Effect of cell structure geometric and elastic parameters on wood rigidity

Abstract

Cellular materials, for example wood and Nomex, are widely used in different applications, ranging from construction to pulping and scales ranging from millimetres to hundreds of meters. As a natural material wood is inherently orthotropic and inhomogeneous. The cell structure of wood consists of long cells, which have random variation of shape and size, but also directed variation of cell shape and size due to the growth ring. Physical experiments on rigidity are not capable of explaining the relative effects of individual features, as only a general idea of the behaviour of a material can be determined. This is due to the physical experiments being limited by the specimen size and type. Simulation experiments based on micromechanical modeling give additional freedom of design and different features can be considered individually. A simulation experiment on rigidity has design like a physical experiment where a specimen is subjected to stress and the corresponding strain is obtained by direct measurement. Simulation on a cellular structure requires knowledge not only on the effect of the important features but also of the features that are left out. The rigidity of cellular material depends on geometry of the cell structure, thickness of a cell wall and elastic properties of a cell wall. A geometric model is needed to describe the geometry of the cell structure. As natural materials have variations in the geometry which affect the rigidity of a structure, the variations need to be included in the model. Variation in the features can be included by modeling non-regular specimens. A regular structure can be considered by means of computational homogenization. Nomex is used as a simplified model of wood for which both physical and simulation experiments are possible. The beam model is validated for thin cell walls by comparing the results of two different cell geometries. The relative effect of different geometric and material features on rigidity of spruce is quantified, which gives insight into their importance. The effect of variations is quantified in spruce earlywood. A model is developed that can be used to calculate the effective rigidity for any combination of the features. The effect of selected features on rigidity is illustrated.

Solumaisia rakenteita, kuten puuta tai Nomexia, käytetään useissa erilaisissa sovelluksissa, aina rakentamisesta sellunkeittoon ja erilaisissa skaaloissa, millimetreistä aina satoihin metreihin. Luonnollisena materiaalina puu on ortotrooppinen ja epähomogeeninen. Puun solurakenne koostuu pitkänomaisista soluista, joilla muoto ja koko vaihtelevat sekä satunnaisesti että järjestäytyneesti kuten vuosirenkaassa. Fysikaalissa kokeissa saadaan yleinen käsitys materiaalin käyttäytymisestä, mutta ei saada tietoa yksittäisten ominaisuuksien vaikutuksista, koska sekä koekappaleen koko että tyyppi ovat rajoitettuja. Simulaatiokokeilla, jotka perustuvat mikromekaaniseen mallinnukseen, on suurempi vapausaste ja erilaisia ominaisuuksia voidaan käsitellä yksittäin. Simulaatiokokeet suunnitellaan vastaamaan fyysikaalisia kokeita, joissa näytettä kuormitetaan ja venymä mitataan suoraan. Simulaatioita varten on tiedettävä sekä tärkeiden ominaisuuksien vaikutukset jäykkyyteen että pois jätettävien ominaisuuksien vaikutukset. Puun jäykkyys riippuu solurakenteen geometriasta, soluseinämän paksuudesta ja soluseinämän materiaaliominaisuuksista. Geometrisen mallin avulla voidaan kuvata solurakennetta. Variaatioita on käsiteltävä mallissa, koska luonnollisissa materiaaleissa esiintyvä geometrian variaatio vaikuttaa myös rakenteen jäykkyyteen. Ominaisuuksien variaatiota voidaan tutkia mallintamalla epäsäännöllisia rakenteita. Säännöllistä rakennetta voidaan mallintaa laskennallisen homogenisaation avulla. Nomexia käytettiin puun yksinkertaistettuna mallina, jolle oli mahdollista suorittaa sekä fyysikaalisia kokeita, että simulaatiokokeita. Ohuiden seinämien palkkimalli osoitettiin oikeaksi vertaamalla kahden eri rakenteen tuloksia.Eri geometria- ja materiaaliominaisuuksien variaation vaikutus kuusen jäykkyyteen voidaan määrittää ja tällöin ominaisuuksien suhteellinen merkittävyys voidaan arvioida. Kehitetyn tietokonemallin avulla voidaan laskea efektiivinen jäykkyys mille tahansa ominaisuuksien yhdistelmälle. Valikoitujen ominaisuuksien vaikutusta jäykkyyteen havainnollistetaan kuvaajien avulla.