Author(s): Pereira, João Luís Esteves
Date: 2013
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.6/4407
Origin: uBibliorum
Subject(s): Madeira - Análise da qualidade; Madeira - Propriedades mecânicas; Madeira - Densitometria; Madeira - Técnicas de análise; Pinus pinaster; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Mecânica
In this work the radial and longitudinal variations of maritime pine (Pinus pinaster Ait.) transverse elastic properties, within the stem, were investigated. Ring-oriented tensile tests through five radial positions and three height levels were carried out in 750 radial-tangential specimens, at the growth ring scale (meso scale). The strain fields over the gauge section were measured by digital image correlation. A suitable balance between accuracy and spatial resolution was achieved in order to reconstruct the gradient strain fields generated by the material heterogeneity at the growth rings level. A segmentation technique based on image processing and analysis was implemented in order to split each annual ring cross the region of interest, into three main tissue layers: resin channels, earlywood (EW) and latewood (LW). Accordingly, transverse elastic moduli of each EW and LW layers were then estimated by two different identification methods: the Anisotropicbased Method (AbM) and the Virtual Fields Method (VFM). The VFM was applied to directly identify in-situ Q11 and Q66 stiffness components associated to EW and LW. The AbM was applied to the global ER and GRT evaluation. These effective elastic properties were then used to infer the local ones as a function of mean density, combining the application of a micromechanical model (mixture law) and a unit cell model. The Q11 and Q66 LW/EW ratios were found in the order of 1.32 and 2.45, respectively. These ratios suggest a linear relationship between elastic properties and density. Furthermore, the spatial variability of the elastic properties was analysed and related to the meso structure heterogeneity, which was given namely by means of density measurements provided by Xray microdensitometry. The results were found in good agreement, presenting significant correlations with density. Specifically, both effective ER and GRT were most often up to approximately 90% determined by mean density.
Neste trabalho investigou-se a variação radial e longitudinal das propriedades elásticas nas direções perpendiculares ao fio da madeira de pinho marítimo (Pinus pinaster Ait.) ao nível do tronco. Foram realizados ensaios de tracção na direcção radial utilizando 750 provetes com faces orientadas no plano radial-tangencial e à escala do anel de crescimento (escala meso). Os campos de deformação ocorridos na região de interesse foram medidos por correlação digital de imagem. Um equilíbrio entre a preçisão e a resolução espacial do método foi estabelecido, a fim de avaliar correctamente os gradientes dos campos de deformação gerados pela estrutura heterogénea do material à escala de observação. Uma técnica de segmentação baseada em processamento e análise de imagem foi implementada, no sentido de separar em cada anel as áreas correspondentes aos três tecidos principais: canais de resina, lenho inicial (LI) e lenho final (LF). Por conseguinte, as constantes elásticas transversais de cada tipo de lenho, dentro do anel, foram então estimadas através da aplicação de duas metodologias de identificação distintas: o método baseado na anisotropia (MbA) e o método dos campos virtuais (MCV). O MCV foi aplicado na identificação directa das componentes da matriz de rigidez Q11 e Q66 associadas ao LI e ao LF e o MbA foi aplicado na identificação do módulo de elasticidade radial (ER) e do módulo de corte (GRT ) globais. Estas propriedades elásticas efetivas foram depois utilizadas para inferir as respetivas propriedades locais do LI e do LF em função da densidade média, combinando a aplicação de um modelo micromecânico (lei de misturas) e um modelo celular unitário. Os rácios LF/LI obtidos para as componentes Q11 e Q66 foram 1.32 e 2.45, respetivamente, sugerindo a existência de uma relação linear entre as propriedades elásticas e a densidade. Por outro lado, foi analisada a variabilidade espacial das propriedades elásticas em função da heterogeneidade da meso estrutura, traduzida nomeadamente pelas medições de densidade que foram realizadas através de microdensitometria de raios-X. Os resultados demonstraram a existência de correlações significativas com a densidade. Concretamente, tanto o ER como o GRT efetivos apresentaram determinações pela densidade muitas vezes na casa dos 90%.
This thesis was financed by the Portuguese Fundação para a Ciência e a Tecnologia through grant contracts SFRH/PROTEC/50149/2009, under the programme QREN–POPH–Type 4.1–Advanced Training, co-funded by the European Social Fund and by national funds from the Portuguese Ministério da Educação e Ciência.
