online issn 2069-7430 pro ligno vol. 7 n° 4 2011 issn-l ... · atacate de ciuperci. În acest...

ONLINE ISSN 2069-7430 ISSN-L 1841-4737

PRO LIGNO Vol. 7 N° 4 2011 www.proligno.ro pp. 18-25

18

INVESTIGAREA PRIN COMPUTER- TOMOGRAFIE CU RAZE X A

ANIZOTROPIEI PUTREZIRII LEMNULUI

ANALYSIS OF DECAY ANISOTROPY BY X-RAY COMPUTER TOMOGRAPHY

Kei MAEDA PhD Student – University of Tokio – School of Agriculture and Life Science

Adresa/Address: 1-1-1 Yayoi, Bunkyo-ku Tokyo, Japan E-mail: [email protected]

Masamitsu OHTA

Prof., PhD – University of Tokio – School of Agriculture and Life Science Adresa/Address: 1-1-1 Yayoi, Bunkyo-ku Tokyo, Japan

E-mail: [email protected]

Ikuno MOMOHARA Researcher - Forestry and Forest Products Research Institute

Adresa/Address: 1 Matsunosato, Tsukuba, Ibaraki, Japan E-mail: [email protected]

Rezumat:

Obiectivul acestei cercetări a fost de a realiza o nouă metodă de simulare a procesului de reducere a rezistenŃelor mecanice ale structurilor din lemn atacate de ciuperci. În acest scop, a fost nevoie de determinarea vitezei cu care se propagă fenomenul de biodegradare de-a lungul celor trei direcŃii de anizotropie a lemnului. S-au realizat teste de biodegradare cu ciuperci de putregai alb şi putregai brun pe specimene mici pe cele trei direcŃii de anizotropie. Rezultatele au fost estimate ca reduceri de densitate prin computer-tomografie cu raze X, ulterior studiindu-se corelaŃia între pierderea de densitate şi reducerea rezistenŃelor mecanice. S-a constatat că, viteza de degradare a fost mai mare pe direcŃie longitudinală faŃă de direcŃiile radială şi tangenŃială. În imaginile computer-tomografice au fost identificate diferite modele de degradare, în funcŃie de direcŃia de degradare. Cuvinte cheie: anizotropia biodegradării; raze X; computer-tomografie (CT). INTRODUCERE

Pentru structurile din lemn, degradarea elementelor structurale cauzată de ciupercile de putregai duce la probleme majore care pot fi catastrofale, precum colapsul întregii structuri (Doi 1995; Karube 2001). Pentru a evita astfel de pagube, este necesară dezvoltarea unei metode de simulare şi prezicere a scăderii rezistenŃelor structurilor din lemn, în funcŃie de evoluŃia biodegradării. Obiectivul final al acestei cercetări este de a dezvolta o metodă de simulare cu ajutorul computerului care să realizeze aceste analize. Până în prezent s-a realizat un program preliminar care poate simula un caz foarte simplu după cum este prezentat în Fig. 1. Acest program cuprinde două părŃi. Prima parte simulează evoluŃia procesului de degradare şi calculează scăderea în densitate a probelor, care

Abstract: We are aiming to make up a new method for

simulating the strength losing process of timber structures attacked by fungi. To realize this, it is necessary to know the decay developing velocity along the three different directions of wood anisotropic axes. So we carried out decay developing tests of small specimens in three anisotropic directions using white-rot and brown-rot fungi. The results were estimated as density loss variations using X-ray CT equipment, and then the relationships between density loss and strength reduction were examined. As a result, the velocity of decay progress was higher in longitudinal direction than radial/tangential directions. From CT images, differences of decay patterns according with the decay progress direction were found.

Key words: decay anisotropy; X-ray; computer tomography (CT). INTRODUCTION

For timber structures, the degradation of the structural members by decay fungus induces serious problems that might result in fatal damages such as a fall down of the structure itself (Doi 1995; Karube 2001). To avoid such damages, development of the predicting method on the strength losing behavior of timber structures along with the decay progress is required. Then, the final aim of our research is to make up a computer simulating method to realize such analyses. By now, we have developed a preparatory program that can simulate a very simple case as shown in Fig.1. This program is divided in two parts. First is the decay progress simulation part, and it calculates the density decreasing process, which is converted to strength decrease of wood substance, with decay progress. Second part is the



19

este apoi convertită în scăderea rezistenŃelor mecanice pe durata procesului de putrezire A doua parte a programului cuprinde un model de simulare a ruperii structurii lemnoase degradate prin Metoda Extinsă a Elementului Finit.

Fig. 1 prezintă procesul de degradare pe direcŃie longitudinală şi ruperea prin greutate proprie a grinzii parŃial degradate.

Pasul următor al acestei metode este realizarea unei simulări 3D. În acest scop este nevoie de evidenŃierea anizotropiei procesului de putrezire prin computer-tomografia cu raze X (CT). Prin această tehnică nedistructivă de investigare se pot măsura modificările în densitate ale lemnului pe cele trei direcŃii. Cu această metodă, Petutschnig (2002) a arătat posibilitatea detectării putregaiului în funcŃie de variaŃia conŃinutului de umiditate. Utilizând computer-tomografia cu raze X, Jan Van den Bulcke ş.a (2009) a demonstrat că pot fi observate hifele în lemnul degradat.

În acest studiu, pentru a investiga anizotropia procesului de biodegradare, s-au realizat teste de putrezire forŃată pe cele trei direcŃii ortotropice ale lemnlui utilizând ciuperci de putregai brun şi alb, iar analiza scăderii densităŃii ca urmare a biodegradării a fost realizată cu un computer-tomograf cu raze X. METODĂ, MATERIALE ŞI APARATURĂ

Trei tipuri de epruvete de molid (Picea Sitchensis) au fost debitate dintr-un buştean (Tabelul 1). După înregistrarea masei uscate a probelor (uscate 2 zile la 600C), a fost aplicată o răşină epoxidică pe patru laturi ale epruvetelor prismatice (Fig. 2.) pentru a preveni colonizarea fungică. Apoi, epruvetele au fost uscate la 60ºC până la masă constantă (aproximativ o săptămână) pentru a putea măsura masa răşinii epoxidice aplicate. O treime din epruvete au fost scanate înainte de a fi expuse în mediul fungic cu scanerul de raxe X SKYSCAN 1174. CondiŃiile de scanare au fost: tensiune 50kV, intensitatea curentului în tubul de raze X de 800µA, timp de expunere 1.600ms pe imagine. Pasul de rotire a fost de 1º, iar mărimea voxelilor de aprox. (30x30x30)m. În timpul unei scanări s-a putut scana cca. 3cm din înălŃimea probei; pentru a scana întreaga probă s-au realizat trei scanări.

După scanarea probelor de lemn sănătoase, toate probele au fost sterilizate prin gazare cu oxid de etilenă şi apoi expuse ciupercilor de putregai Fomitopis palustris (putregai brun) şi Trametes versicolor (putregai alb) prevazute de standardul japonez (JIS) Z 2101 (2009). Ciupercile au fost cultivate în sticle pe un mediu de agar conŃinând 2% agar, 1% extract de malŃ şi 0,5% peptonă timp de o săptămână într-o cameră de cultură (26 ± 2ºC, umiditate relativă >70%), după care au fost plasate probele pe mediul fungic. Pentru a preveni o absorbŃie mare de apă a probelor expuse la putregaiul brun, între acestea şi mediul fungic a fost poziŃionată o sită de plastic (Fig. 2.). După perioada

fracture simulation process of the weakened timber structure by Extended Distinct Element Method.

Fig. 1 demonstrates the decay progress in the longitudinal direction and the fall down by its own weight of a partially decayed beam.

To go to next step, we are preparing to extend this simulation method into three dimensional one. For this purpose, it is indispensable to reveal the decay progress anisotropy in wood, then the X-ray Computer Tomography (CT) method is employed. With X-ray CT, it is possible to measure the three dimensional changes of density distribution of wood nondestructively. Using this method, Petutschnigg (2002) showed the possibility to detect the decay by taking account of the moisture contents. Using X-ray CT, Jan Van den Bulcke et al. (2009) demonstrated that hyphae in the decayed wood could be observed.

In this study, to investigate the anisotropy of decay progress, forced decay tests in three orthotropic directions of wood were carried out using brown-rot fungi and white-rot fungi, and density loss analysis was done by X-ray CT scanner.

MATERIALS AND METHODS Three types of spruce specimens (Picea

Sitchensis) were prepared from one log (Table 1). After measurement of the dry weight of the specimens (dried 2 days at 600C), epoxy resin was applied to four side-wall of prismatic test specimen (Fig. 2.) to prevent the fungal invasion. Then the specimens were oven dried at 600C until the weight become constant (about 1 week) to measure the weight of applied epoxy resin. One-third specimens were scanned before exposure to fungi, using X-ray CT scanner SKYSCAN 1174. Scanned condition was an average tube voltage of 50kV, a tube current of 800µA and an exposure time of 1,600ms per image. A rotation step size of 10 and voxels size of approximately (30×30×30)m were used. As about 3cm height of the specimen could be taken per 1 time scan, to scan most part of the specimen, 3 times scan were carried out per one test specimen.

After scanning of the nondecayed specimens, all specimens were sterilized using an ethylene oxide gas sterilizer and exposed to Fomitopsis palustris (brown-rot) or Trametes versicolor (white-rot), which were defined by Japanese Indusirial Standards (JIS) Z 2101 (2009). The fungus were cultured in several cultural bottles on agar medium containing 2% agar, 1% malt extract, and 0.5% peptone for 1 week in a cultivation room (26 ± 2ºC, RH >70%), then specimens were put on the fungal medium. For the specimens exposed to brown-rot fungus, a plastic mesh sheet was put between the specimen and the fungal medium to prevent the specimens from absorbing too much water (Fig. 2.).

After the exposure time, agar and hypha were removed from test specimens and scaning for all test specimens were carried out before and after oven



20

stabilită de expunere a probelor în mediul fungic, mediul de cultură şi hifele au fost înlăturate de pe probe, probele fiind scanate înainte şi după tratamentul de uscare (la 60ºC până la masă constantă).

dry treatment (at 600C until the weight becomes constant).

Fig. 1. Modelul de simulare al procesului de putrezire / The simulation model.

Fig. 2.

Reprezentare schematică al testului de putrezire / Schematic diagram of the decay test.

Tabelul 1 / Table 1 Testul materialului matrice / Matrix material test

DirecŃia de putrezire / Decay progress direction

Planul de invazie al

ciupercilor / Fungi invasion

plane

Dimensiunile probei / Specimen size

(mm)

Densitatea în stare absolut uscată /

Oven dried density (g/cm3)

Numărul de probe / Sample

number

Longitudinal RT 20 × 20 × 100(L) 0.46 ~ 0.56 72

Radial LT 20 × 20 × 100(R) 0.45 ~ 0.51 72

Tangential LR 20 × 20 × 100(T) 0.45 ~ 0.48 66



21

DistribuŃia tonurilor de gri din imaginile scanate a fost transformată prin ecuaŃii liniare în distribuŃia densităŃii. Zona mai deschisă din imaginea scanată este zona cu densitatea cea mai mare. Cinci specii de lemn (Balsa, Hinoki, Tec, Stejar şi Abanos Indian) au fost utilizate ca şi etaloane de densitate (0,13~1,1g/cm3) şi pentru etalonare aceste probe în stare anhidră au fost scanate înainte de scanarea probelor efective testate.

REZULTATE EXPERIMENTALE Testul de putrezire forŃată

Indiferent de specia de ciupercă de putregai utilizată, greutatea probelor testate în direcŃie longitudinală a scăzut constant funcŃie de timp (Fig. 3.). Probele expuse la putregaiul brun au putrezit mai repede decât cele expuse la putregaiul alb. Acest fapt poate fi explicat prin specia diferită de ciupercă de putregai şi condiŃiile de testare. Este binecunoscut faptul că putregaiul brun duce la putrezirea lemnului de răşinoase mai repede decât putregaiul alb. PrezenŃa sau lipsa sitei din plastic a dus la conŃinuturi diferite de umiditate. Valoarea medie a conŃinutului de umiditate a probelor degradate de putregai alb a fost în jur de 100% iar această umiditate accelerează putrezirea (Mizumoto 1964) faŃă de umiditatea de 50% a speciilor atacate de putregaiul brun.

La probele supuse degaradării pe celelalte direcŃii, la testele cu putregai brun s-a înregistrat o pierdere aparentă de masă doar pentru 1-2 probe pentru fiecare durată de expunere. FeŃele laterale ale probelor expuse mai mult de 40 de zile au fost şi ele atacate de fungii. ConŃinutul de umiditate al acestora a fost de aproximativ 10 ~ 30%.

Nici un semn de degradare pe direcŃie radială sau tangenŃială nu a putut fi observat cu ochiul liber la probele expuse la putregaiul alb şi nu au existat scăderi în masă.

The grey scale value distributions of scanning images were converted to density distribution using linear equation. The bright area of the images is the area which has high density. Five wood species (Balsa, Hinoki, Teak, Oak and Indian Ebony) were employed as density phantoms (0.13~1.1g/cm3) and those oven dried phantoms were scanned before the test specimens scan.

EXPERIMENTAL RESULTS Forced Decay Test

Regardless of used decay fungus, weights of the decay tested samples in longitudinal direction were decreased constantly with time (Fig. 3.). Specimens exposed to brown rot fungi were decayed faster than that by white rot fungi. This can be explained by the difference of the fungi and the test condition. It is well-kown that brown rot fungi can decay soft wood faster than white rot fungi. The presence or absense of plastic mesh sheet caused the difference of the moisture contents. The average moisture content of white rot decayed specimen were about 100% and this condition is tough to decay progress (Mizumoto 1964) in contrast to the 50% moisture content of brown rot decayed one.

In the decay tested specimens in other directons using brown rot, apparent weight loss was occured in only one or two specimens per each exposure time. Vicinity of specimens exposured for more than 40 days were attacked by fungi in most cases. The moisture contents of them were about 10 ~ 30%.

Any visual sign of decay couldn’t be seen in the samples exposed to white rot in radial or tangential direction and mass of them weren’t decreased.

Fig. 3.

VariaŃia pierderii de masă în timp: în stânga probe expuse la putregaiul brun; în dreapta probe expuse la putregaiul alb/ Weight loss change: left – exposed to brown – rot fungi; right – exposed to

white – rot fungi.



22

IMAGINILE COMPUTER-TOMOGRAFICE ALE PROBELOR EvoluŃia biodegradării pe direcŃie longitudinală (ciuperci de putregai brun)

Fig. 4 prezintă imagini CT cu raze X a probelor putrezite pe direcŃie longitudinală timp de 113 zile. Contragerea poate fi observată pe întreaga probă iar în apropierea mediului de ciuperci este mai mare decât la capătul opus. IniŃial, fisurile au fost generate în vecinătatea inelului anual. Fisurile în lungul direcŃiei radiale se pot vizualiza la baza părŃii atacate de putregai. Densitatea probelor a scăzut de asemenea. DistribuŃia densităŃii probelor pe o durată de 63 de zile (fără fisuri) este prezentată în Fig. 5. Scăderea în desitate a apărut pe toată suprafaŃa iar aceasta pare să fi fost mai mare pentru lemnul târziu.

X-RAY CT IMAGES OF SAMPLES Decay Progress in Longitudinal Direction ( Using Brown – rot Fungi)

Fig. 4 shows X- ray CT images of decay tested specimen in longitudinal direction for 113 days. The shrinkage can be seen at all area of the specimen and that of the vicinity of the fungal medium is harder than that of the opposite end. The cracks were generated along the annual ring boundaries at first. The cracks along the radial direction can be seen at the fungal base side of the specimen. The density of the specimen was also decreased. The density distribution of the decayed specimen for 63 days (with no cracks) is shown in Fig. 5. The loss of the density was occurred in whole area and the loss was seems to be larger at the late wood.

Fig. 4.

Imaginile CT ale probelor putrezite în direcŃie longitudinală timp de 113 zile (pierderea de masă = 19%); x = distanŃa de la mediul fungic /

X – ray CT images of the decayed sample in longitudinal direction for 113 days (weight loss = 19%); x = distance from the fungal medium.

Fig. 5.

DistribuŃia de densitate a probelor putrezite în direcŃie longitudinală timp de 63 zile (pierderea de masă = 13%, x = 37mm, s-a efectuat corecŃia contragerii) /

The density distribution of the decayed sample in longitudinal direction for 63 days (weight loss = 13 %, x = 37 mm, the correction of the shrinkage was done).



23

EvoluŃia biodegradării pe direcŃie radială (ciuperci de putregai brun)

Imaginile CT ale probelor putrezite pe direcŃie radială sunt prezentate în Fig. 6. IniŃial, crăpătura pe direcŃie longitudinală nu a existat. Zona de contragere pe direcŃie longitudinală observată a fost de aproximativ 10mm iar cea pe direcŃie tangenŃială la circa 30mm faŃă de mediul fungic. În acele zone, densitatea a scăzut iar conturul inelului anual s-a estompat.

Decay Progress in Radial Direction ( Using Brown – rot Fungi)

X –ray CT images of a decay tested sample in radial direction were shown in Fig. 6. The crack across the longitudinal direction wasn’t existed. The shrinkage observed region in longitudinal direction was about 10mm and in tangential direction about 30mm from the cultural medium. In that regions, the density was decreased and the pattern of the annual ring became unclear.

Fig. 6.

Imaginile CT ale probelor putrezite pe direcŃie radială timp de 115 zile ( pierderea de masă = 11 %) /

The X –ray CT images of the decayed sample in radial direction for 115 days (weight loss = 11 %).

EvoluŃia degradării pe direcŃie tangenŃială (ciuperci de putregai brun)

Probele testate la putrezire în direcŃie tangenŃială au fost atacate în zona între răşina epoxidică şi capătul epruvetei. În Fig. 7. sunt prezentate imaginile putrezirii în stadiu incipient. Crăpăturile au aproximativ 2mm în lungul inelului anual. În acest caz, scăderea aparaentă în densitate şi contragerea nu au fost observate.

Decay Progress in Tangential Direction ( Using Brown – rot Fungi)

With tested samples in tangential direction, advanced decayed samples were infected at the interspace between epoxy resin and the end grain. In Fig.7., the X-ray CT images of the early stage decay sample were shown. The cracks were progressed about 2mm along annual ring boundary. In this case, the apparent density loss and shrinkage weren’t observed.

Fig. 7.

Imaginile CT ale probelor degradate pe direcŃie tangenŃială timp de 115 zile ( pierderea de masă = 11 %) / The X –ray CT images of the decayed sample in tangential direction for 115 days (weight

loss = 11 %).



24

EvoluŃia biodegradării pe direcŃie longitudinală (ciuperci de putregai alb)

La probele expuse la putregaiul alb nu au fost observate crăpături. Contragerea a fost mai mică decât la probele expuse la putregaiul brun. Pierderea în masă a probelor este exprimată de scăderea în densitate prezentată în Fig. 8. Zona contrasă este vizibilă în toate imaginile. Proba din zona cantrală a înregistrat cea mai mare scăderea în densitate. Deoarece conŃinutul de umiditate al zonei din vecinătate a fost mai mare de 120% la testul cu putregai alb, putregaiul în aceste zone nu s-a răspândit mai rapid faŃă de zona centrală.

Decay Progress in Longitudinal Direction ( Using White – rot Fungi)

In the samples exposed to white rot fungi, no crack caused by the decay was observed. The shrinkage was smaller than that exposed to brown rot. Weight loss of the specimen was expressed by the density decrease as shown in Fig. 8. The decreased area could be seen at all pictures. Among them, the middle one had the largest density decreased area. Since moisture content of the vicinity of the medium was more than 120% in the test condition using white rot fungi, decay at these area didn’t progress faster than that of middle area.

Fig. 8.

Imaginile CT ale probelor degradate prin putregai alb pe direcŃie longitudinală timp de 120 de zile (pierderea de masă = 13 %, x = distanŃa de la mediul fungic) /

X –ray CT images of the white – rot decayed sample in longitudinal direction for 120 days (weight loss = 13 %, x = distance from the fungal medium).

CONCLUZII

Testele de putrezire forŃată pe cele trei direcŃii ortotropice au fost realizate pentru a sublinia anizotropia evoluŃiei procesului de putrezire în lemn. Pierderea de masă a probelor putrezite pe direcŃie longitudinală a crescut constant indiferent de tipul de putregai, alb sau brun şi mai rapid decât pe celelalte direcŃii.

Imaginile CT au oferit numeroase informaŃii detaliate. Indiferent de direcŃia de dezvoltare a putregaiului, crăpături pot fi observate de-a lungul direcŃiilor radială şi tangenŃială. Contragerea pe direcŃie tangenŃială a fost mai mare faŃă de direcŃia longitudinală. O pierdere mare în densitate a fost înregistrată la lemnul târziu.

CONCLUSIONS The forced decay tests for three orthotropic

directions were carried out to reveal the anisotropy of the decay progress in wood. Weight loss of the decay tested samples in longitudinal direction increased constantly regardless used fungi and they progressed faster than that in other directions.

The X-ray CT images brought many information in detail. Regardless of the decay progress direction, cracks were observed along the radial and tangential direction. The shrinkage in the tangential direction was harder than that in the longitudinal direction. The density loss was observed widely and severe in late wood.

BIBLIOGRAFIE / REFERENCES DOI, T., MIYANO, M., LU, H., KITAMOTO, H. (1995). The damage of wooden houses attacked by the 1995 Hanshin-Awaji earthquake. Research report of AIJ Kinki branch, 35, pp. 221-224. ISSN 1345-6660. JAN VAN DEN, B., MATTHIEU, B., JORIS VAN, A., LUC VAN, H. (2009). Three-Dimensional X-Ray Imaging



25

and Analysis of Fungi on and in Wood, Microscopy Microanalysis, 15, pp. 395–402. ISSN 1431-9276. JAPANESE INDUSTRIAL STANDARDS (2009). Methods of tests for wood., JIS Z-2101. Japanese Standards Association, Tokyo. KARUBE, M., MYATAKE, A., SUZUKI, K., KATO, H. (2001). Report on the collpse of bridge made with Bongossi. Journal of architecture and building science, 12, pp. 89-92. ISSN 1341-9463. MIZUMOTO, S. (1964). Relation of Moisture Content of Wood and Relative Humidity in an Atmosphere to the Decay of Japanese Red Pine Wood, Due to Attack of Four Species of Gloeophyllum. Journal of the Japanese Forestry Society, 46, pp. 9-13. ISSN 0021-485X. PETUTSCHNIGG, A. J., FLACH, M., KATZ, H. (2002). Decay recognition for spruce in CT-Images. Holz als Roh- und Werkstoff, 60, pp. 219–223. ISSN 0018-3768.

Traducerea articolului în limba română a fost realizată de / Translation into Romanian performed by:

PhD Student, eng. Ana-Adriana TUDUCE

online issn 2069-7430 pro ligno vol. 7 n° 4 2011 issn-l ... · atacate de ciuperci. În acest...

Documents