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

A természetes anyagok egy része rendelkezik azzal a képességgel, hogy szerkezetük alkalmazkodik az őket érő mechanikai hatásokhoz. Különösen azon biológiai anyagok esetén fontos ez, melyek mechanikai funkciót is ellátnak, mint a fák törzse, a korallok meszes váza, gerincesek testének kötő- és támasztó-szövetei (csontok, inak, porcok, a szaruhártya). A terhelések hatására az anyagban kialakuló mechanikai környezet a terhelések domináns irányait követő anyagi elrendeződések kialakulásához vezet, ami gyakran kimutathatóan ortotrop, vagy azon belül transzverzálisan izotrop szerkezeti- és ebből fakadóan mechanikai anizotrópiát eredményez.

A kutatás célja, elméletben feltérképezni az ortotrop anyagokban bekövetkező törések lehetséges módjait, tömör és cellás szerkezű (porózus) szilárd anyagok esetén egyaránt. A kutatás során elért elméleti eredményeket a következő két gyakorlati területen kell alkalmazni. Elvégzendő a szerkezeti fa törésmechanikai vizsgálata, ezen belül a fa törésmechanikai paramétereinek a meghatározása és a faanyag törési viselkedésének vizsgálata csapok, csavarok, egyéb kapcsolóelemek beépítése esetén, valamint az emberi csontok szivacsos és tömör állományának törési vizsgálatai.

A kutatási programban a következő feladatokat kell elvégezni:
A Hidak és Szerkezetek Tanszékkel együttműködésben vizsgáljuk a szerkezeti fa törési tulajdonságait. A törésmechanikai paraméterek laboratóriumi vizsgálata kiegészül numerikus és kézi számításokkal. A laboratóriumi méréseket megalapozó számítási eljárást kell kidolgozni, mely segítségével lehetséges az ortotrop anyagok feszültségintenzitási tényezőinek meghatározása különböző irányú repedések esetén.

Az előző feladatban kidolgozott módszer segítségével vizsgálhatóvá válnak más ortotrop anyagi tulajdonságú biológiai anyagok. A Tartószerkezetek Mechanikája Tanszéken folyó kutatásban ortotrop anyagi tulajdonságú biológiai anyagok viselkedését vizsgáljuk. Ennek részeként az előző feladatban kidolgozott módszert ki kell terjeszteni a tömör csontban, csontintegrált implantátumok beépítésekor létrejövő repedések környezetének vizsgálatára. A porózus, ortotrop mikroszerkezetű szilárd anyagok mechanikai viselkedésének kutatásába bekapcsolódva pedig módszert kell kidolgozni az ortotrop anyag mikroszerkezeti rúdmodelljének törési vizsgálatára, különös tekintettel a szivacsos csont törésére.

***
Certain natural materials have the ability to adapt their structure to mechanical influences. This is particularly important in the case of those biological materials that also perform a mechanical function, such as the trunks of trees, the calcified skeletons of corals, and the connective and supporting tissues of vertebrates (bones, tendons, cartilage, corneas). Under the effect of loading, the mechanical environment that develops in the material leads to the formation of material arrangements following the dominant directions of the loads, which often results in detectable orthotropic or, within that, transversely isotropic structural and, therefore, mechanical anisotropy.

The aim of the research is to theoretically characterise the possible modes of fracture in orthotropic materials, both in compact and cellular (porous) solids. The theoretical results obtained during the research will be applied in the following two practical areas. The fracture mechanics of structural wood is to be investigated, including the determination of the fracture mechanics parameters of wood and the analysis of the fracture behaviour of wood in the case of the application of bolts, screws, or other fasteners, as well as fracture analyses of the cancellous and compact substances of the human bone tissue.

The following tasks are to be completed in the research program:
In cooperation with the Department of Structural Engineering, the fracture properties of structural wood are investigated. Laboratory testing of fracture mechanics parameters will be supported by numerical and manual calculations. A calculation method based on laboratory measurements is to be developed, which will enable the determination of stress intensity factors for orthotropic materials in the case of cracks of different orientations.
The method developed in the previous task will facilitate the investigation of other biological materials with orthotropic properties. In the research conducted at the Department of Structural Mechanics, we are investigating the behaviour of biological materials with orthotropic properties. As part of this, the method developed in the previous task will be extended to the investigation of the environment of cracks formed in compact bone during the insertion of bone-integrated implants. Connecting to the research into the mechanical behaviour of materials with a porous, orthotropic solid microstructure, a method will be developed for fracture analysis of the microstructural beam model of orthotropic materials, with particular regard to the fracture of cancellous bone.