Evaluación del comportamiento funcional de la madera maciza en condiciones de uso exterior

Abstract

Desde las primeras décadas del siglo XXI, la madera está ocupando una mayor presencia en el sector de la construcción, en parte, debido al gran elenco de productos innovadores en base madera desarrollados por la industria, tales como el tablero contralaminado, la madera microlaminada, los tableros mixtos y la madera laminada, entre otros. Por otra parte, la creciente demanda que experimenta la madera por la mejora de la sostenibilidad en el sector conduce a un aumento en el empleo de materiales naturales, renovables y mejor adaptados al uso, que ayudan a reducir la huella ambiental del proceso edificatorio. Se observa en muchos casos que la madera ha sido incorporada a las diferentes soluciones constructivas con un escaso conocimiento del material, empleando para ello las mismas reglas utilizadas con el hormigón, el acero o los materiales cerámicos. La carencia de diseños específicos para las soluciones constructivas con madera ha puesto en riesgo, en muchos casos, la durabilidad de las soluciones adoptadas, lo que ha conducido a rehabilitaciones tempranas, con el consiguiente consumo de recursos y generación de impactos ambientales. La presente Tesis Doctoral recoge los principales resultados de la investigación sobre la caracterización del comportamiento funcional de la madera en condiciones de uso exterior, por ser la situación que puede plantear algún tipo de restricción en la durabilidad de los productos y soluciones constructivas basados en la madera. La primera de las líneas de investigación de este trabajo versa sobre la mejora de los sistemas de monitorización del clima del material, necesarios para contar con datos de calidad sobre la interacción clima geográfico-clima del material, se relacionó la resistencia eléctrica medida con xilohigrómetros de resistencia y el contenido de humedad de diferentes maderas. Las curvas de calibración obtenidas para las maderas más comunes para el mercado español pueden ser empleadas para estimar, de forma no destructiva, el contenido de humedad a partir de la medición de su resistencia eléctrica. Estas curvas son de interés para su empleo en los aparatos de medida de tipo portátil y en los sistemas de monitorización continua de la evolución del contenido de humedad de maderas expuestas a la acción del clima exterior, considerando además el efecto de determinadas variables de diseño. En una segunda línea se aborda la cuantificación y modelización del riesgo de pudrición de la madera a nivel nacional, en función de las condiciones climáticas de entorno empleando el índice climático de Scheffer, en contraposición de la aproximación noreuropea que se basa en modelos dosis-respuesta. Además, se calculan valores del índice de Scheffer modificado, considerando días sin lluvia pero con condensación, el riesgo de degradación física y dimensional de la madera y los índices de severidad climática de verano e invierno. Los resultados indicaron que el riesgo de pudrición, evaluado en función del valor del índice Scheffer, está regido fundamentalmente por la severidad climática estival (SCSI) en las zonas costeras y por las severidades tanto de verano como de invierno (WCSI) en las zonas del interior, siendo el valor relativo de la insolación la variable con mayor efecto significativo, tanto en verano como en invierno. Se destaca la novedad de evaluar el efecto de las condensaciones sobre el riesgo de pudrición, lo cual permite proporcionar una nueva expresión para el cálculo del índice Scheffer y concluir que la presencia frecuente de condensación es un factor agravante y, por tanto, esta variable meteorológica debe ser considerada en el cálculo del riesgo de pudrición. Un tercer trabajo aborda el efecto de la especie en la resistencia biológica de la madera. Mediante un amplio dispositivo experimental instalado en distintas ubicaciones del territorio nacional, se obtiene la evolución del clima de diferentes especies en función del clima meteorológico exterior. Los datos analizados permitieron mostrar que para las especies de frondosas incluidas en el estudio, existe un claro efecto de la especie en el riesgo de pudrición; sin embargo, no ocurre lo mismo para las especies de coníferas analizadas, siendo el comportamiento muy similar entre ellas. Finalmente, en la presente Tesis Doctoral se incluye el estudio sobre el efecto del diseño constructivo en la evaluación de la exposición de la madera en condiciones climáticas continentales. Mediante un dispositivo experimental ubicado en Madrid (España) se analiza la evolución del contenido de humedad de la madera afectado por diferentes condiciones de diseño durante un período de tres años. En concreto, se evalúa el efecto de la protección por aleros, la separación de los pilares respecto del suelo y la disposición vertical u horizontal de los elementos de madera sobre la evolución del contenido de humedad y el riesgo de pudrición, verificando la existencia de un efecto significativo. Los cuatro estudios incorporados en esta Tesis Doctoral permiten avanzar en el conocimiento del efecto de los climas nacionales, de las especies de madera y del diseño constructivo en el riesgo de pudrición de la madera en España. Se avanza además en el conocimiento sobre la forma de cuantificar este riesgo en función de la localidad geográfica considerada y la mejor forma de medir el contenido de humedad que, junto con la temperatura, son las variables que guardan una relación más estrecha con la cinética de las degradaciones por pudrición.

Since early decades of 21st century, wood has gained a stronger presence in construction sector, partly due to the important range of innovative wood-based products as CLT, LVL and SIP panels; glued laminated timber, among others. Furthermore, the growing demand of wood as a result of its contribution to the improvement of sustainability of that sector leads to an increase in the use of natural and renewable materials which are better adapted to that use and help reducing the environmental footprint of the building process. It is often observed that wood has been incorporated into diverse constructive solutions under a scares knowledge of the material and following the same criteria used with concrete, steel or ceramic materials. Shortage of specific designs for wood-based constructive solutions has often threatened the durability of adopted solutions which has led to early rehabilitation, with the consequent consumption of resources and generation of environmental impacts. This Doctoral Thesis collects main results of the research on the characterization of the functional behaviour of wood in conditions of outdoor use, as it is the main situation that may involve some type of restriction in the durability of wood-based products and constructive solutions. The first target in this work was the improvement of material climate monitoring systems, in order to to obtain high-quality data about interaction between geographical climate and material climate, electrical resistance measured with a resistance xylohigrometer and moisture content of different woods was related. The calibration curves obtained for the most important woods for the Spanish market can be used to estimate, in a non-destructive way, the wood moisture content through the measurement of the electrical resistance. The interest in these curves lays on the possibility of using portable measuring devices and continuous monitoring systems of the evolution of the moisture content of wood exposed to the action of the outdoor climate, while considering the effect of certain design variables. In the second target, the quantification and modelling of the risk of wood decay, at national level, is addressed, according to climatic conditions in the environment by using the Scheffer climatic index, in opposition to the northeuropean approach based on doseresponse models. In addition, values for the modified Scheffer index have been calculated, considering non-raining days – but with condensation-, wood physical and dimensional degradation risk and severity summer and winter indexes. Results indicates that decay risk, according to Scheffer index, is mainly governed by summer climatic severity (SCSI) in coastal areas and by summer and winter severities (WCSI) in continental areas, being the insolation relative value the variable with a higher significant effect both in summer and winter. The novelty of evaluating the effect of condensation on decay risk has to be highlighted, which allows to provide a new expression to calculate the Scheffer index and conclude that the frequent presence of condensation is an aggravating factor and, consequently, this meteorological variable must be taken into consideration in rot risk calculation. A third target addressees the effect of the specie variable in the biological wood resistance. Through a large experimental device installed in different locations of the national territory, the evolution of the climate of different wood species is obtained depending on the external meteorological climate. Analysed data allowed to conclude that there is a clear species effect on decay risk for the hardwood species included in the study; however, it is not the case with considered conifer species, which have a similar behaviour among them. Finally, this Doctoral Thesis includes a study on the effect of constructive design on the assessment of wood exposition to continental climatic conditions. Using an experimental device located in Madrid (Spain), the evolution of the moisture content of different elements affected by different design conditions is analysed over a period of three years. Specifically the effect of the protection by eaves, the separation of the pillars with respect to the ground and the vertical or horizontal arrangement of the timber elements on the evolution of moisture content and the risk of decay are evaluated, verifying the existence of a significant effect. The four studies included in this Doctoral Thesis enable advancement in knowledge of the effect of national climates, wood species and construction design on the risk of wood decay in Spain. Progress is also being made in the knowledge of how to quantify this risk on the basis of the geographical location considered and the best way to measure the moisture content in an accurate way, which, together with temperature, are the variables that have a closer relationship with the kinetics of decay.