Untersuchungen über das Verhalten von Holzwerkstoff-Platten bei Stoßbeanspruchung sowie über ihren dynamischen Elastizitäts-und Schubmodul

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    10-Jul-2016

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  • HOLZ ALS ROH- UND WERKSTOFF

    24. JAHRGANG FEBRUAR 1966 HEFT 2

    Untersuchungen tiber das Verhalten von Holzwerksfoff-Platten bei Sfogbeanspruchung sowie tiber ihren dynamischen Elasfizifiits- und Schubmodul*

    Investigations on the Behaviour of Wood-.Base Board Material at

    Impact Load and on their Dynamic Modulus of Elasticity and Shear

    \,~m Hors t Schne ider , M i inchen

    E,inleitz~n~, Me/3verlahre.n Eich,ung der Mefl- vorr ichtu~gen A uxwerlz~ng der J?lessuncen -- Fehler- abschdlzung Ve~,suche: Einflu[3 des :l,le/3kop/d~rch- me,~sers auf die Durchschlal, arbeit ; E inf t~f i des Pla l ten- iormates 't~nd der A,u/ lagerbedingu~gen; E in f lu f l der l:allh

  • 42 H. Schneider, Verhallcn \on Ilulzwerksi~fffen bci Sto[31)eanspIm:hung IfOLZ als Roh- unll ~Vcrks Loll

    Imansl)l:uchung wieder crlff~hte . \ufmerksamkei l zu. .\uf holztechnologischena (;ebiet sind (lie : \rbeiten yon R, \V. 1)avidson%{,581undXV. L. JamesF~96z erw~ihnenswerl. Statt der frfiher eingesetzten Piezuquarze verwenden beide l:orscher b:raftaufnehmer mit I)ehnungsmef3streifen zur Aufzeichnung v~,n Kra "t-l)urch ~iegungs-1 ) iagrammen sto[3- artig belasteter Holzst~il)e. Eine grfindliche [Tntersuchung des genauen Kraftverlaufs bet Schlagl~eanspruchung stab- f6rmiger l ) rol)en aus Hnlz ur~d I)lel3schichtholz sta lnmt yon H. K rech i)959~, wobei Kraftaufllelmaer nail- Piezo- quarzen und mit l)ehnungsmeBstreifen kritisch verglichen wtirden.

    Ein Ziel der vorliegenden [Tntersuclnung I)estand nun darin, auch bet plattenf6rmigen Holzwerkstoflen unter Sto 3bel tstt i:tg l~:raft-Verformungs-Diagramrne aufzuneh- men. l)ie dazu erforderliche elektronische MeBapparatur widerspricht dem \Vunseh der lndustr ie nach m6glichst wenig aufwendigen Priilger'/iten. l)eshalb wurde die v(m der P latte aufgenommene 1)urchschlagenergie dttreh eine mechanische Zusatzvorr ichtung gemessen und ihre P,e- ziehung zu der zum l~rueh de]7 l~latte fi ihrenden Energie (Brucharbeit) untersucht. Die Plrucharbeit kennzeichnet die Energieaufnahme his zunl l':rreichen der H6chstkraft wtihrend tics I)urehschlags, mit tier weiterhin notwendigen I:nergie zum :\ufweiten der Bruehz(me, zum .kl)16sen yon Splittern, zur ('l)erwin(lui]g yon 1,teilmngskrfiften am I)urchschlagki;r l )erusw erg ib ts i chdannd iegesamteDurch schlagarbeit.

    9

    YY ;@e:fretveoe Oszilloyraph

    mif > M egvecs/o~er&ystrierkamero

    Zei/mo:ken, qeber

    5"fH

  • 21 .I)4. ILql "~ I:l. Schne ider , V( . i 'h~t l f lq l v(')ll l {o ]zwtq ' [ . : s t l )~e l l Imi S t~)131) , .anspr tu hung l , ) 1,1,1 )1-11~11- I i#(,i )

    \:~}rvcrsuchc ergal)en, daI3 mit keiner h/)hereu Kraft al> 200o I

  • /~{ H. Schneider, Verhalten yon I h)lz~erkstoffen bet Stol31~eanspruchun R HOLZ sis P, oh- und Werkstoff

    (; 9 h (st. Die FallhOhe h wird vonder Stellung des [,'allgewichts G aus gemessen, in der dieses gerade den Hebel H beriihrt, wobei die AusIenkung x also gleieh Null (st. In Bild 5 (st ein Eieh- protokoll der Fangvorriehtung wiedergegeben.

    Bet den ersten Versuchen mit dem \Verkstott des grOBten Durchstol3widerstands (11 schichtige Buchen-Furnierplatten, 15ram dick) wurde eine H6chstkraft yon rd. 13ookp erreicht. Nach diesem Anhaltswert wurde der t(raft:mel3kopf zur Eichung mit einer Universalprfifnaaschine (H6chstlast 20 Mp, Mel3bereich 2000 kp) in Stufen yon 2oll kp bis P,,,~,~- I611(~ kp belastet, wobei die dadureh bewirkte 3,-Auslenkung des Liehtpunktes auf dem Oszillographenschirm auf 8 cw_ (Seitenliinge eines dem IAchtschirm eingesehriebenen Quadrats) eingeregelt wurde. Ffir die Eichung war der x-ls bet abgeschalteter Zeitablen- kung geerdet. [)as Drehspulinstrument des Verstgrkers zeigte bet der H6chstlast etwa 91)()~ des VollausseMags, (lie Arbeits- bereiehe beider Ger/ite waren also gut ausgenfitzt. Die der je- weiligen l.aststufe entspreehende vertikale l.age des Licht- punktes wurde photographisch festgehalten. Bet den dtinnen Limba-Furnierplatten (5 mm dick) genfigte vine Eichung bis P , . : ,x - 16o kp. In diesem I.astbereich diente zur Eichung ein Ringkraftmesser mit einer zul~issigen Belastung yon 500 kp, die einzelnen l.aststufen betrugen 20 kp.

    ~ 50f

    iiiii ' i : t[tlJ " lilt ' , , , I,,,, 0 0, I1[[{ ' ' * " ' III1( 10 E ~711hbhe h. .. 7 2 $ 5 10 15 20 25

    zvgefShr/e Enery/e." 23.9 # 7~8 7~8 77.9,6 23.q,,~ 358.8 # 78,0 598,0 717,6 8.77,2 956,8 1076,4 kpcm

    13ild 5- E'iehprotokoll der Vangvorrichtung. i)ic senkrechten IAnien stellen die jeweilige Auslenkung der Schreibspitze dar.

    8 cm

    ~6

    ~z

    /

    I I I I I Eiehkurve des KmflmeYkopfes

    Pro.x= ~g00kp

    9 t I

    1/ /

    / /

    / /

    ooo 800 R00 kp ~#o0 1. os t P

    Bild 6 Eichkurve des KraftmeBkopfes. Bi]d 7. ()szillogramm der \Vegmessung

    eines freien Falls.

    Die Eiehkurvc der KraftmeBdose war be.i h6heren Be- lastungen linear, bet geringen Krfi.ften leicht progressiv (s. Bild 6).

    Fiir die |.s der \VeglneBvorrichtung (s. Bild 4) ",vurde ,lie Blechfahne des Fallgewichts, die wtihrend des Durchschlags einen Lichtstrahl fortlaufend abdunkelte, durch den beweg- lichen SchenkeI ether Schublehre ersetzt. I)urch uin Stfickchen Karton wurde der Schenkel so verbreitert, dab die ganze HOhe des Lichtl)alkens abgedeckt werden konnte. I)ie Rachenweite der Sehublehre wurde mm in Schritten von je 5 mm verkleinert und die entsprechende Ablenkung des Liehtpunktes auf dem ( )szillographenschirm photographiert. Innerhalb eines Bereiches yon rd. 3, 5 em wird die Ablenkung des Lichtpunktes eine iineare Flmktion der Stellung der Abblendfahne. Diese taucht kurz vet dem .\ufprall des Mel3kopfes in den Lichtstrahl ein, die dadurch erzielte Vorablenkung yon ei~va 1 cm gewti.hrleistete eine \h:egmessung im linearen 13ereich der Eichkurve. Eine Linearit{itskontrolle der \,Vegmegvorrichtung ergab sich dutch die Aufnahme eines \Veg-Zeit-Diagramms bet fret fallender Belastungsmasse. Theoretisch mtiBte bet Proportionalit~it zwischen dem \Veg des FallbS~ren und der Lichtpunktablenkung das Diagramm (s. Bild 7) eine Parabel zeigen, die aber bet groger FallhOhe und kleiner Mel3strecke durch eine Gerade zu ersetzen is(. An den Enden des Megbereiches knickt (lie Kurve verhS.lt- nisntitl3ig scharf ab, da

  • 24. HPl:t 2 H. Sclnneidcr, Verhalten yon Holzwcrkstofien bei Stol3beanspruchung 45 I"el}ruar r 6(i

    ge langen, mi i ssen aber auch dabe i z ieml ich langwier ige Zah le i~rechnungen durchgef i ih r t werden. Aus d iesen Gr i in- den wurde ein eigenes, den Messungen angepaBtes Be- rechnungsver fahren entwicke l t , m i t dessen Hi l fe bei Kenntn is der F requenzen yon Grund- und erster Ober- schwingung Elast iz it~its- und Schubmodu l unmi t te lbar berechnet werden k6nnen, hn Rahmen dieses Auszugs k ihmen nur die ]~;ndformeln gebracht werden , nach denen die bier ver6 f fent l i ch ten E last iz i t / i t s - und SchubmoduI - wer te best immt wurden'- ' .

    Ft ir alas Verh/ i l tn is |." Es/G erg ibt s ich:

    o,{~754 1' 1le(o,36o, F)/k-' -- 3,025 9 t: ~- o,8{J35 J

    F

    1)ie nur yon den E igcn f requenzen /o und /1 abh~ingige l 'unkt ion i7 ist dabe i durch

    F o,4{)1 () 4 (/i}//l) z

    gegeben. I}er E la . s t i z i tg tsmodu l /2 ]fi.gt sich unmi t te lbar aus

    /'." 34,74" 1o s . /~1't9 (~ ~ 2,48 lzha/l'z) in kj) /cm ~ F . h ~

    berechnen, wenn man die Stabl~tnge l in cm, {lie S tabd icke h in cm, die 1) ichte {j des \ ,Verkstof les in g /cm a und die Fre- quenzen /0 und /t in x -1 miBt .

    l}er l"orn~faktor s hat nach Untersuchungen v{m R..I". S. H ear m {}n L~ 958L fikr HMzst:{il)e mi t Rechteckquerschn i t t etwa den \Vert 1.o6 in i t e iner Uns icherhe i t yon ~:.z?{,. Mit !s und x ist i iber V a.uch der Schul)i~lodul (; bekannt .

    l }ic Genau igke i t des entw icke l ten Ver fahrens wurde mi t \Verten gepri i f t , die exakt aus der L6sung der vo l l s tgnd igen D i i~erent ia lg le ichung ermi t te l t wurden . Die A lm~eichungen lagen in al len Iggllen unter o ,5%.

    Feh lerabsch i i t zung

    Die Megfehler setzen sich zusanunen aus einem durch (lie Unvol lkonlmenheit der verwendeten McBgerfitc I}edingten systematis{:hen Anteil und einem zufal lsbedingten, rcgelh}sen Anteil, dem im {;renzfall normalverte i l ten Beobachtungs- fchler. Grundsfitzl ich kann der EinfluB systemat ischer Fehlcr l}ei der Auswertung korrigiert werden, diese wiir(le aber dadurch in manchen F/illen verh~iltnism~igig kompliz iert und Iangwicrig. Bci einer gr613eren Anzahi yon Messungen ist eine umstfi.ndliche Auswertung durchweg mit eia~em Anstieg des Beobachtungs- fehlers vei 'bundml.

    Fiir (lie I~leurteihmg eines MeBcrgebnisses ist der gr6Bte mSgli

  • GI; It. ,qchnuidur. V('rhaltetrug 3 ~ ram. \Vcgen dcr ger ingen Stei l igkeit tier d i innen IAml>a-lCurnierph~ttcn war lmi diesen das Format 1[ zur l )urchschlagt)r i i fung 1 schlecht geeignet, da sich die l ' l a t ten his zur Anlage an der rd. 4 cm unter der P latte bef indl ichen l :angvor r i chtung durchbogen und erst dann durchst~H3en wurden, l)iese Ergelmisse waren zu ether Beurte i lung des (;r613enein- l]tlSS, es nicht zu verwenden.

    In Tabel le 3 bedeuten die unter clef Versuchsre ihe angcgebenen Zitiern :

    1: I ' lattenfori -nat [, freie .-kuflagerung ; : P la t ten format I I, frcie Auflagcl-tmg 3: l>lattenf lwmat 1, feste E inspannung aller 4 Seitcn 4: l ' l a t ten lo rmat 11, feste E inspannung aller 4 Seiten

    I)ie t in ters (h i (de zwischen l )urchsch lag- und i),ruch - arl)eit bewegen sich in derse lben C, r6genordnung, im Mittel rtl. 1175 kpcnl bet Buchen-Furn ie r l ) la t ten und 4 oz kpcm bei Sf )anplatten, Dies wets( darauf bin+ dab Iler : \rheit~- aufwand zur Zers t6rung (icr P la t tcn yon den I )htttenal> messungen nicht we i tgehend beeinltu/~t wird. l)ie hGhere l';nergie 1)elm l )m-chsehlagen dot gr613eren l ' la t ten ist aul einen geste igerten Energ iebet rag zur I)urchl) iegul ig (let" l ']a t tenmitte le i~ene zurt ickzuf i ihren.

    Igei I-h.tchei1-Furnier- und fcst einge.~l)annten Span- phtltel] zeigen die Bruchkr~il'te einen , \ l l fal l auf rd. 80% 1)elm ("bergan N ;till' die doppe l te Seitenl/ inxe. w/ihrcml si('h bet fret aufge lagerten Spanp la t ten die Igl-uchkraft rail dem lqa l tenf~wmat wenig 5ndert . l)ie P, ruchzei l vurl/iuli bet I{(lcheil- l"urniei 'platlen etwa prop~rt ional (let .%'itenlSnge, bet lest e ingespannten Spanp la t ten ]wwirkt eine Ver- dOl)pehmg der Seitenl 'ange eine Zunal lme der l ' ruchze i t tun rd. '-'-/u, bet fret aufge lagerten S]~anplatten h ingegen tr i l l der Einflul3 des [ ' l a t ten f fnmats n icht mehr in Er- scheinung. I)ie Ergel)nisse nach Tabel le 3 zeigen. (lab bet l+,uclmnIFlU-nierplatten zunehn lende Platlengr6[{e den Einflul3 der . \uf lagei- l~edingungen zwar al)schw/~{cht, jed!~ch n icht so weitgehen( l aufhebt , wie dies bet St)anl)latlei1 tler l:all is(. Zur Erkl/h-ung dieses Saehverha l ts soil der l{ruch- v(wgang l~urz in se inem zeit l ichen Ablau f bet raeh le t werden.

    \ 'ore l qut te Imf i t te lp tmkt ausgehenden \Velie (zcntra ler

    Stol3) in die l ) i l~erent ialgleic lmng 1).~ J'/e I gh o #f-'

    fiir die zeitabh{i+ngige l )urchbiegul ig z~' einer [qa/ le ('ill, s+~ flflgt fiir die Fortl)l]anzun,~

  • 2-I I~. l l l ' lt 2 I (.I ii'[l~l[" I{)l~(i

    i l. Schn( id" . \ 'crhaltcn ton lhflzwerkst(ffiun bci St~H31)ecinspruchung 47

    Ii 'tnlt lau lend ihr F'rolil / indert ; in( wesent l ichcn w i rd dic \ \ -e l lenl~ontur jedoeh durch die Ampl i tude (ler (;r l in(i- schwingung gepri igt.

    F.rfolgt nun be( e iner sehr kurzen Beanspruchungsze i t der 13rueh (let P la t te bevor die der Grundschwigung ent- spr( -ehende Aus lenkung den P la t tenrand erre ieht , so 1,mira (lie Ar t dot Al)st i i tzup_g 1-1iir nt~ch in geriilg{em MaB atlf den I{rttch\,'()l'gal3g zur i i ckwi rken uild die ]{rtichgr(il3eil (Bruci~- arbeit , B ruchkra f t und Bruchze i t ) s ind we i tgeheml un- alHl/ingig yon den Ran(lbedi i~gui~gen. l) iese wirkei( sich a llel'dii lgs ll()ch al.1 [ (lie Grund freq uen z del" I q:.tt I e tl nd daher nach (;1. (~) au f die k l sbre i tu~gsgeschwind igke i t del- zugeh6r igen Stol3wellc aus. 1st jedoch auch I~ei allseitil4 fester E inspam~ung (lie I{ruchzei t ki irzer lattenrancl, s(i rout3 (lies l>ei jeder [Tnters t i i t zung der Fall seth. l ) .Young[ i l~)5o l 1)erechnete [iir lest e ingespannte quadrat i sche l ' l a t ten als (;i-i111(1 l:r{' ( l t i e r l z :

    a

    35,~9 1 / D - - [,/ eD (2) (UO ('eS* ~3

    I)ie l .aufze i t (lei-Stol3welle 1,is Ztllll [{all(l el'- g( bt sich daraus zu :

    ilisse atieh auf ande, re l ; l l te l ' s t i i t zu i lge l l i i ber t ragen wet-den. I"ernel erl.:ennt lllall, ([al] (lie ben6t ig te I )urehsch lagene i -g ie durch eme m6g] iehst ,rol~elt waren fret au {gelagert, (ler Durch- inesser des Mef3kotffes bet rug 3 ~ ram. L.ber die mechan ische 1" ~gvor r i c~tung wur( len die T )uc i sc ) l tga -bo i t gemessen sowie tr- derung /B lru folgt als Bed ingungsg le i - chung fiir das Pt-iiffln-mat der P la t )on:

    E

    1 (12,l'll 2-> 2 [B /' - '2(( ps) (4 ) I)ie Po i ssonsche Ilattendicke wm h = 1,6 cm folgt aus (H. (5): a : : -45,3 cm. l ) ieses l~.rgel)ms bestatigt den exper imente l len l~elund, dab bei Span- p la t ten der Seitenl f inge a = 500 mm die MeBgr613en un a l )hgngig yon der : \u f lagerung waren.

    Fiir Buchen-Kurn ie rp la t ten ergab sich der \Vert a, ~> 95,8 cm; erst be( d ieser Seitenl f inge s ind bier also \,'on der : \u f lagerung un;tl)h'/ ingige Megerge lmisse zu erwar ten .

    (H)wohl die angegebene Bez iehung (5) nur e ine N~ihe- rung dars te l l t (es Wul-de eme ebene Stol.lwelle angenmnmen, uur be( Kre i sp la t ten erre icht die Stol3front den Rand an jeder Stel le zur g le ichen Zeit, Beschrfi l l l

  • ~4 l{. Schneider. Verhaltcn \'on lh,lzwerkstoflen 1,ci StoBI)canspruchung HOLZ al$ Roh- und Werksto f f

    Aus diesem Grund ist auch ein Anstieg der Bruchkr/ifte zu verzeichnen. M i tder dimensionslosen Variablen ~ (PB/P~0 -- 1). loo lautet die Gleichung fiir den Zusammenhang zwischen 13ruchkraft und Fal lh6he:

    7~ = - - 0,779 -I- o,335.r.

    Der mitt lere Anstieg yon 3,35~ auf lo% Fal lh6henver- gr6gerung entspr icht etwa der Zunahlne der lhlrchschla.g- a.rbeit.

    Die Brucharbeit dagegen erwies sich als yon der Fallh6he fast unabh~ingig. Dies ist darauf zuriiclczufiihren, da[3 infolge des Anstiegs der Bruchkrg.fte der Bruch schon nach kiirzerer Beanspruchungszeit eintritt. Das Verhalten der Bruchzeit wird durch die Gleichung r -- ~,54q o,376 x beschrieben, wobei r - - (tB/lrs o - - l) loo.

    Mit denl geringsten Aufwand kann eine Aussage tiber die StoBfestigkeit der P latten durch Messung der Durch- scMagenergie erhalten werden. ]~hnlich der Umrechmmg der an Druckproben verschiedener Feuchtigkeit gewon- nenen Ergebnisse auf eine Normfeuchtigkeit von u : I2 ~ /o liege sich an eine entsprechende Beziehung zur Elimi- nierung des Fallh6heneinflusses denken. N...

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