Smart composite in construction Smart composite in construction Умные композиты в строительстве 2782-1919 88886 10.52957/2782-1919-2024-5-3-8-18 Строительные конструкции, здания и сооружения Buildings, Facilities and Structures Строительные конструкции, здания и сооружения Modelling of stresses and deformations in glued wooden beam with composite reinforcement in COMSOL Multiphysics software package Моделирование в программном комплексе СOMSOL Multiphysics напряжений и деформаций в клееной деревянной балке, усиленной композитной арматурой Цыбакин Сергей Валерьевич Tsybakin Sergey Valer'evich https://orcid.org/0000-0002-0953-0898 Титунин Андрей Александрович Titunin Andrey Aleksandrovich a_titunin@ksu.edu.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Цветков Данил Юрьевич Tsvetkov Danil Yur'evich takensuch@mail.ru Костромская государтвенная сельскохозяйственная академия Kostroma State Agricultural Academy Костромской государственный университет Кострома Россия Kostroma state University Kostroma Russian Federation 24 09 2024 24 09 2024 5 3 8 18 14 06 2024 05 09 2024 https://chemintech.ru/en/nauka/article/88886/view

Представлены результаты исследования модели клееной деревянной балки, усиленной композитной арматурой. Для моделирования и изучения напряженно-деформированного состояния пространственных многослойных конструкций из древесины с армированием применяется программный комплекс, использующий метод конечных элементов COMSOL Multiphysics. Основное внимание уделяется анализу напряжений и деформационных характеристик балки под различными нагрузками. Рассмотрены преимущества работы композитной арматуры и ее влияние на повышение прочности и долговечности деревянных конструкций. Отдельно изучается вопрос интеграции экспериментально полученных характеристик древесины и композитных материалов в численную модель, что позволяет повысить точность результатов моделирования. Упрощенная модель древесины как трансверсально-изотропного тела позволяет учесть неопределенности в ориентации к тангенциальному и радиальному направлению в балке. Полученные результаты подтверждают повышение несущей способности и уменьшение деформаций в балке за счет использования композитной арматуры по сравнению с традиционными деревянными конструкциями. Применение 3D-модели клееной балки с композитной арматурой также обеспечивает снижение затрат на проведение исследований при сопоставлении с натурными экспериментами.

The paper presents the results of the study on a model of a glued wooden beam with composite reinforcement. The authors use a software package using the finite element method COMSOL Multiphysics to model and study the stress-strain state of spatial multilayer wooden structures with reinforcement. The main focus is on analyzing the stress and strain characteristics of the beam under various loads. The paper considers the advantages of composite reinforcement efficiency and its influence on increasing the strength and durability of wooden structures. The authors pay special attention to the integration of experimentally obtained characteristics of wood and composite materials into the numerical model. It increases the accuracy of the modelling results. When constructing the 3D model, we have used a simplified wooden model as a transversal-isotropic body. It allows taking into account uncertainties on orientation to the tangential and radial directions in the beam. The results obtained confirm the increased load carrying capacity and reduced deformations in the beam due to the use of composite reinforcement compared to traditional wooden structures. The use of a 3D model of a glued beam with composite reinforcement also provides reduced research costs compared to in-situ experiments.

 деревянные клееные балки армирование деревянных конструкций композитная арматура моделирование wooden glued beams reinforcement of wooden structures composite reinforcement modelling

Рощина С.И., Сергеев М.С., Лукина А.В. Армированные деревянные конструкции // Изв. высш. учеб. завед. Лесной журнал. 2013. № 4 (334). С. 80-85. Roshchina, S.I., Sergeev, M.S. and Lukina, A.V. (2013), "Reinforced Wooden Structures", Izv. vyssh. ucheb. zaved. Lesnoj zhurnal [Proceedings of Higher Educational Institutions. Forestry journal], no. 4 (334), pp. 80-85 (in Russian). Турковский С.Б., Погорельцев А.А., Стоянов В.О. Исследования составных деревянных балок с наклонно-вкленными связями сдвига из стеклопластиковой арматуры // Строительство и реконструкция. 2018. № 2 (76). С. 67-75. Turkovsky, S.B., Pogoreltsev, A.A. and Stoyanov V.O. (2018), "Study of composite wooden beams with tilt-included relationship bonds from fiberglass fittings", Stroitel'stvo i rekonstrukciya [Construction and reconstruction], no. 2 (76), pp. 67-75 (in Russian). Лабудин Б.В., Тюрина О.Е., Куницкая О.А., Швецова В.В. Усиление деревянных конструкций композитами // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2022. № 1. С. 18-24. Labudin, B.V., Tyurina, O.E., Kunitskaya, O.A. and Shvetsova, V.V. (2022), "Reinforcement of wood structures by composites", Remont. Vosstanovlenie. Modernizaciya [Repair. Restoration. Modernisation], no. 1, pp. 18-24 (in Russian). Бай В.Ф., Еренчинов С.А., Гач Е.А. Исследование работы деревянной балки, армированной стальными пластинами // Архитектура, строительство, транспорт. 2023. № 2 (104). С. 46-53. DOI 10.31660/2782-232X-2023-2-46-53. Baj, V.F., Erenchinov, S.A. and Gach, E.A. (2023), "Study of the operation of a wooden beam reinforced with steel plates", Arkhitektura, stroitel'stvo, transport [Architecture, Construction, Transport], no. 2 (104), pp. 46-53 (in Russian). DOI 10.31660/2782-232X-2023-2-46-53. Рощина С.И., Лукин М.В., Лабудин Б.В., Мелехов В.И. Расчет композитных деревоклееных балок на основе применения инженерного метода // Изв. высш. учеб. завед. Лесной журнал. 2012. № 3 (327). С. 90-94. Roshchina, S.I., Lukin, M.V., Labudin, B.V. and Melekhov, V.I. (2012), "Design of Composite Laminated Wooden Joists on the Engineering Method Basis", Izv. vyssh. ucheb. zaved. Lesnoj zhurnal [Proceedings of Higher Educational Institutions. Forestry journal], no. 3 (327), pp. 90-94 (in Russian). Есипов А.В., Лыкова Я.В. Инженерный метод расчета повышения несущей способности цельнодеревянных балок установкой стержневой арматуры в растянутой зоне // Академ. вестник УралНИИпроект РААСН. 2016. № 4 (31). С. 61-65. Esipov A.V., Lykova Ya.V. (2016), "Engineering method of calculation of increase of bearing capacity of solid wood beams by mounting reinforcement bar in the tension zone", Akadem. vestnik UralNIIproekt RAASN, no. 4 (31), pp. 61-65 (in Russian). Муселемов Х.М., Устарханов О.М., Калиева М.Х., Манапов Р.М. Исследования клееных армированных деревянных конструкций // Наука в цифрах. 2016. С. 10-13. DOI 10.21661/r-114936. Muselemov, Kh.M., Ustarkhanov, O.M., Kalieva, M.Kh. and Manapov, R.M. (2016), "The research of glued frame-mounted wooden constructions", Nauka v cifrakh [Science in figures], pp. 10-13. 10.21661/r-114936 (in Russian). Юсупов А.К., Муселемов Х.М., Устарханов Т.О., Джалалов Ш.Г. Исследование металлодеревянной балки // Вестник машиностроения. 2019. № 12. С. 16-20. Yusupov, A.K., Muselemov, Kh.M., Ustarkhanov, T.O. and Dzhalalov Sh.G. (2019), "Research of a metal wooden beam", Vestnik mashinostroeniya [Russian Engineering Research], no. 12, pp. 16-20 (in Russian). Кавелин А.С., Тютина А.Д., Нуриев В.Э., Колтакова В.А. Армирование деревянных конструкций // Инженерный вестник Дона. 2019. № 8 (59). С. 44-50. Kavelin, A.S., Tyutina, A.D., Nuriev, V.E. and Koltakova, V.A. (2019), "Reinforcement of wooden structures", Inzhenernyj vestnik Dona [Engineering Journal of the Don], no. 8 (59), pp. 44-50 (in Russian). Labudin B., Tyurina O., Mavrin D., Hasan W. Method for determining the design resistance of a glued-in twisted elliptical bar for pulling out in elements of wooden structures // Lect. Not. Civ. Eng. 2022. Т. 182. С. 181-187. Labudin, B., Tyurina, O., Mavrin, D. and Hasan, W. (2022), "Method for determining the design resistance of a glued-in twisted elliptical bar for pulling out in elements of wooden structures", Lect. Not. Civ. Eng, no. 182, pp. 181-187. Арленинов Д.К., Беккер Д.А. Влияние уровня напряжений на ползучесть древесины при изгибе // Изв. высш. учеб. завед. Лесной журнал. 2015. № 6 (348). С. 128-137. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2015.6.128. Arleninov, D.K. and Bekker, D.A. (2015), "Effects of Stress Level on Wood Creep under Bending", Izv. vyssh. ucheb. zaved. Lesnoj zhurnal [Proceedings of Higher Educational Institutions. Forestry journal], no. 6 (348), pp. 128 137 (in Russian). Введение в COMSOL Multiphysics, 2018. URL: https://cdn.comsol.com/doc/5.4/ IntroductionToCOMSOLMultiphysics.ru_RU.pdf (дата обращения 14.06.2024). Introduction to COMSOL Multiphysics (2018), available at: https://cdn.comsol.com/doc/5.4/ IntroductionToCOMSOLMultiphysics.ru_RU.pdf (accessed 14.06.2024). (In Russian). СП 20.13330.2016. Свод правил. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85. М.: Стандартинформ, 2018. 95 с. SP 20.13330.2016 (2018), Code of rules. Loads and impacts. Updated edition of SNiP 2.01.07-85. Moscow: Standardinform (in Russian).