Development of CT-based Finite Element Modeling for Timber Board Stiffness Prediction

Abstract

Stivhet er en viktig mekanisk egenskap som beskriver et materiales evne til å motstå deformasjon under belastning. Det påvirker bruksgrensetilstanden, som er en viktig faktor ved prosjektering av konstruksjoner. Tre er et anisotropt materiale, hvor de materielle egenskapene varierer langs forskjellige akser. Selv i samme retning er dens mekaniske egenskaper forskjellige. Effekten av kvister, reaksjonsved, sprekker eller andre uregelmessigheter gjør det enda mer komplekst. CT-skanning vil bli brukt for å forstå treets mekaniske egenskaper og indre struktur.

CT-skanning er et ikke-destruktivt tetthetsmålingsutstyr som brukes på sykehus for medisinske formål. Ved å bruke den på treverk, måler den tettheten til vårved, sommerved og kvister og illustrerer hvordan de er dannet. Målet med oppgaven er å utvikle en finite element-modell basert på CT-skanninger av tre, som gjør det mulig å forutsi det lokale stivheten til trevirke. Forskningsspørsmålet for oppgaven er, “Hvordan kan FE-modeller opprettes basert på CT-skanninger av trevirke for å forutsi den lokale stivheten til bordseksjoner?”

Forskningsmetoden i oppgaven er kvantitativ. Elleve trevirke er blitt CT-skannet ved Luleå universitet. Tre programvarer er brukt til å utvikle finite element-modellering. De to første programvarene er 3D Slicer og Fusion 360, som brukes til å lage 3D-modellen av prøvene. Den tredje programvaren er FEBio Studio, og den brukes til å utføre meshing, definere randbetingelser, påføre forskyvninger og gjennomføre finite element-analysen.

Bare to prøver er blitt generert fra CT-skanningsbildene, og de kalles for prøve 1 og prøve 2. Dimensjonene er 98 mm i høyde, 48 mm i bredde og 40 mm i lengde. FEA blir anvendt på to sider av prøvene, kalt høykant og lavkant. Høykant er prøvens høydeside, og lavkanten er prøvens breddeside. I tillegg blir prøvene trykktestet for å sammenligne resultatene med FEA-resultater.

Etter at FEA og mekanisk testing er gjennomført, viser FEA-stivhetsverdien for prøve 1 høykant 145,86 N/mm2, mens den mekaniske testingen resulterte 135,87 N/mm2. FEA-stivhetsverdien er litt høyere enn den mekaniske stivhetsverdien, men de er nære til hverandre. FEA-stivhetsverdien for prøve 1 lavkant er beregnet til 163,01 N/mm2, og mekaniske testingen resulterte til 202,72 N/mm2. FEA-verdien er lavere enn den mekaniske stivhetsverdien, og de er 80 prosent sammenfallende.

For prøve 2, FEA-stivhetsverdien for høykanten er beregnet til 211,68 N/mm2, mens det mekaniske testresultatet ga en verdi på 247,27 N/mm2. FEA-verdien er lavere enn det mekaniske testresultatet, men de er ganske nære til hverandre. Stivhetsverdien for lavkanten er beregnet til 200,93 N/mm2, mens den mekaniske stivhetsberegningen er på 172,62 N/mm2. FEA-stivhetsverdien er høyere enn den mekaniske verdien, og de er 86 prosent tilnærmet til hverandre.

Begrensningen ved denne prosedyren er at den er testet med begrenset antall prøver, noe som ikke gir en tilstrekkelig konklusjon om påliteligheten og gyldigheten av den. Derfor, for å trekke en rimelig konklusjon, er det nødvendig med ytterligere tester for fremtidig arbeid.

Stiffness is an important mechanical property, and it’s about how much a material can resist deformation under loading. It influences the serviceability limit state, an essential factor in designing structures. Wood is an anisotropic material whose material property differs across its axis; even in the same direction, its mechanical properties differ. The effects of knots, reaction wood, cracks, or other irregularities make it even more complex. CT scanning will be used to understand the wood’s mechanical properties and internal structure.

CT scanning is a non-destructive density measure equipment used in hospitals for medical purposes. Using it at wood, it measures the density of the earlywood, latewood, and knots and illustrates how they are formed. The thesis aims to develop a finite element model based on CT scans of wood that enables the prediction of its local stiffness. The research problem of the thesis is, “How can FE models be created based on CT scans of timber to predict the local stiffness of board sections?”

The research method for the thesis is quantitative. Eleven timber board is CT scanned at Luleå University. Three software is used for developing the finite element modeling. The first two are 3D slicer and Fusion 360, which are utilized for creating the 3D model of the samples. The third software is FEBio studio, and it is used for doing the meshing, boundary condition, applying the displacement, and executing the finite element analysis.

Only two samples are created from the CT scan images, and they are called specimen 1 and specimen 2. The dimensions are 98 mm in height, 48 mm in weight, and 40 mm in length. FEA is applied at two sides of the specimens, called highside and lowside. Highside is the height side of the specimen, and the lowside is the weight side of the specimen. In addition, the sample is mechanically compressive tested to compare them with FEA results and to see their validity.

After FEA and mechanical testing are conducted, the FEA stiffness value for specimen 1 highside results in 145.86 N/mm2 and mechanical testing yielded 135.87 N/mm2. The FEA stiffness value is slightly higher than the mechanical stiffness value, indicating they are close. The FEA stiffness value for specimen 1 lowside is calculated at 163.01 N/mm2, and the mechanical testing resulted in 202.72 N/mm2. The FEA value is lower than the mechanical stiffness value, and they are 80 percent proximate to each other.

Moving to specimen 2, the FEA stiffness value for the highside is computed at 211.68 N/mm2, and the mechanical testing result is at 247.27 N/mm2. The FEA value is lower than the mechanical testing result, but they are close to each other. The stiffness value for lowside is computed at 200.93 N/mm2, while the mechanical stiffness calculation is at 172.62 N/mm2. The FEA stiffness value is higher than the mechanical value, and they are 86 percent coinciding.

The limitation of this procedure is that it's tested with only a few samples, which doesn’t give a proper conclusion on the reliability and validity of it. Therefore, to draw a reasonable conclusion, further tests are needed for future work.