ES2201320T3

ES2201320T3 - Producto de madera para construccion de alta tecnologia y metodo para su fabricacion.

Info

Publication number: ES2201320T3
Application number: ES97939675T
Authority: ES
Inventors: Kendall H. Bassett; Alkivadis G. Dimakis; Earl D. Hasenwinkle; John W. Kerns; John S. Selby; Richard E. Wagner; Ronald C. Wilderman
Original assignee: Weyerhaeuser Co
Current assignee: Weyerhaeuser Co
Priority date: 1996-09-03
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 2004-03-16
Anticipated expiration: 2017-08-28
Also published as: WO1998010157A1; DE69722817D1; CA2263842A1; BR9711660A; UY24694A1; ZA977713B; DK0950143T3; CA2263842C; HK1023609A1; EP0950143B1; US6001452A; AU4170897A; DE69722817T2; AR009509A1; EP0950143A1; NZ334545A; AU717610B2; ATE242832T1; JP2001500076A; US6224704B1

Abstract

ESTA INVENCION SE REFIERE A PRODUCTOS DE MADERA ESTRUCTURALES DE ALTA TECNOLOGIA ESPECIALMENTE UTILES EN APLICACIONES CRITICAS TALES COMO VIGUETAS LAMINADAS, CABECEROS Y VIGAS EN LAS QUE PUEDE PRECISARSE MAYORES LONGITUDES, ANCHOS Y REGIMENES DE ESFUERZOS MAYORES Y PREVISIBLES. ESTA INVENCION SE REFIERE TAMBIEN A UN PROCEDIMIENTO PARA FABRICAR LOS PRODUCTOS DE MADERA. LA MAYORIA DE LOS TRONCOS NATURALES SON RADIALMENTE ANISOTROPICOS, TENIENDO MADERA DE MAYOR DENSIDAD Y RIGIDEZ EN SU PARTE EXTERIOR PROXIMA A LA CORTEZA QUE EN LA PARTE INTERIOR. LOS TRONCOS SON MECANIZADOS PARA SEGREGAR LA MADERA EXTERIOR MAS DENSA Y RIGIDA. UN PRIMER COMPONENTE GENERALMENTE RECTANGULAR (4) SE FORMA DE LA MADERA INTERIOR MENOS DENSA. OTROS COMPONENTES GENERALMENTE RECTANGULARES (6) SE FORMAN DE LA MADERA EXTERIOR MAS RIGIDA. LOS SEGUNDOS COMPONENTES SON UNIDOS MEDIANTE ADHESIVO AL MENOS EN UN BORDE DE LOS PRIMEROS COMPONENTES, GENERALMENTE EN LOS BORDES OPUESTOS. DE ESTA FORMA, LA MADERA MAS RIGIDA ES COLOCADA ESPECIFICAMENTE EN DONDE CONTRIBUIRA MAS EFICAZMENTE A LAS PROPIEDADES DEL PRODUCTO. EL PRODUCTO ES ANALOGO A UNA VIGA EN (Y) EN LA CUAL LA PRIMERA COMPONENTE DE MENOR DENSIDAD SIRVE COMO ALMA Y EL SEGUNDO COMPONENTE DE MAYOR DENSIDAD COMO PARTE DE PESTAÑA. EN SU UTILIZACION, LOS PRODUCTOS PUEDEN MANIPULARSE EN LA MISMA FORMA QUE LA MADERA MACIZA ASERRADA. SE CARACTERIZAN POR UNA VARIACION MUCHO MENOR DE SU RIGIDEZ QUE LA DE LOS PRODUCTOS MACIZOS ASERRADOS, CALIBRADOS VISUAL O AUTOMATICAMENTE, Y PUEDEN SER FABRICADOS EN UNA AMPLIA GAMA DE LONGITUDES, ESPESORES Y ANCHOS.

Description

Producto de madera para construcción de alta tecnología y método para su fabricación.

La presente invención se refiere a productos de madera para construcción de alta tecnología, particularmente útiles en aplicaciones críticas tales como viguetas, tizones y vigas donde pueden requerirse mayores longitudes, mayores anchuras y que se permita la predicción de la resistencia. La invención también se refiere a un método para fabricar los productos de madera.

Antecedentes de la invención

La madera de construcción serrada en dimensiones estándar es el principal material de construcción utilizado en la composición de casas y en muchas estructuras comerciales. Los bosques vírgenes disponibles, que una vez proporcionaron la mayor parte de esta madera de construcción, hace mucho tiempo que se han talado. La mayoría de la madera de construcción producida en la actualidad procede de árboles mucho más pequeños procedentes de bosques de segunda formación y, cada vez más, de plantaciones de árboles. Ahora, se están talando bosques de plantación explotados intensivamente, abastecidos con árboles mejorados genéticamente, en ciclos que varían desde aproximadamente 25 hasta 40 años en la región de pinos del sudeste y el sur central de Estados Unidos y aproximadamente de 40 a 60 años en la región del abeto Douglas (pino de Oregón) del Pacífico noroeste. También se están usando cortos ciclos similares de tala en otras muchas partes del mundo donde los bosques explotados son importantes para la economía. Los aclareos de la plantación, árboles desde 15 hasta 25 años de edad, también son una fuente de pequeños troncos para serrar.

Mientras que los árboles vírgenes tenían normalmente de entre dos a seis pies de diámetro en la base (de 0,6 m a 1,8 m), los árboles de plantación son mucho más pequeños. En raras ocasiones tienen más de dos pies (0,6 m) en la base y normalmente tienen considerablemente menos de esa cantidad. Podría considerarse como ejemplo de un árbol de plantación típico, el pino de incienso de Carolina del Norte de 35 años, en un buen sitio de crecimiento. El sitio se habría plantado inicialmente para aproximadamente 900 árboles por hectárea (400 por acre) y aclarado hasta la mitad de ese número en 15 años. Un terreno se habría fertilizado con frecuencia una o más veces durante su ciclo de crecimiento, normalmente a las edades de 15, 20 y 25 años. Un árbol viejo típico de 35 años en la tala tendría 40 cm (16 pulgadas) de diámetro en la base y 15 cm (6 pulgadas) a una altura de 20 m (66 pies). Los árboles de la región del pino de Oregón, normalmente se dejaría que crezcan algo más antes de su tala.

La madera de construcción estadounidense, denominada "madera de almacén" (madera serrada en tamaños corrientes), tiene nominalmente 2 pulgadas (en realidad, 1½ pulgadas (38 mm)) de espesor y varía en 2 pulgadas (51 mm) de incrementos de anchura desde 3½ pulgadas hasta 11¼ pulgadas (89 mm hasta 286 mm), medidas con aproximadamente un contenido de humedad del 12%. Las longitudes normalmente comienzan a 8 pies (2,43 m) y aumentan a intervalos de 2 pies (0,61 m) hasta los 20 pies (6,10 m). Desgraciadamente, cuando se usan troncos procedentes de árboles de plantación, ya no es posible producir las anchuras y longitudes mayores ni los intervalos en las mismas cantidades que en el pasado.

Hay otro problema con la madera de plantación que no se reconoce tan generalmente como las limitaciones de tamaño. Normalmente, en la madera de plantación, la densidad media de la madera es inferior que en la madera virgen. Esto, a su vez, afecta a la resistencia y a la rigidez. La resistencia en la flexión, denominada por lo demás módulo de ruptura, y especialmente la rigidez medida como el módulo de elasticidad en la flexión, puede ser algo inferior y posiblemente más variable que en la madera virgen. Este es un problema para los elementos usados en una situación de curvado y puede serlo para aquellos elementos usados en compresión; por ejemplo, entramados de pared más largos. Elementos habituales para usos de curvado son viguetas para suelos, elementos de armadura de cubierta y tizones sobre las ventanas y puertas anchas, tales como las puertas de los garajes.

El tronco de un árbol puede visualizarse como una pila de conos huecos cuya longitud y diámetro de la base siempre están creciendo y cuyo ángulo incluido siempre está disminuyendo. Cada cono representa un incremento de crecimiento anual individual que continúa desde la parte superior del árbol hasta la base. Hasta después de que se hayan formado aproximadamente 15 anillos de crecimiento anuales, la madera a cualquier altura por encima de la base en las especies de pino del sur y en el pino de Oregón tiene propiedades juveniles caracterizadas por anillos de crecimiento relativamente anchos y densidad relativamente baja. Para los árboles de pino de incienso con más de aproximadamente 15 años (aproximadamente 20 años para el pino de Oregón), en cualquier año de crecimiento dado, la madera en la parte superior del incremento de crecimiento cónico todavía tiene características juveniles, mientras que la madera en la base del mismo incremento de crecimiento anual es de un tipo más maduro, más denso. Por tanto, un árbol podría visualizarse teniendo un cilindro de madera de tipo joven de aproximadamente 15 anillos de crecimiento de ancho que continúan en toda su longitud hasta el punto de su diámetro mínimo utilizable como un tronco serrado. Si un tronco serrado tomado de la parte superior del árbol sólo tiene aproximadamente 15 anillos de crecimiento o menos, consistirá casi en su totalidad en madera joven de densidad relativamente baja. Por encima de esta edad, la madera de características maduras se encontrará sólo en la parte exterior del árbol. Una de las características de la madera más madura es una densidad significativamente mayor con, generalmente, una proporción mayor de madera posterior con respecto a la madera inicial y una separación más estrecha entre los anillos que la de la madera joven.

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A medida que progresa el crecimiento en la parte del núcleo del árbol, se infunde con resina y otros materiales y deja de ser una parte fisiológicamente funcional de la planta. La función de este duramen resinoso, como se le denomina, es esencialmente la de soporte estructural. Sin embargo, el cambio a duramen no afecta significativamente a la resistencia. Las características juveniles de la madera continúan sin cambios.

Dado que el pino de incienso (Pinus taeda L.) y los pinos del sur estrechamente relacionados son especies forestales particularmente importantes, se usarán en la siguiente discusión como ejemplos no limitativos de árboles en general. Durante cualquier radio dado, la densidad aumenta aproximadamente de manera lineal desde la médula hasta aproximadamente los 15 años de edad, momento a partir del cual hay poco aumento adicional. El pino de Oregón tiene un patrón algo diferente. La densidad disminuirá normalmente de 8 a 10 anillos hacia fuera desde la médula, después aumenta gradualmente en cincuenta anillos o más.

Una unidad usada frecuentemente relacionada con la densidad es la densidad relativa, medida como el peso seco con estufa/volumen recién cortado. Para el pino de incienso, cerca de la base del árbol, la densidad relativa de los primeros varios anillos de crecimiento que rodean a la médula, oscilará normalmente en torno a 0,38. Para los 20 años de edad, la madera que se está formando cerca de la corteza a la misma altura tendrá una densidad relativa de aproximadamente 0,51-0,56. La densidad constante de la parte exterior de madera madura del árbol varía longitudinalmente a lo largo del árbol, siendo generalmente inferior en las partes superiores. Se ha demostrado que la densidad de las maderas se correlaciona directamente con la rigidez, medida como el módulo de elasticidad en la flexión.

R. A. Megraw, en Wood Quality Factors in Loblolly Pine, TAPPI Press, Atlanta, Georgia (1985) trata en profundidad la influencia de la edad del árbol, la localización en el árbol y la práctica de cultivos, sobre la densidad relativa de la madera y la longitud de la fibra. Observa, tal como se hizo notar anteriormente, que los anillos interiores de crecimiento (de aproximadamente 15 años) son más anchos con menos densidad relativa, mientras que aquellos más allá de ese punto son más estrechos y de densidad relativa mayor. Además, la densidad relativa de los anillos exteriores disminuye un 10-15% entre la base y aproximadamente 5 m en altura y a una velocidad más lenta hasta las alturas de 15 m o más. Estos factores contribuyen en su totalidad a la variabilidad en la resistencia. Esta variabilidad no se ha tenido en cuenta seriamente en la fabricación de los productos de madera de construcción. Los procedimientos actuales de aserraderos no intentan aprovecharse de estas diferencias inherentes en la densidad. La suposición general parece haber sido que este fue un factor que no se sometió a ningún control.

La madera de construcción sólida, serrada, de dimensiones anchas, no carece de sus propios inconvenientes importantes. En particular, la inconsistencia en las propiedades de dimensiones y resistencia en seco y la escasa disponibilidad de grandes longitudes, son las deficiencias principales. La variabilidad en la orientación de la veta y las diferencias y cambios en el contenido de humedad dan como resultado la inestabilidad en las dimensiones antes y después de la instalación. La anchura inconstante de una pieza a otra, da como resultado la escasa conformación de los revestimientos exteriores o los entarimados primarios. En el caso de los entarimados primarios, este es un factor contribuyente principal a los molestos crujidos cuando las personas caminan por el suelo.

Se han considerado muchos enfoques para fabricar productos de madera de construcción de calidad de alta tecnología para ocupar el lugar de los tamaños de la madera de construcción más ancha y/o más grande, con actualmente pocas existencias. Un enfoque satisfactorio se basa en unir adhesivamente varias capas de chapa de corte rotatorio. A diferencia de los productos de contrachapado habituales, la dirección de la veta en todas las capas normalmente está en la misma dirección. En una forma de producir este producto, se sierran en la dirección de la veta, paneles anchos de espesor apropiado en piezas de anchura de la madera para construcción de dimensiones estándar, y después se unen mediante junta de cola de pescado hasta la longitud deseada. Otros procesos comienzan con chapas para contrachapados relativamente más estrechas que pueden ensamblarse extremo a extremo, y unirse de forma continua para formar unidades de casi cualquier longitud, anchura y espesor deseados. Las juntas rectas de las láminas contiguas se alternan en zig-zag preferiblemente para evitar la introducción de puntos de debilidad. Esta denominada madera de chapa laminada (Laminated Veneer Lumber, LVL) se ha producido comercialmente y se ha usado durante varios años, a menudo como elementos de tensión de armaduras de cubierta; por ejemplo, tal como se observa en Troutner, patente de los EE.UU. Nº 3.813.842. Tiene la ventaja de que los defectos, particularmente, los nudos, no se encuentran completamente por toda la pieza como lo hacen en la madera serrada. Esto permite generalmente un grado de tensión más para un elemento de LVL de cualquier dimensión transversal dada. Sin embargo, la LVL requiere inicialmente rollizos para sacar las chapas de madera de calidad muy elevada y elevada utilización de adhesivo, teniendo ambos un efecto adverso en el coste. Otros productos, como ejemplo de este tipo, se describen por Peter Koch, Beams from boltwood; a feasibility study; Forest Products Journal, 14: 497-500 (1964) y por E. L. Schaffer et al., Feasibility of producing a high yield laminated structural product, U.S.D.A. Forest Research Paper FPL 175 (1972).

También se han investigado muchas combinaciones de chapas para contrachapados, madera serrada sólida y madera reconstituida, tales como tablas tecnológicas de filamentos o de partículas para su uso como productos de madera de construcción. Lambuth, en la patente de los EE. UU. Nº 4.355.754, muestra un elemento estructural en la forma de una viga I usando un alma de contrachapado con elementos sólidos de ala serrada. Cuando se usan como viguetas, se puede sustituir presumiblemente por madera de construcción serrada de las mismas dimensiones transversales. El alma se ajusta por fricción y se encola en ranuras ahusadas en las piezas de aletas. Otras construcciones muy similares usan listones compuestos de madera como tablas de filamentos o tablas de partículas orientados según el elemento de alma.

Barnes, en la patente de los EE. UU. Nº 5.096.765, observa la importancia de la rigidez (módulo de elasticidad en la flexión) (MOE) en los productos de madera de construcción. El producto descrito, usa astillas o filamentos de chapa para contrachapados de 0,005-0,1 pulgadas (0,13-2,5 mm) de espesor, al menos 0,25 pulgadas (6,4 mm) de ancho y al menos 8 pulgadas (203 mm) de longitud. Estas deben carecer de cualquier daño de superficie o interior, y tener su dirección de veta dentro de 10º con respecto al eje longitudinal del producto. Tras la adición de adhesivo, el producto se presiona para que tenga "un MOE equivalente al producto compuesto de madera que tiene un MOE de al menos 2,3 mm psi [1,59 X 10^{7} kPa] en el producto (sic) una densidad del contenido de madera de 35 lbs/pie cúbico".

En la patente mencionada anteriormente, el inventor se refiere a la patente anterior de los EE. UU. Nº 4.061.819 que describe que la resistencia de los productos compuestos de madera depende de la densidad; es decir, "cuanto mayor es la densidad, generalmente mayor es la resistencia del producto para los mismos materiales de partida". La patente anterior, describe un producto similar a madera de construcción, muy parecido al mencionado anteriormente, que tiene un módulo de elasticidad que se aproxima o alcanza el MOE del pino de Oregón sin nudos en varias densidades. Productos similares a los descritos en la patente de Barnes están ahora disponibles comercialmente. Sin embargo, la utilización muy elevada de adhesivo que requieren, tiene un importante efecto negativo en el coste de los productos. Además, los productos de madera de filamentos tienen una densidad significativamente más elevada que la madera de construcción serrada y son más pesados para manejar y más caros de transportar.

Otras muchas patentes muestran la fabricación de elementos de madera sin nudos mediante diversas combinaciones de serrado y encoladura de borde, extremo y/o cara. Ejemplos de éstas son las patentes de los EE.UU. Nº 1.594.889 concedida a Loetscher, 1.638.262 concedida a Neumann, 2.942.635 concedida a Horne, 5.034.259 concedida a Barker y 5.050.653 concedida a Brown. Otros han investigado la densificación de superficie por varios motivos. Ejemplos de éstas son las patentes de los Estados Unidos número 3.591.448 concedida a Elmendorf y número 4.355.754 concedida a Lund et al. La mayoría de los productos comentados anteriormente no han encontrado un éxito importante por una o más razones. Sin embargo, hay excepciones. La madera de chapa laminada y las piezas encoladas en borde y extremo se reensamblan para producir tablas sin nudos o para su uso como partes centrales de las puertas, se han usado comercialmente durante muchos años. Las vigas I compuestas similares a las descritas en la patente de Lambuth, están ahora ampliamente disponibles. Una de tales familias de productos fabricados por Trus Joist MacMillan, Boise, Idaho, es habitual en los productos que parecen haberse convertido en un modelo en la industria.

La patente francesa Nº 1.014.000, describe un método para dividir un tronco y formar una estructura de doble T. Una primera tabla o troza se saca de la parte del núcleo del tronco para incluir la médula. Los semi-troncos que quedan, tienen similarmente una tabla extraída de sus partes del núcleo en ángulos rectos con respecto a los cortes originales. Los cuatro cuadrantes restantes, se cortan entonces a 45º con respecto a los otros cortes para formar una serie de tablas. Las tablas procedentes de los cortes centrales se usan entonces para formar partes de alma del elemento de doble T y las tablas procedentes de los cortes de 45º pueden usarse como partes de ala. El objeto es formar una viga con una estabilidad dimensional elevada.

Las vigas I compuestas han encontrado una aceptación considerable en la industria de la construcción, donde se requieren largos vanos, dimensiones constantes y propiedades conocidas y fiables de resistencia. Sin embargo, no carecen de inconvenientes. Su rendimiento en cargas dinámicas residentes comunes no es tan bueno como la construcción serrada sólida, debido principalmente a la falta de masa. Como resultado, la mayoría de los constructores usan viguetas I con un vano más corto que el sugerido o con una separación reducida. No pueden usarse completamente como sustitución de la madera de construcción serrada. Por ejemplo, es necesario reforzar el bloque para rellenar los lados del alma hasta su anchura completa en muchos puntos de carga. Su sección transversal hace que no sea esencialmente posible el clavado lateral y presentan un problema principal en su unión a otros elementos a través de sus laterales. Además, puesto que la parte de ala de la viga I proporciona casi toda la separación y la rigidez, no puede ranurarse tal como se hace comúnmente con la madera de construcción serrada sólida. La naturaleza de la geometría, aumenta las fuerzas de cizalla en el elemento de alma hasta valores más elevados que los encontrados en los productos sólidos de sección transversal rectangular.

Es notable, en vista de la naturaleza sumamente heterogénea de los árboles más pequeños disponibles ahora, que la técnica no se haya referido hasta ahora más seriamente al problema de producir elementos sólidos anchos y/o largos de propiedades uniformes y fiables a partir de árboles de plantación más pequeños. La presente invención supera las deficiencias observadas en la madera de construcción serrada sólida y en las vigas I compuestas. Además, da como resultado una utilización mucho mayor del árbol en productos útiles de madera de construcción.

Sumario de la invención

La presente invención se refiere a productos de madera de construcción de alta tecnología. Estos productos son especialmente útiles en aplicaciones críticas, tales como viguetas, tizones y vigas, donde pueden requerirse mayores longitudes, mayores anchuras y clasificaciones previsibles de tensión y más elevadas en las cargas de borde. Los productos tienen la ventaja de que pueden manejarse de la misma forma que la madera de construcción serrada sólida. Tienen todos los atributos de las vigas I compuestas y la madera de construcción serrada sólida, sin los aspectos negativos. Las propiedades de resistencia son predecibles y uniformes. Los productos no tienen variabilidad en la resistencia entre y dentro de las piezas individuales encontradas en muchos productos de madera de construcción serrada sólida visualmente clasificada, particularmente la producida a partir de árboles más jóvenes. Se logra una mejora de la estabilidad dimensional mediante el diseño del producto y la aleatorización de las vetas naturales de la madera. Los bordes no menguan. El diseño también minimiza el efecto de los defectos naturales, tales como los nudos. Se logra un mejor rendimiento de su utilización final bajo carga dinámica mediante una combinación óptima de la masa y la rigidez. Los productos pueden elaborarse en una gran variedad de tamaños estándar y no estándar, con rendimientos predecibles que pueden hacerse específicamente a medida para una amplia variedad de necesidades de utilización. La invención también se refiere a un método para fabricar productos de madera. Aunque no está limitada, la invención se refiere particularmente a la fabricación de productos que tienen características de resistencia mejoradas, que están hechos a partir de troncos más pequeños, tales como árboles de aclarados y de plantación. Los pinos del sur crecidos en plantación se citarán frecuentemente como ejemplos. Sin embargo, debe hacerse hincapié en que la invención puede aplicarse a todas las especies, independientemente de la parte del bosque en la que hayan crecido.

Expresado de manera muy simple, la presente invención utiliza la madera más resistente procedente del árbol y la coloca selectivamente en el producto, donde producirá la máxima contribución a la rigidez y resistencia al curvado.

Tal como se observó anteriormente, hasta una cierta edad, la densidad de los árboles aumenta radialmente desde la médula hacia la superficie de la corteza. El módulo de elasticidad, un indicador de la rigidez, aumenta de manera similar, ya que está relacionado directamente con la densidad. Cuando se usan las expresiones "módulo", "módulo de elasticidad" o "MOE" más adelante en el presente documento, se hará referencia al módulo de elasticidad medido en flexión con el elemento cargado sobre el borde. Los troncos procedentes de estos árboles radialmente anisotrópicos se tratan en máquinas, de manera que puedan separarse las partes de densidad relativamente superior de las partes de densidad relativamente inferior. Estas partes de densidad superior se colocan entonces en el producto final, en localizaciones en las que realizarán la máxima contribución a la resistencia y a la rigidez.

Los productos de la invención son materiales compuestos porque se forma un primer componente a partir de madera de densidad relativamente inferior y se forma un segundo componente de manera similar a partir de madera de densidad relativamente superior. Ambos componentes serán, en última instancia, de sección transversal generalmente rectangular. Los componentes se recombinan entonces de manera que los listones de los segundos componentes de densidad relativamente superior se unan adhesivamente a uno o usualmente a los dos bordes opuestos del primer componente de densidad relativamente inferior. Por tanto, el producto final comprenderá al menos dos y, más comúnmente, al menos tres piezas individuales encoladas entre sí de la forma observada. En efecto, el elemento puede considerarse análogo a una viga, tal como una viga de sección en H, I o T, en la que el primer componente de densidad relativamente inferior sirve como parte de alma, mientras que los listones del segundo componente de densidad relativamente superior actúan como elementos de ala.

Los listones que forman el segundo componente, o de densidad relativamente superior, deben tener un módulo de elasticidad de al menos aproximadamente 9,6 X 10^{6} kPa (1,4 X 10^{6} psi) y preferiblemente de al menos aproximadamente 1,0 X 10^{7} kPa (1,5 X 10^{6} psi). Se prefieren valores de rigidez incluso más elevados cuando se disponga de madera apropiada y para aplicaciones especiales.

La disgregación de los troncos puede realizarse por serrado convencional, mediante la formación de chapas de corte rotatorio, mediante la formación de chapas de corte plano o mediante alguna combinación de estos métodos. Un método de producción es serrar primero los troncos en tablas o trozas y después volver a serrar éstas en listones de anchura y espesor apropiados. La madera, de densidad relativamente superior procedente de la parte más cercana a la superficie de la corteza, se selecciona y se separa de la madera de densidad relativamente inferior procedente de la parte más cercana al centro del árbol. Otro método es descortezar los troncos en chapas de corte rotatorio, de manera que podría usarse para fabricar el contrachapado. La primera chapa descortezada, que proviene de la parte exterior de densidad superior del tronco, se reserva para la reelaboración en la parte de segundo componente del producto. La chapa puede recortarse hasta obtener anchuras deseadas y laminarse en componentes primero y segundo de cualquier espesor deseado. La chapa de corte plano puede usarse de una manera similar. En particular, el aparato para obtener cortes gruesos de chapa, de al menos aproximadamente 13 mm (0,5 pulgadas) de espesor está, comercialmente disponible en la actualidad y producirá un producto particularmente ventajoso para la reelaboración adicional.

La chapa de corte plano tiene la ventaja añadida de que es relativamente fácil que un operario determine visualmente la posición en el tronco a partir del cual se cortaron las láminas. Esto simplifica la selección de las partes exterior e interior del tronco y permite su fácil separación.

Es más deseable, en el caso de los listones del segundo componente de densidad relativamente superior, obtenidos a partir de madera serrada y chapa de corte plano, que deban cortarse o recortarse con su eje longitudinal lo más cercanamente posible y paralelo a la superficie de la corteza del árbol. Esto evita la debilidad introducida por la madera "con crecimiento irregular de la fibra", es decir, listones de madera con la fibra no alineada, generalmente paralela al eje longitudinal de la pieza. La mayoría de los troncos de los que se serrarán o cortarán los listones tendrán cierto ahusamiento. En lugar de arreglar los listones, eliminando los recortes de la superficie de la madera adyacente a la corteza, se toma cualquier recorte necesario para eliminar el ahusamiento de la madera interior más débil. Los defectos principales, tales como nudos que reducirían la resistencia, pueden eliminarse fácilmente de los listones del segundo componente.

Tanto las chapas como los componentes serrados sólidos, pueden reensamblarse en varias formas para obtener los productos de la invención. Por ejemplo, los segundos componentes de densidad relativamente superior podrían ser listones individuales o múltiples de madera serrada sólida o podrían obtenerse a partir de chapas laminadas. Si se obtienen a partir de láminas múltiples, podrían orientarse de manera que el plano de las láminas sea, o bien paralelo, o formando ángulos rectos con respecto a la dimensión transversal más larga del primer componente rectangular. De forma similar, el primer componente de densidad relativamente inferior puede formarse a partir de un único elemento serrado o de múltiples piezas de madera serrada o de chapas que se unen adhesivamente. Se entenderá que, en el entorno de fabricación, es inevitable que algo de la madera de módulo superior esté presente en el primer componente. Esto no perjudica en absoluto, sino que ayuda a aumentar adicionalmente la rigidez del producto.

Cuando se usan múltiples láminas para el primer componente de densidad relativamente inferior, es preferible que al menos la lámina exterior tenga sus vetas en la dirección longitudinal. Cualquier lámina interior puede orientarse de manera similar. Alternativamente, al menos una lámina interior puede tener las vetas orientadas desde 0º hasta 90º con respecto a la dirección longitudinal. Aunque hay cierta pequeña pérdida en la rigidez del producto, se gana una ventaja importante en la estabilidad dimensional si al menos se usan tres láminas y una lámina interior se orienta aproximadamente 90º con respecto a la lámina exterior. Normalmente, la construcción del primer componente se equilibraría; es decir, si se usan tres láminas, la lámina interior podría tener o bien orientación longitudinal o una orientación de desde 0º hasta 90º con respecto a la longitudinal. Si se usaran cuatro láminas, ambas láminas interiores tendrían normalmente orientación similar. Sin embargo, en este caso, si la orientación interior fuera distinta a 0º ó 90º, se entiende que una de las láminas interiores podría tener una orientación positiva y la otra una orientación similar negativa. Como ejemplo de esto, ambas láminas interiores podrían tener una orientación de la veta de 45º en relación con el eje longitudinal, pero podrían tener una orientación de 90º entre sí.

Está además dentro del alcance de la invención el obtener productos más largos colocando varios componentes individuales extremo con extremo. Podrían colocarse simplemente colindantes, pero preferiblemente se unen usando junta en bisel o de cola de pescado. Cada componente podría estar formado de múltiples listones de anchura aleatoria que se unen únicamente cara con cara, o de listones unidos cara con cara y borde con borde. Ambos casos podrían tener o no juntas de extremo, unidas adhesivamente. Más preferiblemente, todas las superficies adyacentes se unen adhesivamente. Como es la práctica estándar con LVL, es deseable que las juntas solapantes deban estar significativamente separadas entre sí para evitar la introducción de puntos de debilidad. Aunque no hay una norma que se pueda aplicar a raja tabla, las juntas están separadas normalmente al menos aproximadamente diez veces el espesor de las láminas.

Los segundos componentes que forman las partes de borde del producto, normalmente deben constituir un mínimo de aproximadamente el 19%, preferiblemente alrededor del 25% y, hasta alrededor del 32% del volumen total (expresado de otra forma, del área transversal) de la pieza. En la mayoría de los casos, esto se distribuiría esencialmente por igual entre las dos segundas piezas componentes. Sin embargo, no es esencial una construcción equilibrada en el caso de los segundos componentes. Como ejemplo, podría ser deseable añadir más resistencia al segundo componente en el borde que se va a someter a tensión en su uso.

Otra característica ventajosa de la madera para construcción compuesta de la presente invención, es su reducido coste de fabricación en comparación con los productos de LVL o madera de filamentos.

Es un objeto de la invención proporcionar productos de madera de construcción de alta tecnología que puedan estar disponibles en anchas anchuras y largas longitudes y que tengan clasificaciones predecibles y superiores de tensión que muchos productos de madera de construcción sólida serrada, fabricados por lo demás a partir del mismo material.

Es otro objeto proporcionar un producto de madera de construcción resistente obtenido a partir de pequeños árboles de crecimiento en plantación y aclarados de bosques.

Es un objeto adicional proporcionar un producto de madera de construcción que tenga variabilidad reducida en las propiedades dimensionales y estructurales dentro y entre las piezas individuales.

Es un objeto adicional proporcionar productos de madera de construcción que puedan usarse y manejarse de forma idéntica a la madera de construcción serrada sólida.

Todavía es un objeto proporcionar un método por el que un porcentaje mayor del volumen del árbol se convierta en madera de construcción de calidad elevada.

También es un objeto proporcionar métodos para la fabricación de productos de madera de construcción de la invención.

Estos y muchos otros objetos se harán inmediatamente evidentes para aquellos expertos en la técnica con la lectura de la siguiente descripción detallada tomada junto con los dibujos.

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Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una representación de los tamaños de los árboles típicos de plantación de pinos del sur en las edades de 25, 30, 35 y 40 años.

La figura 2 es un gráfico idealizado que muestra la densidad relativa frente al número de anillos de crecimiento, como una función de la altura del árbol.

La figura 3 es un gráfico que muestra el módulo de elasticidad de la madera interior en una muestra de 80 pinos del sur.

La figura 4 es un gráfico similar para la madera exterior de una muestra de 154 pinos del sur.

La figura 5 es una representación de la colocación de la madera procedente de varias localizaciones en el árbol con respecto a su posición en el producto de madera de construcción.

La figura 6 es un gráfico que muestra una relación generada por análisis de regresión de la densidad relativa de la madera con respecto al módulo de elasticidad.

Las figuras 7-20 son representaciones en perspectiva de varias configuraciones del producto de la presente invención.

Las figuras 21 y 22 muestran las formas en las que pueden usarse los productos de la invención para crear productos espesos para su uso como tizones o aplicaciones similares.

La figura 23 muestra una construcción de producto que tiene una mejor resistencia al abarquillado.

La figura 24 es un gráfico que muestra el efecto de la orientación de la veta en la capa interior de un primer componente de tres capas sobre la rigidez del producto.

La figura 25 es un gráfico que muestra la relación entre el módulo de elasticidad de un primer y segundo componentes para lograr un rendimiento especificado en cada una de dos construcciones.

La figura 26 es un gráfico de barras que muestra la relación de la rigidez con la construcción del producto.

Descripción de las realizaciones preferidas

La figura 1 representa la parte de árboles de pino de incienso de cuatro edades diferentes, generalmente utilizables como troncos serrados. Las líneas verticales representan la superficie exterior de la madera adyacente a la corteza y además muestra cómo pueden observarse los incrementos de crecimiento de un árbol como una serie de conos huecos superpuestos. Las dimensiones son medias para árboles de plantación de Carolina del Norte en buenos emplazamientos. Normalmente, se llenan inicialmente con aproximadamente 900 árboles por hectárea (400 árboles por acre) y se aclaran hasta aproximadamente 500 árboles por hectárea (200 por acre) a los 15 años de edad. Las plantaciones se fertilizaron aproximadamente tres veces durante el ciclo de crecimiento. El área punteada a lo largo del eje vertical muestra la parte de madera joven de densidad relativamente inferior de los árboles.

La siguiente tabla indica el módulo de elasticidad de la madera sin nudos con un contenido de humedad del 12% para las localizaciones diferentes en los 10 m inferiores de un árbol de plantación de pino de incienso típico de 25 años. Los aumentos verticales son de 4 troncos serrados de 2,4 m (8 pies) de largo cada uno, comenzando a 0,6 m (2 pies) por encima del nivel del suelo hasta una altura de 10 m (34 pies). Estos cuatro troncos representan más del 70% del volumen del árbol utilizable. Por conveniencia de los cálculos, se supone que los 5 cm (2 pulgadas) exteriores a lo largo de un radio dado se considerarían para la madera de segundo componente de densidad relativamente superior.

TABLA 1

Incremento en la	MOE X 10^{6} kPa	% de volumen del árbol
altura, pies	Núcleo	Exterior 2 pulg.	Núcleo	Exterior 2 pulg.
2-10	7,9	11,6	13,7	11,1
10-18	8,8	12,2	8,9	9,8
18-26	8,6	12,0	5,5	9,0
26-34	5,6	11,4	4,5	8,2

Puede observarse, a partir de los datos anteriores, que se dispone de un volumen de madera exterior mayor al adecuado, de MOE suficientemente elevado, para fabricar y usar como segundo componente de los productos. Esto constituye aproximadamente el 28% del volumen total del árbol. La madera del núcleo del árbol en cualquier altura no alcanza el MOE mínimo de 9,6 X 10^{6} kPa (1,4 X 10^{6} psi) requerido para fabricar el segundo componente. Sin embargo, empleando los métodos de la presente invención, puede mejorarse mucho esta madera de módulo inferior, que comprende casi el 70% del árbol, para cumplir con las necesidades de tensión de las aplicaciones exigentes y usarse como material del núcleo.

La figura 2 es una representación gráfica idealizada de otro conjunto de datos para el pino de incienso de Carolina del Norte, que muestra la densidad relativa media en varias localizaciones del árbol y en varios números de anillos de crecimiento. Estos datos se representaron a partir de una muestra de 35 árboles de una plantación de pinos de 43 años. Con sólo una excepción entre las muestras tomadas, la madera depositada tras 15 años tenía una densidad relativa media superior a 0,4. La excepción fue la población de baja densidad en y por encima de los 15 m de altura y en ambas poblaciones a los 20 m. Este conjunto de datos muestra bien el aumento aproximadamente lineal en la densidad hasta aproximadamente los 15 años y la marcada estabilización después de esta edad.

La figura 3 es un gráfico que muestra el MOE de una gran muestra de listones de pino de Carolina del Norte obtenidos en una serrería, cortados predominantemente de la parte del núcleo del árbol. El valor medio de MOE es de aproximadamente 9,7 X 10^{6} kPa (1,4 X 10^{6} psi). Aunque este valor es superior al que podría preverse a partir de la tabla anterior, debe recordarse que el término "núcleo" no está estrictamente limitado a aquella parte que tiene sólo 15 anillos de crecimiento o menos. La rigidez relativamente baja de gran parte de este material es inmediatamente evidente.

La figura 4 es un gráfico similar para una gran muestra de listones de 38 mm (1½ pulgadas) de ancho tomadas de la parte exterior de los troncos. Estos se escogieron como adecuados para el segundo componente del producto. El MOE de aproximadamente el 94% de estos listones superó 9,7 X 10^{7} kPa (1,4 X 10^{6} psi). El MOE medio de la muestra fue de aproximadamente 1,2 X 10^{7} kPa (1,8 X 10^{6} psi).

La figura 5 es un diagrama que muestra cómo se localizan las partes interiores más débiles de los troncos y la parte más resistente cerca de la superficie, respectivamente, como los componentes primero y segundo de los productos de la invención. La madera interior relativamente más débil sirve como el equivalente del elemento de alma de una viga, que resiste principalmente las fuerzas de cizalla en el curvado, mientras que la madera relativamente más resistente actúa como elementos de ala para resistir las fuerzas de tracción y de compresión.

En la figura 6, se representa una correlación entre la densidad relativa y el módulo de elasticidad para el pino de incienso sin nudos. Se observa que para el pino de incienso se requiere una densidad relativa de aproximadamente 0,47 para un MOE mínimo de 9,6 X 10^{6} kPa (1,4 X 10^{6} psi). Esta correlación debe considerarse como una directriz general, dado que variará algo de una plantación a otra y de una especie a otra. La relación está influida significativamente por factores genéticos. Sin embargo, la correlación mostrada puede considerarse como una directriz general.

Ahora, se hará hincapié en las construcciones específicas de los productos de madera para construcción de alta tecnología que se ha encontrado que son útiles y ventajosas. Se permite una gran variación en la construcción dentro de la limitación de que la madera más resistente de densidad relativamente superior, procedente de la parte exterior del árbol, se coloca en los bordes opuestos del producto. Uno de tales productos se muestra en la figura 7. Un producto 2 que se parece y puede utilizarse de la misma forma que la madera de construcción serrada sólida se construye con un primer componente 4 de núcleo o alma y segundos componentes 6 de borde o ala. En esta construcción particular, el primer componente o componente del núcleo se obtiene de tres láminas 8, 10 y 12, 12'. Las láminas pueden serrarse, aunque preferiblemente se obtienen a partir de la chapa de corte plano grueso. El equipo para preparar la chapa de corte plano grueso está disponible de varios proveedores; por ejemplo, LINCK Holzverabeitungstechnik, GmbH., Oberkirch, Alemania. Normalmente, se considera que la chapa con un espesor mayor a aproximadamente 6 mm (¼ pulgada) es de "corte grueso".

En el producto de la figura 7, las láminas 8, 12 exteriores del núcleo tienen la dirección de la veta orientada longitudinalmente, mientras que la lámina 10 media tiene la dirección de la veta orientada verticalmente; es decir, aproximadamente 90º con respecto al eje longitudinal. Tal como se explicará más completamente más tarde, esta construcción particular contribuye significativamente a la estabilidad dimensional del producto. Las láminas pueden tener juntas 14 de borde y juntas 16 de extremo, según sea necesario para suministrar listones de la longitud y la anchura apropiados. Aunque las juntas rectas simples mostradas en 16 son aceptables en muchas circunstancias, las juntas de cola de pescado deben usarse preferiblemente para dar una resistencia máxima.

Es esencial que todas las partes 8, 12, 12' de cara se unan adhesivamente en su totalidad a cualquier componente 10 medio. Lo más deseable es que también se unan adhesivamente en todas las juntas 14 de borde. Las juntas 16 rectas no unidas de los elementos de cara son permisibles, aunque normalmente se prefieren juntas de cola de pescado o similares y aumentarán la resistencia a la curvatura del producto. Por otro lado, no es crítico que los componentes 10 medios orientados transversalmente se encolen en los bordes. Los componentes 10 medios se forman normalmente disponiendo listones más largos borde con borde y unificando los paneles resultantes de una manera conocida; por ejemplo, mediante una de las técnicas empleadas comúnmente para unificar las láminas del núcleo en el contrachapado. Estos se sierran entonces transversalmente hasta la longitud apropiada. Es permisible el menguado en los bordes y pequeños espacios entre los listones adyacentes y tienen poco efecto sobre la resistencia. Normalmente, se usaría un adhesivo sumamente resistente a la climatología, tal como uno basado en productos de condensación del fenol formaldehído o del fenol-resorcinol-formaldehído. Además, para formar uniones resistentes y duraderas, tales adhesivos tienen emisiones extremadamente bajas de formaldehído tras el curado.

Tal como se observa en la figura 7, los segundos componentes 6 de borde o ala, en este ejemplo particular, también están formados por tres láminas 18, 20 y 22. Estas también pueden formarse de chapas serradas o de corte plano grueso. Alternativamente, ambos componentes primero y segundo pueden formarse de múltiples capas de chapas de corte rotatorio o descortezadas. Es sumamente deseable que los listones que forman los segundos componentes, se encolen en todas las superficies de contacto. Las juntas 24, 26 de extremo son preferiblemente juntas de cola de pescado, aunque también pueden usarse en algunos casos largas juntas en bisel. Cuando se usan múltiples láminas en el segundo componente, tal como se muestra en 18, 20 y 22 en la figura 7, pueden ser todas de rigidez similar o, en algunos casos, pueden graduarse, siendo la lámina 18 exterior de material algo más rígido.

Las figuras 8 a 11 muestran varias variaciones de construcción de los productos, usando por ejemplo chapas de corte plano grueso para los componentes primero y segundo. La construcción de la figura 8 es idéntica a la de la figura 7, pero se incluye de nuevo para una fácil comparación de una al lado de otra. A los componentes similares se les ha dado números de referencia similares en todo momento.

El producto 34 de la figura 9 es diferente al de las figuras 7 y 8 sólo en que la lámina 30 interior en la parte del núcleo del primer componente está orientada con la longitud longitudinal de la veta. La rigidez en el curvado de este producto será algo mayor que la de las figuras 7 u 8, pero existe la posibilidad de una contracción o expansión mayores a lo largo de la dimensión transversal más larga. Los motivos para esto son los siguientes. La contracción longitudinal de la madera es baja, variando desde aproximadamente el 0,5% para la madera más joven hasta un valor más normal del 0,3% al 0,1% para la madera formada ligeramente más tarde en el crecimiento de los árboles. Por el contrario, la contracción tangencial normalmente varía entre aproximadamente el 6% hasta el 8%, siendo ligeramente superior en la madera de características más maduras. La contracción radial es aproximadamente la mitad que la contracción tangencial. Mediante el uso de múltiples láminas del elemento del núcleo, la contracción final del producto a lo largo de la dimensión más larga puede reducirse y controlarse significativamente. Por ejemplo, la construcción de las figuras 7 y 8 usa una lámina 10 central con la dirección de la veta orientada 90º con respecto al eje longitudinal de la pieza. Esta lámina tendrá una estabilidad dimensional muy elevada a lo largo de su dimensión transversal más larga. Por tanto, actuará para restringir la contracción de las dos láminas exteriores unidas a ella. Sin embargo, habrá una pérdida menor de aproximadamente el 7% al 9% en la rigidez del producto. La decisión puede tomarse teniendo en cuenta el uso al que se destina en cuando a si la estabilidad dimensional o la rigidez deben recibir un tratamiento prioritario.

En los productos de las figuras 7-9, se muestra el segundo componente de madera más densa con módulo superior, formando los planos principales de la lámina ángulos rectos con respecto a la dimensión transversal más larga del primer componente del núcleo. Sin embargo, puede obtenerse un producto igualmente adecuado con los planos principales paralelos a la dimensión más larga de la sección transversal del primer componente o pieza del núcleo. El producto 36 de la figura 10 y el producto 38 de la figura 11 tienen los segundos componentes formados de tres láminas 40, 42 y 44. Como antes, las láminas individuales pueden unirse extremo con extremo, tal como se muestra en la unión 46 de cola de pescado de la figura 11.

La invención no debe considerarse limitada a productos obtenidos a partir de múltiples láminas de chapas. Las figuras 12-15, muestran productos obtenidos a partir de listones serrados sólidos y a partir de varias combinaciones de listones serrados sólidos y láminas de chapa. La figura 12 muestra un producto 50 obtenido a partir de tres piezas de madera serrada sólida. La primera pieza 52 del núcleo de primer componente se corta de alguna parte interior del árbol, donde la densidad y el módulo de elasticidad pueden ser relativamente inferiores. Las partes 54 de borde o ala de segundo componente se sierran a partir de madera de módulo superior en la superficie exterior del árbol. La figura 12 representa la construcción más simple del producto de la presente invención.

La figura 13 es un producto muy similar al de la figura 12, excepto porque el núcleo se elabora de múltiples piezas 58, 60, 62 y 64 unidas adhesivamente entre sí. La tecnología para obtener un conjunto de este tipo ha existido durante muchos años y, como ejemplo, se usa para elaborar el material del núcleo para puertas de madera con núcleo sólido. Es una forma eficaz de utilizar piezas más cortas de madera de construcción que, en caso contrario, podrían enviarse para algún uso de valor inferior, tal como virutas o combustible de madera.

En las figuras 14 y 15, se muestran construcciones híbridas de madera serrada y láminas de chapa. El producto 66 de la figura 14 tiene un núcleo de primer componente elaborado de listones 68, 70, 72 serrados sólidos unidos adhesivamente entre sí y piezas de borde de segundo componente obtenidas de las láminas 18, 20 y 22 de chapa. La figura 15 es similar, excepto porque aquí la pieza del núcleo se forma a partir de las láminas 8, 12 y 76, mientras que las piezas 54 de borde del segundo componente son serradas en sólido. Debe entenderse que la orientación de la dirección de la veta de la lámina 76 central en este y los otros productos similares puede oscilar de la dirección longitudinal a vertical. A no ser que se establezca lo contrario, la dirección de la veta de cualquier lámina interior puede ser desde 9º hasta 90º con respecto a la dimensión longitudinal del producto.

Cuando se usan láminas de chapa para la construcción del núcleo del primer componente, normalmente es deseable que la construcción deba estar equilibrada. Se supone que las láminas del exterior o de la superficie siempre tendrán la dirección de la veta en sentido longitudinal. En una construcción de tres capas, la dirección de la veta de la lámina interior puede ser desde 0º hasta 90º, tal como se acaba de establecer. Sin embargo, para usar el ejemplo de un núcleo de primer componente de cuatro capas, no sería particularmente deseable tener tres de las láminas con la dirección longitudinal de la veta y una lámina con la veta en alguna otra orientación. En la figura 16 se observa una construcción de primer componente de cuatro capas. Aquí, el producto 80 tiene las dos láminas 82, 84 interiores del primer componente del núcleo orientadas en un ángulo de 45º con respecto a la horizontal. Sería aceptable si la orientación de la veta de las láminas 82 y 84 estuviera en la misma dirección o podría ser opuesta, tal como se muestra en el dibujo, es decir, dispuesta en aproximadamente 90º.

El segundo componente, que comprende las dos partes de ala del producto, debe constituir normalmente en total al menos el 20% del área transversal (o volumen) del producto, preferiblemente al menos aproximadamente el 25%, con el fin de lograr la rigidez requerida en los usos estructurales críticos. En un producto que tenga dimensiones de 38 X 241 mm (1½ X 9½ pulgadas) el segundo componente o componente de ala constituirá normalmente aproximadamente 1/3 del área transversal (o volumen) cuando el MOE de la madera en esta parte sea de al menos 1,0 X 10^{7} kPa (1,5 X 10^{6} psi). Para un producto más profundo que tenga las dimensiones de 38 X 302 mm (1½ X 11 7/8 pulgadas), es suficiente un volumen del ala del 25%. Naturalmente, si se dispone de madera de MOE significativamente más elevado, el volumen del segundo componente puede disminuirse algo.

Una variación que puede realizarse en cualquiera de las construcciones mostradas en las figuras 7-11, es tal como se muestra en las figuras 17 y 18. Las láminas 42 del componente de borde central pueden acortarse en 42' y la lámina 10 del componente central puede aumentarse, tal como se observa en 10' en la figura 17, para formar un elemento similar a una falsa lengüeta que sujeta o encaja el componente del núcleo a los componentes del borde. Alternativamente, tal como se observa en la figura 18, la lámina 10 central puede acortarse en 10'', mientras que las láminas 42 del componente del borde se aumentan en 42'' para formar una falsa lengüeta similar pero de dirección inversa.

Para algunas aplicaciones, no es esencial que las áreas de ala del segundo componente sean de construcción equilibrada. Aunque para la mayoría de los usos se equilibraría para proporcionar un análogo a una viga I, para otros podría no estar equilibrada para simular una viga de sección T. Las viguetas del suelo podrían ser tal aplicación. Aquí, el entarimado primario del panel unido podría actuar como el lado superior o de compresión del elemento y el segundo componente de densidad relativamente superior servirá como el lado inferior o de tensión. Tal como se muestra en las figuras 19 y 20, el primer componente consiste en tres láminas 8, 8', 10 y 12, 12', orientándose la lámina 10 interior 90º con respecto a la lámina exterior. En la figura 19, el segundo componente tiene dos láminas 20, 22 superiores y cuatro láminas 18, 18', 20 y 22 inferiores. Esta construcción pone más madera resistente en un área que normalmente tendría la tensión lateral en uso. Alternativamente, en la figura 20, el segundo componente puede omitirse completamente a lo largo del borde superior de este producto. Aunque las construcciones no equilibradas ejemplificadas en las figuras 19 y 20 podrían considerarse excepciones, ciertamente deben considerarse que están dentro del alcance de la invención.

Una aplicación principal de los productos de la invención es para usar como tizones sobre aberturas, tales como amplias ventanas o puertas; por ejemplo puertas de garaje donde se requieren frecuentemente grandes longitudes. Esta aplicación se satisface ampliamente mediante productos tales como elementos serrados sólidos de "4 X 10 pulgadas" o "4 X 12 pulgadas" nominales (102 X 254 mm o 102 X 305 mm) cuando están disponibles, mediante vigas laminadas encoladas, o mediante otros productos laminados o compuestos, tales como LVL. El espesor real de la mayoría de los tizones en los mercados de Estados Unidos y Canadá es normalmente de 3½ pulgadas (89 mm). Otra aplicación de gran importancia es para su uso como viguetas. La vigueta normal de madera de construcción serrada sólida tiene un espesor real de aproximadamente 1½ pulgadas (38 mm) con anchuras de 7½ , 9½ y 11¼ pulgadas (191, 214 y 286 mm).

Se prevé que la mayoría de los productos compuestos de madera para construcción de la presente invención podría obtenerse de tamaños similares a los de la madera de construcción serrada sólida de 2 pulgadas de espesor nominales (1½ pulgadas de espesor real). Sin embargo, surge un problema evidente cuando podría ser necesario obtener productos que tengan un espesor de 3½ pulgadas (89 mm) o más grandes procedentes de unidades que tienen un espesor de sólo 1½ pulgadas (38 mm). Este problema puede tratarse tal como se muestra en las figuras 21 y 22. En la figura 21, dos unidades 2', por ejemplo, tales como las de cualquiera de las figuras anteriores, están laminadas a una unidad 86 media. Para este ejemplo, cada listón está hecho de listones de ½ pulgada (13 mm), al igual que la pieza 86 media. Por tanto, cada producto 2' tiene un espesor de 1½ pulgada. El elemento medio puede tener o bien una orientación de veta longitudinal, tal como el elemento 30 de la figura 9, o una orientación de veta transversal; por ejemplo, tal como se muestra por el elemento 10 en la figura 8 y la anchura completa del producto. Normalmente, este producto podría obtenerse en fábrica o aserradero. Esto produce un tizón de 3½ pulgadas de espesor real que tiene una construcción equilibrada y se puede sustituir directamente por cualquiera de los productos laminados o serrados sólidos mencionados anteriormente.

Un segundo método de hacer frente al problema anterior es formar productos iniciales de madera compuesta para construcción en espesores variables, por ejemplo 1½ y 2 pulgadas. Después, tal como se muestra en la figura 22, las piezas 2' y 80', una de 1½ pulgadas y la otra de 2 pulgadas de espesor, pueden unirse para formar un tizón de las 3½ pulgadas de espesor requerido. Los elementos 80' de 2 pulgadas de espesor pueden producirse y venderse como un producto regular disponible en cualquier taller de maderas de construcción. En este caso, el ensamblaje en el emplazamiento mediante clavos u otros medios es una forma práctica de formar tizones de 3½ de espesor. Pueden producirse otros espesores de una manera similar.

Debe hacerse hincapié en que las dimensiones del producto anterior son un ejemplo, como lo son los ensamblajes específicos de las láminas individuales que los forman. Los listones de alma y de ala individuales pueden serrarse, cortarse o descortezarse en varios espesores. Podrían esperarse muchas variaciones y son permisibles, dependiendo de las necesidades del consumidor real.

Un método particular de la construcción de núcleo o alma que da estabilidad dimensional adicional se muestra en la figura 23. Esto es particularmente útil en la reducción de cualquier tendencia hacia el abarquillado del producto de madera para construcción compuesta. Una troza 100 o costero de rollizo se toma de un tronco 102. Se sierra o corta a lo largo de las líneas c en varios listones 104, 106, 108, 110, 112 y 114. Estos se recortan entonces para producir listones 116, 118, 120, 122 y 124 destinados a usarse en los elementos de núcleo o alma y los listones 126, 128, 130, 132, 134 y 136 de la parte exterior del árbol destinado para su uso en la parte de ala del producto final. Las piezas de los listones de la parte interior del árbol se unen en borde y extremo según sea necesario, y se recortan hasta la anchura apropiada como elementos 138, 140 exteriores de núcleo o alma. Entonces, se laminan con uno o más listones 142 medios y se ensamblan en un elemento de núcleo mostrado en 150 o, alternativamente, 152. Las pequeñas flechas en el centro del listón indican la dirección hacia la médula o el centro del tronco. Los elementos 138 y 140 exteriores de cada elemento del núcleo, se orientan más preferiblemente de manera que las superficies más cercanas al centro del tronco, o bien estén opuestas entre sí, como en el producto 150, o se sitúen una frente a la otra, como en el producto 152, tal como se muestra por las flechas.

La figura 24 muestra el efecto sobre la rigidez debido a la orientación del elemento interior de un primer componente de tres láminas en un producto tal como el mostrado en las figuras 7, 8 ó 10 para tamaños del producto de 38 X 241 mm (1½ X 9½ pulgadas) y 38 X 302 mm (1½ 4 X 11 7/8 pulgadas). La pérdida en la rigidez es relativamente lineal hasta aproximadamente una orientación de la veta de la lámina interior de 45º. Más allá de este punto hay poca pérdida adicional. En estas muestras, se unieron todas las superficies.

La figura 25 muestra la relación del módulo de elasticidad del ala/núcleo para construcciones similares a las de las figuras 7, 8 ó 10 y las figuras 9 y 11 para dar un rendimiento equivalente al de una viga I compuesta comercial de 38 X 241mm (1½ X 9½ pulgadas). El producto comercial se hace con partes de ala de madera serrada sólida de 38 X 38 mm en sección transversal que tiene un alma orientada de tabla de filamento de 9,5 mm (3/8 pulgadas) de espesor. Por tanto, para cualquier MOE del núcleo del primer componente dado de los productos de la presente invención, puede determinarse el MOE requerido del borde o ala del segundo componente o viceversa para las dos construcciones mostradas.

Los gráficos de barras de la figura 26 muestran los efectos de la resistencia de las discontinuidades en el encolado en la parte del núcleo del primer componente del producto. El producto tiene 38 X 302 mm (1½ X 11 7/8 pulgadas) de dimensiones exteriores. Un producto de partida usado para comparación es uno en el que la lámina central está orientada con la dirección de la veta paralela a la dimensión longitudinal, tal como se muestra en la figura 9. Todas las superficies adyacentes se encolan en el producto de partida de lámina paralela. Cuando el MOE del segundo componente o de ala tiene una media de aproximadamente 1,1 X 10^{7} kPa (1,6 X 10^{6} psi) y el primer componente o componente del núcleo, de 6,9 X 10^{6} kPa (1,0 X 10^{6} psi), entonces el gráfico muestra la disminución en la rigidez de las tres construcciones modificadas, en comparación con el producto de partida. En todos estos, el primer componente se obtiene de tres láminas de madera cortada con la dirección de la veta de la lámina central orientada 90º con respecto al eje longitudinal, tal como se muestra en la figura 7. La lámina media en este producto se ensamblará a partir de una multiplicidad de piezas relativamente estrechas colocadas borde con borde. En la construcción representada por la primera barra, todos los listones de la lámina media se sitúan uno frente al otro, encolados a la lámina exterior y el borde encolado entre sí. Todos los listones de la lámina exterior, tal como 12, 12' en la figura 7, se encolan en el borde. Hay aproximadamente un 8,1% de pérdida en la rigidez de la unión producida por la reorientación de la lámina central. Cuando los listones de la lámina central no están encolados entre sí en el borde, pero el resto de las condiciones permanecen iguales, sólo hay una pérdida adicional muy pequeña de la rigidez a la flexión, del 8,9% frente al 8,1%. Sin embargo, cuando ni los listones de la lámina media ni los listones de la lámina exterior se encolan en el borde, la pérdida de la resistencia aumenta considerablemente. Hay un 17,0% de pérdida de la rigidez a la flexión con respecto a la del producto de partida.

Que todas las superficies adyacentes estén o no encoladas depende de varios factores. Estos incluyen el equipo del proceso de fabricación particular elegido y los requisitos del uso final en última instancia del producto. En algunos casos, puede ser tolerable una rigidez de flexión inferior del producto o este puede compensarse elaborando el segundo componente algo más profundo o seleccionando listones con MOE más elevado para este componente. En general, se prefiere la construcción de la figura 7, debido a la mejor estabilidad dimensional tratada anteriormente. Sin embargo, puede haber una ventaja importante en la fabricación si no es necesario encolar en borde la lámina media. Por ejemplo, podría tolerarse entonces cierta mengua de los bordes, dando como resultado una mayor recuperación. También son permisibles pequeños huecos entre estos listones sin efecto de deterioro sobre la resistencia del producto. El aumento del sacrificio en la resistencia, cuando la lámina media se encola sólo en la cara, es tan mínimo que no hay una necesidad urgente de encolado en borde de esta parte del producto.

Una característica muy importante de los productos de la presente invención es la uniformidad de sus propiedades de resistencia y rigidez, en comparación con la madera de construcción serrada sólida visualmente clasificada. Una medida de comparación que puede usarse es el Coeficiente de Variación (COV) de los productos respectivos. El Coeficiente de Variación para una población de muestra es un parámetro estadístico calculado (Desviación Estándar X 100) dividiendo por el Valor Medio y se expresa como porcentaje. Es de uso particular para comparar los márgenes relativos de variación de dos poblaciones que tienen diferentes medias. La madera de construcción de pino amarillo del sur número 2, de 2'' X 10'' nominales, serrada sólida y visualmente clasificada, tiene un grado de rigidez asignada (MOE) de 1,10 X 10^{7} kPa (1,6 X 10^{6} psi) con un COV asociado del 25%. Incluso, la madera de construcción clasificada con máquina según su tensión, que representa sólo aproximadamente el 2% de la madera de construcción disponible en el mercado, se selecciona y se controla con un COV del 15% o menos para el MOE. Una estructura equivalente a las serradas sólidas de 2'' X 10'' obtenidas de acuerdo con los ejemplos de la presente invención; por ejemplo, la figura 7 tiene un grado de rigidez similar, pero un COV de sólo el 10%. Esto es aproximadamente igual que las vigas I compuestas tratadas anteriormente, pero con las desventajas y conveniencia de uso de los productos serrados sólidos. Con la menor variación de las propiedades de resistencia, no es necesario que las especificaciones de diseño se inflen significativamente para explicar la variabilidad conocida en el producto.

Habiendo explicado por tanto los mejores modos de construcción del producto y el método de su fabricación, será fácilmente evidente para aquellos expertos en la técnica que pueden hacerse muchas variaciones no mostradas o descritas, sin apartarse del espíritu de la invención. Estas variaciones deben considerarse dentro del ámbito de la invención si están dentro de los límites establecidos en las reivindicaciones siguientes.

Claims

1. Método de elaboración de un producto (2, 34, 36, 38, 50, 56, 66, 80) de madera para construcción de alta tecnología a partir de troncos radialmente anisótropos que tienen una densidad y un módulo de elasticidad relativamente superiores en sus partes exteriores y una densidad y un módulo de elasticidad relativamente inferiores en sus partes interiores, caracterizado por:

mecanizar los troncos para separar al menos una parte de la madera exterior de densidad relativamente superior de la madera interior de densidad relativamente inferior;

formar primeros componentes de sección transversal generalmente rectangular a partir de la madera interior de densidad relativamente inferior, cortada de las partes interiores de los troncos;

formar segundos componentes de sección transversal generalmente rectangular a partir de la madera exterior de densidad relativamente superior, cortada de las partes exteriores de los troncos;

recombinar los componentes de densidad relativamente superior y densidad relativamente inferior, uniendo adhesivamente al menos un listón del segundo componente (6, 54) de densidad relativamente superior a al menos un borde de un primer componente (4, 52, 74) de densidad relativamente inferior, para formar un producto de madera para construcción en el que el primer componente de densidad y módulo relativamente inferiores actúe como la parte de alma o núcleo de una viga y los segundos componentes de densidad y módulo relativamente superiores actúen como el elemento o elementos de ala de la viga.

2. Método de la reivindicación 1, en el que los listones (18, 20, 22, 40, 42, 44) del segundo componente (6) de densidad relativamente superior están unidos a los bordes opuestos del primer componente (4) de densidad relativamente inferior.

3. Método de la reivindicación 1, que comprende además escoger la madera seleccionada de las partes exteriores de densidad relativamente superior, que tiene un módulo de elasticidad de al menos 9,6 X 10^{6} kPa.

4. Método de la reivindicación 1, que comprende además serrar los troncos inicialmente en tablas o trozas, volviendo a serrar las tablas o trozas en listones, y separar entonces los listones de madera de densidad relativamente superior y los listones de madera de densidad relativamente inferior.

5. Método de la reivindicación 1, que comprende además tratar los troncos para obtener listones de chapa y separar la chapa de densidad relativamente superior cortada de la parte exterior de los troncos, de la chapa de densidad relativamente inferior cortada de las partes interiores de los troncos.

6. Método de la reivindicación 5, en el que los troncos se tratan para obtener chapa descortezada rotatoriamente y la chapa descortezada inicialmente, de densidad relativamente superior procedente de la parte exterior de los troncos, se separa de la chapa descortezada posteriormente, de densidad relativamente inferior procedente de las partes interiores de los troncos.

7. Método de la reivindicación 5, en el que los troncos se tratan para obtener chapa cortada y partes de la chapa, que tienen la madera exterior de densidad relativamente superior, se escinden y se separan de las partes que tienen madera interior de densidad relativamente inferior.

8. Método de la reivindicación 7, en el que los listones (18, 20, 22, 40, 42, 44, 42', 42'') de chapa que forman el segundo componente (6) se cortan o cizallan con los bordes esencialmente paralelos a la superficie que lleva la corteza del tronco para minimizar la madera con crecimiento irregular de la fibra en los listones.

9. Método de la reivindicación 5, en el que la chapa se corta o se cizalla en listones de anchura esencialmente uniforme.

10. Método de la reivindicación 5, en el que una pluralidad de listones (8, 10, 30, 12, 18, 20, 22, 40, 42, 44, 82, 84, 8', 10', 12') de chapa separada se une adhesivamente para formar el primer (4) y segundo (6) componentes del producto.

11. Método de la reivindicación 10, en el que los listones de chapa que forman el primer componente sólo se unen en una cara.

12. Método de la reivindicación 10, en el que los listones de chapa que forman el primer componente se unen en cara y borde.

13. Método de la reivindicación 10, en el que los listones de chapa que forman el primer componente se unen en cara, borde, extremo.

14. Método de la reivindicación 10, en el que el primer componente (4) se ensambla a partir de una pluralidad de láminas (8, 30, 12, 76) de chapa, orientándose la veta de la madera de todas las láminas en la dirección longitudinal.

15. Método de la reivindicación 10, en el que el primer componente (4) se ensambla a partir de al menos tres láminas (8, 8', 10, 12, 10', 10'') de chapa, orientándose la dirección de la veta de la madera de las láminas (8, 8', 12) exteriores en la dirección longitudinal y orientándose la dirección de la veta de la madera de al menos una lámina (10, 10', 10'', 82, 84) interior desde 0º hasta 90º con respecto a los listones (8, 8', 12) exteriores.

16. Método de la reivindicación 15, en el que la dirección de la veta de la madera de al menos una lámina (10, 10', 10'') interior se orienta 90º con respecto a los listones (8, 8', 12) exteriores.

17. Método de la reivindicación 14, en el que los planos de los listones (40, 42, 44) de chapa que forman los segundos componentes (6) se orientan paralelos a los planos de las láminas (8, 30, 12) de chapa que forman el primer componente (4) del producto.

18. Método de la reivindicación 14, en el que los planos de los listones (18, 20, 22) de chapa que forman los segundos componentes (6) se orientan 90º con respecto a los planos de las láminas (8, 30, 12) de chapa que forman el primer componente (4) del producto.

19. Método de la reivindicación 15, en el que los planos de los listones (40, 42, 42', 42'', 44) de chapa que forman los segundos componentes (6) se orientan paralelos a los planos de las láminas (8, 10, 10', 10'', 12) de chapa que forman el primer componente (4) del producto.

20. Método de la reivindicación 15, en el que los planos de los listones (18, 18', 20, 22) de chapa que forman los segundos componentes (6) se orientan 90º con respecto a los planos de las láminas (8, 8', 10, 12) de chapa que forman el primer componente (4) del producto.

21. Método de la reivindicación 7, que comprende además la formación de elementos similares a falsas lengüetas sobre el primer componente (4) del producto para encajarlo en los segundos componentes (6).

22. Método de la reivindicación 7, que comprende además la formación de un elemento similar a una falsa lengüeta sobre los segundos componentes (6) para encajarlos en el primer componente (4).

23. Método de la reivindicación 15, en el que las láminas (138, 140) exteriores del primer componente se orientan de manera que las superficies más cercanas al centro del tronco se sitúen una frente a la otra.

24. Método de la reivindicación 15, en el que las láminas (138, 140) exteriores del primer componente se orientan de manera que las superficies más cercanas al centro del tronco estén opuestas entre sí.

25. Método de la reivindicación 4, que comprende la formación del primer componente (4) a partir de madera serrada de densidad relativamente inferior.

26. Método de la reivindicación 4, que comprende además la formación del segundo componente (6) a partir de madera serrada de densidad relativamente superior.

27. Método de la reivindicación 4, que comprende además la formación del segundo componente (6) a partir de listones de chapa de densidad relativamente superior.

28. Método de la reivindicación 26, en el que los listones de madera serrada que forman el segundo componente (6) se cortan con los bordes esencialmente paralelos a la superficie que lleva la corteza del tronco para minimizar la madera con crecimiento irregular de la fibra en los listones.

29. Método de la reivindicación 27, en el que los listones de madera serrada que forman el segundo componente (6) se cortan o cizallan con los bordes esencialmente paralelos a la superficie que lleva la corteza del tronco para minimizar la madera con crecimiento irregular de la fibra en los listones.

30. Método de la reivindicación 25, que comprende además unir adhesivamente múltiples listones (58, 60, 62, 64, 68, 70, 72) de madera serrada para formar el primer componente.

31. Método de la reivindicación 30, en el que los múltiples listones serrados que forman el primer componente sólo se unen en la cara.

32. Método de la reivindicación 30, en el que los múltiples listones serrados que forman el primer componente se unen en cara y borde.

33. Método de la reivindicación 30, en el que los múltiples listones serrados que forman el primer componente se unen en cara, borde y extremo.

34. Producto (2, 34, 36, 38, 50, 56, 66, 80) de madera alargada de construcción de alta tecnología de sección transversal generalmente rectangular, que tiene partes de borde y medias cortadas a partir de troncos radialmente anisotrópicos que tienen densidad y módulo de elasticidad relativamente superiores en sus partes exteriores y densidad y módulo de elasticidad relativamente inferiores en sus partes interiores, caracterizándose el producto por al menos una parte de borde que es de material de densidad relativamente superior cortado selectivamente de la parte exterior de los troncos y unido adhesivamente a una parte media generalmente rectangular formada a partir de la parte interior de densidad relativamente inferior de los troncos, en el que el producto tiene propiedades de resistencia controladas y predecibles.

35. Producto de madera de la reivindicación 34, en el que el material de densidad relativamente superior se une a las partes del borde opuesto del producto.

36. Producto de madera de la reivindicación 35, en el que el material de densidad relativamente superior se une a los bordes opuestos del producto de una manera equilibrada.

37. Producto de madera de la reivindicación 34, en el que las partes de borde de densidad relativamente superior se seleccionan para que tengan un módulo de elasticidad de al menos 9,6 X 10^{6} kPa.

38. Producto de madera de la reivindicación 34, en el que ambas partes de borde y media se forman a partir de una pluralidad de listones formados del tronco, separándose dichos listones según la densidad y volviéndose a ensamblar adhesivamente, de manera que cada parte de borde, seleccionada de la madera exterior de densidad relativamente superior, constituya al menos el 10% en volumen del producto.

39. Producto de madera de la reivindicación 34, en el que al menos la parte media se forma a partir de una pluralidad de listones (58, 60, 62, 64, 68, 70, 72) serrados sólidos.

40. Producto de madera de la reivindicación 39, en el que los listones de la parte media serrada se unen adhesivamente para formar un elemento unitario.

41. Producto de madera de la reivindicación 34, en el que las partes de borde y media se forman a partir de una pluralidad de listones (8, 8', 10, 10', 10'', 30, 12, 18, 18', 20, 22, 40, 42, 42', 42'', 44, 76, 82, 84) de chapa.

42. Producto de madera de la reivindicación 41, en el que los listones de chapa se unen adhesivamente para formar un elemento unitario.

43. Producto de madera de la reivindicación 41, en el que la dirección de la veta de todos los listones (8, 30, 12, 76) de la parte media está en la dirección longitudinal.

44. Producto de madera de la reivindicación 41, en el que la parte media comprende al menos tres láminas (8, 8', 10, 10', 10'', 12, 81, 82) de chapa, estando la dirección de la veta de las láminas (8, 8', 12) exteriores en la dirección longitudinal y orientándose la dirección de la veta de al menos una lámina (10, 10', 10'', 82, 84) interior desde 0º hasta 90º con respecto a la dirección de la veta de los listones (8, 8', 12) exteriores.

45. Producto de madera de la reivindicación 44, en el que la dirección de la veta de las láminas interiores se orienta 90º con respecto a los listones exteriores.

46. Producto de madera de las reivindicaciones 40 ó 42, en el que las láminas de la parte media sólo se encolan en la cara para formar un elemento unitario.

47. Producto de madera de las reivindicaciones 40 ó 42, en el que las láminas de la parte media se encolan en la cara y en el borde.

48. Producto de madera de las reivindicaciones 40 ó 42, en el que las láminas de la parte media se encolan en la cara, en el borde y en el extremo.

49. Producto de madera de la reivindicación 41, en el que los listones de chapa son chapa de corte rotatorio.

50. Producto de madera de la reivindicación 41, en el que los listones de chapa son listones cortados.

51. Producto de madera de la reivindicación 38, que tiene dimensiones de la sección transversal más largas y más cortas, y los planos de los listones que forman las partes de borde se orientan paralelos a la dimensión de la sección transversal más larga.

52. Producto de madera de la reivindicación 38, que tiene dimensiones de la sección transversal más largas y más cortas y los planos de los listones que forman las partes de borde se orientan 90º con respecto a la dimensión de la sección transversal más larga.

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53. Producto de madera de la reivindicación 41, en el que los listones que forman las partes de borde se orientan para extenderse en el mismo plano que las láminas de chapa que forman la sección media.

54. Producto de madera de la reivindicación 41, en el que los planos de los listones que forman las partes de borde se orientan 90º con respecto al plano de las láminas de chapa que forman el componente de la sección media.

55. Producto de madera de las reivindicaciones 40 ó 42, en el que los listones del componente de borde se cortan con bordes esencialmente paralelos a la superficie que lleva la corteza del tronco.

56. Producto de madera de la reivindicación 34, que comprende además elementos similares a falsas lengüetas sobre la parte media para encajarlas en las partes exteriores.

57. Producto de madera de la reivindicación 34, que comprende además un elemento similar a una falsa lengüeta sobre las partes exteriores para encajarlas en las partes interiores.

58. Producto de madera de la reivindicación 44, en el que las láminas de la parte exterior media se orientan de manera que las superficies más cercanas al centro del tronco se sitúen una frente a la otra.

59. Producto de madera de la reivindicación 44, en el que las láminas de la parte exterior media se orientan de manera que las superficies más cercanas al centro del tronco estén opuestas entre sí.

60. Producto de madera de la reivindicación 34, que tiene un grado de tensión al menos equivalente a pino amarillo del sur número 2 de dimensiones similares clasificado visualmente según las normas de clasificación de los Estados Unidos, pero con valores de tensión del producto que tengan un Coeficiente de variación que no sobrepase aproximadamente el 10%.