studied sample belongs to large cross-section timber pieces but the width of the cross-section was selected close to the border value of the standard, 70 mm. In order to contrast the results of both grading criteria (small and large cross-section) the pieces were also graded as they were small cross-section timber pieces, obtaining outputs of 3 % for ME-1, 42 % for ME-2 and a reject percentage of 55 %. The reject percentage was higher than the percentage obtained for a strength class equal or less than C18 and less than the reject percentage for a strength class superior to C18. The presence of ME-1 grade is only a 3 % which means that it is not worthy to differentiate between two grades (ME-1 and ME-2). The use of non destructive techniques together with the drill cores technique presented good results for prediction. This aptitude together with its portability and easy use allow to consider as very adequate techniques for the estimation of strength properties of sawn timber in existing structures and in new timber. Some of the best results for prediction were the following: Determination coefficients R2 = 0,88 for the density by means of the core drilling specimens. Determination coefficients R2 = 0,86 for the modulus of elasticity by means of bending dynamic vibration analysis and 0,82 obtained by means of ultrasounds. Determination coefficients R2 = 0,54 for the modulus of rupture by means of bending dynamic vibration analysis, as in previous case and 0,46 obtained by means of ultrasounds. These results show a promising future for the non destructive tools in the estimation of mechanical properties of structural sawn timber both in existing structures and in new timber structures, mainly combined with visual grading.

El objeto de este trabajo de investigación es la determinación de las propiedades mecánicas de la madera de Pinus radiata D. Don procedente de Cataluña, mediante métodos no destructivos, con la finalidad añadida de completar la base de datos de esta especie a nivel nacional. Así mismo, en él se analiza la bondad de las técnicas no destructivas para la estimación de las propiedades mecánicas de la madera con la finalidad de su aplicación en la evaluación de estructuras existentes, así como en la clasificación de la madera nueva. La muestra objeto del estudio estaba compuesta por 150 piezas de madera aserrada de dimensiones 80x120x2400 mm de pino radiata (Pinus radiata D. Don) procedente de Cataluña. En primer lugar se realizó la clasificación visual de las piezas, de acuerdo a lo dispuesto por la norma UNE 56544:2011, registrándose todos los parámetros analizados que se utilizaron posteriormente para asignar las calidades visuales. A continuación se realizaron diversos ensayos no destructivos; penetrómetro, arranque de tornillo, ultrasonidos, onda de impacto, análisis de vibraciones longitudinales y transversales, así como la extracción de probetas testigo, con la finalidad de obtener valores de propiedades físicas y mecánicas que permitieran la clasificación de las piezas estudiadas. Por último se realizaron los ensayos mecánicos (destructivos) que permitieron obtener los valores reales de cada pieza: módulo de elasticidad local y global, resistencia a flexión y densidad (UNE-EN 408:2011). Estos valores son los que permitieron la asignación de las propiedades mecánicas para la calidad visual de la madera y la determinación de la bondad de la predicción de las propiedades mediante ensayos no destructivos. La clasificación visual de acuerdo con la norma UNE 56544 (calidad MEG), para una clase resistente igual o inferior a C18, dio lugar a un rechazo del 47 % y de un 73 % para una clase resistente superior a C18, siendo el alabeo, en ambos casos, la causa principal de estos elevados valores de rechazo. La muestra es de gran escuadría elegida con una anchura de la sección muy próxima a la frontera marcada por la norma, 70 mm. Con el fin de contrastar los resultados de ambos criterios de clasificación (pequeña y gran escuadría) se clasificó la muestra, también, como si se tratase de madera de pequeña escuadría, obteniéndose unos rendimientos de un 3 % como ME-1, 42 % como ME-2 y un rechazo del 55 %. Se observa que el porcentaje de rechazo es mayor que para una clase resistente igual o inferior a C18 y menor que para una clase resistente superior a C18. La presencia de la calidad ME-1 es tan solo del 3 % lo que implica que no compensa diferenciar dos calidades (ME-1 y ME-2). La aplicación de técnicas no destructivas junto a la extracción de probetas testigo permitieron confirmar un alto grado de precisión, lo que unido a su portabilidad y su facilidad de uso las convierte en muy apropiadas para la estimación de las propiedades resistentes de la madera aserrada estructural tanto en estructuras existentes como en madera nueva. Algunos de los mejores resultados de los valores de estimación conseguidos son los siguientes: Coeficientes de determinación R2 de 0,88, para la densidad obtenidos mediante la extracción de probetas testigo. Coeficientes de determinación R2 de 0,86, para el módulo de elasticidad obtenido mediante análisis de vibración transversal, y de 0,82 mediante ultrasonidos. Coeficientes de determinación R2 de 0,54 para la resistencia, obtenido mediante análisis de vibración transversal y de 0,46 mediante ultrasonidos. Como se puede apreciar, estos valores permiten prever un futuro prometedor como herramientas no destructivas para la estimación de las propiedades resistentes de la madera aserrada estructural tanto en estructuras existentes como en madera nueva, especialmente combinándolas con la clasificación visual.