Численное исследование напряженно-деформированного состояния модифицированной деревянной балки

Авторы

DOI:

https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-3-167-178

Ключевые слова:

численные исследования, полимерная композиция, модификация деревянной балки, прочность древесины, деревянная балка, деструкция древесины, нагружение деревянной балки, сохранение деревянной архитектуры

Аннотация

Сохранение памятников деревянного зодчества требует особого внимания, так как в процессе эксплуатации на протяжении 100 лет и более деревянные конструкции подвергаются атмосферным воздействиям, в результате чего ухудшается несущая способность этих конструкций. Для зданий, представляющих историческую ценность, применение внешних систем усиления конструкции влечет потерю архитектурного облика. Предлагаемый способ восстановления несущей способности деструктированных деревянных балок в опорных зонах основан на их модификации полимерной композицией. Рассмотрены 3 типа балок из сосны: деструктированная, модифицированная в опорных зонах; деревянная, ослабленная деструкцией; «здоровая». Выполнен численный расчет балок длиной 6 м и сечением 100×200 мм в программном комплексе «Лира». Расчетная модель рассматриваемых балок построена путем адаптации исходных данных для рабочей среды используемого программного комплекса. Вычислительная модель задана как объемное тело, полученное путем триангуляции и «выдавливания» проекционного разреза балки. По разработанной методике расчета деревянных балок определены касательные напряжения в приопорной зоне, а также вертикальные перемещения балок. Проведено сравнение показателей модифицированной балки и эталонной «здоровой» конструкции. Касательные напряжения в усиленной балке превышают на 15–17 % показатели «здоровой» балки. Установлено, что прочность деструктированной балки, модифицированной на опорах, увеличилась на 16–18 % по сравнению с деструктированной балкой. На основании полученных результатов определены граничные условия применения модификации деструктированных деревянных балок в опорных зонах для восстановления их несущей способности. Если потеря несущей способности составляет более 35 %, то данный способ не рекомендуется применять ввиду целесообразности замены таких конструкций.

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Биографии авторов

Д.А. Чибрикин, Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

аспирант; ResearcherID: ACW-3805-2022

М.В. Лукин, Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: E-8085-2019

А.В. Лукина, Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: O-1352-2016

Т.В. Тюрикова, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: P-8991-2019

С.И. Рощина, Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: A-7722-2019

Библиографические ссылки

Карельский А.В., Лабудин Б.В., Мелехов В.И. Требования к надежности и безопасной эксплуатации большепролетных клееных деревянных конструкций // Изв. вузов. Лесн. журн. 2012. № 3. С. 143–147. Karelskiy A.V., Labudin B.V., Melekhov V.I. Reliability Requirements for the Large-Span Laminated Wood Structural Elements. Lesnoy Zhurnal = Russian Forestry Journal, 2012, no. 3, pp. 143–147. (In Russ.). http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/d47/pawx2.pdf

Лабудин Б.В., Морозов В.С., Орлов А.О. Компьютерный расчет напряженно-деформированного состояния узлового соединения // Вестн. ПГТУ . Сер.: Материалы. Конструкции. Технологии. 2019. № 3. С. 45–51. Labudin B.V., Morozov V.S., Orlov A.O. Computer Calculation of Stress-Strain State of Node Connection. Vestnik of Volga State University of Technology. Series: Materials. Constructions. Technologies, 2019, no. 3, pp. 45–51. (In Russ.). https://doi.org/10.25686/2542114X.2019.3.45

Матвеев Р.П., Лабудин Б.В., Морозов В.С., Орлов А.О. Численный анализ прочности и жесткости биомеханической системы «кость – аппарат» // Экология человека. 2017. Т. 24, № 4. C. 58–64. Matveev R.P., Labudin B.V., Morozov V.S., Orlov A.O. Numerical Analysis of Strength and Rigidity of the Biomechanical System “Bone-Apparatus”. Ekologiya cheloveka = Human Ecology, 2017, vol. 24, no. 4, pp. 58–64. (In Russ.). https://doi.org/10.33396/17280869-2017-4-58-64

Рощина С.И., Лукин М.В., Лукина А.В., Лисятников М.С. Повышение эксплуатационных свойств древесины, ослабленной биоповреждением, путем модификации клеевой композицией на основе эпоксидной смолы // Науч.-техн. вестн. Поволжья. 2014. № 4. С. 182–184. Roshchina S.I., Lukin M.V., Lukina A.V., Lisyatnikov M.S. Increased Performance Properties Wood Weakened Biodeterioration by Modifying the Adhesive Composition Based on an Epoxy Resin. Scientific and Technical Volga Region Bulletin, 2014, no. 4, pp. 182–184. (In Russ.).

Рощина С.И., Лукин М.В., Лукина А.В., Лисятников М.С. Восстановление деревянной балки импрегнированием полимерной композицией на основе эпоксидной смолы // Лесотехн. журн. 2015. № 3(19). С. 183–190. Roshchina S.I., Lukin M.V., Lukinф A.V., Lisyatnikov M.S. Recovery Wooden Beams Impregnating Polymer Composition Based on Epoxy Resins. Forestry Engineering Journal, 2015, no. 3(19), pp. 183–190. (In Russ.). https://doi.org/10.12737/14167

Рощина С.И., Смирнов Е.А., Лукин М.В., Лукина А.В., Грибанов А.С. Восстановление деструктивных участков опорных зон деревянных балок путем пропитки полимерным раствором // Науч.-техн. вестн. Поволжья. 2014. № 5. С. 293–296. Roshchina S.I., Smirnov E.A., Lukin M.V., Lukinф A.V., Gribanov A.S. Destructive Recovery Phase Reference Zone Wooden Beams by Impregnation of the Polymer Solution. Scientific and Technical Volga Region Bulletin, 2014, no. 5, pp. 293–296. (In Russ.).

Adamu M., Rahman Md. R., Hamdan S., Khusairy M., Bakri B., Yusof F.A.B.M. Impact of Polyvinyl Alcohol/Acrylonitrile on Bamboo Nanocomposite and Optimization of Mechanical Performance by Response Surface Methodology. Construction and Building Materials, 2020, vol. 258, art. 119693. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.119693

Borri A., Corradi M., Speranzini E. Reinforcement of Wood with Natural Fibers. Composites Part B: Engineering, 2013, vol. 53, pp. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.04.039

Chernova T.P., Filippov V.V., Labudin B.V., Melekhov V.I. Stress-Strain State of the Elements of a Timber-to-Timber Joint Connected by Inclined Screwed-In Rods. Environmen tal and Construction Engineering: Reality and the Future. Ed. by S.V. Klyuev, A.V. Klyuev. Springer, 2021, pp. 101–107. https://doi.org/10.1007/978-3-030-75182-1_14

D’Ambrisia А., Focacci F., Luciano R. Experimental Investigation on Flexural Behavior of Timber Beams Repaired with CFRP Plates. Composite Structures, 2014, vol. 108, рр. 720–728. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2013.10.005

Dietsch P., Kreuzinger H. Dynamic Effects in Reinforced Beams at Brittle Failure – Evaluated for Timber Members. Engineering Structures, 2020, vol. 209, art. 110018. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.110018

Dietsch P., Winter S. Structural Failure in Large-Span Timber Structures: A Comprehensive Analysis of 230 Cases. Structural Safety, 2018, vol. 71, pp. 41–46. https://doi.org/10.1016/j.strusafe.2017.11.004

Esmailpour A., Majidi R., Taghiyari H.R., Ganjkhani M., Mohseni Armaki S.M., Papadopoulos A.N. Improving Fire Retardancy of Beech Wood by Graphene. Polymers, 2020, vol. 12(2), art. 303. https://doi.org/10.3390/polym12020303

Franke S., Franke B., Harte A.M. Failure Modes and Reinforcement Techniques for Timber Beams – State of the Art. Construction and Building Materials, 2015, vol. 97, pp. 2–13. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.06.021

Frese M., Blaß H.J. Statistics of Damages to Timber Structures in Germany. Engineering Structures, 2011, vol. 33, iss. 11, pp. 2969–2977. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2011.02.030

Gentile C., Svecova D., Rizkalla S.H. Timber Beams Strengthened with GFRP Bars: Development and Applications. Journal of Composites for Construction, 2002, vol. 6, iss. 1, art. 11. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0268(2002)6:1(11)

Khelifa M., Celzard A. Numerical Analysis of Flexural Strengthening of Timber Beams Reinforced with CFRP Strips. Composite Structures, 2014, vol. 111, рр. 393–400. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2014.01.011

Kim Y.J., Harries K.A. Modeling of Timber Beams Strengthened with Various CFRP Composites. Engineering Structures, 2010, vol. 32, iss. 10, pp. 3225–3234. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2010.06.011

Kolya H., Kang C.-W. Polyvinyl Acetate/Reduced Graphene Oxide-Poly (Diallyl Dimethylammonium Chloride) Composite Coated Wood Surface Reveals Improved Hydrophobicity. Progress in Organic Coatings, 2021, vol. 156, art 106253. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2021.106253

Koshcheev A.A., Roshchina S.I., Aleksiievets V., Labudin B.V. Local Deformation and Strength Characteristics of S-Shaped Reinforcement in Wood. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, vol. 896, art. 012060. https://doi.org/10.1088/1757899X/896/1/012060

Koshcheev A.A., Roshchina S.I., Naichuk A.Y., Vatin N.I. The Effect of Eccentricity on the Strength Characteristics of Glued Rods Made of Steel Cable Reinforcement in Solid Wood. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, vol. 896, art. 012059. https://doi.org/10.1088/1757899X/896/1/012059

Kreher K., Natterer J., Natterer J. Timber-Glass-Composite Girders for a Hotel in Switzerland. Structural Engineering International, 2004, vol. 14, iss. 2, pp. 149–168. https://doi.org/10.2749/101686604777963964

Lukin M., Prusov E., Roshchina S., Karelina M., Vatin N. Multi-Span Composite Timber Beams with Rational Steel Reinforcements. Buildings, 2021, vol. 11, iss. 2, art. 46. https://doi.org/10.3390/buildings11020046

Lukin M., Sergeev M., Lisyatnikov M. Non Split Wooden Beam Reinforced with Composite Reinforcement. Proceedings of EECE 2020. Cham, Springer, 2021, pp. 115–123. https://doi.org/10.1007/978-3-030-72404-7_12

Lukina A., Roshchina S., Gribanov A. Method for Restoring Destructed Wooden Structures with Polymer Composites. Proceedings of EECE 2020. Cham, Springer, 2021, pp. 464–474. https://doi.org/10.1007/978-3-030-72404-7_45

Marzi T. Nanostructured Materials for Protection and Reinforcement of Timber Structures: A Review and Future Challenges. Construction and Building Materials, 2015, vol. 97, pp. 119–130. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.07.016

Nowak T., Jasieńko J., Kotwica E., Krzosek S. Strength Enhancement of Timber Beams Using Steel Plates – Review and Experimental Tests. Drewno, 2016, vol. 59, no. 196, pp. 75–90. http://dx.doi.org/10.12841/wood.1644-3985.150.06

Orlando N., Taddia Yu., Benvenuti E., Pizzo B., Alessandri C. End-Repair of Timber Beams with Laterally-Loaded Glued-In Rods: Experimental Trials and Failure Prediction through Modelling. Construction and Building Materials, 2019, vol. 195, pp. 623–637. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.11.045

Papadopoulos A.N., Bikiaris D.N., Mitropoulos A.C., Kyzas G.Z. Nanomaterials and Chemical Modifications for Enhanced Key Wood Properties: A Review. Nanomaterials, 2019, vol. 9, iss. 4, art. 607. https://doi.org/10.3390/nano9040607

Raftery G.M., Harte A.M. Low-Grade Glued Laminated Timber Reinforced with FRP Plate. Composites Part B: Engineering, 2011, vol. 42, iss. 4, pp. 724–735. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2011.01.029

Raftery G.M., Whelanb C. Low-Grade Glued Laminated Timber Beams Reinforced Using Improved Arrangements of Bonded-In GFRP Rods. Construction and Building Materials, 2014, vol. 52, рр. 209–220. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.11.044

Sergeev M.S., Gribanov A.S., Roschina S.I. The Stress Strain State of Composite Multi-Span Beams. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, vol. 753, art. 032068. https://doi.org/10.1088/1757-899X/753/3/032068

Sergeev M., Rimshin V., Lukin M., Zdralovic N. Multi-Span Composite Beam. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, vol. 896, art. 012058. https://doi.org/10.1088/1757-899X/896/1/012058

Stupnicki J. Analysis of the Behavior of Wood under External Load, Based on a Study of the Cell Structure. Acta Polytechnica Scandinavica Civil Engineering and Building Construction Series, 1962, vol. 53. 19 p.

Teng T.-J., Mat Arip M.N., Sudesh K., Nemoikina A., Jalaludin Z., Ng E.-P., Lee H.-L. Conventional Technology and Nanotechnology in Wood Preservation: A Review. BioResources, 2018, vol. 13, no. 4, pp. 9220–9252. https://doi.org/10.15376/biores.13.4.Teng

Vlad-Cristea M., Riedl B., Blanchet P., Jimenez-Pique E. Nanocharacterization Techniques for Investigating the Durability of Wood Coatings. European Polymer Journal, 2012, vol. 48, iss. 3, pp. 441–453. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2011.12.002

Yahyaei-Moayyed M., Taheri F. Experimental and Computational Investigations into Creep Response of AFRP Reinforced Timber Beams. Composite Structures, 2011, vol. 93, iss. 2, pp. 616–628. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2010.08.017

Загрузки

Опубликован

08.06.2022

Как цитировать

Чибрикин, Д. ., М. . Лукин, А. . Лукина, Т. . Тюрикова, и С. . Рощина. «Численное исследование напряженно-деформированного состояния модифицированной деревянной балки». Лесной журнал, вып. 3, июнь 2022 г., сс. 167-78, doi:10.37482/0536-1036-2022-3-167-178.

Выпуск

Раздел

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ И ДРЕВЕСИНОВЕДЕНИЕ