TEKNISK RAPPORT
Luleå tekniska universitet
Institutionen för samhällsbyggnad
Avdelningen för byggkonstruktion
2008:08|: 02-536|: - -- 08 ⁄08 --
2008:08
Undersökning av skjuvförband i trä:
provning av bulttyper för Vasaskeppet
Universitetstryckeriet, Luleå
Anders Bennitz
Björn Täljsten
Teknisk rapport 2008:08
Undersökning av skjuvförband i trä
– provning av bulttyper för Vasaskeppet
Anders Bennitz och Björn Täljsten
Februari 2008
Avdelningen för Byggkonstruktion Institutionen för Samhällsbyggnad
Luleå tekniska universitet 971 87 Luleå
Förord
Föreliggande rapport presenterar resultatet av laboratorieförsök på bultar för Vasaskeppet utförda på avdelningen för byggkonstruktion vid Luleå tekniska universitet. Försöken har genomförts under slutet av 2007 och är en direkt fortsättning av tidigare försök från 2004 och 2005. De tidigare rapporterna pekade på ett behov av fortsatt provning. Föreliggande rapport är således en fortsättning av tidigare arbete, dock med vidareutveckling av möjliga bulttyper för Vasaskeppet.
De testade bulttyperna har konstruerats och tillverkats i Statens Maritima Museer regi av Anders Ahlgren.
Försöken har genomförts vid Luleå tekniska universitet och Complab, av Civ. Ing. Georg Danielsson samt Forskarstuderande Anders Bennitz.
Luleå – februari 2008
Sammanfattning
Vasaskeppet bärgades 1961 och är unik i storlek och skick. Av flera anledningar önskar man byta ut befintliga stålbultar. Den främsta anledningen är att bultarna korroderar och att korrosionsprodukterna påverkar Vasas ek negativt. En möjlighet är att ersätta befintliga de befintliga bultarna med bultar av kolfiberkomposit, men även möjligheten att använda syrafast stål har undersökts.
I tidigare rapporter har prototypbultar provats där det påvisas att det är möjligt att ersätta de befintliga stålbultarna med kolfiberbultar. I de tidigare arbetena har även ett fungerande
provningsförfarande(provuppställningar) tagits fram. Delar av dessa provuppställningar har även använts för provning som redovisas i denna rapport.
I denna tredje provserie har tre olika bultsystem undersökts, två med stålbultar och en med kolfiber. Därtill har också två olika ändstycken undersökts, ett av plast och ett av stål. För att skapa ett aktivt system bultsystem har en ände försetts med fjäder. I motsats till tidigare utförd provning har såväl bultar som ändstycken till stor del designats och monterats av Vasa skeppets egen personal.
Två olika typer av provningar har genomförts, rena dragförsök av bult och ändstycken samt provning av skjuvförband.
En slutsats från de utförda försöken är att kolfiberbulten och stålbultarna beter sig likvärdigt inom en stor del av det elastiska området, men att stålbultarna upptar betydligt mer last i samband med flytning av stålet, d.v.s. då bultarna redan deformerats mer än tillåtet.
De uppkomna brotten för de flesta försök är oftast deformation i kolfiberröret eller stålröret, samt efterföljande flytning i den inre gängstången med brott i kolfiberkompositen och flytning i stålröret. I vissa fall har dock även brott uppstått i virket innan antydan till brott i bult konstaterats. Detta skedde på grund av initiella sprickor i träet. Vid isärtagning av testad uppställning syntes tydliga tecken på hur kraften från röret deformerat träet, de hade då i samtliga fall varit utsatta för en kraft långt över den dimensionerande.
Laboratorieförsöken visar på att såväl stålbultar som kolfiberbultar kan användas för att ersätta de befintliga bultarna om man endast behöver ta hänsyn till det strukturella beteendet.
En synpunkt som framkom vid provningen är att bultarna består av många detaljer, dock färre än tidigare prototyp, men att de är relativt enkla att montera. När ändstycken av stål användes uppkom brotten i den inre gängstången och i de fall plast användes uppkom brotten oftast i övergång mellan den inre gängstången och plasten. I samtliga fall skedde brott långt upp i rörets plastiska område.
En slutsats från utförd provning är att den större tjockleken på stålröret inte har någon signifikant betydelse för bärförmågan. I tillägg till detta kan såväl kolfiberbultar som stålbult användas för att ersätta de befintliga bulttyperna om aktuell belastning är inom för bultarna elastiskt område.
Det föreslås vidare att gängstången helt plockas bort, så länge ingen plastiskt deformation kan tillåtas, eller görs homogen och med en högre stålkvalitet samt att anslutningen mellan ändstycken och bult modifieras.
Innehållsförteckning
1 Undersökta bultsystem 6 1.1 Inledning 6 1.2 Bulttyper 6 1.2.1 Bulttyp ”P” 7 1.2.2 Bulttyp ”ST” 7 1.2.3 Bulttyp ”SF” 7 2 Försöksuppställning 9 2.1 Inledning 9 2.2 Dragprovning 9 2.3 Skjuvprovning 10 2.3.1 Förutsättningar 10 2.3.2 Trä 10 2.3.3 Friktion 10 2.3.4 Förspänning 10 2.3.5 Belastning 10 3 Resultat 11 3.1 Allmänt 11 3.2 Dragförsök 11 3.3 Skjuvförsök 13 3.3.1 Allmänt 133.3.2 Bulttyp ”P”, kolfiberrör och plastdetaljer 13 3.3.3 Bulttyp ”ST”, syrafast rör med tjockare gods 15 3.3.4 Bulttyp ”SF”, normalt stål i rör med tunnare gods 18 3.3.5 Jämförelse mellan bulttyper 20 3.3.6 Beskrivning av beteendemönster 21
4 Diskussion och slutsatser 22 Bilaga A - Sammanställning skjuvförsök 23 Bilaga B – Fotodokumentation 25
1 Undersökta
bultsystem
1.1 Inledning
I tidigare studier har två olika typer av kolfiberbultar samt en homogen stålbult undersökts, se tidigare teknisk rapport (Täljsten & Carolin, 2006). Provningen visade att det var fullt möjligt att ersätta befintliga stålbultar med kolfiberbultar, men att de testade prototyperna behövd vidareutvecklas för att de ska vara enklare att installera samt för att även uppfylla sin funktion bättre. Av den orsaken har en vidareutveckling genomförts. Vidareutvecklingen av bulttyperna har i princip utmynnat i två olika bultar, en av kolfiber och en bestående av ett stålrör. Vidare har man en passiv och en aktiv ände. Den passiva änden är placerad på utsidan av skeppet och har utseendet av en traditionell bultskalle (liknande de som redan finns). Den aktiva änden är placerad på insidan och har förutom en bricklåsning även en fjäder som gör systemet aktivt i samband med montage.
1.2 Bulttyper
Monteringsprincip och kraftöverföring var den samma hos samtliga bulttyper medan materialen hos vissa komponenter skiljde mellan dem. I huvudsak bestod bultarna av en inre dragstång, en yttre hylsa, en gänghylsa, en inaktiv bultände och en aktiv bultände med tillhörande brickor, anliggningsbricka samt en spiralfjäder, se Figur 1.1.
Figur 1.1 - Dragstång med påskruvad inaktiv ände till vänster och aktiv ände med gänghylsa, 8.8 bult och bricka till höger. Ändarna är i det här fallet av typ ”P”.
Den inre dragstången bestod av syrafast stål och var av samma modell för samtliga bulttyper och bestod av en ihålig konstruktion där tjockleken på godset var cirka 1 mm och yttre diametern 10 mm. I varje ända av stålet fanns en utvändig gänga för att ansluta den inaktiva bultänden och gänghylsan. Då den inaktiva bultänden var ditskruvad kunde den yttre hylsan, anliggningsbrickan och spiralfjädern träs på, se Figur 1.2, därefter skruvades gänghylsan på dragstången.
Figur 1.2 - Yttre hylsa i kolfiber tillhörande bulttyp ”P” efter utfört test samt från vänster: spiralfjäder, trasig aktiv ände samt trasig inaktiv ände.
I andra ändan på gänghylsan skruvades en M8.8 bult in och klämde på så vis fast en eller ett par brickor, beroende på bulttyp. Med mellanlägg kan sedan mothåll mot träet genom åtdragning av bulten i den aktiva änden ge en dragande förspänning i dragstången, se Figur 1.3. Nedan beskrivs de provade bultarna övergripande.
Dragstång Aktiv ände Inaktiv ände Yttre hylsa Inaktiv ände Plastbricka Aktiv ände Spiralfjäder
Figur 1.3 - Bulttyp ”P” förspänd med 1 kN just innan belastning påbörjas. Från vänster består mellanläggen av plastbricka (tillhörandes bult), stålhylsa, lastcell samt spiralfjäder och anliggningsbricka, (båda
tillhörandes bult).
1.2.1 Bulttyp ”P”
Bulttyp P består av kolfiber. För den här bulten användes utöver dragstaget i syrafast stål, fjädern och M8.8 bulten, en yttre hylsa i kolfiber samt gänghylsa, bricka med liten innerdiameter, anliggningsbricka och inaktiv ände i plast. De här delarna kan ses i Figur 1.1- Figur 1.3. Kolfiberrörets samtliga fibrer är orienterade i rörets längdriktning.
1.2.2 Bulttyp ”ST”
”ST” har en yttre hylsa i syrafast stål, se Figur 1.4. Godset i hylsan var något tjockare än det var för hylsan i bulttyp ”SF”. Då ytterdiametern hållits konstant mellan bulttyperna innebar det tunnare gods i gänghylsan och den inaktiva bultänden, se Figur 1.5.
Figur 1.4 - Testad ”ST” ytterhylsa med gänghylsa som sticker ut i vänster ände och inaktiv ände i höger. Nere till vänster syns mellanlägg, spiralfjäder samt anliggningsbricka som används både för typerna ”ST”
och ”SF”.
Figur 1.5 - Dragstång med inaktiv ände till vänster samt gänghylsa, brickor med liten innerdiameter och 8.8 bult till höger. Allt från bulttyp ”ST”.
1.2.3 Bulttyp ”SF”
”SF” har en yttre hylsa i vanligt stål med mekaniska egenskaper som ska likna de en hylsa i syrafast stål kan ha, se Figur 1.6. Anledningen till det valet var brist på det syrafasta stålet hos leverantören. Här användes ett något tunnare gods till den yttre hylsan. Till den användes gänghylsa och inaktiv bultände med tjockare gods, se Figur 1.6.
8.8 bult plastbricka stålhylsa lastcell spiralfjäder anliggningsbricka träbit
Gänghylsa Yttre hylsa Träbit Inaktiv ände Spiralfjäder Mellanlägg Anliggningsbrickor
Figur 1.6 - Yttre hylsa av modell ”SF” med gänghylsa i vänstra änden och inaktiv bultände liggandes i höger ände. Dessutom syns 8.8 bult, brickor med liten innerdiameter, brickor med stor innerdiameter, spiralfjäder
och anliggningsbrickor.
2 Försöksuppställning
2.1 Inledning
Samtliga försök utfördes i Complabs lokaler på Luleå tekniska universitets, i regi av Avdelningen för Byggkonstruktion. Totalt utfördes 32 försök, 8 stycken var rena dragförsök och 24 stycken skjuvförsök i ett tvåskärigt träförband enligt skiss i Figur 2.1.
Figur 2.1 Principskiss över försöksuppställningen för skjuvförsöken.
2.2 Dragprovning
Dragförsöken utfördes för att se var de svaga delarna i dragstångssystemen fanns och vilken belastning de kunde uppta. Det var två aktiva respektive två inaktiva bultändar vardera från bulttyperna ”P” respektive ”ST” som testades. Då bultändarna hos system ”SF” hade ett än tjockare gods ansågs dess svaga del kunna likställas med ”ST”:s. För ändamålet skruvades fyra dragstänger ihop enligt Figur 1.1 och Figur 1.5. Dessa kapades sedan på mitten för att passa in i testriggen, se Figur 2.2.
Figur 2.2 - Försöksuppställning för dragprov av (från vänster), aktiv ände ”ST”, inaktiv ände ”ST”, aktiv ände ”P” och inaktiv ände ”P”
För att undvika sned belastning placerades ett sfäriskt lager ovanför hålplattan. I dragförsök nummer 7 användes 15 mm kortare gänglängd vid inskruvning av M8.8-bulten för att simulera den situation som kan uppstå vid förspänning. För övriga ändtyper ansågs inte den parametern ha någon betydelse. Belastningshastigheten 0.01 mm/s och fria längden 200 mm på dragstången användes. Både för detektering av förskjutning och pålagd last användes testriggens inbyggda mätsystem.
2.3 Skjuvprovning
2.3.1 Förutsättningar
Bultarnas kapacitet i ett tvåskärigt skjuvförband utvärderades i 24 skjuvtester. 8 tester per bulttyp utfördes, därav 4 med friktion mellan träklossarna och 4 med reducerad friktion, se Figur 2.3. Nedan beskrivs det trä som användes i provning samt hur friktionen och förspänningen skapades. Därtill diskuteras belastningsförfarandet.
Figur 2.3 - Försöksuppställning med respektive utan friktion mellan träklossarna.
2.3.2 Trä
Träbitarna som användes under skjuvprovningen var genomgående av högkvalitativ ek, samma material hade använts i tidigare försök rapporterat i (Täljsten & Carolin, 2006). Träet sågades med bandsåg till dimensionerna 150x150x300 mm och borrades sedan med en I25 mm pelarborr. Ett antal av trästyckena av var redan lätt spruckna och ibland något böjda. Detta är att hänföra till tidigare provning. I den mån det var möjligt har hänsyn tagits till detta vid montering av förbanden. Krokiga sidor har så långt det gått placerats mot luft och spruckna delar har placerats så att de vid belastning blir tryckta. Trots ansträngningarna upplevdes det ibland som om krokigheten kunde ge högre belastning vid liten deformation tack vare att kraft överfördes mellan ojämnheterna i träet istället för genom bulten.
2.3.3 Friktion
I de prover som utfördes med friktion sammanfördes träbitarna utan något mellanlägg. Det var framförallt i dessa prover som kraftöverföring vid sidan av bulten kunde anas. Förhållanden med minskad friktion åstadkoms genom att två hårdplastskivor användes vid varje skär; totalt fyra stycken per test. På dessa sprayades flytande teflon som gav en glatt yta, se högra delen av Figur .
2.3.4 Förspänning
Efter noggranna funderingar sattes förspänningen i dragstången till endast 1 kN för samtliga tester. Mer spänning skulle ha orsakat att alltför lite effektivt drag kunde utnyttjas med tanke på dragstångens kapacitet. Mindre spänning skulle inte ha gett den samverkan mellan bultens delar som eftersträvades och ej heller gett ett med verkligheten överensstämmande beteende hos förbandet.
Förspänningen ansattes genom att M8.8-bulten i den aktiva änden skruvades in i gänghylsan och i och med det via brickor och spiralfjäder överförde kraften till träklossarna. Att rätt spänning uppnåddes lästes kontinuerligt av via den lastcell som fanns mellan 8.8-bulten och spiralfjädern, se Figur 1.3 och 2.3.
2.3.5 Belastning
Lasten påfördes underifrån med en hastighet av 0.05 mm/s och var deformationsstyrt. För att säkerställa axiell belastning användes ett sfärsikt lager vid anliggning mot den mellersta träbiten. I några av de första
3 Resultat
3.1 Allmänt
Generellt kan det sägas att resultaten inom en och samma bulttyp varierade väldigt lite, detta beror framförallt på noggrannhet vid provningen. Provkropparna såg mycket lika ut då de tagits ur träet och kurvorna överensstämmer mycket väl när de jämfördes. Däremot så skiljer sig resultaten väsentligt åt mellan de olika bulttyperna. Fokus här ligger därför på att rapportera hur respektive bulttyp beter sig och alltså inte hur spridningen inom bulttyperna ser ut. Spridningen inom varje försök är liten, vilket tyder på att testerna kan anses trovärdiga och att de fungerat som avsett.
3.2 Dragförsök
Här redovisas brottmod i ord och bild samt brottlast för samtliga dragförsök, Tabell 3.1 och Figur 3.1. Från samtliga försök kan dras den slutsatsen att brotten uppkommer i eller nära ändstyckena. Det kan också noteras att lasten för ände med ståldetalj är i samma storleksordning oberoende på vilken sida brottet uppkommer.
Tabell 3.1 - Resultat från de enaxiella dragförsöken Dragförsök
nr
Gängtyp Maxlast [kN]
Brottyp
1 stål inaktiv ände 13.3 I dragstång i gänga närmast ändstål 2 stål inaktiv ände 13.3 I dragstång i gänga närmast ändstål 3 stål aktiv ände 11.9 I dragstång i gänga närmast gänghylsa 4 stål aktiv ände 13.3 I dragstång i gänga längst ifrån gänghylsa 5 plast inaktiv ände 6.6 I plastdetalj där dragstång slutar
6 plast inaktiv ände 6.8 I plastdetalj där dragstång slutar
7 plast aktiv ände 5.2 Gängor drogs ut där bulten sitter (15 mm kortare gänglängd) 8 plast aktiv ände 8.3 I gänghylsa där dragstång slutar
Lasten är förhållandevis hög och uppgår till ca 1.3 ton. Motsvarande tendens kan även noteras för änddetaljer av plast. Här uppgår dock brottlasten till ca 600 – 700 kg. Brotten för de olika försöken framgår tydligt i Figur 3.1. Det kan här noteras att för ändstycken av stål uppkommer brottet alltid i den ihåliga gängstången. Det skulle således vara relativt enkelt att öka denna last om en homogen stång hade valts. Samtliga plastdetaljer erhåller dock brott i övergången från stång till den rena plasten. I försöken har inte några materialdata provats utan samtlig materialdata kommer från leverantören av de olika materialen. Materialdata är sammanställt i Tabell 3.2. Där fu och fi är yttre respektive inre diameter, Em, elasticitetsmodul,
fy flytgränsen för materialen och fu är brotthållfastheten och k är fjäderkonstanten för fjädern.
Tabell 3.2 - Materialdata Bultsystem Kvalité Iu [mm] Ii [mm] Emodul [GPa] fy [MPa] fu [MPa] k [N/mm] Kolfiberrör CF/epoxy 24 15.9 114 --- 1300/900 --- Rosttrögt Stålrör ss 2328 24 15.3 200 550 800 --- Stålrör ss2172 24 19.8 206 640 740 --- Inre dragstång ss2348 10 8 206 260 590-690 --- Ändstycke stål ss2343 --- --- 200 220 590 --- Ändstycke plast PBT/GF --- --- 10.0 --- 130 --- Fjäderstycken ss1774 --- --- 208.5 --- --- 321.1
1 13.3 kN 2 13. kN 3 11.9 kN 4 13.3 kN 5 6.6 kN 6 6.8 kN 7 5.2 kN 8 8.3 kN
3.3 Skjuvförsök
3.3.1 Allmänt
Bulttyperna redovisas först var och en för sig, hur spridningen är inom gruppen av tester samt hur deformationen ser ut. Därefter ges jämförande och sammanfattande resultat för att påvisa skillnaderna mellan olika typer snarare än olika prover. Då samtliga bultar påvisade samma beteendemönster beskrivs det mer ingående i sektion 3.3.6.
Under maxlast redovisas i Tabell 3.2, Tabell 3.3 och Tabell 3.4 vid vilken last bulten inte längre kunde uppta mer last. Ofta bibehöll dock bulten en viss residualhållfasthet som tillät att försöket kunde fortgå fram till dess att maximal nedböjning med avseende på provuppställningen uppnåddes.
Nedböjningen vid maxlast är således inte ett mått på maximal nedböjning vid brott utan ett mått på när provutrustningen uppnått sin kapacitet med avseende på deformation.
Brottyp är det brott som slutligen gör så att bulten inte längre kan återhämta bärförmåga, och alltså det brott som ger gränsen för maximal last. Innan det gränssättande brottet uppstår kan mindre brott i trä eller bult ha skett. Dessa har då kunnat kompenseras genom kraftförflyttning och bulten har återhämtat sig för att kunna bära mer last. I vissa fall har också ultimata brott uppnåtts där belastningen sjunkit till noll. För en sammanställning av brott som föregår och uppkommer efter brott vid maxlast hänvisas till Bilaga A.
För några av de sista försöken tog det slut med nya spiralfjädrar och det blev tvunget att använda de gamla. Dessa hade i de flesta fall utsatts för en hoptryckande kraft långt över den rekommenderade och kan på grund av det ha varit något, ej synligt för ögat, deformerade redan vid försökets början. Utöver de figurer som redovisas här så återfinnas intressanta bilder i Bilaga B.
3.3.2 Bulttyp ”P”, kolfiberrör och plastdetaljer
Samtliga ”P” bultar gick till brott i plasten, ofta båda plaständarna nästan samtidigt, Figur 3.2. Samtliga bultar såg också ut på samma sätt när de tagits ur träet. Alltså kan det med stor säkerhet fastställas hur de kommer att bete sig. Maxlasten varierade något mellan försöken utan friktion och med friktion, medan de inom dessa grupper hölls väldigt lika, Tabell 3.2. Friktionen ger för bulttyp P en väsentlig ökning av skjuvlasten, ca 25 % ökning. Jämnheten hos maxlasten för proverna utan friktion tyder på att teflonet fullgjort sin funktion. Hela förloppet kan följas i Figur 3.3 och Figur 3.4 där det på den högra y-axeln redovisas skjuvbelastning som bulten utsätts för under försöket. På den vänstra y-axeln ses hur den axiella belastningen varierar under försöket, det är även dessa kurvor som börjar med förspänning på 1 kN.
Tabell 3.2 - Resultat från skjuvförsök på bulttyp ”P”
Bult nr Maxlast [kN] Nedböjning vid maxlast [mm] Brottyp Anmärkning P1 59.5 37.4 Plast P2 58.2 36.2 Plast P5 65.5 42.0 Plast P6 57.6 38.1 Plast Medel med friktion 60.2 38.4
P3 49.0 35.2 Plast P4 49.0 41.5 Plast P7 49.0 39.5 Plast
P8 45.0 39.4 Plast Återanvänd fjäder Medel utan friktion 48.0 38.9
Figur 3.2 - Bulttyp ”P”: Testkropp med friktion kvar i testrigg efter försök, testkropp utan friktion liggandes efter försök, bult med tillbehör efter isärtagning.
Figur 3.3 - Last nedböjningsdiagram för bulttyp ”P”, skjuvlast och axiell belastning på dragstång, med
Elastiskt beteende Överkant hylsa når dragstång Fjäder i botten Axiell last i dragstång Skjuvlast
Figur 3.4 - Last nedböjningsdiagram för bulttyp ”P”, skjuvlast och axiell belastning på dragstång, utan friktion.
3.3.3 Bulttyp ”ST”, syrafast rör med tjockare gods
I de allra flesta fallen var det för den här bulttypen gängan på dragstången som avgjorde hur stor maxlasten skulle bli. På grund av bultens i allmänhet höga bärförmåga så var det i två fall också träet som satte begränsningarna samt i ett fall maskinens slaglängd. Skillnader mellan friktionslösa förband och de med friktion finns, Tabell 3.2. Skillnaden mellan friktionsförband och utan friktion var inte lika påtalad för denna bult som för kolfiberbulten, men en ökning av ca 15 % kunde noteras till friktionsförbandets fördel.
Ofta så gick dragstången av i den inaktiva änden, men i de fall då det skedde i den aktiva så syns det inte eftersom gänghylsan skjuvats fast i mynningen på den yttre hylsan, Figur 3.5. I Figur 3.6och Figur 3.7 redovisas last-nedböjningsdiagram för försöken, med respektive utan friktion.
Elastiskt beteende Överkant hylsa når dragstång Fjäder i botten Axiell last i dragstång Skjuvlast
Tabell 3.2 - Resultat från skjuvförsök på bulttyp ”ST”
Bult nr Maxlast [kN] Nedböjning vid
maxlast [mm] Brottyp Anmärkning ST1 124.0 41.8 Trä
ST2 126.6 59.8 Maskin ST5 109.2 47.4 Dragstång ST6 136.8 55.0 Dragstång Medel med friktion 124.2 51.0
ST3 119.9 50.6 Dragstång ST4 108.7 64.8 Dragstång ST7 98.7 49.1 Trä ST8 110.5 45.7 Dragstång Medel utan friktion 109.4 52.6
Medel totalt 116.8 51.8
Figur 3.5 - Bulttyp ”ST”: Testkropp med friktion kvar i testrigg efter försök, testkropp utan friktion liggandes efter försök, bult med tillbehör efter isärtagning.
Figur 3.6 - Last nedböjningsdiagram för bulttyp ”ST”, skjuvlast och axiell belastning på dragstång, med
friktion.
Figur 3.7 Last nedböjningsdiagram för bulttyp ”ST”, skjuvlast och axiell belastning på dragstång med reducerad friktion. Elastiskt beteende Överkant hylsa når dragstång Fjäder i botten Elastiskt beteende Fjäder i botten Överkant hylsa når dragstång Axiell last i dragstång Skjuvlast Axiell last i dragstång Skjuvlast
3.3.4 Bulttyp ”SF”, normalt stål i rör med tunnare gods
Huvudparten av de här bultarna gick till brott i gängan på dragstången oavsett om försöken utfördes med eller utan friktion. Friktionen hade heller ingen synbar inverkan på maxlasten för denna bult, se Tabell 3.3 och Figur 3.8 respektive Figur 3.9 och 3.10. Plasticeringen av den yttre hylsan är tydlig och dragstången är ordentligt fastklämt i de skarpa böjar som uppstått där skjuvningen skett.
I Figur ser den axiella belastningen ut att öka avsevärt då ingen friktion mellan träklossarna finns jämfört med då friktion är närvarande. Lastpåläggningen blir också något jämnare utan friktion.
Liksom i försöken med ”ST”-bultar så skjuvar gänghylsan fast i den yttre hylsans mynning. Tabell 3.3 - Resultat från skjuvförsök på bulttyp ”SF”
Bult nr Maxlast [kN] Nedböjning vid
maxlast [mm] Brottyp Anmärkning SF1 110.2 44.0 Dragstång
SF2 94.1 38.5 Trä
SF5 98.0 42.9 Dragstång Återanvänd fjäder SF6 91.1 48.9 Dragstång Återanvänd fjäder Medel med friktion 98.4 43.6
SF3 94.9 54.0 Dragstång SF4 101.8 54.0 Dragstång SF7 114.5 60.0 Dragstång
SF8 92.1 59.5 Dragstång Återanvänd fjäder Medel utan friktion 100.8 56.9
Medel totalt 99.6 50.2
Figur 3.8- Bulttyp ”SF”: Testkropp med friktion kvar i testrigg efter försök, testkropp utan friktion liggandes efter försök, bult med tillbehör efter isärtagning.
Figur 3.9 - Last nedböjningsdiagram för bulttyp ”SF”, skjuvlast och axiell belastning på dragstång, med friktion
Figur 3.10 - Last nedböjningsdiagram för bulttyp ”SF”, skjuvlast och axiell belastning på dragstång, med reducerad friktion. Elastiskt beteende Fjäder i botten Överkant hylsa når dragstång Elastiskt beteende Fjäder i botten Överkant hylsa når dragstång Axiell last i dragstång Skjuvlast Axiell last i dragstång Skjuvlast
3.3.5 Jämförelse mellan bulttyper
Figur 3.11och Figur 3.12 visar båda relationen mellan nedböjning hos förbandet och påförd last. I det första diagrammet är det samtliga provkroppar med friktion mellan träklossarna som redovisas, medan det senare innehåller samtliga försök utan friktion. För att förenkla har bultar av en och samma typ fått en och samma färg. Är det av intresse att se exakt vilken provkropp en kurva tillhör så går det att jämföra med diagram och tabeller för respektive bulttyp. De är generellt mer detaljerade. Kurvorna från försöken utan friktion är jämnare än de med friktion och uppvisar även ett homogenare beteende inom bulttypsgruppen. Tidiga hack i linjerna är ofta beroende på sprickbildning i träklossar och alltså inte beroende på bulttyp eller enskild bults beteende.
Figur 3.11 - Jämförelse av bulttypernas beteende i försök med friktion mellan träklossarna.
Elastiskt beteende
Figur 3.12 - Jämförelse av bulttypernas beteende i försök med reducerad friktion mellan träklossarna.
3.3.6 Beskrivning av beteendemönster
Samtliga diagram från Figur 3.3 till Figur 3.10 visar samma typ av kurvor. De som vid nedböjningen 0 mm börjar vid lasten 0 kN avläst på den vänstra y-axeln är last-neböjningskurvor för hela uppställningen. Lasten är där den last som hela konstruktionen trycks ihop med av testmaskinen. De kurvor som vid nedböjningen 0 mm däremot har en last av 1 kN avläst på den högra y-axeln visar hur den axiella lasten i dragstången varierar med nedböjningen. Lastcellen som använts för dessa axiallastkurvor kan ses i Figur 1.3
I samtliga skjuvförsök betedde sig först hela bultsystemet elastiskt. För kolfiberbultarna, ”P”, gällde det upp till en vertikal belastning av ca 34 kN med friktion och ca 28 kN med reducerad friktion, Figur 3.3 respektive Figur 3.4. För stålbultarna med tjockare gods, ”ST”, var samma siffror ca 60 respektive 50 kN, Figur 3.6 och 3.7. ”SF” bultarna med det tunnare godset nådde plastiskt beteende vid 70 respektive 60 kN men här var inte övergången lika tydligen som för de två första typerna. Endast i ett fall, bult P6, skedde något typ av brott inom det elastiska området, och det var då i träet.
Efter det att kolfiberbultarna nått sin elastiska gräns togs ingen högre last innan nedböjningen kommit så långt att överkant kolfiberhylsa var i kontakt med dragstången inuti. I det fallet beror det på att kolfiberkompositen inte går in i en plastisk fas som stålet utan börjar splittras istället. Stålbultarna erfor i stort sätt samma beteende med den skillnaden att lasten ökade även under den här fasen på grund av plasticeringen. I det här läget beskriver samtliga axialkurvor en liten men tydlig ökningstakt fram till dess att fjädern tryckts ihop och ger ett stumt mothåll mot träbiten.
Då fjädern väl klämts ihop ökar axiallasten väsentligt fram till dess att brott sker utan att man kan se någon skillnad i den vertikala lasten.
Elastiskt beteende
4 Diskussion och slutsatser
De olika bulttyperna är likvärdiga gällande montage. Bulttyperna upplevdes dock som något komplicerade då det var många detaljer som skulle sammanfogas. I de rena dragförsöken framkom den svagaste delen i förbandet. För bultar med änddetalj av stål är dragstaget den svaga delen och för bultar med änddetalj i plast är plastdetaljen den svagaste delen.
Skjuvförsöken uppvisar en liten spridning inom varje försöksserie. För stålrören är den lastupptagande förmågan likvärdig för båda provade dimensioner.
Från de utförda försöken kan följande slutsatser dras:
x Samtliga bulttyper överför last som förväntat i skjuvförbandet x Ändstycken av stål är starkare än ändstycken av plast x Förband med stål uppvisar ett tydligt flytbeteende
x Systemet med kolfiberbult uppvisar också flytning – detta är starkt kopplat till inre dragstång. x Från bulttyp P och ST kan en klar effekt av friktionen i skjuvförbandet noteras, för
kolfiberbulten medför detta en ökat last på ca 25 % och för bulten ST med ca 15 %. För bulttyp SF kunde inte denna effekt noteras.
x Flytbeteendet för kolfiberbulten uppkommer efter det att röret deformerats.
x Den elastiska delen av kraft-deformations kurvorna är större för stålbulten (rör) i jämförelse med kolfiberbulten.
x Den lastbärande förmågan är likvärdig mellan de två stålbultarna inom nedre elastiskt område. I det elastiska området höll samtliga bultar bra och kunde då hantera en vertikal last av omkring 60 kN i fråga om stålbultarna medan kolfiberbultarna hanterade hälften, ca 30 kN, innan de började spricka. Så länge man håller sig inom det området ger dragstång, ändstycken, brickor och fjäder minimalt tillskott till bultens funktion. Det är först då den yttre hylsan deformerats så mycket att den ligger an mot dragstången som den börjar tillföra något, och då främst i fallet med kolfiberbultar. Friktion är positivt och viss aktivering är därför eftersträvansvärt redan vid montage, d.v.s. viss förspänning är önskvärd.
Med en homogen dragstång, med en högre flytgräns, skulle sannolikt högre maximal last upptas i bultsystemen av stål medan den svaga länken i kolfiberbultarna i samtliga fall var plastdetaljerna. Övriga delar av ihopspänningsanordningen utsattes aldrig för sådana krafter att de synbart deformerades. Den kraft som förbanden behöver uppta i Vasaskeppet är inte klarlagd och en statisk beräkning är nödvändig för att se för vilket tillstånd bultarna bör dimensioneras. Håller man sig inom det elastiska området behövs endast den yttre hylsan och samtliga delar håller inom det området utan problem.
Vad det gäller fjädrarna är det svårt att avgöra deras funktion då inga test utan utfördes. I lastnedböjningskurvorna finns tydliga tecken på hur de har betett sig men det är tveksamt hur mycket det har påverkat hela bultens bärförmåga.
I de flesta fallen med ändstycken av stål skedde intryckning av träet, vilket kan ses i Figur B.3 och B.5. Det är dock hur det ser ut efter brott, så länge bultarna befinner sig inom elastiskt område är det mycket möjligt att det inte ser lika illa ut. Tyvärr finns ingen dokumentation i det stadiet och fler försök skulle därför behövas för att utreda beteendet. I skären mellan träklossarna uppstod stora deformationer av träet med hoptryckning och sprickbildning som följd. För att undvika det måste belastningen hållas på en låg nivå, plastisering av stålet innebär också att plastiska deformationer uppstått i träets anliggningsytor. Ingen dokumentering finns dock på hur dessa deformationer ser ut.
23
Bilaga A - Sammanställning skjuvförsök
Försök nrBultt y p Belastnings- hast. [mm/s ] Försp. [kN ] Förband Maxlast [kN ] Nedböjning vid m axlast [mm] Brottyp 1 ST 0.05 1 Friktion 124. 0 41.8 Först brott i s idokloss när
mast bult därefter i kloss närm
ast död ände. Avbröts
när
maskinen gick i botten.
2 P 0.05 1 Friktion 59.5 37.4 Först brott i
plast i död ände och sen i bultände, där gängstål slutar.
3 SF 0.05 1 Friktion 110. 2 44.0 Först brott i t rä närm
ast bultände. Brott i
gänga hos dr agstång i död ände. 4 ST 0.05 1 Friktion 126. 6 59.8 Brott i gänga n på gängstål et i död ände . Körd till m askinen går i botten. 5 P 0.05 1 Friktion 58.2 36.2
Brott först i plast i död ände därefter i bultände. Där gängstålet tar slut.
6 SF 0.05 1 Friktion 94.1 38.5
Brott i trä närmast död ände.
7 ST 0.05 1 Utan Fr. 119. 9 50.6 Brott i gänga n på gängstå l närm ast död ände. 8 P 0.05 1 Utan Fr. 49.0 35.2
Brott först i plast i död ände därefter i bultände. Där gängstålet tar slut.
9 SF 0.05 1 Utan Fr. 94.9 54.0 Först brott i
gängan på gängstål död ände därefter brott i trä död ände.
10 ST 0.05 1 Utan Fr. 108. 7 64.8 Brott i gänga n på gängstål i död ände. 11 P 0.05 1 Utan Fr. 49.0 41.5 Först brott i t
rä i båda sidoklossarna därefter brott i pl
ast när
mast st
ål i båda ändar.
Bultände gick sist.
12 SF 0.05 1 Utan Fr. 101. 8 54.0 Brott i gänga på gängstål i död ände. F o
rtsatt belastning till slaglängd uppnådd.
13 ST 0.05 1 Friktion 109. 2 47.4
Först många mindre brott i träklossar. Sen brott i
gänga på gängstål i död ände. 14 P 0.05 1 Friktion 65.5 42.0 Brott i plast i
båda ändar där stål slutar.
15 SF 0.05 1 Friktion 98.0 42.9
Spricker i träkloss bultände, slutligt brott i gänga på
gängstål i död ände. 16 ST 0.05 1 Friktion 136. 8 55.0 Brott i gänga på gängstål i död ände. 17 P 0.05 1 Friktion 57.6 38.1 Vertikalt brott i m
ittenkloss, hänger lasten i sprucket trä.
18 SF 0.05 1 Friktion 91.1 48.9 Brott i kloss i död ände, slutligt br ot t i gä nga på gängst ål i död ände. 19 ST 0.05 1 Utan Fr. 98.7 49.1 Först MYCKET brott i trä
i död ände. Brott i gänga
på gängstål i död ände. 20 P 0.05 1 Utan Fr. 49.0 39.5 Först brott i
plast i död ända där stål slutar därefter slu
tligt brot t i pl ast i bultände där stål slutar. 21 SF 0.05 1 Utan Fr. 114. 5 60.0
Först sprickor i träkloss död ände. Slutli
gt brott i gänga på gängstål i bultände. 22 ST 0.05 1 Utan Fr. 110. 5 45.7 Först brott i t rä, sen brott i gänga på gängstål i död ände. 23 P 0.05 1 Utan Fr. 45.0 39.4 Brott i träklos s död ände, sl utligt br ott i
plast i båda ändar där stål slutar.
24 SF 0.05 1 Utan Fr. 92.1 59.5 Brott i träklos
sar i båda ändar, slutligt br
25
Bilaga B – Fotodokumentation
Figur B.1 - Typiskt brott i ”P”-bult, mitt på gänghylsan samt mitt på plasthylsan i den inaktiva änden. I högra bilden kan man se resterna av den inaktiva änden.
Figur B.2 - Ytterligare detaljer av typiskt brott i plastdetaljerna. Ingen intryckning i träet är synlig då dessa brott sker.
Figur B.3 - Kraftigt sönderbrutna träbitar, men det var ändå brott i gängan på dragstången som orsakade att högre last inte kunde nås. Observera den kraftiga intryckningen som orsakats av detaljen i den inaktiva
Figur B.4 - Montage av provkropp ST1 innan provning.
