Pour le calcul de structures en bois, il convient d'appliquer les méthodes décrites dans l'Eurocode 5. L'application de ces méthodes oblige les prescripteurs à utiliser du bois classé, c'est à dire du bois dont les propriétés mécaniques sont garanties. L'attribution d'un sciage à une classe nécessite de garantir trois propriétés : la masse volumique, le module d'élasticité (MOE) et la résistance à la flexion (MOR). La détermination de la masse volumique et du MOE est relativement bien maitrisée, le verrou technologique restant concerne la prédiction du MOR. La possibilité d'améliorer cette prédiction par l'ajout de la mesure de singularités (nodosité ou pente de fil) ou de données sylvicoles dans des modèles a ainsi été étudiée. L'attribution d'un sciage à une classe mécanique est régie par des normes et la qualité de la prédiction des propriétés mécaniques n'est pas suffisante pour juger du rendement réel du classement d'un lot de sciages. C'est pourquoi les rendements de classement obtenus entre différentes technologies ont été comparés sur des essences présentant un fort potentiel de récolte en France (le douglas, l'épicéa et le chêne). La problématique de la refente de poutres en bois lamellé-collé a elle aussi été abordée. La perte de résistance engendrée par le processus de refente a ainsi été détaillée et confrontée aux recommandations normatives / The methods described in Eurocode 5 must be applied to the calculation of timber structures. The application of these methods requires prescribers to use wood whose mechanical properties are guaranteed. To assign a board to a class, three properties must be guaranteed: the density, the modulus of elasticity (MOE) and bending strength (MOR). The determination of the density and MOE is already mastered; the remaining technological obstacle concerns the prediction of MOR. The possibility to improve the prediction by measuring singularities (knot or slope of grain) or keeping the traceability of forest data has been investigated. Strength grading is governed by standards and the predictions quality of mechanical properties is not sufficient to evaluate the grading efficiency. Therefore the efficiency between different technologies has been compared on species with high harvest potential in France (Douglas fir, spruce and oak). The problems encountered when glulam beams are split have been analyzed. Particularly, the strength loss caused by the splitting process has been detailed and compared to the normative recommendations

Machine strength grading of structural timber is a sawmill process by which considerable value is added to sawn products. The principle of such grading is that the strength of a timber member is predicted on the basis of a so called indicating property (IP) which, in general, represents an averaged value of the modulus of elasticity (MOE) measured over a board length of about one meter or more. A limitation of today’s grading methods is that the accuracy of strength predictions is often rather poor, which results in a low degree of utilization as regards structural potential of sawn timber. However, it has for many years been well known to researchers that much better strength predictions can be made by using localized MOE values, determined over a very short length, as IP. Still, the determination of such values in a sawmill production environment has been technically very difficult to achieve. In the research presented in this thesis, dot laser scanning with high resolution was utilized for detection of local fibre orientation on the surfaces of timber members. Since wood is an orthotropic material with superior structural performance in the longitudinal fibre direction, information about fibre orientation was, in combination with beam theory and measured wood material properties, used to determine the bending MOE variation along boards. By application of an IP defined as the lowest MOE found along a board, more accurate strength predictions than what is obtained by common commercial grading techniques was attained. The thesis also involves flatwise wet gluing of Norway spruce side boards into laminated beams. As side boards, being cut from the outer parts of a log, have excellent structural properties it was not surprising to find that the beams had high strength and stiffness, even when laminations of sawfalling quality were used. The possibility of grading boards in a wet state by means of axial dynamic excitation was investigated with a positive result and application of simple grading rules resulted in considerable improvement of beam bending strength. Finally, bending MOE variation determined on the basis of laser scanned fibre directions was used for identification of weak sections in laminations. Elimination of such sections by means of finger jointing showed that average lamination strength of a board sample could be improved by more than 35 percent. / Hållfasthetssortering av konstruktionsvirke är en sågverksprocess som innebär att värdet av det sågade virket ökar väsentligt. Principen för denna typ av sortering är att styrkan hos ett virkesstycke predikteras med utgångspunkt från en så kallad indikerande egenskap (IP) som oftast representeras av medelvärdet av elasticitetsmodulen (E-modulen) mätt över en sträcka av minst en meter utmed virkesstyckets längd. De sorteringsmetoder som används idag ger ofta prediktioner med relativt låg noggrannhet, vilket innebär att endast en begränsad del av det sågade virkets konstruktiva potential kan utnyttjas. Det är dock väl känt att avsevärt bättre prediktioner kan erhållas genom att använda en lokal E-modul, uppmätt över en mycket kort sträcka, som IP. I dagsläget saknas dock teknik för att kunna bestämma ett sådant lokalt värde vid produktionshastighet i ett sågverk. I den forskning som presenteras i denna avhandling har punktlaserskanning med hög upplösning använts för att bestämma fiberriktningens variation på ytorna av virkesstycken. Eftersom trä är ett ortotropt material med högst styvhet och styrka i longitudinell fiberriktning ger skanningsresultaten värdefull information om hur dessa egenskaper varierar längs en planka. Genom att kombinera informationen om fiberriktning med uppmätta virkesegenskaper och klassisk balkteori, kan böjstyvhetens variation utmed en planka beräknas med hög upplösning och därefter omräknas till en E-modul i böjning. Med en IP definierad som det lägsta värdet på nämnda E-modul utmed en planka kan en högre noggrannhet i prediktionen av hållfasthet uppnås, jämfört med vad som kan erhållas med dagens sorteringsmetoder. Avhandlingen omfattar också limträbalkar tillverkade av sidobräder av gran limmade i rått tillstånd. Eftersom sidobräder sågas från de yttre delarna av en stock har de vanligtvis utmärkta konstruktiva egenskaper. Det var därför inte förvånande att balkarna uppvisade hög styrka och styvhet, även i de fall lamellerna var av sågfallande kvalitet. Möjligheten att med hjälp av axiell dynamisk excitering sortera sidobräder i rått tillstånd undersöktes med positivt resultat och genom att använda sorterade lameller kunde balkarnas styrka förbättras avsevärt. Den ovan beskrivna metoden att med utgångspunkt från bl.a. skannade fibervinklar bestämma styvhetens variation längs virkesstycken utnyttjades sedan för att identifiera svaga snitt i lameller av sidobräder. Genom att eliminera sådana snitt med hjälp av fingerskarvning kunde medelhållfastheten för ett stickprov sidobrädor höjas med mer än 35 %.

Radiata pine (Pinus radiata) is the most important plantation tree in New Zealand forestry, and factors that reduce the quality of wood cause significant economic loss. Two of the most important of these issues are compression wood and spiral grain. Compression wood is a type of reaction wood, formed when a tree moves away from the vertical, and is characterised by biochemical and structural changes within the wood that reduce its quality and value. Spiral grain, however, is the alignment of the wood grain in a helix around the tree’s axis and away from the vertical. Again, this reduces the structural qualities of the wood and thus its value. Spiral grain and compression wood are notorious for their deleterious effect on the quality of wood produced and are very important for the forest industry due to the huge economic loss they cause. The demand for reliable tools to evaluate these wood quality issues in clonal planting material at an early stage, within 3 years of germination rather than at 8 to 15 years as in current practise, is of ever increasing importance from plant breeders and other industry stake holders. Therefore this research was undertaken with an overall aim to develop quick, easy and reproducible techniques to evaluate young radiata pine clones (up to 3 years old) based on compression wood content and presence of spiral grain. This is important because a shortened breeding cycle could provide significant economic benefits to the forest industry. The incidence of these commercially important wood quality parameters has been studied in this thesis in research conducted on young trees (1 to 3 years old). The research described in this thesis used a variety of different imaging approaches to investigate wood structure, including polarised light and confocal microscopy, and X-ray tomography and circular polarised light scanning. The images achieved have been analysed using a range of different software, including Photoshop, ImageJ and Matlab bringing a quantification approach to the imaging. Compression wood was quantified in young clonal material using images collected with a commercial document scanner, and processed using image analysis tools available in Photoshop. An easy, reliable and robust, automatic image analysis protocol was successfully developed and tested for the detection and quantification of compression wood in these young trees. This new technique to detect and quantify compression wood was based on the thresholding of the blue channel of the scanned RGB image as this was demonstrated to contain the greatest image contrast. Development of this new technique may reduce the waiting time for screening clonal planting materials based on compression wood content. To understand the organisation of the grain at a cellular level within these young trees, confocal microscopy techniques were utilised. The cell wall characteristics and fluorescence properties of compression wood in comparison with normal wood were investigated using a new cellulose specific dye, pontamine fast scarlet 4B. Staining protocols for this dye for confocal microscopy were optimised, and the potential of measuring the microfibril angle of the S1 and S3 layers of the pontamine treated opposite wood was demonstrated through either direct observations of these layers, or through the property of bifluorescence where the dye is excited only when aligned parallel to the polarisation of the incident light. Despite extensive work with confocal microscopy, this technique proved to be unsuitable for investigations of spiral grain because although it provided cellular detail, imaging was limited to the surface layers of sections, and the area over which observations were required was prohibitive. Instead of confocal microscopy, the incidence of spiral grain in young stems was investigated in two completely new ways. Resin canals, which are formed from the same cambial initials as the tracheids and which align with the grain, were used as a proxy to demonstrate the grain changes. A novel technique, using circular polarised light and a professional flatbed scanner, was developed to image whole serial transverse sections of the young stems to detect the resin canals. Using ImageJ, the number and location of resin canals was measured on vertical controls, and trees that had been rocked and leaned. The number and frequency of resin canals were less in tilted trees, especially in compression wood, compared to the higher number of canals formed in the rocked trees. More importantly, a combination of serial sectioning and this approach allowed a 3-dimensional view of the orientation of resin canals inside a stem to be generated with ImageJ, and the angles of these canals could be measured using Matlab. The resin canals were oriented with a left-handed spiralling near the stem surface whereas the canals near to the pith were nearly straight, consistent with previous observations of the development of spiral grain in radiata pine. However, it was observed that while vertical trees had a symmetric pattern of grain and grain changes around the stem, this was not the case in tilted trees. In these, the opposite wood often had severe spiral grain visible through formation of twist whereas the compression wood formed on the lower side had bending. Consistent with this, grain associated with compression wood was significantly straighter than in opposite wood. This hitherto unknown link between the incidence of compression wood and spiral grain was investigated and explained on the basis of the characteristics of resin canals in these types of wood. X-ray micro-tomography was also used to investigate resin canals in the stubs from which serial sections were collected. The 3D reconstructions of the resin canals showed exactly the same patterns as observed by polarised light scanning.

Spiral grain in trees causes trouble to the wood industry, since boards sawn from trees with large grain angle have severe problems with form stability. Measurements of the grain angle under bark enable the optimisation of the refining process. The main objective of this thesis is to study the potential in estimating the grain angle by using microwaves. To do this, electromagnetic modelling and sensitivity analysis are combined. The dielectric properties of wood are different along and perpendicular to the wood fibres. This anisotropy is central for the estimation of the grain angle by means of microwaves. To estimate the grain angle, measurements are used together with electromagnetic modelling for the scattering from plane surfaces and cylinders. Measurement set-ups are proposed to determine the material parameters, such as the grain angle, for plane boards and cylindrical logs. For cylindrical logs both near-field and far-field measurements are investigated. In general, methods for determining material parameters exhibit large errors in the presence of noise. In this case, acceptable levels of these errors are achieved throug using few material parameters in the model: the grain angle and two dielectric parameters, characterising the electrical properties parallel and perpendicular to the fibres. From the case with plane boards, it is concluded that it is possible to make use of the anisotropy of wood to estimate the grain angle from the reflected electromagnetic field. This property forms then the basis of the proposed methods for the estimation of the grain angle in cylindrical logs. For the proposed methods, a priori knowledge of the moisture content or temperature of the wood is not needed. Furthermore, since the anisotropy persist also for frozen wood, the method is valid for temperatures below zero degrees Celsius. For the case with cylindrical logs, sensitivity analysis is applied to the near-field as well as the far-field methods, to analyse the parameter dependence with respect to the measurement model and the errors introduced by noise. In this sensitivity analysis, the Cram\'r-Rao bound is used, giving the best possible variance for estimating the parameters. The levels of the error bounds are high, indicating a problematic estimation problem. However, the feasibility of accurate estimation will be improved through higher signal-to-noise ratios, repeated measurements, and better antenna gain. The sensitivity analysis is also useful as an analytical tool to understand the difficulties and remedies related to the method used for determining material parameters, as well as a practical aid in the design of a measurement set-up. According to the thesis, grain angle estimation is possible with microwaves. The proposed methods are fast and suitable for further development for in-field use in the forest or in saw mills. / Träd med växtvridenhet orsakar problem i träindustrin eftersom brädor som sågats från träd med stor fibervinkel har problem med formstabiliteten och vrider sig då de torkas. Mätning av fibervinkeln under bark möjliggör optimering av förädlingsprocessen. I den här avhandlingen kombineras elektromagnetisk modellering och känslighetsanalys för att undersöka möjligheterna att bestämma fibervinkeln med mikrovågor. De elektriska egenskaperna hos trä är olika längs med och vinkelrätt mot fibrerna. Den här anisotropin är utgångspunkten för att bestämma fibervinkeln med hjälp av mikrovågor. För att skatta fibervinkeln används mätningar tillsammans med elektromagnetisk modellering för spridningen från plana ytor och cylindrar. Mätuppställningar föreslås för problemet att skatta materialparametrar, såsom fibervinkeln, i plana brädor och cylindriska stockar. För cylindriska stockar undersöks både närfälts- och fjärrfältsmätningar. I allmänhet har metoder för skattning av materialparametrar stora fel då systemet innehåller brus. Här erhålls acceptabla fel genom att använda få materialparametrar i modelleringen. De materialparametrar som används är fibervinkeln och två dielektriska parametrar som karakteriserar de elektriska egenskaperna längs med och vinkelrätt mot träfibern. Slutsatsen från fallet med plana brädor är att det är möjligt att använda anisotropin hos trä och dess påverkan på ett reflekterat elektromagnetiskt fält för att skatta fibervinkeln. Detta är grunden i de metoder som föreslås för cylindriska stockar. För samtliga metoder så gäller att varken fukthalt eller temperatur behöver vara kända på förhand. Eftersom anisotropin kvarstår också för fruset trä så är metoderna användbara även för temperaturer under noll grader Celsius. För fallet med cylindriska stockar används känslighetsanalys på både närfälts- och fjärrfältsmetoderna för att analysera parameterberoendet i uppmätt data samt felen som introduceras av brus. I den här känslighetsanalysen används Cram\'{e}r-Rao gränsen som ger den bästa möjliga variansen för skattning av parametrarna. Nivåerna på gränserna är höga vilket indikerar att det är ett svårt estimeringsproblem. Möjligheterna att skatta parametrarna noggrant förbättras genom bättre signal-brus förhållande, upprepade mätningar samt ökad antennstyrka. Känslighetsanalysen är också användbar som ett analytiskt verktyg för ökad förståelse för problem och möjligheter relaterade till metoden för att skatta parametrarna och som ett praktiskt stöd för design av en mätuppställning. Enligt avhandlingen är skattning av fibervinkel möjlig med mikrovågor. De föreslagna metoderna är snabba och lämpliga att utveckla vidare för användning i skogen eller i sågverk.

Wood is a major construction material that is used in many contexts, and for different purposes. Serious problems may arise, however, when moisture related deformations as twist occur in wood used in different types of building structures, joinery and furniture. Twist can be explained to a great degree by the helical deviation of the grain angle in relation to the longitudinal direction of the log or the sawn board. Wood fibres form a spiral within the tree, and this is a natural occurrence that is named spiral grain. The wood fibres close to the pith in Norway spruce form a left-handed spiral. In most trees the grain angle turns over to be right-handed with time. Sawn timber that exhibits large grain angles lead to problems of shape stability and stiffness in finished constructions. In this thesis the spiral grain in Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) was stated as well as the effect on sawn timber. The material was based on sample trees from Sweden and Finland. Samples were taken in twenty-two stands at different heights in tree. From six stands studs were sawn and dried for measuring twist and other deformations. The spiral grain was measured with the method scribe test on 390 log discs taken at the top-end of the logs. Account was given concerning changes in grain angle from pith to bark, regarding both increasing annual ring numbers and distance from pith. The development of grain angle over tree age was utilized to study whether annual growth, size of tree, height in tree as well as silvicultural treatments affected spiral grain. Moreover, the relation between grain angle and distance to pith (in mm) was used to forecast twist in sawn timber. The left-handed grain angle was at its greatest between the fourth and eighth annual rings. Thereafter for most trees the grain angle turned from left-handed to right-handed in a linear fashion, in a manner that was unique for each individual tree. The pattern of spiral grain differed significantly between different stands, regarding change of inclination with increasing age or distance from pith. The culmination of the grain angle close to the pith occurred at somewhat higher age higher up in the trunk. The grain angle decreased faster in top logs than it did in the butt logs. The largest trees within a stand had a grain angle that turned to right in a slower way than smaller ones. The thinning strength and type of thinning regime also affected the character of spiral grain in the remaining trees in a stand. There was an indication that strong thinnings, where fast growing trees are retained, may lead to more individuals in a stand that exhibit high grain angles under bark. With knowledge of the size and direction of the grain angle under bark, and the diameter of the log, calculations can be made that show how twisted the sawn timber will be after drying. This can be used for deciding whether an individual log can profitably be sawn and processed further or not. The grain angle under bark can be used to remove trees showing the greatest degree of spiral grain already in the first thinning. Silvicultural methods aiming at even and dense Norway spruce stands, which normally is practised in Scandinavia, will probably result in timber with relatively low risk concerning large grain angle and subsequent risk for twist in sawn wood.

<p>Spiral grain in trees causes trouble to the wood industry, since boards sawn from trees with large grain angle have severe problems with form stability. Measurements of the grain angle under bark enable the optimisation of the refining process. The main objective of this thesis is to study the potential in estimating the grain angle by using microwaves. To do this, electromagnetic modelling and sensitivity analysis are combined.</p><p>The dielectric properties of wood are different along and perpendicular to the wood fibres. This anisotropy is central for the estimation of the grain angle by means of microwaves. To estimate the grain angle, measurements are used together with electromagnetic modelling for the scattering from plane surfaces and cylinders. Measurement set-ups are proposed to determine the material parameters, such as the grain angle, for plane boards and cylindrical logs. For cylindrical logs both near-field and far-field measurements are investigated. In general, methods for determining material parameters exhibit large errors in the presence of noise. In this case, acceptable levels of these errors are achieved throug using few material parameters in the model: the grain angle and two dielectric parameters, characterising the electrical properties parallel and perpendicular to the fibres.</p><p>From the case with plane boards, it is concluded that it is possible to make use of the anisotropy of wood to estimate the grain angle from the reflected electromagnetic field. This property forms then the basis of the proposed methods for the estimation of the grain angle in cylindrical logs. For the proposed methods, a priori knowledge of the moisture content or temperature of the wood is not needed. Furthermore, since the anisotropy persist also for frozen wood, the method is valid for temperatures below zero degrees Celsius.</p><p>For the case with cylindrical logs, sensitivity analysis is applied to the near-field as well as the far-field methods, to analyse the parameter dependence with respect to the measurement model and the errors introduced by noise. In this sensitivity analysis, the Cram\'{e}r-Rao bound is used, giving the best possible variance for estimating the parameters. The levels of the error bounds are high, indicating a problematic estimation problem. However, the feasibility of accurate estimation will be improved through higher signal-to-noise ratios, repeated measurements, and better antenna gain. The sensitivity analysis is also useful as an analytical tool to understand the difficulties and remedies related to the method used for determining material parameters, as well as a practical aid in the design of a measurement set-up.</p><p>According to the thesis, grain angle estimation is possible with microwaves. The proposed methods are fast and suitable for further development for in-field use in the forest or in saw mills.</p> / <p>Träd med växtvridenhet orsakar problem i träindustrin eftersom brädor som sågats från träd med stor fibervinkel har problem med formstabiliteten och vrider sig då de torkas. Mätning av fibervinkeln under bark möjliggör optimering av förädlingsprocessen. I den här avhandlingen kombineras elektromagnetisk modellering och känslighetsanalys för att undersöka möjligheterna att bestämma fibervinkeln med mikrovågor.</p><p>De elektriska egenskaperna hos trä är olika längs med och vinkelrätt mot fibrerna. Den här anisotropin är utgångspunkten för att bestämma fibervinkeln med hjälp av mikrovågor. För att skatta fibervinkeln används mätningar tillsammans med elektromagnetisk modellering för spridningen från plana ytor och cylindrar. Mätuppställningar föreslås för problemet att skatta materialparametrar, såsom fibervinkeln, i plana brädor och cylindriska stockar. För cylindriska stockar undersöks både närfälts- och fjärrfältsmätningar. I allmänhet har metoder för skattning av materialparametrar stora fel då systemet innehåller brus. Här erhålls acceptabla fel genom att använda få materialparametrar i modelleringen. De materialparametrar som används är fibervinkeln och två dielektriska parametrar som karakteriserar de elektriska egenskaperna längs med och vinkelrätt mot träfibern.</p><p>Slutsatsen från fallet med plana brädor är att det är möjligt att använda anisotropin hos trä och dess påverkan på ett reflekterat elektromagnetiskt fält för att skatta fibervinkeln. Detta är grunden i de metoder som föreslås för cylindriska stockar. För samtliga metoder så gäller att varken fukthalt eller temperatur behöver vara kända på förhand. Eftersom anisotropin kvarstår också för fruset trä så är metoderna användbara även för temperaturer under noll grader Celsius.</p><p>För fallet med cylindriska stockar används känslighetsanalys på både närfälts- och fjärrfältsmetoderna för att analysera parameterberoendet i uppmätt data samt felen som introduceras av brus. I den här känslighetsanalysen används Cram\'{e}r-Rao gränsen som ger den bästa möjliga variansen för skattning av parametrarna. Nivåerna på gränserna är höga vilket indikerar att det är ett svårt estimeringsproblem. Möjligheterna att skatta parametrarna noggrant förbättras genom bättre signal-brus förhållande, upprepade mätningar samt ökad antennstyrka. Känslighetsanalysen är också användbar som ett analytiskt verktyg för ökad förståelse för problem och möjligheter relaterade till metoden för att skatta parametrarna och som ett praktiskt stöd för design av en mätuppställning.</p><p>Enligt avhandlingen är skattning av fibervinkel möjlig med mikrovågor. De föreslagna metoderna är snabba och lämpliga att utveckla vidare för användning i skogen eller i sågverk.</p>

Aspen (Populus tremula L.) accounts for about 2% of the total wood stock in Sweden. Sawmills use only a small part (about 5,000 m³fub) of round wood aspen per year. Since there are no Swedish gradings and design values for aspen, no aspen is used for structural purposes. This also applies to other hardwood trees in Sweden. Aspen is mainly used for pulp and paper with a mass consumption of 800,000 m³fub per year of which about 50% is imported. Most imported aspen is from Russia and the Baltics. The other major use of aspen is in match industries. Consumption for matches amounts to approximately 30,000 m³fub per year in Sweden. The aim of the research work was to increase knowledge on the wood quality of aspen used in the production of matches. Aspen (Populus tremula L.) logs were collected from two different sites in Sweden and a non-destructive tools weas used to estimate the modulus of elasticity in logs. To measure the dynamic modulus of elasticity (MOEdyn), Fakopp resonance log grader used. Other properties like density and moisture content were measure and were correlated with the MOEdyn values in order to identify the site that has a better log quality. Besides, horizontal and vertical variation of different wood properties were measured and compared within and between trees from two different sites in order to justify the variation of log quality. A total of 20 trees from Askaremåla and Vimmerby, Sweden were felled and used in this study. From each tree, 3 m long logs were sampled from each base, middle and top. After that, non-destructive evaluations were performed in those logs. Besides, 5 cm thick discs were collected in every tree height (base, middle and top) to measure horizontal and vertical variations. This study shows that there were differences in MOEdyn between and within trees. It was evident that trees collected from Vimmerby had a better log property than that in Askaremåla. Using non-destructive tools, it is possible to sort out quality logs for the production of Swedish matches.

Estimating parameters is the problem of finding their values from measurements and modelling. Parameters describe properties of a system; material, for instance, are defined by mechanical, electrical, and chemical parameters. Fisher information is an information measure, giving information about how changes in the parameter effect the estimation. The Fisher information includes the physical model of the problem and the statistical model of noise. The Cramér-Rao bound is the inverse of the Fisher information and gives the best possible variance for any unbiased estimator. This thesis considers aspects of sensitivity analysis in two applied material parameter estimation problems. Sensitivity analysis with the Fisher information and the Cramér-Rao bound is used as a tool for evaluation of measurement feasibilities, comparison of measurement set-ups, and as a quantitative measure of the trade-off between accuracy and resolution in inverse imaging. The first application is with estimation of the wood grain angle parameter in trees and logs. The grain angle is the angle between the direction of the wood fibres and the direction of growth; a large grain angle strongly correlates to twist in sawn timber. In the thesis, measurements with microwaves are argued as a fast and robust measurement technique and electromagnetic modelling is applied, exploiting the anisotropic properties of wood. Both two-dimensional and three-dimensional modelling is considered. Mathematical modelling is essential, lowering the complexity and speeding up the computations. According to a sensitivity analysis with the Cramér-Rao bound, estimation of the wood grain angle with microwaves is feasible. The second application is electrical impedance tomography, where the conductivity of an object is estimated from surface measurements. Electrical impedance tomography has applications in, for example, medical imaging, geological surveillance, and wood evaluation. Different configurations and noise models are evaluated with sensitivity analysis for a two-dimensional electrical impedance tomography problem. The relation between the accuracy and resolution is also analysed using the Fisher information. To conclude, sensitivity analysis is employed in this thesis, as a method to enhance material parameter estimation. The sensitivity analysis methods are general and applicable also on other parameter estimation problems. / Estimering av parametrar är att finna deras värde utifrån mätningar och modellering. Parametrar beskriver egenskaper hos system och till exempel material kan definieras med mekaniska, elektriska och kemiska parametrar. Fisherinformation är ett informationsmått som ger information om hur ändringar i en parameter påverkar estimeringen. Fisherinformationen ges av en fysikalisk modell av problemet och en statistisk modell av mätbruset. Cramér-Rao-gränsen är inversen av Fisherinformationen och ger den bästa möjliga variansen för alla väntevärdesriktiga estimatorer.Den här avhandlingen behandlar aspekter av känslighetsanalys i två tillämpade estimeringsproblem för materialparametrar. Känslighetsanalys med Fisherinformation och Cramér-Rao-gränsen används som ett redskap för utvärdering av möjligheten att mäta och för jämförelser av mätuppställningar, samt som ett kvantitativt mått på avvägningen mellan noggrannhet och upplösning för inversa bilder. Den första tillämpningen är estimering av fibervinkeln hos träd och stockar. Fibervinkeln är vinkeln mellan växtriktningen och riktningen hos träfibern och en stor fibervinkel är relaterad till problem med formstabilitet i färdiga brädor. Mikrovågsmätningar av fibervinkeln presenteras som en snabb och robust mätteknik. I avhandlingen beskrivs två- och tredimensionella elektromagnetiska modeller som utnyttjar anisotropin hos trä. Eftersom matematisk modellering minskar komplexiteten och beräkningstiden är det en viktig del i estimeringen. Enligt känslighetsanalys med Cramér-Rao-gränsen är estimering av fibervinkeln hos trä möjlig. Den andra tillämpningen är elektrisk impedanstomografi, där ledningsförmågan hos objekt bestäms genom mätningar på ytan. Elektrisk impedanstomografi har tillämpningar inom till exempel medicinska bilder, geologisk övervakning och trämätningar. Olika mätkonfigurationer och brusmodeller utvärderas med känslighetsanalys för ett tvådimensionellt exempel på elektrisk impedanstomografi. Relationen mellan noggrannhet och upplösning analyseras med Fisher information. För att sammanfatta beskrivs känslighetsanalys som en metod för att förbättra estimeringen av materialparametrar. Metoderna för känslighetsanalys är generella och kan tillämpas också på andra estimeringsproblem för parametrar.

Strength grading of structural timber is a process by which value is added to sawn products. It is to the greater part carried out using machine grading based on statistical relationships between so called indicating properties and bending strength. The most frequently applied indicating property (IP) on the European market is the stiffness in terms of average modulus of elasticity (MOE) of a timber piece, although MOE is a material property that varies within timber. A major limitation of today’s grading methods is that the described relationships are relatively poor, which means that there is a potential for more accurate techniques. The main purpose of this research has been to initiate development of more accurate and efficient machine grading methods. Strength of timber is dependent on the occurrence of knots. At the same time, knot measures applied as indicating properties until today have shown to be poor predictors of strength. However, results from this research, and from previous research, has shown that not only size and position of knots but also fibre deviations in surrounding clear wood are of great importance for local stiffness and development of fracture under loading. Thus, development of new indicating properties which take account of knots as well as properties of surrounding fibres, determined on a very local scale, was considered as a possible path towards better strength grading. In the research, results from contact-free deformation measurements were utilized for analysis of structural behaviour of timber on both local and global level. Laser scanning was used for detection of local fibre directions projected on surfaces of pieces. Scanned information, combined with measures of density and average axial dynamic MOE, was applied for calculation of the variation of local MOE in the longitudinal board direction. By integration over cross-sections along a piece, a stiffness profile in edgewise bending was determined and a new IP was defined as the lowest bending MOE along the piece. For a sample of Norway spruce planks, a coefficient of determination of 0.68 was achieved between the new IP and bending strength. For narrow side boards to be used as laminations in wet-glued glulam beams, the relationship between IP and tensile strength was as high as 0.77. Since the intended use of the narrow boards was as laminations in wet-glued beams, the possibility of grading them in a wet state was also investigated. Grading based on axial dynamic excitation and weighing gave just as good results in a wet state as when the same grading procedure was applied after drying. It was also found that the relationship between the new IP and strength was dependent on what scale the IP was determined. Optimum was reached for moving average MOE calculated over lengths corresponding with approximately half the width of investigated pieces. Implementation of the new IP will result in grading that is more accurate than what is achieved by the great majority of today’s grading machines. The new method will probably also be particularly favourable for development of engineered wood products made of narrow laminations. / Hållfasthetssortering av konstruktionsvirke innebär att värdet på sågade produkter ökar. Sorteringen genomförs oftast med maskinella metoder baserade på statistiska samband mellan s.k. indikerande egenskaper och böjhållfasthet. Den indikerande egenskap (indicating property, IP) som är vanligast på den Europeiska marknaden är styvhet uttryckt som ett medelvärde för elasticitetsmodulen (modulus of elasticity, MOE) i ett virkesstycke, trots att MOE är en materialegenskap som varierar i virket. En betydande begränsning med dagens sorteringsmetoder är att de beskrivna sambanden är förhållandevis svaga, vilket innebär att det finns en potential för metoder med högre noggrannhet. Det huvudsakliga syftet med detta doktorandprojekt har varit att initiera en utveckling mot sådana metoder. Hållfasthet hos virke är beroende av förekomst av kvistar. Samtidigt har de kvistmått som fram till idag kommit till användning visat sig vara dåliga prediktorer av hållfasthet. Resultat från såväl denna som tidigare forskning har dock visat att inte bara kvistars storlek och läge, utan också variationen i fiberriktning i omgivande träfibrer, är av stor betydelse för lokal styvhet och brottförlopp under inverkan av last. Utveckling av nya IP som tar hänsyn till såväl kvistar som omgivande träfibrers egenskaper fastställda på mycket lokal nivå bedömdes vara en möjlig väg för att uppnå bättre hållfasthetssortering. I detta doktorandprojekt användes beröringsfri deformationsmätning för analys av det strukturella beteendet hos virkesstycken på såväl lokal som global nivå. Laserskanning utnyttjades för detektering av lokala fiberriktningar projicerade på virkesstyckenas ytor. Med utgångspunkt från skannad information, virkesdensitet och medelvärde för axiell dynamisk elasticitetsmodul kunde variationen i lokal elasticitetsmodul i virkesstyckenas längdriktning bestämmas. Genom integration över tvärsektioner längs ett virkesstycke kunde en profil över hur böjstyvheten i styva riktningen varierade i virkesstyckets längdriktning beräknas. En ny IP definierades som den lägsta elasticitetsmodulen i böjning utmed virkesstyckets längd. För ett urval av granplankor erhölls en förklaringsgrad på 0.68 mellan den nya indikerande egenskapen och böjhållfasthet. För smala sidobrädor avsedda att användas som lameller i våtlimmade limträbalkar var motsvarande förklaringsgrad mellan samma IP och draghållfasthet så hög som 0.77. Eftersom sidobrädorna var avsedda att användas som lameller i våtlimmade balkar genomfördes en studie avseende möjligheten att hållfasthetssortera i vått tillstånd med hjälp av axiell dynamisk excitering och vägning. Det visade sig att sådan sortering gav lika bra resultat som då samma metod användes efter torkning. Sambandet mellan den nya indikerande egenskapen och hållfasthet visade sig också vara beroende av på vilken lokal nivå som egenskapen beräknades. Optimum uppnåddes då den bestämdes som ett glidande medelvärde beräknat över en längd motsvarande ungefär halva virkesstyckets höjd. Implementering av den nya sorteringsmetoden kommer att resultera i sortering som är noggrannare än vad som kan erhållas med det stora flertalet av de sorteringsmetoder som finns idag. Den nya indikerande egenskapen kommer sannolikt att bli särskilt gynnsam att använda för utveckling av ingenjörsmässiga träprodukter bestående av smala lameller.

Birch plywood has favorable mechanical properties that could be used in new types of connections for timber structures, and thus enable a substitution of the current system with steel plates. Such new connections could result in significant advantages in terms of environmental impact and economy as well as ease of prefabrication and mountability. However, there is a lack of data concerning some of the mechanical properties of birch plywood that would be necessary in order to perform a safe design. In particular, there is a lack of reliable data and understanding of the mechanical properties of birch plywood in directions other than along and perpendicular to the face grain. The aim of this thesis is to gain new knowledge about this anisotropy and to study the variation of the in-plane mechanical properties of birch plywood at different loading angles to the face grain, including effects of size and moisture changes. The goal is that this knowledge will serve as input for the design of birch plywood connections under various loading conditions in timber structures. Specifically, birch plywood specimens were laboratory tested in in-plane tension, compression, shear and bending. The results show that birch plywood possesses the highest tensile, compressive and bending strength and elastic modulus parallel to the face grain and the lowest ones at 45° to the face grain. The opposite findings were noticed for the shear strength and the shear modulus. Moreover, a size effect on the in-plane bending strength property was observed at 0° (parallel) and 90° (perpendicular) to the face grain but not at other angles, which is attributed to the different failure mechanisms. In addition, the increase of moisture leads to the decreased bending strength and elastic modulus in the hygroscopic range. Validated by the experimental work, both analytical and numerical models to predict the mechanical performance of birch plywood under different load conditions and various moisture contents are proposed. / Björkplywood har gynnsamma mekaniska egenskaper som skulle kunna användas i nya typer av knutpunkter (förband) för träkonstruktioner, och därmed möjliggöra en substituering av dagens system med stålplåtar. Sådana nya knutpunkter kan innebära avsevärda fördelar när det gäller miljöpåverkan och ekonomi samt en enkel prefabricering och monterbarhet. Det saknas dock data när det gäller vissa mekaniska egenskaper hos björkplywood som är nödvändiga för att kunna utföra en säker design. I synnerhet saknas tillförlitliga data och förståelse kring de mekaniska egenskaperna hos björkplywood i andra riktningar än längs och tvärs dess ytfanér. Syftet med denna avhandling är att ta fram ny kunskap om denna anisotropi och studera variationen av de mekaniska egenskaperna hos björkplywood i dess plan vid olika belastningsvinklar mot ytfanérets fiberriktning, inklusive effekter av storlek och fuktförändringar. Målet är att denna kunskap ska fungera som input för design av björkplywood-förband under olika belastningsförhållanden i träkonstruktioner. Specifikt testades prover av björkplywood i dess plan i drag, tryck, skjuvning och böjning. Resultaten visar att björkplywood har den högsta drag-, tryck- och böjhållfastheten och elasticitetsmodulen parallellt med ytfanérets fiberriktning och den lägsta vid 45° mot densamma. Det motsatta gäller för skjuvhållfasthet och -modul. Dessutom observerades en storlekseffekt avseende böjhållfastheten vid 0° (parallell) och 90° (vinkelrätt) mot ytfanérets fiberriktning men inte vid andra vinklar, vilket förklaras genom de olika brottmekanismerna. Dessutom leder ökningen av fukt till minskad böjhållfasthet och elasticitetsmodul i det hygroskopiska området. Validerat av det experimentella arbetet föreslås både analytiska och numeriska modeller för att förutsäga den mekaniska prestandan hos björkplywood under olika belastningsförhållanden och olika fuktkvoter. / <p>QC 20221117</p>