Expertise mécanique des sciages par analyses des vibrations dans le domaine acoustique
Authors: Brancheriau L.
Publication Date: September 2002 (PhD thesis, Aix-Marseille II University, 2002)
Tags: Analysis Synthesis, Solid Sounds
Abstract
In order to improve strength grading methods for building timbers, the aim of this work is to design and to test a system which allows to evaluate, in a non destructive manner and in a reliable way, the longitudinal modulus of elasticity and the bending strength of sawn timbers. This goal also includes the possibility to detect and quantify the presence of wood defects. Several steps are required to reach this aim. For a better understanding, these steps are described both in the logical and chronological way. The first step reviews the classic theories, used in modal analysis, clarifying their validity domain, and then establishes a new theoretical approach allowing to take into account and to characterize the presence of defects in timber beams. The second step allows to establish the link between the vibrations theory of plates and the one of beams. Consequently this step clarifies the validity domain of classic theories concerning vibration beams when the cross section dimensions are very different, which generally happens for the case of structural timbers. The third step allows to characterize, in a specific frequency range, by the way of a viscoelastic modeling in the dynamic behavior, all the waves transformations occurring during their propagation through the material. The fourth step deals with the problem of the detection of the singularities number and their location using a method derived from the impact – echo technique, analyzing the propagative waves reflexions at the bound between different mediums. The fifth and last step allows to evaluate the efficiency of all of the non destructive methods developed in the previous steps. Experimental tests are performed on several structural timber batches, in order to estimate their mechanical properties using specific statistic techniques.
Abstract (in french)
Afin d’améliorer le processus de classement des poutres en bois à usage structurel, l’objectif de ce travail consiste à imaginer et mettre en œuvre un système de mesure capable d’estimer de manière non destructive et fiable le module d’élasticité longitudinal et la contrainte à la rupture des avivés. Cette problématique inclut la possibilité de détecter et de quantifier le ou les défauts présents dans les pièces de bois. Pour atteindre l’objectif fixé, plusieurs étapes sont nécessaires. Ces différentes étapes sont présentées en détails dans l’ordre logique, et chronologique, pour des raisons de clarté. La première étape expose les modèles classiques, utilisés en analyse modale, en précise les limites de validité, puis établit une nouvelle approche théorique permettant de prendre en compte et de caractériser la présence de singularités dans les poutres en vibrations. La deuxième étape permet d’établir la liaison entre la théorie des vibrations de plaque et celle de poutre. Cette étape précise ainsi la limite de validité des modèles classiques de poutre en vibrations lorsque les dimensions de la section transverse sont différentes, ce qui est généralement le cas des poutres à usage structurel. La troisième partie permet de caractériser dans la gamme de fréquence concernée, par le biais d’une modélisation viscoélastique du comportement dynamique du matériau, l’ensemble des transformations subies par les ondes se propageant dans les poutres en vibrations. La quatrième partie pose le problème de la détection du nombre des singularités et de leur position à partir d’une méthode basée sur l’impact – echo, analysant les réflexions des ondes propagatives à l’interface entre différents milieux. La cinquième et dernière partie permet de juger de l’efficacité de l’ensemble des méthodes non destructives, développées au cours des précédentes étapes, à partir d’essais expérimentaux sur plusieurs lots de bois à usage structurel, quant à l’estimation des valeurs mécaniques de référence par des traitements statistiques appropriés.