hybride verbindingen - Het Aluminium Centrum

Hybride constructies
Aluminium en staal
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
TNO en TU/e
Overzicht
Introductie
Vergelijk van materiaaleigenschappen
Ontwerpen van aluminium constructies
Aandachtspunten hybride constructies
Ontwerpen van hybride constructies
Brandwerendheid
Vermoeiingsweerstand
(Brandwerendheid)
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
1
Waarom hybride constructies?
• Streven naar het beste van twee werelden
− Sterkte van staalconstructies
− Sterkte/massa-verhouding van aluminiumconstructies
− Goede corrosieeigenschappen aluminium (maar
aandachtspunt)
− Vrijheid in vormgeving
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
2
Waarom hybride constructies?
• Niet het ei van Columbus
− Biedt voordelen voor een aantal constructies
− Maar niet voor alle constructies
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
3
Materiaaleigenschappen
Massa
Temperatuuruitzetting
Sterkte
Sterkte/massa
Stijfheid
Corrosie-eigenschappen
Vrijheid in vormgeving profielen
Lasbaarheid
Brandwerendheid
Recyclebaarheid
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
Aluminium
++
2x>
+
++
+ !!
++
+
++
Staal
+/++
+
+
+
++
+/+
4
Materiaaleigenschappen
Aandachtspunten hybride
Massa
Temperatuuruitzetting
Sterkte
Sterkte/massa
Stijfheid
Corrosie-eigenschappen
Vrijheid in vormgeving profielen
Lasbaarheid
Brandwerendheid
Recyclebaarheid
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
Aluminium
++
2x>
+
++
+ !!
++
+
++
Staal
+/++
+
+
+
++
+/+
5
Vele aluminiumlegeringen
600
7075-T6
2024-T6
500
2
spanning
stress [N/mm ]
1xxx: Zuiver aluminium
2xxx: Al – Cu (– Mg – Si)
3xxx: Al – Mn
4xxx: Al – Si
5xxx: Al – Mg
6xxx: Al – Mg – Si
7xxx: Al – Zn (– Mg (– Cu))
400
6082-T6
300
5083-O
200
1020-O
100
0
0
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
0.05
0.1
rek [-]
strain
0.15
6
spanning
Sterkte metalen
rek
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
Bron: Talat
7
Sterkte / dichtheid metalen
spanning
vol.massa
rek
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
Bron: Talat
8
Vormgeving constructiedelen
Verbinden:
Productie:
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
Methode
Aluminium
Staal
Lassen
+
+
Bouten
+
+
Schroeven/klinken
+
+
Lijmen
+
+
Methode
Aluminium
Staal
Walsen
+ (plaat)
+ (plaat & profiel)
Gieten
+
+/-
Extruderen
+
9
Extruderen aluminium profielen
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
10
Extrusies: vele mogelijkheden
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
11
Gieten
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
12
Ontwerpen met extrusies
13
Prof.dr.ir.
Johan
Maljaars
Hybride
constructies
Voorbeeld: profiel kassenbouw
• Integratie van functies
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
14
Voorbeeld: verkeersportaal
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
15
Ontwerp
• ‘Look-a-like’ standaard stalen verkeersportaal:
− Transparant
− Driehoeksligger
− X-gevormde kolommen
• Drie overspanningen
− Kleiner dan 20 meter
− Tussen 20 en 42 meter
− Tussen 42 en 60 meter
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
16
Driehoeksligger
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
17
Productie en assemblage
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
18
Gelaste verbindingen
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
19
Aandachtspunten
aluminium constructies
20
Prof.dr.ir.
Johan
Maljaars
Hybride
constructies
Aandachtspunten
• Stijfheid
− Vervormingen
− Stabiliteit
− Dynamica
• Vermoeiing
• Brandwerendheid
Mogelijke oplossing:
Hybride constructie: gebruik dat materiaal dat het beste is
voor een specifieke eigenschap!
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
21
Aandachtspunten
hybride constructies
22
Prof.dr.ir.
Johan
Maljaars
Hybride
constructies
Belangrijkste aandachtspunten
• Verschil in stijfheid
• Stijfste element trekt spanningen naar zich toe
• Verschil thermische uitzetting
• Zorg dat verschil in verplaatsing opgevangen kan worden in
de verbindingen (ruimte voor uitzetting creëren)
• Galvanische corrosie
• Soms moet contact voorkomen worden
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
23
Corrosievastheid
• Aluminium is minder edel dan staal
• Oxidelaag op aluminium is dicht
ondoordringbaar voor
oxide & electroliet
corrosieproces stopt
• Oxidelaag op staal is poreus
corrosieproces is doorgaand
• Risico by hybride verbindingen: galvanische corrosie
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
24
Galvanische corrosie
• Potentiaalverschil
• Electroliet
• Contact
• Electroliet wegnemen (droge omgeving, binnenmilieu)
• Potentiaalverschil reduceren: Bijv. Roestvaststaal
(buitenmilieu)
• Contact wegnemen: Isoleren met kunststof (agressief milieu)
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
25
Voorbeelden
hybride constructies
26
Prof.dr.ir.
Johan
Maljaars
Hybride
constructies
Stalen bouten in aluminium constructies
• Aluminium bouten slechts bij uitzondering
• Binnen: gegalvaniseerde stalen bouten
• Buiten: roestvaststalen bouten
• Offshore: rvs met kunststof hulzen en ringen
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
27
Stalen bouten in aluminium constructies
• Aluminium bouten slechts bij uitzondering
• Binnen: gegalvaniseerde stalen bouten
• Buiten: roestvaststalen bouten
• Offshore: rvs met kunststof hulzen en ringen
• Helicoils
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
28
Explosielassen staal-aluminium
• Door de druk smelt een zeer kleine laag (0,1 mm) zeer
kortdurend
• Deze laag verbindt beide materialen in een zogenaamde
overgangslaag
• Drukgolf blaast ook oxiden weg
• Galvanische corrosie? Overgangslaag van zuiver aluminium
• Las is zo sterk als de zwakste schakel
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
29
Renovatie Maarssensebrug: breder
fietspad
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
30
Gebruik van extrusies
• Minimum aantal extrusiemallen:
• Liggers (2x)
• Dekprofiel
• Alternatieven voor het dekprofiel
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
31
Verbindingen
• Geen contact tussen aluminium en staal
• Roestvast staal / teflon ringen
• Rekening houden met verschil in thermische uitzetting
• αth,alu = 2 x αth,steel
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
32
Uitvoeringsfase
•
•
•
•
Massa 16 m x 4,5 m deck sections: 4875 kg
Plaatsing via een kraan op de oever
Montage veel sneller dan het smallere prefab betonnen dek
Economisch ontwerp door eenvoudige montage en lage
onderhoudskosten
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
33
Renovatie Haringvlietbrug: alu dek op
stalen liggers
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
34
Aspecten van de constructieve
berekening
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
35
Een staalconstructeur kan een
aluminium constructie doorrekenen
Dat komt door:
• Materiaalgedrag niet wezenlijk anders
• Verbindingstechnieken niet wezenlijk anders
• Toetsingregels in normen zijn voor een groot deel
vergelijkbaar
Verschillen:
• Vorm spanning-rekdiagram
• Teruggang sterkte wartmebeïnvloede zone
• Lagere stijfheid
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
36
Spannings-rekdiagram staal en
aluminium
Spanning [N/mm2]
Bron: Talat
rek
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
37
Spanning [N/mm2]
EN 1999: Classificatie aluminium
legeringen
Rek [-]
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
38
Treksterkte
EN 1999: Warmtebeïnvloede zone
Afstand tot de las [mm]
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
39
Vermoeiing
40
Prof.dr.ir.
Johan
Maljaars
Hybride
constructies
Vermoeiing – wanneer?
• Bij wisselende belasting
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
41
Wat is vermoeiing?
• Ontstaan en groeien van scheuren t.g.v. herhaalde
(wisselende) belasting
• Vermoeiingsscheur ontstaat bij spanningspiek, bijvoorbeeld bij
een lasteen
• De scheur groeit tot bezwijken
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
42
Vermoeiingsweerstand: S-N curves
• Geeft aantal wisselingen tot bezwijken als functie van
spanningsinterval
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
43
Vermoeiingsweerstand: S-N curves
Log ∆σ
• Geeft aantal wisselingen tot bezwijken als functie van
spanningsrange
• Bij grote aantallen wisselingen (relevant voor de praktijk)
Log N
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
44
Vergelijking S-N curves staal en
aluminium gelast detail
• Ontwerpwaarden vermoeiingssterkte bij 2x106
wisselingen
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
45
Vermoeiing: voorkomen van problemen
• Voorkom scherpe geometrische overgangen (lassen,
afrondingsstralen)
• Plaats scherpe overgangen in gebied met lage nominale
spanning
• Dikkere platen
lagere spanningen
• Maak gebruik van extrusie
dekplaat
dwarsdrager
trogstuiklas
trog
hoofdligger
dwarsdrager
kruising dwarsdragerlijf-trogbeen
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
46
Aluminium:
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
ontwerpen op vermoeiing
47
Brandwerendheid
48
Prof.dr.ir.
Johan
Maljaars
Hybride
constructies
Eigenschappen hoge temperaturen
• Smelttemperatuur staal: 1200 ºC
• Smelttemperatuur aluminium legeringen: 580 – 630 ºC
Laag!
• Afname sterkte & stijfheid voordat deze temperaturen zijn
behaald
• Aluminium iets snellere opwarming dan staal
• Thermische uitzetting!!
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
49
Hoge temp. – teruggang sterkte EN 1999
Relative value of 0,2% proof stress k0,2,θ of aluminium alloys
1.2
5052-O
5052-H34
1.0
k0.2,θ
5083-O
0.8
5083-H113
0.6
5454-O
5454-H32
0.4
6061-T6
0.2
6063-T6
0.0
6082-T6
0
100
200
300
400
Temperature [ºC]
Temperatuur
[ºC]
500
600
geldig tot 2 uur blootstelling
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
50
Brand – teruggang sterkte
1.20
k0.2,θ [-]
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
0
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
500
1000
o
T [ C] [ºC]
Temperatuur
1500
51
Brand – teruggang Elasticiteitsmodulus
1.20
kE,θ [-]
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
0
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
500
1000
o
T
[
C] [ºC]
Temperatuur
1500
52
Brand – mogelijkheden brandontwerp
Fire model Generalised Natural fire
fire curves
Field
safety concept models
Model of the
structure
components
t = f(x1,x2,…)
t = f(x1,x2,…)
Parts of the
structure
Entire
structure
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
53
Samenvatting
• Hybride constructies: optimaal gebruik maken van de sterke
punten van verschillende materialen
• Sterkte & stijfheid van staal
• Gewicht & vrijheid in vormgeving van aluminium
• Aandachtspunten hybride constructies
• Galvanische corrosie
• Verschil thermische uitzetting
• Stijfheid
• Vermoeiingsweerstand
• Een staalconstructeur kan aluminium constructies berekenen
• Uitdaging is het ontwerp!
Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Hybride constructies
54
Vragen?
− e: [email protected]
− t: +31 (0) 88 8663464