Determinación de la higroscopicidad y comportamiento termodinámico de la madera juvenil y madura a través de sus isotermas de sorción

La respuesta higroscópica de la madera varía a lo largo de la dirección radial del árbol. El aumento de corta de ejemplares jóvenes y el uso de troncos de pequeños diámetros en la industria de los productos forestales, hacen preciso estudiar el comportamiento higroscópico tanto de la madera juvenil como de la madura. Su determinación proporciona información para comprender los mecanismos de sorción. Asimismo, la obtención de las propiedades termodinámicas de ambos tipos de madera facilita la modelización de procesos industriales como el secado o el encolado. En el presente trabajo, se ha comparado el comportamiento higroscópico y las propiedades termodinámicas de la madera juvenil y madura de Abies pinsapo Boissier, Abies alba Mill., Pinus canariensis C. Sm. ex DC., Pinus nigra Arnold, Pinus uncinata Mill. ex Mirb. y Pinus pinea L. Para este propósito se han utilizado las isotermas de sorción obtenidas mediante el método tradicional de sales saturadas descrito por COST Action E8 a 15, 35 y 50ºC en Abies pinsapo, Abies alba, Pinus nigra, Pinus uncinata y Pinus pinea, y a 35 y 50ºC en Pinus canariensis. Igualmente, se ha empleado el equipo dynamic vapor sorption (DVS) en la obtención de las isotermas de Pinus pinea a 35 y 50ºC. El ajuste de las curvas se ha realizado mediante el modelo Guggenheim, Anderson y de Boer-Dent (GAB), cumpliendo todas las muestras los criterios de aceptación establecidos. En el estudio de las isotermas se ha calculado el coeficiente y área de histéresis entre el proceso de adsorción y desorción para cada una de las muestras. Con el fin de comprender el comportamiento higroscópico experimentado por cada madera se ha determinado la composición química, espectros de infrarrojos (FTIR) y difractogramas de rayos X de cada una. Los parámetros termodinámicos - calor isostérico neto y total heat of wetting - se han obtenido a partir de las isotermas de sorción mediante el método de integración de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Finalmente, se han comparado los datos obtenidos con el método tradicional de sales saturadas y con dynamic vapor sorption con el propósito de conocer la existencia de similitudes entre ambas metodologías. Los resultados mostraron que los puntos de equilibrio son, en la mayor parte de los casos, superiores en la madera madura frente a la juvenil, y por tanto las isotermas de la madera madura se encuentran siempre por encima de las de la juvenil, debido principalmente a la composición química. Respecto a las propiedades termodinámicas, se ha determinado que la energía involucrada en los procesos de sorción es superior en la madera madura que en la madera juvenil, siendo mayor en el proceso de desorción frente al de adsorción. En la comparación de las metodologías de sales saturadas y dynamic vapor sorption no se han detectado casi diferencias significativas en el proceso de adsorción, mientras que sí se han obtenido en el de desorción. ABSTRACT The hygroscopic response of wood varies throughout the radial direction of the tree. The longer cut of young trees and the use of small-diameter trunks in the forest product industry make it necessary to study the hygroscopic behaviour of both juvenile and mature wood. Determining this behaviour in both types of wood provides information for understanding the sorption mechanisms. Similarly, obtaining the thermodynamic properties of juvenile and mature wood facilitates modelling of industrial processes such as drying and bonding. In this study a comparison was made of the hygroscopic behaviour and thermodynamic properties of juvenile and mature wood of Abies pinsapo Boissier, Abies alba Mill., Pinus canariensis C. Sm. ex DC., Pinus nigra Arnold, Pinus uncinata Mill. ex Mirb. and Pinus pinea L. This was done by obtaining the sorption isotherms using the traditional saturated salt method described by COST Action E8 at 15, 35 and 50ºC in Abies pinsapo, Abies alba, Pinus nigra, Pinus uncinata and Pinus pinea, and at 35 and 50ºC in Pinus canariensis. In addition, dynamic vapour sorption (DVS) was used to obtain the isotherms of Pinus pinea at 35 and 50ºC. The curves were fitted using the Guggenheim, Anderson and de Boer- Dent (GAB) model and all samples met the established acceptance criteria. In the study of the isotherms, the hysteresis coefficient and area of the hysteresis loop between adsorption and desorption were calculated for each sample. To understand the hygroscopic behaviour of juvenile and mature wood, the chemical composition, infrared spectra (FTIR) and X-ray diffractograms of each type of wood were determined. The thermodynamic parameters - net isosteric heat and total heat of wetting - were obtained from the sorption isotherms by applying the integration method of the Clausius-Clapeyron equation. The data obtained using the traditional saturated salt method and with dynamic vapour sorption were compared to determine the similarities between the two methods. The results showed that the equilibrium points are greater in the mature wood than in the juvenile wood in most cases, and therefore the mature wood isotherms are always above the juvenile wood isotherms, mainly because of the chemical composition. As regards the thermodynamic properties, it was determined that the energy involved in the sorption processes is greater in the mature wood than in the juvenile wood, and is greater in the desorption process than in the adsorption process. On comparing the saturated salt and dynamic vapour sorption methods, almost no significant differences were detected in the adsorption process, but significant differences were obtained in the desorption process.

Fiabilidad estructural de coníferas españolas

Se ha procedido al análisis estadístico de un banco de datos de algo más de nueve mil probetas de tamaño estructural ensayadas a lo largo de la década final del s. XX y la inicial del s. XXI, provenientes de masas forestales de coníferas españolas. Las especies estudiadas (pinus sylsvestris, p. halepensis, p. pinaster, p. radiata, p. nigra) representan más del 80% de la superficie forestal española cubierta por coníferas, y ninguna especie de relevancia por volumen potencial de corta a medio plazo ha quedado excluida (quizá con la única excepción de p. pinea, y, con matices juniperus thurifera). Por lo tanto, puede considerarse una información razonablemente representativa de la población de coníferas españolas (en adelante, población objetivo), si bien los procedimientos de muestreo presentan marcadas diferencias en función de las especies. Los procedimientos de ensayo se han atenido, esencialmente, a la normativa europea de referencia, así como a la normativa española de clasificación de madera aserrada, básicamente UNE 56544, con los matices propios de las sucesivas ediciones de las indicadas normas durante un período de unos veinte años. El estudio se ha realizado con el objeto de caracterizar el estado de naturaleza de los principales parámetros resistentes la población objetivo (densidad, módulo de elasticidad longitudinal, y tensión de rotura en flexión pura), así como identificar posibles inconsistencias en la normativa vigente relacionada. Los resultados se han elaborado de forma operativa para su utilización, en una primera aproximación, en la ejecución de cálculos directos de fiabilidad estructural, tal como se plantean en las normativas ISO 2394, ISO 12491, ISO 13822, UNE EN 1990, Código Técnico de la Edificación español y Código Modelo Probabilístico. Inequívocamente, las variables resistentes de referencia de las coníferas españolas susceptibles de uso estructural presentan una variabilidad significativamente superior a la habitual en coníferas de origen en el Centro y Norte de Europa, así como en Norteamérica (en adelante, poblaciones de comparación). Esta diferencia es extrema en el caso de la resistencia, importante en el caso de la rigidez, y prácticamente testimonial en el caso de la densidad. Por otra parte, la rigidez y la densidad de la población objetivo es mucho mayor, para el mismo valor de la resistencia, que las de las poblaciones de comparación. Asimismo, las correlaciones entre las tres variables básicas son inferiores en la población objetivo respecto a la de comparación. Estos hechos llevan a que la aplicación del sistema de clases resistentes en uso conduzca a situaciones de dimensionado poco racionales, y marcadamente antieconómicas. Si bien el objeto del estudio no es el establecimiento de una “jerarquía” estructural de especies, sí deben subrayarse algunos aspectos particulares por especies. El p. nigra tiene los mayores valores centrales y los menores de dispersión de toda la población objetivo, y mayores valores centrales que cualquier referencia de la población de comparación: para la misma fiabilidad objetivo en supuestos habituales, en p.nigra puede ser necesario en torno a un 20% menos de volumen de madera que en p. sylvestris, y en torno a un 40% que en p. radiata . El p. radiata y el p. pinaster presentan los menores valores de centralidad y los mayores de dispersión, de toda la muestra objetivo en formatos aserrados (con la excepción de la densidad: el p. radiata presenta valores muy bajos, pero atípicamente baja variabilidad). Especies habitualmente “no consideradas” como el p. pinea, presentan valores notablemente altos de centralidad, especialmente en la variable densidad. Otro caso de interés es p. halepensis, con prestaciones estructurales muy elevadas, teniendo en cuenta la proveniencia de masas carentes de un manejo adecuado (a efectos de producción maderable). Al contrario que en las poblaciones de comparación, la densidad de las coníferas españolas se representa claramente por distribuciones lognormales, frente a las distribuciones normales que se consideran en la literatura para la misma variable básica. Esto no tiene consecuencias relevantes en la fiabilidad estructural de las uniones, debido a los bajos coeficientes de variación (entre el 10 y 13%, típicamente). Para la tensión de rotura en flexión, parece haber una marcada diferencia entre el tipo de distribución que representa a las poblaciones no clasificadas o rechazadas (que es claramente Lognormal) y la que representa a las poblaciones clasificadas (que parece ser de tipo Weibull de tres parámetros). La distinción va más allá de la sutileza matemática: si la distribución fuese lognormal para todos los casos, la ineficiencia de la aplicación del sistema de clases resistentes aún sería más acusada que lo anteriormente indicado. La distribución normal, sólo representa adecuadamente el estado de naturaleza del módulo de elasticidad y la tensión de rotura de maderas no escuadradas (cilindradas, descortezadas, o simplemente desramadas), y del módulo de elasticidad de las muestras rechazadas. Las coníferas no clasificadas, arrojan valores relativamente elevados de resistencia, lo que hace pensar en la conveniencia de la definición de un “protocolo de mínimos” para posibilitar su uso en el marco normativo actual. Se ha ejemplificado cómo de la aplicación de técnicas probabilísticas utilizando como fundamento los resultados del análisis realizado, resulta un ahorro material potencialmente notable en la población objetivo (en la horquilla del 30 al 60%, dependiendo del estado límite que gobierne el dimensionamiento), respecto a la aplicación directa de los protocolos normativos a partir de la aplicación de la norma de clasificación española. Complementariamente, se han elaborado modelos de variabilidad de los parámetros de las distribuciones propuestas, al objeto de facilitar la aplicación de técnicas de actualización bayesiana. Estas técnicas tienen particular relevancia en el entorno español, por dos razones. Una de ellas, es que suponen, de hecho, la única manera de tratar la cuestión de la seguridad de estructuras prexistentes en un marco matemático-formal consistente con la normativa. La otra, es que permiten la utilización de maderas procedentes de medios de producción con niveles de control de calidad mínimos, incluso casi inexistentes, con inversiones en coste de ensayos comparativamente irrelevantes. ABSTRACT A group of databases making a total of ca. 9.000 beams produced by sawing coniferous species from Spain, tested according EN 384 (1) and visually graded according Spanish standards were analyzed. The main goal was to reach a detailed comprehension about the true state of nature of the three reference structural properties (density, MOR and MOE), in the conditions the material reaches the real market. This goal has been addressed through the detailed adjustment of the proper probabilistic model to the data available. The most important outcome has been the proposal of a set of distribution parameters for the target species, ready to be used in direct probabilistic calculation. This use is exemplified through structural reliability calculations, establishing a priori data for Bayesian reliability updating, Spanish code calibration suggestions, and parameters proposal for the Probabilistic Model Code (2).

Evolución de la vegetación en el sector biogeográfico Castellano Cantábrico durante el Cuaternario Final, a través del registro tobáceo

En esta memoria de Tesis Doctoral se aborda el estudio paleobotánico de seis yacimientos tobáceos situados en las localidades burgalesas de Tubilla del Agua, Sedano, Herrán, Tobera y Frías, y en la alavesa de Ocio. El registro fósil encontrado en estos afloramientos se analiza de forma conjunta con el objetivo de conocer la evolución de la vegetación en el sector biogeográfico Castellano Cantábrico. Este sector se considera el territorio para el cual los hallazgos paleobotánicos son representativos y extrapolables, en tanto que constituye una región homogénea desde el punto de vista florístico, que abarca todos los yacimientos prospectados. El contexto temporal en el que se enmarca este estudio es el final del Cuaternario, desde el Pleistoceno Medio hasta la actualidad. Este intervalo se ha establecido a partir de la edad de los depósitos estudiados, la cual ha sido determinada —para los yacimientos de los que no se disponía de edades fiables— mediante la datación de muestras extraídas de las diferentes unidades litológicas identificadas. Para ello han sido empleadas las técnicas de carbono-14, desequilibrio de las series del uranio y racemización de aminoácidos. Los resultados geocronológicos obtenidos junto con el análisis geomorfológico de los yacimientos han permitido vincular la génesis de las 13 unidades litológicas identificadas con diferentes estadíos climáticos. Estos abarcan un amplio rango de condiciones ambientales, desde las más extremas del Último Máximo Glacial, hasta las más benignas de los Estadíos Isotópicos Marinos interglaciares 1 y 5. Como resultado de la prospección de los depósitos de toba fueron recuperados 1.820 fósiles, la mayoría impresiones foliares, pero también moldes de estróbilos femeninos, ramas y corteza, así como 42 carbones y restos subfósiles de Pinus sp. La identificación taxonómica de estos restos se ha realizado fundamentalmente a partir del análisis de caracteres diagnósticos morfológicos. Como resultado de ello, han sido descritos 28 taxones pertenecientes a las subclases Bryidae, Polypodiidae, Pinidae y Magnoliidae. La flora de los yacimientos estudiados se puede clasificar en tres grupos en función de sus requerimientos ecológicos: (i) uno formado por dos especies de alta tolerancia a la continentalidad —Pinus nigra y Quercus faginea—, las cuales aparecen bien representadas en la mayoría de los depósitos; (ii) otro constituido fundamentalmente por un conjunto de árboles y arbustos que habitualmente tienen el papel de especies acompañantes en los bosques ibéricos submediterráneos y eurosiberianos; y (iii) un tercer grupo compuesto por taxones hidrófitos o edafohigrófilos asociados al ecosistema del fitohermo activo y la vegetación de ribera. En el capítulo de Discusión se propone y analiza la hipótesis de que P. nigra y Q. faginea habrían sido las especies protagonistas de la vegetación zonal del sector Castellano Cantábrico durante el Cuaternario Final. Estas podrían haber persistido como tal incluso durante las épocas más frías, debido a su amplia valencia ecológica y a la capacidad de reproducirse vegetativamente en el caso del quejigo. Por el contrario, los taxones mesofíticos y eurosiberianos pudieron haber sufrido la expansión y retracción de sus poblaciones al ritmo de las oscilaciones climáticas. Sin embargo, la orografía diversa del sector Castellano Cantábrico proporciona emplazamientos en los que se combinan las diversas variables fisiográficas, de tal forma que pudieron haber existido microrrefugios en los que encontraron cobijo algunos taxones mesotérmicos y eurosiberianos durante los periodos glaciales. Por último, la historia evolutiva reciente de la vegetación de este territorio ha estado marcada por la acción antrópica, la cual empezó a ser manifiesta a partir del Neolítico. Esta se tradujo en la degradación y reducción de la cubierta forestal, así como en la extinción del pino laricio del Sector Castellano Cantábrico en los dos últimos milenios. ABSTRACT This PhD Dissertation focuses in the study of six tufa formations located nearby the villages of Tubilla del Agua, Sedano, Herrán, Tobera y Frías, all of them in the province of Burgos, and Ocio, which belongs to the province of Álava. We analyze the palaeobotanical archives of these sites with the purpose of unveiling and understanding the evolution of the vegetation of the Castilian Cantabrian biogeographical sector. This area is considered to be the territory that is represented in the palaeobotanical sample of the studied tufa archives. It is the homogeneous phitogeographical area with the lowest rank that include all the sites. The time frame of this study is the last part of the Quaternary, since the Middle Pleistocene to the present time. This interval is defined by the age of the tufa deposits, which were dated —for the ones that there were not available datings— throughout the analysis of 20 tufa samples taken from the 13 identified lithostratigraphic units. The age of the samples has been determined by using the methods of radiocarbon, U-Th dating and amino acid racemization. Chronological results, along with the chronostratigraphic study of the sites has allowed us to relate the build-up of the 13 identified lithostratigraphic units with different climatic stages. These structures were deposited in a wide range of climatic conditions, from the most extreme ones of the Last Glacial Maximum, to the warmer ones of the Marine Isotopic Stages 1 and 5. A total of 1,820 fossils were recovered from the tufa deposits, most of them were leaf impressions, but also pine cones, branches and bark moulds, along with charcoal and Pinus nigra macro remains. The taxonomical identification of these remains has been done mainly through the analysis of morphological traits. As a result of this process, 28 taxa belonging to the subclass of Bryidae, Polypodiidae, Pinidae and Magnoliidae were identified. The persistency of some taxa can be traced along different climatic stages in this fossil record. This fossil flora can be classified in three different groups: (i) the first one would be composed of two species with high continental climate tolerance —Pinus nigra y Quercus faginea—, which can be found in most of the deposits, (ii) the second group would be mostly formed by trees and shrubs that usually grow in the Iberian forests as an accessory species and (iii) the third one is composed of hydrophytes or hydrophilic taxa associate to the streams, riparian zones or the active tufa ecosystem. In the Discussion chapter we propose and analyse the hypothesis that P.nigra and Q. faginea were the main species of the zonal vegetation of the Castilian Cantabrian biogeographical sector during the last part of the Quaternary. This species could have persisted due to their wide ecological amplitude and also due to the capacity of asexual reproduction in the cases of the oak. On the other hand, mesophitic taxa could have suffered the retraction and expansion of their population following the climate oscillations. However, the diverse orography of the Castilian Cantabrian biogeographical sector provides a variety of combinations of physiographic variables, which could have been suitable refuges for some of the mesophitic taxa. The recent evolutionary history of the vegetation in this territory has been affected by human activities, which started to be relevant since the Neolithic. This led to a reduction of the forests and eventually, to the extinction of P. nigra in the Castilian Cantabrian biogeographical sector in the last two thousands of years.