Alumínium szerkezetek tervezése Tanszék Képzés 3 ...szt.bme.hu/phocadownload/szakmernoki/1_felev_anyaga... · Hegesztés hatása: • drága • hőhatás övezet • kilágyulás

Alumínium szerkezetek tervezése3. előadás

Alumínium ötvözetek és a gyártási technológia

hatása a méretezésre.

Alumínium szerkezetek méretezése az Eurocode 9 szerint.

Szakmérnöki kurzus

Dr. Vigh László Gergelyegyetemi docens

BME Hidak és Szerkezetek TanszékKmf85.20; [email protected]

BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék

Tartószerkezet-rekonstru

kciós Szakmérnöki Képzés

Shanghai Al‐Jin Metal Products

Kapp Aluminium Csömöri gyalogoshíd







Alumínium ötvözetek és termékekÖtvözetek:

• öntészeti (cast)• alakítható ötvözetek(wrought)

Al

Alakítható ötvözetek:




Sajtolás

forrás: TALAT




AnyagkiválasztásAz 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




Jellemző Alumínium Acél

Fajsúly kg / m3 2700 7850

Olvadási pont °C 658 1450‐1530

hőtágulási együttható 1 / °C 24 12

korrózióállóság jó / kiváló rossz

folyáshatár / egyezményes folyáshatár

MPa

5083‐O 145 Fe360 235

6061‐T6 275 Fe510 350

7075‐T6 505

szakítószilárdság MPa

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

Fizikai és mechanikai jellemzők




0 5 10 15 20

Ratio of strength to specific weight [cmx105]

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

szilárdság / fajsúly arány (105 cm)BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T

anszék



forrás: TALAT




Felhasználási irányelvekÖtvözet

Nemesíthető

SzilárdságFáradási szilárdság

Alakíthatóság

Hegeszthetőség

Időjárásállóság

Felhasználás Termék

2014A igen magas jó nem rossz repülőipar E, P

3103/3003 nem közepes jó jó jójárműipar, offshore

szerkezetép.S, P, E

5251 / 5052 nem jó jó jó jó jójárműipar, offshore

szerkezetép.S, P

5454 nem jó magasjó

közepesjó 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

teherviselő szerk. elemek, hidak, darupályák,

tetőszerkezet, söröshordó

S, P, E

6005A igen jó magas jó kiválóvékonyfalú széles sajtolt termékek

E

7020(önnemesedő)

igen magas magas jó megfel. megfel. járműipar, hadiipar P, E

7075(önnemesedő)

igen magas magas jó nem rossz repülőipar E, P

Gyakori alakítható ötvözetek:

forrás: aluSELECT




SzerkezetépítésAnyagkiválasztás

Súly

Rugalmassági modulus

Sajtolás

Hőmérséklet

Hegesztés

Korrózióállóság, korrózióvédelem

Kapcsolatkialakítás

Ár

ÚjrahasznosításBME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék



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• befolyásolja a tervezést elemi kapcsolat; keresztmetszet; elem stabilitási

ellenállás szinten is

A ABB CCD

2x20 mm

0

20

40

60

80

100

120

- 30 - 25 - 20 - 15 - 10 - 5 0 5 10 15 20 25 30Measuring range [mm]

Har

dnes

s [H

V]

outside 2mmmiddleinside 2mm

0

50

100

150

200

250

300

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Strains [με]

Nom

inal

str

ess

[MPa

]

(2-0-16)transverse

direction of FSW

(3-5-04)longitudinal

direction of FSW

f0.2

f0.2

(2-0-08)parent material

f0.2







forrás: TALAT

Korrózióvédelem:• jó korróziós tulajdonságok, de TÉVHIT, hogy egyáltalán nincs korróziós probléma

• lyuk‐, kristályközi korrózió• kontakt korrózió• feszültségkorrózió• réskorrózió




forrás: TALAT




Kapcsolatkialakítás:

forrás: TALAT

Kép7-13

Tompavarrat előkészítése Tompavarrat előkészítése, növelt falvastagsággal, a hő-befolyásolt zóna szilárdságcsökkentés ellensúlyozására Tompavarrat előkészítése, állandó alátétlemez besajtolásával Dupla csiptetőkapocs Egyoldali forgó csiptetőkapocs Forgó akasztó kapcsolat Sajtolt horony önmetsző csavarnak




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 szelvényeknéltömeggyártásnagy szelvények: sajtolt elemek összehegesztése




Optimális szelvénykialakítás(azonos hajlítómerevségű szelvények)

Optimális hegesztési pozíció

acél alumínium

50%‐kal kisebb súly

növelt csavaró‐merevség

növelt csavaró‐merevség,

integrált funkció




forrás: TALAT

Ragasztott kötés

zárócsavarBME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék



forrás: TALAT




Kapp Aluminium










Főbb alkalmazási területekSzerkezetes alkalmazások:

• „hagyományos” szerkezetekben: oszlop, gerenda• ortotróp lemez: híd pályalemez; födém lemeze• donga héjak• könnyűszerkezetes tetőrendszer• térrács• gyalogos hidak




Méretezés az EC9 szerint

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

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




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 Wpl / Wel Wpl,haz / Wel

2 Wpl / Wel Wpl,haz / Wel

3 α3,u α3,w

4 Weff / Wel Weff,haz / Wel




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: hajlítás esetén:deljMRd fWM ,α=

el

effM

el

plM

el

plM

el

plM

WW

WW

WWWW

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−−

+=

=

>

4,

23

33,

2,

1,

11

α

ββββα

α

α

djNRd AfN ,α=

2

4,

3,2,

1,

0,1/

M

ut

effN

NN

dtN

ff

AA

ff

γ

α

αα

α

=

=

==

=




Nyomás és hajlítás interakciója (szilárdsági):• I‐szelvényre:

• zárt szelvényre:




Stabilitási problémákVizsgálandó 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 horpadásEC9‐1‐1:

• 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 osztályBelső Külső

β1 / ε β2 / ε β3 / ε β1 / ε β2 / ε β3 / 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

of/250=ε

Osztályozás:• β ≤ β1: 1. krm. oszt.• β1 < β ≤ β2: 2. • β2 < β ≤ β3: 3.• β3 ≤ β: 4.BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T

anszék



Bordával merevített lemezek krm osztályozása:

• egyszerűbb esetekre:




• bonyolultabb formájú egyedi bordára: ekvivalens borda

• összetett bordázatra:

Effektív krm effektív lemezvastagság!!!




Síkbeli kihajlás:

Tiszta vagy térbeli elcsavarodó kihajlás:

Kihajlás




Befogási tényező öblösödéshez, kw

Befogási tényező hajlításhoz, ky, kz

1,0

0,7

0,7

0,5

1,0 1,0 0,817 0,817 0,780

0,7 0,817 1,0 1,0 0,766

0,7 0,817 1,0 1,0 0,766

0,5 0,780 0,766 0,766 1,0

Minden egyéb esetben αyw = 1,0 és αzw = 1,0 a biztonság javára.







Kifordulás




Kihajlás és nyomaték interakciója:• I‐szelvényre:

• zárt szelvényre:

Nyomott/hajlított elemek

Kihajlás és kifordulás interakciója:




Csavarási jellemzők




További megjegyzésekEgyéb jelenségek, vizsgálatok:

• shear lag: 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. Gyakorlati útmutató. Magyar Mérnöki Kamara, Budapest, 2011.

• TALAT: Training in Aluminium Application Technologieshttp://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/BME Szilárdságtani és Tartószerkezeti T

anszék



Documents

Alumínium szerkezetek tervezése Tanszék Képzés 3 ...szt.bme.hu/phocadownload/szakmernoki/1_felev_anyaga... · Hegesztés hatása: • drága • hőhatás övezet • kilágyulás