Baport
No. 281
LABORATORIUM VOOR
SCH EEPSBOUWKUNDE
TECHNISCHE HOGESCHOOL DELFT
Enkele mechanische beproevirigen van
epoxyhars buìzen, versterkt met glasvezel
door
E. Baas
en
Ir.J.J. van den Bosch
Inhoud
Inleiding
Gegevens van de proefstulcken De buigproef 3.1 Uitvoering 3.2 IJitkomsten De trekproef 14.1 Uitvoering 14.2 Uitkomsten De drukproef 5.1 Uitvoering 5.2 Uitkomsten
Vergelijking van de elasticìteitsmodulj Conclusje
1. Inleiding
Het doel van het onderzoek was een indruk te krijgen van de stijfheid' en de sterkte
van buizen vervaardigd van expoxyhars versterkt met glasvezel. De aanleiding hier-toe was de vraag of er een hier-toepassingsmogeljjkheid zou zijn voor zulke buizen als
masten van zeiljollen. De doorbuiging van de mast van een klein zeilschip heeft
een belangrijke invloed op de vorm en daardoor op de aerodynamische eigenschappen van het zell. Afgezien van de vraag welke vorm en dus ook welke doorbuiging van de mast het gunstigst is, kan gezegd worden dat de mast zeif in de meeste gevallen een noodzakelijk kwaâd is ( uitgezonderd in die gevallen waarin de mast zeif als een
draagvlak geconstrueerd en gebruikt wordt).
Osi. de verstoring van de stroming oni het zell door de mast te beperken, moet de diameter zo klein mogelijk zijn.
Bi5
gegeven doorbuiging en gewicht moet dus he-b materlaal van de mast een zo groot mogelijke elasticiteitsmoujU5 in
buiging bezitten.
Van bijzonder belang is hoe de vezelorientatie, dus de constructie van de buis de stijfheid beinvloedt. Door de Koninklijke Shell Plastics waren vier buizen van verschillende constructie ter beschikking gesteld. Met deze buizen werd eerst een vierpuntsbuigproef uitgevoerd bij betrekkeii.jk kleine belasting, ter bepaling van de stijfheid tegen bulging. Daarna werden de buizen in stukken gezaagd waarmee trek- en drukproeven werden uitgevoerd ter bepaling van de stijfheid en sterkte.
2.
Geevens van de £roefstukkenHet harssysteen waarv-an de buien yervar&Lgd waren bestond uit Epikote
828
met harder DDM, de wapening bestond uit rovingttsjleatt 1166 800 TEX.
De constructie van de buizenbestond. uit lagen samengesteld uit strengen roving die spiraalsgewis orn een kern gewonden waren.De wikkeirichting in de lagen was orn en orn zodat de strengen roving elkaar
kruisten en een bijna symmetrische constructie verkregen werd. De verschillen
tussen de buizen waren te vinden in het aantal lagen en de wikkelhoek, d.i. de
hoek tussen de vezeirichting en het hart van de buis. In tabel i zijn de ver-schillende gegevens van de buizen verzameld. De waa'den van ohet opperviak
van doorsnede en van het traagheidsmoment zijn afgeleid uit de nominale wanddikten. Hierin schuilt eel-i onzekerheid, daar de buitenzijde van de
buizen niet glad was maar nog duidelijk de structuur van de glanvezel ver-toonde.
tabel i
2
constructie en afmetingen van de buizen
I II III IV V VI VII VIII IX
no % n kg d D A J
576
66
8 510.528
5.00
5.3t
2.76
9.2t
517
6 6 380.590
5,00
5.lth
3.60
12.31578
65
10.577
5.00
5.II
3.60
12.31De betekenis van de
kolommen
s
Ls voigt Kolom I Kolom II Kolom III Kolom IV Kolom V Kolom VI Koloni VII Kolom VIII Kolom IXno is het nummer van de buis
% is het percentage glas in het laminaat n is het aantal lagen
is de wikkelhoek in graden t.o.v. de as van de buis
k1
is het gewicht per meter buislengte U is de binnendiarneter van de buis in cm.
D is de bujtendiameter van de buis in cm.
A is het opperviak van doorsnede in cm2
145 145
doorbui.in
De pijp werd door twee min of meer scherpe randen gesteund en dicht bij de
emden belast door gewichten. De gehele opstelling was symmetrisch. Bij
een
dergelijke vierpunts-buigproef is het buigend
moment over het gedeelte tussen
de ondersteuruingen constant, Als ook verondersteld mag worden dat de pijp over
deze lengte dezelfde tijfheid heeft dan is de doorbuigingsvorm een cirkel. De
straal van de cirkel kan bepaald. worden door op drie punten de doorbuigingen te
meten. De meetpunten zijn in het figuurtje
aangegeven.
Uit het verband EJ = M.R is de stìjfheid
EJ bepaald en met de berekende waarde
van J kon de schijnbare elasticiteitsmodulus bepaald
worden. Er wordt hier
ge-sproken over de schijnbare elasticiteitsmodulus
omdat het materiaal niet
homo-geen is. De berekende waarde van het traagheidsmoment is het geometrisch
traag-heidsmoment. Er is geen rekening gehouden
met de verdeling van de glasvezel. De
berekende elasticiteitsmodulj. dienen slechts als vergelijkingsìnaterjaal.
Bij de uitvoering van de buigproef
werden enige flloeilijkheden ondervonden,
waar-door de nauwkeurigheid van de bepaling
van de stijfheid niet zo groat is als
ge-wenst werd.
s
3. De buiproef
3.1. Uitvoering
De buigproef werd verricht in het Laboratoruni
voor Scheepsbouwkunde.
De moeilijkheden ontstonden uit de wjze waarop de meting van de doorbuigingen werd uitgevoerd, n.l. door meetklokjes waarinee de verpiaatsingen van de drie
punten t.o.v. een vaste basis bepaald werden. Door de onregelmatigheid van het
buitenopperviak van de pijpen, en misschien ook door de gewikkelde constructie hadden de pijpen neiging orn onder belasting weg te glijden of te verdraaiien,
waardoor de meting van de verplaatsingen onnauwkeuriger werd.
Door het geven van een voorbelasting werden de meetonnauwkeurigheden wel ver-minderd maar niet geheel opgeheven.
3.2. De uitkomsten
In tabel 2 zijn voor twee waarden van de belasting de stijfheden en de
elastici-teitsmoduli gegeven benevens de verhouding tussen de waarnemingen voor de twee
belastingen.
Tabel 2
IDe betekenissen van de kolommen is als voigt
Koloni I no is het nummer van de buis
Kolom II (EJ)B
15
is de stijfheid in kgcm2 bij het buigend moment van15 kgcm tengevolge van een hoofdbelasting van 5 kg aan beide
emden.
5 I II III IV V VI no (EJ) B.11t5 (EJ) E B.1145 E F B.290 B.290 -' B.290E15
576 126 108 13,6 11,7 0,86 517 181 190 i4,7 15,A 1,05 578 188 173 15,3 111,i 0,92 579 177 182 23,7 1,03(EJB 290 1.S de stijfheid in
kcm2 bij
het buigend. momentvn 290 kgcm tengevolge yn een hoofdbelasting van 10 kg aan beiden emden.
is de elsticiteitsmoduJ,us , gevonden uit
(EJ)B.115
is de elasticiteitsmodulus in kg/2 , gevonden uit
(EJ)B290.
is de verhouding.
De nauwkeurigheid van de waarde van de stijfheid wordt geschat op 5% voor
B.290 en op 10% voor de kleinste belasting. Aan de verschillen tussen de twee waardejì
van de elasticiteìtsmodulus kunnen dus niet veel conclusies verbonden worden,
hoewel het verschil voor ouis 576 wel erg groot is. Afgezien van buis 576 bleken
alle proefstukken ongeveer dezelfde stijfheid te bezitten. Buis 579 is daarbij de Ïichtste.
Ai.s algemene conclusie kan gezegd worden dat hoe kleiner de wikkelhoek is, hoe
groter de stijfheid van de buis is bij hetzelfde gewicht.
-6
Kolom III
Kolom IV
Kolom V
. De trekproeí'
14.1. Uitvoerin
De trekproeven en drukproeven werden uitgevoerd in het Stevin Laboratorium waar men beschikte over een daartoe geschikte beproevingsbank.
De pijpdelen die besternd waren voor de trekproef werden aan beide emden voorzien
van een conisehe versterking waarmee ze, met behuip van speciaal gernaakte
trek-stukken, in de bekken van de bank geklernd konden worden. 0m bet indrukken van de pijpen te voorkomen werden de emden opgeinild met massieve aluminium proppen. De
pijpklenunen worden getoond op foto 1; de opstelling op de foto 8 2 en 3, en foto
14 werd genomen op het moment van het bezwijken van een proefstuk.
De verlenging van de proefstukken over een lengte van loo nun werd met een speciale
rekstiookextensjometer gemeten. Op foto 2 is deze verlengingsmeter te zien. De
uitgansspanning van de extensiorneter werd gebruikt orn de papiersnelheid van de
schrijver, waarop de trekkromme getekend werd, te regelen. Na een verlenging van 1 mm, dus een rek van n procent, werd automatisch de extensiometer uitgeschakeld
en verwijderd. De papiersnelheid. werd vervolgens geregeld door bet verplaatsings-signaal van het juk van de bank. Er was dus geen relatie tussen het eerste deel van de weergegeven trekkromme en het latere deel, waaruit alleen de bezwijkbelasting is af te leiden. De stijfheid van de buis is alleen af te leiden uit het eerste
deel van de kromme.
4.2. Uitkomsten
Bij het bekijken van de trekkroimnen viel direct op dat de stijfheid van sommige
proefstukken sterk afhankelijk was van de belasting. Daarom werd de stijfheid (richting van de raaklijn aan de trekkromme) bepaald lJIj het begin van de be-lasting en bij een bebe-lasting die overeen kwam met een nominale trekspanning van
500 kg/2. De verhouding van deze twee stijfheden is een maat voor de krornheid
van de trekkromme.
In tabel. 3 zi,jn de uitkomsten van de trekproef verzanield. Als breukbelasting is de last aangenomen waarvoor de eerste duidelijk onregelmatigheid in de trekkronime zichtbaar was.
De betekenis van de kolommen is als voigt Kolom I Kolom II Koiom III Kolom IV Kolom V Kolom VI Tabel 3
no is het nummer van de pijp
is de stijfheid in kg bij het begin van de beiasting
T.500 is de stijfheid in kg bij de nominale spanning van 500kg! 2 ETO is de elasticiteitsmodulus in kg/2 ,. die voigt uit (EF)TO ETSOO is de, uit (E1)T.soo berekende elasticiteitsmodulus in
E
T.500 behoeft gee.n uitleg ET.0
P is de breukiast in kg T Max
a is de bij P behorende nominale spanning in kg! 2
T.Max T.max cm
Er zijn beiangrijke verschillen in de kwaiiteiten van de proefstukken. Buis 56 b1ijkt in sterkte al zeer snei te falen en ook de stijfheid neemt zeer snel af
naar-mate de belasting stijgt. Het makt de indruk dt de samenhang van het laminaat al in een vroeg stadium begint te yermi,nderen en dat daardoor de
elasticiteitsmo-dulus zo sterk afneemt, Bj buis 579 daarentegen, die een zeer grote last kan dragen is de trekkromnie slechts weinig gekrornd.
8
I II III IV V VI VII VIII
no
(EF)To
x10 T.500 x10ETO
x10ETSOO
x10ETSOQ
TMax TMETO
576 25,5 6,3 9,2 2,3 0,25 1580 577 578 39,6 36,)4 28,2 11,0 10,1 6, 7,8 0,61 0,77 7250 I6io 2010 1280 579 39,5 39,1 17,5 17,3 0,99 9150 i8o Kolom VII Kolom VIIII
5. De drukproef
5.1. Uitvoering
De proefstukken die voor de drukproef gebruikt zijn, behoefden
slechts klein te
zijn. Daarom konden er van elk type twee gemaakt worden.
De drukproefstukken werden direct tussen de jukken
van de machine geklernd. Voor
de bepaling van de elasticiteitsinodulus stelde dit hoge eisen
aan de vlakheid
n evenwijdigheid van de eindvlakken. De extensiometer, die bij de trekproef
zuike nuttige diensten verleend had, werd bij de drukproef niet
gebruikt.
De papiersnelheid van de schrijver werd in dit geval
door de verpiaatsing van
het juk geregeld. Het was janmier dat de papiersnelheid zo klein was. De
be-paling van de elasticiteitsmodulus
voor de druk is daardoor ook minder nauwkeurig
dan die voor trek. Bij het tweede
proefstuk van type 5T6 werd tussen de
eind-irlakken en de jukken een kartonnetje gelegd. De bepaling
van de
elasticiteits-modulus was daardoor onmogelijk geworden.
5.2. Uitkomsten
In tabel 14 zijn de gegevens, overeenkomstig aan die van de trekproe, verzameid.
Tabel I
De betekenis van de kolommen is als voigt
Kolom I Kolom II Kolom III Kolom IV Kolom V Kolom VI no is het proefstuknunimer
(EF)DO
is de stijfheid in kg bij het begin van de belastingD.5oo is de stijfheid in kg bij de nominale spanning van
500 kg/2
EDO
is de uit(EF)Do
berekende elasticiteitsmodulus in kg/2 EDSOO is de uit (EF)D500 berekende elasticiteitsmodulus in kg/cm2
EDSOO
ED.0
Kolom VII P is de bezwijklst in kg D Max
Kolom VIII
°D Max is de bezwijkspanning in kg/2.
IO
-I II III IV V VI VII VIII
no x1014 D.5OO
x1014
ED.Ox1014
ED.SOOx1014
EDSOO D Max 0D Max
ED.O 576 578 21,3 314,0 29,1 27,2 29,1 27,8 214,8 13,0 23,6 22,7 26,5 26,0 27,3 214,6 ,8 9,14 8,1 7,5 8,1 12,3 11,0 14, 6,6 6,3 7,2 12,1 10,9 o,6i 0,70 0,x8 0,97 0,90 0,98 0,99 2750 31140 3050 2950 2350 3100 1750 1850 1000 850 820 650 860 770 820
Het is merkwaardig dat de pìjp, die in trek maar een lage spanning kan
ver-dragen in druk meer kan weerstaan dan de drie andere typen, die elkaax' niet
veel ontlopen, wat betreft de maximale drukspanriing. Wat de wije van bezwljken betreft geeft pijp 577 een volkomen ander beeld dan de avenge proefstukken Dit is te zien op de foto!s 5 en
6.
Terwijl de buizen576, 518 en 519
verkruimelen op n der eind.vlakken, schuift pijp 517 af langs de wikkelrichting.De vermindening van de stijfheid bij grate belasting is in druk kleiner dan in trek behalve bij buis 579 waarvan ook de trekkromme goed recht was.
6. Vergelijking van de
Voor het gebruik als mast is voornmelìjk de reltie tuaseri de constructie en de elasticiteitsmodulus van belang. n tabel 1+ zìjn verschi.11ende waarden van
de elasticitejtsmod.ulus nog eens bìj elkaargezet. Voor trek en d.ruk voor de
laagste belasting maar voor buiging voor de hoogste belasting omdat de nauwkeurig-held hiervan het grootst geacht wordt. De waarden de voor gegeven zijn,
zijn de gemiddelden van de twee waarriemingen.
Tabel
De elasticiteitsmod.uli voor trek zijn groter dan die voor druk voor alle buis-constructies. Aangezien een buis die gebogen wordt gedeeltelik op trek en ge-deeltelijk op druk belast wordt, zou men vermoeden dat de elasticiteitsmodulus
voor buiging het midden zou houden tussen de waarden voor trek en druk. Dat is echter helemaal niet het geval, : de elasticiteitsmodulus voor bulging is
aan-merkelijk groter. Misschien kan dit verschijnsel op de volgende wijze
ver-klaard worden. Als de gewikkelde buis op trek belsst wordt zullen de wikkelingen de neiging hebben zìch te strekken. Daarbij moet de diameter van de buis kleiner worden. De krachten die zh yerzetten tegen deze strek-neiging zijn de radiale bindingakrachten tussen de vezels en de perifrale drukkrachten in de hars. De glaswapening zeif yerzet zieh niet tegen het strekken, het is de hars met
zijn lage elasticiteitsmodulus die de vezels bijeeri moet houden.
Een aanwijzing dat deze radiale spanningen bestaan Ls te vinden in de wijze van bezwijken waarbij de lagen aan de binnenzijde van de buis naar binnen losge-trokken zijn. Dit is te zien op foto 7.
12 -no
EB290
x10ETO
x10EDO
x1O 576 11,7 9,2 7,8 577 15,14 11,0 8,8 578 i1,1 10,1 579 214,1f 17,5 11,6Ook bij de drukbelastìng geldt et
derge1jks
bjj het in elkaar drukkenvan de windingen vordt de dsieter yn. de buis grçter. De wjndingen gedragen zich enigszìns als een schroefyeer,
BIj buiging echter moet de doorsnede een y9rive'andering ondergaan vn
cirkel-vormig naar ovaal. Daarbij wordt de wand. yan de buis op buiging belat, De stijfheid van de doorsnede tegen ovaal worden wordt door de glasvezel met grote
wjkkelhoek sterk bevorderd,
Het verschil in elasticiteitsmodulus zou dus gevonden moeten worden in het
gemak waarmee secundaire vervormingen (dwarscontractie, ovaal worden) kunnen
optreden.
Als deze redenatie juist is zou de stijfheid in trek aanmerkelijk groter moeten kunnen worden als de "dragende" wapening evenwijdig met de hartlijn van
de buis gelegd zou worden (wikkelheid = o) liefst onder een zekere
voor-spanning. De neiging tot dwarscontractie van de buis zou dan minimaal zijn.
Ten behoeve van de stijfheid tegen buiging zouden behalve deze evenwijdige
be-wapening ook enige lagen met een grote wikkelhoek gelegd moeten worden orn de vormverandering van de doosnede te bepalen.
-s
7.
ConclusieAls algemene conclusie kan men aeggen dat de c9n8tuctie yan de buis een Qver-wegende invloed heeft op de stijheid, en dat bj eengoede constructie de elasticjteitsmodulus van de yezel
bepalend is yoo
de stìjfheid, Een yezel-materiaal met een hogere elasticiteitsmodulus zou dus een stìjvere buis kunnengeven.
De bruikbaarheid van dergelijke buisconstructies voor inasten voor zeilbootjes
is van deze stijfheid afhankelijk. Met de gebruikte glasvezel is de elasticiteits-modulus in bulging van de beste buis ongeveer twee maal zo groot als van hout,
en het soortelijk gewicht 2.5 - 3 maal zo groot. Dat betekent dat afgezien van randvoorwaarden (zoals de kleinste praktisch wanddikte etc.) hout superleur is, evenals aluminium.
Voor gestaagde niasten moet gerekend worden met de elasticiteitsmodulus in druk. Dan liggen de verhoudingen nog ongunstiger.