Nevýhody: cena, nízký modul pružnosti (E = 70 GPa, tzn. velké průhyby), malá tažnost (u konstrukčních slitin %, jinak ještě nižší)

13. Konstrukce z hliníku a nerezu Hliníkové slitiny, návrh hliníkových konstrukcí. Korozivzdorné oceli, materiálové vlastnosti, odlišnosti návrhu, příklady použití. 2015:

ocel hliníkové slitiny nerezová ocel

25-30 Kč/kg 90-150 Kč/kg 110-150 Kč/kg

čistý hliník: fu = 50 MPa f0,2 = 22 MPa δ ≈ 80 %

Hliníkové konstrukce Výhody: • malá hmotnost (objemová tíha γ = 27 kN/m3, při pevnosti srovnatelné s ocelí), • vysoká odolnost proti korozi (navíc lze anodicky oxidovat = eloxovat), • houževnatost (vhodný i do nízkých teplot), • není magnetický.

Nevýhody: • cena, • nízký modul pružnosti (E = 70 GPa, tzn. velké průhyby), • malá tažnost (u konstrukčních slitin 10 ÷ 12 %, jinak ještě nižší).

Užití: • nenosné konstrukce (střešní a stěnové pláště), • nosné konstrukce (zejména požaduje-li se nízká hmotnost). OK3

© 13

Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc.

1

Příklady použití

Hliníková fasáda - Butovice

Hliníkové světlíky

Konstrukce zimních zahrad

Lehké hliníkové konstrukce OK3

© 13


2

Příklady použití

6

x

3

=

18

m

po su n

12

m

Posuvné zastřešení nádvoří zámku v Litomyšli (SALLEKO s.r.o. Třebíč)

OK3

© 13


3

Konstrukční prvky • plošné profily (trapézové plechy, lamely, povrchy sendvičů atp.): Vyrábějí se válcováním za tepla, malé tloušťky válcováním za studena.

• tyčové profily: Vyrábějí se protlačováním ohřáté slitiny matricí (obvykle do opsaného průměru 300 mm). z

z

z

z

v y y

y

y

y

y

y y

u y

y v

z y

y z

OK3


z

z

y

z

© 13

y

z

z

z y

y

z z

z

y

y

u z

z z

z

4

Materiál Čistý hliník je měkký, na konstrukce se nepoužívá. Slitiny hliníku:

slitiny ke tváření (plechy, extrudované profily a trubky) slitiny slévárenské (zejména tzv. siluminy, slitiny Al-Si)

- známé jsou "duraly": slitiny Al-Cu, Al-Cu-Mg (koroze, na konstrukce nevhodné) chemické složení: řada 3 Mn řada 4 Si řada 5 Mg např. EN AW-6082 řada 6 Mg, Si řada 7 Zn hliník typ slitiny: W pro tvářené slitiny C odlitky

Značení (ČSN EN 573-1, ČSN EN 573-2): značka číselná:

značka chemická: např. stejná slitina

EN AW-AlSi1MgMn (event. číslo značí obsah v %)

Nejběžnější pro konstrukce: EN AW-6082, EN AW-6061, EN AW-6005A (vysoká pevnost, svařitelnost MIG, TIG) OK3

© 13


5

žíhaná a vytvrzená při 20º C

měkce žíhaná

Tepelné zpracování: např.

žíhaná a vytvrzená za tepla (~ 150º C)

0,

T4,

T6 apod.

Významně ovlivňuje mechanické vlastnosti (mez kluzu, pevnosti, tažnost). Vytvrzování = zahřátí (~ 600 ºC), zakalení (~ 20 ºC), stárnutí (daná teplota).

Trvanlivost: třídy A, B, C

(podle tvorby oxidů = koroze slitiny)

Oceli řady 6 jsou třídy B. Obvykle nátěry nejsou zapotřebí ani v agresivním prostředí. Třída C se nedoporučuje v mořských podmínkách.

Spoje:

Svařování (hliníkové elektrody): - MIG zcela běžné (všechny tloušťky), - TIG pro t < 6 mm.

Mechanické spoje: - šrouby (hliníkové, ocelové - též předpjaté, nerezové), - hliníkové nýty, - lepení (jen pro smyk) - epoxidové a akrylové pryskyřice.

Pozor na bimetalickou korozi, styk s betonem, dřevem. V agresivním prostředí:

- mechanické spoje hliníkové: zabránit vlhkosti ve spoji, - nerezové spoje: zabránit vlhkosti ve spoji, - ocelové pozinkované: nutno chránit hliník nátěrem, lépe vložit izolaci, nebo použít kadmiované šrouby. OK3

© 13


6

Mechanické vlastnosti - nelineární pracovní diagram

dán normou

Ramberg-Osgoodův model:

⎛σ + ε o,e ⎜⎜ ε= E ⎝ fe

σ

σσ fe

fe

EE

ε o,e

ε0,e

ε

εee

ε

ε

max εmax

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

n

σ σ

Běžný model:

fmax =f max fu fp = f0f p

E E11

EE ε

ε

εpp = 0,5 εa)u

ε ε

max εmax

Běžné výpočty: • E = 70 000 MPa (G = 27 000 MPa, ν = 0,3) • f0 (smluvní 0,2%), fu → podle tříd např. ocel EN AW-6082 T6: f0 ≈ 260 MPa; fu ≈ 310 MPa; n = 25

• tažnost nízká (6 ÷ 12 %)

např. ocel EN AW-6082 T651: A50 = 10 % OK3

© 13


7

MSP Používá se sečnový modul pružnosti, popř. přesnější výpočet.

MSÚ (odlišnosti oproti uhlíkovým ocelím) • Používají se vyšší dílčí součinitele materiálu: γM0 = γM1 = 1,1; γM2 = 1,25. • Klasifikace (běžné 4 třídy): rozhodují podstatně menší štíhlosti. • Prostý tlak, tah: → analogické k posudkům OK (ale uvažuje se HAZ). • Moment: použije se modul průřezu ovlivněný svary (Wpl,haz, Wel,haz, Weff,haz). • Vzpěr: únosnost je ovlivněna svary, používají se 2 vzpěrnostní křivky dané třídou materiálu (A, B). Pro EN AW-6082 platí horší křivka B.

Nb,Rd = κ χ Aeff fo / γ M1 vliv svarů (normové vzorce pro příčné a podélné svary)

• Boulení ve smyku již od hw/tw > 39ε (posudky zcela analogické jako u OK). • Klopení: - prostý moment únosnosti (ovlivněný svary) se redukuje součinitelem χLT (zcela obdobně jako u OK, avšak pro jiné 2 křivky klopení). OK3

© 13


8

Spoje • Šrouby a nýty (používají se hliníkové, nerezové, ocelové pozinkované): V průmyslovém prostředí zabránit bimetalické korozi pomocí vložek, těsnění, nátěru, zatmelit.

rozteče, návrh → obdoba OK, jiné součinitele. • Svary:

návrh tupých i koutových svarů obdobný jako u OK, avšak elektrody určují pevnost svaru (mají nižší fw ~ 190 MPa)!!!

Důležité: U tvářených (a vytvrzovaných) slitin dochází v místě svaru k ovlivnění pevnosti základního materiálu (vyžíhá se). Do výpočtu se zavádí součinitelem ρhaz ≤ 1, kterým se redukuje tloušťka stěny v okolí svaru. Pozn: součinitel je pro každý materiál uveden v tabulce normy, např. pro ocel EN AW-6082 T6 jeρhaz = 0,48.

HAZ (heat-affected zone = tepelně ovlivněná oblast) vždy od kořene svaru: bhaz = 20 ÷ 40 mm (záleží na tloušťce t)

t tρhaz bhaz

bhaz OK3

© 13


bhaz 9

Nerezové konstrukce Návrh podle ČSN EN 1993-1-4 Doplňující pravidla pro korozivzdorné oceli. • dříve: • v současnosti:

Finsko

převážně jako plošné, povrchové, estetické dílce též jako nosné prvky konstrukcí

Německo

Japonsko

OK3

© 13


10

Most na Menorce

Most v Německu

Most v Yorku (VB)

OK3

© 13


11

Materiál Korozivzdorné oceli mají:

min. 10,5% Cr max. 1,2 % C

Značení (ČSN EN 10027, ČSN EN 10088): značka:

např.

legující prvky, [%]

X5CrNi18-10

vysokolegovaná (> 5 % jednoho prvku)

obsah C [100 × %], zde 0,05% konkrétní ocel ve skupině

číslo materiálu:

např. tatáž ocel ocel

1.4301 korozivzdorná ocel mající ≥ 2,5 % Ni, bez Mo, Nb, Ti Skupina 44 je s molybdenem

třída podle zpracování za studena: CP 350 až CP 700 (odpovídající C 700 až C 1000 pro fu) zvýšená 0,2 % mez kluzu v [MPa] (zvýšena též fu, ale pro min ε [%] OK3

© 13


12

Podle hlavních vlastností (ČSN EN 10088): a) Oceli odolné korozi: Chrom vytváří povlak oxidu chromu, "pasivní vrstvu" (sama se obnovuje) (oceli 1.40××, 1.41××, 1.43××, až 1.46××: např. běžné 1.4301, 1.4401, 1.4462) b) Oceli žáruvzdorné: Mají dobrou odolnost proti oxidaci a plynům při teplotách > 500 ºC (oceli 1.47××, 1.48××). c) Oceli žáropevné: Mají dobrou odolnost proti deformaci při zatížení a teplotách > 500 ºC (oceli 1.49××) Rozdělení podle mikrostruktury: • feritické oceli (C < 0,8 %; magnetické, hůře svařitelné) • martenzitické oceli (C < 1,0 %; magnetické, tvrdé - na ložiska apod. • precipitačně vytvrzené oceli (dodatečné tepelné vytvrzení martenzitu) • austenitické oceli (Cr 17-19 %, Ni 8,5-14,5 %; nemagnetické, nejběžnější) • austeniticko-feritické (duplexní) oceli (Cr 21-23 %, Ni 4,5-6,5 %; lepší, dražší)

OK3

© 13


13

Mechanické vlastnosti • jiné vlastnosti příčně, podélně v tlaku, v tahu

korozivzdorné oceli

σ [MPa]

σ [MPa]

• nelineární pracovní diagram

tlak - příčně tah - příčně tlak - podélně tah - podélně

uhlíkové oceli

ε

ε

Běžné výpočty: • E = 200 000 MPa (G = 77 000 MPa) • fy podle daných pevnostních tříd: nejběžnější oceli:

1.4301 (austenitická) ... S220 1.4401 (austenitická) ... S240 1.4462 (duplexní) ... S480

• tažnost vysoká (40 ÷ 60 %) • křehkolomové vlastnosti výborné až do - 40º C OK3

© 13


14

MSP Používá se sečnový modul pružnosti Es,ser = Es,1 + Es,2, závislém na napětí v horní (i = 1) a dolní (i = 2) pásnici a směru válcování. Konzervativně lze vyčíslit v průřezu s největším napětím:

E

E s,i = 1 + 0,002

E

σ i,Ed,ser

⎡ σ i,Ed,ser ⎤ ⎢ ⎥ ⎣⎢ f y ⎦⎥

n

např. pro ocel 1.4301: ve směru válcování n = 6 příčně n=8

MSÚ (odlišnosti oproti uhlíkovým ocelím) • Používají se vyšší dílčí součinitele materiálu: γM0 = γM1 = 1,1; γM2 = 1,25. • Klasifikace (běžné 4 třídy) používá přísnější součinitele. • Pro vzpěr se používají přísnější křivky vzpěrnosti (podle tvaru průřezu). • Pro klopení křivka c (za studena tvarované) nebo d (svařované průřezy). • Boulení ve smyku již od

hw 52 ε ≥ η t OK3

© 13


15

Spoje Šrouby: Musí být z korozivzdorného materiálu (nelze pozinkované, hliníkové !!!). Méně ušlechtilý kov koroduje rychleji (bimetalická koroze, poškodí i povrch nerezu). • pro otlačení se použije "redukovaná" pevnost fu,red = 0,5 fy + 0,6 fu • pro střih:

Fv ,Rd =

α f ub A γ M2

... α = 0,6 (0,5 pro závit ve střihu)

Stykování s běžnou ocelí:

Svary: Používají se všechny běžné metody, přídavný materiál pro korozivzdorné oceli. Výpočet obvyklý, pouze korelační součinitel βw = 1. OK3

© 13


16

Montáž Při montáži je nutné dodržovat speciální postupy: • prvky až do poslední fáze chránit povrch (leskle žíhaný, leštěný, dekorativní, barevný nebo lakovaný) snímacími plastovými povlaky, • vyvarovat se znečistění částečkami železa, • plechy klást stejným způsobem podle směru válcování (jinak vznikají estetické vady), • udržovat rovinnost plechů (neutahovat příliš šrouby, svary se prokleslují ...), • vyloučit tvoření "olejnatých skvrn" (používat konkávní plechy, vyztužovat atd.), • dodržovat čistotu (podle úpravy povrchu používat rukavice apod.), • používat šrouby z korozivzdorné oceli, namazat je proti zadření.

OK3

© 13


17

Klášter Santa Maria de Carracedo ve Španělsku

OK3

© 13


18

Zastřešení archeologických vykopávek v Efesu, Turecko (plachty z PTFE nesené příhradovými nosníky a konstrukcí s táhly)

OK3

© 13


19

Oranžérie Pražského hradu

OK3

© 13


20

Řadový domek v Hasseltu, Belgie (nerezová rampa a vstup)

OK3

© 13


21

Starý bunkr v Vreeland, Nizozemsko (nerezové opláštění ocelové visuté konstrukce)

OK3

© 13


22

Inovační centrum v Montceau-les-Mines, Francie (nerezové opláštění ocelové konstrukce)

OK3

© 13


23

Nevýhody: cena, nízký modul pružnosti (E = 70 GPa, tzn. velké průhyby), malá tažnost (u konstrukčních slitin %, jinak ještě nižší)

Recommend Documents