Influencia de factores físicos y geométricos en la clasificación estructural de la madera mediante técnicas no destructivas

Esta tesis doctoral presenta los análisis, resultados y conclusiones de la influencia de ciertos factores (contenido de humedad, longitud de medida y posición de los sensores) en las variables no destructivas, así como, la clasificación visual de las muestras y la determinación de las propiedades físico-mecánicas (densidad, módulo de elasticidad y tensión de rotura) mediante ensayos según la norma EN 408. Además, recopila y homogeneiza resultados de ensayos con técnicas no destructivas de varios grupos de investigación españoles. Para el estudio citado se utilizaron dos muestras de madera de procedencia española de las especies: pino radiata, silvestre, laricio y pinaster. Muestra 1a: 100 piezas (25 de cada especie) y de dimensiones 100x150x3000 mm. Muestra 1b: 100 piezas de las mismas especies y de dimensiones 100x150x500 mm. Muestra 2: 120 piezas (30 de cada especie) de las mismas especies y de dimensiones 90x140x4000 mm. Se realizaron mediciones con equipos no destructivos de: ultrasonidos, ondas de impacto, vibraciones inducidas, resistencia a la penetración y resistencia al arranque de tornillo. Se estudió la influencia del contenido de humedad de la madera en las variables no destructivas medidas, obteniendo modelos de ajuste por equipo y especie, con coeficientes de corrección que, para un contenido de humedad de referencia del 12%, variaron entre 0,58 y 0,77% para las técnicas no destructivas globales (acústicas y vibración), entre 1,7 y 2,2% para la resistencia a la penetración, y entre 2,1 y 2,8% para la resistencia al arranque de tornillo. Se propusieron modelos de estimación de las propiedades físico-mecánicas mediante técnicas no destructivas, con coeficientes de determinación de hasta el 68% para la densidad, hasta el 92% para el módulo de elasticidad y hasta el 70% para la tensión de rotura. También se observó que la velocidad de los equipos de transmisión de onda a diferentes longitudes de medida no era constante, presentando una tendencia a disminuir la velocidad al aumentar la longitud de medida. Dado que la corrección está influenciada por múltiples factores (equipo, especie y calidad de la madera) no resultó posible obtener un modelo de ajuste y, por tanto, se propuso un procedimiento de corrección de dichas velocidades, que se aconseja realizar para cada caso particular. Se observó que las mediciones de velocidad de ultrasonidos realizadas colocando los sensores en la cara de la pieza, bien en la misma cara o en caras opuestas, y en los cantos, no presentaban diferencias estadísticamente significativas entre ellas, sin embargo, sí las presentaban con respecto a las mediciones de velocidad testa testa. Se propusieron modelos de ajuste entre velocidades testa-testa y el resto de posiciones de medida, con coeficientes de determinación de hasta el 97%. La clasificación visual realizada sobre la misma muestra, tanto en húmedo como en seco, mostró, que si bien existía una gran diferencia entre el porcentaje de rechazo en húmedo (hasta el 24%) y seco (hasta el 84%), en ambas situaciones se pudo realizar una discriminación del módulo de elasticidad y la tensión de rotura por calidad visual. No siendo posible, sin embargo, discriminar la densidad. La recopilación y homogeneización de datos de mediciones con equipos no destructivos portátiles de varios grupos de investigación españoles, mostró que existen hasta la actualidad datos de aproximadamente 9500 piezas de madera aserrada estructural, de las cuales, más de 3000 son de gran escuadría, y puso de manifiesto la necesidad de normalizar el uso de otras técnicas no destructivas aparte de la clasificación visual para clasificar madera. ABSTRACT This Doctoral Thesis entitled: “The influence of physical and geometrical factors on timber stress-grading by non-destructive techniques”, contains analyses, results and conclusions regarding several factors’ influence (moisture content, measurement length and sensors position) on non-destructive variables. Furthermore, visual strength grading results and physical and mechanical properties (density, modulus of elasticity and bending strength) according to the EN 408 standard are presented. The non-destructive results from several Spanish research groups are also compiled and homogenized. Two timber batches of four Spanish species (radiata pine, Scots pine, laricio pine and maritime pine) were used in these studies. Batch 1a: 100 specimens (25 of each species) with nominal dimensions of 100x150x3000 mm. Batch 1b: 100 specimens (25 of each species) with nominal dimensions of 100x150x500 mm. Batch 2: 120 specimens (30 of each species) with nominal dimensions of 90x140x4000 mm. Measurements were taken using non-destructive devices such as ultrasound waves, sonic stress waves, longitudinal vibration, penetration tester and screw withdrawal. The influence of timber moisture content on non-destructive variables was studied, and adjustment models for 12% reference moisture content by device and species were obtained. Adjustment coefficients range from: 0,58% to 0,77% for acoustic and vibration techniques, 1,7% to 2,2% for penetration resistance, and 2,1% to 2,8% for pullout resistance. Physical and mechanical properties estimation models for non-destructive techniques were proposed, with determination coefficients up to: 68% for density, 92% for modulus of elasticity and 70% for bending strength. Furthermore, no constant velocity was observed for different lengths when measured with acoustic devices. A clear tendency of velocity to decrease with increased length was found. As correction of this effect is affected by several factors (device, species and timber quality), it was not possible to obtain a correction model. A velocity correction procedure was therefore proposed. No significant statistical differences were found between face-to-face and edge-toedge direct and indirect ultrasound velocity measurements. However, significant statistical differences were found between these velocities and end-to-end velocities. Adjustment models between end-to-end and the other velocities were proposed, obtaining determination coefficients of up to 97%. Wet (up to 24% rejected) and dry (up to 84% rejected) visual strength gradings in the same batch were found to differ widely. In both moisture content situations, a correct discrimination between modulus of elasticity and bending strength was found by visual strength grade. Nevertheless, it was not possible to discriminate by density. Compilation and homogenization of non-destructive results from several Spanish research groups with circa 9500 specimens (more than 3000 of gross cross-section) showed the necessity to standardize the use of non-destructive techniques