13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

1

Structures of aluminium alloys

KONSTRUKCJE METALOWE

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

2

13-01-10

2

LECTURE PLAN

INTRODUCTION

ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF ALUMINIUM STRUCTURES

EXAMPLES OF USE

PRODUCTION OF ALUMINIUM

PROPERTIES OF ALUMINIUM AND ALUMINIUM ALLOYS

ALUMINIUM PRODUCTS

DESIGN OF THE ALUMINIUM MEMBERS

DESIGN OF JOINTS

BIBLIGRAPHY

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

3

Aluminium (Al)

- density 2,70 g/cm

3

,

- the third most common chemical element on Earth; can be found in clay
and bauxite (aluminium ore) and many other minerals,

- pure aluminium was produced by the Danish chemist H.Ch. Oersted in
1825 r.,

- the pure aluminium is brittle, so it is not used as a structural material,

- aluminium alloys have better strength properties comparing to pure
aluminium

INTRODUCTION

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

4

ADVANTAGES [2]:
- lightweight material,
- high resistance to tension and compression stresses,
- good resistance to corrosion (not all aluminium alloys),
- resistance to many chemicals,
- no sparking in the case of impact (fuel tanks),
- non-magnetic (does not affect magnetic fields),
- no brittle fracture,
- can be recycled.

DISADVANTAGES:
- high cost of the production,
- low resistance to high temperatures (melting point of Al = 660

o

C),

- can not contact with some materials (eg. steel, concrete, masonry etc).

ADVANTAGES AND DISADVANTAGES

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

5

EXAMPLES OF USE

Typical use of aluminium alloys in building structures [2]:

- long-span structures,
- structures in chemical industry,
- temporary and demountable structures (eg. scaffoldings),
- lightweight roofind and cladding systlems,
- structures in the risk of corrosion (eg. tanks for glycol, phenol, fats
etc.),
- tanks affected by low temperature (eg. to store for liquefied gas).

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

6

PALM HOUSE IN THE BOTANICAL GARDEN IN KRAKÓW

Building years: 1959-60
Material: AlMgSi1 - PA4
Structure weigth: about 35 t
Designers: W. Wojnowski

W. Merunowicz
P. Skrzynecki

EXAMPLES OF USE

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

7

PALM HOUSE IN THE BOTANICAL GARDEN IN KRAKÓW

Źródło [2]

Źródło [2]

EXAMPLES OF USE

FIXED TANK ROOVES
-VACONOROOF

Dome span up to 120 m

Slovenia

∅ 60,96 m

Italy

∅ 30,65 m

Germany

∅ 16,90 m

Źródło [www.vacono.com]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

8

EXAMPLES OF USE

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

9

FIXED TANK ROOVES - VACONOROOF

Ź

ród

ło [

w

ww

.vacono.com

]

EXAMPLES OF USE

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

10

FLOATING COVER – VACONODECK

Źródło [5]

EXAMPLES OF USE

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

11

Źródło [www.vacono.com]

FLOATING COVER – VACONODECK

EXAMPLES OF USE

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

12

PRODUCTION OF ALUMINIUM

The minerals consisting aluminium:
- bauxite (main aluminium ore),
- kaolinite,
- gibbsite.

Production of aluminium:

bauxite

thermal or chemical

treatment

Al

2

O

3

Al

electrolytic process

Electrolytic process need a lot of electricity power
(the use of electricity is about 14000 kWh / 1 t of Al. [2])

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

13

ALUMINIUM ALLOYS DESIGNATION:

1xxx - 1000 series – pure aluminium (above 99% of Al)
2xxx - 2000 series – aluminium alloyed with copper (Cu)
3xxx - 3000 series – aluminium alloyed with manganese (Mn)
4xxx - 4000 series – aluminium alloyed with silicon (Si)
5xxx - 5000 series – aluminium alloyed with magnesium (Mg)
6xxx - 6000 series – aluminium alloyed with Mg and Si
7xxx - 7000 series – aluminium alloyed with znik (Zn)
8xxx - 8000 series – aluminium alloyed with other addiments

Bolded alloys are used in building industry.

PRODUCTION OF ALUMINIUM

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

14

THE INFLUENCE OF ALLOYING ELEMENTS ON MATERIAL HARDNESS

PRODUCTION OF ALUMINIUM

Źródło [8]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

15

2000 series (AlCu)
- trade names (dural, duralumin):
- high strenght , low resistance to corrosion, low weldability.

5000 series (AlMg)
- trade names: hydronalium, altmag, peraluman
- avarage strenght, avarage resistance to corrosion, good weldability.

6000 series (AlMgSi)
- trade names: anticorodal, aldrey:
- avarege stenght, high resistance to corrosion, avarage weldability.

PRODUCTION OF ALUMINIUM

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

16

Źródło [8]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

17

PRODUCTION OF ALUMINIUM

To improve alloy properties mainly increase streght and ductility
additional treatment can be performed.

TEMPER (CONDITION) DESIGNATION:

F –

as fabricated (without special treatment)

O

– fully soft (pol. wyżarzony)

H

– strain hardened – cold worked (pol. umocniony zgniotem)

T

– heat treated other than F and O (pol. obrobiony cieplnie)

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

18

PROPERTIES OF ALUMINIUM ALLOYS

E = 68,5 – 74,5 [GPa]
G = 27 [GPa]
ν = 0,3
A

5

= 10 – 16 %

γ = 2600 - 2800 kg/m

3

α

t

= 19 - 25·10

-6

[1/

o

C]

Źródło [8]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

19

ALUMINIUM ALLOYS
- PLATES

PROPERTIES OF ALUMINIUM ALLOYS

Źródło [8]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

20

ALUMINIUM ALLOYS
- PROFILES

PROPERTIES OF ALUMINIUM ALLOYS

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

21

ALUMINIUM PRODUCTS

PRODUCTION METHODS:

- extrusion,

- drawing

- rolling (hot or cold),

- casting.

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

22

ALUMINIUM PRODUCTS

EXTRUSION PROCESS

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

23

ALUMINIUM PRODUCTS

EXTRUSION PROCESS

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

24

Źródło [www.gk-kety.com]

- plates (flat or profiled),
- bars (round, square, hexagonal etc.),
- profiles (L, U, T, tubes),
- special profiles (eg. for cladding, window profiles, etc.)

ALUMINIUM PRODUCTS

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

25

Źródło [www.vacono.com]

Aluminium profile for VACONOROOF

ALUMINIUM PRODUCTS

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

26

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

Eurocode 9 can be used for aluminium structures design.

Eurocode 9 is based on limit state design concept.

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

27

CHARACTERISTIC STRENGTH

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

28

Źródło [7]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

29

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

30

SECTION CLASSIFICATION

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

Źródło [7]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

31

SECTION CLASSIFICATION

- for pure compression

(no stress gradient)

- for pure bending

(neutral axis in a center)

- for any other stress gradient

where: Ψ – edge stress ratio

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

32

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

SECTION CLASSIFICATION

Źródło [7]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

33

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

EFFECT OF HAZ

Welded connections affect member resistance. In HAZ (heat affected
zones) the change of material properties must be considered.

For design purposes it is assumed that throughout the HAZ the
strength properties are reduced by a constant factor ρ

HAZ

(HAZ

softening factor).

The characteristic resistance of a simple rectangular section affected
by HAZ softening can be expressed as (f

a

ρ

HAZ

)A or f

a

(ρ

HAZ

A).

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

34

Źródło [7]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

35

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

EFFECT OF HAZ
- Width of HAZ

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

36

TENSILE RESISTANCE

1

0

,

M

g

Rd

t

f

A

M

γ

⋅

=

where:
A

g

– the gross section or a reduced cross section area to allow for

HAZ softening,

A

net

– the net section area with deduction for holes and HAZ softening,

f

0

, f

a

– characteristic strength,

γ

M1

γ

M2

– partial safety factors.

(5.29)

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

2

,

M

a

net

Rd

t

f

A

M

γ

⋅

=

(5.30)

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

37

UNIAXIAL BENDING RESISTANCE:

In the absence of a shear force, the design value of the bending
moment resistance should be lesser of M

a,Rd

, and M

c,Rd

:

2

,

M

net

a

Rd

a

W

f

M

γ

⋅

=

where:
α – shape factor, see table 5.3
W

el

– elastic modulus of the gross cross section,

W

net

– elestic modulus of the net section allowing for holes and HAZ

softening, if welded.

1

0

,

M

el

Rd

c

W

f

M

γ

α

⋅

⋅

=

(5.13)

(5.14)

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

38

Bending moment resistance for members subjected to LTB (lateral
torsional buckling) M

b,Rd

should be determined according to point

5.6.6.

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

Źródło [7]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

39

SHEAR RESISTANCE:

For members in section class 1, 2 and 3:

1

,

M

V

V

Rd

c

f

A

V

γ

⋅

=

where:
A

v

– shear area,

f

V

– characteristic shear strength,

γ

M1

– partial safety factor.

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

40

SHEAR RESISTANCE – SHEAR AREA

DESIGN OF ALUMINIUM ALLOY STRUCTURES

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

41

DESIGN OF JOINTS

Aluminium members can be connected with:
- rivets,
- bolts,
- welds,
- glue.

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

42

Welding methods for the aluminium alloy structures:
a) TIG - tungsten inert gas welding,
b) MIG - metal inert gas welding.

Źródło [3]

a)

b)

WELDING

DESIGN OF JOINTS

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

43

WELDING

DESIGN OF JOINTS

Źródło [7]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

44

Źródło [7]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

45

WELDING

For the design of welded connection the following has to be verified:
- the design of the welds (see 6.6.3.2 and 6.6.3.3),
- the design strength of the HAZ adjacent to a weld (see 6.6.3.4),
- the design of connection with combined welds (see 6.6.3.5).

DESIGN OF JOINTS

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

46

WELDING

DESIGN OF JOINTS

Źródło [7]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

47

WELDING – DESIGN OF BUTT WELDS

DESIGN OF JOINTS

Źródło [7]

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

48

DESIGN OF JOINTS

13-01-10

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

49

1. M. Łubiński, A. Filipowicz, W. Żółtowski „Konstrukcje metalowe. Część I” Wydawnictwo

Arkady, Warszawa 2007

2. M. Łubiński, W. Żółtowski „Konstrukcje metalowe. Część II” Wydawnictwo Arkady,

Warszawa 2007

3. K. Rykaluk „Konstrukcje stalowe. Podstawy i elementy” DWE, Wrocław 2001.
4. W. Bogucki, M. Żyburtowicz „Tablice do projektowania konstrukcji metalowych”

Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2007

5. Materiały reklamowe grupy VACONO (Aluminium Rheinfelden GmbH)
6. Materiały dydaktyczne ESDEP
7. Eurocode 9: Design of aluminium structures: Part 1-1: General rules. General rules

and rules for buildings (Edition 2000)

8. M. Gwóźdź „Stany graniczne konstrukcji aluminiowych”, Wydawnictwo PK, Kraków 2007

BIBLIOGRAPHY