Micromechanics of softwoods in the transverse plane : effects on cell and annual ring scales

• Transverse mechanical properties of wood are important in many practial applications and an interesting scientific subject. A very low transverse shear modulus has been identified in spruce, which causes large strain concentrations in wood structures. In this thesis, experimental characterization of local density variations as well as local strain fields are carried out using the SilviScan apparatus and digital speckle photography, respectively. This is combined with micromechanical modeling based on hexagonal wood cells in combination with finite element analysis. Problems addressed include the moduli in the transverse plane, including variations at the scale of individual annual rings. The relative importance of cell wall bending and stretching deformation mechanisms is analysed as a function of wood cell geometry, relative density and direction of loading (radial, tangential and shear). Transverse anisotropy is also analyzed, including its dependency of earlywood and latewood characteristics. The wood cell shape angle variation and density effects are sufficient to explain transverse anisotropy in softwoods (no ray effects), and the influence of earlywood/latewood ratio is explained. As a practical test method for shear modulus measurements, an off-axis compression test with full-field strain determination is proposed. The advantage is a simple fixture and large region of representative strain required for a heterogeneous material such as wood. As an alternative, the single cube apparatus (SCA) for shear tests is evaluated. The SCA is used to determine the shear strain distribution within the annual rings. Based on the density distribution of the shear test specimen and a micromechanics model, a finite element model is developed, and predictions are compared with the measured shear strains. The agreement between predicted and measured shear strains at the annual ring scale are remarkably good. It shows that the low GRT of spruce is due to the low earlywood density and the large cell wall bending deformation resulting from shear loading. Furthermore, it illustrates the need for improved understanding of annual ring scale effects. For example, fairly low transverse global loads will lead to lage local shear strains.

• Transversella mekaniska egenskaper hos trä är viktiga i många praktiska tillämpningar och är av vetenskapligt intresse. Gran har exemplevis mycket låg transversell skjuvmodul, vilket leder till stora lokala töjningskoncentrationer i trästrukturer. I den här avhandlingen utförs experimentella mätningar av densitetsfördelning och lokal töjningsfördelning med hjälp av SilviScan utrustning (röntgen) och digital speckelfoto grafi (DSP). Det kombineras med mikromekanisk modellering med hexagonala cellmodeller som utgångspunkt, ibland i kombination med finita elementberäkningar. Transversella moduler bestäms liksom töjningseffekter på skalan individuella årsringar. Den relativa betydelsen av böjning och sträckning av cellväggen analyseras som funktion av relativ densitet och belastningsriktning (radiell, tangentiell och skjuvning). Stor andel böjdeformation ger låg modul och proportionerna mellan de båda mekanismerna styr graden av anisotropi. Transversell anisotropi analyseras därför, inklusive dess beroende av karakteristiken hos vårved och sommarved. Formvinkeln på vedcellen och inverkan av densitet är tillräckliga för att förklara graden av anisotropi (utan inverkan från märg- strålar). Inverkan av förhållandet mellan mängden vårved och sommarved på anisotropin analyseras särskilt. En enkel tryckbelastningsmetod (“off-axis metod”) används för att bestämma transversell skjuvmodul hos trä. Metoden kombineras med DSP. Fördelen är en enkel fixtur i kombination med det stora område av ren skjuvdeformation som uppstår i provstaven. Som ett alternativ utvärderas också en metod baserad på kubiskt prov (SCA). Metoden används för att bestämma lokala skjuvtöjningar på skalan individuella årsringar. Baserat på densitetsfördelningen i provet och en mikromekanisk modell så utvecklas en finita element-modell. Den utnyttjas för att beräkna lokala skjuvtöjningar. Jämförelsen mellan beräkningar och uppmätta skjuvtöjningar ger enastående god överensstämmelse. Det visar att den låga skjuvmodulen för gran orsakas av låg densitet i kombination med att böjning av cellväggarna dominerar som deformationsmekanism. Det illustrerar också att vi behöver förbättra vår förståelse för deformationsfält på årsringsnivå. En praktisk konsekvens är t ex att relativt låga globala laster ger upphov till mycket hög lokal skjuvdeformation.

Ämnesord

LANTBRUKSVETENSKAPER  -- Lantbruksvetenskap, skogsbruk och fiske -- Trävetenskap (hsv//swe)

AGRICULTURAL SCIENCES  -- Agriculture, Forestry and Fisheries -- Wood Science (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering (hsv//eng)

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Klinisk medicin -- Odontologi (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Clinical Medicine -- Dentistry (hsv//eng)

Nyckelord

Wood fibre and forest products

Träfiber- och virkeslära

Engineering mechanics

Teknisk mekanik

Biomaterials

Biomaterial

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)