Factors affecting the knottiness, twisting and mechanical properties of pith enclosed round and sawn timber of Scots pine (Pinus sylvestris) and Norway spruce (Picea abies) from thinnings in Southern Finland.

 
 

Boren, H. 2001

Metsäntutkimuslaitoksen tiedonantoja 807 -164 s - Finnish Forest Research Institute, Research Papers 807 -164 p. -
[ISBN 951-40-1779-X]
[Price 100 FIM - 16,80 EUR ]

 

Abstract / Tiivistelmä

Abstract:

The primary aim of the study was to find out factors affecting the mechanical properties and twisting of pith enclosed round and sawn Scots pine (Pinus sylvestris) and Norway spruce (Picea abies) timber produced from small-size thinning wood. The effects of age, i.e. number of annual rings, and ring width, density, moisture content, knots, defects, form and size of the specimen, wood processing, origin of timber and tree species were studied. In addition, factors affecting knot properties in round and sawn timber were studied. The characteristics of timber produced from thinnings are discussed in order to determine the possible obstacles to utilise pith-enclosed timber from thinnings in constructions. The testing of mechanical properties were performed in order to determine the characteristic strength and modulus of elasticity of small diameter round timber in accordance of EN 384 (1995) and EN 408 (1995) standards. Therefore, special attention was given to the applicability of EN standards for round timber. Issues to be studied and discussed included adjustment factors, strength classes and grading. The purpose was to provide scientific information for the development of international standards for small-sized round timber.

Experimental studies, i.e. measuring twisting after seasoning, testing modulus of elasticity and strength in bending and compression parallel to grain, were performed on full-size pith enclosed pine and spruce timber. The EN standards 338 (1995), EN 384 (1995), EN 408 (1995) and EN 518 (1995) were used for the test procedure of mechanical properties. The studied twisting material comprised 400 test specimens (pine 225, spruce 175). The material to test mechanical properties comprised 500 specimens in total (pine 275, spruce 225) both for compression and bending. The diameter and moisture content of the specimens ranged between 50 mm to 180 mm and 10 % to 22 %, respectively. Test results were first tabulated and further investigated by graphs. There after, correlation and regression analyses were performed for the effect of age, density, ring width, cross grain, knots, moisture content, diameter of specimen, origin of timber, processing methods and form of specimen, and tree species on the properties of knots, mechanical properties and twisting of timber. Interactions between variables were also studied.

The results for pine and spruce showed that sawing results in higher knot area ratio, knot sum per circumference, than machine rounding. The mechanical properties of sawn timber suffer due to the higher knot area ratio compared to round timber. The change in the thickest knot quality from dead measured over bark to sound measured after wood processing depended on the amount of processed wood and the diameter of knot, i.e. the knots which had changed from dead to sound were regularly larger over bark than those which had remained dead.

Regression analyses for mechanical properties and twisting confirmed that age, i.e. number of annual rings, affect these properties. Young pith-enclosed timber with an age of below 20 years had about 50 % higher twisting than older specimens. Results also indicated that moisture content and age had an interaction. The interaction indicated that moisture content had a greater effect on the mechanical properties and twisting of young, pith-enclosed timber than older timber. For more than 20 years old pith-enclosed timber, the effect of juvenile wood was lower than those of younger. The mechanical properties of pith enclosed timber were about double at the age of 30 years compared to an age of 10 years.

For pith enclosed timber, the relationships between compression and bending strength were remarkably lower than that given by the EN 384 standard. For bending strength, both negative and positive size effects were observed. The direction of the size effect was also dependent on the age, diameter and ring width of timber. Round form was stronger and stiffer in bending than in sawn form, but any differences in compression were not found between forms and processing methods. The mechanical properties of pine and spruce could be considered similar, providing the specimens have similar physical properties, except density. At the same density, spruce was stronger and stiffer than pine. In general, modulus of elasticity and strength of pine and spruce timber can be considered similar, providing the specimens have the same physical properties and wood characteristics, other than density. At the same ring width, pine had higher density than spruce.

The external properties of log affecting inner knot characteristics in small-sized pine and spruce, such as knot sum and quality of knots was found in this study. Therefore it would be useful to study, whether these relationships could be used for determination on sawing or peeling sets in the wood industry. Profitable utilisation of small-size thinning wood is difficult because a great number of pieces have to be processed to yield one cubic meter end product and the losses due to drying deformations in further refining are obviously about double compared to wood from large logs. For example, planing of dried sawn timber produced from small-size thinning wood gives lower volumetric yields compared with sawn timber from final cuttings. The use of thinning wood should be avoided in complex and high-quality constructions exposed to humidity variations in order to avoid drying deformations. The stabilisation methods to prevent drying deformations of timber are now even a more interesting matter to study and develop than had been traditionally thought. Round form had better strength and modulus of elasticity in bending compared to rectangular form. Therefore it would be beneficial to develop a structural system, where round small-size timber can be used as load bearing material. Finally, mechanical properties of tested timber, in particular grade A and B round timber met the requirements of EN standards for structural timber, i.e. properly dried and graded round thinning wood can be used in load bearing structures.

See METLA Project 3192:
Quality, measurement and procurement of wood raw materials in specializing timber utilization.

Tiivistelmä:

Harvennusmännystä (Pinus sylvestris) ja -kuusesta (Picea abies) valmistetun ydinkeskeisen pyöreän ja sahatun puutavaran oksikkuuteen, kieroutumiseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttavat tekijät.

Väitöskirjatutkimus käsittelee ensiharvennusmetsien puuraaka-aineen vaihtoehtoisia käyttömahdollisuuksia ja niiden edellytyksiä mekaanisessa puunjalostuksessa. Tärkein tavoite oli löytää eteläsuomalaisesta harvennusmännystä ja -kuusesta valmistetun ydinkeskeisen pyöreän ja sahatun puutavaran oksikkuuteen, kieroutumiseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttavat tekijät. Tavoitteena oli myös tutkia rakennepuutavaran lujuusominaisuuksien määrittelyyn liittyvien EN standardien soveltuvuutta harvennusmännystä ja -kuusesta valmistetulle ydinkeskeiselle pyöreälle ja sahatulle puutavaralle. Lisäksi tutkittiin EU-projektissa (FAIR CT 95 - 0091) Pienen pyöreän puun käyttö rakentamisessa laadittujen pyöreän puun lujuuslajittelukriteerien soveltuvuutta suomalaisesta harvennusmännystä ja -kuusesta valmistetulle pyöreälle puutavaralle.

Tutkimus perustuu aineistoon, joka kerättiin EU-projektissa (FAIR CT 95 - 0091) Pienen pyöreän puun käyttö rakentamisessa. Tutkimusmateriaali, yhteensä 500 kpl harvennusmännyn (275 kpl) ja -kuusen (225 kpl) tyvitukkeja, kerättiin neljältä mänty- ja kahdelta kuusileimikolta Etelä-Suomesta. Tukkien oksatunnukset mitattiin ennen kuorintaa sekä valmiista puutavarasta. Kuivauksen ja tasaannutuksen jälkeen puutavaran kieroutuminen mitattiin, jonka jälkeen jokaisesta puutavarakappaleesta otettiin kappaleet taivutus- ja puristuslujuuden ja -kimmoisuuden testaamista varten. Kokeet suoritettiin EN standardien mukaisesti VTT Rakennustekniikan puulaboratoriossa. Tutkitun puutavaran läpimitat vaihtelivat välillä 50-180 mm ja kosteus välillä 10-22 %. Tutkimustulosten tilastollinen analysointi tehtiin regressioanalyysillä.

Tutkimustulokset osoittavat, että harvennusmännyn ja -kuusen ulkoisten tunnusten perusteella voidaan ennustaa niiden sisäisiä oksatunnuksia. Esimerkiksi tukin pinnalla näkyvän suurimman kuolleen oksan muuttuminen terveeksi riippui erityisesti kuolleen oksan läpimitasta suhteessa puun läpimittaan - mitä suurempi kuollut oksa suhteessa puun läpimittaan, sitä lähempänä tukin pintaa oksa muuttui terveeksi. Harvennusmännystä ja -kuusesta valmistetun ydinkeskeisen puutavaran kieroutuminen kuivauksessa riippui voimakkaasti puutavaran iästä eli vuosirenkaiden lukumäärästä ja kosteudesta. Mitä nuoremmasta puusta valmistettu puutavara, sitä suurempi kieroutuminen kuivauksessa. Lisäksi havaittiin voimakas iän ja kosteuden yhdysvaikutus puutavaran kieroutumiseen. Nuoremmasta puusta valmistettu puutavara kieroutui samassa loppukosteudessa enemmän kuin vanhemmasta puusta valmistettu puutavara.

Iän eli vuosirenkaiden lukumäärän vaikutus harvennusmännystä ja -kuusesta valmistetun ydinkeskeisen puutavaran taivutus- ja puristuslujuuteen sekä -kimmoisuuteen oli myös merkittävä. Iän kasvaessa myös puutavaran lujuus ja kimmoisuus kasvoivat voimakkaasti, vaikka puun tiheyden kasvu otettiin huomioon. Iällä ja kosteudella oli yhdysvaikutus myös puutavaran lujuuteen ja kimmoisuuteen. Nuoremmasta puusta valmistetun puutavaran lujuus ja kimmoisuus olivat pienemmät samassa loppukosteudessa ja tiheydessä kuin vanhemmasta puusta valmistetun puutavaran. Iän ja kosteuden voimakas vaikutus harvennusmännystä ja -kuusesta valmistetun puutavaran kieroutumiseen, lujuuteen ja kimmoisuuteen voidaan selittää harvennuspuusta tuotetun puutavaran suurella nuorpuuosuudella, joka sijaitsee puun ytimen ympärillä. Nuorpuun rakenne ja kemiallinen koostumus poikkeaa lähempänä puun pintaa olevasta puuaineksesta. Kun männyn ja kuusen tiheys oli sama, kuusen lujuus ja kimmoisuus oli selvästi suurempi kuin männyn. Koska samalla vuosirengasleveydellä männyn tiheys oli suurempi kuin kuusen, männyn ja kuusen lujuus- ja kimmoisuus eivät kuitenkaan poikenneet merkittävästi toisistaan samalla vuosirengasleveydellä ja oksaisuudella. Pyöreän puun taivutuslujuus ja -kimmoisuus oli suurempi kuin sahatun.

Harvennusmännystä ja -kuusesta valmistetun ydinkeskeisen puutavaran puristus- ja taivutuslujuuden suhde oli selvästi pienempi EN 384 standardissa. Lisäksi EN 384 standardissa annetaan kaava, jonka mukaan taivutuslujuus pienenee puun koon kasvaessa. Tässä tutkimuksessa havaittiin sekä pieni positiivinen että negatiivinen kokovaikutus, jonka suunta riippui puun koosta ja vuosirengasleveydestä.

Tutkimuksen mukaan EU-projektissa (FAIR CT 95 - 0091) Pienen pyöreän puun käyttö rakentamisessa luodut pyöreän puun lujuuslajittelukriteerit soveltuvat suomalaiselle harvennusmännystä ja -kuusesta valmistetulle pyöreälle puulle. Nämä lujuuslajittelukriteerit ja niitä vastaavat CEN-lujuusluokat on esitetty alla:

 
Luokka ACEN 30
Luokka BCEN 18
Oksasumma per puun läpimitta [%]
75
100
Suurimman oksan läpimitta per puun läpimitta [%]
25
30
Vuosirengasleveys [mm]
3
5

Tutkimuksen mukaan harvennusmänty- ja kuusitukkien ulkoisten oksatunnusten perusteella voidaan ennustaa tukkien sisäistä oksikkuutta. Tätä ulkoisten ja sisäisten oksatunnusten yhteyttä tulisi tutkia laajemmin ja selvittää, voidaanko tätä yhteyttä käyttää kannattavasti sahausasetteita valittaessa harvennusmännyille ja -kuusille. Harvennusmännystä ja -kuusesta valmistettu ydinkeskeinen puutavara soveltuu lujuusominaisuuksien puolesta hyvin kantaviin rakenteisiin, mutta puutavaran voimakkaampi kieroutuminen verrattuna järeämmästä puusta sahattuun puutavaraan aiheuttanee jatkojalostuksessa ja rakentamisessa ongelmia normaalia enemmän. Tämän vuoksi puutavaran kuivausmuodonmuutoksia vähentäviä keinojen käyttö olisi tärkeää, etenkin harvennuspuun mekaanisessa puunjalostuksessa.

Ks. METLA Hanke 3192:
Puuraaka-aineen laatu, mittaus ja hankinnan organisointi erikoistuvassa puunkäytössä.

Keywords:
Picea abies, Pinus sylvestris, bending strength, compression strength, density, drying deformations, juvenile wood, knots, mechanical properties, modulus of elasticity, physical properties, round timber, sawn timber, twisting.

Publisher and sales:
Finnish Forest Research Institute, Joensuu Research Centre.

Accepted by Kari Mielikäinen, Research Director, 23.4.2001.

Alkuun

  Päivitetty:   7.8.2001/KKKo  Metla : Julkaisut : Tiedonantoja : 807   Palaute Metlan etusivulle