Glulam beams reinforced with FRP externally-bonded: theoretical and experimental evaluation

The glued- laminated lumber (glulam) technique is an efficient process for the rational use of wood. Fiber-reinforced polymer (FRPs) associated with glulam beams provide significant improvements in strength and stiffness and alter the failure mode of these structural elements. In this context, this paper presents guidance for glulam beam production, an experimental analysis of glulam beams made of Pinus caribea var. hondurensis species without and with externally-bonded FRP and theoretical models to evaluate reinforced glulam beams (bending strength and stiffness). Concerning the bending strength of the beams, this paper aims only to analyze the limit state of ultimate strength in compression and tension. A specific disposal was used in order to avoid lateral buckling, once the tested beams have a higher ratio height-to-width. The results indicate the need of production control so as to guarantee a higher efficiency of the glulam beams. The FRP introduced in the tensile section of glulam beams resulted in improvements on their bending strength and stiffness due to the reinforcement thickness increase. During the beams testing, two failure stages were observed. The first was a tensile failure on the sheet positioned under the reinforcement layer, while the second occurred as a result of a preliminary compression yielding on the upper side of the lumber, followed by both a shear failure on the fiber-lumber interface and a tensile failure in wood. The model shows a good correlation between the experimental and estimated results.

Puukuitulujitteiset muovikomposiitit puunjalostusteollisuudessa

Puukuitulujitteisten muovikomposiittien käyttömäärät ovat maailmanlaajuisesti kasvaneet jatkuvasti viimeisen 15 vuoden aikana.Kasvun on ennustettu jatkuvan voimakkaana myös tulevaisuudessa. Diplomityön tavoitteena oli selvittää puukuitulujitteisten muovikomposiittimateriaalien soveltuvuus erääseen, mahdollisesti rakennusteollisuuden käyttöön tulevaan, tuotteeseen. Tutkittaviksi materiaaliyhdistelmiksi valittiin sekä kerta- että kestomuovin ja puu- jauhon seos. Puujauho oli koivupuista sahaus- ja hiontajätettä. Molemmissa tapauksissa puun osuus komposiitissa oli 30 p-%. Koekappaleiden valmistuksessakäytettiin koivupuisia muotteja, joihin materiaali annosteltiin. Kertamuovin japuujauhon seos kovettui huoneenlämmössä. Kestomuovin ja puujauhon seoksen sulatukseen käytettiin lämmitettävillä puristinlevyillä varustettua aihiopuristinta. Koekappaleille määritettiin taivutuslujuudet taivutuskokeen avulla. Koekappaleiden taivutuslujuuksia verrattiin mm. lattialastulevyn ja koivuliimalevyn arvoihin. Liimalevyn taivutuslujuus muihin verrattuna oli huomattavasti suurempi. Komposiittimateriaalista valmistettujen koekappaleiden taivutuslujuus oli lähellä lattia-lastulevyn tasoa, osittain jonkin verran parempikin. Diplomityössä saatujen tulosten perusteella voidaan todeta puukuitulujitteisilla muovikomposiiteilla olevan kehityspotentiaalia myös tutkimuskohteen tyyppisissä ratkaisuissa. Jatkotutkimusta tulisi kohdistaa ennen kaikkea kestomuovipohjaisen komposiittimateriaalinsuuntaan.

Kalvosuodatusprosessin tehostaminen paperiteollisuuden sovelluksissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kalvosuodatuksen esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Työn kirjallisuusosassa käsitellään vuon alenemiseen vaikuttavia tekijöitä, esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Kokeellisessa osassa tutkittiin kemiallisten esikäsittelyjen vaikutusta vuon alenemiseen paperitehtaan happaman kiertoveden kirkkaan suodoksen kalvosuodatuksessa. Esikäsittelykemikaalit olivat ympäristöystävällisiä ja paperinvalmistusprosessiin soveltuvia. Lisäksi tutkittiin kalvonpesuaineiden pesutehokkuuksia. Tutkitut esikäsittelyaineet olivat mikrokiteinen kitosaani, karboksimetyyliselluloosa, selluloosa- ja puukuitu sekä kaupallinen antiskalantti. Pesuaineista tutkittiin kolmea kaupallista kalvonpesuainetta, yhtä kalvopesun tehostusainetta sekä peretikkahappoa. Kokeet tehtiin kahdella laboratoriomittakaavaisella kalvosuodattimella. Kalvoina käytettiin kahta nanosuodatus- ja yhtä ultrasuodatuskalvoa. Vuon alenemista tutkittiin suodatuksen aikaisena alenemisena ja vesivuohon verrattavana alenemisena. Esikäsittelyjen vaikutusta erotustehokkuuteen tutkittiin ioni-, johtokyky-, orgaanisen hiilen kokonaispitoisuus-, sokeri-, sameus- ja ligniinireduktioilla. Lisäksi määritettiin kalvon likaantuminen suodatuksen aikana vesivuon määrityksillä ennen ja jälkeen suodatuksen. Pesutehokkuus määritettiin vesivuon määrityksillä suodatuksen jälkeen ja pesun jälkeen. Kitosaani- ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyillä oli vuon alenemista estävä vaikutus hydrofiilisellä nanosuodatuskalvolla suodatettaessa. Kitosaanikäsittelyn 5 g/dm3:n ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyn 2 g/ dm3:n annostuksella vuot alentuivat suodatuksen aikana 8 %-yksikköä vähemmän kuin ilman esikäsittelyä. Puukuitukäsittely stabiloi 0,1 g/dm3:n annostuksella saman kalvon vuota, kun kiintoainetta ei poistettu syötöstä. Hydrofobisen nanosuodatuskalvon vuon alenemista ehkäisivät puu- ja selluloosakuitukäsittelyt sekä karboksimetyyliselluloosakäsittely. Karboksimetyyliselluloosakäsittely vähensi vuon alenemista 25 %-yksikköä ja puukuitukäsittely 13 %-yksikköä. Hydrofiilisellä ultrasuodatuskalvolla vuon aleneminen oli pientä ilman esikäsittelyä. Reduktioihin esikäsittelyt vaikuttivat parhaiten ultrasuodatuskalvolla. Kitosaanikäsittely nosti 1 g/dm3:n annostuksella alumiinireduktion 50 %:sta 96 %:iin ja 5 g/dm3:n annostuksella rautareduktion 30 %:sta 55 %:iin. Karboksyylimetyyliselluloosakäsittelyt vaikuttivat parantavasti mangaanin, magnesiumin, raudan ja kalsiumin reduktioihin. Optimi karboksyylimetyyliselluloosa-annostus oli 2 g/dm3. Merkittävin reduktion nousu oli kalsiumilla, jonka reduktio nousi esikäsittelyllä 4 %:sta 57 %:iin. Reduktiota nostava mekanismi oli kalvon pinnalle muodostuva sekundaarikerros. Pesuaineista tehokkain oli entsyymiä sisältävä kalvonpesuaine. Suurin vaikutus sillä oli hydrofobisen nanosuodatuskalvon pesussa. Optimiannostuksella (0,5 %) kalvon vesivuo pesun jälkeen oli 114 % pesua edeltäneestä vesivuosta. Muut kaupalliset pesuaneet oli tehokkaita hydrofiilisille kalvoille. Peretikkahappo oli yksittäisenä pesuaineena heikkotehoinen.

Puupohjaisten kuitukomposiittien materiaalitekniset mahdollisuudet veneteollisuudessa

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää puupohjaisten kuitukomposiittimateriaalien soveltuvuutta veneteollisuuden valmistusmateriaaliksi. Huviveneiden rakennusta säätelee huvivenedirektiivi ja lukuisat standardit. Standardien mukaan uusien materiaalien käyttö veneenrakennuksessa on mahdollista, mikäli materiaalin ominaisuudet todetaan muun muassa laboratoriotesteissä soveltuviksi kyseiseen käyttötarkoitukseen. Tutkimusta varten valmistettiin kuusi erilaista kuitukomposiittimateriaalia. Tutkimuksessa käytettiin myös neljän kaupallisen puumuovikomposiittivalmistajan materiaalia. Vertailumateriaaleiksi valittiin puuraaka-aineista mänty, saarni ja mahonki sekä muoviraakaaineista ABS – muovi. Tarkisteltaville materiaaleille määriteltiin standardien mukaisin testein taivutuslujuus, vetolujuus, Charpy – iskulujuus, Brinell – kovuus, veden absorptio sekä paksuusturpoama. Saatuja arvoja vertailtiin vertailumateriaalien kirjallisuudessa mainittuihin arvoihin. Puupohjaisten kuitukomposiittien ominaisuudet jäivät vertailumateriaalien vastaavista lukuun ottamatta Brinell – kovuutta. Taivutus- ja vetolujuuden osalta eräiden kaupallisten puumuovikomposiittivalmistajien ilmoittamat lujuusarvot olivat lähellä veneenrakennuksessa käytettyjen materiaalien vastaavia. Suurimpana yksittäisenä haasteena puukuitupohjaisilla kuitukomposiiteilla havaittiin Charpy – iskulujuus. Myös veden absorption saattaminen alhaiseksi havaittiin tärkeäksi veneilysovelluksissa. Ominaisuuksien kehittäminen on kuitenkin käytettävissä olevan tutkimustiedon perusteella mahdollista. Diplomityössä saatujen tulosten perusteella on puupohjaisilla kuitukomposiiteilla potentiaalia veneteollisuudessa. Jatkotutkimusta tulisikin kohdistaa materiaalin ominaisuuksien kehittämiseen.

Kytkentäaineet puumuovikomposiiteissa

Puumuovikomposiittien valmistuksessa yhdistetään kaksi toisistaan eroavaa materiaalia jolloin saadaan aikaan materiaalien ominaisuuksien ainutlaatuinen yhdistelmä. Polymeerimateriaaleina käytetään pääasiassa erilaisia kestomuoveja. Kuitumateriaaleina voidaan käyttää puujauhetta, sahanpurua, paperin- ja kartongin valmistuksessa käytettävää sellua, nanoselluloosaa tai muita puukuitumateriaaleja. Polaarisen puukuidun ja polaarittoman muovimateriaalin välinen materiaalien rajapinnan adheesio on yleensä riittämätöntä, mikä vaikuttaa lopputuotteen ominaisuuksien heikkenemiseen. Kyseinen ongelma on pyritty ratkaisemaan käyttämällä erilaisia kytkentäaineita. Tässä työssä keskitytään käsittelemään erilaisia puumuovikomposiittien kytkentäaineita, niiden toimintaa sekä vaikutuksia lopputuotteeseen. Lisäksi työssä esitellään myös puumuovikomposiittien valmistusmateriaaleja ja valmistusprosesseja.

Ohuiden päällystyskerrosten applikointi puukuitupohjaisille materiaaleille

Työn aiheena oli tutkia vaahdon soveltuvuutta ohuiden päällystyskerrosten applikointiin paperin tai kartongin pinnalle. Paperia ja kartonkia päällystetään teollisessa mittakaavassa eri menetelmillä, mutta niille kaikille yhteistä on päällystyspastan laimentaminen vedellä ennen applikointia ja laimennusveden haihduttaminen applikoinnin jälkeen päällysteen asettamiseksi. Laimennus on tärkeää pastan komponenttien tasaisen levittämisen vuoksi, mutta veden haihduttaminen kuluttaa valtavasti energiaa. Tekstiiliteollisuudessa on saavutettu merkittäviä säästöjä kuivausenergiassa korvaamalla laajalti vedellä laimentaminen vaahdottamisella. Diplomityön kirjallisessa osassa käytiin läpi vaahdon kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia sekä selvitettiin mitä kemikaaleja ja laitteita vaahdotukseen käytetään. Lisäksi luotiin katsaus vaahtoprosessien käyttöön tekstiiliteollisuudessa ja muilla aloilla. Kokeellinen osa koostui esikokeista, joissa selvitettiin pastan koostumuksen vaikutuksia vaahtoamiseen, ja pilot-mittakaavan koeajoista, joissa esikokeiden tuloksia hyödynnettiin. Esikokeissa huomiota kiinnitettiin varsinkin eri polyvinyylialkoholien (PVA) seosten erinomaiseen vaahtoavuuteen. Pilot-koeajoissa vaahtopäällystys vaikutti lupaavalta menetelmältä, joskaan täysin tyydyttävää päällystystulosta ei saavutettu. Suurimpana ongelmana esiintyi ilman pääseminen pohjapaperin ja päällysteen väliin ja siitä seuraava huono päällystejälki. Toisen ongelmakokonaisuuden muodostivat päällysteeseen jäävät reiät. Vaahtopäällystys vaikuttaa lupaavalta tekniikalta ohuiden päällystekerrosten applikointiin, mutta pastareseptejä tulee optimoida ja ratkaista päällysteen alle pääsevän ilman ongelma.

Fuktutredning av massivträkonstruktion : Analys av vägg utan ångspärr

Rapporten ingår i ett FoU- projekt för Högskolan Dalarna, där målet är att ta fram en konstruktion utan ångspärr som ska klara dagens mått på lufttäthet och fuktkrav. Syftet med denna rapport är att utreda hur fukt påverkar en byggnad medmassivträstomme och olika isoleringsmaterial utan ångspärr. Mineralull och träfiberisolering jämförs mot varandra för att se hur dessa påverkarfuktbelastningen i en väggkonstruktion. Testobjektet är lokaliserat i Dalarna, inget fukttillskott har funnits inomhus i byggnaden. För att genomföra detta arbete har tre stycken olika metoder används. Ensimulering, verkliga uppmätta värden och en provtagning. Fuktsimuleringen genomfördes med hjälp av programmet WUFI, uppmätta värden i form av relativ fuktighet och temperatur har samlats in kontinuerligt under två års tid från väggkonstruktionen via mätsensorer. Provtagningen utfördes med ett fysiskt ingrepp på samma nivå i konstruktionen som mätsensorer var placerade. Resultat presenteras i form av diagram och tabeller där det går att avläsa konstruktionens nulägesstatus i form av relativ fuktighet, temperatur, fuktkvot och mikrobiologisk påväxt. Isoleringsmaterialen påvisar en hög relativ fuktighet under vinterhalvåret längst ut i konstruktionen mot utomhusklimatet. Utomhusklimatet har visats spela stor roll i detta. Ingen direkt mikrobiologisk påväxt har påträffats trots en hög halt av fukt. Resultaten visar att träfiberisoleringen har bättre förmåga att hantera fukt i jämförelse med mineralullen. En vidarestudie med fuktbelastning och 21 °C inomhus bör utföras. Men för att denna studie ska fungera rekommenderas en tvåstegstätad fasadlösning för att klara fuktbelastningen i väggkonstruktionen.

Fiberglass-reinforced glulam beams: Mechanical properties and theoretical model

The glued-laminated lumber (glulam) technique is an efficient process for making rational use of wood. Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) associated with glulam beams provide significant gains in terms of strength and stiffness, and also alter the mode of rupture of these structural elements. In this context, this paper presents a theoretical model for designing reinforced glulam beams. The model allows for the calculation of the bending moment, the hypothetical distribution of linear strains along the height of the beam, and considers the wood has a linear elastic fragile behavior in tension parallel to the fibers and bilinear in compression parallel to the fibers, initially elastic and subsequently inelastic, with a negative decline in the stress-strain diagram. The stiffness was calculated by the transformed section method. Twelve non-reinforced and fiberglass reinforced glulam beams were evaluated experimentally to validate the proposed theoretical model. The results obtained indicate good congruence between the experimental and theoretical values.

Produção e caracterização física e mecânica de compósito plástico-madeira

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Qualidade fisiológica e armazenamento de sementes de ipê-verde (Cybistax antisyphilitica (Mart.) Mart.)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Effects of Strand Geometry on Selected Properties of Long-Stand Structural Composite Lumber Made from Northeastern Hardwoods

Structural composite lumber (SCL) products often possess significantly higher design values than the top grades of solid lumber, making it a popular choice for both residential and commercial applications. The enhanced mechanical properties of SCL are mainly due to defect randomization and densification of the wood fiber, both largely functions of the size, shape and composition (species) of the wood element. Traditionally, SCL manufacturers have used thin, rectangular elements produced from either moderate density softwoods or low density hardwoods. Higher density hardwood species have been avoided, as they require higher pressures to adequately densify and consolidate the wood furnish. These higher pressures can lead to increased manufacturing costs, damage to the wood fiber and/or a product that is too dense, making it heavy and unreceptive to common mechanical fastening techniques. In the northeastern United States high density, diffuse-porous hardwoods (such as maple, beech and birch) are abundant. Use of these species as primary furnish for a SCL product may allow for a competitive advantage in terms of resource cost against products that rely on veneer grade logs. Proximity to this abundant and relatively inexpensive resource may facilitate entry of SCL production facilities in the northeastern United States, where currently none exist. However, modifications to current strand sizes, geometries or production techniques will likely be required to allow for use of these species. A new SCL product concept has been invented allowing for use of these high density hardwoods. The product, referred to as long-strand structural composite lumber (LSSCL), uses strands of significantly larger cross sectional areas and volumes than existing SCL products. In spite of the large strand size, satisfactory consolidation is achieved without excessive densification of the wood fiber through use of a symmetrical strand geometric cross-section. LSSCL density is similar to that of existing SCL products, but is due mainly to the inherent density of the species, rather than through densification. An experiment was designed and conducted producing LSSCL from both large (7/16”) and small (1/4”) strands, of both square and triangular geometric cross sections. Testing results indicate that the large, triangular strands produce LSSCL beams with projected design values of: Modulus of elasticity (MOEapp) – 1,750,000 psi; Allowable bending stress (Fb) – 2750 psi; Allowable shear stress (Fv) – 260 psi. Several modifications are recommended which may lead to improvement of these values, likely allowing for competition against existing SCL products.

Phytoextraction of heavy metals from mine soils using hyperaccumulator plants.

Phytoextraction is an environmental-friendly and cost-effective technology that uses metal hyperaccumulator plants to remove heavy metals from soils. The metals are absorbed by the roots, transported and accumulated in the aerial parts of the plants, which can be harvested and eliminated. The aim of this work was to study some hyperaccumulator species that could be useful to decontaminate mine soils and also to investigate the bioavailability and uptake of these metals by plants with the addition of organic amendments. Pot experiments were performed with soil samples collected from two mining areas in the north of Madrid, where there was an intense mining activity more than 50 years ago. Three species (Thlaspi arvense, Brassica juncea and Atriplex halimus) were grown under controlled conditions in pots filled with contaminated soils mixed with 0 Mg, 30 Mg and 60 Mg per hectare of two different organic amendments: a commercial compost made of pine bark, peat and wood fiber and other made of horse and sheep manure and wood fiber. Plants were harvested at the end of their crop cycle and were digested in order to measure metal concentration (Zn, Cu and Cd) in roots and shoots. Highest plant metal concentration was observed in pots treated with pine bark amendment and with pure soil due to an increase in metal bioavailability with decreasing pH. Also in those treatments the total plant biomass was lower, even some plants could not germinate. On the contrary, there was a lower metal concentration in plant tissues of pots with manure because its higher pH whereas plant growth was significantly larger so there was an incresing amount of metals removed from soil by plants. Comparing the three species results indicate a higher total metal uptake in A. halimus than B. juncea and T. arvense. In conclusion, results show that pH affects metal bioavailability and uptake by hyperaccumulator plants. Addition of organic amendments could be a successful technique for stabilization of metals in contaminated soils.