Evaluación mecánica de uniones de madera para estructuras en edificaciones históricas

Abstract

The progressive degradation of wooden structures in historic buildings, caused by biotic, abiotic, and anthropogenic factors, compromises the mechanical capacity of the joints. Therefore, it is essential to develop compatible techniques that allow for their structural preservation and heritage value. This research aimed to evaluate the mechanical properties of joints made from sound wood and reclaimed wood, considering the anatomy, the type of joint, the influence of the number of bolts, and the use of commercial adhesives. Jupiter-beam joints were designed with one, two, and four bolts, using methylene diisocyanate (MDI) as the adhesive. The joints were subjected to static bending tests according to ASTM D143, from which the modulus of rupture (MOR) and the modulus of elasticity (MOE) were determined. Additionally, tests were conducted to characterize the adhesives, including viscosity and solids content, as well as analysis using X-ray micro-computed tomography (μCT). This allowed for the non-destructive evaluation of the adhesive's impregnation and distribution within the anatomical structure of the reclaimed wood. The results showed that, despite microstructural deterioration, the reclaimed wood exhibits compatible mechanical performance when properly designed joints are used. Statistical analysis using Duncan's multiple range test, with a 95% confidence level, revealed significant differences between the treatments. The four-bolt joint stood out as having the best mechanical performance, providing greater rigidity and limiting horizontal displacement of the joint. Overall, the results confirm the feasibility of integrating traditional joints, compatible adhesives, and advanced characterization techniques for the structural rehabilitation of timber heritage buildings.

La degradación progresiva en las estructuras de madera en edificaciones históricas, causada por factores bióticos, abióticos y antrópicos, compromete la capacidad mecánica de las uniones, por lo que resulta indispensable desarrollar técnicas compatibles que permitan su conservación estructural y valor patrimonial. La presente investigación tuvo como objetivo la evaluación mecánica de uniones elaboradas a partir de madera sana y madera de recuperación, considerando la anatomía, el tipo de empalme, la influencia del número de pernos y el uso de adhesivos comerciales. Se diseñaron empalmes tipo Rayo de Júpiter con uno, dos y cuatro pernos, empleando como adhesivo el diisocianato de metileno (MDI). Las uniones fueron sometidas a ensayos de flexión estática conforme a la norma ASTM D143, a partir de los cuales se determinaron el módulo de ruptura (MOR) y el módulo de elasticidad (MOE). De manera complementaria, se realizaron pruebas sobre la caracterización de adhesivos, incluyendo viscosidad y contenido de sólidos, así como el análisis mediante microtomografía computarizada de rayos X (μCT), lo que permitió evaluar de forma no destructiva la impregnación y distribución del adhesivo dentro de la estructura anatómica de la madera de recuperación. Los resultados arrojaron que, pese al deterioro microestructural, la madera de recuperación presenta un desempeño mecánico compatible cuando se emplean uniones adecuadamente diseñadas. El análisis estadístico mediante el test de rango múltiple de Duncan, con un nivel de confianza del 95%, mostró diferencias significativas entre los tratamientos, destacando el empalme con cuatro pernos como el de mejor comportamiento mecánico, al proporcionar mayor rigidez y limitar el desplazamiento horizontal de la unión. En conjunto, los resultados aseguran la viabilidad de integrar empalmes tradicionales, adhesivos compatibles y técnicas avanzadas de caracterización para la rehabilitación estructural del patrimonio construido en madera.