Článok opisuje základné vlastnosti a charakteristiky spojov kolíkového typu, používaných v nábytkárstve, medzi ktoré patrí spájanie kolíkmi, skrutkami do dreva, klincami a sponkami. Jeho cieľom je poukázať na pevnostné vlastnosti (pevnosť, tuhosť) týchto spojov, ako aj na možnosť ich použitia v praxi a porovnať ich s inými spojmi použivanými v nábytkárstve.

Všeobecne možno povedať, že tuhosť a pevnosť sa zaoberá stanovením závislosti medzi zaťažením, ktoré pôsobí na danú časť či konštrukciu, a deformáciou tejto časti či konštrukcie alebo ich porušením. Ak sú deformácie častí väčšie ako sú prípustné pre ich správnu funkciu, hovoríme, že majú malú tuhosť. Ak dôjde k porušeniu celistvosti časti alebo konštrukcie, hovoríme, že bola prekročená pevnosť častí [ I ].

Pevnostnými vlastnosťami spojov sa zaoberali viacerí autori. Medzi najznámejších patria ECKELMANN C. A., KAMENICKÝ J., KJUČUKOV G., ŠNYDER J., DZIEGIELEWSKI S., SMARDZEWSKI J., WILCZYNSKI A., ktorí sa zaoberali prevažne skúmaním faktorov vplývajúcich na pevnosť a tuhosť kolíkových a čapových spojov. KJUČUKOV G. sa okrem kolíkových spojov zaoberal aj vlastnosťami skrutkových spojov. Z ďalších autorov možno spomenúť BACHMANNA G. a ENČEVA E., ktorí taktiež skúmalí skrutkové spoje a faktory vplývajúce na ich pevnosť.

Pevnosť (únosnosť spoja je možné skúmať vo viacerých smeroch namáhania, najnebezpečnejšie je však namáhanie v uhlovej rovine, v ktorej spoj dosahuje najmenšiu pevnosť. V uhlovej rovine sa vykonávajú dva druhy skúšok na únosnosť spoja a to: skúška na tlak a skúška na tah, ktoré sú znázornené na obr. 1 .

V praxi je to najčastejší spôsob namáhania nábytkových konštrukcií najmä rámov, rámových konštrukcií a skriňového nábytku.

Pre spoj, ktorého ramená sú rovnaké a zvierajú pravý uhol, možno stanoviť únosnosť v tlaku podľa vzorca

a v ťahu podľa vzorca

kde M_t1, M_t je únosnosť spoja v tlaku, v ťahu [N.m/1 dm] alebo [N.m/1 element]

F_max - maximálne zaťaženie [N],

r - dľžka ramena spoja na vonkajšej strane [mm],

h - hrúbka ramena spoja (mm] [2].

Obr.1. Schéma zaťáženia spojov pri skúške na únosnost: a) - tlaková skúška, b) - ťahová skúška, 1 - styčný dielec, 2 - pozdľžny dielec

Iným spôsobom sa stanovuje únosnosť pre skrutkové, klincové a sponkové spoje. Pri klincových sa stanovuje pevnosť spoja na strih (max. sila na jeden strih), pri skrutkových spojoch sa prevažne stanovuje sila na vytiahnutie skrutky v závislosti od priemeru a dľžky skrutky, ale taktiež aj pevnosť spoja v strihu. Spôsoby skúšania spojov na vytiahnutie a strih sú znázomené na obr. 2.

Obr. 2. Spôsoby skúšania spojov: a) na vytiahnutie, b) na strih

Spájanie pomocou drevených kolíkov

Vytvorenie spoja pomocou kolíkov je najrozšírenejšou technológiou spájania v nábytkárskych prevádzkach. Je používaná tak pre natívne drevo, ako aj pre aglomerované materiály. Na výrobu kolíkových spojov sa používajú kolíky hladké, drážkované, rýhované, vrúbkované a lisované. Drážky sú vytvorené pozdlž kolíka rezaním alebo výtlačným lisovaním a majú za úlohu poskytnúť únikový priestor pre prebytok lepidla a vzduchu v otvoroch a zároveň zvyšujú odolnosť proti vytiahnutiu kolíka. Literatúra uvádza, že pevnosť spoja s drážkovanými kolíkmi je o 10 % vyššia ako pevnosť spoja s hladkými kolíkmi.

Kolíky sa obvykle vyrábajú s priemermi: 6 mm (pre dosky hrúbky do 16 mm), 8 mm (pre dosky hrúbky od 16 do 19 mm), 10 mm (pre dosky hrúbky nad 19 mm).

Najčastejšie sa používajú kolíky priemeru 8 mm, výnimkou sú spoje s vysokým namáhaním, kde sa používa priemer kolíka 10 mm. Celkové množstvo a umiestnenie kolíkov v spoji závisí od druhu výrobku a spôsobu užívania. Vyrobený kolík by mal byť 0 0,2 až 0,3 mm väčší ako otvor v materiáli, aby bola zaručená tesnosť spoja. Podobnú funkciu môže splniť i použitie kolíkov s nižšou vlhkosťou ako má konštrukčný materiál. Nanesením lepidla dôjde k prijímaniu vlhkosti kolíkom a k jeho objemovej zmene (napučaniu), ktorá vytvorí pevný spoj [3].

Únosnosť kolíkových spojov závisí predovšetkým od presnosti lícovania kolíkov v otvoroch a od druhu a kvality dreva použitého na výrobu kolíkov (majú to byť dreviny, ktoré majú veľkú pevnosť v tahu, ohybe a strihu). U nás sa na výrobu kolíkov najčastejšie používa buk, vhodná je však aj breza, javor, jemnovláknový brest, jaseň a dub. Na zhotovenie kolíkov sa musí použiť triedené bezchybné drevo a priebeh vlákien má byť rovnobežný s pozdľžnou osou kolíka [4].

Okrem spomenutých faktorov na pevnosť kolíkových spojov veľmi výrazne vplýva aj priemer kolíkov a rozstup (vzdialenosť) kolíkov.

Spoje môžme v podstate rozdeliť na dva základné druhy - rámové a plošné (obr. 3). Obidva druhy spojov môžu byť zhotovené ako rohové alebo stredové.

Z hľadiska pevnosti sú kolíkové spoje v porovnaní s inými spojmi pomerne málo pevné. Napríklad rámový rohový dvojkoldcový spoj je trikrát slabší ako čap a rozčap. Pevnosť kolíkového spoja môžme zvýšiť vtedy, ak ho spojíme na pokos, pričom sa zvýši pevnosť približne dvakrát. Takmer rovnakú pevnosť ako kolíkový spoj má čap a dlab na. obojstranný pokos, pričom čap a dlab na jednostranný pokos má pevnost už dva až trikrát väčšiu.

Z hľadiska namáhania (tlak, ťah, obr. 1 ) sú spoje namáhané na tlak podstatne pevnejšie ako na ťah. Pevnosť rôznych spojov namáhaných na tlak je tri až pätkrát väčšia ako spojov namáhaných na ťah [5].

Z výsledkov našich predbežných meraní, týkajúcich sa rohových plošných spojov zo smreka hrúbky 18 mm s bukovým kolíkom priemeru 8 mm, kde sme zistovali spôsoby porušenia, ale aj vplyv počtu a rozstupu kolíkov, sme vyvodili, že so zvyšovaním počtu kolíkov až do rozstupu minimálne trojnásobku priemeru kolíka sa únosnosť zvýšila rovnomerne so zvyšovaním počtu kolíkov (t.j. keď sme pridali dva kolíky navyše, únosnosť vzrástla dvojnásobne). Ak sme však rozstup kolíkov znížili na dvojnásobok priemeru kolíka, únosnosť spoja už nevzrástla rovnako s počtom kolíkov.

Z našich výsledkov vyplýva, že pre rozstup kolíkov (pre spoje smrekového dreva) platí vzťah

t₀ = 3 . d_k.

V literatúre [6] sa uvádza, že pre výpočet priemeru kolíka (pre spoje z natívneho dreva) platí vzťah

d_k = 1/2 h_S

Na základe experimentálnych meraní bolo zistené, že pre výpočet priemeru kolíka pre plošné spoje z DTD platí vzťah

d_k = 1/2 h_S + 1,0

a pre rozstup kolíkov

t₀ = 8 . d_k.

kde je

d_k - priemer kolíka

t₀- rozstup kolíkov

h_S - hrúbka styčného dielca [7].

I napriek tomu, že sú kolíkové spoje málo pevné, sú v nábytkárstve veľmi často používané najmä pri výrobe

Obr. 3. Základné druhy spojov: a) - rámový spoj, b) - plošný spoj

nedemontovateľného skriňového nábytku, na spájanie korpusov skríň. Menej sa používajú pri sedacom, lôžkovom a stolovom nábytku, kde sa vyžadujú pevnejšie konštrukcie a používajú sa spoje s väčšou pevnosťou, ktoré sme spomenuli skôr. Používajú sa len pri menej namáhaných častiach nábytku, ako napr. pripevnenie stolovej dosky, pripevnenie čiel a postraníc lôžkového nábytku (váľandy, pohovky). Kolíkové spoje sú výhodné najmä pre jednoduchosť ich výroby a schopnost rýchlo dosiahnuť manipulačnú pevnosť výrobku. Veľkou výhodou týchto spojov je ich čiastočná nosnosť i po porušení lepeného spoja a pomerne ľahká opraviteľnosť pri poškodení.

Spájanie pomocou kovových spojovacích prostriedkov

Medzi kovové spojovacie prostriedky kolíkového typu používané v nábytkárstve patria skrutky, klince a sponky. Spôsob namáhania a skúšania týchto spojov je predovšetkým na vytiahnutie a strih (obr. 2). Pevnosť spojov však závisí predovšetkým od priemeru a dlžky skrutky, resp. klinca alebo sponky. Celková únosnosť však závisí od ich počtu a rozstupu.

Kvalitné spojenie pomocou skrutky do dreva predpokladá dodržanie niektorých základných pravidiel:

• predvŕtané otvory v spájaných materiáloch, majú byť v nastrutkovávanom dielci o 0,1 až 0,2 mm väčšie ako je priemer drieku skrutky,
• dľžka predvrtavaného otvoru v spájaných dielcoch má byt minimálne 0,6-násobok dľžky skrutky,
• minimálna hľbka zaskrutkovania skrutky má byt' 4-násobok jej priemeru,
• pred naskrutkovaním je vhodné otvor čiastočne naplniť lepidlom, čo v konečnej fáze zlepšuje pevnosť spoja [3].

Pre skrutkové (resp. klincové) spoje namáhané na strih platia tieto pravidlá [8].

• pri zataženom konci má byť minimálna vzdialenos´t skrutky od okraja v smere vlákien 12 . d a kolmo na vlákna 7 . d (d - priemer skrutky),
• pri nezaťaženom konci má byť minimálna vzdialenosť skrutky od okraja v smere vlákien 7 . d a kolmo na vlákna 3 . d,
• vzdialenos´t medzi skrutkami v smere vlákien má byť 7 . d a kolmo na vlákna 4 . d.

Podrobnejší opis výpočtu únosnosti spojov namáhaných na strih a vytiahnutie je uvedený v EC 5 [8].

Pevnosť skrutiek na vytiahnutie v závislosti od rozmerov skrutky podrobnejšie skúmali KJUČUKOV G. a ENČEV E., ktorí stanovili aj vzťahy pre výpočet pevnosti skrutiek na vytiahnutie pozdľž a kolmo na vlákna bukového a jedľového dreva. Pre únosnosť skrutky na vytiahnutie z bukového dreva uvádza literatúra [9] vzťah v smere vlákien

F₁ = 35 d . l

a kolmo na vlákna

F_K = 39 d . l

Pre pevnosť skrutky na vytiahnutie z jedľového dreva uvádza literatúra [10] vzťah v smere vlákien

F₁ = 11 d . l

a kolmo na vlákna

F_K = 14 d . l

kde F₁ a F_K je sila potrebná na vytiahnutie skrutky pozdľž a naprieč vlákien [N],

d - priemer skrutky [mm],

l - dľžka zaskrutkovania závitovej časti skrutky do naskrutkovávaného dielca [mm].

Uvedené vzťahy platia pre priemery skrutiek od 1 ,5 do 6 mm pri buku a od 1,5 do 8 mm pri jedli.

Skrutkové spoje sa v nábytkárstve používajú najmä pri spájaní drevených častí s kovaním a tiež pri pripevňovaní chrbátov ku korpusom skríň.

Klincové a sponkové spoje sú v nábytkárstve používané menej ako skrutkové. V niektorých podnikoch používajú klince a sponky na pripevňovanie chrbátov ku korpusu skri ne. Uplatnenie však nachádzajú najmä v čalúnnickej výrobe na pripevňovanie poťahových látok na konštrukčný materiál. Viac sú však používané sponky, ktoré vytlačili klince, pretože látka je sponkou prichytená na väčšej ploche ako čalúnnickým klincom. Sponky sa používajú aj na spájanie kostier čalúneného nábytku. Jednotlivé dielce sa zlepujú a sponkami sa fixuje ich poloha. Po vytrhnutí lepidla však strácajú svoju v funkčnosť.

Jediným možným nedostatkom v tomto spôsobe spájania móže byť iba nedostrelenie sponky, ktoré spôsobí ich prečnievanie cez plochu. Túto chybu je však možné veľmi ľahko odstrániť správnym doladením pracovného tlaku nástroja. Klincové spoje nachádzajú uplatnenie viac v stavebných drevených konštrukciách, kde sa pri ich navrhovaní stanovuje pevnosť v strihu, na základe ktorej sa stanoví druh a počet klincov.

Záver

Kolíkové spoje patria v porovnaní s inýrni druhmi spojov medzi najslabšie, pričom najnebezpečnejšie je namáhanie v uhlovej rovine. Napríklad jednoduchý čap a rozčap dosahuje až trikrát väčšiu pevnosť ako kolíkový spoj. I napriek tomu sú však pre svoju jednoduchosť výroby a rýchlo dosiahnutú manipulační pevnosť často používané najmä pri spájaní rámov, rámových konštrukcií a korpusov skríň.

Spoje spájané kovovými spojovacími prostriedkami (skrutky, klince, sponky) sú používané menej, pričom ich natnáhanie je prevažne na vytiahnutie a strih. Skrutky sú používané najmä na pripevnenie kovaní alebo chrbátov skríň. Klince a sponky sa využívajú viac v čalúnnickej výrobe na prichytenie poťahových látok a pri spájaní kostier nábytku.

LITERATÚRA

[1] LANG. M.: Mechanika tuhých a poddajných telies. [Skriptum]. 1.vyd., Zvolen, ES VŠLD, 1990, 377 s.

[2] JOŠČÁK, P.: Navrhovanie nábytku z pevnostného a ekologického hľadiska. [Habilitačná práca]. Zvolen, 1996, 81 s.

[3] Spojování truhlářských dílců: Lignum, 1997, č. 4, s. 27 - 29.

[4] KAMENlCKÝ, J. a kol.: Zborník o pevnostnom navrhovaní čapových a kolíkových spojov. Zvolen, VŠLD, 1975.

[5] VESELOVSKÝ, J.: Nábytkové spoje z natívneho dreva. In: Zborník referátov zo sympózia NÁBYTOK 96. Zvolen, TU, 1996, s. 49 - 58.

[6] DZIEGIELEWSKI, S. a kol.: Cviczenia z konstrukcii meblarskich. Poznaň, Akademia rolnicza, 1985, 57 s.

[7] JOŠČÁK, P.: Dimenzovanie nábytku. [Skriptum]. 1. vyd., Zvolen, ES VŠLD, 1991, 98 s.

[8] EUROCODE 5 Design of timber structures - Part 1 - 1 : General rules and rules for buildings. 1995.

[9] KJUČUKOV, G. - ENČEV, E.: Der Einfluß der Schraubenabmessungen auf den Ausziehwiederstand bei Rotbuchenholz. Holztechnologie, 1977, č. 3, s. 149 - 151.