Experimental and numerical analysis of effects of the cross section size and location of stretcher on the strength of wooden chairs

Abstract

In this study, performance of wooden chairs without stretcher in their side frames and containing stretcher in different cross section sizes and locations was investigated experimentally and numerically. In preparing of chairs, Scotch pine (Pinus sylvestris L.), which is widely used in Turkish furniture industry was utilized. In the side frames, different cross section sizes and different locations were used for stretcher and the most suitable cross section size and location were determined. Polyvinylacetate (PVAc) was used in gluing. Accordingly, 21 real size chairs were prepared, consisting of 3 cross section sizes, 2 locations, control chair and 3 replications from each, and tested in front to back direction under cyclic loading. Then, numerical analyses were performed and moment distributions and bending stresses in the joints were analyzed. According to results; presence of stretcher and the increase of cross section size increased the loading capacity by average 48%. However, increasing the height of stretcher from 100 to 200 mm from the ground provided 5% increase in strength. It was seen that results obtained from numerical analysis were consistent with experimental failures.

Keywords

• Chair
• Furniture Performans Tests
• Numerical Analysis

Ahşap sandalyelerde ara kayıt elemanı kesit ölçüleri ve lokasyonunun mukavemet üzerindeki etkilerinin deneysel ve nümerik analizi

Abstract

Bu çalışmada, yan çerçevelerinde ara kayıt elemanı olmayan ve farklı kesit ölçüleri ve lokasyonlarda ara kayıt elemanı barındıran ahşap sandalyelerin önden arkaya yükleme altındaki performansları deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Sandalyelerin üretiminde Türkiye mobilya endüstrisinde yaygın olarak kullanılan Sarıçam (Pinus sylvestris L.) tercih edilmiştir. Sandalyelerin yan çerçevelerinde, ara kayıt elemanı için farklı kesit ölçüleri ve lokasyonlar kullanılmış olup en uygun kesit ölçüleri ve lokasyon belirlenmiştir. Birleştirmelerde polivinilasetat (PVAc) tutkalı kullanılmıştır. Buna göre, 3 farklı kesit ölçüsü, 2 farklı lokasyon, ara kayıtsız kontrol örneği ve her örnekten 3 yineleme olmak üzere toplam 21 adet gerçek ölçülerde ahşap sandalye hazırlanmış ve devirli yükleme metoduna göre önden arkaya yönde test edilmiştir. Daha sonra, bilgisayar destekli üç boyutlu nümerik analizler yapılmış ve yan çerçeve birleştirmelerindeki moment dağılımları ve eğilme gerilmeleri analiz edilmiştir. Çalışmanın sonuçlarına göre; ara kayıt elemanının varlığı ve kesit ölçülerinin artması önden arkaya kuvvet taşıma kapasitesini ortalama %48 artırmıştır. Bununla birlikte, ara kayıt elemanının yerden yüksekliğinin 100 mm’den 200 mm’ye çıkarılmasının ise mukavemet değerlerinde sadece %5 artış sağladığı görülmüştür. Ayrıca, nümerik analizlerden elde edilen sonuçların, gerçek deneylerdeki deformasyon karakteristikleri tutarlı olduğu görülmüştür.

Keywords

• Sandalye
• Mobilya Performans Testleri
• nümerik analiz

References

1. American Library Associations (ALA), (1982). The Use of Performance Tests and Quality Assurance Programs in the Selection of Library Chairs, Library Technology Reports, 18 (5), 483–571.
2. Aydın, M., ve Aydın, T.Y. (2017). Sandalye çerçevesinin CATIA ile sonlu elemanlar analizi, İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi. 2017, 6 (3), 621 – 631.
3. 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 Tecnologia 23, 1–28. DOI:10.4067/s0718-221x2021000100419
4. Ceylan, E., Kasal, A., Smardzewski, J., Yüksel, M., & Kuşkun, T. (2024). Çerçeve konstrüksiyonlu mobilya birleştirmeleri için tasarlanan auksetik kavelaların sarıçam (Pinus sylvestris L.) ve kavak (Populus nigra L.) kontrplak ile tutma mukavemeti, Mobilya Ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, 7(2), 188-203. DOI: 10.33725/mamad.1527043
5. Demirel, S., & Er, R.S. (2022). Evaluation and comparison of control and heat treated l-shape furniture joints produced from scotch pine and ash wood under static bending and cyclic fatigue bending loadings, Maderas. Ciencia Y Tecnologia, 24(20), 1-14. DOI:10.4067/s0718-221x2022000100420 Eckelman, C.A. (1995). An overview of the ALA test method with test reports on side chairs. Library Technology Reports, 31 (2), 115-214.
6. Eckelman, C.A. (1999). Performance testing of side chair. Holz als Roh-und Werkstoff, 57, 227–234. DOI: 10.1007/s001070050047
7. Eckelman, C. A., & Erdil, Y.Z. (1999). Furniture engineering and quality of life. I. International Furniture Congress, İstanbul, 306-332.
8. Eckelman, C. A., & Erdil, Y. Z., (1999). Joint design manual for furniture frames constructed of plywood and oriented standard board. H.Ü. Ağaç İşleri Endüstri Mühendisliği Bölümü, I. Uluslararası Mobilya Kongresi, Bildiri Kitabı, 265-305, İstanbul.

9. Eckelman, C., A., (2003). Textbook of product engineering and strength design of furniture. text book. Purdue University, West Lafayette, Indiana, USA.
10. Erdil, Y.Z., (1998). Strength analysis and design of joints of furniture frames constructed of plywood and oriented strand–board. Master of Science, Purdue University Graduate School, West Lafayette, Indiana,USA.
11. Efe, H. (1994). Modern mobilya çerçeve kostrüksiyon tasarımında geleneksel ve alternatif bağlantı tekniklerinin mekanik davranış özellikleri, K.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Trabzon.
12. Efe, H., Diler, H., Kuşkun, T., ve Kasal, A. (2015). Türkiye’de üretilen çeşitli tiplerdeki ahşap ev sandalyelerinin performanslarının değerlendirilmesi, Selcuk University Journal of Engineering Sciences, Özel Sayı 1 (UMK-2015), 802-813.
13. Güntekin, E. (2023). Determination of elastic constants for scots pine wood using ultrasound, Turkish Journal of Forestry, 24 (4), 399-402. DOI: 10.18182/tjf.1294030
14. Güray, E., Kasal, A., Aktürk, Ş., Kuşkun, T., & Smardzewski, J. (2023). Structural analysis of a chair side frame connected with semi-rigid joints by slope-deflection Method, XXXthInternational Online ConferenceResearch for Furniture Industry, Proceeding book: 146-162, 22–23 September 2022 Poznań, Poland.
15. Hu, W.G., Fu, W.L., & Guan, H.Y., (2018). Optimal design of stretchers positions of mortise and tenon joint chair, Wood Research, 63 (3), 2018, 505-516.
16. Kasal, A., (2004). Masif ve kompozit ağaç malzemelerden üretilmiş çerçeve konstrüksiyonlu koltukların performansı, Gazi Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Ankara.
17. Kasal, A., Birgül, R., & Erdil, Y.Z. (2006). Determination of the strength performance of chair frames constructed of solid wood and wood composites, Forest Products Journal, 56 (7/8), 55-60.
18. Kuskun, T., Kasal, A., Haviarova, E., Kilic, H., Uysal, M., & Erdil Y.Z. (2018). relationship between static and cyclic front to back load capacity of wooden chairs and evaluation of the strenght values accordıng to acceptable desing values, Wood and Fiber Science, 50 (4), 1-9. DOI: 10.22382/wfs-2018-052
19. Küreli, İ., Altunok, M., & Uysal, E., (2020). Endüstriyel sandalye tasarımında estetiklik ve dayaniklilik optimizasyonu, Politeknik Dergisi, 23 (4), 1413-1421. DOI: 10.2339/politeknik.680989
20. Likos, E., Haviarova, E., Eckelman, C.A., Erdil, Y.Z. & Özçiftçi, A. (2012). Tecnical note: static versus cyclic load capacity of side chairs constructed with mortise and tenon joints, Wood and Fiber Science, 45(2), 223-227. RISA – 3D Version 4.1. 2000. RISA Technologies.
21. TS ISO 13061-1 (2021). Odunun fiziksel ve mekanik özellikleri – kusursuz küçük ahşap numunelerin deney yöntemleri - bölüm 1: fiziksel ve mekanik deneyler için nem muhtevasının belirlenmesi. T.S.E. Ankara, Türkiye.
22. TS ISO 13061-2 (2021). Odunun fiziksel ve mekanik özellikleri – kusursuz küçük ahşap numunelerin deney yöntemleri - bölüm 2: fiziksel ve mekanik deneyler için yoğunluğun belirlenmesi. T.S.E. Ankara, Türkiye.
23. TS ISO 13061-3 (2021). Odunun fiziksel ve mekanik özellikleri - Kusursuz küçük ahşap numunelerin deney yöntemleri - Bölüm 3: Statik eğilmede nihai mukavemet tayini. T.S.E. Ankara, Türkiye. TS ISO 13061-4 (2021). Odunun fiziksel ve mekanik özellikleri - kusursuz küçük ahşap numunelerin deney yöntemleri - bölüm 4: statik eğilmede elastikiyet modülünün tayini. T.S.E. Ankara, Türkiye.
24. USDA Forest Product Laboratory. Wood Handbook. (2021). USDA Agricultural Handbook 72, USDA Forest Service, Forest Product Laboratory, Madison, WI, USA.
25. Uysal, M., & Haviarova, E. (2021). Evaluating design of mortise and tenon furniture joints under bending loads by lower tolerance limits. Wood and Fiber Science, 53(2). 109-125. DOI: 10.22382/wfs-2021-13 Uysal, M. (2023). Coefficient of acceptability for joints in furniture frame analysis under cyclic loads. Journal of Innovative Science and Engineering, 7(1), 60-73. DOI:10.38088/jise.1183127
26. Yılmaz, T., Güntekin, E., & Aydın, M. (2016). Finite element (fe) analysis of chair frames constructed with Turkish red pine (Pinus brutia ten.). 1st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016) Çukurova University, Congress Center, October 26-28, 2016, Adana / Türkiye, Pages: 1919-1925, Paper ID:569.