- 2015

1

VEBE 1 - ALUMINIJUM: UVOD (Radna verzija)

Aluminijum kao graevinski materijal se slobodno moe nazvati modernim materijlom, s

obzirom da se koristi svega stotinak godina to je znaajno manje u odnosu na ostale osnovne

konstrukcione materijale. Aluminijum, iako najsliniji eliku ima mnoge osobenosti i razlike u

odnosu na elik, pa e pre bilo kakvog zalaenja u proraun aluminijumskih konstrukcija prvo biti

neophodno objasniti ove osnovne razlike.

Prva zanimljivost za aluminijum je njegovo dvostruko ime. Prvi ga je u metalnom obliku

identifikovao Humphrey Davy 1808. godine i nazvao alumium, pa kasnije aluminum. Kasnije se

pojavilo jo jedno "i", tako da danas u svetu koegzistiraju dva naziva, aluminijum i aluminum. On

je hemijski element sa atomskim brojem 13. ist aluminijum ima sledea svojstva:

= 2700 kg/m3 ( = 7850 kg/m3 - elik)

E = 69 GPa , G = 26 GPa (E = 210 GPa - elik)

= 23,5 x 10-6/C ( = 12 x 10-6/C)

Taka topljenja : 600C (1500 za elik), 1800C je taka kljuanja.

Pored toga, za aluminijum je karakteristian njegov metalni sjaj i boja.

Napon pri kidanju na zatezanje je fu = 90-140 MPa, zavisno od termikog tretmana.

Poslednji podatak pokazuje koliko su slaba mehanika svojstva istog aluminijuma. Ovo je i

razlog zato se aluminijum veoma retko koristi kao ist. On se gotovo uvek legira razliitim

metalima ime se postiu znaajno bolje mehanike karakteristike legura. O legurama e biti rei

u sledeem tekstu.

Aluminijum je imao zanimljiv razvoj, o kome se moe itati u mnogim uvodnim poglavljima

knjiga koje tretiraju aluminijumske konstrukcije. Ovde e se pomenuti da je izdvajanje istog

aluminijuma ilo veoma sporim tempom, i poprilino kasno, tek poetkom 19. veka. Tek kada je

razvijen Hall-Heroult-ov proces elektrolitikog topljenja aluminijuma, i Bayer-ov proces

izdvajanje aluminijuma iz rude boksita, cena proizvodnje aluminijuma je desetostruka smanjena

u odnosu na prethodne procese, i time je aluminijum postao industrijski materijal koji se

proizovodi na tone. Ovi procesi se i danas koriste za dobijanje aluminijuma. Nije na odmet rei

da i danas proces proizvodnje aluminijuma zahteva popriline utroke elektrine energije, pa se

stoga proizvodnja aluminijuma izmeta u podruja koja obiluju izvorima iste. Za proizvodnju je

potrebna jaka struja (100-150kA), gde potronja varira izmeu 15 i 30 kWh za jedan kilogram

aluminijuma. Takoe se za 1kg aluminijuma potroi 2kg aluminijum oksida i 0,5kg ugljenika koji

se koristi kao kontinualna elektroda. Kao i kod proizvodnje elika, i pri proizvodnji aluminijuma

se koristi sekundarni aluminijum. Ova injenica, zajedno sa veoma skupim procesom dobijanja,

ini aluminijum komparativno najskupljom i najtraenijom sekundarnom sirovinom.

- 2015

2

Aluminijum se od poetka koristio u

mnogim oblastima, gde graevinarstvo nije

bila vodea grana privrede. Kao nezamenjiv

je brzo prepoznat u avio industriji gde se i

danas obilno koristi. Prvi "cepelin" (LZ1) je

bio izgraen od istog aluminijuma, a

kasniji modeli (LZ3) su pravljeni od

duraluminijuma, jedne od prve legure

aluminijuma. Ferdinand von Zeppelin se

smatra zaetnikom strukturalnog

aluminijuma.

Nakon 1945. godine zbog manjka elika na globalnom nivou, proizvodnja aluminijuma je

znaajno porasla. U to vreme aluminijum je uveden u mnoge sfere gde je do tada elik bio

nezamenjiv. Kada se situacija sa elikom vratila u normalu, u nekim oblastima se aluminijum

povukao iz upotrebe, ali je u veini drugih prepoznat kao ili vodei ili prva alternativa eliku.

Tako se u transportu zadrala upotreba aluminijuma, danas najee za delove kamiona, vagone

vozova ili metroa, u auto industriji za motore ili delove asije, u brodogradnji itd. U

graevinarstvu je aluminijum postao nezamenjiv u izgradnji naftnih platformi (prostorije za ivot

i heliodromi), heliodroma na zgradama, prozora (mada se danas plastika sve ee koristi), kao i

kod pokretnih ili prenosnih vojnih mostova i dalekovoda na nepristupanim terenima. Dananja

proizvodnja aluminijuma je desetostruka ona iz 1943. godine, i iznosi oko 20 miliona tona

godinje. Treina toga se koristi za razna pakovanja. Proizvodnja elika, poreeno prema

zapremini, je 12 puta vea.

1.1. PREDNOSTI I MANE

Ako bi se ukratko napravio pregled prednosti i mana aluminijuma kao graevinskog materijala,

one bi izgledale ovako:

mala sopstvena teina - treina teine elika,

nerajui materijal - aluminijum ne korodira, ali neke legure u agresivnim sredinama

zahtevaju neku vrstu zatite,

- 2015

3

proces ekstrudiranja (istiskivanja) - ova tehnika, standardni nain proizvodnje

aluminijumskih preseka, je znaajno raznovrsnija od procesa valjanja kod elika. Ovo je

osnovna odlika projektovanja u aluminijumu,

zavarljivost - veina legura se mogu zavarivati kao i elik, koristei zavarivanje pod

zatitom gasa. Brzine zavarivanja su vee nego kod elika,

glodanje - moe biti ekonomina tehnika proizvodnje aluminijumskih elemenata zbog

velike stope uklanjanja metala koje su ostvarive,

- 2015

4

lepljenje - adhezivno spajanje je uveliko ustanovljen metod za izvoenje konstrukcijskih

veza u aluminijumu,

otpornost na niske temperature - aluminijum nije sklon krtom lomu na veoma niskim

temperaturama kao to je to elik. Njegova mehanika svojstva se postepeno

poboljavaju sa smanjenjem temperature.

Mane aluminijuma kao konstrukcijskom materijala bi ukratko bile:

cena - cena metala je uglavnom oko 1,5 puta vea nego elika iste zapremine. Ipak, cena

izgradnja, zbog manje mase, je manja. Dodatne utede se postiu lakim seenjem

materijala, pametno izabranim presecima, izostankom potrebe za farbanjem u mnogim

situacijama, lakom manipulacijom. Tako, da u okvirima ukupne cene kotanja gradnje

objekta, efekti prelaska na aluminijum su znaajno manji. Druga strana ekonomske

diskusije je relativno visoka cena sekundarnog aluminijuma, znaajna stavka za

konstrukcije kratkog veka. Sa druge strane, ova injenica na alost ima i svoju negativnu

stranu. Deavalo se da su konstrukcije od aluminijuma ukradene radi preprodaje kao

sekundarne sirovine,

izvijanje - zbog manjeg modula elastinosti, kritino optereenje aluminijumskih

komponenti je manje nego za elik iste vitkosti,

poviene temperature - aluminijum slabi znaajno bre na povienim temperaturama od

elika. Gubitak vrstoe se za neke legure poinje ve od 80 - 100 C,

- 2015

5

ZUT omekavanje kod avova - postoji ozbiljan lokalni pad u vrstoi u zoni uticaja

toplote (ZUT) kod zavarenih veza u nekim legurama,

zamor - aluminijumski elementi su vie skloni otkazu usled zamora nego elini,

termalna ekspanzija - kao to se moglo primetiti ranije u tekstu, aluminijum se iri i

skuplja sa promenom temperature dvostruko vie bego elik. Ipak, zbog manjeg modula

elastinosti, naponi usled temperature u elementu spreenih deformacija su samo 2/3

onih u eliku,

elektrolitika korozija - ozbiljna korozija aluminijuma se moe ostvariti na mestima gde

se dodiruje sa drugim metalima, osim ako se ne preduzmu ozbiljne mere zatite. Ovo se

deava ak i pri korienju legura koje su veoma izdrljive,

ugibi - opet zbog manjeg modula, elastine deformacije su vaniji faktor nego kod elika.

Ovo je esto merodavno kod dimenzionisanja greda.

1.2 UPOTREBA U KONSTRUKCIJAMA

Nakon ovih poetnih opaanja, mogue je zakljuiti da je aluminijumske legure mogu biti

ekonomine, i stoga konkurentne, u primeni u kojoj su sasvim iskoriena neka od gore

navedenih prednosti. Konkretno, sledee tri osobine moraju biti iskoriene:

1) Mala teina, ini moguim:

- jednostavne faze montae;

- transport potpuno prefabrikovanih elemenata;

- smanjene sile na temelje;

- smanjuje utroenu energiju tokom montae i/ili tokom upotrebe;

- smanjuje fiziki rad;

2) Otpornost na koroziju:

- smanjuje trokove odravanja;

- obezbeuje dobro ponaanje u agresivnim sredinama;

3) Funkcionalnost strukturalnih oblika, usled procesa ekstrudiranja, omoguava:

- poboljanje geometrijskih karakteristika poprenoog preseka projektovanjem oblika

koji ujedno daju minimalnu teinu i najviu konstruktivnu efikasnost;

- dobijanje ukrunenih oblika bez korienja sloenih tapova, pa tim izbegavanje

zavarivanja ili zavrtnjeva;

- pojednostavljenje sistema vezivanja razliitih elemenata meusobno, i time poboljanje

detalja veza;

- kombinovanje razliitih funkcija konstruktivnih komponenata, i postizanje

ekonominijeg i racionalnijeg preseka.

- 2015

6

Sa stanovita upotrebe, najbolji rezultati se postiu u nekim tipinim sluajevima, iskorienjem

najmanje jedne od ove osnovne tri prednosti : teine, otpornosti na koroziju, i funkcionalnosti.

U graevinarstvu, najei sluajevi konstrukcija pripadaju nekoj od sledeih grupa:

1. Krovni sistemi velikih raspona u kojima su promenjiva optereenja mala u odnosu na

stalna. Oni ukljuuju dvo- i trodimenzionalne reetke, kao i prostorne reetkaste nosae.

2. Konstrukcije locirane na nepristupalnim mestima daleko od mesta proizvodnje (radionice),

tako da su trokovi transporta i montae od najveeg znaaja. To je sluaj kod

prefabrikovanih elemenata kao to su delokovodi, razni tornjevi, stepenice, privremeni

mostovi itd. koji mogu biti preneseni potpuno sklopljeni helikopterom ili kranom.

3. Konstrukcije koje se nalaze u korozivnim ili vlanim uslovima. Ovakve konstrukcije

pokrivaju mnoge tipove, kao to su krovovi bazena, reni mostovi, hidraulike konstrukcije

i megastrukture na vodi (platforme).

4. Konstrukcije koje imaju pokretne delove, tako da uteda u teini znai utedu snage tokom

korienja. To su uglavnom pokretni mostovi, kako peaki tako i drumski, kao i rotirajui

kranski mostovi na krunim bazenima u poostrojenjima za preradu otpadnih voda.

5. Konstrukcije specijalne svrhe, koodd kojih su uslovi odravanja veoma teki i moraju biti

ogranieni, kao to je to kod jarbola, tornjeva za signalizaciju, portala na autoputevima i

dr.