Previous modeling of wood materials has included many assumptions of unknown mechanical properties associated with the hierarchical structure of wood. The experimental validation of previous models did not account for the variation of mechanical properties present in wood materials. Little research has explored the uncertainties of mechanical properties in earlywood and latewood samples as well as wood strands. The goal of this study was to evaluate the effect of the intra-ring properties and grain angles on the modulus of elasticity (MOE) and ultimate tensile strength (UTS) of different orientation wood strands and to analyze the sensitivity of the MOE and UTS of wood strands with respect to these variables. Tension testing incorporating digital image correlation (DIC) was employed to measure the MOE and UTS of earlywood and latewood bands sampled from growth ring numbers 1-10 and growth ring numbers 11-20. A similar technique adjusted for strand size testing was also applied to measure the MOE and UTS of different orientation wood strands from the two growth ring numbers. The stochastic finite element method (SFEM) was used with the results from the earlywood and latewood testing as inputs to model the mechanical property variation of loblolly pine wood strands. A sensitivity analysis of the input parameters in the SFEM model was performed to identify the most important parameters related to mechanical response. Modulus of elasticity (MOE), Poisson ratio, and ultimate tensile strength (UTS) from earlywood and latewood generally increased as the growth ring number increased except for the UTS of latewood, which showed a slight decrease. MOE and UTS from radial, tangential, and angled grain orientation strands increased as the growth ring numbers increased while MOE and UTS from cross-grain strands decreased as the growth ring number increased. Shear modulus of wood strands increased as the growth ring number increased while shear strength decreased as the growth ring number increased. Poisson ratio from radial and angled grain strands decreased as the growth ring number increased while Poisson ratio from tangential and cross grain orientation strands increased as the growth ring number increased. The difference of average MOE from different grain strands between experimental results and SFEM results ranged from 0.96% to 22.31%. The cumulative probability distribution curves from experimental tests and SFEM results agreed well except for the radial grain models from growth ring numbers 11-20. From sensitivity analysis, earlywood MOE was the most important contributing factor to the predicted MOE from different grain orientation strand models. From the sensitivity analysis, earlywood and latewood participated differently in the computation of MOE of different grain orientation strand models. The predicted MOE was highly associated with the strain distribution caused by different orientation strands and interaction of earlywood and latewood properties. In general, earlywood MOE had a greater effect on the predicted MOE of wood strands than other SFEM input parameters. The difference in UTS between experimental and SFEM results ranged from 0.09% to 11.09%. Sensitivity analysis showed that grain orientation and growth ring number influenced the UTS of strands. UTS of strands from growth ring numbers 1-10 showed strength indexes (Xt, Yt, and S) to be the dominant factors while UTS of strands from growth ring numbers 11-20 showed both strength indexes and stress components (Ï 1, Ï 2, and Ï 12) to be the dominant factors. Grain orientations of strands were a strong indicator of mechanical properties of wood strands. / Ph. D.

Coast redwood (Sequoia sempervirens) ecosystems are strongly influenced by the presence of summer marine fog, and variation in fog frequency is closely linked to climate variation in the NE Pacific region. Because oxygen isotope composition (𝛿¹⁸O) of organic matter records distinct water sources (e.g. summertime fog vs. winter precipitation) and carbon isotopes (𝛿¹³C) are typically sensitive to humidity and water status, it then follows that inter-annual variation in tree-ring isotope ratios, which are coherent across multiple sites, should preserve a potentially powerful proxy for climate reconstruction. Here we present an analysis of a 50-year time series for both 𝛿¹⁸O and 𝛿¹³C values from subdivided tree rings obtained from multiple redwood trees at multiple sites. Within-site and between site correlations were highly significant (p < 0.01) for the 𝛿¹⁸O time series indicating a regionally coherent common forcing of 𝛿¹⁸O fractionation. Within-site and between-site correlation coefficients were lower for the 𝛿¹³C than for the 𝛿¹⁸O time series although most were still significant (at least to p < 0.05). The hypothesized reason for the differences in the correlation is that carbon isotope discrimination is more sensitive to microenvironmental and tree-level physiological variation than is 𝛿¹⁸O fractionation. Stable-isotope variation in tree-ring cellulose was similar between slope, gully and riparian micro-habitats within a single watershed, implying that minor topographic variation when sampling should not be a major concern. These results indicate that stable-isotope time series from redwood tree rings are strongly influenced by regional climate drivers and potentially valuable proxies for Pacific coastal climate variability.

I dagsläget finns ca 600 000 ha Contortaskog i Sverige varav en stor del planterades runt 70- till 80-talet. Contorta har sitt ursprung i västra USA och Kanada och introducerades i Sverige som en lösning på en förutspådd fibersvacka. I dagsläget börjar en stor del av den inplanterade Contortan börjar bli så pass gammal att det går att ta fram sågade trävaror ur stocken men exakt vilka egenskaper svenskvuxen Contorta har inte helt redogjort. I denna studie har korrelationen mellan medelårsringsbredden, sommarvedsandelen, svällning och böjhållfastheten, e-modulen och densiteten undersökts. Dessutom undersöktes det om det finns en statistisk skillnad mellan de fyra växtplatserna hos Contortan i studien och hur Contorta skiljer sig mot svensk tall och gran. Korrelationen mellan medelårsringsbredden och böjhållfastheten var -0,33, densiteten -0,18 och E-modulen -0,42. För sommarvedsandelen var korrelationen till böjhållfastheten 0,11, densiteten 0,21 och E-modulen 0,06. För radiell respektive tangentiell svällning var korrelationen till böjhållfastheten -0,12 och -0,15, densiteten 0,01 och 0,11, E-modulen -0,29 och 0,27. För alla fyra växtplatser fanns det en statiskt signifikant skillnad mellan medelvärdena för alla undersökta variabler. Svensk tall och Gran har liknande samband. / Currently there is about 600 000 hectares of lodgepole pine forests in Sweden which of most were planted during the 1970s and -80s. Lodgepole pine is native species to western USA and Canada and was introduced in Sweden as an answer to an expected pulp-fiber volume depression. A big portion of these stands are now reaching maturing age for sawn timber product production, but little is known about lodgepole pine grown on Swedish soil. In this study, the correlation between the mean tree ring width, latewood ratio, swelling and the bending strength, modulus of elasticity (MOE) and density have been studied, if there is a statistically significant difference between the four different geographical stands the lodgepole pine in this study are stemming from and lastly how Swedish grown lodgepole pine differs from the traditional Swedish construction lumbers Scots pine and Norway spruce. The correlation between the mean ring width and the bending strength was -0,33, the density -0,18 and the MOE -0,42. For the latewood ratio and the bending strength it was 0,11, the density 0,21 and the MOE 0,06. For the radial and tangential swelling respectively it was -0,12 and -0,15 for the bending strength, 0,01 and 0,11 for the density and -0,29 and 0,27 for the MOE. For all four different growth stands there was a statistically significant difference between the means for all studied variables. The relationships for both Scots pine and Norway spruce show similar magnitudes and directions.

Tree-ring studies have demonstrated that conifer latewood measurements contain information on long-term North American monsoon (NAM) variability, a hydroclimatic feature of great importance to plants, animals, and human society in the US Southwest. This paper explores data-treatment options for developing latewood chronologies aimed at NAM reconstruction. Archived wood samples for five Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii, Mirb. Franco) sites in southeastern Arizona are augmented with new collections. The combined dataset is analyzed along with time series of regionally averaged observed precipitation to quantify the strength of regional precipitation signal in latewood time series and to identify ways of increasing the signal strength. Analysis addresses the signal strength influences of including or excluding ‘‘false’’ latewood bands in the nominal ‘‘latewood’’ portion of the ring, the necessary adjustment of latewood width for statistical dependence on antecedent earlywood width, and tree age. Results suggest that adjusted latewood width chronologies from individual sites can explain around 30% of the variance of regional summer (July–August) precipitation—increasing to more than 50% with use of multiple chronologies. This assessment is fairly insensitive to the treatment of false latewood bands (in intra-annual width and 𝛿¹³C variables), and to whether latewood-width is adjusted for dependence on earlywood-width at the core or site level. Considerations for operational chronology development in future studies are (1) large tree-to-tree differences in moisture signal, (2) occasional nonlinearity in EW-LW dependence, and (3) extremely narrow and invariant latewood width in outer portions of some cores. A protocol for chronology development addressing these considerations is suggested.

An analysis is made of beech from Ohio and white oak from Illinois using a stepwise multiple regression technique to evaluate ring growth and climatic relationships. Ring widths for beech are directly related to the moisture supply during August and to temperatures for May-July of the preceding year. They are equally related to moisture during June-August of the current year and somewhat dependent upon the precipitation of the previous winter. The earlywood width of white oak is directly related to available moisture during the preceding September and to moisture during the current June, and inversely related in slight degree to the temperature of April. Latewood width of oak is primarily dependent upon the availability of moisture during the current June and July but is somewhat related to the moisture during May of the previous year. Serial correlation is prominent from growth layer to growth layer in both species. The physiological relationships which may produce these results are discussed. Some relationships involving considerable lag in the growth response are possible controls of bud formation and food accumulation, while others involving more immediate response are primarily the effect of moisture stress within the tree.

Le bois est en général étudié comme un matériau orthotrope et homogène, mais en réalité il existe des gradients de propriétés mécaniques et physiques dans chaque direction. En effet, le bois est constitué d’une alternance de cernes annuels de croissance constitués de bois d’été, de printemps et de transition. Ces cernes sont plus réguliers dans la plupart des résineux que dans les feuillus. Dans le présent document, on s’intéresse à l’étude et à l’identification des propriétés de diffusion hydrique d’un résineux à l’échelle du cerne, le sapin blanc du Massif Central. Une telle étude nécessite l’utilisation d’une technique de mesure de champ sans contact, ici la méthode de la grille. Cette dernière offre la possibilité d’observer l’hétérogénéité du bois à l’échelle du cerne avec des champs de déformations. Elle permet donc d’obtenir la réponse sous sollicitations hydriques des bois d’été et de printemps. Cette technique de mesure est couplée à une méthode d’identification inverse des paramètres de comportement hydrique que nous avons mise en place. Elle permet d’obtenir les coefficients de diffusion des bois d’été et de printemps dans la direction tangentielle de diffusion, ainsi que leurs coefficients d’expansion hydrique dans la direction radiale à partir des cartes de déformations obtenues par la méthode de la grille. La méthode de la grille est également utilisée pour l’étude du comportement du bois sous environnement constant ou variable, et sous contrainte mécanique de compression radiale. Des méthodes d’identification sont également proposées afin de déterminer les propriétés mécaniques selon la direction radiale du bois à l’échelle du cerne, ceci à partir des cartes de déformation. / Wood is generally studied as an orthotropic and homogeneous material, but in reality there are gradients of mechanical and physical properties in each direction. Indeed, wood consists of summer and spring woods which manifest annual growth rings. These latter are more regular in most of softwoods than in hardwoods. In this paper, we are interested in studying and identifying the properties of a resinous under water diffusion, namely the white fir of the Massif Central. This study requires the use of a contacless full-field measurement technique. The grid method is used here. This latter offers the opportunity to observe the heterogeneity of wood at the ring scale through the strain fields. It thus provides the response of latewood and earlywood under water stress. This measurement technique is coupled with an inverse method to identify the water behavior parameters. This inverse method provides latewood and earlywood diffusion coefficients along the tangential diffusion direction, as well as their coefficients of expansion in the radial direction from the strain maps. The grid method is also used to study the behavior of wood under constant or variable environment when it is subjected to radial compression. Some identification methods are also proposed to determine from the deformation maps the mechanical properties along the radial direction of wood at the ring scale.

Die dreidimensionale Formgebung von vliesstoffkaschierten Furnieren als Oberflächen von Zierteilen im Fahrzeug-Innenraum erfolgt über einen Umformprozess. Aufgrund der spröden, anisotropen und variablen mechanischen Eigenschaften von Holz sind Abschätzungen der Umformbarkeit bei neuen Geometrien eine große Herausforderung. Die Auslegung des Umformprozesses erfordert bisher umfangreiche Absicherungsversuche anhand von Prototypen-Werkzeugen. In der vorliegenden Dissertation werden daher numerische Methoden zur Vorhersage der Umformbarkeit von vliesstoffkaschierten Furnieren zur Reduzierung von Material- und Zeitaufwand im Fahrzeugentwicklungsprozess vorgestellt. Die Simulation der Umformung setzt die Modellierung des Deformations- und Versagensverhaltens der kaschierten Furnierstruktur voraus. Der Materialverbund aus Eschenholz-Furnier und Vliesstoffkaschierung wurde dafür zunächst im Zug- und im Scherversuch charakterisiert. Im Nakajima-Versuch wurde das dreidimensionale Deformationsverhalten analysiert, um die Verformungsgrenzen und die wesentlichen Einflussgrößen zu identifizieren. Dies sind vor allem die hohe Anisotropie, die Inhomogenität sowie die Abhängigkeit von den Temperatur- und Feuchtebedingungen. Die Experimente zeigten, dass das lokale Verformungs- und Versagensverhalten von der individuellen Verteilung der Jahrringstruktur abhängt. Auf Basis der Experimente wurden konstitutive Beziehungen und ein Materialmodell abgeleitet. Zur Abbildung von lokalem Versagensverhalten wurde eine Methode zur diskreten Berücksichtigung der Eigenschaften von Früh- und Spätholz in Finite-Elemente-Modellen entwickelt. Dazu wurde ein Zuordnungs-Schema für das Mapping-Tool Envyo eingerichtet, das auf Basis von Grauwertbildern Früh- und Spätholzzonen unterscheidet und auf finite Elemente überträgt. Zur Generierung lokaler Materialparameter wurden über einen Optimierungs-Algorithmus Simulationen des Zug- und des Scherversuchs mit den entsprechenden Kraft-Verschiebungskurven der Experimente kalibriert. Der eingeführte Modellierungsprozess wurde anhand des Versuchsprogramms validiert. Die stochastische Analyse der Verteilungen von Zugfestigkeit und Bruchdehnung in Simulationen des Zugversuchs, mit variierenden Jahrringstrukturen, lieferte eine sehr gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen des Experiments. In Simulationen des Nakajima-Tests konnten charakteristische Dehnfelder und Risse sehr gut erfasst werden. Des Weiteren wurde ein Umformprozess eines Bauteils nach dem gängigen Verfahren der Serienfertigung durchgeführt. Dazu wurden Furnierproben mit unterschiedlichen Verteilungen von Früh- und Spätholzzonen ausgewählt und umgeformt. Mit der eingeführten Übertragungsmethode auf Basis von Grauwertbildern dieser Proben wurden Simulationen der Umformung durchgeführt. Die Simulationen zeigten dabei die Faltenbildung, die sich auch im Versuch über die individuelle Verteilung der Frühholzzonen einstellte. Die Forschungsergebnisse der vorliegenden Dissertation stellen damit die vollständige Prozesskette zur virtuellen Auslegung des Umformprozesses vliesstoffkaschierter Furniere, unter Berücksichtigung von dessen individuellen wachstumsbedingten Eigenschaften, bereit.:1 EINLEITUNG 1.1 Hintergrund und Motivation der Thesis 1.2 Schwerpunkte und Ziele 1.3 Gliederung der Thesis 2 GRUNDLAGEN DER FERTIGUNGSTECHNIK UND STRUKTURMECHANIK 2.1 Einleitung 2.2 Struktureller Aufbau von Holz 2.3 Fertigung von Zierteilen und Furnieren 2.3.1 Aufbau und Fertigungsprozess von Zierteilen mit Holzoberfläche 2.3.2 Furnierarten und Herstellungsverfahren 2.4 Kontinuumsmechanische Grundlagen 2.4.1 Kinematische Beziehungen 2.4.2 Kinetische Beziehungen 2.4.3 Konstitutive Beziehungen 2.5 Die Finite-Elemente-Methode 2.6 Literaturüberblick zur Modellierung mechanischer Eigenschaften von Holz 2.7 Schlussfolgerungen 3 STRUKTURVERHALTEN VON FURNIERLAMINATEN 3.1 Einleitung 3.2 Materialcharakterisierung unter Normal- und Schubbelastung 3.2.1 Materialien und Methoden 3.2.1.1 Materialaufbau 3.2.1.2 Aufstellung des Versuchsprogramms 3.2.1.3 Probenvorbehandlung im Wasserbad 3.2.1.4 Bestimmung mechanischer Parameter im Zugversuch 3.2.1.5 Bestimmung mechanischer Parameter im Scherrahmenversuch 3.2.2 Ergebnisse und Diskussion 3.2.2.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch 3.2.2.2 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Scherrahmenversuch 3.3 Analyse der Umformgrenzen im Nakajimaversuch 3.3.1 Versuchsaufbau 3.3.2 Ergebnisse und Diskussion 3.4 Schlussfolgerungen 4 MATERIALMODELL FÜR FURNIERLAMINATE 4.1 Einleitung 4.2 Idealisierung des Furnierlaminats in ein Kontinuumsmodell 4.3 Formulierung von Versagensmechanismen 4.4 Formulierung von nichtlinearen, konstitutiven Beziehungen 4.5 Schlussfolgerungen 5 DIE FURNIERSTRUKTUR IM FINITE-ELEMENTE-MODELL 5.1 Einleitung 5.2 Entwicklung einer Mapping-Methode zur Diskretisierung der Jahrringstruktur 5.2.1 Der Mapping-Prozess 5.2.2 Analyse des Mapping-Verfahrens anhand eines Finite-Elemente-Modells 5.3 Identifikation lokaler Parameter von Früh- und Spätholz 5.3.1 Methoden 5.3.1.1 Erstellung einer Optimierungsroutine zur Parameteridentifikation 5.3.1.2 Aufbau eines FE-Modells des Zugversuchs 5.3.1.3 Aufbau eines FE-Modells des Scherversuchs 5.3.2 Ergebnisse 5.3.2.1 Identifikation von Materialparametern unter Normalbelastung 5.3.2.2 Identifikation von Materialparametern unter Schubbelastung 5.3.2.3 Modellverhalten unter Druckbelastung 5.4 Schlussfolgerungen 6 VALIDIERUNG DES MODELLIERUNGSANSATZES 6.1 Einleitung 6.2 Validierung der numerischen Parameterstreuung in einer stochastischen Analyse 6.2.1 Aufbau von FE-Modellen des Zugversuchs unter Variation der Jahrringstruktur 6.2.2 Simulationsergebnisse 6.3 Validierung des Modell-Deformations- und Bruchverhaltens unter Tiefziehbelastung 6.3.1 Aufbau eines FE-Modells des Nakajima-Versuchs 6.3.2 Simulationsergebnisse 6.4 Numerische Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.1 Experimentelle Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.2 Simulation Umformprozess Schritt 1: Schwerkraftsimulation 6.4.2.1 Aufbau des Rechenmodells 6.4.2.2 Simulationsergebnis 6.4.3 Simulation Umformprozess Schritt 2: Umformsimulation 6.4.3.1 Modellaufbau 6.4.3.2 Simulationsergebnis 6.5 Schlussfolgerungen 7 FAZIT 8 AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS ANHANG / In automotive manufacturing, laminated veneer sheets are being formed into a 3D geometry for the production of trim parts with wood surfaces. Estimations of the formability are challenging due to the brittle, anisotropic and inhomogeneous nature of wood. During the vehicle development process, the design of the forming process requires extensive tests with prototype tools. The present thesis introduces numerical methods for the prediction of the formability of veneers with nonwoven backings in order to reduce expenses for the usage of prototype tools and to rapid the development process. The simulation of the forming process requires adequate modelling of the deformation and failure behavior of the laminated veneer structure. Therefore, ash wood veneers with nonwoven backings were characterized in their principal mechanical properties, in tensile and shear tests. In the Nakajima test the material was analyzed under three-dimensional load to identify the forming limits and the influencing factors on the forming process. These are mainly the anisotropy, the inhomogeneity and the temperature and moisture boundaries. The experimentally obtained data was used to derive constitutive laws and a material model. As found in the experiments, failure and deformation behavior of veneer laminates vary with the individual arrangement of early- and latewood zones over a veneer sheet. Therefore, a discretization method is presented, where local failure and damage modes are considered for finite element models. Within the tool Envyo, a mapping scheme was realized for the transfer of early- and latewood zones from ash wood veneer surfaces to finite element meshes, based on gray scale images. In combination to the separate consideration of early- and latewood zones in the model, a set of material input parameters for both zones was created using numerical optimization methods. The force-displacement response of tensile and shear test simulations was calibrated with the corresponding experimental curves. The introduced modelling procedure was validated with the experimental program. In a stochastic, numerical analysis the same distribution of tensile strength and ultimate strain values with varying early- and latewood arrangements was achieved, compared to the experimental tensile test results. Local fracture as well as the characteristic strain distribution were captured in the model in a very good agreement with results of the Nakajima test. Additionally, a conventional forming process of an interior trim part surface was carried out, using veneer samples with different individual textures originating from the growth ring structure. Gray scale images of those samples were mapped to finite element models to perform the same process numerically. Those forming simulations show the wrinkling behavior, depending on the individual arrangement of earlywood zones, as observed in the hardware forming tests. In summary, the research output of the present thesis provides the whole process chain for the virtual design of the forming process of veneers with nonwoven backings, with consideration of the individual growth-related properties of the veneer structure.:1 EINLEITUNG 1.1 Hintergrund und Motivation der Thesis 1.2 Schwerpunkte und Ziele 1.3 Gliederung der Thesis 2 GRUNDLAGEN DER FERTIGUNGSTECHNIK UND STRUKTURMECHANIK 2.1 Einleitung 2.2 Struktureller Aufbau von Holz 2.3 Fertigung von Zierteilen und Furnieren 2.3.1 Aufbau und Fertigungsprozess von Zierteilen mit Holzoberfläche 2.3.2 Furnierarten und Herstellungsverfahren 2.4 Kontinuumsmechanische Grundlagen 2.4.1 Kinematische Beziehungen 2.4.2 Kinetische Beziehungen 2.4.3 Konstitutive Beziehungen 2.5 Die Finite-Elemente-Methode 2.6 Literaturüberblick zur Modellierung mechanischer Eigenschaften von Holz 2.7 Schlussfolgerungen 3 STRUKTURVERHALTEN VON FURNIERLAMINATEN 3.1 Einleitung 3.2 Materialcharakterisierung unter Normal- und Schubbelastung 3.2.1 Materialien und Methoden 3.2.1.1 Materialaufbau 3.2.1.2 Aufstellung des Versuchsprogramms 3.2.1.3 Probenvorbehandlung im Wasserbad 3.2.1.4 Bestimmung mechanischer Parameter im Zugversuch 3.2.1.5 Bestimmung mechanischer Parameter im Scherrahmenversuch 3.2.2 Ergebnisse und Diskussion 3.2.2.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch 3.2.2.2 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Scherrahmenversuch 3.3 Analyse der Umformgrenzen im Nakajimaversuch 3.3.1 Versuchsaufbau 3.3.2 Ergebnisse und Diskussion 3.4 Schlussfolgerungen 4 MATERIALMODELL FÜR FURNIERLAMINATE 4.1 Einleitung 4.2 Idealisierung des Furnierlaminats in ein Kontinuumsmodell 4.3 Formulierung von Versagensmechanismen 4.4 Formulierung von nichtlinearen, konstitutiven Beziehungen 4.5 Schlussfolgerungen 5 DIE FURNIERSTRUKTUR IM FINITE-ELEMENTE-MODELL 5.1 Einleitung 5.2 Entwicklung einer Mapping-Methode zur Diskretisierung der Jahrringstruktur 5.2.1 Der Mapping-Prozess 5.2.2 Analyse des Mapping-Verfahrens anhand eines Finite-Elemente-Modells 5.3 Identifikation lokaler Parameter von Früh- und Spätholz 5.3.1 Methoden 5.3.1.1 Erstellung einer Optimierungsroutine zur Parameteridentifikation 5.3.1.2 Aufbau eines FE-Modells des Zugversuchs 5.3.1.3 Aufbau eines FE-Modells des Scherversuchs 5.3.2 Ergebnisse 5.3.2.1 Identifikation von Materialparametern unter Normalbelastung 5.3.2.2 Identifikation von Materialparametern unter Schubbelastung 5.3.2.3 Modellverhalten unter Druckbelastung 5.4 Schlussfolgerungen 6 VALIDIERUNG DES MODELLIERUNGSANSATZES 6.1 Einleitung 6.2 Validierung der numerischen Parameterstreuung in einer stochastischen Analyse 6.2.1 Aufbau von FE-Modellen des Zugversuchs unter Variation der Jahrringstruktur 6.2.2 Simulationsergebnisse 6.3 Validierung des Modell-Deformations- und Bruchverhaltens unter Tiefziehbelastung 6.3.1 Aufbau eines FE-Modells des Nakajima-Versuchs 6.3.2 Simulationsergebnisse 6.4 Numerische Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.1 Experimentelle Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.2 Simulation Umformprozess Schritt 1: Schwerkraftsimulation 6.4.2.1 Aufbau des Rechenmodells 6.4.2.2 Simulationsergebnis 6.4.3 Simulation Umformprozess Schritt 2: Umformsimulation 6.4.3.1 Modellaufbau 6.4.3.2 Simulationsergebnis 6.5 Schlussfolgerungen 7 FAZIT 8 AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS ANHANG

La variabilité des propriétés du bois ainsi que son hygroscopicité pourraient être un frein à son utilisation dans la construction, même s’il peut être considéré comme un matériau de choix dans le contexte environnemental et économique actuel. Il est donc primordial de mieux comprendre les origines physiques du comportement du bois pour être capable d’améliorer la prédiction de ses propriétés, et pouvoir ainsi le rendre plus compétitif par rapport aux autres matériaux de construction. Le comportement hygromécanique du bois, caractérisé par des variations dimensionnelles en présence de variations d’hygrométrie, est particulièrement difficile à prédire, du fait de sa microstructure multi-échelle et de ses interactions complexes avec l’eau.Dans ce contexte, la thèse vise à comprendre et enrichir les relations entre la microstructure du bois, ses propriétés de sorption et son comportement hygromécanique, en étudiant l’influence de l’hétérogénéité de l’accroissement annuel (cerne), constitué de bois initial et de bois final dont la structure et les propriétés présentent de nombreuses différences. Cette étude est menée sur du Douglas (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco), actuellement référencé comme un matériau de structure intéressant. Des outils de caractérisation avancés sont utilisés : la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du proton pour caractériser les mécanismes de sorption ; la corrélation d’images volumiques (DVC) pour mesurer les champs de déformations à partir d’images 3D de microtomographie aux rayons X (µTRX), donnant aussi accès à la densité locale du bois.Après une introduction sur le matériau bois et un état de l’art sur son comportement hygromécanique, une caractérisation préliminaire de la microstructure (angle des microfibrilles, largeur de cerne, densité) et du comportement hygromécanique d’échantillons de bois initial et de bois final prélevés dans différents cernes est menée. Une forte anisotropie du bois initial est mise en évidence en opposition au comportement isotrope transverse du bois final. Les déformations suivant la direction des fibres présentent aussi de fortes non-linéarités peu discutées dans la littérature. Une discussion sur la variabilité des propriétés est par ailleurs engagée, ainsi que sur les relations structure-propriétés à l’échelle macroscopique.L’origine des différences de comportement hygromécanique entre le bois initial et le bois final est tout d’abord recherchée au niveau des mécanismes de sorption, au travers une étude de relaxométrie RMN du proton en 2D (cartes T1-T2). Deux types d’eau liée situés dans des environnements distincts sont mis en évidence et leur isotherme de sorption diffère dans les deux types de bois. Une hypothèse sur leur localisation dans la paroi cellulaire est proposée, puis une modélisation simplifiée 2D est effectuée pour évaluer leur impact respectif sur le comportement hygromécanique du bois initial et du bois final, en particulier dans la direction des fibres.Enfin, les champs de déformations locaux et globaux sont étudiés en analysant par DVC des images de µTRX de bois initial et de bois final soumis à différentes sollicitations hydriques. Le couplage entre ces deux matériaux est aussi étudié pour évaluer leurs interactions et comprendre le comportement du bois à l’échelle du cerne. Un protocole de DVC adapté aux images de bois est proposé. Les comportements hygromécaniques du bois initial, du bois final et du cerne sont comparés. A l’échelle locale, des hétérogénéités du champ de déformations sont mises en évidence et corrélées à la densité locale. Leur effet sur le comportement du cerne et sur la courbure des échantillons induite par le chargement hydrique est analysé. Une modélisation 3D par éléments finis, tenant compte des gradients locaux de propriétés, vient enfin compléter cette étude pour améliorer la compréhension des interactions mécaniques entre le bois initial et le bois final / Wood has highly variable properties and is also hygroscopic. These characteristics may restrict its use in construction even if it can be considered as a material of choice with the current environmental and economical concerns. Therefore, it is essential to better understand the physical origins of the behavior of wood in order to improve the prediction of its properties, and making it competitive with respect to other building materials. Dimensional changes of wood appear when it is subjected to relative humidity variations. This hygromechanical behavior is particularly difficult to predict because of the multiscale structure of wood and its complex interactions with water.In this context, the present work aims to understand and enrich relationships between microstructure, sorption properties and hygromechanical behavior of wood. More specifically, it is focused on the influence of the growth-ring heterogeneity, constituted of earlywood and latewood which have different structures and properties. The study is performed on Douglas fir (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco), which is a species of significant interest for structural applications. Advanced characterization tools are used: proton Nuclear Magnetic Resonance (NMR) to characterize sorption mechanisms; digital volume correlation (DVC) to measure deformation fields from X-Ray microtomography 3D images (XRµT), also providing local density of wood.At first wood properties and its hygromechanical behavior are described through a literature overview. Preliminary microstructural (microfibril angle, growth-ring width, density) and hygromechanical behavior characterizations of earlywood and latewood samples with different cambium age are performed. Earlywood reveals a strong anisotropic behavior compared to latewood which is isotropic in the transversal plane. Moreover, strains along the fiber direction nonlinearly evolve with moisture content. This phenomenon has been hardly reported and studied in the literature. Discussions on variability of properties and on relationships between structure and properties are also initiated.Sorption mechanisms are then studied by 2D NMR relaxometry (T1-T2 correlation spectra) in order to investigate differences between earlywood and latewood hygromechanical behaviors. Two types of bound water located in distinct environments are highlighted and their sorption isotherms are shown to be different in the two types of wood. A hypothesis on their location in the cell-wall is proposed and a simple 2D model is developed to evaluate their respective effect on the hygromechanical behavior of earlywood and latewood, especially in the fiber direction.Furthermore, local and global strains fields are studied using DVC from XRµT images of earlywood and latewood subjected to relative humidity variations. The coupling of these two materials is also investigated in order to evaluate their mechanical interactions and to understand the behavior at the growth-ring scale. A specific DVC procedure is developed for images of wood. The hygromechanical behaviors of earlywood, latewood and a growth-ring are compared. At the local scale, strains fields heterogeneities are highlighted and correlated to the local density. Their effect on the growth-ring behavior and the samples curvature is analyzed. A 3D finite elements model which takes into account local gradients of properties is finally developed to better understand earlywood-latewood mechanical interactions

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