Современное состояние и перспективы развития реологических моделей процесса самоформообразования деревянных конструкций

Современное состояние и перспективы развития реологических моделей процесса самоформообразования деревянных конструкций

Автор: Пономарев В.С., Кашеварова Г.Г.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 2, 2020 года.

Бесплатный доступ

Древесина - натуральный и экологичный материал. Исключительные механические свойства древесины позволяют использовать ее в строительных конструкциях, подверженных химически активным веществам. Однако изменение механических характеристик древесины под воздействием воды и температуры, а также ее анизотропия ограничивают область применения этого материала. Зарубежные ученые, опираясь на результаты научных исследований С.П. Тимошенко, предложили метод, который позволяет использовать данные недостатки древесины для создания деревянных конструкций уникальной формы. Свой метод они назвали «само-формообразование древесины». В данной статье рассмотрены технологические аспекты процесса самоформообразования клееных слоистых деревянных конструкций и различные реологические процессы, происходящие в слоях древесины, которые могут влиять на деформацию активного и пассивного слоев клееных деревянных конструкций. Выполнен анализ современных реологических моделей древесины, предложенных или описанных отечественными и зарубежными учеными, а также рассмотрены результаты экспериментальных исследований и численного моделирования процесса самоформообразования клееных слоистых деревянных конструкций зарубежных исследователей. По результатам выполненного анализа установлено, что в современных реологических моделях не учитывается ряд факторов, которые влияют на процесс самоформообразования клееных слоистых деревянных конструкций. Реологическая модель, включающая в себя наиболее полный перечень факторов, влияющих на деформацию древесины (упругую и пластическую деформации, усушку или разбухание древесины, деформацию вязкоупругой ползучести и механо-сорбционную деформацию), является наиболее перспективной для создания уникальных архитектурных объектов из клееной древесины. Но, к сожалению, и в ней присутствует ряд недостатков, связанных в основном с неучетом некоторых факторов и отсутствием экспериментальных исследований. К таким факторам относятся: геометрические параметры слоев клееных деревянных конструкций, характер обработки поверхности слоев, температура, а также порода древесины. Эти факторы влияют на процесс усушки и разбухания древесины и, соответственно, на конечную форму деревянной конструкции. Требуются дополнительные экспериментальные и теоретические исследования механического поведения клееных деревянных конструкций, учитывающие указанные факторы, также необходимо рассмотреть и другие породы древесины, в том числе их комбинации.

Еще

Процесс само-формообразования деревянных конструкций, реологическая модель, деформация

Короткий адрес: https://sciup.org/146281985

IDR: 146281985   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2020.2.09

Список литературы Современное состояние и перспективы развития реологических моделей процесса самоформообразования деревянных конструкций

  • Калугин А.В. Деревянные конструкции: учеб. пособие. – М.: Изд-во ACB, 2008. – 288 с.
  • Соболев Ю.С. Древесина как конструкционный материал. – М.: Лесная пром-сть, 1979. – 248 с.
  • Пятикрестовский К.П. Нелинейные методы механики в проектировании современных деревянных конструкций. – М.: Изд-во МИСИ-МГСУ, 2017. – 320 с.
  • Конструкции из дерева и пластмасс: учебник / Э.В. Филимонов [и др.]. – М.: Изд-во АСВ, 2010. – 440 с.
  • Чудинов Б.С. Вода в древесине. – Новосибирск: Наука, 1984. – 270 с.
  • Analysis of hygroscopic self-shaping wood at large scale for curved mass timber structures / P. Grönquist, D. Wood, M.M. Hassani, F.K. Wittel, A. Menges, M. Rüggeberg // Science Advances. – 2019. – Vol. 5, no. 9. – URL: https://advances. sciencemag.org/content/5/9/eaax1311 (дата обращения: 08.02.2020). DOI: 10.1126/sciadv.aax1311.
  • Тимошенко С.П., Лессельс Дж. Прикладная теория упругости. – Л.: Гос. техн. изд-во, 1931. – 394 с.
  • Тюлева Е.М. Уточнение реологической модели древесины // Хвойные бореальной зоны. – 2008. – № 1–2. – С. 179–183.
  • Юдин Р.В., Василенко А.С. Математическая модель реологических явлений деформирования древесины для изго-товления шпал // Актуальные направления научных исследо-ваний XXI века: теория и практика. – Воронеж, 2017. – С. 301–306.
  • Кучер С.В., Теппоев А.В., Чураков А.В. Реологи-ческая модель древесины при затухающих необратимых деформациях // Научно-техническая конференция института ехнологических машин и транспорта леса Санкт-Петер-бургского государственного лесотехнического университета по итогам научно-исследовательских работ 2017 года. – СПб., 2018. – С. 6–13.
  • Vidal-Sallé E., Chassagne P. Constitutive equations for orthotropic nonlinear viscoelastic behaviour using a generalized Maxwell model Application to wood material // Mech Time-Depend Mater. – 2007. – Vol. 11. – Р. 127–142. DOI: 10.1007/s11043-007-9037-2.
  • Gereke. T. Moisture-induced stresses in cross-laminated wood panels // Swiss Federal Institute of Technology. – 2009.
  • Rheological model for wood / M.M. Mohammad Masoud Hassani, F.K. Wittel, S. Hering, H.J. Herrmann // Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. – 2014. – Vol. 283. – Р. 1032–1060. DOI.org/10.1016/j.cma.2014.10.031.
  • Hanhijarvi A. Advances in the knowledge of the influence of moisture changes on the long-term mechanical performance of timber structures // Materials and Structures. – 2000. – Vol. 33. – Р. 43–49.
  • Hering S., Keunecke D., Niemz P. Moisture-dependent orthotropic elasticity of beech wood // Wood Sci Technol. – 2012. – Vol. 46. – Р. 927–938.
  • Eberhardsteiner J. Mechanisches Verhalten von Fichtenholz: Experimentelle Bestimmung der biaxialen Festigkeitseigenschaften. –Wien: Springer-Verlag, 2002. – 174 p. DOI: 10.1007/978-3-7091-6111-1
  • Fleischmann M., Eberhardsteiner J., Ondris L. Experimental Investigation of Spruce Wood in Different Material Directions and Constitutive Modelling Including Knot Effects // 20th Danubia-Adria Symposium on Experimental Methods in Solid Mechanics. – Danubia-Adria, 2003.
  • Numerische Berechnung von Holzkonstruktionen unter Verwendung eines orthotropen elasto-plastischen Werkstoff-modells / M. Fleischmann, H. Krenn, J. Eberhardsteiner, G. Schickhofer // Holz Roh Werkst. – 2007. – Vol. 65. – Р. 301–313. DOI: 10.1007/s00107-007-0185-5
  • Schmidt J., Kaliske M. Models for numerical failure analysis of wooden structures // Engineering Structures. – 2009. – Vol. 31. – Р. 571–579. DOI: 10.1016/j.engstruct.2008.11.001
  • Tsai S.W., Wu E.M. A general theory of strength for anisotropic materials, composite materials // Journal of Composite Materials. – 1971. – Vol 3. – Р. 53–80. DOI: 10.1177/002199837100500106
  • Конструкции из дерева и пластмасс / Ю.В. Слицко-ухов [и др.]. – М.: СТРОЙИЗДАТ, 1986. – 545 с.
  • Пейч Н.Н., Царев Б.С. Сушка древесины. – М.: Изд-во Высшая школа, 1971. – 220 с.
  • Hanhijarvi A., Mackenzie-Helnwein P. Computational analysis of quality reduction during drying of lumber due to irrecoverable deformation. I: Orthotropic viscoelastic-mechano-sorptive-plastic material model for the transverse plane of wood // ASCE Journal of engineering mechanics. – 2003. – Vol. 129. – P. 996–1005. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9399(2003)129:9(996)
  • Hanhijarvi A., Mackenzie-Helnwein P. Computational analysis of quality reduction during drying of lumber due to irrecoverable deformation. II: Algorithmic aspects and practical application // ASCE Journal of engineering mechanics. – 2003. – Vol. 129. – P. 1006–1016. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9399(2003)129:9(1006)
  • Fortino S., Mirianon F., Toratti T. A 3D moisture-stress FEM analysis for time dependent problems in timber structures // Mech Time-Depend Mater. – 2009. – Vol. 13. – P. 333–356. DOI: 10.1007/s11043-009-9103-z
  • Ranta-Maunus A. The viscoelasticity of wood at varying moisture content // Wood Science and Technology. – 1975. – Vol. 9. – P. 189–205.
  • Martensson A. Creep behavior of structural timber under varying humidity conditions // Wood and fiber science. – 1986. – Vol. 18. – P. 468–477.
  • Hanhijarvi A. Deformation properties of Finnish spruce and pine wood in tangential and radial directions in association to high temperature drying. Part III. Experimental results under drying conditions (mechano-sorptive creep) // Springer-Verlag. – 2000. – Vol. 58. – P. 63–71. DOI: 10.1007/s001070050
  • Toratti T. Creep of timber beams in a variable environment // Espoo. – 2009.
  • Toratti T., Svensson S. Mechanical response of wood perpendicular to grain when subjected to changes of humidity // Wood Science and Technology. – 2002. – Vol. 36. – P. 145–156. DOI: 10.1007/s00226-001-0130-4
  • Niemz P. Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe // DRW-Verlag. – 1993. – 243 p.
  • Adhesive-related warping of thin wooden bi-layers / A. Rindler, O. Vay, C. Hansmann, J. Konnerth // Wood Science and Technology. – 2019. – Vol. 53. – P. 1015–1033. DOI: 10.1007/s00226-019-01124-w
  • Influence of moisture on stress–strain behavior of adhesives used for structural bonding of wood / O. Klausler, S. Clauß, L. Lubke, J. Trachsel, P. Niemz // International Journal of Adhesion & Adhesives. – 2013. – Vol. 44. – P. 57–65. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2013.01.015
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp