Onderzoek naar structureel houtgebruik a.d.h.v. het ontwerp van een houten fietskader

Transcriptie

1 Onderzoek naar structureel houtgebruik a.d.h.v. het ontwerp van een houten fietskader Ben Holvoet Promotor: prof. Jan Moens Begeleider: ir.-arch. Rolf Vansteenwegen Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: architectuur Vakgroep Architectuur en Stedenbouw Voorzitter: prof. dr. Pieter Uyttenhove Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar

2 1

3 INHOUDSTABEL Deel 0: Inleiding... 5 Dankwoord... 7 Inleiding... 9 Motivatie Doelstellingen Deel 1: Fiets Inleiding: Welk soort fiets? Grondslagen van sterkte van een fietskader Veiligheidsfactor en belasting scenario s Relevante materiaal-sterkte, vermoeiingsterkte Breukgedrag Sterktetesten op fietskaders Stijfheid van een fietskader Stijfheidstesten op fietskaders Beschrijving van de gebruikte stijfheidstests: Testresultaten van verschillende materialen voor de TOUR-test Testresultaten van verschillende materialen voor de Rinard-test Analytische vergelijking van verschillende materialen voor een fietskader Deel 2: Hout Inleiding Europees hout Sterk als hout! Uit het juiste hout gesneden Houtkeuze via eigenschappen Andere factoren die houtselectie bepalen Conclusie Sterkte-eigenschappen van hout Sterkteklassen voor constructiehout +bespreking Sterktebepaling in vliegtuighout Hout is een levend materiaal Dimensionele stabilisatie van hout Toepassing van stabilisatiemethoden in de fietsconstructie Bevestigingstechniek bij hout, verlijming

4 Deel 3: Houten Fiets Het ontwerp Houtgebruik: Geometrie: Bevestiging Orthotroop materiaal Parametrisch CAD-model Eindige elementen analyse. (FEA) Detaillering van de stuurbuis Detaillering van de trapas-knoop Detaillering van de achtervorken Detaillering van de zadel-knoop Detaillering van de pads Dimensionering van de buizen Besluit Eindbeschouwingen Bibliografie Bijlagen FEA analyses: Test 1: Laterale stijfheidstest (TOUR-test) Test 2: Rinard-test Test 3: Vermoeiingstest met belasting in de lengterichting van het kader Test 4: vermoeiingstest met belasting op een testpedaal Infofiches van de gebruikte houtsoorten Sterktetesten op het gebruikte hout Productfiche van de gebruikte lijm Lijst met producenten en designers van houten fietsen

5 4

6 Deel 0: Inleiding 5

7 6

8 Dankwoord Ik ben verheugd dat ik u dit eindwerk kan presenteren. Enerzijds vanwege de ontlading die eigen is aan de oplevering van om het even welk project. Het moment waarop een (voorlopig) einde komt aan het soms moeizame ontwerp- en uitvoeringsproces. Maar vooral, ik ben heel blij dat ik de mogelijkheid heb gehad om dit onderzoek te voeren. Daarom dank aan mijn Promotor, Jan Moens, en mijn begeleider, Rolf Vansteenwegen, voor het aanvaarden en begeleiden van dit eindwerk. Ook aan de Vakgroep Architectuur en Stedenbouw voor hun aangename studieomkadering. Grote dank gaat uit naar mijn ouders die me in dit project steeds gesteund hebben. Zij hebben me op elk moment gevolgd en blijven steunen. Dit project was ook voor hen niet altijd even gemakkelijk. Ik denk daarbij aan het zaagmeel dat soms doorheen het ganse ouderlijke huis te vinden was, of de grote hoeveelheden werkmateriaal die soms de keukentafel, de berging, en andere plaatsen van het huis in beslag namen. Hun verdraagzaamheid stel ik ten zeerste op prijs. Ik wil ook bedanken: -Kunstgalerij Escale des iles in Sint Maarten, die me tijdens mijn verblijf in Sint Maarten gesteund heeft in mijn voorgaande en eerste ontwerp-project, coco fish. Zonder hen was coco-fish nooit zo n succes kunnen worden, en had ik nooit aan dit project durven beginnen. -Scott Fratcher en Allison, waarmee ik aan het cruisen was op het moment van de conceptie van dit eindwerk. Ik waardeer hun enthousiasme, en hun verdraagzaamheid wanneer ik weer eens niet aan het werken was aan het Yacht, maar wel aan het fiets-project. -Jos Verheuen, voor zijn aanstekelijk enthousiasme voor parametrische CAD-software. Hij heeft me ertoe gemotiveerd om dit project aan de hand van parametrische CAD-software een stap in de goede richting te geven. -Freddy De Bruyne en Hilde Holvoet, voor het gebruik van hun garagebox, waarin ik een houtbewerkingsatelier heb kunnen onderbrengen. Ook voor hun grote gastvrijheid en goede zorgen. Meermaals hebben zij mij verblijd met spijs en drank op momenten dat ik verdiept was in de houtbewerking. -Patrick, en de Fietsherstelplaats Blandijn, om mij in dienst te nemen als fietshersteller. Op deze manier heb ik meer voeling gekregen met de praktische kant van de fiets. -dank ook aan alle mensen die me hulp aangeboden hebben, of interesse hebben getoond in dit project: mijn vrienden, mijn familie... Tot slot wil ik alle leveranciers en fabrikanten bedanken voor hun producten en hun toewijding om producten van hoge kwaliteit te fabriceren en verdelen. Zonder hen was deze fiets niet mogelijk geweest. Fietsonderdelen: Rose.nl voor de heel snelle levering van fietsonderdelen; 3T voor voorvork, zadelpen, stuur en stuurpen; Shimano voor naven, remgrepen, ketting, Bracketlagers, cassette, crankstel, pedalen, voorderailleur en achterderailleur; Ghisallo voor houten velgen; Krex voor voorderailleurklem, Raleigh voor achter derailleurklem; Sram voor remklauwen; Continental voor banden en tube-lijm, Vittoria voor banden; Xtreme voor zadelbuisklem, zadel en stuurpen Hout: Lagae Kortrijk voor speciaalhout; Vandenbroucke Beernem voor beukenhout; Dedeurwaerder Tielt voor essenhout; Materialen: 3M voor epoxy-lijm; Mr Boat voor epoxy-coating; Poly-service voor PU-coating; Carbon-composite technology voor CFRP buizen; Tube-carbone voor CFRP buizen en plaatmateriaal; EZ-lok voor schroefdraadplugs Gereedschap: Amana Tools voor freesbits; Incra voor precisie freestoebehoren 7

9 Tour-winnende fietsen 8

10 Inleiding De fiets geniet de laatste jaren van een heel goed imago. Fietstoerisme is erg in opmars, en de fiets begint meer en meer zijn plaats op te eisen als stedelijk vervoersmiddel. Het is het meest groene vervoersmiddel, houdt je in goede conditie,... De fiets begint ook een object te zijn waarmee mensen zich gaan profileren. Niet louter utilitair, maar ook als statussymbool, als symbool voor de nieuwe milieubewuste mens. Het lijkt er bovendien naar dat de 21 e eeuw de eeuw van de fiets zou kunnen worden in West- Europa. De meest opvallende evolutie in de transportsector is dat de laatste jaren zo goed als alle wagenfabrikanten fietsen zijn beginnen ontwerpen en fabriceren. Bij de laatste fietssalons hadden alle grote automerken wel een fiets in de kijker. Voor ontwerpers is de fiets een uitdagende opdracht. Achter zijn alledaagse vanzelfsprekendheid schuilt het vernuft van een machine. Het ontwerp is steeds een evenwichtsoefening tussen structuur, techniek, vormgeving, ergonomie en gewicht. De fiets is bovendien een test labo geweest voor verschillende (nieuwe) materialen, en zijn uitgevoerd in de meest uiteenlopende materialen: aluminiumlegeringen, staallegeringen, aluminium-glasvezelcomposiet, thermoplasten, magnesium, koolstof-composiet, glasvezel-composiet, natuurlijke vezel-composiet, karton, bamboe,... en ook hout. Bij veel van deze materialen is het gebleven bij prototypes. Niettegenstaande heeft de fiets sinds de jaren 90 een enorm snelle evolutie doorgegaan. Deze evolutie was gedreven door een streven naar vooral minimaal gewicht en maximale stijfheid. Doorheen deze evolutie zijn een groot aantal materialen uitgetest geworden, en sommigen hebben hun positie in fietsconstructie verworven. Op de pagina hiernaast staan de fietsen waarmee tussen 1996 en 2006 de Tour de France gewonnen werd. In tien jaar tijd evolueren ze van staal over aluminium en aluminiumcomposiet naar carboncomposiet: een razendsnelle ontwikkeling. Hout heeft helemaal niet de allure van koolstofcomposiet. In tegendeel. Wanneer we denken aan hout denken we aan opkrullende en krakende plankenvloeren, rottend hout... Het mag dan wel een mooi materiaal zijn, maar weinigen die zouden geloven in de technische prestaties van hout. Dit imago heeft zeker een grond van waarheid maar is ook deels onterecht. Nog steeds is hout voor sommige toepassingen hét materiaal bij uitstek, niet alleen vanwege de lage kostprijs maar ook vanwege zijn prestaties. Met name bij dynamische belasting en impactbelastingen is hout een geschikte keuze. Denk maar aan bijlheften, turntoestellen of pijl en boog. Misschien dus ook wel voor fietsen? In dit werk wil ik ontwerpend zoeken naar de potenties die hout heeft, en zoeken naar de manier waarop deze potenties maximaal kunnen benut worden. Het is een werk dat focust op kennis over hout en houtproducten, en verwerkingstechnieken. Door materiaalkennis op een ontwerpende manier te benaderen worden de materiaaleigenschappen direct in relatie gebracht met uitvoeringsen ontwerptechnieken. 9

11 10

12 Motivatie Het ontwerp van een houten fietskader kan misschien wat misplaatst lijken in een opleiding architectuur. Maar hoewel je in een fiets niet kan wonen of werken, zijn er heel wat raakvlakken tussen dit ontwerp en architectuur. De keuze om een fiets te ontwerpen is dan ook geen toevalligheid. Hieronder wil ik toelichten wat mij ertoe beweegt om een houten fiets te ontwerpen 1. Materiaalkennis, Hout: Altijd al heb ik interesse gehad in hout. Het is een materiaal met een grote esthetische aantrekkingskracht. Elk stuk hout is verschillend van een ander, is gezaagd uit een andere plaats in de stam, of een andere boom, of uit een verschillend groeiklimaat. Hierdoor verschillen ook de materiaaleigenschappen van plank tot plank. Het is een materiaal waarbij je de kennis haalt uit de planken zelf, meer dan uit boeken. Enerzijds heeft hout eigenschappen die vaak een uitdaging vormen voor de ontwerper en uitvoerder. Materiaalonregelmatigheden, vochtgevoeligheid, anisotroopheid zijn maar enkele van de eigenschappen waar de ontwerper en de uitvoerder rekening mee moeten houden. Anderzijds kan je bij hout rekenen op een grote sterkte-gewicht en stijfheid-gewicht verhouding. Dit maakt dat hout een interessant materiaal kan zijn voor het vervaardigen van een fietskader. In hoofdstuk 2: hout bespreek ik de eigenschappen van hout die relevant zijn voor dit ontwerp. 2. Structuur: Een fiets is een artefact dat bijna 100% structuur is, en bestaat in zijn huidige vorm, voornamelijk vanwege structurele redenen. Het kader is opgebouwd uit holle buizen omdat buisprofielen goed werken voor zowel buiging als torsie en tegelijk licht zijn. De vorm van het kader is een dubbele driehoek omdat driehoeken stevige geometrieën zijn. De wielconstructie transformeert een drukbelasting in een trekbelasting door middel van de trekspaken, en op die manier wordt het materiaal veel efficiënter gebruikt. Dit om aan te tonen dat het ontwerp van de fiets vooral gestuurd is door structurele overwegingen. Voor een onderzoek naar structureel houtgebruik leent het fietskader zich heel goed. De belastingen die aangrijpen zijn bovendien heel gevarieerd. Door de opbouw als een vakwerk wordt het kader belast op trek en druk. Als resultaat van draaien, trappen, en remmen is het kader bovendien onderhevig aan torsie en buiging. In hoofdstuk 1: fiets bespreek ik de facetten van de structuur van een fietskader die relevant zijn. 3. Uitvoerbaarheid: Tijdens een ontwerpersopleiding spreekt het voor zich dat een groot deel van de ontwerpen op papier blijven. Het papier is enerzijds vergevingsgezind naar onvolmaaktheden, en anderzijds laat papier een vrijheid toe die in de realiteit soms onmogelijk is. Voor mij is gedurende 5 jaar papieren ontwerpen maken het verlangen sterk toegenomen om een ontwerp te maken dat ook het stadium van de uitvoering bereikt. Het is bovendien heel leerrijk om binnen de beschermde academische context een ontwerp aan de test van de uitvoering te onderwerpen. De academische context laat ruimte voor experimenteren en uitproberen. Zoals ik reeds aangehaald heb is hout een materiaal waarover je veel leert uit het werken met het materiaal zelf. Het is eveneens om die reden dat ik zowel ontwerp als uitvoering wil behandelen. Een goed ontwerp maken is pas mogelijk wanneer je een materiaal door en door kent. Aangezien een fiets van vrij kleine schaal is, is het mogelijk in beperkte tijd, en met beperkt budget toch ook de uitvoering te realiseren. 11

13 1. Gary Galego, 2. Ghisallo, 3. Renovo bikes, 4. Thonet, 5. Sanomagic, 6. Bough bikes, Houten fietsen van verschillende producenten en ontwerpers. 12

14 Doelstellingen Op de pagina hiernaast staan een handvol van de vele fietsontwerpen die reeds bestaan. Opvallend is de grote verscheidenheid. Er zijn er dure en goedkope, functionele en louter ornamentele, zware en lichte,... Bij aanvang van dit werk wil ik duidelijk stellen wat mijn ontwerpintenties zijn. En welke de doelstellingen zijn die ik me voorleg. Algemeen: Gezien de geringe tijdspanne van een masterproef, en gezien ik in deze reeds korte tijdspanne zowel ontwerp als uitvoering wil realiseren, beperk ik me tot het uitwerken van het fietskader. Dit houdt in dat ik voor fietsuitrusting -zoals stuur, pedalen, ketting,...- beroep doe op bestaande technieken en producten. De keuze van de uitrusting gaat echter nauw samen met het ontwerp van het kader. Het is onmogelijk om een kader te ontwerpen zonder te weten welke voorvork erin zal passen, te weten hoe groot de wielen zullen zijn,... Daarom beslaat het ontwerp de volledige fiets, maar met bijzondere aandacht aan het fietskader. Onderzoek: Dit eindwerk is een onderzoekend ontwerp. De doelstelling is zowel het uitwerken van een ontwerp als het onderzoek naar hout. De onderzoeksvragen die ik wil behandelen zijn de volgende: 1 Is hout een materiaal dat (even)-waardig kan zijn in vergelijking met andere fietsconstructiematerialen? Fietskaders worden courant gemaakt uit een beperkt aantal materialen. Zoals hierboven reeds vermeld, zijn de belangrijkste redenen voor die materiaalkeuze sterkte, gewicht en stijfheid. Wanneer we de sterkte en stijfheidseigenschappen van hout vergelijken met die van de courante fietsconstructiematerialen (cf. Deel Hout ) merken we dat die in de zelfde grootteordes liggen. Er zal onderzocht worden of het met hout ook mogelijk is om dergelijke lichte, stijve en sterke constructies te maken. 2 Welk hout is het best geschikt en op welke manier kan dat hout best aangewend worden? Hout is een materiaal waarbij grote verschillen bestaan tussen verschillende soorten. En niet alleen tussen verschillende houtsoorten, maar elke plank is bovendien verschillend van een andere. Soms is het interessant om het hout te verwerken. Verwerking tot hout-derivaten (zoals multiplex bijvoorbeeld) kan een materiaal opleveren met betere eigenschappen. 3 Welke technieken zijn mogelijk om structureel hout het best tot zijn recht te doen komen? Hout is een traditioneel materiaal, en houtconstructie is veelal gebaseerd op traditie en gewoonte. Vele van deze klassieke technieken zijn niet geschikt wanneer we te maken hebben met een vernieuwende uitdaging. Voor het ontwerpen van een fiets moeten klassieke technieken herdacht worden, en moeten eventueel nieuwe oplossingen gezocht worden. Bovendien is de techniek geëvolueerd en zijn nieuwe producten beschikbaar. Bij het ontwerp zal het behandelen van bovengemelde vragen en het onderzoek centraal staan. Het ontwerp doet dienst als aanleiding om kennis over hout en zijn verwerkingstechnieken te verwerven. 13

15 14

16 Deel 1: Fiets 15

17 Inleiding: Welk soort fiets? Op Wikipedia wordt fiets beschreven door: een door spierkracht aangedreven tweewieler. Een enorm vrije definitie. Fietsen bestaan dan ook in een groot aantal verschillende vormen, modellen, en toepassingen. Eén-persoons-fietsen of tandems, bakfietsen of racefietsen, mountainbikes of pistefietsen,... Bij het begin van dit onderzoek wil ik duidelijk stellen met wat soort fietskader ik het onderzoek wil voeren. Het ontwerp van een tandem zal een heel andere aanpak en resultaat opleveren dan het ontwerp van een mountainbike. De aanleiding van dit ontwerp is het onderzoek naar structureel houtgebruik. Het mooi of vernieuwend zijn van het ontwerp is dus in zekere zin ondergeschikt aan het toetsen van de prestaties op 3 criteria: sterkte, stijfheid en gewicht. Deze prestaties van hout wil ik kunnen vergelijken met de prestaties van andere klassieke fietsconstructiematerialen. Een sportfiets vereist om het maximum uit materiaaleigenschappen en technologieën te halen, om zo een rijwiel te maken dat niet alleen sterk is, maar ook zo licht mogelijk, zo stijf mogelijk, zo snel mogelijk. In dit ontwerp zal een sportfiets ontworpen worden. Het voordeel van het ontwerpen van een houten sportfiets is dat andere sportfietsen een duidelijke maatstaaf vormen om tijdens het ontwerp, en achteraf het materiaal hout aan af te meten. De performantie-eigenschappen van sportfietsen zijn vaak overvloedig gedocumenteerd. Door het vergelijken met andere materialen worden de sterktes, en zwaktes van het materiaal duidelijk. De sportfiets, een korte beschrijving. Bij de ontwikkeling van fietsen als discipline, ontstond de typische geometrie van het race-fiets-kader die tot op heden weinig veranderd is. De geometrie is bedoeld om de prestaties te maximaliseren. Het meest significante kenmerk hiervan is het aanpassen van de positie van de renner teneinde de luchtweerstand te minimaliseren. Luchtweerstand is namelijk kwadratisch evenredig met de snelheid en bij verhoogde snelheid wordt aerodynamica al snel de belangrijkste weerstand. Naast snelheid zijn twee factoren van belang voor luchtweerstand: de weerstand coëfficiënt C d (die afhankelijk is van de 3d-geometrie, of positie van de renner), en het frontaal oppervlak(eveneens afhankelijk van de positie van de renner). Hieronder zijn typische waarden te zien die duidelijk het verschil tussen een standaard en een koersfiets aantonen. Bij hogere snelheden is dit verschil nog significanter. Weerstand coëfficiënt C d Frontaal oppervlak A C d A Weerstand bij 35 km./u (in Watt) stadsfiets, rechtop zittend sportfiets, tour positie sportfiets, gebukte positie Tabel 1: Luchtweerstand voor verschillende fiets-houdingen 1 2 Hoewel aan de geometrie van de fiets weinig is veranderd, heeft de sportfiets toch een hele reeks interessante ontwikkelingen gekend. Een interessante periode begint in de jaren 90. Fietsen waren toen zo goed als uitsluitend uit staal vervaardigd en het stalen frame was ongeveer aan het einde 1 GROSS Albert C., CHESTER R. Kyle, DOUGLAS J. Malewicki, The aerodynamics of land vehicles, scientific American, 249, nr 9 (December) 2 WILSON David Gordon, Wind tunnel tests: Review of tour, das Rad magazin, article, Human power 12, nr.4 (lente):7-9 16

18 van zijn mogelijkheden gekomen. De wanddiktes van de buizen waren verdund op plaatsen waar sterkte-overschot was. De buizen waren gemaakt uit speciale legeringen van staal en er was eveneens een techniek ontwikkeld die het lassen van stalen kaders mogelijk maakte om zo ook het gewicht van de lugs 3 te besparen. Begin jaren 90 komt staal als fietsconstructiemateriaal onder druk te staan. De ontwikkeling van nieuwe aluminiumlegeringen heeft ervoor gezorgd dat aluminium fietsen gemaakt konden worden die niet alleen lichter waren, maar bovendien een stuk stijver. Een grotere stijfheid werd verkregen door de vergroting van de buisdiameter, en de verdikking van de wanddikte. Dit leverde gezien het lage soortelijke gewicht van aluminium geen excessief zware fietsen op. Deze toegenomen stijfheid was vooral op steile beklimmingen, wanneer het hardst op de pedalen getrapt wordt, een grote troef. Met aluminium was de omslag naar lichtgewicht-materialen ingezet, en de gloriejaren van aluminium waren maar van korte duur. Al snel werd aluminium overtroffen qua gewicht en stijfheid door koolstofcomposiet. Koolstofcomposiet is nog lichter en nog stijver, en een vergelijkbare evolutie was te merken. De buisdiameter vergrootte nog, alsook de wanddikte. Het resultaat levert fietsen op met een heel grote stijfheid en een heel laag gewicht. De materiaalevolutie van fietskaders gebeurde in een heel korte tijd, hieronder zijn nogmaals de fietsen afgebeeld die tussen 1996 en 2006 de Tour de France gewonnen hebben. 1996: stalen kader 1999: aluminium kader 2003: koolstofcomposiet kader 2006: schaal-structuur in composiet 3 Lugs zijn bevestigingsstukjes waardoor de stalen buizen aan elkaar gesoldeerd kunnen worden. 17

19 Grondslagen van sterkte van een fietskader Het thema van sterkte van een fietskader heeft veel gemeenschappelijk met sterkte van bouwkundige constructies. Het gros van de sterkte theorieën, en berekeningsmethoden kan dus analoog gebeuren. Wel dienen een aantal concepten toegelicht worden die specifiek betrekking hebben op de fiets. Hieronder zullen we dieper ingaan op veiligheidsfactor en belasting scenario s, vermoeiing, en breukgedrag. Veiligheidsfactor en belasting scenario s Alle structuren worden berekend op een sterkte en stijfheid superieur aan een normaal gebruik. Dit heeft tot doel dat er een marge is voor onvoorziene omstandigheden. Het verschil tussen de breukbelasting en de maximale gebruiksbelasting is de veiligheidsfactor. Hoe groter de mate van onzekerheid, hoe hoger de veiligheidsfactor dient genomen te worden. Fietsen zijn typisch veel sterker gebouwd dan de belasting die zou optreden bij een gebruik op vlak terrein, onder normaal trappen. Ten opzichte van een normale belasting hebben fietsen een grote veiligheidsfactor. Zo kan je zien dat standaard -fietsen soms gebruikt worden in circussen om tot tien of meer personen te dragen, en zonder problemen. Tijdens het gebruik van een fiets is de fiets soms onderhevig aan krachten die veel groter zijn dan de krachten bij normaal fietsen op een vlak terrein. De grootste van deze krachten zijn het resultaat van occasionele stoten, hard remmen, hard trappen bij een beklimming,... Wanneer we de veiligheidsfactor zouden beschouwen ten opzicht van één van deze occasionele hoge belastingen dan zou die al een stuk kleiner zijn. Het is zinloos om een fiets te berekenen voor een normale belasting, en een hoge veiligheidsfactor te hanteren. Het is veel realiteitsgetrouwer om een fiets te berekenen voor een reeks van occasionele hoge belastingen, en een kleine veiligheidsfactor te hanteren. In de realiteit kunnen deze occasionele hoge belastingen veroorzaakt zijn door heel verschillende gebeurtenissen, en het is onmogelijk om voor elke van deze gebeurtenissen een berekening te maken, er zijn te veel variabelen. Variabelen zijn het gewicht van de renner, de snelheid, de plaats van de impact, de positie van de renner,... Het is dus aangewezen om berekeningen te maken en testen uit te voeren voor een beperkt aantal scenario s. Deze scenario s moeten zo gekozen zijn dat ze equivalent kunnen zijn aan een groot aantal reële belastingen. Voor dit ontwerp laten we deze belasting scenario s samenvallen met bestaande sterktetests en stijfheidstests. Deze zullen verderop in dit hoofdstuk besproken worden. Relevante materiaal-sterkte, vermoeiingsterkte Als een materiaal onderhevig is aan een herhaalde wisselende belasting, vermindert de sterkte. Dit verschijnsel noemen we vermoeiing. Om een fiets te berekenen moeten we dus hiermee rekening houden. Deze vermoeiing treedt op bij verschillende situaties. Bijvoorbeeld de herhaalde wisselende belasting van op een kasseibaan te rijden, of andere ondergrond-onregelmatigheden. Tijdens de levensduur van de fiets verandert deze belasting miljoenen keren, al is het maar een klein beetje. Anderzijds hebben we ook de wisselende belasting van het rijden in een diepe put in het wegdek. Zulk een belasting zal gedurende de levensduur van de fiets slechts enkele keren voorkomen, maar is vrij groot. De vermoeiingssterkte is steeds gelinkt aan een aantal belastingscycli (2 of meer), het aantal keren dat de belasting wordt aangebracht en gelost. De vermoeiingssterkte voor een laag aantal cycli zal 18

20 steeds hoger zijn dan de vermoeiingssterkte voor een hoog aantal cycli (het materiaal vermoeit immers) We zijn geïnteresseerd in welke vermoeiingssterkte (het aantal cycli) gebruikt kan worden voor de berekening van het fietskader. Endurance limit: De meeste materialen hebben ook een belasting waaronder zelfs na een groot aantal cycli het materiaal niet begeeft. Deze limiet heet de Endurance limiet. Indien belastingen op een kader steeds onder die limiet gehouden zouden worden, zou de fiets in principe nooit breken. In volgende tabel vergelijk ik treksterktes met de endurance limiet. We kunnen zien dat hout vrij slecht scoort in vergelijking met de andere fietsframe materialen. Treksterkte (N/mm) Endurance limit (N/mm) In % Staal Aluminium Koolstof-composiet Hout (essen) VERGELIJKINGSTABEL, VERMOEIING VAN VERSCHILLENDE MATERIALEN Het zou echter fout zijn om ontwerpbelasting steeds onder de endurance-limiet te houden. Grote krachten (van impact, hard remmen,...) zijn namelijk relatief weinig voorkomend, en rekenen met de endurance limiet zou resulteren in een overdimensionering, met een overdreven groot gewicht tot gevolg. In het verleden is er onderzoek uitgevoerd naar het aantal cycli waarvoor het fietskader best kan worden ontworpen. Voor een fietskader kan het best gerekend worden met een vermoeiingswaarde van cycli 5. In de EN-norm voor de sterkte van fietskaders wordt ook gerekend met cycli. Treksterkte (N/mm) Endurance limit (N/mm) In % cycli (N/mm) In % Staal Aluminium Carbon-composiet Hout (essen) VERGELIJKINGSTABEL, VERMOEIING VAN VERSCHILLENDE MATERIALEN Alle sterkteberekeningen in dit werk zullen enkel gebruik maken van de vermoeiingssterkte van hout (94N/mm). 4 CLORIUS Christian Odin, Fatigue in Wood, An investigation in tension perpendicular to the grain, 2002, Danmarkse tekniske universitet, ISBN WILSON David Gordan, Bicycling science, 2004, MIT press, Massachuset 19

21 Breukgedrag Fietsen worden gebruikt in verschillende soorten situaties, en het is onmogelijk uit te sluiten dat het ooit tot breuk komt. En hoewel fietsbreuk slechts in uitzonderlijke gevallen voorkomt is het van belang om het breukgedrag te voorspellen. Een breuk die zich niet aankondigt, of heel plots gebeurt kan immers oorzaak zijn van een heel gevaarlijke valpartij. Een interval tussen de eerste tekenen van breuk, en het volledig begeven van de fiets is belangrijk om deze gevaarlijke vallen te voorkomen (stel je in het extreemste geval een glazen fiets voor: tussen het eerste barstje en het volledig uiteenbarsten zou kwestie zijn van fracties van milliseconden). De breuk kan veroorzaakt zijn door impact, te hard aangedraaide bouten, vermoeiing,.... Hoe ze dan ook geïnduceerd is, het is wenselijk dat een breuk niet onmiddellijk tot het volledig uiteenvallen leidt. Zo kan een gevaarlijke val vermeden worden. Sommige materialen (vooral metalen) hebben een eigenschap dat in dit opzicht zeer gunstig is: plastisch gedrag. Vooraleer een metaal breekt vertoont het plastisch gedrag. Dit plastisch gedrag betekent dat bij het overschrijden van de maximale materiaalspanning het materiaal vervormt alvorens breuk optreedt. Wanneer een metalen fiets een te grote impact te verduren heeft zal het blijvend vervormen. Tijdens het vervormen wordt de impact geabsorbeerd, en de fiets zal niet breken. Daarmee wordt het kader wel onbruikbaar maar is een gevaarlijke breuk in elk geval vermeden. Hiernaast staat een typisch spannings-rek diagram van hout. Opvallend is het ontbreken van een plastisch gebied. Hout kan met andere woorden niet rekenen op een vergelijkbaar breukgedrag als metalen. Daarentegen heeft hout een breukgedrag waarbij eveneens impactenergie geabsorbeerd wordt, en waardoor plots begeven voorkomen wordt. Σ ~Ε DIAGRAM HOUT BREUK VAN HOUT Een typische manier van hout om te breken wanneer het op torsie of buiging is belast, is hieronder afgebeeld. We zien dat hout bij breuk gaat versplinteren. Dit verschijnsel is eraan te wijten dat Hout een schuifsterkte in de lengterichting van de vezels heeft die veel lager ligt dan de treksterkte in de lengterichting. Daardoor is een breuk bij hout meestal te wijten aan het overschrijden van de maximale schuifspanning. Het verschijnsel dat hiermee gepaard gaat is het versplinteren van het hout. Wanneer het hout gaat versplinteren wordt een groot deel van de energie opgenomen tijdens het tot stand komen van de scheuren. Dit verschijnsel zal ervoor zorgen dat een breuk niet zal resulteren in een direct bezwijken. Hout dat bezwijkt gaat kraken, en tijdens het kraken wordt een grote hoeveelheid energie opgenomen. Zo zal het heel onwaarschijnlijk zijn dat je een hamersteel, of bijlsteel dwars zal doorslaan, bij bezwijken zal een barst ontstaan in de lengterichting van de steel. 20

22 Sterktetesten op fietskaders Hierboven hebben we reeds aangehaald dat het wenselijk is om fietskaders te testen en te ontwerpen op basis van een klein aantal belastingsscenario s. De Europese norm voor fietsen, ISO 4210, beschrijft in dezelfde optiek een aantal testen waaraan elke fiets die in Europa op de markt komt dient te voldoen. Dezelfde testen zal ik hanteren als sterktecriteria tijdens het ontwerpproces. ISO 4210 ISO 4210 is een omvangrijke norm waarin niet alleen bepalingen zijn opgenomen voor het fietskader maar voor zo goed als elk fietsonderdeel. ( stuur, pedalen, wielen, remmen,...) De norm bestaat uit 9 verschillende delen waarin telkens één of enkele van de onderdelen wordt behandeld. Deel 6 handelt over de vereisten die opgelegd zijn aan het kader en de voorvork. Deze worden samen behandeld aangezien ze vaak als 1 geheel verkocht worden. In deel 6 worden naast 2 impact-tests 2 vermoeiings-sterktetests beschreven. Deze 2 vermoeiings-sterktetests gebruik ik voor dit ontwerp als maatstaaf om de sterkte van het houten kader aan te toetsen. Op volgende pagina staat een beschrijving van deze 2 tests. Ze zullen voor dit ontwerp gesimuleerd worden met een reeks van eindige elementenanalyses op een 3D-model van het fietskader. Aangezien de tests in realiteit vemoeiingstests zijn, zullen we voor de eindige elementenanalyses rekenen met de vermoeiingssterkte i.p.v. de breuksterkte. 21

23 Test 1: Fatigue test with pedalling forces: Voor een volledige beschrijving van deze test verwijs ik naar ISO Hier geef ik al een beknopte beschrijving. De testresultaten zijn te vinden in bijlage De fiets wordt opgesteld zoals in afbeelding 1, met de voorvork vastgemaakt aan een rigide bevestiging met als hoogte R w. (de straal van het wiel+- 30mm) De achtervork wordt vastgemaakt op dezelfde hoogte aan een stijf verticaal koppelstuk met een baloplegging op de grond. Er wordt afwisselend een kracht F1 opgelegd aan de rechter, en linker pedaal die met een trekstang bevestigd is aan de achteras. De fiets moet in staat zijn om cycli van 1100 N te weerstaan Afbeelding 1: testopstelling zoals gespecifieerd in ISO 4210 Test 2: Fatigue test with horizontal forces: Voor de volledige beschrijving van de 2 de test verwijs ik opnieuw naar ISO 4210, testresultaten zijn te vinden in bijlage. Samenvattend gaat het om een horizontale belasting op de voorvork van het volledig kader zoals getoond op afbeelding 2. De krachten zijn afwisselend voorwaarts en achterwaarts gericht en zijn voor racefietsen van een grootte ± 600N. Indien enkel het kader getest wordt kan i.p.v. de voorvork een stalen staaf als testvork gebruikt worden. Afbeelding 2: testopstelling zoals gespecifieerd in ISO

24 Stijfheid van een fietskader Stijfheid is een van de meest belangrijke, en tegelijkertijd misbegrepen concepten in de fietsconstructie. Stijfheid is dan ook een stuk complexer dan sterkte. Er zijn 3 soorten van stijfheid die relevant zijn voor het ontwerp van een fietskader. verticale stijfheid: Een fiets met de juiste verticale stijfheid zal resulteren in een zachte rijervaring. Doordat het fietskader meebuigt worden onregelmatigheden van de rijweg geabsorbeerd. De fiets zal gemakkelijk te manoeuvreren zijn en beheersbaar aanvoelen. Een fiets die daarentegen te stijf is zal de neiging hebben om contact te verliezen met de grond wanneer er onregelmatigheden in het rijoppervlak zijn. Het moment wanneer de banden een verminderde ondersteuning hebben heeft de bestuurder minder controle over de besturing. Dit effect is vooral te voelen bij afdalingen of bochten aan hoge snelheid. Een goed gebalanceerde fiets zal de bocht vlot rijden, terwijl een te stijve fiets zal moeten afremmen om controleerbaar te blijven. Bij de fiets in zijn hedendaagse vorm is het kader stijf, en wordt de verticale flexibiliteit voorzien door de voorvork. In dit ontwerp maken we ook gebruik van een hedendaagse voorvork, die in zekere mate flexibel is, en een stijf kader. Doorgaans zijn bij deze samenstelling geen problemen te verwachten. Laterale stijfheid: Laterale stijfheid (of stuurbuis-stijfheid) is de stijfheid die betrekking heeft tot een torsie om de lengteas van de fiets tussen het achterwiel en de stuurbuis. Voldoende laterale stijfheid is vooral nodig voor rijden aan hoge snelheid. Fietsen met te weinig laterale stijfheid worden minder stabiel, en minder controleerbaar. De laterale stijfheid is van groot belang voor de prestaties van een fietskader. Van de meeste koersfietsen wordt de laterale stijfheid gepubliceerd, en geldt de regel: hou stijver hoe beter. De meest gebruikte methode om de laterale stijfheid te meten is aan de hand van een test ontworpen door het Duitse fiets-magazine TOUR. Voor het begroten van de laterale stijfheid zal ik in dit ontwerp gebruik maken van de TOUR-test. Deze wordt op de volgende pagina s besproken. Bracket stijfheid: Deze is de meest besproken, en meest controversiële van de drie stijfheden. Ze heeft betrekking tot de vervorming van het kader die gepaard gaat met hard trappen, zoals bij steile hellingen. Er bestaan 2 meningen over deze stijfheid. Een eerste gaat er van uit dat hoe stijver een kader is, hoe beter. De energie die op de pedalen wordt uitgeoefend zou op die manier maximaal benut worden voor de aandrijving van de fiets, en niet verloren gaan in de vervorming van het kader. Een tweede opinie gaat ervan uit dat deze vervorming van het kader elastisch gebeurt, en dat wanneer het kader terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm de energie alsnog wordt gebruikt voor de aandrijving van de fiets. Het vervormen zou resulteren in een zachtere rijervaring. In dit werk is het niet mijn bedoeling om een keuze te maken voor één van beide opinies. Ik heb namelijk niet de nodige fiets-ervaring om hierover mee te spreken. Wel is te merken dat de huidige tendens is om fietsen zo stijf mogelijk te construeren. We zullen in dit ontwerp dus een grote bracket-stijfheid nastreven. Deze zal getest worden a.d.h.v. de Rinard-test, op volgende pagina beschreven. 23 UITVERGROTE VERVORMING VAN DE TRAPAS BIJ TRAPPEN

25 Stijfheidstesten op fietskaders. Hierboven is reeds duidelijk geworden dat stijfheid van het kader van groot belang is voor de prestaties van de fiets. Het spreekt dan ook voor zich dat er verschillende testen bestaan om de stijfheid van fietskaders te meten en met elkaar te vergelijken. Voor dit ontwerp zal ik verschillende eindige-elementenanalyses uitvoeren op een 3D-model van het fietskader. Zoals hierboven reeds vermeld gebruik in voor het begroten van de laterale stijfheid de TOUR-test, en voor het begroten van de bracket-stijfheid de Rinard-test. Dit zijn echter niet de enige tests die hiervoor bruikbaar zijn, daarom geef ik hieronder een beknopt overzicht van de meest invloedrijke testen. Tour/ Roadbike 6 : Tour en Roadbike zijn Duitse fiets-magazines. Deze magazines focussen op de technische kant van racefietsen, en voortdurend onderwerpen zij een groot aantal sportfietsen aan een reeks van testen. Hun bedoeling is om hiermee een objectief vergelijkingscriterium te verschaffen waarmee fietsen met elkaar vergeleken kunnen worden. Momenteel zijn zij met hun testmethode de wereldautoriteit, en hebben ze testcentra overal ter wereld. Naast Bracket- en laterale stijfheid hebben ze ook tests voor rij-comfort en voeren ze tests uit op wielen. Bracketstijfheid Laterale stijfheid Cervélo 7 : Cervélo is een Canadese fietsproducent die zich vanaf het opstarten van hun activiteiten toegelegd hebben om ambitieuze, en compromisloze ontwerpen te maken, m.a.w. top-fietsen te produceren. Met hun fietsen beweren ze voortdurend de grenzen van de technische mogelijkheden van fietsen te verleggen, steeds lichter, aerodynamischer,... Ze ontwikkelden een eigen stijfheidstest die een variatie is op de TOUR laterale stijfheidstest. Hun aanpassingen zouden overeenstemmen met een meer realiteits-gebonden vervorming. Rinard 8 : De Rinard-test was vooral vroeger een populaire test vanwege het gemak van uitvoeren. De stijfheidstesten van TOUR of Cervélo zijn namelijk enkel uitvoerbaar met speciale testopstellingen, en de tests zijn dan ook vrij duur om te laten uitvoeren door de erkende testcentra. Wanneer slechts een beperkt budget beschikbaar is, kan het interessant zijn om Rinard-test uit te voeren i.p.v. de meer hedendaagse TOUR-test. 6 Testresultaten van een groot aantal fietsen zijn te vinden op en op 7 Op volgend adres wordt een beschrijving gegeven van deze stijfheidstest, en wordt gemotiveerd waarom deze test beter is dan de klassieke TOUR-test: 8 Op volgend adres wordt de Rinard-test beschreven, en zijn testresultaten te vinden van een aantal frames: 24

26 Beschrijving van de gebruikte stijfheidstests: Voor laterale stijfheid: Tour-test OPSTELLING LATERALE STIJFHEIDSTEST Deze test bestaat uit een verticale belasting op een stijve (stalen)testvork. Het fietskader is ingeklemd ter hoogte van de achtervork, en heeft een puntoplegging in het midden van de stuurbuis. (cf. Bovenstaande opstelling laterale stijfheidstest) Het resultaat van deze test is een waarde die de stijfheid van het kader uitdrukt (in Nm/ ). De waarde kan worden berekend door: Laterale stijfheid=.., (in Nm/ ) Met d de verticale vervorming op het einde van de testvork, G de belasting op het einde van de testvork, en L de afstand tussen de puntoplegging en het einde van de testvork. Voor bracket stijfheid: Rinard-test Voor de uitvoering van de Rinard-test wordt de bracket (of trap-as-buis) ingeklemd. De vervorming wordt gemeten ter hoogte van de achteras bij een belasting van 21.6 kg aan de achteras. Deze vervorming (in mm) is een maat voor de bracket stijfheid. Hoe lager de vervorming, hoe hoger de stijfheid. 25

27 Testresultaten van verschillende materialen voor de TOUR-test. Om het houten kader te kunnen vergelijken met kaders uit andere materialen geef ik hieronder de testresultaten van een aantal topklasse fietsen uit andere materialen. Deze resultaten zullen dienen als referentiewaarde om de stijfheid van het houten kader mee te vergelijken. Voor de Aluminium en Carbon kaders beroep ik me op publicaties van Roadbike Magazine 9. Het gaat om recente testresultaten die uitgevoerd zijn op topklasse fietsen. Voor de informatie van de stalen kaders beroep ik me op testresultaten van het Duitse test labo EFBE prüftechnik. alu gewicht Langse stijfheid Cannondale CAAD g 90 Nm/ Canyon Ultimate AL 8, g 89 Nm/ CUBE Agree Pro 1443 g 88 Nm/ Focus Culebro 1, g 89 Nm/ Giant TCR g 91 Nm/ Lapierre Audiadio g 65 Nm/ Radon Sage 7, g 91 Nm/ ROSE Pro RS g 88 Nm/ Scott Speedster S g 90 Nm/ Stevens Aspin 1521 g 102 Nm/ Gemiddelde: 1447 g 88 Nm/ carbon BH Bike Ultralight 865 g 67 Nm/ Cannondale Supersix Evo Di2 773 g 82 Nm/ Cervélo R5 VWD 786 g 61 Nm/ CUBE Litening Super HPC SLT Di2 978 g 65 Nm/ GIANT TRC Advanced SL1 996 g 87 Nm/ ROSE Xeon X-lite g 71 Nm/ Scott Foil Team Issue 897 g 72 Nm/ Specialised S-works Tamac SL4 Di2 937 g 98 Nm/ Stevens Stratos 845 g 74 Nm/ Gemiddelde: 891 g 75 Nm/ staal Barellia SLX 2080 g 65 Nm/ De Rosa SLX 1895 g 67 Nm/ Fondriest 1630 g 80 Nm/ Nishiki Team 2080 g 67 Nm/ Gemiddelde: 1921,25 g 69,75 Nm/ 9 De testresultaten zijn online te consulteren op:

28 Testresultaten van verschillende materialen voor de Rinard-test. Hieronder zijn ook resultaten van de Rinard-test te vinden. Zoals ik reeds aangehaald heb was deze test vooral veel gebruikt op het einde van de vorige eeuw. Zowel stalen als aluminium frames hebben sindsdien geen noemenswaardige evoluties doorgegaan, en de testresultaten zijn dus nog steeds upto-date. Aluminium Klein Stage 3,05 mm. Cannondale 3.0 road 4,06 mm. Cannonade track 3,05 mm. Gemiddelde: 3,39 mm. Carbon 10 Trek ,10 mm. LeMond V-2 Boomerang 5,08 mm. Kestrel KM40 4,57 mm. Gemiddelde: 5,25mm. Staal DeRosa SLX 3,81 mm. Pinarello Gavia TSX 3,81 mm. Bob Jackson 531 C 3,56 mm. Gemiddelde: 3,73mm. Deze resultaten zullen gebruikt worden als referentie om de stijfheid van het houten kader aan te spiegelen. 10 Aangezien de Rinard-test vooral werd gebruikt in het tijdperk van de stalen en aluminium frames zijn de resultaten van de koolstofcomposiet frames verouderd, hedendaagse frames zouden stijvere resultaten opleveren. 27

29 Analytische vergelijking van verschillende materialen voor een fietskader Om dit hoofdstuk te besluiten wil ik verschillende fietsconstructiematerialen vergelijken om een beter inzicht te krijgen in de structurele eigenschappen van deze materialen, en van hout. We gaan niet alleen de elasticiteitsmoduli en treksterktes naast elkaar te plaatsen, maar we gaan die eveneens relateren aan de geometrie waarin ze voorkomen, de doorsnede. Zo heeft een stalen buisprofiel een verschillende diameter en wanddikte dan een buis uit koolstofcomposiet. In deze vergelijking hanteer ik gebruikelijke diameters en wanddiktes van de buizen. Deze richtwaarden zijn gekozen als goed gemiddelde. Het spreekt voor zich dat deze licht kunnen variëren tussen fietsen van verschillende producenten, maar hoogstwaarschijnlijk zullen ze niet veraf liggen van de richtwaarden die ik voor deze vergelijking hanteer. Het zal interessant zijn om bij deze vergelijking ook hout te betrekken. In deze vergelijking wil ik reeds aftoetsen hoeveel een houten buis verschilt van een houten staaf. Daarom vergelijk ik enerzijds een volle houten staaf met een diameter van 32mm en een houten buis met diameter 52 en wanddikte 3mm. 28

30 Gegevens hout (essen): 11 ρ volumieke massa: 689 (kg/ m 3 ) ε elasticiteitsmodulus: (N/mm 2 ) G glijdingsmodulus: σ t treksterkte: 110 (N/mm 2 ) σ tf vermoeiings-treksterkte: 94 (N/mm 2 ) τ schuifsterkte: 16 (N/mm 2 ) τ f vermoeiings-schuifsterkte: 15 (N/mm 2 ) Gegevens staal 4130 (chromoly): 12 ρ volumieke massa: 7850 (kg/ m 3 ) ε elasticiteitsmodulus: (Mpa) G glijdingsmodulus: 80 (Gpa) σ t treksterkte: 435 (N/mm 2 ) σ tf vermoeiings-treksterkte: 239 (N/mm 2 ) τ schuifsterkte: 250 (N/mm 2 ) τ f vermoeiings-schuifsterkte: 138 (N/mm 2 ) Gegevens Aluminium Al 6061: 13 ρ volumieke massa: 2700 (kg/ m 3 ) ε elasticiteitsmodulus: (N/mm 2 ) G glijdingsmodulus: 26 (Gpa) σ t treksterkte: 276 (N/mm 2 ) σ tf vermoeiings-treksterkte: 221 (N/mm 2 ) τ schuifsterkte: 207 (N/mm 2 ) τ f vermoeiings-schuifsterkte: 166 (N/mm 2 ) Gegevens Koolstofcomposiet: 14 ρ volumieke massa: 1400 (kg/ m 3 ) ε elasticiteitsmodulus: (N/mm 2 ) G glijdingsmodulus: 5 σ t treksterkte: 390 (N/mm 2 ) σ tf vermoeiings-treksterkte: 254 (N/mm 2 ) τ schuifsterkte: 210 (N/mm 2 ) τ f vermoeiings-schuifsterkte: 137 (N/mm 2 ) 11 Bron: Houtvademecum 12 chromium-molybdenum (of chromoly) staal is de staal-legering die courant gebruikt wordt voor stalen kaders van hoge kwaliteit. Het is een legering met hoog koolstofgehalte dat zowel lasbaar als soldeerbaar is. Informatie over staalsoort 4130 is te vinden op: Voor de volledigheid wil ik vermelden dat recentelijk voor fietskaders ook Niobium-staal, en het roestvrije XCr-staal geintroduceerd zijn. 13 Al 6061 is de legering die courant gebruikt wordt voor aluminium frames van hoge kwaliteit (die een T6 hittebehandeling krijgen). Een goedkopere manier van fabriceren is met de Al7005 (dat geen hittebehandeling nodig heeft) Andere legeringen die recent geïntroduceerd zijn, en nog betere prestaties hebben (met hittebehandeling) zijn Al6066 en Al6069. Informatie over Al 6061 is te vinden op: 14 De sterktegegevens van Koolstofcomposiet zijn gebaseerd op de productfiche van gelamineerdekoolstofcomposiet-plaat van het bedrijf performance composites. Het productieproces van het composiet in fietskaders en composiet in plaatmateriaal is namelijk vrij gelijkaardig. Bij beide processen wordt gebruik gemaakt van druk om de beste matrix-vezel verhouding te verkrijgen. De productfiche is online te raadplegen op: 29

31 Resultaten voor sterkte Du (mm) Di (mm) Wanddikte (mm) Weerstandsmoment (mm 3 ) Vermoeiings- treksterkte (Mpa) Vermoeiings-Buigsterkte (Nm) Vermoeiings- schuifsterkte (Mpa) Vermoeiings- Torsie-sterkte (Nm) Lengtegewicht (g/m) Staal Alu Carbon-composiet Hout hol Hout vol 32 / / Zoals we kunnen zien in bovenstaande vergelijkingstabel is het ondanks de relatief lage sterkte van hout toch mogelijk om met grotere diameters, en grotere wanddiktes een profiel te concipiëren met vergelijkbare sterkte als de andere fietsconstructiematerialen. Het lengtegewicht van zulk een houten profiel hoeft daarvoor niet veel zwaarder te zijn dan de andere fietsconstructiematerialen. Als we een hol houten profiel vergelijken met een vol profiel merken we een hoger gewicht en lagere sterkte voor het volle profiel. Voor het ontwerp zal de voorkeur bij gevolg uitgaan naar holle profielen. Resultaten voor stijfheid du (mm) di (mm) Wanddikte (mm) Traagheidsmoment I (mm 4 ) Elasticiteitsmodulus E (Gpa) Buigstijfheid IxE (Nm 2 ) Glijdingsmodulus G (Gpa) Tosie-constante I (mm 4 ) Torsie-stijfheid IxG (Nm 2 ) Staal 32 31,2 0, , Alu 42 40,8 0, , Carbon-composiet 52 50,5 0, Hout hol Hout vol 32 / / Lengtegewicht (g/m) In bovenstaande tabel zien we dat hoewel de buigstijfheid in dezelfde grote ordes ligt als de andere fietsconstructiematerialen, de torsiestijfheid vele malen hoger ligt. Torsiestijfheid is van groot belang voor de globale stijfheid, en bij houten fietsen kan dus een hoge stijfheid verwacht worden. Opnieuw merken we ondanks het hogere gewicht van een vol houten profiel minder goede stijfheidsprestaties dan een hol houten profiel. 30

32 31

33 32

34 Deel 2: Hout 33

35 Inleiding Vooraleer ik inga op het ontwerp van het houten fietskader wil ik eerst nog enkele thema s behandelen die betrekking hebben op hout als materiaal. De kennis van hout is een belangrijk hulpmiddel voor verantwoord houtgebruik. Iedere houttoepassing stelt zijn eigen eisen aan de eigenschappen van het hout, en in dit deel gaan we onderzoeken welke houtsoort, en welke technieken interessant zijn voor het maken van een houten fietskader. Europees hout Voor dit project wil ik enkel gebruik maken van Europese houtsoorten. In Europa zijn dan ook een groot aantal houtsoorten beschikbaar. In traditionele toepassingen kan je zien dat voor zo goed als elke houtsoort een toepassing bestaat die op zijn lijf geschreven is. Gemakkelijk buigbare soorten werden gebruikt voor het maken van houten hooivorken, elastische soorten voor bogen, schimmelresistente soorten voor vochtige omgevingen,... De keuze om enkel met Europees hout te werken is om de kennis over deze soorten te behouden. De laatste jaren raakt onze markt namelijk meer en meer doordrongen van geïmporteerde houtsoorten. In een plaats als Vlaanderen, waar de bevolkingsdichtheid enorm hoog is, en waar bosreserves enorm klein zijn hoeft ons dit niet te verwonderen en het is dan ook vanzelfsprekend dat we in grote mate afhankelijk zijn van geïmporteerde soorten. Een negatief gevolg van deze tendens is dat inheemse soorten in ongebruik en zelfs vergetelheid geraken. Het merendeel van de mensen zal bijvoorbeeld wel weten dat teak succesvol toegepast wordt in tuinmeubelen wegens zijn goede duurzaamheidseigenschappen. Veel minder mensen weten dat robinia een inheemse soort is met vergelijkbare eigenschappen en evengoed geschikt. Het behoud van de kennis over en de valorisatie van inheems hout is belangrijk. Allereerst is hout een materiaal met vaak heel interessante eigenschappen: hernieuwbaarheid, hoge stijfheid vs. gewicht, brandweerstand, lage energetische kost,... Anderzijds merken we dat samen met het verminderen van soorten-diversiteit in hout-toepassingen ook de diversiteit van de bossen vermindert. Monoculturen worden aangeplant waarbij snel rendement voorop staat. Hout dat snel groeit, en waarschijnlijk in de kachel of de papiermand eindigt. Als hogere eisen aan hout gesteld zijn, wordt het hout geïmporteerd of wordt een snelle en goedkope houtsoort chemisch behandeld. Deze transformatie van het bosareaal kan echter grote gevolgen hebben. Een bos groeit namelijk niet op enkele jaren tijd, en het herstel zou wel eens langer dan enkele eeuwen kunnen duren. Bezorgdheid is dan ook te merken in de bosbouw-sector. Er ontstaan dan ook initiatieven vanuit die hoek om het gebruik van inheems hout te promoten. 34

36 Sterk als hout! Tot de uitvinding en inburgering van staal en later petroleum-gebaseerde kunststoffen, was hout het materiaal bij uitstek voor structurele doeleinden. Denk maar aan houten bruggen, schepen of dakconstructies. De voorbije eeuw is het hout echter als structureel materiaal meer en meer verdrongen geraakt door staal, aluminium, gewapend beton, en kunststoffen of kunststofcomposieten. Door deze evolutie zouden we bijna vergeten dat ook hout excellente sterkteen stijfheidseigenschappen heeft. Hieronder vergelijk ik hout even met de 3 andere meest courante fiets-constructie-materialen. (van links naar rechts: essen, koolstofcomposiet, aluminium, staal) In bovenstaande figuur zien we de sterkte van verschillende materialen in verhouding tot hun massadichtheid. De schuine lijnen verbinden materialen met een zelfde sterkte-massadichtheid verhouding. We zien dat hout even goed of beter scoort dan aluminium of staal, en dichtbij carboncomposiet in de buurt komt. 35

37 Onderstaande figuur toont van dezelfde materialen een vergelijking tussen de elasticiteitsmodulus en hun gewicht. Van links naar rechts: essen, koolstofcomposiet, aluminium, staal In deze figuur merken we dat hout zich ook voor de elasticiteitsmodulus in dezelfde regionen bevindt als staal, aluminium en koolstofcomposiet. Hieronder maak ik nog eens dezelfde vergelijking op basis van numerieke waarden. Samenvattend kunnen we concluderen dat op basis van deze gegevens hout een interessant materiaal is om lichtgewicht-constructies mee te vervaardigen. E (kn/mm 2 ) σ (N/mm 2 ) ρ (kg/m 3 ) E/ρ σ/ρ Staal Aluminium Koolstofvezel-composiet Hout (essen) VERGELIJKINGSTABEL RELATIEVE STIJFHEID EN STERKTE 36

38 Ghisallo: beuken Renovo: noten, hickory, essen, purpleheart, esdoorn, ceder, sapele, bamboo, boubinga, Bough: eik B20: bamboe Axalko: essen Arndt Menke: dennen 37

39 Uit het juiste hout gesneden De vraag naar welke houtsoort het best geschikt is om er een fietskader uit te maken, is voorlopig nog onbeantwoord. Wanneer je de reeks reeds gerealiseerde fietskaders bekijkt, merk je dat een groot aantal verschillende houtsoorten toegepast wordt. Deze verscheidenheid mag ons zeker verwonderen. Het lijkt er naar dat vele ontwerpers houtselectie niet laten afhangen hebben van een grondige studie van houtsoorten. De eigenschappen van verschillende houtsoorten verschillen namelijk enorm. En het thema van houtselectie vraagt om een onderzoek. In dit deel wil ik verschillende houtsoorten met elkaar vergelijken, om een beter inzicht te verschaffen over de eigenschappen van verschillende soorten. Het spreekt voor zich dat het ene hardhout het andere niet is en dat sterkte en stijfheid niet de enige parameters zijn die hout karakteriseren. Bepalend zijn ook de vorm van de draad, de fijnheid van de nerf, de volumieke massa, de krimpkarakteristieken, buigbaarheid, chemische samenstelling, hardheid, duurzaamheid, verlijmbaarheid, splijtweerstand,... En dit zijn nog maar enkele van de vele parameters. In overzichtswerken over houtsoorten (zoals het houtvademecum) kan enorm veel informatie gevonden worden over een groot aantal verschillende houtsoorten. Per houtsoort worden de eigenschappen gedocumenteerd. Deze overzichtswerken zijn een waardevolle bron van informatie waaruit veel kennis te halen is. Het blijft echter moeilijk om aan de hand van de verschafte informatie conclusies te trekken naar welke houtsoort(en) het meest geschikt zou(den) zijn om een fietskader te vervaardigen. Neem bijvoorbeeld essen en beuken. Beiden zijn volgens de gegevens goed verlijmbaar, zeer goed buigbaar, hebben een grote hardheid, eenzelfde volumieke massa, en zeer vergelijkbare sterkte en stijfheid. Toch kunnen we zien dat skateboards worden gemaakt uit esdoorn en laddersporten uit essen, en niet omgekeerd. De methode die ik wil volgen om houtsoorten met elkaar te vergelijken, is de volgende. Net als vorig voorbeeld waarbij we zien dat esdoorn beter geschikt is voor skateboards, en essen voor laddersporten, zijn er een groot aantal traditionele toepassingen waarbij we zien dat deze uit een welgekozen houtsoort gemaakt zijn. Een harde houtsoort voor het maken van katrollen, een smaaken geurloze soort voor het maken van keukenbenodigdheden, een lichte soort voor vliegtuigen,... Hieronder zal ik bij verschillende traditionele hout-toepassingen kijken welke houtsoort het meest geschikt is gebleken. Traditionele toepassingen hebben namelijk de tijd gehad van natuurlijke selectie. Door het gebruik is gebleken welk materiaal het meest geschikt was. 38

40 essen sitka spar walnoot essen berk beuken buxus haagbeuk esdoorn 39

41 sitka spar essen haagbeuk essen robinia essen iep taxus beuk 40

42 esdoorn robinia essen netelboom robinia, essen essen esdoorn beuken balsa 41

43 Houtkeuze via eigenschappen De bovenvermelde houtsoorten zijn niet zonder reden de uitgelezen houtsoort geworden voor een bepaalde toepassing. Bij de meeste houtsoorten is het namelijk zo dat zij uitblinken in een bepaalde eigenschap. Neem bijvoorbeeld esdoorn, esdoorn blinkt uit in hardheid. En dat is de reden dat esdoorn wordt toegepast voor sportvloeren, schoenhakken, skateboards,... Hieronder zal ik houtsoorten koppelen aan eigenschappen. buigbaarheid: Tegenwoordig wordt voor gebogen toepassingen heel vaak laminaat gebruikt. Het gebruik van laminaat overkomt die moeilijkheden die gepaard gaan met buigen. De meeste hardhoutsoorten laten zich vrij gemakkelijk buigen wanneer gelamineerd. Gebogen gelamineerde toepassingen bestaan dan ook in verschillende houtsoorten, vooral bepaald door aanbod. Voor gebogen toepassingen uit volhout wordt meestal beuken toegepast, wegens zijn gemak van plooien. Een andere houtsoort die zeker het vermelden waard is, is het hout van de netelboom. Deze houtsoort groeit niet in België, en is hier bovendien helemaal niet bekend. Het hout wordt voornamelijk gebruikt voor het vervaardigen van houten hooivorken omdat het hout niet alleen goed buigbaar maar ook heel taai is. Lichtheid: Voor toepassingen waar een laag gewicht wenselijk is voldoet sitka spar aan de vereisten. Deze soort staat bekend als houtsoort met de grootste verhouding sterkte/gewicht. Toepassingen die hiervan gebruik maken zijn masten van zeilboten en vleugels van houten vliegtuigen. Een andere houtsoort die enorm licht is maar ook veel minder sterk is balsa. Balsa wordt toegepast voor het vervaardigen van surf-boards. Ook het hout van de bloemsteel van de agave heeft vergelijkbare eigenschappen met balsa, deze houtsoort heeft echter enkel toepassingen in nichemarkten. Vormstabiliteit: Wanneer hout gecombineerd met andere materialen en een grote vormstabiliteit nodig is, is een soort nodig die weinig werkt. Notenhout is een Europese soort die voor zulke toepassingen in aanmerking komt. De grote vormstabiliteit in combinatie met de grote hardheid maakt van noten de perfecte houtsoort voor geweerkolven. Grote hardheid: De toepassingen in de lijst die gebruik maken van houtsoorten omwille van hun grote hardheid zijn de vioolkam en de katrol. Buxus en haagbeuk zijn houtsoorten die aangewend worden wanneer een grote hardheid nodig is. Buxus en haagbeuk zijn echter houtsoorten die moeilijk verkrijgbaar zijn, en moeilijk verwerkbaar ook. Voor toepassingen waarbij hardheid nodig is maar in grotere hoeveelheden of wanneer het budget lager is wordt daarom vaak esdoorn toegepast. Voorbeelden hiervan zijn schoenhakken, bowling- of andere sportvloeren, skateboard. Schokbestendigheid: Toepassingen die schokbestendigheid vereisen zijn typisch sportartikelen zoals ski s, tennisrackets, roeiriemen,... Essenhout is voor deze toepassingen een geliefd materiaal. Elastisch gedrag: De toepassing waarbij elasticiteit voor de hand liggen, is de boog. Het meest geschikte materiaal 42

44 wanneer deze eigenschap gezocht wordt is de taxus. Ik wil hier echter aan toevoegen dat hedendaagse bogen niet meer uit taxus gemaakt worden maar uit een uitgebreid aantal verschillende hardhouten. De reden daarvoor is dat hedendaagse bogen in tegenstelling tot oudere gebruik maken van een minimale structurele hoogte van de doorsnede om zo elasticiteit te verkrijgen. moeilijk te splijten Sommige houtsoorten hebben een vezelstructuur die splijten vermoeilijkt. Met name wanneer de vezels verweven zijn heeft het hout een hoge weerstand tegen splijten. Een houtsoort met een uitgesproken verweven vezelstructuur is de iep, vandaar de toepassing in op druk belaste wagonwielen. Duurzaamheid: De houtsoort die qua duurzaamheid het best presteert, is zonder twijfel robinia. Robinia wordt vaak toegepast voor buitentoepassingen in contact met grond-vocht, de voorbeelden in de voorgaande lijst zijn waterwerken, en speeltuinstructuren. Fijne nerf: Fijne nerf is van belang wanneer het hout in onbehandelde vorm aangeraakt moet worden en er geen gevaar tot splinteren mag bestaan. Typische voorbeelden hiervan zijn turnartikelen, speelgoed, borstelstelen,... Courante Europese houtsoorten die hieraan voldoen zijn berken, beuken, esdoorn. Andere factoren die houtselectie bepalen In het overzicht komen eveneens houteigenschappen naar voor die voor een fietsontwerp van weinig belang zijn. Zo worden snijplanken uit beukenhout gemaakt met voornaamste reden dat beukenhout smaak-neutraal is. Andere eigenschappen die in de vorige opsomming weinig naar voor komen zijn hout-dimensies, beschikbaarheid en kostprijs. Buxushout bijvoorbeeld wordt ondanks zijn uitstekende sterkte, stijfheid en hardheidseigenschappen enkel gebruikt in kleinschalige objecten met een groot budget. De reden daarvoor is dat stamdiameters typisch 15 centimeter zijn, en dat de kostprijs heel hoog is. Hetzelfde gaat op voor haagbeuk. Zelfs bij gespecialiseerde houthandelaren is haagbeuk nauwelijks te vinden. Conclusie In dit stadium van het vooronderzoek is het voorbarig om reeds een definitieve hout-keuze te maken. Enkele houtsoorten komen interessanter over dan andere. In het volgende deel: houten fiets zal ik dieper ingaan op de houtselectie. Al kan ik reeds prijsgeven dat een schokbestendige houtsoort zoals essen waarschijnlijk goed zal presteren als fietskader. Essenhout wordt typisch ook gebruikt bij ski s, springplanken, bobsledes, hamerstelen, bijlstelen,... Toepassingen die qua belasting goed overeenkomen met de belasting op fietskaders. Het gebruik van meerdere houtsoorten sluit ik echter niet uit. 43

45 Sterkte-eigenschappen van hout Als ontwerper zijn we gewoon dat van elk materiaal dat we gebruiken de rekenwaarden van de sterkte, stijfheid,... te vinden zijn. Dit is ook logisch, we willen zekerheid dat het materiaal dat we gebruiken voldoende sterk en stijf is om in de constructie gebruikt te worden. Bij vele materialen wordt hiervoor gewerkt met het 95% percentiel voor het bepalen van de karakteristieke sterkte. Bij hout is deze benadering weinig zinvol. Hout is namelijk een natuurlijk product met grote verschillen in kwaliteit naargelang van soort, genetische eigenschappen, groei, en omgevingseigenschappen en daarenboven verschillen houteigenschappen niet alleen tussen bomen, maar ook binnenin de boom. Dit zorgt ervoor dat in sterkte-eigenschappen van hout een heel grote spreiding bestaat. Mochten we gebruikmaken van het 95% percentiel, zouden we een belachelijk lage karakteristieke sterkte verkrijgen. Om in dit ontwerp het hout op een efficiënte manier te kunnen gebruiken is het nodig om even van dichterbij te kijken hoe we de sterkte-eigenschappen van hout kunnen begroten. Eerst zullen we bekijken hoe dit probleem normaal gezien aangepakt wordt bij constructiehout, en zullen we bespreken hoe de sterktebepaling van constructiehout gebeurt. Daarna zullen we een alternatieve methode voorstellen. Sterkteklassen voor constructiehout +bespreking Wanneer hout gebruikt wordt voor constructies is het nodig dat er een rekenwaarde voor de sterkte beschikbaar is. Zoals reeds gezegd is het 95%-percentiel niet bruikbaar, een andere methode wordt dus gebruikt om de sterkte van constructiehout te garanderen. Deze methode is de methode van de sterkteklassen. De methode bestaat erin dat het constructiehout ingedeeld wordt in klassen, en dat per klasse representatieve waarden voor sterkte en stijfheid worden toegekend. De indeling in klassen gebeurt doorgaans door machinaal testen, m.a.w., elke plank wordt individueel getest. Machines sorteren het hout op sterkte op basis van het bekende verband tussen de buigsterkte en de elasticiteitsmodulus van een stuk hout. Elke balk wordt mechanisch belast en aan de hand van de doorbuiging en de daarvoor benodigde kracht wordt het stuk hout ingedeeld in een sterkteklasse. Er bestaan tegenwoordig ook machines die gebruikmaken van het verband tussen de demping van een in het hout gebrachte trilling en de mechanische eigenschappen en machines waarbij kwasten en andere gebreken worden bepaald via fotoherkenning en dergelijke. Tevens zijn er machines die deze twee technieken combineren. 15 Deze methode van de sterkteklassen levert hout voor constructies dat voldoende betrouwbaar is. En voor de meeste toepassingen is deze methode bevredigend. Hier wil ik echter eens dieper ingaan op de bekomen rekensterktes en stijfheden. Een van de meest courante soorten voor constructiehout is Douglas Fir. Gemiddelde buigsterkte van Douglas Fir is 86,2 Mpa, en Elasticiteitsmodulus is 12,17 Gpa. Het grootste deel van het hout van de Douglas Fir wordt uiteindelijk ingedeeld in sterkteklasse C24, met als representatieve waarden voor treksterkte van 24 Mpa en Elasticiteitsmodulus 11 Gpa. M.a.w. de representatieve waarde voor de buigsterkte is slechts 28% van de gemiddelde buigsterkte. 15 Centrum hout, Sterktegegevens van hout, 2007, Almere 44

46 Voor toepassingen waarbij minimaal gewicht vereist is, zoals een houten fiets, is het onmogelijk om de methode van de sterkteklassen te hanteren. Dit zou immers resulteren in een onnodig groot gewicht. Voor de houten fiets is een andere benadering noodzakelijk. Sterktebepaling in vliegtuighout. Houten vliegtuigen komen vandaag de dag vaker voor in musea dan in de lucht. Daar herinneren ze ons aan een tijd waarin hout hét materiaal bij uitstek was voor lichtgewicht constructies zoals vliegtuigen. Aangezien gewicht van groot belang is bij de vervaardiging van vliegtuigen bestaan er voor de selectie en sterktebegroting van vliegtuig-hout een speciale methodes. Om gewicht te minimaliseren was het belangrijk om de sterkte van het materiaal zo dicht mogelijk te benaderen. Deze methodes werden courant gebruikt toen houten vliegtuigbouw nog vaak gebeurde. Tegenwoordig zijn ze in onbruik geraakt, en is het zo goed als onmogelijk om gecertifieerd vliegtuighout te kopen. De methodes zijn daarentegen nog valabel, en inzetbaar voor toepassingen waarbij een lichte houtconstructie gewenst is. In dit geval voor het vervaardigen van een houten fietskader. De methode die ik gebruik is een vrij eenvoudige methode die toch betrouwbare resultaten oplevert. De methode bestaat uit volgende 3 stappen. 1 Selectie en visuele controle Voor een goed product zijn goede grondstoffen nodig. Het spreekt voor zich dat voor vliegtuighout, of fietshout enkel de beste kwaliteit goed genoeg is. Tijdens de visuele controle wordt de macroscopische structuur van het hout gecontroleerd: -ten eerste wordt gecontroleerd of er in het hout noten of lokale verstoringen van de evenwijdige loop van de vezels voorkomen. Het spreekt voor zich dat het hout ter hoogte van dergelijke verstoringen een verminderde sterkte heeft. Sommige houtsoorten hebben zeer regelmatig hout met weinig noten ed. Het is om die reden dat voor vliegtuigconstructie, waarin vaak lange regelmatige stukken hout nodig zijn, vaak gebruikt gemaakt wordt van houtsoorten als Sitka spar, gele ceder,... Essen heeft in vergelijking met deze soorten een onregelmatigere structuur maar aangezien voor de fietsconstructie slechts korte stukken nodig zijn kunnen de regelmatige stukken uitgeselecteerd worden. -Vervolgens wordt gecontroleerd of de vezels wel evenwijdig lopen met de lengterichting van de plank. Een kleine afwijking is onvermijdelijk, maar planken waarbij de helling van de vezels meer dan 5% is kunnen niet gebruikt worden. 2 Massadichtheid controle Aangezien de massadichtheid rechtevenredig is met de sterkte van het hout is deze een goede en makkelijk meetbare indicator. Het hout wordt opgemeten, en gewogen. Op die manier kan de massadichtheid bepaald worden. Deze massadichtheid wordt vergeleken met de referentiewaarde, die afhankelijk is van de houtsoort, voor essen is die 689kg/m 3 3 Breuktest Meten is weten, geldt ook in dit geval. We kunnen pas zeker zijn over de sterkte van het hout als deze sterkte ook rechtstreeks getest is. Na de breuktest is het gebroken hout uiteraard niet meer bruikbaar, dus is het onmogelijk om alle hout te testen. Van een lading hout afkomstig van dezelfde stam worden enkele planken getest tot breuk. De gemeten sterkte is hanteerbaar voor het hout van de volledige stam. 45

47 In bijlage is een meer uitgebreide illustratie van deze breuktest te vinden alsook het verslag van de 3 testen op het hout dat gebruikt is voor het maken van het kader. Hout is een levend materiaal We kennen allemaal de onaangename eigenschap van hout om bij veranderend vochtgehalte te gaan opkrullen, of om bij blootstelling aan de elementen te oxideren, of rotten. Wanneer met hout ontworpen wordt, moet met deze eigenschappen rekening gehouden worden. Bij de fiets is dit bovendien nog meer een must aangezien de fiets niet enkel in een stabiel binnenklimaat wordt gebruikt, maar wordt blootgesteld aan wisselende temperatuur en vochtigheid en Uv-straling. In het volgende deel zal ik een beschrijving geven van de technieken die bestaan om hout te stabiliseren, en te beschermen tegen omgevingsomstandigheden Dimensionele stabilisatie van hout Hout is immers een materiaal dat gemakkelijk water opneemt en deze wateropname gaat gepaard met een dimensionele verandering. Daarenboven is deze dimensionele verandering in de drie richtingen verschillend. Dit kan tot gevolg hebben dat hout vervormt of barst,... Voor toepassingen waarbij dimensionele verandering niet gewenst is en waarbij veranderend klimaat te verwachten is, wordt soms gebruik gemaakt van technieken om hout dimensioneel te stabiliseren. Hieronder geef ik een overzicht van de verschillende methoden die hiervoor bestaan. 1. Gekruiste laminatie 2. Water-resistente coatings 3. Hygroscopische reductie 4. Crosslinken 5. Bulking 46

48 1. Gekruiste laminatie Hout zwelt 30 tot 100 keer meer in radiale en tangentiële richting dan in longitudinale. Het kan gestabiliseerd worden door lagen gelamineerd hout orthogonaal op elkaar aan te brengen. Deze toepassing is algemeen bekend onder de naam multiplex of polywood en heeft als groot voordeel dat het zwellen in de richtingen van het vlak gelijk zijn. Daardoor is multiplex zeer vormstabiel. Voor gebruik in een fietskader kan gelamineerd hout interessant zijn. Na dit overzicht van vormstabilisatiemethoden zal ik dieper ingaan op sterkte van gelamineerde producten. 2. Vochtwerende coating Waterwerende coatings kunnen zowel aangebracht worden op externe oppervlakken als op interne oppervlakken. Deze coatings verlagen de snelheid waaraan vocht opgenomen of afgegeven wordt door het hout. Geen enkele coating is volledig waterwerend en, hoewel vertraagd, zal het hout vocht uitwisselen met zijn omgeving. Aangezien sommige coatings het hout deels of volledig impregneren is het niet mogelijk om de gangbare R- of ASE-waarden voor dampweerstand te gebruiken. Voor een onderzoek naar vochtwerende coatings introduceerde het Forest Products Laboratory het concept Moisture Excluding Effectiveness (MEE). Deze waarde is een relatieve waarde ten opzichte van een stuk ongecoat hout. Het gaat hier niet om een gestandaardiseerde testmethode en aangezien de heel uiteenlopende eigenschappen van verschillende houtsoorten, is het onmogelijk om een gestandaardiseerde test te ontwerpen voor waterwerendheid van houtcoatings. Dit zorgt ervoor dat er slechts weinig informatie te vinden is over vochtwerende coatings voor hout. In 1985 publiceerde het Forest Products Laboratory een research paper: FPL 462, The MoistureExcluding Effectiveness of Finishes on Wood Surfaces 16. Deze paper vergelijkt een zeer groot aantal verschillende coatings en is nog steeds een referentie wanneer het gaat om vochtwerende coatings. Als beste coatings kwamen uit het onderzoek Epoxy en aluminium gevulde coatings. Deze vochtwerende coating is voor de toepassing in een fietskader enorm interessant. Niet alleen wordt het hout beschermd tegen wisselende vochtgehaltes, ook vormt de coating een barrière tegen andere omgevingsomstandigheden. 3. Hygroscopische reductie Water bindt aan de hydroxylgroepen op de celwand. Wanneer dit gebeurt zet de celwand uit en zwelt het hout. Een manier om hygroscopisch gedrag van hout te verminderen is een hitte-behandeling, waarbij het hout voor een korte periode in afwezigheid van lucht opgewarmd wordt tot 350 C. Met lagere temperaturen voor een langere tijd zijn vergelijkbare resultaten te verkrijgen. Deze behandeling resulteert in een vermindering van zwelling van 40%. Deze behandeling heeft echter als negatieve gevolgen dat ook de stijfheid met 40 procent vermindert, de hardheid met 20 procent, en de sterkte met 17procent. Deze ongewenste gevolgen zorgen ervoor dat hitte-behandelingen slechts weinig toegepast worden, en voor de toepassing in een fietskader weinig interessant is. 16 FEIST William C., LITTLE James K., WENNESHEIMER Jill M., The Moisture excluding effectiveness of finishes on wood surfaces, Forest Products Laboratory, Research paper FPL 462,

49 4. Crosslinking Indien de waterbindende hydroxylgroepen met elkaar gebonden worden, zijn ze niet meer ontvankelijk om te binden met water en kan zwelling voorkomen worden. Een van de meest bestudeerde vormen om dit te verwezenlijken is het crosslinken van de hydroxylgroepen met formaldehyde. Het crosslinken kan plaatshebben tussen hydroxylgroepen op dezelfde of een andere cellulose. De reactie wordt doorgaans gekatalyseerd door sterke zuren. Hoe meer formaldehyde gebonden wordt hoe meer zwelling verminderd wordt. Bij een gewichtspercentage van 3.1% formaldehyde wordt zwelling gereduceerd tot 47%, 5.5 geeft 60%, en 7 geeft zwellingsreducties tot 90%. Deze goede resultaten voor vormstabilisatie staan echter in de schaduw van de sterk verminderde mechanische eigenschappen. Het sterke zuur is namelijk ook verantwoordelijk voor het verzwakken van het structurele cellulose. Druksterkte vermindert met 20 procent, en buigsterkte vermindert met 50 procent. Bovendien wordt het hout door crosslinking bros. Hout dat een crosslinking-behandeling heeft gehad is dan ook weinig interessant voor de toepassing in een houten fietskader. 5. Bulking De beste resultaten voor dimensionele stabilisering worden verkregen door bulking. Bij bulking wordt dimensionele stabiliteit verkregen door de plaats waar water gebonden zou worden in te palmen met een andere stof. Er bestaan drie types van bulking. niet-gebonden-wateroplosbaar De celwand kan gebulkt worden met hoge concentraties van zouten en suikers. Mangaan, natrium, barium, magnesium, en lithium-chloride, alsook sucrose, fructose en glucose zijn gebruikt geweest om de zwelling in hout tegen te gaan. Deze chemicaliën maken het hout nog hygroscopischer, dus is een coating zeker nodig om uitwassen te voorkomen. Een andere toepassing is met polyetheen-glycol 17 (PEG). In dit geval wordt het hout behandeld in groene toestand. Bij drogen krimpt het hout niet. Dit maakt PEG-behandeling zeer interessant voor dwars gezaagde toepassingen zoals op de afbeelding. TAFELBLAD BEHANDELD MET PEG niet-gebonden-niet-wateroplosbaar Hout kan gestabiliseerd worden door impregnatie met fenol-formaldehyde. Daartoe wordt het hout gedroogd en wordt de fenol-formaldehyde uitgehard aan temperaturen van 150 C. Doorgaans wordt deze methode gebruikt voor de behandeling van fineer. De behandelingsduur is immers evenredig met het kwadraat van de dikte, en voor diktes van amper 3mm is reeds 1 dag nodig. Bij gewichtsverhogingen van 25 tot 40 procent PF-hars zijn vormstabiliteiten van procent te verwachten. gebonden-niet-wateroplosbaar Door middel van een chemisch proces is het mogelijk om een organische molecule aan de 17 MITCHELL H.L., How PEG helps the hobbyist who works with wood, forest products laboratory,

50 hydroxylgroepen te binden. Zulk een behandeling vermindert het hygroscopisch gedrag. Verschillende chemische processen zijn in het verleden uitgeprobeerd, (zoals binding van anhydrides, epoxides, isocyanaten) maar slechts 1 van de procedés heeft een ontwikkeling naar industriële toepassing gekend, mn. Acetylisatie 18. Bij acetylisatie wordt de hydroxylgroep omgezet in een acetylgroep door een reactie van acetic anhydride. Toepassing van stabilisatiemethoden in de fietsconstructie. Fietsen worden gebruikt in de meest uiteenlopende klimaatomstandigheden. Koud of warm, vochtig of droog. Het is met andere woorden noodzakelijk om met dimensionele verandering rekening te houden, of deze dimensionele verandering te voorkomen. Van de hierboven besproken methoden komen slechts een aantal methoden in aanmerking voor het gebruik in een houten fietskader. We zijn namelijk geïnteresseerd in een methode die de sterkte van het materiaal niet aantast. Van de hierboven vermelde methoden komen acetylisatie en coating in aanmerking. -Acetylisatie is een heel interessante methode die niet enkel stabiliseert, maar ook het hout verduurzaamd. Het acetylistieproces is echter niet eenvoudig, en op wereldschaal zijn er slechts enkele bedrijven die geacetyliseerd hout produceren. Daarenboven wordt de methode vooral ingezet om goedkope snelgroeiende houtsoorten te behandelen, en zo te upgraden. In onderzoekscontext is reeds geacetyliseerd essen aangemaakt, maar commercieel is het (nog) niet beschikbaar. Het is waarschijnlijk dat acetylisatie in de toekomst belangrijker zal worden, dus zeker de moeite waard om op te volgen. -Coating is de meest gangbare methode om hout te beschermen, en te stabiliseren. Het is goedkoop, en eenvoudig om uit te voeren. Hoewel geen enkele coating 100% dampdicht is, en het hout op lange termijn dus toch van vochtgehalte verandert, beschermt een coating het hout tegen plotse dimensieveranderingen. In dit ontwerp maken we gebruik van 2 lagen transparante epoxy coating + 2 lagen transparante lineaire polyurethaan (LPU)coating. Epoxy coating is de meest dampdichte coating die verkrijgbaar is, en wordt gebruikt om het kader dampdicht af te sluiten. De twee lagen LPU worden toegepast om de epoxy te beschermen tegen Uv-straling, en de fiets een glanzende en krasvrije afwerking te geven. LPU is bovendien de meest duurzame coating die verkrijgbaar is, en wordt typisch gebruikt voor yachten, vliegtuigen en ruimtevaartschepen. 18 ROWELL Roger M., Acetylation of Wood, Journey from analytical technique to commercial reality, Forest Products Journal, VOL. 56, Nr. 9, september

51 Laminatie en het gebruik van fineer Met fineer wordt bedoeld, een dun laagje hout, over het algemeen tussen de 0.2 en 10 mm. Door het verlijmen van fineerlagen kunnen houtproducten verkregen worden met specifieke eigenschappen. Over het algemeen kunnen met laminatie gemakkelijker gebogen vormen verkregen worden, of materialen met verbeterde dimensionele stabiliteit. In dit deel wil ik kort schetsen op welke manieren fineer geproduceerd kan worden, wat de gevolgen daarvan zijn en vervolgens wil ik gelamineerd hout vergelijken met volhout qua structurele eigenschappen. De productie van laminaten gebeurt op drie verschillende wijzen: schillen, snijden en zagen. Schillen: Voor toepassing in multiplex, LVL en triplex wordt hout typisch geschild. Een stam wordt rond zijn as rondgedraaid, en de buitenste laag wordt er voortdurend van gesneden. Op deze wijze kan fineer geproduceerd worden met een dikte van 0.2 tot 10 mm. snijden: voor decoratieve fineer wordt het hout typisch gesneden. Een mes beweegt in horizontale richting over het hout, en snijdt laagjes van 0.5 tot 2mm af. Met het snijden wordt fineer verkregen met een mooiere tekening dan geschild fineer. Dit fineer wordt dan ook vooral gebruikt voor decoratieve doeleinden. Om het schillen zowel als het snijden vlot te laten verlopen wordt het hout eerst voor geruime tijd gestoomd (1 à 3 dagen). Door de blootstelling aan deze hoge temperatuur vermindert de sterkte van het hout. Fineerscheurtjes: tijdens het snijden of schillen van het fineer ontstaan kleine scheurtjes (zie afbeelding hieronder). Hoewel deze scheurtjes oppervlakkig zijn veroorzaken zij wel een vermindering in sterkte van het fineer. Dit is mede een reden waarom met gelamineerd hout niet dezelfde sterkte kan verkregen worden als met volhout. Met het derde procedé voor productie van laminaat: zagen, wordt dit fenomeen vermeden. fineerscheurtjes Zagen: Voor het maken van dun fineer is het eveneens mogelijk om het hout te zagen met een speciaal type bandzaag. Deze methode wordt vanwege de hoge productiekost slechts weinig toegepast. Maar het verkregen fineer is van superieure kwaliteit. Het hout moet namelijk niet worden gestoomd, en er treden geen fineerscheurtjes op tijdens het productieproces. 50

52 Sterkte van gelamineerde producten. In voorgaande heb ik reeds vermelding gemaakt van fineerscheurtjes en stomen, die een negatief gevolg hebben op de sterkte van het fineer. Een ander fenomeen dat negatieve gevolgen heeft op de sterkte is de verkorting van de vezels. Wanneer de richting van de vezels van het hout niet 100 procent evenwijdig loopt met de richting van het fineer wordt een deel van de vezels verkort en verliest het hout ook aan sterkte. Gelamineerde toepassingen hebben om deze redenen een sterkte en stijfheid die lager ligt dan volhout. Toch is het zo dat gelamineerde houtproducten een hogere rekenwaarde hebben voor sterkte en stijfheid dan volhout elementen. Door het hout te lamineren is het immers mogelijk om onvolmaaktheden die in volhout voor kunnen komen weg te laten. Op die manier wordt een product verkregen met een grote homogeniteit, en kleinere spreiding in sterktewaarden. Door die kleine spreiding in sterktewaarden kunnen hoge rekenwaarden gehanteerd worden. In onderstaande tabel vergelijk ik sterktegegevens van verschillende houtproducten. 19 Elasticiteitsmodulus (Gpa) buigsterkte (N/mm2) Volhout (essen) 13 (gemiddeld) 110 (gemiddeld) Volhout (C24) LVL Multiplex 6 35 LVL balken Centrum hout, Timber engineering step 1, 1995, Salland de lange, Deventer, ISBN Laminated Veneer Lumber: balken die samengesteld zijn uit verlijmde fineerlagen van 3 tot 4mm dik. (zie afbeelding hierboven) 51

53 Bevestigingstechniek bij hout, verlijming Hout is een geliefd materiaal bij amateurs en hobbyisten vanwege de eenvoud van bevestiging en verwerking in het algemeen. Hout kan op eenvoudige manier bevestigd worden met nagels, met schroeven, met lijm,... Wanneer hetzelfde hout gebruikt wordt voor een structurele en lichtgewicht toepassing zijn we al veel meer gelimiteerd in de technieken die in aanmerking komen. De bevestigingstechnieken die het meest kenmerkend zijn voor houttoepassingen, m.n. het spijkeren en het schroeven, hebben het grote nadeel dat zij de krachtenoverdracht concentreren naar een klein oppervlak. Bij hoge materiaalspanningen wordt dit al snel problematisch. Hout heeft namelijk een relatief lage hardheid en lage sterkte. Voor hout is het dus aangewezen om een bevestigingstechniek te gebruiken waar een dergelijke spanningsconcentratie niet voorkomt, waar de krachtsoverdracht m.a.w. wordt gespreid over een groot oppervlak. Verlijming is in dit opzicht de meest aangewezen techniek. Hout is wegens zijn relatief lage hardheid en lage sterkte een materiaal waarvoor een groot aantal technieken zijn ontwikkeld om de krachtsoverdracht over een groot oppervlak te spreiden. Hieronder zijn enkele voorbeelden van deze technieken afgebeeld. 52

54 De vingerverbinding (foto linksboven) is voor toepassingen waarbij een grote verbindingssterkte vereist is een geliefde oplossing. Met de vingerverbindingen is de buigsterkte van het gelijmde deel minimaal 75 % van de oorspronkelijke buigsterkte. 21 Structurele lijm. Van grootste belang voor de sterkte is uiteraard de sterkte van de lijm. Voor structurele toepassingen wordt gebruik gemaakt van een structurele lijm. Er bestaat een groot aantal structurele houtlijmen, en aangezien de eigenschappen van deze houtlijmen onderling veel verschillen is aandacht nodig om de juiste keuze te maken. In volgende pagina s zal ik een vergelijking maken tussen de verschillende beschikbare lijmsoorten voor structurele verlijming. De taak van een houtlijm is om twee (of meerdere) stukken hout te verbinden op een zodanige manier dat ze zich gedragen als één. Bindingssterkte is daarbij bepalend of de verbinding voldoende sterk is. Structurele lijmen hebben bindingssterktes die gelijk zijn aan of sterker zijn dan de sterkte van het hout zelf. In principe betekent dit dat gelijmd hout evengoed kan breken door het hout zelf als door het verbindingsvlak. Om deze bindingen tot stand te laten komen moet de lijm op een bepaald moment van het bindingsproces in vloeibare vorm zijn. Tijdens de vloeibare fase komen bindingskrachten tot stand tussen de houtmoleculen en de lijm-moleculen. Tijdens een tweede fase ondergaat de lijm een transformatie van vloeibare naar vaste toestand. Deze transformatie is nodig om een materiaal te vormen dat in staat is om de holtes tussen het hout te vullen, en dat voldoende sterk en duurzaam is om een structurele binding te garanderen. Dit laatste proces heet het verhardingsproces, en kan tot stand gebracht worden op volgende drie verschillende manieren. -door een fysisch proces: zoals het vervliegen van een solvent, of verandering van aggregatietoestand vloeibaar tot vast. Deze processen gaan gepaard met een volumeverandering die in sommige gevallen een verminderde sterkte veroorzaakt. -door een chemisch proces: waarbij de moleculen van de lijm met elkaar reageren om een polymeernetwerk te vormen zoals epoxys, of polyurethanen. Het voordeel van een chemische verharding is dat er slechts een zeer geringe volumeverandering plaatsvindt. Daarentegen moet voorzichtig omgesprongen worden met polymerisatie-warmte die vrijkomt tijdens het polymerisatieproces. Daarvoor is het van belang om de reactieomstandigheden (temperatuur, type katalysator, volume) onder controle te houden. -door een gecombineerd proces: waarbij tegelijkertijd solventen vervliegen en een chemisch proces plaatsvindt zoals urea-, melanine-, fenol-, en resorcinol-formaldehyde Het type van verhardingsproces zal bepalend zijn voor de eigenschappen van de lijm. Wanneer een lijmsoort verhardt door een chemisch proces zal tijdens de verharding geen of slechts een geringe volumeverandering plaatshebben. Dit heeft tot gevolg dat deze lijmsoorten goede holte vullende eigenschappen hebben, en goed onregelmatigheden in het materiaal kunnen opvullen. Dit zal voor het maken van een houten fietskader interessant zijn aangezien het bij een complexe geometrie moeilijk is om perfect aaneensluiten te garanderen. 21. JOKERST Ronald W., Finger Jointed wood products, Research paper FPL 382, april

55 Verschillende structurele lijmsoorten Resorcinol-formaldehyde (RF) en fenol-resorcinol-formaldehyde (PRF) Deze lijmsoort verhardt door een reactie tussen resorcinol, en formaldehyde. Resorcinol wordt in vloeibare fase vermengd met een vloeibare verharder die formaldehyde bevat. De reactie vindt plaats tot de formaldehyde opgereageerd is. De verharder bevat naast formaldehyde een groot aandeel vulstoffen. Deze vulstoffen hebben als voornaamste taak om de holtes tussen de te verlijmen oppervlakken te vullen. Omdat resorcinol een duur product is, wordt tegenwoordig een deel vervangen door het goedkopere fenol. Beide lijmsoorten verharden op kamertemperatuur (15-20 C) of op hogere temperatuur. De binding tussen fenol en resorcinol zijn van het C-C type (koolstof op koolstof). Deze bindingen zijn heel sterk en heel duurzaam. Daardoor zijn ze niet ontvankelijk voor hydrolyse en is de verlijming water-, kook- en weersbestendig. Elementen gelijmd met deze lijm zijn bovendien vuurbestendig en lijmdikte is mogelijk tot 1mm en 2mm met toevoeging van speciale vulstoffen. Vanwege de hoge kostprijs van deze lijm wordt deze lijm nog maar weinig toegepast. Deze lijmsoort wordt vaak vervangen door een lijmsoort met gelijkaardige eigenschappen, namelijk epoxy. Fenol-formaldehyde (PF) Fenol-formaldehyde komt tot stand doordat fenol reageert met formaldehyde in een basisch milieu onder verhoogde temperatuur. De reactie stopt door afkoelen. De lijm kan aangebracht worden als vloeistof, poeder of film en is alkalisch. De verharding vindt plaats door warmte ( C) en sommige soorten, die reactievere fenol bevatten, door een combinatie van warmte en een formaldehyde-bevattende verharder. De lijm heeft dezelfde duurzaamheidseigenschappen als RF en FRF. Fenol-formaldehyde lijmen worden typisch aangewend onder warmte en druk, en worden gebruikt voor het vervaardigen van structurele en mariene multiplex. Ook wordt (PF) gebruikt voor de productie van gelamineerde-fineer-balken. Er bestaat eveneens een fenol-formaldehyde-lijm die op kamertemperatuur kan uitharden. Voorzichtigheid is aangewezen om deze niet te verwarren met warmte-geïnduceerde fenolformaldehyde lijmen. Om reactie plaats te laten vinden onder kamertemperatuur moet de lijm immers zuur gemaakt worden. Dit gebeurt door toevoeging van een verharder die een sterk zuur bevat. De verharde lijm heeft dezelfde duurzaamheidseigenschappen als de andere fenolische lijmen, echter door het sterke zuur in de verharder is het heel waarschijnlijk dat het hout schade oploopt in het natte stadium. Daardoor is het aangewezen om koud uithardende FF niet te gebruiken voor structurele toepassingen. In de jaren 50 en 60 is de lijm gebruikt geweest in enkele constructies, en enkele van deze constructies zijn ingestort. Algemeen wordt aanvaard dat de reden daarvoor de zuurschade is. Urea-formaldehyde (UF) Urea-formaldehyde wordt gemaakt door een reactie tussen urea en formaldehyde. De reactie wordt versneld door zuur en warmte. UF-lijmen zijn gebruiksvriendelijker dan de voorgenoemde lijmsoorten. De lijm kan uitharden bij temperaturen vanaf 10 C. Voor structurele doeleinden zijn enkel koud-uithardende UF te gebruiken. Om voldoende holte vullend te zijn moet UF gemengd worden met vullers. UF wordt gebuikt voor Glulam en voor fingerjointen voor binnentoepassingen. 54

56 Melamine-urea formaldehyde (MUF) Deze lijmen zijn nauw verwant met UF lijmen. Een deel van de urea is echter vervangen door melamine. Dit zorgt voor een grotere water- en weersresistentie. MUF-lijmen worden gemaakt voor warmgedrukte toepassingen in multiplex en voor koude toepassing in glulam of fingerjointen. De beste van deze lijmen zijn geclassificeerd als weersbestendig, echter van mindere kwaliteit als RF of PF. Voor mariene toepassingen zijn ze echter niet te gebruiken. Epoxy-lijm Epoxy is een tweecomponentenlijm die uithardt wanneer hars en verharder gemengd worden. Het hars bestaat uit moleculen die eindigen op een epoxy-groep. Deze moleculen reageren met de verharder die bestaat uit bi-functionele amines. Noch de hars, noch de verharder bevatten solventen, en tijdens het uitharden is er dan ook nauwelijks een volumeverandering. Dit maakt epoxylijm zeer geliefd voor toepassingen waarbij een holte vullende lijm nodig is. Epoxy-lijm bestaat in zeer uitgebreid gamma met verschillende viscositeiten, verhardingstijden, verhardingstemperaturen, kleuren, sterktes,... Omgevingscondities De gekozen lijmsoort dient te kunnen weerstaan aan de omgevingssituatie waarin ze gebruikt zal worden. Fietsen worden gebruikt onder vele verschillende omstandigheden, (zon, regen,...) en moeten daaraan kunnen weerstaan. omgeving RF/PRF PF MUF UF epoxy Buiten + + (+) x + >50 C + + (+) x + >85% rv + + (+) x + marien + + (+) x + kleur Donker donker licht licht licht + : goede resistentie x : slechte resistentie (+): matig goede resistentie 22 In bovenstaande tabel kunnen we zien dat verschillende lijmen(rf, PF, epoxy) in principe voldoen aan de omgevingsvereisten die een fietskader aan lijm stelt. Verwerking van de lijm Vele lijmen hebben een zeer specifieke toepassingsmethode, en daardoor een afgelijnd toepassingsgebied. MUF bijvoorbeeld moet toegepast worden onder hoge druk en temperatuur. Hierdoor is deze vooral toepasbaar in industriële installaties. De toepassing van hoge druk, en verhoogde temperaturen is voor het fietskader onhaalbaar vanwege de onregelmatige vorm. Voor het fietskader is een methode nodig waarbij de lijm gelijkmatig uithardt, ook bij onregelmatige oppervlakken, en in staat is om holtes op te vullen. Keuze van de lijmsoort: epoxy-lijm We kiezen voor epoxy omdat epoxy weerstaat aan verschillende omgevingsomstandigheden, en de verwerking vrij eenvoudig is. Om praktische redenen zal er gebruik gemaakt worden van verschillende epoxy soorten met verschillende hardingstijden, viscositeiten, sterktes, kleuren, Bron:CENTRUM HOUT, Timber engineering step1, Salland de Lange, 1995, Deventer, ISBN

57 56

58 Deel 3: Houten Fiets 57

59 Het ontwerp Houten fietsen zijn zo oud als de uitvinding van de fiets zelf. De eerste fietsen waren allemaal uit hout gemaakt. De reden daarvoor was de relatief eenvoudige houtbewerkingstechniek eerder dan de performantie van het materiaal hout. Toch heeft hout zeer gunstige eigenschappen voor fietsconstructie, met name de grote sterkte-gewicht ratio, de grote stijfheid-gewicht ratio en de gunstige schokdempingseigenschappen. Het zijn deze goede materiaaleigenschappen die de aanleiding zijn voor dit ontwerp. Het is mijn intentie om te testen of het praktisch ook mogelijk is een licht en toch sterk en stijf fietskader te maken uit hout. Hierbij is het essentieel op een eenvoudige manier simulaties uit te kunnen voeren van verschillende sterkte- en stijfheidstesten. Daartoe heb ik verschillende fietskaders 3D-gemodelleerd, die vervolgens gebruikt zijn voor simulaties. Het is de bedoeling om een volledige fiets te presenteren, maar om voldoende diepgang te kunnen behalen beperk ik het ontwerp tot het fietskader. Voor de rest van de fietsonderdelen maak ik gebruik van standaard fietsonderdelen: zadel, voorvork, stuur, ketting, tandwielen,... Deze onderdelen zijn ontwikkeld voor fietsen uit staal, aluminium of koolstofcomposiet, en bij gevolg zijn ze aangepast aan deze materiaaleigenschappen, m.n. een grotere sterkte en stijfheid. Het combineren van hout met onderdelen die eigenlijk ontworpen zijn voor materialen met een hogere sterkte en stijfheid is niet altijd vanzelfsprekend. Hout kan wel sterk genoeg zijn om er een fietskader uit te maken, maar op voorwaarde dat er in vergelijking met andere materialen meer materiaal gebruikt wordt, en dat de spanningen voldoende gespreid worden. Op sommige plaatsen zal het nodig zijn om hulpstukken (in dit geval een koolstof-composiet buisje) te gebruiken om de spanningen voldoende te kunnen spreiden. Hieronder is het voorbeeld te zien van de kogellagers in de stuurbuis. Een vergelijkbare ingreep gebeurt bij de trapas Een meer gedetailleerde analyse van de spanningen die veroorzaakt worden door kogellagercontact volgt bij de detaillering van de stuurbuis-knoop, en de trapas-knoop. 58

60 Houtgebruik: Eén van de uitdagingen bij het ontwerpen met hout is het gebruik van de juiste houtsoort, de eigenschappen kunnen namelijk in grote mate verschillen. In uit het juiste hout gesneden (hoofdstuk 2) heb ik reeds een vergelijking gemaakt tussen verschillende houtsoorten. Voor het grootste deel van het kader maak ik gebruik van essenhout. Deze houtsoort heeft heel goede schokdempingseigenschappen, en is daardoor zeer geschikt voor het gebruik in een fietskader. Daarenboven is het hout slechts weinig onderhevig aan vermoeiing, gemakkelijk verwerkbaar, en behoorlijk regelmatig. Voor gebogen stukken maak ik gebruik van beukenhout. Het beukenhout is de meest geschikte soort voor buigen aangezien het makkelijk plastisch te maken is met behulp van stoom. Daardoor heeft het hout slechts een geringe tijd nodig waarin het blootgesteld wordt aan verhoogde temperatuur. De verhoogde temperatuur tijdens het stomen heeft namelijk een negatief gevolg voor de sterkte en de stijfheid van het hout. 24 Beukenhout is gemakkelijk verkrijgbaar, en gemakkelijk te verwerken. Buxushout is gebruikt geweest voor de uitvoering van de pads van de achtervorken. Aan de pads wordt de as van het achterwiel geklemd op het kader. Op die plaats is vooral hardheid nodig, en buxus is de hardste Europese houtsoort. En ten slotte is ook gebruik gemaakt van Europese noten. Notenhout heeft als voornaamste eigenschap dat het dimensioneel stabiel is bij veranderende vochtigheid. Het notenhout wordt gebruikt op plaatsen waar dimensionele stabiliteit van belang is: bij de aansluiting met externe onderdelen. 24 MACLEAN, J.D., Effect of steaming on the strength of wood, American Wood-Preservers Association. 49: , 1953 MACLEAN J.D., Effect of heating in water on the strength properties of wood, American Wood-Preservers Association. 50: ,

61 Geometrie: Tijdens dit ontwerp maak ik gebruik van de klassieke dubbele driehoek geometrie van het fietskader. Het is namelijk nog steeds de meest efficiënte manier(naar gewicht) om een stijve en sterke fietsconstructie te maken. Daarenboven is hout een orthotroop materiaal, met evenwijdig liggende vezels, en sterkte in 1 richting. Het klassieke fietskader is ook samengesteld uit lengteelementen, en sluit in dit opzicht zeer goed aan bij de orthotrope natuur van hout. Bij het ontwerpen met een nieuw materiaal, hout, kan het aantrekkelijk lijken om ook te vernieuwen in de geometrie. Om bovengenoemde reden ga ik hier bewust niet op in. De drang naar vormelijke vernieuwing levert weliswaar een groot aantal aantrekkelijke fietsen op die vaak spreken tot de verbeelding van de fiets-liefhebber, maar die qua sterkte, gewicht en stijfheid vaak niet bevredigend zijn. Sommige houten-fietsconstructeurs kiezen er voor om de houterigheid van de rechte vormen te ontwijken door het hout te stoombuigen, en gebogen vormentaal te gebruiken voor hun fietsen. Hierbij moet er rekening gehouden worden dat het gebruik van stoom om het hout plastisch te maken een negatief effect heeft op zowel de stijfheid als de sterkte van het materiaal. Aangezien dit werk wil focussen op sterkte en stijfheidsprestaties beperk ik het stoombuigen tot plaatsen waar het niet te vermijden valt. STOOMGEBOGEN FIETSKADER VAN WALDMEISTER Het gebruik van buisvormige profielen is onlosmakelijk verbonden met de fiets. Het kader is belast op torsie, buiging, trek en druk(knik), en het buisvormige profiel beantwoordt het best aan de combinatie van deze belastingen. Vandaar dat ik ook bij dit ontwerp gebruik wil maken van holle buisvormige profielen. Deze buisvorm kan worden verkregen door het samenkleven van 2 half uitgeholde stukken hout. Deze verlijming van het hout impliceert slechts een heel geringe sterktereductie wanneer de verzels van beide helften evenwijdig lopen. 60

62 Bevestiging Alle delen van het fietskader zijn verlijmd. Verlijming heeft het grote voordeel dat de krachtoverdracht verdeeld wordt over een groot oppervlak. Wegens de relatief kleine sterkte van hout is het goed om belasting zo veel mogelijk te spreiden. Voor de verlijming wordt gebruik gemaakt van 3M ScotchWeld dp110 epoxylijm. Ik gebruik epoxylijm vanwege zijn grote sterkte en eenvoudige verwerking (geen precieze druk, of temperatuur nodig om de lijm te doen uitharden) Epoxylijmen verschillen onderling heel veel van eigenschappen. De keuze voor deze specifieke lijm is vanwege: 1: grote sterkte 2: goede verwerkingstijd (10min) 3: goede kleur (amberkleurig) 4: plastisch vermogen na uitharding (dit is nodig wanneer het hout krimpt/uitzet bij veranderende vochtigheid) 5: juiste viscositeit ( cp: voldoende vloeibaar om deels in te dringen in het hout, en voldoende visceus om tijdens het verlijmingsproces niet weg te vloeien) Cruciaal voor een goede verlijming bij hout is de grootte van het contactoppervlak. Om het contactoppervlak te maximaliseren gebruik ik op vele plaatsen een vinger-verbinding. 61

63 Orthotroop materiaal In tegenstelling tot andere fietsconstructiematerialen is hout een orthotroop materiaal. De vezels lopen allemaal ongeveer evenwijdig, en de sterkte van het materiaal is vooral in die oriëntatie. Het juist oriënteren van de vezels zal in dit ontwerp m.a.w. een belangrijk aandachtspunt zijn. Aangezien het fietskader opgebouwd is als een vakwerk, ligt het voor de hand dat de buizen uitgevoerd zijn volgens de lengte van de vezels. Ter hoogte van de knooppunten komen stukken hout met een verschillende vezel oriëntatie bij elkaar. Dit zijn met andere woorden zwakke plekken. In het ontwerp is er aandacht aan besteed om deze contactoppervlakken voldoende groot te dimensioneren. In tegenstelling tot de buizen lopen de belastingen in de knooppunten niet altijd evenwijdig met de oriëntatie van de vezels. Wanneer hout niet-evenwijdig wordt belast is het veel minder sterk dan evenwijdig belast hout. 25 Deze niet-evenwijdige belasting is bij fietskaders onmogelijk te vermijden. Op plaatsen waar deze voorkomt is het noodzakelijk om deze in rekening te brengen. Bij sterkteberekeningen moet met andere woorden gerekend worden met een gereduceerde sterkte. 25 BODIG J, JAYNE B.A, Mechanics of wood and wood composites, New York, Van Nostrand Reinhold Company,

64 Parametrisch CAD-model. Ik heb ervoor gekozen om het fietskader grotendeels parametrisch te modelleren. Het parametrisch modelleren heeft voor dit ontwerp een aantal voordelen. 1. Één model is bruikbaar voor verschillende maten van fietskader 2. Maten kunnen eenvoudig aangepast worden na analyses of bij veranderingen. Het is belangrijk voor dit ontwerp dat aanpassingen eenvoudig door te voeren zijn. Ik kies er namelijk voor om eindige-elementen-simulaties van verschillende sterkte- en stijfheidstests in te zetten om het ontwerp te dimensioneren. In de volgende pagina s bespreek en illustreer ik welke dimensies veranderbaar zijn. Het gaat om: 1. Pasmaat en fiets-type 2. Dimensies van de buizen en wanddiktes 63

65 1 Pasmaat en Fiets-type Aangezien fietsen in verschillende maten worden gemaakt, heb ik ervoor gekozen om het ontwerp niet enkel te maken voor één maat, maar een model te creeren dat werkt voor alle maten van fietskaders. Daartoe is het volledige fiets-model gebaseerd op een parametrische basisgeometrie. Door enkele parameters te veranderen kan de volledige vorm van de fiets worden aangepast. Hierboven zijn de dimensies afgebeeld die betrekking hebben op de geometrie van het kader. Ze bepalen enerzijds de pasmaat van het kader, en anderzijds het type fiets. Wat betreft de pasmaat, is een groot fietskader niet eenvoudigweg een vermenigvuldiging van de maten van een kleiner fietskader. Een bepaalde maat heeft een overeenstemmende zadelhoek, stuurbuishoek, stuurbuislengte,... Het is met andere woorden nodig om elk van de hierboven afgebeelde dimensies apart te kunnen veranderen. Door op deze manier het model op te bouwen is het eveneens mogelijk om niet alleen de pasmaat aan te passen, maar is het bovendien mogelijk om met hetzelfde model verschillende fiets-types te modelleren. Hiernaast is een illustratie te zien van de mogelijkheden die deze parametrische opbouw biedt. De afgebeelde kader-geometrieën zijn gemaakt met hetzelfde model, door enkel en alleen de hierboven afgebeelde maten te wijzigen. Voor het verdere verloop van het ontwerp zal ik me uiteraard beperken tot één enkele geometrie. Deze geometrie is die van een koers-fiets, maat 58. Dit omdat tests typisch worden uitgevoerd op maat 58. Merk op dat het ontwerp op dezelfde manier kan gemaakt worden voor gelijk welke maat en fiets-type. 64

66 2 Dimensies van de buizen en wanddikte De dimensies van de buizen zullen begroot worden met behulp van simulaties van verschillende sterkte- en stijfheidstests. Hiertoe zijn deze dimensies parametrisch vastgelegd en kunnen ze op eenvoudige wijze aangepast worden in overeenstemming met de resultaten van de simulaties. Praktisch komt het erop neer dat elke buis gemodelleerd is als een ovaalvormige buis. Van deze ovaalvormige buizen zijn zowel hoogte als breedte parametrisch vastgelegd, en kunnen onafhankelijk aangepast worden. Ook de wanddikte is parametrisch vastgelegd en een verschillende wanddikte voor zijkanten, en boven-en onderkant kan worden gehanteerd. 65

67 Eindige elementen analyse. (FEA) Eindige-elementen-analyses zijn ingezet om een beter inzicht te krijgen in de prestaties van het ontwerp, en om op basis van de bekomen resultaten het ontwerp bij te sturen of aan te passen. Aangezien er maar weinig knowhow beschikbaar is over het ontwerpen van houten fietsen is het computergestuurd simuleren van verschillende tests een enorm handige tool om beter inzicht te krijgen in het gedrag bij verschillende belastingen. De eindige elementen analyses in dit werk zijn uitgevoerd met Solidworks Simulation. Deze toepassing is geïntegreerd in de software van Solidworks en is daardoor vrij eenvoudig te gebruiken in combinatie met het 3D modelleren. Het ontwerp kan vormgegeven worden via een iteratief proces van aanpassingen in het model, en simulaties van verschillende tests. Materiaaleigenschappen 26 Naast een groot aantal pre-gedefinieerde materialen in de bibliotheek van Solidworks Simulation is het ook mogelijk om eigen materialen te definiëren. Aangezien essen niet in de bibliotheek is opgenomen werk ik met eigen waarden. De sterktetest die ik simuleer zijn allemaal vermoeiings-tests. Voor de berekeningen maak ik direct gebruik van de vermoeiingssterktes. Gezien het goed elastisch gedrag van hout zijn op die manier de bekomen resultaten van statische tests een goede benadering van een vermoeiings-test. MATERIAALEIGENSCHAPPEN 26 De mechanische eigenschappen zullen getest worden zoals besproken in sterkte-eigenschappen van hout en de vermoeiingssterkte is bepaald zoals besproken in Relevante materiaal-sterkte, vermoeiingsterkte. 66

68 Isotroop / anisotroop Solidworks biedt de mogelijkheid om analyses uit te voeren op isotrope materialen, zowel als op orthotrope materialen. Hoewel hout een orthotroop materiaal was het praktisch onmogelijk om de berekeningen te maken op basis van orthotrope materiaaleigenschappen. Het kader is namelijk samengesteld uit verschillende stukken hout met verschillende vezeloriëntaties, waardoor het totaalmodel alles behalve orthotroop is. Het berekenen als isotroop materiaal is een simplificatie van de realiteit. Deze simplificatie kan toch betrouwbare resultaten opleveren indien aan een aantal voorwaarden is voldaan. 1. De vezeloriëntatie komt overeen met de gebruikte sterkte- en stijfheidseigenschappen. In ons geval zijn de berekeningen uitgevoerd met de mechanische eigenschappen in de lengterichting van de vezels. Om een realiteitsgetrouwe simulatie te verkrijgen is het dus nodig dat het hout ook belast wordt volgens de lengterichting van de vezels, en zal er nauwelijks een verschil zijn tussen isotrope of orthotrope berekening. In dit ontwerp is er uitdrukkelijk voor gekozen om zo veel mogelijk te werken met hout dat gebruikt wordt in de richting van de vezel en zorgt de vakwerkopbouw van het fietskader er voor dat de belastingen in de lengterichtingen worden opgenomen. De globale analyse zal bijgevolg ook vrij waarheidsgetrouw zijn. 2. Speciale aandacht moet wel uitgaan naar lokale spanningsverdeling, m.n. in de knooppunten. In de knooppunten verloopt de spanning niet altijd in de richting van de vezel, en moet bijgevolg rekening gehouden worden met een gereduceerde sterkte. Onderstaande figuur toont hoe de sterkte van het hout afhankelijk is van de richting van belasting. Grote sterktevermindering is te merken bij een nietevenwijdige belasting. STERKTEREDUCTIE IFV DE VEZELORIENTATIE Om dit gegeven in rekening te brengen bij de sterktetests maak ik per knoop gebruik van correctiefactoren die ik zelf een waarde geef afhankelijk van de oriëntatie van de krachtwerking en van de specifieke geometrie van de betreffende knoop. Bij de sterktetests worden de spanningsresultaten die volgen uit de FEA s vermenigvuldigd met de betreffende factor. 67

69 d Voorhoek: Zonder hier in detail te gaan over de spanningswerking t.h.v. de stuurbuisknoop wil ik hier deze vereenvoudiging van de situatie gebruiken, nl een verticale reactiekracht die een hoek maakt van 40 met de vezelrichting van de onderbuis. Deze hoek van 40 komt overeen met een correctiefactor van 5 (cf. Sterktereductie ifv de vezelorientatie) Trapas: Bij de trapas-knoop zijn de buizen zo vormgegeven dat hun centrumlijnen samenkomen in het middelpunt van de trapas. Daardoor gebeurt de spanningsoverdracht maximaal als in een vakwerk, in de richting van de vezels. Effecten van belasting op de trappers verstoren deze symmetrie (in relatief kleine mate), dus ook hier is het raadzaam om een correctiefactor te hanteren. Hier gebruik ik een correctiefactor 2. Zadelknoop: Ter hoogte van de zadelknoop is er een belangrijke spanningsoverdracht tussen achtervork en bovenbuis. Deze gebeurt echter veel minder symmetrisch als bij de trapas-knoop. Zowel de aansluiting tussen de achtervork en de bovenbuis als de aansluiting tussen achtervork en zadelbuis gebeuren onder een hoek. (respectievelijk 55 en 50 ) Hier hanteer ik een correctiefactor van 6. 68

70 Aangepaste veiligheidsfactoren. Hout is een materiaal met een grote graad van onregelmatigheid, of onvoorspelbaarheid. Daardoor wordt typisch gewerkt met een vrij hoge veiligheidsfactor. In dit ontwerp werk ik met een veiligheidsfactor van 2. In combinatie met de correctiefactoren levert dit de volgende gecorrigeerde veiligheidsfactoren op. Ook voor de achtervorken werk ik met een correctiefactor van 1.5 vanwege sterktereductie door het stoomproces. Correctiefactor Gecorrigeerde veiligheidsfactor Lengte-elementen 1 2 Stuurbuis-knoop 5 10 Trapas-knoop 2 4 Zadel-knoop 6 12 Achtervorken

71 Detaillering van de stuurbuis MIDDENDOORSNEDE DOOR DE STUURBUIS-KNOOP De stuurbuis is de meest complexe knoop van het fietskader. Ter hoogte van de stuurbuis wordt het kader belast op buiging en torsie, en bovendien passeert de voorvork doorheen het kader. In de voorhoek komen twee stukken hout met een verschillende vezeloriëntatie samen. De verbinding tussen deze 2 stukken hout gebeurt met een vingerlijm-verbinding om de krachtoverdracht tussen beide stukken zo goed mogelijk te laten gebeuren. Er moet bepaald worden waar de scheidingslijn tussen de stukken hout geplaatst wordt, en op welke manier beide buizen aansluiten op de knoop. Hiernaast staan de drie mogelijkheden afgebeeld. Als we de fiets bekijken als een vakwerk onder normale belasting wordt de bovenbuis vooral belast op druk, en de onderbuis op trek. Wanneer een drukbelasting overgebracht wordt op de knoop kan dit ofwel rechtstreeks ofwel doorheen een stuk hout met andere vezeloriëntatie. (zie eerste afbeelding) Een trekbelasting die passeert door een stuk hout met een andere vezeloriëntatie kan het andere stuk hout doen barsten. (afbeelding 2) Ook bij de derde afbeelding is barsten niet uitgesloten. Bovendien is de onderbuis de meest Organisatie van de vezelrichting bepalende voor sterke en stijfheid van het kader, daarom kies ik ervoor deze te laten doorlopen tot aan de stuurbuis. 70

72 Op de middendoorsnede is te zien dat ik in de voorbuis gebruik maak van een stuk koolstofcomposietbuis. Deze buis heeft als taak om de krachten te spreiden die afkomstig zijn van de voorvork en het stuur. Alle krachten afkomstig van de voorvork worden overgebracht op het kader via de kogellagers. Het contactoppervlak tussen kogellagers en kader is heel klein (1.74 cm 2 ) en daardoor zou in het hout lokaal te hoge spanningen worden bereikt. Onderstaande eindige elementen analyse toont de resultaten van een belasting op de voorvork in langse richting met een grootte van 600N. Deze belasting komt overeen met de vermoeiingsproef zoals beschreven in ISO (zie sterktetesten op fietskaders in hoofdstuk 1) In onderstaand rapport van de FEA is te zien dat ter hoogte van de kogellagers spanningen te hoge spanningen bereikt worden. De koolstofcomposiet buis wordt verlijmd aan het hout om een maximale spreiding van de spanningen te bekomen. Ik gebruik koolstofcomposiet vanwege zijn uitstekende verlijmbaarheid en hoge stijfheid. 71

73 Door gebruik te maken van een koolstofcomposiet-buisje worden de belastingen gespreid over het volledige oppervlak van het hout. Daardoor worden lokale hoge spanningen vermeden. Om het effect van een gespreide belasting te visualiseren heb ik een FEA gemodelleerd van dezelfde sterktetest, maar met gespreide belasting. In volgend rapport van de FEA is te zien dat met gespreide belasting veel lagere maximale spanningen bereikt worden. Een volledige beschrijving van deze en vorige test zijn te vinden in bijlage. 72

74 Bovenstaande afbeelding toont schematisch de krachtwerking in de stuurbuis-knoop. Door het verlijmen van het carbon-buisje wordt de spanning verdeeld over het oppervlak van het carbonbuisje. Enerzijds via druk en trekspanning aan de binnenkant van het fietskader, anderzijds via schuifspanningen aan de buitenkant van het fietskader. In deze doorsnede is te zien hoe de spanningswerking in het midden van de doorsnede zich vertaalt in de vormgeving van de knoop. Als we de doorsnede van deze houten knoop vergelijken met de doorsneden van respectievelijk een Carbon en stalen fiets zijn er enkele verschillen. Ten eerste is er veel meer materiaal gebruikt in het houten detail dan bij staal of carbon. Aangezien hout een veel lagere sterkte en stijfheid heeft is dit ook noodzakelijk. De lage volumieke massa aan de andere kant voorkomt dat de fiets overdreven zwaar hoeft te worden. Bij hout is het eenvoudig om het materiaal de gewenste vorm te geven. Gezien de lage kostprijs van hout en de eenvoudige bewerking is het mogelijk om vertrekkende van volhout hout weg te frezen, boren of zagen op plaatsen waar geen materiaal nodig is. Deze vorm is bekomen vertrekkende van een volle vorm, materiaal wegnemend waar het niet (of weinig) nuttig is. 73

75 Deze vorm is vergeleken met andere vormgevingen qua sterkte. Daarvoor heb ik gebruik gemaakt van een FEA simulatie van de sterktetest met horizontale belasting uit ISO (een gedetailleerde beschrijving van deze simulaties is te vinden in bijlage) De resultaten tonen de beste resultaten voor de laatste vorm. 74

76 DOORSNEDE OP 3MM VAN DE BUITENSTE VEZEL Langs de buitenkant van het kader wordt de belasting van de voorvork via schuifspanningen overgebracht op het kader. Om deze goed op te kunnen nemen gaan de onder- en bovenbuis geleidelijk over in de stuurbuis. Op die manier lopen de vezels zo veel mogelijk tot aan de stuurbuis. 75

77 Detaillering van de trapas-knoop In deze knoop komen 4 stukken hout samen: de onderbuis, de zadelbuis, en 2 achtervorken. De zadelbuis is voornamelijk op druk belast, de onderbuis en achtervorken op Trek. De voordriehoek (onderbuis en zadelbuis) is uitgevoerd in essen vanwege zijn goede schokdempende eigenschappen. De achtervorken zijn uitgevoerd in beuken vanwege de goede buigbaarheid van beuken. De trap-as-buis is uitgevoerd in koolstof-composiet. Aangezien de onderbuis en de achtervork vooral op trek belast zijn, laat ik deze rechtstreeks doorlopen tot aan de trap-as-buis. Onderbuis en achtervorken zijn ook voor de sterkte en stijfheid van het kader van groot belang, daarom dat een direct contact met de trap-as-buis interessant is. De onderbuis en de zadelbuis zijn verbonden met een vinger-lijm-verbinding. 76

78 Bij fietsen worden de kogellagers typisch in de trapasbuis geschroefd of geperst. Geschroefde kogellagers worden vooral gebruikt in aluminium of stalen fietskaders en vereisen een trapasbuis die voorzien in van schroefdraad. Bij carbon kaders wordt vaak gebruik gemaakt van kogellagers die worden geperst in de trapasbuis. Op die manier spannen ze tegen de binnenkant van de trapasbuis, en blijven ze tijdens het trappen op hun plaats. Deze geperste kogellagers zijn ook voor hout de meest aangewezen oplossing. Men zou kunnen overwegen om kogellagers met schroefdraad rechtstreeks in het hout te schroeven, dit zou echter problemen opleveren aangezien de schroefdraad niet aangepast is aan hout, en het rechtstreeks schroeven in hout levert problemen op met corrosie, welke het kader permanent beschadigt. De kogellagers worden dus geperst in een trapasbuis die verlijmd is aan het kader. Deze trapasbuis bestaat uit een koolstofcomposiet buisje. Door gebruik te maken van een koolstofcomposiet buisje wordt de belasting van de trappers gespreid over het volledige oppervlak van het hout. Deze spreiding is nodig om lokaal geen te hoge spanningen te bereiken. Om dit te toetsen heb ik een simulatie uitgevoerd van de sterktetest met belasting op een testpedaal, beschreven in ISO4210. Onderstaand rapport van de FEA toont een te hoge spanning. (een uitgebreide beschrijving van deze test is te vinden in bijlage) 77

79 Een bijkomende functie van het koolstof buisje is het opnemen van de spanningen veroorzaakt door de ingeperste kogellagers. Bij het inpersen van de kogellagers geven deze radiale spanningen. Indien ze niet opgenomen zouden worden door het koolstof buisje zouden ze het hout mogelijks doen barsten. DOORSNEDE DOORHEEN DE ZADELBUIS 78

80 Detaillering van de achtervorken De achtervorken bestaan uit een 3 lagen beukenhout (6mm-5mm-6mm), die gestoombuigd zijn, en vervolgens verlijmd. In tegenstelling tot de rest van het kader wordt hier gebruik gemaakt van beukenhout i.p.v. essen. Beuken is namelijk een gemakkelijk buigbare soort. Daardoor kunnen stoomtijden tot een minimum beperkt worden, en is ook de sterkte-reductie tot een minimum beperkt. Door gebruik te maken van 3 stukken hout, die later verlijmd worden, kan de stoomtijd nog met een factor 3 verminderd worden. (de stoomtijd is nl. evenredig met de dikte van het hout) Bovendien is er bij het stoombuigproces een grote mate van onnauwkeurigheid. Er is altijd een zekere mate van terugveren, en er is een grote spreiding in de bekomen krommingen. Door gebruik te maken van 3 lagen wordt deze spreiding uitgemiddeld en wordt een stabieler eindresultaat verkregen dan met 1 stuk hout. De sterkte van de achtervorken is getest d.m.v. een simulatie van de sterktetest met belasting op een testpedaal zoals beschreven in ISO Op volgende pagina staat het rapport van deze FEA-analyse. De spanningen blijven binnen de toelaatbare spanningslimiet. (een meer uitgebreide beschrijving van deze test is te vinden in bijlage) 79

81 80

82 Detaillering van de zadel-knoop In de zadelknoop komen 4 stukken hout samen, de bovenbuis, de zadelbuis, en 2 achtervorkbuizen. Alle drie voornamelijk op druk belast, maar de zadelbuis is bij een uit het zadel fietspositie ook op trek belast. De zadelbuis en de bovenbuis zijn met elkaar verbonden d.m.v. een vinger-lijm-verbinding. Aangezien de zadelbuis doorheen de knoop loopt is hier slechts een beperkt contactoppervlak. Een bijkomende bevestiging gebeurt via de achtervorken die zijdelings beide elementen met elkaar verbindt. Het zadel is in deze knoop van bepalend belang voor de vormgeving. Niet alleen geeft het zadel een neerwaartse belasting (door het gewicht van de fietser), maar aangezien deze belasting niet aangrijpt net boven de knoop induceert het zadel ook een moment-belasting. Dit moment kan worden ontbonden in een voorwaarts en een achterwaarts gerichte component. Beiden stellen hun eisen aan de vormgeving. De achterwaarts gerichte component grijpt aan op de bovenkant van het kader en kan worden opgenomen door een stuk hout met horizontale vezel. De bovenbuis loopt door tot aan de zadelbuis-klem, en kan daardoor deze belasting opnemen. 81 HOR. SNEDE T.H.V. ZADELSPANBOUT

83 Aan de onderkant van de zadelpen oefent de zadelpen een voorwaarts gerichte druk uit op de binnenkant van de zadelbuis. Deze druk die haaks staat op de vezels van het hout vormt een risico voor het hout om te splijten. Om het hout te behoeden tegen splijten is daarom een ingreep nodig. Mijn oplossing bestaat uit een koker gemaakt van gelamineerd hout met vezels in tangentiele richting. Hieronder geef ik een beschrijving van een dergelijke koker. Voor de koker is notenhout gebruikt vanwege de natuurlijke dimensionele stabiliteit bij veranderende vochtigheid. Tangentiele vezel koker: Hout heeft vezels die allemaal ongeveer evenwijdig lopen, en de sterkte van hout is voornamelijk in de lengte van de vezel. Dit zorgt ervoor dat hout voornamelijk in 1 richting belast kan worden. Soms hebben we materiaaleigenschappen nodig die zich niet beperken tot sterkte in 1 richting. In dit geval hebben we sterkte nodig in de volledige omtrek van het kokerprofiel om het kokerprofiel te beschermen tegen barsten. Dit kan bekomen worden door hout rond te lamineren. Daardoor lopen de vezels in tangentiele richting, en wordt het omringende hout beschermd tegen barsten. 82

84 Praktisch gezien kan dit bekomen worden op deze manier: 1. Noten-fineer met een dikte van 0.6mm wordt gesneden in repen van 2cm breed 2. Het fineer wordt door middel van hitte en stoom gebogen in spiralen. 3. Verschillende spiralen worden kruislings aan elkaar verlijmd. 4. De cilinder wordt op juiste lengte afgezaagd, en afgewerkt met een epoxy coating. 83

85 Detaillering van de pads De pads zijn het onderdeel van het fietskader waaraan de wielen bevestigd worden. De wielas gaat door de pads, en wordt vastgeklemd door middel van het opspannen van een moer. Aangezien de as in de lijn ligt van de achtervorken is er nauwelijks torsie of buigend moment. De belangrijkste materiaal eigenschap van de pads is dat ze voldoende hardheid bezitten om niet te veel ingedrukt te worden wanneer de as vastgeklemd wordt. Pads worden probleemloos gemaakt uit zowel Carbon-composiet, Aluminium en staal. De vraag blijft nog of het ook mogelijk is om de pads te maken uit hout. In onderstaande tabel heb ik de hardheidswaarden opgenomen van enkele houtsoorten en van Carbon-composiet, Aluminium en staal. De Janka hardheid-schaal is een hardheid-schaal die ontworpen is om de hardheid van hout te valoriseren, de Brinell-schaal is de meer algemene hardheid-schaal voor verschillende materialen. Brinell hardheid Janka hardheid Dennen Berken Noten Beuken Eiken Essen Buxus Carbon-composiet / Aluminium (Al 6061) 95 / Staal (chromoly) 197 / Het is meteen duidelijk dat er een significant verschil is tussen de hardheid van hout, en die van andere fietsconstructiematerialen. Toch wil ik ook in de realiteit testen of de hardheid van Hout al dan niet voldoende is om gebruikt te worden voor de Pads. Deze tests heb ik uitgevoerd met de Europese houtsoort die de grootste hardheid heeft, buxus. (zie houtkeuze via eigenschappen in deel Hout ) Het hout is tot fineer gezaagd met een dikte van 1.3 mm en vervolgens gefiguurzaagd in de vorm van de Pads met vezeloriëntaties alternerend zoals afgebeeld in de afbeelding hiernaast. Vervolgens zijn de afzonderlijke laagjes geïmpregneerd in een epoxyhars met lage viscositeit teneinde de hardheid nog meer te maximaliseren. En met dezelfde hars zijn de afzonderlijke lagen aaneen gelijmd. 84

86 Hierboven zijn foto s te zien van het resultaat. Na verlijming is het stuk opgeschuurd en hebben we de as geplaatst tussen de twee buxus pads, en de bouten opgespannen. Op bovenstaande foto s ziet u het resultaat van het aanspannen van de bouten, en het resultaat is reden voor bezorgdheid. Voor de verdere uitvoering zal het nodig zijn om voor de pads toch een materiaal te gebruiken met een hogere hardheid. Mijn voorkeur gaat uit voor koolstof-composiet vanwege het lage gewicht en de goede verlijmbaarheid. Een afbeelding van de composieten pad is hieronder te zien. 85

87 Dimensionering van de buizen De dimensionering van de buizen is enerzijds bepaald door de beschikbare maten van het gebruikte hout, en anderzijds van het ontwerp. Ruw hout wordt over het algemeen verkocht in inch-maten, en de meest courante dikte-maat van speciale houtsoorten is 1inch. (ofwel 25mm) Aangezien ik werk met het samenkleven van 2 stukken hout bekomen we zo een maximale breedte van 50mm. Dimensionering van de zadelbuis: In de zadelbuis moet de zadelpen passen, de binnendiameter is dus vooraf bepaald door de diameter van de zadelpen. Zadelpennen bestaan weliswaar in verschillende diameters, maar ik gebruik de meest courante maat: 31.6 mm. Bovenaan wordt de zadelbuis beschermd tegen splijten d.m.v. een tangentiele-vezel-koker van 4 lagen fineer met een wanddikte van 3mm. Daarrond komt de eigenlijke zadelbuis. Dimensionering van de bovenbuis en onderbuis. Onderbuis en bovenbuis zijn samen gedimensioneerd, in een iteratief proces van een groot aantal FEA-simulaties van sterktetesten, aanpassingen aan het model, en opnieuw simulaties van sterktetesten. 86

88 Besluit Deze masterproef is niet alleen een oefening in het uitwerken van een ontwerp maar ook een ontwerpmatig onderzoek naar stuctureel houtgebruik. Zonder enig thema in diepte te behandelen geeft dit werk een overzicht van dié informatie die het meest relevant is om hout op een structurele en lichtgewicht manier te gebruiken. In deel 2: Hout bespraken we de sterkteeigenschappen van hout, en vergeleken we die met de sterkteeigenschappen van andere materialen. Opvallend was de grote sterkte per gewicht 27 en daardoor rees de vraag of het met hout mogelijk zou zijn om ook lichtgewicht fietsen te maken. We bespraken de moeilijkheden die gepaard gaan met de grote spreiding van de sterkte tussen verschillende stukken hout. En we kozen ervoor om een aangepaste methode te gebruiken om de sterkte van het gebruikte hout te testen, een methode die vroeger ook gebruikt werd voor sterktebegroting van vliegtuigconstructiehout. 28 Deze methode heeft het mogelijk gemaakt om hout te selecteren met een hoge en betrouwbare kwaliteit. Er moet wel opgemerkt worden dat bij deze methode enkel het beste hout gebruikt wordt, en imperfecties niet getollereerd worden. Dit maakt deze methode erg bruikbaar voor houtsoorten die van nature zeer regelmatig zijn. Bij houtsoorten met een minder regelmatige structuur is er daarentegen een grote hoeveelheid hout dat niet bruikbaar is, en gedegradeerd wordt tot brandhout. Dit was bij het gebruikte essenhout het geval. We bespraken de verschillen tussen verschillende houtsoorten en hun toepassingen. Uit deze vergelijking bleek dat er voor elke toepassing steeds een houtsoort bestaat die het meest geschikt is. We kozen ervoor om voor dit ontwerp gebruik te maken van verschillende houtsoorten. Essen voor het merendeel van het fietskader vanwege zijn hoge sterkte en veerkracht. Beuken voor de gebogen onderdelen, en noten voor de plaatsen waar vormstabiliteit wenselijk is 29. Het orthotrope karakter is één van de meest bepalende eigenschappen van hout. In dit onwerp is gekozen voor een aantal technieken om hiermee om te gaan. Ten eerste maken we gebruik van vingerverbindingen op de plaatsen waar stukken hout met een andere vezeloriëntatie aan elkaar raken 30. Op deze manier wordt een groot contactoppervlak gecreëerd waar de spanningsoverdracht kan gebeuren. In de achtervorken stoombuigen we het hout om een gebogen vorm te verkrijgen met doorlopende vezels 31 en in de zadelbuis gebruiken we rondgelamineerd hout om het hout te behoeden tegen splijten. 32 Aangezien er over de sterkte van houten fietskaders weinig bekend is, maakte ik de keuze om het ontwerp te modelleren, en te onderwerpen aan simulaties van sterktetests, en stijfheidstest. Hiervoor werkte ik met een parametrisch model, en FEA-simulaties. Deze benadering heeft me in staat gesteld om het ontwerp te verfijnen. Het werd zichtbaar hoe de buizen van het kader best konden gedimensioneerd worden. Daarenboven hebben de FEA-simulaties me veel vertrouwen 27 Sterk als hout, p Sterkte-eigenschappen van hout, p Houtgebruik, p Bevestigingstechniek bij hout, verlijming, p Detaillering van de achtervorken, p Detaillering van de zadelknoop, p

89 gegeven in het ontwerp. Voor de eenvoud van modellering heb ik er in dit werk voor gekozen om de FEA simulaties uit te voeren als een isotroop materiaal. Deze vereenvoudiging is mogelijk indien rekening gehouden wordt met een aantal beperkingen. 33 Deze vereenvoudiging zou ik in volgende projecten niet meer gebruiken om op die manier een nog betere benadering van de realiteit te bekomen. De FEA analyses van verschillende stijfheidstests hebben aangetoond dat het ontwerp zich zeer stijf gedraagt. 34 Een stijf fietskader geeft de beste prestaties aangezien de krachten die de renner uitoefent op de pedalen op die manier het meest efficiënt gebruikt worden. Deze hoge stijfheid is bekomen door de grote buisdiameters en wanddiktes. Voor de sterkte is het vanwege de lage absolute sterkte van hout nodig gebleken om de buisdiameters en wanddiktes groter te dimensioneren dan andere fietsconstructiematerialen. 35 Een kleine toename in diameter geeft een grote toename in sterkte. De sterkte is namelijk in de 3 e macht evenredig met de diameter. Aangezien de stijfheid in de 4 e macht evenredig is met de diameter bekomt het fietskader een grote stijfheid. Gewicht is één van de belangrijke eigenschappen van een fietskader, en het was ook een ontwerpintentie om een fietskader te ontwerpen met een laag gewicht. Tijdens het ontwerp is getracht om met een zo laag mogelijk gewicht toch voldoende sterke resultaten te verkrijgen van de FEA analyses. Op die manier is het gewicht van het kader begroot op een gewicht van 1632g. (rekenend met een massadichtheid van 689 kg/m 3 ) Als we dit gewicht vergelijken met de carbon (891g), aluminium (1447g) en staal (1921g) 36 kunnen we tevreden zijn over het bekomen resultaat. Hout zal weliswaar nooit het gewicht van carbon kunnen evenaren, maar het gewicht is aanvaardbaar en zelfs lichter dan staal. 33 Eindige elementen analyse, p Test 1: Laterale stijfheidstest, p. 93 en Test 2: Rinard-test, p Test 3: Vermoeiingstest met belasting in de lengterichting van het kader, p.97 en Test 4: Vermoeiingstest met belasing op een testpedaal, p Testresultaten van verschillende materialen voor de TOUR test, p

90 Eindbeschouwingen Dit ontwerp is enorm leerrijk geweest voor mij, en ik hoop dat u ook iets gehad hebt aan het lezen van dit verslag. Voor mij is de gevolgde weg minstens even belangrijk als het eindresultaat, en daarom wil ik deze masterproef besluiten met enkele persoonlijke eindbeschouwingen. Het was mijn ambitie om met mijn kennis en vaardigheden die vooral aan Architectuur gelinkt zijn een ontwerp te maken van een houten fietskader en ook de uitvoering ervan te doen. Architectuur en houten fietsen omarmen elkaar in enkele gemeenschappelijke thema s: structuur, materiaalkennis, ontwerp,... Door deze masterproef heb ik dan ook vaardigheden ontwikkeld, en kennis opgedaan die in het veld van de architectuur hun nut zeker bewijzen. Uiteraard heb ik veel bijgeleerd over hout, en hout als constructiemateriaal. Ook ben ik blij dat ik heb leren werken met software voor het ontwikkelen van parametrische modellen, software voor het uitvoeren van eindige elementen analyses. Ik heb het gevoel dat deze vaardigheden een mooie aanvulling zijn op de klassieke architectuur-vaardigheden, en dat deze ook van pas kunnen komen in het veld van de architectuur. Gedurende de periode dat ik aan dit eindwerk gewerkt heb, heb ik veel bijgeleerd over zowel hout, als uitvoeringstechnieken, als fietstechnologie. Drie thema s waarin ik voor het aanvatten van deze masterproef een volledige leek was. Veel van mijn tijd en inspanning is dan ook gegaan naar het bijleren over deze thema s. En zoals het wel vaker gaat merk je pas achteraf hoe weinig je er vooraf van wist. Ik heb bij het aanvatten van dit werk zeker dit deel van de uitdaging onderschat. Daarentegen ben ik wel zeer tevreden dat ik deze kennis opgedaan heb. Het was één van mijn belangrijkste intenties om bij te leren over hout. Het is voor mij heel interessant geweest om op deze manier over hout te leren aangezien ik zowel de theoretische kennis als de praktische ervaring met hout heb kunnen combineren. Hoewel er veel onderzoek naar hout gebeurt, blijft hout een materiaal waar de ingenieur maar weinig vat op krijgt. Bijvoorbeeld verschillen sterktegegevens van houtsoorten in grote mate wanneer je de cijfers van verschillende bronnen met elkaar vergelijkt. Hout is en blijft en materiaal waarbij vakmanschap een grote rol speelt. Dit jaar heb ik niet alleen veel fouten gemaakt tijdens de uitvoering, maar daardoor ook heel veel bijgeleerd over de manier waarop houten objecten uitgevoerd worden, en best ontworpen kunnen worden. De keuze om zowel uitvoering als ontwerp te doen heeft in grote mate bijgedragen tot een vollediger kennis over hout, en ontwerptechnieken voor hout. 89

91 Bibliografie Voor wie meer interesse heeft in één van de thema s volgt hier een zeer beknopte bibliografie. 1. Fietsen 1.1. Algemeen -WILSON David Gordon, Bicycling science, MIT Press, GLASKIN Max, Cycling science: How rider and machine work together, University of Chicago press, Geschiedenis -ROBERTS Derek, Cycling history-myths and queries, pinkerton press, Birmingham, CLAYTON Nick, early bicycles, Princes Risborough, Shire, WILSON David Gordon, Human muscle power in history, 1.3. Fietsmaterialen -WILSON David Gordon, SALEH Tarik, the influence of materials developments on the design and construction of early cycles, Testen ISO 4210, 2012 EN 14766, FEA -PETERSON R. E., LONDRY Kelly J., Finite element structural analysis: a new tool vor bicycle frame design, bike tech 5, nr 2, Hout 2.1. Algemeen -Houtvademecum, SDU, Den Haag, Centrum hout, Timber engineering step 1+2, Salland de lange, Deventer, Wood handbook, Forest products laboratory, Madison, Vinger verbinding - JOKERST Ronald W., Finger Jointed wood products, Forest products laboratory, Madison, MADSEN B., LITTLEFORD T.W., Finger joints for structural usage, Forest Products Jounal 12: 68-73, Verlijming -M. L. SELBO, Adhesive bonding of wood, Technical Bulletin Nr. 1512, Washington FRIHART Charles R., HUNT Christopher G., Adhesives with Wood Materials, Technical Report FPL GTR 190, hoofdstuk 10,

92 2.4. Vermoeiing -CLORIUS Christian Odin, Fatigue in Wood, An investigation in tension perpendicular to the grain, Danmarkse tekniske universitet, 2002, ISBN Stabilisatie van hout -ROGER M. ROWELL, ROBERT L. YOUNGS, Dimensional stabilization of wood in use, Forest Products Laboratory, MITCHELL H.L., How PEG helps the hobbyist who works with wood, Forest Products Laboratory, Hout buigen -PECK Edward C, Bending solid wood to form, Forest Products Laboratory, KEYSER William Jr., Bending Wood,

93 Bijlagen 1. Fea analyses 1.1. Laterale stijfheidstest (p.93) 1.2. Rinard-test (p.96) 1.3. Vermoeiingstest met belasting in de lengterichting van het kader (p.97) 1.4. Vermoeiingstest met belasting op een testpedaal (p.106) 2. Infofiches van de gebruikte houtsoorten 2.1. Noten (p.110) 2.2. Essen (p.111) 2.3. Buxus (p.112) 2.4. Beuken (p.113) 3. Sterktetesten van het gebruikte hout (p.115) 4. Productfiche van de gebruikte lijmsoort (p.116) 5. Lijst houten fietsen (p.119) 92

94 FEA analyses: Test 1: Laterale stijfheidstest (TOUR-test) OPSTELLING LATERALE STIJFHEIDSTEST Deze test bestaat uit een verticale belasting op een stijve (stalen) testvork. Het fietskader is ingeklemd ter hoogte van de achtervork, en heeft een puntoplegging in het midden van de stuurbuis. (cf. opstelling laterale stijfheidstest) Het resultaat van deze test is een waarde die de stijfheid van het kader uitdrukt (in Nm/ ). De waarde kan worden berekend door: Laterale stijfheid=.., (in Nm/ ) Met d de verticale vervorming op het einde van de testvork. Voorbeeldanalyse Ter illustratie van deze test heb ik een stalen kader gemodelleerd volgens gangbare maten, en met gangbare afmetingen van de buizen. diameter dikte Onderbuis: Bovenbuis: Stuurbuis: Zadelbuis: achtervorken:

95 Dit kader is belast op het uiteinde van de stalen testvork met een zijdelingse kracht van 100N, de afstand van het midden van de voorbuis tot het einde van de testvork is 0,46m. De resultaten van de test tonen de vervorming op elke plaats van het model. Voor deze test zijn we enkel geïnteresseerd in de verplaatsing aan het uiteinde van de testvork aangezien deze ons een aanduiding geeft van de stijfheid van het kader. LATERALE STIJFHEIDSTEST OP EEN STALEN KADER Gebruik makende van de formule voor laterale stijfheid: Laterale stijfheid=.., =100 * 0,46 2 * / 0,00515 = 72 Nm/ Deze waarde komt goed overeen met de typische waarden van laterale stijfheid. (cf. Hoofdstuk Empirische vergelijking van stijfheidswaarden uit deel 1) Testwaarden op stalen kaders schommelden rond de 70 Nm/ 94

96 TOUR-test op een houten kader Wanneer de test uitgevoerd wordt op een houten frame is voor de FEA een kleine aanpassing nodig aan de testopstelling. De eindige elementen test wordt namelijk berekend als één materiaal, waardoor ook de testvork berekend wordt als hout. Aangezien hout veel minder stijf is als staal gedraagt de testvork zich niet als een stijf element. (zie linkse afbeelding) Voor de modellering met hout als materiaal vervangen we de testbelasting op het einde van de testvork door zijn corresponderende belasting op de boven- en onderkant van de stuurbuis. Met bovenaan: F b = F L/ h F/2 (in dit geval 400N) En onderaan: F o = F L/ h + F/2 (in dit geval 500N) Met h de lengte van de stuurbuis. De aflezing van de doorbuiging gebeurt d.m.v. een staafje dat verbonden is aan de voorbuis maar onbelast blijft. De rechter afbeelding toont het resultaat van de FEA, met een doorbuiging van mm op het einde van de staaf. De laterale stijfheid wordt berekend door Laterale stijfheid =.., = 420Nm/ Meteen valt het grote verschil op tussen het resultaat voor een stalen kader, en het resultaat voor het houten kader. (420 vs. 72) Deze grote stijfheid van hout hadden we reeds voorspeld in het hoofdstuk analytische vergelijking van verschillende materialen voor een fietskader van deel 1, en wordt hier bevestigd door de FEA. Deze hoge stijfheid is voor de prestaties van het kader een pluspunt. Evt. zouden de dimensies van het kader nog kunnen worden aangepast (kleinere diameter van de buizen, kleinere wanddikte), maar we zullen in volgende tests zien dat deze grotere dimensies nodig zijn voor de sterkte van het kader. 95

97 Test 2: Rinard-test Voor de uitvoering van de Rinard-test wordt de bracket (of trap-as-buis) ingeklemd. De vervorming wordt gemeten ter hoogte van de achter-as bij een belasting van 21.6 kg aan de achter-as. Deze vervorming (in mm) is een maat voor de bracket-stijfheid. Hoe lager de vervorming, hoe hoger de stijfheid. Bovenstaande afbeelding toont het resultaat van de Rinard-test op een stalen kader: 3,55mm. Dit komt overeen met de resultaten die we besproken hebben in Deel 1: Fiets. Daarin bekwamen we als gemiddelde voor de stalen kaders : 3,73 mm Onderstaande afbeelding toont het resultaat van dezelfde test op een houten kader: 2,91 mm. Het houten kader is met andere woorden stijver dan het stalen kader (en aluminium: 3,39 mm.) Deze hoge stijfheid komt het rijcomfort van de fiets ten goede. 96

98 Test 3: Vermoeiingstest met belasting in de lengterichting van het kader. Deze test is beschreven in ISO Het betreft een vermoeiingstest waarbij het fietskader onderhevig is aan cycli van een alternerende voorwaarts en achterwaarts gerichte kracht van 600N op de voorvork of een testvork. Deze testvork is een stijve stalen staaf. Aangezien essenhout een goed elastisch materiaal is, kan deze vermoeiingstest benaderd worden door een enkelvoudige statische test waarbij gerekend wordt met de vermoeiingssterkte i.p.v. de breuksterkte. Voor de FEA-analyses gebruik ik 3 verschillende modelleringswijzen. Deze stemmen allemaal overeen met de originele test, maar zijn om praktische redenen verschillend gemodelleerd. 97

99 Voorbeeldanalyse van test 3 op stalen frame. Deze test heb ik uitgevoerd op het model van een stalen frame om ietwat een referentie te hebben bij een ander materiaal. De fiets is gemodelleerd volgens gangbare maten, en met gangbare afmetingen van de buizen. Diameter (mm) Dikte Onderbuis Bovenbuis Stuurbuis Zadelbuis Achtervorken De resultaten tonen de hoogste spanningen ter hoogte van de stuurbuis. De maximale spanning bedraagt 115N/mm 2, ofwel ongeveer de helft van de vermoeiingssterkte van het staal. 98

100 Testresultaten van test 3 op een houten frame, met enkel kogellager contact Deze test is uitgevoerd op een houten kader met als doelstelling om de spanningen te visualiseren die de kogellagers op het kader overbrengen. Het is namelijk zo dat alle sollicitaties van de voorvork doorheen de kogellagers overgebracht worden op het kader. Aangezien het contactoppervlak tussen kogellagers en fietskader klein is zijn er problemen te verwachten met de vrij lage sterkte van hout. In tegenstelling tot de vorige test wordt de belasting rechtstreeks (zonder testvork) aangebracht op de kogellagers. Deze zijn slechts half uitgevoerd om enkel een drukbelasting te bekomen. Met L= 0,36 en h=0,090 zijn de krachten volgens de hierboven gegeven formules 3000N op de onderkogellager, en 2400 op de bovenste kogellager. TESTRESULTAAT MET KOGELLAGERCONTACT De lokale hoge spanningen (1/3 van de breukspanning) zijn het directe gevolg van de kleine dimensies van de kogellagers. Rekening houdend met de veiligheidsfactor, en correctiefactor voor niet-evenwijdige belasting (samen een factor 10) kan geconcludeerd worden dat de sterkte onvoldoende is en sterkteproblemen te verwachten zijn. 99

101 Testresultaten van test 3 op een houten frame met gespreide belasting In tegenstelling tot de vorige test gaan we er nu van uit dat belastingen van de voorvork worden overgedragen op een stijf element, in dit geval een koolstof-composiet-buis. In vorige test was namelijk te zien dat een rechtstreekse belasting via de kogellagers te hoge lokale spanningen veroorzaken. Door het gebruik van dit koolstof buisje wordt de spanning gespreid. Voor de modellering wordt de gespreide belasting aangebracht op de voorkant van de stuurbuis. De grootte van de belasting kan worden berekend aan de hand van de krachten die werken op de kogellagers. KRACHTEN OP KOGELLAGERS GESPREIDE BELASTING De totale grootte van de verdeelde last is: 3 h +3 2 Aangezien de krachten op de kogellagers niet even groot zijn, bevindt het punt waar de belasting 0 is zich op een afstand van de bovenkant van de stuurbuis die gelijk is aan: h 2+h 100

102 De belasting wordt als volgt gedefinieerd in Solidworks Simulation. Ten eerste wordt een assenstelsel gedefinieerd met nulpunt gelegen op een afstand van de bovenkant van de stuurbuis van: = 40mm Een totale last van 8300N wordt verdeeld over het oppervlak volgens: F=aX (met a een constante afhankelijk van de totale belasting) 101

103 Bij deze tests zijn de lokale verschijnselen ten gevolge van het kogellagercontact verdwenen. De maximale spanning is bijgevolg ook gedaald. Hierdoor is de berekende spanning een factor 5.5 lager dan de breukspanning. Dit lijkt veel, maar we hebben de gecombineerde veiligheidsfactor en correctiefactor voor niet evenwijdige belasting vastgelegd op 10. Bijkomende aanpassingen aan het model zijn met andere woorden aangewezen. 102

104 Doordat het model parametrisch opgebouwd is kan het op eenvoudige manier aangepast worden. de resultaten van de eindige-elementen-test dienen hierbij als leidraad. Voor Na Aangezien vooral hoge spanningen waren aan de boven en onderzijde van de onderbuis is deze verdikt aan de boven en onderkant. Deze verdikking van de sectie heeft een direct resultaat op de sterkte van het kader. De FEA geeft dan ook betere resultaten na aanpassing. Deze maximale spanning van 8.88N/mm 2 is voldoende laag, m.n. vermenigvuldigd met de veiligheidsfactor, en correctiefactor voor niet evenwijdige belasting (samen 10) is deze spanning nog steeds inferieur aan 94 N/mm

105 Vergelijking van de sterkte van verschillende vormgevingen van de voorhoek. In deze test vergelijken we 3 vormgevingen van stuurbuis-knoop. Afgezien van de detaillering van de knoop zijn de kaders voor de rest identiek gemodelleerd, gelijke geometrie, gelijke buisafmetingen, en gelijke wanddiktes. De testopstelling is identiek aan deze die beschreven is voor de vorige test. De testresultaten zijn afgebeeld op volgende pagina, en zijn over het algemeen vrij gelijkaardig. Ze verschillen hierin dat bij de ene vormgeving hogere spanningen worden bereikt dan bij de andere. Onze interesse gaat uit naar de vormgeving waarbij de laagste spanningen optreden: vormgeving 3. Vormgeving 1 Vormgeving 2 Vormgeving 3 104

106 Testresultaat van vormgeving 1 Testresultaat van vormgeving 2 Testresultaat van vormgeving 3 105

107 Test 4: vermoeiingstest met belasting op een testpedaal Deze test is beschreven in ISO Het is een sterktetest die bedoeld is om de sterkte van de achtervorken te testen. Zoals we reeds gezien hebben is de andere vermoeiingstest (met belasting in de lengterichting van het kader) vooral een test voor de voorkant van het kader. Deze test toetst vooral de achterkant van het kader. De testopstelling is zoals onderstaande afbeelding met een ingeklemde voorvork, en een ondersteunde, maar beweeglijke achtervork. Het kader wordt belast op een testpedaal die verbonden is met de achter-as door middel van een trekstang. De last van 1100N wordt afwisselend aangebracht op de linkse en de rechtse testpedaal. Met: L = 175 mm Rw= 311 mm Rc= 75 mm F1= 1100N Net als vorige test zullen we deze vermoeiingstest benaderen door een statische test, rekenend met de vermoeiingwaarde voor de sterkte. 106

108 Deze test is gemodelleerd in Solidworks Simulation d.m.v. een hulpcilinder doorheen de trapas-buis met een lengte van 100mm. Op dit hulpstuk grijpen alle krachten aan. Deze krachten zijn ontbonden in hun langse, dwarse, en verticale componenten, bij een belasting op de rechter testpedaal: En bij een belasting op de linker testpedaal: De belasting door de trekstang grijpt aan op de achter-as d.m.v. het vlakje dat daarvoor gemodelleerd is in het model. De kracht die hierop aangrijpt is 1633N bij belasting op de rechterpedaal, en 2005N bij belasting op de linker pedaal. 107

109 Testresultaten van test 3 met belasting op de linkerpedaal Testresultaten van test 3 met belasting op de rechterpedaal De hoogste spanningen treden op in de achtervorken, en zijn ongeveer een factor 4.5 kleiner dan de breukspanning. Voor de achtervorken wordt een globale veiligheidsfactor gehanteerd met een waarde van 2 en een correctiefactor voor de effecten van het stoombuigen met een waarde van 1,5. De sterkte is m.a.w. voldoende groot. 108

110 Wanneer we deze test uitvoeren met enkel kogellagercontact merken we te hoge spanningen ter hoogte van de kogellagers, het is maw. nodig om de belasting te spreiden en een hulpstuk te gebruiken. 109

111 Infofiches van de gebruikte houtsoorten Hieronder geef ik ter inzage de gegevens weer van enkele houtsoorten die later voor het ontwerp gebruikt zullen worden. De data zijn overgenomen uit het Houtvademecum. Noten Draad: Recht, soms warrig of golvend Nerf: Fijn tot matig grof. Werken: Matig. Krimp nat 12%, rad. 3%, tang. 5.5% Bewerken: Noten is met de hand en machinaal goed te bewerken en glad af te werken. Ook is het goed te draaien en uitstekend tot fineer te snijden. Lijmen: Goed. Buigen: Rechtdradig hout is zeer goed te buigen Oppervlakafwerking: Goed Bijzonderheden: Blauwzwarte verkleuringen ontstaan als noten onder vochtige omstandigheden met ijzer in contact komt. In sommige landen wordt het door versneld drogen donkerder geworden spint met het kernhout samen verwerkt. Het spint wordt echter zeer gemakkelijk door insecten aangetast. Toepassingen: Als fineer, triplex en ander plaatmateriaal toegepast voor meubelen en betimmeringen, radio-, televisie-, en pianokasten. Verder voor draaiwerk, beeldhouw- en snijwerk, muziekinstrumenten, lijsten, knoppen, geweerkolven, enzovoort. Duurzaamheidsklasse: 3 110

112 Essen Draad: Recht, soms golvende draad Nerf: Grof. Werken: Groot. Krimp nat 12%, rad. 2.3%, tang. 4.9% Bewerkbaarheid: Goed. Lijmen: Goed Buigen: Zeer goed. Oppervlakafwerking: Goed. Toepassingen: Taai en sterk essen met een groeiringbreedte van 2.5-4mm kan worden gebruikt voor talloze doeleinden waarvoor deze eigenschappen belangrijk zijn. Bijvoorbeeld: sportartikelen als tennisrackets, hockey-, polo- en golfstokken, wicketpaaltjes, ski s, rekstokken, turnbruggen, sulkybomen, speren, schaatsen, springplanken, biljartkeus, bobsleden, enzovoort. Ook wordt taai essen gebruikt voor laddersporten, stelen van gereedschappen (bijlen, hamers, hooivorken, houwelen, en dergelijke), roeiriemen en roerpennen. Blank en mild essen wordt toegepast voor betimmeringen en meubelen en voor parketvloeren. Voor parket is blank hout gewenst. Olijfessen en blank essen wordt veel toegepast als dekfineer voor triplexwandplaten. Wat Europees essen betreft, geldt in het algemeen het volgende: Frans essen is taai en gelijkmatig van structuur en wordt speciaal voor meubelen en turnartikelen gebruikt. Belgisch essen is soms wat onregelmatig gegroeid en wordt gebruikt voor meubelen, sportartikelen, roeiriemen, laddersporten, stelen van schoppen, bijlen en andere gereedschappen, verder voor roeiriemen en gymnastiektoestellen. Pools en Slavisch essen wordt, in verband met de regelmatiger groei, voor meubelen en betimmeringen gebruikt. Het is wat brosser. Het blanke essen komt uit de staat Georgia van de Verenigde Staten. Duurzaamheidsklasse: 5 111

113 Buxus Draad: golvende tot rechte draad Nerf: Zeer fijn Werken: Groot. Krimp nat 12%, rad. 2.3%, tang. 4.9% Bewerkbaarheid: Matig tot goed Lijmen: Goed Buigen: goed. Oppervlakafwerking: Goed. Toepassingen: Vroeger werd buxushout in Spanje gebruikt voor o.a. castagnetten, in Frankrijk om er schoenleesten voor de schoenmaker mee te vormen en voor flessenpropmachines. Daarnaast ontstonden kruisbeeldjes, schaakfiguren, rozenkransen, mesheften, kleine vorkjes en lepels. Weefspoelen uit buxus werden vooral in Engeland gebruikt. Daartoe importeerde Engeland in de 19e eeuw duizenden tonnen buxushout uit de Kaukasus. In Duitsland heeft men beweerd dat men er golfballen van kon draaien en zelfs wielen van rolschaatsen. buxus wordt o.a. ook gebruikt voor de staven in rondsels van windmolens. In de baroktijd werden er in Nederland, Engeland, Frankrijk en Duitsland houtblaasinstrumenten uit vervaardigd, vooral barok hobo's, traverso's en blokfluiten. Tegenwoordig zijn er weer vele professionele bouwers die graag op verzoek een handgemaakt instrument uit deze - om de specifieke klank gewaardeerde houtsoort - vervaardigen. Deze instrumenten zijn vaak kopieën van de originele instrumenten waarop nauwelijks nog gespeeld kan of mag worden. Tegenwoordig worden in Frankrijk, Nederland en in Duitsland hieruit ook blokfluiten geproduceerd, zoals de Romeinen schijnbaar reeds deden. Duurzaamheidsklasse: 3 112

114 Beuken Draad: Recht, soms golvend. Nerf: Fijn, gelijkmatig. Werken: Groot. Daarom wordt aanbevolen de droogtegraad van het hout bij verwerking zeer goed aan te passen aan de relatieve vochtigheid van de omgeving waarin het wordt toegepast. Gestoomd beuken is wat stabieler dan ongestoomd beuken. Krimp nat 12%, rad. 2.2%, tang. 5.9 Bewerkbaarheid: De bewerkbaarheid wordt beïnvloed door volumieke massa en groeiomstandigheden. Beuken kan, zowel met handgereedschappen als machinaal, goed bewerkt worden. Bij gebruik van niet te scherp gereedschap bestaat kans op brandvlekken op het bewerkte oppervlak. Lijmen: Goed Buigen: Zeer Goed Oppervlakafwerking: Goed. Bijzonderheden: Beuken is een van de meest gebruikte en bekende loofhoutsoorten van onze industrie. Het is kleuren smaakloos waardoor het in contact met voedingsstoffen geen problemen oplevert. Daarvoor gevoelige personen kunnen huidaandoeningen krijgen door contact met vers beuken. Ook kan langdurig inademen van grote hoeveelheden houtstof astmatische verschijnselen veroorzaken. Er zijn van beukenhout afgeleide producten op de markt die zijn verkregen door massief beukenhout of een aantal fineerlagen, al of niet met bepaalde stoffen geïmpregneerd, bij 115 C onder een druk van

115 atmosfeer te brengen. Hierbij wordt het hout aanzienlijk samengeperst. De volumieke massa wordt daardoor verhoogd en de mechanische eigenschappen stijgen. In de handel bekend onder de namen Lignostone, Delignit, Panzerholz, enzovoort. Toepassingen: Vele toepassingen voor producten waar de duurzaamheidsklasse van het hout geen rol speelt. Een uitzondering hierop zijn dwarsliggers die worden verduurzaamd. Doordat het hout zich prima laat buigen, zonder stuik, is het een van de meest gebruikte houtsoorten voor gebogen werk, randen en leuningen. Verder wordt het gebruikt voor triplex, boxen, traptreden, dwarsliggers, riemschijven, gereedschappen (schaven enzovoorts), sigarenpersblokken, vele huishoudelijke voorwerpen zoals broodplanken, ijsstokjes, satéstokjes, lepelrekken, borstels, kastjes, en bakken, speelgoed, meubelen, stofdorpels, pallets, gymnastiekvloeren, parket- en strokenvloeren, keukentrappen, enzovoort. Samengeperst beuken wordt gebruikt voor weefspoelen, tandwielen, slaglatten, kogelvrije en inbraakvrije deuren, industriële glijbanen, speciale vloeren, enzovoort. Ongestoomd beukenhout wordt gebruikt voor binnenwerk van meubelen, stoffeerwerk, rompen, enzovoort. Duurzaamheidsklasse: 5 114

116 Sterktetesten op het gebruikte hout 1 Visuele controle De visuele controle is gebeurd door eerst het hout te schaven, waarna de macroscopische structuur duidelijk zichtbaar wordt. Hout dat noten bevat, of waarvan de vezels niet evenwijdig lopen met de lengterichting van de plank kunnen niet gebruikt worden. Hiernaast is een stuk hout te zien dat om die reden niet weerhouden is. 2 Controle van de massadichtheid. Ter controle van de massadichtheid heb ik een stuk hout afgezaagd met dimensies. 102mm. x 74mm. x 25.4 mm.= 1,918 dm3 Het gewicht van dit stuk hout is 1410g. Daarmee wordt de massadichtheid berekend: 735kg /m3 Deze ligt hoger dan de referentiewaarde 689 kg/m3 en is dus voldoende hoog om gebruikt te worden. 3 Breuktest De breuktest is uitgevoerd gebruik makende van een opstelling zoals in nevenstaande afbeelding. Ik heb gebruik gemaakt van een houten latje met afmetingen: B=15,3mm. D=25,2mm. De lengte van de inklemming tot de last was: L=1500mm. De last bestond uit een emmer die ik geleidelijkaan vulde met water. Na breuk werd de massa van de emmer water gewogen. Deze was gelijk aan: W= 12,4 kg = 122N Daarmee werd de breukspanning berekend: Spanning=.. = 113N/mm2 Deze breukspanning is hoger dan de rekenwaarde die gebruikt is voor dit ontwerp, en is dus bruikbaar. 115

117 Productfiche van de gebruikte lijm 116

118 117

119 118

120 Lijst met producenten en designers van houten fietsen Gary Galego Ghisallo Thonet Sanomagic 119

121 Renovo Bough Fritch associés Axalko 120

122 Arndt Menke Waldmeister Rafaello Ape Lagomorph 121

123 Woodelo BSG bikes Connor Woody 122

124 123 Yojiro Oshima

125 Bamboe-fiets-kader-producenten Boo bicycles Calfee Blackstar 124