Szerkezeti faanyag szilárdsági vizsgálata

Szerkezeti faanyag szilárdsági vizsgálata /Hajlítószilárdság meghatározása az MSZ EN 408 szerint/ Készítette: Csillag Máté YLWTF7 Fogas Benjamin QM4DL6 Győr, 2018. március 29. Jakab Lilla Kancler Petra Tóth Sándor B5F4C7 O2EQ1K AF50WD 1

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés... 3 2. Vizsgálat rövid bemutatása... 3 2.2. A vizsgálat célja... 3 2.1. Általános tudnivalók... 4 2.2. Próbatestek kondicionálása... 4 2.3. Próbatestek kialakítása... 4 2.4. Vizsgálat menete... 6 3. A vizsgálati eredmények... 8 4. A vizsgálati eredmények értékelése... 9 4.1. Egyedi hajlítószilárdság számítása... 9 4.2. A vizsgálati eredmények statisztikai értékelése... 10 4.3. Karakterisztikus érték számítása... 12 5. Szilárdsági osztályba való sorolás (részleges)... 13 6. Összegzés... 14 7. Melléklet... 15 Nedvességtartalom meghatározása... 15 Erő-elmozdulás diagram (10.jelű próbatest)... 16 10-es próbatest hajlítása során készített videófelvétel... 17 További fotók... 17 2

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 408:2011 - 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. 2.2. 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

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. 2.2. 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. 2.3. 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

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 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 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19 20 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

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

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 2018.03.06.-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

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] 1. 999,0 5,24 2. 50,5 6,01 3. 50,1 4,87 4. 999,0 5,35 5. 49,0 50,1 999,0 5,06 6. 51,0 6,42 7. 4,85 8. 50,1 50,1 1001,0 5,03 9. 49,8 49,9 1002,0 4,93 10. 50,1 49,6 999,0 3,90 11. 4,52 12. 50,5 51,0 5,55 13. 999,0 4,80 14. 50,8 999,0 5,30 15. 999,0 3,94 16. 49,8 4,45 17. 50,6 5,01 18. 50,5 4,79 19. 50,1 50,1 1001,0 5,28 20. 5,65 2.táblázat: törőerő értkei

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 = 530 265 mm 4 l b h Szilárdsági jellemzők: (1. jelű próbatest) F max1= 5,24 kn f F m1= max1 1000 l f b h 2 = 5,24 1000 900 2 =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

Sor-szám Méretek Törőerő Hajlítószilárdság a b h (F max) f m [mm] [kn] [N/mm 2 ] 1. 999,0 5,24 37,28 2. 50,5 6,01 42,25 3. 50,1 4,87 34,99 4. 999,0 4,11 29,12 5. 49,0 50,1 999,0 5,06 37,03 6. 51,0 6,42 44,25 7. 4,90 34,44 8. 50,1 50,1 1001,0 5,03 36,00 9. 49,8 49,9 1002,0 4,93 35,78 10. 50,1 49,6 999,0 3,90 28,48 11. 4,52 32,29 12. 50,5 51,0 4,35 29,81 13. 999,0 4,80 34,15 14. 50,8 999,0 5,30 36,82 15. 999,0 3,94 28,03 16. 49,8 4,45 31,66 17. 50,6 5,01 35,64 18. 50,5 4,79 33,87 19. 50,1 50,1 1001,0 3,98 28,48 20. 4,01 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

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

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

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.0.5 28,03 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 C30 350 370 380 390 410 420 450 460 16 17 18 19 20 21 22 23 2 2,2 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 14 16 18 20 22 24 27 30 7000 8000 9000 9500 10000 11000 11500 12000 5.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

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

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 13183-1:2004 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 88,8 116 99 11. 70,9 89,8 130 114 2. 70,4 88,7 154 133 12. 50,5 71,0 89,1 134 117 3. 50,1 70,5 89,6 123 110 13. 70,4 89,2 126 105 4. 70,4 89,4 117 105 14. 70,5 89,7 128 112 5. 49,0 70,2 89,1 116 103 15. 70,5 88,7 127 108 6. 70,3 89,2 137 120 16. 49,8 70,6 89,4 149 123 7. 70,1 88,7 146 127 17. 50,6 70,7 89,9 125 107 8. 50,1 70,3 88,9 116 103 18. 50,5 70,7 89,3 132 114 9. 49,8 70,3 89,3 121 101 19. 50,1 70,6 88,4 123 101 10. 50,1 70,2 89,7 140 122 20. 70,7 89,3 135 111 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 0 100 [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% 10. 14,3% Sorszám Tömeg Méretek Nedves Száraz Sorszám (m 1) (m 0) b l h Sorszám Nedvességtartalom (w) (m 1-m 0) / m 0 100 [m%] 11. 14,5% 12. 14,6% 13. 20,0% 14. 14,8% 15. 17,1% 16. 20,7% 17. 16,4% 18. 15,8% 19. 22,4% 20. 21,2% 7.táblázat: nedvességtartalom meghatározás

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

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