MECHANICAL CHARACTERISTICS AND FAILURE MECHANISMS  OF TIMBER-CONCRETE COMPOSITE CONNECTIONS WITH INCLINED STEEL RODS

Вей Юй; Анатолий Яковлевич Найчук

doi:10.36773/1818-1112-2025-138-3-84-93

Авторы

Вей Юй УО «Брестский государственный технический университет»
Анатолий Яковлевич Найчук УО «Брестский государственный технический университет»

DOI:

https://doi.org/10.36773/1818-1112-2025-138-3-84-93

Ключевые слова:

деревобетонная композитная конструкция, наклонное болтовое соединение, анализ конечных элементов ANSYS, модуль скольжения, клиренс болта, Европейский режим урожайности

Аннотация

Применение деревобетонных композитных (ДБК) конструкций в системах монолитных перекрытий с большими пролетами становится все более распространенным, и их совместная эффективность в значительной степени зависит от сдвиговой жесткости и несущей способности соединительных элементов. Хотя наклонные самонарезающие винты значительно повышают жесткость соединения за счет осевой растягивающей силы, механизм влияния ограничений зазора отверстия и толщины бетонной плиты на механическое поведение крупногабаритных наклонных соединений с болтовыми стальными стержнями, которые обладают более высокой несущей способностью и требуют большего строительного допуска, остается неясным.

В этой статье предлагается всеобъемлющая исследовательская схема, сочетающая теоретическое произведение, полномасштабные эксперименты и высокоточное цифровое моделирование для системы TCC, состоящей из тонкой бетонной плиты 70 мм и деревянной балки 160 мм. Исследование направлено на количественное измерение эффекта соединения диаметра стальных прутиков болтов (d = 6, 8, 12 мм) и угла наклона (α = 30). Исследование направлено на решение двух ключевых проблем: первоначальное скольжение, вызванное расщеплением стальных прутиков болтов и хрупкое пробивание тонких плит. На этапе цифрового моделирования в этом исследовании будет использовано программное обеспечение для анализа конечных элементов ANSYS для создания трехмерной нелинейной твердой модели. Мощные алгоритмы контакта ANSYS будут использоваться для точного имитации процесса закрытия разрыва между стволом стальных штанг, болтов и стеной отверстия. В сочетании с моделью пластичности повреждения бетона (CDP), иллюстрированной на рисунке 2а, которая может одновременно предсказать эволюцию режимов сбоя при различных условиях работы.

Ожидаемые результаты показывают:

1) анализ контакта на основе ANSYS покажет, что угол наклона 30° может создать значительный геометрический эффект самоблокировки, эффективно подавляя первоначальную потерю жесткости, вызванную предварительно пробуренными пробелами в отверстии;

2) в тонкой пластине 70 мм, 12 мм диаметра болтов стальные пруты легко вызывают сбой бетонного конуса, и цифровое моделирование обеспечит границу критического параметра, чтобы избежать этого хрупкого сбоя. Результаты этой работы будут корректировать существующую Европейскую модель урожайности (EYM), обеспечивая основу проектирования на основе высокоточного моделирования для армирования и ремонта тонкоплиточных бетонных конструкций в существующих деревянных половых плитах.

Биографии авторов

Вей Юй, УО «Брестский государственный технический университет»

Аспирант, УО «Брестский государственный технический университет», Брест, Беларусь.

Анатолий Яковлевич Найчук, УО «Брестский государственный технический университет»

Доктор технических наук, доцент, профессор кафедры строительных конструкций Брестского государственного технического университета, Брест, Беларусь.

Библиографические ссылки

Mechanical behavior of timber-concerte connections with inclined screws / B. Berardinucci, S. Di Nino, A. Gregori, M. Fragiacomo // International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements. – 2017. – Vol. 5, No. 6. – P. 807–820. – DOI: 10.2495/CMEM-V5-N6-807-820.

Numerical Investigation of Connection Performance of Timber-Concrete Composite Slabs with Inclined Self-Tapping Screws under High Temperature / Z. Chen, Y. Bao, W. Lu [et al.] // Journal of Renewable Materials. – 2021. – Vol. 10, No. 1. – P. 89–104. – DOI: 10.32604/jrm.2021.015925.

Bedon, C. Vibration Analysis and Dynamic Characterization of Structural Glass Elements with Different Restraints Based on Operational Modal Analysis / C. Bedon, M. Fasan, C. Amadio // Buildings. – 2019. – Vol. 9, No. 1. – P. 13. – DOI: 10.3390/buildings9010013.

Seim, W. The European Yield Model (EYM) for laterally loaded timber connections with smooth nails / W. Seim, M. Schick, T. Waschkowitz // Wood Material Science and Engineering. – 2022. – Vol. 17, No. 6. – P. 965–978. – DOI: 10.1080/17480272.2021.1983870.

Kocetov, T. Modeling of composite timber-concrete system with inclined cross screws / T. Kocetov, D. Manojlović // iNDIS2015 : Planning, design, construction and renewal in the civil engineering : 13th International Scientific Conference, Novi Sad, November 2015 / Department of Civil Engineering and Geodesy – Faculty of Technical Sciences. – Novi Sad, 2015.

Anderson, N. S. Pryout Capacity of Cast-In Headed Stud Anchors / N. S. Anderson, D. F. Meinheit // PCI Journal. – 2005. – Vol. 50, No. 2. – P. 90–112. – DOI: 10.15554/pcij.03012005.90.112.

Girhammar, U. A. Stiffness model for inclined screws in shear-tension mode in timber-to-timber joints / U. A. Girhammar, N. Jacquier, B. Källsner // Engineering Structures. – 2017. – T. 136. – P. 580–595. – DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.01.022.

Moshiri, F. The Predictive Model for Stiffness of Inclined Screws as Shear Connection in Timber-Concrete Composite Floor / F. Moshiri, R. Shrestha, K. Crews // RILEM Bookseries. – Vol. 9. – Springer, 2014. – P. 443–453. – DOI: 10.1007/978-94-007-7811-5_40.

Structural Timber Connections with Dowel-Type Fasteners and Nut-Washer Fixings : Mechanical Characterization and Contribution to the Rope Effect / M. Domínguez, J. G. Fueyo, A. Villarino, N. Anton // Materials. – 2022. – Vol. 15 (1). – P. 242. – DOI: 10.3390/ma15010242.

Seim, W. Nailed Connections for Engineered Timber Structures: Extended Kinematic Approach for Consideration of the Rope Effect / W. Seim, A. P. Ho, J. Küllmer // Journal of Structural Engineering. – 2025. – Vol. 151, No. 10. – Art. 14340131. – DOI: 10.1061/JSENDH.STENG-14340.

Simulation of Load–Slip Capacity of Timber–Concrete Connections with Dowel-Type Fasteners / D. Manojlović, A. Rašeta, V. Vukobratović [et al.] // Buildings. – 2023. – Vol. 13 (5), P. 1171. – DOI: 10.3390/buildings13051171.

Effect of Bolt-Hole Clearance on Bolted Connection Behavior for Pultruded Fiber-Reinforced Polymer Structural Plastic Members / S.-P. Woo, S.-H. Kim, S.-J. Yoon, W. Choi // International Journal of Polymer Science. – 2017. – Art. 8745405. – DOI: 10.1155/2017/8745405.

Mohyeddin, A. Failure modes and tensile strength of screw anchors in non-cracked concrete / A. Mohyeddin, E. F. Gad, J. Lee // Construction and Building Materials. – 2019. – Vol. 221. – P. 501–513. – DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.06.096.

Santana, G. Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19) and Commentary (ACI 318R-19) / G. Santana, ACI Committee. – Farmington Hills, MI : American Concrete Institute, 2019. – 624 p. – DOI: 10.14359/51716937.

Di Nunzio, G. A Literature Review about the head-size effect on the capacity of cast-in anchors / G. Di Nunzio // 10th International Conference on Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures : Proceedings. – 2019. – P. 1–12. – DOI: 10.21012/FC10.239783.

Esmaeildoust, S. Performance of Timber-Concrete Composite (TCC) Systems Connected with Inclined Screws: A Literature Review / S. Esmaeildoust, D. Tomlinson, Y. H. Chui // Journal of Composites Science. – 2025. – Vol. 9, No. 1. – P. 13. – DOI: 10.3390/jcs9010013.

Mccarthy, M. A. Finite element analysis of effects of clearance on single shear composite bolted joints / M. A. Mccarthy, C. T. Mccarthy // Plastics, Rubber and Composites. – 2003. – Vol. 32, No. 2. – P. 69–75. – DOI: 10.1179/146580103225001390.

Hadjioannou, M. Development and validation of bolted connection modeling in LS-DYNA® for large vehicle models / M. Hadjioannou, D. Stevens, M. Barsotti // 14th International LS-DYNA Users Conference : Proceedings. – 2016. – P. 1–12.

Shear behavior study on timber-concrete composite structures with bolts / G. He, L. Xie, X. A. Wang [et al.] // BioResources. – 2016. – Vol. 11, No. 4. – Art. 9205–9218. – DOI: 10.15376/biores.11.4.9205-9218.

Review of long-term performance of timber-concrete composite beams / P. Liu, H. Du, Z. Chen, X. Hu // BioResources. – 2025. – Vol. 20, No. 1. – Art. 2374–2390.

Long-Term Behavior of Timber–Concrete Composite Structures: A Literature Review on Experimental and Numerical Investigations / B. Shi, X. Zhou, H. Tao [et al.] // Buildings. – 2024. – Vol. 14, No. 6. – P. 1770. – DOI: 10.3390/buildings14061770.