Estudiamos la madera dentro del grupo de materia les compuestos.
Efectivamente es el material compuesto que nos ofrece la Naturaleza.
La madera empezó a utilizarse en los primeros aviones propulsados.
El avión que realizó el primer vuelo con motor (Wright,) 1903 estaba construido en madera porque era un material ligero, fácil de encontrar y de trabajar.
Además, los costes de reparación estructural eran asequibles, algo importante en esta época donde los contactos del aparato con el suelo, cuando no los accidentes, eran cosa común.
En el plano histórico hubo un paso decisivo de aplicación estructural de la madera en el curso de la I Guerra Mundial.
Algunos aviones de esta contienda adoptaron el ala cantílever.
Las cargas del ala en vuelo se soportaban mediante un entramado interno, con uno o más largueros de madera cuya alma se reforzaba con contrachapado.
Las fibras (granos) de la madera del contrachapado se orientaron en distintas direcciones para remedia,r en lo posible, la anisotropía del material (distintas propiedades mecánicas en distintas direcciones).

foto:Boeing Clípper 1939 volando sobre San Francisco

Estos aviones se recubrían con lona aunque más tarde se hacía trabajar también el revestimiento al forrarlo con finas chapas de madera.
La fabricación de aviones en madera llegó hasta la década de los años 40 del siglo pasado, inclusive grandes hidroaviones como el Clipper.
Un avión famoso construido en madera fue el bombardero británico De Havilland Mosquito, con excelentes prestaciones en vuelo.
Pero es época pasada, muy pasada.
La madera hoy día se aplica ocasionalmente en aviones ligeros, sobre todo en aviones construidos por aficionados, pero también aquí cede paso ante los materiales plásticos.

Estructura de la madera

A simple vista (nivel macroscópico) los rasgos importantes que se observan en la madera son las fibras.
En el árbol se dirigen axialmente, de arriba abajo por el tronco.
En esa dirección la resistencia mecánica de la madera es máxima.
En el corte transversal del tronco se observa que la estructura interna está dividida radialmente por los llamados anillos de crecimiento que, tienen diferente densidad y tamaño respecto a las células que los rodean.
Esto es así porque, en zonas geográficas templadas, hay un crecimiento rápido del árbol en primavera (madera temprana) y lento en verano, que da lugar a esta división estructural, un anillo de madera dura tardía (verano) embebido en una «matriz» (celulosa) como parte blanda.
Los procesos de crecimiento radial del árbol ocurren en cámbium, un anillo cilíndrico cercano a la corteza.
Cada año, el cámbium da lugar a dos capas células adultas.
La primera, crece hacia el interior del árbol, es leñosa y es la que reconocemos como anillo de crecimiento.
La segunda, hacia el exterior, es otro tejido, que transporta la savia en dirección a las raíces.
Al microscopio electrónico la madera aparece en forma de aglomeración de células, apretadas, la mayor parte de ellas paralelas al del árbol.
La sección recta (axial) muestra, además, una estructura compleja por la presencia de los tubos o canales de savia que transportan los fluidos.

fotos

 

Definiciones de carácter estructural

  • Médula es la parte central del árbol.
  • Es un tejido poroso y quebradizo inútil estructuralmente.
  • Albura es el tejido blando y joven del tronco.
  • Se encuentran en la parte externa del mismo.
  • El transporte de savia se Anillos de hace fundamentalmente a través de la crecimiento albura.
  • Es zona propensa al ataque de hongos e insectos.
  • Duramen es la parte interior del tronco.Son tejidos viejos completamente desarrollados, que tienen gran resistencia mecánica y, además ofrecen resistencia al ataque de insectos y hongos.
  • Líber es la parte interna de la corteza.
  • Rayos. Son líneas radiales, leñosas, con células pequeñas que discurren desde el centro del árbol a la corteza, transportando nutrientes.

 

Composición química

La madera tiene muchos componentes.
Los tres principales son celulosa, hemicelulosa y lignina.

 

  • La celulosa se forma por la unión de moléculas de glucosa.
  • Es el componente principal (el 50% de la madera seca es celulosa).
  • La hemicelulosa tiene otros azúcares además de la glucosa.
  • Es la responsable de mantener unidas las fibras de celulosa.
    Entre un 15 y 20% de la madera es hemicelulosa.
  • La lignina da rigidez a las fibras de celulosa, ejerciendo también un papel importante en el transporte de agua y nutrientes a todas las zonas del árbol, incluida la raíz.

Ya se dijo que la madera se estudia dentro de los compuestos porque su estructura es similar.
Si por ejemplo, comparamos la madera con un compuesto de fibra de carbono, las fibras de celulosa ejercen el papel de las fibras de carbono.
La función que hace la matriz epoxi del compuesto de carbono lo ejerce ahora la lignina.

Propiedades de la madera

Estudiamos la densidad, propiedades mecánicas y comportamiento de la madera en el medio ambiente.

Densidad

La densidad de la madera varía en banda muy amplia, desde las maderas muy ligeras (en torno a O, 1 g /cm3 para la madera de balsa) a las más pesadas, como el roble
0,69 g/cm3 o haya 0,75 g/cm3.
La densidad depende de dos factores, de su forma celular y del contenido de agua.
El factor celular se refiere al volumen interno de la célula en comparación con sus paredes
El roble, por ejemplo, tiene paredes relativamente gruesas (duras) y cavidades de célula relativamente pequeñas.
A la madera de balsa le ocurre lo contrario.
El agua del árbol se encuentra sobre todo en las cavidades de las células.
Lo que llamamos «madera seca» para empleo en aviación tiene un contenido de agua del orden del 12%.
Este valor del 12% sirve como referencia para clasificar la madera por su densidad, desde muy ligera a muy pesada, tal como hemos dicho antes.
La madera de densidad media oscila entre 0,45 y 0,55 g/cm3.
La madera que se utiliza en la construcción de aviones es de densidad media a alta.
No obstante, para las hélices se emplea madera de mayor densidad para resistir los esfuerzos centrífugos de las palas.

Foto:Fabricación en madera Bombardero ligero De Havilland Mosquito, de la II Guerra Mundial, en la Royal Air Force (RAF). En la foto inferior se ven varias alas de madera en fase de fabricación. Nótense las gruesas costillas de ala entre los dos largueros. Fotos Revista The Aeroplane.

 

Elasticidad

El Módulo de Elasticidad (ME) de la madera depende de la dirección tomada.
Es mayor en dirección axial.
La Tabla VI muestra datos del ME y propiedades de varias maderas, medidos tanto en dirección de las fibras como en sentido perpendicular a ellas.
Cuanto más densa es la madera tiene menor anisotropía.
Ejemplo: la madera de balsa, de muy baja densidad, es anisótropa
ME es, pues, función de la densidad de la madera.
En general, como dato orientativo, la madera presenta en dirección transversal tan solo de un 1O a 20 % de la resistencia mecánica que tienen en sentido axial.

 

Resistencia a tracción y compresión

La resistencia mecánica media de las maderas que consideramos de aplicación en aeronáutica es similar a la que tiene la resina epoxi en los materiales compuestos, del orden de 100 MPa.
La madera es poco dúctil.
La ductilidad es aproximadamente de 1 %.
Exhibe asimismo menos resistencia a compresión que a tracción.
A compresión las paredes de las células terminan por doblarse provocando el fallo celular por falta de ductilidad.
La resistencia a tracción y compresión aumentan con la densidad de la madera.
En sentido longitudinal la resistencia a tracción aumenta de forma proporcional con la densidad
En sentido transversal aumenta con el cuadrado de la densidad.

Tenacidad

Como sucede en todas la aplicaciones estructurales del avión la tenacidad es variable de importancia.
La tenacidad de la madera, igual que los metales, determina si la pieza puede fallar de modo repentino cuando se inicia una grieta en el material.
En los países donde es habitual construir casas en madera (por  ejemplo en EE UU) existen ensayos completos para determinar con precisión la tenacidad.
La experiencia enseña que las grietas en la madera «corren» más aprisa en dirección de las fibras que en sentido normal a ellas.
Bien entendido, siendo esto cierto también lo es que la madera posee gran tenacidad cuando se carga axialmente, en la dirección de las fibras.
En realidad ocurre lo mismo en los materiales compuestos modernos.

Nudos

Un nudo es el corte en sección de una rama de un árbol atrapada por el rápido crecimiento del tronco.
Afecta a la continuidad longitudinal de las fibras.
La presencia de nudos de tamaño mayor a 9,5 mm es inaceptable en aplicaciones estructurales aeronáuticas.
Incluso, si son menores al tamaño citado deben cumplir ciertas reglas, como es estar alejados de los bordes de la pieza, que no cambien sustancialmente la dirección de las fibras, que no haya otro nudo a menos de 7,5 cm.
También, que en un larguero el nudo esté en la parte central de la viga y no hacia los bordes.

FOTO:Nudos en un tablero de pino Los nudos afectan a la orientación y separación de las fibras.

 

Contenido de humedad y temperatura de la madera

La madera es un material higroscópico.
Esto quiere decir que su contenido de humedad cambia en la medida que varía la humedad ambiente.
La madera de los países tropicales puede tener un contenido de humedad tan alto como 20%.
Hay en estos casos degradación de características mecánicas.
En comparación con el grado de humedad aconsejable para la madera estructural (12%) la resistencia mecánica con 20% de humedad puede disminuir el 30-40%.
Por consiguiente es necesario sellar y proteger de la humedad los componentes estructurales de la aeronave.
Bien entendido, la caída de resistencia mecánica con el contenido de humedad se estabiliza a partir del 25%.
Se mantiene a partir de aquí prácticamente inalterable.

La resistencia mecánica de la madera también disminuye con su temperatura.
La precaución en este caso es el estacionamiento de la aeronave en el aeródromo, en clima caluroso, donde la madera puede alcanzar 45 o 50 ºC.
La hemicelulosa presenta un debilitamiento importante a partir de 50 ºC  de temperatura, pero aún antes de este valor hay pérdida de características mecánicas.
Una regla de oro que manejan los carpinteros aeronáuticos es que la resistencia mecánica de la madera disminuye un 1 % por cada grado centígrado de aumento de la temperatura a partir de 15 ºC.
La incidencia de la humedad de la madera debe valorarse también desde el punto de vista de cambio de las dimensiones y de forma en las uniones empernadas.
Con el cambio de humedad, la madera se deforma, se encoge o ensancha, y estas circunstancias afectan al apriete y seguridad de contacto de los pernos o sujetadores con el material.

Contrachapado

El contrachapado es la construcción estructural típica en aeronáutica.
Está hecho de láminas de madera encoladas, con las fibras transversales colocadas de modo perpendicular una sobre otra.
Las láminas son delgadas, del orden de 0,5 a 1 mm de grosor.
El contrachapado disminuye el carácter anisótropo que tiene la madera gracias a la orientación de las fibras, permitiendo buenas cualidades mecánicas en todas direcciones.
Los adhesivos más utilizados para unir las chapas son preparados de formaldehído.
La caseína, que durante decenas de años fue la cola estándar para encolados, no se emplea actualmente.

Hélices de madera

Las hélices de madera se emplean en aviones ligeros, pero tienden a ser piezas de museo.
Son normalmente de paso fijo o de paso con dos posiciones.
Están formadas por chapas encoladas cuyo espesor varía de 1,25 a 2 cm, no se sobrepasa esta última cifra.
El número de chapas encoladas debe ser cinco como mínimo.
Las maderas empleadas normalmente son roble y abedul.
Las chapas se cortan con la forma en planta que tiene la pala y se unen entre sí con adhesivo.
Después de un tiempo de curado, de una semana, la hélice se desbasta a mano

 

foto:Sección de pala contrachapada 6 chapas en este ejemplo antes de darle forma final Nótese la orientación alternativa de fibras de las chapas.

o con máquina copiadora, hasta unos 3 mm de la forma definitiva.
A continuación sigue un período adicional de envejecimiento, después del cual las palas se trabajan hasta alcanzar la medida final.
En esta fase se hacen los taladros para los tomillos de sujeción.
Las operaciones de acabado incluyen un lijado de la pala para pulimentada.
El borde de ataque de estas hélices se blinda contra el desgaste excesivo mediante una tira de bronce o latón que se extiende desde la mitad del radio hasta la punta de la pala,
se sujeta mediante tomillos y remaches de cobre.
Los tomillos avellanados se aplican en las secciones de mayor espesor de la pala, los remaches en las de menor espesor.
Algunas veces la corrosión afecta a las partes metálicas del blindaje, que termina por desprenderse y obliga a un aterrizaje forzoso de la avioneta por las vibraciones inducidas (desequilibrio de la pala).
El blindaje metálico comunica al exterior por orificios hechos cerca de la punta de la pala, con objeto de prevenir la acumulación excesiva de humedad y el desequilibrio resultante.
Antes del blindaje se aplica una capa de barniz incoloro, y al final dos capas más.
La hélice se equilibra después de cada operación importante.
Como puede suponerse la ventaja básica de la hélice de madera es su coste pero hay que decir que, en general, tiene buena resistencia a la fatiga y su fabricación es relativamente simple, aunque cuidadosa.
Ya hemos dicho que la madera se desgarra fácilmente a lo largo de la fibra bajo la acción del esfuerzo cortante.
Además tiende al alabeo al variar las condiciones de humedad.
Hay otro problema si se mira desde el punto de vista aerodinámico.
Como la sección de pala debe ser relativamente gruesa por el pequeño valor de la relación carga de rotura/peso el rendimiento propulsivo de la hélice de madera es pequeño.

 

Mantenimiento e inspección de las estructuras en madera

Factores principales que pueden causar el deterioro la estructura en madera del avión son los siguientes:

  • Reacciones químicas del adhesivo natural o sintético véase Capítulo 3 por envejecimiento o presencia de humedad,  o a exposición a temperaturas extremas (los aviones expuestos a cambios cíclicos y extremos de temperatura y humedad, son sobre todo, propensos a la contracción o encogimiento de la madera y fallos de encolado).
  • Fuerzas de origen mecánico principalmente por el encogimiento de la madera.
  • Crecimiento de hongos.
  • Mojadura por aceite motor (procedente de las instalaciones del motor).
  • Contaminación por derrame de combustible.
  • Bloqueo de los orificios de drenaje de agua previstos en la estructura del avión,
  • Acción de la luz solar (ataque al acabado superficial de la madera pintura).
  • Deterioro del adhesivo con el paso del tiempo, aun cuando el avión se mantiene y preserva de forma adecuada (estacionado en hangar).

 

Antes de comenzar el examen detallado de la estructura debe inspeccionarse el avión por si hay señales obvias de deformación.
Así, ha de comprobarse la alineación de la estructura del ala y fuselaje y grupo de cola, por hay torsión o deformación.
Son señales obvias de fallo estructural.
Siempre que sea posible el avión debe inspeccionarse en hangar, avión totalmente seco y bien ventilado.
Los paneles del avión deben estar abiertos.
Es momento de oler si humedad interior.
El olor a moho  indica desarrollo de hongos y debe establecerse qué áreas son las
afectadas.
La inspección preliminar de la estructura exterior es útil pero hay que tener en cuenta que el deterioro de la madera puede ocurrir en el interior, en particular en la parte más de la estructura donde se estanca la humedad.
Aquí tiene especial importancia la inspección de las juntas encoladas.
Este proceso presenta dificultades, a veces considerables ya que no existe método no destructivo de inspección que dé indicación clara del estado del adhesivo en la junta.
Siempre que sea posible se debe hacer presión con la palma de la mano en cada junta, y observar el resultado firme de la misma.
Si hay sospecha fundada de deterioro en partes inaccesibles de la estructura interior puede ser nece sario abrir agujeros de acceso (circulares, preferentemente, para evitar esquinas) para facilitar la inspección.
Los bordes del agujero de inspección deben quedar lisos, sin fibras de madera separadas.
Estas operaciones solo deben hacerse de acuerdo con dibujos aprobados en el manual de reparación para el avión.
Para comprobar el estado de un borde de junta encolada han de quitarse las capas protectoras de pintura, raspando cuidadosamente.
El raspado debe terminar cuando la madera muestra su estado natural y la línea de encoladura es claramente visible.
Si hay sospecha sobre la condición de la línea se sondea con el fin de apreciar si un útil penetrador se introduce en ella.
La inspección de la línea de encoladura debe realizarse aliviando cualquier presión que exista en la junta (por ejemplo la producida por el apriete de tornillos en una estructura vecina).

Afortunadamente, la condición de estado de la madera no es difícil de determinar.
La descomposición en seco de la madera viene indicada por pequeños parches de madera que se desmenuzan.
A su vez, un estado descolorado hacia oscuro de la superficie de madera, o rayas grises que corren a lo largo del grano, indican penetración de agua.
Si se sospecha penetración de agua será posible desmontar algunos tornillos del área en cuestión que revelarán, por su grado de corrosión, la condición en que pueden estar las juntas encoladas circundantes.
El problema es que en una estructura vieja siempre habrá corrosión del tornillo (corrosión leve) de manera que debe compararse con el estado de otro sacado de una zona claramente sin sospecha de penetración de agua.
La experiencia y enseñanzas de los carpinteros aeronáuticos son decisivas para conocer cuáles son las zonas más propensas a la penetración de humedad y agua (guias o raíles de ventanillas, parte inferior de puertas etc)
Los orificios de drenaje de agua de la estructura deben limpiarse durante el mantenimiento rutinario.
La posible penetración de agua por las superficies superiores del avión vendrá determinada, principalmente, por la condición de la tela de recubrimiento y su impermeabilidad.

Defectos diversos que podemos encontrar en las estructuras en madera.

Encogimiento

 

La contracción de la madera puede originar el aflojamiento de accesorios metálicos o de pernos, y causar daños en las fibras de madera o alrededor de los agujeros de los pernos.
Para descubrir si se ha producido contracción se introduce una galga delgada, apropiada, entre el asiento de madera y el perno, o la parte metálica en cuestión.

Alargamiento de taladros de pernos

Debido a las cargas estructurales.
El manual de reparaciones indicará lo apropiado si hay daños en la madera, a veces con introducción de un casquillo de acero.

Fallo frente a esfuerzos de compresión

Con roturas transversales de las fibras de madera.
Es un fallo grave.
Por ello es necesario inspeccionar cualquier miembro estructural de madera que ha sido sometido a cargas anormales de flexión en vuelo, o cargas de compresión como ocurre en caso de aterrizaje duro.
El fallo aparece en la superficie sometida a compresión.

Fallo de juntas encoladas

El Capítulo 3, dedicado a los adhesivos y uniones, estudia con detalle los fallos generales que se producen en juntas encoladas.
También hemos comentado detalles generales en párrafos anteriores.
Técnicamente, por lo que se refiere a las estructuras en madera, hay que decir que los fallos en estas juntas son consecuencia de cargas excesivas a tensión y cizalladura.
A menudo es difícil determinar la naturaleza de la carga que ha provocado el fallo, pero el Técnico debe tener en mente que estas juntas se diseñan fundamentalmente para soportar cargas de cizalladura.
Si se produce el fallo, la desintegración de la madera es total en la zona de proximidad de los pernos.
Debe diferenciarse entre fallo estructural por carga (fibras de madera pegadas al adhesivo) del fallo de la encoladura (no hay adherencia de fibras lo que ha fallado es el adhesivo).