Szakmérnöki kurzus
k é z s s é n a épz Alumínium szerkezetek tervezése T i iK t e z k e ö k 3. előadászer érn s m ó k Alumínium ötvözetek és a gyártási technológia t r a a z S T s s hatása a méretezésre. é ció i n k a u t Alumínium szerkezetek méretezése az Eurocode 9 szerint. r g t á s s n d o r k á l e i r z t S e z E e k BM szer Dr. Vigh László Gergely ó egyetemi docens t r BME Hidak és Szerkezetek Tanszék Ta Kmf85.20;
[email protected]
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z Shanghai Al‐Jin Metal Products S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta Csömöri gyalogoshíd
Kapp Aluminium
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Alumínium ötvözetek és termékek k é z • öntészeti (cast) s s é n a épz • alakítható ötvözetek(wrought) T i iK t e z k e Alakítható ötvözetek: ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á Al Szil et-re z E e k M r e B sz ó t r Ta Ötvözetek:
Sajtolás k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta forrás: TALAT
Anyagkiválasztás k é z s s é n z a p T é • hőmérsékleti tartomány: max, min hőmérséklet i t K e i • kémiai környezet: korrózióállóság z k e ö k n r • terhelés: rug. modulus, folyáshatár, szakítószilárdság, fáradás r e é z s m ó Elektromos és hőáram tulajdonságok k t r a a z T sS Kontakt s é ció i n uk Gyártás: a t r g t • gyárthatóság, alakíthatóság, szerelhetőség: sajtolhatóság, hajlíthatóság, á s s n d o r hengerlés, öntészet k á l e i r • kapcsolatok: hegeszthetőség, csavarozás, ragasztás, szegecselés z t S e z • felületvédelem, felületkezelés E e k BM szer ó t r Ta Az ötvözet kiválasztása tervezési paraméter! Környezet:
Fizikai és mechanikai jellemzők k é z s Fajsúly s é n a épz Olvadási pont T i t K e i hőtágulási együttható z k e ö k n korrózióállóság r r e é z s m folyáshatár / ó ak t r egyezményes a z S T folyáshatár s s é ó i i c n k a u t r g t szakítószilárdságá s s n d o r k á l t-re i z rugalmassági modulus S e z E Poisson e k er BM szszakadónyúlás ó levágási határ t r Ta kúszás Jellemző
Alumínium
Acél
kg / m3
2700
7850
°C
658
1450‐1530
1 / °C
24
12
jó / kiváló
rossz
MPa
MPa
ridegtörés
5083‐O
145
Fe360
235
6061‐T6
275
Fe510
350
7075‐T6
505
5083‐O
290
Fe360
360
6061‐T6
310
Fe510
510
7075‐T6
570
GPa
70
210
‐
0.33
0.3
%
10‐25
25‐30
nincs
van
magas hőm.
nem jell.
nem
igen
related to the proof stress
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k er BM szszilárdság / fajsúly arány (10 cm) ó t r a T
-O 60 0 1 18 -H 0 6 10 -O 14 20 -T6 14 0 2 18 -H 3 0 30 -O 52 0 5 -O 83 0 5 34 -H 3 8 50 -T6 61 0 6 32 -T8 3 6 60 -T6 51 3 6 -O 75 0 7 -T6 75 0 7 0 36 Fe 0 51 Fe
related to the ultimate strength
0
5
10
15
Ratio of strength to specific weight5 [cm x105]
20
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta forrás: TALAT
Felhasználási irányelvek
Gyakori alakítható ötvözetek:
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Ötvözet
Nemesíth ető
Szilárdság
2014A
igen
3103/3003
Fáradási szilárdság
Alakítható ság
Hegeszthe tőség
Időjárásáll óság
Felhasználás
Termék
magas
jó
nem
rossz
repülőipar
E, P
nem
közepes
jó
jó
jó
járműipar, offshore szerkezetép.
S, P, E
5251 / 5052
nem
jó
jó
jó
jó
jó
járműipar, offshore szerkezetép.
S, P
5454
nem
jó
magas
jó közepes
jó
jó
járműipar, tartályok
S, P
5083 / 5182
nem
magas
magas
jó
jó
kiváló
hajóipar, tartályok
S, P, E
6063
igen
közepes
közepes
jó
jó
jó
nyílászárók
E
jó
teherviselő szerk. elemek, hidak, darupályák, tetőszerkezet, söröshordó
S, P, E
vékonyfalú széles sajtolt termékek
E
6061 / 6082
igen
jó
közepes
jó
jó
6005A
igen
jó
magas
jó
kiváló
7020 (önnemesedő)
igen
magas
magas
jó
megfel.
megfel.
járműipar, hadiipar
P, E
7075 (önnemesedő)
igen
magas
magas
jó
nem
rossz
repülőipar
E, P
forrás: aluSELECT
Szerkezetépítés k Anyagkiválasztás é z s s é n a épz Súly T i t K e i Rugalmassági modulus z k e ö k n r r Sajtolás e é z s m ó ak t Hőmérséklet r a z S T s s Hegesztés é ó i i c n k a tru Korrózióállóság, korrózióvédelem t g á s s n d Kapcsolatkialakítás o r k á l e i r z Ár t S e z E e Újrahasznosítás M rk B sze ó t r Ta
Rugalmassági modulus: • stabilitási problémák: lásd méretezés • deformációk
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta forrás: TALAT
Hőmérséklet: • alacsony olvadáspont
k é z s s é n Hegesztés hatása: a épz T • drága i iK t e z • hőhatás övezet k e ö k n r • kilágyulás r e é z s m • hegesztési sajátfeszültségek ó ak t r a z • befolyásolja a tervezést elemi kapcsolat; keresztmetszet; elem stabilitási S T s s ellenállás szinten is é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta • magas hőmérsékleten kúszás, erőteljesen csökkent jellemzők B
A
C
D
C
B
A
2x20 mm
120
(2-0-08) parent material
300
f0.2
100
(3-5-04) longitudinal direction of FSW
200
150
f0.2
100
f0.2
Hardness [HV]
Nominal stress [MPa]
250
(2-0-16) transverse direction of FSW
80
outside 2mm middle inside 2mm
60 40 20
50
0
0
0
10000
20000
30000
Strains [με]
40000
50000
60000
- 30
- 25
- 20
- 15
- 10 - 5 0 5 10 Measuring range [ mm]
15
20
25
30
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Korrózióvédelem: • jó korróziós tulajdonságok, de TÉVHIT, hogy egyáltalán nincs korróziós probléma • lyuk‐, kristályközi korrózió • kontakt korrózió • feszültségkorrózió • réskorrózió
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta forrás: TALAT
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta forrás: TALAT
Kapcsolatkialakítás:
k é z s s é n Tompavarrat előkészítése, növelt falvastagsággal, a a hő- épz T befolyásolt zóna szilárdságcsökkentés ellensúlyozására i iK t e z k e ö k n r Tompavarrat előkészítése, állandó alátétlemez besajtolásával r e é z s m ó k t r a Dupla csiptetőkapocs a z T sS s é ció i n uk a t r g t á s Egyoldali forgó csiptetőkapocs s n d o r k á l t-re i z S e z Forgó akasztó kapcsolat E e k M r e B sz Sajtolt horony önmetsző csavarnak ó t Kép7-13 r a T
forrás: TALAT
Tompavarrat előkészítése
Sajtolás • összetett szelvények alakíthatóak ki Æ optimális szelvény, mely ötvözi a szerkezeti, építészeti és funkcionális előnyöket, pl. merevítőbordák, csavarómerevség, kapcsolat
k é z s s é n a épz • nagy méretpontosság T i iK t e • relatíve kis imperfekciók z k e ö k n r r • sajtolószerszám relatíve drága, főleg nagy szelvényeknél e é z s m Æ tömeggyártás ó ak t r a z Æ nagy szelvények: sajtolt elemek összehegesztése S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta forrás: TALAT
Optimális hegesztési pozíció
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T Optimális szelvénykialakítás s s é ó i i (azonos hajlítómerevségű szelvények) c n k a tru t g á s alumínium s n acél rd o k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta 50%‐kal kisebb súly
növelt csavaró‐ merevség
növelt csavaró‐ merevség, integrált funkció
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta Ragasztott kötés
zárócsavar
forrás: TALAT
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta forrás: TALAT
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T Kapp Aluminium s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Főbb alkalmazási területek k é z s • „hagyományos” szerkezetekben: oszlop, gerenda s é n a épz • ortotróp lemez: híd pályalemez; födém lemeze T i iK t • donga héjak e z k e • könnyűszerkezetes tetőrendszer ö k n r r e é • térrács z s m ó ak t • gyalogos hidak r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Szerkezetes alkalmazások:
Méretezés az EC9 szerint k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a elemek z Vékonyfalú S T s s é ó i i Hidegen alakított vékonyfalú szerkezetek: c n k a tru • 3000, 5000 sorozat gt á s s n • trapézlemezek, kazetták, szelemenek, hullámlemezek d o r k á l acélszerkezetekkel: gyártás, viselkedés, problémák, e • analóg a hasonló i r z t S e kapcsolatok, felhasználás, stb. z E e • viselkedés, méretezés: mint acélszerkezetek k M r e B• de a most elhangzottakat figyelembe véve (pl. korrózióvédelem) z s •a EC9‐1‐4: analóg az EC3‐1‐3 előírásaival rtó T Egyéb (sajtolt, hegesztett) vékonyfalú szerkezetek
EN 1999‐1‐1: Design of Aluminium Structures: General structural rules. EN 1999‐1‐2: Design of Aluminium Structures: Structural fire design. EN 1999‐1‐3: Design of Aluminium Structures: Structures susceptible to fatigue. EN 1999‐1‐4: Design of Aluminium Structures: Cold‐formed structural sheeting. EN 1999‐1‐5: Design of Aluminium Structures: Shell structures.
Sajtolt és/vagy hegesztett elemek
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta • alapanyag tipikusan: 3000, 5000, 6000 sorozat • lemezek, sajtolt vagy húzott profilok • lehet hegesztett
Keresztmetszeti ellenállás k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T Hajlítás: s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-reNem Hegesztett Krm‐i i z osztály e hegesztett S z E e k M W / W W / W r e B sz 1 W / W W / W 2 ó t r a 3 α α T
Húzás: Nyomás:
pl
el
pl,haz
el
pl
el
pl,haz
el
3,u
4
Weff / Wel
3,w
Weff,haz / Wel
Hegesztés hatása krm‐i ellenállás szintjén: • hőhatás övezetben effektív vastagsággal
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Felkeményedés hatása: • numerikus analízis esetén: bilineáris, trilineáris, piecewise, folytonos anyagmodellek • kézi számításban: korrekciós tényező – Ramberg‐Osgood modell alapján
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n gyakorlati kézi számításnál: r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i c normálerő esetén: ni hajlítás esetén: k a u t N = α Af M =α W f r g t á s s n W α = f / frd o k α > á l e i r W α z= α = 1,0tS e W z A E e = α α =rk M W B sze A f ⎞ β − β ⎛W ó t f = ⎜ ⎟ =1+ − 1 α r ⎜ ⎟ γ a − β β W ⎝ ⎠ T Rd
N, j
N ,1
t
N ,2
d
d
Rd
N ,4
el d
pl
M ,1
el
N ,3 eff
M,j
pl
M ,2
el
u
t
M2
3
M ,3
3
α M ,4 =
Weff Wel
pl
2
el
Nyomás és hajlítás interakciója (szilárdsági): • I‐szelvényre:
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak • zárt szelvényre: t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Stabilitási problémák k é z s • globális stabilitási problémák: s é n a épz • síkbeli kihajlás, T i iK t • tiszta vagy térbeli elcsavarodó kihajlás e z k e • kifordulás ö k n r r e é • lokális horpadás z s m ó ak t • torzulási horpadás r a z • nyírási horpadás S T s s é ó • keresztirányú erő (beroppanás) i i c n k a tru • (shear lag) t g s • (flange curling) sá n d o r • ezek interakciói k á l t-re i z S e z E e Specialitás: k M er B• rugmod kisebb, mint acélnál z s ó • hegesztés hatása t r T• aspeciális alakú szelvények Vizsgálandó jelenségek:
Lemez‐ és torzulásos horpadás k é z s • lemezhorpadás: effektív krm (alapelv, mint EC3‐1‐5) s é n a épz • torzulásos horpadás: egyszerűbb esetekre kezeli; teljes és részleges T i iK t merevítésre egyaránt e z k e • síkjában terhelt merevítetlen és merevített lemezmezőkre külön ö k n r r e é (alternatív) eljárás is (köv. óra) z s m ó ak t EC9‐1‐4: r a z S T • az EC3‐1‐3‐mal analóg módon hidegen alakított elemekre ad eljárást s s é ó i i c n k a tru t g Specialitás: á s s n d • rugmod kisebb, mint acélnál o r k á l t-re i • hegesztés hatása z S e • speciális alakú szelvények z E e k BM szer ó t r Ta EC9‐1‐1:
Merevítetlen lemezmezők krm osztályozása:
k é β / ε z s s é n a épz A T i iK t A + hegesztés e z k e ö k B n r r e é z s B + hegesztés m ó ak t r ε = 250 / f a z S T s s é ó i i c n k a tru t Osztályozás: g á s s n • β ≤ β : 1. krm. oszt. d o r k á l t-re • β < β ≤ β : 2. i z • β < β S ≤ β : 3. ze E ke • M β ≤ βr: 4. B sze ó t r Ta Horpadási osztály
o
1
1
2
2
3
3
Belső
Külső
β1 / ε
β2 / ε
β3 / ε
β1 / ε
β2 / ε
11
16
22
3
4,5
6
9
13
18
2,5
4
5
13
16,5
18
3,5
4,5
5
10
13,5
15
3
3,5
4
3
Bordával merevített lemezek krm osztályozása:
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k • egyszerűbb esetekre: ta u r g t á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
• bonyolultabb formájú egyedi bordára: ekvivalens borda
k é z s s é n a épz T i iK t e z k • összetett bordázatra: e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k Effektív krm Æ effektív lemezvastagság!!! a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Kihajlás k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t Tiszta vagy térbeli elcsavarodó kihajlás: r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Síkbeli kihajlás:
k é z s s é n z a p T é Befogási tényező i t K hajlításhoz, k , k i 0,5 1,0 0,7ze 0,7 k e ö k n r 1,0 0,817 0,817 0,780 r 1,0 e é z s m k 0,817 1,0rtó 1,0 0,766 a 0,7 a z S T s 1,0 s 0,817 1,0 ió 0,766 é i 0,7 c n uk a t r g 0,780 0,766 0,766 1,0 t á s 0,5 s n d o r k Mindenlá egyéb esetben α = 1,0 és α = 1,0 a biztonság javára. e i r z t S e z E e k BM szer ó t r Ta Befogási tényező öblösödéshez, kw
y
z
yw
zw
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Kifordulás k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Nyomott/hajlított elemek k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c • zárt szelvényre: n k a tru t g á s s n d o r k á Kihajlás és kifordulás interakciója: l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta Kihajlás és nyomaték interakciója: • I‐szelvényre:
Csavarási jellemzők
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
További megjegyzések k é z s s • shear lag: mint acél é n a épz • flange curling: mint acél T i iK t e z k e ö Merevített lemezek („ortotrop” lemezek): rk n r e é z • következő előadás s m ó ak t r a z S T Kapcsolatok: s s é ó i i c • elemi kapcsolatok és szerkezeti elemek közötti kapcsolatok általában: n k a tru t EC9‐1‐1‐ben összesűrítve; EC3‐1‐8‐hoz hasonló elvek és eljárások alapján g á s s n • hegesztés: elv ugyanaz, de az alapanyag mellett a hegesztés anyagát is d o r k á l e ellenőrizni kell i r z t S e • vékonyfalú hidegen alakított elemek kapcsolatai: EC9‐1‐4‐ben (analóg EC3‐1‐ z E e k 3‐mal) M er B• speciális kapcsolatok: ragasztott kapcsolatok, speciális hegesztési eljárások (pl. z s ó t r FSW), mechanikus („clip”) kapcsolatok Ta Egyéb jelenségek, vizsgálatok:
Irodalom k é z s s é n z a p T é • Fernezelyi, Kövesdi, Vigh: Alumíniumszerkezetek tervezése az i t K e i z Eurocode 9 alapján. Gyakorlati útmutató. Magyar Mérnöki k e ö k n r r e Kamara, Budapest, 2011. é z s m ó k t • TALAT: Training in Aluminium Application Technologies r a a z T sS http://www.eaa.net/eaa/education/TALAT/index.htm s é ó i i c • aluMATTER: n uk a t r g http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/default.asp?catid=&pageid=1 t á s s n d o • aluSELECT: lár k e i r z http://aluminium.matter.org.uk/aluselect/default.asp t S e z E e • Seregi György: Magasépítési alumíniumszerkezetek k M er B z s • European Aluminium Association: http://www.eaa.net/ ó t r a T
