Zıvanalı birleştirmelerde kesit formunun sandalye mukavemetine etkisi
Analyzing the cross sectional geometry of mortise and tenon joints' effects on chair strength
Yazar: ERKAN LİKOS
Danışman: PROF. DR. AYHAN ÖZÇİFÇİ ; PROF. DR. YUSUF ZİYA ERDİL
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mobilya ve Dekorasyon Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products
Dizin: Masif mobilya = Massive furniture

Özet:
Bu çalışmada, sandalye köşe birleştirmelerinde uygulanan farklı zıvana kesit formlarının sandalye mukavemetine etkisi incelenerek elde edilen sonuçlar yapısal analiz programıyla karşılaştırılmıştır. Bu amaçla, kesit formu etkisinin belirlenmesi için uygulamada loblolly (Pinus teada) çamı kullanılarak 3 kuvvet uygulama yönü (0°, 90° ve 45°), 3 farklı kesit geometrisi (dikdörtgen, daire ve köşegen olarak) ve 10 yineleme olarak toplamda 90 adet deney örneği ile eğilme direnci deneyleri; 3 farklı kesit geometrisi (dikdörtgen, daire ve köşegen olarak), 3 farklı zıvana boyu uzunluğu (25,4, 38, 51mm), 3 kuvvet uygulama yönü (0°, 90° ve 45°), alınlı ve alınsız (yatay elemanın dikey elemanın kenar yüzeyine 12,7mm mesafeli) ve 5 tekerrür olmak üzerek toplam (3x3x3x2x5) 270 adet deney örneği T şeklinde birleştirilerek eğilme moment dirençleri test edilmiştir. Ayrıca, lale ağacı-yellow poplar (Liriodendron tulipifera L.) ile aynı kesitli zıvanalar kullanarak 2 farklı yükleme yöntemi (ön ve yan ayaklara dikey yükleme) ve 9 tekerrür olmak üzere (3x2x9)=54 sandalye statik testler için ve 3 farklı zıvana kesit formu ve 4 tekerrür olmak üzere (3 x 4) toplam 12 adet sandalye önden arkaya devirli yükleme deneyleri için geleneksel yöntemlerle 1/1 ölçekli üretimi yapılmıştır. Sandalyeler gerçek kullanım şartlarını en rasyonel şekilde temsil eden "devirli basamaklı artan yükleme" (cyclic stepped increasing load) metodu kullanılarak test edilmiştir. 

Sonuç olarak, eğilme direnci (MOR) deneylerinden elde edilen sonuçlar, teorikte adlandırılan kesit form faktörü (1,18 dikdörtgen=daire ve 1,41 dikdörtgen=köşegen) kiriş elemanlı deney örnekleri üzerinde daire formunun dikdörtgen kesit formuna oranla %30 ve köşegen formu ise %45 daha dirençli bulunarak teorik hesaplamalar ile tutarlılık göstermiştir. Yapılan T-tipi köşe birleştirme deneylerinde zıvana kesit formuna bağlı olarak 3 değişik zıvana boyunda farklı sonuçlar elde edilmiştir. 

Performans deneyleri sonuçlarına göre, dikdörtgen kesit formlu zıvananın kullanıldığı sandalyelerin mukavemeti 1530 N, daire kesit formlu zıvanada 1570 N ve köşegen kesit formlu zıvanada ise 1690 N direnç belirlenmiştir. Bu bağlamda, servis şartlarında dinamik yüklere maruz kalacak olan sandalyelerin köşegen zıvana formlu zıvana ile üretilmesi önerilmektedir.

Son olarak, yapısal analiz programı ile elde edilen toplam moment değerleri ile sandalye performans deneylerinden elde edilen değerlerinin karşılaştırılması yapılmış ve % 92,3 yakınlık derecesinde tutarlı sonuçlar verdiği belirlenmiştir. Ayrıca, malzemenin emniyet gerilmesi ile yapısal analiz sonuçları karşılaştırıldığında dikdörtgen kesit formu için % 90,6, daire kesit formu için %73,6 ve köşegen kesit formu için %87 yakın değerler bulunmuştur.

Abstract:
This study used structural analysis to investigate the effect of different cross sectional geometries of mortise and tenon joints on chair strength. To determine the effect of cross sectional geometry on chair strength, 3 grain orientations (0°, 90°, and 45°) and 3 types of cross sectional geometry (rectangular, round, diagonal) were used to create 10 test subjects for each pairing of orientation and geometry (i.e. 10 specimens of 0° and rectangular, 10 specimens of 0° and round, etc.) resulting in 90 total specimens prepared for bending stress. Further, 3 grain orientations (0°, 90°, and 45°), 3 types of cross sectional geometry (rectangular, round, diagonal), 3 different tenon lengths (25,4, 38, and 51mm), and tight and loose-type tenon shoulders were used to create 5 test T-type joints for each pairing of orientation, geometry, tenon length, and tight/loose tenon shoulder,  resulting in 270 total T-type joints made from Loblolly Pine (Pinus Teada).  These joints were then used to evaluate bending moment capacity. Then 3 types of cross sectional geometry in tenon joints (rectangular, round, diagonal) and 2 force loading forms (vertical loading to front legs, and vertical loading to side legs) were used to create 9 test chairs for each pairing of geometry and form, resulting in 54 chairs prepared for static testing. Additionally, 3 types of cross sectional geometry in tenon joints (rectangular, round, diagonal) were used to make 4 chairs for each type, resulting in 12 chairs made of yellow poplar (Liriodendron tulipifera L.).  These chairs were then tested using cyclic load testing.

In theoretical calculations for modules of rupture (MOR), cross-sectional geometric strength ratios of 1.18 rectangular = 1 round and 1.41 rectangular = 1 diagonal were found. Round cross sectional geometry and diagonal cross sectional geometry were found in experiment to offer, respectively, 30% and 45% more resistance when compared to rectangular cross sectional geometry. For T-type joints, different tenon length produced different strength values.

Cyclic test results demonstrated that the strength of chairs which had mortise and tenon joints varied based on cross sectional geometry.  The strength of rectangular geometries were found to be 1530N, round geometries 1570N, and diagonal geometries 1690N. These results suggest that chairs which will be exposed to dynamic load in their service lives should be constructed with diagonal cross-sectional mortise and tenon joints. 

Finally, total moment values obtained from a structural analysis program were compared with actual performance test values. The results of the structural analysis were 92.3% consistent with the results of the actual static test. When the experimental value of allowable stress of material was compared to the stress value obtained from the structural analysis program, it was found that the results varied in consistency based on which cross-sectional geometry was chosen.

The values obtained from structural analysis were found to be 90.6% consistent with the allowable stress of material in the case of rectangular mortise and tenon joints, 73.6% consistent with the allowable stress of material in the case of round mortise and tenon joints, and 87% consistent with the allowable stress of material in the case of diagonal tenon joints.