Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies

Transcriptie

1 Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies Aluminium Centrum 22 november 2011 Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 1

2 Colofon: Het project Standaardisatie aluminiumprofielen voor licht gewicht constructies is uitgevoerd door het Aluminium Centrum en door Prof.ir F. Soetens en Ir B.W.E.M. van Hove verbonden aan de faculteit aluminium constructies aan de technische universiteit van Eindhoven. Het project is mede mogelijk gemaakt door de financiële steun van Materials innovation institute (M2i) en door de participatie van de volgende bedrijven: Sublean Nederland B.V. Comhan Holland B.V. Dakontwikkeling Nederland B.V. ODS B.V. SAPA Profiles NL B.V. Kader: Het Aluminium Centrum is in samenwerking met M2i een kennistransfer programma gestart om recent ontwikkelde kennis met betrekking tot aluminium te communiceren naar de markt. Met dit programma beoogt het Aluminium Centrum deze kennis, veelal in samenwerking met andere kennisinstellingen, te valoriseren voor haar achterban en de markt. Het sluit aan bij de doelstelling van M2i met deze kennis meerwaarde te creëren voor het Nederlandse bedrijfsleven. Dit project is naast enkele andere projecten onderdeel van dit programma. M2i is een innovatieprogramma dat nieuwe materialen ontwikkelt en toepast in de sectoren transport, energie, consumentenproducten, professionele producten, civiele industrie en materiaalproductie. M2i doet onderzoek naar nieuwe materialen en stelt deze kennis ter beschikking aan het MKB. M2i helpt MKB bedrijven met het oplossen van materiaalproblemen en het beantwoorden van vragen hierover. Het Aluminium Centrum is de koepelorganisatie voor de aluminium producerende, verwerkende en toepassende industrie en fungeert als kennis- en informatiecentrum. De organisatie heeft tot doel het bevorderen van de toepassing van aluminium in Nederland. Door middel van kennisoverdracht, promotie en onderzoek streeft het Aluminium Centrum naar een toename van het aluminiumgebruik en een versterking van de positie van aluminium in de sectoren bouw, transport, verpakkingen en overige industriële en consumententoepassingen. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 2

3 Inhoudsopgave: Colofon 2 Inhoudsopgave 3 Voorwoord 4 1. Inleiding en leeswijzer 5 2. Samenvatting en conclusie 6 3. Projectaanpak 7 4. Behoefte en focus 8 5. Selectie en vormgeving aluminium standaardreeks Verkenning stalen profielen programma Selectie van profielen voor standaardisatie in aluminium Hogere I-waarde ter compensatie van de lagere E-modulus Verkenning oplossingsrichtingen Resultaten Constructieve beschouwing en case. zie bijlage 28 Bijlage: Rapport Standaardisatie van aluminium profielen, inclusief ontwerp en dimensionering boutverbindingen Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 3

4 Voorwoord: Geachte lezer, Een koepelorganisatie zoals het Aluminium Centrum streeft ernaar om continue impulsen en acties te initiëren waarmee de aangesloten bedrijven hun marktpositie kunnen versterken. Het sleutelwoord hierbij is collectiviteit. Op het gebied van de constructieve toepassingen van aluminium heeft het Aluminium Centrum een uitstekende reputatie onder andere door de constructieve innovaties die zijn toegepast in het bekende geheel uit aluminium opgetrokken kantoor en technologie centrum in Houten. Het is een schoolvoorbeeld van wat met collectiviteit kan worden geconcretiseerd. Het is me een groot genoegen u bijgaand rapport te presenteren waarbij eveneens op basis van collectiviteit maar vanuit een geheel andere benadering een impuls wordt geboden voor de toekomst. We wensen u veel inspiratie en succes met de verdere ontwikkeling en toepassing ervan. Paul Bruinsma en Jeroen van Dorp Aluminium Centrum Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 4

5 1. Inleiding en leeswijzer Momenteel wordt bij constructieve toepassingen vaak gekozen voor de toepassing van stalen standaard profielen. De markt is gewend hiermee te werken en wordt hierbij door de toeleverende industrie optimaal bediend en ondersteund. Het gebruik van stalen standaardprofielen kent naast deze voordelen ook enkele nadelen zoals de lage intelligentiegraad van de profielen, het benodigde onderhoud en in enkele specifieke situaties het relatief hoge gewicht. De keuze om in aluminium te construeren zal momenteel in deze sector pas aan de orde komen als de eis voor gewicht reductie zeer dominant aan de orde is of in situaties waar het toepassen van specifieke klantgebonden aluminium profielen aanzienlijke meerwaarde biedt. Het Aluminium Centrum en enkele marktpartijen hebben deze situatie onderkend en hebben het initiatief genomen om vanuit de aanbodzijde een zekere profielstandaardisatie te ontwikkelen. Het is evident dat in deze markt de voordelen van aluminium niet alleen het beperkte onderhoud, de lange levensduur en het lage gewicht betreffen maar ook de potentie om enige intelligentie aan deze standaard toe te voegen. Deze intelligentie bestaat uit specifieke ontwerpdetails die in het profiel zijn opgenomen die de gebruiker in veel situaties een grote meerwaarde biedt maar die als de gebruiker deze niet toepast geen beperkingen impliceert. Deze specifieke intelligente details betreffen met name voorzieningen die de montage vereenvoudigen zoals sleufgaten in lengterichting voor T- en hoekaansluitingen. Dit rapport wordt gelezen door doelgroepen met verschillende achtergronden en expertises. Ten behoeve van de lezers die beperkte kennis op het gebied van de aluminiumtechnologie hebben is veel achtergrondinformatie verwerkt in hoofdstuk 6. Dit hoofdstuk over de constructieve beschouwing van de standaard en een case is opgesteld door de leerstoel aluminium constructies aan de TU te Eindhoven en kan autonoom worden gelezen. Lezers die weinig kennis hebben op het gebied van de constructieve aspecten van profielen verwijzen we naar achtergrondinformatie die is opgenomen in hoofdstuk 5 Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 5

6 2. Samenvatting en conclusie De toepassing van meer courante (lichtgewicht) constructies met aluminium wordt ontmoedigd door het beperkte aanbod aan standaardprofielen. Staal kent een zeer uitgebreid standaardprogramma dat ook door marktpartijen uit voorraad wordt geleverd. Voor aluminium ontbreekt zo n standaardprogramma omdat de sector gewend is om meer klant specifieke profielen te benutten. Met het project wordt beoogd de kaders te verkennen voor deze standaardisatie met het doel dat marktpartijen dit vervolgen en hiermee vanuit de aanbodzijde de toepassing bevorderen. De ambitie is niet om het staal programma (gedeeltelijk) te kopiëren maar om te kiezen voor enkele standaardprofielen met toevoeging van intelligente details ten behoeve van de verbindingstechnologie. Verbindingen in het algemeen zijn belangrijk, niet in de laatste plaats, omdat ze een aanzienlijk deel van de kosten van een constructie uitmaken. Boutverbindingen in aluminium zijn belangrijk, omdat ze het enige alternatief voor assemblage op de bouwplaats zijn, aangezien lassen van aluminium buiten geen alternatief is. Daarnaast is door toepassing van geboute verbindingen ook het gebruik van gecoate profielen mogelijk. De verwachting is dat de markt een introductie van aluminium standaard profielen met relatief kleine afmetingen eerder accepteert omdat deze toepassing breder inzetbaar is en laagdrempeliger kan worden toegepast met een beperkt afbreukrisico. Op basis van het voorgaande is gekozen voor een aluminiumprofielen reeks die kan worden ingezet voor de huidige toepassing van staalprofielen met een hoogte van 100 tot 300 mm. Voor de beoogde standaardisatie zijn 3 aluminium kokerprofielen geconstrueerd die zijn gecompleteerd met drie bijbehorende aluminium I-profielen. Met dit programma kan men met een beperkt aantal profielen een belangrijk deel van het staalsegment vervangen en hierbij gebruik maken van de kenmerkende eigenschappen van aluminium en de meerwaarde van de toegevoegde detaillering ten behoeve van de toepassing van sleufbouten. De afmetingen van de profielen zijn als volgt: Aluminium koker- en Aluminium I- profielen (HXBx wanddikte lijf/flens in mm): 400x300x10x22,25 400x300x10x26,5 350x220x8x9 350x220x11x13 200x140x6x10 200x140x11,5x12,5 Met deze standaardisatie van aluminium profielen in een beperkte reeks, waarbij is gekeken naar profielen met eenzelfde buigstijfheid als veelvoorkomende staalprofielen, is het mogelijk om eenvoudige, snelle ligger-kolom verbindingen te realiseren die dezelfde sterkte en stijfheid hebben als standaard ligger-kolom verbindingen in staal. Om dit te illustreren is een case uitgewerkt voor twee typen ligger-kolom verbindingen, (een dwarskrachtverbinding en een momentverbinding) voor een willekeurig gekozen combinatie van profielen. De case is representatief voor andere combinaties van de vermelde aluminium profielen. Voor elke combinatie van profielen dient echter wel additioneel een bijbehorend aluminium verbindingsprofiel te worden vervaardigd. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 6

7 3. Projectaanpak Allereerst is onder andere met de bij dit project betrokken bedrijven de behoefte geïnventariseerd en de focus voor de standaardisatie vastgesteld. Op basis hiervan is een voorstel uitgewerkt voor een drietal koker- en I-profielen die als basis dienen voor deze standaardisatie Het vaststellen en verkennen c.q. berekenen van de constructieve aspecten en mogelijkheden van de profielen vraagt een grote expertise op het gebied van constructieve aluminium toepassingen. De leerstoel aluminium constructies faculteit bouwkunde aan de TUE beschikt over deze expertise en heeft op basis hiervan de beoogde reeks constructief beschouwd en in een representatieve case uitgewerkt. De expertise binnen de extrusie sector is ingezet om de gewenste details in de standaard te integreren. Het resultaat bestaat uit het vaststellen van een concept profiel voor de beoogde standaardisatie.. Ps.: In het kader van dit project zijn de standaards niet concreet gefabriceerd. De participerende marktpartijen (Sapa, ODS, Comhan Holland, Sublean en Dakontwikkeling Nederland BV) zullen onder eigen verantwoordelijkheid beslissen of en zo ja onder welke condities het project wordt vervolgd. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 7

8 4. Behoefte en focus Om de focus van dit project te kunnen definiëren zijn de deelnemers en derden geconsulteerd. De deelnemers bevestigen dat er voor aluminium lichtgewicht constructies een groot marktpotentieel is. Dit potentieel kan op basis van een aluminium profielenstandaard beter worden ontwikkeld en bedient vooral als ook bepaalde details in het profiel worden geïntegreerd die specifieke voordelen biedt aan verwerking en gebruik. De staalsector kent een zeer grote variëteit in stalen profielen zowel qua vorm als qua afmetingen. Het is onhaalbaar maar ook niet wenselijk dit totale programma in een aluminium uitvoering in de markt te introduceren. De deelnemers onderkennen dat een nadere focus van groot belang is. Deze focus omvat drie aspecten namelijk de afmetingen, de vorm en de specifiek detaillering. A. Afmetingen: De verwachting is dat de markt een introductie van aluminium standaard profielen met relatief kleine afmetingen eerder accepteert omdat deze toepassing breder inzetbaar is en laagdrempeliger kan worden toegepast. De afbreukrisico s voor zowel de producent van de profielen, als de voorraadhouder en de gebruiker zijn lager. Op basis van het voorgaande is gekozen voor een aluminiumprofielen reeks die kan worden ingezet voor de huidige toepassing van staalprofielen met een hoogte van 100 tot 300 mm. B. Vorm: Staal kent een grote diversiteit aan vormen. De markt kan echter met kokerprofielen in combinatie met bijpassende I-profielen een groot deel van de behoefte dekken, De aluminium standaard wordt daarom beperkt tot deze twee profielvormen. C. Specifieke detaillering: Technisch is het mogelijk een grote variëteit aan specifieke details in het profiel te integreren.. Aanvankelijk werd verondersteld dat dit details konden zijn ten behoeve van de verbindingstechnologie als details ten behoeve van de E&W (elektrotechnische en werktuigbouwkundige installaties). Ten aanzien van de. E&W bleek het niet mogelijk te zijn een eenduidige detaillering te definiëren. De markt is hiervoor te divers om in een standaard te kunnen integreren. Met betrekking tot details gericht op de verbindingstechnologie, dus de montage van de constructie, was er een hoge mate van uniformiteit. Qua detaillering is gekozen de reeks te voorzien sleufgaten ten behoeve van montage met boutverbindingen. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 8

9 5. Selectie en vormgeving aluminium standaard profielen 5.1. Verkenning stalen profielen programma Staal is onder andere leverbaar in zeer veel gestandaardiseerde profielen. Een van de redenen voor de standaardisatie is de behoefte vanuit de markt naar gedefinieerde profielvormen en afmetingen zowel op nationale als op internationale schaal. Deze standaardisatie maakt het mogelijk de specifieke eigenschappen van de diverse profielen te rubriceren in tabellen en dergelijke. Deze specifieke gegevens betreffen onder andere De afmetingen van de doorsnede (zie figuur); Oppervlakte van de doorsnede; Het gewicht in kg per meter; De waarde van het lineair traagheidmoment (I) in de y- en z-richting; De waarde van het weerstandsmoment tegen doorbuiging (Wb) in de y- en z- richting; Enz. Doorsnede IPE-profiel Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 9

10 Staalhalffabrikaten worden als volgt ingedeeld: Balkstaal Platen Stafstaal Breedflens balken Koudgewalst Massief HE-A onbehandeld (licht plat geolied) HE-B verzinkt(elektrolytisch) rond HE-M verzinkt (thermisch) vierkant Profielbalken Warmgewalst Hoekprofiel INP onbehandeld gelijkzijdig IPE gebeitst/geolied ongelijkzijdig UNP tranenplaat T-profiel UPE gelijkzijdig ongelijkzijdig Koudgewalst Buizen/ Kokers Klein U-staal C-profiel Rond UNP L-profiel gelast/naadloos Platbulb gelijkzijdig Vierkant Holland-profiel (HP) ongelijkzijdig koudgevormd U-profiel warmgevormd Betonstaal gelijkzijdig Rechthoekig Staven (geribd) ongelijkzijdig koudgevormd Supportliggers Z-profiel warmgevormd Netten Omega-profiel Rail-profiel Stripstaal ongelijkzijdig In het kader van dit project is gefocust op de categorieën balkstaal en buizen in de afmetingen met een hoogte van 100 t/m 300 mm. Deze profielen worden veel toegepast in de constructieve sector. We veronderstellen dat soortgelijke profielen uitgevoerd in aluminium laagdrempelig in de sector kunnen worden geïntroduceerd voor lichtgewicht constructies. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 10

11 Overzicht staalprofielen van h = 100 t/m 300 mm Onderstaand volgt een inventarisatie van stalen profielen met een hoogte van h = 100 t/m 300 mm. In de tabel zijn naast de vorm van het profiel de relevante data vermeld waaronder: weerstandsvermogen tegen buiging (Wb). het gewicht (G), de oppervlakte (A), het lineair traagheidsmoment (I) en de afmetingen. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 11

12 Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 12

15 5.2. Selectie van profielen voor standaardisatie in aluminium Voor de lezers met beperkte constructieve kennis wordt allereerst op hoofdlijnen de sterkte berekening van profielen toegelicht. Wanneer de constructeur een profiel gaat berekenen of deze geschikt is voor de beoogde belasting zal hij uitkomen op een bepaalde buigspanning (σb) die in het profiel zal optreden. Deze buigspanning moet uiteraard lager zijn dan de maximaal toelaatbare trekspanning (σt). oftewel: σb σt. De treksterkte wordt als de toelaatbare spanning beschouwd voor zowel trek, druk als voor buiging, dus geldt: σb σb toelaatbaar. Vaak wordt er ook nog gebruik gemaakt van een veiligheidsfactor (veelal 1,2 tot 1,8). Om de buigspanning in het materiaal te berekenen is het traagheidsmoment (I-waarde) van belang. De I-waarde wordt berekend vanuit de doorsnede van het profiel.. Om het weerstandsmoment tegen doorbuiging (Wb) te bepalen wordt de I-waarde gedeeld door de uiterste vezelafstand (e). Zowel het traagheidsmoment als het weerstandsmoment tegen doorbuiging staan uiteraard bij de standaard (stalen) profielen bij de profielgegevens vermeld. De constructeur kan op basis van de belastingssituatie (Mb) de buigspanning σb bepalen (σb = Mb / Wb ) en toetsen of deze met in acht name van de veiligheidsfactor de maximaal toelaatbare buigspanning (σt) niet overschrijd. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lich tgewicht) constructies 15

16 Bij stalen standaard profielen kan de constructeur gebruik maken van de content van de tabellen reeksen. Voor aluminium is deze standaardisatie beperkt en dient de constructeur deze relevante content veelal zelf te bepalen. Dit komt omdat aluminium profielen veelal klant specifiek zijn vormgegeven en dus ook een profielspecifieke I- waarde en weerstandsmoment tegen buiging hebben. Voor de volledigheid vermelden we dat er in aluminium ook enkele min of meer standaardprofielen worden geleverd maar het aanbod is zeer beperkt en het profiel bevat geen intelligente detaillering. De geformuleerde projectdoelstelling kan hiermee dus niet worden gedekt.. Om binnen de focus van dit project tot een beperkte selectie te komen welke profielen, gerelateerd aan de vermelde stalen profielen, zich lenen voor een standaard uitvoering in aluminium is het als eerste nodig om de maximale doorbuiging te beschouwen. We veronderstellen dat het voor de markt namelijk relevant is dat bij gelijke belasting een aluminium profiel niet meer doorbuigt dan z,n stalen equivalent. Om dit te realiseren moet bij een aluminium profiel, bij voorkeur uitgaande van gelijke buitenafmetingen als z n stalen equivalent, materiaal worden toegevoegd in de uiterste vezelafstand (e), waardoor de I-waarde maximaal kan worden vergroot. De doorbuiging is namelijk afhankelijk van het product I-waarde x E- modulus. Doordat de E-modulus van staal drie keer zo groot is dan die van aluminium. (staal N/mm2 en aluminium circa N/mm2) dient voor een gelijke doorbuiging de I-waarde van het aluminium profiel te worden verdrievoudigd. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 16

17 Toelichting E-modulus In het spannings-rekdiagram verloopt veelal bij staal en aluminium aanvankelijk de rek rechtevenredig met de trekkracht. (moduluslijn). Dit vindt plaats tot de zogenaamde proportionaliteitsgrens (evenredigheidsgrens) is bereikt. De hoek van deze lijn geeft de E-modulus aan. Hoe kleiner de hoek des te meer rek zal optreden. Wanneer dus een stalen profiel en een gelijkvormig profiel van aluminium op dezelfde wijze worden belast zal die van aluminium drie keer meer doorbuigen als die van staal. Om bij aluminium dezelfde doorbuiging te hebben als die bij staal moet de I-waarde drie keer groter worden om de lagere E-modulus te compenseren. Voor een hogere I-waarde moet bij voorkeur in de uiterste vezelafstand (e) materiaal worden toegevoegd. Bij staal kan dit veelal niet, omdat stalen profielen gewalst worden, waardoor men beperkt is in de vormgeving. Aluminiumprofielen worden geextrudeerd. Extruderen biedt een enorme vormvrijheid waardoor bijna elke gewenst profielvorm kan worden geproduceerd. Van deze eigenschap van aluminium wordt gebruik gemaakt om de aluminiumprofielen zodanig te dimensioneren dat een maximale I-waarde dus een maximale weerstand tegen buiging wordt gerealiseerd. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 17

18 5.3. Hogere I-waarde ter compensatie van de lagere E-modulus Maximalisering van de doorbuiging van een aluminium profiel tot de gelijke doorbuiging van z,n stalen equivalent vergt toevoeging van materiaal bij voorkeur op de uiterste vezelafstand (e). Dit kan men doen door bijvoorbeeld bij een IPE-profiel de beide zijkanten dicht te maken en door verdikking aan de flenzen. Hierdoor krijgt men een rechthoek met in het midden het lijf van het IPE-profiel zelf. Met deze aanpassing gaat de functionaliteit van het IPE-profiel verloren, zie figuur, maar zo wordt wel een grotere I-waarde gerealiseerd ter compensatie van de lagere E- modulus. Toelichting: De I-waarde wordt berekend door de I waarde van het toegevoegde materiaal uit te rekenen en op te tellen bij de I-waarde van het standaardprofiel. De I- waarde van het standaardprofiel kan men ontlenen aan de tabellen. zie 5.1). De I- waarde voor het toegevoegde materiaal kan men uitrekenen aan de hand van gangbare formules. Gestreefd wordt naar een vormgeving in aluminium waarbij de I-waarde wordt verdrievoudigd. Voor deze berekeningen is een Excel bestand gemaakt, waardoor snel en eenvoudig de relevante data voor de diverse vormgevingsmogelijkheden kunnen worden berekend. In dit bestand worden voor vier verschillende doorsneden (rechthoekige koker massief/hol en ronde buis massief/hol) de I- en W-waarden berekend. De I-waarde wordt automatisch ingevuld onder doorbuiging en de W-waarde onder buigspanning. De doorbuiging staat vermeld in het gele vak en de buigspanning in het naastliggende gele vak. Tevens kan de veiligheidsfactor worden uitgerekend. Het is ook mogelijk de belasting te berekenen uitgaande van een gedefinieerde doorbuiging. De berekeningen zijn gecontroleerd met het FEM pakket in het tekenprogramma SolidWorks Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 18

19 5.4. Verkenning oplossingsrichtingen Aanvankelijk is beoogd de I-waarde van het aluminium profiel te verdrievoudigen met buitenafmetingen gelijk aan de stalen uitvoering. Dit blijkt niet mogelijk. Het is noodzakelijk de buitenafmetingen (hoogte en/of breedte) te vergroten. Toelichting bij overzicht betreffende een relatief klein kokerprofiel (100x30x4) 1. Bij kokerprofielen kan zelfs bij een massieve uitvoering geen drievoudige I-waarde worden gerealiseerd. Ook is er geen sprake van gewichtsreductie want het profielgewicht per meter is hoger dan bij staal 2. Met een vijfvoudige verbreding van de koker wordt bij gelijkblijvende dikte voldaan aan de vereiste Iy-waarde maar dit is weinig effectief. 3. Bij verhoging van de koker met 60 % en bij gelijkblijvende dikte wordt ruimschoots voldaan aan de eis van een drievoudige Iy waarde 4. Verdikking van de opstaande zijden is niet effectief. 5. bij verdikking van de onder- en bovenzijde van 4 mm naar 22,5 mm kan met een verhoging van 20 % worden volstaan. De gewichtsreductie is echter geringer 6. Overwogen kan worden om van kokers naar andere soorten profielen over te gaan, zoals naar bijvoorbeeld een I-profiel. Dit vergt ook een hogere buitenafmeting. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 19

20 \ Ornl / 1000 / H Y. h, I -. I z b :B x 3 / 1000 x 3 / x30x , x 30x , dikte lijf = 17,5 dikte flens = 15 Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 20 aluminium centrum

21 Uiteraard kan het profiel ook op torsie worden belast en dient dit indien van toepassing te worden gecheckt. Voor deze check op torsie voor diverse profielvormen en variërende maten is een Excel bestand opgezet. Zie hieronder Resultaten Na de voorgaande verkenning zijn op basis van de resultaten een vijftal aluminium kokers geconstrueerd die een aantal staalprofielen (tot een staalprofiel hoogte van 300 mm) kan vervangen. De uitgangspunten zijn reeds eerder vermeld en betreffen: 1. Een drievoudige Iy-waarde in verband met de doorbuiging; 2. Een drievoudige Ip-waarde in verband met de torsie; 3. Een lager specifiek profielgewicht (kg/m) Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 21

22 Staalprofiel HE-300A hoogte = 290 mm breedte = 300 mm dikte flens = 14 mm dikte lijf = 8,5 mm Iy = x 104 mm4 Ip = 23585,93907 x 104 mm4 gewicht = 82,8906 kg/m Aluminiumkokerprofiel: Voorwaarden: hoogte veranderen en breedte gelijk houden. Iy >54789 x 104 mm4 Ip >70757,81721 x 104 mm4 gewicht 82,8906 kg/m Resultaat: hoogte = 400 mm Materiaal naar buiten toevoegen zorgt ervoor dat de Iy sneller stijgt met minder materiaal en dus neemt het gewicht minder snel toe, vandaar de 400 mm en ook omdat deze maat overeenkomt met die van staal. breedte = 300 mm Deze maat is hetzelfde als het stalenprofiel en komt ook voor bij stalenkokers. wanddikte aan linker- en rechterkant = 10 mm wanddikte aan boven- en onderkant = 22,25 mm Iy = 55167,58263 x 104 mm4. Ip = 80134,78263 x 104 mm4. gewicht = 55,242 kg/m De bovenstaande aluminiumkoker kan men niet gebruiken voor de IPE, UNP en UPE staalprofielen Ze zijn te afwijkend om daarvoor een kokerprofiel in te zetten. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 22

23 Staalprofiel HE-220A hoogte = 210 mm breedte = 220 mm dikte flens = 11 mm dikte lijf = 7 mm Iy = 5410 x 104 mm4 Ip = 7136,8779 x 104 mm4 gewicht = 48,0168 kg/m Aluminiumkokerprofiel: Voorwaarden: hoogte veranderen en breedte gelijk houden Iy >16230 x 104 mm4 Ip >21410,6337 x 104 mm4 gewicht 48,0168 kg/m Resultaat hoogte = 350 mm Materiaal naar buiten toevoegen zorgt ervoor dat de Iy sneller stijgt met minder materiaal en dus neemt het gewicht minder snel toe, vandaar de 350 mm. Deze maat komt niet overeen met die van staal, maar toch kiezen we hiervoor omdat we zo het gewicht zo laag mogelijk houden. breedte = 220 mm Deze maat is hetzelfde als het stalenprofiel en komt ook voor bij stalenkokers. wanddikte aan linker- en rechterkant = 8 mm wanddikte aan boven- en onderkant = 9 mm Iy = 16393,74107 x 104 mm4 Ip = 23962,33733 x 104 mm4 gewicht = 25,0344 kg/m De bovenstaande aluminiumkoker kan men niet gebruiken voor UNP en UPE staalprofielen, omdat deze te afwijkend zijn om daarvoor een koker te gebruiken. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 23

24 Staalprofiel HE-140A hoogte = 133 mm breedte = 140 mm dikte flens = 8,5 mm dikte lijf = 5,5 mm Iy = 1033 x 104 mm4 Ip = 1384, x 104 mm4 gewicht = 23,5404 kg/m Aluminiumkokerprofiel Voorwaarden hoogte veranderen breedte gelijk houden Iy >3099 x 104 mm4 Ip >4152, x 104 mm4 gewicht 23,5404 kg/m Resultaat hoogte = 200 mm Materiaal naar buiten toevoegen zorgt ervoor dat de Iy sneller stijgt met minder materiaal en dus neemt het gewicht minder snel toe, vandaar de 200 mm en ook omdat deze maat overeenkomt met die van staal. breedte = 140 mm Deze maat is hetzelfde als het stalenprofiel en komt ook voor bij stalenkokers. wanddikte aan linker- en rechterkant = 6 mm wanddikte aan boven- en onderkant = 10 mm Iy= 3112, x 104 mm4 Ip = 4540, x 104 mm4 gewicht= 13,392 kg/m De bovenstaande aluminiumkoker kan men niet gebruiken voor UNP en UPE staalprofielen, omdat deze te afwijkend zijn om daarvoor een koker te gebruiken. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 24

25 Nu voor de hele reeks (staal h = 100 t/m 300 mm) drie aluminium kokerprofielen zijn gedefinieerd worden 3 bijpassende aluminium I-profielen geconstrueerd met identieke breedte en hoogte maten. Opgemerkt wordt dat het aluminium I-profiel niet kan worden ingezet voor UNP en UPE staalprofielen, omdat deze te afwijkend zijn om daarvoor een I-profiel te gebruiken. Staalprofiel HE-300A hoogte = 290 mm breedte = 300 mm dikte flens = 14 mm dikte lijf = 8,5 mm Iy = x 104 mm4 Ip = 23585,93907 x 104 mm4 gewicht = 82,8906 kg/m Aluminium I-profiel: Voorwaarden hoogte 400 mm en breedte 300 mm Iy > x 104 mm4 Ip > 70757,81721 x 104 mm4 gewicht 82,8906 kg/m Resultaat hoogte = 400 mm Voldoet aan de voorwaarden en komt tevens overeen met de maten van staal. breedte = 300 mm Voldoet aan de voorwaarden en komt tevens overeen met de maten van staal. dikte flens = 26,5 mm dikte lijf = 10 mm Iy = 59027,01942 x 104 mm4 Ip = 70954,91108 x 104 mm4 gewicht = 52,299 kg/m Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 25

26 Staalprofiel HE-220A hoogte = 210 mm breedte = 220 mm dikte flens = 11 mm dikte lijf = 7 mm Iy = 5410 x 104 mm4 Ip = 7136,8779 x 104 mm4 gewicht = 48,0168 kg/m Aluminium I-profiel: Voorwaarden hoogte 350 mm en breedte 220 mm Iy > x 104 mm4 Ip > 21410,6337 x 104 mm4 gewicht 48,0168 kg/m Resultaat: hoogte breedte dikte flens dikte lijf Iy Ip gewicht = 350 mm Voldoet aan de voorwaarden = 220 mm komt tevens overeen met de maten van staal = 13 mm = 11 mm = 19366,20987 x 104 mm4 = 21676,87023 x 104 mm4 = 24,192 kg/m Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 26

27 Staalprofiel HE-140A hoogte = 133 mm breedte = 140 mm dikte flens = 8,5 mm dikte lijf = 5,5 mm Iy = 1033 x 104 mm4 Ip = 1384, x 104 mm4 gewicht = 23,5404 kg/m Aluminium I-profiel Voorwaarden hoogte 200 mm en breedte 140 mm Iy > 3099 x 104 mm4 Ip > 4152, x 104 mm4 gewicht 23,5404 kg/m Resultaat Hoogte = 200 mm Voldoet aan de voorwaarden en komt tevens overeen met de maten van staal. breedte = 140 mm Voldoet aan de voorwaarden en komt tevens overeen met de maten van staal. dikte flens = 12,5 mm dikte lijf = 11,5 mm Iy = 3594, x 104 mm4 Ip = 4168, x 104 mm4 gewicht = 11,7788 kg/m De drie geconstrueerde aluminiumkokers zijn gecompleteerd met drie bijbehorende aluminium I-profielen. Met dit programma kan men met een beperkt aantal profielen een belangrijk deel van het staalsegment vervangen. Dit betreft de stalen profielen: HEA, HEB, HEM, IPE en INP. De voordelen van aluminium zijn evident en betreffen naast gewichtsreductie, en corrosiebestendigheid de meerwaarde van de toegevoegde detaillering ten behoeve van de toepassing van sleufbouten. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 27

28 6. Constructieve beschouwing en case In het kader van dit project heeft de faculteit Aluminium Constructies aan de Technische Universiteit van Eindhoven de constructieve aspecten van de toepassing van aluminium (standaard) profielen beschouwd. In een case is het gebruik van sleufbouten ten behoeve van de montage nader uitgewerkt. Het rapport is integraal bijgevoegd en maakt deel uit van deze rapportage. Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 28

29 BIJLAGE: Rapport Standaardisatie van aluminium profielen, inclusief ontwerp en dimensionering boutverbindingen Standaardisatie aluminiumprofielen voor (lichtgewicht) constructies 29 aluminium centrum

30 Standaardisatie van aluminium profielen Inclusief ontwerp en dimensionering boutverbindingen Auteurs: Prof.ir F. Soetens Ir B.W.E.M. van Hove Eindhoven, augustus

31 INHOUD SAMENVATTING 3 1. EIGENSCHAPPEN VAN ALUMINIUM Aluminium en aluminiumlegeringen Fysische eigenschappen van aluminium Mechanische eigenschappen van aluminium Toepassingen van aluminium 9 2 ONTWERPASPECTEN Eigen gewicht Corrosievastheid Vrijheid in vormgeving Economie 13 3 ONTWERP EN BEREKENING VAN CONSTRUCTIEDELEN Belastingen Respons van de constructie Draagkracht Sterkte van de doorsnede Stabiliteit van staven Stabiliteit van platen Ontwerp van de doorsnedevorm ONTWERP EN BEREKENING VAN VERBINDINGEN Boutverbindingen Gelaste verbindingen Klinknagels Gelijmde verbindingen Geëxtrudeerde verbindingen Gegoten knooppunten Hybride verbindingen BOUTVERBINDINGEN, ONTWERP EN DIMENSIONERING Inleiding Typologie van de bouten Sterkte van de bouten Krachtswerking op de verbinding Ontwerp van de verbinding Case: ligger-kolom verbinding Toetsing van een geboute dwarskrachtverbinding Toetsing van een geboute flexibele momentverbinding CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN Conclusies Aanbevelingen REFERENTIES 32 2

32 SAMENVATTING De toepassing van lichtgewicht constructies met aluminium wordt ontmoedigd door het beperkte aanbod van standaard profielen. Staal kent een zeer uitgebreid standaard programma, dat door marktpartijen uit voorraad wordt geleverd. Voor aluminium ontbreekt zo n standaard programma, omdat de sector gewend is om klantspecifieke geëxtrudeerde profielen te benutten. In het project Standaardisatie aluminium profielen zijn de kaders aangegeven voor een mogelijk (beperkt) standaard programma van aluminium profielen voor belastingdragende bouwconstructies. Allereerst zijn een aantal open (I) profielen en een aantal kokerprofielen gedefinieerd op basis van een vergelijking tussen veel gebruikte staalprofielen en mogelijke alternatieven in aluminium. Hierin wordt meer in detail ingegaan op de constructieve aspecten. Voor de keuze van de doorsnedevorm zijn behalve de sterkte, stijfheid en stabiliteit vooral ook de verbindingsmogelijkheden van groot belang. Voor aluminium zijn in principe dezelfde technologieën als voor staal van toepassing in geval van bouwconstructies. Verbindingen met bouten, lassen, klinknagels, lijmen, maar ook combinaties van deze technologieën zijn mogelijk. Daarnaast bestaan er specifieke verbindingen, die exclusief zijn voor aluminium door de vormgeving met behulp van het extrusieproces. Voor bouwconstructies zijn gelaste en geboute verbindingen de meest voorkomende. Lassen heeft een aantal voordelen, waarop in hoofdstuk 4 nader wordt ingegaan, maar kan voor aluminium en in mindere mate voor staal alleen binnen (in de werkplaats) worden toegepast. Boutverbindingen worden veelal buiten op de bouwplaats voor de montage van bouwdelen toegepast. Een veel voorkomende boutverbinding is een ligger/kolomverbinding. Als case wordt in dit rapport een dergelijke (standaard) verbinding in staal vergeleken met een alternatieve, intelligente verbinding in aluminium. In hoofdstuk 1 worden allereerst de eigenschappen van aluminium besproken, die relevant zijn voor dragende bouwconstructies. Vervolgens komen in hoofdstuk 2 belangrijke ontwerpaspecten aan de orde, die bij de keuze voor aluminium van belang kunnen zijn. Hoofdstuk 3 gaat nader in op het ontwerp en de berekening van constructiedelen, zoals dat is voorgeschreven in de vigerende normen. In hoofdstuk 4 wordt eerst een overzicht gegeven van mogelijke verbindingstechnologieën in aluminium bouwconstructies. Daarna wordt in meer detail ingegaan op de rekenregels voor geboute verbindingen. Vervolgens is in hoofdstuk 5 eerst meer algemeen het ontwerp en de dimensionering van boutverbindingen behandeld en is daarna de case, een veelvoorkomende liggerkolomverbinding, zoals hiervoor reeds is aangegeven, verder uitgewerkt. Daarbij is uitgegaan van twee typen standaardverbindingen in staal t.w. een scharnierende en een momentverbinding, en is vervolgens voor aluminium een alternatief ontworpen en gedimensioneerd. Eén en ander is gedaan voor een willekeurige combinatie van profielen, maar kan in principe voor elke combinatie van standaard aluminium profielen worden toegepast. Tenslotte worden in hoofdstuk 6 een aantal conclusies getrokken en worden tevens een aantal aanbevelingen gedaan. 3

33 1. EIGENSCHAPPEN VAN ALUMINIUM Bij de keuze voor aluminium als constructiemateriaal kunnen verschillende aspecten een rol spelen, zoals het lage eigen gewicht, de hoge corrosiebestendigheid en de vele mogelijkheden in de vormgeving. Met name de vrijheid in vormgeving van profielen door gebruik te maken van het extrusieproces is een belangrijke factor in het ontwerpproces. In dit hoofdstuk wordt beknopt weergegeven, wanneer en waarom voor aluminium gekozen kan worden. Tevens worden specifieke eigenschappen van aluminium beschreven, die voor het ontwerpen van aluminium draagconstructies van belang zijn. 1.1 Aluminium en aluminiumlegeringen Ongelegeerd aluminium, i.e. aluminium met minimaal 99,5% zuiver aluminium als bestanddeel dus geen toevoeging van vreemde legeringselementen, wordt in dragende bouwconstructies niet toegepast. Het is betrekkelijk zacht en wordt alleen gebruikt als geen grote sterkte, hardheid of chemische bestendigheid worden vereist. Aluminium is echter zeer goed te legeren met andere elementen. Een kleine toevoeging (0,5 tot 3%) van andere metalen zorgt voor een aanzienlijke verbetering van eigenschappen als sterkte, hardheid en corrosiebestendigheid. De belangrijkste legeringselementen zijn koper (Cu), magnesium (Mg), mangaan (Mn), silicium (Si) en zink (Zn). Aluminiumlegeringen worden onderverdeeld in kneedlegeringen en gietlegeringen. Kneedlegeringen bevatten de minste hoeveelheid andere legeringselementen. Zij worden na het legeren gegoten tot palen en walsblokken. Deze worden gebruikt voor de vervaardiging van halffabrikaten, zoals platen, buizen en profielen. Gietlegeringen worden gegoten tot broodjes. Deze legeringen zijn uitermate geschikt voor het maken van gietproducten met ingewikkelde drie-dimensionale vormen, zoals knopen in ruimtelijke vakwerken. Bij het gebruik van aluminium voor bouwconstructies zijn vooral sterkte, stijfheid, breukrek en corrosiebestendigheid van belang. Deze eigenschappen zijn meestal bij één bepaalde legering niet tegelijk optimaal aanwezig. De stijfheid is bovendien afhankelijk van de vorm en grootte van de doorsnede, en niet van de toegepaste legering. De meest toegepaste legeringen voor geëxtrudeerde profielen in bouwconstructies zijn 6060, 6063, 6061, 6005A en Voor gewalste platen worden vaak 5083 en 5454 gebruikt. Een uitgebreider overzicht is gegeven in afbeelding Fysische eigenschappen van aluminium In afbeelding 1 is een overzicht gegeven van enige belangrijke eigenschappen van aluminium en andere bouwmaterialen. De eigenschappen van aluminium worden hierna kort besproken. 4

34 EIGENSCHAP ALUMINIUM STAAL GEWAPEND HOUT METSELWERK BETON Dichtheid ρ [kg/m 3 ] Lineaire uitzettingscoëfficiënt α (bij 20 tot 100 o C) (// vezel) Elasticiteitsmodulus E [N/mm 2 ] Afschuivingsmodulus G [N/mm 2 ] Constante van Poisson 0,30 0,30 0,15-0,10 ν Afbeelding 1. Overzicht van kenmerkende fysische eigenschappen van bouwmaterialen Dichtheid Aluminium heeft een lage dichtheid van 2700 kg/m 3, ongeveer 1/3 van de dichtheid van staal. De toevoeging van andere metalen in de verschillende legeringen heeft nauwelijks invloed op de dichtheid. Alleen bij legeringen uit de 8xxx serie, waar het element lithium is toegevoegd, is de dichtheid van aluminium circa 15% lager. Thermische uitzetting De lineaire uitzettingscoefficient van aluminium is 23, K -1, twee keer zo hoog als die van staal. Hiermee moet rekening worden gehouden indien aluminium wordt toegepast in verbinding met staal, althans wanneer temperatuurbelasting een rol speelt in het ontwerp van de draagconstructie. Bij verhinderde vervorming zullen de spanningen door temperatuurveranderingen echter minder hoog zijn dan in staal, omdat de elasticiteitsmodulus van aluminium drie keer zo laag is als die van staal. In de praktijk zou een verbinding met staal alleen een probleem kunnen vormen bij relatief grote dimensies en relatief slanke elementen. Een voorbeeld hiervan is hoogbouw, waarbij aluminium profielen in een vliesgevel worden bevestigd op een stalen draagconstructie. In zulke gevallen kunnen de verbindingen ook zodanig worden uitgevoerd, dat vormveranderingen in de verbinding kunnen optreden zonder dat spanningen worden veroorzaakt. Elasticiteitsmodulus De elasticiteitsmodulus van aluminium is drie maal zo laag als die van staal. Aangezien de constante van Poisson gelijk is aan die van staal, is ook de afschuivingsmodulus drie maal zo laag. Eén en ander betekent dat bij het ontwerpen van draagconstructies in aluminium de vervormingen een grotere rol spelen dan bij vergelijkbare staalconstructies. Teneinde de vervormingen te beperken dient de stijfheid EI van een doorsnede vergroot te worden. In hoofstuk 2.3 wordt dit nader toegelicht aan de hand van een eenvoudig I-profiel. De elasticiteitsmodulus heeft ook een belangrijke invloed op de stabiliteit van gedrukte platen en plaatdelen van profielen. Dit aspect verdient eveneens aandacht bij het ontwerpen en komt uitgebreid aan bod in de rekenregels van de vigerende normen. 5

35 Smelttemperatuur Het smeltpunt van aluminium is erg afhankelijk van de samenstelling. Het smeltpunt van zuiver aluminium is circa 660 o C. Feit is dat de smelttemperatuur van gelegeerd aluminium relatief laag is. Dat heeft gunstige gevolgen, zoals bijvoorbeeld de superplastische vervormbaarheid van het materiaal bij relatief geringe temperatuurverhogingen. Maar ook negatieve gevolgen, zoals een geringere natuurlijke brandwerendheid. Immers bij temperaturen boven de 650 o C zijn sterkte en elasticiteitsmodulus tot nul gereduceerd. Corrosievastheid Aluminium en aluminiumlegeringen zijn altijd met een dunne afsluitende oxidehuid bedekt. Deze afsluitende laag belemmert het verder oxideren van het metaal sterk. De oxidehuid is zeer hecht met het onderliggende metaal verbonden en vormt een isolerende laag met een hoge elektrische weerstand. Zonder deze oxidehuid zou aluminium dan ook snel corroderen. In dit opzicht biedt aluminium een groot voordeel ten opzichte van staal, dat niet is beschermd door een afsluitende oxidehuid. Na een beschadiging van het oppervlak zal de aluminium oxidehuid zich ook weer snel herstellen. 1.3 Mechanische eigenschappen van aluminium In afbeelding 2 is een overzicht gegeven van belangrijke mechanische eigenschappen van een aantal in de bouw veel toegepaste legeringen. Legeringen uit de series 2xxx en 4xxx ontbreken in de afbeelding. De 2xxx-serie heeft als kenmerk een relatief lage corrosiebestendigheid en een relatief slechte lasbaarheid, waardoor toepassing als materiaal voor bouwconstructies niet gebruikelijk is. De 4xxx-serie wordt uitsluitend als lastoevoegmateriaal gebruikt. Enkele mechanische eigenschappen, die vooral van belang zijn voor het ontwerp en de dimensionering van bouwconstructies, worden hierna kort besproken aan de hand van het spanning-rek diagram, de invloed van veredeling op de mechanische eigenschappen wordt besproken, en de elasticiteitsmodulus, hoewel geen mechanische eigenschap, komt aan de orde vanwege de impact op het ontwerp en de dimensionering van aluminium bouwconstructies. 6

36 GEMIDDELDE MECHANISCHE LEVERVORMEN EIGENSCHAPPEN Lasbaarheid Type Hardheids- 0,2% rek- Trek- Sterkte Rek [%] Brinell hardheid Plaat Pijp Extrusies Gewalste Gewalste toe- grens [N/mm 2 ] staaf draad stand [N/mm 2 ] 1050A O X X b) c) H X X X H X X 1200 O X X X X H X X X X H X X X 3103 O X X b) X X c) H X X X X H X X X 5052 O X X b) X X c) H X X X X H X X X 5083 O X X H X X 5086 O X X H X X 5251 O X X X H X X X H X X X 5454 O X X H X X H X X 5754 O X X X X H X X X X H X X X X 6005A T5/T X X c) 6060 T5/T X 6061 T X X X X X T5/ X X X X X 6063 T5/T X X 6082 T X X X X X T6 a) X X X X X T X X X X X 7020 T X X X X X c) Verklaring van de toegepaste aanduidingen voor de hardheidstoestand: O = gegloeide toestand H14, H18 = koudvervormd, hardheidstoestand circa half respectievelijk maximaal hard H32, H34 = koudvervormd en gestabiliseerd, hardheidstoestand circa ¼- en ½-hard T4 = oplosgegloeid en bij kamertemperatuur (natuurlijk) gehard T5/T6 = oplosgegloeid, afgeschrikt en daarna kunstmatig gehard a) = eigenschappen afhankelijk van levervorm, plaat of profiel b) = in de typen 1xxx, 3xxx en 5xxx kunnen extrusies worden geleverd in de F-toestand (toestand na het extruderen of warmwalsen, zonder nabehandeling) c) = De in deze tabel genoemde legeringen zijn allen goed lasbaar. Legeringen met relatief veel koper (2xxx serie en sommige typen in de 7xxx serie) zijn meestal minder goed te lassen. Afbeelding 2. Overzicht van mechanische eigenschappen, levervormen en lasbaarheid 7

37 stress [N/mm 2 ] Het spanning-rek (σ-ε) diagram In afbeelding 3 zijn typische spanning-rek relaties weergegeven voor verschillende aluminiumlegeringen. Zoals blijkt uit deze afbeelding ontbreekt bij aluminium een duidelijk vloeitraject. Bij het materiaal staal is zo n vloeitraject wel aanwezig. Bovendien blijkt dat de treksterkte enorm wordt beïnvloed door de legeringsbestanddelen. Bij de in afbeelding 3 opgenomen legeringen varieert de treksterkte van minder dan 100 N/mm 2 tot meer dan 500 N/mm 2. Het oppervlak onder het σ-ε diagram tot het bezwijkpunt is een indicatie voor de hoeveelheid energie die het materiaal kan opnemen bij belasting op zuivere trek. Als grens voor elastische berekeningen wordt de 0,2% rekgrens f 0,2 aangehouden. Dit is de spanning waarbij, na ontlasting, een blijvende vervorming van 0,2 % optreedt. De proportionaliteitsgrens f p ligt tussen 0,5 en 0,9 f 0,2. Bij staal zijn f 0,2 en f p nagenoeg aan elkaar gelijk. De verhouding tussen de 0,2% rekgrens en de treksterkte varieert tussen 0,4 en 0,95, afhankelijk van de toegepaste legering en de toegepaste nabehandeling. Bij staal is deze verhouding circa 0,7 voor constructiestaal T T T O 1020-O strain [-] Afbeelding 3. Spanning-rek relatie van zuiver aluminium en enkele aluminiumlegeringen. Elasticiteitsmodulus De elasticiteitsmodulus E van aluminium is N/mm 2, drie keer zo laag als die van staal. De variatie van deze waarde voor verschillende legeringen kan worden verwaarloosd bij berekeningen. Bij rek binnen het elastisch gebied (kleiner dan 0,2 %) betekent dit dat de spanning in staal, bij gelijke vervorming, drie keer zo hoog is als bij aluminium. Ofwel bij een spanning binnen het elastisch gebied (kleiner dan f 0,2 ) is de vervorming van aluminium drie keer zo groot als bij staal. Veredeling De mechanische eigenschappen van aluminiumlegeringen kunnen worden verbeterd door een bijzondere nabehandeling. In verband hiermee wordt onderscheid gemaakt tussen thermische veredelbare en thermisch niet-veredelbare legeringen. 8

38 Het thermisch veredelen omvat drie behandelingen: het oplossend gloeien, het afschrikken en het verouderen (harden). Door thermische veredeling kunnen de 0,2% rekgrens en de treksterkte aanzienlijk worden verhoogd, terwijl de breukrek afneemt. De eigenschappen hangen met name af van de tijdsduur en de hoogte van de thermische behandeling. Thermische veredeling is alleen mogelijk bij legeringen uit de 2xxx-, 6xxxen 7xxx-serie. In deze legeringen zijn namelijk bestanddelen gebruikt waarvan de oplosbaarheid in aluminium bij hogere temperaturen groter is dan bij lagere temperaturen. De eigenschappen van thermisch niet-veredelbare legeringen kunnen alleen worden verbeterd door koudvervorming, zoals bij staal ook wel wordt toegepast. Dit wordt ook wel mechanische veredeling genoemd. Bij deze bewerking, die kan optreden door trekken, walsen of persen, worden de treksterkte, de 0,2% rekgrens en de hardheid verhoogd. Door het materiaal uit te laten gloeien bij circa 350 o C blijft de oorspronkelijke vervormingscapaciteit behouden. 1.4 Toepassingen van aluminium Het aluminium, dat voor bouwconstructies wordt gebruikt, komt grotendeels terecht in gevels en daken. Slechts een gering percentage komt terecht in dragende bouwconstructies. Omdat gebleken is dat aluminium technisch en economisch goed kan worden toegepast in dragende bouwconstructies, is er wel een toename te constateren van aluminium bouwconstructies. Voorbeelden van bouwconstructies voor bouwwerken zijn: - ruimtelijke vakwerken, - speciale bouwsystemen, - kasconstructies, - bruggen, vooral voetgangersbruggen maar ook verkeersbruggen, - verkeersportalen, - offshore constructies. Aluminium is voor kasconstructies reeds vele jaren een belangrijke markt. Ook de offshore industrie is een belangrijk afzetgebied voor aluminium draagconstructies. Meer recent is vooral in Nederland een aanzienlijk aantal voetgangersbruggen gerealiseerd en tevens een beperkt aantal verkeersbruggen. Daarnaast is een aantal malen in het kader van renovatie een bestaand brugdek vervangen door een aluminium brugdek, waarbij behalve het lage eigen gewicht - in het geval van een ophaalbrug- ook de duurzaamheid en de snelle assemblage door prefabricage belangrijke aspecten voor de toepassing van aluminium zijn geweest. Ook deze markt biedt grote perspectieven. 9

39 2. ONTWERPASPECTEN Bij de keuze voor aluminium spelen de volgende aspecten in het algemeen een belangrijke rol: - het lage eigen gewicht; - de hoge bestendigheid tegen corrosie en andere weersinvloeden; - de mogelijkheden in vormgeving van de onderdelen, met name door extrusie; - de economie van het eindproduct. Deze aspecten worden hierna toegelicht. Uiteindelijk doel is dat een technische en economisch verantwoorde constructie wordt gerealiseerd, die ook nog eens voldoet aan esthetische eisen, indien deze worden gesteld. 2.1 Eigen gewicht Het relatief lage eigen gewicht is van groot belang bij toepassing in bouwwerken. Een lagere belasting door het eigen gewicht betekent dat grotere veranderlijke belastingen kunnen worden toegelaten, ofwel dat de constructie lichter kan worden uitgevoerd. Met name in de vliegtuigindustrie is de combinatie van gering eigen gewicht en zeer hoge sterkte (bij specifieke legeringen) van groot belang geweest bij de keuze voor aluminium als constructiemateriaal. Ook binnen de bouwsector kan een dergelijke afweging van belang zijn. Een lichtere draagconstructie heeft een aantal bijkomende gunstige gevolgen: - lagere transportkosten; - lagere montagekosten (er kan worden volstaan met lichter hijsmaterieel); - betere hanteerbaarheid op de bouwplaats; - geringere dimensies van overige constructiedelen (zoals de fundatie). Bij toepassing van dezelfde profielen zou het eigen gewicht van een aluminium constructie slechts 33% van de staalconstructie zijn. Indien niet de sterkte, maar de stijfheid of stabiliteit van de constructie maatgevend is, zal echter niet hetzelfde profiel kunnen worden toegepast. Om een zelfde stijfheid EI te verkrijgen moet het traagheidsmoment I van aluminium drie keer zo groot worden als dat van staal. Deze profielvergroting levert, in combinatie met het lagere eigen gewicht van aluminium, uiteindelijk een reductie van het eigen gewicht van circa 50% ten opzichte van staal. 2.2 Corrosievastheid De natuurlijk aanwezige oxidehuid kan op een aantal manieren worden aangetast. De aantasting kan echter na enige tijd stabiel worden door het vormen van een nieuwe oxidehuid. Dit kan ook plaatsvinden in wat agressievere milieus, zoals industrie- en zeeklimaat. Bij aluminium kunnen als hoofdvormen van corrosie worden onderscheiden: - algemene corrosie (gelijkmatige aantasting van de oxidehuid door sterke logen en zuren); - putcorrosie (putvormige aantasting door verstoring van de oxidehuid of door vreemde, hechtende deeltjes); - spleetcorrosie (aantasting bij spleten in een constructie, bijv. bij hoeklassen maar ook bij boutverbindingen); 10

40 - galvanische corrosie (corrosie door contact met edeler metalen); - interkristallijne corrosie (aantasting langs korrelgrenzen, veroorzaakt door laswarmte); - spanningscorrosie (interkristallijne aantasting, veroorzaakt door lasspanningen) - laminaire corrosie (laagvormige interkristallijne aantasting, veroorzaakt door sterke koudevervorming en onjuiste warmtebehandeling); De laatste drie vormen van corrosie zijn volledig uit te sluiten door een juiste detaillering. Galvanische corrosie kan uitstekend worden voorkomen door de twee aansluitende metalen van elkaar te isoleren. Als isolatiemateriaal komen bijvoorbeeld neopreen of nylon in aanmerking. Galvanische corrosie wordt ook voorkomen door gebruik te maken van roestvast staal in plaats van constructiestaal (zie bijvoorbeeld afbeelding 4). Afbeelding 4. Juiste detaillering van de verbinding voorkomt corrosie. 2.3 Vrijheid in vormgeving Aluminium constructiedelen kunnen worden onderverdeeld in platen, profielen en gegoten constructiedelen. De platen worden toegepast in gevels en daken, de profielen worden toegepast in de draagconstructie (liggers, kolommen, en dergelijke). Gegoten constructiedelen, die via vloeibare vormgevingstechnieken worden vervaardigd, hebben meestal betrekking op specifieke verbindingen (knopen in ruimtelijke vakwerken, en dergelijke). Aluminium platen worden vervaardigd in een walsproces. De platen voor bouwkundige toepassingen (in gevels en daken) hebben een dikte van 0,5 tot 25 mm. De meeste leveranciers hebben voor verschillende legeringen standaard platen met standaard diktes. Het extruderen is één van de belangrijkste verwerkingstechnieken voor aluminium en is mogelijk omdat aluminium bij temperaturen van ongeveer 450 tot 500 o C zacht en plastisch wordt. Bij extruderen wordt een profielmatrijs (een geharde stalen schijf waarin een uitsparing is aangebracht in de vorm van het gewenste profiel) in de pers gemonteerd en aan de voorzijde van de recipiënt (een op temperatuur gebrachte cilindrische houder) geplaatst. Het gegoten ronde blok aluminium, dat in een gasoven is verhit tot een temperatuur van 450 tot 500 o C, wordt met behulp van een transporteur in de recipiënt tegen de matrijs geschoven. Om te voorkomen dat er lucht mee wordt geëxtrudeerd wordt, na het dichtpersen van de opening tussen het ronde aluminium blok en de recipiëntwand, de lucht door middel van vacuum eruit verwijderd. Daarna kan het 11

41 extruderen aanvangen. De persstempel wordt in beweging gebracht en oefent een druk uit van 500 tot ton op het aluminium blok, waardoor het aluminium door de in de matrijs aangebracht sparing wordt geperst. De profielen worden daarna op een trekbank gestrekt en op de gewenste lengte afgezaagd. Door de matrijs op een juiste manier op te bouwen kunnen de meest ingewikkelde profielvormen in een stap worden gerealiseerd. Het persen van gesloten profielen, zoals buisprofielen, geschiedt op eenzelfde wijze als bij open profielen. Het gegoten aluminium blok is dan echter in de lengte voorzien van een gat, waarin een persdoorn past, die dezelfde diameter heeft als de binnendiameter van de verlangde buis. De persmatrijs heeft een opening met een diameter gelijk aan de buitendiameter van de gewenste buis. De ruimte die overblijft tussen persdoorn en matrijsopening is de wanddikte van de verlangde buis. Een buis kan door natrekken, en zonodig nagloeien, een betere maatnauwkeurigheid verkrijgen. Tevens levert deze nabehandeling een grotere mechanische sterkte op. Een illustratie van mogelijke voordelen van een extrusieprofiel is weergegeven in afbeelding 5. Alle vier de liggers in deze afbeelding hebben dezelfde buigstijfheid EI. Bij de eerste aluminium ligger is de hoogte van de stalen ligger als uitgangspunt genomen. Om een zelfde buigstijfheid te verkrijgen is de vorm van de doorsnede gewijzigd. De gewichtsbesparing ten opzichte van de stalen ligger is echter slechts 1,3%. Bij de laatste aluminium I-ligger is uitgegaan van optimalere extrusiematen en extrusiediktes. Als gevolg van de grote hoogte zullen de buigspanningen in de uiterste vezels van de flenzen van het profiel relatief laag zijn. De gewichtsbesparing ten opzichte van de stalen ligger met dezelfde buigstijfheid bedraagt 49%. Door de slanke doorsnedevorm is de torsiestijfheid van deze aluminium ligger echter beduidend lager. Dit zou nog kunnen worden verbeterd door gesloten torsiestijve profieldelen op te nemen in de doorsnedevorm. Bovendien kunnen in het extrusieproces meer functies aan de doorsnede worden toegevoegd, zoals de sleuven voor de plaatsing van verbindingsmiddelen. Dit voorbeeld toont aan dat met behulp van het extrusieproces een doorsnedevorm kan worden gerealiseerd, die exact is aangepast aan de eisen die aan de doorsnede worden gesteld. Afbeelding 5. Vergelijking doorsnedevormen op basis van gelijke buigstijfheid. 12

42 Het kan soms voordelig lijken om op de constructiekosten te besparen door zo groot mogelijke profielen toe te passen. Een alternatief is kleinere profielen samen te voegen tot een grotere doorsnede. Afwegingen die daarbij een rol spelen zijn de fabricagekosten (lassen, etc.), matrijskosten, transportkosten en leveringstermijn. Er zijn namelijk weinig extrusiepersen die profielen van zeer grote afmetingen kunnen vervaardigen, waardoor leveringstermijn en het in voorraad houden sterk op de kosten gaan drukken bij grotere profielen. Een belangrijke, nieuwe ontwikkeling om te komen tot grote profielafmetingen is de toepassing van wrijvingsroerlassen (Friction Stir Welding), waarmee in de praktijk zeer goede resultaten worden behaald. 2.4 Economie De praktijk heeft bewezen dat aluminium een economisch alternatief kan zijn voor traditionele bouwmaterialen, zoals staal, beton, hout en baksteen. Met name bij grotere overspanningen (ruimtelijke vakwerken, kapconstructies voor stadions, luifels met grote uitkragingen, et cetera) is aluminium goed toepasbaar. Bij dit type constructies spelen het lage eigen gewicht in combinatie met de mogelijke vormgeving van geëxtrudeerde profielen een belangrijke rol bij de keuze voor aluminium. Aluminium is ook zeer goed toepasbaar in constructies die gedurende de levensduur in contact blijven met de buitenlucht (bruggen, verkeersportalen, et cetera). In dit geval spelen de goede corrosieve eigenschappen, en daarmee samenhangend de zeer lage onderhoudskosten, een belangrijke rol bij de keuze voor aluminium. De prijs per kilogram aluminium ligt hoog ten opzichte van die van staal. De prijzen lopen echter steeds meer naar elkaar toe, terwijl er ook nog gerekend mag worden op een aanzienlijk lager constructiegewicht bij aluminium ten opzichte van staal (gemiddeld 50% gewichtsreductie). Bij een reële prijsvergelijking tussen aluminium en staal dienen daarom de volgende factoren te worden meegenomen: - materiaalkosten van de draagconstructie; - fabricagekosten van de constructiedelen; - transportkosten; - montagekosten van de draagconstructie; - maken van de verbindingen; - kosten van oppervlaktebehandeling (bijvoorbeeld schilderwerk); - onderhoudskosten gedurende de levensduur. Daarnaast spelen bij de toepassing van aluminium een aantal factoren een rol, waarvan de gevolgen ten aanzien van de kosten in ieder geval kwalitatief kunnen worden ingeschat. Enkele voorbeelden zijn: - een mogelijk lichtere uitvoering van een onderliggende draagconstructie (inclusief fundering); - een eenvoudiger aan te brengen afbouwconstructie; - volledig hergebruik van het materiaal na sloop. 13

43 3. ONTWERP EN BEREKENING VAN CONSTRUCTIEDELEN Een aluminium draagconstructie wordt optimaal ontworpen als vanaf het beginstadium rekening wordt gehouden met de in hoofdstuk 2 genoemde ontwerpaspecten. De toetsing van de draagconstructie bestaat, net als bij andere materialen, uit de volgende stappen: - bepaling van belastingen en belastingscombinaties; - bepaling van de respons van de constructie; - toetsing van de vervormingen; - toetsing van de draagkracht van constructiedelen; - toetsing van de verbindingen. Omdat de Nederlandse normen [2], [3], [4] en [5] binnenkort komen te vervallen (waarschijnlijk per ), dient het ontwerp en de berekening van een aluminiumconstructie te worden uitgevoerd op basis van Europese regelgeving. Voor de belastingen en belastingscombinaties is Eurocode 1 [6] van toepassing. Voor de bepaling van de krachtsverdeling en de draagkracht moet dan gebruik worden gemaakt van Eurocode 9 [7]. Part 1.1 Algemene constructieregels van Eurocode 9 heeft betrekking op statisch belaste aluminiumconstructies. Belangrijke andere delen van Eurocode 9 zijn Part 1.2 Brandwerendheid van aluminiumconstructies, en Part 1.3 Op vermoeiing belaste aluminumconstructies. Hoewel Part 1.1 het belangrijkste deel van Eurocode 9 is, is met name voor aluminium de aandacht voor brandwerendheid alsmede voor vermoeiing een welkome aanvulling op de Nederlandse norm, waarin geen rekenregels voor die twee fenomenen gegeven waren. 3.1 Belastingen Bij aluminium zal de belastingscombinatie met uitsluitend permanente belasting (1,35 G volgens Eurocode 1) vaak gunstiger zijn dan de belastingcombinatie met veranderlijke belastingen (1,2 G + 1,5 Q voor bouwwerken van klasse 3 volgens Eurocode 1). De permanente belasting wordt grotendeels gevormd door het eigen gewicht van de drager en de afbouw, en deze kan dus relatief laag zijn. Andersom redenerend kan worden gesteld dat aluminium bij uitstek geschikt is voor bouwdelen, waarbij de veranderlijke belastingen relatief laag zijn en het eigen gewicht een belangrijke rol speelt, zoals bijvoorbeeld bij dakconstructies, maar ook bij bruggen met zeer grote overspanningen. 3.2 Respons van de constructie Om een aluminiumconstructie toegankelijk te maken voor berekening moet de constructie worden geschematiseerd. De schematisering bestaat uit twee onderdelen: - systeem van de constructie (systeemlijnen, systeemlengten, opleglengten, verbindingen); - constructietype (staven, raamwerken, vakwerken, plaatvelden, verbindingen, e.d.). De respons van de constructie, dat wil zeggen de krachtsverdeling en de vervormingstoestand, moet worden bepaald met behulp van de toegepaste mechanica. Indien gebruik wordt gemaakt van rekenmodellen dient aan een aantal voorwaarden te worden voldaan, zoals de toe te passen aluminiumlegeringen, de verbindingen en imperfecties. 14

44 3.3 Draagkracht Sterkte van de doorsnede Wanneer een doorsnede wordt belast op zuivere trek, druk, buiging of afschuiving, dan moet worden nagegaan of de capaciteit van de doorsnede in de uiterste grenstoestand toereikend is. Dit kan volgens Eurocode 9, Part 1.1. Bij buiging en afschuiving is de capaciteit afhankelijk van de doorsnedeklasse (vergelijk met staal). In Eurocode 9 zijn regels gegeven waarmee de doorsnedeklasse eenvoudig kan worden bepaald. De doorsnedeklasse is afhankelijk van de spanningsgradiënt, de sterkte van het materiaal en de plooivorm van het beschouwde plaatveld. In Eurocode 9 zijn ook regels gegeven voor het bepalen van de doorsnedeklasse van dunwandige buisprofielen (belast op druk of buiging) en van gekromde doorsnedeelementen (belast op druk). Het laatste is handig, omdat bij geëxtrudeerde profielen vaak niet alleen vlakke elementen, maar ook gekromde elementen aanwezig zijn. Bij combinaties van krachten en momenten kan gebruik worden gemaakt van interactieformules. De interactieformules voor buiging en normaalkracht van Eurocode 9 zijn een veilige benadering van de werkelijke doorsnedecapaciteit. De invloed van (bout)gaten op de capaciteit van de doorsnede kan worden verdisconteerd. Voor de dwarskrachtcapaciteit moet altijd van de netto doorsnede worden uitgegaan. Bij buiging en normaalkracht mag in bepaalde gevallen de bruto doorsnede in rekening worden gebracht. Ook hiervoor zijn rekenregels in Eurocode 9 gegeven Stabiliteit van staven Controle van de stabiliteit van staven heeft betrekking op de volgende fenomenen: - knik - torsie - torsieknik - kip - plooi. De rekenregels in Eurocode 9, Part 1.1 besteden ruimschoots aandacht aan elk van de bovengenoemde fenomenen. Ook voor staal gebeurt dat in Eurocode 3, maar zoals eerder opgemerkt, is stabiliteit eerder maatgevend voor aluminium dan voor staal door de lage waarde van de elasticiteitsmodulus Stabiliteit van platen In Eurocode 9, Part 1.1 zijn rekenregels opgenomen waarmee de plooistabiliteit van verstijfde en onverstijfde platen kan worden gecontroleerd Ontwerp van de doorsnedevorm In het voorgaande is aangegeven welke specifieke aspecten een rol spelen bij de bepaling van de draagkracht van een aluminium draagconstructie. Nu dit bekend is moet het eenvoudiger zijn om een goede doorsnedevorm te kiezen voor de verschillende 15

45 constructiedelen. In afbeelding 6 is een uit Eurocode 9, Part 1.1 afkomstig overzicht gegeven van verschillende aluminium doorsneden. Voor sommige ontwerpen zal een standaard doorsnede worden gekozen uit een tabellenboek. Dit is met name het geval wanneer de constructeur onvoldoende kennis heeft van het materiaal aluminium, of wanneer de constructeur niet de tijd krijgt om enige aandacht te besteden aan een logische en rendabele doorsnedevorm. Elke leverancier van aluminium profielen heeft een (beperkte) keuze aan standaard profielen, die qua doorsnedevorm vergelijkbaar zijn met staalprofielen. De eigenschappen van deze profielen zijn meestal verwerkt in tabellen, die verstrekt kunnen worden door de leverancier. Uit bestaande ontwerpen is gebleken dat ook afwijkende doorsnedevormen worden toegepast. De vorm van de doorsnede is daarbij bepaald op basis van mechanische criteria, maar ook andere criteria spelen vaak een belangrijke rol. Praktische aanbevelingen bij het ontwerpen van de doorsnede zijn (zie ook toelichting hierna): - stem de vorm van de doorsnede af op de krachtswerking in de doorsnede; - geef het profiel extra functies mee; - profielen kunnen worden samengesteld uit meerdere onderdelen. 1. Vorm van de doorsnede De vorm van de doorsnede moet zoveel mogelijk worden afgestemd op de krachtswerking in de doorsnede. Bij zuivere buiging is het logisch om zoveel mogelijk materiaal naar de uiterste vezels dwz. de flenzen van profielen te brengen. Bij afschuiving zal voldoende materiaal in de richting van de dwarskracht aanwezig moeten zijn, waarvoor in het algemeen de lijven van profielen in aanmerking komen. Optimaliseren van de doorsnede zal vaak betekenen een zo gering mogelijke doorsnede met voldoende draagkracht. Een gunstige verhouding tussen stijfheid en oppervlak van de doorsnede wordt verkregen door zoveel mogelijk materiaal naar de boven- en onderkant van de doorsnede te verplaatsen. Dit betekent dat slanke profielen worden gevormd. Om te voorkomen, dat plooi van de slanke plaatdelen maatgevend wordt, kunnen verstijvingen in de doorsnede worden aangebracht. Ook krachtsinleidingen ter plaatse van puntlasten en opleggingen kunnen worden ingeleid door het profiel op de juiste plaats te verstijven. Tevens is het van belang om bij het ontwerp van een profiel aan de mogelijke verbindingen te denken. In het geval van lassen kan, bijvoorbeeld bij stompe lasverbindingen, de lasnaadvoorbewerking ge i ëxtrudeerd worden. Maar ook bij boutverbindingen kunnen verbindingsdetails in het extrusie-ontwerp meegenomen worden, zie ook hoofdstuk 5. 16

46 z z z y f,lti"'-y = y z 'z I z, y-mz l m,z I ;z z z I y- I y z z.z z IZ y - z z z I I I I I 'T' rn, I z V \ I I '- y \ j / u y 17

Nog meer weergeven