Mixed mode I/II fracture toughness of pine wood

The paper discusses the results of experimental, numerical, and micro-structural investigations of mixed mode I/II fracture of pine wood (Pinus sylvestris L.) for the TL and RL crack propagations systems. The critical energy release rates, were used as a fracture toughness parameter. The acoustic emission method was applied to determine the crack initiation moment and the critical load. A mixed mode bending (MMB) apparatus and MMB specimens were used for the first time to determine the fracture toughness of pine wood under mixed mode I/II loading. The critical energy release rates, GI and GII, were established for different GI/GII ratios. They were used to assess fracture toughness of pine wood at different mode-I-to-mode-II-loading component ratios, and propose the fracture conditions for the mixed mode I/II loading. These conditions can be applied in a safety analysis of cracked structural pine wood elements subjected to mixed mode I/II loading. By applying a scanning photography technique, it was possible to examine the mechanisms of micro-fracture at the cell level of pine wood under mixed mode I/II loading.

---

Przedstawiono wyniki eksperymentalnych, numerycznych i mikro-strukturalnych badań odporności na pękanie drewna sosnowego (Pinus sylvestris L.) poddanego obciążeniu mieszanemu I/II dla systemów propagacji pęknięcia TL i RL. Odporność na pękanie określona została poprzez krytyczne wartości współczynników uwalniania energii G. Zastosowanie metody emisji akustycznej umożliwiło łatwe i dokładne wyznaczenie momentu inicjacji pękania, a co za tym idzie obciążenia krytycznego. W analizie odporności na pękanie drewna sosnowego poddanego działaniu obciążenia mieszanego I/II po raz pierwszy zastosowano stanowisko oraz próbki belkowe typu MMB (Mixed Mode Bending). Krytyczne współczynniki uwalniania energii GI i GII wyznaczone zostały dla różnych wartości stosunku GI/GII. Pozwoliło to na określenie odporności na pękanie drewna sosnowego dla różnych proporcji obciążenia I typu w stosunku do obciążenia typu II, a także określenie warunków pękania w przypadku działania obciążenia mieszanego I/II. Warunki te mogą być wykorzystywane w analizie bezpieczeństwa pracy sosnowych elementów konstrukcyjnych z pęknięciami pracujących pod obciążeniem mieszanym typu I/II. Wartości współczynników G obliczone były również numerycznie, przy użyciu programu opartego na metodzie elementów skończonych (MES) Adina v. 8.4. Stosując modele numeryczne oraz bazując na wyznaczonym eksperymentalnie obciążeniu krytycznym Pc możliwe było obliczenie krytycznych wartości współczynników uwalniania energii oraz zweryfikowanie warunków pękania wyznaczonych eksperymentalnie. Poprzez zastosowanie techniki skaningowej możliwe było zbadanie mikro pękania drewna sosnowego w skali komórkowej pod obciążeniem złożonym. Mechanizmy zniszczenia typowe dla czystych sposobów obciążenia występują także przy obciążeniu mieszanym I/II. Dla wszystkich analizowanych przypadków obserwowano występowanie dwóch różniących się powierzchni pękania dla systemu TL. Związane jest to z prostopadłym ułożeniem słojów przyrostów rocznych drewna wczesnego i późnego w stosunku do płaszczyzny pękania.