Validation of the Physical and Mechanical Properties of Eucalyptus benthamii Maiden & Cambage Wood and Cross Laminated Timber Panels Using the Finite Element Method
Abstract
:1. Introduction
2. Materials and Methods
2.1. Origin of the Wood
2.2. Determination of the Physical and Mechanical Properties of Wood
2.3. Experimental Production of CLT
2.4. Non-Destructive Static Bending Tests on the CLT Panels
2.5. Numerical Simulation of CLT and Validation of Wood Properties
2.6. Data Analysis
3. Results and Discussion
3.1. Physical and Mechanical Properties of Wood
3.2. Flexural Deflection of CLT and Validation of Properties through FEM
4. Conclusions
Author Contributions
Funding
Data Availability Statement
Acknowledgments
Conflicts of Interest
References
- Sandoli, A.; D’Ambra, C.; Ceraldi, C.; Calderoni, B.; Prota, A. Sustainable Cross-Laminated Timber Structures in a Seismic Area: Overview and Future Trends. Appl. Sci. 2021, 11, 2078. [Google Scholar] [CrossRef]
- Younis, A.; Dodoo, A. Cross-laminated timber for building construction: A life-cycle-assessment overview. J. Build. Eng. 2022, 52, 104482. [Google Scholar] [CrossRef]
- Gagnon, S.; Karacabeyli, E. CLT Handbook Canadian Edition; FPInnovation: Port-Claire, QC, Canada, 2019. [Google Scholar]
- Indústria Brasileira de Árvores (IBÁ). Relatório IBÁ 2023; IBÁ: São Paulo, Brazil, 2023. [Google Scholar]
- Christovasilis, I.; Brunetti, M.; Follesa, M.; Nocetti, M.; Vassalo, D. Evaluation of the mechanical properties of cross laminated timber with elementary beam theories. Constr. Build. Mater. 2016, 122, 202–213. [Google Scholar] [CrossRef]
- Moaveni, S. Finite Element Analysis: Theory and Application with ANSYS; Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ, USA, 1999. [Google Scholar]
- Shirmohammadli, Y.; Hashemi, A.; Masoudnia, R.; Quenneville, P. Numerical modeling investigation of cross-laminated timber connections consisting of multiple glued-in rods. Structures 2023, 53, 491–500. [Google Scholar] [CrossRef]
- Zhang, X.; Yang, S.; Fei, B.; Qin, D.; Yang, J.; Li, H.; Wang, X. Bending and shear performance of a cross-laminated composite consisting of flattened bamboo board and Chinese fir lumber. Constr. Build. Mater. 2023, 392, 131913. [Google Scholar] [CrossRef]
- Akter, S.T.; Schweigler, M.; Serrano, E.; Bader, T.K. A Numerical Study of the Stiffness and Strength of Cross-Laminated Timber Wall-to-Floor Connections under Compression Perpendicular to the Grain. Buildings 2021, 11, 442. [Google Scholar] [CrossRef]
- Silva, L.D.; Higa, A.R.; Santos, G.A. Desafios do uso da madeira de Eucalyptus benthamii para serraria. In Silvicultura e Melhoramento Genético de Eucalyptus Benthamii; Editora FUPEF: Curitiba, Brazil, 2012; pp. 123–150. [Google Scholar]
- Silva, L.D.; Higa, A.R.; Floss, P.A.; Croce, D.M.; Resende, M.D.V.; Garcia, J.N.; Spiecker, H.; Khale, H. Eucalyptus benthamii: Uma espécie geneticamente promissora para produção de madeira em áreas sujeitas a ocorrência de geada. Rev. Floresta 2022, 52, 422–435. [Google Scholar] [CrossRef]
- Tomio, G.F.; Cunha, A.B.; Brand, M.A.; Córdova, U.A. Rendimento e qualidade da madeira de Eucalyptus benthamii Maiden et Cambage de rotação longa no processo de desdobro. Sci. For. 2021, 49, e3689. [Google Scholar] [CrossRef]
- Benin, C.C.; Watzlawick, L.F.; Hillig, E. Propriedades físicas e mecânicas da madeira de Eucalyptus benthamii sob efeito do espaçamento de plantio. Ciência Florest. 2017, 27, 1375–1384. [Google Scholar] [CrossRef]
- Cunha, A.B.; Brand, M.A.; Simão, R.L.; Martins, S.A.; Anjos, R.A.M.; Surdi, P.G.; Schimalski, M.B. Determinação do rendimento de matéria-prima de Eucalyptus benthamii Maiden & Cambage por meio de diferentes métodos de desdobro. Rev. Árvore 2015, 39, 733–741. [Google Scholar]
- Müller, B.V.; Rocha, M.P.; Cunha, A.B.; Klitzke, R.J.; Nicoletti, M.F. Avaliação das principais propriedades físicas e mecânicas da madeira de Eucalyptus benthamii Maiden et Cambage. Floresta Ambiente 2014, 21, 535–542. [Google Scholar] [CrossRef]
- Alves, I.C.N.; Gomide, J.L.; Colodette, J.L.; Silva, H.D. Caracterização tecnológica da madeira de Eucalyptus benthamii para produção de celulose kraft. Ciência Florest. 2011, 21, 167–174. [Google Scholar] [CrossRef]
- COPANT 674; Método de Determinación del Peso Específico Aparente. Comisión Panamericana de Normas Técnicas—COPANT: Ciudad de Guatemala, Guatemala, 1972.
- COPANT 555; Flexão Estática. Comisión Panamericana de Normas Técnicas—COPANT: Ciudad de Guatemala, Guatemala, 1972.
- COPANT 464; Compressão Paralela às Fibras. Comisión Panamericana de Normas Técnicas—COPANT: Ciudad de Guatemala, Guatemala, 1972.
- COPANT 463; Cisalhamento. Comisión Panamericana de Normas Técnicas—COPANT: Ciudad de Guatemala, Guatemala, 1972.
- COPANT 459; Acondicionamento dos Corpos-de-Prova. Comisión Panamericana de Normas Técnicas—COPANT: Ciudad de Guatemala, Guatemala, 1972.
- COPANT 461; Massa Específica Aparente Básica. Comisión Panamericana de Normas Técnicas—COPANT: Ciudad de Guatemala, Guatemala, 1972.
- NBR 14806; Madeira—Madeira Serrada de Eucalipto. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT): Rio de Janeiro, Brazil, 2002.
- NBR 11700; Madeira Serrada de Coníferas Provenientes de Reflorestamento para uso Geral—Classificação. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT): Rio de Janeiro, Brazil, 1991.
- NBR 7190; Projeto de Estruturas de Madeira. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT): Rio de Janeiro, Brazil, 1997.
- Bodig, J.; Jayne, B.A. Mechanics of Wood and Wood Composites; Van Nostrand: New York, NY, USA, 1982. [Google Scholar]
- EN 16351; Timber Structures—Cross Laminated Timber—Requirements. Comité Européen de Normalization (CEN): Brussels, Belgium, 2015.
- BS EN 338; Structural Timber—Strength Classes. British Standards Institution (BSI): London, UK, 2016.
- NBR 7190-1Projeto de Estruturas de Madeira. Parte 1: Critérios de Dimensionamento, Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT): Rio de Janeiro, Brazil, 2022.
- NBR 7190-3; Projeto de Estruturas de Madeira. Parte 3: Métodos de Ensaio para Corpos de Prova Isentos de Defeitos para Madeiras de Florestas Nativas. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT): Rio de Janeiro, Brazil, 2022.
- Eurocode 5; Design of Timber Structure. Part 1-1: General—Common Rules and Rules for Buildings. Comité Européen de Normalization (CEN): Brussels, Belgium, 2004.
- Hillis, W.E. Wood quality and growing to meet market requirements. In The Future of Eucalypts for Wood Products; Proceedings; IUFRO: Launceston, Australia, 2000; pp. 256–264. [Google Scholar]
- Mainieri, C.; Chimelo, J.P. Fichas de Características das Madeiras Brasileiras; IPT: São Paulo, Brazil, 1989; 418p. [Google Scholar]
- Gallio, E.; Zanatta, P.; Machado, S.F.; Beltrame, R.; Gatto, D.A. Caracterização de propriedades tecnológicas de três folhosas deterioradas por térmitas. Rev. Matéria 2018, 23, e12239. [Google Scholar] [CrossRef]
- Silva, J.C.; Oliveira, J.T.S.; Tomazello Filho, M.; Keinert Júnior, S.; Matos, J.L.M. Influência da idade e da posição radial na massa específica da madeira de Eucalyptus grandis Hill ex. MAIDEN. Rev. Floresta 2004, 34, 13–22. [Google Scholar] [CrossRef]
- Bortoletto Júnior, G. Produção de compensados com 11 espécies do gênero Eucalyptus, avaliação das suas propriedades físico-mecânicas e indicações para utilização. Sci. For. 2003, 63, 65–78. [Google Scholar]
- Severo, E.T.D.; Tomaselli, I. Efeito da pré-vaporização em algumas propriedades físicas da madeira de Eucalyptus dunnii. Cerne 2001, 7, 35–42. [Google Scholar]
- Gonçalez, J.C.; Breda, L.C.S.; Barros, J.F.M.; Macedo, D.G.; Janin, G.; Costa, A.F.; Vale, A.T. Características tecnológicas das madeiras de Eucalyptus grandis W. Hill ex Maiden e Eucalyptus cloeziana F. Muell visando o seu aproveitamento na indústria moveleira. Ciência Florest. 2006, 16, 329–341. [Google Scholar] [CrossRef]
- Nones, D.L.; Brand, M.A.; Cunha, A.B.; Carvalho, A.F.; Weise, S.M.K. Determinação das propriedades energéticas da madeira e do carvão vegetal produzido a partir de Eucalyptus benthamii. Rev. Floresta 2015, 45, 57–64. [Google Scholar] [CrossRef]
- Gallio, E.; Santini, E.J.; Gatto, D.A.; De Souza, J.T.; Ravasi, R.; De Menezes, W.M.; Floss, P.A.; Beltrame, R. Caracterização Tecnológica da Madeira de Eucalyptus benthamii Maiden et Cambage. Sci. Agrar. Parana. 2016, 15, 244–250. [Google Scholar] [CrossRef]
- Batista, D.C.; Klitzke, R.J.; Santos, C.V.T. Densidade básica e retratibilidade da madeira de clones de três espécies de Eucalyptus. Ciência Florest. 2010, 20, 665–674. [Google Scholar] [CrossRef]
- Pereira, J.C.D.; Schaitza, E.G.; Shimizu, J.Y. Características Físicas, Químicas e Rendimentos da Destilação seca da Madeira de Eucalyptus Benthamii Maiden et Cambage; Embrapa Florestas: Colombo, Sri Lanka, 2001; 4p. [Google Scholar]
- Green, D.W.; Winandy, J.E.; Kretschmann, D.E. Mechanical properties of wood. In Forest Products Laboratory. Wood Handbook: Wood as an Engineering Material; USDA: Washington, DC, USA, 1999. [Google Scholar]
- Severo, E.T.D.; Tomaselli, I. Efeito do tratamento de vaporização em toras e madeira serrada de Eucalyptus dunnii sobre a flexão estática. Rev. Floresta 1999, 29, 37–51. [Google Scholar] [CrossRef]
- Silva, J.C.; Matos, J.L.M.; Oliveira, J.T.S.; Evangelista, W.V. Influência da idade e da posição radial na flexão estática da madeira de Eucalyptus grandis Hill ex. Maiden. Rev. Árvore 2005, 29, 795–799. [Google Scholar] [CrossRef]
- Lobão, M.S.; Lúcia, R.M.D.; Moreira, M.S.S.; Gomes, A. Caracterização das propriedades físico-mecânicas da madeira de eucalipto com diferentes densidades. Rev. Árvore 2004, 28, 889–894. [Google Scholar] [CrossRef]
- Gonçalves, F.G.; Oliveira, J.T.S.; Della Lucia, R.M.; Sartorio, R.C. Estudo de algumas propriedades mecânicas da madeira de um híbrido clonal de Eucalyptus urophylla x Eucalyptus grandis. Rev. Árvore 2009, 33, 501–509. [Google Scholar] [CrossRef]
- Cruz, C.R.; Lima, J.T.; Muniz, G.I.B. Variações dentro das árvores e entre clones das propriedades físicas e mecânicas da madeira de híbridos de Eucalyptus. Sci. For. 2003, 64, 33–47. [Google Scholar]
- Vital, B.R. Métodos de Determinação da Densidade da Madeira; Sociedade de Investigações Florestais: Viçosa, Brazil, 1984; 21p. [Google Scholar]
- Moura, L.F.; Brito, J.O. Influência da desrama artificial sobre a densidade básica, a composição química e as características dos traqueídeos da madeira de Pinus caribaea var. hondurensis Barr. et Golf. Rev. Árvore 2001, 25, 369–374. [Google Scholar]
- NBR 7190-2; Projeto de Estruturas de Madeira. Parte 2: Métodos de Ensaio para Classificação Visual e Mecânica de Peças Estruturais de Madeira. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT): Rio de Janeiro, Brazil, 2022.
- Moreschi, J.C. Propriedades da Madeira, 4th ed.; Departamento de Engenharia e Tecnologia Florestal, Setor de Ciências Agrárias/UFPR: Curitiba, Brazil, 2012. [Google Scholar]
- Sciomenta, M.; Egidio, A.D.; Bedon, C.; Fragiacomo, M. Linear model to describe the working of a three layers CLT strip slab: Experimental and numerical validation. Adv. Struct. Eng. 2021, 24, 3118–3132. [Google Scholar] [CrossRef]
- Wang, J.; Ning, F.; Li, J.; Zhu, H. Experimental study and finite element simulation analysis of the bending properties of Cross-Laminated Timber (CLT) two-way plates. J. Eng. Sci. Technol. Rev. 2020, 13, 132–142. [Google Scholar] [CrossRef]
Individuals | HT (m) | HC (m) | DBH (m) | CBH (m) |
---|---|---|---|---|
1 | 35.30 | 32.30 | 0.63 | 1.99 |
2 | 36.52 | 33.00 | 0.43 | 1.36 |
3 | 36.50 | 30.30 | 0.42 | 1.31 |
4 | 38.20 | 33.60 | 0.44 | 1.39 |
5 | 39.30 | 27.60 | 0.55 | 1.73 |
Mean | 37.16 | 31.36 | 0.49 | 1.56 |
CLT Panel | Total Thickness (mm) | Length (mm) | Width (mm) |
---|---|---|---|
1 | 75 | 2040 | 650 |
2 | 76 | 2100 | 660 |
3 | 77 | 2100 | 655 |
Species | Age (Years) | Origin | Reference | Density (kg/m3) | |
---|---|---|---|---|---|
Basic (ρ) | 12% | ||||
E. benthamii | 23 | Lages-SC | ---- | 610 | 740 |
Minimum density value | 540 | 650 | |||
Maximum density value | 660 | 870 | |||
Standard deviation | 48.45 | 34.44 | |||
Coefficient of variation (%) | 9.86 | 9.21 | |||
Eucalyptus dunnii Maiden | 28 | Pelotas-RS | Gallio et al. [34] | 573 | - |
Eucalyptus grandis W. Hill ex Maiden | 25 | Telêmaco Borba-PR | Silva et al. [35] | 420 | 550 |
Eucalyptus saligna Sm. | 23 | Piracicaba-SP | Bortoletto Júnior [36] | 560 | - |
Eucalyptus urophylla S. T. Blake | 21 | Piracicaba-SP | Bortoletto Júnior [36] | 600 | - |
E. dunnii | 16 | Colombo-PR | Severo & Tomaselli [37] | 573 | - |
E. grandis | 17 | Martinho Campos-MG | Gonçalez et al. [38] | 590 | - |
E. benthamii | 13 | Palmeira-SC | Nones et al. [39] | 505 | 684 |
E. benthamii | 11 | Guatambu-SC | Gallio et al. [40] | 548 | - |
E. dunnii | 11 | Telêmaco Borba-PR | Batista et al. [41] | 560 | - |
E. benthamii | 7 | Colombo-SC | Pereira et al. [42] | 477 | - |
E. benthamii | 6 | Cerro Negro-SC | Müller et al. [15] | 520 | 610 |
E. benthamii | 6 | Guarapuava-PR | Benin et al. [13] | 500 | - |
Species | Age (Years) | Origin | Reference | SB (MPa) | PC (MPa) | SH (MPa) (ƒv) | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
MOR (ƒM) | MOE (Ex) | MOR (ƒc0) | MOE (Ec0) | |||||
E. benthamii | 23 | Lages | ---- | 109.11 | 15,325.48 | 43.51 | 12,212.29 | 13.07 |
Minimum value | 96.63 | 13,842.61 | 35.44 | 12,152.92 | 10.83 | |||
Maximum value | 125.07 | 16,108.97 | 49.45 | 12,293.07 | 14.33 | |||
Standard deviation | 15.51 | 720.77 | 6.16 | 51.41 | 0.84 | |||
Coefficient of variation (%) | 14.21 | 9.79 | 11.18 | 6.78 | 6.26 | |||
E. grandis | 25 | Telêmaco Borba | Silva et al. [45] | 85.22 | 12,803.67 | ---- | ---- | ---- |
E. grandis | 17 | Martinho Campos | Gonçalez et al. [38] | 84.14 | 15,647.84 | ---- | ---- | ---- |
E. dunnii | 16 | Colombo | Severo & Tomaselli [44] | 103.17 | 17,828.77 | ---- | ---- | ---- |
E. grandis | 15 | Viçosa | Lobão et al. [46] | 76.35 | 15,275.00 | 55.90 | 19,137.00 | 10.20 |
E. grandis × E. urophylla | 13 | Mucuri | Gonçalves et al. [47] | 103.20 | 12,474.00 | ---- | ---- | ---- |
E. urophylla | 11 | Vazante | Cruz et al. [48] | 79.00 | 12,527.00 | 40.00 | 6590 | ---- |
E. benthamii | 6 | Cerro Negro | Müller et al. [15] | 83.53 | 9754.67 | 37.34 | 2565.00 | 11.41 |
E. benthamii | 6 | Guarapuava | Benin et al. [13] | 74.00 | 8330.00 | 31.23 | 4621.19 | 11.90 |
Normative and Literature Parameters | ||||
---|---|---|---|---|
νxy | ƒR (MPa) | ƒt90 (MPa) | K33 | K88 |
0.37 | 1.10 | 0.60 | 0.489 | 0.585 |
Parameters Obtained Experimentally | ||||
ρ (kg/m3) | ƒM | Ex | ƒc0 | ƒv |
610 | 109.11 | 15,325.48 | 43.51 | 13.07 |
Parameters Estimated with Experimental Results | ||||
ƒc90 (MPa) | ƒt0 (MPa) | Gxz (MPa) | Gyz (MPa) | Gxy (MPa) |
10.88 | 56.51 | 1029.00 | 109.47 | 1094.68 |
CLT Panel | Maximum Applied Load (kN) | Experimental Method (mm) | Finite Element Method (mm) | Difference between Methods (%) |
---|---|---|---|---|
1A | 3.75 | 1.39 | 1.30 | 6.47 |
1B | 5.76 | 1.86 | 2.00 | 7.00 |
2A | 6.50 | 2.07 | 2.16 | 4.17 |
2B | 6.90 | 2.96 | 2.29 | 22.64 |
3A | 7.04 | 4.40 | 2.26 | 48.64 |
3B | 5.81 | 3.14 | 1.86 | 40.76 |
Mean | 2.64 | 1.98 | 21.61 | |
Coefficient of variation (%) | 41.36 | 18.70 |
Disclaimer/Publisher’s Note: The statements, opinions and data contained in all publications are solely those of the individual author(s) and contributor(s) and not of MDPI and/or the editor(s). MDPI and/or the editor(s) disclaim responsibility for any injury to people or property resulting from any ideas, methods, instructions or products referred to in the content. |
© 2024 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Share and Cite
Teixeira, M.Z.; Terezo, R.F.; da Cunha, A.B.; Tomio, G.F.; Coelho, H.B.; Corrêa, C.A. Validation of the Physical and Mechanical Properties of Eucalyptus benthamii Maiden & Cambage Wood and Cross Laminated Timber Panels Using the Finite Element Method. Forests 2024, 15, 881. https://doi.org/10.3390/f15050881
Teixeira MZ, Terezo RF, da Cunha AB, Tomio GF, Coelho HB, Corrêa CA. Validation of the Physical and Mechanical Properties of Eucalyptus benthamii Maiden & Cambage Wood and Cross Laminated Timber Panels Using the Finite Element Method. Forests. 2024; 15(5):881. https://doi.org/10.3390/f15050881
Chicago/Turabian StyleTeixeira, Matheus Zanghelini, Rodrigo Figueiredo Terezo, Alexsandro Bayestorff da Cunha, Gustavo Faggiani Tomio, Hector Bovo Coelho, and Camila Alves Corrêa. 2024. "Validation of the Physical and Mechanical Properties of Eucalyptus benthamii Maiden & Cambage Wood and Cross Laminated Timber Panels Using the Finite Element Method" Forests 15, no. 5: 881. https://doi.org/10.3390/f15050881
APA StyleTeixeira, M. Z., Terezo, R. F., da Cunha, A. B., Tomio, G. F., Coelho, H. B., & Corrêa, C. A. (2024). Validation of the Physical and Mechanical Properties of Eucalyptus benthamii Maiden & Cambage Wood and Cross Laminated Timber Panels Using the Finite Element Method. Forests, 15(5), 881. https://doi.org/10.3390/f15050881