Effect of the Hole Diameter in Mechanical Properties of Wood: Experimental and Numerical Approaches
Creators
- 1. Universidade Federal de Pelotas
- 2. Universidade Federal do Rio Grande do Sul
- 3. Universidade Federal do Paraná
- 4. Universidade Federal de Santa Maria
Description
Introducing openings or holes into wooden structures is a common practice for providing utility services. However, this practice leads to stress concentration, resulting in a reduction in stiffness and load-carrying capacity. Therefore, understanding the effects of holes on beam properties is important for design considerations. This study investigates the mechanical behavior of a wooden beam made from juvenile Pinus elliottii containing open cylindrical holes with three different diameters: 4, 8, and 12 mm. The mechanical properties were evaluated for compression parallel to the fibers, quasi-static bending, and tension perpendicular to the fibers. Numerical simulations were conducted using a finite element (FE) model, considering the orthotropic elastic properties determined from experimental tests and elastic ratios reported in the literature. The experimental results indicated that the influence of hole diameter was not significant on the compressive properties; however, longitudinal crack failures began to form for holes with diameters of 8–12 mm. Regardless of hole size, the compressive and bending characteristics revealed that hole location did not affect the stiffness, strength, or damage mechanisms.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يعد إدخال الفتحات أو الثقوب في الهياكل الخشبية ممارسة شائعة لتوفير خدمات المرافق. ومع ذلك، تؤدي هذه الممارسة إلى تركيز الإجهاد، مما يؤدي إلى انخفاض في الصلابة والقدرة على حمل الأحمال. لذلك، فإن فهم آثار الثقوب على خصائص الشعاع مهم لاعتبارات التصميم. تبحث هذه الدراسة في السلوك الميكانيكي لعارضة خشبية مصنوعة من الصنوبر الإليوتي الصغير الذي يحتوي على ثقوب أسطوانية مفتوحة بثلاثة أقطار مختلفة: 4 و 8 و 12 مم. تم تقييم الخواص الميكانيكية للضغط الموازي للألياف والانحناء شبه الساكن والشد العمودي على الألياف. تم إجراء عمليات المحاكاة العددية باستخدام نموذج العنصر المحدود (FE)، مع الأخذ في الاعتبار خصائص المرونة التقويمية المحددة من الاختبارات التجريبية ونسب المرونة المبلغ عنها في الأدبيات. أشارت النتائج التجريبية إلى أن تأثير قطر الثقب لم يكن كبيرًا على خصائص الانضغاط ؛ ومع ذلك، بدأت حالات فشل الشق الطولي في تكوين ثقوب بأقطار 8–12 مم. بغض النظر عن حجم الثقب، كشفت خصائص الانضغاط والانحناء أن موقع الثقب لم يؤثر على آليات الصلابة أو القوة أو التلف.Translated Description (French)
L'introduction d'ouvertures ou de trous dans les structures en bois est une pratique courante pour fournir des services publics. Cependant, cette pratique conduit à une concentration des contraintes, entraînant une réduction de la rigidité et de la capacité de charge. Par conséquent, il est important de comprendre les effets des trous sur les propriétés de la poutre pour les considérations de conception. Cette étude étudie le comportement mécanique d'une poutre en bois fabriquée à partir de Pinus elliottii juvénile contenant des trous cylindriques ouverts de trois diamètres différents : 4, 8 et 12 mm. Les propriétés mécaniques ont été évaluées pour la compression parallèle aux fibres, la flexion quasi-statique et la tension perpendiculaire aux fibres. Des simulations numériques ont été réalisées à l'aide d'un modèle par éléments finis (FE), en tenant compte des propriétés élastiques orthotropes déterminées à partir d'essais expérimentaux et des rapports élastiques rapportés dans la littérature. Les résultats expérimentaux ont indiqué que l'influence du diamètre du trou n'était pas significative sur les propriétés de compression ; cependant, des ruptures de fissures longitudinales ont commencé à se former pour les trous avec des diamètres de 8–12 mm. Indépendamment de la taille du trou, les caractéristiques de compression et de flexion ont révélé que l'emplacement du trou n'affectait pas la rigidité, la résistance ou les mécanismes d'endommagement.Translated Description (Spanish)
La introducción de aberturas o agujeros en las estructuras de madera es una práctica común para la prestación de servicios públicos. Sin embargo, esta práctica conduce a la concentración de estrés, lo que resulta en una reducción de la rigidez y la capacidad de carga. Por lo tanto, comprender los efectos de los agujeros en las propiedades de las vigas es importante para las consideraciones de diseño. Este estudio investiga el comportamiento mecánico de una viga de madera hecha de Pinus elliottii juvenil que contiene agujeros cilíndricos abiertos con tres diámetros diferentes: 4, 8 y 12 mm. Las propiedades mecánicas se evaluaron para la compresión paralela a las fibras, la flexión cuasiestática y la tensión perpendicular a las fibras. Las simulaciones numéricas se realizaron utilizando un modelo de elementos finitos (FE), considerando las propiedades elásticas ortotrópicas determinadas a partir de pruebas experimentales y relaciones elásticas reportadas en la literatura. Los resultados experimentales indicaron que la influencia del diámetro del orificio no fue significativa en las propiedades de compresión; sin embargo, comenzaron a formarse fallas de grietas longitudinales para orificios con diámetros de 8–12 mm. Independientemente del tamaño del orificio, las características de compresión y flexión revelaron que la ubicación del orificio no afectó los mecanismos de rigidez, resistencia o daño.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تأثير قطر الثقب في الخواص الميكانيكية للخشب: المقاربات التجريبية والعددية
- Translated title (French)
- Effet du diamètre du trou dans les propriétés mécaniques du bois : approches expérimentales et numériques
- Translated title (Spanish)
- Efecto del diámetro del agujero en las propiedades mecánicas de la madera: enfoques experimentales y numéricos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4394998584
- DOI
- 10.3390/f15040722