miércoles, 16 de enero de 2008

Control de calidad de madera por método Acústico

Introducción.-

La utilización del ultrasonido y tecnicas acústicas en el control no destructivo de materiales data de aproximadamente 65 años. Los primeros exámenes con ultrasonido fueron en la detección de fallas en diferentes materiales, hoy en día se encuentran aplicaciones en medicina con el uso de sonografía, en industria a través de detección de espesores, limpieza con el método de cavitación, detección de heterogeneidades, etc. En el área forestal en los últimos años se puede apreciar un gran auge en la aplicación de control de calidad de diversos tipos de maderas a través del método ultrasónico como por ejemplo la evaluación del cilindro defectuoso central como también en la evaluación de propiedades mecánicas de la madera.
Actualmente las empresas forestales tienen gran relevancia nacional e internacional, es por esto que garantizar la calidad de la madera, junto con tener especies de rápido crecimiento y buena respuesta a tratamientos silviculturales se hace imprescindible.


Una de las especies que responde bien a los factores antes nombrados es una conífera perteneciente a la familia Pinaceae llamada Pinus radiata (D.Don), la que es estudiada en mi tesis, y que fue proporcionada por el centro de estudios forestales (CEFOR) de la Universidad Austral de Chile .
Las muestras proporcionadas por CEFOR son estudiadas en base a propagación de ondas ultrasónicas en la madera, para este efecto se cuenta con un equipo especial para el trabajo en madera que mide tiempo de propagación en dirección paralela a las fibras, emitiendo ondas longitudinales de 16kHz.
Cabe señalar que desde mi punto de vista 16KHz esta en el rango audible y por ende es una onda sonora, otros textos toman los 16 KHz como inicio del espectro ultrasónico.
Este trabajo esta patrocinado por el Dr. Sr. Alfredo Aguilera, y cuenta con los profesores colaboradores Dr. Sr. José Luis Barros y el profesor e ingeniero Acústico Sr. Alfio Yori.


Material y Método.-

De una población de Pinus radiata se tomarón 2 procedimientos distintos del proceso silvicultural, esto es árboles con y sin poda, de los cuales se seleccionó 25 muestras de árboles en pie de cada tipo a los cuales se les medió el tiempo de propagación de la onda. Luego de cada 25 muestras se toma 5 trozas a las que también se les mide tiempo de propagación de la perturbación sonora, luego cada troza es aserrada obteniendo un total de 7 a 9 tablas para luego medir también tiempo de propagación, siempre con el equipo Sylvatest.



Con el tiempo de propagación en cada caso y las dimensiones de la pieza inspeccionada tenemos la velocidad de propagación de la onda.
La teoría de la elasticidad trata con la proporcionalidad entre esfuerzo y deformación en una escala microscópica, utilizando constantes elásticas, esto es σ=Eε donde σ es el esfuerzo uniaxial de tensión o compresión, ε es la deformación y E es el módulo de elasticidad o módulo de Young el cual buscamos y que se puede determinar por medio de la velocidad de una onda de ultrasonido en un material de densidad (ρ), y módulo de Young (E) con la siguiente relación:
v=(E/ρ)^0.5
En los árboles que tuvieron poda la madera con nudos queda aislada al cilindro defectuoso central, que pertenece a la madera juvenil, y la madera lateral, la que pertenece a la madera adulta, queda “limpia” sin defectos importantes.
El caso contrario, árboles sin poda, producen madera con gran cantidad de nudos en zonas que no se desea, estos nudos afectan la densidad de la madera en ese sector lo que trae cambios en la velocidad de propagación de la onda y por ende en el módulo de elasticidad.


Revisión de las cualidades del equipo "ultrasónico" Sylvatest-.

-Ángulo de trabajo:
El equipo electrónico trabaja con ondas longitudinales de 16 kHz lo que implica poder trabajar en trozas y tablas aserradas en forma longitudinal sin problemas, pero en el caso del trabajo con árboles en pie los transductores deben ser colocados, según el manual de usuario, en un ángulo menor a 45º con respecto a la base donde se efectuará la medición. Bajo estas condiciones se sabe que una onda longitudinal puede hacer una conversión de modo, de tal manera de tener en la madera ya no sólo ondas longitudinales sino también ondas transversales, por este motivo se tomó una tabla con mínimos defectos denominada "Clear" de 395 cm de largo a la cual se le realizó un test para ver como afectaba el ángulo de medición; Primero se midió a lo largo con los transductores en posición longitudinal (con 395 cm) arrojando un tiempo de propagación de 740 μs, esto es una velocidad aproximada de V=5347 m/s. Luego se realizó una medición con los transductores en forma oblicua en una distancia total de 378 cm con un tiempo de 707 μs a lo que le corresponde V=5338 m/s, la diferencia de 9 m/s es mínima y esta adjudicada a la profundidad de las perforaciones para colocar los transductores, el recorrido en las fibras de la madera y pequeños defectos de la misma, además de tener claro que la madera no es un cuerpo de distribución de masa de manera perfectamente homogénea.

-Distancia óptima de medición:
La distancia idónea para realizar las medición es la "distancia práctica", esta es la que esta determinada por la apertura de los brazos del operario del equipo, apertura que tiene que ser cómoda para poder afirmar los transductores para un buen acople con la madera, para evitar perdida de energía por reflexión que se produce al existir cambios de impedancia debidos al cambio de medio, aire madera, y para evitar la lectura errónea que se produce por la atenuación por distancia. En un ensayo de medición a diferentes distancias se notó que a mayor distancia de recorrido del haz ultrasónico es menor la velocidad de propagación.


Generalidades de la especie.-

Existiendo dos grandes grupos, Latifoliadas y Coníferas, Pinus radiata D.Don pertenece al grupo de las coníferas que se caracterizan por frutos cónicos, hojas con forma de agujas o alargadas, su madera, generalmente, es resinosa y sus estructuras florales son relativamente simples. El Pinus radiata D.Don esta dentro del subgrupo de bosque plantado artificial-introducido-exótico.

El nombre científico de un espécimen expresa cierta información que lo caracteriza.
Genero:Pinus.
Especie:Radiata (D.Don).
Familia:Pinaceae.
Nombre común:Pino radiata, insigne.


Propiedades de la madera.-

Madera se le llama a troncos, ramas y raíces de árboles y arbustos, desprovistos de su corteza; La madera es un material orgánico, no homogéneo, compuesto por celulosa, que constituye la estructura de las paredes celulares, y lignina que es el material que une las células entre si.
Las células de la madera son huecas y en las coníferas tienen una longitud comprendida entre 3 a 5 mm de longitud y 0.030 a 0.045 mm de espesor, la mayoría de las células se orienta verticalmente en el árbol es por esto que las velocidades de propagación de un sonido son distintas dependiendo de la orientación en que se haga la medición.

Dentro de las propiedades importantes de la madera tenemos el contenido de humedad y la densidad que son factores que afectan de manera notable a la velocidad de propagación de una onda mecánica como el sonido.

-Contenido de humedad (H): Es la masa de agua presente en una pieza de madera, expresada como un porcentaje de la masa de la pieza anhidra.

H=(Ph-P0)*100/P0

Siendo: Ph= peso húmedo de la probeta.
P0= peso anhidro de la probeta, obtenido por secado.

La norma chilena de calculo de construcciones en madera (NCh 1198) define:
Madera en estado verde: H>30%
Madera seca:H<20%>

-Densidad (ρ): La densidad de la madera se define como la relación entre su masa y su volumen, y es necesario referirla a un determinado contenido de humedad, generalmente al 12%. Según su densidad se pueden clasificar en : muy ligera, ligera, semipesada, pesada y muy pesada.


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