mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2024.6.982-990mgssuvest-294Research ArticleСтроительное материаловедениеConstruction material engineeringАнализ прочностных и теплопроводных характеристик слоистых балок, состоящих из массива дерева и теплоизоляционного материалаAnalysis of strength and thermal conductivity characteristics of layered beams consisting of solid wood and thermal insulation materialПановаМ. С.PanovaM. S.

Мария Сергеевна Панова — магистр кафедры сопротивления материалов

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

 РИНЦ AuthorID: 1233566

Maria S. Panova — master of the Department of Strength of Materials

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

RISC AuthorID: 1233566

panova.mariya1999@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1748-9976ТатусьН. А.TatusN. A.

Николай Алексеевич Татусь — кандидат технических наук, доцент кафедры сопротивления материалов; заведующий лабораторией безопасности и прочности композитных конструкций

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26;101000, г. Москва, Малый Харитоньевский переулок, д. 4

РИНЦ AuthorID: 157336, Scopus: 12039478400, ResearcherID: AAI-2387-2020

Nikolay A. Tatus — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Strength of Materials; Head of the Laboratory of Safety and Strength of Composite Structures

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337;4 Maly Kharitonevsky pereulok, Moscow, 101000

RISC AuthorID: 157336, Scopus: 12039478400, ResearcherID: AAI-2387-2020

nikalet@mail.ruНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)Russian FederationНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences (IMASH RAS)Russian Federation202411072024196982990Copyright © Панова М.С., Татусь Н.А., 20242024Панова М.С., Татусь Н.А.Panova M.S., Tatus N.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/294Введение

Введение. Описывается экспериментально-теоретическая работа по исследованию характеристик слоистого строительного материала — термобруса, состоящего из массива дерева и слоев теплоизоляции. Подобные материалы применяются для строительства легковозводимых деревянных домов частного сектора и малоэтажных. Особенности такого типа материалов в том, что одновременно с конструкционным материалом — древесиной — брус содержит слой или слои утеплителя, что позволяет сократить этап утепления дома при его возведении. Прочная древесина и абсолютно ничего не способная нести теплоизоляция вместе могут дать материал, характеристики которого в корне отличаются как от первого, так и от второго.

Материалы и методы

Материалы и методы. Рассматривается влияние количества и толщины слоев теплоизоляции и древесины на прочностные и теплоизоляционные характеристики получаемого бруса. Зная закономерности изменения характеристик от количества слоев, становится возможным подобрать рациональную систему чередования слоев древесины и утеплителя. Проведены экспериментальные исследования балок с различным количеством и толщиной теплоизоляционных и силовых слоев; общая толщина и силовых, и теплоизоляционных слоев в каждой балке была одинаковой, но менялась последовательность их укладки.

Результаты

Результаты. Показаны результаты экспериментального исследования прочности термобруса при изгибе и расчетное исследование его теплоизоляционных характеристик. Экспериментально получены зависимости максимальных нагрузок для балок с различным количеством слоев древесины/утеплителя.

Выводы

Выводы. В результате проведенных экспериментов оказалось, что линейная теория изгиба не может точно описать поведение слоистого материала — выдерживаемая нагрузка росла с ростом количества слоев.

Introduction

Introduction. The paper describes experimental and theoretical work on the study of the characteristics of a layered building material — thermal timber, consisting of solid wood and layers of thermal insulation. Such materials are used for construction of lightly built wooden houses of private sector and low-rise houses. The peculiarities of this type of materials is that simultaneously with the construction material — wood beam contains a layer or layers of insulation, which allows to reduce the stage of insulation of the house during its construction. Strong wood and absolutely nothing capable of carrying insulation together can give a material whose characteristics are fundamentally different from both the first and the second.

Materials and methods

Materials and methods. The influence of the number and thickness of layers of thermal insulation and wood on the strength and thermal insulation characteristics of the resulting timber is considered. Knowing the regularities of changing characteristics from the number of layers, it becomes possible to choose a rational system of alternation of wood and insulation layers. Experimental studies of beams with different number and thickness of thermal insulation and power layers were carried out, the total thickness of both power and thermal insulation layers in each beam were the same, but the sequence of laying was changed.

Results

Results. The results of the experimental study of the bending strength of the thermal timber and the calculated study of its thermal insulation characteristics are shown. Dependences of maximum loads for beams with different number of wood/insulation layers were experimentally obtained.

Conclusions

Conclusions. As a result of the experiments it turned out that the linear bending theory cannot accurately describe the behaviour of the layered material — the withstand load grew with the increase in the number of layers.

деревянный брустермобруспрочностьизгиббалкислоистые конструкциитеплоизоляцияиспытания на изгибрасчеты на прочностьwooden beamsthermal timberstrengthbendingbeamslaminated structuresthermal insulationbending testsstrength calculationsReferencesZaid N.Z.M., Rejab M.R.M., Mohamed N.A.N. Sandwich structure based on corrugated-core : a review // MATEC Web of Conferences. 2016. Vol. 74. P. 00029. DOI: 10.1051/matecconf/20167400029Zaid N.Z.M., Rejab M.R.M., Mohamed N.A.N. Sandwich structure based on corrugated-core : a review. MATEC Web of Conferences. 2016; 74:00029. DOI: 10.1051/matecconf/20167400029Комаров В.А., Павлова С.А. Учет требований жесткости при проектировании трехслойных конструкций панелей пола самолета из высокопрочных композиционных материалов // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2021. Т. 20. № 2. С. 45–52. DOI: 10.18287/2541-7533-2021-20-2-45-52. EDN SUXWWR.Komarov V.A., Pavlova S.A. Optimal design of sandwich floor panels made of high-strength composite materials considering stiffness constraints. Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering. 2021; 20(2):45-52. DOI: 10.18287/2541-7533-2021-20-2-45-52. EDN SUXWWR. (rus.).Stefan A., Pelin G., Pelin C., Petre A., Marin M. Manufacturing process, mechanical behavior and modeling of composites structures sandwich panel // Incas Bulletin. 2021. Vol. 13. Issue 1. Pp. 183–191. DOI: 10.13111/2066-8201.2021.13.1.19Stefan A., Pelin G., Pelin C., Petre A., Marin M. Manufacturing process, mechanical behavior and modeling of composites structures sandwich panel. Incas Bulletin. 2021; 13(1):183-191. DOI: 10.13111/2066-8201.2021.13.1.19Павлычева Е.А., Пикалов Е.С. Современные энергоэффективные конструкционные и облицовочные строительные материалы // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2020. № 7. С. 76–87. EDN TJASPQ.Pavlycheva E.A., Pikalov E.S. Modern energy-efficient structural and facing building materials. International Journal of Applied and Fundamental Research. 2020; 7:76-87. EDN TJASPQ. (rus.)American Institute of Timber Construction. Timber construction manual. 2012. DOI: 10.1002/9781118279687American Institute of Timber Construction. Timber construction manual. 2012. DOI: 10.1002/9781118279687Hayward P.A. Timber-connector construction // Journal of Fluids Engineering. 1937. Vol. 59. Issue 5. Pp. 457–460. DOI: 10.1115/1.4020487Hayward P.A. Timber-connector construction. Journal of Fluids Engineering. 1937; 59(5):457-460. DOI: 10.1115/1.4020487Bader T., Ormarsson S. Modeling the mechanical behavior of wood materials and timber structures // Springer Handbook of Wood Science and Technology. 2023. Pp. 507–568. DOI: 10.1007/978-3-030-81315-4_10Bader T., Ormarsson S. Modeling the mechanical behavior of wood materials and timber structures. Springer Handbook of Wood Science and Technology. 2023; 507-568. DOI: 10.1007/978-3-030-81315-4_10Kuzman M., Oblak L., Vratuša S. Glued laminated timber in architecture // Drvna Industrija. 2010. Vol. 61. Issue 3.Kuzman M., Oblak L., Vratuša S. Glued laminated timber in architecture. Drvna Industrija. 2010; 61(3).Gao S., Xu M., Guo N., Zhang Y. Mechanical properties of glued-laminated timber with different assembly patterns // Advances in Civil Engineering. 2019. Pp. 1–13. DOI: 10.1155/2019/9495705Gao S., Xu M., Guo N., Zhang Y. Mechanical properties of glued-laminated timber with different assembly patterns. Advances in Civil Engineering. 2019; 1-13. DOI: 10.1155/2019/9495705Хошимова Ф.Ф., Панфилов Д.В., Поликутин А.Э. Расчет деревянных мостовых брусьев, армированных лентой из углеродного волокна, при циклических воздействиях // Научный журнал строительства и архитектуры. 2023. № 3 (71). С. 22–30. DOI: 10.36622/VSTU.2023.3.71.002. EDN JOWSQH.Khoshimova F.F., Panfilov D.V., Polikutin A.E. Calculation of wooden bridge beams, reinforced with carbon fiber tape, with cyclic effects. Russian Journal of Building Construction and Architecture. 2023; 3(71):22-30. DOI: 10.36622/VSTU.2023.3.71.002. EDN JOWSQH. (rus.).Kopecky P., Staněk K., Bureš M., Richter J., Tywoniak J. Experimental investigations of wooden beam ends in masonry with internal insulation // Energy Procedia. 2017. Vol. 132. Pp. 682–687. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.10.006Kopecky P., Staněk K., Bureš M., Richter J., Tywoniak J. Experimental investigations of wooden beam ends in masonry with internal insulation. Energy Procedia. 2017; 132:682-687. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.10.006Vereecken E., Roels S. Wooden beam ends in combination with interior insulation: An experimental study on the impact of convective moisture transport // Building and Environment. 2019. Vol. 148. Pp. 524–534. DOI: 10.1016/j.buildenv.2018.10.060Vereecken E., Roels S. Wooden beam ends in combination with interior insulation: An experimental study on the impact of convective moisture transport. Building and Environment. 2019; 148:524-534. DOI: 10.1016/j.buildenv.2018.10.060Mets T., Tilmans A. Evaluation of the risk of decay of wooden beams embedded in internally insulated walls by long-term measurements // E3S Web of Conferences. 2020. Vol. 172. P. 01002. DOI: 10.1051/e3sconf/202017201002Mets T., Tilmans A. Evaluation of the risk of decay of wooden beams embedded in internally insulated walls by long-term measurements. E3S Web of Conferences. 2020; 172:01002. DOI: 10.1051/e3sconf/202017201002Michálková D., Ďurica P. Experimental verification of thermal insulation in timber framed walls // Materials. 2022. Vol. 15. P. 2040. DOI: 10.3390/ma15062040Michálková D., Ďurica P. Experimental verification of thermal insulation in timber framed walls. Materials. 2022; 15:2040. DOI: 10.3390/ma15062040Абу-Хасан М.С., Розанцева Н.В., Егоров В.В., Куправа Л.Р. Оптимизация конфигурации перекрестно-балочной системы пространственной конструкции в зависимости от заданных параметров // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2020. № 9 (1033). С. 32–35. EDN UJGVIE.Abu-Hasan M.S., Rozanceva N.V., Egorov V.V., Kuprava L.R. Optimization of configuration of cross-beam system of spatial structure depending on the given parameters. BСT: Bulletin of Construction Technology. 2020; 9(1033):32-35. EDN UJGVIE. (rus.)Bozsaky D. The historical development of thermal insulation materials // Periodica Polytechnica Architecture. 2011. Vol. 41. Issue 2. Pp. 49–56. DOI: 10.3311/pp.ar.2010-2.02Bozsaky D. The historical development of thermal insulation materials. Periodica Polytechnica Architecture. 2011; 41(2):49-56. DOI: 10.3311/pp.ar.2010-2.02Aksit M., Zhao C., Klose B., Kreger K., Schmidt H., Altstädt V. Extruded polystyrene foams with enhanced insulation and mechanical properties by a benzene-trisamide-based additive // Polymers. 2019. Vol. 11. Issue 2. P. 268. DOI: 10.3390/polym11020268Aksit M., Zhao C., Klose B., Kreger K., Schmidt H., Altstädt V. Extruded polystyrene foams with enhanced insulation and mechanical properties by a benzene-trisamide-based additive. Polymers. 2019; 11(2):268. DOI: 10.3390/polym11020268Mahajan U.R., Emmanuel I., Sreenivasarao A., Mhaske S.T. Development of smart polyurethane foam with combined capabilities of thermal insulation and thermal energy storage by integrating microencapsulated phase change material // Polymer Bulletin. 2023. Vol. 80. Issue 12. Pp. 13099–13115. DOI: 10.1007/s00289-023-04695-8Mahajan U.R., Emmanuel I., Sreenivasarao A., Mhaske S.T. Development of smart polyurethane foam with combined capabilities of thermal insulation and thermal energy storage by integrating microencapsulated phase change material. Polymer Bulletin. 2023; 80(12):13099-13115. DOI: 10.1007/s00289-023-04695-8Samardzioska T., Jovanoska M. Recycled rebonded polyurethane foam as sustainable thermal insulation. 2023. DOI: 10.33552/CTCSE.2023.09.000719Samardzioska T., Jovanoska M. Recycled rebonded polyurethane foam as sustainable thermal insulation. 2023. DOI: 10.33552/CTCSE.2023.09.000719Rapley S., Bompa D., Biswal S. Compression resistance of digitally fabricated hollow timber co-lumns // Proceedings of the IASS Annual Symposium 2023 Integration of Design and Fabrication. 2023.Rapley S., Bompa D., Biswal S. Compression resistance of digitally fabricated hollow timber columns. Proceedings of the IASS Annual Symposium 2023 Integration of Design and Fabrication. 2023.Неверов Е.Н., Короткий И.А., Коротких П.С., Расщепкин А.Н., Самар С.А. Изучение процесса деформации различных видов теплоизоляционных материалов при воздействии низких температур и влаги // Вестник МГСУ. 2023. № 18 (8). С. 1251–1261. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.8.1251-1261Neverov E.N., Korotkiy I.A., Korotkih P.S., Rasshchepkin A.N., Samar S.A. Study of the deformation process of various types of thermal insulation materials under the influence of low temperatures and moisture. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(8):1251-1261. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.8.1251-1261 (rus.).Sutheesh M., Chollackal A. Thermal performance of multilayer insulation : a review // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 396. P. 012061. DOI: 10.1088/1757-899X/396/1/012061Sutheesh M., Chollackal A. Thermal performance of multilayer insulation : a review. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018; 396:012061. DOI: 10.1088/1757-899X/396/1/012061Perković N., Rajcic V. Mechanical and fire performance of innovative hollow glue-laminated timber beams // Polymers. 2022. Vol. 14. Issue 16. P. 3381. DOI: 10.3390/polym14163381Perković N., Rajcic V. Mechanical and fire performance of innovative hollow glue-laminated timber beams. Polymers. 2022; 14(16):3381. DOI: 10.3390/polym14163381Zöllig S., Frangi A., Franke S., Muster M. Timber structures 3.0 — new technology for multi-axial, slim, high performance timber structures // World Conference on Timber Engineering. 2016.Zöllig S., Frangi A., Franke S., Muster M. Timber Structures 3.0 — New Technology for Multi-axial, Slim, High Performance Timber Structures. World Conference on Timber Engineering. 2016.Liu Y. Study on the influence of the arrangement of thermal insulation floor on the thermal insulation and mechanical properties of hollow slab // Lecture Notes in Civil Engineering. 2023. Pp. 125–136. DOI: 10.1007/978-981-99-1748-8_10Liu Y. Study on the influence of the arrangement of thermal insulation floor on the thermal insulation and mechanical properties of hollow slab. Lecture Notes in Civil Engineering. 2023; 125-136. DOI: 10.1007/978-981-99-1748-8_10Caniato M., Marzi A., da Silva S., Gasparella A. A review of the thermal and acoustic properties of materials for timber building construction // Journal of Building Engineering. 2021. Vol. 43. P. 103066. DOI: 10.1016/j.jobe.2021.103066Caniato M., Marzi A., da Silva S., Gasparella A. A review of the thermal and acoustic properties of materials for timber building construction. Journal of Building Engineering. 2021; 43:103066. DOI: 10.1016/j.jobe.2021.103066Колесова А.В. Сравнительная характеристика теплотехнических свойств строительных материалов, использующихся во внешних ограждениях // Наукосфера. 2023. № 1–1. С. 322–325. EDN TKOMUK.Kolesova A.V. Comparative characteristics of thermal properties of building materials, used in external fences. Naukosfera. 2023; 1-1:322-325. EDN TKOMUK. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.