REAKCJA PŁYT PILŚNIOWYCH WYKONANYCH Z DREWNA I SŁOMY NA CYKLICZNE ZMIANY OBCIĄŻENIA

Transkrypt

1 Inżynera Rolncza 1(119)/2010 REAKCJA PŁYT PILŚNIOWYCH WYKONANYCH Z DREWNA I SŁOMY NA CYKLICZNE ZMIANY OBCIĄŻENIA Gabrel Czachor Instytut Inżyner Rolnczej, Unwersytet Przyrodnczy we Wrocławu Streszczene. Badana przeprowadzono na płytach plśnowych wykonanych ze zrębów drewna lub słomy żytnej. Wyznaczono charakterystyk opsujące zależnośc względnych zman wartośc umownej grancy sprężystośc, odkształcena resztkowego, modułów sprężystośc w funkcj lczby cykl. Określono równeż cechy wytrzymałoścowe wyznaczone w testach doraźnych. Analzowano korelacje zachodzące pomędzy zmanam wymenonych welkośc a zmanam stanu testowanego materału. Stwerdzono, że reakcje płyt wytworzonych ze słomy drewna ne różną sę Wzrost pozomu obcążena wywołuje w testowanym materale wzrost sprężystośc, lecz przy obcążenach znaczne przekraczających umowną grancę sprężystośc powoduje jej obnżene. Słowa kluczowe: płyty plśnowe, słoma, obcążene cyklczne Wprowadzene Płyty plśnowe zawerające komponent słomy są perspektywcznym tworzywem drewnopochodnych (Engneered Wood, Products) [Potrkowsk 2002], którego racjonalne zastosowane w konstrukcjach elementów budowlanych, meblarskch tp. wymaga poznana podatnośc na mechanczne uszkodzena, zwłaszcza na uszkodzena o charakterze zmęczenowym. Materał tych płyt ze względu na porowatość oraz stochastyczny charakter łączena splśnonych komponentów, ne można traktować jako jednorodne kontnuum. Dlatego podatność na nszczene można opsać pośredno poprzez określene zależnośc zachodzących pomędzy ntensywnoścą nszczena struktury kompozytu a zmanam welkośc merzonych w trakce trwana testu zmęczenowego. W przypadku cyklcznego obcążena drewna można w oparcu o kryterum Renera Wesenberga [1939] z uwzględnenem modyfkacj wprowadzonych przez Bacha [1973] oraz Phlpota [1994] wnoskować, że stneje zależność właścwośc drewna od czasu testu oraz, że stneje zwązek pomędzy pojawenem sę objawów nszczena a krytyczną wartoścą pracy, oblczoną dla wszystkch składnków przyjętego modelu Burgersa. Według metodyk opracowanej przez Phlpota [1994] pracę oblcza sę z zależnośc naprężene odkształcene. Clorus [2000] wykazał, że stneje zwązek pomędzy redukcją sztywnośc próbek drewna a przyrostem pełzana, opsanego wartoścam odkształcena resztkowego (resdual stran). Sztywność charakteryzują wartoścam modułów sprężystośc. 115

2 Gabrel Czachor Można założyć, że w przypadku płyt plśnowych skutk dzałana cyklcznych obcążeń można ujawnć zanm staną sę wdoczne - poprzez śledzene zman merzonych welkośc. Celem nnejszej pracy był dobór weryfkacja welkośc charakteryzujących zjawska towarzyszące nszczenu kompozytu, traktowanych jako sygnały opsujące zmany stanu badanego materału. Obekt badań, metodyka Obektem badań była eksperymentalna parta płyt plśnowych wytworzonych w Ośrodku Badawczo Rozwojowym Przemysłu Płyt Drewnopochodnych w Czarnej Wodze [Daneck 2006]. Do badań wykorzystano płyty podlegające hartowanu zawerające tylko przetworzone drewno sosnowe, oraz tylko przetworzone elementy słomy żytnej. Badana realzowano następującym etapam: 1. Wybór przetworzonych welkośc pomarowych traktowanych jako sygnały zmany stanu obektu. Na podstawe analzy lteratury [Bach 1973, Phlpot 1994, Clorus 2000] oraz przeprowadzonych dośwadczeń zaproponowano następujące welkośc: Współczynnk sprężystośc W spr, jego wartość wyznaczono z następującej zależnośc: U U RS W = (1) spr gdze: U R wartość nakładów pracy odkształcena przy obcążenu, U RS energa akumulowana wydatkowana podczas powrotu sprężystego; Resztkowe odkształcene ε r, w bardzo małej częśc jest odwracalne z uwag na krótk czas relaksacj [Bach 1975], dlatego w całośc może być traktowane jako neodwracalne uszkodzene; Moduł sprężystośc wyznaczony dla fazy obcążena E L oraz odcążena E U. W nnejszej pracy wyznaczono wartośc modułu metodą energetyczną oznaczono odpowedno E c(l) oraz E c(u). 2. Określene korelacj zachodzącej pomędzy zmanam wartośc wybranych sygnałów a zmaną stanu obektu przeprowadzono na podstawe analzy wynków realzacj testów pętl hsterezy. Partę próbek poddano cyklcznemu obcążenu na pozome 10%, 50%, 90% wytrzymałośc na rozcągane R r. Wartośc wskaźnka pozomu obcążena p σ defnowanego jako stosunek naprężena σ o zastosowanego w pętl hsterezy do wytrzymałośc R r, wynosły odpowedno 0,1; 0,5; 0,9. Testy realzowano do 10 cykl, przy czym dla obcążena p σ = 0,9 wykonano dodatkową serę do uzyskana stanu znszczena próbk. W każdej ser testowano po sześć próbek. Dla każdego cyklu pętl hsterezy wyznaczono wartośc współczynnka sprężystośc W spr, wartość odkształcena resztkowego ε r (n)oraz wartośc E c(l), E c(u). Uzyskane wartośc przedstawono w forme zależnośc W sp, ε r (n), E c(l), E c(u) = f(n c ). Następne analzowano tendencje zman, jakm podlegają te welkośc, wynk zestawono w tabel 1. R 116

3 Reakcja płyt plśnowych... W celu porównana charakteru zman analzowanych welkośc w zadanym przedzale lczby cykl, przeprowadzono ch standaryzację według następującej formuły: Y ( Y ( ) Y ) n max ( Y Y ) = (2) max gdze: Y (n) wartość parametru wyznaczona dla n cyklu, Y max oraz Y mn wartośc max mn parametru, Y standaryzowany parametr o wartoścach zawerających sę w przedzale Weryfkację przydatnośc wybranych sygnałów przeprowadzono poprzez określene, w jakm zakrese zmany wartośc sygnałów odpowadają rzeczywstym zmanom stanu badanego obektu. Zestawono wartośc cech wytrzymałoścowych uzyskanych dla próbek poddanych tylko testow jednoosowego rozcągana oznaczonego jako T1 z odpowadającym m wartoścam uzyskanym dla próbek obcążonych cyklczne na pozome p σ- = 0,1; 0,5; 0,9 a następne znszczonych w teśce doraźnym test typu T2. Określono dla doraźnej wytrzymałośc na rozcągane wartośc R r, oraz modułu E c a dla lnowej sprężystośc wartośc umownej grancy sprężystośc R 0,05, modułu E 0, 05. Skutk dzałana obcążena cyklcznego analzowano poprzez określene względnego przyrostu Y określonego równanem: Y mn () 2 Y () 1 Y () 1 Δ Y = 100% (3) gdze: Y (1), Y (2) wartośc wyznaczone w teśce typu T1 oraz T2. Wynk zestawono w tabel 2. Testy jednoosowego rozcągana oraz testy pętl hsterezy wykonano używając maszynę wytrzymałoścową Instron 5566 głowcę pomarową o zakrese 1 kn. Prędkość przemeszczana belk roboczej wynosła 8, m s -1. Standardowe próbk mocowano w uchwytach mechancznych frmy Instron. Kształt próbk odpowadał zalecenom normy PN - 79/D Przebeg osowego odkształcena próbk rejestrowano przy pomocy ekstensometru. Analzę mkrostruktury przełomów dokonano przy pomocy mkroskopu Nkon C - DSS230. Do obróbk danych wykorzystano paket statystyczny Statstca 8. Wynk Powerzchna przełomów powstałych w wynku realzacj testów jednoosowego rozcąganu próbek, zawerających przetworzone drewno lub słomę jest bardzo rozbudowana, wdoczne są konglomeraty mkrostrukturalnych fragmentów cząstek o postrzęponych krawędzach (rys. 1). 117

4 Gabrel Czachor Rozbudowana powerzchna przełomów jest efekt naruszena spójnośc na styku bardzo welu, stochastyczne ułożonych w przestrzen, ndywdualnych połączeń elementów przetworzonego drewna lub słomy. Uwzględnając rozmary łączonych elementów wyraźne wdać w obraze mkroskopowym, że w przypadku płyt zawerających przetworzone drewno lość połączeń w jednostce przestrzen (tzw. gęstość) jest o rząd wększa nż w przypadku słomy. Może to sugerować wększą elastyczność płyt zawerających małą lość komponentu słomy. a 1 mm Włókna drzewne b 1 mm Rys. 1. Fg. 1. Cząsteczk słomy Przełomy płyt plśnowych: z drewna sosny (a); ze słomy (b) Fractures of fbreboards: made of pne wood (a); straw (b) Na rysunku 2 zestawono charakterystyczne zmany wartośc standaryzowanych parametrów Wsp, UR, εr(n) oraz EC(L), EC(U) w funkcj lczby cykl Nc, wyznaczone dla próbek zawerających jedyne przetworzone drewno przy pσ = 0,1 oraz pσ = 0,9. 118

5 Reakcja płyt plśnowych... Rys. 2. Fg. 2. Charakterystyczne zmany wartośc standaryzowanych parametrów Y oraz modułów E C() w funkcj lczby cykl N c, wyznaczone dla próbek z przetworzonego drewna przy p σ = 0,1 oraz p σ = 0,9; gdze: Y = W sp, U R, ε (n) oraz E C() = E C(L), E C(U) Characterstc changes n values of standardsed parameters Y and modules E C() n functon of cycle number N c, determned for samples made of wood after processng for p σ = 0.1 and p σ = 0.9; where: Y = W sp, U R, ε (n) and E C() = E C(L), E C(U) 119

6 Gabrel Czachor Odmenne przebeg zman wartośc analzowanych parametrów wyznaczonych dla p σ = 0,1 oraz p σ = 0,9, mogą być efektem jakoścowo nnych procesów. Dla p σ = 0,1 uwdaczna sę systematyczny spadek nakładów energ U R na deformację próbk celem uzyskana zadanego pozomu oporu materału (zadanego naprężena) oraz systematyczny spadek wartośc odkształcena resztkowego ε r (n). Na tej podstawe można wnoskować, że w testowanym materale próbk zachodzą przemany strukturalne prowadzące do jego pozornego umocnena, skutkującego wzrostem sprężystośc, wartośc W spr w kolejnych cyklach systematyczne wzrastają. Wartośc modułów E c(l) oraz E c(u) powyżej n = 2 stablzują sę. W analzowanym przypadku dla p σ = 0,9 początkowy ntensywny spadek nakładu pracy odkształcena przy obcążenu U R przechodz począwszy, od n = 2 cyklu w systematyczny wzrost. Podobne zmenają sę wartośc współczynnka sprężystośc W sp, przy n = 9 osągają maksmum. Wartośc odkształcena ε r (n) skokowo spadają do drugego cyklu, aby uzyskać mnmum przy 9 cyklu. Można wnoskować, że w materale próbk obcążonej znaczne powyżej grancy sprężystośc proces konsoldacj struktury szybko przechodz w jej destrukcję. W tym konkretnym przypadku czas pomędzy 2 a 9 cyklem można nazwać czasem nkubacj procesów dekohezj. Powyżej krytycznej lczby cykl N kryt następują ntensywne procesy destrukcj, którym towarzyszy spadek wartośc współczynnka sprężystośc W spr, wzrost odkształcena resztkowego ε r (n) oraz gwałtowny wzrost nakładów pracy odkształcena U R. Sądząc po zmanach wartośc modułów E C(L), E C(U) opór materału z każdym kolejnym cyklem systematyczne maleje, co wskazuje, że procesy destrukcj rozpoczynają sę już od perwszego cyklu. W tabel 1 zestawono uśrednone wartośc W spr, ε r (n), E c(u) wyznaczone dla N c = 1 oraz tendencje ch zman w zakrese N c = Tabela 1. Zestawene zman wartośc W spr, ε r (n), E c(u) Table 1. Comparson of changes n values W spr, ε r (n), E c(u) Wartośc sygnałów przy N c =1 oraz ch przewdywane zmany w zakrese N c = 2 10 Materał p σ W spr = f(n c ), (-) ε r = f(n c ), (-) E c(u) = f(n c ), MPa Drewno Słoma 0,1 0,5 0,9 0,1 0,5 0,9 0,87 ± 0,01 0,83 ± 0,01 0,70 ± 0,01 0,88 ± 0,02 0,85 ± 0,02 0,70 ± 0, N +2, N c +0,97 4, ± c N c +0,93 2, ± c N c +0,85 9, ± , N c +1, N c +0,98 4, N c +2, ± N c +0,94 2, N c +2, ± N c +0, , N c +1, ± ± ± ± ± ± ± const 1210-const -7,8 N c const 1270-const -8,2 N c Źródło: oblczena własne autora Z analzy danych zawartych w tabel 1 wynka, że dla płyt wykonanych z drewna lub słomy zmany wartośc cech mechancznych, analzowanych na danym pozome obcąże- 120

7 Reakcja płyt plśnowych... na ne różną w sposób stotny. Szczególne dużą zgodność obserwuje sę przy zmanach wartośc współczynnka sprężystośc W spr odkształcena resztkowego ε r (n). W przypadku obu materałów płyt wartośc odkształcena ε r (n = 1) oraz współczynnka kerunkowego równana prostej opsującej tendencje zman w funkcj lczby cykl, są dla pozomów obcążena p σ = 0,1 oraz p σ = 0,5 podobne wyraźne wększe nż dla pozomu obcążena p σ = 0,9. Równeż zmany wartośc modułu E c(u) są dla p σ = 0,1 oraz p σ = 0,5 neznaczne, stotne spadk pojawają sę dla p σ = 0,9. Można wnoskować, że w zakrese N c = 1 10, obcążene znaczne przekraczające grancę sprężystośc R 0,05 powoduje stotne zmany w testowanym materale. Wartośc R r, E c, R 0,05, E 0,05 zameszczone w tabel 2 podlegały standardowej obróbce statystycznej, w której określono wartośc średne x, przedzał ufnośc dla α = 0,05 oraz wartośc współczynnka zmennośc. Stwerdzono, że dla wększośc analzowanych cech wytrzymałoścowych wartośc współczynnka zmennośc V 10%, co potwerdza warygodność uzyskanych wartośc średnch. Symbolem (*) zaznaczono te wartośc, które w wynku jednoczynnkowej analzy warancj stotne sę różną. Tabela 2. Wartośc cech wytrzymałoścowych testowanych materałów Table 2. Values of strength propertes for tested materals Y, MPa R r E c R 0,05 E 0,05 () 2 Y () 1 Y () 1 Materał Y Typ Pozom 100% x ± t α S ; V(%) testu p σ, (-) x drewno słoma drewno słoma T1 6,65 ± 0,41; 8,2 7,05 ± 0,46; 8,7 0,1 6,23 ± 0,42; 9 6,81 ± 0,47; 9,2-6,3-3,4 T2 0,5 6,38 ± 0,39; 8,1 6,55 ± 0,43; 8,7-4,1-7,1 (*) 0,9 6,21 ± 0,47; 10 6,59 ± 0,44; 8,9-6,6 (*) -6,5 (*) T1 900 ± 69; 10,2 925 ±66; 9,5 0,1 880 ± 55; 8,3 920 ± 66; 9,5-2,2-0,6 T2 0,5 848 ± 56; 8,8 943 ± 61; 8,6-5,8 1,9 0,9 832 ± 63; 10,1 850 ± 66; 10,3-7,6 (*) -8,1 (*) T1 2,69 ± 0,2; 9,9 2,84 ± 0,20; 9,3 0,1 3,00 ± 0,15; 6,6 2,95 ± 0,22; 9,9 11,5 (*) 3,9 T2 0,5 3,18 ± 0,18; 7,5 3,19 ± 0,18; 7,5 18,2 (*) 12,3 (*) 0,9 3,50 ± 0,19; 7,6 3,50 ± 0,20; 7,6 30,1 (*) 23,2 (*) T ± 69; 8, ± 70; 8,3 0, ± 74; 9, ± 66; 7,9-5,6-1,4 T2 0, ± 53; 6, ± 58; 6,6-3,4-3,6 0,9 982 ± 84; ± 72; 9,4-12,2 (*) -8,9 (*) Źródło: oblczena własne autora Stwerdzono, że statystyczne stotne są przede wszystkm zmany wartośc umownej grancy sprężystośc R 0,05. W przypadku płyt plśnowych z drewna obcążene już na pozome p σ = 0,1 wywołuje stotny przyrost wartośc R 0,05, Tak efekt dla płyt ze słomy uzyskuje sę dla p σ = 0,5. Dla obu rodzajów materałów płyt, cyklczne obcążene powoduje pozorne umocnene materału przejawające sę wydłużenem lnowego odcnka charakte- 121

8 Gabrel Czachor rystyk naprężene odkształcene. Zwększają sę wartośc wskaźnka R 0,05 /R r wyznaczonego dla p σ = 0,1; 0,5; 0,9 odpowedno dla płyt z przetworzonego drewna: z 0,4 do 0,48, do 0,5, do 0,56 oraz dla płyt ze słomy z 0,4 do 0,43, do 0,49, do 0,53. Wzrost obcążena do pozomu p σ = 0,9 skutkuje także stotnym spadkem modułu sprężystośc E 0,05 wyznaczonego dla umownej grancy R 0,05 oraz modułu E c wyznaczonego dla wytrzymałośc R r. Z przeprowadzonej analzy wynka, że materał płyty plśnowej wykonanej z przetworzonego drewna sosnowego jest bardzej podatny na pozorne umocnene nż płyta ze słomy. Podsumowane Stwerdzono, że przebeg zjawsk towarzyszących nszczenu próbek wykonanych z przetworzonego drewna słomy ne różną sę. Rejestruje sę tylko neznaczne zmnejszene elastycznośc płyt ze słomy przejawające sę mnejszą podatnoścą na dzałane obcążeń cyklcznych. Ich dzałane na materał płyty zawerającej przetworzone drewno lub słomę przejawa sę wzrostem lnowej sprężystośc, wzrastają wartośc wskaźnka R 0,05 /R r. Przy obcążenach znaczne przekraczających umowną grancę sprężystośc R 0,05 można oczekwać także stotnego obnżena sprężystośc wyrażającego sę przede wszystkm spadkem wartośc modułów sprężystośc. Stwerdzono, ze stneje korelacja pomędzy zmanam wartośc analzowanych welkośc a zmanam zachodzącym w testowanych materałach. Szczególne dotyczy to zman współczynnka sprężystośc W spr, odkształcena resztkowego ε r (n) oraz modułów E c(l), E c(u). Do analzy zman stanu testowanego materału przydatne jest wykorzystane standaryzowanych wartośc W sp, ε r (n), U R oraz zman wartośc modułów E c(l), E c(u). Bblografa Bach L Rener-Wesenberg s theory appled to tme-dependent fracture of wood subjected to varous models of mechancal loadng. Wood Sc. 5(3). s Clorus C. O., Pedersen M. U., Hoffmeyer P., Damkde I Compressve fatgue n wood. Wood Scence and Technology. 34. s Daneck L Możlwośc wykorzystana słomy w produkcj płyt plśnowych. Buletyn Informacyjny OBRPPD 1-2. Maszynops. Phlpot T.A., Frdley K.J., Rosowsky D.V Energy based falure crteron for wood J. Materals n Cvl Engneerng, ASCE, 6(4). s Potrkowsk Z., Strykowsk W Nektóre nowoczesne materały drewnopochodne produkowane w Ameryce Płn Europe. Przemysł Drzewny (53), 02. s Rener M., Wesenberg K A thermodynamc theory of strength materals. Rheologcal leaflet. 10(12). PN-79/D Płyty plśnowe. Oznaczene wytrzymałośc na rozcągane w kerunku równoległym do płaszczyzny płyty. 122

9 Reakcja płyt plśnowych... REACTION OF FIBREBOARDS MADE OF WOOD AND STRAW ON CYCLIC LOAD CHANGES Abstract. The tests were carred out usng fbreboards made of wooden chps or rye straw. The research nvolved determnaton of characterstcs descrbng relatons for relatve changes n values of conventonal elastcty lmt, resdual stran, elastcty modules n functon of cycle number. Strength propertes determned n mmedate tests were specfed as well. The researchers analysed correlatons between changes n lsted values and changes n tested materal condton. It has been observed that reactons of fbreboards made of straw and wood do not dffer n ether case. Increase n load level results n hgher elastcty of the tested materal, although t causes elastcty drop at loads sgnfcantly exceedng conventonal elastcty lmt. Key words: fbreboards, straw, cyclc load Adres do korespondencj: Gabrel Czachor; e-mal: gabrel.czachor@up.wroc.pl Instytut Inżyner Rolnczej Unwersytet Przyrodnczy we Wrocławu, ul. Chełmńskego 37/ Wrocław 123