MMK szakmai továbbképzés Budapest, 2015.11.12. TEHERHORDÓ ALUMÍNIUM SZERKEZETEK GYÁRTÁSTECHNOLÓGIA HATÁSA, ALKALMAZÁS, TERVEZÉS Vigh László Gergely egyetemi docens BME Hidak és Szerkezetek Tanszék geri@vbt.bme.hu Dr. Fernezely Sándor Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Hidak és Szerkezetek Tanszék
Shanghai Al-Jin Metal Products Csömöri gyalogoshíd Kapp Aluminium
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
ZEPPELIN LÉGHAJÓ 1900 SCHWARC DÁVID LÉGHAJÓJA 1897
LÉGHAJÓ KATASZTRÓFA
MA REPÜLŐGÉP 1924
gépjárműváz alumínium hajótest
Shanghai Al-Jin Metal Products Csömöri gyalogoshíd Kapp Aluminium
ALUMÍNIUM ÖTVÖZETEK JELLEMZŐI, GYÁRTÁSTECHNOLÓGIA
Alumínium ötvözetek és termékek Ötvözetek: öntészeti (cast) alakítható ötvözetek(wrought) Alakítható ötvözetek: Cu Mg AlCuMg AlMgSi AlZnMg AlZnMgCu Al Zn Si AlSiCu AlSi AlMg AlMgMn Mn AlMn
Gyártástechnológia Sajtolás forrás: TALAT Hegesztés Hidegalakítás (élhajlítás, hengerlés) trapézlemezek, stb.
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
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 related to the proof stress related to the ultimate strength 0 5 10 15 20 szilárdság Ratio of strength / fajsúly to specific arány weight (10[cm 5 cm) x 10 5 ]
forrás: TALAT
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.
Hegeszthetőség 1. A különböző ötvöző fémek eltérően befolyásolják a hegeszthetőséget: Mg az anyag jól hegeszthető, MgSi, ZnSi a hegeszthetőség közepesen nehéz, Mn nehezen hegeszthető az anyag. 2. Az alumínium elem felületén oxidréteg van, ezért különleges módon (nagy hőmérsékleten) lehet csak hegeszteni. 3. A hegesztés mindig védőgáz alatt történik, hogy az olvadék intenzív oxidációját (égését) megakadályozzuk. 4. AWI (TIG) hegesztés: wolfram elektródával egyenárammal történik. 5. AFI (MIG) hegesztés: alumínium anyagú fogyó elektródával, ma váltóárammal történik. 6. A hegesztési hőbevitel hatására a hideg alakítással, vagy hőkezeléssel szilárdságnövelt anyag kilágyul, szilárdsága lecsökken. 7. A hegesztés által érintett, így csökkent szilárdságú területet nevezzük hő-befolyásolt zónának. 8. Különleges ötvözet típus az önszilárduló ötvözet.
Shanghai Al-Jin Metal Products Csömöri gyalogoshíd Kapp Aluminium
ALUMÍNIUM SZERKEZETEK SAJÁTOSSÁGAI, SZERKEZETI KIALAKÍTÁS
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
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***
Felhasználási irányelvek Ötvözet Szilárdság Fáradási szilárdság Nemesíthető Alakíthatóság Hegeszthetőség Időjárásállóság Felhasználás Termék 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. 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 S, P, E igen magas magas jó nem rossz repülőipar E, P E
Rugalmassági modulus stabilitási problémák deformációk forrás: TALAT
Hőmérséklet alacsony olvadáspont magas hőmérsékleten kúszás, erőteljesen csökkent jellemzők Hegesztés (MIG, TIG, FSW ) hatása: drága hőhatás övezet kilágyulás hegesztési sajátfeszültségek befolyásolja a tervezést elemi kapcsolat; keresztmetszet; elem stabilitási ellenállás szinten is
Korrózióvédelem jó korróziós tulajdonságok, de TÉVHIT, hogy egyáltalán nincs korróziós probléma lyuk-, kristályközi korrózió kontakt korrózió feszültségkorrózió réskorrózió forrás: TALAT
forrás: TALAT
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
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
Ragasztott kötés zárócsavar forrás: TALAT
Optimális szelvénykialakítás Optimális hegesztési pozíció acél Azonos hajlítómerevségű szelvények alumínium 50%-kal kisebb súly növelt csavarómerevség növelt csavarómerevség, integrált funkció
forrás: TALAT
Kapp Aluminium
MÉRETEZÉS AZ EUROCODE 9 SZERINT
Eurocode 9 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. Hidegen alakított vékonyfalú elemek 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
Sajtolt és/vagy hegesztett elemek alapanyag tipikusan: 3000, 5000, 6000 sorozat lemezek, sajtolt vagy húzott profilok lehet hegesztett
Keresztmetszeti ellenállás Húzás: Nyomás: Hajlítás: 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 a 3,u a 3,w 4 W eff / W el W eff,haz / W el
Hegesztés hatása krm-i ellenállás szintjén: hőhatás övezetben effektív vastagsággal
Nyomás és hajlítás interakciója (szilárdsági): I-szelvényre: zárt szelvényre:
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: Horpadási osztály Belső Külső b 1 / e b 2 / e b 3 / e b 1 / e b 2 / e b 3 / e 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 e B + hegesztés 10 13,5 15 3 3,5 4 250/ f o Osztályozás: b b 1 : 1. krm. oszt. b 1 < b b 2 : 2. b 2 < b b 3 : 3. b 3 b: 4.
Bordával merevített lemezek krm osztályozása: egyszerűbb esetekre:
Effektív krm effektív lemezvastagság!!!
Kihajlás Síkbeli kihajlás: Tiszta vagy térbeli elcsavarodó kihajlás:
Kifordulás
Nyomott-hajlított elemek Kihajlás és nyomaték interakciója: I-szelvényre: zárt szelvényre: Kihajlás és kifordulás interakciója:
Csavarási jellemzők
MINTAPÉLDÁK
ALKALMAZÁSI TERÜLETEK
Alkalmazási területek hagyományos szerkezetekben: oszlop, gerenda ortotróp lemez: híd pályalemez; födém lemeze donga héjak könnyűszerkezetes tetőrendszer térrács gyalogos hidak állványrendszerek sátor szerkezetek
Télikert, Ötödik Évszak Kft. Alumínium mobil állvány, PopUp
Big Concert Truss System, RK Ltd. http://www.bridgat.com/u40689
Helideck, Kapp Aluminium
Csömöri gyalogoshíd
Alumínium szerk., Osaka University
Alumínium szerk., Osaka University
Alumínium szerk., Osaka University
Komjádi uszoda
MMK szakmai továbbképzés Budapest, 2015.11.12. KÖSZÖNÖM A MEGTISZTELŐ FIGYELMET! Vigh László Gergely
Irodalom Fernezelyi, Kövesdi, Vigh: Alumíniumszerkezetek tervezése az Eurocode 9 alapján. Gyakorlati útmutató. Magyar Mérnöki Kamara, Budapest, 2011. 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/