Estudo do efeito da temperatura na taxa crítica de libertação de energia de fratura da madeira de Pinus pinaster Ait. sob solicitação de modo I em regime quase-estático
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Data
2017-08-28
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Resumo
Em projeto de estruturas utilizam-se formulações matemáticas que possibilitam identificar as dimensões dos elementos estruturais, assegurando de forma satisfatória as condições de resistência às ações mecânicas a que ficam são sujeitas, tendo implícita a redução do peso para valores mínimos admissíveis. Estas preocupações podem também refletir aspetos de natureza estética e/ou ambiental, a que nos últimos tempos se tem vindo a dar uma importância crescente. Em estruturas de madeira, as preocupações dos projetistas devem abranger igualmente aspetos relacionados com o comportamento evidenciado pelo material em resultado da exposição do material a variáveis ambientais, como é o caso da humidade e da temperatura. Por se tratar de um material fibroso, exibindo um índice de ortotropia elevado, com uma tenacidade à fratura comparativamente baixa na direção normal às fibras (ou grão), os projetistas devem ter presente a necessidade de conhecer a resistência à propagação do dano em condições normais de serviço da madeira. A necessidade de se conhecer o comportamento à fratura em modo I da madeira submetida a condições de serviço extremas, designadamente as que implicam a sua exposição a temperaturas muito elevadas, constitui a principal motivação para este estudo. Este conhecimento será fundamental para se poder aumentar a confiança de projetistas e profissionais do ramo da construção civil, para a aplicação da madeira maciça como material estrutural.
Nesta dissertação realizou-se um estudo experimental utilizando a geometria double cantilever beam (DCB), tendo em vista a avaliação da taxa crítica de libertação de energia em modo I, GIc, no sistema de propagação RL da madeira, em função da temperatura, no intervalo compreendido entre 28° e os 110°C. Para esse efeito, empregou-se o método de calibração da flexibilidade baseado na teoria de vigas e no conceito de fenda equivalente. Este método apresenta a vantagem de dispensar a medição do comprimento de fenda durante a propagação, aspeto que se revelou crucial, na medida em que a fratura na madeira é caracterizada pelo desenvolvimento de uma zona de processo muito extensa, e porque o acesso à câmara de aclimatação durante o ensaio seria impossível. Como material de teste escolheu-se a madeira de pinho marítimo (Pinus pinaster Ait.), tendo-se ensaiado todos os provetes com as mesmas dimensões.
Structural design is performed using mathematical formulations that enable identifying the dimensions of members that sustain the applied loadings, assuring the buildings weightlessness. These concerns also correspond to aesthetic and environmental means that are increasingly valorized in developed countries. In timber structures the concerns also cover aspects related to the way that those structures react as a consequence of environmental variables like moisture content and temperature. Due to the fact that wood is a fibrous material, with an elevated index of orthotropy, timber engineers have to bear in mind that wood exhibits a low resistance perpendicular to grain, which is particularly important when wood is exposed to significant differences in temperature. Hence, it is important to know how fracture toughness (e.g., mode I) in wood varies with temperature, as it allows performing the cohesive zone modelling of timber members. This is crucial to enhance confidence levels of both designers and constructors of civil facilities, leading to generalized application of wood as a structural material. In this Master Thesis a numerical and experimental study has been performed using the double cantilever beam (DCB) test aiming the evaluation of the critical energy release rate under mode I loading (GIc) for the RL fracture system in the range of 28°C and 110°C. The compliance based beam method has been used, as it dispenses the crack length monitoring in the course of the loading process. This aspect is crucial due to the fact that wood develops a non-negligible Fracture Process Zone ahead of the crack tip and the experiments involved the use of a narrow climate chamber. For such a purpose, Pinus pinaster Ait. has been used as testing material, with specimens of the same size.
Structural design is performed using mathematical formulations that enable identifying the dimensions of members that sustain the applied loadings, assuring the buildings weightlessness. These concerns also correspond to aesthetic and environmental means that are increasingly valorized in developed countries. In timber structures the concerns also cover aspects related to the way that those structures react as a consequence of environmental variables like moisture content and temperature. Due to the fact that wood is a fibrous material, with an elevated index of orthotropy, timber engineers have to bear in mind that wood exhibits a low resistance perpendicular to grain, which is particularly important when wood is exposed to significant differences in temperature. Hence, it is important to know how fracture toughness (e.g., mode I) in wood varies with temperature, as it allows performing the cohesive zone modelling of timber members. This is crucial to enhance confidence levels of both designers and constructors of civil facilities, leading to generalized application of wood as a structural material. In this Master Thesis a numerical and experimental study has been performed using the double cantilever beam (DCB) test aiming the evaluation of the critical energy release rate under mode I loading (GIc) for the RL fracture system in the range of 28°C and 110°C. The compliance based beam method has been used, as it dispenses the crack length monitoring in the course of the loading process. This aspect is crucial due to the fact that wood develops a non-negligible Fracture Process Zone ahead of the crack tip and the experiments involved the use of a narrow climate chamber. For such a purpose, Pinus pinaster Ait. has been used as testing material, with specimens of the same size.
Descrição
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
Palavras-chave
Madeira , Pinus pinaster , Fratura , Temperatura , Energia