Rheologische Eigenschaften ausgewählter Holzwerkstoffe creep behavior under static surface bending load

Transkript

1 Research Collection Report Rheologische Eigenschaften ausgewählter Holzwerkstoffe creep behavior under static surface bending load Author(s): Popper, Rudolf; Niemz, Peter; Eberle, G. Publication Date: 2004 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Institut für Baustoffe (IfB) Holzphysik Schafmattstrasse 6 CH-8093 Zürich Int. Bericht ETHZ-IfB Nr. 22 Rheologische Eigenschaften ausgewählter Holzwerkstoffe: Kriechverhalten unter statischer Flächen- Biegebeanspruchung Rheological properties of selected wood composites: Creep behavior under static surface bending load Zwischenbericht R. Popper, P. Niemz, G. Eberle Zürich 12. Juli 2004

3 1 Einleitung Das Kriechverhalten von Holzwerkstoffen ist für dessen Verwendung von entscheidender Bedeutung. Mit dem Kriechverhalten von Spanplatten haben sich vor allem Niemz (1979, 1981, 1982, 1983, 1985), Kühne, Niemz, Zangolies (1981) und Kühne, Niemz (1981) auseinander gesetzt. Das Kriechverhalten von MDF-Platten findet man bei Niemz, Poblete, Viduare (1997). Pitchard et al. (2001) befassten sich mit der Ermüdung und dem Kriechen von MDF, OSB und Spanplatten unter Biegebelastung bei unterschiedlichen Klimabedingungen. Thompson at al. (2002) untersuchten die Biegefestigkeit sowie das Kriechverhalten von OSB, MDF und Spanplatten. Das Kriechverhalten von Holzwerkstoffen ist an der Professur ein Dauerthema. Der vorliegende kurze Zwischenbericht ist als eine Bestandsaufnahme der bis dahin abgeschlossenen Versuche zu verstehen. Er befasst sich mit vergleichenden Untersuchungen des Kriechverhaltens von industriell gefertigten MHP-, MDF-, OSB-, Sperrholzund Spanplatten unter statischer Flächen-Biegebeanspruchung bei Normalklimabedingungen. Einleitung Versuchsmaterial 1

4 2 Material und Methode 2.1 Versuchsmaterial Als Versuchsmaterial wurden industriell gefertigte MDF, OSB und Spanplatten der Fa. Kronospan Schweiz AG verwendet. Pro Plattenart wurden je 5 Proben untersucht. Die Plattenparameter sind in Tabelle 2-1 zusammengefasst. Die Stützweite betrug für alle Versuchsproben 790 mm. Tabelle 2-1: Parameter des Versuchsmaterials. Table 2-1: Parameter of the test material. Material Länge (mm) Breite (mm) Dicke (mm) MDF OSB Spanplatten (Phenolharz) Spanplatten (Melaminharz) Spanplatten (Melaminharz) MHP (9/9/9mm) Sperrholzplatten (9-schichtig) Versuchsmethode Die Versuchsplatten wurden im Normalklima (DIN ) mit 40 kg Flächenlast in Zeitabständen von 1, 2, 4, 7 Tagen anschliessend einmal wöchentlich während 7 Wochen und nachher alle zwei Wochen während 14 Wochen jeweils die mittige Durchbiegung bestimmt. Material und Methode Versuchsmaterial 2

5 Der Kriechfaktor F wurde nach folgender Gleichung berechnet: Formel 2-1 F f = t f 0 wobei f t Durchbiegung zum Zeitpunkt t f 0 elastische Durchbiegung Abbildung 2-1: Die Messanordnung. Figure 2-1: The measuring system. Material und Methode Versuchsmethode 3

6 3 Resultate und Diskussion 3.1 MDF-Platten Bild 3-1 zeigt das Kriechverhalten von MDF-Platten unter Flächenbiegebelastung von 1.7*10-4 kg/mm 2 in Normalklima. Die Messpunkte sind Mittelwerte von fünf Versuchsplatten. Die Messwerte wurden einer Regressionsanalyse unterzogen. Die blaue durchzogene Linie zeigt die Ausgleichskurve der Funktion F=A+B* (t). Die blauen gestrichelten Linien bezeichnen die obere und die untere Variationsgrenze. Die Resultate der Regressionsanalyse sind in Tabelle 3-1 dokumentiert. Sie weisen auf eine starke Korrelation zwischen der beiden Variablen F und t hin. Die Ausgleichskurve beschreibt das Kriechverhalten von MDF-Platten gut. Kriechverhalten von MDF 19mm Flächenbelastung=1.7*10-4 kg/mm 2 ; Normal-Klima Kriechfaktor F Plate 1-5 Regression OVG UVG Abbildung 3-1: Das Kriechverhalten von MDF-Platten in Normalklima. Figure 3-1: The creep behavior of MDF at normal climate. Resultate und Diskussion MDF-Platten 4

7 Tabelle 3-1: Parameter der Regressionsanalyse (Modell: F=A+B* (t)) für MDF-Platten. Table3-1: The parameter of the regression analysis (Model: F=A+B* (t)) of MDF. A B Korrelationskoeff. Bestimmtheitsmass % Standard Fehler OSB-Platten Bild 3-2 zeigt das Kriechverhalten von MDF-Platten unter Flächenbiegebelastung von 1.7*10-4 kg/mm 2 in Normalklima. Die Messpunkte sind Mittelwerte von fünf Versuchsplatten. Die rote gestrichelte Linie zeigt den Verlauf der relativen Luftfeuchtigkeit RH% während des Versuchs. Aus dem Bild ist ersichtlich, dass sich die Schwankungen in der relativen Luftfeuchtigkeit mit gewisser Verzögerung auf die Messpunkte auswirken. Die Messwerte wurden einer Regressionsanalyse unterzogen. Die blaue durchzogene Linie zeigt die Ausgleichskurve der Funktion F=A+B* (t). Die blauen gestrichelten Linien bezeichnen die obere und die untere Variationsgrenze. Die Resultate der Regressionsanalyse sind in Tabelle 3-2 dokumentiert. Sie weisen auf eine starke Korrelation zwischen der beiden Variablen F und t hin. Die Ausgleichskurve beschreibt das Kriechverhalten von OSB-Platten zufrieden stellend. Kriechverhalten von 18mm dicken OSB-Platten Flächenbiegebelastung=1.7*10-4 kg/mm 2 ; Normal-Klima Kriechfaktor F rel. Luftfeuchtigkeit RH% Plate 1-5 Regression OVG UVG RH% Abbildung 3-2: Das Kriechverhalten von OSB-Platten in Normalklima. Figure 3-2: The creep behavior of OSB at normal climate. Resultate und Diskussion OSB-Platten 5

8 Tabelle 3-2: Parameter der Regressionsanalyse (Modell: F=A+B* (t)) für OSB-Platten. Table3-2: The parameter of the regression analysis (Model: F=A+B* (t)) of OSB (18 mm thick). A B Korrelationskoeff. Bestimmtheitsmass % Standard Fehler Spanplatten Bilder 3-3 bis 3-7 zeigen das Kriechverhalten von 16 mm, 18 mm, 19 mm und 30 mm dicken Spanplatten unter Flächenbiegebelastung von 1.7*10-4 kg/mm 2 in Normalklima. Die Messpunkte sind Mittelwerte von je fünf Versuchsplatten. Die Messwerte wurden einer Regressionsanalyse unterzogen. Die blauen durchzogenen Linien zeigen Ausgleichskurven der Funktion F=A+B* (t). Die blauen gestrichelten Linien bezeichnen die oberen (OVG) und die unteren (UVG) Variationsgrenzen. Die Resultate der Regressionsanalyse sind in Tabelle 3-3 bis 3-5 dokumentiert. Sie weisen auf eine starke Korrelation zwischen der beiden Variablen F und t hin. Die Ausgleichskurve beschreibt das Kriechverhalten von Spanplatten gut. Die 16 mm und 18 mm dicken Spanplatten (Bild 3-6 und 3-7) befinden sich unter der gegebenen Belastung von 1,7*10-4 kg/mm 2 bereits in der Phase des Tertiärkriechens (in Dunky, M.; Niemz, P. 2002). Die Kriechverformung folgt einer exponentialen Funktion F=EXP(A+B*t). Resultate und Diskussion Spanplatten 6

9 Kriechverhalten von PF-Spanplatten 19mm dick Flächenbelastung=1.7*10-4 kg/mm 2 ; Normal-Klima Kriechfaktor F Plate 1-5 Regression OVG UVG Abbildung 3-3: Das Kriechverhalten von 19 mm dicken Spanplatten in Normalklima. Figure 3-3: The creep behavior of particle boards (19 mm thick) at normal climate. Tabelle 3-3: Parameter der Regressionsanalyse (Modell: F=A+B* (t)) für 19 mm dicken Spanplatten. Table3-3: The parameter of the regression analysis (Model: F=A+B* (t)) of particle boards (19 mm thick). A B Korrelationskoeff. Bestimmtheitsmass % Standard Fehler Resultate und Diskussion Spanplatten 7

10 Kriechen von 30 mm dicken Spanplatten Flächenbiegebelastung=1.7*10-4 kg/mm 2 ; Normal-Klima Kriechfaktor F rel. Luftfeuchtigkeit RH% Platte 1-5 Regression OVG UVG RH% Abbildung 3-4: Das Kriechverhalten von 30 mm dicken Spanplatten in Normalklima. Figure 3-4: The creep behavior of particle boards (30 mm thick) at normal climate. Tabelle 3-4: Parameter der Regressionsanalyse (Modell: F=A+B* (t)) für 30 mm dicken Spanplatten. Table 3-4: The parameter of the regression analysis (Model: F=A+B* (t)) of particle boards (30 mm thick). A B Korrelationskoeff. Bestimmtheitsmass % Standard Fehler Resultate und Diskussion Spanplatten 8

11 Kriechverhalten von Spanplatten Kronospan V70 19mm dick Flächenbelastung=1.7*10-4 kg/mm 2 ; Normal-Klima (Plate 1-5) Kriechfaktor F Plate 1-5 Regression OVG UVG Abbildung 3-5: Das Kriechverhalten von 19 mm dicken Spanplatten in Normalklima. Figure 3-5: The creep behavior of particle boards (19 mm thick) at normal climate. Tabelle 3-5: Parameter der Regressionsanalyse (Modell: F=A+B* (t)) für 19 mm dicken Spanplatten. Table 3-5: The parameter of the regression analysis (Model: F=A+B* (t)) of particle boards (19 mm thick). A B Korrelationskoeff. Bestimmtheitsmass % Standard Fehler Resultate und Diskussion Spanplatten 9

12 Kriechverhalten von 16mm dicken Spanplatten Flächenbiegebelastung=1.7*10-4 kg/mm 2 ; Normal-Klima 9 Kriechfaktor F Plate 1-5 Regression OVG UVG Abbildung 3-6: Das Kriechverhalten von 16 mm dicken Spanplatten in Normalklima. Figure 3-6: The creep behavior of particle boards (19 mm thick) at normal climate. Tabelle 3-6: Parameter der Regressionsanalyse (Modell: F=EXP(A+B*t)) für 16 mm dicken Spanplatten. Table 3-6: The parameter of the regression analysis (Model: F=EXP(A+B*t)) of particle boards (16 mm thick). A B Korrelationskoeff. Bestimmtheitsmass % Standard Fehler , Resultate und Diskussion Spanplatten 10

13 Kriechverhalten von 18mm dicken Spanplatten Flächenbiegebelastung=1.7*10-4 kg/mm 2 ; Normal-Klima 9 Kriechfaktor F Platte 1-5 Regression OVG UVG Abbildung 3-7: Das Kriechverhalten von 18 mm dicken Spanplatten in Normalklima. Figure 3-6: The creep behavior of particle boards (18 mm thick) at normal climate. Tabelle 3-7: Parameter der Regressionsanalyse (Modell: F=EXP(A+B*t)) für 18 mm dicken Spanplatten. Table 3-6: The parameter of the regression analysis (Model: F=EXP(A+B*t)) of particle boards (18 mm thick). A B Korrelationskoeff. Bestimmtheitsmass % Standard Fehler , Sperrholz Bild 3-8 zeigt das Kriechverhalten von 21 mm dicken Sperrholzplatten unter Flächenbiegebelastung von 1.7*10-4 kg/mm 2 in Normalklima. Die Messpunkte sind Mittelwerte von je fünf Versuchsplatten. Die Messwerte wurden einer Regressionsanalyse unterzogen. Die blauen durchzogenen Linien zeigen Ausgleichskurven der Funktion F=A*t*10 B. Die blauen gestrichelten Linien bezeichnen die oberen (OVG) und die unteren (UVG) Variationsgrenzen. Die Resultate der Regressionsanalyse sind in Tabelle 3-8 dokumentiert. Sie weisen auf eine starke Korrelation zwischen der beiden Variablen F und t hin. Die Ausgleichskurve beschreibt das Kriechverhalten von Sperrholzplatten gut. Resultate und Diskussion Sperrholz 11

14 Kriechverhalten von Sperrholz 21mm dick, 9-schichtig Flächenbelastung=1.7*10-4 kg/mm 2 ; Normal-Klima Kriechfaktor F Plate 1-5 Regression OVG UVG Abbildung 3-8: Das Kriechverhalten von 21 mm dicken, 9-schichtigen Sperrholzplatten in Normalklima. Figure 3-8: The creep behavior of plywood (21 mm thick, 9 layers) at normal climate. Tabelle 3-8: Parameter der Regressionsanalyse (Modell: F=A*t*10 B ) für 21 mm dicken Sperrholzplatten. Table3-8: The parameter of the regression analysis (Model: F=A*t*10 B ) of the plywood (21 mm thick, 9-layer) A B Korrelationskoeff. Bestimmtheitsmass % Standard Fehler MHP-Platten Bild 3-9 zeigt das Kriechverhalten von 27 mm dicken MHP-Platten unter Flächenbiegebelastung von 1.7*10-4 kg/mm 2 in Normalklima. Die Messpunkte sind Mittelwerte von je fünf Versuchsplatten. Die Messwerte wurden einer Regressionsanalyse unterzogen. Die blauen durchzogenen Linien zeigen Ausgleichskurven der Funktion F=(A+B*t) 2. Die blauen gestrichelten Linien bezeichnen die oberen (OVG) und die unteren (UVG) Variationsgrenzen. Die Resultate der Regressionsanalyse sind in Tabelle 3-9 dokumentiert. Sie weisen auf eine relativ schwache Korrelation zwischen der beiden Variablen F und t hin verursacht durch eine zu niedrige Flächenbelastung für die Dicke Resultate und Diskussion MHP-Platten 12

15 der Platten. Die Ausgleichskurve beschreibt das Kriechverhalten von MHP-Platten relativ gut. Kriechverhalten von MHP 27mm dick (9/9/9mm) Flächenbelastung=1.7*10-4 kg/mm 2 ; Normal-Klima Kriechfaktor Plate 1-5 Regression OVG UVG Abbildung 3-9: Das Kriechverhalten von MHP-Platten 27 mm dick (Lamellenverhältnis 9/9/9mm) in Normalklima. Figure 3-9: The creep behavior of MHP (multilayer solid wood panels) 27 mm thick (Lamella relationship 9/9/9 mm) at normal climate. Tabelle 3-9: Parameter der Regressionsanalyse (Modell: F=(A+B*t) 2 ) für MHP-Platten, 27 mm dick (9/9/9mm). Table 3-9: The parameter of the regression analysis (Model: F=(A+B*t) 2 ) of MHP (multilayer solid wood panels) 27 mm thick (9/9/9 mm). A B Korrelationskoeff. Bestimmtheitsmass % Standard Fehler E Resultate und Diskussion MHP-Platten 13

16 4 Schlussfolgerungen Bild 4-1 und Tabelle 4-1 fassen das Kriechverhalten der ausgewählten Holzwerkstoffe bei statischer Flächenbiegebelastung im Normalklima zusammen. Zieht man die Holzwerkstoffe von ungefähr der gleichen Dicke in Betracht, so kriechen die OSB-Platten am wenigsten. Bedeutend stärker kriechen die MDF-Platten und am stärksten die Spanplatten. Die Phenol-Formaldehyd Spanplatten weisen gegenüber den konventionellen Melamin-Formaldehyd Spanplatten ein wesentlich geringeres Kriechverhalten auf. Die 30 mm dicken Spanplatten zeigen praktisch das gleiche Kriechverhalten wie die 18 mm dicken OSB- Platten. Von den untersuchten Holzwerkstoffen kriechen am wenigsten die 27mm dicken MHP und die 21mm dicken Sperrholzplatten. Kriechverhalten ausgewählter Holzwerkstoffe Flächenbiegebelastung=1.7*10-4 kg/mm 2 ; Normal-Klima Kriechfaktor F OSB 18mm 4 Spanplatten 30mm 6 Sperrholz 21mm 7 MHP 27mm 1 Spanpl. 19mm 3 Spanpl. 19mm (PF) 2 MDF 19mm Abbildung 4-1: Das Kriechverhalten von MDF, OSB, Sperrholz und Spanplatten in Normalklima. Figure 4-1: The creep behavior of MDF, OSP, plywood and particleboards at normal climate. Schlussfolgerungen MHP-Platten 14

17 Tabelle 4-1: Der Kriechfaktor F von MDF, OSB, Sperrholz und Spanplatten in Normalklima. Figure 4-1: The creep factor F of MDF, OSP, plywood and particleboards at normal climate. Dauer (Tage) OSB 18 mm Spanpl. 30 mm Sperrh. 21 mm MHP 27 mm Spanpl. 19 mm Spanpl. 19 mm MDF 19 mm Schlussfolgerungen MHP-Platten 15

18 5 Literatur 1. DIN (1985): Klimate und ihre technische Anwendung. Normalklimate. S Niemz, P. Über einige Erkenntnisse zum Kriechverhalten von Holzpartikelwerkstoffen. Holztechnologie, Leipzig (1979) 3 3. Kühne, G.; Niemz, P.; Zangolies, F. Einfluss der Art der Deckschichtpartikeln auf das Kriechverhalten von Spanplatten bei Dauerstand- Biegebelastung. Holzindustrie, Leipzig (1981) 1 4. Kühne, G.; Niemz, P. Untersuchungen zum Einfluss der Plattenschichten auf das Kriechverhalten von Spanplatten. Holztechnologie, Leipzig (1981) 2 5. Niemz, P. Untersuchungen zum Wesen der Kriechverformung von Spanplatten. Holztechnologie, Leipzig (1981) 4 6. Niemz, P. Gleichungssystem zur Approximation des Verlaufes von Kriechkurven bei statischer Dauerstand-Biegebelastung. Holzindustrie, Leipzig (1982) 1 7. Niemz, P. Gleichungssystem zur Approximation des Verlaufes von Kriechkurven bei statischer Dauerstand-Biegebelastung. Holzindustrie, Leipzig (1982) 1 8. Niemz, P. Verfahren zur Prüfung und Auswertung des Kriechverhaltens bei statischer Dauerstandbiegebelastung. Holztechnologie, Leipzig (1983) 9. Niemz, P. Untersuchungen zum Einfluss des Klimas auf das Kriechverhalten von Vollholz und Holzpartikelwerkstoffen. Holztechnologie, Leipzig (1985) Dunky, M.; Niemz, P. Holzwerkstoffe und Leime. Technologie und Einflussfaktoren. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York Literatur MHP-Platten 16

19 11. Niemz, P.; Poblete, H.; Viduare, S. Untersuchungen zum Kriechverhalten von MDF und Spanplatten im Normalklima. Holz als Roh- und Werkstoff, Berlin 55(1997), S Pritchard, J.; Ansell, M.P.; Thompson, R.J.H.; Bonfield, P.W. Effect of two relative humidity environments on the performance properties of MDF, OSB and chipboard. 2. Fatigue and creep performance. Wood Science and Technology, Berlin 35(5)(2001): Thompson, R.J.H.; Ansell, M.P.; Bonfield, P.W.; Dinwoodie, J.M. Fatigue in wood-based panels. 1. The strength variability and fatigue performance of OSB, chipboard and MDF. Wood Science and Technology, Berlin 36(3)(2002): Literatur MHP-Platten 17