Influence of annual rings on displacement and stress fields in wood at loading perpendicular to the grain

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Früh- und Spätholz auf die Deformations- und Spannungsfelder bei einer Belastung normal zur Holzfaser.<br />Der theoretische Teil beschäftigt sich mit der Erstellung eines Computerprogramms das eine Berechnung mit Hilfe der finiten Elemente, ein Mikromechanikmodell und die Digitalisierung von Jahresringen anhand eines Bildes kombiniert.<br />Als Programm für die FE-Berechnungen wurde COMSOL gewählt, da der Quellcode in MATLAB beliebig editierbar ist.<br />Das Mikromechanikmodell, welches am Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen an der technischen Universität Wien entwickelt wurde, berechnet in drei Homogenisierungsschritten die Steifigkeitsmatrizen für jeden Integrationpunkt der finiten Elemente.<br />Diese drei Schritte kombinieren die Inhaltsstoffe von Holz nämlich Zellulose, Hemizellulose, Lignin, Extraktstoffe und Wasser und die variierende Dichte von Frühholz und Spätholz zu Steifigkeitswerten.<br />Die Dichten werden aus einem Bild des Holzquerschnittes anhand der verschiedenen Graustufen ermittelt.<br />Die zweite Komponente für die FE-Berechnung ist die sich ändernde Ausrichtung der radialen und tangentialen Richtung aufgrund der runden Form der Jahresringe.<br />Der praktische Teil beschäftigt sich mit der Validierung dieses FEM-Programmes.<br />Dazu wurden von der Universität für Bodenkultur in Wien Proben aus einem Starkholzprojekt zur Verfügung gestellt. Diese wurden nach kurzen Bearbeitungsschritten mit einer einachsialen Zugmaschine auf ihre Steifigkeit getested.<br />Um die Verschiebungen möglichst genau, im Bereich von Mikrometern, zu erhalten wurden diese mit einem optischen und berührungslosen Messverfahren (Elektronische Speckle Interferometrie) gemessen.<br />In den Verschiebungsbildern, die mit diesem Messsystem erstellt wurden, spiegelten sich auch die Muster der Jahresringe wieder, was einen deutlichen Einfluss dieser auf das Materialverhalten beweist.<br />

The theoretical part include the creation of a program which operate with the finite elements method in combination with a micromechanical model and the digitalization of annual rings from a picture of the cross-section.<br />COMSOL is used as finite element program and modified in MATLAB.<br />The micromechanical model, developed at the department for mechanics of materials and structures - technical university in vienna, calculates the stiffness values for each integration point of a finite element by using three homogenization steps.<br />These steps combine the ingredients of wood, namely cellulose, hemicellulose, lignin, extractives, and water, and the varying density of latewood and earlywood, to a stiffness matrix.<br />The density of wood result from the digitalization of a gray picture from the cross-section.<br />A second component for the FEM-calculation is the varying local orientation of the radial and tangential direction because of the circular annual rings.<br />The practical part deals with the validation of the FEM-program.<br />The tested samples are derived by the university of natural resources and applied life sciences in vienna and are tested with a tension testing machine at the laboratory of department for mechanics of materials and structures - technical university in vienna.<br />To get detailed values of deformation in the range of micrometers from the samples, they are measured with an optical measurement system called electronic speckle pattern interferometry (ESPI).<br />This measurement system shows the pattern of the annual rings in the pictures of deformation as a conclusion to this thesis.<br />The aim of this work is a model to evaluate the effect of annual rings in wood for different worked samples.