Durabilidad de los herrajes metálicos en la construcción en madera: interacción madera-metal

Abstract

Este trabajo de investigación nace de un interés personal y particular en el estudio de los materiales metálicos y su durabilidad, motivado por el estudio de los mismos para los programas de las asignaturas que he impartido desde el inicio de mi carrera docente. Uno de los aspectos determinantes en la durabilidad de los metales es la posible incompatibilidad con otros materiales de construcción. El desarrollo tecnológico y la rapidez de ejecución que la construcción demanda actualmente, han llevado a la utilización de sistemas mixtos: ponemos en contacto materiales de naturaleza muy distinta como piedras, maderas, metales, cerámicas, cementos, etc., que requieren un estudio de compatibilidad entre ellos para lograr un correcto funcionamiento conjunto. Entre algunos materiales este aspecto es más ampliamente conocido (acero y cobre y la posibilidad de pares galvánicos; corrosión del acero en contacto con el yeso, en condiciones de humedad, etc.). Sin embargo, es escaso el conocimiento del comportamiento de los metales en contacto con la madera, quizás porque en España se dejó de utilizarse la madera como material estructural sobre los años 50. Por tanto, pensé investigar un campo en el que se combinaran ambos materiales, como es la construcción actual en madera, cuyas uniones y encuentros se realizan principalmente con metales. El aspecto que inicialmente me planteé era el de compatibilidad (física-mecánica y química) entre ambos materiales. Como punto de partida, conocía de cada material su diferente naturaleza: el metal es isótropo y de origen industrial, y la madera es anisótropo y de origen natural, con una gran variedad de especies en el mundo. También tenía conocimiento de sus propiedades resistentes y las deformaciones tan dispares de ambos materiales, el comportamiento bien distinto que tienen ante el fuego y problemas ampliamente estudiados como la oxidación y corrosión de algunos metales ante determinados agentes externos, las variaciones dimensionales de los metales, en general, ante cambios de temperatura y de la madera ante cambios de humedad, etc. El estudio de compatibilidad entre estos dos materiales suponía plantearse la conjunción e interacción de todas las propiedades características de cada uno de ellos. Sobre compatibilidad física-mecánica existe bastante información y estudios al respecto (se conocen los coeficientes de contracción volumétrica de las distintas especies de madera, los coeficientes de conductividad térmica de ambos materiales, los valores de resistencia y deformación, etc.) pero poco encontré sobre la compatibilidad química. El hecho de que la madera sea un material higroscópico representa un riesgo de corrosión para los metales en contacto con ella. Además, consultando bibliografía sobre recubrimientos galvanizados (utilizados mayoritariamente para los herrajes en la construcción en madera actual) encontré datos que me hicieron precisar más la investigación a realizar. Entre ellos figuraba el siguientes: "la galvanización se puede utilizar en contacto con la mayoría de las maderas secas… y puede necesitar alguna protección adicional en contacto con algunos materiales de construcción, entre otros, maderas ácidas". Es decir, que determinadas especies de maderas, por su acides (expresada en un valor de pH) pueden producir la corrosión de un tipo de recubrimiento habitual frente a la corrosión como es el galvanizado. También encontré referencias de que el galvanizado, así como algunos metales, se podrían ver afectados por determinados protectores de la madera, principalmente los que contienen sales de cobre. A partir de ahí llevé a cabo la búsqueda bibliografía sobre acides de la madera y los peligros de corrosión de materiales metálicos en este medio ácido, no encontrando en bases de datos bibliográficas ninguna referencia de investigador español sobre el tema. Los primeros documentos analizados sobre estos aspectos fueron extractos de las publicaciones Zinc Coated Steels In Buildings (Jones & Brinn, 1983), y Corrosion Resistance of Zinc And Zinc Alloys (Porter, 1994). A partir de ellas localicé amplia documentación al respecto, la mayoría en forma de artículos en revistas especializadas, datada entre los años 1959 y 1983 y resultado de investigaciones realizadas en Estaos Unidos, Reino Unido y Suráfrica. En esta documentación hallé aspectos muy interesantes, que no suelen ser habituales en el estudio de la madera y los metales, que me llevaron a centrar la investigación en la compatibilidad química entre madera y metal, analizando la influencia de la madera en el deterioro de los metales (corrosión) y viceversa. Como he dicho anteriormente, existen numerosas investigaciones sobre la interacción madera-metal y los factores que influyen en ella, sin embargo, todas están realizadas entre los años 1959 y 1983 y por investigadores extranjeros, principalmente de Estado Unidos, Reino Unido y Suráfrica. No he encontrado referencias a investigaciones de carácter científico más recientes, ni realizadas en España sobre este tema, salvo las realizadas por empresas comerciales sobre determinados productos, por lo que entiendo que pueda haber un desconocimiento e incertidumbre sobre la influencia de estos factores (pH de la madera, taninos, protectores de la madera, etc.) en la durabilidad de herrajes metálicos empleados en la construcción en madera. Del mismo modo, existe un gran vacío en los procedimientos de ensayos normalizados sobre la interacción madera-metal, que he apreciado cuando he querido llevar a cabo ensayos experimentales para esta investigación. El interés de la investigación se justifica por una serie de circunstancias que convergen en el momento actual: 1. La recuperación en la última década de la construcción en madera sobre todo con uso estructural, debido al desarrollo tecnológico y al empleo de la medra laminada encolada. Los sistemas actuales de construcción en madera utilizan mayoritariamente herrajes metálicos para el diseño de uniones, desbancando a las uniones tradicionales por estereotomía, que requerían una especializada mano de obre y conseguían poca optimización en el dimensionado de las piezas. Las exigencias del actual sistema de control de calidad y los obligados planes de mantenimiento, hacen necesario considerar la durabilidad de las uniones madera-metal y los factores que vulneran su correcto funcionamiento. 2. La carencia que hemos tenido en España, durante mucho tiempo, de una Normativa de obligado cumplimiento para madera con uso estructural ha permitido trabajar con tanta libertad a los fabricantes de herrajes como con desconocimiento a los redactores de proyectos. Solo a partir del año 1993, la convergencia con otros países de la Unión Europea supuso el nacimiento de los Eurocódigos, siendo el Eurocódigo nº 5 el asignado a: "Proyecto de estructuras de madera". Posteriormente, en el año 1994, en el ámbito nacional, se redactó un borrador de Norma Básica de Madera, la NBE-EM99, basada en el Eurocódigo nº5. Nunca llegó a aprobarse definitivamente ante la entrada en vigor en España de la nueva ley de Ordenación de la Edificación (38/1999) que dispuso la necesidad de desarrollo de un Código Técnico que abarcara toda la normativa referente a edificación que aún no tiene la aprobación definitiva para su aplicación. 3. Otra circunstancia importante que se da en el momento actual, es la modificación legislativa que se ha producido en España, a partir del 2003, debido a la trasposición de la Directiva CE/8/98, de biocidas. Trae como principal consecuencia un nuevo marco normativo que afectará fundamentalmente a los productos empleados como protectores de la madera y, en especial, a los que hasta ahora se habían llamado genéricamente plaguicidas (no agrícolas). El objetivo fundamental de la nueva regulación comunitaria es la homogenización del procedimiento de autorización, registro y comercialización de los diferentes biocidas en el seno de los países de la Unión Europea, de tal manera que se implemente un sistema general de acreditación de productos químicos, que garantice una protección adecuada de la población y del medio ambiente contra los efectos potenciales de las sustancias químicas. Esta modificación legislativa tiene su base en el Real Decreto 1054/2002, de 11 de octubre. Las exigencias de este Real Decreto restringe para determinados usos la aplicación de uno de los productos más utilizados actualmente por su eficacia: las sales hidrosolubles de CCA o arsenato cromado de cobre. En Europa, la Directiva 203/2/CE, que limita la comercialización y uso del arsénico, deberá ser aplicada antes del 30 de junio de 2004, y obligará a plantear productos alternativos para los sistemas de aplicación de Vacío/Presión/Vacío, método "Bethell". Los objetivos del presente trabajo de investigación son los siguientes: 1. Recopilación y estructuración de datos científicos sobre la interacción madera-metal y los factores que influyen en la corrosión de metales y recubrimientos de zinc utilizados en herrajes empleados en la construcción en madera, a partir de la investigación documental y bibliográfica. Esto permitirá establecer una base de conocimiento sobre el tema. 2. Realización de ensayos experimentales que complementen el apartado anterior, en concreto sobre dos aspectos que he considerado determinantes en la interacción madera-metal, tras la situación actual de las investigaciones, que son: el pH de la madera y los protectores a base de sales hidrosolubles de cobre. Los ensayos concretos son los siguientes: a. Determinación del pH de las especies de madera más utilizadas actualmente en España, para uso estructural y clasificación de estas especies por su capacidad corrosiva hacia metales. Se hará a través de un método fiable que sirva para cualquier otra especie; la mayor parte de los valores de pH de madera obtenidos, a través de la documentación científica estudiada, son, fundamentalmente, de especies de maderas exóticas e indígenas de Sudáfrica y especies americanas. b. Evaluación del efecto corrosivo de algunos protectores de madera actuales, basados en sales de cobre, sobre determinados herrajes metálicos especificados por la Normativa de madera actual, expuestos a unas condiciones ambientales extremas. Encontrar un método fiable de ensayo que permita determinar la incompatibilidad entre maderas, protectores de las mismas y metales. 3. En base a los resultados que se obtengan, evaluar la idoneidad y efectividad, desde el punto de vista de la durabilidad, de las designaciones de metales y recubrimientos de zinc para herrajes especificados por la Normativa actual para estructuras de madera y analizar si estas designaciones son precisas, suficientes y efectivas. Esta investigación tiene dos apartados claramente diferenciados y complementarios: uno primero, de compilación de datos científicos sobre la interacción madera-metal, extraídos de las fuentes documentales, y uno segundo, experimental, donde se realizan dos tipos de ensayos: ENSAYOS SOBRE EL pH DE LA MADERA: Ensayo 1: Determinación del pH de determinadas especies de madera. ENSAYOS DE CORROSION Ensayo 2: Ensayo de corrosión acelerada, de metales y recubrimientos galvanizados, en contacto con madera tratada con diversos protectores, en atmósfera artificial de cámara climática. Ensayo 3: Ensayo de corrosión no acelerada de metales y recubrimientos galvanizados, en contacto con madera tratada con diversos protectores, en atmósfera natural. Ensayo 4: Ensayos de corrosión a corto plazo, de metales y recubrimientos galvanizados, en contacto con madera tratada con diversos protectores, en atmósfera artificial de corrosión rápida: ciclos de humectación y secado en solución de cloruro sódico. Los ensayos de corrosión elegidos, así como la denominación utilizada para los mismos, siguen las referencias de la Norma UNE EN ISO 7384: Ensayos de corrosión en atmósfera artificial. Prescripciones generales y UNE 112-017-92: Recubrimientos metálicos. Ensayos de corrosión en atmósferas artificiales. Ensayos de niebla salina. En el ensayo de pH, se ha empleado una metodología experimental obtenida de la documentación bibliográfica, ante la falta de normalización del método. El pH de la madera es una característica de la misma de la que se tiene parca información. En cuanto a los ensayos de corrosión, no se ha encontrado una metodología experimental normalizada que utilice las variables pretendidas para el ensayo: ambiente, metal y protector de la madera. Es más, la Norma UNE EN 599-2: 1995 expresa en el ANEXO B (Informativo): "no existe ningún método normalizado europeo para establecer las propiedades conferidas a la madera tratada, por ejemplo la corrosión de herrajes y conectores, sin embargo en las fichas de características técnicas proporcionada por los fabricantes puede figurar información sobre un producto en particular y sobre la clase de riesgo en que puede usarse. Igualmente, la Norma UNE EN 599-1: 1996, en el ANEXO D (Informativo): "Procedimientos de envejecimiento artificial", en relación a la resistencia de los protectores frente a los efectos de evaporación, de deslavado por agua y de exposición a la intemperie, incluyendo la luz natural, expresa que no hay métodos de ensayos europeos normalizados adecuados para el envejecimiento natural. Ante la falta de normalización en procedimiento de ensayos específicos sobre la interacción madera-metal, estos se han planteado tomando como punto de partida las Normas UNE. A partir de ellas se ha elaborado una metodología experimental concreta para cada uno de los ensayos, bajo la supervisión de laboratorios de reconocido prestigio en el control de estructuras de madera que han comprobado la validez de los mismos. Los ensayos de corrosión se han llevado a cabo por dos laboratorios: el de IPROCOR (Instituto del Corcho, la Madera y el Carbón Vegetal), de la Junta de Extremadura y el de Materiales de Construcción de la E.T.S. Arquitectura de Sevilla. Ante la imposibilidad de investigar el comportamiento de todas las especies de madera y los múltiples metales y recubrimientos empleados para uso estructural, se ha limitado en esta investigación el ámbito a los materiales siguientes: Madera a) Uso: madera para uso estructural principalmente (carpintería de armar), ya que la Normativa que se analiza en esta Tesis tiene como campo de aplicación las estructuras de madera. Pero los resultados podrían extrapolarse a la madera con uso no estructural (carpintería de taller) ya que no solo nos preocupa la pérdida de resistencia estructural sino también el deterioro y la pérdida de calidad de revestimientos y acabados. En cuanto al tipo de edificios, se plantea madera para obras de nueva planta o rehabilitación que precisen una actuación de sustitución, es decir que en cualquiera de los casos hablamos siempre de madera nueva. b) Producto: madera natural, maciza o aserrada, escuadrada y en ocasiones cepillada, que también se emplea en la fabricación de madera laminada encolada y otros productos derivados. Por ello, las conclusiones de esta Tesis podrían verse modificadas en estos casos por la introducción de otros materiales como colas, resinas, etc. c) Especies: son muchas las especies de madera existentes pero pocas las de uso estructural, al menos en nuestro país. Precisamente son escasos los datos que se obtienen en la bibliografía básica de las maderas estructurales españolas. En el ensayo de pH, las especies elegidas son las utilizadas con más frecuencia actualmente para uso estructural en España, lo que no quiere decir que sean de procedencia española: - Abeto - Abeto rojo o Falso Abeto - Pino silvestre - Pino insignis - Pino laricio - Pino pinaster - Pino oregón - Pino amarillo del sur - Abeto sitka o Picea de sitka - Elondo - Iroko - Jatoba - Roble blanco americano En los ensayos de corrosión de metales y recubrimientos galvanizados, en contacto con madera tratada con diversos protectores, se ha elegido la especie pino silvestre por las siguientes razones: 1. Es la especie más utilizada para la realización de estructuras, por su resistencia en relación a su precio y a la faltad de obtenerla en cualquier almacén. 2. Tiene un grado de pH comprendido entre 4,5 y 5,0 luego no es marcadamente ácida ni por lo tanto corrosiva, y la acidez no se convierte en un factor adicional a la posible acción corrosiva de los protectores de la madera utilizados, ya que se pretenden obtener valores aislados referentes al factor "Protectores de la madera". 3. Es fácilmente impregnable, desde el punto de vista de los tratamientos en profundidad, que han sido los utilizados para este ensayo. Metales: La elección de metales pretende ser lo más ajustada a la realidad actual, que tiene correspondencia, aunque no exacta, con las especificaciones indicadas por la Normativa de referencia. Hoy día, la mayoría de los herrajes que se utilizan para las estructuras de madera son de acero galvanizado (con diversas designaciones en función del procedimiento de galvanizado y espesores de recubrimiento). Si el ambiente es muy agresivo y el coste de herrajes no es excesivo, por el tipo de estructura o elemento constructivo a proteger, se utilizan aceros inoxidables (también de diversos tipos), considerando que el coste de estos últimos es aproximadamente tres veces superior al de los anteriores. Los tipos de metal y recubrimientos galvanizados utilizados para los ensayos de corrosión son: - Acero galvanizado en continuo por inmersión en caliente (en chapa). - Acero galvanizado en caliente (en punta). - Acero inoxidable (en punta). - Acero electrozincado (en punta). Ambientes de corrosividad. La compatibilidad entre materiales viene determinada en gran medida por el ambiente en el que están en contacto a lo largo de su vida útil. Se recurre a los ambientes recogidos por el Eurocódigo nº 5 8(Artículo 3.1.5), el proyecto de NBE-EM 99 y el Código Técnico de Edificación (CTE), para la clasificación de estructuras de madera, a los que denomina clases de servicio: Clase de servicio 1: se caracteriza por un contenido de humedad (CH) en los materiales correspondientes a una temperatura de 20º C y una humedad relativa del aire (HR) que solo exceda el 65% unas pocas semanas al año. La humedad de equilibrio higroscópico media en la mayoría de las coníferas no excede el 12%. Clase de servicio 2: se caracteriza por un contenido de humedad (CH) en los materiales correspondiente a una temperatura de 20º C y una humedad relativa del aire (HR9 que solo exceda el 85% unas pocas semanas al año. La humedad de equilibrio higroscópico media en la mayoría de las coníferas no excede el 20%. Clase de servicio 3: condiciones climáticas que conduzcan a contenidos de humedad superiores al de la clase de servicio 2. Únicamente en casos excepcionales las estructuras cubiertas podrían considerarse como pertenecientes a la clase de servicio 3. Los ensayos de corrosión se han realizado en unas condiciones termohigrométricas correspondientes a una Clase de servicio 3. Tipos de herrajes Existe en el mercado una gran variedad de herrajes metálicos para las estructuras de madera, algunos para uniones transmisoras de esfuerzos y otros para funciones no estructurales, como puede ser la de fijación. Este trabajo pretende abstraerse de la tipología del herraje con objeto de determinar exclusivamente la compatibilidad madera-metal en las distintas posiciones relativas de ambos. Los tipos de herrajes a ensayar son: 1. Tipo superficial: placa perforada intercalada en madera. 2. Tipo clavija: puntas con adherencia mejorada clavadas en madera. Protectores de la madera Dentro de los protectores que utilizan sales hidrosolubles, se engloban productos de fijación rápida y difícilmente deslavables. Entre ellos se encuentra el CCA (Cromo, Cobre y Arsénico), que es el más usado, y otros, como el CCB (Cromo, Cobre y Boro), sales CFK (Cromo, Flúor y Cobre), sales CX (Cobre HDO y Boro) y sales E (Cobre y Azoles). La función que desempeñan sus componentes principalmente son: - Insecticida: sales de arsénico, flúor o boro, o los azoles. - Fungicida: sales de cobre - Fijación de las materias activas y prevención del deslavado: sales de cromo. También se encuentra entre las sales hidrosolubles, productos de fijación lenta, como: Cromo-Flúor, Cromo-Boro-Flúor y Sales de amonio cuaternario. En la industria de la protección de la madera, el arseniato de cobre cromado (sal hidrosoluble CCA) ha dominado la escena durante todo el siglo XX. En 1995, los datos indicaban que solo en los EE.UU. se trataban unos 17 millones de m3 de madera. El 78% de ese volumen con productos hidrosolubles, frente a la creosota (15%), productos solubles en solventes orgánicos (6%) y retardadores del fuego (1%). En Europa, los productos protectores solubles en agua que se han empleado principalmente desde hace dos décadas han sido las sales CCA (cromo, cobre y arsénico) y CCB (cromo, cobre y boro). Estos sistemas han dado excelentes resultados y son la base de nuevos y más avanzados sistemas de protección. En nuestro país, se emplea mayoritariamente el CCA, por considerarse el protector más económico y eficaz para determinadas condiciones, básicamente las más expuestas, clasificadas por la Norma UNE EN 335-1: 1992, con las clases de riesgo 3, 4 y 5. Con respecto a otros productos, los protectores orgánicos naturales no se aconsejan por las Directrices comunitarias, por lo que se están dejando de utilizar (el uso de las creosotas se limita casi exclusivamente al tratamiento de traviesas y de postes), y los productos mixtos son de reciente aparición y no se dispone de mucha información sobre ellos. Ante estos datos, parece apropiado hacer la investigación con protectores que utilizan sales hidrosolubles, principalmente CCA. Sin embargo, atendiendo a las propuestas actuales, desde el punto de vista medioambiental, de limitar el uso de protectores con componentes de dudosa toxicidad, como el cromo o el arsénico, parece apropiado hacer un estudio con productos alternativos de la misma naturaleza, pero menos tóxicos, y con los que no se han realizado tantas investigaciones sobre la influencia de los mismos en la corrosión de metales como con el CCA. El ámbito de investigación va a limitarse a los siguientes protectores: - Arsenato de Cromo-Cobre (CCA) - Borato de Cromo-Cromo (CCB) - Sales cuaternarias de cobre (ACQ), sin Cromo ni Arsénico. El ámbito de la investigación, se resume en el siguiente cuadro: AMBITO DE INVESTIGACION MADERA Uso Estructural (principalmente) Producto Madera aserrada Especies En el ensayo de pH: Las más usadas en España para uso estructural. En los ensayos de corrosión: pino silvestre METALES Según Normativa Acero galvanizado Acero inoxidable AMBIENTE Según Normativa Clases de servicio HERRAJES Según Normativa Tipo superficial: Placa intercalada Tipo clavija: puntas con adherencia mejorada. PROTECTORES MADERA Sales hidrosolubles de cobre CCA, CCB y Sales de amonio cuaternario