Defining citrus pallet stability and modes of failure: developing tools to make stronger and cheaper cartons.
Date
2024-02
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The export of horticultural produce, especially citrus, is an ever-evolving and dynamic industry with constant regulation changes in terms of carton design and post-harvest management. This dynamic, however, offers opportunities for carton design innovations. Extensive research has been conducted to predict the structural integrity of cartons, using combined analytical-empirical and finite element methods. However, the load acting on a carton, when stacked on a pallet, has not yet been measured and is largely unknown. The numerical models assume that the load is evenly distributed and that the cartons are perfectly aligned. Furthermore, the stability of a stacked pallet under dynamic loading has been investigated for general goods, but not for horticultural produce. This work aimed at developing experimental tools to measure the load distribution acting on individual cartons inside a stacked pallet, as well as the whole pallet stability under dynamic load conditions. The tools include the A15C Load Measurement Device (A15C-LMD) and the Pallet Lateral Acceleration Tester (PLAT). The A15C-LMD was developed to have the same geometric dimensions as a standard A15C citrus carton and was equipped with four load cells. Replacing a carton with this device, allowed for measuring the static and dynamic load distribution acting on cartons at strategic positions in the stack. The PLAT was developed to enable repeatable dynamic testing, as described by EUMOS 40509, which is a standard for pallet stability and safe goods transportation. The dynamic tests simulated the acceleration and deceleration of a truck under normal driving conditions. These two tools were used in unison to quantify the dynamic loading on a carton, as well as the whole pallet stability, for different stacking configurations (standard and brick). The carton load under static conditions for the standard configuration was observed to be evenly distributed across cartons on a single level, with a peak carton load of 1.6 kN. However, the load distribution on a single carton was observed to be asymmetrical with a peak corner load of 0.8 kN. The load distribution for the brick configuration was, however, the inverse of that of the standard configuration. The load distribution across cartons on a single level was uneven with a peak carton load of 3.7 kN, whereas the load distribution on a single carton was evenly distributed with a peak corner load of 1.1 kN. The stability behaviour of the standard configuration was similar to a highly damped system with a peak elastic displacement of 171 mm. The brick configuration behaved more like an under-damped system with a peak elastic displacement of 54 mm. These displacements were well below the limit of 233 mm set by the EUMOS standard. Thus, both pallet stack configurations were deemed stable under a lateral acceleration of 0.5g. The dynamic condition had a significant effect on the carton load for both stack configurations. In the standard configuration, a peak carton load of 3.6 kN and a peak corner load of 1.7 kN were recorded. In the brick configuration, a peak carton load of 3.8 kN and a peak corner load of 1.5 kN were recorded. The strength of a new carton and a used carton from the stack, after being subjected to a dynamic load, was measured in a box compression test (BCT). These strengths were used to introduce two safety factors. The safety factor of the new carton was similar for the standard and brick stack configurations i.e., 2.34 to 2.19. However, the safety factor reduced to 0.91 after being loaded in the standard configuration. The developed tools aided in the quantification of the dynamic carton loading and stacked pallet stability for the different stack configurations. The research contributes towards the future improvement of corrugated carton design.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die uitvoer van hortologiese produkte, veral sitrus, is ’n voortdurend ontwikkelende en dinamiese bedryf met konstante regulasieveranderinge in terme van boks-ontwerp en na-oesbestuur. Hierdie dinamiek bied egter geleenthede vir boksontwerpinnovering. Omvangryke navorsing is reeds gedoen om die strukturele integriteit van bokse te voorspel, deur gebruik te maak van gekombineerde analities-empiriese en eindig element metodes. Die las wat op 'n boks inwerk, wanneer dit op 'n palet gestapel word, is egter nog nie gemeet nie en is grootliks onbekend. Die numeriese modelle aanvaar dat die las eweredig versprei is en dat die bokse perfek belyn is met mekaar. Verder is die stabiliteit van 'n gestapelde palet onder dinamiese belading ondersoek vir algemene goedere, maar nog nie vir hortologiese produkte nie. Hierdie werk was daarop gemik om eksperimentele gereedskap te ontwikkel om die lasverspreiding wat op individuele bokse binne 'n gestapelde palet inwerk, te meet, sowel as die algehele paletstabiliteit onder dinamiese belastingstoestande. Hierdie gereedskap sluit die A15C-lasmeettoestel (A15C-LMT) en die Palet Laterale Versnellings-toetser (PLVT) in. Die A15C-LMT is ontwikkel om dieselfde geometriese afmetings as 'n standaard A15C-sitrusboks te hê en was toegerus met vier lasselle. Die vervanging van ‘n boks met hierdie toestel, het dit moontlik gemaak om die statiese en dinamiese lasverspreiding wat op die bokse inwerk op strategiese posisies in die stapel te meet. Die PLVT is ontwikkel om herhaalbare dinamiese toetse moontlik te maak, soos beskryf deur die EUMOS 40509, wat 'n standaard is vir paletstabiliteit en veilige vervoer van goedere. Die dinamiese toetse het die versnelling en vertraging van 'n vragmotor onder normale bestuursomstandighede nageboots. Hierdie twee gereedskapstukke is saam gebruik om die dinamiese belasting op ’n boks te kwantifiseer, sowel as die algehele paletstabiliteit, vir verskillende stapelkonfigurasies (standaard en baksteen). Die las verspreiding op die boks onder statiese toestande vir die standaardkonfigurasie is waargeneem as eweredig verdeel oor bokse op 'n enkele vlak, met 'n piekbokslading van 1.6 kN. Daarteenoor is die lasverspreiding op 'n enkele boks waargeneem as asimmetriese met 'n piekhoeklas van 0.8 kN. Die bokslasverdeling vir die baksteenkonfigurasie was egter die omgekeerde van dié van die standaardkonfigurasie. Die lasverspreiding oor bokse op 'n enkele vlak was oneweredig met 'n pieklas van 3.7 kN, terwyl die lasverdeling op 'n enkele boks eweredig was met 'n piekhoeklas van 1.1 kN. Die stabiliteitsgedrag van die standaardkonfigurasie was soortgelyk aan 'n hoogs gedempde stelsel met 'n piek elastiese verplasing van 171 mm. Die baksteenkonfigurasie het meer soos 'n ondergedempde stelsel opgetree met 'n piek elastiese verplasing van 54 mm. Hierdie verplasings was ruim onder die limiet van 233 mm wat deur die EUMOS-standaard gestel is. Dus, beide palet-stapelkonfigurasies is as stabiel beskou onder 'n laterale versnelling van 0.5g. Die dinamiese toestand het 'n beduidende effek op die boksbelasting vir beide stapelkonfigurasies gehad. In die standaardkonfigurasie is 'n piekbokslas van 3.6 kN en 'n piekhoeklas van 1.7 kN aangeteken. In die baksteenkonfigurasie is 'n piekbokslas van 3.8 kN en 'n piekhoeklas van 1.5 kN aangeteken. Die sterkte van 'n nuwe boks en 'n gebruikte boks van die stapel, nadat dit aan 'n dinamiese lading onderwerp is, is gemeet in 'n boks-druk-toets (BDT). Hierdie sterktes is gebruik om twee veiligheidsfaktore voor te stel. Die veiligheidsfaktor van die nuwe boks was soortgelyk vir die standaard- en baksteen-stapelkonfigurasies, naamlik 2.34 tot 2.19. Die veiligheidsfaktor het egter na 0.91 verminder nadat dit in die standaardkonfigurasie belas is. Die ontwikkelde gereedskap het bygedra tot die kwantifisering van die dinamiese boksbelasting en die gestapelde paletstabiliteit vir die verskeie stapelkonfigurasies. Die navorsing dra by tot die toekomstige verbetering van gegolfde karton-boksontwerpe.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die uitvoer van hortologiese produkte, veral sitrus, is ’n voortdurend ontwikkelende en dinamiese bedryf met konstante regulasieveranderinge in terme van boks-ontwerp en na-oesbestuur. Hierdie dinamiek bied egter geleenthede vir boksontwerpinnovering. Omvangryke navorsing is reeds gedoen om die strukturele integriteit van bokse te voorspel, deur gebruik te maak van gekombineerde analities-empiriese en eindig element metodes. Die las wat op 'n boks inwerk, wanneer dit op 'n palet gestapel word, is egter nog nie gemeet nie en is grootliks onbekend. Die numeriese modelle aanvaar dat die las eweredig versprei is en dat die bokse perfek belyn is met mekaar. Verder is die stabiliteit van 'n gestapelde palet onder dinamiese belading ondersoek vir algemene goedere, maar nog nie vir hortologiese produkte nie. Hierdie werk was daarop gemik om eksperimentele gereedskap te ontwikkel om die lasverspreiding wat op individuele bokse binne 'n gestapelde palet inwerk, te meet, sowel as die algehele paletstabiliteit onder dinamiese belastingstoestande. Hierdie gereedskap sluit die A15C-lasmeettoestel (A15C-LMT) en die Palet Laterale Versnellings-toetser (PLVT) in. Die A15C-LMT is ontwikkel om dieselfde geometriese afmetings as 'n standaard A15C-sitrusboks te hê en was toegerus met vier lasselle. Die vervanging van ‘n boks met hierdie toestel, het dit moontlik gemaak om die statiese en dinamiese lasverspreiding wat op die bokse inwerk op strategiese posisies in die stapel te meet. Die PLVT is ontwikkel om herhaalbare dinamiese toetse moontlik te maak, soos beskryf deur die EUMOS 40509, wat 'n standaard is vir paletstabiliteit en veilige vervoer van goedere. Die dinamiese toetse het die versnelling en vertraging van 'n vragmotor onder normale bestuursomstandighede nageboots. Hierdie twee gereedskapstukke is saam gebruik om die dinamiese belasting op ’n boks te kwantifiseer, sowel as die algehele paletstabiliteit, vir verskillende stapelkonfigurasies (standaard en baksteen). Die las verspreiding op die boks onder statiese toestande vir die standaardkonfigurasie is waargeneem as eweredig verdeel oor bokse op 'n enkele vlak, met 'n piekbokslading van 1.6 kN. Daarteenoor is die lasverspreiding op 'n enkele boks waargeneem as asimmetriese met 'n piekhoeklas van 0.8 kN. Die bokslasverdeling vir die baksteenkonfigurasie was egter die omgekeerde van dié van die standaardkonfigurasie. Die lasverspreiding oor bokse op 'n enkele vlak was oneweredig met 'n pieklas van 3.7 kN, terwyl die lasverdeling op 'n enkele boks eweredig was met 'n piekhoeklas van 1.1 kN. Die stabiliteitsgedrag van die standaardkonfigurasie was soortgelyk aan 'n hoogs gedempde stelsel met 'n piek elastiese verplasing van 171 mm. Die baksteenkonfigurasie het meer soos 'n ondergedempde stelsel opgetree met 'n piek elastiese verplasing van 54 mm. Hierdie verplasings was ruim onder die limiet van 233 mm wat deur die EUMOS-standaard gestel is. Dus, beide palet-stapelkonfigurasies is as stabiel beskou onder 'n laterale versnelling van 0.5g. Die dinamiese toestand het 'n beduidende effek op die boksbelasting vir beide stapelkonfigurasies gehad. In die standaardkonfigurasie is 'n piekbokslas van 3.6 kN en 'n piekhoeklas van 1.7 kN aangeteken. In die baksteenkonfigurasie is 'n piekbokslas van 3.8 kN en 'n piekhoeklas van 1.5 kN aangeteken. Die sterkte van 'n nuwe boks en 'n gebruikte boks van die stapel, nadat dit aan 'n dinamiese lading onderwerp is, is gemeet in 'n boks-druk-toets (BDT). Hierdie sterktes is gebruik om twee veiligheidsfaktore voor te stel. Die veiligheidsfaktor van die nuwe boks was soortgelyk vir die standaard- en baksteen-stapelkonfigurasies, naamlik 2.34 tot 2.19. Die veiligheidsfaktor het egter na 0.91 verminder nadat dit in die standaardkonfigurasie belas is. Die ontwikkelde gereedskap het bygedra tot die kwantifisering van die dinamiese boksbelasting en die gestapelde paletstabiliteit vir die verskeie stapelkonfigurasies. Die navorsing dra by tot die toekomstige verbetering van gegolfde karton-boksontwerpe.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2024.