Investigación e IIM Ingeniería de la Madera · 2018. 8. 30. · Investigación e Ingeniería de...

Investigación e IIM Ingeniería de la Madera Volumen 14 Número 2 Agosto, 2018 Revista del Laboratorio de Mecánica de la Madera

División de Estudios de Posgrado

Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo ISSN: 2395-9320 Characterization of the fire behaviour of tropical wood species for use in the construction industry Javier Ramón Sotomayor Castellanos, María Pilar Giraldo Forero, Laia Haurie, Ana María Lacasta, Joaquín Montón, Mariana Palumbo y Antonia Navarro Módulo de elasticidad dinámico de la madera de Swietenia humilis y Alnus acuminata. Evaluación por vibraciones transversales Javier Ramón Sotomayor Castellanos y José María Villaseñor Aguilar

Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 14, Número 2, Agosto 2018

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Investigación e Ingeniería de la Madera, Volumen 14, No. 2, mayo-agosto 2018. Publicación cuatrimestral editada por la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Av. Francisco J. Mújica, s/n. Ciudad Universitaria. Código Postal 58030. Teléfono y Fax (443) 322-3500. [email protected]. Editor: Javier Ramón Sotomayor Castellanos. Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2014-103117440700-203. ISSN: 2395-9320. Ambos otorgados por el Instituto Nacional del Derecho de Autor. Responsable de la última actualización de este número, Laboratorio de Mecánica de la Madera, División de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Javier Ramón Sotomayor Castellanos. Av. Francisco J. Mújica, s/n. Ciudad Universitaria. C.P. 58030. Teléfono y Fax (443) 322-3500, fecha de la última modificación: 30 de agosto de 2018. Diseño y formación: Laboratorio de Mecánica de la Madera, División de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera. Portada: Joel Benancio Olguín Cerón y Javier Ramón Sotomayor Castellanos. Publicado digitalmente en Morelia, Michoacán, México. Agosto de 2018. Consulta electrónica: www.academia.edu, www.researchgate.net y http://laboratoriodemecanicadelamadera.weebly.com/ Derechos reservados: ©Laboratorio de Mecánica de la Madera, División de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera y ©Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Editor de la revista: Javier Ramón Sotomayor Castellanos Comité editorial: Luz Elena Alfonsina Ávila Calderón Marco Antonio Herrera Ferreyra David Raya González

mailto:[email protected]

http://www.academia.edu/


3

Contenido

Characterization of the fire behaviour of tropical wood species for use in the

construction industry

Javier Ramón Sotomayor Castellanos, María Pilar Giraldo Forero,

Laia Haurie, Ana María Lacasta, Joaquín Montón,

Mariana Palumbo y Antonia Navarro ................................................................ 4

Módulo de elasticidad dinámico de la madera de Swietenia humilis y Alnus

acuminata. Evaluación por vibraciones transversales

Javier Ramón Sotomayor Castellanos y José María Villaseñor Aguilar ....... 25


4


construction industry

Javier Ramón Sotomayor Castellanos1 María Pilar Giraldo Forero2, Laia Haurie3

Ana María Lacasta2, Joaquín Montón2 Mariana Palumbo2, Antonia Navarro2

Abstract


construction industry. It is widely acknowledged that wood is a combustible and

flammable material. However, not all woods have the same fire behaviour; this can

change significantly depending on the type and species of wood. Usually, hardwoods

have better fire behaviour in comparison with softwoods. This is often due to their

physical structure (morphology), their density and hardness and also their moisture

content. However, in some cases the main cause is their chemical composition.

Some tropical woods with relatively low density present better fire behaviour than

other with high density. This indicates that other aspects such as the content of

extracts, exudates (oils, waxes, mucilage, tannins etc.) and minerals can greatly

influence their fire performance. In this study, seven Mexican tropical wood were

characterized in order to determine their fire behaviour. For this purpose, an

extensive series of laboratory tests were conducted. The results show a different

behaviour in all the species studied, in some cases, with very significant differences.

It is observed that although there is some correlation between high density and

hardness of the species and their good fire behaviour, these factors are not always

determinant. In some species, other factors as anatomy and composition of wood

are more relevant to achieve a better fire behaviour.

1 Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. México. 2 Incafust- Catalan Institute of Wood, Forest Sciences Center of Catalonia CTFC, Spain. 3 Universitat Politècnica de Catalunya UPC, Spain.


5

Keywords: tropical wood species, fire behaviour of wood, ignitability and

flammability, fire reaction, extracts and exudates of wood.

Resumen

Se reconoce ampliamente que la madera es un material combustible e inflamable.

Sin embargo, no todas las maderas tienen el mismo comportamiento al fuego; esto

puede cambiar significativamente según el tipo y la especie de madera. Por lo

general, las maderas duras tienen un mejor comportamiento al fuego en

comparación con las maderas blandas. Esto a menudo se debe a su estructura

física (morfología), su densidad y dureza y también su contenido de humedad. Sin

embargo, en algunos casos, la causa principal es su composición química. Algunas

maderas tropicales con densidad relativamente baja presentan mejor

comportamiento al fuego que otras con alta densidad. Esto indica que otros

aspectos tales como el contenido de extractos, exudados (aceites, ceras,

mucílagos, taninos, etc.) y minerales pueden influir en gran medida en el

rendimiento de fuego. En este estudio, se caracterizaron siete maderas tropicales

mexicanas para determinar su comportamiento al fuego. Para este propósito, se

llevó a cabo una extensa serie de pruebas de laboratorio. Los resultados muestran

un comportamiento diferente en todas las especies estudiadas, en algunos casos,

con diferencias muy significativas. Se observa que, aunque existe cierta correlación

entre la alta densidad y la dureza de la especie y su buen comportamiento al fuego,

estos factores no siempre son determinantes. En algunas especies, otros factores

como la anatomía y la composición de la madera son más relevantes para lograr un

mejor comportamiento al fuego.

Palabras clave: especies de madera tropical, comportamiento al fuego de la

madera, inflamabilidad e inflamabilidad, reacción al fuego, extractos y exudados de

la madera.


6

Nota aclaratoria

El presente artículo fue divulgado previamente como: Giraldo Forero, María Pilar;

Haurie, Laia; Sotomayor Castellanos, Javier Ramón; Lacasta, Ana María; Montón,

Joaquín; Palumbo, Mariana; Navarro Antonia. Characterization of the fire behaviour

of tropical wood species for use in the construction industry. World Conference on

Timber Engineering. Vienna, Austria. 2016.

Javier Ramón Sotomayor Castellanos, Universidad Michoacana de San Nicolás de

Hidalgo, Mexico

[email protected].

María Pilar Giraldo Forero, Incafust. Catalan Institute of Wood, Forest Sciences

Center of Catalonia CTFC, Spain

[email protected].

Laia Haurie, Universitat Politècnica de Catalunya UPC, Spain

[email protected].

Ana María Lacasta, Universitat Politècnica de Catalunya UPC, Spain

[email protected].

Joaquín Montón, Universitat Politècnica de Catalunya UPC, Spain

[email protected].

Mariana Palumbo, Universitat Politècnica de Catalunya UPC, Spain

[email protected].

Antonia Navarro, Universitat Politècnica de Catalunya UPC, Spain

[email protected].


7

Introduction

Wood is one of the most applicable materials in industrial activities due to its

versatility, its remarkable mechanical properties and its excellent strength/density

relation. Tropical wood species are particularly attractive to different industries (e.g.

furniture, timber, plywood outdoor applications etc.) due to their wide diameters,

varied textures and their high durability and decay resistance.

In many developed countries such as Canada, EEUU, New Zealand, Germany,

Switzerland and some Scandinavian countries, wood is used extensively for

structural and room separating elements in building applications. In México, despite

having a forest sector with a huge potential, most of wooden panels and some

structural elements used in local construction industry are imported.

According to a FAO report [1], in Mexico the volume of forest with commercial

potential is approximately 2,800 million m3, of which 1,000 million are in tropical

areas. However, it is estimated that only between 15 and 22% is exploited as

commercial timber. Mexico has around 190 species of tropical wood documented,

however only a small part has been characterized in terms of mechanical properties

and there is a significant lack of information about their fire behaviour. It is known,

that the fire behaviour is one of the main obstacles to use more widely wood in the

construction sector.

The thermo chemical processes that occur in wood in fire conditions are very

complex, involve factors like heat transfer, drying, pyrolysis, charring, mass loss and

smouldering [2-3]. These processes ultimately determine the evolution of the char

layer, which is important in terms of fire resistance, and the different parameters

related to reaction to fire of wood such as the ignitability, the burning rate and the

flammability. They are all closely linked of both physical structure (morphology) and

specificity of chemical structure of the wood species [4]. An agreement of many


8

researches regarding different wood species is that the charring rate is strongly

affected by the wood anatomy. In consequence, the response of wood species to

fire temperatures is strongly affected by the intrinsic course of thermo-physical and

thermo-chemical processes on micro scale. This is especially important in tropical

wood species because its anatomy and composition is rich and complex.

In this study, the influence of these aspects in the parameters that define the fire

behaviour of come tropical woods is observed through the different test carried out.

Background

Wood is a complex composite material with an excellent weight-to-strength ratio. It

has a set of specialized cells that provide mechanical strength to the tree, perform

the function of liquid transport and storage of reserve nutrients supplies. Wood is

mainly composed of cellulose, hemicellulose, lignin, extractives and exudates. Also

it contains different minerals which make an important contribution in the tree

metabolism. Most minerals are absorbed from soil through its root system; others

can be absorbed from air through leaves. Trees growing in tropical regions are often

rich in several substances.

Generally, hardwoods are richer in nutrients than softwoods. Some studies have

identified 17 essential inorganic elements, which means that plant needs them to

complete its reproductive stage of life cycle. These are: carbon (C), oxygen (O),

hydrogen (H), potassium (K), calcium (Ca) and magnesium (Mg) as well as nitrogen

(N), phosphorus (P), sulfur (S), iron (Fe), manganese (Mn), zinc (Zn), copper (Cu),

boron (B), molybdenum (Mo), nickel (Ni) and chlorine (Cl). N, P, K, Ca, Mg and S

are in a greater proportion, because they are required in large quantities, while Fe,

Zn, Mn, Cu, B, Mo, Cl and Ni are required in minor quantities [5]. Total inorganics in

wood can be evaluated by determination of ash content after combustion of the

material. Woods typically contain from 0.1 to 1.5 % of ash, however in some tropical


9

species these values may be exceeded. The ash is predominantly composed of

different metal oxides, silicates, carbonates and other salts [6].

In general, extractives and exudates contained in woods are responsible of essential

characteristics such as the variety of color, smell, density, dimensional stability,

durability, resistance to attack by fungi and insects, the specific heat value and

inflammability [7].

A more in-depth analysis of all these aspects and its correlations can provide a better

understanding of why some species of wood have a better fire behavior irrespective

of their density and hardness.

Objectives

In this study were characterized seven tropical wood species from Mexico, in order

to evaluate their fire behavior and determine the influence of their physical and

chemical characteristics in pyrolysis and combustion processes. This study is part

of a more extensive research devoted to identify the factors that contribute to a better

fire performance of some tropical woods. In the first phase of this study, described

in this document, several laboratory tests were performed to compare: the fire

reaction, the morphology and the content of minerals. In a second phase, a series

of laboratory tests will be conducted in order to obtain and analyze the content of

extractives and exudates.

Materials and methods

Materials

Table 1 summarizes the seven different tropical woods originated from Mexico

studied in this research. Remarkable differences in their densities can be observed,

as well as, in colour and superficial aspect.


10

Table 1: Characteristics of different wood species

Code Scientific name Surface Density

(kg/m3)

TD Tabebuia donnell-smithii

448

EC Enterolobium cyclocarpum

504

TR Tabebuia rosea

604

SH Swietenia humilis

655

LA Lysiloma acapulcensis

685

CA Cordia elaeagnoides

1130

TC Tabebuia chrysantha

1234


11

Tests

In order to evaluate the influence of the physical and chemical characteristics of the

wood samples in their fire performance different fire and materials characterization

tests were carried out: flammability tests, limiting oxygen index test (LOI), scanning

electron microscopy (SEM), and thermogravimetric analysis (TG). The most relevant

procedures are described below.

Flammability test

Wood samples of 70 mm x 70 mm x 10 mm were tested using the device described

in the Spanish standard UNE 23727-90. The samples were placed on a metallic grid

3 cm below a heat source of 500 W. The heating source was removed and put back

after each ignition and extinction (Fig. 1). Four samples of each wood species were

tested and the parameters determined were the time at which the initial ignition

occurs, the number of ignitions and the average time of flame persistence during the

first 5 minutes of testing.


12

Figure 1: Flammability test images. (top) Heat source on the sample once ignition

started (middle) while the heat source is removed (bottom) once heat source is

removed.

Limiting oxygen index test

The limiting oxygen index (LOI) corresponds to the minimum concentration of

oxygen needed to sustain the combustion of a sample in accordance with ISO 4589.

The tests were performed on wood samples of 80 mm x 10 mm (Fig. 2). The


13

concentration of oxygen in a mixture of oxygen and nitrogen was varied until it has

reached the minimum concentration at which the sample burned for a length of 50

mm or for a period of 3 min.

Figure 2: Limiting oxygen index test. Sample with different concentration of oxygen.

Scanning electron microscopy (SEM)

The morphology of the samples was studied by scanning electron microscopy using

an Environmental microscope, ESEM Quanta 200 FEI. Elemental analysis using

energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was also performed to identify the

elements present in the mineral crystals observed inside the wood cells.


14

In order to obtain more information about the amount and nature of the inorganic

phases, the different wood samples where calcined at 800ºC during 1h to obtain the

residue. This residue was also observed and analyzed by SEM and EDS

respectively.

Thermal analysis

Thermogravimetric analyses (TGA) were performed using a furnace coupled with a

precision scale. This device allowed testing larger samples than the conventional TG

equipment, which is interesting for heterogeneous samples. The samples were

heated from 25 ºC until 1000 ºC in 4 hours under air atmosphere.

Results

All the wood samples studied exhibit differences in their fire behaviour. The main

results of flammability and LOI test are summarized in table 2. The initial ignition time

increases with the density of the wood. However, this trend is not observed for the

flame persistence of each of the ignitions. In this case shorter times indicate more

ability of the wood sample to extinguish the flame once the heating source is

removed, as is the case of LA sample. A similar behaviour was found in the LOI test.

Sample LA exhibited the highest LOI value and low density EC sample had the same

LOI value, 24, as the dense TC sample. On the other hand, the TD sample with

lowest density obtained the worst results regarding fire performance. These results

show that despite wood density has an influence on the fire performance of wood it

cannot be taken as the only affecting factor. During flammability test, high density

samples lost less mass in comparison with other samples. LA was the sample with

highest percentage of mass loss. This is due to LA had a large number of ignitions

(Table 3) (Figure 3).


15

Table 2: Summary of results of flammability and LOI testing.

Code Initial ignition Number of

ignitions

Average flame

persistence LOI

(s) (s) (%)

TD 17 8 29 21,1

EC 17 12 16 24

TR 24 8 29 21,5

SH 28 14 16 23,1

LA 31 16 9 26,5

CA 37 9 26 25,1

TC 49 13 20 24

In order to further investigate the causes of the differences in fire behaviour, the

morphology of the different wood samples was examined with SEM, (Figures 4-6)

besides the differences in the wood microstructure, SEM images also showed

differences in the amount and nature of the minerals present in each wood sample

(Figures 4-6). It was observed that LA, CA and TC have a more compact morphology

compared with the other samples. This is not surprising in woods species with high

density as CA and TC; however, it is remarkable in a medium density wood as LA.

Tangential section of LA shows mostly uniseriate and biseriate rays and seldom

triseriate rays. Many cells in uniseriate rays are saturated with minerals and also

some saturated tracheids can be found. This saturation may influence the oxygen

and gases flow during the combustion.

Regarding the minerals, from the crystal habit it can be deduced that samples EC,

SH, CA contain whewellite, a monohydrated calcium oxalate. This is in good

agreement with the formation of calcium oxide in the calcination of the wood, which

is subsequently transformed to calcium hydroxide or calcium carbonate.


16

Table 3: Results of flammability test: mass loss rate.

Code Initial mass Final mass Mass loss

percentage

(g) (g) (%)

LA 33,55 26,58 20,8

EC 24,55 19,95 18,68

TD 23,83 20,08 15,87

SH 32,00 27,23 14,93

TR 28,53 25,13 10,40

TC 54,63 52,35 7,80

CA 61,45 56,68 4,15

Figure 3: Burned samples CA (top) SH (middle) LA (bottom) after flammability test.


17

In sample LA the presence of two types of inorganic compounds was observed. One

rich in sulphur and potassium, probably a form of potassium sulphate, and the other

containing calcium as the main element. Table 4 shows the amount of solid residue

contained in each sample after calcination.

Table 4: Summary of results of calcined residue analysis.

Code Calcined residue Main elements

(%)

TD P, Ca, K

EC 0.6 Ca, K

TR 0.5 Ca

SH 0.5 Ca

LA 0.4 K, S, Ca

CA 1.3 Ca

TC 1.5 Ca

The elements listed in Table 4 correspond with the main chemical elements detected

by EDS during the SEM observation of the calcined residues. Several authors

reported the influence of the inorganic compounds in the modification of the thermal

decomposition and pyrolysis of lignocellulosic products.


18

Figure 4: (left) SEM images of the species of wood studied. Tangential section.

(right) corresponding EDS spectra of each one.


19

Figure 5: samples number 1: (left) SEM images of the species of wood studied.

Tangential section. (right) Corresponding EDS spectra of each one. Samples

number 2: (left) calcined samples. (middle) SEM images of calcination residue.

(right) Corresponding EDS spectra of each one.

TC-1

TD-2

EC-2

TR-2

CA-1


20

Figure 6: (left) calcined samples. (middle) SEM images of calcination residue. (right)

Corresponding EDS spectra of each one.

T. Hosoya et al. mentioned the influence of inorganic substances on the higher

production of glycoaldehyde, hydroxyacetone and carbonized products during the

wood pyrolysis [8]. K. Raveendran et al. found that the amount of potassium or zinc

SH-2

LA-2

CA-2

TC-2


21

together with the lignin content modify the pyrolysis of biomass [9]. In general,

inorganic matter is believed to increase char formation and inhibit the formation of

volatile products [10]. On the other hand, S. Liodakis et al. did not detect a significant

influence of the inorganic phases on the ignitability of wood [11]. This observation is

in good agreement with the fact that the ignition time determined in the flammability

test seems to be mainly dependent on the density of wood.

Figure 7 depicts the TG curves of the different wood samples. H. Yang et al. studied

the decomposition of hemicellulose, cellulose and lignin and observed that

hemicellulose decomposes between 220-315 ºC; cellulose in the range of 315-400

ºC and lignin decomposes at a low rate in a broad range of temperatures, from 25 to

900 ºC [12]. The results obtained show that TD decomposes at significantly lower

temperatures than the rest of the wood samples, probably due to the presence of

high levels of hemicellulose and reduced contents of cellulose and lignin. Dense

wood samples, like CA and TC, show a similar decomposition with higher thermal

stability and smooth curves, mainly in the last step. The elevated contents of lignin

are probably responsible of this behaviour. The rest of the samples exhibit TG

curves with similar patterns, where three steps can be identified.

Figure 7: TG curves of all wood species studied.


22

Conclusions

The results show that density of wood is an important factor for a good fire

performance. However, in some tropical wood species the composition, content of

minerals and morphology may exert more influence. All these aspects deserve to be

studied in depth.

Fire testing shows that fire performance is related with wood density. Particularly the

delay in the ignition seems to be directly correlated with the increase in density.

However, in the tropical woods studied some other factors play an important role.

The morphology, the content of each of the three main constituents of wood and the

characteristics and amount of inorganic substances might exert a remarkable

influence in the fire behaviour. The experiments carried out so far reveal that the

morphology together with differences in the inorganic constituents significantly affect

the combustion process of wood.

However, in order to obtain a more comprehensive map for the analysis of each

species the study has to be completed with the analysis of extractives and exudates.

Acknowledgments

This research has been carried out within the framework of the COST Action 1404.

The authors express their gratitude to the Michoacana University of San Nicolás de

Hidalgo Research Programme 2015-2016 for supplying the samples of tropical wood

for this research. This work is supported by MINECO (Spain) under the project

BIA2014-52688-R. The authors would also like to thank the Catalan Government for

the quality accreditation given to the research group GICITED (2014 SGR 1298).


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References

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24

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Módulo de elasticidad dinámico de la madera de Swietenia humilis y Alnus

acuminata. Evaluación por vibraciones transversales.

Javier Ramón Sotomayor Castellanos,1

José María Villaseñor Aguilar2

Resumen

El objetivo de la investigación fue determinar en la madera de Swietenia humilis y

Alnus acuminata, el módulo de elasticidad dinámico, mediante pruebas no

destructivas de flexión por vibraciones transversales. Se estudiaron probetas de

pequeñas dimensiones y se determinó su densidad, su contenido de humedad, su

frecuencia natural de vibración y su módulo de elasticidad dinámico. Para las

variables experimentales, se calcularon la media, la desviación estándar y el

coeficiente de variación. Además, se calcularon el sesgo y apuntamiento de las

muestras y se realizaron pruebas estadísticas de diferencia de medias entre las

variables de respuesta de cada especie. La especie fue considerada el factor de

variación. Todas las variables de respuesta provinieron de distribuciones normales.

La densidad de la madera y la frecuencia natural de S. humilis fueron mayores que

las de A. acuminata. En contraste, el módulo de elasticidad dinámico de S. humilis

fue menor que el correspondiente a A. acuminata. La magnitud de las características

físicas y mecánicas de la madera de S. humilis y A. acuminata, fueron del mismo

orden que los reportados en la literatura. No obstante, las dos especies se

distinguen mecánicamente con propiedades físicas y mecánicas diferentes.

Palabras clave: densidad de la madera, contenido de humedad en la madera,

frecuencia natural de vibración, módulo de elasticidad dinámico.

1 Profesor, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, [email protected] 2 Investigador, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, [email protected]


26

Abstract

The research goal was to determine the dynamic modulus of elasticity of the

Swietenia humilis and Alnus acuminata wood, by means of bending transversal

vibrations nondestructive tests. Small dimension wood specimens were tested, on

them was determined the density, the moisture content, the natural frequency of

vibration and the dynamic modulus of elasticity. For the experimental variables, it

was calculated the mean, the standard deviation and the coefficient of variation.

Moreover, between the response variables for each species, were realized statistical

tests of kurtosis, skewness and difference of means. Besides, it was calculated the

kurtosis and skewness of the samples and statistical tests of difference of means

were realized between the response variables. The species was considered the

variation factor. All response variables can be considered as normally distributed.

The S. humilis´s wood density and the natural frequency of vibration were greater

than the A. acuminata´s wood. The S. humilis´s dynamic modulus of elasticity was

smaller than the corresponding to A. acuminata´s. The magnitude of the physical

and mechanical characteristics of S. humilis and A. acuminata was of the same order

than the reported in the literature. Nevertheless, both species differ mechanically

with physical and mechanical properties different.

Key words: wood density, wood moisture content, natural frequency of vibration,

dynamic modulus of elasticity.

Nota aclaratoria

El presente artículo fue divulgado previamente en el apéndice de la Revista

Ingeniería UC, volumen 25, número 1, abril 2018.


27

Introducción

El módulo de elasticidad dinámico de la madera es un parámetro necesario para el

diseño de productos de madera y para el cálculo de estructuras con este material.

Entre otras aplicaciones, este módulo se emplea para dimensionar elementos

estructurales que satisfagan requisitos de calidad y de seguridad estructural. Su

magnitud depende, principalmente, de la especie, de la anisotropía de la madera,

de su contenido de humedad y del método de evaluación [1].

La madera de S. humilis se emplea en ebanistería, muebles finos, gabinetes, cajas

de piano, instrumentos musicales y científicos, modelaje industrial, bloques de

grabado, tallas, esculturas, chapa y madera terciada, mangos de herramienta,

artículos torneados, y decoración de interiores. La madera es de olor ligeramente

aromático, dura, de grano medio, fibras: entrecruzada y ligeramente ondulada. La

albura y duramen bien diferenciados [2].

La madera de A. acuminata se emplea en la fabricación de varios artículos

artesanales e instrumentos musicales, como combustible, en construcciones

rústicas, mangos para herramientas y pulpa para papel de buena calidad. Tiene

gran potencial para puertas, pisos y cercas, muebles, palillos y cabos de fósforos,

zapatos ortopédicos, moldes para fundición de metales, molduras, ataúdes, lápices,

embalajes, ebanistería. La madera del género Alnus no se recomienda para

estructuras y construcciones que requieran alta resistencia, dado que la madera es

muy suave [3].

Las pruebas no destructivas de vibraciones transversales han confirmado su utilidad

para medir la frecuencia natural de una pieza de madera. Utilizando esta propiedad

en conjunto con la densidad y otros parámetros derivados de sus dimensiones, este

método no destructivo es empleado para predecir el módulo de elasticidad dinámico

[4]. Como complemento a pruebas normalizadas y destructivas, la caracterización


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mecánica de la madera ha sido posible gracias a la aplicación de métodos de

evaluación de carácter no destructivo, en el estudio de especies con vocación

acústica y constructiva. Recientemente, las técnicas que utilizan vibraciones

mecánicas para estimar su módulo de elasticidad, están documentadas [5].

En la bibliografía especializada del país, se encuentran datos de características

elásticas de maderas mexicanas determinadas en condiciones de carga estática [6,

7]. Con todo, es notoria la escasez de datos derivados de pruebas mecánicas que

puedan aplicarse en el estudio del comportamiento de productos funcionando en

condiciones dinámicas, o para fines de diseño sísmico de estructuras.

En México existe una gran biodiversidad de especies forestales, de tal forma, que

la caracterización mecánica de la madera, es necesaria caso por caso de cada

especie. Las maderas de S. humilis y A. acuminata, tienen un gran potencial para

fabricar productos de alto valor agregado.

El objetivo de la investigación fue determinar el módulo de elasticidad dinámico en

la madera de S. humilis y A. acuminata, mediante pruebas de flexión por vibraciones

transversales.

Materiales y métodos

Se recolectó madera de las especies Swietenia humilis Zucc. y Alnus acuminata

arguta (Schlecht.) Furlow, en el Estado de Michoacán, México y se recortaron barras

de 0,05 m x 0,05 m x 0,5 m en las direcciones radial, tangencial y longitudinal,

correspondientes al plano leñoso. La madera se acondicionó en una cámara cerrada

con una temperatura de 20 °C (± 1 °C) y con una humedad relativa del aire de 65 %

(± 2 %) durante 48 meses, hasta que el peso de la madera fue constante.

Posteriormente, para cada especie, se recortaron 17 probetas con dimensiones de

0,02 m x 0,02 m x 0,50 m en las direcciones radial, tangencial y longitudinal. Para

el caso de la madera de S. humilis, la longitud de las probetas fue de 0,32 m.


29

Contenido de humedad y densidad

El contenido de humedad se determinó por el método de diferencia de pesos [8] con

grupos complementarios de 17 probetas. Para cada probeta se calculó la densidad

correspondiente al contenido de humedad de la madera en el momento de las

pruebas [9].

El contenido de humedad de la madera se calculó con la fórmula:

CH = PCH - PA

PA

(100) (1)

Donde:

CH = Contenido de humedad de la madera al momento del ensayo (%)

PCH = Peso de la probeta a un contenido de humedad CH (kg)

PA = Peso de la probeta en estado anhidro: CH = 0% (kg)

La densidad de la madera se calculó con la fórmula:

ρCH

= PCH

VCH

(2)

Donde:

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

PCH = Peso de la barra a un contenido de humedad CH (kg)

VCH = Volumen de la barra a un contenido de humedad CH (m3)

Pruebas de flexión por vibraciones transversales

Las pruebas de flexión por vibraciones transversales consistieron en medir la

frecuencia natural de la vibración perpendicular a la dirección longitudinal de la


30

probeta adaptando el procedimiento reportado por [10]. Con tal propósito, se utilizó

el aparato Grindosonic®. La Figura 1 muestra el montaje de laboratorio y el sensor

con el cual se registró la vibración de la probeta y se midió la frecuencia natural. La

Figura 2 presenta la configuración de las pruebas no destructivas de vibraciones

transversales.

Figura 1. Dispositivo para pruebas no destructivas de flexión por vibraciones

transversales y aparato Grindosonic®.

Figura 2. Configuración de las pruebas no destructivas de flexión por vibraciones

transversales. P = Impacto; L = Longitud de la probeta.

Sensor de movimiento

Primer modo de vibración

P

0,224 L 0,224 L

L


31

El impulso elástico inicial fue aplicado en el centro geométrico de la cara superior

de la probeta, en la dirección tangencial a la misma, apoyada sobre dos soportes

rígidos de tipo simple a una distancia nodal de 0,224 L.

El ensayo dinámico en cada probeta fue repetido tres veces y el promedio de valores

fue considerado para su análisis posterior. Durante la prueba, se calculó el momento

de inercia de la sección transversal de la probeta correspondiente al ensayo.

A partir de la ecuación de movimiento de una viga en vibraciones transversales [11]:

− 𝛛𝟐

𝛛𝐱𝟐 (EI(x)

∂2y(x,t)

∂x2) + f (x,t) = m(x)

∂2y(x,t)

∂t2

, 0 < x > L (3)

Donde:

E = Módulo de elasticidad dinámico (N m-2)

I = Momento de inercia de la sección transversal de la probeta (m4)

m = Masa de la probeta (kg m-1)

x = Distancia en la dirección longitudinal de la probeta (m)

y = Desplazamiento en la dirección transversal de la probeta (m)

t = Tiempo (s)

L = Longitud de la probeta (m)

Para el cálculo del módulo de elasticidad dinámico en flexión por vibraciones

transversales se utilizó la siguiente fórmula [10]:

Evt = 4 π2 Lvt

4 fvt

2 ρ

H

m4 r2 (1 +

r2

lvt2

K) (4)

Donde:

Evt = Módulo de elasticidad dinámico (N m-2)

Lvt = Longitud de la probeta (m)


32

lvt = Distancia entre apoyos (m)

fvt = Frecuencia natural de la probeta (Hz)

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

m, K = Constantes adimensionales (12,65, 49,48)

r = Radio de giro de la sección transversal de la probeta (m2)

Con: r = √I A⁄

I = Momento de inercia de la sección transversal de la probeta (m4)

A = Área de la sección transversal de la probeta (m2)

Diseño experimental

Con la finalidad de verificar la normalidad de las distribuciones de las variables

densidad de la madera, frecuencia natural de vibración y módulo de elasticidad

dinámico, se calcularon el apuntamiento y sesgo de las muestras correspondientes.

Cuando la prueba de normalidad verificó que los datos provenían de distribuciones

normales se diseñó un experimento siguiendo las recomendaciones de [12]. Las

variables de respuesta fueron la densidad de la madera y la frecuencia natural, para

las cuales se calculó la media, desviación estándar y coeficiente de variación,

mientras que la especie se consideró el factor de variación. El módulo de elasticidad

dinámico se estudió variable derivada. El experimento consistió en pruebas t de

Student para muestras independientes de diferencias de medias para un nivel de

confianza de 95 %. La hipótesis nula H0: x̅1- x̅2 = 0 se contrastó con la hipótesis

alterna HA: x̅1 - x̅2 ≠ 0. Los subíndices 1 y 2 representan el valor de las variables de

respuesta para cada una de las dos especies en estudio. Se efectuaron pruebas

con 32 réplicas (probetas por especie), totalizando 64 muestras observadas para

cada una de las variables de respuesta. Los cálculos estadísticos fueron realizados

con el programa Statgraphics®.


33

Resultados y análisis

Características físicas y mecánicas

La Tabla 1 presenta los estadísticos descriptivos media, desviación estándar y

coeficiente de variación de la densidad, de la frecuencia natural y del módulo de

elasticidad dinámico para cada madera evaluada.

El contenido de humedad en la madera de S. humilis y A. acuminata fue igual y en

promedio de 10,65 %, con un coeficiente de variación de 1,47 %. Se considera que

el contenido de humedad no interviene en la variación de los resultados entre

especies. No obstante, con el objeto de estandarizar valores útiles en el diseño y

cálculo de productos y estructuras de madera, es necesario ajustar valores

experimentales medidos con un contenido de humedad diferente al que se presenta

usualmente en métodos normalizados, que es del 12 %.

La densidad de S. humilis fue 33,5 % mayor que la densidad de A. acuminata y su

coeficiente de variación fue similar. La densidad de S. humilis califica como alta y la

densidad de A. acuminata califica como media de acuerdo con [13].

La frecuencia natural de vibración de S. humilis fue 50,4 % mayor con respecto a la

de A. acuminata. El coeficiente de variación de S. humilis es menor 56,4 % respecto

al coeficiente de variación de A. acuminata.

El módulo de elasticidad dinámico de S. humilis fue 49,6 % menor en comparación

con el módulo de elasticidad dinámico de A. acuminata. El coeficiente de variación

de S. humilis es mayor 147 % respecto al coeficiente de variación de A. acuminata.

La magnitud de las características físicas y mecánicas de la madera de S. humilis y

A. acuminata, es del mismo orden que los reportados en la literatura [14].


34

Tabla 1. Densidad, frecuencia natural y módulo de elasticidad dinámico.

ρCH fvt Evt ρCH fvt Evt

(kg m-3) (Hz) (MN m-2) (kg m-3) (Hz) (MN m-2)

Swietenia humilis Alnus acuminata

x̅ 757 756 9,098 567 375 13,612

σ 31,31 79,06 2,186 22,67 16,90 1,325

CV 4,14 10,46 24,03 4,00 4,50 9,73

ρCH = Densidad; fvt = Frecuencia; Evt = Módulo de elasticidad dinámico; x̅ = Media;

σ = Desviación estándar; CV = Coeficiente de variación en porciento.

Pruebas de normalidad y de diferencias de medias

La Tabla 2 presenta los resultados de las pruebas de normalidad y de diferencia de

medias de la densidad, de la frecuencia natural y del módulo de elasticidad dinámico

de la madera de S. humilis y A. acuminata.

Los valores de sesgo y de apuntamiento se encuentran dentro del rango -2 a +2

(Tabla 2), de tal forma, que se concluye que las muestras provienen de

distribuciones normales. Este resultado permitió continuar con el experimento de

diferencia de medias.

Para las tres variables ρCH, fvt y Evt, comparadas en la Tabla 2, los valores de P son

menores que 0,05, de tal forma, que se puede rechazar la hipótesis nula en favor

de la alterna para α = 0,05. Es decir, las diferentes características físicas y

mecánicas permiten diferenciar las dos especies.


35

Tabla 2. Resultados de las pruebas de normalidad y de diferencia de medias.

Pruebas de normalidad

Swietenia humilis Alnus acuminata

ρCH

Sesgo 0,5038 -0,5792

Apuntamiento -0,7042 -0,9155

fvt

Sesgo -0,3425 -0,1727


Evt

Sesgo 0,7428 0,8599


Pruebas de diferencias de medias

Swietenia humilis vs, Alnus acuminata

Intervalo de confianza Valor de P

ρCH [170,8, 209,0] P < 0,05*

fvt [340,353, 420,2] P < 0,05*

ρCH = Densidad; fvt = Frecuencia natural; Evt = Módulo de elasticidad dinámico: *

= Existe una diferencia significativa para un nivel de confianza de 95 %.

Posicionamiento de las especies

La Figura 3 presenta la dispersión de los módulos de elasticidad dinámicos en

función de la densidad para S. humilis y A. acuminata y datos de [14], con su

regresión.

Los valores de Evt de S. humilis se posicionan por debajo de la recta de regresión

para las maderas de referencia [14] y exhiben una dispersión importante. En

contraste, los valores de Evt de A. acuminata se sitúan por arriba de la recta de


36

regresión para las maderas de referencia y comparativamente, su dispersión es

menor que la de S. humilis.

Figura 3. Dispersión de los módulos de elasticidad dinámicos (Evt) en función de la

densidad (ρCH) para S. humilis y A. acuminata y datos de [14], con su regresión.

Conclusiones

Se estudió el efecto de la especie en la variación del módulo de elasticidad dinámico

de la madera de S. humilis y A. acuminata. Los resultados demuestran que la

especie modifica el módulo de elasticidad en vibraciones transversales.

La densidad de S. humilis fue mayor que la densidad de A. acuminata. En cambio,

el módulo de elasticidad dinámico de S. humilis fue menor en comparación con el

módulo de elasticidad dinámico de A. acuminata.

La técnica no destructiva de vibraciones transversales verificó su utilidad práctica

en la caracterización mecánica de la madera.

G. americanus

C.odorata

J. pyriformis

P. dimorphandrum

A. farnesiana

Lysiloma spp

Quercus spp.

P. douglasiana

Evt = 3,726 ρCH + 1.24R² = 0,65

2000

5000

8000

11000

14000

17000

20000

300 400 500 600 700 800 900 1000

Evt

(MN

m-2

)

ρCH (kg m-3)

S. humilisA. acuminataDatos bibliografía


37

La magnitud de las características físicas y mecánicas de la madera de S. humilis y

A. acuminata, es del mismo orden que los reportados en la literatura. No obstante,

las dos especies se distinguen mecánicamente con propiedades físicas y mecánicas

diferentes.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer a la Coordinación de la Investigación Científica, de

la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, México, por su

apoyo económico para realizar la investigación.

Referencias

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An Introduction. Hoboken: Wiley. 2007.

[2] Comisión Nacional Forestal. “Swietenia humilis Zucc.”. SIRE-Paquetes

Tecnológicos. México: Comisión Nacional Forestal. 2017.

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Tecnológicos. México: Comisión Nacional Forestal. 2017.

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Techniques for Wood and Wood-Based Composites. Gen. Tech. Rep. FPL-GRT-

134. Madison: Forest Products Laboratory. 2002.

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Corners: Forest Products Society. 2002.


38

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content for physical and mechanical tests. ISO 13061-1: 2014. Geneva: International

Organization for Standardization. 2014.

[9] International Organization for Standardization. Wood. Determination of density

for physical and mechanical tests. ISO 13061-2: 2014. Geneva: International

Organization for Standardization. 2014.

[10] Machek L., Militz H. y Sierra-Alvarez R. The influence of wood moisture content

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Holzverwertung, 3(5): 97-100, 2001.

[11] Meyers M. A. Dynamic behavior of Materials. Hoboken: Wiley. 1994.

[12] Gutiérrez Pulido H. y De la Vara Salazar R. Análisis y diseño de experimentos.

México: Mc Graw Hill. 2012.

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higroscópicas de maderas mexicanas. Base de datos y criterios de clasificación.

Investigación e Ingeniería de la Madera, 9(3), 3-29, 2013.

[14] Sotomayor Castellanos J. R. Banco FITECMA de características físico-

mecánicas de maderas mexicanas. Morelia: Universidad Michoacana de San

Nicolás de Hidalgo. 2015.

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