NO321521B1 - Lastbaerende struktur - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører lastbærende strukturer omfattende to eller flere lag, fortrinnsvis forlengede eller avlange lag, og nærmere bestemt limte strukturelementer.

Lastbærende strukturer finnes i forskjellige utforminger, størrelser og forbindelser. De er praktisk talt uunngåelige i forbindelse med konstruksjonsaktiviteter, enten som del av konstruksjonen i seg selv eller som hjelpemiddel i konstruksjonsarbeidet (for eksempel reisverk), eller begge deler. De brukes også ofte i mindre konstruksjoner så som møbler, for eksempel stoler, bord og sofaer. Lastbærende strukturer utgjør også del av forskjellige verktøy, så som økser og slegger i form av håndtak, men også som kraftover-førende og understøttende deler av maskiner og apparater. Som ordet antyder er den primære hensikt med en "lastbærende struktur" å bære laster, understøtte andre deler i en konstruksjon og/eller overføre dynamiske krefter i en konstruksjon eller en maskin, idet andre egenskaper, så som for eksempel vibrasjon eller lydisolerende egenskaper, om aktuelt kan betraktes å være av mindre betydning med hensyn til foreliggende struktur. Med hensyn til for eksempel et gulv er det gulvbærebjelkene som danner de lastbærende strukturer, idet gulvbelegget, hvis hensikt er å tilveiebringe en overflate å gå på, og plassere gjenstander på, og være dekorativ og å tilveiebringe isolasjon mot kulde og støy, ikke danner en slik struktur.

Avhengig av det bestemte bruksområde for den lastbærende struktur kan den tilvirkes av forskjellige materialer så som metall, tre eller plast, eller kombinasjoner av disse. I mange tilfeller kan slike strukturer tilvirkes av to eller flere lag. Faktisk kan en lastbærende struktur i visse tilfeller gjøres sterkere dersom den oppdeles i to eller flere lag og så gjenforenes ved hjelp av et egnet klebemiddel, som vist av P.J. Gustafsson i "Analysis of generalized Volkersen-joints in terms of non-linear fracture mechanics"

(Mechanical Behaviour of Adhesive Joints, 1987, sidene 323-338), herved innlemmet som referanse i dette skrift.

Ofte danner lastbærende strukturer av sistnevnte type, så-kalte limte strukturelementer, nærmere bestemt limlaminert treverk, diskutert inngående i kapittel 10 av "Wood Handbook: Wood as an engineering material" (U.S. Forest Labora-tory, 1974, USDA Agr. Handb. 72. rev), herved innlemmet som referanse i dette skrift. Styrken av et slikt laminert pro-dukt avhenger ifølge ovennevnte "Wood Handbook" på kvalite-ten av klebeforbindelsene. Forbindelsene kan i prinsipp de-les inn i to grupper, strekkbare og sprøe, selv om de fles-te forbindelser i praksis befinner seg i overgangsområdet mellom disse to ekstremene. Grunnprinsippene for strekkbare og sprøe forbindelser er nøye gjennomgått av P.J. Gustafsson. Strekkbare egenskaper foretrekkes ofte over sprøe egenskaper, for eksempel for forbindelser utsatt for spenningskonsentrasjoner (beskrevet for eksempel i McGraw-Hill encyclopaedia of Science and Technology, 1960, bind 13, side 185), store forbindelser, forbindelser utsatt for dynamiske belastninger, spesielt støtbelastninger, og forbindelser utsatt for krefter fra krymping eller svelling av forbundet trelag som utgjør lastbærende strukturer. Dersom det ikke er ønsket eller mulig å endre forbindelsesparame-tere så som størrelse, geometri eller egenskaper vedrørende lagene som utgjør den lastbærende struktur, er den eneste gjenværende mulighet for å regulere sprøhet, strekkbarhets-egenskapene av forbindelsen, å endre parameterne vedrørende bindelinjen. H. Wernerson og P.J. Gustafsson i "The comp-lete stress-slip curve of wood-adhesives in pure shear"

(Mechanical Behaviour of Adhesive Joints, 1987, sidene 139-150) angir at spørsmålet vedrørende om en bindelinje vil være sprø eller strekkbar, generelt kan bestemmes ved for-holdet mellom den maksimale skjærspenning og frakturenergien av bindelinjen. En lav maksimal skjærspenning i forhold til frakturenergien angir en strekkbar oppførsel og vice versa. Ettersom en lav maksimal skjærspenning av åpenbare

grunner ikke er ønsket, må frakturenergien økes for å oppnå en strekkbar forbindelse.

H. Wernerson og P.J. Gustafsson har utført en rekke prøver med hensyn til ytelsen av bindelinjer omfattende PVAc, polyuretan og resorcinol/fenol klebemidler mellom trebinde-midler. Frakturenergien av bindelinjene ligger i området fra mellom 0,4 til 2,4 kNm/m<2>. Tilsvarende prøver er beskrevet av P.J. Gustafsson der styrken av forbindelser med bindelinjer av polyuretan og resorcinol/fenol klebemidler sammenlignes med styrken av massivt tre. Polyuretan bindelinjen ga den største styrken, nemlig 2,1 MPa.

Takeshi Sadoh et al har studert bøyeegenskapene av horison-tale finerlaminerte bjelker med limlag av forskjellig type innbefattet et elastomer klebemiddel, og sammenlignet nevn-te egenskaper med de av vertikale finerlaminerte bjelker som regnes for å være ekvivalente med massive trebjelker ("Veneer laminates with elastomeric glue-layers. I. Bending properties of veneer-laminated beams", Mokuzai Gakkaishi, 1978, 24(5), sidene 294-8).

Alle indikasjoner i den tidligere kjente teknikk vedrørende forbedret strekkbarhet av sammenføyninger i lastbærende strukturer som følge av økt frakturenergi av bindelinjene er derfor rettet mot bindelinjer omfattende lim og intet annet enn lim.

Den tidligere kjente teknikk indikerer videre et antall andre laminerte produkter med limforbindelser av elastomeriske klebemidler og til og med laminater omfattende elastomeriske sjikt, for eksempel US-A-5,103,614, JP 1244838 og JP 61-261048. Alle disse forslagene vedrører imidlertid lydisolerende og vibrasjonsdempende egenskaper som er egnet for, for eksempel, gulvdekkende materialer idet egenskapen følger av et hysteresefenomen tilknyttet de elastomeriske materialene som anvendes, hvilket fenomen i prinsippet omfatter en overføring av den mekaniske lydener-gi eller vibrasjonsenergi til termisk energi.

FR 2631882 beskriver en fremgangsmåte for å fremstille for-sterkede strukturelementer laget av limt kryssfinér og et forsterkende bånd.

EP 119 975 Al viser en fremgangsmåte for sammenklebing med to-komponent klebende bjelker og tilsvarende gjenstander for å bære statiske og dynamiske laster.

Problemet som skal løses ifølge foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en lastbærende struktur av typen angitt i introduksjonen som har sammenføyninger med forbedret strekkbarhet sammenlignet med tidligere kjente lastbære-strukturer av tilsvarende type og størrelse.

Dette problemet er løst av foreliggende oppfinnelse som vedrører en lastbærende struktur av typen angitt i introduksjonen og som har ytterligere trekk angitt i den karak-teriserende del av det vedføyde krav 1. Den lastbærende struktur ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter nærmere bestemt to eller flere lag hvorav minst to er sammenføyd av en bøyelinje som har en tykkelse på t mm, en skjærstyrke på T N/mm<2>, og som omfatter et sjikt tilvirket av et elastisk materiale som har en skjærmodulus på G N/mm<2>, der <tr2> fortrinnsvis minst

er minst omtrent 5 N/mm, fortrinnsvis minst omtrent

G

10 N/mm og mest foretrukket minst omtrent 50 N/mm. Dersom strukturen omfatter mer en to lag, vil de alle kunne sam-menføyes av sjikt av foreliggende type, men kan alternativt bare omfatte ett slikt sjikt, mens de andre lagene er sam-menføyd ved hjelp av konvensjonelle bindelinjer.

Bindelinjer av typen som finnes i lastbærende strukturer ifølge foreliggende oppfinnelse, det vil si et sjikt i tillegg til et klebemiddel, har vist seg å ha omtrent to gang-er så stor lastbærende kapasitet som bindelinjer ifølge tidligere kjent teknikk, selv om bindelinjen ifølge oppfinnelsen ble anvendt på et tilsvarende mindre sammenføy-ningsområde.

I tillegg til å løse det angitte problem, har foreliggende oppfinnelse et antall fordeler. Foreliggende oppfinnelse gir muligheter for et antall kombinasjoner av sjiktmateriale, sjikttykkelse og klebemidler, idet den gir stor valg-frihet med hensyn til sammenføyningsegenskaper. Sammenføy-ningen kan for eksempel dannes meget raskt, da et prefab-rikkert sjikt kan klebes ved hjelp av et egnet hurtigtør-kende eller hurtigherdende lim eller klebemiddel. Skjærstyrken av klebemidlet brukt i bindelinjen ifølge oppfinnelsen trenger ikke være så stor for de som brukes i forbindelse med tidligere kjente bindelinjer (som vanligvis har en styrke på omtrent 10-15 MPa). Bindelinjetykkelsen, som selvfølgelig er en betydelig sammenføyningsparameter, kan dessuten velges tilfeldig ettersom sjiktet som brukes i bindelinjen kan prefabrikkeres med enhver tykkelse, noe som ikke vil være mulig dersom bare elastomeriske klebemidler blir brukt i forbindelse med en bindelinje ifølge tidligere kjent teknikk.

Ethvert materiale med egenskapene angitt i krav 1 kan for eksempel brukes i forbindelse med en lastbærende struktur ifølge oppfinnelsen, men fortrinnsvis er sjiktet tilvirket av et konvensjonelt elastomerisk materiale, så som naturlig eller syntetisk gummi, eller en blanding av disse. En foretrukket gummigruppe er nitrilgummi.

Skjærstyrken av det elastiske materiale er fortrinnsvis ikke mindre enn 2 MPa og tykkelsen av sjiktet er normalt omtrent 0,1-5 mm, fortrinnsvis omtrent 0,2-3 mm.

Lagene som danner den lastbærende struktur kan tilvirkes av ethvert egnet handelstilgjengelig materiale, så som for eksempel tre, metall, plast, keramikk eller kombinasjoner av disse. Ifølge en utførelse er minst ett av lagene av den lastbærende struktur tilvirket av tre. I en annen utførelse er minst ett av lagene tilvirket av metall. Vanligvis er foreliggende struktur tilvirket hovedsakelig av trelag, så som for eksempel ved limlaminert treverk og andre tilsvarende trebaserte, lastbærende strukturer.

Følgende oppfinnelsen vedrører også bruken av en struktur som beskrevet ovenfor som en lastbærende struktur.

Foreliggende oppfinnelse vedrører ytterligere en fremgangsmåte for tilvirkning av en lastbærende struktur av foreliggende type, det vil si som beskrevet ovenfor, ved å behand-le et naturlig eller syntetisk gummisjikt eller en blanding av disse, med egnet utforming og størrelse, med en oksidant, fortrinnsvis hovedsakelig konsentrert H2S04, å fjerne overflødig oksidant og så å lime sjiktet mellom to lag. Ok-sidantbehandlingen bør vedvare tilstrekkelig lenge til å oksidere sjiktet i en slik grad at klebeevnen mellom sjiktet og limet skjer på en tilfredsstillende måte, mens den på den annen side bør være tilstrekkelig kort til å forhindre et for tykt oksidbelegg, noe som kan gjøre sjikt-overflaten sprø. Behandlingen med oksidanten opprettholdes fortrinnsvis for en periode på omtrent 10-25 sekunder, fortrinnsvis 13-20 sekunder. Det behandlede sjiktet omfatter fortrinnsvis nitrilgummi.

Kort beskrivelse av tegningene

Foreliggende oppfinnelsen er i det følgende beskrevet i større detalj under henvisning til de vedføyde tegninger, der

figur 1 viser en skjematisk illustrasjon av en sammenføy-ning mellom to trelag i en lastbærende struktur ifølge foreliggende oppfinnelse,

figur 2 viser en skjematisk illustrasjon av en utsparet lastbærende bjelke ifølge foreliggende oppfinnelse,

figurene 3 og 4 viser illustrasjoner av hvordan sprekker i lastbærende strukturer av tre kan forhindres og alternativt hvordan slike strukturer kan repareres ved hjelp av foreliggende oppfinnelse,

figur 5 viser en skrubolt sammenføyning i en trebjelke som utgjør en utførelse av foreliggende oppfinnelse,

figur 6 viser et understøttet endeparti av en trebjelke som utgjør en annen utførelse av foreliggende oppfinnelse,

figur 7 viser skjematisk en lastbærende struktur ifølge oppfinnelsen brukt i prøvene angitt nedenfor,

figur 8 viser et tverrsnittsriss langs linjene VIII-VIII på figur 7,

figur 9 viser et enderiss av en bestemt utførelse ifølge foreliggende oppfinnelse, nærmere bestemt en lastbærende struktur i form av en rund stang, og

figur 10 viser et tverrsnittsriss langs stangen illustrert på figur 9.

Detaljert: beskrivelse av tegningene

På figur 1 er to lag 10 og 20 sammenføyd til en lastbærende struktur ved hjelp av en bindelinje dannet av et elastisk sjiktmateriale 30 som er festet til lagene 10, 20 ved hjelp av limlag 40 og 50.

På figur 2 hviler en bjelke 86 på to understøttelser 91 og 101 som er posisjonert på hver sin ende av bjelken. Enden som hviler på understøttelsen 91 er utsparet, noe som fører til en spenningskonsentrasjon i bjelken. For å forhindre oppsprekning er bjelken forsynt med en bindelinje 120 i det kritiske, utsparede partiet. Bindelinjen, som både avgren-ser og sammenføyer de to lagene 155, 160, er dannet av et elastisk materialsjikt 130, samt to limlag 140, 150. I en alternativ utførelse kan bindelinjen strekke seg langs hele lengden av bjelken. Bjelken 86 danner dermed en lastbærende struktur ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 3 viser én ende av bjelken som er festet ved hjelp av en skrubolt 170. Bjelken er utsatt for en belastning angitt med pilen I. Som en reaksjon til lasten I utøver bolten en kraft II på bjelkepartiet 175, noe som fører til spenningskonsentrasjoner i bjelken. For å forhindre oppsprekking er bjelken forsterket ved hjelp av bindelinjer 185, hver tilvirket av et elastisk sjiktmateriale og to limlag, noe som resulterer i en lastbærende struktur ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 4 viser én ende av en bjelke som er festet ved hjelp av en bolt 190. Bjelken er utsatt for en belastning III. Bolten utøver en reaktiv kraft IV på det øvre lag 195 av bjelken og fører til spenningskonsentrasjonen i bjelken. For å forhindre oppsprekking er bjelken forsterket ved hjelp av en bindelinje 210 tilvirket av et elastisk sjiktmateriale og to limlag, noe som resulterer i en lastbærende struktur ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 5 viser en skruboltsammenføyning av en type som kan brukes for å forhindre spenningskonsentrasjoner av typen angitt på figurene 3 og 4. Den kan også brukes istedenfor, eller i kombinasjon med, enhver av løsningene angitt på figur 3 eller 4 for å forsterke eller reparere en allerede oppsprukket bjelke. Skruboltsammenføyningen omfatter en ganske stor metallskive 220 som er forbundet med bjelken ved hjelp av en bindelinje 225, som er tilvirket av et elastisk sjiktmateriale og to limlag. På den andre siden av bjelken er en annen metallskive 235 sammenføyd med bjelken ved hjelp av en bindelinje 240, som også er tilvirket av et elastisk sjiktmateriale, samt to limlag. Bolthodet 215 og boltmutteren 230 påfører et trykk på henholdsvis skivene 220 og 235, som i sin tur overfører trykket til hele grensesnittet mellom bindelinjene og bjelken og dermed bevirker til at kreftene som påføres av skrubolten fordeles over en mye større overflate enn dersom en slik bindelinje ikke blir brukt. Som et resultat av dette forhindres stresskon-sentrasjoner eller reduseres i hvert fall betydelig. Figur 6 viser en ende av en trebjelke 245 som hviler på en-understøttelse 250. For å forhindre hakk eller mer seriøse skader på bjelken som følge av det høye trykket som påføres av understøttelsen 250 på grunn av det lille grensesnittet mellom understøttelsen og bjelken, er et metallsjikt 255 sammenføyd med bjelken ved hjelp av en bindelinje 260 iføl-ge oppfinnelsen. Kraften påført av understøttelsen 250 fordeles dermed til bjelken over grensesnittet mellom bindelinjen 260 og bjelken, noe som i stor grad reduserer spen-ningskonsentrasjonene i treoverflaten. Sammenføyningen mellom sjiktet 255 og bjelken 245 er mye mindre følsom for forandringer i treet, så som tørking, svelling eller krymping, enn det som ville være tilfelle dersom en bindelinje ifølge tidligere kjent teknikk hadde blitt anvendt. Figurene 7 og 8 vil bli diskutert i forbindelse med eksemp-lene angitt nedenfor. Figurene 9 og 10 illustrerer en lastbærende stang 400 omfattende et ytre sylindrisk element 410, et indre sylindrisk element 420 og en mellomliggende bindelinje 430 ifølge foreliggende oppfinnelse. Det forstås at profilen av føl-gende elementer ikke trenger å være sylindriske, men like gjerne kan være kvadratiske, rektangulære, ovale etc.

De følgende eksempler er kun nevnt for å illustrere foreliggende oppfinnelse og bør ikke anses som begrensende for oppfinnelsen.

Eksempel 1

Eksperimentelle lastbærende strukturer som vist på figurene 7 og 8 ble brukt i disse eksperimentene. Strukturene ble tilvirket av to trelag 300, 310 som ble festet med hverand-re ved hjelp av to limlag 330, 340 på motsatte sider av et elastisk sjiktmateriale 320. Treets elastisitetsmodul (MOE

- Modulus of Elasticity) var omtrent 13 GPa.

Det anvendte elastiske materiale omfattet naturgummi, i det følgende forkortet til NR. For å tilveiebringe tilstrekkelig klebing mellom gummien og limet, ble gummioverflaten behandlet med konsentrert svovelsyre i 17 sekunder og ble så vasket med vann. Under de rådende forhold ved dette eksempel førte en syrebehandling lenger enn 20 sekunder til et tykt oksidlag som ga gummien en sprø overflate, idet en behandling kortere enn 13 sekunder ikke ga tilstrekkelig oksidering av gummioverflaten og dermed førte til dårlig klebeevne.

Etter overflatebehandlingen ble gummisjiktene limt til trelagene ved hjelp av et tokomponent polyuretan klebemiddel omfattende 100 vektdeler Casco® 1899 polyuretanlim og 22 vektdeler av et tilsvarende Casco® 1821 herdemiddel, som er et herdemiddel basert på isocyanat.

Bredden W av trelagene var 30 mm og høyden H for hvert lag ved sammenføyningen var 20 mm. Gummisjiktet hadde en tykkelse på 1,0 mm.

To strukturer ifølge oppfinnelsen ble preparert, så vel som to sammenlignede strukturer ifølge den tidligere kjente teknikk uten gummisjikt. Bindelinjene i de sammenlignende strukturene ble tilvirket av et konvensjonelt resorci-nol/f enol-klebemiddel, nedenfor forkortet til R/P.

Alle de fire strukturene ble utsatt for skjærkrefter inntil de sviktet, idet svikt skjærkraften Pf ble registrert for hver av strukturene. Disse verdiene, så vel som dimensjonene av sammenføyningene, er angitt i tabell 1 nedenfor. Selv om sammenføyningene hadde et mindre bindelinjeareal, hadde strukturene ifølge foreliggende oppfinnelse omtrent dobbel lastbærende kapasitet sammenlignet med de konvensjonelle lastbærende strukturene. Det kan estimeres at Pf i test nr. 2 ville ha vært 10,9 kN dersom forbindelsesarealet hadde vært 4000 mm<2>.

Eksempel 2

Som i eksempel 1 ble eksperimentelle, lastbærende strukturer som vist på figurene 7 og 8 brukt i disse eksperimentene. Strukturene ble tilvirket av to trelag 300, 310 som var klebet sammen ved hjelp av to limlag 330, 340 på motsatte sider av et elastisk sjiktmateriale 320. Treets elastisi-tetsmodulus (MOE) var på omtrent 13 GPa.

De elastiske materialene som ble brukt var NR og nitrilgummi, forkortet nedenfor til NIR. For å tilveiebringe tilstrekkelig klebing mellom gummien og limet, ble gummiover-flatene behandlet med konsentrert svovelsyre på samme måte som i eksempel 1.

Etter overflatebehandlingen ble gummisjiktene limt til tre-laget ved hjelp av samme type klebemiddel som i eksempel 1.

Bredden W og høyden H av trelagene var de samme som i eksempel 1. Gummisjikttykkelsen t varierte fra et eksperiment til et annet og er angitt i tabell II nedenfor.

Fire strukturer ifølge oppfinnelsen ble preparert, så vel som to sammenlignende strukturer ifølge den tidligere kjente teknikk, der bindelinjene ble tilvirket av et konvensjonelt R/P klebemiddel, så som i eksempel 1. Alle de seks strukturene ble utsatt for skjærkrefter inntil de sviktet, og Pf verdien ble registrert for hver av strukturene. Disse verdiene, så vel som dimensjonene av sammenføyningene, er angitt i tabell II nedenfor.

Claims (10)

1. Lastbærende struktur omfattende to eller flere lag, hvor minst to av lagene (10,20,155,160,300,310) er sammen-føyd med en bindelinje som har en tykkelse på t mm, en skjærstyrke på T N/mm<2>, karakterisert ved at den omfatter et elastisk sjiktmateriale (30,130,320) som har en skjærmodulus på G N/mm<2>, der tr2 er minst 5 N/mm. G

2. Lastbærende struktur ifølge krav 1, karakterisert ved at tr2 er minst 50 N/mm. G

3. Lastbærende struktur ifølge krav 1, karakterisert ved at sjiktet er tilvirket av et hovedsakelig elastomerisk materiale.

4. Lastbærende struktur ifølge krav 3, karakterisert ved det elastomeriske materiale er gummi.

5. Lastbærende struktur ifølge ethvert av de foregående krav, karakterisert ved at skjærstyrken av det elastiske materiale er større enn omtrent 2 MPa.

6. Lastbærende struktur ifølge ethvert av de foregående krav, karakterisert ved at minst ett av lagene som er klebet til det elastiske materiale er tilvirket av tre.

7. Lastbærende struktur ifølge ethvert av de foregående krav, karakterisert ved at i hvert fall ett av lagene er tilvirket av metall.

8. Lastbærende struktur ifølge ethvert av kravene 1-6, karakterisert ved at strukturen er limlaminert tømmer.

9. Fremgangsmåte ved tilvirkning av en lastbærende struktur ifølge ethvert av kravene 3-7, karakterisert ved at et gummisjikt (30,130,320) behandles med en oksidant og overflødig oksidant fjernes, hvoretter sjiktet limes mellom to lag (10,20,155,160,300,310).

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at sjiktet behandles med oksidanten i omtrent 10-25 sekunder.