1. Introducción

El empleo de la madera como material de construcción tiene sus orígenes desde los primeros asentamientos humanos, con la conformación de chozas primitivas. Las bondades de sus propiedades en cuanto a manipulación, durabilidad, dureza, resistencia y color, han propiciado el uso de la misma a lo largo de la historia de la humanidad, tanto para la creación artística como constructiva. En las edificaciones en donde el empleo de este material tiene un desempeño estructural, el cual influye en la seguridad de la obra y sus explotadores, se hace necesario realizar evaluaciones periódicas de la integridad de la madera mediante inspecciones y ensayos (^{Szostak et al., 2020}; ^{Zielińska and Rucka, 2021}). Factores como la baja disponibilidad mundial de madera sólida, la disminución de los diámetros de los troncos de los árboles de especies maderables que los hace menos aprovechables industrialmente, unido a la necesidad de preservar la memoria histórica de las edificaciones, ha conllevado al desarrollo de normativas, metodologías y técnicas de ensayos para la evaluación de la calidad y estado de conservación de este material (^{Documento Básico SE-M, 2019}; ^{Manavella et al., 2019}; ^{Salazar et al., 2018}; ^{UNE 56544, 2011}).

Con el propósito de que la intervención sobre las estructuras de madera sean lo menos invasiva posibles, la aplicación de ensayos de velocidad de pulso ultrasónico (VPU), resistografía, extracción de tornillo o penetrómetro, permiten obtener a partir de mediciones in-situ resultados fiables para la determinación del estado de conservación de elementos estructurales de madera. La aplicación de los mismos posibilita la estimación de parámetros como la densidad, la tensión de rotura y el módulo de elasticidad para su reaprovechamiento o sustitución de acuerdo con los requisitos del proyecto. Aunque el empleo de estas técnicas ofrece ventajas en cuanto a seguridad de clasificación basado en sus resultados, la evaluación visual de la madera, como criterio de aceptación, se mantiene en la actualidad como el método más empleado, debido fundamentalmente a su bajo coste en comparación con el empleo de equipamientos, y la facilidad que ofrece la madera de mostrar su características y lesiones en la superficie de la misma.

Las edificaciones del Centro Histórico de La Habana construidas antes del siglo XX tienen en común el empleo de madera como elemento estructural de soporte de entrepisos y forjados, en donde se combinan los sistemas de viga y tablazón, con viga y losa por tabla. Estas maderas, en el momento que fueron aserradas para su explotación como elemento estructural, no se clasificaron por sus características debido a la inexistencia de normativas al respecto, por lo que criterios como la anchura de los anillos de crecimiento, fendas, bolsas de resina, gemas, deformaciones y alteraciones biológicas no fueron tenidas en cuenta de forma normalizada. En este sentido, las normativas vigentes (^{DIN EN 338:2016-07, 2016}; ^{ISO 9709:2018, 2018}; ^{UNE 56544, 2011}), establecen criterios de rechazo que conllevarían a la sustitución total o parcial de elementos de madera que, después de haber sido empleados por más de un siglo, han demostrado su durabilidad y capacidad portante, debido a que están concebidas para madera nueva.

Sin embargo, cuando se trata de reutilización de elementos de madera estructural para rehabilitación y conservación patrimonial, es importante el empleo combinado de los criterios visuales y analíticos, puesto que estos últimos pueden aportar mejores criterios de acierto en comparación con la clasificación visual, según fue demostrado por (^{Rello et al., 2007}) en donde obtuvieron que mediante VPU se puede alcanzar hasta 72% con respecto al 53% de acierto en calidad de madera. Los materiales de construcción con los años de explotación sufren diferentes formas de deterioro que, en el caso de la madera, se inicia fundamentalmente por la presencia de humedad debido a que es un material higroscópico y poroso. En este sentido, diversos investigadores (^{Bratasz et al., 2010}; ^{Sotomayor Castellanos, 2015}) han demostrado la influencia del contenido de agua en la conservación de la madera y sus propiedades. De acuerdo con (^{Arriaga et al., 2006}), el módulo de elasticidad puede variar en 2% para rangos de humedad entre 5% y 30%.

Basado en las consideraciones antes expuestas y la necesidad de evaluar la posible reutilización de vigas de madera en edificaciones históricas, este trabajo tiene como objetivo presentar los resultados de la evaluación del estado de conservación de las vigas de madera del soporte del primer nivel entre los ejes 5-6:A-C del edificio Narciso López (Figuras 1 y 2), ubicado en el Centro Histórico de La Habana. El mismo fue construido en el año 1858 y cuenta de 4 niveles, de los cuales la planta baja y entresuelo son de muros de piedra, mientras los superiores son de mampuesto. Los entrepisos están soportados por vigas de madera de pino (pinus sp.). Los procesos de restauración iniciados en el año 2019 requirieron de un diagnóstico patológico, por primera vez desde la construcción del inmueble, para determinar su posible aprovechamiento y de esta manera preservar, en la medida de lo posible, los elementos originales de la edificación.

Figura 1 Edificio Narciso López. Fuente: Centro de Documentación Arq. Fernando Salinas, Restaura, OHCH 

Figura 2 Vista en planta del primer nivel del edificio. Señalizado de la zona de estudio. Elaboración propia 

2. Procedimiento experimental

El estudio se inició con el retiro del piso y el desmonte de todas las vigas. Esto posibilita la inspección detallada por todas las caras (Figuras 3 y 4), fundamentalmente en la zona de las cabezas, las cuales, al estar empotradas en los muros, presentan mayores deterioros por pudrición debido a la acumulación de humedad en el interior de la fogonadura (Figuras 5 y 6). Esta primera etapa permite registrar la posición, longitud, dirección y sentido de cada fisura, grieta, pudrición y/o desfibramiento presentes en las vigas, para lo cual se tomó como referencia la distancia de la lesión con respecto a la cabeza (Figura 7). Adicionalmente se identificaron las zonas de ensayo que cuentan con las condiciones idóneas para la realización de las mediciones. En áreas en donde existan fisuraciones o deterioros por distintas formas de pudrición (parda, blanda, etc.) no es posible realizar mediciones debido a que no se logra una correcta transmisión o confinamiento de la señal, desde el emisor al receptor, o los resultados obtenidos están alterados por la presencia de películas microbianas que afectan la composición física-química de la madera, degradando su estructura y densidad. Por su parte las técnicas de impacto o penetración, presentan como inconveniente que no deben ser aplicadas sobre superficies irregulares que influyan en el momento de impacto de la broca, ya sea por deformación de la misma, alteración en el ángulo de entrada o carencia de madera para ofrecer un valor de densidad representativo de las propiedades reales del elemento estructural. Para la preparación de las zonas de ensayo se seleccionaron dos secciones por cada viga, libres de lesiones en la superficie.

Posteriormente se procedió a la identificación de cada viga mediante el código del local (VA-x), en donde la x representa un número consecutivo, iniciado desde el 1. El local cuenta con un total de 32 vigas de madera, las cuales apoyan entre los ejes 5-6. Para determinar las dimensiones se empleó una cinta métrica, y se registraron las medidas de ancho, peralte y longitud (Tabla 1). A las cabezas de las vigas se les identificó con las letras A y B (Figura 8).

Figura 3 Etapa de inspección detallada en viga montada sobre burros de madera 

Figura 4 Inspección y clasificación visual de vigas desmontadas 

Figura 5 Estado de las cabezas de las vigas 

Figura 6 Vigas desmontadas con diferentes manifestaciones patológicas 

Figura 7 Medición con cinta métrica de la sección de viga afectada 

Figura 8 Identificación de las vigas de madera 

2.1 Ensayos no destructivos aplicados

Los ensayos aplicados consistieron en la estimación de la densidad (ρ), tensión de rotura (f_k) y módulo de elasticidad dinámico (MED), mediante la combinación de las técnicas de penetrómetro y VPU. Para ambas es necesario realizar ajustes con respecto al contenido de humedad, para lo cual se toma como referencia el valor de 12%. En el caso del penetrómetro, para la determinación de la densidad a 12% de humedad, la ecuación de ajuste empleada fue la de (^{Kuklík, 2007}):

ρ12=-0.027102*tp,12+0.727987 (1)

tp,12=tp1-0.007∆w (2)

∆w=w-12 (3)

Dónde:

ρ12 = densidad de la madera al 12% de humedad; g/cm³

tp,12 = profundidad de penetración en la madera con 12% de humedad; mm

tp = profundidad de penetración en la madera ensayada; mm

w= humedad de la madera en el momento de la medición; %

Para la medición de VPU el equipo empleado fue Proceq Pundit Lab⁺, con transductores cónicos de 54KHz (Figura 9). Los mismos se colocaron en sentido perpendicular a las fibras (Figura 10) y se programó en el equipo la distancia entre ellos, para cada viga. Se realizó el ajuste a 12% de humedad mediante la siguiente ecuación (^{Liñán et al., 2011}):

VPU12=27.5w-12+VPU (4)

Dónde:

VPU₁₂= velocidad de pulso ultrasónico referida a 12% de humedad; m/s

w= humedad de la madera en el momento de la medición; %

VPU= velocidad de pulso ultrasónico medida; m/s

Figura 9 Aplicación de ensayos de VPU en vigas de madera 

Figura 10 Esquema de aplicación de VPU perpendicular a la fibra 

Basado en los mismos criterios, se calculó la tensión básica de rotura (f_k) y el límite de determinación del estado de conservación de las vigas de madera:

fk=0.212VPU12-183.09*1/10 (5)

Dónde:

f_k= tensión de rotura; MPa

VPU₁₂= velocidad de pulso ultrasónico referida a 12% de humedad; m/s

A partir de las mediciones de VPU y los valores obtenidos de estimación de densidad, se calcularon los módulos dinámicos aplicando la ecuación empleada por (^{Alquicira and Castellanos, 2021}; ^{Ettelaei et al., 2018}):

MED=ρ*VPU122 (6)

Dónde:

MED= módulo de elasticidad dinámico; N/m²

ρ= densidad; Kg/m³

VPU122 = velocidad de pulso ultrasónico referida a 12% de humedad; m/s

Para la medición de la humedad en las vigas de madera se empleó el termo-higrómetro Delmhorst’s TotalCheck (Figura 11).

Figura 11 Medición de humedad superficial con equipo termo-higrómetro Delmhorst’s TotalCheck 

3. Resultados y discusión

3.2 Aplicación de ensayos no destructivos

Para la realización de los ensayos de penetrómetro y VPU se prepararon dos puntos en cada viga. En cada uno se registraron 5 lecturas, para un total de 10 resultados por cada elemento. En la figura 12 se muestra un resumen de valores en algunas de las vigas ensayadas.

Figura 12 Resumen de mediciones de VPU en un punto de ensayo para las vigas de madera. Datos extraídos del software Proceq PunditLink 

Los criterios para la estimación del deterioro de la madera basado en los resultados de VPU se plantearon de acuerdo con (^{Liñán et al., 2011}), en el que se establece que:

VPU > 1400 m/s: madera sana (MS)

VPU < 1400 m/s: madera deteriorada (MD)

Tabla 3 Resultados promedios de las mediciones y cálculos aplicados. 

ID	w (%)	Tp (mm)	Tp,12 (mm)	p12 (g/cm3)	VPU12 (m/s)	fk (MPa)	MED (MN/m2)	Criterio
VA-1	13.3	10.5	10.4	0.45	2011.58	24.34	1804.33	MS
VA-2	12.3	10.0	10.0	0.46	2143.33	27.13	2101.57	MS
VA-3	11.8	12.0	12.0	0.4	2020.32	24.52	1642.4	MS
VA-4	14.3	12.0	11.8	0.41	1972.75	23.51	1587.83	MS
VA-5	17.9	9.5	9.1	0.48	1930.15	22.61	1792.52	MS
VA-6	13.7	9.5	9.4	0.47	2108.75	26.4	2105.94	MS
VA-7	15.8	9.5	9.2	0.48	2565	36.07	3140.7	MS
VA-8	15.2	10.5	10.3	0.45	921.2	1.22	381.7	MD
VA-9	19.9	11.3	10.7	0.44	2147.25	27.21	2022.57	MS
VA-10	12.2	10.7	10.7	0.44	1865.8	21.25	1526.17	MS
VA-11	14.6	9.0	8.8	0.49	2043	25	2038.96	MS
VA-12	18.1	12.3	11.8	0.41	1733.55	18.44	1228.72	MS
VA-13	17.8	10.7	10.3	0.45	2375.5	32.05	2538.05	MS
VA-14	14.9	12.3	12.1	0.4	2101.05	26.23	1771.94	MS
VA-15	15.6	11.7	11.4	0.42	2019.7	24.51	1708.71	MS
VA-16	19.3	11.0	10.4	0.45	2336.25	31.22	2429.38	MS
VA-17	15.7	12.0	11.7	0.41	2273.55	29.89	2125.43	MS
VA-18	Viga descartada por avanzado deterioro
VA-19	17	10.3	9.9	0.46	2126	26.76	2072.85	MS
VA-20	15.4	10.3	10.1	0.46	2066.1	25.49	1944.34	MS
VA-21	15.6	11.0	10.7	0.44	2126.2	26.77	1977.26	MS
VA-22	14.4	10.7	10.5	0.44	1485.1	13.18	976.75	MS
VA-23	14.4	10.0	9.8	0.46	2165.1	27.59	2163.45	MS
VA-24	13.1	9.3	9.2	0.48	1995.55	24	1903.02	MS
VA-25	12.0	10.7	10.7	0.44	1996.2	24.01	1745.33	MS
VA-26	13.2	10.0	9.9	0.46	2073.9	25.66	1975.23	MS
VA-27	16.2	10.7	10.4	0.45	2015.7	24.42	1814.24	MS
VA-28	18.4	12.7	12.1	0.4	1397.5	11.32	779.66	MD
VA-29	15.7	11.7	11.4	0.42	1960.35	23.25	1610.61	MS
VA-30	14.5	11.7	11.5	0.42	2193.75	28.2	2004.15	MS
VA-31	14.6	12.0	11.8	0.41	1914.3	22.27	1497.63	MS
VA-32	13.9	9.7	9.6	0.47	1960.15	23.25	1800.43	MS

En los resultados de VPU obtenidos solo dos vigas (VA-8 y VA-28) muestran valores inferiores al límite establecido de 1400 m/s, siendo clasificadas como “madera deteriorada”. Esto puede deberse a que la infestación por hongos de la pudrición, ablandamiento y desfibramiento en la madera se han extendido hacia el interior de las vigas, lo cual se refleja en el resultado de la velocidad de transmisión de la onda entre los transductores. Con los años de explotación del inmueble no es posible determinar las causas por las cuales estas vigas sufrieron un deterioro considerablemente superior al resto. Es posible que su ubicación coincidiera con la de zonas húmedas como baños o cocinas, aunque los contenidos de humedad registrados no muestran valores extremos que sustenten esta hipótesis. El análisis estadístico de los datos (Tabla 4), en el que se excluyeron a las vigas VA-8 y VA-28, muestran una dispersión para VPU inferior al 10%, con una confiabilidad del 95%, por lo que para el resto de los valores se acepta la población de datos obtenida.

Tabla 4 Cálculos estadísticos de los resultados obtenidos en las vigas clasificadas como MS. 

Parámetros estadísticos	w (%)	Tp,12 (mm)	p12 (g/cm3)	VPU, 12 (m/s)	fk (MPa)	MED (MN/m2)
xAVG	15.1	10.8	0.4	2059.5	25.4	1898.3
sd	2.1	1.0	0.0	197.3	4.2	400.3
CV(%)	14.0	9.2	5.8	9.6	16.5	21.1
Min.	11.8	9.0	0.4	1485.1	13.2	976.8
Max.	19.9	12.3	0.5	2565.0	36.1	3140.7

La densidad mínima de las vigas fue de 0.4 g/cm³. Esto corresponde con una clasificación de clase resistente superior a C35, de acuerdo con (^{Documento Básico SE-M, 2019}). Los resultados de VPU inferiores a 1400 m/s obtenidos para la VA-8 y VA-28 infieren que los deterioros por pudrición y fisuras se extienden hacia el interior del elemento. Sin embargo, sus resultados de profundidad de penetración no fueron significativos en comparación con las restantes vigas.

Esto demuestra que la estimación del estado de conservación de la madera basados en la densidad calculada mediante penetrómetro, puede conllevar a falsos positivos si no se combina con otras técnicas de medición. La dureza de la madera en el punto de impacto de la aguja, puede resultar en un valor elevado que no refleja el deterioro en el interior del material. En la Figura 13 se muestra el análisis general de resultados que correlacionan el contenido de humedad/penetración/densidad calculada. En los casos de la VA-9 y VA-16 se identifica como alcanzan un valor de penetración ≥ 11.0 mm para una humedad próxima a 20%, en lo cual se esperaría un ablandamiento de la madera que resultase en mayor penetración, como sucede con la VA-28. La comparación de contenidos de humedad entre estas vigas es muy similar pero con resultados opuestos. En el caso de VA-9 y VA-16 no presentan lesión alguna y mantuvieron una VPU superior a 2000 m/s, mientras que en la VA-28 se confirmó el avance de las lesiones hacia el interior de la viga con resultados de VPU inferiores a 1400 m/s.

Figura 13 Relación de resultados de contenido de humedad, penetrómetro y densidad calculada a 12% para todas las vigas de madera estudiadas 

Del total de mediciones de VPU realizadas, el 82% fluctuó en una profundidad de penetración entre 9.0 mm y 12.0 mm. En el análisis gráfico (Figura 14) se aprecia como el conjunto mayoritario de resultados ocupa el rango comprendido entre 1800 m/s y 2400 m/s para el intervalo antes mencionado. La gráfica permitió identificar a la viga VA-22 como una variable distante de la media poblacional con un resultado de VPU= 1485.10 m/s. Si se toma en consideración la desviación estándar calculada y las lesiones presentes en la viga, sería razonable por cuestiones de seguridad estructural sustituirla por una nueva. Los valores obtenidos a partir de las ecuaciones propuestas para estimación de la fk y el MED muestran una elevada correlación entre ellos (Figura 15)., caracterizando a las vigas en clase estructural ME-2 (^{UNE 56544, 2011}), sobre las cuales deben aplicarse todas las acciones de restauración y consolidación necesarias para su reúso.

Figura 14 Relación de resultados de VPU vs Tp para las vigas evaluadas como Madera Sana 

Figura 15 Correlación de resultados obtenidos de VPU, fk y MED para las vigas de madera 

4. Conclusiones

De las 32 vigas diagnosticadas para evaluar su posible reúso como madera estructural en la rehabilitación del inmueble, se arriba a las siguientes conclusiones:

Las lesiones más recurrentes encontradas durante la inspección visual fueron el deterioro de las cabezas por exceso de humedad en la fogonadura, debido al desarrollo de hongos de la pudrición, además de fisuras y grietas discontinuas en las caras y aristas. Entre las técnicas más comunes de restauración y reforzamiento para estos tipos de deterioro están el uso de casquillos y ménsulas metálicas para garantizar la sujeción de las vigas en los puntos de apoyo. Decapado o cepillado de las caras y aristas hasta alcanzar una superficie con la menor cantidad posible de lesiones. Las fisuras por su parte pueden ser selladas mediante resinas, o a partir de la preparación de un engrudo de cola de carpintero mezclada con aserrín, fumigación y tratamiento con productos biocidas, y finalmente el recálculo estructural para las nuevas dimensiones de las vigas.

El estudio combinado de evaluación visual y ensayos no destructivos permitió identificar que las vigas VA-8, VA-18, VA-22 y VA-28, deben ser sustituidas por presentar avanzadas lesiones y deficiente densidad para ser reusadas como elemento estructural.

La normativa vigente de clasificación visual de madera serrada para uso estructural es muy conservadora en lo relativo a deterioros, lo que puede resultar en la sustitución total de elementos de madera antiguos. En proyectos de rehabilitación y conservación de bienes patrimoniales, es más efectiva la evaluación del estado de conservación mediante la aplicación de ensayos de medición sobre las piezas de madera.

De acuerdo con los resultados obtenidos en este estudio, la técnica de VPU mostró resultados más acertados con respecto a la condición de densidad de la madera en comparación con la técnica de penetrómetro, en la cual, mediante las ecuaciones empleadas, no se reflejaron afectaciones en las densidades para variaciones de contenido de humedad entre 11.8% y 19.9%.