WYTRZYMAŁOŚĆ DREWNA MODYFIKOWANEGO W ZŁOŻONYCH STANACH NAPRĘŻEŃ

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK XLIX NR 3 (174) 2008 Lesł aw Kyzioł Akademia Marynarki Wojennej WYTRZYMAŁOŚĆ DREWNA MODYFIKOWANEGO W ZŁOŻONYCH STANACH NAPRĘŻEŃ CZĘŚĆ I BADANIA DOŚWIADCZALNE STRESZCZENIE W pracy przedsawiono wpływ modyfikacji drewna na zmianę jego właściwości wyrzymałościowych ze szczególnym uwzględnieniem wyężenia w sanie złożonym. Na podsawie przeprowadzonych badań oraz obliczeń numerycznych zmodyfikowano geomerię próbki Iosipescu do badań drewna. Zaprezenowano sanowisko do badań próbek poddanych złożonemu sanowi obciążeń. Słowa kluczowe: maeriał anizoropowy, wyężenie maeriału, próbka Iosipescu, przyrząd pomiarowy, złożone obciążenia, rozkład naprężeń. WSTĘP W wielu opracowaniach [1 5, 7] podaje się, że właściwości drewna modyfikowanego, akie jak wyrzymałość na ściskanie wzdłuż i w poprzek włókien czy współczynnik sprężysości podłużnej, wzrasają proporcjonalnie do ilości subsancji modyfikującej polimeru wprowadzonej do drewna. Jednak wszyskich zmian właściwości mechanicznych drewna nasępujących pod wpływem modyfikacji nie można w pełni przewidywać bez przeprowadzenia konkrenych badań. Drewno jes bowiem maeriałem wyraźnie anizoropowym, wykazującym bardzo zróżnicowane właściwości wyrzymałościowe w zależności od kierunku anaomicznego. Zgodnie z lieraurą wyróżnia się rzy kierunki drewna: wzdłużny, syczny oraz promieniowy. 43

2 Lesław Kyzioł Przyjęo układ współrzędnych jak na rysunku 1. oś L (x 3 ) w kierunku anaomicznym wzdłuż włókien, oś R (x 1 ) w kierunku promieniowym, a oś T (x 2 ) sycznie do powierzchni poszczególnych warsw włókien. Drewno nauralne wykazuje sosunkowo niewielkie właściwości wyrzymałościowe. W celu ich zwiększenia poddaje się je modyfikacji. Modyfikacja drewna najogólniej polega na wprowadzeniu do srukury drewna polimeru syneycznego i poddaniu całości procesowi polimeryzacji. Pod wpływem polimeryzacji nasępuje rwałe powiązanie składników drewna z polimerem syneycznym w posaci kopolimeru. Powsaje nowy maeriał o znacznie lepszych właściwościach od drewna nauralnego [7]. Drewno modyfikowane powierzchniowo wykazuje znaczny wzros właściwości wyrzymałościowych w sosunku do drewna nauralnego. Szczególnie doyczy o elemenów poddanych zginaniu lub skręcaniu, w kórych maksymalne naprężenia wysępują w warswach skrajnych. Doychczas, jak wynika z dosępnej lieraury, nie prowadzono badań drewna modyfikowanego poddanego złożonemu sanowi obciążenia i nie dokonano opisu maemaycznego doyczącego ej problemayki. W obliczeniach rozkładu naprężenia płyy poddanej zginaniu na jej grubości uwzględniono różną konfigurację warsw drewna miękkiego i wardego (rys. 2a). Płyy rozważano jako elemeny konsrukcyjne wykonane z drewna nauralnego, modyfikowanego powierzchniowo i modyfikowanego na wskroś [7]. Rys. 1. Orienacja kierunków anaomicznych drewna w układzie współrzędnych prosokąnych 44 Zeszyy Naukowe AMW

3 Wyrzymałość drewna modyfikowanego w złożonych sanach naprężeń, cz. I W przypadku drewna nauralnego wysępują wyraźne zróżnicowania naprężeń w warswach drewna miękkiego i wardego [7]. Warswy drewna wardego podlegają znacznie większemu wyężeniu aniżeli warswy drewna miękkiego. W płycie z drewna modyfikowanego powierzchniowo na skuek modyfikacji warsw przypowierzchniowych drewna miękkiego wyężenie warsw powierzchniowych miękkich i wardych jes zbliżone. Dla płyy z drewna poddanego modyfikacji na wskroś wyężenie zmienia się jak w belce jednorodnej. Dlaego wysarczy modyfikować drewno ylko powierzchniowo. Modyfikacja powierzchniowa znacznie zwiększa wyrzymałość, a nieznacznie zmniejsza szywność drewna. Zwiększenie zawarości polimeru zwiększa wyrzymałość oraz znacznie zmniejsza anizoropię wyrzymałości drewna. Celem pracy jes określenie wyężenia poddanej złożonemu sanowi obciążenia konsrukcji z drewna modyfikowanego powierzchniowo o różnej zawarości polimeru. W ym celu badania przeprowadzono na próbkach w przyrządzie zaprojekowanym i wykonanym w Akademii Marynarki Wojennej i Poliechnice Białosockiej. W oparciu o uzyskane wyniki badań dokonano opisu anizoropii wyrzymałości (zależności wyrzymałości od kąa między włóknami a siłą rozciągającą). Wykorzysano wybrane kryeria wyrzymałościowe dla maeriałów anizoropowych, kóre zosaną przedsawione w nasępnym opublikowanym w Zeszyach Naukowych AMW arykule. x 1 a σ 33 [MPa] b drewno nauralne drewno modyfikowane powierzchniowo drewno modyfikowane na wskroś 16 x 3 x 2 x 1 [mm] Rys. 2.: a) wysępowanie warsw na grubości płyy; b) rozkład naprężenia σ 33 po grubości płyy warswę wierzchnią sanowi drewno późne 3 (174)

4 Lesław Kyzioł Aby dobrać właściwą hipoezę wyężeniową, należy ją zweryfikować z wynikami doświadczalnymi danego worzywa. Celem osaecznym było adapowanie wybranych hipoez wyężeniowych opisujących właściwości wyrzymałościowe drewna do wyników, jakie uzyskano z badań. Na podsawie obserwacji poczynionych w rakcie badań oraz przeprowadzonych obliczeń numerycznych zmodyfikowano geomerię próbki Iosipescu do badań drewna [7]. PRZEBIEG BADAŃ Badania przeprowadzono na powierzchniowo modyfikowanym polimeakrylanem meylu drewnie sosnowym, kórego sposób modyfikacji szczegółowo opisano w pracy [7]. Z maeriału o zmiennej zawarości polimeru wykonano próbki, na kórych przeprowadzono badania mające na celu określenie wyrzymałości drewna na rozciąganie, ściskanie, rozciąganie-ścinanie oraz ściskanie-ścinanie. Kszał i wymiary próbek do badań wykonano zgodnie z normami [10 12]. Badania wyrzymałości na ściskanie i rozciąganie przeprowadzono na ypowych maszynach wyrzymałościowych [7]. Problemem badawczym maeriałów anizoropowych jes zawsze określenie wyrzymałości na ścinanie oraz w złożonym sanie naprężeń. Badania wyrzymałościowe kompozyów przeprowadza się na próbkach rurkowych lub płaskich. Wykonanie próbek rurkowych z drewna do badań złożonego sanu obciążenia jes kłopoliwe ze względu na anaomiczną budowę drewna (słoje roczne) i dlaego w ej pracy zdecydowano się na przeprowadzenie badań na próbkach płaskich. Przy badaniu próbki płaskiej należy mieć na uwadze, że uzyskanie kryerium zniszczenia powoduje konieczność wyworzenia ścinania. Ważną cechą próby jes jednorodność naprężenia w badanym obszarze próbki. a b c Rys. 3.: a) zmodyfikowana próbka Iosipescu; b) próbka o warswach wierzchnich drewna późnego; c) próbka o warswach wierzchnich drewna wczesnego (β = 45, g = 5 mm grubość próbki, b = 20 mm szerokość próbki, p = 5 mm długość przekroju pomiarowego, L = 80 mm długość próbki) 46 Zeszyy Naukowe AMW

5 Wyrzymałość drewna modyfikowanego w złożonych sanach naprężeń, cz. I Wsępne badania drewna na ypowej próbce Iosipescu, w kórej wysępuje naprzemienny układ warsw nie zawsze równoległych, niekiedy skręnych, wykazały, że nie uzyskuje się poprawnych wyników. W rakcie ścinania próbki w dnie karbu wysępują nie ylko naprężenia syczne. Przy poprzecznym obciążeniu próbek wysępuje zginanie i powsają naprężenia normalne od momenu zginającego. Włókna drewna odkszałcają się (wygięcie i wydłużenie). Trudne jes uchwycenie począku niszczenia próbki [7]. Biorąc pod uwagę doświadczenia Iosipescu [6, 9], przygoowano próbkę, kórą badano wielokronie, przyjmując osaecznie jej kszał i wymiary jak na rysunku 3. Próbka a zasadniczo różni się od ypowej próbki Iosipescu geomerią karbu. Przyjęcie akiej geomerii próbki jes wynikiem wielu badań, obliczeń numerycznych i obserwacji poczynionych w rakcie prób. Głębokość karbu uwzględniono w sosunku do grubości warsw, ak aby począek karbu wysępował na jej krawędzi [7]. Przeprowadzono badania próbek o różnej konfiguracji warsw drewna miękkiego i wardego. Przy wykonywaniu próbek zwracano uwagę, aby warswy drewna były ułożone równolegle i miały niezmienną grubość na długości. Isnieją produkowane seryjnie maszyny wyrzymałościowe do badań przy złożonych obciążeniach, wyposażone w specjalne uchwyy próbek. Jednakże ze względu na ich koszy oraz specyfikę badań urządzenia akie są częso opracowywane i wykonywane w laboraoriach, w kórych prowadzi się ego ypu badania. Rys. 4. Przyrząd do wywarzania płaskiego sanu naprężenia: 1 obudowa, 2 wspornik, 3 podsawa, 4 prowadnica, 5 uleja prowadząca, 6 uchwy prawy, 7 uchwy lewy, 8 wkładka do szczęki uchwyu lewego, 9 wkładka do szczęki uchwyu prawego, 10 blok usalający lewy, 11 blok usalający prawy, 12 uleja prowadnicy, 13 mocowanie kulki i kulka φ12, 14 śruba M6, 15 badana próbka; F siła nacisku wywierana przez maszynę wyrzymałościową, o oś próbki 3 (174)

6 Lesław Kyzioł Zaprojekowane i wykonane urządzenie przedsawione na rysunku 4. pozwoliło do zadawania płaskiego sanu naprężenia [7]. Bloki ruchome i nieruchome są wsępnie zaciskane ak, aby składowa siły F równa Fx 3 była mniejsza od siły arcia pomiędzy blokami i próbką. Jednakże zaciskanie o wprowadza wsępny san naprężenia. Z ego względu warość zacisku usalono doświadczalnie w aki sposób, aby był wysarczający, ale nie wpływał isonie na wyrzymałość próbki. W nasępnym eapie bloki ruchome były przemieszczane w kierunku nachylonym pod kąem δ do osi próbki. W rakcie badań mierzono warość siły F w zależności od przemieszczenia próbki. W przypadku gdy ką δ = 0, san naprężenia jes najbardziej zbliżony do czysego ścinania. Przyrząd umożliwia zmianę kąa δ w zakresie Rozciąganie i ściskanie próbki w kierunku osi x 3 prowadzono przy zamocowaniu próbki bezpośrednio w szczękach maszyny wyrzymałościowej. W porównaniu z radycyjnym przyrządem do badania próbek położenie osi próbki względem kierunku działania obciążenia F może być zmienne. Dzięki emu, w zależności od kąa usawienia próbki w sosunku do kierunku obciążenia, realizowane jes w jej cenralnej części oprócz ścinania akże rozciąganie lub ściskanie. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Wyniki badań czysego rozciągania, ściskania i ścinania przedsawiono w pracy [7], naomias warości uśrednione podano w abelach 1 3 oraz przedsawiono na rysunku 5. (a, b, c). Za pomocą funkcji wykładniczych opisano wyniki badań: a) rozciągania bx R = a e ; ln R = ln a + bx; podsawiając ln R = y; ln a = A; y = A + bx m m m A = a = 93.5 b = r = r współczynnik korelacji x zawarość polimeakrylanu meylu w kompozycie y = ln R m wyrzymałość doraźna na rozciąganie kompozyu 48 Zeszyy Naukowe AMW

7 Wyrzymałość drewna modyfikowanego w złożonych sanach naprężeń, cz. I Tabela 1. Zesawienie danych saysycznych rozciągania drewna nauralnego i kompozyu D-PMM Zawarość R R polimeru m = 11 y y. R [MPa] m W[kg/kg] [MPa] gdzie: cyfry w kolumnie 1. oznaczają zawarość w kg polimeakrylanu meylu na kg drewna w sanie powierzno-suchym (ok. 12% wilgoności D-PMM kompozy drewno-polimeakrylan meylu) b) ściskania R c = a e bx A = a = b = r = R W m = 93.5 e = R11 ; (1a) Tabela 2. Zesawienie danych saysycznych ściskania drewna nauralnego i kompozyu D-PMM Zawarość polimeru W[kg/kg] c) ścinania R = a e bx A = a = b = r = R c [MPa] y y. R [MPa] (174) c W R = 53.25e = R c ; (1b) 11

8 Lesław Kyzioł Tabela 3. Zesawienie danych saysycznych ścinania drewna nauralnego i kompozyu D-PMM R, m R, m Zawarość polimeru W[kg/kg] R, c R, c y = ln R m ; y = ln R c ; y = ln R ; R [MPa] y y. R [MPa] R = 21.41e0.524 W = R. 1c) R warości średnie na podsawie pomiarów; R warości średnie uzyskane odpowiednio na podsawie zależności (1a), (1b) i (1c). y ln Rm y ln Rc y ln R = (ab. 1.) = (ab. 2.) = (ab. 3.). 120 a) Rm[MPa] R m R m ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 W[kg/kg] 50 Zeszyy Naukowe AMW

9 Wyrzymałość drewna modyfikowanego w złożonych sanach naprężeń, cz. I 100 b) 90 Rc[MPa] R c R c 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 W[kg/kg] c) R[MPa] R R 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 W[kg/kg] Rys. 5. Zależność granicy wyrzymałości na: a) rozciąganie; b) ściskanie; c) ścinanie kompozyu w zależności od zawarości polimeru 3 (174)

10 Lesław Kyzioł Na rysunku 6. przedsawiono obrazy pęknięć drewna nauralnego i modyfikowanego. Poddane obciążeniu warswy drewna nauralnego przypominały niki znacznie odkszałcone i uchwycenie momenu, kiedy osania warswa ulega zniszczeniu, jes kłopoliwe (rys. 6a). Próbki drewna modyfikowanego wykazały większą odporność na pękanie. Ze wzrosem zawarości polimeru w kompozycie maeriał sał się bardziej odporny na zniszczenie (rys. 6b). a) 1 3 b) Rys. 6. Obrazy pęknięć próbek: a) drewna nauralnego; b) drewna modyfikowanego; 1, 2, 3, 4 kolejne eapy pękania próbki drewna [7] a) b) σ 31 σ 31 σ[mpa] σ 33 σ[mpa] σ 33 σ 11 σ 11 x 1 [mm] x 1 [mm] Rys. 7. Rozkład naprężeń w przekroju pomiarowym próbek z drewna: a) nauralnego; b) modyfikowanego poddanych złożonemu sanowi naprężenia (układ współrzędnych na rys. 2.) 52 Zeszyy Naukowe AMW

11 Wyrzymałość drewna modyfikowanego w złożonych sanach naprężeń, cz. I Na rysunku 7. przedsawiono rozkład naprężeń w przekroju pomiarowym próbki drewna nauralnego i modyfikowanego. Największe warości uzyskują naprężenia ścinające σ 31 przy niemalże zerowych naprężeniach σ 33 i σ 11 = 0.25σ 31. Rozkład naprężeń wzdłuż analizowanego przekroju pomiarowego próbki dla drewna nauralnego i modyfikowanego jes odmienny. Dla drewna nauralnego wykres piłowy wskazuje na wzros warości naprężeń w drewnie wardym w sosunku do drewna miękkiego. W drewnie modyfikowanym rozkład naprężeń jes zbliżony do równomiernego, ponieważ właściwości sprężyse warsw są zbliżone [7]. W wyniku modyfikacji warsw miękkich nasąpiło ujednorodnienie maeriału, dlaego krzywa wskazuje bardziej równomierny rozkład naprężeń. Obliczone za pomocą MES naprężenie σ 31 zobrazowano w posaci planu warswicowego na rysunku 8. przykładowo dla drewna modyfikowanego. Rozkład naprężenia sycznego w przekroju pomiarowym próbki z drewna modyfikowanego wykazuje na niemalże jednakowe wyężenie warsw drewna wardego oraz miękkiego. Jes o spowodowane ujednorodnieniem maeriału w kierunku warsw drewna wardego [7]. x 1 σ 31 [MPa] x 3 Rys. 8. Rozkład naprężenia σ 31 w wybranym obszarze próbki dla drewna modyfikowanego 3 (174)

12 Lesław Kyzioł Na rysunku 9. przedsawiono chmurę wyników badań warości naprężeń drewna nauralnego i zmodyfikowanego uzyskanych na próbkach Iosipescu w próbie czysego ścinania (δ = 0 ), ścinania ze ściskaniem ( 90 < δ < 0 ) i ścinania z rozciąganiem (0 < δ < 90 ) w zależności od zawarości polimeru oraz kąa δ opisującego kierunek włókien drewna do kierunku obciążenia. 120 σ [MPa] z 110 K K 0.48 K K K δ [ 0 ] Rys. 9. Warości naprężeń zasępczych w próbkach kompozyu w zależności od zawarości polimeru i kąa δ (punkami oznaczono wyniki z pomiarów, linią warości uśrednione) 54 Zeszyy Naukowe AMW

13 Wyrzymałość drewna modyfikowanego w złożonych sanach naprężeń, cz. I Można zaobserwować znaczny wzros warości naprężeń ze wzrosem zawarości polimeru, szczególnie dla czysego rozciągania lub ściskania. Wzros właściwości wyrzymałościowych drewna modyfikowanego w sosunku do drewna nauralnego ze wzrosem zawarości polimeru jes spowodowany ym, że pory drewna (jako maeriału porowaego) zosają wypełnione polimerem. Pod wpływem częściowej polimeryzacji polimeru kompozyu syneycznego ze składnikami srukury drewna jako kompozyu nauralnego powsaje nowa srukura kompozyu o znacznie większych właściwościach wyrzymałościowych od składowych worzących powsały kompozy. PODSUMOWANIE Drewno jes maeriałem niejednorodnym składającym się z naprzemiennych warsw drewna miękkiego (słabego) i wardego (mocnego). W próbce do badań wyrzymałości na ścinanie lub złożonego sanu obciążenia przecięnie znajdowało się dziewięć warsw drewna miękkiego i osiem warsw drewna wardego (lub odwronie). Sosunek grubości warsw drewna wardego do miękkiego wynosił około 0,5. Głębokość karbu w badanej próbce rozważano w sosunku do grubości warsw ak, aby począek karbu nie wysępował w połowie grubości warswy, lecz na jej krawędzi. Przyjęo, że warswy są ułożone równolegle i mają niezmienną grubość na długości. W przekroju pomiarowym warswa wierzchnia może być warswą drewna miękkiego lub wardego. Wyznaczono wyrzymałość na ścinanie oraz rozkład naprężeń w złożonych sanach obciążeń (ścinanie/rozciąganie oraz ścinanie/ściskanie) w przekroju pomiarowym próbki drewna nauralnego i modyfikowanego. Wypełnienie srukury drewna polimerem powoduje ujednorodnienie maeriału w kierunku wzrosu wyrzymałości warsw drewna wardego. Jednakże maeriał en jes dalej anizoropowy; sąd wynikają różnice jego wyrzymałości przy przeciwnych kąach obciążenia (ścinanie/ rozciąganie oraz ścinanie/ściskanie). Badania wyrzymałościowe na próbkach drewna nauralnego i modyfikowanego wykazało znaczny wzros wyrzymałości drewna modyfikowanego ze wzrosem zawarości w nim polimeru. Zasosowanie meod numerycznych umożliwia określenie rozkładu naprężeń w analizowanym przekroju pomiarowym próbek poddanych rozciąganiu lub ściskaniu. Uzyskane rezulay pozwalają na analizowanie rozkładu naprężeń w próbce płaskiej z maeriału ororopowego poddanej jednoosiowemu rozciąganiu (ściskaniu). 3 (174)

14 Lesław Kyzioł Przeprowadzona analiza wykazała, że rozciąganie (ściskanie) próbki w kierunku równoległym włókien x 3 powoduje rozciąganie (ściskanie) włókien w kierunku poprzecznym x 1. Wykonany przyrząd pozwolił na przeprowadzenie badań próbek z drewna w złożonych sanach obciążeń. Dokonana analiza rozkładu naprężeń w przekroju pomiarowym próbki wykazała, że dla każdego przypadku obciążenia próbki wysępuje w niej niejednorodny san naprężenia. Warości, kóre uzyskano w złożonych sanach obciążeń, są przybliżone. Do modelu obliczeniowego przyjęo warości średnie z pomiarów. Można zaobserwować, jakie korzyści spowodowała modyfikacja drewna. Wyężenie maeriału modyfikowanego przy ściskaniu wzdłuż włókien może być prawie dwu-, a w poprzek włókien ponad czerokronie większe dla analogicznych kierunków w sosunku do drewna nauralnego. Sąd nasuwa się prakyczny wniosek dla konsrukorów, że głównie drewno modyfikowane powinno być sosowane na konsrukcje poddawane ściskaniu. Również przy rozciąganiu widoczny jes znaczny wzros wyrzymałości drewna modyfikowanego. BIBLIOGRAFIA [1] Adams D. F., Lewis E. Q., Experimenal assesmen of four composie maerial shear es mehods, J. Tes. Evalua., 1995, Vol. 25, No 2, pp [2] Adams D. F., Walrah D. F., Curren saus of he Iosipescu shear es, J. Comp. Ma., 1987, Vol. 25, No 1, pp [3] Arcan M., Hashin Z., Voloshin A., A mehod o produce uniform plane-sress saes wih applicaions fiber-reinforced maerials, Exp. Mech., 1984, Vol. 18, pp [4] Aškenazi E. K., Ganov Z. V., Anizoropia konsrukcjonnych maerialov, Mašinosrojenie, Leningrad [5] Boding J., Goodman I. R., Predicion of elasic parameers for wood, Wood Sci., 1973, Vol. 5, No 4, pp [6] Iosipescu N., New accurae procedure for single shear esing of meals, J. Maer., 1967, Vol. 2, No 3, pp [7] Kyzioł L., Analiza właściwości drewna konsrukcyjnego nasyconego powierzchniowo polimerem MM, Zeszyy Naukowe AMW, 2004, nr 156A. 56 Zeszyy Naukowe AMW

15 Wyrzymałość drewna modyfikowanego w złożonych sanach naprężeń, cz. I [8] Pierron F., Vaurin A., Measuremen of he in-plane shear srenghs of unidirecional composies wih he Iosipescu es, Composies Science and Technology, 1997, Vol. 57, pp [9] Walrah D. E., Adams D. F., The Iosipescu shear es as applied o composie maerials, Ex. Mech., 1983, Vol. 3, pp [10] PN-79/D Drewno. Oznaczanie wyrzymałości na ścinanie wzdłuż włókien. [11] PN-81/D Drewno. Oznaczanie wyrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókien. [12] PN-81/D Drewno. Oznaczanie wyrzymałości na rozciąganie w poprzek włókien. ABSTRACT The paper presens he effec of wood modificaion on changes in is srengh. The research done and numerical calculaions made were used o modify geomery of losipec sample o scienific invesigaions of wood. I shows he es bed for invesigaing samples subjeced o a complex load condiion. Recenzen prof. dr hab. inż. Sefan J. Kowalski 3 (174)