09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

1

Lekkie konstrukcje metalowe

KONSTRUKCJE METALOWE

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

2

09-03-30

2

PLAN WYKŁADU

WPROWADZENIE

ZALETY I WADY KONSTRUKCJI ALUMINIOWYCH

ZASTOSOWANIE

PRODUKCJA ALUMINIUM I STOPÓW

WŁAŚCIWOŚCI ALUMINIUM I STOPÓW

WYTWARZANIE I ASORTYMENT WYROBÓW

POŁĄCZENIA

WYMIAROWANIE ELEMENTÓW

BELKI I BLACHOWNICE

KRATOWNICE

LITERATURA

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

3

GLIN (Al)
- gęstość 2,70 g/cm

3

,

- jest trzecim najpowszechniejszym pierwiastkiem występującym na

powierzchni Ziemi, w przyrodzie występuje w związkach-minerałach,
z których najważniejszy to boksyt,

- związki (sole) aluminium znane i stosowane były już w starożytności

(barwniki, środki antyseptyczne),

- w stanie czystym otrzymał go po raz pierwszy duński fizyk

H.Ch. Oersted w 1825 r.,

-na skalę przemysłową glin zaczęto wytwarzać w drugiej połowie XIX w.,

- w stanie czystym jest kruchy i łamliwy, dlatego w praktyce najczęściej

stosowane są stopy aluminium z innymi pierwiastkami.

WPROWADZENIE

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

4

ZALETY [2]:
- mały ciężar objętościowy,
- duża wytrzymałość przy rozciąganiu i ściskaniu,
- odporność na korozję atmosferyczną (nie wszystkie stopy),
- odporność na działanie wielu czynników chemicznych,
- nieiskrzenie przy uderzeniach (zbiorniki na paliwa),
- antyferromagnetyczność (brak zaburzeń pola magnetycznego),
- wzrost wytrzymałości wraz ze spadkiem temperatury,
- odporność na kruche pękanie.

WADY:
- wysokie koszty materiału,
- bardzo mała odporność na wysokie temperatury (temp. topnienia Al
660

o

C),

- bezpośredni kontakt z niektórymi substancjami jest niedopuszczalny
i wymaga zastosowania pośrednich warstw izolacyjnych (np. stal, beton,
mur, zaprawy).

ZALETY I WADY KONSTRUKCJI ALUMINIOWYCH

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

5

ZASTOSOWANIE

Na podstawie [2]:
- konstrukcje nośne o dużych rozpiętościach,
- konstrukcje dla przemysłu chemicznego, znajdujące się

w

agresywnych środowiskach,
- konstrukcje tymczasowe, rozbieralne, wielokrotnego użytku (np.
rusztowania),
- lekkie obudowy budynków halowych i szkieletowych,
- konstrukcje narażone na korozję (np. zbiorniki do magazynowania
glikolu, fenolu, tłuszczów, itp.),
- zbiorniki narażone na działanie niskiej temperatury (np. do
magazynowania skroplonych gazów).

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

6

PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA

PALMIARNIA I CIEPLARNIA W OGRODZIE BOTANICZNYM UJ

Lokalizacja: Kraków
Okres budowy: 1959-60
Materiał: AlMgSi1 - PA4
Zużycie materiału: ok. 35 ton
Konstruktorzy: W. Wojnowski

W. Merunowicz
P. Skrzynecki

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

7

PALMIARNIA I CIEPLARNIA W OGRODZIE BOTANICZNYM UJ

PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA

Źródło [2]

Źródło [2]

DACHY SYSTEMU VACONOROOF

Rozpiętość do 120 m

Słowenia

∅ 60,96 m

Włochy

∅ 30,65 m

Niemcy

∅ 16,90 m

Źródło [www.vacono.com]

PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

8

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

9

DACHY SYSTEMU VACONOROOF

Ź

ród

ło [

w

ww

.vacono.com

]

PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

10

POKRYCIA PŁYWAJĄCE SYSTEMU VACONODECK

Źródło [5]

PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

11

POKRYCIA PŁYWAJĄCE SYSTEMU VACONODECK

Źródło [www.vacono.com]

PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

12

PRODUKCJA ALUMINIUM

Glin (aluminium) występuje w przyrodzie w postaci minerałów takich
jak:
- boksyt (głównie wodorotlenki glinu),
- glinokrzemiany,
- kaoliny,
- glinki.

Otrzymywanie aluminium:

boksyt

metody termiczne

lub chemiczne

tlenek glinu

Al

2

O

3

Al

elektroliza

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

13

Hydronalium (inaczej: altmag, peraluman):
- stop aluminium z magnezem (AlMg),
- średnia wytrzymałość, średnia odporność na korozję, dobra

spawalność.

Anticorodal (inaczej: aldrey):
- stop aluminium z magnezem i krzemem (AlMgSi),
- średnia wytrzymałość, wysoka odporność na korozję, średnia

spawalność.

Duraluminium (inaczej: dural, duralumin):
- stop aluminium z miedzią i magnezem (AlCuMg),
- duża wytrzymałość, słaba odporność na korozję, słaba spawalność.

Duralumin cynkowy:
- stop aluminium z cynkiem i magnezem (AlZnMg),
- duża wytrzymałość, średnia odporność na korozję, dobra

spawalność; z dodatkiem miedzi (AlZnMgCu) – najwyższa
wytrzymałość, ale słaba odporność na korozję i słaba spawalność.

STOPY ALUMINIUM

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

14

W celu poprawy właściwości mechanicznych stopu (głównie wzrost
wytrzymałości i poprawa właściwości plastycznych) stosuje się obróbkę
cieplną stopów aluminium.

Źródło [2]

STOPY ALUMINIUM

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

15

WŁAŚCIWOŚCI ALUMINIUM I STOPÓW

Źródło [1]

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

16

WŁAŚCIWOŚCI ALUMINIUM I STOPÓW

R

m

= 120 - 310 [MPa]

R

0,2

= 60 - 250 [MPa]

E = 70 [GPa]
G = 27 [GPa]
ν = 0,3
A

5

= 10 – 16 %

γ = 2700 kg/m

3

α

t

= 23·10

-6

[1/

o

C]

(dla stali α

t

= 12·10

-6

[1/

o

C])

Źródło [1]

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

17

WYTRZYMAŁOŚCI OBLICZENIOWE STOPÓW

W nawiasie podano
wytrzymałości
obliczeniowe konstrukcji
osłabionych spawaniem.

Źródło [2]

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

18

WYTWARZANIE WYROBÓW ZE STOPÓW ALUMINIUM

Metody wytwarzania:

- wyciskanie (materiał pod naciskiem stempla wypływa przez otwór lub
otwory w narzędziu albo przez szczeliny utworzone przez narzędzia),

- walcowanie (kształtowanie materiału między obracającymi się
walcami),

- ciągnienie (formowanie przez przeciąganie materiału wyjściowego
przez otwór, którego pole przekroju jest mniejsze niż pole
przeciąganego materiału).

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

19

ASORYMENT WYROBÓW ALUMINIOWYCH

Źródło [www.gk-kety.com]

- blachy (płaskie i profilowane),
- pręty (okrągłe, prostokątne, sześciokątne),
- kształtowniki (kątowniki, ceowniki, teowniki, rury),
- kształtowniki specjalne (np. do lekkiej obudowy, ślusarki itp.)

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

20

ASORYMENT WYROBÓW ALUMINIOWYCH

Źródło [www.vacono.com]

Przekrój kształtownika do konstrukcji dachu

systemu VACONOROOF.

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

21

POŁĄCZENIA KONSTRUKCJI ALUMINIOWYCH

Do łączenia elementów z aluminium i jego stopów stosuje się
połączenia:
- nitowe,
- śrubowe,
- spawane,
- klejone,
- zgrzewane.

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

22

POŁĄCZENIA TRZPIENIOWE

Wytrzymałość obliczeniowa nitów i śrub na ścinanie:

,

0,6

dv

dt

f

f

=

⋅

Na nity stosuje się stopy PA20N-0 oraz PA45-T4, a na śruby PA45-T6.

Zaleca się stosować połączenia dwucięte.

Średnice nitów nie powinny być większe niż 18 mm.

Dobór średnic (d) można przeprowadzić wg zalecenia:

min

min

4

t

d

t

< < ⋅

gdzie:
t

min

– grubość najcieńszego łączonego elementu.

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

23

Rozmieszczenie łączników:

Źródło [3]

a

1

≥ 2,5 d

a

2

≥ 2,0 d

a, a

3

≥3,0 d

POŁĄCZENIA TRZPIENIOWE

gdzie:
d – średnica łącznika.

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

24

POŁĄCZENIA SPAWANE

Do spawania aluminium i jego stopów stosuje się metody:
- TIG – spawanie elektrodą nietopliwą w osłonie gazów obojętnych,
- MIG – spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazów obojętnych.

Źródło [3]

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

25

Źródło [2]

POŁĄCZENIA SPAWANE

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

26

Kształtowanie połączeń spawanych:

Źródło [2]

POŁĄCZENIA SPAWANE

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

27

WYMIAROWANIE ELEMENTÓW

ELEMENTY OSIOWO ROZCIĄGANE:

dt

n

f

A

N ≤

=

σ

gdzie:
N – siła rozciągająca,
A

n

– przekrój netto,

f

dt

– wytrzymałość obliczeniowa na rozciąganie .

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

28

STATECZNOŚĆ MIEJSCOWA:

Stateczność miejscową ścianek elementów sprawdza się, jeżeli
smukłość ścianki

λ

p

= b/t jest większa od granicznych wartości

smukłości

λ

1

podanych w Tablicy 15-9, 15-10 i 15-11. Odpowiednie

wzory można znaleźć w [2].

WYMIAROWANIE ELEMENTÓW

Źródło [2]

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

29

WYMIAROWANIE ELEMENTÓW

Źródło [2]

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

30

WYMIAROWANIE ELEMENTÓW

Źródło [2]

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

31

WYMIAROWANIE ELEMENTÓW

Źródło [2]

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

32

WYMIAROWANIE ELEMENTÓW

ELEMENTY OSIOWO ŚCISKANE:

ϕ

σ

⋅

≤

=

dc

f

A

N

gdzie:
N – siła ściskająca,
A – przekrój elementu,
f

dc

– wytrzymałość obliczeniowa na ściskanie,

φ – współczynnik wyboczeniowy.

Zaleca się aby smukłość elementu ściskanego nie przekraczała 180,
a w przypadku obciążeń dynamicznych 120.

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

33

WYMIAROWANIE ELEMENTÓW

Źródło [2]

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

34

WYMIAROWANIE ELEMENTÓW

ELEMENTY ZGINANE:

dt

f

≤

σ

gdzie:

σ

– naprężenia normalne od obciążeń,

τ – naprężenia styczne od obciążeń,

σ

z

– naprężenia zastępcze (przy złożonym stanie naprężenia),

f

dt

, f

dc

, f

dv

– wytrzymałości obliczeniowe na rozciąganie, ściskanie i

ścinanie.

dv

f

≤

τ

dc

z

f

≤

σ

Nośność elementów zginanych sprawdza się tak jak elementów
stalowych, przyjmując odpowiednie wytrzymałości obliczeniowe (f

dt

lub

f

dc

). Ponadto muszą być spełnione warunki:

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

35

WYMIAROWANIE ELEMENTÓW

ELEMENTY ZGINANE – STATECZNOŚĆ OGÓLNA BELEK:

Stateczność ogólną belek należy sprawdzać, gdy pas ściskany nie jest
połączony ze sztywną tarczą i gdy smukłość belki

λ

y

=L/i

y

jest większa

od wartości

λ

1

podanych w Tablicy 15-6. Odpowiednie wzory można

znaleźć w [2].

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

36

Źródło [2]

WYMIAROWANIE ELEMENTÓW

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

37

BELKI I BLACHOWNICE

W przypadku belek zaleca się stosować przekroje z rozbudowanym
pasem ściskanym (zabezpieczenie przed utratą ogólnej stateczności -
zwichrzenie) i pogrubionymi półkami (zabezpieczenie przed miejscową
utratą stateczności).

Źródło [2]

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

38

KRATOWNICE

W przypadku kratownic zaleca się aby długości prętów ściskanych były
jak najmniejsze (z uwagi na możliwe wyboczenie).

Źródło [2]

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

39

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

39

KRATOWNICE

Połączenia prętów
kratowych najczęściej
wykonuje się jako nitowane,
w celu uniknięcia
zmniejszenia wytrzymałości
materiału przy spawaniu.

Z uwagi na wrażliwość stopów aluminium na wpływ karbu oraz
nierównomierność i koncentrację naprężeń pręty należy łączyć
współosiowo.

Źródło [2]

09-03-30

Konstrukcje metalowe - Wykład 25

40

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

LITERATURA