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
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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
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Characterization of the fire behaviour of tropical wood species for use in the
construction industry
Javier Ramón Sotomayor Castellanos1 María Pilar Giraldo Forero2, Laia Haurie3
Ana María Lacasta2, Joaquín Montón2 Mariana Palumbo2, Antonia Navarro2
Abstract
Characterization of the fire behaviour of tropical wood species for use in the
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.
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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.
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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
María Pilar Giraldo Forero, Incafust. Catalan Institute of Wood, Forest Sciences
Center of Catalonia CTFC, Spain
Laia Haurie, Universitat Politècnica de Catalunya UPC, Spain
Ana María Lacasta, Universitat Politècnica de Catalunya UPC, Spain
Joaquín Montón, Universitat Politècnica de Catalunya UPC, Spain
Mariana Palumbo, Universitat Politècnica de Catalunya UPC, Spain
Antonia Navarro, Universitat Politècnica de Catalunya UPC, Spain
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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Figure 4: (left) SEM images of the species of wood studied. Tangential section.
(right) corresponding EDS spectra of each one.
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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
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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
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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.
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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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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]
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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.
Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 14, Número 2, Agosto 2018
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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.
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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
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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
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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)
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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®.
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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].
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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.
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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
Apuntamiento -0,8638 -0,9420
Evt
Sesgo 0,7428 0,8599
Apuntamiento -0,4548 -0,2215
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
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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
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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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134. Madison: Forest Products Laboratory. 2002.
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content for physical and mechanical tests. ISO 13061-1: 2014. Geneva: International
Organization for Standardization. 2014.
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for physical and mechanical tests. ISO 13061-2: 2014. Geneva: International
Organization for Standardization. 2014.
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Holzverwertung, 3(5): 97-100, 2001.
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mecánicas de maderas mexicanas. Morelia: Universidad Michoacana de San
Nicolás de Hidalgo. 2015.