La presencia de agua en la madera tiene varias implicancias de interés. Como todo tejido vivo, la madera contiene una fuerte proporción de agua. Parte de esta agua está en combinación en las sustancias constituyentes de la madera y permanece constante en cantidad. Existe además una cantidad de agua que no forma parte integrante de la madera, que puede eliminarse por secamiento y que constituye la humedad de la madera. Esta humedad se presenta en dos formas: como humedad de saturación de las fibras, retenida por las membranas celulósicas, y como agua libre, contenida en los espacios intercelulares. La madera del árbol recién cortado tiene un alto contenido de humedad, entre 40 y 250 %, medida en relación con el peso seco de la madera como se indica más adelante. Cuando se elimina toda el agua libre, la humedad llega al punto de saturación de las fibras, que en todas las especies es de aproximadamente 30 %. El agua libre no tiene influencia sobre el volumen de la madera; por el contrario el agua de saturación es de la mayor importancia al considerar las contracciones de la madera. En efecto, cuando la humedad baja del 30 %, la madera empieza a contraerse y estas contracciones son proporcionales a la humedad perdida bajo el 30 %. La madera se contrae más tangencialmente (εθ = reducción del perímetro de los anillos de crecimiento) que radialmente (εr=reducción del tronco en dirección radial), mientras la contracción longitudinal (εl = paralelo a las fibras) es insignificante (Fig. 1.18). Estas deformaciones varían considerablemente con la especie, valores típicos para 0 % de humedad son εθ =0,08; εr = 0,04 y εl = 0,002, y para 15 % de humedad εθ = 0,04; εr=0,015; εl = 0,001. Inversamente, la madera se hincha al aumentar su contenido de humedad, comportamiento que queda gobernado por las mismas relaciones que rigen la contracción.
Figura 1.18 Contracción de la madera con la pérdida del agua de saturación
Uno de los métodos para medir la humedad es el de secado al horno. Las muestras se mantienen a una temperatura ligeramente superior a 100 °C entre 12 y 48 horas hasta que se alcance un peso constante. La humedad se determina con la siguiente fórmula :
Peso seco Por su higroscopicidad, la madera es capaz de absorber y exhalar humedad por contacto con el agua o el aire. Bajo una prolongada exposición a un determinado ambiente el contenido de humedad se estabiliza, experimentando ligeras variaciones diarias y estacionales. Se dice entonces que la madera ha llegado a la humedad de equilibrio. La humedad de equilibrio de maderas expuestas a la intemperie en Chile varía en general entre 12 y 18 %; valores específicos para distintas localidades se presentan en la norma NCh1 198.Of91. La misma norma permite suponer humedades de equilibrio promedio de 9 y 12% en recintos cubiertos cerrados con y sin calefacción continua, respectivamente.
La resistencia y el módulo de elasticidad de la madera son inversamente proporcionales al contenido de humedad, como se observa en la Tabla M.1. Por ello, las tensiones admisibles y el módulo de elasticidad, que se especifican para la condición de madera seca (H = 12 %), deben reducirse cuando las condiciones corresponden a una humedad de equilibrio que excede al 12%, aplicando el factor de reducción por humedad:
en que Hs es la humedad en % en condición de servicio y ΔR el factor dado por la Tabla 1.4.
La Fig. 1.19 muestra una curva tensión-deformación de un ensayo de carga axial sobre una muestra de madera seca. El comportamiento es lineal elástico hasta la tensión σp o límite de proporcionalidad; luego la curva deja de ser lineal y se alcanza finalmente la tensión de ruptura σr. Como puede observarse, la madera es un material eminentemente frágil, con deformaciones unitarias de rotura similares a las del hormigón en compresión. Muchos se sorprenden al oír que la madera es frágil, ello porque confunden los conceptos de ductilidad y flexibilidad, que suelen emplearse como sinónimos en el lenguaje cotidiano, aunque no lo son, y menos aún para los precisos significados que se les asigna en ingeniería estructural; mayor discusión sobre estos conceptos se presenta en la Sección 1.2.2.4.
Figura 1.19 Relación tensión-deformación de una muestra de madera
Directamente de la figura puede concluirse que la resistencia a la tracción de la madera es mayor que en compresión, como se aprecia también en la Tabla M.1; naturalmente ello se debe a la constitución fibrosa del tejido vegetal. En la tabla también se aprecian notables diferencias entre las compresiones paralela y normal a las fibras, y entre las tensiones de cizalle y las longitudinales.
Estos antecedentes justifican la afirmación inicial que las propiedades de la madera dependen del tipo de solicitación. La tabla muestra pocos resultados en tracción axial, pues es un ensayo difícil de realizar, privilegiándose el ensayo de flexión y asumiéndose que la resistencia a la tracción paralela a las fibras es igual a un 60 % de la de flexión.
La especificación de tensiones de diseño admisibles de la madera es un complejo proceso de varias etapas:
• Medición de tensiones de rotura en flexión σrf, y compresión axial σrc, y módulo de elasticidad en flexión Ef, en base a ensayos sobre probetas pequeñas libres de defectos en estado verde (H ≥ 30 %) y seco a H = 12 %. Los ensayos se realizan de acuerdo a lo especificado en las normas NCh973.Of86 y NCh987.Of86, y se resumen para cada especie maderera en términos de sus valores promedio (
• Clasificación de la especie en alguno de los grupos que define la norma NCh1989.Of86 conforme a valores mínimos de las propiedades resistentes recién citadas. Los grupos que se basan en propiedades de la madera en estado verde (H ≥ 30 %) y seco (H = 12 %), se presentan en la Tabla M.2. Las especies de propiedades mecánicas conocidas (ver NCh1989. Of86) han quedado clasificadas en los grupos que se presentan en la Tabla M.3.
• Las propiedades resistentes de probetas libres de defectos no pueden extrapolarse a piezas de madera de dimensiones normales para uso estructural. En éstas pueden hallarse presentes una gran variedad de defectos detrimentales para la resistencia, entre ellos pueden mencionarse los nudos, grietas, deformaciones de secado, pudrición, entre muchos otros que define la norma NCh992.E0f72. Un glosario de defectos en piezas de madera se presenta en la Tabla M.4. Las normas NCh1970/1.Of88 y NCh1970/2.Of88 definen cuatro grados de calidad para la clasificación visual de la madera según la magnitud de los defectos presentes, asociando a cada grado una fracción de la capacidad resistente del mismo material libre de defectos. Tal fracción se denomina razón de resistencia y corresponde a 0,75, 0,60, 0,48 y 0,38 para los Grados Estructurales 1 a 4 respectivamente. Según el grado estructural y el grupo a que pertenece cada especie se definen Clases Estructurales (NCh1990.Of86). Estas clases, para maderas en estado verde y seco, se muestran en la Tabla M.5.
• A continuación se debe considerar el contenido de humedad de la madera en el momento de la construcción (Hc) y puesta en servicio (Hs), y el espesor de las piezas. Dependiendo de estos parámetros, como indica la Tabla M.6, se determina el grupo que se debe considerar (verde o seco) para escoger la clase estructural pertinente, usando la Tabla M.5.a o la M.5.b para la determinación de tensiones admisibles.
• En función de la clase estructural