木质可达性-实验和数值方法综合

建材使用50年或50年以上,必须能够预测建材在时间跨度中将如何运算。这对于木材等自然材料特别具有挑战性,因为结构有自然差异serena Gambarelli和Josipa Bošnjak在德国斯图加特大学使用hygro机械模型预测接触各种环境条件木的长期性能使用实验方法验证数值模型捕捉木质复合行为他们的作品对设计真正受未来防守的建筑物有根深蒂固的关联性

设计优化耐久性是一项复杂任务不仅必须在实验室长椅上测试孤立物的所有属性,而且研究人员还必须能够预测物态将如何以结构容量在楼内行为(例如波束、列等)。除其他外,科学家和工程师必须考虑环境条件(温度和相对湿度)将如何影响材料的机械性能和相应结构元素的整体性能

某些材料,如木质显示湿潮条件显著膨胀这可能会导致重大变形和破解,并可能损及大楼随时间推移总体可使用性另一相关环境因素是温度变异即使是最硬的材料,如金属和石块,也可能受风灾影响,热到冷天气循环导致破解和腐蚀这些问题及其交互作用会影响材料内部结构并可能导致机械性能恶化,尤其是在数十年时间尺度内。

整体物属性(称为宏尺度属性)木体和机械都受材料小规模行为的影响微结构小缺陷可引起宏级属性问题微结构缺陷有微尺度(微米范围内)或中尺度(毫米范围内)。天然材料如木质,各种长度尺度的物质结构都非常复杂。不像钢等金属材料在受控条件下生产并特征为同质晶体结构(在不同方向显示相同行为),木质生长是一种自然和较少受控过程。

最终目标是为开发木材结构持久设计方法提供基础。

Serena Gambarelli博士和德国斯图加特大学Josipa Bosnjak博士正在使用实验和数值方法调查木质等复杂自然素材的长期可用性即试图理解影响物质退化、破解和超度变形的hygro-热机质行为

内部木结构
自然界有数不胜数的木型常用分类之一是软木和硬木分类硬木往往密度较高,主要是因为生长速度慢(通常是减速树)并显示比软木(多为常青树)高抗拉强度从可持续性角度讲,软木更具吸引力在当前研究框架内,研究人员选择橡树和树枝分别代表这两个类别

视物内部结构而定,物性常量或变化方向不同某些晶状结构对称所有方向的材料属性(强度、强度)往往独立于测量方向木头不属此例,木头是正方位素例对这类材料而言,宏剖质属性在三大物料方向上不尽相同。木质常坚固(trunk方向),使树能承受自身重量其余两个相关方向(离散方向和线性方向)与粒子方向相容并指向年生长圈,即相切值圈和线性圈年环表示树干开发一年并大致圆形宏特征来源于内木结构中分微尺度单年环由弱小木和强晚木组成这是由于微尺度上不同的细胞结构早期木质由宽度lumens(交通通道)和稀薄细胞墙组成,见图1木质比晚木质弱

众所周知,木质最强,迄今为止大多数研究都侧重于这个方面,因为它与建设相关:结构元素总设计开发粒子方向反之,半圆形方向探索少得多Gambarelli和Bosnjak仔细调查木头所有三大方向,因为这对数值模型的校准和验证非常重要。

实验性工作
实验的目的是加深理解机械木特性以及硬木和软木两位选择代表的潮热性能关于机械行为、僵硬性、强度和全压-strain响应捕捉

两种木型显示完全不同的机械压缩行为,因为密度和微结构不同。观察者进一步指出,两个弱点(双向和异向)显示非常软软和软响应,而不是从粒子方向检测到的准小量响应研究者目前正在调查所选木型的抗拉行为

人工热分析最重要的输入法之一是完全吸附曲线,描述不同湿度水分含量正在对橡树和树枝进行测试

下一项目阶段,获取的数据将输入数值模型分析不同的Hygro-Hod最相关假设情况也将实验模拟,为数值方法验证提供基础研究将同时研究天然木和木结构组件

令研究具有挑战性的是识别物结构级之间的可靠联系

数值分析
基于前一研究,基于现有的Hygro和温度依赖型微机模型开发出3DFEhro-机械木模型数值框架整合进Josko Ožbort教授研究团队在斯图加特大学开发的内部软件MASA

数值方法的长处之一是有可能分析远大于实验中实际可行性的物质和负载组合拥有如此先进精确数值模型使研究人员能够预测木工在并发机械环境条件下的行为方式

此类工具帮助理解损害过程并可以帮助开发更好的设计方法以建立更持久结构

通过Gambarelli和Bosnjak研究收集的信息对未来建房实践很重要,有助于确保建筑物长寿而不面对相关材料故障木工材因其独特多样行为而具有挑战性努力理解材料性能的所有相关方面也有助于我们发现并开发其他自然材料用于建设中