Comparison of finite element models for doweled furniture corner joints made of beech (Fagus orientalis L.) and black pine (Pinus nigra) wood

Abstract

In this study, the bending performances of dowel joints produced using beech and black pine wood were examined experimentally and numerically. The joints were joined using 10 mm diameter and 48 mm long grooved beech dowels and PVAc glue. In the first stage of the study, some physical properties of the materials used, such as density and humidity, and mechanical properties such as elastic modulus and bending strength were determined. Yield strength and tangent modulus were also calculated in bending tests. In the second stage of the study, corner joints were produced using these wood species and were subjected to bending tests. Finally, numerical models of the joints were created using isotropic and orthotropic material properties. The stiffness values of dowel joints made of black pine and beech wood tested in the laboratory environment were calculated as 3705 and 4776 N.m/rad, respectively. The finite element method estimated these stiffness values as 2727 and 3363 N.m/rad, 4097 and 4350 N.m/rad for black pine and beech with orthotropic and isotropic models, respectively. The results of the study showed that orthotropic models developed for the bending behavior of doweled corner joints are more realistic.

Keywords

• Black pine
• Beech wood
• Doweled joints
• Numerical modelling

Kayın (Fagus orientalis L.) ve karaçam (Pinus nigra) odunu kullanılarak oluşturulan kavelalı mobilya köşe birleştirmeleri için sonlu elemanlar modellerinin karşılaştırılması

Abstract

Bu çalışmada kayın ve karaçam kullanılarak üretilmiş kavelalı birleştirmelerin eğilme performansları deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Birleştirmeler 10 mm çapında 48 mm uzunluğunda yivli kayın kavela ve PVAc tutkalı kullanılarak birleştirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında kullanılan malzemelerin yoğunluk ve rutubet gibi bazı fiziksel özellikleri ile elastikiyet modülü ve eğilme direnci gibi mekanik özellikleri belirlenmiştir. Eğilme testlerinde akma direnci ve tanjant modülü de hesaplanmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında bu ağaç türleri kullanarak köşe birleştirmeler üretilmiş ve eğilme testlerine maruz bırakılmıştır. Son olarak birleştirmelerin nümerik modelleri izotropik ve ortotropik malzeme özellikleri kullanılarak oluşturulmuştur. Laboratuvar ortamında test edilen karaçam ve kayın odunundan yapılan kavelalı birleştirmelerinin rijitlik değerleri sırasıyla 3705 ve 4776 N.m/rad olarak hesaplanmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi bu rijitlik değerlerini karaçam ve kayın için ortotropik ve izotropik modeller ile sırasıyla 2727 ve 3363 N.m/rad, 4097 ve 4350 N.m/rad olarak tahmin etmiştir. Çalışma sonuçları kavelalı köşe birleştirmelerinin eğilme davranışı için geliştirilen ortotropik modellerin daha gerçekçi olduğunu göstermiştir.

Keywords

• Karaçam
• Kayın odunu
• Kavelalı birleştirmeler
• Sayısal modelleme

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., Yılmaz Aydın, T., 2017. Sandalye çerçevesinin CATIA ile sonlu elemanlar analizi. İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi, 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 tecnología, 23:(19) 1-16. DOI: 10.4067/s0718-221x2021000100419
4. Chen, M., Li X.M., Lyu, J.H., 2018. Influence of dowel diameter and curing time on strength of double dowel joint. Wood Research, 63(4): 591–8. Diler, H., Kasal, A., Demirci, S., Kuşkun, T., 2013. T-Tipi mobilya birleştirmelerinde ağaç türü, tutkal çeşidi ve zıvana ölçülerinin çekme kuvveti kapasitesine etkileri. Kastamonu Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, 13(2): 287-299
5. Eckelman, C.A., Erdil Y.Z., Zhang J., 2002. Withdrawal and bending strength of dowel joints constructed of plywood and oriented strandboard. Forest Products Journal, 52(9): 66–74.
6. Eckelman, C.A., 1971. Bending strength and moment-rotation characteristics of two-pin moment-resisting dowel joints. Forest Products Journal, 21(3): 35–9.
7. Efe, H., Zhang, J., Erdil, Y.Z., Kasal, A., 2005. Moment capacity of traditional and alternative Ttype end-to-side-grain furniture joints. Forest Products Journal, 55(5): 69–73.
8. Gawroński, T., 2006. Rigidity-strength models and stress distribution in housed tenon joints subjected to torsion. Electronic Journal of Polish Agricultural Universities, 9(4): 1-9.

9. Gustafsson, S.I., 1995. Furniture design by use of the finite element method. Holz als Roh-und Werkstoff, 53(4): 257-260.
10. Gustafsson, S.I., 1996. Finite element modelling versus reality for birch chairs. Holz als Roh-und Werkstoff, 54(5): 355-359.
11. Gustafsson, S.I., 1997. Optimising ash wood chairs. Wood Science and Technology, 31(4): 291-301.
12. Güntekin, E., 2004. Kavelalı mobilya köşe birleştirmelerinin sonlu elemanlar analizi. Süleyman Demirel Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, 1: 159-169.
13. Güntekin, E., Yılmaz Aydın, T., Niemz, P., 2016. Some orthotropic elastic properties of Fagus orientalis as influenced by moisture content. Wood Research, 61(1): 95-104.
14. Güntekin, E., Demiratlı, S., 2017. Influence of moisture content on some elastic constants of black pine subjected to compression. Pro Ligno, 13(2): 21-26.
15. Güray, E., Ceylan, E., Kasal, A., 2022. Weight-strength optimization of wooden household chairs based on member section size. Maderas. Ciencia y tecnología, (24):31 1-14. DOI: 10.4067/s0718-221x2022000100431
16. Hao, J. Xu, L., Wu, X., Li, X., 2020. Analysis and modeling of the dowel connection in wood T type joint for optimal performance. Composite Structures, 253, 1-11. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112754.
17. Karaman, A., 2021. Bending Moment Resistance of T-Type Joints Reinforced With Basalt and Glass Woven Fabric Materials. Maderas Ciencia y tecnología, (23): 44, 1-12. DOI: 10.4067/s0718-221x2021000100444
18. Kasal, A., 2006. Determination of the strength of various sofa frames with finite element analysis, Gazi Üniversitesi Journal of Science 19(4), 191-203.
19. Kasal, B., Pullela, S.V., 1995. Development of analytical models for furniture. Technical Note, 80 p. Furniture manufacturing and Management Center, North Carolina State University.
20. 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
21. 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
22. Smardzewski, J., 1998. Numerical analysis of furniture constructions. Wood Science and Technology, 32(4): 273-286. https://doi.org/10.1007/BF00702895
23. Smardzewski, J., 2015. Furniture Design. Springer, Cham, Switzerland. https://doi.org/10.1007/978-3-319-19533-9
24. Tekkaya, A.E., Soyarslan, C., 2014. Finite Element Method. In: Laperrière, L. & Reinhart, G. (eds) CIRP Encyclopedia of Production Engineering. Berlin, Heidelberg: Springer, pp. 508–514. https://doi.org/10.1007/978-3-642-20617-7_16699.
25. 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. TSE, Ankara
26. 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. TSE, Ankara
27. TS ISO 13061-3. 2021. Odunun fiziksel ve mekanik özellikleri - Kusursuz küçük ahşap numunelerin deney yöntemleri - Bölüm 3: Statik eğilmede nihai mukavemet tayini. TSE, Ankara
28. TS ISO 13061-4. 2021. Odunun fiziksel ve mekanik özellikleri - Kusursuz küçük ahşap numunelerin deney yöntemleri - Bölüm 3: Statik eğilmede elastikiyet modülü tayini. TSE, Ankara
29. Yılmaz, T., Güntekin, E., 2012. Sandalye çerçevelerinin sonlu elemanlar analizi. Süleyman Demirel Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, 13: 134-139.
30. Warmbier, K., Wilczynski, A., 2000. Strength and stiffness of dowel corner joints – Effect of joint dimensions. Folia Forestalia Polonica, B(31): 29-41.
31. Zaborsky, V., Kamboy, G., Sikora, A., Boruvka, V., 2019. Effects of selected factors on Spruce dowel joint stiffness. BioRes., 14(1): 1127–40. DOI:10.15376/biores.14.1.1127-1140.
32. Zhang, J., 2001. Bending strength and stiffness of two-pin dowel joints constructed of wood and wood composites. Forest Products Journal, 1(2): 29–35.
33. Zhang, J., Eckelman C.A., 1993. The bending moment resistance of single-dowel corner joints in case construction. Forest Products Journal, 43(6): 19–24.