Szerkezeti faanyag szilárdsági vizsgálata

Átírás

1 Szerkezeti faanyag szilárdsági vizsgálata /Hajlítószilárdság meghatározása az MSZ EN 408 szerint/ Készítette: Csillag Máté YLWTF7 Fogas Benjamin QM4DL6 Győr, március 29. Jakab Lilla Kancler Petra Tóth Sándor B5F4C7 O2EQ1K AF50WD 1

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés Vizsgálat rövid bemutatása A vizsgálat célja Általános tudnivalók Próbatestek kondicionálása Próbatestek kialakítása Vizsgálat menete A vizsgálati eredmények A vizsgálati eredmények értékelése Egyedi hajlítószilárdság számítása A vizsgálati eredmények statisztikai értékelése Karakterisztikus érték számítása Szilárdsági osztályba való sorolás (részleges) Összegzés Melléklet Nedvességtartalom meghatározása Erő-elmozdulás diagram (10.jelű próbatest) es próbatest hajlítása során készített videófelvétel További fotók

3 Hajlítószilárdság meghatározása az MSZ EN 408 szerint 1. Bevezetés A tantárgy keretein belül, feladatunk egy tanulmány készítése. Dolgozatunk témája egy labormunka elvégzése, és azon eredményekből karakterisztikus értékek számítása, majd értékelése. A választott mechanikai tulajdonság, melyet vizsgálni szeretnénk az a hajlítószilárdság. A döntés azért esett erre a tulajdonságra, mert a szerkezeti faanyagok egyik legmeghatározóbb, legfontosabb tulajdonságnak tekinthető. Ugyanis a beépített faanyagok döntő többsége hajlításra működnek. Feladatunkat nem az egyetemi laboratóriumban végeztük, hanem csapattársunk, Csillag Máté munkahelyének építőanyag laboratóriumában. Ennek megfelelően a Mérnök Mátrix Bt. biztosított számunka vizsgálati lehetőséget. Azért esett a választásunk ezen helyszínre, mert csapatunk számára csak késő esti időpont volt alkalmas a kísérletek elvégzésére, így nem kellett alkalmazkodnunk az egyetemi rendhez. A helyszín biztosításon kívül, szakmai segítséget nem vettünk igénybe. Vizsgálatunk alapját képezte az vonatkozó szabványok, melyek a következők: MSZ EN 408: Faszerkezetek. Szerkezeti fa és rétegelt-ragasztott fa. Egyes fizikai és mechanikai tulajdonságok meghatározása. MSZ EN 384:2010 Szerkezeti fa. A mechanikai tulajdonságok és a sűrűség karakterisztikus értékeinek meghatározása. Ezen szabványok részletes áttanulmányozását követően kezdtük el a előkészületeket. kísérletekkel kapcsolatos 2. Vizsgálat rövid bemutatása A következő néhány pontban szeretnénk bemutatni a szerkezeti faanyaggal kapcsolatos hajlítószilárdság vizsgálat lényegét, fontosabb szabályait. A vizsgálatot a fent említett szabvány irányelvei szerint végeztük A vizsgálat célja A szilárdsági osztályba való soroláshoz legalább három különböző karakterisztikus érték (pl.: hajlítószilárdság, rostirányú rugalmassági modulus és sűrűség) előállítása szükséges. Ezek közül csupán a hajlítószilárdság meghatározására irányuló eljárásokat végezzük. Ebből adódóan tevékenységünk célja elsősorban a faanyagokkal kapcsolatos mechanikai laboratóriumi vizsgálatok közül, egy részletekre kiterjedő megismerése. (hajlítószilárdság meghatározása). 3

4 2.1. Általános tudnivalók A faanyagok építőipari alkalmazásakor a felhasználás lehetőségeit alapvetően a fizikai, mechanikai, a kémiai és a technológiai tulajdonságok határozzák meg. A faszerkezetek minden eleme meghatározott funkciót tölt be, így az alkalmazott faanyag tulajdonságainak az igénybevételektől adódó követelményeket kell kielégíteniük. A faanyagok szilárdságát alapvetően a terhelés módja határozza meg. Ezeket az értékeket azonban a fizikai jellemzők (nedvességtartalom, hőmérséklet stb.) és a szövetszerkezet befolyásolja, emellett egyes esetekben jelentősen módosítja is. Megjegyeznénk, hogy a kísérlet egy adott nedvességtartalommal végeztük, melyet a Mellékletben egy összefoglaló táblázatban közlünk Próbatestek kondicionálása Az előző pontban említett okok miatt, a szerkezeti faanyagokkal történő vizsgálatoknál nagyon fontos szempont a próbatestek megfelelő kondicionálása. A vizsgálatokat normálklímán (20 ± 2 C) hőmérsékleten és (65 ± 5 %) relatív légnedvességen kondicionált próbatestekkel kell elvégezni. A próbatest akkor kondicionált, ha elérte a tömegállandóságot. A tömeg akkor állandó, ha két egymást 6 órás időközzel követő mérés eredményének különbsége legfeljebb a próbatest tömegének 0,1%-a. Feladatunk során a próbatesteket a felhasználásig (törésig) a fentebb megadott paraméterű klímán tartottuk Próbatestek kialakítása Az eljáráshoz szükséges faanyagot a BNF Kft. győri telephelyéről szereztük be. A megvásárolt építőanyagon egy előosztályozást hajtottunk végre, melynek lényege, hogy olyan vizsgálati próbatest ne forduljon elő, melyben szemmel látható károsodások, fahibák találhatóak. Azért fontos a vizsgálatra való alkalmassági szelektálás elvégzése, mert a szilárdságok nagy szórását eredményezné, ha nem megfelelő elemeket vizsgálnánk. Ugyanis a célunk, hogy leellenőrizzük, hogy a kereskedelmi forgalomban kapható fűrészáru teljesíti-e a meghatározott specifikációkat. (hajlító szilárdság) Megjegyeznénk, hogy a fahibák kiszűrése az általunk végzett módszernél- sokkal bonyolultabb, melyet az MSZ EN 1310:2000 szabályoz. A hajlítószilárdság meghatározásához szabványos méretű próbatestet alkalmazunk. Az elemeket egy 5 cm x 5 cm-es keresztmetszetű zárlécből munkáltuk ki. A szabvány a hosszúsági mértre ad meghatározott követelményt, mely értelmében: A próbatest hosszúsága rendszerint legalább a keresztmetszeti magasság 19-szerese legyen. Ha ez nem lehetséges, a fesztávolságot a vizsgálati jegyzőkönyvben meg kell adni. Ennek tekintetében próbatestjeink 5cm x 5cm x 100cm-es (szél x mag x hossz) méretekkel rendelkeznek. A próbatestek kialakítását követően, méreteit 1%-os pontossággal lemértük. Ennek értelmében feljegyzésre kerültek a hosszúságok, a magasságok és a szélességek. A hosszúságok és a magasságok esetében az elem hossza mentén három méretet határoztunk meg. A számításba vehető geometriai érték ezen eredmények átlaga adja. A vizsgálatig az elemeket kondicionált térben tároltuk. Az következő táblázatban (1. táblázat) a geometriai méreteket közöljük: 4

5 Méretek b h l [mm] 49,9 50,1 50,1 49,8 49,7 49,0 49,2 48,9 49,8 49,5 49,8 50,6 50,9 50,7 49,9 49,8 50,7 50,1 51,1 51,2 50,8 50,1 49,8 49,7 48,7 999,0 999,0 999,0 1001,0 1002,0 999,0 Sorszám Sorszám Méretek b h l [mm] 49,8 50,7 50,6 50,7 50,5 49,6 49,9 50,9 50,7 50,6 50,5 50,5 49,9 51,0 51,2 51,0 50,8 50,9 50,8 50,7 50,6 49,9 50,5 49,8 50,1 49,8 999,0 999,0 999,0 1001,0 A próbatestekről készített fotók: 1.táblázat: próbatestek méretei 5

6 2.4. Vizsgálat menete A vizsgálatot egy 200 kn teherbírású Matest típusú hajlító kereten végeztük. Az előkészített próbatestek, a következő ábrán (1.ábra) bemutatott elrendezésben kerültek elhelyezésre a hajlítószilárdság mérésére alkalmas gépbe. A próbatest statikai viselkedése leírható egy szimmetrikusan, két ponton terhelt kéttámaszú tartóval. A terhelési pontokon teherelosztó lemezek helyezhetőek el a szabványban meghatározott feltételekkel. A gerenda egyik támasza fix csuklós, a másik pedig billenős csuklós kialakítású. 6h±1,5h 6h 6h±1,5h h 18h±3h 1.ábra: elrendezési vázlat 6

7 A terhelést állandó sebességgel mozgó terhelőfejjel végeztük. A terhelési sebességek meghatározásához szükséges a várható törőerő nagysága, melyet a vásárolt faanyag szilárdsági osztályából kiindulva tudunk meghatározni. Feltételként adott, hogy a terhelés kezdetétől számított 300±120 másodperc alatt kell elérnie a törőerő nagyságát ( a vizsgálati időtartammal). Ez 0,02 kn/s nagyságú sebességgel érhető el. A fent említett feltételeknek megfelelően végeztük el a vizsgálatot, melyre án került sor a Mérnök Mátrix Bt. Építőanyag Laboratóriumában. A hajlítókeretbe, a teherelrendezési vázlatnak megfelelően, behelyezett próbatestet a fent meghatározott állandó sebességgel terheltük. A gép automatikusan rögzítette a terhelő erő nagyságát, illetve az eltelt időt. Így folyamatos kontroll alatt tudtuk tartani a terhelés alakulását. Az erő 10 %-os visszaesését követően a gép automatikusan leállt, és az addig mért maximális értéket (törőerő) kijelezte, melyet digitális adathordozóra mentettünk. Az így kapott adatokat - a későbbiekben közölt táblázatokban - részletesen bemutatjuk. Egy mintadarab esetében lehajlásmérőt is elhelyeztünk, mely automatikusan rögzítette az alakváltozási adatokat (függőleges irányú elmozdulás) a terhelés függvényében. Ezen adatsor felhasználásával a Mellékletben erő-elmozdulás diagramot készítettünk. A vizsgálatokról készített fotók: 7

8 3. A vizsgálati eredmények A következőekben, az adott próbatestre vonatkozó törőerő (Fmax) értékeket mutatjuk be a 2.táblázatban. A szerkezeti fa névleges mérete: 50 x 50 x 1000 mm Alátámasztások közötti távolság: Sor-szám Méretek* a b h [mm] *A táblázatban megadott a és b méretek átlagértékek 8 A terhelő erők támadáspontja közötti távolság: Törőerő (F max) [kn] ,0 5, ,5 6, ,1 4, ,0 5, ,0 50,1 999,0 5, ,0 6, , ,1 50,1 1001,0 5, ,8 49,9 1002,0 4, ,1 49,6 999,0 3, , ,5 51,0 5, ,0 4, ,8 999,0 5, ,0 3, ,8 4, ,6 5, ,5 4, ,1 50,1 1001,0 5, ,65 2.táblázat: törőerő értkei

9 4. A vizsgálati eredmények értékelése 4.1. Egyedi hajlítószilárdság számítása A vizsgálati eredmények értékelését az MSZ EN 384:2010 szerint végeztük. A kapott törőerőkből hajlítószilárdságot számoltunk, majd a szabványban megadott összefüggések felhasználásával kaptuk meg a hajlítószilárdság karakterisztikus értékét. A hajlítószilárdság egyedi értékének számítási módszerét, az 1. jelű próbatest hajlításából származó eredmények felhasználásával, mutatjuk be. A többi esetben, táblázatban összefoglalva adjuk meg a végeredményeket. Geometriai jellemzők: (1. jelű próbatest) b = mm h = mm l = 999 mm I = b h3 12 l f = 900 mm = 3 12 = mm 4 l b h Szilárdsági jellemzők: (1. jelű próbatest) F max1= 5,24 kn f F m1= max l f b h 2 = 5, =42,0 N/mm 2 Magyarázat: f m = A hajlítószilárdság egyedi értéke, melyet a tartón működő maximális hajlítónyomatékból, az inercianyomatékból, illetve a semleges tengely és a szélső szál közötti távolságból kerül meghatározásra. A következő táblázat (3.táblázat) a számolt hajlítószilárdsági értékeket (fm) mutatja. 9

10 Sor-szám Méretek Törőerő Hajlítószilárdság a b h (F max) f m [mm] [kn] [N/mm 2 ] ,0 5,24 37, ,5 6,01 42, ,1 4,87 34, ,0 4,11 29, ,0 50,1 999,0 5,06 37, ,0 6,42 44, ,90 34, ,1 50,1 1001,0 5,03 36, ,8 49,9 1002,0 4,93 35, ,1 49,6 999,0 3,90 28, ,52 32, ,5 51,0 4,35 29, ,0 4,80 34, ,8 999,0 5,30 36, ,0 3,94 28, ,8 4,45 31, ,6 5,01 35, ,5 4,79 33, ,1 50,1 1001,0 3,98 28, ,01 28,64 Hajlítószilárdság átlaga (f m, mean) 35,85 Hajlítószilárdság minimuma (f m, min) 28,03 Hajlítószilárdság maximuma (f m, max) 44,25 Szórás (s) 4,00 Terjedelem 16,22 3.táblázat: hajlítószilárdság értkeit bemutató táblázat 4.2. A vizsgálati eredmények statisztikai értékelése A következőekben a mintákból számított eredmények statisztikai elemzését mutatjuk be. Elsőként a gyakoriságokat szemléltetjük a mellékelt diagrammon. (1.diagram) 10

11 1.diagram: sűrűség hisztogram A hisztogramon látható, hogy a hajlítószilárdságok értékeit 5 intervallumra bontottuk szét. Ezen intervallumokba megszámoltuk a gyakoriságokat. Megállapítható, hogy a darabszámok normál eloszlásúak, melyeknek ún. haranggörbe alakot ír le a sűrűségfüggvénye. Ezen megállapítást a 2. diagram-on szemléltetjük. 2.diagram: sűrűség hisztogram A 3. diagram a vizsgálati eredmények eloszlását mutatja, mely egy adott érték, illetve annál kisebb eredmények előfordulási valószínűségét jeleníti meg. Például a 37,76 N/mm2 és annál kisebb hajlítószilárdsági érték előfordulási valószínűsége 70%. 11

12 3.diagram: eloszlás hisztogram A normál eloszlás feltételét a 7.kép mutatja be, mely jelen esetben - a 2s követelmény esetében - 1 db vizsgálati eredmény esik ezen határon kívül, azaz az összes mintadarab 1/20-a (5%-ka). Így az teljes vizsgálati mennyiség tekintetében, az eredmények 95%-ka a vizsgálati tartományba található. Megjegyeznénk, hogy nagyobb darabszám esetében az eredmények elemzéséből pontosabb következtetést lehetne levonni, illetve a tudományos illeszkedésvizsgálatot (c2 próba), feladatunk összetettsége miatt, nem állt módunkban elvégezni. 7.kép: A normál eloszlás kritériuma 4.3. Karakterisztikus érték számítása Az egyedi értékek átlagából kapjuk meg a hajlítószilárdság átlagértékét (fm, mean), mely jelen esetben 35,85 N/mm 2.-re adódott A karakterisztikus értéket, az 5%-os kvantilishez tartozó eredmény alapján határozhatjuk meg, különböző korrekciós tényezőkkel. Az 5 %-os kvantilis egy alsó küszöbérték, amelynél kisebb értékek 12

13 előfordulásának valószínűsége 5%. Ez annyit jelent, hogy 20 hajlítószilárdsági eredményből a legkisebb eredményt használjuk a karakterisztikus érték számításához. (20 db eredmény 5%- ka 1, azaz az első legkisebb mérési eredményt használjuk) A következő táblázat (4.táblázat) a karakterisztikus érték előállítását mutatja: Hajlítószilárdság átlagértéke (f m,mean) Módosított értékek [N/mm 2 ] [N/mm 2 ] 5 %-os kvantilis f m ,03 Méret szerinti korrekció 1,25 f m.0.5 / k h 22,42 34,0 Minták száma sz. k. 0,77 f m.0.5 * k s * k v 17,26 Vizuális osztályozás k. 1,00 A hajlítószilárdság karakterisztikus értéke f m,k = 17 N/mm2 4.táblázat:karakterisztikus érték számítása 5. Szilárdsági osztályba való sorolás (részleges) A 2.2 pontban említett okok miatt, tanulmányunkban csak részleges osztályba sorolást tudunk elvégezni. Sajnos ezen tárgy keretein belül nincs lehetőségünk -ugyanezen faanyagon további vizsgálatok végrehajtására. A következő táblázat az MSZ EN 338:2016-os szabvány által meghatározott minimális értékeket (sűrűség, rostirányú nyomószilárdság, rostirányra merőleges nyomószilárdság, hajlítószilárdság, rugalmassági modulus) jeleníti meg, az adott szilárdsági osztályok tekintetében. k f c,0,k f c,90,k f m,k E 0,mean C14 C16 C18 C20 C22 C24 C27 C ,2 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2, táblázat: szilárdsági osztályba való sorolás határértékei Ezen táblázat felhasználásával megállapíthatjuk, hogy a vizsgált szerkezeti faanyag C16-os szilárdsági osztályba tartozik. A gyártó által közölt teljesítménynyilatkozatban szereplő specifikációnak (hajlítószilárdság) - vizsgálati szempontból - MEGFELEL! Megjegyeznénk, hogy akkor lehetne pontos következtetést levonni, ha legalább még 2 különböző fajta eljárás alá vetnénk a választott faterméket. (sűrűség, nyomószilárdság) 13

14 6. Összegzés A keretein belül a szerkezeti faanyagra vonatkozó laboratóriumi vizsgálat (hajlítószilárdság) elvégzését, és annak elemzését tűztük ki célul. Úgy gondoljuk, hogy nagyon fontos megismerni az adott szerkezeti anyagra vonatkozó előírásokat, szabványokat. A tanulmány készítése során a csapatunk minden tagja részletekre kiterjedő ismeretekkel bővült a szabványos vizsgálatok tekintetében. Egy tartószerkezeti tervező számára alapvető követelmény, hogy ismerje az adott anyagra vonatkozó eljárásokat, illetve a méretezési feladatoknál alkalmazott anyagjellemzők (szilárdsági) eredetét. Mindenki számára világos lett, hogy az anyagtan egy nagyon bonyolult tudomány. Sok körülmény együttes jelenléte szükséges ahhoz, hogy a vizsgálatból megfelelő következtetéseket tudjunk levonni, illetve a kapott eredmények összhangban vannak-e a valósággal. Építőmérnöki feladata a megszerzett szakmai tudásanyag felhasználásával és megfelelő szempontok figyelembevételével, nyilatkozni a megfelelőségről. 14

15 7. Melléklet Nedvességtartalom meghatározása A nedvességtartalmat az adott próbatestekből lefűrészelt ~9 cm-es darabokon határoztuk meg. Megjegyeznénk, hogy a kapott szilárdsági értékek, a faanyag laborklímán tartott nedvességtartalomhoz tartoznak. A nedvességtartalom meghatározást az MSZ EN :2004 számú, A fűrészáru nedvességtartalma. 1.rész: Meghatározás szárítószekrényes kiszárítással. című szabvány szerint végeztük. Méretek b l h 15 Nedves (m 1) Tömeg Száraz (m 0) [mm] [g] [mm] [g] 1. 70,1 88, ,9 89, ,4 88, ,5 71,0 89, ,1 70,5 89, ,4 89, ,4 89, ,5 89, ,0 70,2 89, ,5 88, ,3 89, ,8 70,6 89, ,1 88, ,6 70,7 89, ,1 70,3 88, ,5 70,7 89, ,8 70,3 89, ,1 70,6 88, ,1 70,2 89, ,7 89, A tömegállandóságig történő szárítás után a próbatestek száraz tömegei lemérésre kerültek, melyeket a közölt táblázatban mutatunk be. A nedvességtartalom %-os értékét a 7.táblázatban közöljük. 6.táblázat: nedvességtartalom meghatározás Sorszám Nedvességtartalom (w) (m 1-m 0) / m [m%] 1. 16,7% 2. 16,2% 3. 11,9% 4. 11,0% 5. 13,2% 6. 14,6% 7. 15,0% 8. 13,2% 9. 20,4% ,3% Sorszám Tömeg Méretek Nedves Száraz Sorszám (m 1) (m 0) b l h Sorszám Nedvességtartalom (w) (m 1-m 0) / m [m%] ,5% ,6% ,0% ,8% ,1% ,7% ,4% ,8% ,4% ,2% 7.táblázat: nedvességtartalom meghatározás

16 Az átlagos nedvességtartalom 16,2 %. A vizsgálat során készített fotók: Erő-elmozdulás diagram (10.jelű próbatest) A 10. jelű próbatest esetében lehajlásmérőt helyeztünk el az összeállításban. A hajlítókerethez rendelt lehajlásmérő alkalmas 0,001 mm pontossággal mérni az alakváltozási értékeket. A következő diagram a kinyert adatsor feldolgozása révén készült. 16

17 Látható, hogy a terhelés és az alakváltozás - a kezdeti bizonytalanságot kivéve között közel lineáris kapcsolat van. A 22 mm-es elmozdulást követően az erő visszaesése tapasztalható, mely a fa keresztmetszet tönkremenetelét jelzi, viszont további erő felvételére alkalmas. A végső tönkremenetel a 35,7 mm-es elmozduláshoz tartozó erő esetén következik be. Ezt tekintjük törőerőnek. 10-es próbatest hajlítása során készített videófelvétel A 10. jelű próbatest hajlításáról videófelvétel készült, melyet külön adathordozón, a tanulmányunkhoz mellékelve közlünk. További fotók 17