Ιδιότητες υλικού, εφαρμογές, συμπεριφορά κατασκευής, κανονισμοί, υπολογισμός και διαμόρφωση, συνδέσεις, εκτέλεση και έλεγχος ποιότητας Δημήτρη Κωστέα, Prof. Onor. TUPT, FellTWI, FASCELight Metal Structures & Fatigue, Institute for Building Materials and Construction, Technische Universität München, Arcis St 21, D-80333 Munich, Germany, kosteas@lrz.tum.de ΠΕΡΙΛΗΨΗ Βασικές φυσικές, μηχανικές και χημικές ιδιότητες αλουμινίου. Σημασία και προσόντα του αλουμινίου στις κατασκευές και κύκλος ζωής / οικονομία, περιβάλλον, τεχνολογία. Κράματα κατασκευών. Ανασκόπηση κυριοτέρων υπολογισμών αντοχής και λειτουργικότητας σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα Υπολογισμού ΕΝ 1999. Συμπεριφορά υλικού σε καταπόνηση. Ιδιαιτερότητες στη συμπεριφορά και τον υπολογισμό στις συνδέσεις συγκόλληση, μηχανικά μέσα σύνδεσης, επικόλληση, υβριδικές συνδέσεις. Σημασία επαναλαμβανόμενης φόρτισης και βοηθήματα στην πρακτική εφαρμογή. Χαλκός (Cu) Θείο (S) Μαγγάνιο (Mn) Άνθραξ (C) Φώσφορος (P) Υδρογόνο (H) Τιτάνιο (Ti) Μαγνήσιο (Mg) Κάλιο (K) Νάτριο (Na) Ασβέστιο (Ca) Σίδηρος (Fe) Αλουμίνιο (Al) Πυρίτιο (Si) Οξυγόνο (O) 0,0001 0,006 0,009 0,009 0,12 0,14 0,62 2,07 2,58 2,83 3,64 5,06 8,07 27,61 46,46 Σχ. 1: Σύνθεση (%) του φλοιού της γης. Το αλουμίνιο είναι το τρίτο στοιχείο σε συχνότητα στη γη, πιό συχνό από σίδηρο. 1807 Ο Sir Davy δίνει στο στοιχείο το όνομα αλουμίνιο, αλλά αυτό δεν έχει ακόμη απομονωθεί. 1825 Ο Δανός Oersted παράγει αλουμίνιο με χημική αναγωγή χλωριδίου σε αμάλγαμα καλίου. 1827- Ο Γερμανός Wöhler διαχωρίζει σφαιρίδια αλουμινίου και προσδιορίζει τις βασικές ιδιότητες του μετάλλου. 1854- Ο Γάλλος επιστήμονας Saint-Claire Deville παράγει αλουμίνιο μέσω αναγωγής 1856 χλωριδίου σε νάτριο και αρχίζει την «βιομηχανική» παραγωγή στη Nanterre. 1856 Ο Hall στην Αμερική και παράλληλα ο Heroult στη Γαλλία εξελίσσουν την ηλεκτρολυτική παραγωγή αλουμινίου σε διάλυμα κρυολίθου. 1888 Η Αμερική εφαρμόζει πλέον την βιομηχανική παραγωγή αλουμινίου μέσω της ηλεκτρόλυσης. Την ίδια χρονιά ξεκινάει και η παραγωγή στο Neuhausen της Ελβετίας και στην Froges της Γαλλίας. 1910 Παραγωγή αλουμινίου 45.000 τόνοι ετησίως σε επτά χώρες (Καναδά, Γαλλία, Ιταλία, Νορβηγία, Ελβετία, Μεγ. Βρετανία και ΗΠΑ). 1918 Η παραγωγή σε εννέα χώρες ανέρχεται σε 208.000 τόνους ετησίως. 1998 Η ετήσια παγκόσμια παραγωγή εκατονταπλασιάζεται και ανέρχεται πλέον σε 20.000.000 τόνους. Σχ. 2: Χρονική ανασκόπηση της ανακάλυψης και παραγωγής του αλουμινίου 1 BUILDNET
Σχ. 3: Μεταβολή κόστους παραγωγής αλουμινίου (σε /kg ακατέργαστου πλινθώματος) Σχ. 4: Προέλευση και παραγωγή αλουμινίου. Η παραγωγή απαιτεί σχετικά μεγάλη ποσότητα ενέργειας, ιδίως κατά την ηλεκτρόλυση. BUILDNET 2
ΔΟΜΟΣΤΑΤΙΚΑ/ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ διάγραμμα από TALAT 1101.04.01 Σχ. 5: Παραγωγή αλουμινίου πρώτη φάση: μηχανική κατεργασία και χημική διαδικασία Bayer παραγωγής αλουμίνας Al2O3 διάγραμμα από TALAT 1101.04.02 Σχ. 6: Παραγωγή αλουμινίου δεύτερη φάση: ηλεκτρολυτική διαδικασία παραγωγής του μετάλλου αλουμινίου 3 BUILDNET
ΖΖ-1XXX.ΥΥΥ ΖΖ-2XXX.ΥΥΥ ΖΖ-3XXX.ΥΥΥ ΖΖ-4XXX.ΥΥΥ ΖΖ-5XXX.ΥΥΥ ΖΖ-6XXX.ΥΥΥ ΖΖ-7XXX.ΥΥΥ ΖΖ-8XXX.ΥΥΥ Αλουμίνιο με τουλάχιστον 99% καθαρότητα Κράματα αλουμινίου και χαλκού Κράματα αλουμινίου και μαγγανίου Κράματα αλουμινίου και πυριτίου Κράματα αλουμινίου μαγνησίου Κράματα αλουμινίου, μαγνησίου και πυριτίου Κράματα αλουμινίου, ψευδαργύρου και μαγνησίου Άλλα κράματα (π.χ. αλουμινίου και λιθίου) π.χ. AW-6082 T651, AW-8011 H26, AC-51300 F F=όπως παρήχθη / O=ανόπτηση / H=κατεργασία εν ψυχρώ / T=κατεργασία εν θερμώ Σχ. 7: Διεθνής ονοματολογία κραμάτων αλουμινίου και ειδικότερα κατά τον Ευρωκώδικα ΕΝ 1999-1-1 όπου ΖΖ = AW για προϊόντα εξέλασης (aluminium wrought) ή AC για προϊόντα χύτευσης (aluminium cast), ΧΧΧ = τρία περαιτέρω ψηφία που χαρακτηρίζουν την χημική σύσταση του κράματος (πέντε προκειμένου για προϊόντα χύτευσης), ΥΥΥ = ένα γράμμα και ακολουθία συνήθως δύο, τριών ή τεσσάρων ψηφίων που χαρακτηρίζουν κατεργασία και σε επέκταση μηχανικές ιδιότητες του προϊόντος / βλ. και Σχ. ΧΧ. διάγραμμα από TALAT 1101.02.02 Σχ. 8: Μεγαλύτερος αριθμός κραμάτων σημαίνει και περισσότερες δυνατότητες επιλογής, δηλ. και βέλτιστη προσαρμογή στις απαιτήσεις μιας συγκεκριμένης εφαρμογής. Στο διάγραμμα αναφέρονται μόνο όσα κράματα εξέλασης ή χύτευσης εξακολουθούν να είναι διαθέσιμα στην αγορά. Σύμφωνα με στοιχεία από την δεκαετία του 1990 στην Ευρώπη: - 13 εργοστάσια παρήγαν 6,6 106 τόνους αλουμίνας, - 40 εργοστάσια παρήγαν 3,8 106 τόνους πρωτογενούς αλουμινίου, - 60 εργοστάσια διέλασης και 200 εξέλασης παρήγαν 4,8 106 τόνους ημι-προϊόντων, - 2500 χυτήρια παρήγαν 1,4 106 τόνους χυτών προϊόντων, - 200 δευτερογενείς μονάδες με 1,7 106 τόνους, δηλ. αναλογία 31% στην συνολική παραγωγή μετάλλου, - Η αλουμινοβιομηχανία απασχολούσε πάνω από 200.000 άτομα, - Το 1991 ο συνολικός τζίρος ήταν 25 δις ECU και οι συνολικές επενδύσεις στα εργοστάσια ήταν της τάξης των 2.5 δις ECU. BUILDNET 4
Εφαρμογές αλουμινίου Ο αυτοκράτορας της Γαλλίας Ναπολέων Γ τρώει σε πιάτα αλουμινίου που κοστίζουν τόσο όσο από χρυσό. Στην δεκαετία του 1890 έχουμε τις πρώτες εφαρμογές στην κατασκευή σκευών μαγειρικής. Κατά το 1900 εφαρμογές στον ηλεκτρισμό, από το 1910 πρώτες κατασκευές για στρατιωτικούς σκοπούς και από το 1920 εφαρμογές σε μέσα μεταφοράς. Στην δεκαετία του 1940 διαδεδομένη χρήση πλέον στην αεροναυπηγική και από την δεκαετία του 1950 στα δομικά έργα. Ευρεία χρήση σε συσκευασίες από το 1960. Κατά το 1990 αρχίζει και η διαδεδομένη χρήση στην αυτοκινητοβιομηχανία. Εφαρμογές στα δομικά έργα Πρώτες εφαρμογές σημειώνονται ήδη από το τέλος του 19ου αιώνα. Στις πρώτες δεκαετίες του 20ου αιώνα έχουμε σημαντικές εφαρμογές σε διάφορους τομείς και στην γεφυροποιία, π.χ. στην πολεοδομία της Νέας Υόρκης με το Empire State Building και το Chrysler Building. Στην δεκαετία του 1950 ανεγείρεται το πρώτο σημαντικό έργο στη μεταπολεμική Γερμανία, η στέγη 10.000 μ² της Westfallenhalle στο Dortmund. Προϊόντα εξέλασης, προφίλ ποικίλων μορφών, διατείθενται πλέον στην αγορά και εξελίσσεται και η τεχνολογία των πετασμάτων στις προσόψεις κτιρίων. Παραδείγματα κατασκευών αλουμινίου Διάβρωση Βυτία, ιστοί φωτισμού, προφίλ στέγης/τοίχου, επικαλύψεις, μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, ηχοπετάσματα, διαχωριστικά οδικών αρτηριών, γέφυρες σε καθαρισμό λυμάτων, σιλό, πλαίσια και ιστοί οδικών σημάτων. Ελαφρύ βάρος Βραχίονες γερανών, φορητοί γερανοί, γερανογέφυρες, κινητές συσκευές ελέγχου γεφυρών, στήριξης σε ορύγματα, γέφυρες πεζών/ποδηλατών/οδικές, γέφυρες-διάδρομοι σύνδεσης κτιρίων, κλίμακες, τηλεσκοπικές πλατφόρμες, ιστοί στήριξης σκηνών, ανυψωτικές συσκευές. Διάβρωση και Ελαφρύ βάρος Ιστοί σημαιών, συσκευές και κλίμακες εισόδου σε αεροπλάνα, πύργοι καλωδίων μεταφοράς ενέργειας, κινητές συσκευές ελέγχου γεφυρών, ποικίλες κατασκευές σε εξέδρες off-shore (οικήματα προσωπικού, ανακλαστικά πετάσματα πυροπροστασίας, ελικοδρόμια, γέφυρες). Λειτουργικότητα Προκατασκεθασμένες γέφυρες, ιμάντες μεταφορών, συστήματα μεταφοράς monorail, κατασκευές ρομπότ, παραθυρόφυλλα, επικαλύψεις τοίχων σηράγγων. Διάβρωση και Λειτουργικότητα επικαλύψεις καθαρισμού λυμάτων, στέγαστρα, αποβάθρες, έδρανα, επικαλύψεις προσόψεων και υποκατασκευές, κιγκλιδώματα, κατασκευές στο χώρο, συσκευές εκθεμάτων, υπόστεγα στάσεων, θερμοκήπια. Ελαφρύ βάρος, Λειτουργικότητα Κεκλιμμένα επίπεδα, προσωρινοί διάδρομοι προσγείωσης, ανυψωτήρες υλικών οικοδομών, δοκοί και σωλήνες σκαλωσιάς, γέφυρες αποβίβασης, (φορητές) στρατιωτικές γέφυρες, πύργοι-πομποί και παρατηρητήρια (π.χ. και για πυροπροστασία), συσκευές επιδιορθώσεων και καθαρισμού, υποκατασκευές λυόμενων κτιρίων ή προσωρινών σκηνών. Ελαφρύ βάρος, Λειτουργικότητα, Διάβρωση Παντός είδους κατασκευές σε εξέδρες off-shore, δοκοί επικάλυψης διαφραγμάτων. Σχ. 9: Ιστορική εξέλιξη εφαρμογών αλουμινίου και παραδείγματα κατασκευών με αναφορά στα τρία χαρακτηριστικά προσόντα του υλικού: ελαφρύ βάρος, αντοχή στη διάβρωση και λειτουργικότητα με προσαρμογή της διατομής του προϊόντος. 5 BUILDNET
Σχ. 10: Κατανομή εφαρμογών αλουμινίου στην Ευρώπη. Άνω τμήμα: Κύριες αγορές προϊόντων αλουμινίου αντίστοιχα στις ΗΠΑ: Δομικά 15%, Μεταφορές 32%, Συσκευασίες 21%. Κάτω τμήμα: Αγορές προϊόντων διέλασης και εξέλασης (προφίλ). Σχ. 11: Ετήσια κατα κεφαλή κατανάλωση προϊόντων αλουμινίου σε kg στοιχεία 1997. BUILDNET 6
Σχ. 12: Παράμετροι υπολογισμού και εφαρμογής. Οι κανόνες αυτοί πρέπει σήμερα να τηρούνται για κάθε είδους κατασκευή ώστε να πληρούνται οικολογικές, κοινωνικές και οικονομικές προϋποθέσεις και να διασφαλίζεται η αειφορία. Ειδικότερα στην περίπτωση των κατασκευαστικών εφαρμογών με αλουμίνιο, ύστερα από σύντονες προσπάθειες των τελευταίων ετών, δίνονται στους Ευρωκώδικες Υπολογισμού/Διαμόρφωσης ΕΝ 1999-1 για τον μηχανικό και Εκτέλεσης/Ποιοτικού Ελέγχου ΕΝ 1090-3 για τον εργολάβο- κατασκευαστή τα απαραίτητα προς τούτο στοιχεία. Σχ. 13: Μεταβολή χαρακτηριστικών ιδιοτήτων με αύξουσα αντοχή σε εφελκυσμό 7 BUILDNET
Σχ. 14: Χαρακτηριστικές τιμές αντοχής σε εφελκυσμό και επιμήκυνσης κατά την θραύση για συνήθη κράματα αλουμινίου. Σύγκριση με χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα. Το Αλουμίνιο είναι λειτουργικό, ελαφρύ, ανοξείδωτο, με υψηλή αντοχή, συγκολλήσιμο, και σε πολύ xαμηλή θερμοκρασία (-200 C), με υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, μη ψαθυρό, μη τοξικό, μη αναφλέξιμο, με χαμηλό μέχρι μηδαμινό κόστος λειτουργίας και συντήρησης, ανακυκλούμενο Σχ. 15: Βασικές ιδιότητες του υλικού σε όλο τον κύκλο ζωής μιας κατασκευής. Σχ. 16: Συγκριση αντοχής / ιδίου βάρους του αλουμινίου με άλλα συνήθη δομικά υλικά. Η πρώτη στήλη δηλώνει τον λόγο αντοχής προς ειδ. βάρος, η δεύτερη το ειδ. βάρος και η τρίτη την αντοχή του κάθε υλικού. BUILDNET 8
Σχ. 17: Ανακύκλωση Προσόντα αλουμινίου Σχ. 18: Εφαρμογές όπου η χρήση αλουμινίου είναι λογική και συμφέρουσα. 9 BUILDNET
ΔΟΜΟΣΤΑΤΙΚΑ/ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ Σχ. 19: Εξειδικευμένες διατομές Σχ. 20: Παραδείγματα εξειδίκευσης διατομής. Πάνω: Διατηρώντας την ίδια ροπή ακαμψίας η διατομή (1) σε χάλυβα μπορεί να αντικατασταθεί από την διατομή (2) σε αλουμίνιο με 50% χαμηλότερο βάρος. Η τελευταία μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω σε διατομή (3) με αυξημένη ακαμψία σε στρέψη και (4) με ενσωμάτωση διαφόρων στοιχείων που διευκολύνουν και μειώνουν το κόστος κατά την συναρμολόγηση. Κάτω: Στοιχεία για το πλαίσιο στο χώρο του αυτοκινήτου Audi 8. BUILDNET 10
ΔΟΜΟΣΤΑΤΙΚΑ/ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ Σχ. 21: Δυνατές διαστάσεις σε προϊόντα εξέλασης και παράδειγμα κόστους μήτρας. Σχ. 22: Μορφή και μέγεθος των προφίλ περιορίζονται συχνά μόνο από περιορισμούς κατά την οδική μεταφορά των προϊόντων. 11 BUILDNET
ΔΟΜΟΣΤΑΤΙΚΑ/ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ Σχ. 23: Εξοικονόμηση ενέργειας κατά την χρήση στην περίπτωση κατασκευών στις επίγειες, θαλάσσιες ή εναέριες μεταφορές. Γρήγορη απόσβεση διαφοράς στο αρχικό κόστος κατασκευής, αν αυτή υπάρχει σε σύγκριση με άλλο υλικό. Σχ. 24: Προσόντα αλουμινοκατασκευών. Στις γέφυρες έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία προϊόντα αλουμινίου σε αποκατάσταση και ενίσχυση τμημάτων κατασκευής, όπου με το χαμηλότερο βάρος της αλουμινοκατασκευής (π.χ. σε σύγκριση με αρχική κατασκευή από σκυρόδεμα ή χάλυβα) μειώνεται το ίδιο βάρος της γέφυρας και μπορεί να αυξηθεί το ωφέλιμο φορτίο της γέφυρας χωρίς ιδιαίτερη ενίσχυση άλλων κατασκευαστικών στοιχείων και των βάθρων στην περίπτωση προσαρμογής της γέφυρας Corbin στις ΗΠΑ το επιτρεπόμενο φορτίο από 7 τόνους αυξήθηκε στους 22 τόνους. BUILDNET 12
ΔΟΜΟΣΤΑΤΙΚΑ/ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ Σχ. 25: Παραδείγματα εφαρμογών σε δομικά έργα. Κατοικίες προσωπικού σε εξέδρα άντλησης πετρελαίου-σταθμός επεξεργασίας λυμάτων-στέγη κτιρίου. Σχ. 26: Παραδείγματα εφαρμογών στη γεφυροποιία. Πλαίσιο στήριξης σημάτων κτκλοφορίας-οδική γέφυρα στη Νορβηγία ανοίγματος 35μ. 13 BUILDNET
Σχ. 27: Το ερώτημα του κόστους. Σχ. 28: Συνολικό κόστος στο παράδειγμα μιας πεζογέφυρας, όπου το τελικό κόστος στην αλουμινικατασκευή είναι μάλλον χαμηλότερο και από αυτό που υπολογίστηκε, καθώς πρακτικά χρειάζονται λιγότεροι και πιό απλοί σταδιακοί έλεγχοι κατά τη διάρκεια λειτουργίας. BUILDNET 14
Σχ. 29: Στοιχεία εξοικονόμησης ενέργειας και κόστους από την ανακύκλωση (σχήματα α, β) ή την μείωση ιδίου βάρους (σχημα γ) σε προϊόντα αλουμινίου. Στην περίπτωση του ελαφρότερου οχήματος ενώ διατηρούνται οι διαστάσεις του οχήματος μειώνεται το ίδιο βάρος με την χρήση ελαφρότερων κατασκευαστικών τμημάτων στον κινητήρα και το σώμα του οχήματος. Σχ. 30: Οικονομικό όφελος από εξοικονόμηση ενέργειας λειτουργίας σε όχημα μετρό. Στο παράδειγμα διακρίνεται απόσβεση του κόστους κατασκευής, που εκφράζεται σαν ενεργειακό κόστος με περίπου 40 MWh/τόνο στο αλουμίνιο ή 10 MWh/τόνο στο χάλυβα, ώς τον τέταρτο χρόνο λειτουργίας. Η διάρκεια ζωής εκτιμάται σε 30-40 χρόνια, σε αυτό το διάστημα η εξοικονόμηση ενέργειας υπερβαίνει το 1.000.000 MWh, που αντιστοιχούν σε ανάλογη μείωση ατμοσφαιρικής ρύπανσης λόγω λιγότερων καυσίμων στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. 15 BUILDNET