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Título: Assessing wood quality by spatial variability of transverse elastic properties within the stem: case study on P. pinaster at the meso scale
Autor: Pereira, João
Orientador: Xavier, José
Lousada, José
Silva, Abilio
Palavras-chave: Maritime Pine
radial-tangential plane
meso scale
ring-oriented tensile test
digital image correlation
virtual fields method
mechanical properties
microdensitometry
Data de Defesa: 17-Jun-2013
Resumo: 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 balance between accuracy and spatial resolution was found out in order to assess the gradient strain fields generated by the material heterogeneous mesostructure. A segmentation technique based on image processing and analysis was implemented in order to split each annual ring, at the region of interest, in three main tissues: resin ducts, earlywood (EW) and latewood (LW). Accordingly, transverse elastic moduli of each EW and LW layers were then estimated by two different identification methods: the Anisotropic based 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 and the AbM was applied to the global ER and GRT evaluation. These effective mechanical properties were 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 analyzed and related to the mesostrucutre heterogeneity, which was given namely by means of density measurements that were taken by x-ray 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 de pinheiro bravo (Pinus pinaster Ait.) ao nível do tronco. Foram realizados ensaios de tração na direção radial utilizando provetes com faces orientadas no plano radial-tangencial e à escala do anel de crescimento (escala meso). Os campos de deformações ocorridos na região de interesse (ROI) foram medidos por correlação digital de imagem. Um equilíbrio entre a precisão e a resolução espacial foi encontrado para fora, a fim de avaliar os gradientes nos campos de deformações gerados pela mesoestrutura heterogénea do material. Uma técnica de segmentação baseada em processamento e análise de imagens foi implementado, no sentido de separar, em cada anel anual da ROI, as áreas correspondentes a três tecidos principais: dos canais de resina, do lenho inicial (LI) e do lenho tardio (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 (AbM) e método dos campos virtuais (VFM). O VFM foi aplicado na identificação directa in-situ dos componentes da matriz de rigidez Q11 e Q66 associadas ao LI e ao LF e o AbM foi aplicado na identificação dos módulos de elasticidade radial ER e no 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 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 mesosestrutura, 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 cas dos 90%.
URI: http://hdl.handle.net/10400.19/2630
Designação: Doutoramento em Engenharia Mecânica
Aparece nas colecções:ESTGV - DEM - Teses de doutoramento (após aprovadas pelo júri)

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