Fundamentos del diseño y la construcción con madera

¿Cómo leer este libro?

Para facilitar la comprensión de este libro, el texto debería leerse secuencialmente ya que la mayoría de contenidos requieren la comprensión de temas precedentes. Para lectores familiarizados con la materia, la lectura de capítulos independientes sí es adecuada. Sin duda, todos aquellos lectores interesados en la segunda y tercera parte de la trilogía deberían sentir que los contenidos de este libro han sido afianzados antes de abordar los otros libros, en especial la parte relativa al cálculo y los sistemas constructivos y estructurales lo que comprende desde el Capítulo 6 al Capítulo 11.

Algunas partes de este libro hacen referencia directa a la principal normativa de diseño estructural con madera de Chile, la NCh1198, lo que se destaca con un formato de letra diferente. En concreto las tablas específicas de la normativa NCh1198:2010 se referencian como T seguido por el número de tabla, las páginas como PG seguidas por el número de página, las secciones se referencian directamente con los dígitos de la sección correspondiente como por ejemplo 6.8 y los anexos se referencian como A, seguido por la correspondiente letra del anexo al que se hace referencia.

La estructura global del libro es la siguiente: tras una breve reseña histórica, en los Capítulos 2 a 5 se introducen conceptos básicos de tecnología de la madera; el Capítulo 6 sirve como transición entre tecnología de la madera y cálculo; los Capítulos 7 a 9 introducen las bases del cálculo; los Capítulos 10 a 12 introducen los sistemas estructurales y constructivos, como también la industrialización y prefabricación; los Capítulos 13 y 14 introducen conceptos básicos de protección de la madera frente a incendios y degradación por organismos xilófagos y agentes abióticos. Finalmente, se incluye un anexo de ayudas básicas al predimensionado (ayudas más avanzadas al cálculo se facilitan en el tercer libro), otro anexo de detalles constructivos, y un glosario de términos que puede ser muy necesario, especialmente cuando los capítulos se leen de forma independiente.

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN A LA CONSTRUCCIÓN

CON MADERA

1.1 Breve reseña histórica

Prehistoria

La madera ha sido el primer material de construcción masivo1.1 empleado por el ser humano, y los primeros registros de su uso en la construcción datan de la época neolítica, año 9000 A.C., para abordar la construcción de cabañas en el borde entre Turquía e Irán. Inicialmente las construcciones se realizaban en forma circular u ovalada y posteriormente evolucionaron a formas cónicas, cilíndricas y rectangulares. Entre 6.500-6000 A.C. se construyeron las primeras edificaciones en dos alturas entre Anatolia y Chipre. En Grecia se establecieron las primeras construcciones con madera alrededor del año 4.000 A.C. El uso de la madera se extiende también entre las tribus nómadas de Norte América, África, Indonesia y Asia central, principalmente para la construcción de cabañas. Algunos de los estilos desarrollados por estas poblaciones tienen aún a día de hoy una influencia notable en las construcciones indígenas de Asia, África, Polinesia y Sudamérica.

Época Antigua

Las cubiertas de las tumbas reales de la primera dinastía egipcia (3.000 A.C.), fueron construidas con madera. A partir de este suceso se han reportado múltiples usos de la madera tanto en la cultura egipcia como en ciertas áreas de Líbano y Siria. En Japón la madera ha sido el principal material de construcción desde el período de

Jo¯ mon, extendiéndose desde 3500-300 A.C. En muchos casos, la duración de estas

construcciones ha sido reportada en más de 1.000 años. Los antiguos griegos también realizaron importantes obras con madera durante esta época, como por ejemplo el Bouleterión de la casa del consejo de Priene, o el pórtico de Philipus en Delos. Este fue también el caso de los romanos, que emplearon la madera en la construcción de los primeros templos y realizaron obras notables como por ejemplo el puente sobre el Rin, de 600 metros de longitud, construido para las legiones del César, o las basílicas de San Pedro y San Pablo en el exterior de las murallas de Roma. En China, la arquitectura tradicional ha tenido desde la época antigua una presencia muy importante de la madera. De hecho, este país es considerado como un lugar clave en el proceso de desarrollo constructivo, debido ello a la riqueza arquitectónica de los edificios gubernamentales de los cuales una gran mayoría lamentablemente, no han perdurado en el tiempo a causa de los cambios dinásticos.

Desarrollo de las primeras construcciones modernas

La madera fue el principal material de construcción en gran parte de Europa desde la edad media hasta el renacimiento, y fue precisamente en este lugar, en donde se desarrollaron gran parte de las soluciones constructivas que fueron decisivas para los sistemas constructivos modernos con madera. Se piensa que las civilizaciones vikingas adaptaron sus construcciones con madera en base a las invasiones realizadas en el occidente del continente, en donde se construyó con madera de forma extensiva y encontrándose ejemplos notables, principalmente en la región alpina y Europa central. En particular, es posible identificar 4 tipos de construcciones que fueron clave para la construcción moderna:

1 Palisade o stave construction, basada en paredes sólidas formadas por la aglomeración vertical de rollizos1.2. Este tipo de construcción predominó en la Alemania neolítica desde donde se extendió primeramente al norte de Europa, y posteriormente a las regiones ribereñas próximas al río Mississippi en Norteamérica.

2 Log-cabin construction, basada en la disposición de rollizos horizontales. Este tipo de construcción fue fundamental para comenzar el desarrollo de varios tipos de unión, fundamentalmente en el encuentro entre muros. Fue desarrollada principalmente en Europa central, Rusia y Asia Menor, siendo la Iglesia de la Transfiguración en Kizhi, Rusia, quizá el ejemplo representativo más notable. Aunque gran parte del desarrollo se produjo en Europa y Asia occidental, es cierto que este tipo de construcciones también se desarrollaron en el período Yayoi en Japón (250 A.C-200 D.C.). Este tipo de construcción fue exportado a Norteamérica a mediados del siglo XVII y se piensa que fue el precursor principal de las construcciones resistentes al cortante3, desarrolladas posteriormente en esta región.

3 Timber frame construction, consistente en el uso de pórticos de madera acompañados o no de cercha en cubierta, fueron desarrollados también en Europa a partir del año 5.500-2.500 A.C., ver Figura 1.1.1. Estas construcciones surgieron como una necesidad de disponer de espacios más amplios de almacenamiento agrícola, y pueden ser considerados como los precursores de las estructuras porticadas modernas. Al igual que los tipos precedentes, esta tipología también fue exportada a Norteamérica alrededor del siglo XVII y a día de hoy, se encuentran aproximadamente aún 80 estructuras antiguas en pie de esta tipología.

4 Finalmente, roof beam, arch and truss timber construction, que pueden ser considerados como una tipología más, ya que se basa en el uso de la madera tan sólo como material de cubierta. Las soluciones de este tipo logran generar cubiertas relativamente ligeras con luces de hasta 20 metros sin apoyos intermedios. Uno de los ejemplos primigenios puede ser considerado el palacio de Eltham, construido en Inglaterra en 1405. La aparición de este tipo de construcción fue clave para el desarrollo de sistemas de arriostramiento1.3, que habitualmente estaban diseñados para evitar el vuelco en el plano y fuera del plano de elementos de cubierta sometidos a flexión.

figura 1.1.1 Estructuraciones antiguas referentes de la construcción moderna.

Por otra parte, la tipología oriental propia de Japón, China y Corea principalmente, también es considerada como un precursor de la estructuración moderna en madera. De hecho, para cuando la cultura oriental y occidental contactaron con intensidad durante el siglo XX, la ingeniería con madera en lejano oriente se encontraba totalmente desarrollada. Uno de los rasgos característicos de esta arquitectura consiste en la gran riqueza de uniones tradicionales y soluciones carpinteras, tanto en China como en Japón. Otra característica importante, es la enorme longevidad de algunos de las construcciones, muchas de ellas de culto religioso. En China se estima que a día de hoy existen al menos una docena de edificios de madera con una antigüedad superior a 1.000 años. Por otro lado, el edificio de madera más antiguo del mundo es considerado el Templo de la Ley Floreciente en Japón, cuya finalización data del año 607 D.C.

De este periodo es importante también notar construcciones destacadas en Chile, tales como las iglesias de Chiloé. Las iglesias más antiguas datan del siglo XVIII y no son conocidas únicamente por su belleza, sino también por la ausencia de conexiones mecánicas en entramados de gran complejidad, ver Figura 1.1.2.

figura 1.1.2 Iglesia de Achao, Chiloé, Chile.

Siglo xix

El siglo XIX resultó, por una gran variedad de aspectos, clave para entender el contexto actual de la construcción con madera. Ya a finales del siglo XVIII, con la revolución industrial, los ladrillos comenzaron a sustituir la madera en muchas construcciones en Inglaterra y Europa. Por otra parte, vigas de hierro y acero comenzaron a sustituir elementos de madera, inicialmente en edificios de gran porte, y también se extendió masivamente el uso del hormigón. Sin embargo, fue a mediados y finales de 1800, cuando la madera tuvo su máxima utilización en Estados Unidos, sufriendo así un ‘retraso’ de unos 200 años respecto del apogeo en Europa. Ver la evolución del porcentaje del uso de madera en la construcción en la Figura 1.1.3.

Así, en 1833 se inventó en Chicago el balloon framing1.4, el cual posteriormente derivaría también la introducción del platform framing1.5. La introducción de ambos sistemas de construcción fue posible gracias a la enorme cantidad de recursos forestales, aserraderos, y productores de tableros presentes en el territorio americano, así como que hubiese una mayor disponibilidad de clavos. Estos sistemas se extendieron muy rápidamente debido en gran parte a la simplificación de las construcciones y la reducción drástica de los costos de obra. De hecho, estos sistemas de entramado ligero siguen siendo hoy en día el sistema más empleado para baja altura en EEUU. Uno de los sucesos más desfavorables para la madera en esta época fue el gran incendio de Chicago en 1871, tras el cual gran cantidad de edificios fueron reconstruidos en hormigón y acero.

figura 1.1.3 Evolución del porcentaje de uso de madera en la construcción (basado en Winter 2017).

En la segunda mitad del Siglo XIX, se desarrollaron gran parte de las herramientas que se emplean actualmente en análisis estructural, y con ello el cálculo en las construcciones se convirtió poco a poco obligatorio. Consecuentemente, en esta época se comenzaron a caracterizar las propiedades mecánicas de las distintas 11.6, algo que sin embargo ya se había iniciado con Galileo alrededor de 1638. Mientras tanto, en Europa, y pese a que durante el siglo XIX decreció fuertemente el uso de la madera frente a otros materiales (debido a la Revolución Industrial), se desarrollaron innovaciones que fueron clave para el uso moderno de la madera. Las más destacadas fueron seguramente el patentamiento del terciado (plywood)1.7 por parte de Samuel Bentham en Londres, Inglaterra (1797), la creación de arcos curvos de madera (1825), el desarrollo de estructuras híbridas de madera y acero (1839), la construcción del Palacio de Cristal en Londres, una celosía tridimensional con superficie alrededor de 70.000 m2 (1851), y el patentamiento de la madera laminada encolada (MLE o glulam)1.8 por parte de Otto Hetzer en Weimar, Alemania, en 1872.

Siglo xx

El siglo XX fue el período en donde se consolidó la investigación en madera. Gran importancia tuvo en este desarrollo la creación del Forest Products Laboratory (FPL) en Madison, Wisconsin en 1910, ya que fue en este lugar donde se comenzaron a analizar las propiedades mecánicas de maderas, ensambles y uniones, al igual que la durabilidad, secado, resistencia a fuego y otros aspectos cruciales para este material. Los conocimientos adquiridos en los primeros años se tradujeron en la primera versión del Wood Handwook en 1931.

El siglo XX fue también clave en dos aspectos que ocurrieron en años cercanos a la II Guerra Mundial. El primero de ellos fue la aparición de adhesivos resinosos1.9 que, a un bajo costo, ofrecían una resistencia superior a la propia madera. Esto definitivamente ayudó a expandir la madera laminada encolada, el terciado y el desarrollo de nuevos productos de ingeniería de madera. La baja disponibilidad de madera maciza en Europa, fomentó un alarde de invención en la ingeniería lo que promovió la búsqueda de materiales constructivos obtenidos a partir de elementos pequeños o de baja estética y calidad para la construcción, como por ejemplo los tableros de partículas en Alemania (originalmente denominados como ‘falsa madera’), el OSB1.10, que fue inicialmente patentado por Armin Elmendorf en EEUU allá por 1965 y la madera microlaminada (LVL)1.11, patentada en 1988 por Robbins Earl Herbert. Otra de las invenciones clave para el desarrollo de la madera a nivel constructivo, fue la introducción alrededor de los años 50 en EE.UU. de placas metálicas para la conexión de piezas estructurales de madera.

Durante el Siglo XX, también se realizaron algunas obras de importancia capital para la madera. Una de las más destacadas es la infraestructura de ensayo aeronáutico TRESTLE (ATLAS-I) en Nuevo México, EE.UU. Esta es aún a día de hoy la construcción más grande del mundo de madera laminada, con 15.350 m3 de glulam. Otra obra muy relevante es la Cúpula de Tacoma, en Washington, EE. UU. que destaca por su gran luz de 162 metros de madera laminada.

1.2 Una mirada hacia el futuro

El final del siglo XX brinda la invención de la madera contralaminada (CLT)1.12, atribuida en Austria a finales hacia finales de los años 70 y principios de la década de los 80. Pese a que la estructura de la madera contralaminada no es en sí muy innovadora (similar al plywood), este producto abre las puertas a una nueva filosofía de construcción denominada madera masiva (mass timber). Esta nueva estructuración puede ser vista como una evolución de la ancestral palisade o log-cabin, y permite abarcar mayores alturas en edificación debido a una resistencia y rigidez muy superiores.

Esta nueva corriente domina el actual resurgir de la madera y ha sido objeto de gran parte de las investigaciones y desarrollos ejecutados en las últimas dos décadas. A diferencia de las tipologías constructivas definidas anteriormente, la filosofía con madera masiva es la de construir en base a la utilización paneles de madera de gran sección. Este enfoque, ofrece ciertas ventajas como por ejemplo un mayor desempeño lateral y resistencia al fuego respecto de tipologías constructivas convencionales, lo que permite abordar mayores alturas con un grado muy alto de prefabricación.

Amén de la madera contralaminada, se han introducido una serie de productos adicionales que, aunque en sí no son novedosos, contribuyen igualmente a esta filosofía de construcción masiva como por ejemplo el mass LVL1.13, dowel laminated timber (DLT)1.14 y los compuestos de madera masiva con hormigón.

Este estímulo de las nuevas tecnologías con madera, acompañado de una mayor concienciación ecológica de la sociedad, y un desarrollo del conocimiento técnico del material madera en general, está impulsando la voluntad por desarrollar construcciones con madera en altura en la mayoría de países desarrollados. Aunque en muchas ocasiones este desarrollo viene estimulado por la introducción de tecnologías de madera masiva, también se están construyendo igualmente edificios de madera en base a tipologías más convencionales como entramados ligeros y pesados. Se prevé por tanto en el futuro, un gran desarrollo de la madera en altura tanto a nivel normativo como tecnológico y profesional.

Otro núcleo de desarrollo incipiente son sin duda las estructuraciones híbridas, específicamente estructuraciones que combinan la madera, el acero y el hormigón. Si bien existen estructuraciones híbridas desde hace más de un siglo, la economicidad, las tecnologías de unión, y la concepción holística que actualmente tenemos sobre el desempeño o performance de las edificaciones, es un entorno muy propicio para desarrollar este tipo de estructuraciones.

Finalmente, en opinión del autor, debe notarse que la ‘revolución industrial’, que sin duda ha sido la gran impulsora de muchos de los principios y metodologías de la ingeniería moderna, ha tenido y tiene que ‘aprender’ a convivir con la ‘revolución medioambiental’ en la que nos encontramos actualmente inmersos debido a la mayor concienciación acerca de nuestro impacto sobre el planeta y el cambio climático. Dicha revolución medioambiental, ha dotado a la ingeniería moderna con una perspectiva más sostenible respecto de la forma en la cual producimos y diseñamos, lo cual concierne lógicamente a la arquitectura, ingeniería estructural y construcción. Sin embargo, aun cuando estamos tratando de comenzar a adaptar nuestros métodos constructivos a esta nueva realidad, nos encontramos inmersos en una nueva revolución: la ‘revolución de la tecnología de la información’, la cual sin duda afectará fuertemente a una de las industrias más arcaicas, incluyendo a la industria de la construcción. En esta nueva realidad, en la que los principios sobre los que diseñábamos están siendo notablemente afectados por dos revoluciones sucesivas, la madera no resulta ni mucho menos mal parada, ya que sin duda es un material mucho más sostenible que el acero y el hormigón, y también mucho más apto para la prefabricación y la aplicación de métodos y procesos manufactureros más modernos.

En los países de habla hispana, este desarrollo presenta ciertos retos particulares, más bien relacionados con barreras culturales y desconocimiento general, ya que tal como se mostró a lo largo de esta sección, por general en estas regiones no se ha empleado extensivamente la madera en la construcción; gran parte del desarrollo de entramados pesados1.15 se fundamentó en Europa central y septentrional, mientras que en Norteamérica se consolidaron fuertemente las tecnologías de entramado ligero1.16. Sin embargo, los actores gubernamentales, académicos y privados adquieren progresivamente mayor concienciación del especial potencial que la madera tiene en estos países, ya que por lo general cuentan con condiciones forestales y necesidades de urbanización considerablemente superiores a las de los países más desarrollados.

1.3 Lecturas adicionales

Foliente GC (2000) History of Timber Construction. In Wood Structures: A Global Forum on the Treatment, Conservation, and Repair of Cultural Heritage. ASTM International.

Herzog T, Natterer J, Schweitzer R, Volz M, y Winter W (2004) Timber construction manual. Walter de Gruyter.

CAPÍTULO 2

ANATOMÍA Y FÍSICA DE LA MADERA

PRINCIPALES CONTRIBUIDORES:

JUAN CARLOS PITER Y ROCÍO RAMOS (UTN, ARGENTINA)

La madera es un sólido natural, compuesto fundamentalmente por células alargadas (traqueidas y radios leñosos) cuyas paredes celulares se componen de celulosa (≈40-50%), hemicelulosa (≈20-40%), y lignina (≈20-30%). De acuerdo a la especie, se encuentran presentes también resinas, terpenos, taninos, minerales y sustancias incrustantes, constituyendo los extractivos, de los cuales el contenido se sitúa entre el 2 y el 5%. La madera se obtiene de dos categorías de árboles conocidos como angiospermas y gimnospermas. Al primer grupo, de estructura interna mucho más compleja, pertenecen las especies frondosas o latifoliadas2.1, provenientes de árboles con hojas caducas (en su mayoría), y en el segundo se incluyen las especies de coníferas2.2, con una estructura mucho más primitiva y simple (la mayor parte de células son traqueidas). Si bien el objetivo de este apartado no es profundizar los detalles referidos a estos dos grupos, es necesario considerar algunas características básicas de cada uno, pues influyen sobre las propiedades físicas y mecánicas.

2.1 Singularidades

Las singularidades son determinantes en las propiedades mecánicas. Estas son ocasionadas a merced de las condiciones de crecimiento del árbol, y también como consecuencia del proceso de cultivo y producción de la madera y su exposición al medio ambiente. Se describen a continuación las singularidades más relevantes para la clasificación por resistencia, a excepción del espesor de los anillos de crecimiento y la presencia de médula circundada por madera juvenil, que ya fueron mencionados anteriormente.

2.1.1 Nudos

Los nudos son originados como consecuencia de la existencia de ramas que se desprenden del tronco principal, partiendo desde la médula. En la medida que los sucesivos anillos de crecimiento engrosan la parte exterior del árbol, la parte incluida de la rama, la cual también aumenta su diámetro, forma un cono que se desarrolla junto con el tronco. Cuando el corte de la pieza extraída del tronco principal involucra a ese cono, se encuentra un nudo, el cual, en este caso, se denomina nudo fijo o nudo vivo. Si la rama se desprende, las sucesivas capas de madera nueva envuelven al cono que ella formaba, el cual no se desarrolla más en conjunto con el árbol ni afecta a los nuevos anillos externos de crecimiento, dando lugar a la formación de un nudo flojo, suelto o muerto, que incluso puede contener parte de la cáscara. Finalmente, también es posible que un nudo haya sido generado por una yema durmiente, lo cual no suele transcender de los primeros anillos del árbol. Es fácil comprender que una adecuada poda puede provocar que en una sección transversal se encuentre un importante manto exterior de madera sana, ya que la eliminación de las ramas en forma temprana hace que los nudos queden solamente en la zona interior del tronco, cercana a la médula. En la Figura 2.1.1 puede apreciarse tanto la interrupción como la desviación de las fibras que ocasiona la presencia de un nudo, lo que constituye una anomalía que afecta la resistencia y rigidez del material.

figura 2.1.1 Anomalías producidas por la presencia de un nudo.

Existen particularidades que es necesario tener en cuenta para las distintas especies. En el caso de las coníferas, que tienen un tronco dominante del cual se desprenden ramas a intervalos regulares, se encuentran espacios sin nudos seguidos luego de grupos de los mismos. Este agrupamiento es más difícil de encontrar en especies frondosas. Los nudos constituyen un defecto al cual investigadores y normas le atribuyen una gran importancia para el uso estructural de la madera debido a su negativo efecto en las propiedades mecánicas, y son considerados tanto en forma individual como en forma grupal. Finalmente, es necesario también distinguir entre nudos sanos, en los que existe una continuidad material con el tronco ya que se corresponden con ramas vivas, frente a nudos muertos que pueden suponerse como un ‘agregado’ de madera sin continuidad con el material y por tanto resultan más desfavorables en la reducción de resistencia. No obstante, en numerosos casos las normas no distinguen nudos sanos de muertos con el fin simplificar el proceso de clasificación por resistencia.

2.1.2 Inclinación de las fibras

Teniendo en cuenta la estructura de la pared celular, ya descrita anteriormente, el paralelismo de las fibras con relación al eje longitudinal de la pieza resulta de suma importancia para su comportamiento estructural. En este sentido, desde que las mayores resistencias y rigideces se alcanzan en la dirección de las fibras, para aquellos árboles en los cuales el crecimiento ordena las células en forma espiralada, del aserrado se obtienen piezas con sus propiedades mecánicas muy afectadas.

Además de la desviación global de las fibras, se observan desviaciones locales, especialmente alrededor de los nudos, lo que produce que estos defectos sean especialmente desfavorables. La Figura 2.1.2 ilustra las desviaciones de fibra locales típicamente observadas en el plano tangencial al tronco y el plano radial alrededor de los nudos.

figura 2.1.2 Desviaciones locales de fibra en los planos tangenciales y radiales alrededor de los nudos.

2.1.3 Madera de reacción2.3

Esta singularidad se genera, cuando el tronco del árbol es sometido a elevados esfuerzos producidos por fuerzas exteriores tales como la acción del viento. En las coníferas se manifiesta como madera de compresión2.4 y en las frondosas como madera de tracción2.5, siendo la primera de ellas la de mayor importancia para el uso estructural de este material. La madera de compresión presenta anillos de crecimiento con un mayor ancho del leño tardío, y en consecuencia resulta más difícil distinguirlo del leño temprano que en la madera normal. Si bien ese mayor ancho del leño tardío redunda en una mayor densidad de la madera, también exhibe una mayor inclinación de las microfibrillas en la capa media de la pared secundaria, lo que origina un comportamiento similar al descripto anteriormente para la madera juvenil cercana a la médula.

2.1.4 Fisuras y deformaciones

La presencia de fisuras se encuentra dentro del grupo de singularidades relacionadas tanto a la constitución interna de la madera como a los procesos de producción y a la exposición al medio ambiente. Se produce normalmente como consecuencia de los diferentes niveles de contracción experimentados según las tres direcciones principales. La pérdida de agua de impregnación de las paredes celulares por debajo del punto de saturación de las fibras, origina una contracción sustancialmente mayor en la dirección tangencial que en la radial. Este comportamiento produce deformaciones no deseadas, y también ocasiona rajaduras y torceduras durante el proceso de secado que varían para las diferentes especies. Las deformaciones no provocan disminuciones en las propiedades mecánicas, pero generan excentricidades que pueden exceder los límites permitidos. Las fisuras afectan en mayor medida a los miembros estructurales sometidos a flexión y compresión, que a los solicitados a tracción paralela a las fibras.

2.1.5 Ataques biológicos

Los hongos y los insectos xilófagos2.6 son los agentes biológicos de mayor importancia para la degradación de la madera. En general el ataque de estos agentes se produce cuando la estructura está en servicio, y está relacionado con el grado de exposición al medio ambiente, la durabilidad natural de la madera y su nivel de protección. No obstante, existen insectos que se desarrollan en el árbol y, consecuentemente, luego del aserrado de las piezas de madera estructural ya se revela este tipo de singularidad que se encuentra limitada en los métodos de clasificación por resistencia.

2.1.6 Otras singularidades

Las imperfecciones o daños producidos durante el aserrado de las piezas estructurales, tales como la arista faltante o gema, no implican una alteración de la respuesta mecánica del material, pero afectan a las dimensiones de su sección transversal. La reacción de los árboles ante ataques externos, tales como la formación de bolsas de resina2.7 en coníferas y de kino2.8 en los eucaliptos, genera alteraciones que se ponen de manifiesto luego del aserrado de las piezas estructurales y deben ser evaluadas por analogía con alguna singularidad similar ya tipificada.

2.2 Estructura interna

A pesar de las diferencias existentes, las características fundamentales de las paredes celulares son comunes a la mayoría de las especies. La sustancia básica que la compone es la celulosa, que se presenta agregada en unidades largas llamadas fibrillas elementales, las que, a su vez, se unen para formar las microfibrillas. Éstas últimas se recubren por hemicelulosa y se unen entre sí con uniones de hemicelulosas y pectinas. Por otra parte, la lignina, cuya estructura exacta aún a día de hoy es desconocida, se supone se integra a este entramado en formas globulares. El componente que aporta mayor rigidez a la pared celular es la celulosa, cuyo módulo elástico se sitúa en valores superiores a los 30 GPa. Sin embargo, la disposición de las fibrillas está ligeramente desviada respecto del eje axial de la traqueida por lo que, en lugar de formar un compuesto muy rígido, se genera una estructura con una excepcional capacidad de absorción de energía y ductilidad. Mientras que la celulosa y la hemicelulosa son muy hidrofílicas, la lignina es altamente hidrofóbica, jugando un papel crucial en la relativa impermeabilización de la pared celular y su durabilidad. No obstante, los espacios existentes entre las fibrillas elementales pueden ser ocupados por moléculas de agua bajo ciertos gradientes de presión, y consecuentemente una microfibrilla, formada por la unión de varias fibrillas elementales, puede variar su espesor, produciendo los llamados cambios dimensionales2.9 (hinchazón y merma) de la madera.

figura 2.2.1 Simulación del pandeo no lineal de un fragmento de pared celular Picea abies de origen sueco (microfibrillas, hemicelulosa y lignina) obtenido en la nanoescala mediante crio-microscopía electrónica. La celulosa se representa en rojo, hemicelulosa en verde y lignina en amarillo.

La capa existente entre las células individuales se denomina laminilla media, siendo la que mantiene la cohesión necesaria para formar el tejido y está compuesta fundamentalmente por lignina y pectina. Entre ésta y el espacio interior, denominado lumen, se ubica la pared celular, que posee tres capas denominadas pared primaria, secundaria y terciaria. La pared primaria se encuentra en contacto con la laminilla media y en la misma las microfibrillas se orientan al azar, entrelazándose, siendo su espesor muy delgado. La secundaria se puede descomponer en tres partes bien diferenciadas, una externa muy delgada, con un espesor del orden de décimas de micrómetro, que presenta un promedio de inclinación de las microfibrillas, con respecto al eje de la célula, de entre 50° y 70°. Una parte media que cuenta con un mayor espesor, de varios micrómetros, y con las microfibrillas orientadas mayoritariamente en la dirección longitudinal (de 5° a 20°). Finalmente, una parte interna que no ofrece un orden estricto en su orientación. La pared terciaria se ubica contra el espacio interior de la célula. La Figura 2.2.2 muestra esquemáticamente la organización de las células, donde se puede apreciar la disposición de la laminilla media, en el contorno, y el espacio interior en cada una. Entre ambos, y para una célula en particular, se detalla la estructura de la pared, con sus capas características, de las cuales sobresalen las tres partes que constituyen la capa media, conforme a la descripción efectuada anteriormente.