Experimental and numerical analysis of the bending behavior of plywood-reinforced particleboard and MDF panels

Abstract

In this study, the bending behavior of particleboard (PB) and medium-density fiberboard (MDF) reinforced using beech (Fagus orientalis L.) plywood (PW) was examined by experimental and numerical methods. In doing so, 13 mm thick PB and 12 mm thick MDF panels were reinforced using 4 mm thick beech plywood. Polyurethane glue was used to bond the layers. The bending behavior of the test samples was determined by subjecting them to a 3-point bending test. Finite element models of the reinforced samples tested in the study were created, and numerical analyses were performed. The results showed that the modulus of elasticity under bending and bending strength of PB samples reinforced using PW increased up to two times, and in MDF samples increased by 44%, depending on the loading direction. The effectiveness of reinforcement varies depending on the loading direction. Reinforcing the surfaces exposed to tensile stress contributed more to the bending properties than the surfaces exposed to compressive stress. Generally, it was shown that the load-deformation curves obtained from bending tests and the load-deformation curves obtained from numerical analysis are similar. The study results showed that the bending behaviors of PB and MDF reinforced using PW can be predicted using the finite element method.

Keywords

• MDF
• particleboard
• plywood
• reinforcement
• numerical analysis

Doğu kayını (Fagus orientalis L.) kontrplak ile güçlendirilmiş yongalevha ve liflevhanın eğilme davranışının deneysel ve nümerik analizi

Abstract

Bu çalışmada, Doğu kayını (Fagus orientalis L.) kontrplak (KP) kullanılarak güçlendirilmiş yonga levha (YL) ve orta yoğunlukta liflevhaların (MDF) eğilme davranışı deneysel ve nümerik yöntemler ile incelenmiştir. Çalışmada, 13 mm kalınlığında YL ve 12 mm kalınlığında MDF levhalar 4 mm kalınlığında kontrplak levhalar kullanılarak güçlendirilmiştir. Levhaların yapıştırılmasında poliüretan tutkalı kullanılmıştır. Deney örnekleri TS EN 310’a göre üç nokta eğilme testine tabi tutularak eğilme davranışları incelenmiştir. Çalışmada ayrıca, test edilen güçlendirilmiş örneklerin sonlu elemanlar modelleri oluşturularak nümerik analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonuçları KP kullanarak güçlendirilmiş YL örneklerin eğilmede elastikiyet modülü ve eğilme direnci değerlerinin yükleme yönüne göre iki katına kadar, MDF örneklerinde ise %44 arttığını göstermiştir. Güçlendirmenin etkinliği yükleme yönüne göre değişmektedir. Çekme gerilmesine maruz kalan yüzeylerin güçlendirilmesi basınç gerilmesine maruz kalan yüzeylerin güçlendirilmesine göre eğilme özelliklerine daha fazla katkı sağlamıştır. Eğilme testlerinden elde edilen yük-deformasyon eğrileri ile nümerik analizlerden elde edilen yük-deformasyon eğrilerinin genellikle benzer olduğu görülmüştür. Çalışma sonuçları KP kullanılarak güçlendirilmiş YL ve MDF levhaların eğilme davranışlarının sonlu elemanlar yöntemi kullanarak tahmin edilebileceğini göstermiştir.

Keywords

• MDF
• yongalevha
• kontrplak
• güçlendirme
• nümerik analiz

References

1. Alade, A.A., & Ibrahim, A., (2023). Application of finite element method for mechanical characterization of wood and reconstituted lignocellulosic-based composites – A review, Recent Progress in Materials 5 (1), 1-24. DOI:10.21926/rpm.2301003
2. Aydın, M., ve Yılmaz Aydın, T., (2017). Sandalye çerçevesinin CATIA ile sonlu elemanlar analizi, İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi, 621-631.
3. Başboğa, H.İ., & Güntekin, E., (2016). The optimization of wood trusses connected with metal plates using ANSYS, Pro Ligno, 12(4), 12-20.
4. Ceylan, E., Güray, E., & Kasal, A., (2021). Structural analyses of wooden chairs by finite element method (fem) and assessment of the cyclic loading performance in comparison with allowable design loads, Maderas Ciencia y tecnología, (23), 19, 1-16, DOI: 10.4067/s0718-221x2021000100419 Büyüksarı, Ü., Hızıroğlu, S., Akkılıç, H., & Ayrılmış, N., (2012). Mechanical and physical properties of medium density fiberboard panels laminated with thermally compressed veneer. Composites: Part B, 43 (2012), 110–114, DOI: 10.1016/j.compositesb.2011.11.040
5. Clough, R.W., (1960). The finite element in plane stress analysis, Proc.2nd A.S.C.E.Conf.on Elektronic Computation, 345-378, 1960.
6. Edgars, L., Kaspars, Z., & Kaspars, K., (2017). Structural performance of wood based sandwich panels in four-point bending, Procedia Engineering, 172: 628 – 633, DOI: 10.1016/j.proeng.2017.02.073
7. Güntekin, E., (2004). Kavelalı mobilya köşe birleştirmelerinin sonlu elemanlar analizi, Süleyman Demirel Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, 1: 159-169.
8. İstek, A., Aydemir, D., & Aksu, S., (2010). The effect of décor paper and resin type on the physical, mechanical, and surface quality properties of particleboards coated with impregnated décor papers, Bioresources, 5(2),1074-1083

9. Kasal, A., (2006). Determination of the strength of various sofa frames with finite element analysis. G.U. Journal of Science, 19(4), 191-203.
10. Kaygın, B., Yorur, H., Uysal, B., (2016). Simulating strength behaviors of corner joints of wood constructions by using finite element method, Drvna industrija, 67(2), 133-140. DOI: 10.5552/drind.2016.1503
11. Kljak, J., & Brezović, M., (2007). Influence of plywood structure on sandwich panel properties: Variability of veneer thickness ratio, Wood research, 52(2), 77-88.
12. Kljak, J., Španić, N., & Jambreković, V., (2018). Comparison of finite element models for particle boards with homogenous and three-layer structure, Drvna Industrija, 69(4), 311-316. DOI: 10.5552/drind.2018.1764
13. Labans, E., & Kalnins, K., (2014). Experimental validation of the stiffness optimization for plywood sandwich panels with rib-stiffened core. Wood Research, 59(5), 793-802.
14. Matwiej, L., Wieruszewski, M., Wiaderek, K., & Pałubicki, B. (2022). Elements of designing upholstered furniture sandwich frames using finite element method, Materials, 2022, 15, 6084. DOI: 10.3390/ma15176084
15. Mohammadabadi, M., Yadamab, V., & Smith, L. (2019). An analytical model for wood composite sandwich beams with a biaxial corrugated core under bending, Composite Structures, 228, 111316. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111316
16. Norvydas, V., & Minelga, D. (2006). Strength and stiffness properties of furniture panels covered with different coatings. Materials Science (Medžıagotyra). 12(4), 328-332.
17. Smardzewski, J. (2019). Experimental and numerical analysis of wooden sandwich panels with an auxetic core and oval cells, Materials & Design, 183: 108159. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.108159
18. Tekkaya, A.E., & Soyarslan, C., (2014). Finite element method. In: Laperrière, L., Reinhart, G. (eds) CIRP encyclopedia of production engineering, Springer, Berlin, Heidelberg. DOI: 10.1007/978-3-642-20617-7_16699
19. TS EN 310 (1999), Ahşap esaslı levhalar-Eğilme dayanımı ve eğilme elastikiyet modülünün tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
20. TS EN 312 (2012), Yonga levhalar – Özellikler, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
21. TS EN 322 (1999), Ahşap esaslı levhalar-Rutubet miktarının tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
22. TS EN 323 (1999), Ahşap esaslı levhalar-Birim hacim ağırlığının tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
23. TS EN 622-5 (2011), Lif levhalar - Özellikler - Bölüm 5: Kuru işlemli levhalar (MDF) için gerekler, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
24. Yılmaz, T., ve Güntekin, E., (2012). Sandalye çerçevelerinin sonlu elemanlar analizi. SDÜ Orman Fakültesi Dergisi, 13: 134-139.
25. Zienkiewicz, O.C., Taylor, R.L., & Zhu, J.Z., (2005), The finite element method: its basis and fundamentals, Elsevier Butterworth-Heinemann publications, 802 p.