NUMERICAL MODELING OF THE BEHAVIOR OF A HYBRID-REINFORCED TIMBER BEAM USING PLANE FINITE ELEMENTS

Authors

  • Denys Mykhailovskyi Kyiv National University of Construction and Architecture image/svg+xml
  • Petro Gomon Kyiv National University of Construction and Architecture image/svg+xml
  • Komar M. SSTC NRS

DOI:

https://doi.org/10.31650/2707-3068-2025-29-130-141

Keywords:

timber, timber beam, timber structure, reinforcement

Abstract

The study is devoted to the numerical modeling of reinforced wooden beams using 
the  LIRA-SAPR  software  package.  One  of  the  main  disadvantages  of  wooden  beams  is  their excessive flexibility, which leads to large deflections and displacements. Reinforcing wooden beams with stiffening elements is an effective method for increasing their rigidity and reducing internal stresses. However, in current engineering practice, there is a lack of design guidelines and examples for modeling such reinforced wooden structures using modern software tools. Therefore, the aim of this work is to investigate different methods for modeling reinforcement in wooden beams using finite element analysis. The paper presents an analysis of recent publications where different reinforcement types—such as basalt, carbon, and glass fiber—were used in wooden structures. Special attention is given to the challenge of numerically modeling such reinforcements, particularly when using planar finite  elements  instead  of  volumetric  ones,  as  this  approach  significantly  reduces computational complexity. Three reinforcement modeling methods are proposed and tested: 1) placing reinforcing bars between planar finite element nodes; 2) adjusting the modulus of elasticity of the elements to reflect the combined stiffness of wood and reinforcement; 3) modeling reinforcement as a separate layer with equivalent cross-sectional area. Each method was implemented and analyzed for accuracy and practicality. Experimental data from full-scale beam tests were used for comparison. Results indicate  that  all  three methods  provide  acceptable  accuracy,  with  deviations  from  experimental deflection values averaging around 11%, which is considered satisfactory for wood materials. Stress 
distributions obtained through numerical analysis showed good agreement across methods, though each has specific advantages. For instance, modeling reinforcement as individual bars allows precise evaluation of stresses in wood, whereas layer-based modeling offers direct assessment of stresses in reinforcement  elements.  The  study  demonstrates  that  numerical  modeling  of  reinforced  wooden beams using planar finite elements in LIRA-SAPR is a reliable and efficient alternative to volumetric modeling. Each proposed method can be effectively applied depending on the design goal, offering engineers flexibility in structural analysis and optimization. 

References

1. ДБН В.2.6-161:2017 “Дерев’яні конструкції. Основні положення” - Київ, “Укрархбудінформ” 2017. – 111 с.

2. ДСТУ-Н Б В.2.6-184:2012 “Конструкції з цільної і клеєної деревини. Настанова з проектування” - Київ, “Укрархбудінформ” 2013. – 120с.

3. Гомон П.С., Гомон С.С., Сасовський Т.А. Розрахунок дерев’яних балок прямокутного перерізу з врахуванням утворення складок в стиснутій зоні. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі і споруди: Збірник наукових праць. – Рівне: НУВГП, 2016. – Вип. 32. – С. 137–142.

4. Pavluk A., Gomon S., Ziatiuk Y., Gomon P., Homon S., Kulakovskyi L., Iasnii V., Yasniy O., & Imbirovych N. Stiffness of solid wood beams under direct and oblique bending conditions. Acta Facultatis Xylologiae Zvolen, 2023, 65(2), 109–122. https://doi.org/10.2478/afx-2023-0014

5. Sobczak-Piąstka J., Pavluk A., Gomon S.S., Gomon P., Homon S., Lynnyk I. Changing the position of the neutral line of beams made of glued wood inconditions of oblique bending. AIP Conf. Proc. 2928, 080007, 2023. https://doi.org/10.1063/5.0170371

6. Gomon S., Gomon S., Gomon P., Shkirenko S. The basis of the deformation method for calculating of elements from wood under cross-section bending. International Journal of Engineering & Technology, 2018, Vol. 7 (4.8), P. 109–114. https://doi.org/10.14419/ijet.v7i4.8.27223

7. Гомон П.С., Поліщук М.В. Напружено-деформований стан балок із деревини з комбінованим армуванням на різних рівнях завантажень. Сучасні технології та методи розрахунків у будівництві. – Луцьк: ЛНТУ, 2022. – Вип. 17. – С. 23–30. https://doi.org/10.36910/6775-2410-6208-2022-7(17)-03

8. Гомон П.С. Апроксимація діаграми «момент-кривина» дерев’яних армованих та неармованих балок прямокутного перерізу. Містобудування та територіальне планування. – Київ: КНУБА, 2021. – № 78. – С. 157–165. https://doi.org/10.32347/2076-815x.2021.78.157-165

9. Гомон П.С. Моделювання роботи дерев’яної балки з послідовним завантаженням. Містобудування та територіальне планування. – Київ: КНУБА, 2022. – № 80. – С. 159–165. https://doi.org/10.32347/2076-815x.2022.80.159-165

10. Гомон П.С. Сумісність роботи арматури та деревини в балках, які працюють за поперечного згину. Сучасні проблеми архітектури та містобудування. – Київ: КНУБА, 2022. – Вип. 63. – С. 327–335. https://doi.org/10.32347/2077-3455.2022.63.327-335

11. Gomon P. Determination of tangential stresses in reinforced flexible wooden elements taking

into account the nonlinearity of material deformation. Вісник Тернопільського національного

технічного університету. – Тернопіль: ТНТУ, 2022. – Вип. 106. – С. 125–132. https://doi.org/10.33108/visnyk_tntu2022.02.125

12. Gomon P., Babych Ye., Polischuk M., Kysliuk D.Y., Bandura I., Pakholiuk O., Shevchuk A. Deformability of a glued wooden beam with pre-stressed composite reinforcement. Procedia Structural Integrity, 2024, Vol. 59, P. 551–558. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2024.04.078

13. Гомон П.С. Аналіз використання металевої та неметалевої арматури для підсилення дерев’яних елементів та конструкцій. Сучасні проблеми архітектури та містобудування. – Київ: КНУБА, 2022. – Вип. 62. – С. 322–332. https://doi.org/10.32347/2077-3455.2022.62.322-332

14. Гомон С. С., Павлюк А. П. Робота балок з клеєної деревини в умовах косого згину . Вісник Львівського національного аграрного університету: зб. наук. праць. – Львів, 2018. – Вип.

19. – С. 84–89. https://doi.org/10.31734/architecture2018.19.084

15. Д. В. Михайловський, М. А. Комар. Армування конструкцій з деревини композитними матеріалами, стан і перспективи. Будівельні конструкції, теорія і практика № 9 КНУБА, 2021- С. 72-80. https://doi.org/10.32347/2522-4182.9.2021.72-80

16. Барабаш М.С., Медведенко Д.В., Палієнко О.І. Програмні комплекси САПФІР і ЛІРА-САПР – основа вітчизняних BIM-технологій: монографія. – Київ: Нац. авіац. ун-т, 2023. –156 с.

17. Михайловський Д. Method of calculation of panel buildings from cross-laminated timber. Опір матеріалів і теорія споруд: науково-технічний збірник. – Київ: КНУБА, 2021. – Вип. 107. – С. 75–88. https://doi.org/10.32347/2410-2547.2021.107.75-88

18. Михайловський Д.В., Комар А.А. Перехресно клеєдощаті панелі та методи їх розрахунку. Будівельні конструкції. Теорія і практика: збірник наукових праць / КНУБА. – 2018. – Вип. 2. – С. 146–153. https://doi.org/10.32347/2522-4182.2.2018.146-153

19. Mykhaylovskyi D., Komar M. Analysis of the stress-strain state of laminated timber beams reinforced with composite tapes. Academic Journal Industrial Machine Building, Civil Engineering, 2022, № 2(57), P. 90–97. https://doi.org/10.26906/znp.2021.57.2590

20. Михайловський Д.В., Матющенко Д.М. Методика створення розрахункової схеми гнутоклеєних рам за допомогою методу скінчених елементів. Будівельні конструкції. Теорія і практика: Збірник наукових праць / КНУБА. – 2018. – Вип. 2. – С. 99–107. https://library.knuba.edu.ua/books/zbirniki/18/2018_2.pdf

21. Denys Mykhailovskyi, Oleg Komar, Mykola Komar Engineering method of calculating laminated timber elements reinforced with composite tapes / Опір матеріалів і теорія споруд / Strength of Materials and Theory of Structures: наук.-тех. збірн. – К.: КНУБА, 2022. – Вип. 109. – С. 239-262. https://doi.org/10.32347/2410-2547.2022.109.239-262

22. D.V. Mykhailovskyi, M.A. Komar Definition of the stress-strain state of a glued laminated timber beam reinforced with composite strips using experimental method / Strength of Materials and Theory of Structures: наук.-тех. збірн. – К.: КНУБА, 2024. – Вип. 112. – С. 43-51. https://doi.org/10.32347/2410-2547.2024.112.43-51

23. Михаловський Д.В., Гомон П.С. Дослідження роботи попередньо-напружених дерев’яних балок з клеєної деревини. Містобудування та територіальне планування. – Київ: КНУБА, 2024. – № 87. – С. 246–254. https://doi.org/10.32347/2076-815x.2024.87.246-254

24. Михайловський Д.В., Гомон П.С. Верифікація методик моделювання армованих та неармованих дерев’яних балок. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне: НУВГП, 2024. – Вип. 46. – С. 237–249. https://doi.org/10.31713/budres.v0i46.28

25. Бабич Є.М., Гомон П.С. Експериментальні дослідження попередньо напружених комбіновано армованих балок з цільної деревини. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне: НУВГП, 2024. – Вип. 45. – С. 96–105. https://doi.org/10.31713/budres.v0i45.11

Published

2025-08-14

Issue

Section

Articles

How to Cite

NUMERICAL MODELING OF THE BEHAVIOR OF A HYBRID-REINFORCED TIMBER BEAM USING PLANE FINITE ELEMENTS. (2025). Collection of Scientific Works «Modern Structures of Metal and Wood», 29, 130-141. https://doi.org/10.31650/2707-3068-2025-29-130-141