konstrukcije od aluminijumskih legurakonstrukcije od aluminijumskih legura. opšte o aluminijumu...

Lake metalne konstrukcije P06-1

Konstrukcije od

aluminijumskih legura

Opšte o aluminijumu

– Primena aluminijuma u savremenom društvu je

velika i raznolika. Sa pravom se može reći da je

aluminijum pristutan svuda, u prehrambenoj

industriji, elektro industriji gde se koristi za

izradu energetskih kablova i dalekovoda, u

železnici, auto i avio industriji, brodogradnji, a

takođe i kao materijal za građevinske

konstrukcije u objektima različite namene.



– Aluminijum je treći najrasprostranjeniji elemenat

u zemljinoj kori, posle kiseonika i silcijuma, sa

zastupljenošću od preko 8%. U prirodi se ne

nalazi u čistom stanju, već u sastavu stena, glina

i zemljišta u obliku stabilnih jedinjenja oksida i

silikatnih materijala, što je uticalo na relativno

kasno otkriće ovog metala, kao i sam proizvodni

proces dobijanja čistog aluminijuma.



– Svoju primenu nalazi u građevinarstvu kao materijal koji je,

zahvaljujući filmu oksida, vrlo otporan na dejstvo korozije. Prva

primena aluminijuma u građevinarstvu vezuje se za oblaganje

kupole crkve Sv. Jakova u Rimu 1897. godine.

– U čistom stanju aluminijum se lako oblikuje, a pomešan sa

malim količinama drugih metala u vidu legura, može da

dostigne čvrstoću čelika sa samo trećinom njegove težine.

Njegove značajne osobine su i postojanost na niskom

temperaturama, duktilnost, fleksibilnost i obradljivost.

Nepovoljnost se ogleda u malom modulu elastičnosti,

deformabilnosti, većem koeficijentu termičkog širenja i većoj

jediničnoj ceni, kao i negativnim efektima koji su posledica

zavarivanja ovakvih elemenata.



– Problematika proračuna i konstruisanja građevinskih elemenata od

legura aluminijuma dugi niz godina nije bila pokrivena odgovarajućom

tehničkom regulativom. Zbog toga su poslednjih godina u svetu

sprovedena opsežna eksperimentalna i analitička ispitivanja u cilju

boljeg razumevanja ponašanja ovakvih konstrukcija i upotpunjavanja

postojećih propisa.

– U Evropi je najsavremeniji propis Evrokod 9 - EN 1999-1-1, prvi od pet

delova ovog seta propisa, koji daje opšta konstrukcijska pravila, i koji

se kao i svi ostali Evrokodovi bazira na konceptu graničnih stanja

nosivosti i upotrebljivosti. Primena Evrokoda u projektovanju

konstrukcija od aluminijumskih legura, ekstrudiranih i zavarenih,

zahteva visoku stručnost i znanje projektanta kao i poznavanje niza

ostalih evropskih standarda čije su odredbe međusobno povezane

kroz mnogobrojna referisanja i pozivanja.


Istorijat proizvodnje Al

– Početkom XIX veka, 1807. godine, engleski hemičar Hemfri Darvi

predvideo je mogućnost izdvajanja čistog aluminijuma iz gline, što

je sedamnaest godina kasnije pošlo za rukom danskom fizičaru

Derstedu. Ovako dobijen aluminijum je bio veoma skup i sa

značajnim količinama nečistoća.

– U narednom periodu se traga za efikasnijim postupcima dobijanja

čistog aluminijuma, kojima bi se smanjio udeo nečistoća i snizila

njegova cena. Godine 1855. francuski hemičar Anri Sent-Kler

Devil izdvaja aluminijum na industrijski način, elektrohemijskom

redukcijom aluminijum hlorida, sa visokim procentom čistoće od

96-97℅. Ovim otkrićem, proizvodnja aluminijuma raste, a cena

pada na petinu prvobitne. Godine 1886. Čarls Martin Hol u SAD i

Pol Luis Hero u Francuskoj, gotovo istovremeno i nezavisno,

otkrivaju ekonomski opravdan postupak dobijanja aluminijuma

putem elektrolize. Lake metalne konstrukcije P06-6

Postupak proizvodnje Al

Industrijski proces proizvodnje primarnog aluminijuma

tehnološki je zaokružen 1888. godine kada je austrijanac Karl

Bajer patentirao postupak dobijanja aluminijum-oksida (glinica

Al203) iz rude boksita. Unapređenjem proizvodnje, cena ovog

metala pada za 80℅ u odnosu na cenu koja je bila za vreme

Kler Devilovog otkrića, što dovodi do njegove komercijalne

primene u mnogim oblastima.

Primarni aluminijum se dobija kroz dva postupka:

– Bajerov postupak za dobijanje glinice iz rude boksita,

– izdvajanje aluminijuma elektrolitičkom redukcijom glinice.



Boksit i glinica


– Izdvajanje primarnog aluminijuma iz glinice elektrolitičkom redukcijom

vrši se u kadama sa kriolitom, na temperaturi od oko 950°C. Glinica se

topi u kriolitu koncentracije do 20 ℅.

– Čitav proces odvija se u čeličnom loncu (peći za elektrolizu) sastavljenom

iz niza ćelija, u kojima se zatvara strujni krug između anode (+) i katode (-

) preko elektrolita. Katodni deo peći je izgrađen u obliku korita, koji se

sastoji iz ugljenih blokova međusobno spojenih specijalnom ugljenom

masom. Anode su pečeni blokovi koji se izrađuju takođe od ugljenih

materijala. Izdvojeni aluminijum u tečnom stanju se nalazi na dnu peći.

Odatle se transportuje do mesta za livenje, gde se prvo poboljšavaju

njegove karakteristike dodavanjem legirajućih elementa u zavisnosti od

potreba. Finalni proizvodi procesa proizvodnje su ingoti i ploče određenih

dimenzija sa homogenim, kontrolisanim hemijskim sastavom, koji se

izlažu daljoj preradi u zavisnosti od primene odgovarajuće aluminijumske

legura.



Šematski prikaz procesa proizvodnje Al


– Čist aluminijum ima skromne mehaničke karakteristike,

mek je i ograničene čvstoće. Zbog toga se pribegava

njegovom legiranju sa drugim hemijskim elementima.

– Osnovni legirajući elementi su: bakar, magnezijum,

silicijum, mangan i cink. Kao česti sporedni elementi koji

se nalaze u manjem procentu i nemaju veći uticaj na

upotrebne osobine Al legure su gvožđe, nikl, kobalt, hrom

i titanijum. Željene osobine kod pojedinih legura mogu se

postići ne samo legiranjem, već i naknadnom termičkom

obradom.



Prerada Al i Al-legura

Postupci prerade Al-legura su:

– valjanje (u vrućem ili hladnom stanju),

– presovanje ili istiskivanje (u vrućem stanju),

– kovanje (u vrućem ili hladnom stanju),

– vučenje (u hladnom stanju),

– izvlačenje (u hladnom stanju).


– Valjanje u vrućem ili hladnom stanju

Tokom valjanja u vrućem stanju, ingoti koji su

prethodno ohlađeni, nakon livenja, se ponovo

zagrevaju na temperaturu od oko 500°C, u

zavisnosti od vrste aluminijumske legure. Tokom

prerade, element se postepeno hladi. Element

prolazi kroz seriju valjaka, tako da se njegova

debljina postepeno samnjuje sve do željene

vrednosti (4-6 mm). Prilikom obrade valjanjem u

hladnom stanju, postupak valjanja se obavlja na

sobnoj temeperaturi.Lake metalne konstrukcije P06-13


– Istiskivanje (ekstrudacija) je postupak prerade

koji se takođe vrši u vrućem stanju. Ignoti se

zagrevaju na temperaturu od 450°C do 500°C, a

zatim se zagrejana Al-legura ubacuje u prese na

čijem izlazu se nalazi kalup (matrica) sa otvorom

željenog oblika. Nakon istiskivanja profil se

izlaže sili zatezanja u cilju ispravljanja i seče na

zahtevane dužine.



Prese za presovanje - istiskivanje


Matrice za istiskivanje


– Kovanje u vrućem stanju se obavlja na elementima

zagrejanim na temperaturi od oko 400°C, kod legura koje

sadrže Mg, Si, Zn i Cu, čija se rastvorljivost dodatno

povećava zagrevanjem elementa. Postupkom kovanja menja

se poprečni presek elementa, pravac elementa, formiraju se

rupe u elementu, ili se vrši razdvajanje delova elementa.

Aluminijumski otkivci imaju značajnu primanu u auto i avio

industriji.

– Vučenje u hladnom stanju je najznačajniji proces za preradu

aluminijumskih pločastih elemenata. Proizvodi dobijeni

vučenjem se primenjuju u prehrambenoj i auto industriji.



Primena Al-legura

Primenjuje se u mnogim granama industrije:

– auto industrija;

– avio industrija;

– brodogradnja;

– građevinarstvo;

– prehrambena industrija;


Primena Al-legura u građevinarstvu

– konstrukcije krovova srednjih i velikih raspona;

– fasadne konstrukcije;

– konstrukcije objekata sa izloženom konstrukcijom u primorskim

krajevima, ili u agresivnim sredinama;

– konstrukcije sa pokretnim delovima (pontonski mostovi, pokretni

mostovi),

– objekti za skladištenje i transport materija koji agresivno deluju na

čelik (rezervoari, cevovodi...),

– konstrukcije koje se nalaze u teško pristupačnim predelima i koje je

teško održavati (svetionici, dalekovodi,...);

– konstrukcije u predelima sa ekstremno niskim temperaturama;

– montažno-demontažne konstrukcije različite namene,

– postojeće konstrukcije kod kojih je predviđeno povećanje korisnog

opterećenja,


Konstrukcije tipskih hala


Prostorne rešetkaste konstrukcije


Krovne kupole


Stubovi dalekovoda


Heliodromi


Svetionici


Fasadne konstrukcije


Skele


Lučni drumski most - Kanada

Velike temperaturne promene

(+40C do -40C);

Napravljen 1950. god;

Raspon 88,2 m;

Prvi veliki drumski lučni most od

aluminijuma;

AB kolovozna ploča širine 7,3 m;

Konstrukcija od legure AlCuMg

težine 180 t, (oko 2,4 puta manje u

odnosu na varijantno rešenje od

čelika).


Drumski most preko Rone u Francuskoj

Pušten u saobraćaj 1977. god.

(Lion).

Rekonstrukcija starog mosta iz

1912. sa kolovoznom tablom od

čelika i drveta,

Raspon 174 m

Povećanje saobraćajnog

opterećenja sa 8 t na 30 t. Novi

aluminimjumski (AlMg-Si)

nosači visine 2,4 m spregnuti sa

pločom od lakog betona,

debljine 20 cm.

Postao dva puta lakši.


Pešački mostovi


Pešački most - Francuska


Pokretni mostovi


Pontonski mostovi


Vojni mobilni mostovi


Specifičnosti Al-legura u odnosu na čelik

– mala težina;

– otpornost na koroziju;

– žilavost na niskim temperaturama;

– fleksibilnost i obradljivost;

– manji modul elastičnosti;

– nelinearan s-e dijagram;

– ponašanje pri porastu temperature;

– smanjenje mehaničkih karakteristike u ZUT-u;


Mala specifična težina

Oko tri puta manja specifična

težina u odnosu na čelik;

Lakša konstrukcija;

Manji troškovi transporta,

manipulacije i montaže

Otpornost na koroziju

– Otpornost aluminijumskih legura na atmosfersku koroziju

je izuzetno visoka, što je značajno uticalu na široku

primenu ovog metala, od prehrambene i avio industrije

do građevinarstva.

– Osnovni razlog dobre otpornosti aluminijumskih legura

na dejstvo korozije je u sloju aluminijum oksida koji se

uvek javlja na površini elementa koji je izložen

atmosferskim uticajuma.

– Aluminijum oksid je hemijski stabilno jedinjenje i čvrsto je

vezan za površinu aluminijuma. Boja ovog zaštitnog

sloja aluminijum oksida kreće se od plavo-sive u ruralnim

područijima, do tamno sive ili crne u industrijskim

zonama.Lake metalne konstrukcije P06-43


Otpornost na koroziju

– Aluminijum gubi samo 2-4 g/m2 usled dejstva korozije, za

razliku od čelika koji godišnje gubi oko 80 g/m2.

– Iako se aluminijum praktično može upoterbljavati bez

zaštitnog premaza, kod aluminijuma je ipak izražen

problem pojave kontaktne korozije.

– Ovaj vid korozije se javlja u dodiru aluminijuma i nekog

drugog metala sa različitim elektrohemijskim

potencijalom. U prisustvu elektrolita dolazi do pojave

galvanskih struja usled kojih se razara elektohemijski

negativniji matrijal. Korozija najčešće nastaje na

kontaktima aluminijuma i čelika, pa ovakvim spojevima

treba obratiti posebnu pažnju kako ne bi došlo do

degradacije aluminijuma.


Kontaktna korozija

– Za smanjenje kontaktne korozije treba birati

elemente čiji kontakt u uslovima različitih

sredina ne dovodi do korozije, vršiti zaštitu

premazima elementa koji u spoju pretstavlja

katodu, povećati debljinu anodnog elemnta,

koristiti razne premaze, podmetače i ljepljive

trake na spoju dva metala, a u izrazito

agresivnim sredinama u kontaktu sa

aluminijumom koristiti samo cink, kadmijum i

magnezijum.


Izolacija kontakta Al-čelik


Ponašanje na niskim temperaturama

– Aluminijum i njegove legure pokazuju izuzetnu

otpornost na krti lom na niskim temperaturama.

– Čvrstoća na zatezanje Al legura ne zavisi od

dužine izloženosti niskim temperaturama, niti je

ona smanjena pri ponovnom povećanju

temperature. Povećanje čvrstoće na zatezanje

aluminijumskih legura na niskim temperaturama

je zanemarljiva do temperature od -50°C, ali

značajno raste na temperaturi ispod -100°C.

Modul elastičnosti

– Modul elastičnosti aluminijuma E je oko tri puta

manji od modula elastičnosti čelika i za čist

aluminijum iznosi 69 GPa, a za različite

aluminijumske legure kreće se u opsegu od 69

do 72 GPa. Za potrebe proračuna konstrukcija

od Al legura uzima se vrednost od 70 GPa.

Mala vrednost modula elastičnosti čini

konstrukcije od Al legura osetljivim na pojave

lokalne i globalne nestabilnosti, kao i na veličinu

deformacije, o čemu se mora voditi računa pri

proračunu. Lake metalne konstrukcije P06-48

Poasonov koeficijent i modul smicanja

– Poasonov koeficijent ν je veći od usvojene

vrednosti od 0,3. Prema istraživanjima rađenim

na Kembridžu 1948. godine, vrednost

Poasnovog koeficijenta za aluminijum je oko

0,33.

– Modul smicanja G za aluminijum iznosi približno

27 GPa.


Fleksibilnost i obradljivost

– Mala vrednost modula elastičnosti aluminijuma

značajno utiče na njegovu fleksibilnost i obradljivost.

Poznato je da se veliki broj najrazličitijih i veoma

složenih poprečnih preseka elemenata može dobiti

postupkom ekstrudacije ili istiskivanja u vrućem

stanju. Takvi složeni poprečni preseci mogu

uspešno da zadovolje probleme deformacije koji su

posledica male vrednosti modula elastičnosti, ali i

istovremeno uslove nosivisti i stabilnosti.



Fleksibilnost i obradljivost


Mehanička svojstva Al-legura

– Modul elastičnosti je tri puta manji nego kod

čelika (veća deformabilnost i osetljivost na

stabilitetne probleme);

– Granica razvlačenja i čvrstoća na zatezanje

variraju u zavisnosti od vrste Al-legure;

– Veza između napona i dilatacije je nelinearna;

– Nema izražene granice razvlačenja, već se koristi

tehnička ili konvencijalna granica razvlačenja f0;

– Izduženja pri lomu su manja nego kod čelika (5-

15%);

s-e dijagrami

– Aluminijum se karakterise izrazito nelinearnom

vezom napon-dilatacija, bez jasno izražene

granice razvlačenja, pa se za proračun

konstrukcija od aluminijuma koristi

konvencionalna ili tehnička granica razvlačenja

f02 koja se u propisima EN 1999-1-1 označava

sa f0 i pretstavlja napon pri dilataciji od 0,2℅

ukupne plastične deformacije.


s-e dijagrami

– Postoji više analitičkih formulacija (bi-linearan i

tro-linearan model) kojima se opisuje veza

napon-dilatacija, ali se najčešće koristi

Ramberg- Ozgudov model koji se inače

primenjuje kod svih materijala koji nemaju

izraženu granicu razvlačenja.

– n je parametar nelinearnosti koji zavisi zavisi od

vrste aluminijumske legure i podatak je koji se

daje kroz tabele mehaničkih karakteristika

aluminijumskih legura.



s-e dijagrami čelika i Al-legura

S355

S235


Ramberg-Ozgudov model s-e dijagrama

n

fE

+=

02

0020ss

e ,

)/ln(

ln

0102

2

ffn =

Parametar n zavisi od vrste Al-legure!


Poređenje najbitnijih svojstava Al-legure,

čelika i nerđajućeg čelika


Ponašanje pri porastu temperature

– Al-legure imaju slabu vatrootpornost. Pri porastu

temparature mehanička svojstva aluminijuma brže

opadaju nego kod čelika.

– Koeficijent termičkog širenja aluminijuma je αT= 2,3∙10-5

1/°C, oko dva puta veći od koeficijenta termičkog širenja

čelika. Stoga su i izduženja pri visokim temperaturama

oko dva puta veća nego kod čelika, ali su naponi usled

tempearturnih promena kod aluminijuma manji nego kod

čelika zbog manjeg modula elastičnosti aluminijuma i

iznose oko 2/3 napona kod čelika.

– Temperatura topljenja čistog aluminijuma je 660°C, a

nešto je manja kod različitih aluminijumskih legura.

Zavarivanje Al-legura

– Zavarivanje narušava ujednačenost mehaničkih

svojstava Al-legura u neposrednoj okolini šava. Ta zona

se naziva zone uticaja toplote - ZUT (ili HAZ - heat-

affected zone) i u njoj se uočava pad konvencionalne

granice razvlačenja čak i do 40-50%. Intezitet promena

je najveći kod zavarenih preseka od termički očvrslih Al-

legura. Ovakvo smanjenje nosivosti ne može da se

zanemari, pa je obuhvaćeno u svim postojećim

propisima za proračun nosećih konstrukcija od Al-legura.

– Redukcija mehaničkih svojstava u zoni uticaja toplote

zavisi od vrste aluminijumske legure, primenjenog

postupka zavarivanja, debljine elemenata koji se

zavaruju i vrste šava.



Promene u ZUT-u (HAZ)

Uticaj zavarivanja zavisi od vrste Al-legure;

Termički očvrsle i termički neočvrsle Al-

legure se drugačije ponašaju u ZUT

Širina uticaja se dugo određivala primenom

pravila jednog inča;

Evrokod 9 daje detaljna pravila za proračun;


Zavarivanje Al-legura

– Primenjuju se MIG i TIG postupak zavarivanja; oba

postupka su elektrolučni postupci zavarivanja pod

zaštitom inertnog gasa, najčešće argona, s tim što je

MIG postupak sa topljivom elektrodom, a TIG postupak

sa netopljivom elektrodom.

– Promene u ZUT-u dovode do smanjanja mehaničkih

svojstava materijala koje se uzimaju u obzir u proračunu

nosivosti!

– Zavarivanje aluminijumskih legura sa čelikom može da

se izvede samo primenom posebnih postupaka!


Šematski prikaz MIG postupka


Šematski prikaz TIG postupka


Zavarivanje Al-legura i čelika

Zavarivanje pomoću dvometalnih

prelaznih umetaka;

Umetak se proizvodi tako što se

spajanje Al sa čelikom se izvodi

valjanjem, eksplozionim ili

frikcionim zavarivanjem;

Dvometalni umetak (Al-čelik) se

posebno zavaruje za Al i za čelik,

odgovarajućim, standardnim

postupcima zavarivanja;

Preporučuje se prvo zavarivanje

aluminijuma;

Dobijaju se zavareni spojevi

odličnog kvaliteta;

Ekološki održiv materijal - trajna

vrednost

– Proizvodnja primarnog aluminijuma, obuhvatajući čitav

proces od iskopavanja rude boksita, preko izdvajanja

glinice, do dobijanja čistog aluminijuma, ima nesumnjivo

veliki uticaj na životnu sredinu i kvalitet života u njoj.

Nemoguće je zanemariti emisiju gasova CO2 i SO2, kao

i nastanak crvenog mulja i prašine kao nusprodukata

procesa proizvodnje primarnog aluminijuma. Pored toga,

za proizvodnju primarnog aluminijuma poterbna je velika

količina električne energije. Zbog toga se velika pažnja

posvećuje reciklaži aluminijuma, odnosno proizvodnji

sekundarnog aluminijuma.



vrednost

– Proces recikliranja aluminijuma započet je još od

najranijih dana njegove komercijalne upotrebe.

Reciklažom je obuhvaćen sav novi i stari aluminijumski

otpad. Pod novim otpadom, podrazumeva otpad koji je

nastao u procesu proizvodnje različitih aluminijumskih

elemenata, kao što su ostaci usled ekstrudacije ili

sečenja ivica elemenata. Pod starim otpadom

podrazumeva se aluminijum koji je prerađen u

određenim postupcima, od kojeg su proizvedeni različiti

proizvodi koji su upotrebljavani a potom odbačeni.



vrednost

– Najveći deo novog otpada dolazi u proces recikliranja

direktno iz fabrika za proizvodnju elemenata od

aluminijuma. Takav aluminijum je obično poznatog

kvaliteta, sastava i najčešće je nepremazan zaštitnim

premazima, tako da se odmah može pristupiti postupku

topljenja bez značajnijih postupaka pripreme. Stari otpad

se pre topljenja čisti od nečistoća i zaštitnih premaza.

Proces topljenja aluminijuma zavisi od kvaliteta i čistoće

aluminijumskog otpada. Čist aluminijumski otpad topi se

u plamenim pećima, opiljci od aluminijuma se tope u

indukcionim pećima, a zaprljani otpad nižeg kvaliteta topi

se u rotacionim pećima.



Ekološki održiv materijal - trajna vrednost

Reciklaža Al-otpada;

Mala potrošnja energije;

95-99% Al-otpada se reciklira u

razvijenim zemljama!

konstrukcije od aluminijumskih legurakonstrukcije od aluminijumskih legura. opšte o aluminijumu...

Documents