Shape change of wood bilayers in response to variation in relative humidity

Wood is a material with a fascinating and complex ability to react to the surrounding environment. Compared to various other materials, wood has distinctive properties that are inextricably linked to its remarkable affinity with water. In fact, as a hygroscopic material wood dynamically adapts to the environment by adjusting its moisture content. In other words, wood releases or absorbs moisture depending on the thermo-hygrometric conditions (temperature and humidity) of the environment, in a constant search for a stable state known as the Equilibrium Moisture Content (EMC). This process causes swelling and shrinkage, and affects the dimensional stability of wood elements. Dimensional variations due to moisture content can be problematic, particularly in the construction sector. Several solutions have been developed over time to mitigate their effects. Adaptive building systems, which incorporate materials with an intrinsic ability to react to external stimuli, have been recently gaining interest in architectural design. Hygromorphic bilayer composites, also known as unplywood, are among the innovative materials used in such sector, and can be briefly defined as thin wood-based panels designed to respond to changes in humidity. Contrary to the traditional view that sees shrinkage and swelling as issues to be contained, wood bilayers actually enhance these phenomena purposedly. The aim is to exploit them for the intended purpose, for example shape changes to provide shadow or to enable higher air flow when needed. A wide range of wood species can be used to produce wood bilayers, based on different criteria ranging from swelling, shrinkage and mechanical properties to aesthetics and availability. This variability makes it possible to select various combinations of woods to be used for active bilayers intended for different applications. For the present study, wood bilayers were manufactured from a combination of poplar (Populus x canadensis clone I-214), beech (Fagus sylvatica L.) and cherry (Prunus avium L.) wood. The choice of using woods that are common and relevant to the Italian forest-wood sector aims to valorize local timber resources and encourage short supply chains. Ideally, this could result in innovative products that not only distinguish themselves through innovative behavior and applications, but also embrace the environmental benefits associated to wood. Various configurations and adhesive types were investigated to analyse the behaviour of such bilayers when exposed to changes in environmental humidity, in order to explore their suitability to this use. Specimens were produced at a laboratory scale and subjected to moisture changes in climatic chamber. The dimensional variations were measured together with other parameters such as the ratio variation to moisture content. The results were compered to understand the differences between the various types of bilayers and the effect of the variables involved (wood species, bonding type and interaction wood species x bonding type). Overall, the outcome provide new indications on the possibility of realizing wood bilayers based on the above mentioned wood species and bonding type.

Il legno è un materiale con un'affascinante e complessa capacità di reagire all'ambiente circostante. Rispetto ad altri materiali, il legno presenta proprietà distintive che sono indissolubilmente legate alla sua notevole affinità con l'acqua. Infatti, in quanto materiale igroscopico, il legno si adatta dinamicamente all'ambiente circostante regolando il proprio contenuto di umidità. In altre parole, il legno rilascia o assorbe umidità a seconda delle condizioni termo-igrometriche (temperatura e umidità) dell'ambiente, in una costante ricerca della cosiddetta Umidità di Equilibrio. Questo processo provoca rigonfiamenti e ritiri e influisce sulla stabilità dimensionale degli elementi in legno. Le variazioni dimensionali dovute al contenuto di umidità possono essere problematiche, soprattutto nel settore delle costruzioni. Nel tempo sono state sviluppate diverse soluzioni per mitigarne gli effetti. I sistemi costruttivi adattivi, che incorporano materiali con una capacità intrinseca di reagire agli stimoli esterni, hanno recentemente guadagnato interesse nella progettazione architettonica. I compositi bilayer igromorfi, noti anche come unplywood, sono tra i materiali innovativi utilizzati in questo settore e possono essere sinteticamente definiti come pannelli sottili a base di legno progettati per rispondere alle variazioni di umidità. Contrariamente alla visione tradizionale che vede il ritiro e il rigonfiamento come problemi da contenere, i bilayers in legno in realtà potenziano questi fenomeni in modo mirato. L'obiettivo è quello di sfruttarli per lo scopo previsto, ad esempio cambiando la forma per creare ombreggiatura o per consentire un flusso d'aria maggiore quando necessario. Per produrre un bilayer in legno è possibile utilizzare un'ampia gamma di specie legnose, in base a diversi criteri che vanno dal rigonfiamento, dal ritiro e dalle proprietà meccaniche all'estetica e alla disponibilità. Questa variabilità consente di selezionare varie combinazioni di legni da utilizzare per la produzione di bilayers attivi destinati a diverse applicazioni. Per il presente studio, i bilayers in legno sono stati prodotti da una combinazione di legno di pioppo (Populus x canadensis clone I-214), faggio (Fagus sylvatica L.) e ciliegio (Prunus avium L.). La scelta di utilizzare legni comuni e rilevanti per la filiera foresta-legno italiana mira a valorizzare le risorse legnose locali e a favorire le filiere corte. Idealmente, questo potrebbe portare a prodotti innovativi che non solo si distinguono per comportamenti e applicazioni innovative, ma che abbracciano anche i benefici ambientali associati al legno. In questa tesi, sono state studiate diverse configurazioni e tipi di adesivi per analizzare il comportamento di questi bilayers quando esposti a variazioni di umidità ambientale, al fine di esplorare la loro idoneità a questo uso. I campioni sono stati prodotti su scala di laboratorio e sottoposti a variazioni di umidità in una camera climatica. Le variazioni dimensionali sono state misurate insieme ad altri parametri come il rapporto tra la variazione e il contenuto di umidità. I risultati sono stati confrontati per comprendere le differenze tra i vari tipi di bilayers e l'effetto delle variabili coinvolte (specie legnosa, tipo di incollaggio e interazione specie legnosa x tipo di incollaggio). Complessivamente, i risultati forniscono nuove indicazioni sulla possibilità di realizzare bilayers di legno basati sulle specie legnose e sul tipo di incollaggio sopra menzionati.