Szakmérnöki kurzus. Tartószerkezet-rekonstrukciós Szakmérnöki Képzés. Dr. Vigh László Gergely

Szakmérnöki kurzus Alumínium szerkezetek tervezése 1-2. előadás Alumínium ötvözetek. Gyártási technológia. Alumínium ötvözetek fizikai és mechanikai jellemzői. Alumínium szerkezetek sajátosságai. Alumínium szerkezetek méretezése az Eurocode 9 szerint. Dr. Vigh László Gergely egyetemi docens BME Hidak és Szerkezetek Tanszék Kmf85.20; geri@vbt.bme.hu Dr. Fernezely Sándor

1) Bevezetés A tárgy felépítése 2) Az alumínium, az alumínium ötvözetek jellemzői, gyártástechnológia 3) Az alumínium szerkezetek sajátosságai 4) Méretezés az Eurocode 9 alapján 5) Számítási példák az EC9 szerint 6) Szerkezetrekonstrukció

1) BEVEZETÉS

AZ ALUMÍNIUM A föld kérgében a harmadik leggyakrabban előforduló elem Wöhler fedezte fel 1827-ben Tisztán 1854-ben Delville Saint Clair állította elő Ipari előállítása 1887-ben kezdődött Bayer, illetve Hall-Heroult eljárás

SCHWARC DÁVID LÉGHAJÓJA 1897 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 ZEPPELIN i z S e LÉGHAJÓ z E e k BM szer 1900 ó t r Ta

LÉGHAJÓ KATASZTRÓFA 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

MA REPÜLŐGÉP 1924

ME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék artószerkezet-rekonstrukciós Szakmérnöki Kép

gépjárműváz alumínium hajótest

Shanghai Al-Jin Metal Products Csömöri gyalogoshíd Kapp Aluminium

2) AZ ALUMÍNIUM ÖTVÖZETEK JELLEMZŐI, GYÁRTÁSTECHNOLÓGIA

Az alumínium kristály szerkezete

Alumínium ötvözetek és termékek Ötvözetek: öntészeti(cast) alakítható ötvözetek(wrought) Alakítható ötvözetek: Al Cu Mn Mg Si Zn AlCuMg AlMgSi AlZnMg AlZnMgCu AlSiCu AlSi AlMg AlMgMn AlMn

Hidegen alakítható ötvözetek AlMn 3xxx ötvözetcsoport AlMg 5xxx ötvözet csoport AlMgMn a csoport jelölés a meghatározó mennyiségű ötvözőtől függ.

Keménységi állapotok Jelölés Elnevezés Technológia Megjegyzés F Henger-kemény Hidegalakítás Hx6 Hx4 Hx2 O Fél-kemény Negyed-kemény Lágy Háromnegyedkemény Hidegalakításlágyítás Rideg, szerkezeti célra nem használt Az első számjegy: 1: hidegen alakított 2: részben lágyított 3: stabilizált Lágy, szerkezeti célra nem használt

Hőkezeléssel szilárdságnövelt ötvözetek AlCuMg 2xxx ötvözetcsoport AlMgSi 6xxx ötvözetcsoport AlZnMg(Cu) 7xxx ötvözetcsoport

Hőkezeléssel szilárdságnövelt ötvözetek keménységi állapotai. Jelölés Elnevezés Technológia Megjegyzés M Sajtolt Sajtolás T4 T5 T6 Edzett I Nemes I Nemes II Sajtolás nemesítés (edzés) Sajtolás után természetes lehűlés Melegítés hirtelen lehűtés Melegítés fokozatos természetes lehűtés Melegítés fokozatos mesterséges lehűtés

Fizikai és mechanikai jellemzők Jellemző Alumínium Acél Fajsúly kg / m 3 2700 7850 Olvadási pont C 658 1450-1530 hőtágulási együttható 1 / C 24 12 korrózióállóság jó / kiváló rossz folyáshatár / egyezményes folyáshatár szakítószilárdság MPa MPa 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 rugalmassági modulus GPa 70 210 Poisson - 0.33 0.3 szakadónyúlás % 10-25 25-30 levágási határ nincs van kúszás magas hőm. nem jell. ridegtörés nem igen

related to the proof stress related to the ultimate strength 0 5 10 15 20 szilárdság / fajsúly arány (10 5 cm) Ratio of strength to specific weight [cm x 10 5 ] 1060-O 1060-H18 2014-O 2014-T6 3003-H18 5052-O 5083-O 5083-H34 6061-T6 6063-T832 6351-T6 7075-O 7075-T6 Fe360 Fe510

forrás: TALAT

forrás: TALAT Sajtolás

SAJTOLHATÓSÁG

Korrózió Az alumínium anyag (és ötvözetei) felületén oxidréteg képződik. Ez a réteg kemény és összefüggő felületet képez. Ez a réteg megvédi az anyagot a további oxidációtól. Az ötvöző anyagtól függően az anyag korrózióval szembeni ellenállása csökkenhet. Kifejezetten kedvezőtlen a réz (Cu) tartalom, illetve a vas (Fe) szennyezés. Jelentős mértékben függ az esetleges korróziós károsodás a környezeti hatásoktól, a levegő nedvességtartalmától, a szennyeződésektől stb. Az alumínium szerkezeti elemmel érintkezésbe kerülő egyéb anyagok (kapcsolódó fémek, építő anyagok, vegyszerek) hatása is eltérő lehet. Megállapíthatjuk, hogy bár az alumínium szerkezetek korrózió ellenállása lényegesen kedvezőbb az acélénál, de minden körülmény között ellenálló alumínium szerkezetről nem beszélhetünk.

Használhatósági besorolás KORRÓZIÓS BESOROLÁS Anyag vastagság Vidéki Tiszta A szükséges korrózió védelem Környezeti hatás Mérsékelten szennyezett Városi / ipari Erősen szennyezett Vízbe merülő A Bármelyik 0 0 (Pr) 0 B 3 mm alatt 3 mm felett 0 0 (Pr) Pr 0 0 0 (Pr) C Bármelyik 0 0* (Pr)* (Pr)* 0 védelem nem szükséges Pr védelem szükséges (Pr) a szükséges védelem a körülmények (pl. szennyezés) vizsgálatától függ * cinkes ötvözet esetén (7xxx sorozat) a varrat környezetét kell védeni

ÖTVÖZETEK KORRÓZIÓS BESOROLÁSA Szabványos jel Kémiai összetétel Felhasználási terület Korróziós ellenállás EN AW-3004 AlMn2Mg1 Lemez, szalag A EN AW-3103 AlMn1 Lemez, szalag, profil A EN AW-5083 AlMg4,5Mn0,7 Lemez, szalag, A EN AW-5754 AlMg3 profil* A EN AW-6060 AlMgSi Profil B EN AW-6061 AlMg1SiCu Lemez, szalag, profil B EN AW-6063 AlMg0.7Si Profil B EN AW-7020 AlZn4,5Mg1 Lemez, szalag, profil C

Hegeszthetőség A különböző ötvöző fémek eltérően befolyásolják a hegeszthetőséget. Amennyiben a fő ötvöző: Mg az anyag jól hegeszthető, MgSi, ZnSi a hegeszthetőség közepesen nehéz, Mn nehezen hegeszthető az anyag.

ALUMÍNIUM ANYAGOK HEGESZTÉSE Az alumínium elem felületén oxidréteg van, ezért különleges módon (nagy hőmérsékleten) lehet csak hegeszteni. A hegesztés mindig védőgáz alatt történik, hogy az olvadék intenzív oxidációját (égését) megakadályozzuk. Az AWI hegesztés wolfram elektródával egyenárammal történik. Az AFI hegesztés alumínium anyagú fogyó elektródával, ma váltóárammal történik. A hegesztés hő-bevitele hatására a hideg alakítással, vagy hőkezeléssel szilárdságnövelt anyag kilágyul, szilárdsága lecsökken. A hegesztés által érintett, így csökkent szilárdságú területet nevezzük hőbefolyásolt zónának. Különleges ötvözet típus az önszilárduló ötvözet.

HŐBEFOLYÁSOLT ÖVEZET A VARRAT KÖRNYEZETÉBEN

Ötvözet Felhasználási irányelvek Gyakori alakítható ötvözetek: Nemesíth ető Szilárdság Fáradási szilárdság Alakítható ság Hegeszthe tőség Időjárásáll óság Felhasználás 2014A igen magas jó nem rossz repülőipar E, P 3103/3003 nem közepes jó jó jó 5251 / 5052 nem jó jó jó jó jó 5454 nem jó magas jó közepes járműipar, offshore szerkezetép. járműipar, offshore szerkezetép. Termék S, P, E S, P 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 6061 / 6082 igen jó közepes jó jó jó 6005A igen jó magas jó kiváló 7020 (önnemesedő) 7075 (önnemesedő) forrás: aluselect teherviselő szerk. elemek, hidak, darupályák, tetőszerkezet, söröshordó vékonyfalú széles sajtolt termékek igen magas magas jó megfel. megfel. járműipar, hadiipar P, E igen magas magas jó nem rossz repülőipar E, P S, P, E E

Shanghai Al-Jin Metal Products Csömöri gyalogoshíd Kapp Aluminium

3) ALUMÍNIUM SZERKEZETEK SAJÁTOSSÁGAI

Szerkezetépítés Anyagkiválasztás Súly Rugalmassági modulus Sajtolás Hőmérséklet Hegesztés Korrózióállóság, korrózióvédelem Kapcsolatkialakítás Ár Újrahasznosítás

Ötvözetválasztás fő szempontjai: Az ötvözet kiválasztása tervezési paraméter! Környezet: hőmérsékleti tartomány: max, min hőmérséklet kémiai környezet: korrózióállóság terhelés: rug. modulus, folyáshatár, szakítószilárdság, fáradás Elektromos és hőáram tulajdonságok Kontakt Gyártás: gyárthatóság, alakíthatóság, szerelhetőség: sajtolhatóság, hajlíthatóság, hengerlés, öntészet kapcsolatok: hegeszthetőség, csavarozás, ragasztás, szegecselés felületvédelem, felületkezelés

Ötvözetválasztás fő szempontjai: Megmunkálás: Hengerelt: 3***, 5*** Sajtolt: 6***, 7*** Öntött: 4*** Magas szilárdság: 7***, 6*** Jó alakíthatóság: 6*** Jó korrózióállóság: 3***, 5*** Jó hegeszthetőség: 5***, 7*** Jó felület: 3***

Rugalmassági modulus: stabilitási problémák: lásd méretezés deformációk forrás: TALAT

Hőmérséklet: alacsony olvadáspont magas hőmérsékleten kúszás, erőteljesen csökkent jellemzők Hegesztés hatása: drága hőhatás övezet kilágyulás hegesztési sajátfeszültségek Nominal stress [MPa] 300 250 200 150 100 50 befolyásolja a tervezést elemi kapcsolat; keresztmetszet; elem stabilitási ellenállás szinten is f 0.2 f 0.2 f 0.2 (2-0-08) parent material (3-5-04) longitudinal direction of FSW (2-0-16) transverse direction of FSW 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Strains [µε] Hardness [HV] A 120 100 80 60 40 20 B C D 2x20 mm 0-30 -25-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 C M easuring range [m m ] B A outside 2m m m iddle inside 2m m

Optimális hegesztési pozíció

Korrózióvédelem: jó korróziós tulajdonságok, de TÉVHIT, hogy egyáltalán nincs korróziós probléma lyuk-, kristályközi korrózió kontakt korrózió feszültségkorrózió réskorrózió forrás: TALAT

forrás: TALAT

Kapcsolatkialakítás: Tompavarrat előkészítése Tompavarrat előkészítése, növelt falvastagsággal, a hőbefolyásolt zóna szilárdságcsökkentés ellensúlyozására Tompavarrat előkészítése, állandó alátétlemez besajtolásával Dupla csiptetőkapocs Egyoldali forgó csiptetőkapocs Forgó akasztó kapcsolat Sajtolt horony önmetsző csavarnak Kép7-13 forrás: TALAT

forrás: TALAT Ragasztott kötés zárócsavar

Sajtolás összetett szelvények alakíthatóak ki optimális szelvény, mely ötvözi a szerkezeti, építészeti és funkcionális előnyöket, pl. merevítőbordák, csavarómerevség, kapcsolat nagy méretpontosság relatíve kis imperfekciók sajtolószerszám relatíve drága, főleg nagy szelvényeknél tömeggyártás nagy szelvények: sajtolt elemek összehegesztése forrás: TALAT

OPTIMÁLIS SZELVÉNYKIALAKÍTÁS azonos hajlítómerevségű szelvények acél alumínium 50%-kal kisebb súly növelt csavarómerevség növelt csavarómerevség, integrált funkció

forrás: TALAT

Kapp Aluminium

Főbb alkalmazási területek Szerkezetes alkalmazások: hagyományos szerkezetekben: oszlop, gerenda ortotróp lemez: híd pályalemez; födém lemeze donga héjak könnyűszerkezetes tetőrendszer térrács gyalogos hidak

k é z s n p a T é i t K e i z k e ö k n r r e é z s m ó k t r a a z T ss s é ció i n uk a t r g t á s s n d o r k á l e i r z t S ze E e k M B szer ó t r Ta

4) MÉRETEZÉS AZEC9 SZERINT

Méretezés az EC9 szerint 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. Vékonyfalú elemek Hidegen alakított vékonyfalú szerkezetek: 3000, 5000 sorozat trapézlemezek, kazetták, szelemenek, hullámlemezek analóg a hasonló acélszerkezetekkel: gyártás, viselkedés, problémák, kapcsolatok, felhasználás, stb. viselkedés, méretezés: mint acélszerkezetek de a most elhangzottakat figyelembe véve (pl. korrózióvédelem) EC9-1-4: analóg az EC3-1-3 előírásaival Egyéb (sajtolt, hegesztett) vékonyfalú szerkezetek

Sajtolt és/vagy hegesztett elemek alapanyag tipikusan: 3000, 5000, 6000 sorozat lemezek, sajtolt vagy húzott profilok lehet hegesztett

Húzás: Nyomás: Hajlítás: Keresztmetszeti ellenállás Krm-i osztály Nem hegesztett Hegesztett 1 W pl / W el W pl,haz / W el 2 W pl / W el W pl,haz / W el 3 α 3,u α 3,w 4 W eff / W el W eff,haz / W el

Hegesztés hatása krm-i ellenállás szintjén: hőhatás övezetben effektív vastagsággal

Felkeményedés hatása: numerikus analízis esetén: bilineáris, trilineáris, piecewise, folytonos anyagmodellek kézi számításban: korrekciós tényező Ramberg-Osgood modell alapján gyakorlati kézi számításnál: normálerő esetén: N Rd = α N, j α α α f N,1 N,2 N,4 t = f u t = α = A M 2 / N,3 eff A f Af d d = 1,0 hajlítás esetén: M Rd = αm, j α α α α M,1 M,2 M,3 M,4 W > W pl el W = W f = γ pl el el W el β W 3 β = 1+ β 3 β2 W Weff = W f d pl el 1

Nyomás és hajlítás interakciója (szilárdsági): I-szelvényre: zárt szelvényre:

Stabilitási problémák Vizsgálandó jelenségek: globális stabilitási problémák: síkbeli kihajlás, tiszta vagy térbeli elcsavarodó kihajlás kifordulás lokális horpadás torzulási horpadás nyírási horpadás keresztirányú erő (beroppanás) (shear lag) (flange curling) ezek interakciói Specialitás: rugmod kisebb, mint acélnál hegesztés hatása speciális alakú szelvények

Lemez-és torzulásos horpadás EC9-1-1: lemezhorpadás: effektív krm(alapelv, mint EC3-1-5) torzulásos horpadás: egyszerűbb esetekre kezeli; teljes és részleges merevítésre egyaránt síkjában terhelt merevítetlen és merevített lemezmezőkre külön (alternatív) eljárás is (köv. óra) EC9-1-4: az EC3-1-3-mal analóg módon hidegen alakított elemekre ad eljárást Specialitás: rugmod kisebb, mint acélnál hegesztés hatása speciális alakú szelvények

Merevítetlen lemezmezők krm osztályozása: ε = Horpadási osztály 250/ Belső Külső β 1 / ε β 2 / ε β 3 / ε β 1 / ε β 2 / ε β 3 / ε A 11 16 22 3 4,5 6 A + hegesztés 9 13 18 2,5 4 5 B 13 16,5 18 3,5 4,5 5 B + hegesztés 10 13,5 15 3 3,5 4 f o Osztályozás: β β 1 : 1. krm. oszt. β 1 < β β 2 : 2. β 2 < β β 3 : 3. β 3 β: 4.

Bordával merevített lemezek krm osztályozása: egyszerűbb esetekre:

bonyolultabb formájú egyedi bordára: ekvivalens borda összetett bordázatra: Effektív krm effektív lemezvastagság!!!

Kihajlás Síkbeli kihajlás: Tiszta vagy térbeli elcsavarodó kihajlás:

Befogási tényező öblösödéshez, k w Befogási tényező hajlításhoz, k y, k z 1,0 0,7 0,7 0,5 1,0 1,0 0,817 0,817 0,780 0,7 0,7 0,5 0,817 1,0 1,0 0,766 0,817 1,0 1,0 0,766 0,780 0,766 0,766 1,0 Minden egyéb esetben α yw = 1,0 és α zw = 1,0 a biztonság javára.

Kifordulás

Nyomott/hajlított elemek Kihajlás és nyomaték interakciója: I-szelvényre: zárt szelvényre: Kihajlás és kifordulás interakciója:

Csavarási jellemzők

További megjegyzések Egyéb jelenségek, vizsgálatok: shearlag: mint acél flange curling: mint acél Merevített lemezek ( ortotrop lemezek): következő előadás Kapcsolatok: elemi kapcsolatok és szerkezeti elemek közötti kapcsolatok általában: EC9-1-1-ben összesűrítve; EC3-1-8-hoz hasonló elvek és eljárások alapján hegesztés: elv ugyanaz, de az alapanyag mellett a hegesztés anyagát is ellenőrizni kell vékonyfalú hidegen alakított elemek kapcsolatai: EC9-1-4-ben (analóg EC3-1-3- mal) speciális kapcsolatok: ragasztott kapcsolatok, speciális hegesztési eljárások (pl. FSW), mechanikus ( clip ) kapcsolatok

Irodalom Fernezelyi, Kövesdi, Vigh: Alumíniumszerkezetek tervezése az Eurocode 9 alapján. TERC, Budapest, 2012. TALAT: Training in Aluminium Application Technologies http://www.eaa.net/eaa/education/talat/index.htm alumatter: http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/default.asp?catid=&pageid=1 aluselect: http://aluminium.matter.org.uk/aluselect/default.asp Seregi György: Magasépítési alumíniumszerkezetek European Aluminium Association: http://www.eaa.net/