Budapest University of Technology and EconomicsFaculty of Civil Engineering - Since 1782

A faanyagú szerkezetek építése az utóbbi időben előtérbe került a faanyag kedvező tulajdonságai és fa, mint építőanyag fenntarthatósága miatt. A felelős erdőgazdaságból származó fa megújuló építőanyag, jelentősen kisebb környezeti terhelést jelent, mint az acél vagy a beton. E mellett kedvező szilárdság/tömeg aránya miatt a kivitelezése és alakítása egyszerű. A korszerű, fa alapú építőanyagok sok esetben tartósság szempontjából is versenyképesek. A faanyag erőtani számítását viszont nehezítik az ortotropikus anyagtulajdonságai, és a higroszkópossága is.

Az elmúlt években jelentős kutatási eredmények születtek a faanyag mechanikai viselkedésének elméletében, illetve ennek végeselemes modellezésében. A számítástechnika fejlődése elérhetővé tette a fa mikrostruktúrájának modellezését is, a többléptékű végeselemes modellekkel kapott számítási eredmények pedig már jó egyezést mutatnak a faanyag valós viselkedésével. A részletes modellek paramétereit labor- és műszeres kísérletekkel határozhatók meg. E modellek elkészítése viszont bonyolult és sok számítási kapacitást igényel, ezért a tervezésben általában nem használják. A részletes modellek segíthetnek a faanyag nemlineáris viselkedésének jobb megértésében és számítással való pontosabb követésében, és a teherbírási határállapotban létrejövő anyagi tönkremenetel előrejelzésében. Kapcsolt termo-hidro-mechanikai modellek alkalmazásával lehetőség van a faanyag nedvességváltozás hatására történő duzzadásának vagy zsugorodásának, és az ezek miatt fellépő sajátfeszültségek pontosabb vizsgálatára, valamint a fa szerkezeti elemek várható alakváltozásának pontosabb előrejelzésére is. Az említett sajátfeszültségek hozzák létre a fában a zsugorodási repedéseket, amelyek a faszerkezetekben jelentős teherbírás és merevség csökkenést okozhatnak.
A kutatás célja a Magyarországon rendelkezésre álló egyes faanyagok, illetve kiválasztott faszerkezet típusok részletes numerikus modellezése mechanikai és statikai szempontból, a kiválasztott szerkezet típusok viselkedésének vizsgálata tekintettel a teherbírási és használhatósági határállapotokra, továbbá a numerikus vizsgálatok eredményei alapján a tervezési gyakorlatban is használható, egyszerűsített számítási módszerek kidolgozása. A numerikus számítások validálására a Hidak és Szerkezetek Tanszék laboratóriumban végzendő kísérletek eredményeit lehet felhasználni. Jelenleg is kidolgozás alatt áll egy, a faszerkezetek végeselem-alapú tervezéséhez használható, EC alapú irányelv, ami jelen formájában viszonylag kevés konkrétumot tartalmaz. A fentiekben említett kutatási tevékenység konkrét eredményekkel járulhat hozzá ehhez a témakörhöz, ami napjainkban új fejlesztési irányt képvisel a faszerkezetek méretezésében.

A jelöltnek egyebek mellett a következő feladatokat kell elvégeznie:
Kutatási stratégia kidolgozása.
Átfogó szakirodalmi áttekintés: (i) a faanyag mechanikai és más fizikai tulajdonságai; (ii) faanyagok mechanikai viselkedésének leírása; (iii) a faanyag, illetve a faszerkezetek numerikus modellezésének lehetséges módszerei; (iv) a faanyag tulajdonságainak, illetve faszerkezetek statikai viselkedésének kísérleti vizsgálati lehetőségei.
A szakirodalmi áttekintés és a kutatási stratégia alapján létrehozandó és végrehajtandó egy vizsgálati program, mely tartalmazza a tervezett laboratóriumi és műszeres kísérleti vizsgálatokat, a numerikus úton vizsgálandó anyagmodelleket és ezek paramétereit, a vizsgálandó faszerkezete típusokat, és ezek numerikus vizsgálatának tervezett módját. Tartalmazza továbbá az eredmények feldolgozásának tervezett módját, és áttekinti, hogy a meglévő, gyakorlati tervezési eljárásokat hol és hogyan lehetne kiegészíteni a numerikus vizsgálatok eredményeivel.
A kutatási program elsődleges fókuszterülete a faszerkezetek jellemző használhatósági és teherbírási feltételeinek vizsgálata (mint a repedés hatására létrejövő szilárdság és merevség csökkenés) a részletes numerikus modell alapján kapott anyagviselkedés alapján, a részletes modell paramétereinek meghatározása különböző labor- és műszeres kísérletek alapján, meglévő faszerkezetek vizsgálata a műszeres vizsgálattal kapott részletes numerikus modellel, valamint a részletes számítás leegyszerűsítése tervezési gyakorlatban is alkalmazható módszerekre.

***

The construction of timber structures has recently come to the fore due to the favourable properties of timber and its sustainability as a building material. Wood from responsible forestry is a renewable building material with a significantly lower environmental impact than steel or concrete. In addition, its favourable strength-to-weight ratio makes it easy to construct and shape. Modern wood-based building materials are also competitive in many cases in terms of durability. However, the strength calculation of wood is complicated by its orthotropic properties and its hygroscopicity.

In recent years, considerable research progress has been made in the theory and finite element modelling of the mechanical behaviour of wood. Advances in computing technology have also made it possible to model the microstructure of wood, and the computational results obtained with multi-scale finite element models now show good agreement with the real behaviour of timber structures. The parameters of the detailed numerical models can be determined by laboratory experiments. However, these models are complex and require a lot of computational capacity, and are therefore not usually used in everyday design practice. Detailed models can help to better understand and computationally follow the nonlinear behaviour of wood and to predict material failure in ultimate limit state. By using coupled thermo-hydro-mechanical models, it is also possible to more accurately investigate the swelling or shrinkage of wood due to moisture changes and the resulting eigenstresses, and to more accurately predict the expected deformation of timber structural elements. These eigenstresses create shrinkage cracks in wood, which can cause significant reductions in load capacity and stiffness of timber structures.

The aim of the research is to perform detailed numerical modelling of the mechanical and static aspects of the different wood materials and selected wood structure types available in Hungary, to investigate the behaviour of the selected structure types with respect to the ultimate limit states and serviceability limit states, and to develop simplified calculation methods for use in design practice based on the results of the numerical investigations. The results of experiments to be carried out in the laboratory of the Department of Bridges and Structures may be used to validate the numerical calculations. An EC-based guideline for the finite element design of timber structures is currently under development, but in its present form it contains relatively few specific results. The research activity mentioned above can contribute with concrete results to this topic, which nowadays represents a new development direction in the dimensioning of wood structures.

Among other things, the candidate will be required to carry out the following tasks:
Develop the research strategy.
A comprehensive literature review of: (i) mechanical and other physical properties of wood; (ii) description of the mechanical behaviour of wood materials; (iii) possible methods for numerical modelling of wood materials and timber structures; (iv) experimental investigation of the properties of wood materials and the static behaviour of timber structures.
Based on the literature review and the research strategy, a test programme will be established and implemented, including the planned laboratory experimental tests, the material models to be numerically tested and their parameters, the types of wood structures to be tested and the planned method for their numerical testing. It also includes the planned way of processing the results and reviews where and how existing practical design procedures could be complemented by the results of numerical investigations.
The primary focus of the research programme will be to investigate the typical serviceability and load-bearing conditions of timber structures (such as strength and stiffness reduction due to cracking) based on the material behaviour obtained from the detailed numerical model, to determine the parameters of the detailed model based on various laboratory and instrumental experiments, to investigate existing timber structures using the detailed numerical model obtained from the instrumental investigation, and to simplify the detailed calculation to methods that can be applied in design practice.