Właściwości konstrukcyjne półsztywnych kątowych połączeń płyt drewnopochodnych ze złączami

Transkrypt

1 Politechnika Poznańska Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Rozprawa doktorska Maciej Sydor Właściwości konstrukcyjne półsztywnych kątowych połączeń płyt drewnopochodnych ze złączami Pod kierunkiem prof. zw. dra hab. inż. Bogdana Branowskiego Poznań 5

2

3 Spis treści Spis treści Spis ważniejszych symboli... 5 Od autora Wprowadzenie Podstawowe pojęcia stosowane w pracy Struktura i przeznaczenie rozłącznych półsztywnych łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych Rodzaje i właściwości fizyczne materiałów drewnopochodnych...13 Stan wiedzy o wymiarowaniu półsztywnych kątowych łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych Wytrzymałościowe projektowanie mebli Wyniki badań oraz metody modelowania połączeń Zachowanie się połaczeń pod obciążeniem..... Badania eksperymentalne połączeń Wyniki badań i modelowania komponentów połączeń Płyty drewnopochodne Siła utrzymująca elementy zaczepowe łączników w płytach Zagadnienia i pytania wynikające z analizy literatury Cel, zakres i główne tezy pracy Porównanie statycznych ścieżek równowagi połączeń w prostym i złożonym stanie obciążenia Materiały Łączniki Płyty drewnopochodne Metody Wymiary i przygotowanie próbek Stanowiska badawcze i metody badań Stany obciążeń Wyniki Połączenia płyt pilśniowych MDF Połączenia płyt wiórowych płaskoprasowanych Wnioski z badań porównawczych Informacje o wykorzystaniu wyników badań Analiza zachowania struktury konstrukcyjnej obciążonego połączenia Kształtowanie postaci konstrukcyjnej elementów połączenia ze względu na obciążenie Zmienność rozkładu nacisków stykowych na powierzchniach oddziaływania elementów płytowych Uwagi wstępne Rozkład chropowatości powierzchni płyt Rozkład gęstości płyt na grubości Analiza naprężeń i odkształceń w płytach Obliczenia naprężeń i odkształceń Analiza numeryczna naprężeń w strefie kontaktu płyt Model MES Wyniki analizy numerycznej Podsumowanie wyników analizy numerycznej Mechanizmy zniszczeń połączeń Zestawienie obrazów zniszczeń Podsumowanie wyników badań mechanizmów zniszczeń

4 Spis treści 6 Siła utrzymująca elementy zaczepowe złączy w płytach Rozkład nacisków pomiędzy współpracującymi elementami gwintowanymi Moment tarcia przy wkręcaniu wkręta typu konfirmat Rozkład nacisków na zwojach gwintu Badania fotogrametryczne zjawisk na zwojach gwintu osiowo wyrywanych elementów zaczepowych złączy Uwagi wstępne Stanowisko badawcze Próbki Metoda i wyniki badań Podsumowanie - mechanizmy zniszczeń połączeń gwintowych Rozkład nacisków na walcowych powierzchniach styku Dla jednakowych średnic współpracujących elementów Dla wcisku Dla połączenia obciążonego momentem gnącym Badania siły utrzymującej trzpienie w materiałach drewnopochodnych Uwagi wstępne Stanowisko badawcze Badania wstępne Badania uzupełniające Wnioski z badań siły utrzymującej trzpienie Oszacowanie jakości wybranych połączeń łącznikowych Uwagi wstępne Ocena wielokryterialna wybranych złączy meblowych metodą uśrednionych znamion Wyniki oszacowania jakości Podsumowanie i wnioski Streszczenie Wykaz cytowanych prac Spis ilustracji i tabel Indeks cytowanych autorów Załączniki Załącznik 1 Wyniki badań połączeń narożnikowych (do rozdziału 4) Załącznik Wyniki badań fotogrametrycznych (do podpunktu 6.) Załącznik 3A Wyniki badań wstępnych wyrywania trzpieni (do podpunktu 6.4.3) Załącznik 3B Wyniki badań uzupełniających wyrywania trzpieni (do podpunktu 6.4.4)

5 Spis symboli Spis ważniejszych symboli A Pole powierzchni czoła płyty A r Stała równania różniczkowego A n Pole powierzchni dwóch boków n-tego zwoju gwintu B Szerokość płyty w próbce połączenia B r Stała równania różniczkowego c M Sztywność połączenia D Średnica (ogólnie) d Średnica zewnętrzna gwintowanego trzpienia d Średnia średnica gwintowanego trzpienia D o Średnica otworu d r Średnica rdzenia śruby E Moduł sprężystości wzdłużnej e Przesunięcie złącza względem osi obojętnej, mimośród E Mo Moduł sprężystości wzdłużnej dla mosiądzu E PA Moduł sprężystości wzdłużnej dla poliamidu E śr Średni moduł sprężystości wzdłużnej dla płyty E w Moduł sprężystości wzdłużnej warstwy wewnętrznej płyty (ogólnie) E x1 Moduł sprężystości wzdłużnej wzdłuż osi x dla warstwy zewnętrznej płyty E x Moduł sprężystości wzdłużnej wzdłuż osi x dla warstwy wewnętrznej płyty E y1 Moduł sprężystości wzdłużnej wzdłuż osi y dla warstwy zewnętrznej płyty E y Moduł sprężystości wzdłużnej wzdłuż osi y dla warstwy wewnętrznej płyty E z Moduł sprężystości wzdłużnej warstwy zewnętrznej płyty (ogólnie) E z1 Moduł sprężystości wzdłużnej wzdłuż osi z dla warstwy zewnętrznej płyty E z Moduł sprężystości wzdłużnej wzdłuż osi z dla warstwy wewnętrznej płyty f Sprężyste odkształcenie początkowe F N Siła nacisku końcówki profigrafometru F n Pole przekroju nakrętki F r Siła promieniowa F śr Pole przekroju śruby f t Bezwzględne całkowite odkształcenie pełzania F t Siła na zwojach gwintu (siła przypadająca na jednostkową długość naciętej powierzchni) F w Reakcja na obciążenie wstępne (F wst ) w warstwie środkowej płyty F wst Siła docisku wstępnego F z Reakcja na siłę docisku wstępnego (F wst ) w warstwach zewnętrznych płyty G Moduł sprężystości postaciowej (Kirchoffa) g Grubość płyty g śr Grubość średnia g w Grubość warstwy wewnętrznej płyty g z Grubość warstwy zewnętrznej płyty l Długość czynna trzpienia w połączeniu wciskowym lub głębokość wkręcenia śruby w nakrętkę L Długość płyty w próbce połączenia L P Odległość pomiędzy grzbietami nierówności (dotyczy chropowatości) M Moment gnący (ogólnie) M- Moment gnący działający od złącza M+ Moment gnący działający do złącza M c Moment gnący działający na próbkę (moment całkowity) M P Największa wartość momentu gnącego dla połączenia (miara nośności) M T Moment tarcia M U Moment utwierdzenia (reakcja na moment zginający połączenie) M UA Moment utwierdzenia w punkcie A M UB Moment utwierdzenia w punkcie B n Liczba zwojów gwintu N Siła obciążająca półsztywny węzeł konstrukcyjny N n Siła normalna w nakrętce N śr Siła normalna w śrubie p Naciski powierzchniowe P Składowa siły obciążającej połączenie P N Siła wyrywająca trzpień (składowa normalna do płaszczyzny płyty) P R Siła wyłamująca trzpień (składowa styczna do płaszczyzny płyty) P o Siła działająca w osi śruby p Podziałka gwintu p dop Naciski powierzchniowe dopuszczalne p M Podatność połączenia p max Maksymalne naciski powierzchniowe P n Siła nacisku p n Naciski na bocznych powierzchniach zwoju gwintu p no Naciski normalne do osi śruby Naciski montażowe (wstępne) p wst 5

6 Spis symboli Q Obciążenie (ogólnie) q Obciążenie ciągłe Q Składowa siły obciążającej połączenie Q h Składowa horyzontalna obciążenia Q Q v Składowa wertykalna obciążenia Q r Ramię siły (odległość środka ciężkości wykresu nacisków od warstwy obojętnej) R D Współczynnik doświadczalny (dot. wyznaczenia siły F t w śrubie) R Wysokość chropowatości w μm R a Średnie arytmetyczne odchylenie profilu (parametr chropowatości) R awśr Średnia wartość parametru R a dla warstwy środkowej płyty R azśr Średnia wartość parametru R a dla warstwy wierzchniej płyty R ch Wysokość chropowatości (ogólnie) R e Granica plastyczności materiału nakrętki R od Wytrzymałość na odrywanie (parametr materiałowy płyty drewnopochodnej) r KP Promień końcówki pomiarowej profigrafometru R m Średnia arytmetyczna największych wysokości nierówności profilu (parametr chropowatości) R max Największa wysokość nierówności profilu (parametr chropowatości) R wst Reakcja na siłę F wst R z Wysokość chropowatości według dziesięciu punktów profilu (parametr chropowatości) R z1 R z dla gwintu trzpienia R z R z dla gwintu otworu s Skok gwintu śruby s ik Moduł sprężystości (odwrotność modułu) T Siła tnąca t Czas [w całej pracy] T t Siła tarcia na zwojach gwintu u Wilgotność bezwzględna w Wcisk skuteczny W Wcisk nominalny x Długość wzdłuż osi x lub rzut boku gwintu na oś x y i i te odchylenie profilu (chropowatości) α Kąt ogólnie α Podstawienie do równania różniczkowego siły na zwojach gwintu α chr Współczynnik zmniejszający zależny od wartości chropowatości δ Liniowe odkształcenie płyty δ Odkształcenie w strefie kontaktu dla φ = δ max Największe liniowe odkształcenie płyty δ φ Odkształcenie w strefie kontaktu w funkcji kąta φ Δl Przemieszczenie (ugięcie) półsztywnego węzła konstrukcyjnego ε Wydłużenie względne (stosunek wydłużenia do długości początkowej) ε x Przemieszczenie (odkształcenie wzdłuż osi x ε y Przemieszczenie (odkształcenie wzdłuż osi y ε z Przemieszczenie (odkształcenie wzdłuż osi z Θ Kąt ugięcia połączenia, (lub kąt ugięcia próbki połączenia) Θ 1 Kąt ugięcia połączenia przy 1%M P Θ 4 Kąt ugięcia połączenia przy 4%M P κ Współczynnik grubości warstwy zewnętrznej płyty μ Współczynnik tarcia ν Współczynnik odkształceń poprzecznych (Poissona) ν 1 Liczba Poissona dla trzpienia ν Liczba Poissona dla otworu gwintowanego ρ Gęstość (ogólnie) ρ śr Gęstość średnia ρ w Gęstość średnia warstwy środkowej płyty ρ z Gęstość średnia warstwy zewnętrznej płyty ρ z1 Gęstość średnia górnej warstwy zewnętrznej płyty ρ z Gęstość średnia dolnej warstwy zewnętrznej płyty σ o Naprężenie obwodowe σ r Naprężenie promieniowe σ x Naprężenie normalne wzdłuż osi x σ y Naprężenie normalne wzdłuż osi y σ z Naprężenie normalne wzdłuż osi z τ xy Naprężenie styczne w płaszczyźnie xy τ yz Naprężenie styczne w płaszczyźnie yz τ zx Naprężenie styczne w płaszczyźnie zx φ Kąt Wilgotność względna φ w 6

7 Od autora Od autora Praca powstała podczas mej działalności w Katedrze Obrabiarek i Podstaw Konstrukcji Maszyn Wydziału Technologii Drewna Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu w latach 3-5. Przez cały rok 3 przygotowywałem się do jej wykonania uczestnicząc w projekcie badawczym KBN nr 8 T7C 53 1 pod tytułem Modelowanie półsztywnych węzłów konstrukcyjnych, realizowanym przez zespół złożony z pracowników Akademii Rolniczej i Politechniki Poznańskiej pod kierunkiem prof. B. Branowskiego. Problemy badawcze podjęte w rozprawie zostały wskazane przez Profesora Bogdana Branowskiego, kierownika Zakładu Metod Projektowania Maszyn Politechniki Poznańskiej. Pragnę serdecznie podziękować Panu Profesorowi za opiekę merytoryczną, przyjazną atmosferę i czas poświęcony dyskusjom oraz dodatkowo za udostępnienie unikalnych i wartościowych pozycji literaturowych i zapewnienie materialnych warunków zrealizowania większości eksperymentów. Pragnę równie serdecznie podziękować wszystkim Współpracowniczkom i Współpracownikom z Katedry Obrabiarek i PKM Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu za przyjazny klimat do realizacji badań. W szczególności pragnę podziękować kierownikowi Katedry Panu Profesorowi Witoldowi Rybarczykowi za udostępnienie literatury i życzliwe zainteresowanie postępami prowadzonych prac. Podziękowania składam również: Dr. inż. Rafałowi Mostowskiemu, z Zakładu Metod Projektowania Maszyn Politechniki Poznańskiej, za cenne wskazówki dotyczące technik poprawnego modelowania numerycznego, (a szczególnie doboru modelu materiałowego, budowy siatki elementów skończonych oraz wskazania ograniczeń MES), za czas poświęcony dyskusjom dotyczącym specyfiki interpretacji wyników analiz oraz najlepszych sposobów ich wizualizacji; dodatkowo za zapewnienie dostępu do specjalistycznego oprogramowania inżynierskiego oraz sprzętu; Dr. inż. Grzegorzowi Wielochowi, z Katedry Obrabiarek i PKM A.R. w Poznaniu, za wskazanie i/lub udostępnienie wielu przydatnych źródeł literaturowych, za czas poświęcony na dyskusje o zjawiskach zachodzących w obciążonych kompozytach drzewnych, za podzielenie się wiedzą inżynierską dotyczącą technologii wytwarzania materiałów drewnopochodnych; Wiesławowi Rogowiczowi, z Katedry Obrabiarek i PKM A.R. w Poznaniu, za wykonanie próbek do badań siły utrzymującej trzpienie w materiałach drewnopochodnych oraz badań fotogrametrycznych, za wykonanie oprzyrządowań używanych w badaniach oraz za pomysły służące ich ulepszeniu i za pomoc w realizacji tych badań; Mgr. Januszowi Cegiele, z Katedry Nauki o Drewnie A.R. w Poznaniu, za pomoc w realizacji badań siły 7

8 Od autora utrzymującej trzpienie w materiałach drewnopochodnych; Dr. inż. Tomaszowi Gawrońskiemu, z Katedry Meblarstwa A.R. w Poznaniu, za pomoc w realizacji badań fotogrametrycznych; Dr. inż. Piotrowi Pohlowi, z Katedry Obrabiarek i PKM AR w Poznaniu, za udostępnienie literatury, umożliwienie wykorzystania specjalistycznego stanowiska do pomiaru chropowatości oraz czas poświęcony dyskusjom; Mgr. inż. Sławomirowi Minorczykowi, absolwentowi Wydziału Technologii Drewna A.R. w Poznaniu, rocznik 4, za cenne rady i wskazówki dotyczące technik modelowania przestrzennego metodą CGS złączy i połączeń meblowych, co umożliwiło wykonanie prezentacji fotorealistycznych wykorzystanych jako ilustracje na okładce, w treści dysertacji oraz podczas prezentacji; Prof. dr. hab. inż. Waldemarowi Molińskiemu, kierownikowi Katedry Nauki o Drewnie A.R. w Poznaniu, za udostępnienie stanowiska badawczego do badań siły utrzymującej trzpienie w materiałach drewnopochodnych; Prof. dr. hab. inż. Jerzemu Smardzewskiemu, z Katedry Meblarstwa A.R. w Poznaniu, za udostępnienie stanowiska badawczego do badań fotogrametrycznych. Dziękuję moim Rodzicom i Narzeczonej za wsparcie psychiczne. Poznań, maj 5 r. Maciej Sydor 8

9 1. Wprowadzenie 1 Wprowadzenie 1.1 Podstawowe pojęcia stosowane w pracy Terminy z dziedziny metodologii projektowania technicznego są jednoznacznie określone w literaturze 1. Poniżej przytoczono definicje i zakresy pojęć istotnych z punktu widzenia tematyki podjętej w pracy. Właściwości konstrukcyjne są minimalnym zbiorem zmiennych określających [ ] relacje obiektu do jego otoczenia [W. Tarnowski 1997]. Właściwości konstrukcyjne ujmują charakterystyki użytkowe, instalacyjne, ekonomiczne itp. W przypadku półsztywnych węzłów konstrukcyjnych mebli należy do nich zaliczyć m. in. nośność (M p ), sztywność (c M ), rozłączność, trwałość, estetykę, łatwość montażu, uniwersalność, koszt jednostkowy, i inne. Zbiór wartości właściwości konstrukcyjnych wystarcza do poprawnego zaprojektowania, wykonania, zainstalowania, eksploatacji i likwidacji opisanego w ten sposób obiektu. Pojęcie połączenie w opracowaniu jest zamiennie stosowane z pojęciem węzeł konstrukcyjny. Zgodnie z definicją zawartą w [C.A. Eckelman 199] połączenie jest miejscem gdzie schodzi się i łączy dwa lub więcej elementów mebla [ ] składa się z końcówek elementów mebla [ ] i środków użytych do ich łączenia (złączy). Stosowanymi w pracy synonimami słowa złącze są terminy łącznik i okucie (podobnie jak w [B. Branowski P. Pohl i in. 4]). Połączenie półsztywne (podatne) jest charakteryzowane krzywą M-Θ [J. Bródka, A. Kozłowski 1996]. Statyczna ścieżka równowagi M-Θ (moment gnący wewnętrzny kąt obrotu) tego rodzaju połączenia została przedstawiona na rys M M p M=c M θ Umowny obszar połączeń sztywnych M i Umowny obszar połączeń przegubowych θ i θ p θ Rys. 1-1 Charakterystyka M(θ) połączenia podatnego Oznaczenia: M p i θ p - moment zginający i kąt obrotu nośności granicznej, c M - sztywność początkowa (opracowano na podst. [B. Branowski, P. Pohl i in. 4] oraz [J. Bródka, A. Kozłowski 1996]) 1 Np. [J. Dietrych 1974; Z. Osiński, J. Wróbel 198; G. Pahl, W. Beitz 1984]. 9

10 1. Wprowadzenie Złącza, które posłużyły do budowy próbek połączeń wykorzystywanych w eksperymentach posiadały różnego rodzaju elementy zaczepowe służące do zakotwienia łącznika w płycie drewnopochodnej. W przypadku złącza śrubowego zaciskanego mimośrodowo były to trzpienie osadzone w dwóch typach muf rozprężnych, natomiast w przypadku pozostałych typów złącz były to wkręty lub wkręcane trzpienie wygniatające podczas wkręcania gwint w otworach wywierconych uprzednio w płytach. 1. Struktura i przeznaczenie rozłącznych półsztywnych łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych Połączenie półsztywne jest klasą elementów konstrukcji zapewniającą przepływ sił między elementami łączonymi z zachowaniem małych ruchów względnych. część ściana pionowa część ściana pozioma strefa połączenia z łącznikami T M g F F p łącznik węzeł konstrukcyjny z połączeniami części T M g F F p Łączniki Cechy konstrukcyjne geometryczne - złożone, wieloelementowe złącze lub dwa typy złączy niewidocznych z zewnątrz, - masowe i tanie produkty mechaniki precyzyjnej lub drzewnictwa (kołki) materiałowe - sprężysty izotropowymateriał w zakresie przenoszonych obciążeń nastawy początkowe - małe napięcie wstępne Płytowe elementy Cechy konstrukcyjne geometryczne - prosta postać konstrukcyjna - mała dokładność wymiarowa płyty, wysoka dokładność wymiarowa w strefie łącznika materiałowe - porowaty drewnopochodny kompozyt o strukturze warstwowej - model anizotropowy nieliniowy (w praktyce przyjmuje się model ortotropowy) - niskie własności wytrzymałości i sprężystości przy dużym rozrzucie ich wartości - influentny materiał na wpływy zewnętrzne(np. wilgotności) nastawy początkowe - możliwe małe napięcie wstępne Rys. 1- Struktura łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych 1

11 1. Wprowadzenie Struktura oraz podstawowe elementy tego typu połączeń zastały przedstawione na rys. 1-. Kątowe półsztywne połączenia łącznikowe płyt drewnopochodnych występują przede wszystkim w meblarstwie, szczególnie w meblach skrzyniowych. Przykład mebla skrzyniowego został przedstawiony na rys. 1-3 zawierającym układ i nazewnictwo podstawowych elementów tego typu mebla. a) x z Wieniec dolny Płyty b) Wieniec górny Półka Złącze Połączenia (węzły) y Wspornik półki Ścianka boczna Ścianka środkowo-boczna x Wieniec dolny Przegroda Szuflada Rys. 1-3 Przykładowy mebel skrzyniowy wieńcowy z nazwanymi częściami składowymi a) widok z dołu b) widok z przodu Meble mogą mieć konstrukcję nierozbieralną lub rozbieralną. Duże meble i zespoły mebli (szafy, meblościany) produkuje się najczęściej jako rozbieralne, natomiast mniejsze(np. meble do kuchni i łazienek, przedpokojów) są z reguły nierozbieralne [B. Branowski i in. 3]. Tendencje rozwojowe produkcji mebli skrzyniowych, a także często szkieletowych, zmierzają w kierunku mebli rozbieralnych. Coraz więcej ich asortymentów (również mniejszych) jest produkowanych jako meble do samodzielnego składania. Dotyczy to szczególnie np. mebli dla dzieci i młodzieży, gdzie z góry zakłada się zapewnienie możliwości częstej zmiany aranżacji. Meble o konstrukcji nierozbieralnej są montowane przez producenta najczęściej przy zastosowaniu połączeń nieroz- Klasyfikacje złaczy, połączeń i konstrukcji mebli podano w licznych pracach z dziedziny melarstwa, m.in. w [W. Prządka 1973; Cz. Mętrak 1987, 1995]. 11

12 1. Wprowadzenie łącznych (zazwyczaj przy użyciu kleju). Połączenia te projektowane są w sposób zapewniający zachowanie wymaganej wytrzymałości i sztywności przez cały okres użytkowania. Meble takie muszą mieć znacznie ograniczone gabaryty, aby można je transportować przez ciasne klatki schodowe i otwory drzwiowe mieszkań. Dla producenta i dystrybutora podstawowymi ich wadami są wymagania znacznych powierzchni magazynowych i nie wykorzystanie w pełni ładowności środków transportu. Nie bez znaczenia są również koszty montażu (mogące stanowić 15 3% ceny gotowego mebla), które w tym przypadku ponosi wytwórca. Wyżej wymienione czynniki sprawiają, iż meble nierozbieralne są z reguły droższe od swoich rozbieralnych odpowiedników. Węzły konstrukcyjne mebli rozbieralnych mają zazwyczaj charakter półsztywnych połączeń łącznikowych. Transportowanie i magazynowanie mebli rozbieralnych odbywa się w stanie rozmontowanym (w paczkach), a ich montaż przeprowadzany jest w miejscu użytkowania bądź przez użytkownika, bądź rzadziej - przez wyspecjalizowaną ekipę monterów. Meble o konstrukcji rozbieralnej mogą być wielokrotnie rozmontowywane podczas użytkowania i ponownie montowane, co zapewnia użytkownikowi większą swobodę w aranżacji wnętrz. Możliwe jest także, ponowne napięcie połączenia, które uległo poluzowaniu podczas użytkowania. Meble rozbieralne w porównaniu z nierozbieralnymi wykazują szereg zalet. W zakresie wytwarzania: uproszczenie technologii - przy zastosowaniu zautomatyzowanego szeregowego nawiercania lub frezowania ogranicza się trudności w manipulacji wielkogabarytowych elementów, elastyczność produkcji i dostosowanie jej do wymogów pojedynczego klienta, oszczędność materiałowa (brak podwójnych ścian działowych). W zakresie transportu i magazynowania: obniżenie kosztów transportu zbiorcze jednostki ładunkowe, znaczne ułatwienie w zakresie dostarczania gotowych wyrobów do mieszkań, dogodniejsza forma opakowania - mniejsze narażenie na uszkodzenia w transporcie, obniżenie kosztów magazynowania gotowych mebli o dużej objętości. W zakresie użytkowania możliwość zmiany układu mebla, brak komplikacji przy ewentualnych przeprowadzkach czy remontach mieszkań - możliwość wielokrotnego montażu i demontażu połączeń. Z punktu widzenia klienta końcowego meble rozbieralne posiadają również pewne wady: 1

13 1. Wprowadzenie konieczność samodzielnego montażu lub poniesienia kosztów montażu wykonywanego przez wyspecjalizowaną ekipę, możliwość błędnego montażu (uszkodzenie mebla i/lub zmniejszenie funkcjonalności). Kątowe półsztywne połączenia materiałów 3 drewnopochodnych (połączenia kątowe płaskie) występują również w meblach szkieletowych 4 oraz w innych drewnopochodnych elementach wyposażenia mieszkania (np. schody), a także w drewnianych konstrukcjach budowlanych. Duża część mebli jest budowana z materiałów drewnopochodnych głównie z płyt wiórowych lub pilśniowych [B. Branowski, P. Pohl i in. 4]. Materiały drewnopochodne są kompozytem o specyficznych właściwościach fizycznych i wytrzymałościowych. 1.3 Rodzaje i właściwości fizyczne materiałów drewnopochodnych Wszystkie kompozyty drzewne są produktami sztucznie wytworzonymi (artefaktami). Ich cechy są ustalane podczas procesu technologicznego i ukierunkowane na cele użytkowe. W odróżnieniu od naturalnych ograniczeń wymiarowych drewna litego, płyty z tworzyw 5 drewnopochodnych mogą uzyskiwać długości i szerokości rzędu kilku metrów, a ich właściwości wytrzymałościowe można, w pewnych granicach, kształtować w procesie wytwarzania [H. Neuhaus 4]. Podstawowym składnikiem materiałów drewnopochodnych są włókna drewna w postaci mniej lub bardziej rozdrobnionej: desek i listew, wiórów i mikrowiórów, fornirów, spilśnionych włókien drzewnych, wełny drzewnej. Właściwości kompozytów drzewnych są pochodną właściwości drewna [M. Kociszewski, A. Wilczyński 3]. Krótka charakterystyka drewna została przedstawiona poniżej. Właściwości drewna Drewno jest rodzajem kompozytu składającym się z celulozy, ligniny, hemiceluloz oraz innych składników (5 1%) uformowanych w struktury komórkowe [Gen. Techn. Rep. 1999]. Zmienność tych struktur oraz różnice w udziałach masowych składników powodują, iż drewno, w zależności od gatunku, może być lekkie lub ciężkie, elastyczne lub sztywne, miękkie lub twarde. Wszystkie gatunki drewna są włóknistymi materia- 3 Materiał układ materialny zidentyfikowany pod względem struktury zewnętrznej i wewnetrznej odpowiedniej dla dalszego procesu wytwórczego (np. płyta MDF) [J.Dietrych, 1985] 4 Meble szkieletowe mają konstrukcje kratownicowe, ramowe lub kratownicowo ramowe w zależności od rodzaju obciążenia, jakie przenoszą ich podzespoły. Przykładem mebla szkieletowego może być krzesło lub fotel. 5 Tworzywo układ materialny zidentyfikowany wyłącznie pod względem struktury wewnętrznej (np. drewno). [J.Dietrych, 1985] 13

14 1. Wprowadzenie łami silnie ortotropowymi to znaczy, iż ich właściwości w skali makroskopowej różnią się w kierunkach osi X, Y lub Z na rys Dodatkowo poszczególne próbki pozyskane z tej samej kłody mogą charakteryzować się różnymi wartościami parametrów wytrzymałościowych i fizykochemicznych. Z - promieniowy X - styczny Y - wzdłużny Rys. 1-4 Trzy kierunki główne dla drewna Na rys. 1-4 zaznaczono trzy, wzajemnie do siebie prostopadłe, główne kierunki anizotropii drewna stosowane w literaturze [Gen. Techn. Rep. 1999, H. Neuhaus 4]: styczny (X), wzdłużny (Y) i promieniowy (Z). Kierunek styczny (X) jest prostopadły do włókien i styczny do tworzącej walca słoi rocznych, kierunek wzdłużny (Y) jest równoległy do kierunku włókien, kierunek promieniowy (Z) jest prostopadły do kierunku włókien i prostopadły do tworzącej walca słojów rocznych. Własności mechaniczne drewna wyznaczane są doświadczalnie, należą do nich m. in. [H. Neuhaus 4]: moduł sprężystości liniowej (moduł Younga E [MPa]), postaciowej (moduł Kirchoffa G [MPa]) i liczba Poissona ν, wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż i w poprzek włókien (w poprzek włókien wynik podawany jako średnia dla kierunków X i Z w kpa), wytrzymałość na ściskanie wzdłuż i w poprzek włókien (w poprzek włókien wynik podawany jako średnia dla kierunków X i Z w kpa), wytrzymałość na ścinanie równolegle do włókien (wartości podawane jako średnia dla ścinania w płaszczyźnie promieniowej (YZ) i stycznej (XY) w kpa), wytrzymałość na zginanie udarowe (maksymalne ugięcie belki w mm obciążonej dynamicznie maksymalną siłą nieniszczącą), praca zginania przy obciążeniu maksymalnym [kj/m 3 ], twardość (zmodyfikowany test twardości Janki [N]), 14

15 1. Wprowadzenie współczynnik pełzania f t / f (stosunek bezwzględnego całkowitego odkształcenia pełzania f t w czasie t do sprężystego odkształcenia początkowego f ). Zgodnie z aktualnymi normami PN i EN, wytrzymałość drewna bada się poddając eksperymentom próbki o wilgotności bezwzględnej u 1% (składowanie w warunkach normalnych t = C, φ w = 65% ). Wartości wytrzymałości drewna zależą od [F. Kollman 1951]: właściwości wynikających z budowy komórek, jak gęstość, sękatość, udział drewna późnego, szerokość słojów rocznych, stanów fizycznych jak kąt pomiędzy kierunkiem działania siły a kierunkiem włókien (szczególnie decydujący), wilgotność i temperatura drewna, czasu trwania obciążenia, kształtu, wielkości próbek i wielu innych. Stosunkowo dobrą miarą anizotropii drewna są stosunki liniowych modułów sprężystości wzdłuż poszczególnych kierunków głównych (wg rys. 1-4), w tab. 1-1 zestawiono je z odpowiadającymi im stosunkami dla wybranych materiałów drewnopochodnych. Tab. 1-1 Rodzaj materiałów Anizotropia drewna i wybranych materiałów drewnopochodnych E x E y E z E,81,31 Drewno twarde 6,15,86,46,197 Drewno miękkie 7,31,89,58,183 Płyta wiórowa płaskoprasowana 8 Płyta pilśniowa MDF 9,963,68 Z punktu widzenia problematyki pracy istotne są własności fizyczne materiałów drewnopochodnych stosowanych do budowy mebli. Własności wybranych materiałów drewnopochodnych Istotą naturalnej anizotropii drewna jest zdecydowanie mniejsza wytrzymałość na rozciąganie w kierunkach X i Z (rys. 1-4). Sztuczna anizotropia materiałów drewnopochodnych 1 objawia się zmniejszeniem wytrzymałości na rozciąganie w jednym kierunku - osi Z (por. rys. -4, str.7). Materiały drewnopochodne końcowe (np. płyty) wykazują, w porównaniu do drewna litego, mniejszy wpływ wilgotności na wytrzymałość oraz mniejszy rozrzut wartości parametrów wytrzymałościowych wynikający z większej homogeniczności struktury (braku błędów wzrostu, sęków itp.). y 6 Na podst. [Gen. Techn. Rep. 1999]. 7 J.w. 8 Na podst. B. Branowski P. Pohl i in. 4]. 9 J.w. 1 Anizotropia wybranych materiałów drewnopochodnych opisana jest szerzej w rozdziale (str. 6). 15

16 1. Wprowadzenie Obecnie wytwarza się wiele rodzajów kompozytów drzewnych różniących się znacznie parametrami materiałowymi a w związku z tym przeznaczeniem. Część z nich jest stosowana do budowy mebli i bywa łączona złączami punktowymi tworząc połączenie półsztywne. Klasyfikacja materiałów drewnopochodnych Podział materiałów drewnopochodnych został przytoczony za J. Synowcem [J. Synowiec 1999]. Kompozyty drzewne zostały sklasyfikowane w siedmiu grupach, jako główne kryterium podziału przyjęto stopień rozdrobnienia surowca drzewnego (wyróżniono materiały zwykle stosowane do budowy mebli). 1. Materiały z tarcicy (np. drewno klejone warstwowo (GLULAM), płyty z drewna litego (jednowarstwowe, wielowarstwowe: pełne lub pustakowe)).. Materiały z pasm drzewnych (np. SCRIMBER, płyty z bambusa). 3. Materiały z forniru: fornirowe drewno warstwowe (LVL), fornirowe drewno równoległowłókniste (PSL), sklejka, elementy kształtowe z forniru. 4. Materiały z wełny drzewnej (np. SUPREMA). 5. Materiały z wiórów (w tym także z cząstek roślin jednorocznych): drewno równoległowłókniste z dużych wiórów (LSL), płyty wiórowe płaskoprasowane (Typ płyty wg PN EN 31, ze względu na przeznaczenie: P do P7), płyty o wiórach orientowanych (Typ płyty wg PN EN 3, ze względu na przeznaczenie: OSB1 do OSB4), płyty wiórowe poprzecznie prasowane (OKAL), płyty waflowe (pustakowe), płyty z cząstek roślin jednorocznych płyty cementowo-wiórowe i gipsowo - wiórowe, płyty magnezytowo-wiórowe, elementy kształtowe z wiórów (w tym wiązanych termoplastami). 6. Materiały z włókien: płyty pilśniowe formowane na mokro (podział ze względu na gęstość: płyty twarde, płyty półtwarde o wysokiej gęstości, płyty półtwarde o niskiej gęstości, płyty porowate), płyty pilśniowe formowane na sucho (podział wg PN EN 316 ze względu na gęstość: (HDF, MDF, LDF i ULDF High, Medium, Low i Ultra Low Density Fiberboards), płyty cementowo-włókniste, płyty gipsowo-włókniste, elementy kształtowe z włókien (w tym wiązanych termoplastami). 7. Materiały łączone (np. płyty typu sandwicz, belki dwuteowe z LVL i OSB itp.). W badaniach doświadczalnych oraz rozważaniach teoretycznych w pracy zajmowano się połączeniami trójwarstwowych płyt 16

17 1. Wprowadzenie wiórowych płaskoprasowanych typu P oraz płyt pilśniowych formowanych na sucho (MDF). Budowa wewnętrzna oraz wynikające z niej parametry materiałowe płyt wiórowych i pilśniowych określane są podczas produkcji. Struktura i proces wytwarzania wiórowych i pilśniowych Płyty wiórowe składają się głównie z cząstek drewnianych (wiórów) 11 oraz substancji wiążących (syntetycznej żywicy melaminowej rzadziej żywic: mocznikowej, fenolowej lub izocyjanianowej) oraz utwardzacza - formaldehydu. Suszone wióry drzewne są sortowane i prasowane z dodatkiem środków wiążących i utwardzających. W grupie płyt prasowanych występują odmiany różniące się strukturą przekroju poprzecznego(płyty jednowarstwowe, trójwarstwowe, frakcjonowane). Najbardziej rozpowszechnione są płyty trójwarstwowe. Podczas formowania płyt trójwarstwowych rozdrobnione wióry zostają podzielone w sitach wibracyjnych na wióry grube i średnie do warstwy środkowej oraz cieńsze do warstw zewnętrznych. Najczęściej stosuje się dwa sortymenty (frakcje grubości) wiórów, formując trójwarstwowy kobierzec (warstwa środkowa i dwie warstwy zewnętrzne). Kobierzec jest prasowany w wysokiej temperaturze (14 C do 165 C) w prasach (najczęściej wielopółkowych) pod ciśnieniem rzędu MPa, prostopadle do płaszczyzny płyty. Wióry układają się w trakcie tego procesu mniej więcej równolegle do płaszczyzny płyty (większość wzdłuż kierunku produkcji). W warstwach zewnętrznych o większej gęstości stosuje się większą zawartość spoiwa. Płyty pilśniowe (np. płyta MDF) powstają ze zdrewniałych włókien z lub bez 1 dodatku spoiwa, także z dodatkiem wypełniaczy. Drewno różnej jakości jest rozdrabniane i mechanicznie rozwłókniane przy użyciu pary wodnej (defibrylacja), następnie prasowane, w zależności od zastosowanej technologii, w temp C i ciśnieniu dochodzącym do 15 MPa. Do niektórych rodzajów płyt dodaje się innych naturalnych substancji włóknistych zawierających ligninę i celulozę (tworzyw lignocelulozowych) 13. Większość płyt pilśniowych jest produkowanych jako trójwarstwowe warstwy różnią się od siebie składem, stopniem fragmentacji, dodatkami przez to oddziaływuje się na powierzchnię, kolor i niektóre właściwości mechaniczne płyty. 11 Czasem stosuje się dodatki w postaci innych lignocelulozowych materiałów włóknistych (paździerze konopne i lniane, słoma pszeniczna), jednak wymagają one przygotowania (działanie substancjami chemicznymi) co sprawia, iż dodatki tego typu zwiększają cenę płyty [N. Boquillon, G. Elbez, U. Schönfeld 4]. 1 W tym przypadku rolę spoiwa przyjmuje lignina naturalny składnik drewna. 13 Słoma (np. zbożowa, rzepakowa), juta itp. muszą być wstępnie przygotowane chemicznie. 17

18 1. Wprowadzenie Zmiany własności płyt na grubości Płyty wiórowe oraz płyty pilśniowe MDF są materiałami quasi ortotropowymi. Ich własności wytrzymałościowe zmieniają się na grubości wzdłuż osi z - (rys. 1-5), natomiast w płaszczyźnie płyty (w płaszczyźnie xy) 14 są w przybliżeniu stałe. Gęstość płyty zmienia się na grubości (por. rys. 5-7, str. 81), powoduje to zmiany parametrów fizycznych na przekroju płyty. Własność Odkształcalność przy naciskach ε Wilgotność φ w Wytrzymałość mechaniczna R Przewodność cieplna λ Gęstość ρ Rys. 1-5 Zmiany wytrzymałości, odkształcalności, wilgotności względnej i przewodnictwa cieplnego płyt w zależności od gęstości [na podst. P. Niemz 1993] Rys. 1-5 przedstawia w sposób umowny zmiany wybranych własności płyt w zależności od gęstości. Najwyższe wartości, wytrzymałości i przewodnictwa ciepła oraz najniższe odkształcalności przy naciskach i wilgotności występują w obu warstwach zewnętrznych płyty (przy licu), które charakteryzują się największą gęstością. 14 Oznaczenia kierunków i zwrotów osi przyjętego układu współrzędnych wg rys. -4 (str. 7). 18

19 . Stan wiedzy o wymiarowaniu półsztywnych kątowych łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych Stan wiedzy o wymiarowaniu półsztywnych kątowych łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych Przegląd literatury o badaniach doświadczalnych, modelowaniu i wymiarowaniu rozłącznych podatnych połączeń łącznikowych, usystematyzowano w trzy grupy: 1. metody projektowania wytrzymałościowego mebli, zawierające wytyczne, dotyczące kształtowania półsztywnych węzłów konstrukcyjnych.. wyniki badań półsztywnych połączeń płyt drewnopochodnych oraz metody ich modelowania. 3. wyniki badań komponentów połączeń oraz modele dystrybucji naprężeń pomiędzy łączonymi elementami, które zawierają: wyniki badań właściwości oraz opisy modeli materiałów płyt, wyniki badań elementów zaczepowych złączy (wkrętów, trzpieni itp.), współpracujących z płytami drewnopochodnymi..1 Wytrzymałościowe projektowanie mebli Carl A. Eckelman [C.A. Eckelman 199] wyróżnia trzy oddzielne, ściśle ze sobą powiązane sfery tworzenia mebla. Pierwsza obejmuje projektowanie formy, czyli wzoru estetycznego zaspokajającego potrzebę piękna. Drugą sferę, historycznie najstarszą [B. Pixler 5], stanowi projekt funkcjonalny, który opisuje strukturę spełniającą zamierzone funkcje, tak efektywnie, jak to tylko jest możliwe. Trzecią i ostatnią sferą jest projekt techniczny, którego istotą jest kształtowanie konstrukcji w sposób zapewniający wymaganą wytrzymałość mechaniczną, niezawodność, bezpieczeństwo użytkowania oraz najniższą z możliwych cenę wytworzenia i likwidacji. Jak podaje Cz. Mętrak [Cz. Mętrak 1987], prekursorami badań doświadczalnych dotyczących wytrzymałości konstrukcji meblarskich, byli badacze z Wielkiej Brytanii (1951 r.). W monografiach z lat sześćdziesiątych z dziedziny meblarstwa, pojawiają się rozdziały poświęcone ściennym rozłącznym połączeniom kątowym (np.: [J. Holzhacker, B. Kaliński 1964]), w których podano klasyfikacje połączeń i złączy oraz podstawy oceny i wyboru, ze względu na nośność wybranych typów połączeń. Bardzo ważną pozycją dotyczącą wytrzymałościowego projektowania mebli, była cytowana wcześniej praca C.A. Eckelmana z 1978 roku, wydana w Polsce w roku 199 [C.A. Eckelman 199]. Poświęcono w niej wiele miejsca kształtowaniu węzłów konstrukcyjnych mebli, podając zależności ze współczynnikami 19

20 . Stan wiedzy o wymiarowaniu półsztywnych kątowych łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych empirycznymi, wykorzystywane w wytrzymałościowym kształtowaniu konstrukcji. Nie podjęto tam zagadnień wymiarowania półsztywnych łącznikowych, występujących w meblach. Połączenia (węzły), jako elementy, w których następuje spiętrzenie strumieni sił obciążających mebel, mają decydujący wpływ na jego nośność i niezawodność [C.A. Eckelman 199, Gen. Techn. Rep. 1999, B. Branowski P. Pohl i in. 4]. Nośność połączeń elementów konstrukcji meblowej zawiera się zazwyczaj, w zakresie od 1 do 3% nośności łączonych elementów [P. Joščák 1999]. Uniemożliwia to, w chwili obecnej, urzeczywistnienie optymalnej konstrukcji o zbliżonej nośności połączeń do nośności łączonych elementów.. Wyniki badań oraz metody modelowania połączeń..1 Zachowanie się połączeń pod obciążeniem Na rys. -1, przedstawiono przepływ sił użytkowych przez mebel, naniesiono też, przewidywane kierunki odkształceń płyt i łączących je węzłów konstrukcyjnych. M UA M UB F H Θ F V q 1 (x,z) M UC M UD q (x,z) R E R F y M UG M UH x Rys. -1 Przykładowe obciążenia i reakcje w węzłach mebla Zachowanie się półsztywnego węzła konstrukcyjnego pod obciążeniem, wymaga traktowania go, jako ciała materialnego o skończonych wymiarach, zamiast jako punktu materialnego[b. Branowski P. Pohl i in. 4]. Taki sposób traktowania pozwala, na określenie struktury przenoszenia sił z obciążonej płyty na złącze, a następnie ze złącza na kolejną płytę (sił osiowych rozciągających i ściskających, poprzecznych tnących, zginających i skręcających) [C.A. Eckelman 199]. W klasycznej, statycznej analizie konstrukcji mebli najczęściej zakłada się, że połączenia są doskonale sztywne, w rzeczywistości większość połączeń jest podatna. Charakterystyki odkształcalności połączeń najczęściej wyznacza się doświadczalnie. Do najważniejszych charakterystyk należy zależność: moment gnący M wewnętrzny kąt obrotu Θ. [J. Bródka, A. Kozłowski 1996]. W analizach teoretycznych często krzywa M-Θ jest modelowana zbiorem półprostych, które obra-

21 . Stan wiedzy o wymiarowaniu półsztywnych kątowych łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych zują zmniejszanie się sztywności węzła w miarę wzrostu obciążenia. Połączenia półsztywne (podatne) muszą spełniać ograniczenia sztywności c M : cm c M min (w zakresie c M < c M min złącze jest podatne); cm c M max (w zakresie c c < M max < M złącze jest sztywne). M M P M dop a) M dop > MP / xp b) M dop < MP / xp M max =c Mmax Θ M=c M Θ M(Θ) M M max =c Mmax M=c M Θ M(Θ) M P M P /x P M P /x P M dop ΔM* M min =c Mmin Θ Rys. - Położenie charakterystyki M-θ względem projektowego obszaru dopuszczalnego jako podstawa wyznaczenia nośności połączenia z ograniczeń wytrzymałości (a) i ograniczeń sztywności (b) [B. Branowski P. Pohl i in. 4] Charakterystyka M-θ (moment zginający - wewnętrzny kąt obrotu połączenia) może być podstawą dobrania połączenia o wymaganej wytrzymałości w projektowanym meblu [B. Branowski, P. Pohl i in. 4]. Na rys. - podano dwa schematy (rys. -a i b) przedstawiające możliwe położenie charakterystyki względem projektowego obszaru rozwiązań dopuszczalnych. Odpowiadają one sytuacjom projektowym, w których o nośności węzła decyduje wytrzymałość lub sztywność: M M M M P /c M x P M p dop > x decyduje wytrzymałość; p M p dop < x decyduje sztywność; p M Θ dop Θ P Θ M P /c M x P p dop = x decyduje wytrzymałość lub sztywność; p gdzie: M p - nośność graniczna; M p /x p nośność złącza z ograniczenia wytrzymałości (x p - współczynnik bezpieczeństwa względem nośności granicznej x p >1; np. x p =1,5); M dop - nośność węzła z ograniczenia sztywności θ dop = 5 [mrad] [B. Branowski, P. Pohl, G. Wieloch 3]. Obszar dopuszczalny połączeń meblowych na wykresie M-θ ograniczają proste: Θ dop M min =c Mmin Θ Θ P Θ 1

22 . Stan wiedzy o wymiarowaniu półsztywnych kątowych łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych M θ, przy θ M p / c M max ; c M max M p / x p M, przy θ θ M / c ; dop p M max θ θdop ; M c M min θ, przy θ θdop [B. Branowski, P. Pohl i in. 4] W dalszej części pracy, podczas analizy wyników eksperymentów, ograniczono się do wyznaczania i analizowania wartości sztywności C M, zdefiniowanej następująco [P. Joščák, J. Šnyder, J. Kráĺ 1989]: 1 dm M M 1 cm = = (-1) pm dθ θ θ1 gdzie: p M - podatność (współczynnik podatności). Według P. Joščáka [P. Joščák 1999] sztywność c M połączenia, wyznacza się linearyzując nieliniową, rzeczywistą charakterystykę M Θ, w zakresie dwóch miarodajnych punktów (,1 M P, Θ1 ) i (,4 M P, Θ4 ). Graficzną interpretację sztywności dla połączenia płyt drewnopochodnych przedstawia rys. -3. M M P,4M P α=arctg(c M ),1M P c M = 1 p M,4 M P,1 M = θ θ,1,4 P Θ,1 Θ,4 Θ Rys. -3 Interpretacja sztywności złącza podatnego (opracowanie własne na podst. [B. Branowski, P. Pohl i in. 4]) Sztywność połączeń łącznikowych wykonanych z płyt wiórowych trójwarstwowych i pilśniowych MDF, jest zależna od: cech materiałowych głównych elementów płytowych: mechanicznych - sprężystości i wytrzymałości; fizykalnych - wilgotności, higroskopijności oraz chemicznych 15, cech geometrycznych (postaci konstrukcyjnej i układu wymiarów) konstrukcji, tolerancji wymiarów łączników, rozstawów osi połączeń, pasowań, chropowatości; błę- 15 Np. starzenie klejów zastosowanych podczas procesu formowania płyt.

23 . Stan wiedzy o wymiarowaniu półsztywnych kątowych łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych dów kształtu i położenia współpracujących powierzchni, cech technologicznych (siły zacisku wstępnego, kolejności montażu poszczególnych złączy w połączeniu itp.)... Badania eksperymentalne połączeń Przedmiotem rozważań wielu badaczy, było wyznaczanie właściwości konstrukcyjnych (głównie nośności i sztywności) połączeń łącznikowych (tzw. punktowych) elementów z drewna lub materiałów drewnopochodnych. Pierwsze próby doświadczalnego określenia obciążalności półsztywnych połączeń belek drewnianych łączonych przy pomocy metalowych wkładek oraz śrub stężających, podjęto już w latach trzydziestych XX w. [W. Trysna 1939]. Badania dotyczyły konstrukcji budowlanych. Jak podają B. Branowski, P. Pohl [B. Branowski, P. Pohl i inni 4], problematyka badań w zakresie półsztywnych spoczynkowych rozłącznych połączeń meblowych, jest stosunkowo nowa. Zdecydowanie większe zainteresowanie badawcze budziły pokrewne zagadnienia modelowania spoczynkowych połączeń nierozłącznych. Obydwie tematyki są wzajemnie powiązane: podobnymi metodami badań, często związanymi z wykorzystywaniem uniwersalnych maszyn wytrzymałościowych, podobieństwem cech postaci konstrukcyjnej i układu wymiarów połączeń meblowych w pierwiastkowych badaniach niszczących próbek, złożonym stanem obciążenia (zginanie ze ścinaniem i ściskaniem) próbki, związanym z ograniczeniami możliwości jej obciążania na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej. Konfiguracja wzajemnego położenia elementów połączenia kątowego w próbkach stosowanych w badaniach doświadczalnych, jest różna [G. Wieloch, B. Branowski, P., Pohl 3, M. Sydor, G. Wieloch 4]. Brak standaryzacji konfiguracji wymiarów próbki, warunków mocowania (warunki brzegowe) przy stosowaniu różnych warunków obciążenia węzłów 16, powodują brak możliwości porównania wyników badań z różnych źródeł literaturowych. Cytowana wcześniej praca zbiorowa pod redakcją B. Branowskiego i P. Pohla ( Modelowanie półsztywnych węzłów konstrukcyjnych mebli (Wydawnictwo A. R. w Poznaniu, 4 r.)) jest rodzajem podsumowania stanu wiedzy dotyczącego modelowania półsztywnych połączeń meblarskich. W monografii oraz w szeregu artykułów naukowych podjęto problem wyznaczania wytrzymałości (statycznej i niskocyklowej), sztywności, histerezy i relaksacji kątowych rozbieralnych połączeń płyt o wyraźnie mniejszej sztywności w porównaniu z połączeniami klejonymi. Autorzy zaproponowali (i podali metody weryfikacji) kilka rodzajów nowych zastosowań modeli do kształtowania półsztywnych węzłów konstrukcyjnych, znanych z literatu- 16 Próbki, w których węzły są obciążane statycznie w prostym stanie naprężeń (np. tylko moment gnący lub tylko siła rozciągająca) albo w złożonym stanie naprężeń (np. moment gnący razem z siłą tnącą). 3

24 . Stan wiedzy o wymiarowaniu półsztywnych kątowych łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych ry (tab. -1) [B. Branowski, R. Mostowski 3, B. Branowski, P. Pohl, G. Wieloch a, b, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, G. Wieloch, B. Branowski, P. Pohl 3, B. Branowski, R. Mostowski, M. Sydor 4]. Przeprowadzono również badania nośności i sztywności, wg zaproponowanej metodologii, na skonstruowanej do tego celu specjalizowanej maszynie wytrzymałościowej 17. Tab. -1 Modele połączeń półsztywnych i zakres ich wykorzystania wg [B. Branowski, P. Pohl i inni 4] L.p. Model Opis i wykorzystanie modelu 1 Modele półempirycznnej Oparte na przetwarzaniu informacji doświadczal- w opisie parametrów sztywności początkowej połączeń, sztywności wzmocnienia i nośności granicznej węzła konstrukcyjnego. Statyczna ścieżka równowagi i jej reprezentacje (np. zależność moment gnący wewnętrzny kąt obrotu) w modelach dwuliniowych bez wzmocnienia i ze wzmocnieniem dla sztywności początkowej oraz bez wzmocnienia dla sztywności siecznej. Modele empiryczne Wytrzymałość zmęczeniowa niskocyklowa, histereza zmiany względnego udziału odkształceń plastycz- nych ze wzrostem obciążenia. Relaksacja obciążenia w połączeniu, prędkość relaksacji i czas I-go etapu nieustalonej relak- 3 Modele mechaniczne sacji. Węzeł konstrukcyjny jest modelowany jako zestaw sztywnych lub odkształcalnych elementów połączonych liniowymi lub nieliniowymi sprężynami. 4 Model analityczny belkowy - za VDI Modele bryłowe MES Dystrybucja obciążenia w połączeniu ze złączami mimośrodowymi m i kołkowymi k. Zmiany charakterystyki obrotowej połączenia M(θ) związane z sztywnością styku. Model uwzględniający odkształcalność łączonych elementów i łączników przy obciążeniu wstępnym i roboczym. Siły w złączu. Nieliniowość charakterystyki obrotowej M(θ) bez oderwania i z oderwaniem powierzchni styku. Rozkład obciążenia na gwincie wyrywanego łącznika, chwilowy środek obrotu jako podstawa wyznaczenia siły w złączu, naprężenia w elementach połączenia. Wszystkie zaproponowane modele zostały zweryfikowane doświadczalnie. Kluczowa, dla możliwości weryfikacyjnych, była wspomniana nowa metoda badań półsztywnych połączeń płyt drewnopochodnych, obciążanych czystym momentem gnącym. Została ona przedstawiona w części dalszej (podpunkty 4.. i 4..3 str. 51 i 54). Dla potrzeb pracy dokonano przeglądu dostępnych w literaturze wyników badań półsztywnych węzłów konstrukcyjnych (wy- 17 Część z wyników tych badań została wykorzystana w rozdziale 4 pracy do porównania z wynikami badań własnych. 18 VDI 3: Blatt1 Systematische Berechnung Hochbeanspruchter Schraubenverbindungen, VDI-Verlag,

25 . Stan wiedzy o wymiarowaniu półsztywnych kątowych łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych konanych przy użyciu łączników). Po ich analizie stwierdzono, że w badaniach meblowych połączeń narożnikowych, stosowano wiele schematów obciążania próbek [G. Wieloch, M. Sydor, P. Pohl 4]. Złącza w połączeniach łącznikowych były rozwierane, zwierane lub rozciągane 19. Stosowano obciążenia statyczne (niszczące i nieniszczące) oraz zmęczeniowe niskocyklowe 1. Wyznaczano sztywność, nośność, trwałość, relaksację oraz pełzanie elementów połączeń pod obciążeniem. Zdecydowana większość badań była realizowana na uniwersalnych maszynach wytrzymałościowych, (czyli w złożonym stanie naprężeń). Podejmowano również próby doświadczalnej weryfikacji teoretycznych modeli MES połączeń. I. Grbac, Ż. Ivelić, St. Dzięgielewski, A. Bogner przeprowadzili badania dla dwóch typów połączeń ze złączami mimośrodowymi (minifix harpoon z plastikowym elementem, i minifix harpoon z wkładką metalową) i dwóch rodzajów łączonych materiałów (sosna i buk). Pomiarów dokonano na maszynie wytrzymałościowej w warunkach symulujących pracę ramy krzesła. Stwierdzono, że próbki wykonane z sosny wykazują jedynie ok. 6% nośności próbek bukowych [I. Grbac, Ż. Ivelić, St. Dzięgielewski,, A. Bogner 1999]. J. Smardzewski badał obciążone statycznie połączenia z płyt wiórowych ze złączami o zacisku mimośrodowym z nakrętką młoteczkową oraz wkrętami konfirmatowymi na maszynie wytrzymałościowej. Badania prowadzono do momentu zniszczenia próbki, rejestrowano siłę w funkcji przemieszczenia. Stwierdzono, że typ złącza nie wpływa na stan naprężeń w tych połączeniach. Naprężenia w połączeniach kątowych ściennych podawanych zwieraniu, kształtują się w sposób charakterystyczny dla zginania [J. Smardzewski 1999]. W analizie wyników obu cytowanych publikacji stwierdzono, że o nośności połączenia w największym stopniu decydują właściwości mechaniczne łączonych materiałów. Potwierdzają to S. Eren i C.A. Eckelman, którzy badali połączenia z płyt wiórowych i pilśniowych wykonane przy użyciu konfirmatów, rozwierane i ściskane wg ASTM D 137 na maszynie wytrzymałościowej. Podczas eksperymentu badano siłę zginającą, naprężenie krytyczne i wytrzymałość krawędzi na wykruszenie. W analizie wyników badań stwierdzono, że wytrzymałość połączeń zależy głównie od wytrzymałości materiałów łączonych. Dodatkowo zaobserwowano duży rozrzut wyników oraz wyższe wartości uzyskiwane w teście rozwierania, niższe - zwierania [S. Eren, C.A. Eckelman 1998]. I. Swaczyna i J. Piekacz testowali połączenia z płyt MDF i wiórowych. Próbki obciążano na maszynie wytrzymałościowej stałym momentem i wyznaczano sztywność połączenia. Spośród połączeń rozłącznych najwyższą sztywność i nośność wy- 19 Np. [G. Kyutchukov, A. Marinova, B. Kyutchukov, V. Jivkov a, b]. Np. [St. Dzięgielewski, J. Smardzewski 1994; I. Grbac, Ż. Ivelić, St. Dzięgielewski, A. Bogner 1999]. 1 Np. [J. Zhang, F. Quin, B. Tackett 1; B. Branowski, P. Pohl i in. 4]. Połączenia dwu i trzykołkowe o φ 6 mm, dwu i trzykołkowe o φ 8 mm, dwukonfirmatowe, dwukonfirmatowe + kołki ustalające 8 mm, mimośrody Blum + kołki ustalające 8 mm, lamelkowe. 5

26 . Stan wiedzy o wymiarowaniu półsztywnych kątowych łącznikowych połączeń płyt drewnopochodnych kazało połączenie dwukonfirmatowe z kołkami ustalającymi [I. Swaczyna, J. Piekacz 1996]. I. Swaczyna i J. Grabowski prowadzili badania połączeń z płyty wiórowej z ośmioma rodzajami złączy zaciskanych mimośrodowo. Próbki obciążano statycznie na maszynie wytrzymałościowej i wykreślano statyczną ścieżkę równowagi aż do zniszczenia węzła. Stwierdzono, że największą nośność i sztywność mają połączenia ze złączem konfirmatowym, a najmniejszą - połączenia mimośrodowe [I. Swaczyna, J. Grabowski ]. V. Jivkov, J. Genchev i A. Marinova poddali badaniom połączenia ze złączami produkcji firmy Häfele: Minifix B34, Maxifix, z konfirmantem, oraz ze śrubą montażową Hospa do drewna. Próbki wykonano z buka. W analizie wyników stwierdzono, że śruby, Maxifix i jednoczęściowe łączniki zapewniają znacznie wyższe wytrzymałości niż pozostałe[v. Jivkov, J. Genchev, A. Marinova 1]. W wszystkich trzech wyżej wymienionych publikacjach stwierdzono, że połączenia ze złączami o dwustronnym zamknięciu strumienia sił są zdecydowanie mocniejsze od połączeń o jednostronnym zamknięciu strumienia sił obciążających. Na przestrzeni ostatnich kilku lat podjęto próby zastosowania metod numerycznych, w tym najbardziej popularnej Metody Elementów Skończonych, do modelowania półsztywnych połączeń łącznikowych wykonanych z kompozytów drewnopochodnych [M. Kociszewski, A. Wilczyński A. 1998, J. Smardzewski 1999, J. Smardzewski, S. Prekrad 3, N. Nishiyama, N. Ando 3, B. Branowski, R. Mostowski 3, B. Branowski, P. Pohl i in. 4 i wielu innych]. We współczesnych aplikacjach MES 3 w modelowaniu materiałów drzewnych, najczęściej stosuje się ortotropowe modele liniowo sprężyste (nie wszyscy autorzy piszą o tym explicite). Jest to wynikiem braku nieliniowych ortotropowych sprężysto-plastycznych modeli materiałowych, dodatkowo uwzględniających procesy rozwarstwiania kompozytu drzewnego. Zawęża to, w pewnym stopniu, obszary ich adekwatności. W praktyce nie jest możliwe stosowanie MES bez weryfikacji doświadczalnej otrzymanych wyników [R. Mostowski, M. Sydor 5]..3 Wyniki badań i modelowania komponentów połączeń.3.1 Płyty drewnopochodne Trójwarstwowe płyty wiórowe i płyty pilśniowe MDF są materiałem lepkosprężystym podczas obciążania wykazują natychmiastowe odkształcenie sprężyste, po którym następuje powolne pełzanie. W zakresie małych, krótkotrwałych, odkształceń przy ściskaniu (skrócenie względne rzędu 5 7%) 4, 3 Autor nie znalazł wzmianek w literaturze o istnieniu wspomnianych modeli materiałowych, potwierdził również ten fakt w rozmowach z użytkownikami programów MES z Akademii Rolniczej w Poznaniu, Politechniki Poznańskiej oraz Uniwersytetu Zielonogórskiego; dodatkowo dokonał przeglądu pod tym kątem dokumentacji wybranych wiodących aplikacji (ANSYS Release 9., ALGOR Ver. 13.8, IDEAS Ver. 1). 4 W przypadku niektórych klejów stosowanych do zaklejania wiórów granica proporcjonalności przy ściskaniu może znajdować się na poziomie 3 4% odkształcenia. 6