Investigación e IIM Ingeniería de la Madera · Andira inermis, Juglans pyriformis, Quercus spp....

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.

mailto:[email protected]

http://www.academia.edu/


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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.


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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




Δm 142,20 < 0,00001*

T. rosea 35 155,66

A. inermis 35 106,53




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.


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


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)


24

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


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.


25

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)


26

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)


Giraldo et al. (2016)


27

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)


28

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).


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.


30

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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

1 Traducción libre del original.


37

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



38

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/

Investigación e IIM Ingeniería de la Madera · Andira inermis, Juglans pyriformis, Quercus spp....

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