Tr. J. of Agriculture and Forestry 23 (1999) Ek Say› 2, 473-479 @ TÜB‹TAK Sandalye Tasar›m›nda Kesit ve Çerçeve Optimizasyonu Modellemesi Yalç›n ÖRS, Mustafa ALTINOK Gazi Üniversitesi, Teknik E¤itim Fakültesi, Mobilya ve Dekorasyon Bölümü, Ankara-TÜRK‹YE Gelifl Tarihi: 19.9.1997 Özet: Bu araflt›rmada, masif ahflap sandalyenin konstrüksiyonunda uygulanan köfle birlefltirmelerine etki eden diyagonal statik yükler analiz edilerek, eflit moment da¤›l›m› esas›na göre, uygun sandalye çerçevesi ve gerekli minimum eleman kesitleri belirlenmifltir. Bu maksatla, kritik oturma pozisyonundaki sandalye çerçeve alt ara kay›d›n›n yeri için optimizasyon yap›lm›fl, kritik oturma pozisyonunda diyagonal kuvvet uygulanmas›na göre konstrüksiyon performans› deneylerle belirlenmifltir. Örnek sandalyelerin haz›rlanmas›nda I. s›n›f kay›n (Fagus Orientalis L.) ve sar›çam (Pinus Silvestris L.), montaj ifllemlerinde polivinilasetat (PVA) tutkal› kullan›lm›flt›r. Sandalye stabilitesi bak›m›ndan en kritik bölgelerin z›vanal› köfle birlefltirmeler ve z›vanalar›n tutkall› ba¤lant› noktalar› olabilece¤i, uygun sandalye çerçevesi ve gerekli minimum eleman kesitleri bak›m›ndan 1. elemanda deney kuvveti ile, 2 ve 5 nolu dü¤üm noktalar› aras›ndaki iliflki afla¤›daki gibi belirlenmifltir. N = F x cos α T = F x sin α M2 = T x L x k M5 = M2 x k2 Modelling of Cross - Section and Frame Optimization For Chair Design Abstract: In this study, the effect of diagonal static loads on wooden joints in the production of solid wooden chairs was examined. According to the principle of equal moment distribution, the optimum chair frame and minimum required cross-section components were determined by considering the stresses on joints. Therefore, the location of the bottom frame component was optimized on the most critical sitting position of the chair. According to the diagonal load applied, the performance of the joint construction was determined by testing on the position. In the preparation of samples for testing, first class beech and scotch pine were selected, while polyvinyl acetate (PVA) adhesive was preferred for assembly. At the end of the experiments, it was observed that the most critical parts of the joints in terms of the stability of chair were the mortise and tenon joint, and adhesive bonding of the mortise and tenon joint. In order to determine the optimum chair frame and minimum required cross-section of the joint, the relationship between points 2 and 5 with the test load on component 1 was determined as follows. N = F x cos α T = F x sin α M2 = T x L x k M5 = M2 x k2 Girifl Elemanlar›n birlefltirmelerinde uygulanan metot ve kullan›lan a¤aç malzeme sandalye kalitesi ve performans›n› belirleyen önemli faktörler olup, elemanlar›n biçim ve boyutlar› sa¤laml›¤› yan›nda rekabet gücünü de etkiler. Bu çal›flmada, Türkiye’de sandalye üretiminde uygulanan köfle birlefltirmelerine etki eden statik yüklemeler analiz edilerek, birlefltirme yerlerinde meydana gelecek gerilmelere göre en uygun kesitler belirlenmek istenmifltir. Bu amaçla yayg›n olarak kullan›lan kay›n (Fagus Orientalis L.) ve sar›çam (Pinus Silvestris L.) a¤aç malzemesinden uygulama boyutlar›nda 15 er adet dörtlenmifl ve 5 er adet ikilenmifl olmak üzere 40 adet sandalyede diyagonal yükleme deneyleri yap›lm›flt›r. 473 Sandalye Tasar›m›nda Kesit ve Çerçeve Optimizasyonu Modellemesi arka ayak = 860 mm, ara-kay›t = 416 mm, ön ve arka kay›t = 336 mm uzunluklarda al›nm›fllard›r (fiekil 1). Materyal ve Metot Materyal Deneylerde kullan›lacak sandalyelerin üretilmesinde lif k›vr›kl›¤› ihtiva etmeyen 1. s›n›f kay›n ve sar›çam a¤aç malzeme, sandalye köfle birlefltirmelerinin yap›flt›r›lmas›nda ise, montaj ifllerinde tercih edilen, ambalaj viskozitesinde polivinilasetat (PVA) tutkal› kullan›lm›flt›r. Deney Örneklerinin Haz›rlanmas›: Sandalye ayak-kay›t taslak elemanlar› TS 7254’de verilen ölçülere uygun olarak ve y›ll›k halkalar›n parça yüzeylerine dik gelmesine özen gösterilerek yeterli toleransla biçildikten sonra s›cakl›¤› 20 ± 2 ºC ve ba¤›l nemi % 40 ± 5 olan iklimlendirme odas›nda de¤iflmez a¤›rl›¤a ulafl›ncaya kadar bekletilmifllerdir. Yaklafl›k olarak 40 gün sonra % 8 denge rutubetine ulaflan taslaklar, planya makinesinde bir yüz ve bir yanlar› birbirlerine dikey konumda ifllendikten sonra kal›nl›k makinesinde kal›nl›klar› (b) 22 mm, daire testere makinesinde genifllikleri (h) kay›nda 46 mm, çamda 51 mm olacak flekilde biçilmifllerdir (1). Ara-kay›t elemanlar›n›n ayaklara giren z›vana boylar› ilave edilerek elde edilen parçalar; ön ayak = 460 mm, Ön ve arka ayaklar›n birbirine bakan kenar yüzeylerine 5 nolu dü¤üm noktas›nda 1/5 h kadar ham pay b›rak›larak kay›nda 37 mm, çamda 41 mm, 2,3 ve 4 nolu dü¤üm noktalar›nda ise; ham pays›z 35 mm derinlik ve 1/3 b (yaklafl›k 8 mm) genifllikte difli z›vana, ara-kay›t uçlar›na; eflleni¤i difli z›vanaya uygun 34 mm uzunluk ve 7 mm kal›nl›kta erkek z›vana aç›lm›flt›r (2). Genifllik yönünde kolay yerleflmesi için erkek z›vana difli z›vanadan 0.6 mm daha ince, yükseklik yönünde ise s›k› kenetlenme sa¤lamak için ayn› ölçülerde al›nm›flt›r. Z›vana elemanlar›na f›rça ile PVA tutkal› sürüldükten sonra 2 iflkence yard›m›yla 0.2 N/mm bas›nç uygulanarak (3) karfl›l›kl› birlefltirilmifltir (ikileme). Daha sonra ön ve arka kay›tlar ile karfl›l›kl› gelen ayaklara kavela deli¤i aç›larak, elemanlar birbirine dikey konumda olacak flekilde tutkall› kavela yerlefltirilmifltir (dörtleme). Birlefltirme yerlerinde tutkal›n sertleflmesi için numuneler oda s›cakl›¤›nda 3 hafta süreyle bekletilmifllerdir (4). Deney Metodu Deney örnekleri, s›cakl›¤› 20 ± 2 ºC ve ba¤›l nemi % 40 ± 5 olan deney ortam›na tafl›narak, tafl›y›c› çerçeveye fiekil 1. Sandalye ölçüleri ve çerçeve elemanlar› 40 a) Yan kay›tlar, b) Ön ayak, c) Arka ayak b c 27.50 a 16.00 a 39 474 35.8 Y. ÖRS, M. ALTINOK en fazla mekanik zorlama oluflturacak flekilde (kritik oturma) universal deneme makinesinde dakikada 400 Kg/cm2 art›r›larak diyagonal kuvvet uygulanm›flt›r (fiekil 2). Deney an›nda z›vanalar›n aç›lmaya bafllad›¤› kuvvet tesbit edilmifl ve ifllem k›r›lma an›na kadar sürdürülmüfltür. Z›vanalarda oluflan aç›lma miktarlar› 0.1 mm duyarl›kl› kompasla ölçülmüfltür (6). Eleman Kesitlerinin Hesaplanmas›: Elemanlar ve dü¤üm noktalar›nda gerilme analizleri yap›larak kesitler hesaplanm›flt›r. Sistem koordinatlar› yönündeki yer de¤ifltirmeler (deplasmanlar) x ve y yönündeki hareket ise dü¤üm noktalar›ndaki momentler olup, her elemanda i - j yönü (i bafllang›ç) pozitif yönü tan›mlar (5). Küçük koordinat sistemlerinin ucundaki rakamlar hareket olmayan yönler için 0 (s›f›r) olmak üzere dü¤üm noktalar›n›n yer de¤ifltirmelerini gösterir (fiekil 3). Ortalama insan a¤›rl›¤› 80 Kg kabul edilerek, simetrik bir sistem kabul edilen sandalyenin bir yan çerçevesine 400 N’luk kuvvet uygulanm›flt›r (6). Düzleminde yüklenmifl sandalye çerçevesinde 5. eleman›n yeri elemanlar›n merkezindeki aç›kl›klar 55 mm al›narak dört alternatifli olmak üzere de¤ifltirilmifl ve dü¤üm koordinatlar› 1 nolu dü¤üm noktas› koordinatlar›na dikey mesafe olarak hesaplanm›flt›r (7). Münferit deneme yükünün, her elemana da¤›lan e¤me momenti, kesme gerilmesi ve eksenel bas›nç gerilmesi ayn› anda etki ederek elemanda birleflik gerilme meydana getirirler (fiekil 4). Buna göre, her a¤aç türü için liflere dik yönde e¤ilme ve bas›nç ile e¤ilme ve kesme gerilmeleri bu yöndeki emniyet gerilmelerine (fk) eflitlenerek moment (M), mukavemet momenti (W), normal kuvvet (F), kesit alan› (A) olmak üzere; M / W + F / A = fk ba¤lant›s› yard›m›yla yeterli kesitler hesaplanm›flt›r. Bu amaçla kullan›lan de¤erler Tablo 1’de verilmifltir. Burada her iki a¤aç türü için Elastikiyet Modülü 10000 N/mm2 al›nm›flt›r. Alternatif gerilme da¤›l›mlar›na göre; moment kuvveti I. alternatifte en büyük, II. ve III. de daha küçük olmak üzere birbirine yak›n, IV. alternatifte en küçük ç›km›flt›r. Bu nedenle, eleman ve z›vana boyutland›rmada IV. alternatif de¤erleri esas al›narak hesaplanan genifllikler ile buna göre malzemeden sa¤lanacak ortalama kazanç miktar› Tablo 2’de verilmifltir. ‹statistik Uygulama Sandalyenin bir yan çerçevesine diyagonal olarak uyguland›¤› kabul edilen 400 N’ luk kuvvetin 5. eleman›n 11 F 0 12 5 F ‹ ‹ I. 10 8 4 AL TE E3 9 RN II. ‹F TE ‹ III ‹ RN AT .A ‹F LT ER IV NA .A E4 AT AL J T‹ LT ER NA J F 6 3 T‹ F J ‹ J . 1 E1 0 0 7 E2 E5 ‹ 1 5 3 2 4 2 R fiekil 2. Sandalye diyagonal yükleme deneyi fiekil 3. Düzleminde yüklenmifl sandalye çerçevesinin deplasmanlar› 475 Sandalye Tasar›m›nda Kesit ve Çerçeve Optimizasyonu Modellemesi Tablo 1. Moment ve gerilme hesab›nda kullan›lan de¤erler Emniyet Gerilmeleri (σ) N/mm2 Liflere Paralel Liflere Dik Bas›nç Kesme Kesme A¤aç Türü KAYIN ÇAM 10 8,5 Tablo 2. 1 0,9 -2 1,8 Kal›nl›k b (mm) Genifllik h (mm) Kesit Alan› (A) (mm2) Atalet M. I (mm4) Elastiklik Modülü (N/mm2) 22 50 1100 229166 10000 Farkl› alternatifler için hesaplanan eleman genifllikleri (mm). A¤aç Türü KAYIN ÇAM 1 2 Alternatifler 3 4 1-2 Genifllik Farklar› 2-3 3-4 Ortalama Farklar 91 101 75 84 60 67 46 51 16 17 15 17 14 16 15 16,6 (E5) yer de¤ifltirmesi sonucu dü¤üm n›ktalar›nda oluflturdu¤u momentler ba¤›ml› de¤iflken (y), her alternatifdeki 5. eleman›n uzakl›¤› ba¤›ms›z de¤iflken (x) al›narak, aralar›ndaki iliflki regrasyon analizi ile tesbit edilmifltir. Kay›n ve çamdan üretilen sandalyelerde deneylerle belirlenen z›vana aç›lma miktarlar› ile maksimum diyagonal tafl›ma kuvveti ve buna göre oluflan z›vana aç›lma miktarlar›na iki farkl› a¤aç türü, sandalyenin dörtlenmifl kay›n ve çam (DK, DÇ), ikilenmifl kay›n ve çam(‹K, ‹Ç) çerçeve olmak üzere 4 faktör düzeyinde etkilerini belirlemek için varyans analizleri kullan›lm›flt›r. T 5 M M T M M 4 M T T T T 2 M T 1 R 476 3 M M Dü¤üm Noktalar›nda Eleman Uzakl›¤› ve Moment ‹liflkileri: Dü¤üm noktalar›nda oluflacak momentler ile 5. eleman uzakl›¤› aras›nda yap›lan regrasyon analizine göre elde edilen grafikler fiekil 5-a, b, c, d’ de gösterilmifltir. Dü¤üm noktalar›ndaki moment da¤›l›mlar› ile 5. eleman uzakl›¤› aras›ndaki iliflkiler 0.05 hata pay› ile önemli ç›km›flt›r. fiekil 4. F T Bulgular M T Sandalye çerçevesinde birleflik gerilme etkisi 5000 — 4000 — 3000 — 2000 — 70 — 1000 50 90 110 130 150 170 190 210 230 ARALIK mm — 70 — — 50 6000 R2 = 1 y = 9047.6 + 131.09X — — — — 1000 7000 — — — — 2000 8000 — — — — 3000 9000 — 4000 — — — — 5000 — — — 6000 — — — 7000 R2 = 0.99 y = -14891.75 + 454.43X — — — 8000 — — — 9000 MOMENT 3 N.mm MOMENT 2 N.mm Y. ÖRS, M. ALTINOK 90 110 130 150 170 190 210 230 ARALIK mm a) 2 No'lu dü¤üm noktas› b) 3 No'lu dü¤üm noktas› 9000 — 9000 — 8000 — 8000 — 7000 — 7000 — 6000 — 5000 — 4000 — 3000 — 2000 — 6000 — 5000 — 4000 — 3000 — 2000 — MOMENT 5 N.mm MOMENT 4 N.mm fiekil 5-a, b. 2 ve 3 nolu dü¤üm noktas›nda regrasyon grafi¤i R2 = 1 y = 10867.47 + 92.08X — — — — — — — 70 — 1000 50 — 90 110 130 150 170 190 210 230 ARALIK mm — — — — — — — — 70 — — — 1000 50 R2 = 1 y = 13111.58 + 140.42X 90 110 130 150 170 190 210 230 ARALIK mm d) 5 No'lu dü¤üm noktas› c) 4 No'lu dü¤üm noktas› fiekil 5-c, d. 4 ve 5 nolu dü¤üm noktas›nda regrasyon grafi¤i Dü¤üm Noktalar›nda Z›vana Aç›lma Miktarlar›: Dörtlenmifl kay›n (DK) ve çam (DÇ) ile ikilenmifl kay›n (‹K) ve çam (‹Ç) sandalyelerde z›vana aç›lma miktarlar›na iliflkin istatistik de¤erleri Tablo 3 de verilmifltir. Burada n: örnek say›s›, x: aritmetik ortalama, s: standart sapma olup, z›vana aç›lma miktarlar›na malzeme, dü¤üm noktas› ve kuvvet etkilerine iliflkin varyans analizi sonuçlar› dörtlenmifl sandalyeler için Tablo 4 de, ikilenmifl sandalyeler için Tablo 5 de verilmifltir. Bunlara göre, z›vana aç›lma miktarlar›na dörtlenmifl sandalyelerde; malzeme - dü¤üm noktas› ile dü¤üm noktas› - kuvvet, ikilenmifl sandalyelerde ise; dü¤üm noktas›n›n etkisi ile malzeme - dü¤üm noktas› ve dü¤üm noktas› - kuvvet karfl›l›kl› etkileri 0.05 hata pay› ile istatistiksel anlamda önemli ç›km›flt›r. Homojenlik gruplar› bak›m›ndan yap›lan % 95 güven düzeyindeki LSD testi sonuçlar› Tablo 6 ve Tablo 7 de verilmifltir. Sonuç ve Öneriler Sandalye tafl›y›c› çerçevesini oluflturan 5. eleman›n yeri de¤ifltirilerek dü¤üm noktalar›nda oluflacak gerilme farklar›n›n teorik incelenmesinde, I. alternatiften IV. alternatife do¤ru gidildikçe karfl›l›kl› dü¤üm noktalar›nda (2 ile 5 - 3 ile 4) oluflan moment farklar› azalarak dengelenmekte, her alternatif için çerçevede oluflan en büyük momente göre gerekli z›vana boyutu küçülmektedir. I. ve IV. alternatif için gerekli z›vana boyutu fark› çam için 101-51= 50 mm, kay›n için 91-46= 45 mm olup, aralar›ndaki küçülme iliflkisi 51/101=0.50, 46/91 0.50 olmak üzere sabit ç›kmaktad›r. 477 Sandalye Tasar›m›nda Kesit ve Çerçeve Optimizasyonu Modellemesi Tablo 3. Kay›n ve çam sandalyelerde z›vana aç›lma miktar› Faktör Düzey DK DC IK IC Tablo 4. ‹statistik De¤erler Aç›lma Miktarlar› (mm) 2.Dü¤üm 3. Dü¤üm 4. Dü¤üm 5. Dü¤üm n Min Max. X S n Min Max X S n Min Max X S n Min MAX X S 15 2,0 6,2 4,5 1,1 15 4,0 8,2 5,5 1,1 5 5,8 9,8 7,5 1,7 5 4,2 7,2 5,5 1,0 15 3,0 6,2 4,8 0,8 15 2,0 8,6 5,6 1,4 5 5,8 11,0 7,6 2,0 5 4,2 7,6 5,6 1,2 15 2,0 6,2 4,6 1,2 15 2,0 7,0 5,1 1,2 5 5,8 9,6 7,4 1,5 5 4,2 6,6 5,3 0,8 15 2,0 6,2 4,6 0,9 15 4,0 7,2 5,2 1,0 5 6,0 9,4 7,2 2,2 5 4,2 7,0 5,4 1,1 Dörtlenmifl sandalyede aç›lma miktarlar›na ait varyans analizi Varyans Kayna¤› Kareler Top. S.D. Kareler Ort. F- De¤eri P < 0.05 Faktörler Malzeme Dü¤üm Noktas› Kuvvet 31.727433 4.887297 2.881000 13.150100 7 1 3 3 4.532490 4.887297 0.960933 4.383366 3.865 4.168 0.819 3.738 0.0009 0.0439 0.4864 0.0136 Faktör Etkileflimleri 32.871233 14 2.347945 2.002 0.0251 Malz. - Dü¤. Nok. Malz. - Kuvvet Dü¤. Nok.- Kuvvet 1.958970 28.099400 3.335500 3 2 9 0.652990 14.024700 0.370611 0.557 11.960 0.316 0.6448 0.0000 0.9680 Hata 114.921000 98 1.172663 Toplam 179.519670 119 Tablo 5. ‹kilenmifl sandalyede aç›lma miktarlar›na ait varyans analizi Varyans Kayna¤› Kareler Top. S.D. Kareler Ort. F- De¤eri P < 0.05 Faktörler Malzeme Dü¤üm Noktas› Kuvvet 43.963312 35.912812 1.579000 5.903312 6 1 3 2 7.327219 35.912812 0.526333 2.951656 3.104 15.213 0.223 1.250 0.0234 0.0008 0.8794 0.3060 Faktör Etkileflimleri 33.420792 11 3.038254 1.287 0.2945 Malz. - Dü¤. Nok. Malz. - Kuvvet Dü¤. Nok.- Kuvvet 0.250938 31.731354 1.614438 3 2 6 0.083646 15.865677 2.269073 0.035 6.721 0.114 0.9908 0.0053 0.9338 Hata 51.934896 22 2.360677 Toplam 126.319000 39 478 Y. ÖRS, M. ALTINOK Tablo 6. Dörtlenmifl sandalyede LSD sonucu Düzey Malzeme Dü¤. Nok Kuvvet 1 2 4 5 2 3 900 850 800 750 Tablo 7. Miktar Ortalama Lsd 60 60 30 30 30 30 16 12 44 48 4.670000 5.393333 4.846666 4.973333 5.033333 5.273333 4.162500 4.833333 4.890909 5.500000 a b a a a a a ab ab b Sandalye sa¤laml›k ölçüsü olarak z›vanalardaki yap›flma yüzeylerinin aç›lmas›na gösterilen direnç kabul edilerek uygulanan diyagonal yüklemeler sonucunda z›vana aç›lma miktarlar› ile bunlara iliflkin uygulanan kuvvet kay›n ve çamda birbirine yak›n ç›km›flt›r. Buna göre, kuvvetin çerçeve elemanlar›na ve dü¤üm noktalar›na da¤›l›fl›; oturma derinli¤inin (390 mm) oturma yüksekli¤ine (435 mm) oran› (0.896) yard›m›yle tgα 0.896 ve α =41º 87’ hesaplan›r. Buna göre I. elemanda: Bas›nç kuvveti: N= F x cosα Kesme kuvveti T=F x sinα Dü¤üm noktalar›ndaki moment; I. eleman uzunlu¤u L, düzeltme katsay›s› k= 1.014 olmak üzere ‹kilenmifl sandalyede LSD sonucu Malzeme Dü¤. Nok Kuvvet Düzey Miktar Ortalama LSD 1 2 4 5 2 3 2 3 1 20 20 10 10 10 10 16 16 8 5.450000 7.360000 6.10000 6.380000 6.500000 6.640000 5.975000 6.512500 7.050000 a b a a a a a a a 2 nolu dü¤üm noktas›nda; M2 = T x L x k 5 nolu dü¤üm noktas›nda; M5 = M2 x k2 eflitliklerinden kullan›labilir. hesaplanarak boyutland›rmada Sandalye çerçeve elemanlar›n›n daire kesitli tasarlanmas› halinde z›vana konstrüksiyonu de¤iflmeyece¤inden, önerilen eflitlikler bunun için de geçerli olabilir. Estetik bak›m›ndan sandalye ayak uçlar›n›n konik inceltilmesi veya dü¤üm noktalar› aras›nda kalan çerçeve elemanlar›na dekoratif profil aç›lmas› halinde, bu k›s›mlarda meydana gelen e¤ilmeli kesme gerilmesi küçük oldu¤u için, gerekli eleman geniflliklerinin (h) eleman kal›nl›¤› kadar (22 mm) al›nmas› önerilebilir. Kaynaklar 1. TS 7257, Mobilya - Ev Sandalyesi, Türk Standardlar› Enstitüsü, Ankara, 1989 6. TS 9215, Ahflap Mobilya - Mukavemet ve Denge Deneyleri, Türk Standardlar› Enstitüsü, Ankara, 1991. 2. Nutsch, W., Fachkunde Für Schreiner, Verlag Europa Lehrmittel, Wuppertal 12 Deutschland, 315 - 332, 1980. 7. Alt›nok, M., Sandalye Tasar›m›nda Gerilme Analizine Göre Mukavemet Elemanlar›n›n Boyutland›r›lmas›, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi-Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara,1995. 3. Anonim, Ratgeber Für Die Holz Verleimung, Badische Anilin - Soda Fabrik AG, Ludwigshafen an dem Rhein - Deutschland, 133 - 182, 1986. 4. Selbo, M.L., Adhesive Bonding of Wood, Department of Agricultur, Tech. Bull. No:1512, Washington, 2 - 75, 1975. 8. Anonim, Informationdienst Holz: Planung-KonstruktionBerechnung,Arbeitsgemeinschaft Holz e. V., Düsseldorf 30Deutschland, 30 - 36, 1988. 5. Mengi, Y., K›ral, E., Dündar, C., Yap› Mekani¤inde Bilgisayar Pro¤ramlar› Statik, Dinamik, Betonarme, Çukurova Üniversitesi Mimarl›k ve Mühendislik Fakültesi Yay›nlar›, Adana, 1 - 6, 1986. 479