POŁĄCZENIA KĄTOWE DREWNA I PŁYT DREWNOPOCHODNYCH PRZY UŻYCIU ZŁĄCZ DWUTEOWYCH Piotr POHL * Krzysztof RADZIKOWSKI ** Marcin WOŁPIUK *** STRESZCZENIE Artykuł przedstawia innowacyjne połączenia dwuteowe mające zastosowanie przy łączeniu płyt drewnianych lub drewnopochodnych. Autorzy kreślą założenia, które będą pomocne w późniejszych badaniach tego typu połączeń kątowych. 1. WSTĘP Pod pojęciem połączenia meblowe rozumie się część konstrukcji mebla, w obrębie której zespolone są ze sobą w sposób nierozłączny lub rozłączny dwa lub więcej elementów [1]. Wyróżniamy trzy typy połączeń: bez użycia środków łączących; z użyciem środków łączących; * dr hab. inż. Wydział Technologii Drewna Katedra Obrabiarek i Podstaw *** mgr inż. Konstrukcji Maszyn, Uniwersytet Przyrodniczy Poznań ** mgr inż. Rücker Polska, Sp. z o. o., Poznań
połączenia łączące dwa wyżej wymienione. Jednym z nowych rozwiązań połączeń kątowych jest opracowane w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej złącze dwuteowe joint nail [5] (rys.1). Jest ono stosowane w przemyśle funeralnym (produkcja trumien) (rys.2). Dużą ich zaletą jest mocne, niewidoczne połączenie co wpływa na wysoką jakość końcowego produktu, a także niski koszt i łatwość wykonywania połączeń. Rys. 1 Złącze dwuteowe W Polsce złącza te stosowane są przez Zakład Przemysłu Drzewnego LINDNER [7]. Wyżej wspomniana firma wykorzystuje joint nail do połączeń kątowych elementów trumien wykonanych z drewna sosny. Interesującą kwestią jest wykorzystanie tego typu okuć dla materiału takiego jak dąb oraz płyta drewnopochodna. Rys. 2 Montaż joint nail przy użyciu udarowego młotka pneumatycznego [6]
2. OPIS TECHNOLOGII WYKONANIA POŁĄCZENIA W celu zastosowania joint nail przy łączeniu płyt wymagane jest wcześniejsze wyfrezowanie rowka o głębokości większej o 1 2 mm od połowy szerokości łącznika. Następnie krawędzie przylegania elementów łączonych pokrywa się klejem. Wbicie łącznika umożliwia udarowy młotek pneumatyczny (rys.2). Dzięki temu, że okucie jest szersze od czoła (rys.1, 3) łączone elementy zostają ściągnięte ku sobie (tzw. zacisk wstępny przy montażu) (rys.4). W przypadku połączeń kątowych klejonych ma to ogromne znaczenie gdyż nie są wymagane dodatkowe elementy ściskające w celu ze spojenia łączenia. Rys. 3 Model łącznika oraz podstawowe wymiary dla długości 2 Rys. 4 Mechanizm powstawania zacisku wstępnego: a) złącze wbite w elementy łączone, b) rowek wykonany w elementach łączonych przed montażem; F siła wbijania okucia, Fwst- siła napięcia wstępnego.
Powyższe rozwiązania są stosowane głównie w branży funeralnej, aczkolwiek można je zastosować w przemyśle meblarskim. Z racji wyżej wymienionych zalet oraz braku naukowych opracowań tego typu połączeń powstała koncepcja wykonania badań własności konstrukcyjnych, określenia obciążeń w złączu, jego wytrzymałości i sztywności. 2. CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU BADAŃ - PRÓBKI Elementy próbek wykonane zostaną z płyt drewnianych (sosna, dąb) oraz płyt drewnopochodnych (płyta wiórowa PW, płyta pilśniowa średniej gęstości MDF) Zgodnie z zaleceniami producenta okucia, w płytach zostanie wykonany rowek o szerokości 1.3 mm. Płyty zostaną przygotowane na specjalnej obrabiarce sterowanej numerycznie co gwarantuje powtarzalne wykonanie frezowania elementów łączonych z dużą dokładnością. Producent okucia zaleca taki dobór łącznika, aby stanowił on ¼ długości płyty na jedno okucie (przerwa między joint nail stanowi ½ długości krawędzi łączonych) (rys.5). Rys. 5 Szerokość próbki oraz długość łącznika (mm) Z racji, że elementy próbek będą miały wymiary 200x200x18 (mm) zostaną zastosowane okucia o długości 2 (50.80 mm) (rys.3). Typy połączeń i podstawowe wymiary podano na rysunkach (rys.6, 7).
Rys. 6 Umiejscowienie rowka dla płyt ściętych pod kątem 45 Rys. 7 Umiejscowienie rowka dla płyt łączonych prostopadle 3. METODA BADAŃ Badania będą przeprowadzone na maszynie wytrzymałościowej (rys.8) wyposażonej w odpowiednie oprzyrządowanie badawcze, na której próbki będą poddawane rozwieraniu i zwieraniu. Planowane są następujące badania: badanie zależności moment kąt lub siła odkształcenie; badanie nośności połączenia; wyznaczenie sztywności połączenia. Obciążenie będzie miało złożony stan naprężeń (rys.9) tzn. moment zginający M jest zespolony z siłą obciążenia złącza F. To typowe dla wielu badań zespolenie funkcjonalne wartości siły F i momentu M(F) nie wynika z eksploatacyjnego stanu obciążenia połączenia, lecz z prostoty pomiarów na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej [1]. Tak więc na próbkę przy złożonym stanie obciążenia będą działały: siła nacisku F (oraz jej składowe
normalne Q, P), wywołująca moment gnący M, obciążenie wstępne Fwst (siła napinająca połączenie podczas montażu). Badania zostaną przeprowadzone na dwóch rodzajach połączenia: płyty bez ścięcia, połączone prostopadle do siebie (rys.6, 9); płyty ścięte pod kątem 45, a następnie połączone (rys.7, 9). Rys. 8 Próbka zamocowana w uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej [3] Rys. 9 Schemat stanu obciążeń dla: a) zwierania (połączenie płyt prostopadłe); b) rozwierania (płyty ścięte pod kątem 45 ): F siła obciążająca złącze, Q i P składowe siły F, M moment wywołany przez siłę F, Fwst siła napięcia wstępnego
4. PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonych badań planuje się uzyskanie odpowiedzi na temat różnic w wytrzymałości złącza wykorzystującego łącznik join nail w różnych typach materiałów oraz możliwości rozpowszechnienia jego zastosowania poza branżę funeralną. Szczególnie interesująca jest kwestia użycia tego typu okucia do łączenia płyt pilśniowych średniej gęstości i porównanie nośności i sztywności tych połączeń z połączeniami płyt z drewna sosnowego i dębowego. LITERATURA [1] Modelowanie półsztywnych węzłów konstrukcyjnych mebli; Red. Branowski B., Pohl P.; Akademia Rolnicza, Poznań, 2004, [2] Dzięgielewski S., Smardzewski J.: Meblarstwo projekt i konstrukcja, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Poznań, 1995, [3] Sydor M.: Właściwości konstrukcyjne półsztywnych kątowych połączeń płyt drewnopochodnych ze złączami, Politechnika Poznańska, maszynopis, Poznań, 2005, [4] Wieloch G., Sydor M., Pohl P.: Wyznaczenie optymalnych nośności i sztywności wybranych meblowych półsztywnych złącz kątowych, Politechnika Koszalińska, Zeszyty Naukowe Wydziału Mechanicznego nr 35, Prace XXII Ogólnopolskiej Konferencji Polioptymalizacja i Komputerowe Wspomaganie Projektowania, Mielno, 2004, [5] http://www.jointnails.com, 18.02.2009, [6] http://www.nut-feder-nagel.de, 18.02.2009, [7] http://www.zpdlindner.pl, 18.02.2009. CONNECTIONS ANGLED WOOD AND WOOD-BASED PANELS BY USING JOINT NAILS CONNECTORS SUMMARY This paper presents an innovative joint nail connectors to be used in combining wood or wood-based panels. Authors draw layout that will be helpful in subsequent studies of this type of angled connections.