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Introducción
Tectona grandis L. f. es una especie tropical de madera dura, estimada como de alta calidad y de gran valor en el mercado (ITTO, 2013). Es considerada como una de las más valiosas del mundo por su atractivo aspecto, durabilidad natural y estabilidad dimensional; su carácter no corrosivo se debe a que posee aceites naturales, que la hacen resistente a termitas y hongos (Fonseca, 2004). Es usada para la construcción de puentes y muelles (por su excelente resistencia al agua), vagones y durmientes de ferrocarril, carpintería e incluso para la cubierta de barcos (FAO, 2010).
En México, se estima el consumo anual de madera en 12.5 millones de m3, mientras que la producción local es de 9.4 millones de m3, lo que genera la necesidad de importar el diferencial. Para subsanar este déficit, se han promovido en México las plantaciones forestales comerciales, como la de teca que para 2014 estaba plantada en 25 324 ha (Conafor, 2014).
Los ensayos de las propiedades físicas y mecánicas de las maderas se realizan con el objeto de proponer los usos probables y obtener datos necesarios para el cálculo de estructuras elaboradas con dicho material. Dicha información permite el uso correcto de la madera en proporción mínima, y debe garantizar la seguridad en los parámetros de diseño (Hoheisel, 1981).
En varios países se han desarrollado trabajos de investigación tendientes a determinar las propiedades físico-mecánicas de la madera de teca. En Costa Rica, Muñoz y Moreno (2013) las evaluaron en Tectona grandis L. f. y Terminalia amazonia (J. F. Gmel.) Exell provenientes de plantaciones comerciales; los autores incluyeron la contracción en dirección radial (CR), tangencial (CT) y volumétrica (CV); el coeficiente diferencial CT/CR o índice de distorsiones y alabeos, así como su relación con las propiedades físicas como peso específico básico (PEB), punto de saturación de la fibra (PSF), densidad normal (DN) y contenido de humedad (CH). En Brasil, Blanco et al. (2014) caracterizaron las propiedades de madera joven de plantaciones de la primera especie mencionada y las compararon con datos de otros lugares del mundo.
Rodríguez et al. (2014) estudiaron la influencia de la edad y la procedencia en las propiedades físico-mecánicas de la madera de teca de plantaciones comerciales de Campeche, Tabasco y Chiapas. Esta información simplifica los procesos de transformación para productos finales. Si se parte del supuesto de que el taxón en cuestión es introducido en México, resulta indispensable conocer su comportamiento físico y mecánico, pues Tectona grandis constituye una alternativa promisoria para plantaciones en el estado de Michoacán (Muñoz et al., 2011).
El objetivo del presente trabajo fue describir las propiedades físico-mecánicas de la madera de teca de una plantación comercial en Nuevo Urecho, Michoacán y contrastarlas con otras experiencias nacionales y extranjeras.
Materiales y Métodos
Área de estudio
El material vegetal procedió de seis árboles de Tectona grandis seleccionados con base en sus características dasométricas, y representativos de sitios de muestreo permanente de una plantación forestal comercial ubicada en el paraje El Mirador, municipio Nuevo Urecho, Michoacán (centro occidente de México). Forma parte del Eje Neovolcánico Transversal, en el que están integrados los cerros El Tipítaro, de Las Gallinas, de Agua Fría y de Las Cuevas (Inafed, 2010).
Sus coordenadas geográficas son 19°1’39.6” N y 101°51’53.3” O, y una altitud promedio de 617 m. Los principales suelos corresponden a Vertisol (38.32 %), Luvisol (32.24 %), Leptosol (26.08 %), Phaeozem (2.84 %), Fluvisol (0.28 %) y Regosol (0.03 %). La fórmula climática es Awo(w), que describe un clima cálido subhúmedo con lluvias en verano, de menor humedad (91.16 %), semiseco muy cálido (6.93 %) y cálido subhúmedo con lluvias en verano, de humedad media (1.14 %), semicálido subhúmedo con lluvias en verano, de humedad media (0.51 %) y semicálido subhúmedo con lluvias en verano, de mayor humedad (0.26 %); temperatura de 20 a 28 °C y de precipitación anual de 700 a 1 100 mm (Inegi, 2009).
Los ensayos físicos y mecánicos se realizaron en el Laboratorio de Tecnología de la Madera del Instituto Tecnológico de El Salto, Pueblo Nuevo, Durango. Las pruebas mecánicas se hicieron en una máquina Universal de ensayos mecánicos, marca INSTRON® con capacidad de 60 toneladas.
Selección de los árboles muestra
Para la recolecta del material se siguieron las recomendaciones de la Norma COPANT 458 (Comisión Panamericana de Normas Técnicas) referida a la selección y colección de muestras destinadas al estudio de las propiedades físicas y mecánicas de la madera. A cada árbol seleccionado se le midieron sus dimensiones dasométricas (Cuadro 1).
Cuadro 1 Características dasométricas de los árbole seleccionados para los ensayos físicos y mecánicos.
De cada fuste se cortó una troza de 1 m de longitud a partir la altura del tocón (0.30 cm) para elaborar los prismas, y de estos, las probetas necesarias para los ensayos físicos y mecánicos. Cada troza se dividió en cuadrantes (N, S, E, O) para que las piezas tuvieran bien definidos los planos radial y tangencial, de acuerdo a las recomendaciones de Quiñones (1974). Cada vigueta consistió de un prisma de 7 x 7 cm de sección transversal por 100 cm de longitud, las cuales se enumeraron por el número del árbol y la troza correspondiente. La elaboración final de las probetas se realizó de acuerdo a lo indicado en las normas COPANT (Copant, 1972).
Preparación de las probetas
El trabajo se llevó a cabo en la Unidad de Tecnología de la Madera del Instituto Tecnológico de El Salto. El material en estado verde, se apiló bajo techo y se acondicionó hasta alcanzar 48.0 % de contenido de humedad a continuación, se elaboraron las probetas definitivas, 12 de 2 cm de lado para determinar la densidad de la madera y 12 más, de 5.08 x 5.08 x 10.16 cm, para las contracciones de la misma.
Determinación de propiedades físicas
Para el diseño y ejecución de los ensayos físicos, se siguió la metodología sugerida por las normas: COPANT 459 (Acondicionamiento de las maderas destinadas a ensayos físicos y mecánicos); 460 (Método de determinación del contenido de humedad en maderas); 461 (Cálculo del peso específico en maderas); y 462 (Determinación de las contracciones en maderas) (Copant, 1972).
Contenido de humedad
La norma COPANT 460 precisa el método para la determinación del contenido de humedad de la madera mediante la fórmula siguiente:
1
Contracción de la madera
Inmediatamente después elaborar las probetas destinadas a los ensayos de contracción, se marcaron dos puntos de medición en la cara tangencial y radial para tomar las lecturas en el mismo punto; se pesaron en una báscula digital Ohaus EP2102C para la obtención del peso inicial y se midieron las dimensiones de las probetas en estado verde.
Enseguida, se les depositó en una estufa de secado Yamato DNE910 con una temperatura inicial de 85 °C, la cual fue incrementándose hasta llegar a los 105 °C durante los cinco días en que se monitoreó la pérdida de humedad, hasta alcanzar peso constante, y se hizo una última remedición de sus planos en estado anhidro. Los cálculos se realizaron de acuerdo a la norma COPANT 462 como sigue:
2
Densidad de la madera
El método para calcular la densidad de la madera se basa en la norma COPANT 461, en la que se sugieren las dimensiones que deben tener las probetas y el instrumental que se utilizará. Para ello, se elaboraron 12 probetas de madera de 2 x 2 x 2 cm; una vez extraídas se midieron con un calibrador (vernier) y se pesaron en una báscula digital Ohaus EP2102C.
Posteriormente, se introdujeron en una estufa de secado Yamato DNE910 a 105 °C, donde se les monitoreó hasta obtener el peso constante; se midieron de nuevo y se pesaron para registrar los pesos y volúmenes anhidros. Se aplicaron las siguientes relaciones:
4
Donde:
Db |
= Densidad básica (g cm-3) |
P0 |
= Peso anhidro (secado en estufa) de la madera (g) |
Vv |
= Volumen verde de la probeta (cm3) |
5
Donde:
Dv |
= Densidad verde (g cm-3) |
Pv |
= Peso verde de la madera (g) |
Vv |
= Volumen verde de la probeta (cm3) |
6
Determinación de las propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas de la madera están relacionadas con su comportamiento ante la acción de fuerzas externas o internas (Echenique y Robles, 1993). Para llevar a cabo los ensayos mecánicos, se siguió la metodología recomendada en las normas: COPANT 459 (Acondicionamiento de las maderas destinadas a ensayos físicos y mecánicos); se prepararon seis diferentes tipos de probetas para los ensayos de compresión paralela (COPANT 464, método de determinación de la compresión axial o paralela a la fibra) y perpendicular (COPANT 466, método de determinación de la compresión perpendicular a la fibra), tensión perpendicular (COPANT 743, método de ensayo de tracción perpendicular a la fibra), clivaje o desgarre (COPANT 741, método de determinación de la resistencia al clivaje o desgarre), cizalla o cortante (COPANT 463, método de determinación del cizallamiento paralelo a la fibra) y dureza (COPANT 465, método de determinación de la dureza).
Compresión paralela a la fibra
Para el ensayo de compresión paralela a la fibra se utilizaron seis probetas de 20.32 x 5.08 x 5.08 cm. La aplicación de carga fue a razón de 0.6 mm min-1. Los datos obtenidos permitieron determinar los esfuerzos al límite proporcional (ELPc) y a la carga máxima (ECMc), además del módulo de elasticidad (MOEc):
Compresión perpendicular a la fibra
El ensayo de compresión perpendicular a la fibra se realizó en seis probetas de 15.24 x 5.08 x 5.08 cm. La velocidad del ensayo fue de 0.3 mm min-1. El cálculo correspondiente es el esfuerzo al límite de proporcionalidad:
Tensión perpendicular a la fibra
El método de ensayo de tensión perpendicular a la fibra se llevó acabo con 12 probetas de 5.08 x 5.08 x 6.35 cm. La mitad se elaboraron de tal forma que la superficie de rotura fuera un plano tangencial a los anillos de crecimiento y la otra mitad en un plano radial. La velocidad de aplicación de la carga del ensayo fue de 2.5 mm min-1. Con la carga soportada por la probeta se calculó el esfuerzo máximo a tensión perpendicular. Posteriormente, una sección de la superficie de rotura se destinó para calcular el contenido de humedad:
Dureza Janka
El ensayo de dureza se hizo en seis probetas de prismas rectos, cuyas dimensiones fueron 5.08 x 5.08 x 5.08 cm. Cada probeta se trabajó en uno de los planos radial, tangencial y trasversal. El ensayo consistió en introducir una semiesfera de 1 cm2 en cada una de las caras, con una velocidad de aplicación de carga de 6 mm min-1, que se mantuvo constante durante el ensayo, hasta conseguir la penetración total de la semiesfera, momento en que se detuvo la prensa y se retiró la probeta. Los valores de la penetración se expresan directamente en kilogramos fuerza.
Cizalla o cortante paralelo a la fibra
Para el ensayo de cortante se utilizaron 12 probetas de 6.35 x 5.08 x 5.08 cm recortadas en una de sus caras. La mitad de ellas se preparó de manera que el plano de falla fuera tangente a los anillos de crecimiento y que la otra mitad de dicho plano, fuera radial; es decir, perpendicular a la tangente de los anillos de crecimiento. Las medidas de las probetas se compruobaron en el momento del ensayo, con la precisión requerida de acuerdo con su propósito.
La probeta se colocó en el dispositivo del cortante de manera que la cara de 5.08 x 6.35 cm quedara paralela a la pieza móvil, y se ajustó al accesorio para asegurar que la carga aplicada sobre ella produjera un esfuerzo paralelo lo más cercano al cortante. La velocidad fue de 0.6 mm min-1 y solo se registró la carga máxima:
Desgarre o clivaje
Se elaboraron 12 probetas de 9.53 x 5.08 x 5.08 cm. La mitad se probaron de tal forma que la superficie de rajado fuera en un plano tangencial a los anillos de crecimiento, y la otra mitad en un plano radial. La velocidad de aplicación de carga fue de 2.5 mm min-1 ± 0.6 mm min-1, y se continuó el ensayo hasta que se produjo la rajadura de la probeta:
Resultados y Discusión
De acuerdo con los resultados obtenidos en los ensayos para las propiedades físicas y mecánicas, y a la clasificación propuesta por FPL (1974), Aróstegui (1980), Bárcenas (1985), IAWA (1989), Fuentes et al. (2002) y Sotomayor y Ramírez (2013), la madera de T. grandis procedente de la plantación forestal comercial de Nuevo Urecho, Michoacán tiene las características que se describen a continuación.
Propiedades físicas
La madera de T. grandis presenta una densidad básica de 0.59 g cm-3, se cataloga como pesada. Respecto a las propiedades relacionadas con cambios dimensionales, los valores obtenidos para las contracciones volumétrica, tangencial y radial la clasifican como estable en sus dimensiones, con una contracción volumétrica total muy baja (5.15 %) (Cuadro 2).
DE = Desviación Estándar
Cuadro 2 Propiedades físicas de la madera de Tectona grandis L. f., Nuevo Urecho, Michoacán.
En el Cuadro 3 se muestran los valores de densidad básica para maderas de teca de diferentes procedencias y edades. El resultado de densidad básica en el presente estudio es similar al indicado para la especie procedente de plantaciones de Bolivia de ocho años de edad, con 0.58 g cm-3 (Rivero y Moya, 2012) y de México en plantaciones de 21 años de edad, con una densidad básica de 0.60 g cm-3 (Rodríguez et al., 2014).
a = Gutiérrez et al., 2008; b = Rivero y Moya, 2012; c = Muñoz y Moreno, 2013; d = Blanco et al., 2014); e = Rodríguez et al., 2014
Cuadro 3 Comparación de las propiedades físicas para Tectona grandis L. f. en estudios de otras procedencias
El efecto que produce la edad del cambium sobre la densidad básica, con base peso anhidro/volumen verde (Po/Vv) de la madera no está claramente establecido para muchos taxa, debido a que interactúa con otros factores como el manejo silvícola, la genética, la especie, la localización geográfica, el sitio y la altitud, entre otros (Zobel y Van Buijtenen, 1989).
La relación de anisotropía (RAN) es un índice para conocer el comportamiento dimensional de la madera durante el secado; por la generación de defectos debido a distorsiones y alabeos, entre mayor sea, se hace más alta la probabilidad de que ocurra una distorsión o deformación en la pieza de madera por el cambio de humedad en un proceso de secado, o cuando la madera esté en servicio (Muñoz y Moreno, 2013). El coeficiente diferencial RAN indicó, que la contracción tangencial es dos veces la contracción radial (Cuadro 2), que coincide con lo registrado por Simpson y Tenwolde (1999). Al comparar la relación de anisotropía de T. grandis de otras procedencias (Cuadro 3), en Bolivia Rivero y Moya (2012) registraron contracciones totales de 2.12 % y la clasificaron como moderadamente estable. En plantaciones de Ecuador, presentó 2.96 % y Gutiérrez et al. (2008) la consideraron como madera inestable; mientras que en Costa Rica, Muñoz y Moreno (2013) la definen de baja deformación, con 1.27 %. En general, la madera de teca de este estudio y de otras procedencias tiene estabilidad dimensional similar.
El resultado de la relación de anisotropía para la especie mostró un valor de 2.02 (Cuadro 2), que de acuerdo con Sotomayor y Ramírez (2013) se clasifica como medio; Silva et al. (2010) refieren que la estabilidad dimensional es un término cualitativo útil para calificar el movimiento dimensional de la madera expuesta a cambios cíclicos de humedad relativa del aire y de temperatura. Entre más bajos son los valores de anisotropía, se infiere una mayor estabilidad de la madera. Este valor coincide con los registros para plantaciones de teca en Brasil (Blanco et al., 2014), cuya relación de anisotropía media fue de 1.82 (Cuadro 3); y para los estudios realizados en el sureste de México, Rodríguez et al. (2014) mencionan que la clasificación de anisotropía va de media a alta (Cuadro 3).
Propiedades mecánicas
Una de las principales funciones de la madera en el tronco y las ramas del árbol vivo es la de soporte mecánico, por lo que una vez transformada esta materia prima en algún producto, dicha propiedad continúa desempeñando un papel esencial en muchas formas de uso.
La compresión paralela ocurre cuando una fuerza actúa de manera paralela a las fibras y corresponde a la resistencia que opone una columna a una carga aplicada en el mismo sentido de la dirección de la fibra; los resultados del ensayo en la madera de Tectona grandis a la edad de 1 años revelaron una resistencia de 326.1 kgf cm-2, por lo que se clasifica como alta (Dávalos y Bárcenas, 1998) (Cuadro 4). Dicho valor fue similar al que Rivero y Moya (2012) dieron a conocer, MOR de 460.6 kg cm-2, e igualmente la clasificaron como alta para una edad de ocho años (Cuadro 5).
*ELPc = Esfuerzo al Límite Proporcional; ECMc = Esfuerzo a la Carga Máxima; MOEc = Módulo de Elasticidad; ELP = Esfuerzo en el límite proporcional; EMT = Esfuerzo Máximo de Tensión; RMC = Resistencia máxima de clivaje; EMV = Esfuerzo Máximo de Cortante; DE = Desviación Estándar
Cuadro 4 Propiedades mecánicas de la madera de Tectona grandis L. f. en Nuevo Urecho, Michoacán
MOR = Módulo de ruptura; MOE = Módulo de elasticidad; ELP = Esfuerzo en el límite proporcional. a = Gutiérrez et al., 2008; b = Rivero y Moya, 2012; c = Blanco et al., 2014; d = Rodríguez et al., 2014. * = Moya et al., 2012
Cuadro 5 Valores promedio de propiedades mecánicas para madera de Tectona grandis L. f. en estudios de diversas procedencias.
La compresión perpendicular ocurre cuando la fuerza solicitante actúa en dirección perpendicular a las fibras y corresponde a la resistencia que opone la madera a una carga aplicada en sentido perpendicular a la dirección de las fibras sobre una cara radial de la probeta (Cuadro 4). El esfuerzo de 33.6 kgf cm-2 derivado del ensayo de compresión perpendicular en la madera de Tectona grandis, la clasifica como baja (Dávalos y Bárcenas, 1998; Aróstegui, 1980). Con respecto a los resultados de otras investigaciones de madera de teca, Gutiérrez et al. (2008) refieren un valor de ELP de 59.2 kg cm-2 para plantaciones de 22 años de edad; estas cifras difieren de los de Moya et al. (2012) quienes establecieron que el valor de compresión perpendicular del ELP era de 263.0 kg cm-2 (Cuadro 5).
La resistencia de la madera a fuerzas que actúan perpendicularmente a la fibra y que tienden a dividir a un miembro se llama esfuerzo de tensión perpendicular a la fibra. Al respecto, los resultados evidenciaron un comportamiento de EMT de 41.2 kgf cm-2, lo que ubica esta propiedad como media según Aróstegui (1980) (Cuadro 4). Esta información es útil para la industria de muebles para calcular el ensamblaje de madera conectada mecánicamente.
El ensayo de desgarre o clivaje indica una RMC de 44.3 kgf cm-2 que, de acuerdo con Aróstegui (1980), se clasifica como media (Cuadro 4). Es superior a los valores de clivaje citados por Moya et al. (2012), de 5.9 a 6.5 kg cm-2, que la califican como baja (Cuadro 5).
Con respecto al ensayo de cizalla de la madera de Tectona grandis, la resistencia fue de baja a media de 63.2 kgf cm-2, según Dávalos y Bárcenas (1998) y Aróstegui (1980) (Cuadro 4). Esos datos son inferiores a los de Rodríguez et al. (2014) en madera de plantaciones del sureste mexicano (86.7 a 15.2 kgf cm-2) y conforme a la clasificación de Prospect (1997), la madera de 9 y 15 años se cataloga como blanda, mientras que la de 21 años, como muy blanda.
El ensayo de dureza registró valores promedio de 545 kgf para los planos laterales (tangencial y radial), que sustenta clasificar la resistencia de la madera estudiada dentro del intervalo de las semiduras; en tanto que, para los extremos (transversal) se observaron valores de 61 kgf, lo cual confirma su clasificación, de acuerdo a Dávalos y Bárcenas (1998) (Cuadro 4). Los valores de dureza señalados son superiores a los calculados por Gutiérrez et al. (2008), en Ecuador; en Bolivia, por Rivero y Moya (2012); y en el sureste mexicano, por Rodríguez et al. (2014); todos ellos coinciden en describir a Tectona grandis como una madera de blanda a muy blanda (Cuadro 5).
Conclusiones
La madera de Tectona grandis de 1 años de edad procedente de la plantación de Nuevo Urecho, Michoacán presenta un valor promedio de densidad básica de 0.59 g cm-3, sin que exista claridad en el efecto que produce la edad sobre esta propiedad a partir de su interacción con otros factores.
Los resultados muestran que algunas propiedades de la madera se aproximan a las de maderas de teca en estudios de otras procedencias, como la contracción volumétrica total que es muy baja (5.15 %), considerada de estabilidad estable en sus dimensiones. Para la compresión paralela se observa una resistencia de 326.1 kgf cm-2, la cual se clasifica como alta.
El ensayo de dureza (545 kgf) permite clasificar su resistencia dentro del intervalo de maderas semiduras.
Los resultados aplican, principalmente, para la zona de Nuevo Urecho, Michoacán y las características de plantación y manejo estudiadas, ya que las propiedades físicas y mecánicas pueden afectarse por las condiciones locales de clima, suelo, manejo y por sus características estructurales.
