Моделирование процесса само-формообразования клееных деревянных конструкций для создания сложных архитектурных форм тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Пономарёв Владислав Семёнович

• Пономарёв Владислав Семёнович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Пономарёв Владислав Семёнович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

1.1. Структура древесины

1.1.1. Макроскопическое строение древесины

1.1.2. Микроскопическое строение древесины

1.2. Влага в древесине

1.2.1. Свободная и связанная влага

1.2.2. Влажность древесины, методы определения и её зависимость от влажности воздуха

1.2.3. Влагоперенос и испарение влаги с поверхности древесины

1.2.4. Аналогия между влагопереносом и теплообменом

1.2.5. Усушка и набухание древесины

1.3. Реологическая модель древесины

1.3.1 Упругая деформация

1.3.2 Невосстанавливающаяся пластическая деформация

1.3.3 Деформация усушки или набухания древесины

1.3.4 Вязкоупругая деформация

1.3.4 Механико-сорбционная деформация

Выводы по главе 1 и задачи исследования

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ДЕРЕВЯННЫХ ОБРАЗЦОВ НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ УСУШКИ (НАБУХАНИЯ) ДРЕВЕСИНЫ

2.1. Материалы и методы

2.1.1. Описание деревянных образцов

2.1.2. Методика проведения эксперимента

2.1.3. Численное моделирование

2.2. Результаты исследования

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ANSYS WORKBENCH

3.1. Материалы и методы

3.1.1. Описание деревянных образцов

3.1.2. Методика проведения эксперимента

3.1.3. Методика численного моделирования

3.3. Результаты численного моделирования

Выводы по главе

Глава 4. ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КЛЕЁНОЙ ДЕРЕВЯННОЙ КОНСТРУКЦИИ, ИЗГОТОВЛЕННОЙ МЕТОДОМ САМОФОРМООБРАЗОВАНИЯ

4.1. Материалы и методы

4.1.1. Методика определения напряженно-деформированного состояния клеёной деревянной конструкции

4.1.2. Численное моделирование процесса само-формообразования клеёных деревянных конструкций

4.1.3. Аналитический метод уточнения напряженно-деформированного состояния клеёной деревянной конструкции

4.2. Результаты численного-аналитического моделирования

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА САМО-ФОРМООБРАЗОВАНИЯ КЛЕЁНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПРИМЕРЕ УСТРОЙСТВА РЕБРИСТОГО КУПОЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ97

5.1. Материалы и методы

5.3. Результаты численно-аналитического моделирования клееного деревянного ребра купольного покрытия

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процесса само-формообразования клееных деревянных конструкций для создания сложных архитектурных форм»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Следствием тенденции современного строительства к созданию изысканных образов и возведению уникальных архитектурно-выразительных зданий и сооружений возникает необходимость в создании инновационных материалов и конструкций из них. Для соблюдения технических регламентов о безопасности зданий и сооружения при применении новых подходов в строительстве или к отдельным конструктивным элементам требуется разработка специализированных методик для расчета данных конструкций.

В современной мировой строительной практике всё более широко начинает распространяться применение деревянных и клееных деревянных конструкций. С начала 20-ых годов XXI века в России так же стали рассматривать древесину как уникальный строительный материал и разрабатывать нормативно-правовые акты по применению клееных деревянных панелей для возведения многоэтажных зданий и сооружений.

Для придания криволинейного очертания и неповторимых архитектурных решений деревянным и клееным деревянным конструкциям применяют технологии холодной гибки или горячего гнутья древесины. Первый способ применяется при небольших толщинах деревянных элементов и при влажности древесины в пределах 8-12 %. Второй способ предназначен для более толстых деревянных элементов и выполняется за счет повышения влажности древесины до предела гигроскопичности, около 25-30 %, и нагрева конструкции до 80-120 °С. Так же в процессе создания криволинейной деревянной конструкции применяются химические добавки для повышения пластичности материала [9].

Одним из современных подходов для создания сложных архитектурных форм является метод само-формообразования клееных деревянных конструкций. Данная технология базируется на численном моделировании методом конечных элементов и опирается на исследованиях реологических свойств древесины.

Главную роль в процессе само-формообразования играют гигроскопичные свойства древесины. Математические зависимости между деформациями древесины при изменении её влажности являются принципиальными компонентами для создания сложных архитектурных форм клееных деревянных конструкций [48].

Имеющиеся к настоящему времени исследования демонстрируют возможность создания криволинейных клееных деревянных конструкций методом само-формообразования, однако не всегда результаты численного моделирования соответствуют натурным испытаниям [33]. В связи с этим актуальным является вопрос о проведении исследований и разработке методики моделирования метода само-формообразования клеёных деревянных конструкций.

Степень разработанности темы исследования.

К настоящему времени проработаны вопросы связанные с процессом деформации древесины, а также предложены реологические модели древесины такими исследователями как Mohammad M. Hassani, Falk K. Wittel, Stefan Hering, Hans J. Herrmann, Thomas Gereke, Stefania Fortino, Florian Mirianon, Tomi Toratti, Боровиков А. Михайлович, Лабудин Б. Васильевич, Соболев Ю. Степанович [1, 6, 11, 29, 41, 40].

В существующей литературе рассмотрены вопросы влияния клеевых составов на деформацию древесины и распределение влаги в массиве древесины и её диффузии в работах Oliver Klausler, Sebastian ClauB, Luise Lubke, Jurg Trachsel, Peter Niemz, Thomas Volkmer, Jon-Anton Schmidt, Katalin Kranitz, Peter Niemz, B. Time [40, 45, 50, 66, 72, 75].

Исследование напряженно-деформированного состояния древесины под действием различных нагрузок и при изменяющейся влажности древесины осуществляли учёные, такие как K. de Borst, C. Jenkel, C. Montero, J. Colmars, J. Gril, M. Kaliske, J. Eberhardsteiner, V. Nsouami, N. Manfoumbi, R. M. Pitti, E. Bastidas-Arteaga, R. Sargent, V. Mahdavifar [24, 26, 51, 55, 61].

Объект исследования: клееные деревянные конструкции, изготовленные методом само-формообразования.

Предмет исследования: физико-механические процессы, происходящие в древесине при использовании метода само-формообразования.

Цель работы - разработка методики моделирования процесса самоформообразования клееных деревянных конструкций сложных архитектурных форм, на основе анализа физико-механических процессов, происходящих в древесине, экспериментальных, аналитических и численных методов.

Задачи исследования:

1. Провести наукометрический анализ основных свойств древесины и существующих реологических моделей;

2. Экспериментально изучить влияние геометрических размеров деревянных образцов на определение коэффициентов усушки (набухания) древесины;

3. На основании экспериментальных и теоретических данных о гигроскопических свойствах древесины разработать научно-обоснованные рекомендации и методику численного моделирование процесса естественной сушки древесины;

4. Выполнить численное моделирование процесса естественной сушки клееной деревянной конструкции и сравнить полученные результаты с натурными данными;

5. Основываясь на теоретических и экспериментальных исследованиях, разработать методику моделирования процесса само-формообразования клееных деревянных конструкций для создания сложных архитектурных форм.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выполнены натурные исследования по определению влияния геометрических размеров деревянных образцов на определение коэффициентов усушки (набухания) древесины. Сформулированы рекомендации о применении коэффициентов усушки (набухания) древесины для метода самоформообразования клееных деревянных конструкций;

2. Разработана методика численного моделирования процесса естественной сушки древесины;

3. Разработана методика моделирования метода само-формообразования клеёной деревянной конструкции для создания сложных архитектурных форм.

Теоретическая значимость работы заключается:

1. В разработке методики численного моделирования процесса естественной сушки клееных деревянных конструкций;

2. В разработке методики численно-аналитического моделирования клеёных деревянных конструкций сложной архитектурной формы, изготовленных методом само-формообразования.

Практическая значимость работы заключается:

1. В разработке рекомендаций по определению коэффициентов усушки (набухания) древесины для метода само-формообразования клеёных деревянных конструкций;

2. Приведены теоретические разработки применения клееных деревянных панелей, изготовленных методом само-формообразования, для устройства купольных ребристых покрытий.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы планирования и проведения экспериментов, математического моделирования. Экспериментальные исследования были осуществлены с помощью сертифицированного и поверенного оборудования, современных программных комплексов. Для численных расчетов, теоретического и графического анализа результатов использовались пакеты стандартных программ. Теоретические исследования основывались на классических принципах термо-, гидродинамики и сопротивления материалов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований о влиянии геометрических размеров деревянных образцов на определение коэффициентов усушки (набухания) древесины;

2. Методика численного моделирования процесса естественной сушки клееных деревянных конструкций и апробация полученных результатов;

3. Методика численно-аналитического моделирования клееных деревянных конструкций сложной архитектурной формы, изготовленных методом самоформообразования;

4. Результаты численно-аналитического моделирования метода самоформообразования клееных деревянных конструкций для создания сложных архитектурных форм.

Личный вклад автора состоит в формулировании выводов о применимости деревянных образцов различных геометрических размеров для определения коэффициентов усушки (набухания) древесины, в разработке методик численного моделирования процесса естественной сушки клееных деревянных конструкций и численно-аналитического моделирования клееных деревянных конструкций сложной архитектурной формы, изготовленных методом само-формообразования.

Достоверность результатов, основных выводов и рекомендаций, изложенных в диссертационной работе, базируется на использовании классических принципов термо-, гидродинамики и сопротивления материалов, подтверждена необходимым объемом лабораторных испытаний, выполненных на поверенном оборудовании с использованием поверенных систем измерения результатов, а также использованием сертифицированных лицензионных программных комплексов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических конференциях в Москве (2022, 2023, 2024 гг.) и Перми (2021, 2022, 2023, 2024 гг.), а также научно-практическом семинаре в Москве (2022 г.).

Публикации. Основные результаты исследований изложены в шести научных статьях, три из которых опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК и международных базах цитирования (Scopus).

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (75 наименований, в том числе 56 на иностранном языке). Общий объем работы составляет 115 страницу, включая 46 рисунков и 5 таблиц.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Содержание диссертации соответствует пунктам 1, 4 и 8 паспорта специальности 2.1.9 - Строительная механика.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

В современной мировой строительной практике широко распространено применение деревянных и клееных деревянных конструкций. За последние двадцать лет в западной Европе были построены уникальные объекты из древесины, такие как: деревянные зонтики «Metropol Parasol» в г. Севилья, Испания (рис. 1.1 (a), обзорная башня «Pyramidenkogel» на одноименной горе в Австрии (рис. 1.1 (б), многоквартирный жилой дом в Лондоне «The Cube» и др.

(а) (б)

Рис. 1.1. (а) - Деревянные зонтики «Metropol Parasol» в г. Севилья, Испания; (б) - обзорная башня «Pyramidenkogel» в Австрии.

В Российской Федерации и странах бывшего СССР с конца 30-х годов прошлого века началось постепенное сокращение применения лесоматериалов в строительстве (рис. 1.2 (а)). Данная тенденция в первую очередь была вызвана развитием промышленного производства, строительством огромных предприятий и комплексов, где в качестве основных несущих строительных конструкций использовались изделия из металла и железобетона.

Однако в середине 70-х годов увеличение количества объектов, используемых в агрессивной среде, развитие малоэтажного домостроения вызвали рост применения деревянных и клееных деревянных конструкций (рис.

1.2 (б)). Кроме того, создание большинства конструкционных материалов (кирпич, бетон, сплавы) требует больших затраты энергии, дефицит которой ощущается уже сейчас во многих странах. В процессе же создания древесины используется только энергия солнца, запасы которой колоссальны [3, 8, 11, 16].

-1-1-1-►

1928 1955 1980 2005 года

(а)

тыс. (1 70 60

50 40 30 20 10

-1-1-1-1-1-

1950 1960 1970 1980 1990 2000 гойо.

(б)

Рис. 1.2. (а) - Объем применения лесоматериалов в строительстве на территории Российской Федерации и странах бывшего СССР; (б) - динамика производства несущих клееных деревянных конструкций на территории Российской Федерации и странах бывшего СССР [3].

В большей части конструкции из древесины применялись для зданий и сооружений промышленного назначения (рис. 1.3), и меньше всего на гражданские и административные объекты [10]. В конце ХХ века, в связи с нестабильной экономической ситуацией в стране, производство деревянных и клееных деревянных конструкций было практически прекращено. Выпуск

вышеописанных изделий осуществлялся лишь на отдельных предприятиях и в малых объемах.

Рис. 1.3. Ангар промышленного предприятия из клееных деревянных арок

[3].

К началу 30-ых годов ХХ века на территории Российской Федерации наблюдается небольшой рост применения деревянных и клееных деревянных конструкций в строительстве, однако на несущие и ограждающие конструкции приходиться менее 10 % из всех лесоматериалов, используемых в стране (рис 1.4 (а)). Подавляющее большинство древесины расходуется при производстве строительно-монтажных работ, куда включаются одноразовая опалубка, устройство лесов и подмостей и др. Наиболее распространено применение деревянных и клееных деревянных конструкций в гражданском и промышленном строительстве, менее - в сельскохозяйственном и транспортном (рис. 1.4 (б)).

(а) (б)

Рис. 1.4. (а) - Структура использования лесоматериалов в строительстве: 1 - при производстве строительно-монтажных работ, 2 - малоэтажное домостроение, 3 - столбы ЛЭП, 4 - железнодорожные шпалы, 5 -обрешетка и настилы, 6 - несущие деревянные конструкции, 7 - столярные изделия; (б) - структура применения деревянных конструкций по видам строительства: 1 - промышленное, 2 - гражданское, 3 -сельскохозяйственное, 4 - транспортное [3].

На текущий момент времени в России существует малое количество архитектурно-выразительных зданий и сооружений, построенных из древесины. В основном, ими являются постройки царских времен, которые сохранились до наших дней. Одним из таких примеров является дворец царя Алексея Михайловича, построенного в подмосковном селе Коломенское в 1667-1672 годы (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Дворец царя Алексея Михайловича.

Хотя Российская Федерация обладает большой базой лесоматериалов, на её территории отсутствуют современные уникальные здания и сооружения, выполненные из древесины. Данное явление объясняется рядом факторов, такими как:

1. Отсутствие опыта в проектировании гражданских и административных зданий средней и большой этажности, несущими элементами которых являются клееные деревянные конструкции;

2. Природная изменчивость древесины по причине наличия у неё различных пороков, и как следствие жесткие требования к качеству изготовляемых деревянных конструкций;

3. Требования по обеспечению пожарной безопасности зданий и сооружений;

4. Малое количество производственных мощностей по изготовлению деревянных и клееных деревянных конструкций.

Все вышеперечисленные факторы затрудняют разработку отечественных методик проектирования и технологий строительства зданий и сооружений из древесины и внедрение современных зарубежных технологий по изготовлению деревянных и клееных деревянных конструкций [19, 23, 34, 48, 59].

Одной из таких перспективных технологий является метод самоформообразования клееных деревянных конструкций, в основе которого были использованы научные исследования С.П. Тимошенко [12].

Метод само-формообразования применяется для производства клееных деревянных конструкций изогнутой формы. Основан данный метод на процессах усушки и разбухания древесины, а также на её анизотропии. Процесс создания клееных деревянной конструкции методом само-формообразования можно разделить на 4 этапа (рис 1.6).

- Этап I: «Подготовительный». На данном этапе выполняется заготовка пиломатериалов пассивного и активного слоев. Пассивный слой является остовом всей клееной деревянной конструкции. Древесина данного слоя обладает равновесной влажностью, которая соответствует климатическим особенностям

окружающей среды в период эксплуатации конструкции. Активный слой является «движущей силой» деформации клееной деревянной конструкций. Его увлажняют до определенного значения, которое больше чем влажность древесины пассивного слоя.

- Этап II: «Склеивание» конструкции проводится водостойкими составами, для обеспечения качественного соединения сухой и влажной древесины пассивного и активного слоев. Также для обеспечения надежного соединения проводят запрессовку конструкции. Кроме того, для недопущения несвоевременного начала процесса усушки древесины активного слоя, проводят ряд мероприятий, такие как: контроль за влажностью древесины активного слоя, укрытие поверхности древесины активного слоя материалом, препятствующим испарение влаги с поверхности древесины, принудительное до увлажнения древесины активного слоя.

- Этап III «Сушка» клееной деревянной конструкции проводится в мягком режиме, для недопущения возникновения дефектов всей конструкции. В процессе сушки влага из активного слоя удаляется, вследствие чего происходит усушка древесины. Пассивный слой сопротивляется деформированию древесины активного слоя, в результате чего конструкция приобретает изогнутую форму.

- Этап IV «Заключительный». По окончанию процесса сушки клееная деревянная конструкция приобретает криволинейную форму. Характер деформации клееной деревянной конструкции зависит от механических характеристик используемой древесины (модуля упругости, модуля сдвига, коэффициента Пуассона), геометрических размеров, влажности и взаимной ориентации волокон древесины пассивного и активного слоев.

(в)

Пассивный слои

(г)

Рис. 1.6. Этапы создания клееных деревянной конструкции методом самоформообразования: (а) - подготовительный; (б) - склеивание, (в) - сушка,

(г) - заключительный.

Метод само-формообразования клееных деревянной конструкции предложили зарубежные исследователи из Германии и Швейцарии [35]. В качестве апробации своей работы им удалось запроектировать и построить 14-ти метровую башню «Urbach Tower» в г. Урбан, Германия (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Башня «Urbach Tower».

Также подобную технологию, основанную на усушке древесины, представили исследователи из Германии и США [49, 73]. Им удалось, благодаря технологии 3Б печати, создать «диафрагмы», которые способны открываться и закрываться в зависимости от относительной влажности воздуха окружающей среды (рис. 1.8).

(а) (б)

Рис. 1.8. Композитные диафрагмы.

Таким образом, создание клееных деревянных и композитных конструкций на основе изменения влажности отдельных ее элементов, способствует формированию деревянных изделий криволинейного очертания и увеличению использования несущих и ограждающих конструкций из древесины в строительстве.

1.1. Строение древесины

На свойства различных пород древесины, а также на характер взаимодействия её с водой влияют многие параметры, такие как: химический состав древесной клетки, её строения и структура, взаимодействие отдельных компонентов, их количество и связь между собой [53].

Для изучения строения древесины исследователи выделяют несколько разновидностей её структур - это макро- и микроструктуры [17].

1.1.1. Макроскопическая структура древесины

Макроструктуру древесины возможно исследовать, не применяя специализированные приборы с многократным увеличением изображения, а использовать лишь человеческий взгляд, либо простые увеличительные средства.

На данном уровне при анализе различных распилов древесины (поперечный, радиальный и тангенциальный) можно выделить несколько зон и элементов: сердцевинная трубка, ядро древесины, годичные и камбиальное кольца, луб, кора, сердцевидные лучи (рис. 1.9) [17].

(а) (б)

Рис. 1.9. Строение древесины на макроскопическом уровне: (а) - основные разрезы древесины: 1 - поперечный, 2 - радиальный, 3 - тангенциальный; (б) - специфические элементы и зоны древесины: 1 - сердцевидная трубка, 2 - ядро, 3 - годичные кольца, 4 - камбиальное кольцо, 5 - луб, 6 - кора, 7

- сердцевидные лучи [17].

Сердцевидная трубка или сердцевина - это узкая центральная часть ствола и ветвей. Состоит она из рыхлых тканей, образованных тонкостенными клетками. Основная функция сердцевины - это место хранение питательных веществ. Рядом с ней расположена первичная древесина. Она состоит из элементов древесины, образовывается в первый год её роста. Ядром древесины называют центральную мертвую часть, которая не участвует в различных физиологических процессах, происходящих в древесине. Для данной части древесины характерны высокая

концентрация экстрактивных веществ, темный цвет, более высокая плотность и, как следствие, низкая газо- и водопроницаемость. Годичные кольца древесины образуются каждый год. Их легко отличить на поперечном разрезе ствола дерева. Каждый слой годичного кольца состоит из двух участков: первый располагается рядом с сердцевинной трубкой, его ещё называют ранней древесиной, а второй на наружной части поперечного разреза древесины - поздней. Камбиальное кольцо располагается ближе к наружной части ствола дерева, и в нем активно образуются древесные клетки, благодаря чему увеличивается поперечное сечение ствола дерева. Луб примыкает к коре дерева и предназначен для нисходящего перемещений питательных веществ по его стволу. Кора дерева - это наружный омертвевший слой клеток, который защищает дерево от внешнего воздействия (от ветра, дождя и снега), предотвращает испарение влаги с поверхности древесины. Сердцевинные лучи располагаются внутри древесины и предназначены для как для хранения питательных веществ в холодное время года, так и их перемещение вместе с водой в горизонтальном направлении. Их можно разделить на первичные, которые начинаются у сердцевины, и вторичные - которые расположены поодаль от неё. Кроме этого в макроструктуре древесины можно выделить заболонь - это наиболее молодая и большая часть ствола дерева, которая состоит из небольшого числа живых клеток, через которые проходят вода и питательные вещества.

Отличительной особенностью лиственных пород древесины являются сосуды, которые предназначены для проведения растворенных в воде минеральных веществ от корней до кроны дерева. В хвойных породах древесины в межклеточных каналах расположены смоляные ходы, которые образуют сложную и разветвленную систему, пронизывающую древесину в горизонтальном и вертикальном направлении. Смоляные ходы образуются в результате расслаивания срединной пластинки между клетками, а образованная полость заполняется смолой, которую выделяют выстилающие эпительные клетки [17]

Одной из главной структурной особенностью древесины является специфическая ориентация в ней различных волокон. Упорядоченное

расположение основных тканей образуют волокнистую структуру древесины. С другой стороны, ввиду особенностей роста годичных колец дерева в поперечном сечении, для древесины также характерна слоистая структура. Таким образом, древесина имеет сложную слоисто-волокнистую структуру, которая влияет на свойства древесины в разных направлениях [17].

Ввиду особенного строения древесины на макроскопическом уровне, в ней можно выделить три характерных направления: это аксиальное или продольное Ь - которое направлено вдоль волокон древесины, радиальное Я направлено перпендикулярно годичным кольцам и тангенциальное Т - которое проходит по касательной между годичными кольцами древесины. В совокупности три взаимно перпендикулярных направления: продольное, радиальное и тангенциальное -образуют декартовую систему координат в каждой клетке древесины (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Три главных структурных направления древесины.

Поскольку строение древесины достаточно сложно, хоть и некоторым образом упорядоченно про её трем главным направлениям, многие свойства древесины, такие как прочность, жесткость, усушка и набухание имеют различные величины и зависят от выбора их направления. На основании этого можно считать, что древесина является типичным представителем анизотропного тела [17].

т

1.1.2. Микроскопическая структура древесины

Для исследования микроструктура древесины применяются световые и электронные микроскопы, разрешающая способность которых составляет 0,150,20 мкм, 0,1-0,2 нм и 2-3 нм. Кроме этого, для исследования клеточного строения древесины применяются различные химические и физические методы.

Рост растительной клетки сопровождается увеличением её геометрических размеров, увеличением параметров прочности и жесткости и уменьшением свойств усушки и набухания. Конечным этапом развития клетки является её одревеснение (лигнификация), после чего клетки отмирают. Таким образом, древесина по большей части состоит из мертвых клеток, внутренние полости которых заполнены воздухом (ядровая древесина) или полностью или частично водой и минеральными веществами (заболонь).

Для хвойных пород древесины характерная простая и правильная форма строения. Особенность её структуры заключается в небольшом наборе анатомических клеток, которые располагаются вдоль и поперек оси ствола дерева (рис. 1.11) [17].

Ранние трахеиды у хвойных пород древесины, образующиеся в начале вегетационного периода (во время активного роста и развития древесных клеток) предназначены для перемещений воды и минеральных веществ. Механические свойства древесины формируются за счет поздних трахеидов, которые появляются после ранних.

По паренхимным клеткам, образующим сердцевинные лучи, в горизонтальном направлении двигаются питательные вещества их растворы. В тоже время паренхимные клетки либо располагаются в массиве трахеидных клеток, либо принимают участие в создании смоляных ходов.

Гомогенные и гетерогенные лучи, состоящие только из паренхимных клеток и совокупности паренхимных и трахеидных клеток соответственно, образуют сердцевинные лучи. Для пород древесины «можжевельник», «тис» и «пихта»

характерны гомогенные лучи, состоящие из паренхимных клеток с простыми порами.

Рис. 1.11. Схема микроскопического строения сосны по В. Е. Вихрову: 1 -годичный слой; 2 - сердцевинные лучи; 3 - вертикальный смоляной ход; 4

- ранние трахеиды; 5 - поздняя трахеи да; 6 - окаймленная пора; 7 -лучевая трахеида; 8 - многорядный луч с горизонтальным смоляным ходом

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пономарёв Владислав Семёнович, 2024 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Боровиков А.М. Справочник по древесине: справочник / А.М. Боровиков, Б.Н. Уголев; под общ. ред. д-ра техн. наук Б.Н. Уголева. - М.: Лесн. пром-сть, 1989. - 296 с.;

2. Дорняк О.Р. Математическое моделирование процесса прессования древесины / Дорняк О.Р. // Научный журнал КубГАУ. - 2012. - №75. - С. 1-15;

3. Калугин А.В, Деревянные конструкции: учеб. пособие / А.В. Калугин. -Изд. 2-е, испр. и доп. - М.: Изд-во ACB, 2008. - 288 с.;

4. Кучер С.В. Реологическая модель древесины при затухающих необратимых деформациях / С.В. Кучер, А.В. Теппоев, А.В. Чураков // Научно-техническая конференция института Технологических Машин и Транспорта Леса Санкт-Петербургского Государственного Лесотехнического Университета по итогам научно-исследовательских работ 2017 года. - Санкт-Петербургск: СПбГЛТУ, 2018. - С. 6-13;

5. Лабудин Б.В. К обоснованию расчетной модели клееной древесины как ортогонального трансверсально изотропного материала / Б.В. Лабудин // Лесной журнал. - 2006. - № 6. - С. 136-139;

6. Лабудин Б.В. Совершенствование деревянных клееных конструкций с пространственно-регулярной структурой: автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.23.01 / Лабудин Борис Васильевич. - СПб., 2007. - 32 с.

7. Пейч Н.Н. Сушка древесины / Н.Н. Пейч, Б.С. Царев. - Изд. 2-е, испр. и доп. - М.: Изд-во «Высшая школа», 1971. - 220 с.;

8. Пятикрестовский К.П. Нелинейные методы механики в проектировании современных деревянных конструкций / К.П. Пятикрестовский. - М.: Изд-во МИСИ-МГСУ, 2017. - 320 с.;

9. Рыкунин С.Н. Технология деревообработки: учебник для нач. проф. образования / С.Н. Рыкунин, Л.Н. Кандалина. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 352 с.;

10. Слицкоухов Ю.В. Конструкции из дерева и пластмасс / Ю.В. Слицкоухов [и др.]. - М.: СТРОЙИЗДАТ, 1986. - 545 с.;

11. Соболев Ю.С. Древесина как конструкционный материал / Ю.С. Соболев. - М.: Лесн. пром-сть, 1979. - 248 с.;

12. Тимошенко С.П., Лессельс Дж. Прикладная теория упругости / С.П. Тимошенко, Дж. Лессельс. - Ленинград: Государственное техническое издательство, 1931. - 394 с.;

13. Тюленева Е.М. Остаточные деформации в древесине / Е.М. Тюленева // Лесной вестник. - 2014. - №2. - С. 70-74;

14. Тюленева Е.М. Уточнение реологической модели древесины / Тюленева Е.М. // Хвойные бореальной зоны. - 2008. - №1-2. - С.179-183;

15. Тюленева Е.М. Экспериментальное уточнение реологической модели древесины: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.21.04 / Тюленева Евгения Михайловна. - Красноярск, 2009. - 21 с.;

16. Филимонов Э.В. Конструкции из дерева и пластмасс: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по профилю «Промышленное и гражданское строительство», «Проектирование зданий" направления подготовки «Строительство» / Э.В. Филимонов, М. М. Гаппоев, И. М. Гуськов [и др.]. - Изд. 6-е, перераб. и доп. - М.: Издательство АСВ, 2016. - 435 с.;

17. Чудинов Б.С. Вода в древесине / Б. С. Чудинов; под общ. ред. В.А. Баженова. - Новосбирск: Изд-во «Наука», 1984. - 269 с.;

18. Юдин Р.В. Математическая модель реологических явлений деформирования древесины для изготовления шпал / Р.В. Юдин, А.С. Василенко // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. -Воронеж, 2017. - С. 301-306;

19. Anshari B. Modelling of Glulam beams pre-stressed by compressed wood / B. Anshari, Z.W. Guan, Q.Y. Wang // Composite Structures. - 2017. - Vol. 165. - C. 160170;

20. Brischke C. Modelling the material resistance of wood—Part 3: Relative resistance in above- and in-ground situations - results of a global survey / C. Brischke,

G. Alfredsen, M. Humar, E. Conti [and other] // Forests. - 2021. - Vol. 12. - C. 1-18;

21. Büyüksan U. Micro-mechanical properties of oak wood and comparison with standard-sized samples / Ü. Büyüksari, N. As, T, Dündar, O. Korkmaz // Maderas. Ciencia y tecnología. - 2017. - Vol. 19. - C. 481-494;

22. Chassagne P. Three dimensional creep model for wood under variable humidity-numerical analyses at different material scales / P. Chassagne, E. Bou-Said, J.F. Jullien, P. Galimard // Mechanics of Time-Dependent Materials. - 2006. - Vol. 9. -C. 203-223;

23. Correa D. 3D-Printed wood: Programming hygroscopic material transformations / D. Correa, A. Papadopoulou, C. Guberan, N. Jhaveri, S. Reichert, A. Menges, S. Tibbits // 3D Printing and Additive Manufacturing. - 2015. - Vol. 2. - № 3.

- C. 106-117;

24. De Borst K. Mechanical characterization of wood: An integrative approach ranging from nanoscale to structure / K. De Borst, C. Jenkel, C. Montero, J. Colmars, J. Gril, M. Kaliske, J. Eberhardsteiner // Computers and Structures. - 2013. - Vol. 127. -C. 53-67;

25. Eberhardsteiner J. Mechanisches Verhalten von Fichtenholz M. Experimentelle Bestimmung der biaxialen Festigkeitseigenschaften / J. Eberhardsteiner.

- Springer-Verlag Wien, 2002. - 174 c.;

26. Fajdiga G. Experimental and numerical determination of the mechanical properties of spruce wood / G. Fajdiga, D. Rajh, B. Necemer, S. Glodez, M. Sraml // Forests. - 2019. - Vol. 10. - C. 1-12;

27. Fleischmann M. Numerische Berechnung von Holzkonstruktionen unter Verwendung eines orthotropen elasto-plastischen Werkstoffmodells / M. Fleischmann,

H. Krenn, J. Eberhardsteiner, G. Schickhofer // Holz Roh Werkst. - 2007. - Vol. 65. -C. 301-313;

28. Florisson S. A three-dimensional numerical analysis of moisture flow in wood and of the wood's hygro-mechanical and visco-elastic behavior // S. Florisson, J. Vessby, S. Ormarsson // Wood Science and Technology. - 2021. - Vol. 55. - C. 12691304;

29. Fortino S. A 3D moisture-stress FEM analysis for time dependent problems in timber structures / S. Fortino, F. Mirianon, T. Toratti // Mech Time-Depend Mater. -2009. - Vol. 13. - C. 333-356;

30. Fortino S. A three-dimensional moisture-stress fem analysis for timber structures / S. Fortino, T. Toratti // // World Conference on Timber Engineering. -Trentino, 2010. - C. 1-8;

31. Ganev S. Effect of panel moisture content and density on moisture movement in MDF / S. Ganev, A. Cloutier, R. Beauregard, G. Gendron // Wood and Fiber Science. - 2003. - Vol. 35. - C. 68-82;

32. Gereke T. Moisture-induced stresses in cross-laminated wood panels / T. Gereke // Doctoral Thesis. - ETH Zurich. - 2009;

33. Gronquist P. Analysis of hygroscopic self-shaping wood at large scale for curved mass timber structures / P. Gronquist, D. Wood, M.M. Hassani, F.K. Wittel, A. Menges, M. Ruggeberg // Science Advances. - 2019. - Vol. 5. № 9. - C. 1-7;

34. Gronquist P. Computational analysis of hygromorphic self-shaping wood gridshell structures / P. Gronquist, P. Panchadcharam, D. Wood, A. Menges, M. Ruggeberg, F. K. Wittel // R. Soc. Open Sci. - 2020. - Vol 7. - C. 1-9;

35. Gronquist P. Smart manufacturing of curved mass timber components by self-shaping / P. Gronquist // Doctoral Thesis. - ETH Zurich. - 2020;

36. Hanhijarvi A. Computational Analysis of Quality Reduction during Drying of Lumber due to Irrecoverable Deformation. II: Algorithmic Aspects and Practical Application / A. Hanhijarvi, P. Mackenzie-Helnwein // ASCE Journal of engineering mechanics. - 2003. - Vol. 129. - C. 1006-1016;

37. Hanhijarvi A. Computational analysis of quality reduction during drying of lumber due to irrecoverable deformation. I: Orthotropic viscoelastic-mechanosorptive-

plastic material model for the transverse plane of wood / A. Hanhijarvi, P. Mackenzie-Helnwein // Journal of Engineering Mechanics. - 2003. - C. 886-1005;

38. 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) / A. Hanhijarvi // Springer-Verlag. - 2000. - Vol. 58. - C. 63-71;

39. Hanhijiirvi A. Advances in the knowledge of the influence of moisture changes on the long-term mechanical performance of timber structures / A. Hanhijarvi // Materials and Structures. - 2003. - Vol. 33. - C. 43-49;

40. Hassani M.M. Moisture-induced damage evolution in laminated beech / M.M. Hassani, F. K. Wittel, P. Niemz // Wood Science and Technology. - 2016. - Vol. 50. -C. 917-940;

41. Hassani M.M. Rheological model for wood / M.M. Hassani, F. K. Wittel, S. Hering, H. J. Herrmann // Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. - 2014. - Vol. 283. -C. 1032-1060;

42. Hering S. Characterisation and modelling of moisture-dependent plasticity for beech wood / S. Hering, S. Saft, E. Resch, P. Niemz, M. Kaliske // Holzforschung -International Journal of the Biology, Chemistry, Physics and Technology of Wood. -2012. - Vol 66. - C. 373-380;

43. Hering S. Moisture-dependent orthotropic elasticity of beech wood / S. Hering, D. Keunecke, P. Niemz // Wood Sci Technol. - 2012. - Vol. 46. - C. 927-938;

44. Hering S. Moisture-dependent, viscoelastic creep of European beech wood in longitudinal direction / S. Hering, P. Niemz // Eur. J. Wood Prod. - 2012. - Vol. 70. -C. 667-670;

45. Klausler O. 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. - C. 57-65;

46. Koh R. Yield criteria assessment for multiaxial wood laminate wind turbine blades / R. Koh, P. Clouston, M. Lackner, R. Hyers, J. Fabel // World Conference in Timber Engineering. - Vienna, 2016. - C. 1-7;

47. Kucharczyk A. Modelling and experimental study of moisture transport in wood, taking into account diffusion and the accompanying adsorption of water vapour by cell walls / A. Kucharczyk, K. Pawlik // Materials. - 2021. - Vol. 14. - C. 1-18;

48. Le Duigou A. Moisture-induced self-shaping flax-reinforced polypropylene biocomposite actuator / A. Le Duigou, M. Castro // Industrial Crops and Products. -2015. - Vol. 71. - C. 1-6;

49. M. Erb R. Self-shaping composites with programmable bioinspired microstructures / R. M. Erb, J. S. Sander, R. Grisch, A. R. Studart // Nature Communications. - 2013. - Vol. 4. - C. 1-8;

50. Mackerle J. Finite element analyses in wood research: a bibliography / J. Mackerle // Wood Sci Technol. - 2005, - Vol. 39. - C. 579-600;

51. Mahdavifar V. Cyclic performance of connections used in hybrid cross-laminated timber / V. Mahdavifar // Doctoral Thesis. - Oregon State University. - 2017;

52. Martensson A. Creep Behavior of Structural Timber under Varying Humidity Conditions / A. Martensson // Wood and fiber science. - 1986. - Vol. 18. - C. 468-477;

53. Niemz P. Holzphysik: Physik des holzes und der Holzwerkstoffe / P. Niemz, W. Sonderegger // Carl HanserVerlag GmbH & Company KG, 2017. - 580 c.;

54. Niemz P. Physik des Holzes und der Holzwerkstoffe / P. Niemz // DRW-Verlag. - 1993. - C. 243;

55. Nsouami V. Spatial variability of ozigo wood beams under long-term loadings in various environmental exposures / V. Nsouami, N. Manfoumbi, R. M. Pitti, E. Bastidas-Arteaga // Sustainability. - 2021. - Vol. 13. - C. 1-15;

56. O'Ceallaigh C. An experimental and numerical study of moisture transport and moisture-induced strain in fast-grown sitka spruce / C. O'Ceallaigh, K. Sikora, D. McPolin, A. M. Harte // Maderas. Ciencia y tecnología. - 2019. - Vol. 21. - C. 45-64;

57. Ranta-Maunus A. The viscoelasticity of wood at varying moisture content / A. Ranta-Maunus // Wood Science and Technology. - 1975. - Vol. 9. - C. 189-205;

58. Resch E. Three-dimensional numerical analyses of load-bearing behavior and failure of multiple double-shear dowel-type connections in timber engineering / E. Resch, M. Kaliske // Computers and Structures. - 2010. - Vol. 88. - C. 165-177;

59. Reyssat E. Hygromorphs: from pine cones to biomimetic bilayers / E. Reyssat, L. Mahadevan // J. R. Soc. Interface. - 2009. - Vol. 6. - C. 951-957;

60. Rindler A. Adhesive-related warping of thin wooden bi-layers / O. Vay, C. Hansmann, J. Konnerth // Wood Science and Technology. - 2019. - Vol. 53. - C. 10151033;

61. Sargent R. Evaluating dimensional stability in solid wood: a review of current practice / R. Sargent // Journal of Wood Science. - 2019. - №36. - C. 1-11;

62. Schmidt J. Models for numerical failure analysis of wooden structures / J. Schmidt, M. Kaliske // Engineering Structures. - 2009. - Vol. 31.- C. 571-579;

63. Schmidt J. Zur dreidimensionalen Materialmodellierung von Fichtenholz Mittels eines Mehrfl"achen-Plastizit"atsmodells / J. Schmidt, M. Kaliske // Holz als Roh- und Werkstoff. - 2006. - Vol. 64. - C. 393-402;

64. Slovackova B. Diffusion coefficient and equilibrium moisture content of different wood species degraded with trametes versicolor / B. Slovackova, J. Schmidtova, R. Hrcka, O. Misikova // BioResources. - 2021. - Vol. 16. - C. 25702588;

65. Stephen W. Tsai. A general theory of strength for anisotropic materials / W. Tsai Stephen, M. Wu Edward // Composite materials. - 1971. Vol. 5. - C. 58-80;

66. Time B. Hygroscopic moisture transport in wood / B. Time // Doctoral Thesis. - Norwegian University of Sciences and Technology. - 1998;

67. Toratti T. Creep of timber beams in a variable environment/ T. Toratti // Materials Science. - 1992;

68. Toratti T. Mechanical response of wood perpendicular to grain when subjected to changes of humidity / T. Toratti, S. Svensson // Wood Science and Technology. - 2002. - Vol. 36. - C. 145-156;

69. Vidal-Sallé E. Constitutive equations for orthotropic nonlinear viscoelastic behaviour using a generalized Maxwell model Application to wood material / E. Vidal-Sallé, P. Chassagne // Mech Time-Depend Mater. - 2007. - Vol. 11. - C. 127-142;

70. Volkmer T. Untersuchungen zum Einfluss der Klebstoffart auf den Diffusionswiderstand von Holzverklebungen / T. Volkmer. J.-A. Schmidt, K. Kranitz, P. Niemz // Bauphysik. - 2012. - Vol. 34. - C. 55-60;

71. Wadso L. Studies of water vapor transport and sorption in wood / L. Wadso // Doctoral Thesis. - Lund. - 1993;

72. Wimmer R. Water sorption mechanisms of commercial wood adhesive films / R. Wimmer, O. Klausler, P. Niemz // Wood Sci Technol. - 2013. - Vol. 47. - C. 763775;

73. Zhang H. Soft mechanical metamaterials with unusual swelling behavior and tunable stress-strain curves / H. Zhang, X. Guo, J. Wu, D. Fang/ Y. Zhang // Sci. Adv. -2018. - Vol. 4. C. 1-10;

74. Zhong Y. Experimental and statistical evaluation of the size effect on the bending strength of dimension lumber of northeast China larch / Y. Zhong, H.-Q. Ren, Z.-H. Jiang // Materials. - 2016. - Vol. 9. - C. 1-13;

75. Zhou H. Factors influencing bending properties of white spruce lumber / H. Zhou, I. Smith // Wood and Fiber Science. - 1991. - Vol. 23. - C. 483-500.