Caracterização da madeira de Pinus pinaster à fractura em modo I à escala dos anéis de crescimento

Dissertação de Mestrado em Engenharia MecânicaA madeira é um dos materiais de construção mais antigos e é utilizado actualmente a uma grande escala no campo da engenharia de estruturas, na procura de uma economia sustentável, baseada em recursos biológicos renováveis. No entanto ainda estamos longe de utilizar todo o potencial que a madeira oferece como material de construção, em parte devido ao relativo desconhecimento sobre alguns aspectos do seu comportamento mecânico e à fractura. Esse desconhecimento tem a ver com a estrutura hierárquica e anisotrópica da madeira, bem como com a sua variabilidade intra-específica e inter-específica. A madeira que é usada como material de construção tem origem em duas grandes classes de espécies florestais, as folhosas e as resinosas, que se diferenciam pela sua estrutura anatómica. No trabalho desenvolvido apenas iremos considerar a madeira da espécie Pinus pinaster, também conhecida como pinho bravo, e que é uma espécie resinosa. O presente trabalho teve como objectivo central o estudo de um método directo (isto é, baseado apenas em informação experimental) de identificação da lei coesiva que regula o comportamento à fractura em modo I da madeira de Pinus pinaster, à escala dos anéis de crescimento e através do ensaio DCB (double cantilever beam). O trabalho foi circunscrito ao sistema de propagação RL, sendo R (direcção anatómica radial) a direcção normal ao plano da fenda e L (direcção anatómica longitudinal) a direcção de propagação da fenda. Para além deste objectivo principal, procuramos caracterizar a influência da concentração de água, abaixo do ponto de saturação de fibra, na lei coesiva em modo I da madeira de Pinus pinaster. Sendo a fractura um fenómeno localizado, é importante avaliar as propriedades de fractura à escala característica dos anéis de crescimento (ou escala meso). Além disso, a caracterização das propriedades de fractura a essa escala é fundamental para os processos de fabrico por corte ou arranque da apara (importantes na indústria do mobiliário) e para as ligações de elementos estruturais por ligadores metálicos (muito comuns na construção moderna em madeira). O método de identificação da lei coesiva em modo I baseia-se na determinação da curva força-deslocamento e do CTOD (crack tip opening displacement). O CTOD foi determinado processando os campos de deslocamentos na região da extremidade da fenda através da técnica da correlação digital de imagem. A curva força-deslocamento é a única informação experimental requerida para a determinação da curva de resistência em modo I através do método CBBM (compliance based beam method). Por sua vez, a curva de resistência, combinada com a evolução do CTOD durante o ensaio, é a informação de base em que a assenta a identificação da lei coesiva. De facto, a lei coesiva obtém-se por derivação da relação GI-CTOD. A validade deste método de identificação da lei coesiva foi demonstrada recorrendo à simulação do ensaio DCB por elementos finitos, incorporando um modelo de dano coesivo. Os resultados experimentais revelaram que a fractura decorre no lenho inicial, pelo que a lei coesiva identificada representa o comportamento à fractura desse tecido. Além disso, os resultados obtidos mostraram que o aumento da concentração de água não afecta a tensão de rotura coesiva, mas aumenta a taxa crítica de libertação de energia e o valor máximo do CTOD.Wood is one of the oldest construction materials and nowadays it is greatly used in engineering of structures, aiming to evolve into a more sustainable economy, based on renewable biological resources. However, we are far from the exploitation of full potential that wood offers as a construction material. This is mainly due to lack of knowledge about some aspects of its mechanical and fracture behavior. This lack of knowledge is due to the anisotropic and hierarchical structure, and to its intra-specific an inter-specific variability. The wood employed as construction material has its origins in two major species, hardwood and softwood trees. In the current work we selected the Pinus pinaster wood that belongs to the hardwood class. The main objective of the current work was to study a direct method (based only in experimental data) to identify the cohesive law that dictates the fracture behavior in mode I of the Pinus pinaster wood, at the growth ring scale, using the DCB (double cantilever beam) test. The chosen propagation system was the RL plane, where R (radial anatomic direction) is the direction perpendicular to propagation plane and L (longitudinal anatomic direction) is the direction of crack propagation. Besides the main objective, we have also studied the moister influence on the cohesive law for mode I, below the fiber saturation point. Fracture is a local phenomenon, so it is important to determine fracture properties at the growth ring scale. The characterization of fracture properties at the growth ring scale is important to the manufacturing processes used in furniture industries and to structural wooden elements joined by metallic joints. The direct identification method of cohesive law in mode I is based on the measurement of load-displacement curve and CTOD (crack tip opening displacement). CTOD was extracted from the displacements field around the crack tip, measured by DIC (digital image correlation). The load-displacement curve is the only experimental data that is required to determine the resistance curve (R-curve) in mode I through the CBBM (compliance based beam method). The next step is to combine the R-curve with the CTOD previously measured. The cohesive law is the derivative of GI-CTOD relationship. This direct method was validated through FE (finite element) simulation of the DCB test, using a cohesive damage model. The experimental results reveal that fracture occurs in earlywood, and therefore the identified cohesive law represents the fracture behavior of earlywood tissue. Furthermore, the experimental results also show that moisture increase does not affect the cohesive rupture strength, but increases the critical energy release rate and the maximum value of CTOD