Investigación e IIM Ingeniería de la Madera · Andira inermis, Juglans pyriformis, Quercus spp....
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Investigación e IIM Ingeniería de la Madera Volumen 13 Número 1 Abril, 2017 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 Comportamiento al fuego de cinco especies mexicanas. Estudio comparativo. Javier Ramón Sotomayor Castellanos y Mayra Irery Carrillo Gómez
Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 13, Número 1, Abril 2017
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Investigación e Ingeniería de la Madera, Volumen 13, No. 1, enero-abril 2017. 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 abril de 2017. 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. Abril de 2017. Consulta electrónica: www.academia.edu www.researchgate.net 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 Investigación e Ingeniería de la Madera está registrada en: Latindex y Open Journal systems.
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Contenido
Comportamiento al fuego de cinco especies mexicanas.
Estudio comparativo.
Javier Ramón Sotomayor Castellanos y
Mayra Irery Carrillo Gómez ................................................................................ 4
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Comportamiento al fuego de cinco especies mexicanas.
Estudio comparativo.
Javier Ramón Sotomayor Castellanos1
Mayra Irery Carrillo Gómez2
Resumen
La literatura sobre el comportamiento al fuego de la madera reporta que el tiempo
de ignición y la pérdida de masa son proporcionales a la densidad de la madera. De
tal forma, que si se examinan maderas con densidades diferentes, se puede
observar esta tendencia. El objetivo de la investigación fue comparar el tiempo de
ignición y la pérdida de masa de la madera como efecto de la exposición al fuego
de probetas de cinco especies mexicanas. Para tal propósito, se implementó una
prueba de comportamiento al fuego adecuada especialmente para la investigación.
Se estudiaron probetas normalizadas de madera de Tabebuia rosea, Andira inermis,
Juglans pyriformis, Quercus spp. y Cordia elaeagnoides. Se determinó la densidad
de la madera, el tiempo de ignición y la pérdida de masa. Para estas variables se
calcularon los estadísticos descriptivos: media, desviación estándar, coeficiente de
variación, mínimo, máximo y rango. Para la comparación de resultados entre
especies, se realizaron pruebas no paramétricas de Kruskal-Wallis de diferencias
de medianas. Se calcularon las regresiones de tipo potencia y sus coeficientes de
regresión entre el tiempo de ignición y la pérdida de masa como variables
dependientes, y la densidad como variable explicativa. Las especies de madera con
mayores densidades presentan un mejor comportamiento frente al fuego. La pérdida
de masa es proporcional a la densidad de la madera. Los resultados de esta
investigación son particulares al caso de estudio. Se recomienda realizar estudios
adicionales para explicar mejor el rendimiento al fuego de las especies estudiadas.
Palabras clave: tiempo de ignición, pérdida de masa, densidad de la madera.
1 Profesor. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. [email protected] 2 Alumna. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. [email protected]
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Abstract
Fire behavior of five Mexican species. A comparative study. The literature on the fire
behavior of wood reports that the ignition time and the loss of mass are proportional
to the density of the wood. Thus, if it is monitored woods with different densities, it is
possible to observe this trend. The objective of the investigation was to compare the
ignition time and the loss of wood mass as an effect of the fire exposure of five
Mexican species. For this purpose, a test of fire behavior was implemented,
especially for the investigation. Standardized wood samples of Tabebuia rosea,
Andira inermis, Juglans pyriformis, Quercus spp. and Cordia elaeagnoides. It
determined the density of the wood, the time of ignition and loss of mass. For these
variables, the descriptive statistics were calculated: mean, standard deviation,
coefficient of variation, minimum, maximum and rank. For comparison of results
between species, Kruskal-Wallis non-parametric tests of median differences were
performed. Power type regressions and their regression coefficients between
ignition time and mass loss as dependent variables were calculated, and density as
an explanatory variable. Wood species with higher densities show a better behavior
against fire. The mass loss is proportional to the density of the wood. The results of
this research are particular to the case study. Further studies are recommended to
better explain the fire performance of the species studied.
Key words: time of ignition, loss of mass, density of wood.
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Introducción
México tiene un importe recurso natural de bosques. La tendencia contemporánea
preconiza el uso de productos de madera natural y es pertinente debido a la
argumentación de sostenibilidad. Sin embargo, a pesar de esta vocación para la
producción de madera, la participación de los productos de madera en la industria
de la construcción es casi insignificante, en comparación con otros materiales como
el hormigón armado y/o el acero (Comisión Nacional Forestal, 2001).
Debido a la presencia significativa de productos de madera en edificaciones, el
diseño energético y la evaluación de su rendimiento depende en parte de las
propiedades térmicas de la madera. Los datos publicados al respecto muestran
inconsistencias y variaciones, posiblemente debido a las diferencias en los métodos
de ensayo. Igualmente, las propiedades físicas de la madera varían
considerablemente debido a la variabilidad natural del material. Esta problematica
dificulta la implementación de estándares de eficiencia energética de edificios, así
como los esfuerzos para modelar el rendimiento energético (Thi et al., 2016).
Las estructuras de madera deben ser consideradas como armaduras especiales, ya
que la madera es un material combustible y constituye una importante contribución
en la propagación del fuego en caso de incendio. De tal forma, las estructuras de
madera son diseñadas para mantener su resistencia y su estabilidad para asegurar
la seguridad, la vida y la protección de la propiedad en condiciones de incendio. Así,
la madera ha sido un material estructural durante largo tiempo, y presume una
resistencia térmica importante. No obstante, enfoques analíticos y ensayos
experimentales son necesarios para evaluar el comportamiento al fuego de una
estructura de madera (Thi et al., 2016).
Las especies de madera dura tropical son cada vez más utilizadas en el campo de
la construcción debido a las cualidades particulares que pueden ofrecer. En la
actualidad ya no es posible concebir el desarrollo de materiales y productos de
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construcción sin tener en cuenta el problema de su comportamiento al fuego y más
particularmente de su resistencia al fuego. En el caso de productos de madera, esta
característica es influenciada principalmente por la velocidad de combustión de las
capas externas de la madera. Por otro lado este parámetro está influenciado por la
densidad del material (Njankouo et al., 2005).
La combustibilidad sustancial y la supuesta inseguridad de los miembros
estructurales y componentes constructivos de madera, como resultado de los
riesgos potenciales relacionados con el fuego, hacen que su aplicación para
desarrollos estructurales y no estructurales sea bastante restringida. Esta visión
puede tener su raíz en el inadecuado conocimiento de las propiedades de
combustión de la madera cuando se somete a temperaturas elevadas (Rocha &
Landesmann, 2016).
En general, se estudia la degradación térmica de la madera y/o materiales
compuestos de madera por dos razones: por una parte la madera puede ser
utilizada como fuente de energía y materia prima para productos químicos y por
otra, puede contribuir a la expansión del fuego en condiciones de incendio (Grexa
& Lübke, 2001). De aquí la importancia práctica de entender el fenómeno de la
ignición en la madera.
Un objetivo del estudio de la inflamabilidad de la madera y otros materiales
combustibles es determinar las condiciones y factores que afectan su ciclo de
combustión. Estos pueden dividirse en dos grupos: factores primarios y factores
secundarios. Los factores primarios son los relacionados con la composición
química de la madera y sus propiedades físicas y mecánicas. Entre los factores
secundarios se incluyen la fuente de energía, el impacto atmosférico y la estructura
del material (Ragan et al., 2016).
La presente investigación se orienta hacia la observación del comportamiento de la
madera cuando es expuesta al fuego. A manera de marco de referencia, se
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presentan varios argumentos referentes al proceso de descomposición química
durante la combustión de la madera. Los argumentos informativos sobre el
fenómeno de la combustión de la madera sólida, presentados por Ragan et al.
(2016), son los siguientes:
La composición química de la madera varía según las especies, el origen, el
muestreo, la edad y el estado de salud. La madera contiene aproximadamente
49,5% de carbono, 6,3% de hidrógeno y 44,2% de oxígeno. La cantidad de
nitrógeno está en el intervalo de 0,2 a 1,5% dependiendo de las especie. La
proporción de cenizas en la madera varía predominantemente en el rango de 0.2 a
1.2%. Los extractos principales son lípidos, compuestos fenólicos, terpenoides,
ácidos grasos, ácidos resínicos, esteroles y ésteres de esteroles y ceras. La
cantidad de extractivos se sitúa en el intervalo de 2 a 5%, muchos de los cuales son
tóxicos, algunos son alérgenos o tienen propiedades detergentes. Estos extractos
proporcionan un color o sabor específico a la madera (Ragan et al., 2016).
La densidad de la madera es la propiedad importante que afecta todas las
características físicas y mecánicas de la madera y el proceso de combustión. El
material con mayor densidad utiliza más energía para encenderse y quemarse, sin
embargo, las especies arbóreas con mayor contenido de hemicelulosas son más
inflamables incluso en el caso de que tengan mayor densidad. La combustión de
una pieza de madera depende además del tratamiento de su superficie, del tamaño
de la pieza en cuestión y de su contenido de humedad. La velocidad de combustión
disminuye con el aumento del contenido de humedad. La degradación térmica
cambia el color de la madera natural en una capa de carbón negro, que es buen
absorbente de la radiación térmica (Osvald, 1997).
La combustión de la madera provoca la descomposición térmica de los enlaces
químicos de los componentes básicos y transforma su composición química en
productos derivados. De los principales componentes de la madera: celulosa,
hemicelulosa, lignina y extractivos, los menos resistentes a la descomposición
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térmica son las hemicelulosas, que se descomponen en el rango de temperatura de
170 a 240 °C. La descomposición térmica de la celulosa ocurre en el intervalo de
temperatura de 250 a 300 °C. El componente más resistente de la madera es la
lignina. Su descomposición activa tiene lugar a temperaturas entre 300 y 400 °C
(Ragan et al., 2016).
No obstante que es difícil de aplicar resultados experimentales producidos en
condiciones de laboratorio en la conformación de criterios de seguridad en caso de
incendio, hay evidencia empírica que los valores obtenidos de los ensayos de
resistencia al fuego en condiciones de laboratorio se correlacionan con los
resultados de los incendios a gran escala (Babrauskas, 2005; Chung, 2010; Xu et
al., 2015).
Entre otros procedimientos normalizados para estudiar el comportamiento de
productos constituidos de madera se pueden citar: pruebas con horno ISO 834-1
(International Organization for Standardization, 1999) y ASTM 119-14 (ASTM
International, 2014); ensayos con muestras en pequeña escala expuestas a un flujo
de calor constante con calorímetro de cono (Nussbaum, 1988; Tran y White, 1992);
y las de escala de servicio (Walton et al., 1996; Lennon, et al., 2000).]. De estos tres
métodos, el flujo de calor impuesto en el primer y tercer método es variable con el
tiempo de exposición al fuego, mientras que en el segundo método de ensayo, el
flujo de calor impuesto se mantiene constante durante la duración del ensayo.
Respecto al proceso de combustión de la madera y de su comportamiento al fuego
en edificaciones, se puede encontrar información en: Canadian Wood Council
(1996), Babu (2008), Ansell (2012) y Aseeva et al. (2014). En el anexo de esta
investigación se presenta una síntesis de argumentos tomados de Pinto et al.
(2016), Levan & Winandy (1990) y Cachim & Franssen (2010) acerca del fenómeno
de la combustión de la madera desde el punto de vista de la transformación química
del material.
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El fenómeno de la ignición de la madera consiste en las siguientes etapas: cuando
la superficie de un elemento de madera se expone a una fuente de calor externa,
sea por radiación térmica o por convección de gases calientes, el calor se transfiere
desde la superficie hacia el interior. De tal forma, que la temperatura en diferentes
profundidades del sólido se incrementa con el tiempo. En consecuencia, el sólido
experimenta una descomposición térmica y un proceso de degradación química
para producir carbón y gases combustibles (Shen et al., 2013).
Así, los gases combustibles liberados de la superficie expuesta entran en una fase
gaseosa para mezclarse con el oxígeno. Bajo condiciones favorables, se genera
una llama en la superficie. A este fenómeno se le llama "ignición" una vez que la
llama aparece. El encendido iniciado por una fuente de energía piloto (por ejemplo,
una pequeña llama de gas o una chispa eléctrica) situado en la proximidad de la
superficie expuesta del sólido se denomina "ignición pilotada", mientras que el que
no tiene una fuente piloto es llamado “ignición espontánea”. La condición favorable
se define como el "criterio de ignición". La temperatura de ignición, definida como la
temperatura superficial del sólido cuando ocurre la ignición, está bien establecida
como el criterio para predecir el comportamiento de la madera en condiciones de
incendio (Shen et al., 2013).
Por otra parte, para originar la ignición, el material debe calentarse primero mediante
radiación, convección o conducción. Una vez que el material alcanza su temperatura
de pirólisis, es decir, la temperatura de combustión es ausencia de oxígeno,
comienza a descomponerse y produce un gas de pirólisis. Este gas se aleja de la
superficie y se mezcla con el aire fresco circundante para crear una mezcla
combustible. Cuando la concentración de la mezcla combustible es adecuada y la
temperatura es lo suficientemente alta, se produce la ignición. El encendido de los
gases combustibles puede iniciarse de dos maneras: por una parte, el encendido
controlado, el cual se inicia a partir de una fuente de energía local; y por otra, la
autoignición, en la que el encendido se inicia sin una fuente de calor externa
(Boonmee & Quintiere, 2002).
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Tiempo de ignición
El tiempo de ignición es el lapso requerido para establecer la flama sostenida en la
superficie de una muestra expuesta a un flujo de calor incidente y es un factor
importante para evaluar el comportamiento de combustión de los materiales. Cuanto
más corto sea el tiempo de ignición, más inflamable será el material (Boonmee &
Quintiere, 2002; Xu et al., 2015).
Pérdida de masa
Como resultado de la exposición de la madera al fuego, la disminución de la sección
efectiva, expresada como pérdida de masa en un elemento estructural, puede servir
como indicador de la vocación de una especie para su empleo en estructuras y
productos confeccionados con madera. La literatura sobre el comportamiento al
fuego de la madera reporta que la pérdida de masa es proporcional a la densidad
de la madera (Friquin, 2011; Rocha y Landesmann, 2016). De tal forma, que si se
examinan maderas con densidades diferentes, se puede observar esta tendencia.
Los cambios más significativos que se producen por la exposición de la madera al
fuego incluyen pérdida de masa, cambios anatómicos, disminución del contenido de
humedad, modifica su durabilidad natural y provoca variación es sus propiedades
físicas y mecánicas. La pérdida de masa es una de las características más
importantes y se utiliza comúnmente para expresar la calidad de una madera en su
comportamiento al fuego. La pérdida de masa depende principalmente de la
especie, de la temperatura y del tiempo de exposición (Ragan et al., 2016).
Así, el tiempo de ignición y la pérdida de masa ocasionados por la exposición de la
madera al fuego, dependen de la densidad de cada especie en observación. Este
argumento sirve de hipótesis de trabajo para la investigación.
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En la literatura internacional es escasa la información sobre las propiedades de
resistencia al fuego de productos elaborados con maderas tropicales (Hugi et al.,
2007; Hugi & Weber, 2012; Rocha & Landesmann, 2016). Aunado a esto, y no
obstante la importancia del conocimiento del comportamiento de la madera durante
su exposición al fuego, en la bibliografía mexicana no se encontraron estudios
experimentales sobre el tema.
Objetivo
El objetivo de la investigación fue comparar el tiempo de ignición y la pérdida de
masa de la madera como efecto de la exposición de probetas al fuego de cinco
especies mexicanas. Para tal propósito, se implementó una prueba de
comportamiento al fuego adecuada especialmente para este caso de estudio.
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Materiales y métodos
Materiales
Se recolectó madera aserrada de las especies: Tabebuia rosea (Bertol.) DC., Andira
inermis (W. Wright) DC., Juglans pyriformis Liebm., Quercus spp. y Cordia
elaeagnoides (Ruiz & Pav.) Oken, en el Estado de Michoacán (19° 10′ 07″ latitud
Norte - 101° 53′ 59″ longitud Oeste), México.
Se prepararon dos grupos de probetas: un primer grupo de 35 probetas de cada
especie para determinar la densidad y el contenido de humedad y un segundo grupo
igualmente de 35 probetas por especie para realizar las pruebas de comportamiento
al fuego. Todas las probetas se elaboraron solamente con madera de albura y se
revisó que estuviesen libres de anomalías de crecimiento y de madera de duramen.
Para cada probeta del primer grupo, la densidad de la madera al momento del
ensayo se determinó de acuerdo con la norma ISO 13061-2:2014 (International
Organization for Standardization, 2014a). El contenido de humedad de la madera
se calculó por el método de diferencia de pesos según la norma ISO 13061-1:2014
(International Organization for Standardization, 2014b). Las dimensiones de las
probetas fueron de 0,02 m x 0,02 m de sección transversal, por 0,06 m de longitud,
orientadas respectivamente en las direcciones radial, tangencial y longitudinal con
respecto al plano leñoso.
Para el segundo grupo, de cada especie se recortaron al azar 35 probetas siguiendo
las recomendaciones de la norma ISO 3129:2012 (International Organization for
Standardization, 2012). Las probetas fueron almacenadas durante 24 meses en una
cámara de acondicionamiento con una temperatura de 20 °C y una humedad
relativa del aire de 65 %, hasta lograr un peso constante. Las dimensiones de estas
probetas fueron de 0,02 m x 0,02 m de sección transversal, por 0,40 m de longitud,
orientadas respectivamente en las direcciones radial, tangencial y longitudinal.
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Pruebas de comportamiento al fuego
Se preparó un dispositivo de ensayo que consistió en un mechero de gas y dos
soportes para las probetas (Figura 1). Entre los soportes se posicionó la probeta de
tal forma que la llama del mechero impactara en la dirección transversal de la
probeta.
Figura 1. Esquema del dispositivo para las pruebas de comportamiento al fuego.
Figura 2. Fotografía de las pruebas de comportamiento al fuego.
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La metodología implementada para las pruebas de comportamiento al fuego
consistió en las siguientes etapas:
1. Se midieron el peso y las dimensiones de la probeta.
2. La probeta se posicionó en el dispositivo para las pruebas de comportamiento al
fuego (Figuras 1 y 2). La orientación fue la dirección radial coincidiendo con el flujo
vertical de la flama.
3. La probeta se expuso durante 2 minutos al fuego directo de la flama de un
mechero de laboratorio tipo Meker-Fisher, con regulación de aire y de gas,
quemador 0,03 m de diámetro y temperatura máxima de 1300 °C.
4. Con un cronómetro, se midió el tiempo necesario para que apareciera la ignición
en al menos las tres caras de la probeta expuestas a la flama.
5. La probeta se retiró de la flama y se paró su combustión en una cama de arena.
6. Se removió la masa carbonizada de la probeta y se midió el peso de la probeta
(Figuras 3 y 4).
Figura 3. Probetas después de las pruebas de comportamiento al fuego.
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Figura 4. Diagrama de la probeta después de la exposición al fuego. R = Dirección
radial, T = Dirección tangencial; L = Dirección longitudinal.
Cálculos
La densidad aparente de la madera al momento del ensayo se calculó con la fórmula
(1) (International Organization for Standardization, 2014a):
ρCH
= ( Ps
Vh
) (1)
Donde:
ρCH = Densidad aparente (kg m-3)
Ps = Peso de la probeta (kg)
Vs = Volumen de la probeta (m3)
El contenido de humedad de la madera se calculó con la fórmula (2) (Dietsch et al.,
2015):
CH = ( Ph - Ps
Ph
) X 100 (2)
Donde:
Zona carbonizada
L/2 L/2
Zona de expansión de la flama
T
L
Zona carbonizada R
L
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CH = Contenido de humedad (%)
Ph = Peso de la probeta en estado húmedo (kg)
Ps = Peso de la probeta en estado seco (kg)
La pérdida de masa de la probeta ocasionada por la exposición al fuego se calculó
con la fórmula (3) (Yuksel et al., 2014).
Δm = ( Pat - Pdt
Pat
) X 100 (3)
Donde:
Δm = Pérdida de peso (%)
Pat = Peso de la probeta antes tratamiento (kg)
Pdt = Peso de la probeta después tratamiento (kg)
Diseño experimental
Las variables de respuesta fueron la densidad (ρCH) determinada con la fórmula (1),
el tiempo de ignición (tign) medido durante las pruebas de fuego y la pérdida de masa
(Δm) determinada ésta con la fórmula (3). Para estas variables se calcularon los
estadísticos descriptivos: media (x̅), desviación estándar (σ), coeficiente de
variación (CV), mínimo (Min), máximo (Max) y rango (R) (Tabla 3).
Se calcularon el sesgo y la curtosis para verificar la normalidad de la distribución de
las muestras de las cinco especies en estudio. Los valores resultantes del sesgo (S)
y de curtosis (C) de las muestras (Tabla 3), indicaron realizar pruebas no
paramétricas de Kruskal-Wallis de diferencias de medianas (X̅), para un nivel del
95% de confianza (Tabla 4).
Para las variables tiempo de ignición y pérdida de masa, la hipótesis nula H0: X̅1-
X̅2 = 0 se contrastó con la hipótesis alternativa HA: X̅1 - X̅2 ≠ 0. Los subíndices 1 y 2
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representan el valor correspondiente a las variables de respuesta antes y después
de la exposición al fuego. Se efectuaron pruebas con 35 réplicas (probetas por
especie), totalizando 175 observaciones para cada una de las variables de
respuesta.
Se calcularon las regresiones de tipo potencia y = a xb y sus coeficientes de
regresión (R2) entre el tiempo de ignición y la pérdida de masa como variables
dependientes, y la densidad (ρCH) como variable explicativa.
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Resultados y análisis
La Tabla 1 presenta los estadísticos de la densidad, tiempo de ignición y pérdida de
masa de las cinco maderas en estudio. Las pruebas de normalidad de algunas de
las muestras resultaron en valores de sesgo y de curtosis fuera del rango -2 a +2 lo
que impidió el análisis convencional de varianza. Como consecuencia, se realizaron
pruebas no paramétricas de Kruskal-Wallis de diferencias de medianas. Los
resultados de estas pruebas (Tabla 2) con valores P < 0,05 permitieron rechazar la
hipótesis nula para las diferencias entre medianas de las cinco especies y para las
tres variables de respuesta.
Por una parte se confirma que los ensayos relativos al comportamiento de la madera
al fuego originan resultados con variabilidad. Por otra, se colige que existe una
diferencia estadísticamente significativa entre los resultados correspondientes a las
cinco especies. Una interpretación de estos resultados es que el comportamiento al
fuego de la madera es singular a cada especie, argumento que coincide con las
conclusiones de Friquin (2011). En efecto, en la literatura sobre el tópico de
investigación está documentada la dificultad para obtener resultados
experimentales precisos y/o coherentes (Babrauskas, 2005).
La variabilidad observada permite igualmente observar un amplio rango de valores
entre especies. Por ejemplo, los coeficientes de variación para la densidad (4,97 <
ρCH < 9,73) son de la misma magnitud reportada para estas especies por Tamarit y
López (2007); Silva et al. (2010); Sotomayor, (2015). En cambio, los coeficientes de
variación para el tiempo de ignición (21,25 < tign < 30,55) y para la pérdida de masa
(13,38 < Δm < 23,49) son comparativamente grandes respecto a los reportados por
Yuksel et al. (2014). Esta variabilidad puede ser atribuida, entre otros factores, al
hecho de que la configuración de las pruebas diseñadas ad-hoc para la
investigación, probablemente introdujo agentes de variación adicionales a los
propios de la variabilidad al interior y entre las especies.
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Tabla 1. Densidad, tiempo de ignición y pérdida de masa.
Especie No x̅ σ CV Mín Máx R S C
ρCH (kg m-3)
T. rosea 35 613 59 9,65 472 742 270 -0,629 -0,268
A. inermis 35 737 37 4,97 668 803 135 -0,100 -1,022
J. pyriformis 35 773 60 7,73 644 900 256 -0,601 -0,458
Quercus spp. 35 866 54 6,29 675 947 272 -4,599 6,257
C. elaeagnoides 35 996 97 9,73 780 1117 337 -1,371 -0,956
tign (s)
T. rosea 35 8,03 1,71 21,25 5 12 7 1,616 0,127
A. inermis 35 12,29 2,92 23,74 8 21 13 1,900 1,047
J. pyriformis 35 22,89 6,99 30,55 15 43 28 3,480 1,983
Quercus spp. 35 29,86 6,44 21,59 21 50 29 2,384 1,640
C. elaeagnoides 35 34,37 9,91 28,82 21 59 38 2,639 0,687
Δm (%)
T. rosea 35 5,29 0,78 14,77 3,14 6,71 3,57 -0,865 0,202
A. inermis 35 3,59 0,48 13,38 2,32 4,55 2,23 -1,259 0,696
J. pyriformis 35 3,48 0,52 15,01 2,42 4,73 2,31 1,109 -0,008
Quercus spp. 35 2,64 0,40 14,99 2,12 4,22 2,10 4,615 7,649
C. elaeagnoides 35 1,96 0,46 23,49 1,20 3,29 2,09 1,445 0,979
ρCH = Densidad; tign = Tiempo de ignición; Δm = Pérdida de masa; No = Número
de réplicas; x̅ = Media; σ = Desviación estándar; CV = Coeficiente de variación en
porciento; Min = Mínimo; Max = Máximo; R = Rango; S = Sesgo; C = Curtosis; *
Valor fuera del rango -2, +2 denota anormalidad en la distribución de la muestra.
Estos argumentos son ilustrados en la Figura 5 donde se presentan las gráficas de
caja y bigote para las medianas, de las variables densidad, tiempo de ignición y
variación de la masa. De su observación se deducen también tendencias de
correspondencia entre las variables, así como posicionamientos similares de las
especies con respecto a su densidad, pero con una variación importante a medida
que se incrementa la densidad de la madera.
Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 13, Número 1, Abril 2017
21
Tabla 2. Pruebas de Kruskal-Wallis.
TM R K-W P
ρCH 143,28 < 0,00001*
T. rosea 35 19,94
A. inermis 35 64,37
J. pyriformis 35 81,26
Quercus spp. 35 122,60
C. elaeagnoides 35 151,83
tign 141,83 < 0,00001*
T. rosea 35 21,13
A. inermis 35 50,97
J. pyriformis 35 98,36
Quercus spp. 35 129,26
C. elaeagnoides 35 140,29
Δm 142,20 < 0,00001*
T. rosea 35 155,66
A. inermis 35 106,53
J. pyriformis 35 100,21
Quercus spp. 35 54,87
C. elaeagnoides 35 22,73
ρCH = Densidad; tign = Tiempo de ignición; Δm = Pérdida de masa; TM = Tamaño
de muestra; R = Rango; K-W = Estadístico Kruskal-Wallis; P = Valor P; * Valor
menor que 0,05 existe una diferencia estadísticamente significativa entre las
medianas con un nivel del 95% de confianza.
Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 13, Número 1, Abril 2017
22
ρCH (kg m-3)
tign (s)
Δm (%)
Figura 5. Graficas de caja y bigote para las medianas (X̅), de la densidad (ρCH), el
tiempo de ignición (tign) y la pérdida de masa (Δm).
Densidad (kg/m3)
T. rosea
A. inermis
J. pyriformis
Quercus spp
C. elaeagnoides
400 600 800 1000 1200
Tiempo de ignición (s)
T. rosea
A. inermis
J. pyriformis
Quercus spp
C. elaeagnoides
0 10 20 30 40 50 60
Variación de la masa (%)
T. rosea
A. inermis
J. pyriformis
Quercus spp
C. elaeagnoides
0 2 4 6 8
Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 13, Número 1, Abril 2017
23
Tiempo de ignición
La Figura 6 presenta la dispersión y el posicionamiento del tiempo de ignición en
función de la densidad de los resultados de esta investigación (2017) comparados
con los reportados por Harada (2001) y Rocha y Landesmann (2016). Los códigos
de los puntos correspondientes a las especies se detallan en la Tabla 3.
Figura 6. Dispersión y posicionamiento del tiempo de ignición (tign) en función de la
densidad (ρCH) de los resultados de esta investigación (2017) y de Rocha y
Landesmann (2016). Los códigos de los puntos correspondientes a las especies se
detallan en la Tabla 3.
TRAI
JP
QS
CE
BO
CB
CEGP
GV
IM
PI
CA
CCPC
PH
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 200 400 600 800 1000 1200
t ign
(s)
ρCH (kg m-3)
Esta investigación (2017)
Rocha y Landesmann (2016)
Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 13, Número 1, Abril 2017
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Tabla 3. Nombre, subdivisión botánica, código, densidad y tiempo de ignición de las
especies presentadas en las Figuras 6 y 8.
Especie Referencia Código ρCH tign
Subdivisión botánica (kg m-3) (s)
Rocha y Landesmann (2016)
Joannesia princeps Angiosperma BO 352 23
Myrocarpus frondosus Angiosperma CB 650 70
Cedrela lilloi Angiosperma CE 422 25
Schizolobium parahyba Angiosperma GP 347 16
Campomanesia xanthocarpa Angiosperma GV 791 73
Ocotea porosa Angiosperma IM 584 43
Capsicodendron dinisii Angiosperma PI 471 20
Peltophorum dubium Gimnosperma CA 627 33
Zanthoxylum chiloperone Gimnosperma CC 739 44
Pinus caribaea Gimnosperma PC 344 39
Pinus caribaea var. hondurensis Gimnosperma PH 484 31
Giraldo et al. (2016)
Tabebuia donnell-smithii Angiosperma TD 448 17
Enterolobium cyclocarpum Angiosperma EC 504 17
Tabebuia rosea Angiosperma TR 604 24
Swietenia humilis Angiosperma SH 655 28
Lysiloma acapulcensis Angiosperma LA 685 31
Cordia elaeagnoides Angiosperma CA 1130 37
Tabebuia chrysantha Angiosperma TC 1234 49
Esta investigación (2017)
Tabebuia rosea Angiosperma TR 613 8,03
Andira inermis Angiosperma AI 737 12,29
Juglans pyriformis Angiosperma JP 773 22,89
Quercus spp, Angiosperma QS 866 29,86
Cordia elaeagnoides Angiosperma CE 996 34,37
ρCH = Densidad; tign = Tiempo de ignición.
Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 13, Número 1, Abril 2017
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Un examen detallado de la tendencia del tiempo de ignición en función de la
densidad de la madera (Figura 7) confirma que la densidad puede explicar hasta en
un 64% el aumento de esta variable con una regresión de tipo potencia.
Particularmente, la dispersión del tiempo de ignición para los valores altos de
densidad correspondientes a la madera de J. pyriformis y de C. elaeagnoides son
más dispersos. Este resultado coincide con los reportados por Rocha y Landesmann
(2016).
Figura 7. Dispersión del tiempo de ignición (tign) en función de la densidad (ρCH), su
regresión y coeficiente de determinación (R2).
Para contextualizar la magnitud de los resultados del tiempo de ignición, se puede
citar a Boonmee & Quintiere (2002) quienes empleando la técnica de calentador de
cono radiante, reportan para los flujos de calor incidente superiores a 40 kW m-2, el
encendido por llama de la madera de Sequoia sempervirens, con densidad de 415
kg m-3, se produce antes de 30 s.
Con todo, la propuesta: “a mayor densidad de la madera, se incrementa el tiempo
necesario para su ignición”, es válida solo para condiciones únicas de una
configuración de un experimento (Kuznetsov & Fil’kov, 2011). Además, el tiempo de
ignición está relacionado principalmente con la intensidad del flujo de calor en el
tign = 4,0523 x 10-7 ρCH2,6440
R² = 0,64
0
10
20
30
40
50
60
70
400 600 800 1000 1200
t ign
(s)
ρCH (kg m-3)
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proceso de combustión, principalmente en condiciones de incendio (Babrauskas,
2005). No obstante, para la correcta interpretación del tiempo de ignición de una
madera, hay que considerar otras características físicas, térmicas, químicas y
minerales del material las cuales pueden modificar los resultados (Ragland & Aerts,
1991).
Pérdida de masa
La Figura 8 presenta la dispersión de los valores de la pérdida de masa en función
de la densidad, su regresión y coeficiente de determinación. Además, se presenta
el posicionamiento de los resultados de esta investigación (2017) comparados con
los reportados por Giraldo et al. (2016). Los códigos de los puntos correspondientes
a las especies se detallan en la Tabla 3.
Figura 8. Dispersión y posicionamiento de pérdida de masa (Δm) en función de la
densidad (ρCH) de los resultados de esta investigación (2017) y de Giraldo et al.
(2016), mostrando su regresión y coeficiente de determinación (R2). Los códigos de
los puntos correspondientes a las especies se detallan en la Tabla 3.
La pérdida de masa en los datos de Giraldo et al. (2016) y la presente investigación
(2017) fueron diferentes entre especies y siguen una misma tendencia (Figura 8).
TR
AI JP
QSCE
TD
EC
TR
SH
LA
CA
TC
Δm = -0,0085 ρCH + 10,164R² = 0,95
Δm = -0,0185 ρCH + 27,13R² = 0,89
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Δm
(%
)
ρCH (kg m-3)
Esta investigación (2017)
Giraldo et al. (2016)
Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 13, Número 1, Abril 2017
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Igualmente, los coeficientes de determinación siguieren que la densidad de la
madera es un indicador de la pérdida de su masa cuando es expuesta al fuego. A
mayor densidad, menor es la pérdida de masa.
Velocidad de combustión
La Figura 9 presenta el posicionamiento relativo de las especies estudiadas en
función de su velocidad de combustión (vc) y el promedio de las cinco maderas. Si
bien se observa una tendencia en la proporción a mayor densidad-menor velocidad
de combustión, Quercus spp. se posiciona con una velocidad mayor, es decir, se
quema más rápido que A. inermis y J. pyriformis, que tienen un densidad menor.
Para fines de comparación entre especies, este punto de vista sugiere que A.
inermis y J. pyriformis retardan la combustión en comparación con Quercus spp. En
el mismo contexto, se infiere que no se puede generalizar la propuesta “a mayor
densidad de la madera, mayor la velocidad de combustión”.
Figura 9. Posicionamiento de las especies estudiadas en función de su velocidad
de combustión (vc) y el promedio de las cinco maderas
La velocidad de combustión de la madera es inversamente proporcional a su
densidad. Debido a que la carbonización implica la degradación térmica de la masa
1.28
1.45
1.59
1.44
1.75
2.02
C. elaeagnoides
A. inermis
J. pyriformis
Promedio
Quercus spp.
T. rosea
vc (g min-1)
Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 13, Número 1, Abril 2017
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de madera, la velocidad de combustión es más lenta cuando hay mayor masa para
degradar (Friquin, 2011) y dado que en esta investigación el tiempo de exposición
fue constante (2 minutos), por analogía se puede inferir que la tendencia de la
pérdida de masa coincide con los resultados del autor citado. Ahora bien, Friquin
(2011) reporta también que la velocidad de combustión no se explica únicamente
por la densidad, y sugiere que también intervienen el contenido de humedad, la
especie, la composición química, la anisotropía, la permeabilidad, el factor de
contracción y oxidación del carbón y las dimensiones de la pieza de madera.
En la literatura está documentado que la velocidad de combustión de la madera
aserrada, depende entre otros factores, de su densidad (Njankouo et al., 2005;
Harada, 2001). Bien que el parámetro pérdida de masa fue determinado con una
configuración diferente a la de las normas relacionadas con el comportamiento de
la madera al fuego, la tendencia presentada en la Figura 9 sugiere que la pérdida
de masa ponderada por el tiempo se puede asimilar, con los debidos ajustes, a la
velocidad de combustión y sirve de indicador comparativo del comportamiento frente
al fuego entre especies.
Permeabilidad, anatomía, contenido de humedad y composición química afectan a
la velocidad de combustión de la madera. Sin embargo, la densidad se reconoce
como el factor principal que determina la velocidad de combustión. Generalmente,
las maderas más densas tienen una velocidad de combustión más lenta (Pinto et
al., 2016). Esta propuesta coincide con las conclusiones de Ragan et al. (2016)
respecto a la dependencia de la pérdida de masa de la composición química de la
madera y de su densidad. De aquí que se puede estimar como la velocidad de
combustión el cociente entre la cantidad de masa pérdida y el tiempo de exposición,
en este caso de dos minutos (Osvaldová et al., 2016).
Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 13, Número 1, Abril 2017
29
Conclusiones
Las pruebas de comportamiento al fuego adecuadas especialmente para este caso
de estudio permitieron comparar el tiempo de ignición y la pérdida de masa de la
madera como efecto de la exposición al fuego de probetas de cinco especies
mexicanas.
Las especies de madera con mayores densidades presentan un mejor
comportamiento frente al fuego. Su tiempo de ignición es mayor comparativamente
con el de maderas de menor densidad.
La pérdida de masa es proporcional a la densidad de la madera. Esta relación es
lineal y similar a las de las tendencias reportadas en la bibliografía para otras
especies.
Del mismo modo, la velocidad de combustión de la madera es menor cuando su
densidad es más importante. Caso particular es Quercus spp.
El tiempo de ignición y la pérdida de masa son parámetros parciales del
comportamiento de la madera al fuego. El comportamiento de la madera depende
de otros factores, tales como el contenido de humedad, las condiciones de
exposición y la variabilidad inherente de la madera. Los resultados de esta
investigación son particulares al caso de estudio. Se recomienda realizar
investigaciones adicionales para mejor explicar el rendimiento de las especies
estudiadas.
Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 13, Número 1, Abril 2017
30
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Investigación e Ingeniería de la Madera Volumen 13, Número 1, Abril 2017
36
Anexo
Síntesis de argumentos tomados de la bibliografía acerca de la combustión de la
madera desde el punto de vista de la transformación química del material.
Pinto et al. (2016) argumentan lo siguiente1:
La madera es un material constituido por compuestos orgánicos de bajo peso molecular
llamados extractivos y por macromoléculas tales como celulosa, hemicelulosas y lignina.
Estas sustancias son todas combustibles y sufren descomposición térmica o carbonización
por exposición al fuego.
En el proceso de incendio, debido a la dimensión de los elementos estructurales y el consumo
de oxígeno por reacción de combustión, la carbonización ocurre en la superficie a la parte
interior de la madera. La carbonización de la madera consiste en un proceso de pirólisis, a
una temperatura de unos 450 ºC. Un bajo suministro de oxígeno obliga a la madera a
descomponerse en una variedad de sustancias, formando carbón, que es un sólido negro
poroso que consiste principalmente de carbono elemental. Dado que la madera es un material
combustible, el tiempo que se tarda en convertir la madera en carbón es una medida de su
resistencia al fuego.
Cuando se compara el comportamiento de la madera con el de otros materiales en estructuras
expuestas a condiciones severas de incendio, se observa que la madera estructural funciona
bien a altas temperaturas, a pesar de su inflamabilidad. Durante el proceso de carbonizado,
la madera forma una capa de carbono en su superficie que actúa como barrera de aislamiento
térmico. Debido a que la madera es un mal conductor del calor, la temperatura interna
aumenta lentamente, de modo que las capas internas de madera están relativamente
protegidas del fuego. Por esta razón, las piezas de madera permanecen en servicio en
condiciones donde el acero falla, aunque este último no es del todo inflamable. Es importante
destacar que la madera no se distorsiona cuando se somete a altas temperaturas como lo
hace el acero, por lo que la madera en una estructura se preserva contra el colapso.
Debido a esta propiedad particular de carbonización, la madera es una opción apropiada para
emplear con seguridad en elementos estructurales. Algunos ejemplos ilustran esto, tales
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como escaleras de escape y puertas de emergencia que tienen madera en su composición.
Un conocimiento más detallado del proceso de quemado de la madera puede conducir a su
uso seguro y racional.
En el mismo contexto, Levan & Winandy (1990) resumen las transformaciones
químicas durante la degradación térmica de la madera de la siguiente manera1:
Cuando se calienta la madera, los enlaces químicos comienzan a descomponerse
aproximadamente a 175 °C y las reacciones se aceleran a medida que la temperatura
aumenta. Cuando se calienta de 100 ºC a 200 ºC en ausencia de aire, se producen productos
incombustibles tales como dióxido de carbono, trazas de ácidos fórmico y acético y vapor de
agua. Por encima de 200 °C, los carbohidratos se descomponen y producen alquitranes y
volátiles inflamables, que se difunden en el ambiente circundante. Por encima de 450 °C, la
aparición de productos inflamables es completa. El residuo que queda es carbón.
La celulosa se descompone en el rango de temperatura de 260 °C a 350 °C y es
principalmente responsable de la producción de volátiles inflamables. La degradación térmica
de la celulosa puede acelerarse en presencia de agua, ácidos y oxígeno. A medida que la
temperatura aumenta, el grado de polimerización de la celulosa disminuye aún más, aparecen
radicales libres y se forman grupos carbonilo, carboxilo e hidroperóxido. La reacción primaria
es la despolimerización causada por la escisión del enlace glicosídico.
Las hemicelulosas se degradan en el intervalo aproximado de 200 °C a 260 °C. Las
hemicelulosas son térmicamente menos estables que la celulosa y desarrollan más gases
incombustibles y menos alquitrán. Gran parte del ácido acético liberado de la pirólisis de la
madera se atribuye a la desacetilación de la hemicelulosa. Las hemicelulosas de madera dura
son ricas en xilano y contienen una pequeña cantidad de glucomanano. Las hemicelulosas
de la madera blanda contienen una pequeña cantidad de xilano y son ricas en
galactoglucomanano. El xilano es la hemicelulosa menos estable térmicamente ya que los
pentosanos son susceptibles a reacciones de deshidratación.
Las reacciones de deshidratación que ocurren por encima de 200 °C son el proceso principal
de degradación térmica de la lignina. Entre 150 °C y 300 °C, se produce la escisión de los
enlaces α- y ß-aril-alquil-éter. Alrededor de 300 °C, las cadenas laterales alifáticas comienzan
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a separarse del anillo aromático. Finalmente, el enlace carbono-carbono entre las unidades
estructurales de lignina se escinde a un intervalo de temperatura de 370 ºC a 400 ºC.
La degradación de la madera puede considerarse como la suma de la degradación de sus
componentes. La degradación de la holocelulosa, que consiste en la alfacelulosa más las
hemicelulosas, sigue de cerca la de la madera. La lignina generalmente piroliza a una
velocidad más lenta que la celulosa y la holocelulosa, aunque el período de degradación
comienza un poco antes que el de las holocelulosas. La lignina es la principal responsable
del aumento de los residuos de carbón. La madera y la alfa-celulosa parecen degradarse a
tasas similares, aunque la madera comienza a degradarse a temperaturas ligeramente
inferiores a la alfa-celulosa, pero a temperaturas más altas que la holocelulosa. Esta menor
temperatura de degradación de la madera se debe principalmente a la hemicelulosa en la
madera y en la holocelulosa. La degradación de la madera se asemeja más al patrón de
degradación de la alfa-celulosa y la holocelulosa que la de la lignina. Esto es razonable porque
la celulosa y la holocelulosa representan aproximadamente el 50 y el 75% de la madera,
respectivamente.
Por su parte, y respecto al fenómeno de carbonización de la madera, Cachim &
Franssen (2010) reportan lo siguiente1:
La madera carbonizada está limitada por la transición entre la capa de pirólisis, la zona en la
que se está produciendo la degradación térmica de la madera y la formación de carbón, y la
capa carbonizada, una zona de carbón agrietado que no tiene resistencia o rigidez
significativas. Esta transición se considera generalmente en la isoterma de 300 °C, definida
como la línea de carbonizado. La profundidad de carbonizado es la distancia entre la
superficie exterior del miembro original y la posición de la línea de carbonizado.
La velocidad a la que avanza la profundidad del carbón en el material se denomina velocidad
de combustión y es una característica esencial de la resistencia al fuego de las estructuras
de madera, ya que permite determinar el tamaño de la sección residual de la madera. La
velocidad de combustión de la madera depende de la especie, densidad, humedad,
permeabilidad, composición o dirección de la transferencia de calor en el plano leñoso. Sin
embargo, sólo algunos de estos factores pueden ser realmente considerados en aplicaciones
prácticas (Cachim & Franssen, 2010).
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Laboratorio de Mecánica de la Madera División de Estudios de Posgrado
Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera El laboratorio de Mecánica de la Madera tiene por misión realizar investigaciones sobre el comportamiento mecánico de estructuras y productos compuestos de madera. En el laboratorio se realizan las prácticas de la asignatura Física de la madera de la Maestría en Ciencias y Tecnología de la Madera y sirve también de laboratorio en la preparación de tesis de Licenciatura y de Maestría de la Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera. Entre otros servicios, el laboratorio realiza estudios de caracterización mecánica por métodos no destructivos de materiales de ingeniería y de productos forestales. Además se cuenta con la experiencia para practicar trabajos In-Situ de inspección y de evaluación de estructuras de madera. El laboratorio tiene el equipo y el personal especializado para efectuar estudios de análisis de calidad de la madera en medio ambiente industrial. El equipo principal de investigación con que cuenta el laboratorio es: - Maquina universal de pruebas mecánicas Tinius Olsen®. - Equipo de ondas de esfuerzo Metriguard®. - Equipo de ondas de esfuerzo Fakopp®. - Equipo de ultrasonido Sylvatest®. El laboratorio ha participado en los proyectos de investigación siguientes: - Madera laminada de especies mexicanas de bajo aprovechamiento. - Caracterización del comportamiento al fuego de maderas mexicanas. - Densificado higro-termo-mecánico de madera. - Características mecánicas de elementos estructurales de maderas tropicales. - Características acústicas de maderas para instrumentos musicales. - Selección de arbolado por métodos no destructivos. - Evaluación con métodos no destructivos de madera en edificios antiguos. - Evaluación mecánica de materiales compuestos de madera. La producción del Laboratorio se divulga en: - http://www.academia.edu/ - http://www.researchgate.net/ - http://laboratoriodemecanicadelamadera.weebly.com/