Comparación de la anisotropía dieléctrica de la madera en las coníferas y frondosas por medio de la técnica no destructiva del georradar

OBJETIVOS CONCRETOS Conocer la naturaleza, propiedades y clasificación de la madera. Conocer el fundamento teórico del Georradar. Conocer los elementos que forman el equipo. Conocer el software para la interpretación de resultados. NATURALEZA DE LA MADERA •Se puede observar a simple vista. Estructura macroscópica •Es visible con unos 2000 aumentos. Estructura microscópica •Es visible con unos 3000 aumentos. Estructura ultramicroscópica PROPIEDADES DE LA MADERA •Anisotropía, densidad, contenido de humedad y propiedades eléctricas. Propiedades físicas •Resistencia a la compresión y resistencia a la tracción. Propiedades mecánicas Propiedades físicas Anisotropía: la madera es un material anisótropo, por ello se considera necesario definir el plano o dirección en el que se va a trabajar. Densidad: la madera tiene una densidad baja y su valor está directamente relacionado con el contenido de humedad. Contenido de humedad: el agua puede estar contenida en la madera de diferentes formas: - Agua libre. - Agua de saturación. - Agua de constitución. Propiedades eléctricas: las más importantes en el caso de la madera son: - La conductividad. - La constante dieléctrica. - El factor de pérdida. Higroscopicidad: propiedad de la madera relacionada con el contenido de humedad. Propiedades mecánicas Las propiedades mecánicas de la madera se ven influenciadas por el contenido de humedad, la especie y la presencia de defectos y singularidades. RESISTENCIA A COMPRESIÓN La madera sometida a cargas presenta un comportamiento viscoelástico. RESISTENCIA A TRACCIÓN La madera es muy indicada para trabajar a tracción siempre que el esfuerzo actúe en dirección paralela a las fibras. CLASIFICACIÓN DE LAS MADERAS Coníferas: - Procedentes de los árboles que pertenecen al grupo de las gimnospermas. - De estructura sencilla, ligeras y blandas. - Muy fáciles de trabajar. Frondosas: - Procedentes de los árboles que pertenecen al grupo de las angiospermas. - De estructura compleja. - Difíciles de trabajar en comparación con las coníferas. - Se subdividen en: maderas duras, blandas, finas, de Guinea y exóticas. A este grupo pertenece la madera de Pino Ruso. A este grupo pertenece la madera de Haya. NORMA UNE-EN 338-2003: madera estructural. Clases resistentes. Clase resistente madera de Haya: D40 40 MPa Clase resistente madera de Pino Ruso: C14 14 MPa CARACTERÍSTICAS HAYA PINO RUSO COLOR MADERA Blanquecina al cortarla y va adquiriendo un color rojizo claro. Grisáceo. COLOR ALBURA Va del anaranjado al rosa claro. Amarillo pálido. COLOR DURAMEN Del blanco anaranjado al rosa claro. Rojizo. DIFERENCIA ENTRE ALBURA Y DURAMEN Con el tiempo no se diferencian. Más acusada en la sección transversal. GRUPO Frondosas. Coníferas. ORIGEN Centro y Oeste de Europa. Hemisferio Norte de Europa. TALLA 35 a 40 m. < 30 m. TRONCO Liso y recto Recto, cónico hasta su ápice. COPA Ovalada. Cónica. HOJAS Ovaladas, con el borde ondulado, algo dentado. Alternas. Simples, agrupadas de a dos, aciculares, rígidas, punzantes y cortas. FLORES Masculinas y femeninas. Conos de forma oblonga. FRUTOS Hayucos. CLIMA Fresco y húmedo. Muy frío. CRECIMIENTO Lento. Tardan décadas en alcanzar el grado de madurez para poder ser cortadas. Rápido. ANILLOS Discernibles. Muy marcados en la madera de verano. DUREZA Dura. Blanda. CARACTERÍSTICAS DE LA MADERA DE HAYA Y LA MADERA DE PINO RUSO PROPIEDADES FÍSICAS HAYA PINO RUSO DENSIDAD APARENTE AL 12% DE HUMEDAD 730 Kg/m3 (Pesada). 540 Kg/m3 (Semiligera). COEFICIENTE DE CONTRACCIÓN VOLUMÉTRICO 0,51% (Madera estable). 0,38% (Madera nerviosa). RELACIÓN ENTRE CONTRACCIONES 2,05% 1,81% DUREZA ( Monnin) 4 1,9 PROPIEDADES FÍSICAS DE LA MADERA DE HAYA Y LA MADERA DE PINO RUSO PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA DE HAYA Y LA MADERA DE PINO RUSO PROPIEDADES MECÁNICAS HAYA PINO RUSO RESISTENCIA A FLEXIÓN ESTÁTICA 40.000.000 Pa 14.000.000 Pa RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN 56.840.000 Pa 39.788.000 Pa RESISTENCIA A LA TRACCIÓN PARALELA 117.600.000 Pa 99.960.000 Pa EQUIPO DE GEORRADAR Unidad de control Antena Radargrama Unidad de control Las señales recibidas son digitalizadas y almacenadas. SOFTWARE RADAN Controla la emisión, la recepción y el registro de la energía. Realiza el procesado de la señal. Actúa: Sobre la señal emitida. Sobre los registros que se adquieren. Modelo: SIR 3000. Peso: 4,5 Kg. Dimensiones: 31,5 x 22 x 10,5 cm. Características Gran capacidad de almacenamiento de datos. Capacidad para mostrar imágenes en 3D. Portátil. Ligero. Resistente al agua. Antena Encargada de emitir el pulso electromagnético al medio y recibir la energía que regresa a la superficie tras haber sufrido una reflexión. Según las características del campo radiado Antena isotrópica Antena direccional Según el número de dipolos implementados Antena monoestática Antena de conmutación Antena de dos dipolos Antena biestática Modelo: 4105. Frecuencia: 2GHz. Rango de penetración: 0-0,75 m. Peso: 7,3 Kg. Dimensiones: 21 x 55,6 x 49,5 cm. La dirección del campo eléctrico determina la dirección de realización de los ensayos. Escala de grises/color Registro de trazas de amplitud Formas de visualización del radargrama Parámetros que definen el radargrama RANGO VALOR DE GANANCIA Nº TRAZAS/SEGUNDO POSICIÓN INICIAL Tiempo durante el cual se registra la llegada de ondas a la antena. (ns) Valor que se aplica para ver amplificadas las ondas. (adimensional) Dependiendo del número de trazas por segundo se obtiene mejor o peor resolución. (scans/s) Posición inicial a partir de la cual se empieza a registrar los datos que llegan a la antena. (ns) Parámetros que definen el radargrama Sin aplicar valor de ganancia Aplicando valor de ganancia Las amplitudes quedan modificadas Interpretación posterior de la imagen •Se ha aplicado a 3 probetas en el caso de la madera de Pino Ruso y a 2 probetas de la madera de Haya. •Posteriormente se saca la media de las densidades para cada madera. Cálculo densidad madera: ENSAYOS CON GEORRADAR Consideraciones previas Cálculo densidad Cálculo contenido humedad Mediciones Mediciones de carácter estático sobre el medio (madera) con y sin reflector metálico. d fibras d E del dipolo d E del dipolo d fibras Posición de la antena en la toma de datos CASO 1: Ensayo longitudinal: campo eléctrico del dipolo de la antena paralelo a las fibras de la madera. CASO 2: Ensayo transversal: campo eléctrico del dipolo de la antena perpendicular a las fibras de la madera. Con y sin reflector metálico •Para poder comparar registros (con y sin reflector metálico) y diferenciar así cuando se produce el cambio de polaridad de las ondas. Empleo de reflector metálico •Para amplificar la reflexión de la onda. Aumentando la reflexión de la onda evitando la refracción de esta en mayor medida, se favorece el cambio de polaridad de la onda. Mediciones •Cuando las señales se solapan es porque el tiempo de duración de la onda directa es superior al tiempo que tarda la onda reflejada en recorrer la distancia de ida y vuelta del grosor de la probeta. Solapamiento señales Mediciones MEDICIONES EN MADERA DE HAYA CASO 1: Ensayo longitudinal (paralelo a las fibras) CASO 2: Ensayo transversal (perpendicular a las fibras) MEDICIONES EN MADERA DE PINO RUSO CASO 1: Ensayo longitudinal (paralelo a las fibras) CASO 2: Ensayo transversal (perpendicular a las fibras) OBTENCIÓN DE RESULTADOS Mediciones Obtención archivos en los ensayos Análisis y procesado archivos (Software Radan) En el análisis y procesado de los archivos obtenidos durante la realización de los ensayos, obtenemos los siguientes parámetros: Velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el medio (cm/ns) Constante dieléctrica (valor adimensional) Amplitud de la onda PARÁMETROS Parámetros •Este valor (cm/ns) se calcula aplicando la siguiente ecuación. Velocidad de propagación •Este valor (no tiene unidades por no ser un valor absoluto) se calcula aplicando la siguiente ecuación. Constante dieléctrica Parámetros •Se obtiene tanto la amplitud de la onda directa At(D) como la amplitud de la onda de la reflexión At(R). Amplitud de onda t(D) t(R) Para poder obtener las amplitudes, primero se deben sacar mediante el software Radan, los tiempos de la onda directa t(D) y de la onda de la reflexión t(R). Una vez conocidos estos tiempos, se obtiene la amplitud de la onda en estos puntos (sin aplicar valor de ganancia). Superposición de onda directa y onda reflejada. Sin reflector metálico (traza superior) y con reflector metálico (traza inferior). Eje X: tiempo medido en ns. Eje Y: amplitud de onda, sin dimensiones ya que no se trata de valores absolutos. Parámetros •La amplitud de onda debe normalizarse mediante una emisión al aire realizada previamente a la realización de los ensayos. Amplitud de onda t(D)aire Archivo de la emisión al aire, donde se toma el primer máximo positivo (correspondiente a la onda directa) para la normalización del resto de amplitudes de onda tomadas. •Todas las amplitudes tomadas anteriormente en el procesado de los archivos deben normalizarse respecto a la amplitud de la onda directa tomada en la emisión al aire, expresándose el resto de amplitudes en %. Tablas datos TABLA TIPO DE OBTENCIÓN DE DATOS DE LA MADERA Tablas datos TABLA DATOS RESUMEN MADERA DE HAYA CASO 1 – CASO 2 TABLA DATOS RESUMEN MADERA DE PINO RUSO CASO 1 INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Comparación velocidades de propagación Vp //: valor medio = 14,87 cm/ns desviación típica = 0,758 Vp I: valor medio = 19,19 cm/ns desviación típica = 0,676 INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Comparación amplitud de onda A //: valor medio t(D)=70,80% desviación típica = 3,77% valor medio t(R)= 11,82 % desviación típica = 8,24% A I: valor medio t(D)= 84,35% desviación típica = 4,4% valor medio t(R)= 27,51 % desviación típica = 11,95% CONCLUSIONES El Georradar empleado es de fácil manejo y la realización de los ensayos ha resultado ser sencilla. El programa informático empleado (Radan) es una herramienta muy útil para el análisis de los archivos. Parámetros estudiados Velocidad de propagación: es mayor cuando el campo eléctrico es perpendicular a las fibras de la madera. Amplitud de onda: Directa: es más pequeña cuando el campo eléctrico es paralelo a las fibras que cuando es perpendicular. Reflejada: es mayor cuando el campo eléctrico es perpendicular a las fibras que cuando es paralelo (75 % de los casos). Constante dieléctrica: es mayor en dirección paralela a las fibras que en dirección perpendicular. Relación de parámetros: Cuanto menos polarizado esté el medio, menores son los valores de la amplitud de onda y de la constante dieléctrica. Cuanto menor es la velocidad de propagación, mayor es la constante dieléctrica. La anisotropía dieléctrica es mayor en la madera de Haya que en la madera de Pino Ruso.