Numerical modeling in timber engineering – moisture transport and quasi-brittle failure

With the rising popularity of timber structures and the increasing complexity of timber engineering projects, the need for numerical simulation tools specific to this building material is gaining rapidly in importance. in particular, moisture transport processes and the quasi-brittle failure behavior, both difficult to describe, present major challenges and are of great relevance in practical construction. For these reasons, this article presents numerical modeling concepts for predicting moisture gradients, estimating effective stiffness and strength, and numerically identifying potential cracking mechanisms in wooden components. These concepts are validated through experimental test programs, and the associated challenges are addressed. selected results ultimately demonstrate the capabilities and relevance of such methods for timber engineering

Multiscale approach including microfibril scale to assess elastic constants of cortical bone based on neural network computation and homogenization method

The complexity and heterogeneity of bone tissue require a multiscale modelling to understand its mechanical behaviour and its remodelling mechanisms. In this paper, a novel multiscale hierarchical approach including microfibril scale based on hybrid neural network computation and homogenisation equations was developed to link nanoscopic and macroscopic scales to estimate the elastic properties of human cortical bone. The multiscale model is divided into three main phases: (i) in step 0, the elastic constants of collagen-water and mineral-water composites are calculated by averaging the upper and lower Hill bounds; (ii) in step 1, the elastic properties of the collagen microfibril are computed using a trained neural network simulation. Finite element (FE) calculation is performed at nanoscopic levels to provide a database to train an in-house neural network program; (iii) in steps 2 to 10 from fibril to continuum cortical bone tissue, homogenisation equations are used to perform the computation at the higher scales. The neural network outputs (elastic properties of the microfibril) are used as inputs for the homogenisation computation to determine the properties of mineralised collagen fibril. The mechanical and geometrical properties of bone constituents (mineral, collagen and cross-links) as well as the porosity were taken in consideration. This paper aims to predict analytically the effective elastic constants of cortical bone by modelling its elastic response at these different scales, ranging from the nanostructural to mesostructural levels. Our findings of the lowest scale's output were well integrated with the other higher levels and serve as inputs for the next higher scale modelling. Good agreement was obtained between our predicted results and literature data.Comment: 2

НАНОТЕСТЫ БЕТОННЫХ ОБРАЗЦОВ С НАНОТРУБКАМИ И БЕЗ НИХ

The concrete samples originate from fracture mechanics tests performed on February 19, 2012, at the Department of Geo-Engineering and Building Materials of the Izhevsk State Technical University.After the fracture mechanics tests three types of small specimens (marked with CNT, C3 and control sample) have been prepared and tested by means of Nano-Indentation (NI) and Atomic Force Microscopy (AFM), at the Institute for Mechanics of Materials and Structures and Institute of Automation and Control, respectively, of Vienna University of Technology.Бетонные образцы были получены в результате испытаний методами механики разрушения, проводимых 19 февраля 2012 г. на кафедре «Геотехника и строительные материалы» Ижевского государственного технического университета.После испытаний методами механики разрушения три типа небольших образцов (обозначенные как CNT, C3 и контрольный образец) были подготовлены и прошли тестирование с применением наноиндентирования и атомно-силовой микроскопии соответственно в Институте механики материалов и конструкций и Институте автоматики и процессов управления Венского технического университета

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ДОБАВОК НА МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ЦЕМЕНТНЫХ БЛОКОВ

The influence of adding carbon nanomaterials (CNM) to a cement stone on mechanical properties of the latter has been studied. Two test methods have been applied: nanoindentation and ultrasonic testing. Results obtained show that there is some uncertainness on influence of CNM on mechanical properties of cement stone due to deviation of measurements. Изучено влияние углеродных наноматериалов (УНМ) на механическое поведение цементных блоков. Для изучения применялись два метода: наноиндентирование и ультразвуковая дефектоскопия. Полученные результаты показывают, что имеется некоторая неопределенность во влиянии УНМ на механические свойства цементных блоков вследствие некоторых отклонений в измерениях

ВЛИЯНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОТРУБОК НА РАЗРЫВНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Experimental research results of the stress intensity factor at normal separation, КIC, and cross-section shift, KIIC, respectively, of high-strength concrete are presented. Research on the specific power changing inputs on quasi-static destruction is carried out.The compact structure on the basis of the Portland cement modified with carbon nanodispersed systems has been studied. Carbon nanotubes Graphistrength by «Arkema» dispersed into the hydrodynamic plant in the solution of surface-active agent (SAA) Polyplast SP-1 are used as modifying additives. An increase of the cross-breaking strength of a fine grain concrete up to 45,1 % and of the compressing strength up to 96,8 % was observed. The increase of concrete strength is related to morphological changes of new crystalline hydrate formations providing a less defective structure of cement matrix with high density. Представлены результаты экспериментальных исследований коэффициентов интенсивности напряжений при нормальном отрыве КIC и поперечном сдвиге КIICвысокопрочного бетона. Проведены исследования изменения удельных энергозатрат на квазистатическое разрушение.Изучена структура бетона на основе портландцемента, модифицированного с помощью углеродных нанодисперсных систем. В качестве модификаторов используются углеродные нанотрубки Graphistrength фирмы Arkema, которые диспергировались в гидродинамической установке с раствором поверхностно-активного компонента «Полипласт СП-1». В ходе исследований наблюдалось увеличение прочности на изгиб мелкозернистого бетона до 45,1 %, прочности на сжатие – до 96,8 %. Увеличение прочности бетона связано с морфологическими изменениями, происходящими в новых  образованиях кристаллогидратов, которые характеризуются менее дефектной структурой бетонной матрицы с высокой плотностью.

Multiscale modelling methods in biomechanics

More and more frequently, computational biomechanics deals with problems where the portion of physical reality to be modelled spans over such a large range of spatial and temporal dimensions, that it is impossible to represent it as a single space-time continuum. We are forced to consider multiple space-time continua, each representing the phenomenon of interest at a characteristic space-time scale. Multiscale models describe a complex process across multiple scales, and account for how quantities transform as we move from one scale to another. This review offers a set of definitions for this emerging field, and provides a brief summary of the most recent developments on multiscale modelling in biomechanics. Of all possible perspectives, we chose that of the modelling intent, which vastly affect the nature and the structure of each research activity. To the purpose we organised all papers reviewed in three categories: さcausal confirmationざ, where multiscale models are used as materialisations of the causation theories; さpredictive accuracyざ, where multiscale modelling is aimed to improve the predictive accuracy; and さdetermination of effectざ, where multiscale modelling is used to model how a change at one scale manifest in an effect at another, radically different space-time scale. Consistently with the how the volume of computational biomechanics research is distributed across application targets, we extensively reviewed papers targeting the musculoskeletal and the cardiovascular system, and covered only a few exemplary papers targeting other organ systems. The review shows a research sub-domain still in its infancy, where causal confirmation papers remain the most common

СТРУКТУРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ НОВООБРАЗОВАНИЙ В ЦЕМЕНТНОЙ МАТРИЦЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИСПЕРСИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И НАНОКРЕМНЕЗЕМА

Complex nanodispersed systems with multi-walled carbon nanotubes and nanodispersed silica have a significant impact on the processes of hydration, hardening and strength gain of construction composites predetermining their durability. While using a scanning electron microscope with an attachment for X-ray microanalysis and a device for infrared spectral analysis investigations have shown that the main effect of the cement matrix modification in the case of adding complex nanodispersed systems is provided by direct influence of hydration processes with subsequent crystallization of new formations. It has been noted that while adding carbon nanotube dispersion and nanosized silica a binding matrix is structured in the form of an extremely dense shell from crystalline hydrate new formations on the surface of solid phases that provides strong binding matrix in cement concrete. The addition effect of carbon nanotubes has been analyzed and quantitatively assessed through an investigation for every case of one sample with nanotubes and one sample without them with the help of a nanoindenter and scanning electron microscope. It is necessary to solve rather complicated challenging task in order to assess quantitatively the addition effect of CNT on material characteristics at a micromechanical level. At the same time it is possible to investigate surface of a concrete sample with one-micron resolution. In this case it is necessary to prepare samples for nanoindentation with exclusion of all CNT defectable effects that have been shown by a SEM. So in this case more adequate method for assessment must be a picoindenter , which combines a test method for nanoindentation with an optical SEM potential. Such equipment is in the stage of in-situ testing process at the Vienna University of Technology. The investigation is based on the fact that the main modification effect of mineral binding matrix while using incorporated complex nanodispersed systems and nanosilica is ensured by a direct influence of hydration processes and subsequent crystallization of new formations. Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis with detection in IR spectra have revealed that adding of multi-walled carbon nanotubes dispersion together with nanodispersed silica provides structuring of rather dense shell of hydrated new formations along cement matrix on the surface of solid phase. The structured interfacial layers form separate cells in the modified cement matrix that ensures a formation of extremely filled system and predetermines structural strengthening of the modified cement matrix due to formation of spatial packaging. Consequently, the main factor increasing characteristics of cement concrete which is modified with carbon nanotubes and nanosilica is a structural modification of calcium hydrosilicates with relation to composition and morphology of new formations.Комплексные нанодисперсные системы с многослойными углеродными нанотрубками и нанокремнеземом имеют значительное влияние на процессы гидратации, твердения, набора прочности строительных композитов, предопределяя их долговечность. Исследования с использованием сканирующего электронного микроскопа и Х-лучевого микроанализа с обнаружением в инфракрасном спектре показали, что главный эффект модификации в случае добавления комплексных нанодисперсных систем обеспечивается направленным влиянием процессов гидратации с последующей кристаллизацией новообразований. Установлено, что при добавлении дисперсии углеродных нанотрубок и нанокремнезема формируется структурная матрица в виде чрезвычайно плотной оболочки из кристаллогидратных новообразований на поверхности твердой фазы, что обеспечивает прочную вяжущую матрицу в цементном бетоне. Эффект добавления углеродных нанотрубок анализировался и количественно оценивался исследованием в каждом случае одного образца с нанотрубками и одного без них с помощью наноиндентора и сканирующего электронного микроскопа. Чтобы количественно оценить эффект добавки углеродных нанотрубок на характеристики материала на микромеханическом уровне, необходимо решить сложную задачу. В то же время возможно исследовать поверхность бетонного образца с разрешением в 1 микрон. При этом необходима подготовка образцов для наноиндентирования с исключением всех эффектов дефектности углеродных нанотрубок, показанных сканирующим электронным микроскопом. Вместе с тем, более адекватным методом оценивания в данном случае должен быть пикоиндентор, который комбинирует испытательный метод наноиндентирования с оптическим потенциалом сканирующего микроскопа. Такое оборудование находится в стадии полевых испытаний в Венском техническом университете. Исследование основано на том, что главный эффект модифицирования минеральной вяжущей матрицы с использованием включенных комплексных нанодисперсных систем и нанокремнезема обеспечивается непосредственным влиянием процессов гидратации и последующей кристаллизацией новообразований. Сканирующий электронный микроскоп и Х-лучевой микроанализ с обнаружением в инфракрасном спектре показали, что введение дисперсии многослойных углеродных нанотрубок совместно с нанокремнеземом обеспечивает построение вдоль цементной матрицы очень плотной оболочки вновь образованных гидратов на поверхности твердой фазы. Структурированные поверхностные слои формируют отдельные ячейки в модифицированной цементной матрице, что обеспечивает формирование предельно наполненной системы и предопределяет структуры модифицированной цементной матрицы благодаря формированию пространственной упаковки. Следовательно, основным фактором, повышающим характеристики цементного бетона, модифицированного углеродными нанотрубками и нанокремнеземом, является структурная модификация гидросиликатов кальция относительно композиции и морфологии новообразований