Nosné konstrukce III 1

Hliníkové konstrukce� Hliník - mladý kov, průmyslově je vyráběn od devadesátých let

19. století. � Největší rozmach vděčí především leteckému průmyslu. � 1935-1938 konstrukce portálů obchodních domů v Praze a v

Brně, dále na střešní krytiny a vnitřní zařízení budov� Nízká objemová hmotnost - velká rozpětí, náklady na dopravu,

těžko přístupné oblasti, pohyblivé konstrukce

� Malý pokles mechanických vlastností při nízké teplotě� Nemagnetičnost, netvoření jisker, dobrá tepelná a elektrická

vodivost, odrazivost tepla� Dobré korozní vlastnosti - možno použít i v přirozené barvě� Technologické vlastnosti - dobrá obrobitelnost, výroba složitých

tvarů

Nosné konstrukce III 2

HliníkHliník je po kyslíku a křemíku nejrozšířenější prvek ve

svrchní části zemské kůry.Výroba - bauxit (hydroxid hlinitý) - chemicky - kysličník hlinitý

- tavná elektrolýza - kovový hliník Cena vysoká díky spotřebě cca 20 kW/kg hliníku

Hutnický hliník 99,5-99,7% má dobrou odolnost proti korozi, světelnou i tepelnou odrazivost, výbornou tvarovatelnost a svařitelnost, naopak nízkou pevnost, horší třískovou obrobitelnost a špatně se odlévá. Z těchto důvodů je jeho použití ve stavebnictví omezeno na málo namáhané obklady, klempířské výrobky apod.

Nosné konstrukce III 3

Porovnání vlastností� Přes určitou podobnost s ocelí nelze jen přejímat typy - nejvýhodnější

prostorové soustavy s ohledem na nízký modul pružnosti a využívat spolubůsobení plošných prvků pláště a krytiny.

� Citlivější na stabilitní jevy.

Fyzikální vlastnosti Al 99,5 % Fe

měrná hmotnost při 200C 2,70 7,86

koef.délkové roztažnosti 24.10-6 12.10-6

bod tání 658 1535

Poissonovo číslo 0,33 0,30

atomové číslo 13 26

atomová váha 26,97 53,847

mocenství 3 2, 3, 6

Hliníkové slitiny - zpracování litím a tvářením- tváření nad rekrystalizční teplotou- tváření pod rekrystalizační teplotou -

zpevňování - stav měkký, polotvrdý, tvrdý

Nosné konstrukce III 4

Klasifikace podle zpracování

Nosné konstrukce III 5

Průtlačné lisování

� Průtlační lisování a) tyče, b) trubky1 - předehřáty předvalek; 2 - válec recipientu; 3 - tlakový píst; 4 - matrice ;5 - upínač; 6 - držák matrice; 7 - výlisek; 8 - trn

Nosné konstrukce III 6

Profily ohýbané z plechu zastudena

Nosné konstrukce III 7

Lisované profily

Nosné konstrukce III 8

Plechové výlisky

Nosné konstrukce III 9

Vlastnosti lehkých slitinVlastnosti slitin podle složení, zpracování popř. tloušťky polotovaru.Zkouška tahem - pracovní diagram zakřivený - modul pružnosti smluvněE = 70 000 MPa, třetina proti oceli.Na diagramu není mez kluzu, pro potřeby výpočtů tzv. smluvní mez

průtažnosti f0 jako napětí, trvalá složka deformace dosáhne 0,2 %.Mez pevnosti materiálu - maximální dosažené síla ku původní průřezové

ploše. fu/f0 od 1,2 do 3,2. To je nutno zohlednit při stanovenívýpočtových pevností při návrhu konstrukce.

Tažnost, kontrakce, tvrdost podle Brinella nebo Vickerse, vrubováhouževnatost.

Při dlouhodobém zatížení hliníkových slitin nad mez pružnosti tečenímateriálu, které může nepříznivě ovlivnit únosnost.

Vliv teploty na mechanické vlastnosti - při vyšší teplotě klesá mez kluzu,modul pružnosti, při teplotě pevnost 2500C na polovinu, při klesajícíteplotě hliník nekřehne. Strukturální změny u slitin vytvrzených atvářených.

Technologické vlastnosti slévatelnost, tvárnost, svařitelnost a další.

Nosné konstrukce III 10

Konstrukční slitiny hliníkuOznačování hliníku a jeho slitin pro tváření podle ČSN EN 573-1 až 3např. EN AW- 5052[AlMg2,5]- řada 1000 Al minimálně 99,99%- řada 2000 slitina AlCu- řada 3000 slitina AlMn- řada 4000 slitina AlSi- řada 5000 slitina AlMg- řada 6000 slitina AlMgSi- řada 7000 slitina AlZn- řada 8000 slitina Al s různými prvky

Označování hliníku a jeho slitin na odlitky podle ČSN EN 1706např. EN AC- 21000[AlCu4MgTi]

Nosné konstrukce III 11

Pracovní diagram

Porovnání pracovního diagramu hliníkové slitiny a konstrukční oceli.

Nosné konstrukce III 12

Hodnoty mechanických vlastnostíHodnoty mechanických vlastností hliníkových slitin jsou např. ve vztahu k

běžné konstrukční oceli ve velmi širokém intervalu od zlomku (1/10) až po více než dvojnásobek.

Závisí na následujících údajích:- složení materiálu (slitiny)- druhu polotovaru (plechy, pásy, desky; lisované tyče, trubky, profily; tyče

a trubky tažené zastudena; odlitky)- tloušťce materiálu (obecně s rostoucí tloušťkou pevnost klesá)- zpevnění jednak deformační (tvářením zastudena), tepelné (žíhání,

popouštění, kalení popř. kombinace)Konkrétní údaje v normách – např.:ČSN EN

Nosné konstrukce III 13

Výroba konstrukcí

� Tepelné zpracování

� na zotavení� na měkko� homogenizační žíhání� vytvrzování

Nosné konstrukce III 14

Obloukové svařování

Princip obloukového svařování a) wolframovou b) tavící se elektrodou:1 - wolframová elektroda, 2 - argónová hubice, 3 - argónová atmosféra, 4 - přídavný materiál, 5 - oblouk, 6 - tavící se elektroda, 7 - podávací kladky, 8 - vedení proudu

Nosné konstrukce III 15

Nýtové spoje

Jednostranné nýty a) Chobertův, b) Popův, c) výbušný nýt

Nosné konstrukce III 16

Šroubové spoje

Šroubový spoj, kde se kombinuje ocel a hliníková slitina a) koroze v místě nechráněného styku ocelového šroubu s povrchem hliníku, b) podložení hlavy kadmiovaného šroubu izolační podložkou, c) spoj hliníkového a ocelového plechu ocelovým šroubem - systém podložek a vložek, oddělujících oba materiály

Nosné konstrukce III 17

Povrchová ochrana

Schéma vany pro anodickou oxidaci 1 - teploměr, 2 katody, 3 - oxidované předměty, zavěšené na anodě, 4 - zahřívací a chladící tělesa

Nosné konstrukce III 18

Navrhování konstrukcí

ČSN EN 1999 (73 1501) Eurokód 9: Navrhováníhliníkových konstrukcí

– Část 1-1: Obecná pravidla pro konstrukce– Část 1-2: Navrhování konstrukcí na účinky požáru– Část 1-3: Konstrukce náchylné na únavu– Část 1-4: Za studena tvarované plošné profily– Část 1-5: Skořepinové konstrukce

Nosné konstrukce III 19

Výpočtové charakteristikyPři návrhu konstrukcí se doporučuje používat tyto hodnoty fyzikálních

charakteristik hliníkových slitin:modul pružnosti v tahu . . . . . . . . . . . . . . E = 70 000 MPamodul pružnosti ve smyku . . . . . . . . . . . . . . G = 27 000 MPasoučinitel příčné deformace . . . . . . . . . . . . . . ν = 0,3součinitel délkové tepelné roztažnosti . . . . . . . . . . . . . . α = 0,000 023objemová hustota . . . . . . . . . . . . . . ρ = 2 700 kg/m3.Návrhová hodnota pevnosti tvářeného hliníku je dána podílem

charakteristické hodnoty a součinitele spolehlivosti materiálu

Návrhová hodnota pevnosti ve smyku je redukovánaVýpočtová pevnost základního materiálu se v oblasti ovlivněné teplem při

svařování nebo pálení násobí součinitelem ρ0,haz a ρu,haz

Únosnost průřezu kterékoliv třídy γm1 1,10

Únosnost prvků při posuzování stability prutů

Únosnost průřezů při porušení oslabeného průřezu v tahu γm2 1,25

Únosnost spojů podle typu spoje

Nosné konstrukce III 20

Mezní stavyPosouzení únosnosti

Při posouzení únosnosti se nejčastěji prokazuje u běžných prvků prostá pevnost, stabilita a pevnost spojů. Způsob posouzení je podobný jako u ocelových konstrukcí, podobné jsou i třídy průřezů.

Posouzení použitelnosti

Mezní hodnoty průhybů, deformaci a parametrů kmitání se stanoví podle požadavků normálního používání. Při výpočtu se předpokládají pružné deformace bez uvažování oslabení otvory pro nýty a šrouby. Mezní hodnoty průhybů se dovoluje zvětšit o velikosti nadvýšení. V běžných případech se porovnávají hodnoty průhybů, vyvolaných účinky charakteristických hodnot zatížení, s mezními hodnotami požadovanými podle norem.

Nosné konstrukce III 21

Konstrukční požadavky IS ohledem na výrobu, montáž, vliv koroze a další okolnosti

doporučeny minimální tloušťky stěn prvků konstrukcí nosných i oplášťujících:

nosné konstrukce nýtované . . . . . . . . . . . . . . tmin = 2,0 mm,nosné konstrukce svařované . . . . . . . . . . . . . . tmin = 3,0 mm,tenkostěnné konstrukce . . . . . . . . . . . . . . tmin = 0,8 mm,pláště sendvičových konstrukcí . . . . . . . . . . . . . . tmin = 0,3 mm.Dilatační spáry - vyšší koeficient tepelné roztažnosti, dvojnásobný

proti oceli - větší šířka dilatačních spár, vzhledem k třetinovému modulu pružnosti -silové účinky nižší.

Tvářené slitiny - nízká kritická teplota ohřevu (160 - 2500C) -zvláštní pozornost požární ochraně - nechráněná konstrukce odolnost 3 - 6 minut.

Nosné konstrukce III 22

Konstrukční požadavky IIPři návrhu plnostěnného ohýbaného profilu pro rozměry následující doporučení:a) výška nosníku h = 1/11 - 1/13 rozpětí,b) tloušťka stěny tst = 1/70 - 1/100 h,c) šířka volné části pásnice b1 = tp . 82/Rd, kde tp je tloušťka pásnice,d) při štíhlosti stěny

lze navrhnout stěnu bez výztuh, jsou však nutné pod osamělými břemeny.Příhradové nosníky se volí s hustým systémem diagonál tak, aby byly vzpěrné

délky tlačených prutů co nejmenší, výhodné jsou násobné soustavy. Nadvýšení se navrhuje u nosníků na rozpětí větší než 15 m.

U tlačených prvků konstrukcí se doporučují mezní štíhlosti podle tabulky. Maximální štíhlost tažených prvků má být 300, pokud se nepočítá s přídatnými účinky vlastní tíhy prutu.

Nosné konstrukce III 23

Složené plnostěnné nosníky

Nosné konstrukce III 24

Příklady příhradových nosníků

Nosné konstrukce III 25

Doporučení mezní štíhlosti

Konstrukční prvek Maximální štíhost

Pasy, koncové příčky a svislice příhradových nosníků, přenášející podporové reakce, sloupy

100

Ostatní prvky příhradových nosníků a příhradových sloupů 120

Ztužidla, podružné pruty sloužící pro zmenšení vzpěrné délky tlačených prutů a ostatní přímo nezatížené prvky

150

Prvky konstrukcí opláštění zatížené symetricky 100

Tytéž zatížené nesymetricky (například krajní a rohové sloupky), prosklení stěn

70

Maximální štíhlosti tlačených prutů, u jednoose souměrných průřezů se snižuje mezní štíhlost o 30 %

Nosné konstrukce III 26

Typ konstrukce

střešní krytiny -nenosné

- samonosná (profilovaný plech Covervar)

opláštění budov - plošné prvky (samonostné nebo plášť sendvičových panelů)

- tyčové prvky (sloupky, paždíky)

vnitřní doplňkové konstrukce - okna, dveře, portály, výkladce

- dělící stěny, příčky

- podhledy

menší stavby

přemístitelní a demontovatelné kce

- stavebnicové domky, příštřešky, čekárny

- zařízení staveniště

zastřešení velkých rozpětí - hangáry, výstavní pavilony (snížení vlastní tíhy)

stožáry a věže - v těžko dostupných oblastech (nižší nároky na údržbu)

zdvihací a dopravní zařízen - snížení spotřeby energie pro provoz

- zvýšení únosnosti (jeřábové výložníky, dopravníky)

mosty - rekonstrukce (zvýšení nosnosti snížením vlastní tíhy)

- snížení spotřeby energie sklápěcích mostů

- velká rozpětí

- těžko dostupná místa

- spřažené hliníkobetonové mosty

zvláštní použití - bazény, vodojemy, nádrže, sila (nepropustnost, korozní odolnost)

Nosné konstrukce III 27

Rozdělení hliníkových konstrukcí

Nosné konstrukce III 28

Profilované plechové konstrukce

Schéma lehkých hal z hliníkového plechu lomenicové konstrukce rozpětí 12 - 24 m (býv. SSSR)

Nosné konstrukce III 29

Profilované plechové konstrukce

Schémata zastřešení pomocí prvků "Para" a uložení elementů na sloupy (Německo)

Nosné konstrukce III 30

Profilované plechové konstrukce

Kupole "Kaiser" (USA) a) jeden panel, b) skladba šesti panelů, c) skladba šestnácti panelů

Nosné konstrukce III 31

Konstrukce z rovného plechu

Příklady membránových zastřešení

Nosné konstrukce III 32

Konstrukce kostrové (skelety)

Schéma konstrukce skleníku a detaily uložení vazníku na sloupy (býv. SSSR)

Nosné konstrukce III 33

Konstrukce kostrové (skelety)

Přístavní sklad v Antverpách

Nosné konstrukce III 34

Konstrukce kostrové (skelety)

Průmyslový veletržní palác v Budapešti

Nosné konstrukce III 35

Konstrukce kostrové (skelety)

Příhradová deska koncertního sálu v Soči (býv. SSSR)

Nosné konstrukce III 36

Konstrukce kostrové (skelety)

Řez pavilonem SSSR na Expo 1958

Nosné konstrukce III 37

Opláštěné skelety

a) sekce střechy (býv. SSSR), b) způsob předpínání krytiny

Nosné konstrukce III 38

Opláštěné skelety

Panelo - kostrové konstrukce plnostěnné a) most na rozpětí 29,6 m (USA), b) lávka pro pěší v Leningradě, c) lávka pro pěší (Německo)

Nosné konstrukce III 39

Opláštěné skelety

Panelo - kostrové příhradové konstrukce a) střešní vazník na rozpětí 12 m (býv. SSSR), b) řez vazníkem c) střešní panel vyztužený prostorovou příhradovinou

Nosné konstrukce III 40

Příklady konstrukcí

Dům z hliníku, Toyo Ito & Associates, Tokio Japonskovlastní hmotnost-hliník 55 kg/m3, želbet. 1 050 kg/m3

Nosné konstrukce III 41

Příklady konstrukcí

sídlo firmy MABEG , Nicolas Grimshaw, Soest, Německoopláštění

Nosné konstrukce III 42

Příklady konstrukcí

nákupní středisko – Le Paquebot, Claude Vasconi, Sant Nazaire, Francie – opláštění, střecha, okna

Nosné konstrukce III 43

Příklady konstrukcí

budova televize, TEN Arquitectos, Mexico City, Mexiko – opláštění, střecha

Nosné konstrukce III 44

Příklady konstrukcí

kongresové centrum, Claude Vasconi, Reims, Francieopláštění, zastřešení

Nosné konstrukce III 45

Příklady konstrukcí

přestavba továrny Borsig, Claude Vasconi, Berlín, Německo – opláštění, zastřešení

Nosné konstrukce III 46

Příklady konstrukcí

kongresové a výstavní centrum, SOM, Wong & Ouyang, Hongkong, Čína – zastřešení, výplně otvorů

Nosné konstrukce III 47

Příklady konstrukcí

dopravní uzel, Foster & Partners, GreenwichVelká Britanie - zastřešení

Nosné konstrukce III 48

Příklady konstrukcí

konferenční a výstavní centrum, Foster & Partners,Glasgow, Velká Britanie – zastřešení, výplně otvorů