Analysis of strength and thermal conductivity characteristics of layered beams consisting of solid wood and thermal insulation material

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

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. 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. 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. 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.

About the authors

M. S. Panova

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)

Email: panova.mariya1999@gmail.com

N. A. Tatus

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences (IMASH RAS)

Email: nikalet@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1748-9976

References

  1. Zaid 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/20167400029
  2. Комаров 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.
  3. 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: 10.13111/2066-8201.2021.13.1.19
  4. Павлычева 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.
  5. American Institute of Timber Construction. Timber construction manual. 2012. doi: 10.1002/9781118279687
  6. Hayward P.A. Timber-connector construction // Journal of Fluids Engineering. 1937. Vol. 59. Issue 5. Pp. 457–460. doi: 10.1115/1.4020487
  7. Bader 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_10
  8. Kuzman M., Oblak L., Vratuša S. Glued laminated timber in architecture // Drvna Industrija. 2010. Vol. 61. Issue 3.
  9. 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: 10.1155/2019/9495705
  10. Хошимова 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.
  11. 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.2017.10.006
  12. Vereecken 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.2018.10.060
  13. Mets 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/202017201002
  14. Michálková D., Ďurica P. Experimental verification of thermal insulation in timber framed walls // Materials. 2022. Vol. 15. P. 2040. doi: 10.3390/ma15062040
  15. Абу-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.
  16. 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.2010-2.02
  17. Aksit 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/polym11020268
  18. Mahajan 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/s00289-023-04695-8
  19. Samardzioska T., Jovanoska M. Recycled rebonded polyurethane foam as sustainable thermal insulation. 2023. doi: 10.33552/CTCSE.2023.09.000719
  20. Rapley 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.
  21. 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: 10.22227/1997-0935.2023.8.1251-1261
  22. 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/396/1/012061
  23. Perković 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/polym14163381
  24. 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.
  25. 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_10
  26. Caniato 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.2021.103066
  27. Колесова А.В. Сравнительная характеристика теплотехнических свойств строительных материалов, использующихся во внешних ограждениях // Наукосфера. 2023. № 1–1. С. 322–325. EDN TKOMUK.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».