In this PhD thesis, different modelling techniques and experimental methods were employed to study the mechanical behavior of particleboard. Particleboard is a wood-based material made of particles of recycled wood bonded together with urea-formaldehyde adhesive. Though the mechanical properties of this material are lower in comparison with well-known composites as carbon fibers reinforced polymers (CFRP) or glass fibers reinforced polymers (GFRP), the particlewood was designed properly for the furniture industry. This market is interested in reducing production cost by reducing raw materials consumption and adding value by improving transportation and the assembly operation by reducing the weight of particlewood panels. Taking in to account these considerations, this thesis is focused on the estimation of elastic constants of actual particleboard and modelling, aiming at understanding the relationship between the properties of the constituents and those of the final product, particularly under bending loads. This knowledge is believed to be fundamental for exploring new solutions, not developed in this PhD work, to manufacture lighter panels, while keeping the same performances or even improve them. Considering the product range of the major industries involved in the production of particleboard, the panels are classified by their thicknesses from a minimum of 4mm to a maximum of 40mm, but the most diffused thickness 18mm. For this, my work will be focused on the characterization of particleboard having thickness equal to 18mm and in a second time I will exploring the applicability of the same techniques to the panels having thickness equal to 8mm and 38mm. The characterization of the elastic constants of the board will follow a multi-scale approach, considering macro-level and micro-level of the material, by applying un-conventional techniques like micro-CT and micro-scale modelling. This thesis first revises the literature to introduce the different types of wood based panels and its production process, focusing in particular on the production of particleboard. Then, the similarities between particleboard and composite materials and structures, in particular sandwich panel, are presented in the perspective of exploiting them to determine experimentally the elastic constants of recycled particlewood panels. Therefore, literature was explored to identify the principal modelling methods used in composites, to understand which could be applied to particleboard panels. In a similar way, the literature about micro modelling methods for heterogeneous material was analyzed to select the best techniques to generate a suitable Representative Volume Element (RVE) of particleboard, allowing for obtaining the homogenized elastic constants and comparing them with macro-level ones. The experimental techniques applied to the particleboard to generate the data used in macro and micro approaches are presented: Three points bending test (TPBT) and Iosipescu test Experimental characterization and modeling of the mechanical behaviour of particleboard - 21 - (IT). To collect the data to perform the particleboard’ micro-modelling approaches, the measurements and imaging methods are performed: Micro Computer Tomography (Micro-CT) and Digital Image Correlation (DIC). Chapter 2 deals with the analysis of the microstructure of particleboard by standard vertical density profile measurements and by Micro-CT. Elastic properties and bending performances of particleboard panels are mainly related to density. Therefore this chapter is dedicated to measuring particleboard density and obtaining data useful for the evaluation of orientation and dimensions of the wood particles, that will be used for micro-modelling presented in Chapter 4. Once studied the morphological aspect and the vertical density profile of the particleboard, Chapter 3 presents the results of different experimental approaches to the determination of the elastic constants of particleboard panels, using TPBT, IT and DIC. Finally, in Chapter 4, the micro-modelling techniques used to generate an RVE of the particleboard samples, extracted from the panel analyzed by micro CT, to estimate its homogenized elastic constants are presented. Results obtained by macro-approaches and micro-approaches are compared and discussed.

In questa tesi di dottorato sono state impiegate diverse tecniche di modellazione e metodi sperimentali per studiare il comportamento meccanico del pannello truciolare. Il truciolare è un materiale a base lignea costituito da particelle di legno riciclato unite da adesivo a base urea-formaldeide. Anche se le proprietà meccaniche di questo materiale sono inferiori rispetto ai noti compositi a base polimerica rinforzata con fibra vetro (GFRP) o fibra di carbonio (CFRP), il pannello truciolare è stato appositamente progettato per l'industria del mobile e dell'edilizia. Questo mercato è interessato a ridurre i costi di produzione riducendo il consumo di materie prime per ridurne il peso agevolando così il trasporto e le operazioni di assemblaggio.Tenendo conto di queste considerazioni, questa tesi è incentrata sulla stima delle costanti elastiche del pannello truciolare e della sua efficace modellazione intesa a comprendere il comportamento del materiale in particolare sotto l'azione di carichi di flessione. Lo scopo di tale attività è quella di ottenere indicazioni utili per produrre pannelli più leggeri con le medesime caratteristiche meccaniche o eventualmente migliorate. La caratterizzazione delle costanti elastiche ha seguito un approccio multi-scala considerando il materiale sia a livello macro che a livello micro meccanico, applicando tecniche non convenzionali come la microtomografia e la micro modellazione di un volume rappresentativo. Questa tesi rivede prima di tutto la letteratura per introdurre i diversi tipi di pannelli e i relitivi processi produttivi, dopo di che affronta le somiglianze del truciolare con il classico pannello sandwich nella prospettiva di sfruttarle nella stima delle costanti elastiche del truciolare riciclato. Allo stesso modo è stata esplorata la letteratura per individuare i principali metodi di modellazione macro e micro applicati normalmente ai materiali compositi classici, per individuare il migliore per lo studio a livello macro meccanico che per la generazione di un volume rappresentativo del materiale consentendone così di ricavare le costanti elastiche di un volume omogeneizzato. Tali costanti elastiche sono state confrontate con quelle ottenute a livello macro. Si sono presentate tecniche sperimentali come flessione su tre punti (TPBT), Iosipescu (IT), Microtomografia (Micro-CT) e Correlazione di immagine (DIC) coadiuvati da metodi di analisi di immagine quantitativa e qualitativa. Il capitolo 2 tratta dell'analisi della microstruttura del truciolare da misure standard industriali di densità verticale e da Micro-CT. Le proprietà elastiche e le prestazioni meccaniche dei pannelli truciolari sono principalmente legate alla densità. Pertanto questo capitolo è dedicato alla misurazione della densità del materiale e all'ottenimento di dati utili per la valutazione dell'orientamento e delle dimensioni delle particelle di legno, che saranno utilizzate per la microimplementazione presentata nel Capitolo 4. Una volta studiato l'aspetto morfologico e il profilo di densità verticale del truciolare, il Capitolo 3 presenta i risultati di diversi approcci sperimentali volti alla determinazione delle costanti elastiche dei pannelli stessu utilizzando TPBT, IT e DIC. Infine, nel capitolo 4 sono state presentate le tecniche di micro-modellistica utilizzate per generare un Volume Rappresentativo (RVE) dei campioni di truciolare, estratti dal pannello analizzato mediante Micro-CT, per stimare le sue costanti elastiche omogeneizzate. I I risultati ottenuti dai macro e micro approcci sono stati infine confrontati e discussi.

Experimental characterization and modeling of the mechanical behaviour of particleboard

GALEAZZI, RICCARDO

Abstract

In this PhD thesis, different modelling techniques and experimental methods were employed to study the mechanical behavior of particleboard. Particleboard is a wood-based material made of particles of recycled wood bonded together with urea-formaldehyde adhesive. Though the mechanical properties of this material are lower in comparison with well-known composites as carbon fibers reinforced polymers (CFRP) or glass fibers reinforced polymers (GFRP), the particlewood was designed properly for the furniture industry. This market is interested in reducing production cost by reducing raw materials consumption and adding value by improving transportation and the assembly operation by reducing the weight of particlewood panels. Taking in to account these considerations, this thesis is focused on the estimation of elastic constants of actual particleboard and modelling, aiming at understanding the relationship between the properties of the constituents and those of the final product, particularly under bending loads. This knowledge is believed to be fundamental for exploring new solutions, not developed in this PhD work, to manufacture lighter panels, while keeping the same performances or even improve them. Considering the product range of the major industries involved in the production of particleboard, the panels are classified by their thicknesses from a minimum of 4mm to a maximum of 40mm, but the most diffused thickness 18mm. For this, my work will be focused on the characterization of particleboard having thickness equal to 18mm and in a second time I will exploring the applicability of the same techniques to the panels having thickness equal to 8mm and 38mm. The characterization of the elastic constants of the board will follow a multi-scale approach, considering macro-level and micro-level of the material, by applying un-conventional techniques like micro-CT and micro-scale modelling. This thesis first revises the literature to introduce the different types of wood based panels and its production process, focusing in particular on the production of particleboard. Then, the similarities between particleboard and composite materials and structures, in particular sandwich panel, are presented in the perspective of exploiting them to determine experimentally the elastic constants of recycled particlewood panels. Therefore, literature was explored to identify the principal modelling methods used in composites, to understand which could be applied to particleboard panels. In a similar way, the literature about micro modelling methods for heterogeneous material was analyzed to select the best techniques to generate a suitable Representative Volume Element (RVE) of particleboard, allowing for obtaining the homogenized elastic constants and comparing them with macro-level ones. The experimental techniques applied to the particleboard to generate the data used in macro and micro approaches are presented: Three points bending test (TPBT) and Iosipescu test Experimental characterization and modeling of the mechanical behaviour of particleboard - 21 - (IT). To collect the data to perform the particleboard’ micro-modelling approaches, the measurements and imaging methods are performed: Micro Computer Tomography (Micro-CT) and Digital Image Correlation (DIC). Chapter 2 deals with the analysis of the microstructure of particleboard by standard vertical density profile measurements and by Micro-CT. Elastic properties and bending performances of particleboard panels are mainly related to density. Therefore this chapter is dedicated to measuring particleboard density and obtaining data useful for the evaluation of orientation and dimensions of the wood particles, that will be used for micro-modelling presented in Chapter 4. Once studied the morphological aspect and the vertical density profile of the particleboard, Chapter 3 presents the results of different experimental approaches to the determination of the elastic constants of particleboard panels, using TPBT, IT and DIC. Finally, in Chapter 4, the micro-modelling techniques used to generate an RVE of the particleboard samples, extracted from the panel analyzed by micro CT, to estimate its homogenized elastic constants are presented. Results obtained by macro-approaches and micro-approaches are compared and discussed.
COLOSIMO, BIANCA MARIA
COLOSIMO, BIANCA MARIA
CORRADI, ROBERTO
12-set-2017
In questa tesi di dottorato sono state impiegate diverse tecniche di modellazione e metodi sperimentali per studiare il comportamento meccanico del pannello truciolare. Il truciolare è un materiale a base lignea costituito da particelle di legno riciclato unite da adesivo a base urea-formaldeide. Anche se le proprietà meccaniche di questo materiale sono inferiori rispetto ai noti compositi a base polimerica rinforzata con fibra vetro (GFRP) o fibra di carbonio (CFRP), il pannello truciolare è stato appositamente progettato per l'industria del mobile e dell'edilizia. Questo mercato è interessato a ridurre i costi di produzione riducendo il consumo di materie prime per ridurne il peso agevolando così il trasporto e le operazioni di assemblaggio.Tenendo conto di queste considerazioni, questa tesi è incentrata sulla stima delle costanti elastiche del pannello truciolare e della sua efficace modellazione intesa a comprendere il comportamento del materiale in particolare sotto l'azione di carichi di flessione. Lo scopo di tale attività è quella di ottenere indicazioni utili per produrre pannelli più leggeri con le medesime caratteristiche meccaniche o eventualmente migliorate. La caratterizzazione delle costanti elastiche ha seguito un approccio multi-scala considerando il materiale sia a livello macro che a livello micro meccanico, applicando tecniche non convenzionali come la microtomografia e la micro modellazione di un volume rappresentativo. Questa tesi rivede prima di tutto la letteratura per introdurre i diversi tipi di pannelli e i relitivi processi produttivi, dopo di che affronta le somiglianze del truciolare con il classico pannello sandwich nella prospettiva di sfruttarle nella stima delle costanti elastiche del truciolare riciclato. Allo stesso modo è stata esplorata la letteratura per individuare i principali metodi di modellazione macro e micro applicati normalmente ai materiali compositi classici, per individuare il migliore per lo studio a livello macro meccanico che per la generazione di un volume rappresentativo del materiale consentendone così di ricavare le costanti elastiche di un volume omogeneizzato. Tali costanti elastiche sono state confrontate con quelle ottenute a livello macro. Si sono presentate tecniche sperimentali come flessione su tre punti (TPBT), Iosipescu (IT), Microtomografia (Micro-CT) e Correlazione di immagine (DIC) coadiuvati da metodi di analisi di immagine quantitativa e qualitativa. Il capitolo 2 tratta dell'analisi della microstruttura del truciolare da misure standard industriali di densità verticale e da Micro-CT. Le proprietà elastiche e le prestazioni meccaniche dei pannelli truciolari sono principalmente legate alla densità. Pertanto questo capitolo è dedicato alla misurazione della densità del materiale e all'ottenimento di dati utili per la valutazione dell'orientamento e delle dimensioni delle particelle di legno, che saranno utilizzate per la microimplementazione presentata nel Capitolo 4. Una volta studiato l'aspetto morfologico e il profilo di densità verticale del truciolare, il Capitolo 3 presenta i risultati di diversi approcci sperimentali volti alla determinazione delle costanti elastiche dei pannelli stessu utilizzando TPBT, IT e DIC. Infine, nel capitolo 4 sono state presentate le tecniche di micro-modellistica utilizzate per generare un Volume Rappresentativo (RVE) dei campioni di truciolare, estratti dal pannello analizzato mediante Micro-CT, per stimare le sue costanti elastiche omogeneizzate. I I risultati ottenuti dai macro e micro approcci sono stati infine confrontati e discussi.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/135251