Christian Lanvermann

Combination of X-ray and digital image correlation for the analysis of moisture-induced strain in wood: opportunities and challenges

In this present study, the moisture-induced deformation behaviour of a spruce sample was analysed one- and two-dimensionally with high resolution on the radial-tangential surface. For this purpose, an artificial speckle pattern was applied to the surface which was then recorded by a CCD camera during the deformation. The generated TIF images were analysed with a strain mapping software (VIC 2D) that computed the two-dimensional strain field from the surface deformation.Selected options to evaluate two-dimensional data generated with X-ray imaging and digital image correlation are presented. Combining and correlating these techniques enables detailed analysis of structure-function relationships during swelling (and shrinkage) processes in wood. However, several issues still have to be solved to enhance effectiveness and user-friendliness of such investigations, as elucidated in detail in this paper.ZusammenfassungIn dieser Arbeit wurde das feuchte-induzierte Deformationsverhalten einer Fichtenholzprobe ein- und zweidimensional mit hoher Auflösung auf der radial-tangentialen Probenoberfläche analysiert. Dazu wurde ein künstliches Specklemuster auf die Probenoberfläche aufgebracht, welches dann mit einer CCD-Kamera während der Deformation gefilmt wurde. Die generierten TIF-Dateien wurden mit einer Bildkorrelationssoftware (VIC 2D) ausgewertet, welche die zweidimensionalen Dehnungen auf der Probenoberfläche berechnete.Es werden ausgewählte Möglichkeiten zur Auswertung zweidimensionaler Daten vorgestellt, die durch Röntgendurchstrahlung und digitale Bildkorrelation generiert wurden. Einerseits ermöglicht die Kombination und Korrelation dieser Techniken eine detaillierte Analyse von Struktur- Eigenschafts-Beziehungen während der Quell- (und Schwind-) Prozesse in Holz. Andererseits müssen noch einige Probleme gelöst werden, um die Effektivität und die Benutzerfreundlichkeit derartiger Untersuchungsmethoden zu verbessern, was in diesem Artikel im Detail beleuchtet wird.

Full-field moisture induced deformation in Norway spruce: intra-ring variation of transverse swelling

The transverse hygro-expansion of Norway spruce wood is studied on the growth ring level using digital image correlation. This non-destructive technique offers the possibility for a contactless study of deformation fields of relatively large areas. The measured full-field strains are segmented into individual growth rings. Whereas radial strains closely follow the density progression with the maximum in the dense latewood (LW), tangential and shear strain remain constant except for positions around the edges of the sample. A simple FE three phase growth ring model is in good agreement with the experimental values. The selective activation of individual phases like earlywood (EW), transition wood and LW demonstrates that the radial hygro-expansion is dominated by the EW deformation, whereas tangential deformation is a complex interplay of expansion and compression that needs all tissues to fully develop.ZusammenfassungDie Quellung von Fichtenholz quer zur Faser wurde mit Hilfe digitaler Bildkorrelation auf der Jahrringebene untersucht. Mit Hilfe dieser Methode können die Deformationsfelder relativ großer Flächen zerstörungsfrei und kontaktlos ermittelt werden. Nachfolgend wurden die vollflächigen Deformationsfelder in einzelne Jahrringe segmentiert. Während die radiale Dehnung sehr stark mit dem Dichteverlauf innerhalb des Jahrringes korreliert, wobei das Dehnungsmaximum im dichten Spätholz liegt, sind die tangentiale und die Schubdehnung innerhalb des Jahrrings konstant. Die experimentellen Daten sind in guter Übereinstimmung mit denen eines einfachen drei-phasigen FE-Modells. Die selektive Aktivierung der einzelnen Phasen Frühholz, Übergangsholz und Spätholz zeigt, dass die radiale Quellung im Wesentlichen von Frühholz dominiert wird, während sich die tangentiale Quellung erst durch ein komplexes Zusammenspiel von Ausdehnung und Kontraktion zu ihrer vollen Größe entfaltet.

The role of water in the behavior of wood

Wood, due to its biological origin, has the capacity to interact with water. Sorption/desorption of moisture is accompanied with swelling/shrinkage and softening/hardening of its stiffness. The correct prediction of the behavior of wood components undergoing environmental loading requires that the moisture behavior and mechanical behavior of wood are considered in a coupled manner. We propose a comprehensive framework using a fully coupled poromechanical approach, where its multiscale implementation provides the capacity to take into account, directly, the exact geometry of the wood cellular structure, using computational homogenization. A hierarchical model is used to take into account the subcellular composite-like organization of the material. Such advanced modeling requires high-resolution experimental data for the appropriate determination of inputs and for its validation. High-resolution x-ray tomography, digital image correlation, and neutron imaging are presented as valuable methods to provide the required information.

Combination of neutron imaging (NI) and digital image correlation (DIC) to determine intra-ring moisture variation in Norway spruce

Abstract The hygroscopic behavior of wood has a strong influence on its mechanical performance, yet the moisture gradients within the growth ring structure have not been sufficiently investigated. The main challenge is that moisture variations are coupled with strong sample deformation, which complicates the spatial referencing of moist and dry states. In this work, neutron imaging (NI) for the detection of water and digital image correlation (DIC) for the detection of local deformation were combined to calculate the local gravimetric moisture content (MCgrav) and the volumetric moisture content (MCvol) within single growth rings. Specimens of Norway spruce [Picea abies (L.) Karst.] were exposed to an adsorption-desorption cycle, with relative humidity (RH) steps varying from 0% (oven dry) up to 95% RH. After each acclimatization step, neutron transmission and DIC images were acquired. The local deformations determined by DIC were used to assign the corresponding dry density in the undeformed state to the compartment in a moist state and thus to calculate its MC by NI. No significant MC gradients could be found between earlywood (EW) and latewood (LW) within ±0.5% accuracy. However, strong density gradients between EW and LW can be directly correlated with MCvol. It appears that the MC in the cell wall is constant regardless of the particular growth ring position.

Combination of X-ray and digital image correlation for the analysis of moisture-induced strain in wood: opportunities and challenges@@@Kombination von Röntgenmessung und digitaler Bildkorrelation zur Dehnungsanalyse an Holz: Potential und Schwierigkeiten

In this present study, the moisture-induced deformation behaviour of a spruce sample was analysed one- and two-dimensionally with high resolution on the radial-tangential surface. For this purpose, an artificial speckle pattern was applied to the surface which was then recorded by a CCD camera during the deformation. The generated TIF images were analysed with a strain mapping software (VIC 2D) that computed the two-dimensional strain field from the surface deformation.Selected options to evaluate two-dimensional data generated with X-ray imaging and digital image correlation are presented. Combining and correlating these techniques enables detailed analysis of structure-function relationships during swelling (and shrinkage) processes in wood. However, several issues still have to be solved to enhance effectiveness and user-friendliness of such investigations, as elucidated in detail in this paper.ZusammenfassungIn dieser Arbeit wurde das feuchte-induzierte Deformationsverhalten einer Fichtenholzprobe ein- und zweidimensional mit hoher Auflösung auf der radial-tangentialen Probenoberfläche analysiert. Dazu wurde ein künstliches Specklemuster auf die Probenoberfläche aufgebracht, welches dann mit einer CCD-Kamera während der Deformation gefilmt wurde. Die generierten TIF-Dateien wurden mit einer Bildkorrelationssoftware (VIC 2D) ausgewertet, welche die zweidimensionalen Dehnungen auf der Probenoberfläche berechnete.Es werden ausgewählte Möglichkeiten zur Auswertung zweidimensionaler Daten vorgestellt, die durch Röntgendurchstrahlung und digitale Bildkorrelation generiert wurden. Einerseits ermöglicht die Kombination und Korrelation dieser Techniken eine detaillierte Analyse von Struktur- Eigenschafts-Beziehungen während der Quell- (und Schwind-) Prozesse in Holz. Andererseits müssen noch einige Probleme gelöst werden, um die Effektivität und die Benutzerfreundlichkeit derartiger Untersuchungsmethoden zu verbessern, was in diesem Artikel im Detail beleuchtet wird.

Combination of X-ray and digital image correlation for the analysis of moisture-induced strain in wood

In this present study, the moisture-induced deformation behaviour of a spruce sample was analysed one- and two-dimensionally with high resolution on the radial-tangential surface. For this purpose, an artificial speckle pattern was applied to the surface which was then recorded by a CCD camera during the deformation. The generated TIF images were analysed with a strain mapping software (VIC 2D) that computed the two-dimensional strain field from the surface deformation.Selected options to evaluate two-dimensional data generated with X-ray imaging and digital image correlation are presented. Combining and correlating these techniques enables detailed analysis of structure-function relationships during swelling (and shrinkage) processes in wood. However, several issues still have to be solved to enhance effectiveness and user-friendliness of such investigations, as elucidated in detail in this paper.ZusammenfassungIn dieser Arbeit wurde das feuchte-induzierte Deformationsverhalten einer Fichtenholzprobe ein- und zweidimensional mit hoher Auflösung auf der radial-tangentialen Probenoberfläche analysiert. Dazu wurde ein künstliches Specklemuster auf die Probenoberfläche aufgebracht, welches dann mit einer CCD-Kamera während der Deformation gefilmt wurde. Die generierten TIF-Dateien wurden mit einer Bildkorrelationssoftware (VIC 2D) ausgewertet, welche die zweidimensionalen Dehnungen auf der Probenoberfläche berechnete.Es werden ausgewählte Möglichkeiten zur Auswertung zweidimensionaler Daten vorgestellt, die durch Röntgendurchstrahlung und digitale Bildkorrelation generiert wurden. Einerseits ermöglicht die Kombination und Korrelation dieser Techniken eine detaillierte Analyse von Struktur- Eigenschafts-Beziehungen während der Quell- (und Schwind-) Prozesse in Holz. Andererseits müssen noch einige Probleme gelöst werden, um die Effektivität und die Benutzerfreundlichkeit derartiger Untersuchungsmethoden zu verbessern, was in diesem Artikel im Detail beleuchtet wird.