Effect of Moisture Content in Rubberwood with Heat Treatment on the Performance of Glued-laminated Timber Beams under Sustained and Cyclic Loads
Abstract
งานวิจัยนี้เน้นไปที่การศึกษาผลของความชื้นในไม้ยางพาราที่ผ่านการปรับปรุงสมบัติด้วยความร้อนสูงที่มีผลต่อสมบัติในการรับแรงดัด พฤติกรรมการคืบดัด และการให้น้ำหนักบรรทุกแบบสลับทิศของคานไม้ประสานด้วยกาว รวมทั้งนำเสนอผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการของคานไม้ยางพาราประสานด้วยกาวที่มีความชื้นในไม้ร้อยละ 7.73 และ 6.26 หลังจากผ่านการอบด้วยความร้อนสูงที่เปรียบเทียบกับคานไม้ยางพาราควบคุมประสานด้วยกาวที่ไม่ได้ผ่านการปรับปรุงด้วยความร้อนสูงซึ่งจะมีปริมาณความชื้นในไม้ร้อยละ 9.66 ในกรณีของสมบัติในการรับแรงดัด กำลังต้านทานแรงดัดสูงสุดของคานไม้ยางพาราประสานด้วยกาวที่มีปริมาณความชื้นในไม้ร้อยละ 7.73 และ 6.26 หรือลดลงจากไม้ยางพาราควบคุมร้อยละ 19.98 และ 35.20 มีค่าลดลงอย่างเห็นได้ชัดร้อยละ 8.57 และ 46.72 ตามลำดับ ในขณะที่ค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นมีการเปลี่ยนแปลงน้อยมาก สำหรับผลการทดสอบการให้น้ำหนักบรรทุกแบบคงค้างโดยพิจารณาคานไม้ยางพาราประสานด้วยกาวที่มีความชื้นในเนื้อไม้ที่แตกต่างกันและแปรเปลี่ยนระดับความเค้นคงค้างเป็นเวลา 1,000 ชั่วโมง พบว่าค่าการคืบสัมพัทธ์สูงสุดเท่ากับ 0.31 ซึ่งมีค่าน้อยกว่าไม้ท่อนตันที่ไม่ได้ทำการประสานด้วยกาว อย่างไรก็ตามค่าการคืบสัมพัทธ์ของคานไม้ยางพาราประสานด้วยกาวที่มีปริมาณความชื้นร้อยละ 7.73 และ 6.26 ที่ระดับความเค้นร้อยละ 55 มีค่าลดลงอย่างมากเหลือเพียงร้อยละ 47.27 และ 42.27 ตามลำดับ การทดสอบแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงความชื้นในเนื้อไม้ส่งผลโดยตรงต่อค่าความคืบสัมพัทธ์โดยเฉพาะที่ระดับความเค้นที่สูง การทดสอบการให้น้ำหนักบรรทุกแบบคงค้างเป็นระยะเวลายาวนานขึ้นที่ 1 ปี พบว่าสมการตามกฎยกกำลังซึ่งใช้ทำนายการคืบระยะสั้นที่ 1,000 ชั่วโมง ยังสามารถใช้ทำนายพฤติกรรมการคืบดัดของไม้ยางพาราประสานด้วยกาวในระยะยาวได้ด้วย ในกรณีของการให้แรงแบบสลับทิศผลการทดสอบชี้ให้เห็นว่าคานไม้ประสานด้วยกาวที่มีปริมาณความชื้นร้อยละ 7.73 และ 6.26 เมื่อเทียบกับคานไม้ยางพาราควบคุม มีค่าการสลายพลังงานลดลงเฉลี่ยร้อยละ 21.05 และ 82.51 ตามลำดับ แสดงให้เห็นว่าการลดลงของความชื้นในไม้มีผลต่อค่าการสลายพลังงานและค่าการเสื่อมถอยกำลังของคานไม้ยางพาราประสานด้วยกาว การศึกษาครั้งนี้ยังชี้ให้เห็นว่าปริมาณความชื้นร้อยละ 7.73 หลังจากปรับปรุงสมบัติด้วยความร้อนสูงเป็นปริมาณความชื้นที่เหมาะสมในการนำไปใช้เป็นชิ้นส่วนของโครงสร้าง เนื่องจากส่งผลต่อการลดลงของสมบัติบัติเชิงกลไม่มากนักแต่ให้ผลดีในแง่ของการคงขนาดและการทนทานต่อสภาพแวดล้อม
This research focuses on the effect of moisture content (MC) of rubberwood with heat treatment on the flexural properties, creep, and cyclic load behaviors of glued-laminated timber beams and presented the experimental results of rubberwood glulam beams with MC of 7.73% and 6.26% in comparison with that of control rubberwood glulam beams with MC of 9.66%. In the case of flexural properties, modulus of rupture in case of rubberwood glulam with MC of 6.26% and 7.73% which MC was reduced from the control wood about 19.98% and 35.20% decreased significantly of 8.57% and 46.72%, while the modulus of elasticity was slightly changed. For the sustained load test, the rubberwood with various MC was considered by varying stress levels for the duration of 1,000 hrs. The maximum relative creep of rubberwood glulam was 0.310 which was lower than natural timber. However, the relative creep of rubberwood glulam with MC of 6.26% and 7.73% for stress level of 55% were significantly decreased to 47.27% and 42.27%, respectively. The results indicated that variation of MC in rubberwood glulam directly influenced the value of relative creep, especially for the high-stress level. The longer time of sustained load test for the duration of 1 year was also investigated for specific stress levels and found that the power-law creep model which was used in case of 1,000 hrs could be used for the long-term creep response prediction of rubberwood glulam. The results from the cyclic loading test also demonstrated that the energy dissipation of rubberwood glulam with MC of 6.26% and 7.73% in comparison with the control glulam reduced to be 21.05% and 82.51%, respectively. The reduction of MC in rubberwood affected significantly in the case of energy dissipation and the impairment of strength of rubberwood glulam. This study indicates that thermally modified rubberwood glulam with MC of 7.73% is the suitable moisture content for structural members. This moisture content affects slightly the mechanical properties and gives better dimensional stability and weather resistance.
Keywords
[1] W. Boonsong, “A development of c-grade processed rubberwood of aaa co., ltd.,” M.S. thesis, Graduate School of Commerce Burapha University, Burapha University, 2017 (in Thai).
[2] L. Todaro, A. Rita, P. Cetera, and M.D. Auria, “Thermal treatment modifies the calorific value and ash content in some wood species,” Fuel, vol. 140, pp. 1–3, 2015.
[3] D. Sandberg and A. Kutnar, “Thermally modified timber: Recent developments in Europe and North America,” Wood and Fiber Science, vol. 48, no. 1, pp. 28–39, 2016.
[4] B. F. A. Bakar, S. Hiziroglu, and P. M. Tahir, “Properties of some thermally modified wood species,” Materials and Design, vol. 43, pp. 348–355, 2013.
[5] P. H. G. Cademartori, P. S. B. Santos, L. Serrano, J. Labidi, and D. A. Gatto, “Effect of thermal treatment on physicochemical properties of gympie messmate wood,” Industrial Crops and Products, vol. 45, pp. 360–366, 2013.
[6] E. D. Tomak, D. Ustaomer, M. A. Ermeydan, and S. Yildiz, “An investigation of surface properties of thermally modified wood during natural weathering for 48 months,” Measurement, vol. 127, pp. 187–197, 2018.
[7] Y. Nadir and P. Nagarajan, “The behavior of horizontally glued laminated beams using rubber wood,” Construction and Building Materials, vol. 55, pp. 398–405, 2014.
[8] W. H. W. Mohamad, M. A. Razlan, and Z. Ahmad, “Bending strength properties of glued laminated timber from selected Malaysian hardwood timber,” International Journal of Civil & Environmental Engineering, vol. 11, no. 4, pp. 7–12, 2011.
[9] C. Bengtsson, “Mechano-sorptive creep of timber-influence of material parameters,” Holz als Roh- und Werkstoff, vol. 59, pp. 229–236, 2001.
[10] W. Zhang, M. Tokumoto, and T. Takeda, “Effects of temperature on mechano-sorptive creep of delignified wood,” Journal of Wood Science, vol. 53, pp. 187–191, 2007.
[11] C. O. Ceallaigh, K. Sikora, D. McPolin, and A. M. Harte, “The mechano-sorptive creep behaviour of basalt FRP reinforced timber elements in a variable climate,” Engineering Structures, vol. 200, 2019.
[12] T. Li, D. Cheng, A. Stavros, M. E. P. Wålinder, and D. Zhou, “Response of hygroscopicity to heat treatment and its relation to durability of thermally modified wood,” Construction and Building Materials, vol. 144, pp. 671–676, 2017.
[13] Standard Test Methods for Direct Moisture Content Measurement of Wood and Woodbased Materials, ASTM D4442-16, ASTM International, West Conshohocken, PA., United States of America, 2016.
[14] Standard Test Methods of Static Tests of Lumber in Structural Sizes, ASTM D198-14, 2014.
[15] Standard Specification for Evaluation of Duration of Load and Creep Effects of Wood and Wood-based Products , ASTM D6815-09, 2015.
[16] Timber Structures-test Methods-cyclic Testing of Joints Made with Mechanical Fasteners, EN 12512, 2005.
[17] R. W. Bailey, “The utilization of creep test data in engineering design,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Transport Engineering, vol. 131, pp. 131–349, 1935.
[18] F. H. Norton, The Creep of Steel at High Temperature. McGraw-Hill, New York, NY. pp. 67–70, 1929.
[19] T. Pulngern, T. Chitsamran, S. Chucheepsakul, V. Rosarpitak, S. Patcharaphun, and N. Sombatsompop “Effect of temperature on mechanical properties and creep responses for wood/PVC composites,” Construction and Building Materials, vol. 111, pp. 191–198, 2016.
[20] T. Pulngern, K. Chanto, W. Pansuwan, and W. Pattaraumpornsak, “Effect of lamina thickness on flexural performance and creep behavior of douglas fir glued laminated timber beam,” Wood Research, vol. 65, no. 5, pp. 715–726, 2020.
[21] M. A. A. Alrubaie, R. A. Lopez-Anido, and D. J. Gardner, “Flexural creep behavior of highdensity polyethylene lumber and wood plastic composite lumber made from thermally modified wood,” Polymer, vol. 12, no. 2, pp. 262, 2020.
[22] M. Sehlstedt-Persson, “Properties of solid wood: Responses to drying and heat treatment,” Licentiate thesis, Department of Skellefteå Campus, Division of Wood Science and Technology Luleå University of Technology, 2005.
[23] S. Gowda, M. Kortesmaa, and A. Ranta-Maunus, “Long term creep tests on timber beams in heated and non-heated environments,” Technical Research Centre of Finland, Espoo, Finland, VTT Publication 278, 1996.
[24] C. C. Gerhards, “Bending creep and load duration of douglas-fir 2 by 4s under constant load for up to 12-plus years,” Wood Fiber Science, vol. 32, no. 4, pp. 489–501, 2000.
[25] H. Epmeier, M. Johansson, R. Kliger, and M. Westin, “Bending creep performance of modified timber,” Holz als Roh- und Werkstoff, vol. 65, pp. 343–351, 2007.
[26] Y. Shen and R. Gupta, “Evaluation of creep behavior of lumber,” Forest Products Journal, vol. 47, pp. 89–96, 1997.
[27] R. Edward, S. Elzbieta, M. Jerzy, M. Przemysław, and B. Magdalena, “Moisture-dependent strength properties of thermally-modified Fraxinus excelsior wood in compression,” Materials, vol. 13, 1647.
[28] A. Ataei, A.A. Chiniforush, M. Bradford, and H. Valipour, “Cyclic behavior of bolt and screw shear connectors in steel-timber composite (STC) beams,” Journal of Constructional Steel Research, vol.161, pp. 328–340, 2019.
DOI: 10.14416/j.kmutnb.2022.01.003
ISSN: 2985-2145
Email this article 
Hide
Show all