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Wooden objects have been widely used in the history of humanity and play an important role in our cultural heritage. The preservation of such objects is of great importance and can be a challenging task. This thesis investigates the static and time-dependent mechanical behaviour of archaeological oak wood from the Vasa warship. Characterisation of mechanical properties is necessary for the formulation of a numerical model to design an improved support structure. The ship was impregnated with polyethylene glycol (PEG) for dimensional stabilisation. All elastic engineering constants of the Vasa oak have been identified and compared with those of recent oak by means of the static and dynamic testing. The experiments were done on samples with cubic geometry, which allowed obtaining all elastic constants from a single sample. The usage of cubic samples with orthotropic mechanical properties during compressive experiments was validated with finite-element simulations. The Young's moduli of the Vasa oak in all orthotropic directions were smaller than those for the recent oak. The shear moduli of Vasa oak was determined and verified with the resonant ultrasound spectroscopy. The time-dependent mechanical behaviour of the Vasa oak has been studied. Creep studies were performed in uniaxial compression on the cubic samples in all orthotropic directions. The samples loaded in the longitudinal direction were subjected to different stress levels. A stress level below 15% of the yield stress in the longitudinal direction did not result in non-linear creep with increasing creep rates within the time frame of the tests. The results of the studies in radial and tangential directions showed that creep was dominated by the effect of annual fluctuations in relative humidity and temperature. The weight changes based on annual fluctuations of relative humidity were measured for Vasa oak and recent oak. The Vasa oak showed higher variations due to an increased hygroscopicity which is the result of the impregnation with PEG. In conceiving a full-scale finite-element model of Vasa ship, not only the stress-strain relations of the material but also those of the structural joints are needed. Since the in-situ measurement of joints is not an option, a replica of a section of the ship hull was built and tested mechanically. The load-induced displacements were measured using 3D laser scanning which proved to have advantages to conventional point displacement measurements. The mechanical characteristics of the Vasa oak and joint information presented in this work can be used as input for a finite-element model of the Vasa ship for simulation of static and time-dependent behaviour on a larger scale. / Stötta Vasa

No presente trabalho foram estudadas, inicialmente, distorções periódicas \"bend\" provocadas por campo magnético em amostra nemática calamítica da mistura: decilsulfato de sódio, decanol e água. Com base na teoria elástica continua, medidas do comprimento de onda das distorções periódicas permitiram obter a razão K IND. 9 / X IND. em função da temperatura, onde K IND. 9 é a constante elástica de \"bend\" e X IND. a anisotropia de susceptibilidade diamagnética. Em seguida, amostras nemáticas foram dopadas com ferrofluído em diferentes concentrações, o que possibilitou, através da comparação entre os resultados (com e sem o \"doping\"), determinar K IND. 9 e X IND. , respectivamente. Num segundo momento, a mesofase nemática calamítica obtida da mistura liotrópica de laurato de potássio, decanol e água, é submetida a gradiente térmico vertical em configuração planar. Uma nova instabilidade térmica foi observada envidenciando uma estrutura de rolos com os seus eixos perpendiculares à configuração inicial do diretor. O comprimento de onda da instabilidade tem valores em torno de 10 vezes menores que a espessura da amostra. A instabilidade, cujo processo de formação e relaxação é estudado, aparece com a diminuição do gradiente térmico próximo à transição de fase nemático-isotrópica. Considerando-se estes fatos, sugere-se um mecanismo em função da variação das dimensões dos objetos micelares com a temperatura. / In this work were primarily studied the periodic distortions \"bend\" provoked by magnetic field on calamitic nematic sample of the mixture: sodium decylsulfate, decanol and water. Based on the continuum elastic theory, measures of the wave lenght of periodic distortions permitted to obtain the ratio K9 /X in function of the temperature, where k9 is the elastic constant of \"bend\" and x the anisotropic of diamagnetic susceptibility. Afterwards, nematic samples were doped with ferrofluid in different concentrations, which made possible, through a comparison between the results (with and without the \"doping\"), to determine x and K9 respectively. In a second moment, the calamitic nematic mesophase obtained from the liotropic mixture of potassium laurate, decanol and water is submitted to a vertical thermic gradient in plane configuration. A new thermic instability was observed showing evidences of a roll structure with its perpendicular axis to the initial configuration of the director. The lenght of the instability wave has values around ten times smaller than the thickness of the sample. The instability, whose process of formation with the decrease of the thermic gradient next to the transition of isotropic-nematic phase. Considering these facts, we would suggest a mechanism related to the variation of the micelar objects dimensions in function of the temperature.

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Este trabalho apresenta duas técnicas de ensaios não-destrutivos por ultra-som realizados em um tanque com água para determinar as constantes elásticas de materiais compostos de fibra de vidro/epóxi. A primeira técnica é a transmissão direta utilizando um par de transdutores. A segunda é a técnica de pulso-eco, utilizando um único transdutor. A água do tanque atua como um acoplante para transferir a energia mecânica do transdutor para a amostra. Como o transdutor não fica em contato direto com a amostra, pode-se garantir um acoplamento constante. O sistema de medição dota de um dispositivo que permite medir a velocidade da onda elástica sob diferentes ângulos de incidência, através da rotação manual da amostra. Devido ao fenômeno de conversão de modos com incidência oblíqua na interface amostra-água, ensaios por ultra-som em tanques com água fornecem as informações necessárias para o cálculo das constantes elásticas em amostras de materiais anisotrópicos, numa dada direção, a partir das medições das velocidades longitudinal e de cisalhamento. Numa dada direção de propagação em um meio anisotrópico, existem três ondas elásticas distintas: uma longitudinal e duas de cisalhamento. Se as constantes elásticas do material são conhecidas, é possível obter as três velocidades em uma dada direção bastando resolver a equação de Christoffel. Invertendo a equação de Christoffel, obtém-se as constantes elásticas a partir das velocidades medidas em uma dada direção. Os experimentos são realizados com amostras de fibra de vidro/epóxi unidirecionais e bidirecionais, utilizando transdutores com freqüências de 0,5 MHz, 1 MHz e 2,25 MHz. Os resultados experimentais obtidos utilizando ambas as técnicas são comparados com um modelo denominado “Regra das Misturas" e com resultados da literatura. / In this work, two ultrasonic non destructive techniques were implemented in a water tank and used to determine the elastic constants of glass-epoxy composites samples. The first is the through-transmission technique implemented with a pair of ultrasonic transducers. The second is the back-reflection technique that uses a single transducer in pulse-eco mode. The water acts as a couplant and transfers the mechanical energy from the transducer to the sample. As the transducer is not in direct contact with the sample, we can guarantee a good coupling with the immersion technique. With the system device, it is possible to measure the velocities of the elastic waves in different angles by manually rotating the sample. Due to wave mode conversion phenomenon at the sample-water interface with oblique incidence, ultrasonic immersion testing provides information to calculate the elastic constants of the specimen by measuring longitudinal and shear wave speeds. There are three different modes of waves, one longitudinal and two shear waves, for any given direction of propagation in an anisotropic medium. If the elastic constants of a medium are known, it is possible to obtain the three wave speeds in particular propagations directions by solving the Christoffel equation. Inverting the Christoffel equation, it is possible to obtain the elastic constants from the measured wave speed in several specific directions of the anisotropic material. Measurements were carried out on unidirectional and bidirectional glass-epoxy composite samples, using transducers with central frequency of 0.5 MHz, 1 MHz, and 2.25 MHz. The experimental results obtained with both techniques are compared with a model denominated “Rule of Mixture" estimation and with the literature.

No presente trabalho foram estudadas, inicialmente, distorções periódicas \"bend\" provocadas por campo magnético em amostra nemática calamítica da mistura: decilsulfato de sódio, decanol e água. Com base na teoria elástica continua, medidas do comprimento de onda das distorções periódicas permitiram obter a razão K IND. 9 / X IND. em função da temperatura, onde K IND. 9 é a constante elástica de \"bend\" e X IND. a anisotropia de susceptibilidade diamagnética. Em seguida, amostras nemáticas foram dopadas com ferrofluído em diferentes concentrações, o que possibilitou, através da comparação entre os resultados (com e sem o \"doping\"), determinar K IND. 9 e X IND. , respectivamente. Num segundo momento, a mesofase nemática calamítica obtida da mistura liotrópica de laurato de potássio, decanol e água, é submetida a gradiente térmico vertical em configuração planar. Uma nova instabilidade térmica foi observada envidenciando uma estrutura de rolos com os seus eixos perpendiculares à configuração inicial do diretor. O comprimento de onda da instabilidade tem valores em torno de 10 vezes menores que a espessura da amostra. A instabilidade, cujo processo de formação e relaxação é estudado, aparece com a diminuição do gradiente térmico próximo à transição de fase nemático-isotrópica. Considerando-se estes fatos, sugere-se um mecanismo em função da variação das dimensões dos objetos micelares com a temperatura. / In this work were primarily studied the periodic distortions \"bend\" provoked by magnetic field on calamitic nematic sample of the mixture: sodium decylsulfate, decanol and water. Based on the continuum elastic theory, measures of the wave lenght of periodic distortions permitted to obtain the ratio K9 /X in function of the temperature, where k9 is the elastic constant of \"bend\" and x the anisotropic of diamagnetic susceptibility. Afterwards, nematic samples were doped with ferrofluid in different concentrations, which made possible, through a comparison between the results (with and without the \"doping\"), to determine x and K9 respectively. In a second moment, the calamitic nematic mesophase obtained from the liotropic mixture of potassium laurate, decanol and water is submitted to a vertical thermic gradient in plane configuration. A new thermic instability was observed showing evidences of a roll structure with its perpendicular axis to the initial configuration of the director. The lenght of the instability wave has values around ten times smaller than the thickness of the sample. The instability, whose process of formation with the decrease of the thermic gradient next to the transition of isotropic-nematic phase. Considering these facts, we would suggest a mechanism related to the variation of the micelar objects dimensions in function of the temperature.

Propriedades ópticas, magnéticas e elásticas de duas liomesofases nemáticas tipo I (decilsulfato de sódio/água/ n-decanol e laurato de potássio/água/cloreto de potássio) e urna tipo II (decilsulfato de sódio/água/n-decanol /sulfato de sódio) são estudadas. Nas investigações de tais propriedades as medidas realizadas e instrumentação/meios utilizados foram os seguintes: medidas de sinais ópticos, texturas e temperaturas de transições de fases foram obtidas com auxilio de um microscópio petrográfico com temperatura controlada na platina; medidas de índices de refração e birrefringências obtiveram- se com adaptações do refratômetro de Pulfrich; medidas de susceptibilidades diamagnéticas direcionais foram realizadas com adaptações ao magnetômetro de amostra vibrante; medidas de constantes elásticas foram obtidas com auxilio de uma montagem especial. São realizados cálculos para as susceptibilidades diamagnéticas direcionais e respectivas anisotropias moleculares para alcanos, álcoois e anfifilicos de interesse em liornesofases . Da comparação entre as anisotropias moleculares calculadas e as medidas em liomesofases correspondentes, infere-se que o ordenamento molecular de anfifilicos, nas mesofases, deve ser alto. O método de Kirkwood, que permite correlacionar polarizabilidade elétrica com a susceptibilidade diamagnética molecular média em substâncias puras, é estendido e adaptado a misturas complexas, criando assim urna promissora perspectiva de correlação entre as medidas ópticas e magnéticas em liomesofases. Evidências experimentais diretas, da aplicabilidade da teoria do continuo para termo trópicos às liomesofases, são apresentadas. / The optical, magnetic and elastic properties of three nematic lyomesophases are studied. Two are type I (Na decyl sulfate/ water/n- decanol and K laurate/water/K chloride) and one type II (Na decyl sulfate/water/n- decano l/Na sulfate). To measure these properties we used the following equipment : texture and optical sign were observed by optical microscopy with temperature controlled, hot and cold, stages; refractive indices were measured in an adapted Pulfrich refratometer; the individual elements of the diamagnetic susceptibility tensor were measured with a vibrating sample magnetometer; the elastic constants were measured using the Frederikzs transition in a special experimental set-up. Starting from the concept of localized magnetic susceptibilities, molecular anisotropies were calculated for saturated hydrocarbons , alcohols and amphiphilic compounds, which are of interest for lyomesophases. Comparing these results with the experimentally measured anisotropies of the lyomesophases it is possible to conclude that a high degree of molecular order is present in the nematic amphiphilic systems. The Kirkwood method is extended and adapted for complex mixtures. The use of this method opens new perspectives for exploring the correlation between the molecular polarizability and the mean diamagnetic susceptibility.

Propriedades ópticas, magnéticas e elásticas de duas liomesofases nemáticas tipo I (decilsulfato de sódio/água/ n-decanol e laurato de potássio/água/cloreto de potássio) e urna tipo II (decilsulfato de sódio/água/n-decanol /sulfato de sódio) são estudadas. Nas investigações de tais propriedades as medidas realizadas e instrumentação/meios utilizados foram os seguintes: medidas de sinais ópticos, texturas e temperaturas de transições de fases foram obtidas com auxilio de um microscópio petrográfico com temperatura controlada na platina; medidas de índices de refração e birrefringências obtiveram- se com adaptações do refratômetro de Pulfrich; medidas de susceptibilidades diamagnéticas direcionais foram realizadas com adaptações ao magnetômetro de amostra vibrante; medidas de constantes elásticas foram obtidas com auxilio de uma montagem especial. São realizados cálculos para as susceptibilidades diamagnéticas direcionais e respectivas anisotropias moleculares para alcanos, álcoois e anfifilicos de interesse em liornesofases . Da comparação entre as anisotropias moleculares calculadas e as medidas em liomesofases correspondentes, infere-se que o ordenamento molecular de anfifilicos, nas mesofases, deve ser alto. O método de Kirkwood, que permite correlacionar polarizabilidade elétrica com a susceptibilidade diamagnética molecular média em substâncias puras, é estendido e adaptado a misturas complexas, criando assim urna promissora perspectiva de correlação entre as medidas ópticas e magnéticas em liomesofases. Evidências experimentais diretas, da aplicabilidade da teoria do continuo para termo trópicos às liomesofases, são apresentadas. / The optical, magnetic and elastic properties of three nematic lyomesophases are studied. Two are type I (Na decyl sulfate/ water/n- decanol and K laurate/water/K chloride) and one type II (Na decyl sulfate/water/n- decano l/Na sulfate). To measure these properties we used the following equipment : texture and optical sign were observed by optical microscopy with temperature controlled, hot and cold, stages; refractive indices were measured in an adapted Pulfrich refratometer; the individual elements of the diamagnetic susceptibility tensor were measured with a vibrating sample magnetometer; the elastic constants were measured using the Frederikzs transition in a special experimental set-up. Starting from the concept of localized magnetic susceptibilities, molecular anisotropies were calculated for saturated hydrocarbons , alcohols and amphiphilic compounds, which are of interest for lyomesophases. Comparing these results with the experimentally measured anisotropies of the lyomesophases it is possible to conclude that a high degree of molecular order is present in the nematic amphiphilic systems. The Kirkwood method is extended and adapted for complex mixtures. The use of this method opens new perspectives for exploring the correlation between the molecular polarizability and the mean diamagnetic susceptibility.