Применение пластин из углепластика для усиления деревянного элемента: анализ эффективности на основе численного моделирования в ANSYS

Введение. В статье представлено комплексное исследование эффективности применения углепластиковых пластин для усиления деревянных конструкций с дефектами, выполненное с использованием численного моделирования в программном комплексе ANSYS.

Цель. Оценка влияния различных вариантов усиления на распределение напряженно-деформированного состояния.

Материалы и методы. Для моделирования были выбраны деревянные балки с типичными дефектами, локализованными в верхней и нижней зонах сечения, что позволяет всесторонне оценить влияние дефектов на структурную целостность.

Результаты. Рассмотрены варианты усиления, предусматривающие использование пластин из углепластика в сочетании с эпоксидной смолой, что позволило существенно снизить напряжения сжатия, растяжения и пластические деформации. Проведен сравнительный анализ семи различных конструктивных решений, результаты которого выявили оптимальные схемы перераспределения нагрузок и уменьшения прогибов балки. Особое внимание уделено учету нелинейного характера деформаций древесины, что позволяет более точно воспроизвести реальные эксплуатационные условия.

Выводы. Полученные данные демонстрируют высокую эффективность предлагаемого метода усиления, открывая перспективы для дальнейших экспериментальных исследований, практического применения в реконструкции деревянных конструкций и разработки новых нормативных рекомендаций в области строительных технологий. Кроме того, проведенное исследование выявляет потенциал применения современных компьютерных методов анализа в решении сложных инженерных задач, связанных с восстановлением поврежденных деревянных конструкций, что позволяет оптимизировать конструктивные решения и снизить затраты на ремонт.

1. <i>Рощина С.И., Сергеев М.С., Лукина А.В., Лисятников М.С.</i> Исследование деревокомпозитных конструкций с применением эпоксидных олигомеров модифицированных углеродными нанотрубками. Научно-технический вестник Поволжья. 2013;(2):189–192.

2. <i>Лобов Д.М., Крицин А.В., Тихонов А.В.</i> Особенности армирования деревянных элементов, усиленных углеродным волокном, при статическом изгибе. Известия КГАСУ. 2013;(2):132–138.

3. <i>Klyuev S., Lobov D. </i>External Reinforcement of Wooden Beam Structures with Carbon Fiber Composite Materials. Construction of Unique Buildings and Structures. 2023;109:10911.

4. <i>Rescalvo F.J., Valverde-Palacios I., Suarez E., Gallego A. </i>Experimental and analytical analysis for bending load capacity of old timber beams with defects when reinforced with carbon fiber strips. Composite Structures. 2018;186:29–38. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.11.078.

5. <i>Brol J., Wdowiak-Postulak A.</i> Old timber reinforcement with FRPs. Materials. 2019;12(24):4197. https://doi.org/10.3390/ma12244197.

6. <i>Басов К.А.</i> ANSYS: справочник пользователяю. Москва: ДМК; 2005.

7. ANSYS 2022/R2. Workbench User’s Guide. Southpointe: ANSYS, Inc.; 2022. Available at: https://moodle.umontpellier.fr/pluginfile.php/1850414/mod_resource/content/0/Workbench_Users_Guide.pdf.

8. <i>Ашкенази Е.К.</i> Анизотропия древесины и древесных материалов. Москва: Лесная промышленность; 1978.

9. ТУ 23.99.14-041-38276489-2017. Технические условия на углепластиковые материалы. Москва; 2017.

10. Epoxy resin. DesignerData [internet]. Available at: https://designerdata.nl/materials/plastics/thermo-sets/epoxy-resin (дата обращения: 16.03.2025).

11. <i>Пятикрестовский К.П., Травуш В.И. </i>О программировании нелинейного метода расчета деревянных конструкций. Academia. Архитектура и строительство. 2015;(2):115–119.