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Text File  |  1996-04-27  |  15KB  |  292 lines

  1. Balsawood Structure Design
  2.  
  3.  
  4. 1. Introduction:
  5.  
  6. This report is the first stage of the design, construction and testing
  7. of a balsa wood structure.  In April, the design will be tested against
  8. classmatesÆ designs, where the design with the highest load/weight ratio
  9. wins.  The information gained from this report will be used in the
  10. construction of the structure.  The report is composed of two sections. 
  11. The first is an evaluation of material properties of balsa, glues and
  12. different joint configurations.  The second section consists of a
  13. discussion on a preliminary design that is based on conclusions drawn
  14. from the testing section. 
  15.         Common material tests of tension, compression and bending were
  16. performed and analyzed.  The qualities of three different adhesives were
  17. tested and evaluated, and finally, three different joint configurations
  18. were tested.  Illustrations of each test setup are included.  Whenever
  19. possible, qualitative results will be given as opposed to strictly
  20. quantitative values.   A qualitative result is much more useful in
  21. general design decisions.  Experimental results from the testing stage
  22. combined with experiences is working with the materials offered  clues
  23. for the preliminary design.  
  24. The design section mixes both practical and experimental experience
  25. together to present the best possible solution for the structure.  It
  26. also offers additional insights that were not considered in the initial
  27. material testing procedure.  The design presented  in the this section,
  28. is likely to be similar the final model, however modifications may be
  29. needed for the final design that were unforeseeable at the time of this
  30. report.
  31. This report generally functions as a guide for the construction stage of
  32. the  project.  Its role is to provide useful information and a basis for
  33. the final design.  Before the final design is tested, prototypes will be
  34. constructed to test the principles discussed in this report.  The goal
  35. of this report is to combine the results from testing and experience to
  36. produce a working preliminary design.
  37.  
  38. 2. Material Testing
  39.  
  40. All standard testing was performed on the Applied Test System located in
  41. room XXXXXXXXXXXXXX.  The goal of this section is to determine the
  42. material strengths of balsa, and how balsa responds to different
  43. loading.  Before testing, the basic structure of balsa needs to be
  44. considered.  Wood grain is composed of bundles of thin tubular
  45. components or fibers which are naturally formed together.  When loaded
  46. parallel to this grain, the fibers exhibit the greatest strength.  When
  47. loaded perpendicular to the grain, the fibers pull apart easily, and the
  48. material exhibits the least strength. 
  49. Generally, for design considerations, the weakest orientation should be
  50. tested.  However, testing procedure called for testing of the material
  51. in the greatest strength orientations; torsion and compression, parallel
  52. to the grain, and bending with the shear forces perpendicular to the
  53. grain. Testing the materials for their "best direction" characteristics
  54. can produce results that are not representative of real behavior.  To
  55. expect uniform stress distributions and to predict the exact locations
  56. of stresses prior to testing prototypes is generally not a good idea. 
  57. However the values obtained from these tests can give a general idea of
  58. where the structure may fail, and will display basic properties of the
  59. material.
  60.  
  61. Tension Test
  62.  
  63. In tension testing, it is important to have samples shaped like the one
  64. in Figure 1, or the material may break at the ends where the clamps are
  65. applied to the material. Failure was defined to occur when the specimen
  66. broke in the center area, and not near the clamps.  The machine records
  67. the maximum load applied to the specimen and the cross sectional area
  68. was taken of the central area prior to testing.  These two values are
  69. used to compute the maximum stress the material can withstand before
  70. failure.
  71.  
  72.  
  73. Figure 1: Sample Torsion Specimen
  74.  
  75.         In general, the material failed at the spaces with the smallest
  76. cross-sectional areas, where imprecisions in cutting took place or the
  77. material was simply weaker.  It took many tests to get breaks that
  78. occurred in the center section instead of at the ends, perhaps with an
  79. even smaller center section this would have been easier.  It should also
  80. be noted that two different batches of balsa were tested and there was a
  81. notable discrepancy between the results.  
  82.  
  83. Table 1: Tension Tests Results
  84. Specimen #      Strength (psi)
  85. 1       1154
  86. 2       1316
  87. 3       1830
  88. 4       1889
  89.  
  90. Specimens 3 and 4 were from a different batch of balsa and were thicker
  91. pieces in general, although thickness should have had no effect on
  92. maximum stress,  it is assumed that the second batch simply has a
  93. greater density than the first one, or perhaps that it had not been
  94. affected by air humidity as much as the first batch. (See the design
  95. concepts section for more discussion of moisture content in the
  96. specimens.)
  97.  
  98. Compression
  99.  
  100.         Compression testing was also performed parallel to the woodÆs grain
  101. (See Figure 2).  The specimen used must be small enough to fail under
  102. compression instead of buckling.  For analysis of compression tests,
  103. failure was defined as occurring when little or no change in load caused
  104. sudden deformations.  This occurs when the yield strength is reached and
  105. plastic behavior starts.  
  106.  
  107. Figure 2: Compression Testing Setup
  108.  
  109.         Failure was taken at the yield strength because the material is no
  110. longer behaving elastically at this point and may be expanding outside
  111. of the design constraints.  It should be noted that original specimens
  112. proved to be too tall and they failed in buckling (they sheared to one
  113. side), instead of failing under simple compression.
  114.  
  115. Table 2: Compression Test Results
  116. Specimen #      Strength (psi)
  117. 1       464
  118. 2       380
  119. 3       397
  120. Average 414
  121.  
  122. Under tension, the pieces all had similar strength values.  This took
  123. many tests, but in every other test, the material exhibited buckling as
  124. well as compression.  The three tests which ran the best were used for
  125. Table 2.  
  126.         Since the test of the design will be under compression, this data is
  127. very relevant for the final design.  Apparently balsa can withstand
  128. approximately 3 times more load under tension than under compression. 
  129. However, much like in these test, buckling is likely to occur in the
  130. final design.  This fact should be of utmost consideration when
  131. designing the legs of the structure.
  132.  
  133. Three Point Bending
  134.  
  135.         This test is performed by placing the specimen between two supports,
  136. and applying a load in the opposite direction of the supports, thus
  137. creating shear stress throughout the member.  Much like the tension
  138. test, the wood will deform and then break at a critical stress.  Figure
  139. 3 shows how this test was setup.  The data obtained form this test can
  140. be used in design of the top beam in the final design.  This part of the
  141. structure will undergo a similar bending due to the load from the
  142. loading cap.  
  143.         Unfortunately, the data obtained from these tests was not conclusive of
  144. much. The test was flawed due to a bolt which stuck out and restricted
  145. the materialÆs bending behavior in each test. The two sets of data taken
  146. for this test varied greatly (as much as 300%), and therefore this data
  147. is likely to be very error prone.
  148.  
  149.  
  150. Figure 3: Three Point Bending Specimen
  151.  
  152. Table 3: Bending Data
  153. Specimen #      Rupture Load (lb)       Elastic Modulus (lb/in)
  154. 1       26.6    120,000
  155. 2       62.5    442,000
  156.  
  157.         Included in the Appendix is a graph of load versus displacement for the
  158. first test, it shows how the experiment was flawed at the end when the
  159. material hit the bolt which was sticking out of the machine, thus
  160. causing stress again. It also shows the slope from which the elastic
  161. modulus of the material was taken.
  162. Ideally, four point bending tests should have been performed, where the
  163. material is subject to pure bending, and not just shear forces.  Further
  164. tests need to be performed using this test, on materials ranging from
  165. plywood style layered balsa, (with similar grains, perpendicular grains,
  166. etc.) This would have been a more useful test if stronger pieces of
  167. balsa had been tested.
  168.  
  169.  3. Glue Testing
  170.         The final structure will consist of only balsa wood and glue, thus the
  171. choice of glue is a crucial decision.   Glue is weakest in shear, but as
  172. before and to simplify the testing process, specimens will be tested in
  173. torsion, normal to the glue surface.  In the actual design, the glue
  174. will mostly be under shear,  notably when used to ply several layers of
  175. wood together.  However this test yields comparative results for each
  176. glue and has an obvious best solution.  It is assumed that the results
  177. would be similar for testing in shear. 
  178. Sample specimens were broken in two, and then glued back together, see
  179. Figure 4.  Next, the specimen were tested under tension to determine
  180. which glue was the strongest.  Three glues were tested, 3M Super
  181. Strength Adhesive, CarpenterÆs Wood Glue, and standard Epoxy.
  182.  
  183.  
  184.  
  185. Figure 4: Glue Test Specimen
  186.  
  187. Table 4: Glue Testing Results
  188.  
  189.  
  190. Ironically, the cheap CarpentersÆ Wood Glue is the best glue to use. 
  191. Both the Wood Glue and the Epoxy both were stronger then the actual
  192. wood, and the wood broke before the glued joint did.  The so called, 3M
  193. Super Strength Adhesive proved to give the worst results, and gave off a
  194. noxious smell both in application and in failure.  Since price is also
  195. an important design consideration, and drying time is not of the utmost
  196. importance, the CarpentersÆ Wood Glue was  used in joint testing, and
  197. will most likely be used in the final design.  Another factor that
  198. wasnÆt considered is that the Wood Glue is also easy to sand, which
  199. makes shaping the final design much easier.
  200.  
  201. 4. Joint Testing
  202.  
  203. At first, basic joint testing was done, three different connections were
  204. glued together using carpentersÆ wood glue as shown in Figure 5 and
  205. loaded until failure of either the joint or the material.
  206.  
  207.  
  208. Figure 5: Joints Tested
  209.  
  210.         The finger joint (Figure 5-c) was the only of the above joints found to
  211. fail before the actual wood.  This is simply a continuation of the glue
  212. test.  The finger joint is likely to have failed because it has the most
  213. area under shear force and as stated earlier, glue is weaker in shear
  214. than in normal stress.   Thus a more advanced form of joint testing was
  215. needed.  
  216.  
  217.  
  218. Figure 6: Advanced Joint Testing
  219.  
  220. Load was applied evenly along the horizontal section of the joint,
  221. creating a moment and vertical force at the joint.  Failure was
  222. determined to occur when the joint either snapped or would not hold any
  223. more load.  Each jointÆs performance was rated in accordance with the
  224. maximum load it held. 
  225.  
  226. Table 5: Joint Testing Results
  227. Joint Type      Load Performance        Results of Test
  228. 6-a     good    glue peeled off
  229. 6-b     better  reinforcement crushed
  230. 6-c     best    joint crushed
  231.  
  232.         The scarf joint held the most load, and therefore was rated as best. 
  233. This may be because the scarf joint has the highest amount of surface
  234. area that is glued.  Therefore requiring more glue and reinforcing the
  235. joint more.  In general joint construction this should be kept in mind,
  236. while not all joints will occur at 90 degree angles, it should be noted
  237. that there was a definite relationship between surface area glued and
  238. strength of joint.  Discussed in the design section are special self
  239. forming joints that occur only under load, these special type of joints
  240. should be kept in mind for the design as well.  
  241.  
  242. 5. Design Concept
  243.  
  244.         Among issues not previously discussed in this report is the effect of
  245. baking the structure.  Since balsa, like most woods, is high in water
  246. content, and the goal of this project is to win a weight versus load
  247. carrying capacity competition, the effects of baking out some of the
  248. water were tested.  It was apparent that a decent percentage of the
  249. designÆs weight could be removed using this method without seriously
  250. effecting the strength of the material.
  251.         Another issue to consider is the appearance of "self forming" joints
  252. during testing.  Often a vertical piece of balsa would bite in to a
  253. horizontal piece, thus creating a strong joint that was better than most
  254. glued joints simply because the material had compressed to form a sort
  255. of socket for the joint.  Although it is doubtful that this would be a
  256. part of the design, it is important to take this in to consideration in
  257. the design, and hopefully take advantage of this type of behavior.
  258.         The use of plywood-style pieces of balsa was not tested, but it needs
  259. to be considered.  Where the load and stresses are known it would be
  260. best to form the plys in a unidirectional grain orientation, where the
  261. strongest orientation is used.  However, where the stresses are unknown
  262. it would be better to use a criss-cross pattern in the balsa plys to
  263. produce a strong, general purpose material in these regions.
  264.         Now to discuss the initial design. Figure 7 shows a basic design.  The
  265. grain representations are accurate for the lower portion.  However, in
  266. the top section where the arch is horizontal, and the load will be
  267. applied, this section will be in bending and therefore requires a
  268. horizontal grain. (This inaccuracy is due to limitations in the graphics
  269. package used for the figure.)  Note that the bottom support piece is
  270. thick at the ends to encourage the self forming joints previous
  271. discussed, and since the bottom piece is believed to be subject to
  272. tension, the middle section is made thinner to cut down on material
  273. weight.  
  274. The loading cap will need to be constrained so it will not slide down
  275. the side of the structure, so added material needs to be place in those
  276. points.  In testing prototypes, the effects of the grain orientation
  277. needs to be observed. In the top most sections, strictly horizontal
  278. grains will be used, but as the arch curves to a vertical orientation,
  279. vertically oriented grains need to be used.  This gradual change in
  280. grain will be possible with plywood style layering of the balsa.
  281. Until further testing of prototypes is possible, this is all of the
  282. relevant information available.  Ideally, a structure such as this one
  283. should perform well, but that remains to be seen.
  284.  
  285.  
  286.  
  287. Figure 7: Basic Design (Code name: Arch)
  288.  6.  Appendices
  289.  
  290.  
  291. Figure 8: Bending Test Results
  292.