Экспериментальная оценка прочности склеивания древесины по длине на прямоугольные прессованные шипы

УДК

674.028.9+674.049.2

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-3-128-142

Аннотация

Клеевые соединения по длине широко распространены в производстве изделий из древесины. Однако наиболее часто применяемая технология сращивания на зубчатые шипы имеет ряд недостатков (наличие отходов, дорогостоящий режущий инструмент и др.). Предложен альтернативный способ сращивания на многократные прямоугольные шипы, изготовленные прессованием. Промышленное внедрение нового способа требует подтверждения высокого качества клеевого шипового соединения. Основным показателем качества является прочность соединения. Цель исследования – экспериментальная оценка прочности при растяжении и изгибе соединений по длине на прямоугольные прессованные шипы (на примере заготовок из древесины сосны). Изучены соединения двух типоразмеров (А и Б) с шагом 4,2 и 8,2 мм и глубиной проушины 10 и 20 мм соответственно. Прочность образцов определяли с учетом требований ГОСТ 15613.4 и ГОСТ 15613.5. Для оценки качества соединений использовали показатель «относительная прочность» – отношение прочности соединения к прочности цельной древесины. Статистическая обработка проводилась как по группам данных, так и для каждого типоразмера и каждого вида испытания отдельно. Это позволило установить средние значения прочности для каждой отдельной группы образцов, а также получить статистически обоснованную объединенную оценку некоторых показателей. Соединения типа А (с мелкими шипами) показали лучшие результаты по прочности при растяжении (59,5 %) по сравнению с типом Б (53,2 %). Установлено, что при обработке результатов испытаний на изгиб в исследованном диапазоне не выявлено статистически значимого влияния типа соединения. Поэтому средняя прочность при изгибе (80,2 %) характеризует оба типа соединения. Кроме того, прочность этих двух типов соединений с достаточной достоверностью может быть охарактеризована и средней прочностью при растяжении (56,4 %). При этом оба типа соединения соответствуют по прочности требованиям стандартов на изделия с использованием клеевых соединений по длине. Полученные результаты варьируют в сравнительно узком диапазоне, что свидетельствует о стабильном качестве клеевых соединений на прямоугольные шипы, изготовленных способом прессования. Проведенное исследование подтвердило возможность применения прямоугольных прессованных шипов для изготовления соединений на их основе.

Сведения об авторах

О.А. Рублева¹, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: Q-7239-2017,
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0756-6130
А.Г. Гороховский², д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: O-6030-2018,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8847-8217
¹Вятский государственный университет, ул. Московская, д. 36, г. Киров, Россия, 610000; e-mail: olga_ru@vyatsu.ru
²Уральский государственный лесотехнический университет, ул. Сибирский тракт, д. 37, г. Екатеринбург, Россия, 620100; e-mail: goralegr@yandex.ru

Ключевые слова

шиповые соединения, сращивание по длине, прямоугольный шип, прессование древесины, прочность склеивания соединения

Для цитирования

Рублева О.А., Гороховский А.Г. Экспериментальная оценка прочности склеивания древесины по длине на прямоугольные прессованные шипы // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 3. С. 128–142. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-3-128-142

Литература

1. Барташевич А.А., Трофимов С.П. Конструирование мебели. Минск: Соврем. шк., 2006. 336 с. [Bartashevich A.A., Trofimov S.P. Furniture Construction. Minsk, Sovremennaya shkola Publ., 2006. 336 p.].
2. Волынский В.Н. Технология клееных материалов. СПб.: ПРОФИКС, 2008. 392 с. [Volynskiy V.N. Technology of Glued Materials. Saint Petersburg, PROFIKS Publ., 2008. 392 p.].
3. ГОСТ 15613.4–78. Древесина клееная массивная. Методы определения предела прочности зубчатых клеевых соединений при статическом изгибе. М.: Изд-во стандартов, 1999. 7 с. [GOST 15613.4–78. Glued Massive Wood. Methods for Determining the Ultimate Strength of Serrate Glued Joints in Static Bending. Moscow, Izdatel’stvo standartov, 1999. 7 p.].
4. ГОСТ 15613.5–79. Древесина клееная массивная. Метод определения предела прочности зубчатых клеевых соединений при растяжении. М.: Изд-во стандартов, 1999. 7 c. [GOST 15613.5–79. Glued Massive Wood. Method for Determination of Ultimate Tensile Strength of Finger Glued Joints. Moscow, Izdatel’stvo standartov, 1999. 7 p.].
5. ГОСТ 16483.23–73. Древесина. Метод определения предела прочности при растяжении вдоль волокон. М.: Изд-во стандартов, 1999. 4 c. [GOST 16483.23–73. Wood. Method for Determination of Ultimate Strength in Tension along the Grain. Moscow, Izdatel’stvo standartov, 1999. 4 p.].
6. ГОСТ 16483.3–84 (СТ СЭВ 390–76). Древесина. Метод определения предела прочности при статическом изгибе. М.: Изд-во стандартов, 1999. 7 с. [GOST 16483.3–84 (ST SEV 390–76). Wood. Method of Static Bending Strength Determination. Moscow, Izdatel’stvo standartov, 1999. 7 p.].
7. ГОСТ 16588–91 (ИСО 4470–81). Пилопродукция и деревянные детали. Методы определения влажности. М.: Стандартинформ, 2009. 6 с. [GOST 16588–91 (ISO 4470–81). Sawn Products and Wooden Details. Methods for Determining Moisture Content. Moscow, Standartinform Publ., 2009. 6 p.].
8. ГОСТ 20850–2014. Конструкции деревянные клееные несущие. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2015. 18 с. [GOST 20850–2014. Wooden Glued Load Bearing Structures. General Specifications. Moscow, Standartinform Publ., 2015. 18 p.].
9. ГОСТ 24700–99. Блоки оконные деревянные со стеклопакетами. Технические условия. М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2000. 55 с. [GOST 24700–99. Windows of Wood with Glassing Units. Specifications. Moscow, Gosstroy Rossii, GUP TsPP Publ., 2000. 55 p.].
10. ГОСТ 30972–2002. Заготовки и детали деревянные клееные для оконных и дверных блоков. Технические условия. М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2003. 30 с. [GOST 30972–2002. Glue Wood Billets and Details for Windows and Doors. Specifications. Moscow, Gosstroy Rossii, GUP TsPP Publ., 2003. 30 p.].
11. ГОСТ 33080–2014. Конструкции деревянные. Классы прочности конструкционных пиломатериалов и методы их определения. М.: Стандартинформ, 2015. 14 с. [GOST 33080–2014. Timber Structures. Strength Classes of Structural Sawn Timber and Methods of Its Determination. Moscow, Standartinform Publ., 2015. 14 p.].
12. ГОСТ 33081–2014. Конструкции деревянные клееные несущие. Классы прочности элементов конструкций и методы их определения. М.: Стандартинформ, 2015. 10 с. [GOST 33081–2014. Wooden Glued Bearing Structures. Strength Classes of Structures Elements and Methods for Its Determination. Moscow, Standartinform Publ., 2015. 10 p.].
13. Жуков В.П. Технология склеивания древесины. Воронеж: ВГЛТИ, 1981. 79 с. [Zhukov V.P. Wood Gluing Technology. Voronezh, VGLTI Publ., 1981. 79 p.].
14. Патент 2741614 Российская Федерация. Способ формирования элементов шиповых соединений деревянных заготовок: № 2011116271/13: заявл. 25.04.2011; опубл. 10.01.2013 / О.А. Рублева. [Rubleva O.A. Method of Forming Finger Joints in Wood Blanks. Patent RF no. RU 2471614 C1, 2013].
15. Пластинин С.Н. Производство клееной продукции на лесопильных предприятиях. М.: Лесн. пром-сть, 1983. 48 с. [Plastinin S.N. Manufacturing of Glued Products at Sawmills. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1983. 48 p.].
16. Рублева О.А. Формирование прямоугольных шипов способом торцового прессования // Лесотехн. журн. 2013. № 4 (вып. 12) С. 126–133. [Rubleva O.A. Formation of Rectangular Tenons by Mechanical Pressing Method. Lesotekhnicheskiy zhurnal [Forestry Engineering Journal], 2013, no. 4(12), pp. 126–133]. DOI: 10.12737/2191
17. Фрейдин А.С., Вуба К.Т. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1980. 224 с. [Freydin A.S., Vuba K.T. Prediction of the Properties of Adhesive Wood Joints. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1980. 224 p.].
18. Чубинский А.Н. Формирование клеевых соединений древесины. СПб.: СПбГУ, 1992. 168 с. [Chubinskiy A.N. Formation of Adhesive Joints of Wood. Saint Petersburg, SPbGU Publ., 1992. 168 p.].
19. Ahmad Z., Lum W.C., Lee S.H., Razlan M.A., Wan Mohamad W.H. Mechanical Properties of Finger Jointed Beams Fabricated from Eight Malaysian Hardwood Species. Construction and Building Materials, 2017, vol. 145, pp. 464–473. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.04.016
20. Barboutis I., Vasileiou V. Strength of Finger-Jointed Beech Wood (Fagus sylvatica) Constructed with Small Finger Lengths and Bonded with PU and PVAC Adhesives. PROLigno, 2013, vol. 9, iss. 4, pp. 359–364.
21. Biechele T., Chui Y.H., Gong M. Assessing Stiffness on Finger-Jointed Timber with Different Non-Destructive Testing Techniques. The Future of Quality Control for Wood& Wood Products: Proceedings of the Final Conference of COST Action E53, Edinburgh, May 4–7, 2010. Edinburgh, Edinburgh Napier University. 2010, pp. 522–528.
22. Džinčić I., Živanić D. The Influence of Fit on the Distribution of Glue in Oval Tenon/Mortise Joint. Wood Research, 2014, vol. 59, no. 2, pp. 297–302.
23. Hesselbach J., Hoffmeister H.-W., Loohß T. Punching in Industrial Wood Machining: An Alternative Production Process to Drilling. Production Engineering, 2007, vol. 1, iss. 4, pp. 365–370. DOI: 10.1007/s11740-007-0061-5
24. Hu W., Guan H., Zhang J. Finite Element Analysis of Tensile Load Resistance of Mortise-and-Tenon Joints Considering Tenon Fit Effects. Wood and Fiber Science, 2018, vol. 50, no. 2, pp. 121–131.
25. Jokerst R.W. Finger-Jointed Wood Products. Research Paper FPL 382. Forest Products Laboratory. 1981. 26 p.
26. Khelifa M., Celzard A., Oudjene M., Ruelle J. Experimental and Numerical Analysis of CFRP-Strengthened Finger-Jointed Timber Beams. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2016, vol. 68, pp. 283–297. DOI: 10.1016/J.IJADHADH.2016.04.007
27. Kishan Kumar V.S., Sharma C.M., Gupta S. Compression and Flexural Properties of Finger Jointed Mango Wood Sections. Maderas. Ciencia y tecnología, 2015, vol. 17, no. 1, pp. 151–160. DOI: 10.4067/s0718-221x2015005000015
28. Konopka D., Gebhardt C., Kaliske M. Numerical Modelling of Wooden Structures. Journal of Cultural Heritage, 2017, vol. 27, pp. S93–S102. DOI: 10.1016/j.culher.2015.09.008
29. Lara-Bocanegra A.J., Majano-Majano A., Crespo J., Guaita M. Finger-Jointed Eucalyptus globulus with 1C-PUR Adhesive for High Performance Engineered Laminated Products. Construction and Building Materials, 2017, vol. 135, pp. 529–537. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.01.004
30. Lee S.J., Eom C.D., Kim K.M. Structural Performance of Finger-Jointed Lumber with Different Joint Configurations. Journal of the Korean Wood Science and Technology, 2011, vol. 39, no. 2, pp. 172–178.
31. Likos E., Haviarova E., Eckelman C.A., Erdil Y.Z., Ozcifci A. Effect of Tenon Geometry, Grain Orientation, and Shoulder on Bending Moment Capacity and Moment Rotation Characteristics of Mortise and Tenon Joints. Wood and Fiber Science, 2012, vol. 44, no. 4, pp. 462–469.
32. Mackerle J. Finite Element Analyses in Wood Research: A Bibliography. Wood Science and Technology, 2005, vol. 39, no. 7, pp. 579–600. DOI: 10.1007/s00226-005-0026-9
33. Özçifçi A., Yapıcı F. Structural Performance of the Finger-Jointed Strength of Some Wood Species with Different Joint Configurations. Construction and Building Materials, 2008, vol. 22, iss. 7, pp. 1543–1550. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2007.03.020
34. Prekrat S., Smardzewski J. Effect of Glueline Shape on Strength of Mortise and Tenon Joint. Drvna industrija, 2010, vol. 61, no. 4, pp. 223–228.
35. Ratnasingam J., Scholz F. Optimization of Finger-Jointing in Rubberwood Processing. European Journal of Wood and Wood Products, 2009, vol. 67, iss. 2, pp. 241–242. DOI: 10.1007/s00107-008-0295-8
36. Ryu H.S., Ahn S.Y., Park H.M., Byeon H.S., Kim J.M. Effect of Distance between Finger Tip and Root Width on Compressive Strength Performance of Finger-Jointed Timber. Journal of the Korean Wood Science and Technology, 2004, vol. 32, no. 4, pp. 66–73.
37. Tran V.-D., Oudjene M., Méausoone P.-J. FE Analysis and Geometrical Optimization of Timber Beech Finger-Joint under Bending Test. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2014, vol. 52, pp. 40–47. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2014.03.007
38. Vrazel M., Sellers T. The Effects of Species, Adhesive Type, and Cure Temperature on the Strength and Durability of a Structural Finger-Joint. Forest Products Journal, 2004, vol. 54, iss. 3, pp. 66–75.
39. Wilczyński A., Warmbier K. Effect of Joint Dimensions on Strength and Stiffness of Tenon Joints. Folia Forestalia Polonica. Series B – Wood Science, 2003, vol. 34, pp. 53–66.

Ссылка на английскую версию:

Experimental Evaluation of Strength of End Joints with Rectangular Pressed Fingers

EXPERIMENTAL EVALUATION OF STRENGTH OF END JOINTS WITH RECTANGULAR PRESSED FINGERS

О.A. Rubleva¹, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: Q-7239-2017,
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0756-6130
A.G. Gorokhovsky², Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: O-6030-2018,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8847-8217
¹Vyatka State University, ul. Moskovskaya, 36, Kirov, 610000, Russian Federation; e‑mail: olga_ru@vyatsu.ru
²Ural State Forest Engineering University, ul. Sibirskiy trakt, 37, Yekaterinburg, 620100, Russian Federation; e-mail: goralegr@yandex.ru

End jointing of wooden blanks is widely distributed in the manufacture of wood products. The most commonly used splicing technology on finger joints with pointy fingers has a number of drawbacks, including the presence of waste and an expensive cutting tool. We proposed an alternative type of end jointing with multiple rectangular tenons made by pressing. Commercialization of the new splicing method requires confirmation of its high quality. The main quality indicator of adhesive joint is its strength. The aim of the study is an experimental evaluation of the bending strength and tensile strength of end joints with rectangular pressed fingers (case study of pine wood blanks). The joints of two types: A and B, with a pitch of 4.2 and 8.2 mm and depth of mortises of 10 and 20 mm, respectively, were studied. The strength of the samples was determined taking into account the requirements of the Russian State Standards GOST 15613.4 and GOST 15613.5. In order to evaluate the quality of joints, we used the indicator “relative strength”; it is the ratio of the joint strength to the solid wood strength. Statistical processing was carried out both by data groups, and for each size and each test type separately. This allowed us to establish the average values of strength for each individual group of samples, as well as to obtain a statistically valid joint evaluation of some indicators. Joints of type A with small fingers showed better results in tensile strength (59.5 %) compared to joints of type B (53.2 %). No statistically significant effect of the joint type was revealed, when processing the results of bending tests in the studied range. Therefore, the average bending strength (80.2 %) characterizes both types of joints. Moreover, the strength of these two types of joints with sufficient reliability can be characterized by the average tensile strength (56.4 %). At the same time, both types of joints correspond in strength to the standard requirements to the products with adhesive end joints. The test results vary in a relatively narrow range, which indicates a stable quality of adhesive joints with rectangular fingers made by pressing. This study demonstrates the possibility of using rectangular pressed fingers for the manufacture of joints based on them.
For citation: Rubleva O.A., Gorokhovsky A.G. Experimental Evaluation of Strength of End Joints with Rectangular Pressed Fingers. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 3, pp. 128–142. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-3-128-142

Keywords: finger joints, splicing, rectangular finger, wood pressing, bond strength of a joint.

Поступила 06.06.19 / Received on June 6, 2019