Hybride constructies. Aluminium en staal. Prof.dr.ir. Johan Maljaars TNO en TU/e

Transcriptie

1 Aluminium en staal TNO en TU/e

2 Overzicht Introductie Vergelijk van materiaaleigenschappen Ontwerpen van aluminium constructies Aandachtspunten hybride constructies Ontwerpen van hybride constructies Brandwerendheid Vermoeiingsweerstand (Brandwerendheid) 1

3 Waarom hybride constructies? Streven naar het beste van twee werelden Sterkte van staalconstructies Sterkte/massa-verhouding van aluminiumconstructies Goede corrosieeigenschappen aluminium (maar aandachtspunt) Vrijheid in vormgeving 2

4 Waarom hybride constructies? Niet het ei van Columbus Biedt voordelen voor een aantal constructies Maar niet voor alle constructies 3

5 Materiaaleigenschappen Aluminium Staal Massa ++ +/- Temperatuuruitzetting 2x> Sterkte + ++ Sterkte/massa ++ + Stijfheid - + Corrosie-eigenschappen +!! - Vrijheid in vormgeving profielen ++ + Lasbaarheid + ++ Brandwerendheid - +/- Recyclebaarheid

6 Materiaaleigenschappen Aandachtspunten hybride Aluminium Staal Massa ++ +/- Temperatuuruitzetting 2x> Sterkte + ++ Sterkte/massa ++ + Stijfheid - + Corrosie-eigenschappen +!! - Vrijheid in vormgeving profielen ++ + Lasbaarheid + ++ Brandwerendheid - +/- Recyclebaarheid

7 Vele aluminiumlegeringen spanning stress [N/mm 2 ] T T T O 1020-O 1xxx: Zuiver aluminium 2xxx: Al Cu ( Mg Si) 3xxx: Al Mn 4xxx: Al Si 5xxx: Al Mg 6xxx: Al Mg Si 7xxx: Al Zn ( Mg ( Cu)) strain rek [-] 6

8 Sterkte metalen spanning rek Bron: Talat 7

9 Sterkte / dichtheid metalen spanning vol.massa rek Bron: Talat 8

10 Vormgeving constructiedelen Verbinden: Methode Aluminium Staal Lassen + + Bouten + + Schroeven/klinken + + Lijmen + + Productie: Methode Aluminium Staal Walsen + (plaat) + (plaat & profiel) Gieten + +/- Extruderen + - 9

11 Extruderen aluminium profielen 10

12 Extrusies: vele mogelijkheden 11

13 Gieten 12

14 Ontwerpen met extrusies 13 Prof.dr.ir. Johan Maljaars Hybride constructies

15 Voorbeeld: profiel kassenbouw Integratie van functies 14

16 Voorbeeld: verkeersportaal 15

17 Ontwerp Look-a-like standaard stalen verkeersportaal: Transparant Driehoeksligger X-gevormde kolommen Drie overspanningen Kleiner dan 20 meter Tussen 20 en 42 meter Tussen 42 en 60 meter 16

18 Driehoeksligger 17

19 Productie en assemblage 18

20 Gelaste verbindingen 19

21 Aandachtspunten aluminium constructies 20 Prof.dr.ir. Johan Maljaars Hybride constructies

22 Aandachtspunten Stijfheid Vervormingen Stabiliteit Dynamica Vermoeiing Brandwerendheid Mogelijke oplossing: Hybride constructie: gebruik dat materiaal dat het beste is voor een specifieke eigenschap! 21

23 Aandachtspunten hybride constructies 22 Prof.dr.ir. Johan Maljaars Hybride constructies

24 Belangrijkste aandachtspunten Verschil in stijfheid Stijfste element trekt spanningen naar zich toe Verschil thermische uitzetting Zorg dat verschil in verplaatsing opgevangen kan worden in de verbindingen (ruimte voor uitzetting creëren) Galvanische corrosie Soms moet contact voorkomen worden 23

25 Corrosievastheid Aluminium is minder edel dan staal Oxidelaag op aluminium is dicht ondoordringbaar voor oxide & electroliet corrosieproces stopt Oxidelaag op staal is poreus corrosieproces is doorgaand Risico by hybride verbindingen: galvanische corrosie 24

26 Galvanische corrosie Potentiaalverschil Electroliet Contact Electroliet wegnemen (droge omgeving, binnenmilieu) Potentiaalverschil reduceren: Bijv. Roestvaststaal (buitenmilieu) Contact wegnemen: Isoleren met kunststof (agressief milieu) 25

27 Voorbeelden hybride constructies 26 Prof.dr.ir. Johan Maljaars Hybride constructies

28 Stalen bouten in aluminium constructies Aluminium bouten slechts bij uitzondering Binnen: gegalvaniseerde stalen bouten Buiten: roestvaststalen bouten Offshore: rvs met kunststof hulzen en ringen 27

29 Stalen bouten in aluminium constructies Aluminium bouten slechts bij uitzondering Binnen: gegalvaniseerde stalen bouten Buiten: roestvaststalen bouten Offshore: rvs met kunststof hulzen en ringen Helicoils 28

30 Explosielassen staal-aluminium Door de druk smelt een zeer kleine laag (0,1 mm) zeer kortdurend Deze laag verbindt beide materialen in een zogenaamde overgangslaag Drukgolf blaast ook oxiden weg Galvanische corrosie? Overgangslaag van zuiver aluminium Las is zo sterk als de zwakste schakel 29

31 Renovatie Maarssensebrug: breder fietspad 30

32 Gebruik van extrusies Minimum aantal extrusiemallen: Liggers (2x) Dekprofiel Alternatieven voor het dekprofiel 31

33 Verbindingen Geen contact tussen aluminium en staal Roestvast staal / teflon ringen Rekening houden met verschil in thermische uitzetting α th,alu = 2 x α th,steel 32

34 Uitvoeringsfase Massa 16 m x 4,5 m deck sections: 4875 kg Plaatsing via een kraan op de oever Montage veel sneller dan het smallere prefab betonnen dek Economisch ontwerp door eenvoudige montage en lage onderhoudskosten 33

35 Renovatie Haringvlietbrug: alu dek op stalen liggers 34

36 Aspecten van de constructieve berekening 35

37 Een staalconstructeur kan een aluminium constructie doorrekenen Dat komt door: Materiaalgedrag niet wezenlijk anders Verbindingstechnieken niet wezenlijk anders Toetsingregels in normen zijn voor een groot deel vergelijkbaar Verschillen: Vorm spanning-rekdiagram Teruggang sterkte wartmebeïnvloede zone Lagere stijfheid 36

38 Spannings-rekdiagram staal en aluminium Bron: Talat Spanning [N/mm 2 ] rek 37

39 EN 1999: Classificatie aluminium legeringen Spanning [N/mm 2 ] Rek [-] 38

40 EN 1999: Warmtebeïnvloede zone Treksterkte Afstand tot de las [mm] 39

41 Vermoeiing 40 Prof.dr.ir. Johan Maljaars Hybride constructies

42 Vermoeiing wanneer? Bij wisselende belasting 41

43 Wat is vermoeiing? Ontstaan en groeien van scheuren t.g.v. herhaalde (wisselende) belasting Vermoeiingsscheur ontstaat bij spanningspiek, bijvoorbeeld bij een lasteen De scheur groeit tot bezwijken 42

44 Vermoeiingsweerstand: S-N curves Geeft aantal wisselingen tot bezwijken als functie van spanningsinterval 43

45 Vermoeiingsweerstand: S-N curves Geeft aantal wisselingen tot bezwijken als functie van spanningsrange Bij grote aantallen wisselingen (relevant voor de praktijk) Log σ Log N 44

46 Vergelijking S-N curves staal en aluminium gelast detail Ontwerpwaarden vermoeiingssterkte bij 2x10 6 wisselingen 45

47 Vermoeiing: voorkomen van problemen Voorkom scherpe geometrische overgangen (lassen, afrondingsstralen) Plaats scherpe overgangen in gebied met lage nominale spanning Dikkere platen lagere spanningen Maak gebruik van extrusie dwarsdrager dekplaat trogstuiklas hoofdligger trog dwarsdrager kruising dwarsdragerlijf-trogbeen 46

48 Aluminium: ontwerpen op vermoeiing 47

49 Brandwerendheid 48 Prof.dr.ir. Johan Maljaars Hybride constructies

50 Eigenschappen hoge temperaturen Smelttemperatuur staal: 1200 ºC Smelttemperatuur aluminium legeringen: ºC Laag! Afname sterkte & stijfheid voordat deze temperaturen zijn behaald Aluminium iets snellere opwarming dan staal Thermische uitzetting!! 49

51 Hoge temp. teruggang sterkte EN 1999 k0.2, θ Relative value of 0,2% proof stress k0,2,θ of aluminium alloys Temperature [ºC] Temperatuur [ºC] 5052-O 5052-H O 5083-H O 5454-H T T T6 geldig tot 2 uur blootstelling 50

52 Brand teruggang sterkte k0.2,θ [-] T [ o C] Temperatuur [ºC] 51

53 Brand teruggang Elasticiteitsmodulus ke,θ [-] T [ o C] Temperatuur [ºC] 52

54 Brand mogelijkheden brandontwerp Fire model Generalised fire curves Natural fire safety concept Field models Model of the structure components t = f(x 1,x 2, ) t = f(x 1,x 2, ) Parts of the structure Entire structure 53

55 Samenvatting : optimaal gebruik maken van de sterke punten van verschillende materialen Sterkte & stijfheid van staal Gewicht & vrijheid in vormgeving van aluminium Aandachtspunten hybride constructies Galvanische corrosie Verschil thermische uitzetting Stijfheid Vermoeiingsweerstand Een staalconstructeur kan aluminium constructies berekenen Uitdaging is het ontwerp! 54

56 Vragen? e: t: +31 (0)