Strength grading of structural timber is a process by which value is added to sawn products. It is to the greater part carried out using machine grading based on statistical relationships between so called indicating properties and bending strength. The most frequently applied indicating property (IP) on the European market is the stiffness in terms of average modulus of elasticity (MOE) of a timber piece, although MOE is a material property that varies within timber.

A major limitation of today’s grading methods is that the described relationships are relatively poor, which means that there is a potential for more accurate techniques. The main purpose of this research has been to initiate development of more accurate and efficient machine grading methods.

Strength of timber is dependent on the occurrence of knots. At the same time, knot measures applied as indicating properties until today have shown to be poor predictors of strength. However, results from this research, and from previous research, has shown that not only size and position of knots but also fibre deviations in surrounding clear wood are of great importance for local stiffness and development of fracture under loading. Thus, development of new indicating properties which take account of knots as well as properties of surrounding fibres, determined on a very local scale, was considered as a possible path towards better strength grading.

In the research, results from contact-free deformation measurements were utilized for analysis of structural behaviour of timber on both local and global level. Laser scanning was used for detection of local fibre directions projected on surfaces of pieces. Scanned information, combined with measures of density and average axial dynamic MOE, was applied for calculation of the variation of local MOE in the longitudinal board direction. By integration over cross-sections along a piece, a stiffness profile in edgewise bending was determined and a new IP was defined as the lowest bending MOE along the piece.

For a sample of Norway spruce planks, a coefficient of determination of 0.68 was achieved between the new IP and bending strength. For narrow side boards to be used as laminations in wet-glued glulam beams, the relationship between IP and tensile strength was as high as 0.77. Since the intended use of the narrow boards was as laminations in wet-glued beams, the possibility of grading them in a wet state was also investigated. Grading based on axial dynamic excitation and weighing gave just as good results in a wet state as when the same grading procedure was applied after drying.

It was also found that the relationship between the new IP and strength was dependent on what scale the IP was determined. Optimum was reached for moving average MOE calculated over lengths corresponding with approximately half the width of investigated pieces.

Implementation of the new IP will result in grading that is more accurate than what is achieved by the great majority of today’s grading machines. The new method will probably also be particularly favourable for development of engineered wood products made of narrow laminations.

Hållfasthetssortering av konstruktionsvirke innebär att värdet på sågade produkter ökar. Sorteringen genomförs oftast med maskinella metoder baserade på statistiska samband mellan s.k. indikerande egenskaper och böjhållfasthet. Den indikerande egenskap (indicating property, IP) som är vanligast på den Europeiska marknaden är styvhet uttryckt som ett medelvärde för elasticitetsmodulen (modulus of elasticity, MOE) i ett virkesstycke, trots att MOE är en materialegenskap som varierar i virket.

En betydande begränsning med dagens sorteringsmetoder är att de beskrivna sambanden är förhållandevis svaga, vilket innebär att det finns en potential för metoder med högre noggrannhet. Det huvudsakliga syftet med detta doktorandprojekt har varit att initiera en utveckling mot sådana metoder.

Hållfasthet hos virke är beroende av förekomst av kvistar. Samtidigt har de kvistmått som fram till idag kommit till användning visat sig vara dåliga prediktorer av hållfasthet. Resultat från såväl denna som tidigare forskning har dock visat att inte bara kvistars storlek och läge, utan också variationen i fiberriktning i omgivande träfibrer, är av stor betydelse för lokal styvhet och brottförlopp under inverkan av last. Utveckling av nya IP som tar hänsyn till såväl kvistar som omgivande träfibrers egenskaper fastställda på mycket lokal nivå bedömdes vara en möjlig väg för att uppnå bättre hållfasthetssortering.

I detta doktorandprojekt användes beröringsfri deformationsmätning för analys av det strukturella beteendet hos virkesstycken på såväl lokal som global nivå. Laserskanning utnyttjades för detektering av lokala fiberriktningar projicerade på virkesstyckenas ytor. Med utgångspunkt från skannad information, virkesdensitet och medelvärde för axiell dynamisk elasticitetsmodul kunde variationen i lokal elasticitetsmodul i virkesstyckenas längdriktning bestämmas. Genom integration över tvärsektioner längs ett virkesstycke kunde en profil över hur böjstyvheten i styva riktningen varierade i virkesstyckets längdriktning beräknas. En ny IP definierades som den lägsta elasticitetsmodulen i böjning utmed virkesstyckets längd.

För ett urval av granplankor erhölls en förklaringsgrad på 0.68 mellan den nya indikerande egenskapen och böjhållfasthet. För smala sidobrädor avsedda att användas som lameller i våtlimmade limträbalkar var motsvarande förklaringsgrad mellan samma IP och draghållfasthet så hög som 0.77. Eftersom sidobrädorna var avsedda att användas som lameller i våtlimmade balkar genomfördes en studie avseende möjligheten att hållfasthetssortera i vått tillstånd med hjälp av axiell dynamisk excitering och vägning. Det visade sig att sådan sortering gav lika bra resultat som då samma metod användes efter torkning.

Sambandet mellan den nya indikerande egenskapen och hållfasthet visade sig också vara beroende av på vilken lokal nivå som egenskapen beräknades. Optimum uppnåddes då den bestämdes som ett glidande medelvärde beräknat över en längd motsvarande ungefär halva virkesstyckets höjd.

Implementering av den nya sorteringsmetoden kommer att resultera i sortering som är noggrannare än vad som kan erhållas med det stora flertalet av de sorteringsmetoder som finns idag. Den nya indikerande egenskapen kommer sannolikt att bli särskilt gynnsam att använda för utveckling av ingenjörsmässiga träprodukter bestående av smala lameller.

Machine strength grading of structural timber is a sawmill process by which considerable value is added to sawn products. The principle of such grading is that the strength of a timber member is predicted on the basis of a so called indicating property (IP) which, in general, represents an averaged value of the modulus of elasticity (MOE) measured over a board length of about one meter or more.

A limitation of today’s grading methods is that the accuracy of strength predictions is often rather poor, which results in a low degree of utilization as regards structural potential of sawn timber. However, it has for many years been well known to researchers that much better strength predictions can be made by using localized MOE values, determined over a very short length, as IP. Still, the determination of such values in a sawmill production environment has been technically very difficult to achieve.

In the research presented in this thesis, dot laser scanning with high resolution was utilized for detection of local fibre orientation on the surfaces of timber members. Since wood is an orthotropic material with superior structural performance in the longitudinal fibre direction, information about fibre orientation was, in combination with beam theory and measured wood material properties, used to determine the bending MOE variation along boards. By application of an IP defined as the lowest MOE found along a board, more accurate strength predictions than what is obtained by common commercial grading techniques was attained.

The thesis also involves flatwise wet gluing of Norway spruce side boards into laminated beams. As side boards, being cut from the outer parts of a log, have excellent structural properties it was not surprising to find that the beams had high strength and stiffness, even when laminations of sawfalling quality were used. The possibility of grading boards in a wet state by means of axial dynamic excitation was investigated with a positive result and application of simple grading rules resulted in considerable improvement of beam bending strength. Finally, bending MOE variation determined on the basis of laser scanned fibre directions was used for identification of weak sections in laminations. Elimination of such sections by means of finger jointing showed that average lamination strength of a board sample could be improved by more than 35 percent.

Hållfasthetssortering av konstruktionsvirke är en sågverksprocess som innebär att värdet av det sågade virket ökar väsentligt. Principen för denna typ av sortering är att styrkan hos ett virkesstycke predikteras med utgångspunkt från en så kallad indikerande egenskap (IP) som oftast representeras av medelvärdet av elasticitetsmodulen (E-modulen) mätt över en sträcka av minst en meter utmed virkesstyckets längd.

De sorteringsmetoder som används idag ger ofta prediktioner med relativt låg noggrannhet, vilket innebär att endast en begränsad del av det sågade virkets konstruktiva potential kan utnyttjas. Det är dock väl känt att avsevärt bättre prediktioner kan erhållas genom att använda en lokal E-modul, uppmätt över en mycket kort sträcka, som IP. I dagsläget saknas dock teknik för att kunna bestämma ett sådant lokalt värde vid produktionshastighet i ett sågverk.

I den forskning som presenteras i denna avhandling har punktlaserskanning med hög upplösning använts för att bestämma fiberriktningens variation på ytorna av virkesstycken. Eftersom trä är ett ortotropt material med högst styvhet och styrka i longitudinell fiberriktning ger skanningsresultaten värdefull information om hur dessa egenskaper varierar längs en planka. Genom att kombinera informationen om fiberriktning med uppmätta virkesegenskaper och klassisk balkteori, kan böjstyvhetens variation utmed en planka beräknas med hög upplösning och därefter omräknas till en E-modul i böjning. Med en IP definierad som det lägsta värdet på nämnda E-modul utmed en planka kan en högre noggrannhet i prediktionen av hållfasthet uppnås, jämfört med vad som kan erhållas med dagens sorteringsmetoder.

Avhandlingen omfattar också limträbalkar tillverkade av sidobräder av gran limmade i rått tillstånd. Eftersom sidobräder sågas från de yttre delarna av en stock har de vanligtvis utmärkta konstruktiva egenskaper. Det var därför inte förvånande att balkarna uppvisade hög styrka och styvhet, även i de fall lamellerna var av sågfallande kvalitet. Möjligheten att med hjälp av axiell dynamisk excitering sortera sidobräder i rått tillstånd undersöktes med positivt resultat och genom att använda sorterade lameller kunde balkarnas styrka förbättras avsevärt. Den ovan beskrivna metoden att med utgångspunkt från bl.a. skannade fibervinklar bestämma styvhetens variation längs virkesstycken utnyttjades sedan för att identifiera svaga snitt i lameller av sidobräder. Genom att eliminera sådana snitt med hjälp av fingerskarvning kunde medelhållfastheten för ett stickprov sidobrädor höjas med mer än 35 %.