NINA MARIA ORNELAS CAVALCANTI
PROPRIEDADE DA MADEIRA DE RAÍZES DE ÁRVORES
URBANAS
URBAN TREE ROOTS WOOD PROPRITIES
CAMPINAS 2018
PROPRIEDADE DA MADEIRA DE RAÍZES DE ÁRVORES
URBANAS
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestra em Engenharia Agrícola, na Área Concentração: Construções Rurais e Ambiencia.
Orientador: Profª. Drª. Profa. Dra. Raquel Gonçalves Co-orientador: Dr. Sérgio Brazolin
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA NINA MARIA ORNELAS CAVALCANTI, E
ORIENTADA PELA PROFª. DRª. RAQUEL
GONÇALVES.
CAMPINAS 2018
________________________________________________________________ Profa. Dra. Raquel Gonçalves – Presidente e Orientadora
FEAGRI/UNICAMP
_________________________________________________________________ Profa. Dra. Cândida Pereira da Costa – Membro Titular
FEAGRI/UNICAMP
_________________________________________________________________ Profa. Dra. Flavia Gizele Konig Brun– Membro Titular
UTFPR/Dois Vizinhos
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica da discente.
As razões para acidentes com árvore são variadas, podendo ocorrer pela ruptura do tronco, de galhos ou pelo pivotamento da raiz. No caso de ruptura das raízes os fatores estão relacionados com o desenvolvimento insuficiente deste órgão devido à forma e ao local de plantio, ou devido à redução de sua resistência em função de deteriorações. Seja qual for a razão para a queda de árvores, estudos que visem abordar risco de queda necessitam do conhecimento das propriedades mecânicas da madeira das partes que compõem sua estrutura biomecânica, ou seja, os galhos, o tronco e as raízes. No entanto, o conhecimento de propriedades mecânicas da madeira é justamente uma das principais lacunas, principalmente quando se trata de espécies arbóreas utilizadas em zonas urbanas e, mais ainda no caso de madeira de raízes. Assim, o objetivo principal dessa pesquisa foi avaliar metodologia, utilizando técnica de propagação de ondas de ultrassom, na caracterização acústica com foco em inspeção e na determinação das constantes elásticas da madeira de raízes. Para a caracterização acústica a estratégia de ação consistiu na utilização de sete árvores de uma mesma espécie (Acrocarpus fraxinifolius) nas quais foram realizados ensaios de ultrassom utilizando três diferentes tipos de metodologia de medição – longitudinal direto, longitudinal indireto em duas posições da raiz (superior e inferior) e radial. Para a análise da caracterização da madeira de raízes o delineamento consistiu na obtenção de uma peça de raiz retirada de seis diferentes espécies (Swietenia macrophylla, Swietenia sp, Schinus molle,
Gallesia integrifólia, Acrocarpus fraxinifolius e Handroanthus heptaphyllus). Os resultados
permitiram demonstrar que o ensaio de propagação de ondas em raízes de árvores, na direção longitudinal, realizado de forma indireta, permite a obtenção de velocidades estatisticamente equivalentes às obtidas de forma direta, indicando ser possível o uso desse ensaio em condições de campo. A caracterização elástica completa da madeira de raízes se mostrou viável utilizando tecnologia de ultrassom. Essa metodologia permite a obtenção dos módulos de elasticidade longitudinais em todas as direções (longitudinal, radial e tangencial), dos módulos de cisalhamento em todos os planos e dos seis diferentes coeficientes de Poisson, o que é um avanço representativo em termos do conhecimento da madeira de raízes.
Palavras-chave: caracterização da madeira, propriedades mecânicas, propriedades físicas,
the total root faillure. In the case of roots rupture the factors are related to the insufficient development of this organ due to the wrong planting and establishment, or due to the reduction of its resistance due to deteriorations. Whatever the reason for the fall of trees, studies about tree risk assesment need to know the mechanical properties of the wood of the parts that forms the biomechanical structure, which is, the branches, trunk and roots. However, knowledge of the mechanical properties of wood is one of the main gaps, especially when it comes to tree species used in urban áreas. Even more rare are these information about root wood. Thus, the main objective of this research was to evaluate the methodology, using ultrasonic wave propagation technique, in the acoustic characterization with focus on inspection and determination of the elastic constants of the root wood. For the acoustic characterization the design consisted of the use of seven trees of the same species (Acrocarpus fraxinifolius) in which ultrasound tests were performed using three different types of measurement methodology - direct longitudinal, indirect longitudinal in two root positions (upper and lower ) and radial. In order to analyze the characterization of root wood, the design consisted in obtaining a root piece from six different species (Swietenia
macrophylla, Swietenia sp, Schinus molle, Gallesia integrifolia, Acrocarpus fraxinifolius and Handroanthus heptaphyllus). The results allowed to demonstrate that the propagation of
waves in tree roots in the longitudinal direction, performed in an indirect way, allows the achievement of speeds statistically equivalent to those obtained directly, indicating that it is possible to use this test in field conditions. The complete elastic characterization of root wood was shown to be viable using ultrasonic technology. This methodology allows to obtain longitudinal elastic moduli in all directions (longitudinal, radial and tangential), shear moduli in all planes and the six different Poisson coefficients, which is a representative advance in terms of wood knowledge of roots.
Key-words: Wood characterization, mechanical properties, physical properties, acoustic
SUMÁRIO 1INTRODUÇÃO GERAL...7 2ARTIGOS ...9 2.1ARTIGO 1...9 2.2ARTIGO 2...27 3 DISCUSSÃO GERAL...48 4CONCLUSÃO GERAL...52 5REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...54
1 INTRODUÇÃOGERAL
As mudanças climáticas e os eventos extremos resultantes das mesmas ocasionam grande número de quedas de árvores em áreas urbanas, muitas vezes com resultados trágicos. Por este motivo a análise do risco de queda de árvores é, atualmente, tema fundamental em termos de segurança. No entanto, este tema envolve questões multidisciplinares, fazendo com que análises simplistas e imediatistas não permitam chegar a resultados conclusivos e viáveis para serem transferidos para a comunidade.
Os estudos que visem abordar risco de queda necessitam do conhecimento das propriedades mecânicas da madeira das partes que compõem sua estrutura biomecânica, ou seja, os galhos, o tronco e as raízes. No entanto, o conhecimento de propriedades mecânicas da madeira é justamente uma das principais lacunas, principalmente quando se trata de espécies arbóreas utilizadas em zonas urbanas. Maior ainda é a dificuldade de acesso à estas informações da madeira na condição saturada, que é a condição de umidade natural das árvores. Adicionalmente, devido a demandas da construção civil, grande parte das informações a respeito de propriedades são relativas à madeira do tronco e não das raízes das árvores.
As razões para acidentes com árvore são variadas, podendo ocorrer pela ruptura do tronco, de galhos ou pelo pivotamento da raiz. No caso de ruptura das raízes os fatores estão relacionados com o desenvolvimento insuficiente deste órgão devido à forma e ao local de plantio, ou devido à redução de sua resistência em função de deteriorações.
Outro fator de grande importância para evitar acidentes com queda de árvores está associado às técnicas de inspeção que permitem inferir as condições mecânicas e de integridade das diferentes partes que compõem as árvores. No entanto, grande parte dessas técnicas estão voltadas à inspeção do tronco e não de outros órgãos da árvore. No caso das raízes a questão é ainda mais complexa em função da sua natural condição subterrânea que dificulta muito a viabilidade de aplicação de grande parte das técnicas utilizadas em outras partes da árvore.
Os ensaios não destrutivos de avaliação das propriedades da madeira se tornaram importantes ferramentas, pois estas técnicas visam avaliar a condição interna das árvores sem que haja o comprometimento de sua estrutura. Vários são as técnicas e equipamentos utilizados na avaliação não destrutiva, dentre eles destacam-se os equipamentos de resistência a perfuração, as técnicas de propagação de ondas (ultrassom e ondas de tensão) e os
tomógrafos. Dentre essas técnicas o ultrassom vem sendo cada dia mais estudado e aplicado na classificação mecânica, na caracterização e na inspeção da madeira, bem como na geração de tomografia acústica em árvores.
Considerando os aspectos mencionados, o objetivo principal dessa pesquisa foi de verificar a aplicabilidade prática e aplicações de ensaio em campo, utilizando técnica de propagação de ondas de ultrassom, na caracterização acústica com foco em inspeção e na determinação das constantes elásticas da madeira de raízes.
A dissertação foi redigida em forma de artigos, sendo o primeiro direcionado à caracterização acústica com foco em metodologia passível de ser utilizada em inspeção e o segundo direcionado à caracterização completa da madeira de raízes.
Para a caracterização acústica com foco na metodologia de inspeção da madeira de raízes o delineamento consistiu na utilização de 7 árvores de uma mesma espécie (Acrocarpus fraxinifolius). Para cada árvore utilizou-se uma peça de raiz, que foi ensaiada por ultrassom utilizando três diferentes tipos de posicionamento de transdutores obtendo assim a velocidade longitudinal direta, a velocidade longitudinal indireta e a velocidade radial.
Para a análise da caracterização da madeira de a estratégia de ação consistiu na obtenção de uma peça de raiz, sem deterioração aparente, retirada de 6 diferentes espécies de árvores (Swietenia macrophylla, Swietenia sp, Schinus molle, Gallesia integrifólia,
Acrocarpus fraxinifolius e Handroanthus heptaphyllus). De cada peça foram retirados corpos
de prova para ensaios de ultrassom (técnica em análise) e de compressão (resultados comparativos e complementares).
2 ARTIGOS
2.1 Artigo 1: Interferência da posição e da forma de medição em velocidades obtidas em ensaios de propagação de ondas de ultrassom em raízes de árvores
INTERFERÊNCIA DA POSIÇÃO E DA FORMA DE MEDIÇÃO EM VELOCIDADES OBTIDAS EM ENSAIOS DE PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE
ULTRASSOM EM RAÍZES DE ÁRVORES
Resumo
O estudo do risco de queda de árvores tem se tornado assunto de grande interesse devido a questões ligadas com a segurança das pessoas e de equipamentos urbanos. Grande parte da queda de árvores ocorre devido a defeitos das raízes. Geralmente as causas estão associadas à forma e ao local de plantio, ou mesmo à deteriorações da raiz. A técnica de propagação de ondas vem sendo utilizada na inspeção de árvores para a detecção de deteriorações. No entanto, poucos estudos existem a respeito de valores de referencia de velocidade de propagação de ondas na madeira de espécies utilizadas na arborização urbana, na condição saturada e, ainda mais raras são informações relacionadas com a madeira de raízes. Para suprir esta lacuna de conhecimento o objetivo dessa pesquisa foi aplicar, na madeira de raízes, método de inspeção utilizando ultrassom, e verificar as interferências da posição e da forma de medição nas velocidades obtidas. Para os ensaios adotou-se 7 árvores da espécie Acrocarpus fraxinifolius Wight & Arn. De cada uma das árvores foi retirada uma amostra de raiz, na qual foram realizados ensaios de ultrassom, nas faces superior e inferior, com propagação longitudinal realizado de forma direta e indireta e com propagação radial. O ensaio de propagação de ondas em raízes de árvores, na direção longitudinal, realizado de forma indireta, permite a obtenção de velocidades estatisticamente equivalentes às obtidas de forma direta, permitindo o uso desse ensaio em condições de campo. O ensaio de propagação de onda na direção longitudinal, realizado em condições de campo de forma indireta, pode ser feito na parte superior da raiz. O ensaio de propagação de ondas de ultrassom realizado na direção longitudinal e de forma direta mostrou mais sensibilidade para diferenciar, estatisticamente, propriedades de raízes de diferentes árvores da espécie Acrocarpus. No entanto esse tipo de medição não é possível de ser aplicada em campo.
Palavras-chave: ensaio direto de ultrassom, ensaio indireto de ultrassom, propagação longitudinal de ondas de ultrassom, propagação radial de ondas de ultrassom, madeira de raiz, inspeção de árvores.
Introdução
A queda de árvores em zonas urbanas é causa de muitos acidentes graves, com perdas materiais e de vidas. Por essa razão, tem havido grande interesse em estudos de técnicas e de equipamentos que permitam inspecionar árvores visando identificar o risco de queda (Wang e Allison 2008).
Os riscos envolvendo as árvores são provocados por rupturas do fuste e de galhos ou por arranque total das árvores, provocado pela falta de enraizamento adequado, por problemas de compactação do solo ou ainda por degradação da madeira das raízes. Interessante trabalho foi realizado pelo Department of Public Works de Pasadena, EUA (2012), no qual foram apresentados dados estatísticos relativos a falhas em árvores separando o tipo e a localização da parte da árvore que falhou. Segundo essa estatística 56,2% das árvores apresentou ruptura de galhos; 7,2% ruptura do fuste; 5,8% outros tipos de danos e 30,8% falhou por arrancamento total ou tombamento pela raiz. Esse resultado indica a importância de se levar em conta essa parte da árvore em estudos que visem avaliação de risco de queda.
Inspeções em árvores utilizando técnicas de propagação de ondas vêm sendo muito utilizadas para a detecção de defeitos ou áreas deterioradas por fungos ou insetos xilófagos, visando determinar o grau de comprometimento da madeira (Brashaw et al. 2009). Além disso, técnicas de propagação de ondas são eficazes na inferência da rigidez da madeira (Bucur 2006). Ao utilizar essas técnicas na busca de zonas degradadas em árvores e na inferência da perda de resistência, o conhecimento valores de referência em exemplares da mesma espécie e na condição íntegra é muito importante. No entanto, no Brasil, este conhecimento ainda não é usual, devido à falta de literatura publicada com esse foco e à imensa diversidade de espécies disponíveis. Adicionalmente, dados sobre propriedades da madeira de espécies usualmente utilizadas na arborização urbana e na condição saturada são ainda mais escassos. Essa questão se aprofunda ainda mais quando se trata de madeira de raízes.
Considerando os aspectos teóricos da propagação de ondas, as medições diretas são as que mais diretamente estão associadas às propriedades mecânicas quando na direção das fibras (Bucur 2006) e as que mais permitem inferir zonas degradadas quando na direção radial (Pellerin e Ross 2002). No entanto, medições longitudinais diretas são impraticáveis em qualquer parte da árvore (troncos, galhos e raízes) viva e, também, na maioria dos elementos estruturais (pilares e vigas), uma vez que é necessário ter acesso às extremidades. Nestes
casos, medições diretas na radial e medições indiretas (transdutores posicionados na mesma face) são as mais adequadas e viáveis. Medições indiretas em geral não apresentam os mesmos resultados que as diretas (Bartholomeu et al. 2003), sendo necessário, portanto, conhecer essas diferenças e correlações para que se tenha como inferir velocidades de propagação de ondas obtidas de forma direta por meio da indireta. No caso de raízes, além de só ser viável inspeções utilizando medições indiretas, mesmo escavando para se ter acesso, só a face superior do órgão está disponível.
Assim, o objetivo dessa pesquisa foi avaliar as interferências da posição e da forma de medição em velocidades obtidas em ensaios de propagação de ondas de ultrassom na madeira de raízes.
Tendo em vista o objetivo da pesquisa, na qual a repetição do método era mais importante do que diferenciações de espécies, a extratégia experimental consistiu na utilização de raízes obtidas em sete árvores de uma mesma espécie (Acrocarpus fraxinifolius). As raízes foram ensaiadas por ultrassom utilizando ensaio direto, que, comprovadamente, apresenta correlação com propriedades mecânicas em toras de árvores e metodologias possíveis de serem utilizadas em campo, para que pudessem ter seus resultados comparados. As raízes não são estruturas expostas e além de não haver acesso às extremidades, apenas uma das superfícies estará disponível após escavação, os ensaios foram realizados para verificar se a posição de medição tem interferência nos resultados de velocidade, tanto no método passível de ser realizado só no laboratório quanto no alternativo de campo.
Material e Métodos
Para os ensaios adotou-se sete árvores da espécie Acrocarpus fraxinifolius Wight & Arn, obtidos no campus da Universidade Estadual de Campinas, situada na cidade de Campinas, estado de São Paulo, Brasil. O Acrocarpus fraxinifolius ocorre naturalmente na Índia, Bangladesh, Indonésia, Nepal e Miamá (antiga Birmânia) sendo, portanto, uma espécie exótica no Brasil (Higa e Prado 1998). A árvore adulta é reta e atinge, em média, 15 a 20 m de altura e 300 a 500 mm de diâmetro (Higa e Prado 1998). As árvores ensaiadas nesta pesquisa tinham alturas variando de 15 a 17 metros e diâmetros na altura do peito (DAP) variando de aproximadamente 470 a 580 mm.
As árvores selecionadas para os ensaios tiveram seu sistema radicular escavado com a finalidade de expor as raízes laterais de sustentação. As amostras de raízes foram retiradas da
região após o neilóide, onde estão sujeitas aos maiores esforços devido à ação de flexão do tronco. As amostras foram ensaiadas imediatamente após a retirada e, para evitar a contaminação de fungos foram tratadas com uma solução de ácido bórico à 4%.
A condição adequada para as ondas de compressão é obtida quando a propagação se dá em meios infinitos, que para o caso do ultrassom em ensaios com madeira equivale dizer que a relação entre o comprimento de percurso e o comprimento de onda seja de, no mínimo 3 ou 5 (Trinca e Gonçalves 2009, Bucur 2006, Bartholomeu et al. 2003). Tendo em vista que os ensaios de ultrassom foram realizados com o uso de transdutores de 45 kHz de frequência nominal, e considerando velocidades longitudinais médias da ordem de 4000 m.s-1, o comprimento de onda esperado é de aproximadamente 90 mm. Considerando que as raízes não são retilíneas, o corte das peças foi feitos com a maior dimensão possível, mas sempre de forma a se obter, no mínimo, três vezes o comprimento de onda, ou seja, 270mm, permitindo atender o que a literatura indica para que a velocidade não seja afetada. Assim, as peças de raízes tiveram comprimentos variando de 330 mm a 980 mm.
Ensaios de propagação de onda na direção longitudinal e realizados de forma direta
Os ensaios diretos de propagação de onda na direção longitudinal foram realizados com equipamento de ultrassom (USLab, Agricef, Brasil) e transdutores de faces exponenciais de 45kHz de frequência nominal.
As medições diretas foram realizadas com os transdutores posicionados horizontalmente nas extremidades das peças, com as faces voltadas uma para a outra (Figura 1). Para realizar estas leituras as seções transversais das raízes foram divididas em quatro quadrantes opostamente simétricos e a ponta dos transdutores foram posicionas no centro de cada quadrante. Para cada ponto foram realizadas três medições de tempo de propagação das ondas, visando minimizar os erros relativos a estabilização do sinal e leitura. Dos três valores de tempo obteve-se a média.
a b
Figura 1. Posicionamento dos pontos de medição na seção transversal da raiz (a) e posicionamento dos transdutores durante leitura de tempo de propagação realizada na direção
longitudinal e de forma direta
Ensaios de propagação de onda na direção longitudinal e realizados de forma indireta
Para os ensaios indiretos foram utilizados o mesmo equipamento e transdutores especificados anteriormente. As leituras longitudinais indiretas foram realizadas com os transdutores posicionados com 45 de inclinação (Figura 2) distanciados de 300 a 550 mm. Não se fixou a distância entre os transdutores porque, devido a irregularidades na raiz, era necessário avaliar essa distância em cada medição. No entanto, a distância também foi sempre adotada de forma a atender o mínimo de aproximadamente 3 vezes o comprimento de onda. O posicionamento dos transdutores com 45 de inclinação permite antecipar a conversão da onda, inicialmente superficial, em onda de compressão (Bartholomeu et al. 2003).
Para estas medições foram escolhidas as superfícies superior e inferior da raiz. Estas superfícies correspondem à mesma posição espacial de onde as raízes se localizavam no solo quando coletadas. Para cada ponto foram realizadas três medições de tempo de propagação das ondas, visando minimizar os erros relativos a estabilização do sinal e leitura. Dos três valores de tempo obteve-se a média.
Figura 2. Esquema de medição do tempo de propagação das ondas de ultrassom nas raízes em ensaio longitudinal indireto
Ensaios de propagação de onda na direção radial
Os ensaios na direção radial foram realizados com o mesmo equipamento e transdutores anteriormente descritos. As medições radiais foram feitas em um ponto correspondente à região central da peça da raiz, tanto em relação ao comprimento quanto em relação à altura da peça (Figura 3a). Os transdutores também foram posicionados horizontalmente com as extremidades voltadas uma para a outra (Figura 3b). Para cada ponto foram realizadas três medições de tempo de propagação das ondas, visando minimizar os erros relativos à estabilização do sinal e leitura. Dos três valores de tempo obteve-se a média.
a b
Cálculo das velocidades
De posse dos tempos médios de propagação das ondas de ultrassom (t) em cada ponto de medição, foram calculadas as velocidades (V = comprimento de percurso/t). Em todos os ensaios o comprimento de percurso foi a distância entre os transdutores, que no caso do ensaio longitudinal direto era o comprimento da peça (L) no ponto de medição (VL = L/t); do ensaio longitudinal indireto era a distância entre as pontas dos transdutores (VL45 = (300 a 500 mm)/t) e do ensaio na direção radial o diâmetro (D) no ponto de medição (VR = D/t).
Com a distância entre os pontos 1, 2, 3 e 4 (Figura 1a), e o resultado dos tempos de propagação da onda em cada um, foi possível obter as velocidades longitudinais diretas de quatro pontos diferentes de medição na raiz.
Com a medição entre os pontos de posicionamento dos transdutores e o tempo obtido pelo USLab foi possível obter as velocidades longitudinais indiretas superiores e as velocidades longitudinais indiretas inferiores das amostras de raízes.
Da mesma forma com a distância entre os pontos e o tempo médio, foi possível obter a velocidade radial das peças de raiz.
Avaliação dos Resultados
Os dados foram organizados de forma a possibilitar as análises de variância para cada variável resposta. A tabela de ANOVA decompõe a variabilidade da variável resposta em contribuições devidas às várias fontes de variação, permitindo que todos os dados sejam comparados. Para esse teste a contribuição de cada fator é medido removendo-se os efeitos dos demais. O P-valor testa a significância estatística de cada um dos fatores. Se o P-valor é menor que 0,05 assume-se que o fator tenha efeito significante na variável resposta, com nível de significância de 95%.
Para verificar se as diferentes velocidades (VL, VL45 e VR) apresentavam valores estatisticamente iguais utilizou-se o teste de comparação múltipla.
Resultados e Discussões
Distribuição de frequência das velocidades
Para realizar as análises estatísticas foi necessário realizar uma análise de normalidade dos dados
As velocidades longitudinais obtidas de forma direta (VL) nas 7 árvores da espécie
Acrocarpus apresentaram distribuição normal (assimetria = -1,96 e curtose = +0,14 dentro dos
limites -2,0 e +2,0), com valores variando de 2500 a 4768 m.s-1 e coeficiente de variação de 15,3%. O coeficiente de variação considerado aceitável para propriedades de resistência (18%) e de rigidez (25%) da madeira (ABNT NBR 7190, 1997) indicam que a variabilidade obtida nos ensaios de ultrassom está dentro dos padõres esperados para esse material.
As velocidades longitudinais obtidas de forma indireta (VL45) também apresentaram valores de assimetria e de curtose dentro do intervalo esperado para distribuição normal (Assimetria = -0,04 e curtose = 1,60). Os valores de VL45 variaram de 3179 a 4286 m.s-1 com coeficiente de variação de 7,3%. A propagação da onda nesse tipo de medição ocorre de forma mais superficial, principalmente nas regiões próximas aos transdutores, se aprofundando e se aproximando à onda de compressão na região intermediária do percurso (Bucur 2006). Utilizando transdutores de 45 kHz de frequência em vigas de madeira na condição seca, Van Dijk et al. (2013) obtiveram velocidades longitudinais indiretas de 10% à 30% inferiores às velocidades longitudinais diretas.
A velocidade radial também pode ser considerada como tendo distribuição normal nas árvores avaliadas (assimetria = 1,70 e curtose = 1,66), tendo variado de 2063 a 2996 m.s-1 com coeficiente de variação de 13,7%. Da mesma forma como na velocidade longitudinal direta, este também é considerado um bom resultado. Quanto menor os coeficientes de variação mais próximos da média estão os dados.
Velocidade Longitudinal mensurada de forma direta (VL)
A análise de comparação de médias das velocidades longitudinais obtidas de forma direta em diferentes posições das raízes (quadrantes 1, 2, 3 e 4) mostra que não houve diferenças estatísticas (Figura 4). Considerando esse resultado, na continuidade das análises os dados de velocidade longitudinal foram agrupados, sem distinção do quadrante. Esse resultado indica que diferenças estruturais eventualmente existentes nos quadrantes não foram suficientes para alterar a propagação das ondas, não sendo, portanto, identificáveis por essa técnica.
Figura 4. Média e intervalo de variação (mínimo e máximo) das velocidades longitudinais mensuradas de forma direta (VL) em quatro posições da seção transversal das raízes.
É possível verificar, utilizando o teste de comparação múltipla, que as árvores de mesma espécie apresentam grupos nos quais a velocidade longitudinal é estatisticamente diferenciada, com nível de significância de 95% (Figura 5). As árvores 6 e 7 se diferenciam das demais, com os menores valores de velocidade (Figura 5). Esse resultado é um indicativo de que, mesmo dentro de uma mesma espécie e em raízes, o ensaio de ultrassom foi sensível para captar diferenças de propriedades físicas e/ou mecânicas. Foi possível verificar também que os valores da velocidade longitudinal direta possibilitou a diferenciação das árvores em 3 grupos diferentes.
Figura 5. Valores médios e intervalo de variação (mínimo e máximo) das velocidades longitudinais mensuradas de forma direta (VL) nas raízes de diferentes árvores de Acrocarpus
a a a
As raízes das árvores 6 e 7 foram as maiores amostras coletadas, medindo 680 e 980 mm de comprimento, respectivamente. Quanto maiores as dimensões dendrometricas, maiores as chances de encontrar deterioração por fungos e ou insetos xilófagos (Brazolin, 2009), sendo possível que alguma deterioração interna tenha provocado valores inferiores de velocidade. Em análises visuais de campo, que antecederam o corte das raízes, identificou-se a presença de corpo de frutificação do fungo Ganoderma sp., localizado na face superior da raiz da árvore 7 (Figura 6).
Após a remoção das raízes do solo também se identificou, nas raízes das árvores 6 e 7 porções esbranquiçada nas faces das seções cortadas (Figuras 7 e 8). As raízes dessas duas árvores estavam geograficamente localizadas a menos de dois metros de distância uma da outra.
Figura 7. Presença de corpo de frutificação do fungo Ganoderma sp. localizado na parte superior da raiz da árvore 7.
a b
Figura 8. Mancha esbranquiçada provavelmente resultante de ataque de fungos nas raízes da árvore 6 (a) e 7 (b)
O Ganoderma é um gênero de fungo comumente encontrado em árvores na zona urbana e tem alto potencial de danos em raízes (Alonso et al; 2006). Em um estudo realizado na Itália, Baietto (2010) identificou uma espécie do gênero Ganoderma que, em comparação com outras espécies de fungos estudadas, foi a que causou maiores degradações na madeira. A principal ação de fungos de podridão branca é realizar a decomposição da lignina, alterando assim não apenas a composição, mas as propriedades da madeira.
Brazolin (2013) evidenciou a redução da densidade, da resistência e da rigidez da madeira biodeteriorada por fungos de podridão branca. Esse mesmo autor também verificou que a deterioração por fungos provoca maior possibilidade de falha na parede das fibras, deixando o material mais susceptível à ruptura por tração (Brazolin 2009).
Considerando as evidências de deteriorações por fungos nas amostras de raízes nas árvores 6 e 7 é possível que a presença deste agente decompositor foi a causa da queda das velocidades em ambas as amostras.
Velocidade Longitudinal mensurada de forma indireta (VL45)
Para a velocidade longitudinal mensurada de forma indireta (VL45) a análise estatística, realizada por meio do intervalo de confiança da diferença de médias (-617; 175),
indicou não haver diferença entre as velocidades mensuradas na parte superior ou inferior da raiz, uma vez que o intervalo contém o zero. Mesmo resultado foi obtido com o teste t, no qual a hipótese nula, de igualdade entre as médias, não pode ser rejeitada com 95% de nível de confiança (P-valor = 0,23). Esse resultado é importante do ponto de vista prático, já que a parte superior da raiz seria a que poderia ser mais facilmente exposta no caso de uma inspeção.
A velocidade longitudinal indireta não mostrou a mesma sensibilidade que a obtida de forma direta, se diferenciou estatisticamente apenas as árvores 2 e 7, com nível de significância de 95%(Figura 9). As árvores 6 e 7 continuam sendo as que apresentaram valores numéricos menores de velocidade longitudinal, como no caso da medição direta (Figura 8).
Figura 9. Valores médios e intervalo de variação (mínimo e máximo) das velocidades longitudinais mensuradas de forma indireta (VL45) nas raízes das diferentes árvores de
Acrocarpus.*Letras iguais indicam equivalência estatística
Velocidade radial (VR)
Para a propagação radial, devido ao baixo número de repetições o número de dados não permite análise estatística de comparação de médias, mas somente visualização da variação da velocidade (Figura 10). É possível verificar que o comportamento se diferenciou do obtido com a velocidade longitudinal direta e indireta (Figuras 7 e 8), uma vez que, por exemplo, as árvores 6 e 7 eram as que apresentavam os menores valores de VL enquanto para VR são as que apresentam os maiores valores.
Figura 10. Variação das velocidades radiais nas raízes das diferentes árvores de
Acrocarpus
Considerando as bases teóricas da propagação de ondas, a velocidade longitudinal está relacionada com propriedades mecânicas, principalmente com a rigidez (Bucur 2006). A velocidade radial é, em geral, utilizada para avaliar regiões deterioradas e, portanto, tem também relação com a rigidez. No entanto, a onda longitudinal, principalmente de volume (medição direta), percorre toda extensão do material sob inspeção, enquanto a radial somente no ponto adotado para a análise. Sendo assim, no caso das raízes das árvores 6 e 7 esse resultado reforça a existência de zona deteriorada detectada pela propagação longitudinal da onda, mas não coincidente com o ponto de medição da velocidade radial (Figura 3).
Comparação de velocidades longitudinais obtidas de forma direta e indireta e de velocidade radial
As velocidades longitudinais obtidas de forma direta e indireta foram estatisticamente equivalentes já que foram representadas em grupos iguais pela figura 11. Esse resultado é muito importante, no entanto, em avaliações em campo não é viável o uso da velocidade longitudinal mensurada de forma direta, pois não se tem acesso às extremidades. Em campo somente a velocidade mensurada de forma indireta pode ser realizada. Como já era esperado, velocidades radiais são inferiores, tendo esse resultado sido comprovado estatisticamente (Figura 11).
Figura 11. Valores médios e desvios padrões das velocidades longitudinais obtidas de forma direta (VL), indireta (VL45) e na direção radial (VR) *Letras iguais indicam equivalência
estatística.
As velocidades longitudinais obtidas de forma indireta (VL45) são numericamente diferente das velocidades obtidas de forma direta, porque a propagação da onda superficial não é igual a propagação da onda de volume (Bartholomeu et al 2003). A diferença entre velocidades obtidas de forma direta e indireta dependem da relação entre o comprimento de percurso da onda (L = distância entre os transdutores) e o comprimento de onda () (Bucur 2006), havendo também a interferência da dispersão da onda (Van Dijk et al. 2013). Utilizando transdutores de 45 kHz de frequência em vigas de madeira na condição seca, Van Dijk et al. (2013) obtiveram velocidades longitudinais indiretas cerca de 10% inferiores das diretas, para relações L/ entre 5 a 22. Essa diferença subiu para 30% para relações L/ > 22, sendo explicada pelos autores como sendo interferência da maior dispersão das ondas. Nas raízes, ensaiadas na condição saturada, VL foi, em média, 12% superior à VL45 considerando relações L/ sempre entre 3 e 5.
Relação estatisticamente significativa (95% de significância), obtida na análise de regressão, foi obtida entre VL e VL45 (P-0,0003), com coeficiente de correlação R = 0,86 indicando que VL é 74,5% explicada por VL45. O que representa uma relação positiva do ponto de vista prático, já que em campo apenas o ensaio indireto seria possível de ser realizado.
- O ensaio de propagação de ondas em raízes de árvores, na direção longitudinal, realizado de forma indireta, permite a obtenção de velocidades estatisticamente equivalentes às obtidas de forma direta, permitindo o uso desse ensaio em condições de campo. Velocidades radiais, também passíveis de realização em campo, apresentam valores estatisticamente inferiores.
- O ensaio de propagação de onda na direção longitudinal, realizado em condições de campo de forma indireta, pode ser feito na parte superior da raiz, já que as velocidades não se diferenciaram estatisticamente nas zonas superiores e inferiores. Esse mesmo resultado foi obtido para o ensaio longitudinais direto, no qual as velocidades foram estatisticamente equivalentes nas diferentes posições da seção transversal.
- O ensaio de propagação de ondas de ultrassom realizado na direção longitudinal e de forma direta mostrou mais sensibilidade para diferenciar, estatisticamente, propriedades de raízes de diferentes árvores da espécie Acrocarpus . No entanto esse tipo de medição não é possível de ser aplicada em campo. O ensaio na direção longitudinal aplicado de forma indireta só diferenciou, estatisticamente, duas árvores da espécie. Utilizando esses ensaios há variação numérica entre médias de velocidade obtidas nas diferentes árvores, e essa variação é coerente com a obtida para a velocidade longitudinal direta. Também há variação das velocidades radiais nas raízes das diferentes árvores, mas essa diferenciação não é coerente com a obtida para a velocidade longitudinal (direta ou indireta).
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2.2 Artigo 2: Method of mechanically characterizing wood from tree roots
Artigo submetido para o periódico Bioresources
METHOD OF MECHANICALLY CHARACTERIZING WOOD FROM TREE ROOTS
Abstract
Few studies have focused on the physical and mechanical properties of tree species used in urban areas, and data on root wood are scarce. The use of ultrasound technology to characterize timber has been the focus of many recent studies because these methods allow researchers to obtain complete elastic parameters instead of only grain direction parameters. Such knowledge is important in the design of software for simulating the behavior of wooden structures and in biomechanical studies performed to simulate tree behavior. The objective of this study was to verify the applicability and preliminary results of an ultrasound methodology for the complete characterization of root wood. The tests utilized six species Swietenia
macrophylla, Gallesia integrifólia, Swietenia sp., Schinus molle, Handroanthus heptaphyllus
and Acrocarpus fraxinifolius. The methodology was validated, and the results indicate that root and trunk wood do not differ in terms of elastic behavior. The root density obtained here was higher than that reported in the literature for trunk wood of the same species, although a direct relationship was not observed among the density, stiffness or strength properties. Ultrasound tests can obtain 12 elastic constants of root wood and are feasible for roots because only one specimen is required to obtain these root dimensions.
Introduction
Roots are essential elements for the stability of trees and important for biomechanical studies focused on tree risk analysis. However, few studies have focused on the physical and mechanical properties of roots, which is primarily because of the difficulty of accessing roots and the lack of commercial interest (Lemay et al., 2018). Because of this knowledge gap, the properties of roots are generally assumed to be equivalent to those of the trunk; however, this assumption may be incorrect.
Ultrasound techniques have been increasingly studied and applied in mechanical sorting applications, wood characterization and inspection (Brashaw et al., 2009), and for the acoustic tomography of trees (Arciniegas et al., 2014). The use of ultrasound in the characterization of wood has considerable advantages over conventional compression tests because only one specimen is required to obtain 12 elastic constants, whereas six specimens are required for compression tests (Gonçalves et al., 2014). This advantage is even more important in the case of urban trees, because obtaining samples from such trees should only be performed when necessary and with the proper authorization. In addition, certain species of trees are very rare. In the case of roots, this question is even more complex because obtaining root specimen material is more difficult compared with trunk and branch specimen material.
Root characteristics differ from trunk characteristics in three main ways: geotropism, coating film and branching mode (Drénou, 2006). The geotropism of roots is positive (roots grow down), whereas the geotropism of stems is negative (stems grow up) (Drénou, 2006). The film coating all aerial organs of terrestrial plants is hydrophobic and reduces the evaporation of water into the environment, thereby maintaining moisture in the tissues (Drénou, 2006). Compared with the branching mode of the roots, a more regular branching shape is observed in the trunk; moreover, the meristem of the roots is influenced by external tension while the trunk presents a single terminal meristem (Drénou, 2006). Considering these aspects, the physical and mechanical properties of roots may also differ from those of trunks and branches. Additionally, even in the case of wood from the trunk, limited information is available on the mechanical properties of species used more frequently in urban areas because such species do not have commercial appeal.
Considering the importance and scarcity of data on root wood properties, the objective of this study was to verify the applicability and present the preliminary results of an ultrasound methodology for the complete characterization of root wood in six species -
Swietenia macrophylla, Gallesia integrifólia, Swietenia sp., Schinus molle, Handroanthus heptaphyllus and Acrocarpus fraxinifolius.
Material and Methods
Obtaining material and generating specimens
Root segments from Swietenia macrophylla, Gallesia integrifólia, Swietenia sp., Schinus molle, Handroanthus heptaphyllus and Acrocarpus fraxinifolius were obtained during
a micro-burst phenomenon that occurred in Campinas, São Paulo, Brazil, in June 2016.
From each tree, a healthy root segment (without biodeterioration) corresponding to the lateral supporting root was identified immediately below the base of the trunk as shown in Figure 1.
Figure 1. Illustration of the root segment as well as the measurement, root excavation and removal process to obtain ultrasonic (polyhedral) and static parallel (prismatic) specimens.
From each root segment, polyhedral specimens with 26 faces and 50 mm edges (Figure 1) were subjected to ultrasound tests to obtain the elastic parameters. For the compression tests, prismatic specimens with dimensions corresponding to standard proportions (height = three times the edge of transversal sections) as indicated in the Brazilian Standard (NBR 7190, 1997) were adopted. To facilitate the bonding of the strain gauges, a
minimum nominal size of 30 mm x 30 mm x 90 mm was adopted whenever possible. The number of specimens acquired for the tests varied according to the availability of whole materials for the preparation process (Table 1).
Table 1. Root wood sampling for ultrasonic and compression tests Species Number of ultrasound
specimens
Number of compression tests specimens Swietenia macrophylla 3 1 Schinus molle 3 3 Gallesia integrifolia 3 3 Swietenia sp. 2 3 Acrocarpus fraxinifolius 3 3 Handroanthus heptaphyllus 3 2 Total 17 15
Obtaining the elastic parameters of root wood by ultrasound
The complete characterization of root wood by ultrasound was performed using a methodology already adopted by the research group (Gonçalves et al., 2014; Vázquez et al., 2015) for the characterization of timber. Using the ultrasound test, the elements of the stiffness matrix [C] were determined and inverted to derive the compliance matrix [S], which was then used to calculate 12 elastic parameters of the wood (three longitudinal moduli of elasticity, three elastic moduli and six Poisson ratios). For these calculations, the material was considered to be orthotropic. Equations 1 through 9 describe the relationships between the terms of the stiffness matrix (obtained by wave propagation methods) and the compliance matrix (obtained by static methods). The nomenclature is related to the symmetric axes of the wood with orthotropic behavior: 1 = longitudinal (L), 2 = radial (R), 3 = tangential (T), 44 = planes 2 and 3 (RT), 55 = planes 1 and 3 (LT) and 66 = planes 1 and 2 (LR).
C11 = CLL = (1 - RT. TR). [ER. ET. S]-1 Eq. 1
C22 = CRR = (1 - LT. TL). [EL. ET. S]-1 Eq. 2
C33 = CTT = (1 - LR. RL). [EL. ER. S]-1 Eq. 3
C13 = CLT = (TL + LR. RT). [ER. EL. S]-1 Eq. 5
C23 = CRT = (TR + TL. LR). [EL. ET. S]-1 Eq. 6
C44 = GRT Eq. 7
C55 = GLT Eq. 8
C66 = GLR Eq. 9
where C = term of the stiffness matrix, = Poisson ratio, E = longitudinal modulus of elasticity, G = shear modulus of elasticity and S = [1 - LR. RL - RT. TR - LT. TL – 2 RL.
TR. TL] (E1.E2.E3)-1.
To obtain the diagonal of the stiffness matrix (Cij), the ultrasound wave propagation in the L, R and T axes was used. For the first three terms of this diagonal, a longitudinal wave transducer was used because propagation and polarization must be in the same direction (LL, RR and TT). To determine the terms C44, C55 and C66 (planes RT, LT and LR, respectively), shear transducers were used because propagation must occur in one direction and polarization must occur in a perpendicular direction. These six terms were obtained using general Equation 10, which was deduced using the Kelvin-Christoffel tensor. The Christoffel equation (Equation 10) allowed us to relate the elastic constants and the ultrasound propagation velocities, which form the basis of ultrasound application studies to determine the properties of orthotropic materials.
Cii = .Vii2 Eq. 10
where i = 1, 2, 3, 4, 5 and 6; = material density; and V = velocity of wave propagation
Equation 11 is used to obtain the three off-diagonal terms (C12, C13 and C23). For this derivation, the wave had to propagate outside the symmetric axes, and quasi-longitudinal and quasi-transversal propagations were obtained. The general equations deduced from the Christoffel tensor to determine the stiffness terms in planes 12 (LR), 23 (RT) and 13 (LT) are given by Equations 11, 12 and 13.
(C23 + C44) n2 n3 = [(C22 n22 + C44 n32 - V2) (C44 n22 + C33 n32 - V2)]1/2 Eq. 12
(C13 + C55) n1 n3 = [(C11 n12 + C55 n32 - V2) (C55 n12 + C33 n32 - V2)]1/2 Eq. 13
where = propagation of the ultrasonic wave angle (outside the symmetry axes); n1 = cos ,
n2 = sen , and n3 = 0 when is considered with respect to axis 1 (plane 12); n1 = cos , n3 =
sen , and n2 = 0 when is considered with respect to axis 1 (plane 13); n2 = cos , n3 = sen
, and n1 = 0 when is considered with respect to axis 2 (plane 23).
The tests were performed using ultrasound equipment (Epoch 1000 series, Olympus, USA) and 1 MHz frequency longitudinal and shear transducers. All tests were performed using starch glucose as the coupling media according to the results obtained by Gonçalves et al. (2011). By positioning the longitudinal transducers on the faces parallel to the symmetric axes (Figure 2a), wave propagation and polarization occurred on the main axes L, R or T, which made it possible to obtain VLL, VRR and VTT. Similarly, by positioning the shear
transducers on the straight faces of the specimens, propagation occurred on the main axes L, R or T and polarization occurred on the perpendicular axis T, R or L, thus resulting in measurements of the velocities VLR, VLT, VRL, VRT, VTR and VRT. For the velocities outside
the symmetry axes, the shear transducers were positioned on the inclined faces with respect to each of the planes (Figure 2b).
(a) (b)
Figure 2. Example of ultrasonic testing on the main axes (a) and at a 45° angle to the main axis (b). Source: Laboratory of Non-Destructive Testing, School of Agricultural Engineering (FEAGRI), University of Campinas (UNICAMP).
Compression tests
For orthotropic material, obtaining a complete compliance matrix using a static compression test requires the removal of 6 prismatic specimens, with 3 aligned with the symmetry axes and 3 inclined in relation to the symmetric planes. For this study, because of the difficulty of obtaining such a large number of specimens from root segments, only specimens taken from longitudinal symmetric axes were used.
These specimens were used to estimate the compression strength because this parameter is not obtained from the ultrasound test. To make the best use of the material during the removal process, both the alignment of the longitudinal direction and the proper orientation of the radial and tangential directions in the cross section of the specimen were attempted. This alignment enabled the longitudinal elastic modulus (EL) and two Poisson
ratios (LR and LT) to be obtained in a complementary way. In certain cases, specimens could
not be obtained with well-directed radial and tangential axes. In these cases, the test was performed by measuring the strain only in the direction coincident with the load application; moreover, the Poisson ratios could not be calculated.
The load was applied in the longitudinal direction (L), and strain was measured in the same direction as well as the two perpendicular directions (R and T) if possible. To determine the strain, the specimens were instrumented with extensometers (Figure 3). A data acquisition system was used to simultaneously obtain the applied load and the strain in the different directions to obtain the elastic parameters (Equation 14) as well as the compressive strength (fc), LR (Equation 15) and LT (Equation 16).
𝐸𝐿 = 𝜎𝐿 𝜀𝐿 Eq. 14 𝜗𝐿𝑅= 𝜀𝑅 𝜀𝐿 Eq. 15 𝜗𝐿𝑇 = 𝜀𝑇 𝜀𝐿 Eq. 16
where L = stress in the longitudinal direction L (load direction); L = specific strain in the
same load direction (L); R and T = specific strains at perpendicular directions relative to the
Figure 3. Positioning of the extensometers in the compression test specimens and direction of the applied load. Source: Vázquez et al. 2015
Compression tests were performed parallel to the fibers using a universal test machine (DL 30000, EMIC, Brazil). The strain was determined using strain gauges (KFG-5-120-C1-11, KYOWA, Japan) at 5 mm in length with gauge factors of 2.10 +/- 1.0% and gauge resistances of 119.8 +/- 0.2 Ω.
The specimens with fibers and well-positioned growth rings were instrumented with six extensometers, with two in parallel faces to measure strain in each direction (longitudinal, radial and tangential). Applying the load in the longitudinal direction (L) allowed the stress in the longitudinal direction (σL) to be obtained and applying specific strain in the longitudinal
(εL), radial (εR) and tangential (εT) directions (Figure 3) allowed EL (Equation 14) as well as
υLT and υLR (Equations 15 and 16, respectively) to be calculated. The test methodology (speed
and load cycles) was performed according to the Brazilian Standard (NBR 7190, 1997). To determine the modulus of elasticity in the longitudinal direction, the section of the stress diagram (L) versus specific strain (L) in stress range of approximately 20% and 60% of the rupture was used, provided that in this range there were a linear behavior with a coefficient of determination (R2) greater than 0.99 (UNE 56535).
The same range was used to calculate LR and LT. The values calculated from
Equations 14, 15 and 16 (EL, ʋLT and ʋLR) were compared with the root wood characterization
parameters obtained via the ultrasound test. In cases where growth rings could not be correctly positioned in transversal sections (R and T directions), the strain was only determined in the loading direction (L) and Poisson ratios were not calculated. The specimens
(prismatic) used in the compression tests were also used to determine the volume, initially in the green condition (Vsat). Following the compression test, the specimens were placed in an
oven for drying, and then the anhydrous mass (m0) was calculated. The relationship between
the dry mass (anhydrous) and green volume was used to calculate the basic density.
Analysis of the results
The results of the physical (density) and mechanical properties (stiffness and strength) were compared with data from the literature when available. The properties of the roots of different species were also compared numerically and statistically. The numerical comparison attempted to verify whether direct relationships occurred between the physical and mechanical properties.
The statistical comparison attempted to identify groups of species with similar mechanical behavior (strength and stiffness). For the statistical analysis, an ANOVA table was used to decompose the variance of the parameter under analysis into two components: within group (species) and between groups (different species). If the P-value of the F-test was less than 0.05, then a statistically significant difference occurred between the groups (species) at a 95% confidence level. For significant differences, the Multiple Range Test was applied to verify the species that were significantly different.
Results and Discussion
The average root density of Swietenia macrophylla was 898 kg.m-3, which was higher than that reported in the literature (WWF Brazil, Langbour et al., 2011) for trunk wood (up to approximately 600 kg.m-3). The average EL values obtained by ultrasound (Table 2) were of
the same order of magnitude as those reported in the literature (Portal da Madeira, Langbour et al. 2011) for trunk wood (9000 to 11000 MPa) in the equilibrium condition (approximately 12% moisture content). However, the root wood specimens were in a green condition, and after applying correction coefficients to infer velocities at a 12% moisture content (Gonçalves et al., 2017), the expected modulus of elasticity value was approximately 14000 MPa, which was higher than that indicated in the literature but still within the natural variability of the wood.
The average EL value obtained in the compression tests was 7000 MPa (Table 2), and
this value would reach 9000 MPa if corrected to a moisture content of 12% using the Brazilian Standard correction equation (NBR 7190, 1997). Compared with the results obtained from the literature, this value can be considered within the range of wood variability. Using a similar methodology, the fc in green conditions (28.7 MPa, Table 2) would reach 44 MPa if corrected to a moisture content of 12% using the equation proposed in the Brazilian Standard (NBR 7190, 1997), which is also within the expected range from the literature (Portal da Madeira) for trunk wood of this species (41 to 55 MPa).
For the species Schinus molle, the basic density of the root wood was high at 970 kg.m-3, which was expected based on the results available in the literature (REMADE) for trunk wood. This value would exceed 1000 kg.m-3 at a 15% moisture content. Numerical information was not obtained for the mechanical properties, and these parameters were only described by qualitative terms, such as "great strength" and "very rigid", which are not useful for biomechanical analyses.
Schinus molle root wood had a higher density than the root wood from Swietenia macrophylla and presented a 40% lower EL value in the ultrasonic tests (Table 2). Similarly,
the fc strength obtained in the test was also approximately 20% lower than that obtained for
Swietenia macrophylla (Table 2).
This result is inconsistent with previous results showing that trunks with higher density wood had higher stiffness levels than those with lower density wood (Niklas and Spatz, 2010), although this result is consistent with other studies in which trunk stiffness was found to decrease with increasing density (Larjavaara and Muller-Landau, 2010 and 2012).
The logical conclusion is that all species of wood cannot be categorized via the same behavior traits; moreover, our knowledge about the physical and mechanical properties of wood and their relationships is scarce, particularly for wood from freshly sampled trunks in green conditions (Niklas and Spatz 2012).
The root wood of Gallesia integrifolia presented a basic density of 870 kg.m-3, which was greater than the values reported in the literature (Lima et al., 2010, Motta et al., 2014) of between 350 and 450 kg.m-3. For this species, the fc was 17.9 MPa (Table 2), and it increased to 27 MPa when corrected to the equilibrium moisture content (Brazilian Standard, NBR 7190, 1997), which was approximately 50% higher than the value of 18 MPa indicated in the literature for trunk wood (Lima et al., 2010). Both the density and EL obtained by the
ultrasound and compression tests (Table 2) presented values close to those obtained for
Swietenia macrophylla, although the fc was approximately 40% lower (Table 2).
The root wood of Acrocarpus fraxinifolius also presented a basic density (800 kg.m-3) that was much higher than that reported by Trianoski et al. (2011) for trunk wood (400 kg.m
-3
). Reference values are not available for comparison with the EL and strength results,
although the stiffness (EL) and fc values are on the same order of magnitude as those obtained
for the species Schinus molle (Table 2), whose density was higher.
The densities of the root wood of the Swietenia sp. and Handroanthus heptaphyllus were the lowest at values of 540 kg.m-3 and 680 kg.m-3, respectively. These values could not be compared with values from the literature because of a lack of available data. The mean EL
obtained for the Handroanthus heptaphyllus species was not lower than that of Swietenia sp., although the fc was the lowest among all the evaluated species (Table 2). Using ultrasound and compression tests, significantly different groups of species could be identified based on the strength and stiffness properties of the root wood (Table 2). These differences in properties will directly impact studies aiming to analyze the biomechanical behavior of trees. Therefore, characterization methods must be proposed so that researchers can define all parameters of orthotropic materials.
Table 2. Average values (MPa) and coefficients of variation (%) of the modulus of elasticity (longitudinal, EL; radial, ER; and tangential, ET), shear modulus (plane RT, GRT; plane LT,
GLT; and plane LR, GLR), Poisson ratios (RL, TL, LR, TR, LT, and RT) and compression
strength (fc) obtained in root wood via ultrasound (US) and compression (C) tests. Swietenia
macrophylla
Schinus molle Gallesia integrifólia Swietenia sp. Acrocarpus fraxinifolius Handroanthus heptaphyllus US C US C US C US C US C US C EL 10807 a 7000 A 6498 bc 6300 A 10242 a 6050 A 4651 c 915 B 7892 b 5967 A 5775 bc 2300 B 8% 14% 7% 9% 9% 24% 4% 15% 24% 16% 51% ER 1551 a 1101 bc 1225 ab 538 e 1483 a 797 cd 4% 37% 18% 2% 8% 11% ET 1224 a 1000 ab 941 ab 449 c 937 ab 699 bc 4% 36% 23% 12% 3% 11% GRT 350 a 320 a 362 a 146 a 365 a 219 a 11% 76% 13% 8% 2% 9% GLT 716 ab 688 b 955 a 495 b 955 a 642 b 21% 24% 13% 4% 20% 9% GLR 1296 a 908 bc 1075 b 676 d 1306 a 843 cd 4% 19% 11% 12% 7% 9% RL 0.101 a 0.108 a 0.068 a 0.073 a 0.134 a 0.079 a 3% 49% 57% 1% 36% 19% TL 0.046 a 0.065 a 0.061 a 0.046 a 0.059 a 0.059 a 59% 85% 22% 28% 46% 17% LR 0.404 a 0.460 A 0.383 a 0.542 a 0.200 B 0.490 a 0.501 a 0.481 a 55% 21% 50% 47% 35% 43% 49% 15% TR 0.549 abc 0.681 a 0.442 c 0.608 ab 0.482 bc 0.647 a 7% 24% 15% 12% 8% 4% LT 0.701 a 0.640 A 0.631 a 0.646 A 0.433 a 0.631 a 0.694 a 0.577 a 4% 10% 24% 11% 68% 5% 29% 27% RT 0.694 a 0.748 a 0.584 a 0.730 a 0.762 a 0.736 a 4% 24% 23% 2% 10% 3% fc 28.7 a 23.2 ab 17.9 bc 10.9 cd 20.4 b 4.7 d 22% 9% 11% 40% 63%
Equal and lowercase letters in the rows indicate statistical equivalence (95% confidence level) for the results obtained via ultrasound tests. Equal and capital letters in the rows indicate statistical equivalence (95% confidence level) for the results obtained in compression tests.
The results of this study indicate that root wood presents a higher basic density than the values published in the literature for trunk wood of the same species. Lemay et al. (2018) showed that the density of the root wood of the softwood Black spruce (Picea mariana) was higher than that of the trunk wood. These authors argued that the greater density of the roots protects the xylem of the roots, which present higher hydraulic stress, thereby avoiding the
process of cavitation. This argument is based on research showing that high densities are directly related to high resistance to embolism induced by negative drought-induced pressure (Hacke et al., 2001). The xylem pressure of plants with greater drought tolerance present greater negative values to avoid cavitation, which leads to a greater internal charge on the walls of the xylem driver (Hacke et al., 2001), whose driving function is fundamental. Lemay et al. (2018) observed that the trunk tracheid was significantly longer and narrower than the tracheid of the roots.
However, this result differed from that obtained by Pittermann et al. (2006), who found longer and wider tracheids when studying the roots of several conifers. Because of these conflicting results, Lemay et al. (2018) concluded that the root tracheid could not be assumed to be systematically longer than the trunk tracheid.
Scurfield et al. (1972) performed scanning electron microscopy analyses of wood under compression applied parallel to the fibers and concluded that the positive relationship between strength and density decreases with increasing fiber length. A comparison of the results of this research with those obtained in the literature showed that despite the consistently higher densities obtained in the root wood, the correlation with compression strength is dependent on the anatomical characteristics of the wood.
These same questions (regarding the density and anatomical characteristics) will have a direct influence on the results obtained by the ultrasound tests. Bucur (2006) deepened the theoretical basis of the ultrasonic wave propagation method and indicated that velocity is affected to a greater degree by the anatomical characteristics of the wood than by density.
Because the calculation for the stiffness matrix elements involves both density and velocity, with the latter value squared (Equation 10), the stiffness obtained by ultrasound under equal anatomical structure conditions is expected to increase with increasing density, although it will not increase under different anatomical structures. Niemz and Aguilera (1995) obtained positive correlations between ultrasonic wave propagation velocities and fiber length in softwoods and hardwoods, with better correlation coefficients obtained for hardwoods (R = 0.6) than for softwoods (R = 0.39). Thus, high density values and larger fibers will have a positive effect on the root rigidity values obtained via ultrasound tests but not necessarily on the results obtained via compression tests, and this effect may explain the lower values obtained in the compression tests compared with the ultrasound tests (Table 2).
