NUMERICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCH ON DELAMINATION OF GLULAM ELEMENTS

摘要

Drewno klejone jest materiałem o wielu unikalnych parametrach i zastosowaniach. Powszechnie znane są konstrukcje inżynierskie, takie jak dachy, budynki szkieletowe czy mosty, wykonane z tego materiału. Często jego walory estetyczne i łatwość formowania, połączone z dużą wytrzymałością, dają możliwość tworzenia różnorodnych obiektów architektonicznych. Element typu glulam złożony jest z kilku odpowiednio wyselekcjonowanych warstw drewna, połączonych klejem. Prowadzi to do polepszenia parametrów całego elementu. Niestety, jedną z podstawowych wad wielowarstwowych struktur jest zjawisko ich rozwarstwiania się. W literaturze dostępnych jest wiele publikacji dotyczący badania delaminacji w kompozytach z matrycą epoksydową i włóknami szklanymi lub węglowymi. Niewiele jest natomiast artykułów podejmujących ten temat w drewnie klejonym. Może być to spowodowane wysoką anizotropią drewna i trudnościami w badaniu laboratoryjnym lub modelowaniu numerycznym takich elementów. Próby opisu zniszczenia materiału w badaniach laboratoryjnych zostały opisane w kilku publikacjach. Rozważano w nich wytrzymałość na ścinanie dla różnych gatunków drewna w próbach zginania trój- i cztero-punktowego oraz w próbie ścinania dwu-zakładkowego, stosując podstawowe sposoby obliczania naprężeń stycznych. Przeprowadzony przegląd literatury potwierdził, że badania laboratoryjne drewna klejonego są tematem aktualnym i wymagającym dalszego rozwijania. Z uwagi na postęp w metodach komputerowych dotyczących modelowania numerycznego zagadnień mechaniki, powstała potrzeba dokładniejszego opisania delaminacji i procesów zniszczenia występujących w drewnie klejonym. Przegląd literatury pod względem komputerowego modelowania powyższych procesów również potwierdził aktualność i potrzebę dalszego rozwijania tego zagadnienia. W artykule podjęto temat komputerowego modelowania połączenia dwu-zakładkowego w drewnie klejonym. Dokonano dwuetapowej kalibracji modelu numerycznego na podstawie badań laboratoryjnych. Próbki wykonano poprzez pocięcie belek z drewna klejonego, pomijając większe sęki lub połączenia lameli w celu uzyskania możliwie jednorodnego materiału. Zarówno w przypadku badań laboratoryjnych jak i w analizach numerycznych sterowano przyrostem przemieszczenia mierząc wartość siły pionowej. W pierwszym etapie należało określić parametry drewna niezbędne do zastosowania materiału ortotropowego w analizie dwuwymiarowej. W tym celu wykonano badania ściskania na próbkach prostopadłościennych w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Wynikiem tych badań był podłużny oraz poprzeczny moduł sprężystości. Współczynnik Poissona wyznaczono w drodze iteracji na podstawie modelu numerycznego, wprowadzając otrzymane wcześniej moduły sprężystości i ściskając element w taki sam sposób jak w badaniach laboratoryjnych. Moduł ścinania, który jest parametrem niezależnym od modułów sprężystości w przypadku materiału ortotropowego, przyjęto jako normowy, na podstawie kwalifikacji drewna do odpowiedniej klasy. Do wykonania modelu MES posłużono się programem Simulia Abaqus. Wykorzystane elementy skończone, które dokładnie sprawdzono pod względem możliwości ich zastosowania oraz dokładności otrzymywanych wyników. W drugim etapie należało określić parametry warstwy kleju niezbędne do zastosowania elementów kohezyjnych. Badania laboratoryjne modułu sprężystości podłużnej i poprzecznej kleju poliuretanowego wykorzystanego przy produkcji elementów odnaleziono w literaturze. Następnie wykonano badania ścinania połączenia dwu-zakładkowego i wyznaczono zależność naprężenie styczne - przemieszczenie. Na podstawie pola powierzchni pod wykresem możliwe było obliczenie energii pękania w drugim schemacie zniszczenia. Znając naprężenie styczne inicjujące proces zniszczenia, energię pękania oraz moduły sprężystości podłużnej i poprzecznej kleju, określono odpowiednią długość strefy kohezji oraz maksymalne wymiary elementów kohezyjnych. Wszystkie dobrane parametry wprowadzono do modelu numerycznego połączenia dwu-zakładkowego. Dla elementów drewnianych zastosowano takie same wymiary jak w pierwszym etapie w celu uniknięcia zaburzeń powodowanych przez zmianę gęstości siatki. Po wykonaniu analizy numerycznej stwierdzono, że zastosowane parametry pozwoliły osiągnąć zadowalającą zbieżność wyników z badaniami laboratoryjnymi oraz podobne formy zniszczenia elementów. W celu dokładniejszego opisania zjawisk zachodzących w połączeniu, wyznaczono rozkłady naprężeń inicjujących pękanie i energii pękania na długości spoiny. Na podstawie powyższych zależności zaobserwowano, że zarówno rozkład naprężeń inicjujących, jak i rozkład energii pękania są paraboliczne i zdecydowanie bardziej skomplikowane niż było to rozpatrywane w cytowanych publikacjach. Na koniec stwierdzono potrzebę rozwijania dokładniejszego sposobu numerycznego modelowania takich połączeń.%The paper presents numerical and experimental research on glulam delamination in a double lap connection with predominant shear stresses. Laboratory tests and wide literature survey enabled to determine timber and glue joint parameters. Cohesive zone theory, generally used for epoxy matrix and fiber reinforced composites, was adopted to modelling glue layer delamination in glulam elements. Numerical models were validated with laboratory tests.