aluminijum ftn, 1. vezbe

СПЕЦИЈАЛНЕ МЕТАЛНЕ КОНСТРУКЦИЈЕ - ГРАЂЕВИНАРСТВО НОВИ САД 2015

1

VEŽBE 1 - ALUMINIJUM: UVOD (Radna verzija)

Aluminijum kao građevinski materijal se slobodno može nazvati modernim materijlom, s

obzirom da se koristi svega stotinak godina što je značajno manje u odnosu na ostale osnovne

konstrukcione materijale. Aluminijum, iako najsličniji čeliku ima mnoge osobenosti i razlike u

odnosu na čelik, pa će pre bilo kakvog zalaženja u proračun 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 još jedno "i", tako da danas u svetu koegzistiraju dva naziva, aluminijum i aluminum. On

je hemijski element sa atomskim brojem 13. Čist aluminijum ima sledeća svojstva:

γ = 2700 kg/m3 (γ = 7850 kg/m3 - čelik)

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

α = 23,5 x 10-6/⁰C (α = 12 x 10-6/⁰C)

Tačka topljenja : 600⁰C (1500 za čelik), 1800⁰C je tačka ključanja.

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

Čvrstoća na zatezanje je fu = 90-140 MPa, zavisno od termičkog tretmana.

Poslednji podatak pokazuje koliko su slaba mehanička svojstva čistog aluminijuma. Ovo je i

razlog zašto se aluminijum veoma retko koristi kao čist. On se gotovo uvek legira različitim

metalima čime se postižu značajno bolje mehaničke karakteristike legura. O legurama će biti reči

u sledećem tekstu.

Aluminijum je imao zanimljiv razvoj, o kome se može čitati u mnogim uvodnim poglavljima

knjiga koje tretiraju aluminijumske konstrukcije. Ovde će se pomenuti da je izdvajanje čistog

aluminijuma išlo veoma sporim tempom, i poprilično kasno, tek početkom 19. veka. Tek kada je

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

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

u odnosu na prethodni period, i time je aluminijum postao industrijski materijal koji se

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

da i danas proces proizvodnje aluminijuma zahteva poprilične utroške električne energije, pa se

stoga proizvodnja aluminijuma izmešta u područja koja obiluju izvorima iste. Za proizvodnju je

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

aluminijuma. Takođe se za 1kg aluminijuma potroši 2kg aluminijum oksida i 0,5kg ugljenika koji

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

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

čini aluminijum komparativno najskupljom i najtraženijom sekundarnom sirovinom.


2

Aluminijum se od početka koristio u

mnogim oblastima, gde građevinarstvo nije

bila vodeća grana privrede. Kao nezamenjiv

je brzo prepoznat u avio industriji gde se i

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

bio izgrađen od čistog aluminijuma, a

kasniji modeli (LZ3) su pravljeni od

duraluminijuma, jedne od prvih legure

aluminijuma. Ferdinand von Zeppelin se

smatra začetnikom strukturalnog

aluminijuma.

Nakon 1945. godine zbog nestašice čelika na globalnom nivou, proizvodnja aluminijuma je

značajno porasla. U to vreme aluminijum je uveden u mnoge sfere gde je do tada čelik bio

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

povukao iz upotrebe, ali je u većini drugih prepoznat ili kao vodeći ili kao prva alternativa čeliku.

Tako se u transportu zadržala upotreba aluminijuma, danas najčešće za delove kamiona, vagone

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

građevinarstvu je aluminijum postao nezamenjiv u izgradnji naftnih platformi (prostorije za život

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

kod pokretnih ili prenosnih vojnih mostova i dalekovoda na nepristupačnim terenima. Današnja

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

godišnje. Trećina toga se koristi za razna pakovanja. Proizvodnja čelika, poređeno prema

zapremini, je 12 puta veća.

1.1. PREDNOSTI I MANE

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

one bi izgledale ovako:

mala sopstvena težina - trećina težine čelika;

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

zahtevaju neku vrstu zaštite;


3

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

aluminijumskih preseka, je značajno raznovrsnija od procesa valjanja kod čelika. Ovo je

osnovna odlika projektovanja u aluminijumu;

zavarljivost - većina legura se mogu zavarivati kao i čelik, koristeći zavarivanje pod

zaštitom gasa. Brzine zavarivanja su veće nego kod čelika;

glodanje - može biti ekonomična tehnika proizvodnje aluminijumskih elemenata zbog

velike stope uklanjanja metala koje su ostvarive;


4

lepljenje - adhezivno spajanje je uveliko ustanovljen metod za izvođenje konstrukcijskih

veza u aluminijumu,

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

temperaturama kao što je to čelik. Njegova mehanička svojstva se postepeno

poboljšavaju sa smanjenjem temperature.

Mane aluminijuma kao konstrukcijskom materijala bi ukratko bile:

cena - cena metala je uglavnom oko 1,5 puta veća nego čelika iste zapremine. Ipak, cena

izgradnja, zbog manje mase, je manja. Dodatne uštede se postižu lakšim sečenjem

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

situacijama, lakšom manipulacijom. Tako, da u okvirima ukupne cene koštanja gradnje

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

diskusije je relativno visoka cena sekundarnog aluminijuma, značajna stavka za

konstrukcije kratkog veka. Sa druge strane, ova činjenica na žalost ima i svoju negativnu

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

sekundarne sirovine;

izvijanje - zbog manjeg modula elastičnosti, kritično opterećenje aluminijumskih

komponenti je manje nego za čelik iste vitkosti;

povišene temperature - aluminijum slabi značajno brže na povišenim temperaturama od

čelika. Gubitak čvrstoće se za neke legure počinje već od 80 - 100 ⁰C;


5

ZUT omekšavanje kod šavova - postoji ozbiljan lokalni pad u čvrstoći u zoni uticaja

toplote (ZUT) kod zavarenih veza u nekim legurama;

zamor - aluminijumski elementi su više skloni otkazu usled zamora nego čelični;

termalna ekspanzija - kao što se moglo primetiti ranije u tekstu, aluminijum se širi i

skuplja sa promenom temperature dvostruko više bego čelik. Ipak, zbog manjeg modula

elastičnosti, naponi usled temperature u elementu sprečenih deformacija su samo 2/3

onih u čeliku;

elektrolitička korozija - ozbiljna korozija aluminijuma se može ostvariti na mestima gde

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

dešava čak i pri korišćenju legura koje su veoma izdržljive;

ugibi - opet zbog manjeg modula, elastične deformacije su važniji faktor nego kod čelika.

Ovo je često merodavno kod dimenzionisanja greda.

1.2 UPOTREBA U KONSTRUKCIJAMA

Nakon ovih početnih opažanja, moguće je zaključiti da je aluminijumske legure mogu biti

ekonomične, i stoga konkurentne, u primeni u kojoj su sasvim iskorišćena neka od gore

navedenih prednosti. Konkretno, sledeće tri osobine moraju biti iskorišćene:

1) Mala težina, za rezultat ima:

- jednostavne faze montaže;

- transport potpuno prefabrikovanih elemenata;

- smanjene sile na temelje;

- smanjuje utrošenu energiju tokom montaže i/ili tokom upotrebe;

- smanjuje fizički rad;

2) Otpornost na koroziju:

- smanjuje troškove održavanja;

- obezbeđuje dobro ponašanje u agresivnim sredinama;

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

- poboljšanje geometrijskih karakteristika poprečnoog preseka projektovanjem oblika

koji ujedno daju minimalnu težinu i najvišu konstruktivnu efikasnost;

- dobijanje ukrućnenih oblika bez korišćenja složenih štapova, pa tim izbegavanje

zavarivanja ili zavrtnjeva;

- pojednostavljenje sistema vezivanja različitih elemenata međusobno, i time poboljšanje

detalja veza;

- kombinovanje različitih funkcija konstruktivnih komponenata, i postizanje

ekonomičnijeg i racionalnijeg preseka.


6

Sa stanovišta upotrebe, najbolji rezultati se postižu u nekim tipičnim slučajevima, iskorišćenjem

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

U građevinarstvu, najčešći slučajevi konstrukcija pripadaju nekoj od sledećih grupa:

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

stalna. Oni uključuju dvo- i trodimenzionalne rešetke, kao i prostorne rešetkaste nosače.

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

tako da su troškovi transporta i montaže od najvećeg značaja. To je slučaj kod

prefabrikovanih elemenata kao što 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 vlažnim uslovima. Ovakve konstrukcije

pokrivaju mnoge tipove, kao što su krovovi bazena, rečni mostovi, hidrauličke konstrukcije

i megastrukture na vodi (platforme).

4. Konstrukcije koje imaju pokretne delove, tako da ušteda u težini znači uštedu snage tokom

korišćenja. To su uglavnom pokretni mostovi, kako pešački tako i drumski, kao i rotirajući

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

5. Konstrukcije specijalne svrhe, koodd kojih su uslovi održavanja veoma teški i moraju biti

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

dr.

aluminijum ftn, 1. vezbe

Documents