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MADERA AL EXTERIOR:Humedad de equilibrio higroscópico y sus valorescaracterísticosENRIQUE MORALES MÉNDEZ, DR. ARQUITECTO

PROFESOR TITULAR DTO CONSTRUCCIONES ARQUITECTÓNICAS IUNIVERSIDAD DE SEVILLA

INTRODUCCIÓNPor su interés recogemos en este artícu-lo el resumen de la comunicacion pre-sentada al III Congreso Nacional de Pro-tección de la Madera celebrado en SanSebastián, por el autor de este trabajo.En ella, entre las conclusiones que pre-senta dentro del programa de investiga-ción que dirige sobre el comportamien-to y la protección de la madera al exte-rior, figura la importancia de lahigroscopicidad en la durabilidad de lamadera a la intemperie.

Al ser la molécula de agua unade las más pequeñas, puede filtrarseentre las moléculas de la mayoría de losmateriales, ya sea por afinidad químicaal igual que sucede con el azúcar, sal,papel, etc., o incluso la penetración pue-de ser por mecanismos físicos: capilari-dad, ósmosis, difusión, etc 1 .

El conocimiento de este fenóme-no físico es de gran importancia para unacorrecta utilización de la madera al exte-rior, pues debe adecuarse su contenidode humedad a la del ambiente en quese sitúa, para evitar variacionesdimensionales y deformaciones.

Las variaciones de humedad enla madera no sólo influyen en las hincha-zones y mermas, también lo hacen en supeso, resistencia, dificultad de corte, ase-rrado y acabado así como en la fluenciay deformabilidad de las piezas. Aunquea medida que disminuye el grado de hu-medad aumentan las propiedades me-cánicas, algunas de ellas como la tenaci-dad o la resistencia al choque, decrecen.La influencia es tan importante que losvalores de resistencia y rigidez se esta-blecen en relación con la humedad. Asíen el Código de la British Standards, CP112 se dan incluso tensiones de trabajoy módulos de elasticidad para maderassecas (<18%) y maderas verdes (>18%) 2 .

Por otra parte, no debe olvidar-se que el exceso de humedad en lamadera situada a la intemperie origina laaparición de sus principales enemigosbióticos, los hongos, que la destruyentotalmente.

HUMEDAD DE EQUILIBRIOHIGROSCÓPICOLa madera como material higroscópicointercambia constantemente vapor deagua con la atmósfera que la rodea, detal forma que a cada pareja de valoreshigrotérmicos del aire (temperatura yhumedad relativa) le corresponde uncontenido de humedad, denominadohumedad de equilibrio higroscópico(HEH).

Como el aire cambia de condi-ciones climáticas constantemente, estepunto de equilibrio HEH, también cam-bia constantemente. La madera actúacomo un regulador de humedad y comolos cambios climáticos del aire se suce-den continuamente, del día a la noche, lahumedad de la madera también cambiacontinuamente, si bien en valores muypequeños.

Kollmann comprobó que la hu-medad de equilibrio higroscópico es casiconstante para todas las especies demaderas, elaborando el ábaco adjunto(Gráfico 1) que recoge los valores me-dios de contenido de humedad de lamadera para una humedad relativa delaire en % y una temperatura determina-da 3.

La madera para lograr estabili-dad dimensional, deberá tener una hu-medad lo más aproximada a la de equi-librio higroscópico correspondiente a lascondiciones higrotérmicas de servicio. Sinembargo no debe olvidarse que la ma-dera tratada con ciertos productos quí-micos pueden sufrir una sensible varia-ción de esta humedad de equilibrio.

La humedad de la madera cam-bia más lentamente y con cierto retrasode lo que cabria esperar respecto a lascondiciones meteorológicas; este fenó-meno se denomina inercia higroscópica.La velocidad con que la madera gana opierde humedad es función de la per-meabilidad, lo que va a depender deltipo de recubrimiento superficial y delpeso específico aparente de la madera;son más permeables las maderas ligerasque las pesadas 4. El punto de equilibriode la sorción en la madera resulta máselevado cuando se le sustrae agua al

medio sorbente, es decir, en la desorción(en ella el equilibrio alcanzado es el ver-dadero) que cuando se le suministra, osea en la sorción; esta diferencia entre ladesorción y sorción se llama histéresis yes digno de hacer notar que desaparecepara presiones de vapor muy bajas.Como la sorción química tiene lugar paraestas bajas presiones, puede llegarse ala conclusión de que en este ámbito setrata de un proceso reversible.

La humedad máxima que puedetener una madera cuando se expone aun ambiente saturado, según el ábacode Kollmann, alcanza un valor medioaproximado del 30%, aunque en reali-dad el valor mínimo de contenido deagua en ese punto pueda ser de un 22% y el máximo de un 35 % 5. Este puntode humedad que satura todos los hue-cos existentes entre las fibrillas elemen-tales, entre las microfibrillas y entre lasfibras que componen la pared celular, sedenomina punto de saturación de lapared celular o de la fibra (PSF). Paraque la madera adquiera más humedadque la correspondiente al PSF, es nece-sario sumergirla en agua y llenar así losespacios existentes en el lumen celular.Este punto resulta crítico pues a partirde él no se producen cambiosdimensionales.

ESTADO ACTUAL DE LASINVESTIGACIONESREALIZADASEn el año 1983 el profesor Humberto

Gráfico 1

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Álvarez Noves obtenía la HEH mediade la madera en exposición exterior paralas diferentes capitales españolas, basán-dose en las medias anuales de las tem-peraturas y humedades relativas a lo lar-go de 30 años. Los valores se obteníanen el mes de mayor temperatura mediay menor humedad relativa (julio) y en elmes de menor temperatura y mayorhumedad relativa (enero).

A pesar de ser estos valores tra-dicionalmente admitidos en nuestro país,en las investigaciones sobre el compor-tamiento de diversas especies de ma-deras a la intemperie que se realizan enla Universidad de Sevilla, se ha queridopartir de valores fiables de la HEH. Laimportancia que pueden tener estos va-lores en el comportamiento de cualquierelemento de madera situado a la intem-perie, lo aconseja.

Así, aplicando las conclusionesque puedan obtenerse de las investiga-ciones realizadas en Sevilla, se obtendráun mejor conocimiento de la madera ensituaciones límites. Las condiciones ex-tremas de esta ciudad afectan al com-portamiento de la madera a la intempe-rie, facilitan la observación de cualquieralteración o daño que se pueda ponerde manifiesto y garantizarán unos bue-nos resultados si se emplea en situacio-nes de menor agresividad.

Debido al tiempo transcurridodesde la publicación de los valores me-dios anteriormente referidos por el pro-fesor Humberto Álvarez Noves y a losaparentes cambios climáticos que se hanproducido en los últimos años, a los quemuchos aluden, se han iniciado la investi-gaciones comprobando los valores rea-les de humedad y temperatura de losúltimos cuarenta años, valores que sehan incluido en la documentación delProyecto.

El proceso desarrollado que hacereferencia en exclusividad a la ciudad deSevilla, puede servir como modelo paraobtener los valores de las humedadesde equilibrio higroscópico correspondien-tes a cualquier otra localidad.

Obtención de la HEH consi-derando criterios de mediaPara obtener la humedad de equilibriohigroscópico recomendada al exteriorusando el método tradicional, hasta aho-ra empleado, se parte de las tempera-turas medias máximas y mínimas de cadames junto a las humedades relativasmedias mensuales. Así se obtienen lashumedades de equilibrio higroscópicomáximas y mínimas correspondientes acada uno de los meses y a partir de ellasse obtiene la media mensual y de todaslas medias mensuales a lo largo del añola media anual.

Si utilizamos los datos mensua-les de la estación Sevilla-Aeropuerto (05º53´47´´ W / 37º 25´15´´ N) en el pe-

riodo comprendido entre los años 1961a 2000 que nos han sido facilitados porel Servicio Meteorológico y como resul-tado de las tablas que se adjuntan (Grá-ficos 2 y 3), las humedades de equilibriohigroscópico medias tendrían unas osci-laciones que irían del 8,7 % en verano,con una humedad relativa del 48,1 % yuna temperatura de 27,2 º C (en el mesde julio), al 15 % en invierno, con unahumedad relativa del 76,2 % y 11,4 ºC(en el mes de diciembre). Utilizando es-tos valores medios se llegaría a una HEHmedia al exterior del 11,2 % es decir lacorrespondiente a una humedad relati-

Gráfico 2

Gráfica 4

va del 62,2 % y 18,5ºC de temperatura.Como se deduce de la gráfica que seacompaña (Gráfica 4), el riesgo de cam-bio dimensional sería de 3,8 en hincha-zón y 2,5 en merma respecto a la mediaanual. Sin embargo esos valores de ries-go no pueden interpretarse como lasmáximas variaciones del grado de hu-medad en valor absoluto que puedeexperimentar una pieza de madera quees colocada en uso con su humedad re-comendada debido a las alternanciasclimáticas anuales, pues estamos utilizan-do valores medios mensuales.

Hemos podido constatar al es-tudiar las deformaciones producidascuando varían las humedades de equili-brio, que si actuamos con estos valores

Gráfico 3

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medios se obtienen unas deforma-ciones poco significativas que no secorresponden con lo que realmentesucede cuando se coloca una ma-dera a la intemperie en la ciudad deSevilla.

Los valores medios no han cam-biado en los últimos años en nuestra ciu-dad y se corresponden aproximadamen-te con los publicados para toda Españaen la revista AITIM6 por los profesoresH. Álvarez Noves y J.I. Fernández GolfínSeco. En la tabla que se adjunta (Tabla5) también se recoge el riesgo o varia-ción aproximada máxima del grado dehumedad que puede experimentar unapieza de madera que es colocada en usocon su humedad recomendada, debidoa los naturales cambios climáticos a lolargo del año. Estos valores medios hansido considerados tradicionalmentecomo referencia válida para los valoresde HEH de las distintas capitales espa-ñolas.

VALORESCARACTERÍSTICOS DE LAHUMEDAD DE EQUILIBRIOEN LA MADERAHoy día no es suficiente considerar valo-res medios. Para obtener especificacio-nes de calidad es preciso partir de valo-res característicos y utilizar los mismoscriterios que son habituales en el em-pleo de otros materiales de construc-ción. Deben obtenerse y aplicarse valo-res característicos es decir con un 95 %de probabilidades de que no van a sersuperados.

Es obligado investigar sobre es-tos valores característicos para poderobtener con mayor precisión la defor-mación de la madera por variación dehumedad, aunque para ello necesitemosdefinir previamente como valores decálculo: la HEH media, la HEH máxima yla HEH mínima. Estas humedades deequilibrio higroscópico determinadas porla humedad relativa y la temperatura delaire o medio donde se sitúa la madera,se obtienen partiendo del ábaco deKollmann.

Aplicando estos criterios se con-siguen valores más fiables de lashumedades de equilibrio higroscópicomáximas y mínimas a lo largo del año,ya que se obtienen con una probabili-dad de un 95 % que no van a ser supe-rados.

Si bien inicialmente se realizaroncálculos característicos con los valores demedias anuales para una mayor preci-sión se recurrió a los valores de mediasmensuales.

Determinación de lastemperaturas de cálculo

Para la obtención de los valores aconsiderar se han utilizado tempe-raturas medias mensuales. No sehan empleado valores máximos ymínimos de temperatura pues seríanecesario un espectro demasiadoamplio de valores de ésta para quese modificase significativamente elvalor de humedad de equilibrio de lamadera, como se comprueba en el ába-co de Kollmann anteriormente citado.

Partiendo de los valores de hu-medad relativa media mensual (en %),entre los años 1961 al 2000, suminis-trados por el Instituto Nacional de Me-teorología, y considerando que tienen unadistribución estadística normal (o deGauss), se determinan los valores dehumedad relativa máxima y mínima ca-racterística de cada mes, definidas por lasiguientes expresiones7:

)64.11( δ⋅±⋅= rmrk hh

donde

∑= ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=

n

irm

rmri

hhh

n 1

21δ

y

∑=⋅=

n

i rirm hn

h1

1

y referido a la humedad relativa mediamensual h ri .

Los valores se obtienen con un gra-do de confianza del 95 por 100, es de-cir, que existe una probabilidad del 95%que las humedades en dichos meses novan a ser mayores (en máxima) o me-nores (en mínima).

Humedades relativas mínimas caracte-

rísticas por mes (%):

Enero Febr. Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sept. Octbre. Novbre Dicibre61 58 50 49 46 42 39 41 44 51 60 64

Humedades relativas máximas características por mes (%):

Enero Febr. Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sept. Octbre Novbre Dicibre88 82 75 74 67 64 57 61 66 76 85 88

Determinación de las humedades de equilibrio en cada uno de los meses del año

Partiendo de los valores de temperaturas medias por meses y humedades relativasmáximas y mínimas características en cada uno de ellos, se determinan a través delábaco de Kollmann las humedades de equilibrio características de la madera paracada mes.

Los resultado obtenidos son los siguientes:

Humedades de equilibrio de la madera, máximas características por mes (%):

Enero Febr. Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sept. Octbre Novbre Dicibre20,1 17,2 14,7 14,4 12,3 11,4 10,1 10,8 11,9 14,8 18,8 20,1

Humedades de equilibrio de la madera mínimas características por mes (%):

Enero Febr. Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sept. Octbre Novbre Dicibre11,3 10,7 9,3 9,1 8,6 7,8 7,3 7,7 8,1 9,4 11 11,9

Humedades de equilibrio de la madera medias características por mes (%):

Enero Febr. Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sept. Octbre Novbre Dicibre15,7 13,9 12 11,7 10,5 9,6 8,7 9,2 100 12,1 14,8 16

CONCLUSIONESPartiendo de estos valores obtene-mos, para Sevilla:

Humedad de equilibrio de la made-ra máxima característica, 20,14 % (valormáximo de los obtenidos).

Humedad de equilibrio de la made-ra mínima característica, 7,33 % (va-lor mínimo de los obtenidos).Humedad de equilibrio de la made-ra (valor medio) 12,02 % (valor me-dio ponderado de las medias obte-nidas).

De esta forma se obtiene que la HEHque puede alcanzarse en el mes de Di-

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ciembre-Enero, con un 95 % de pro-babilidades de que no será supera-da, es del 20,14 % y la mínima quepuede lograrse en el mes de juliocon la misma probabilidad estadís-tica del 7,3 %, siendo la HEH reco-mendable para maderas al exterioren Sevilla del 12,02 %Estos valores son bastantes significativos,pues incluso utilizando los mismos datosde partida, discrepan de los que tradi-cionalmente se han recomendado utili-zando criterios de medias. Colocando unamadera con la HEH. que se propone,podría ganar hasta un 8,12 % de hume-dad en invierno y perder hasta un 4,72% en verano. La madera y a lo largo delaño situada al exterior podría variar un12,84 % de HEH, cifra bastante repre-sentativa que se corresponde con el com-portamiento real.

APLICACIÓN DE LOSRESULTADOS OBTENIDOSEs de gran interés tener en cuenta estosvalores durante las etapas de diseño deelementos y componentes de madera ala intemperie, al ser posible prever elporcentaje de humedad que absorberáo expulsará una vez en uso y equilibra-da con el ambiente donde se sitúa.

Este aspecto es particularmente im-portante cuando los componentes sonfabricados en un lugar y se erigen en otrocon características de humedad relativay temperatura diferente. La madera debeestar secada a la humedad de equilibriohigroscópico, humedad en que se equi-libran las fuerzas desecantes de ésta con

Tabla 5

Gráfica 6

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la atmósfera que la rodea en su lu-gar de emplazamiento.

En base a estos valores en quefluctúa la humedad de equilibrio, se estáinvestigando sobre las deformacionesque pueden producirse en los tradi-cionales cortes comerciales de ma-deras de distintas especies, si trasdisponerse al exterior con la hume-dad de equilibrio higroscópico reco-mendado, llegado el invierno alcan-

zan el valor máximo posible o alcontrario en verano. Se ha conside-rado la incidencia que en ello tienela disposición de los anillos de cre-cimiento con el fin de poder esta-blecer las tolerancias constructivaspor hinchazones o mermas. Del mis-mo modo las investigaciones se hanhecho extensivas a las deformacio-nes que se producen si una de lascaras de una tabla está expuesta al

sol y la otra a la sombra.Por desgracia, el control de la hume-

dad es algo que a pesar de su impor-tancia no suele valorarse en lo debido.Así las maderas importadas proceden-tes de coníferas europeas se suelen de-secar, antes de ser embarcadas hacia sudestino, hasta que el contenido de hu-medad es del 23 %. Del mismo modolas coníferas canadienses y estadouniden-ses se comercializan sin madurar, pudien-

do exceder su contenido de hume-dad del punto de saturación de lasfibras; lo que obliga a un necesarioalmacenamiento para su secado enlos puntos de llegada, con la pro-blemática que todo ello acarrea

NOTAS

EL CONTENIDO DE AGUA ENLA MADERAEl agua puede encontrarse en la madera bajotres formas diferentes:- Agua de constitución, o aquella que formaparte de su naturaleza.- Agua libre, que es el agua de «imbibición»contenida en el lumen de las células es decirllenando las cavidades de las células, ésta no sepuede captar de la atmósfera y una vez elimina-da sólo puede recuperarse por inmersión.- Agua de impregnación, la que está contenidaen las paredes celulares que se mantiene en equi-librio dinámico con la del medio ambiente querodea a la madera.

Se ha podido comprobar que en la sorciónaparece una pequeña contracción de volumen.Si se realizan mediciones exactas, se puede com-probar que el volumen de la madera hinchadaes menor que la suma de los correspondientes ala madera seca y al agua admitida 8 .En todosestos cambios de humedad existe una inerciahigroscópica, según la cual la variación dimen-sional no es la misma si la madera absorbe aguaque si la cede, ya que la madera a una determi-nada humedad posee unas dimensiones mayo-res cuando esta en la fase de desorción quecuando está en la fase de sorción. Además, laespecie suele tener poca influencia en ello, yaque las isotermas en las distintas fases concuer-dan en gran parte, quizás debido a que la com-posición química media de la pared celular va-ría muy poco entre las distintas especies. Sóloexiste gran diferencia en la condensación capi-lar que puede ser muy intensa si se desarrolla encapilares de gran luz.

En la etapa de adsorción y según se confir-ma por sus isotermas, el vapor adsorbido secondensa solamente en la superficie interior deladsorbente pero sin formar capa líquida si esque el líquido no moja la madera; en cambio si ellíquido moja, en lugar de una capa de vaporcondensado se forma una película líquida cuyoespesor aumenta al crecer la presión. En reali-dad la condensación del vapor no se producepor fuerzas de adsorción, sino por fuerzas capi-lares razón que hace que se llame a este fenó-meno condensación capilar.

DETERMINACIÓN DEL CON-TENIDO DE HUMEDADEl contendido de humedad según la Norma UNE56.529:1977 9, se establece por la relación: pesodel agua contenida / peso de la madera desecada

(anhidra), expresando el resultado en tan-to por ciento. Pero para obtener resultadosfiables, las probetas no deben extraersede las capas superficiales, sino a una dis-tancia mínima de 1m de cualquiera de losextremos o en el centro de la pieza si sulongitud es inferior a 2m 10.

Suele ser más rápido utilizar los métodoseléctricos si la madera tiene un contenido dehumedad inferior al 30 % 11. El xilohigrómetrode resistencia da medidas muy fiables en-tre 5 y 25 % 12 y el xilohigrómetro de capa-cidad da lecturas instantáneas con un errordel ± 2 % sobre el valor real, que debeperfilarse con la temperatura, especie,humedad local y defectos naturales. Nun-ca debe olvidarse clavar los electrodos depúas en la madera en dirección perpendi-cular a las fibras y a una profundidad de 1/5 del grosor de la pieza 13.

HIGROSCOPICIDADLa fuerza capilar del lumen de las células no essuficiente como para captar agua de la atmósfe-ra y sólo se llena de agua cuando la madera sesumerge en ella. Por el contrario, los huecosentre las microfibrillas y las fibrillas elementalesson tan pequeños que originan fuerzas capilaressuficientes como para captar agua de la atmós-fera. Como, por otra parte, la atmósfera tieneuna fuerza desecante que depende de la tempe-ratura, humedad relativa y presión a la que seencuentra, ésta es también capaz de captar aguade la pared celular de la madera. Dependiendode la fuerza de una u otra, la madera capta ocede agua. Esta propiedad de los cuerpos deestablecer intercambio de humedad con el am-biente se denomina higroscopicidad.

La higroscopicidad relaciona el coeficientede variación volumétrica con el peso específicoaparente anhidro. La normativa de ensayos es-pañola mide esta característica como la varia-ción del peso de la madera cuando la humedadambiental varía en un 1% y se define en la Nor-ma UNE 56532:1977, por la fórmula:

( 1 - V ) r 12h = ---------------------- 100

dondeh = Higroscopicidad en Kilogramos por metrocúbicoV = Coeficiente de contracción volumétrica enporcentajer 12 = Peso específico en kilogramo por metrocúbico al 12 % de humedad

La Norma 56540:1978, para un 12 % de hu-medad, establece los siguientes valores:

Higroscopicidad hDébil 0,0015Normal 0,003

Fuerte 0,0050

Utilizando este concepto es posible medir laintensidad o velocidad de absorción de la hu-medad del aire.

HUMEDAD DE EQUILIBRIOHIGROSCÓPICOCuando en la madera se inicia el proceso delsecado, el aire va quitando agua de los huecosde la madera, primero el agua del lúmencelular, después el agua adherida superfi-cialmente por fuerza capilar de la paredcelular, el agua retenida por adhesión su-perficial y por último el agua retenida en losgrupos polares de la celulosa. Según seva secando la madera, llega un momentoque ambas fuerzas se equilibran, con loque cesa el intercambio de agua. La madera dela parte exterior al perder humedad tiende acontraerse mientras que la interior no, o si lohace en menor medida. Esta tendencia a con-traerse de la madera superficial genera una com-presión a la madera interior que como no pue-de contraerse somete la superficie exterior aesfuerzo de tracción y como la madera resistemuy mal los esfuerzos de tracción perpendicu-lares a la fibra, la madera se fenda (agrieta) 14 .

Referencias Bibliográficas1 Junta del Acuerdo de Cartagena. PADT-REFORT:«Manual de Diseño para maderas del GrupoAndino». Pág 6.22 Levin, Ezra y Brown, W.H.: «Manual AJ deEstructuras». Pág 2493 Kollmann, Franz: «Tecnología de la madera ysus aplicaciones». Págs 4244 Alvarez Noves, H. y Fernández Golfín Seco, J.I.:«AITIM, Nº 182». Pág 675 Kollmann, Franz: «Tecnología de la madera ysus aplicaciones». Págs 4246 Alvarez Noves, H. y Fernández Golfín Seco, J.I.:«AITIM, Nº 182». Pág 707 Morales Méndez, Enrique (2000): «Procesode análisis y toma de decisiones para el empleode elementos de madera aserrada al exterior« .Trabajo de Investigación inédito. Universidadde Sevilla.8 -Volbehr, B.: «Untersuchungen über dieQuellung der Holzfaser. 1896» . Recogido porKollmann, F.: «Tecnología de la madera y susaplicaciones». Pág 4499 Norma UNE: «Determinación del contenidode humedad por desecación hasta el estadoanhidro». Norma UNE-EN 844-4: «Términosrelativos al contenido de humedad «10 Norma UNE-EN 336: «Madera estructural.Coníferas y Chopo. Dimensiones y tolerancias».11 Norma UNE 56544/1M: « Clasificación vi-sual de la madera aserrada para uso estructu-ral«. Proyecto de Norma UNE-EN 13183- 2: «Método eléctrico para estimar el contenido dehumedad de una pieza de madera aserrada «12 Norma UNE 56.530: « Determinación delcontenido de humedad mediante higrómetro de