Dobór parametrów modeli obliczeniowych pełnych dźwigarów z kompozytów drewno-polimerowych zbrojonych włóknami
Type
Book
Subtype
Monograph
Authors/Creators
Ministerial publisher
Politechnika Lubelska
ISBN
978-83-7947-475-2
Date
2021
Abstract PL
Kompozyty w obecnych czasach mają szerokie zastosowanie w różnych
dziedzinach przemysłu. Połączenie materiałów o odmiennych właściwościach
pozwala na optymalizację elementów i dostosowanie ich wytrzymałości do
przewidywanych obciążeń. W literaturze opisywane są różnorodne kompozycje
materiałów. W niniejszej pracy analizowano połączenie drewna z polimerem
zbrojonym włóknami węglowymi, za pomocą kleju poliuretanowego.
Podczas przeglądu literatury skupiono się na sposobach modelowania drewna, badaniach połączeń klejonych w kompozytach zawierających drewno oraz
możliwościach wzmacniania lub zbrojenia elementów przy użyciu kompozytów
włóknistych w osnowie polimerowej. W odróżnieniu od niniejszej pracy,
przedmiotem badań prowadzonych przez inne ośrodki naukowe były głównie
podobne kompozyty łączone na klej inny niż poliuretanowy. Ponadto autorzy
publikacji zajmowali się przede wszystkim badaniami laboratoryjnymi. Sposoby
modelowania, które odnaleziono w pojedynczych pracach, były ubogo opisane
i nie uwzględniały wielu istotnych parametrów. Szczegółowe podejście do powyższego tematu może pozwolić na przewidywanie rzeczywistego zachowania
elementu konstrukcyjnego.
Głównym celem niniejszej rozprawy doktorskiej było opracowanie rozwiązań umożliwiających tworzenie zaawansowanych modeli obliczeniowych dźwigarów o pełnym przekroju, wykonanych z kompozytu drewno-CFRP. Realizacja
badań laboratoryjnych na dużej liczbie próbek, wytworzonych z zachowaniem
reżimu technologicznego przez certyfikowanego producenta drewna klejonego
oraz zastosowanie różnorodnych technik pomiarowych, pozwoliły na otrzymanie wiarygodnych wyników. Modele komputerowe tworzono oraz analizowano
w oparciu o Metodę Elementów Skończonych (MES), a weryfikacji dokonano
w trzech etapach.
Pierwszym krokiem było utworzenie oraz walidacja modelu lameli drewnianej przy zginaniu, na próbkach o stosunkowo niewielkich wymiarach, a następnie na elementach rzeczywistych wykorzystywanych bezpośrednio w konstrukcjach.
W drugim etapie opracowano model numeryczny połączenia dwuzakładkowego, wykorzystując rozwiązanie teoretyczne oraz indywidualne badania laboratoryjne. W ten sposób uwzględniono zjawiska zachodzące w spoinach,
które w większości odnalezionych publikacji były pomijane. Wyznaczono
sztywność kohezyjną kleju oraz przeanalizowano możliwość wystąpienia delaminacji (rozwarstwiania się). Stwierdzono, że połączenie drewno-CFRP wykazuje blisko dwukrotnie mniejszą sztywność oraz wytrzymałość niż połączenie drewno-drewno, co istotnie wpływa na skuteczność zbrojenia oraz determinuje
miejsce jego lokalizacji. Udowodniono, że uznawanie połączeń między elementami za idealne może prowadzić do zdecydowanego zawyżenia sztywności elementu konstrukcyjnego.
W ostatnim etapie opracowano model numeryczny umożliwiający nieliniową
analizę dźwigarów wielkoskalowych o pełnym przekroju. Wykorzystano
wszystkie dane zebrane z poprzednich etapów oraz badań laboratoryjnych, przeprowadzonych na klejonych belkach o wymiarach konstrukcyjnych. Model MES
może służyć do precyzyjnego wyznaczania sztywności liniowo-sprężystej projektowanych dźwigarów oraz do względnie dokładnego przewidywania siły
niszczącej. Możliwa jest również analiza kompozytów w innych układach niż
przedstawiono w niniejszej pracy, pod warunkiem pełnego przekroju dźwigarów.
Ponadto opracowano model uproszczony poprzez modyfikację rozwiązania
bazującego na zastępczym polu przekroju. Dostosowanie formuł obliczeniowych
do badań laboratoryjnych i modelu MES umożliwiło wykonywanie obliczeń
i przedstawienie zaleceń do projektowania konstrukcji z kompozytów drewnoCFRP.
Przeprowadzone badania laboratoryjne oraz analizy komputerowe stanowią
cenne źródło wiedzy na temat głównych zjawisk zachodzących w kompozytach
drewno-polimerowych zbrojonych włóknami, bowiem pozwalają na przewidywanie rzeczywistego zachowania elementów konstrukcyjnych podczas zginania.
Abstract EN
Nowadays, various industries use composites. Combining materials with
unique properties allows to optimise the elements and adjust their strength to
the expected loads. Literature describes diverse materials compositions. In this
study, the analyses include connecting wood with a carbon fibre reinforced
polymer using a polyurethane glue.
The literature review focuses on the methods of wood modelling, glued joint
behaviour in composites containing wood, and the possibilities of strengthening
or reinforcing elements using fibre composites in a polymer matrix. Contrary to
this work, other scientists test composites bonded with glue other than polyurethane. Individual studies, describing the modelling methods do not take into
account many important properties. A detailed approach to the above topic may
allow predicting the actual behaviour of a construction element.
The major aim of this dissertation is to develop solutions enabling creating
advanced computational models of full-section girders made of wood-CFRP
composite. Implementing laboratory tests on many samples, produced under
the technological regime by a certified manufacturer of glued laminated timber,
and various measurement techniques, allows to get reliable results. Three stages
verify the computer models and analyses, based on the Finite Element Method
(FEM).
The first step is creating and validating the model of a wooden lamella.
Tested objects are small and structural size bent samples. The second stage is
developing a numerical model of a double-lap connection, with a theoretical
solution and individual laboratory tests. In most of the found publications, researchers ignore phenomena taking place in the joints. Determining the cohesive
stiffness and the possibility of delamination enables to include them. WoodCFRP joint has shown near two times less stiffness and strength than the woodwood joint. It affects the effectiveness of the reinforcement and determines its
location. Considering the connections between the elements as a perfect may
lead to a significant increase in the stiffness of the structural element. The last
step is developing the non-linear numerical model of large-scale girders with
a full cross-section. It bases on the data collected from the earlier stages and
laboratory tests carried out on glued structural-sized beams. Exploitation of
the FEM model includes determining the linear-elastic stiffness of the designed
girders, predicting the destructive force and analysing composites in systems
other than those presented in this paper. The only condition is a full crosssection of the girders Added feature is developing a simplified model by modifying the solution
based on the equivalent cross-sectional area. Adjusting the calculation formulas
to laboratory tests and the FEM model makes it possible to do calculations
and present recommendations for the design of structures made of wood-CFRP
composites.
The conducted laboratory tests and computer analyses are a valuable source
of knowledge about the major phenomena occurring in fibre-reinforced woodpolymer composites. They allow to predict the actual behaviour of structural
elements during bending.
Keywords PL
kompozyty
dźwigary
metoda elementów skończonych
kompozyty drewno-CFRP
Keywords EN
composite
girders
Finite element methods
Statistics
19Views
37Downloads Kawecki, B. (2021). Dobór parametrów modeli obliczeniowych pełnych dźwigarów z kompozytów drewno-polimerowych zbrojonych włóknami. https://hdl.handle.net/20.500.14629/570
Loading...
Files
dobor.pdf
PDF 72.75 MB
Licence
Except as otherwise noted, this item is licensed under the Attribution-ShareAlike licence 4.0
Accessibility issue?Request a WCAG-compliant file
Publication available in collections: