Variations in ultrasonic wave velocity with moisture content

Resumo: A madeira, sendo um material higroscópico, tem suas propriedades mecânicas e elásticas afetadas por condições ambientais. Sendo assim, a relação de dependência de propriedades da madeira com a variação do teor de umidade tem merecido, há muito tempo, a atenção de pesquisadores de todo o mundo. Um dos grandes avanços obtidos nos últimos anos na caracterização de materiais, tanto do ponto de vista mecânico quanto de qualidade, é a aplicação de técnicas não destrutivas, denominadas internacionalmente como NDT ? Non Destructive Testing e NDE ? Non Destructive Evaluation, destacando-se dentro elas o uso do ultra-som. No entanto, da mesma forma que as propriedades mecânicas e elásticas, sabe-se que a velocidade de propagação das ondas de ultra-som na madeira é afetada pela umidade, o que torna a quantificação desta influência de fundamental importância para a análise e a projeção de resultados obtidos nas mais diversificadas propostas de estudos que envolvam a aplicação do método do ultra-som. Este projeto teve, portanto, o objetivo de estudar o comportamento da velocidade de propagação de ondas de compressão (longitudinais) na madeira em função da umidade. Paralelamente foram também estudados o comportamento dos coeficientes da diagonal da matriz de rigidez (CLL, CRR e CTT), bem como a anisotropia da madeira por meio da avaliação da velocidade nas três direções principais (longitudinal, radial e tangencial). Para a medição das velocidades de propagação das ondas de ultra-som (VLL, VRR e VTT) e para o cálculo dos termos da diagonal da matriz de rigidez (CLL, CRR e CTT) foram utilizados 75 (setenta e cinco) corpos de prova de dimensões 300 mm na direção longitudinal, 60 mm na direção radial e 30 mm na direção tangencial ou 300 mm na direção longitudinal, 30 mm na direção radial e 60 mm na direção tangencial, sendo 15 corpos-de-prova de cada uma das cinco espécies de madeira estudadas: Pinho do Paraná (Araucária angustifólia), a Imbuia (Ocotea porosa), a Cupiúba (Goupia glabra), o Pinus elliottii (Pinus elliottii) e o Eucalipto citriodora (Eucalyptus citriodora). Essas medições foram sendo realizadas durante a secagem dos corpos de prova, ou seja, desde a condição saturada até a condição seca em estufa. Os resultados permitiram concluir que a equação quadrática foi o modelo mais adequado para representar a variação da velocidade de propagação das ondas com a umidade para todas as espécies estudadas. Além disso, também para todas as espécies, foi possível concluir que a influência da umidade na velocidade de propagação das ondas de ultra-som se dá de maneira diferenciada em dois trechos, correspondentes a umidades abaixo e acima do ponto de saturação das fibras (PSF), sendo mais acentuada para o trecho correspondente a umidades abaixo do PSF. Foi também observado que a velocidade de propagação das ondas é mais influenciada pela umidade na direção longitudinal, seguida da radial e, por último da tangencial. Em relação aos coeficientes de rigidez, observou-se que, para umidades abaixo do PSF, o comportamento é semelhante aos obtidos para a resistência e a rigidez da madeira na maioria das propriedades mecânicas, ou seja, decresce com o acréscimo da umidade. Em algumas espécies, para o trecho correspondente a umidades acima do ponto de saturação das fibras, esse comportamento é afetado pela presença de água livre e pode ser corrigida utilizando-se, no cálculo, a densidade efetiva em lugar da densidade aparente. O comportamento da anisotropia foi diferenciado para as espécies estudadasAbstract: The wood, being a higroscopic material, has their mechanical and elastic properties affected for environmental conditions. Being like this, the relationship of dependence of properties of the wood with the variation of the moisture content has been deserving, since a long time, the researcher's attention. One of the great progresses obtained in the last years in the characterization of materials, as much of the mechanical point of view as of quality, it is the application of techniques non destructive, denominated internationally like NDT - Non Destructive Testing and NDE - Non Destructive Evaluation, emphasizing the use of the ultrasound. However, in the same way that the mechanical and elastic properties, it is known that the speed of propagation of the ultrasound waves in the wood is affected by the moisture content, what turns the quantification of this influence of fundamental importance for the analysis and the projection of results obtained in the more diversified proposed of studies that involve the application of the method of the ultrasound. This project had, therefore, the objective of studying the behavior of the speed of propagation of compression waves (longitudinal) in the wood in function of the moisture content. Parallel they were also studied the behavior of the coefficients of the diagonal of the stiffness matrix (CLL, CRR and CTT), as well as the anisotropia of the wood through the evaluation of the speed in the three main directions (longitudinal, radial and tangential). For the measurement of the speeds of propagation of the ultrasound waves (VLL, VRR and VTT) and for the calculation of the terms of the diagonal of the rigidity matrix (CLL, CRR and CTT) were used 75 (seventy five) specimens and its dimensions were 300 mm in the longitudinal direction, 60 mm in the radial direction and 30 mm in the tangential direction or 300 mm in the longitudinal direction, 30 mm in the radial direction and 60 mm in the tangential direction, being 15 specimens of each one of the five studied species: Paraná Pine(Araucária angustifólia), Imbuia (Ocotea porosa), Cupiúba (Goupia glabra), Pinus elliottii (Pinus elliottii) and Eucalipto citriodora (Eucalyptus citriodora). Those measurements went being accomplished during the drying of the specimens, in other words, from the condition saturated to the anhidrous condition. The results allowed to conclude that the quadratic equation was the most appropriate model to represent the variation of the speed of propagation of the waves with the moisture content for all of the studied species. Besides, also for all of the species, it was possible to conclude that the influence of the moisture content in the speed of propagation of the ultrasound waves feels in way differentiated in two intervals, corresponding to moisture content below and above the saturation fibers point (PSF), being more accentuated for the interval corresponding to moisture content below PSF. It was also observed that the speed of propagation of the waves is more influenced by the moisture content in the longitudinal direction, following by the radial and, last by the tangential. In relation to the rigidity coefficients, it was observed that, for moisture content below PSF, the behavior is similar to the obtained for the resistance and the rigidity of the wood in most of the mechanical properties, in other words, it decreases with the increment of the moisture content. In some species, for the passage corresponding to moisture content above the point of saturation of the fibers, that behavior is affected by the presence of free water and it can be corrected being used, in the calculation, the basic density or the effective density instead of the apparent density. The behavior of the anisotropia was different for the studied specie