竹质工程材料在建筑中的应用

垂直胶合叠层 木板
垂直弯曲加载
Fby
Fc⊥y Fvy Ey
MPa MPa MPa GPa
轴向加载
Ft
Fc
Eaxial
MPa MPa GPa
G g/cm3
16F-1.3E 11.03 6.38 2.17 1.34 8.96 5.52 2.17 1.17 7.58 4.65 6.38 8.27 0.42
24F-1.8E 16.55 10.00 4.48 1.83 12.41 10.00 3.86 1.59 11.03 7.58 11.03 11.72 0.50
26F-1.9E 17.93 13.45 4.48 1.83 13.10 11.03 3.86 1.59 11.03 7.93 11.03 11.72 0.50
干缩率
High shrinkage of bamboo Lower shrinkage of bamboo
Out lay
Inner lay
竹秆的干缩
Easy Cracking
竹材强度
竹材的断裂韧性
小结
• 竹材强度高，与钢材在同数量级别 • 竹材模量低 • 竹材断裂韧性高，达到多数工程材料的水
Loading Apparatus
–疲劳载荷 –冲击载荷
竹材的材料单元与尺寸
L
Canes
Strips
R
T
Sheets
Slices
Bundles
微观组织 与性能
Out wall
Inner wall
面积值 Area values/mm2
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00 23456789
2-9排外层维管束
Outer vascular two-nine rows
Plasma
Plasma treatment: bamboo surface water droplets spread rapidly, good infiltration and bonding strength.
Plasma treatment
立式浸胶
Bamboo laminates
竹/杨复合层板
Length
top
Bamboo Culms Sizes
Top
D3: diameter of long axis W6 & W8:thickness of wall
D4:diameter of short axis W5 & W7 :thickness of wall
Node No.& Length
拉伸、压缩强度，模 量
不同规格的弯曲强度F和模量E
竹质工程材料
y
垂直向胶合木柱
x
1、工程木材的性能规格化 7种规格、3种模式的设计指标 2、采用ASTMD3737、
ANSI A190.1-2007 标准 设计、制造规格化的工程木材
水平向胶合木梁
垂直向胶合木板
Fbx+ MPa
水平弯曲加载
Fbx- Fc⊥x Fvx Ex MPa MPa MPa GPa
8 – 10 mm
Fiber direction
Axial Compression Specimens
8 – 10 mm
RISØ Compression Fixture
抗断裂性试验
60 notch 300
notch
Fiber Direction
laminate
DCB-UBM Mixed Mode Fracture Specimen
0.30
0.25
面积值 Area values/mm2
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
10
11
12
13
14
10-14排内层维管束
Inner vascular ten-fourteen rows
维管束的拉伸试验
拉伸强度
Tensile strength (MPa)
1000 900 800 700 600 500 400 300
竹跳板
竹脚手架
2. 竹材的性能
• 单元与几何尺寸 • 干缩率 • 微观力学性能
–维管束/薄壁细胞 –竹纤维
• 宏观力学性能
–静载:
• 顺纹：拉伸强度和模量、压缩强度、剪切强度和模量 • 横纹（径向和弦向）：压缩强度和模量
–断裂韧性
• 应力强度因子 Kic • 临界能量释放率: Gic • 能量积分：Jic
日本标准JAS1152 对剪切强度的分组
木材的密度和纹理分级
• 密度分级
– 高密度（Dense）
• 心材6个年轮外 • 1英寸木材，6个年轮，每年轮1/3晚材 • 4个年轮，每年轮1/2晚材
– 中密度（Medium) – 低密度（Coarse）
• 纹理分级
木材的分级与强度
胶
合
木
层
Russell C. Moody
安全系数 K
弹性模量
1.0
顺纹拉伸强度
2.25
剪切强度
2.25
弯曲强度
2.25
顺纹压缩强度
2.25
连接
端部连接的调整系数：依据连接方式、试验方 法和试验数量确定。 1.多秆连接承载能力小于单秆连接值之和. 2.在一个连接节点有多种连接方式需要取低值. 3.节点承受水平载荷时、需要单独试验
multiple-fastener joint different -fastener
Vascular: Density Strength Modulus
A class Dense
0.8 220 20
B class Sparse 0.45 80
9
strips medium
0.65 g/cm3 120 MPa 12 GPa
胶合竹层板的制造
连续的胶合竹层板
表面等离子处理 Two phases: solid and porous
bottom
Bottom
D1: diameter of long axis W2 & W4:thickness of wall
D2:diameter of short axis W1 & W3 :thickness of wall
竹筒的压缩试验
竹材弯曲试验
竹节之间的加载和支撑
顺纹剪切试验
3 mm
strips
A&B Layers
竹材的拉伸断裂行为
Tension
Out wall
Crack in inside wall
Crack in Longitudinal
A级竹材的断裂行为
Tension
Out wall
Crack in A layers wall
Crack in Longitudinal
Bamboo：High strength and modulus; Hard and no dipping. Sheet, 80% Volume
Popular：Low strength and modulus; Soft and dipping。 Veneer, 10% Volume.
processed panel
竹质工程材料在建筑中的应用
孙正军 国际竹藤中心
内容
1. 竹材应用简介 2. 竹材的性能 3. 现代竹结构建筑 4. 竹质工程材料在建筑中的应用 5. 桥梁中的应用
1. 简介
• 原始材料
• 石器, 竹材 •青铜器 木材
• 现代工程材料
• 金属, 无机非金属材料, 高分子材料、复合材料
•木材
– 结构材料 – 工程木材 Engineered Wood System • 竹材 – 结构材料 – 竹质工程材料 Engineered Bamboo System
设计应力与载荷的确定
1.建筑设计载荷依照建筑结构要求. 2.特征值：依照 ASTM D 2915 要求确定. 3.含水率、干缩率和密度. 4.体积系数：以试验试样体积为基础，不同体积
的竹材参照ASTM D 5456 进行修正 5.设计应力：5%的误差 6.置信度： 75 percent. 7.尺寸误差：5%
板
强
度
竹质工程材料
竹种
Monopodial species
Sympodial species
毛竹
Culm
竹条
strips
Culms
MOSO Culms
竹材的分级
Class “A” Layers High Density
Section from strip Wall
Class “B” Layers Low density
S B Ca
竹建筑的设计
设计应力依据下式
S = B / Ca
(1)
S = 设计应力
B = 特征值
= (m – K s) · DOL.
m = 平均强度
K = 修正系数Table 3, ASTM D 2915.
s = 标准差
DOL = 载荷时间
1.0 永久载荷
1.25 10 年以内.
1.50 风载和地震
(IBC) 3. Section R104.11 of the 2000 International Residential Code
E (IRC).
竹秆的试验与数据分析
1. 拉伸、压缩、剪切和干缩试验依照 ISO/TC165 N314. 2.连接试验:
全尺寸连接试验依照 ASTM D 1761 Standard Test Methods for Mechanical Fasteners in Wood.
平
3.0 现代竹建筑（竹秆）
3.1 竹材的物理和力学性能
ISO-TC 165/N314
Contents
1．Scope 2 . Terms and definitions 3. Symbols 4. Organisation and use of this standard 5. Sampling and storage of specimens 6. Moisture content 7. Mass by volume 8. Shrinkage 9. Compression 10. Bending 11. Shear 12. Tension 13. Appendix A. Useful readings, informative. 14. Appendix B, background information, informative.
多组竹秆
小结
• 竹秆易开裂 • 竹秆内的糖和淀粉易发霉 • 寿命短 • 适合临时和民俗风格建筑
4.竹质工程材料在建筑中的应用
4.1工程木材技术背景
针叶规格材 阔叶材
结构复合木材 材质分类
水平弯曲 垂直弯曲 构件轴向加载 构件分类
拉伸、压缩、剪切、横纹压缩强度， 模量
弯曲、剪切、横纹压缩强度， 模量
30
Out lay
35 40 45 50 55
弹性模量
Elastic modulus (GPa)
700
内Ce层nter lay
中Inn层er lay
600
拉伸强度
Tensil strength (MPa)
500
400
300
200 15 20 25 30 35 40 45
弹性模量
Elastic modulus(GPa)
3.2 竹秆建筑的设计
ISO-TC 165/N314
Contents
1. Section 104.2.8 of the 1997 Uniform Building Code E (UBC) 2. Section 104.11 of the 2000 International Building Code)
wenku.baidu.com
20F-1.5E 13.79 7.58 2.93 1.45 10.34 5.52 2.17 1.28 8.27 5.00 6.38 8.96 0.42
24F-1.7E 16.55 10.00 3.45 1.45 11.72 7.24 2.17 1.28 8.96 5.34 6.90 9.65 0.42
石器时期的原始材料
竹弓箭/竹枪
竹炊具
竹简
独木桥
竹秆桥
竹索/竹竿桥
竹房子
Node
Raised floors
main posts anchored in ground Typical bamboo elements are canes, halved canes, laths, beading, bamboo boards and rope ties.
28F-2.1E 19.31 15.86 5.55 2.07 14.48 11.03 4.48 1.79 11.72 8.62 12.07 11.72 0.55
30F-2.1E 20.69 16.55 5.55 2.07 14.48 12.07 4.48 1.79 11.72 8.62 12.07 11.72 0.55
冷压热固化工艺/梁材
热压工艺/板材
竹木复合材料拉伸力学性能
67
105
R = 105
25
64
R = 105
105
Fiber Direction
2 mm thick
67
end-tabs
48
t
ASTM D3500 Tensile Specimen
Testing at ICBR, Beijing
压缩试验