Aluminiumkonstruksjoner 8200259684 [PDF]

Zitiervorschau

Esben J. Thrane

Aluminium­

konstruksjoner

Utgitt i samarbeid med Skanaluminium

. JesjonaIbibhoteket Depotbiblioteket

Universitetsforlaget

© Yrkesopplæringsrådet for håndverk og industri/

Universitetsforlaget 1978 ISBN 82-00-25968-4

Etter lov om opphavsrett til åndsverk av 12. mai 1961 er det forbudt å mangfoldiggjøre innholdet i denne bok, helt eller delvis, uten tillatelse fra forlaget. Forbudet gjelder enhver form for mangfoldiggjøring ved trykking, kopiering, stensilering, båndinnspilling o.l.

Omslag: Jan Engebretsen Trykk: Berlings, Lund 1978

Forord Aluminiumkonstruksjoner er skrevet med sikte på å veilede ingeniører og å være en lærebok på et nivå som tilsvarer ingeniør­ høgskolene. Boka er skrevet i overensstemmelse med Norsk Standard NS 3471 “Aluminiumkonstruksjoner” og gir regler for hvordan NS 3471 kan anvendes. Utgivelsen er et resultat av et samarbeid mellom Skanaluminium og Universitetsforlaget. Forfatteren har ikke ansvaret for rettskrivingen som er holdt innenfor rammen av gjeldende læreboknormal.

Oslo, januar 1978

Esben Thrane

Innhold

1

Egenskaper og konstruksjonsforhold 1.1

1.2

1.3

2

Konkurransedyktighet for aluminium­ konstruksjoner Egenskaper og konstruksjonsregler 1.2.1 Generelt 1.2.2 Densitet og styrke 1.2.3 Elastisitetsmodul 1.2.4 Temperaturfølsomhet 1.2.5 Utmattingsfasthet 1.2.6 Forholdet strekkfasthet—flytegrense og duktilitet 1.2.7 Lengdeutvidelseskoeffisienten 1.2.8 Dempingsevne ved svingninger 1.2.9 Korrosjonsmotstandsevne 1.2.10 Pressbarhet og formbarhet 1.2.11 Andre egenskaper 1.2.12 Konstruksjonsregler Aluminiumkonstruksjoner. Eksempler 1.3.1 Generelt 1.3.2 Helikopterdekk og dekkshus til flytende oljeboreplattformer [6] 1.3.3 Flyfraktcontainere [7] 1.3.4 Togsett [8] 1.3.5 Transportbro [8b]

9

9 10 10 10 11 14 15 16 16 18 18 19 19 19 20 20 21 22 23 26

Aluminiumkonstruksjoner i faglig sammenheng 27 2.1 2.2

2.3

Sammenhengen mellom fagene Norske standarder, regler og forskrifter vedrørende aluminiumkonstruksjoner 28 2.2.1 Generelt 2.2.2 NS 3052 Beregning av belastninger [9] 2.2.3 Aluminiumlegeringer og standarder 2.2.4 NS 3471. Aluminiumkonstruksjoner. Beregning og dimensjonering 2.2.5 NS 473. Fugeformer for aluminium 2.2.6 NS 474 Sveising. Regler for god­ kjenning av aluminiumsveisere 2.2.7 Det norske Veritas. Regler for bygging og klassifikasjon av stålskip [15] 30 2.2.8 Det norske Veritas. “Tentative regler for bygging og klassifikasjon av lette fartøyer med lengde under 90 m, bygd av stål- eller aluminium­ legeringer” [16] 30 2.2.9 Byggeforskriftene av 1. august 1969 [17] 2.2.10 Bestemmelser av betydning for oljesektoren 'offshore) 30 Utenlandske standarder og regler av betydning 30 2.3.1 Sverige 2.3.2 DIN 4113 Aluminiumkonstruktionen unter vorwiegend ruhender Belastung [20] 31

27

28 28 29 29 29 30

30

31

5

2.3.3 2.3.4

2.3.5 2.3.6

3

3.3 3.4 3.5 3.6

4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

4.10

6

Grensetilstander Last og lastkoeffisienter ■3.2.1 Lastkoeffisienter 3.2.2 Lasttyper og definisjoner Materiale og materialkoeffisienter Dimensjoneringsmetodikk Eksempler Elastiske og plastiske beregninger 3.6.1 Generelt

Materialer og materialvalg 4.1 4.2 4.3

5

31

5.7

31 31 31

5.8

Belastninger, påkjenninger, sikkerhet 32 3.1 3.2

4

BS:CP 118:1969 The structural use of aluminium [21] The Aluminum Associations publikasjoner ALCOAs publikasjoner ALCANs strength of aluminum

Generelt Legeringsbestanddeler Ikke-herdbare legeringer. Typer og egenskaper Herdbare legeringer. Typer og egenskaper Støpelegeringer. Typer og egenskaper Oversikt over egenskaper vedstandardiserte legeringer Standardnummerering Leveringstilstander 50 Ekstrudering av profiler 4.9.1 Metodikken 4.9.2 Utforming av profiltverrsnitt 4.9.3 Legeringer for ekstrudering 4.9.4 Omkostninger ved ekstruderte profiler Andre profilformingsmetoder

Forbindelser og forbindelsesmidler 5.1 Generelt 5.2 Nagleforbindelser 5.2.1 Nagletyper 5.2.2 Beregning av nagleforbindelser 5.3 Skrueforbindelser 5.3.1 Skruetyper 5.3.2 Beregning av skrueforbindelser 5.4 Sveiste forbindelser 5.4.1 Sveisemetoder 5.4.2 Beregning av sveiste forbindelser 5.4.3 Beregninger av sveiser med varmepåvirket, svekket grunnmateriale 5.4.4 Tilsatsmaterialer for sveising 5.5 Eksempler til kap. 5.2—5.4 5.6 Limte forbindelser 5.6.1 Fordeler og ulemper ved liming 5.6.2 Limtyper 5.6.3 Påkjenningstyper og konstruktiv utforming

32 35 35 36 37 38 39 41 41

6

44 44

6.7

7

8

Dimensjonering på strekkaksialkraft Dimensjonering på trykkaksialkraft Dimensjonering på moment Dimensjonering på tverrkraft Dimensjonering på kombinerte belastninger Dimensjonering for varmepåvirket grunnmateriale Dimensjonering med hensyn til siging

Generelt om stabilitetsproblemer 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

45 45 46 49 49

Dimensjonering av konstruksjoner uten knekkingsproblemer 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

44

5.6.4 Beregning av limte forbindelser Loddede forbindelser 5.7.1 Generelt 5.7.2 Loddemetoder Tynn plateforbindelser 5.8.1 Bruddtyper 5.8.2 Skrueforbindelser 5.8.3 Nagleforbindelser 5.8.4 Punktsveising

Deformasjonsmulighetene Bøyningsknekking og torsjonsknekking Knekking i rommet. Vipping Knekking av plane plater Knekking av krumme plater

Knekking av staver

82 85 85 85 85 85 87 89 90

92 92 92 93 94 96 97 100

102 102 102 102 104 105 106

Den matematiske formulering 106 8.1.1 Sentrisk belastet stav uten forhåndskrumning 106 8.1.2 Sentrisk belastet stav med forhåndskrumning 109 8.1.3 Eksentrisk belastete staver 110 8.2 Bøyningsknekking ved sentrisk trykk 111 8.3 Bøyningsknekking ved aksialkraft og moment om den svake akse 114 8.4 Bøyningsknekking ved aksialkraft og moment om den sterke akse og med styrt knekking om den sterke akse 118 8.5 Bøyningsknekking ved aksialkraft og moment om den sterke akse ved knekking som ikke blir styrt 119 8.6 Bøyningsknekking ved aksialkraft og moment om begge akser ved knekking som ikke blir styrt 122 8.7 Torsjonsknekking 123 8.8 Knekking av sammensatte staver 126 8.9 Knekklengder og slankheter 126 8.10 Knekking ved varmepåvirkede konstruksjoner 129 8.10.1 Sentrisk trykk 129 8.10.2 Trykk og bøyning 130 8.1

50 50 51 52 52 55

56 56 56 56 58 62 62 63 65 65 69

72 73 74 78 78 79 82

9

Vipping av bjelker eller søyler

132

Generelt Forenklet beregning av vipping

132 136

9.1 9.2

9.3 9.4

10

11

12

Normal beregning av vipping Vipping med hvelving

138 140

Knekking av plater

142

10.1 Generelt 10.2 Kritisk spenning for plater 10.2.1 Plate med ren trykk-aksialbelastning 10.2.2 Plate med ren skjærbelastning 10.2.3 Plate belastet med konsentrerte enkeltlaster 10.3 Plateknekking etter NS 3471 10.4 Avstiving av platefelt 10.5 Gjennomslag av krumme plater

142 142 143 146

Konstruksjoner med utmattingspåkjenning

13 147 147 149 151

155

11.1 Generelt 11.2 Lastvekslingstallet N og spennings­ forholdet p 11.3 Kjervtallet K 11.4 Dimensjonering etter NS 3471 11.4.1 Belastning 11.4.2 Brudd i grunnmaterialet 11.4.3 Gyldigheten av utmattingskurvene 11.4.4 Avskjæringsforbindelser 11.4.5 Friksjonsforbindelser 11.4.6 Sveiste forbindelser 11.4.7 Limte forbindelser 11.5 Spenningskollektiver 11.6 Delskadeteori 11.7 Dimensjonering med hensyn til spenningsvariasjonsbredde (stress range) 11.8 Fail-safe og safe-life. Bruddfilosofi

155

Korrosjonsbeskyttelse

171

I2.l Legeringenes korrosjonsmotstand 12.2 Beskyttelsesmetoder 12.2.1 Beskyttelse med organisk belegg

171 172 172

157 159 160 160 161 162 162 163 163 163 163 166 168 168

12.2.2 Anodisering 12.2.3 Katodisk beskyttelse 12.3 Økonomi ved beskyttelse 12.4 Konstruktiv korrosjonsbeskyttelse 12.4.1 Generelle krav til konstruksjonsutforming 12.4.2 Gjensidig isolering av ulike metaller

174 174 174 175

Kontroll

177

13.1 Kontrollens oppgave 13.2 Kontrollmetoder 13.2.1 Visuell kontroll 13.2.2 Radiografi 13.2.3 Ultralyd 13.2.4 Inntrengingsvæsker 13.2.5 Måling av sprekkdybde 13.2.6 Tetthetsprøving 13.2.7 Belastningsprøve 13.3 Feil i sveiste forbindelser 13.3.1 Porer 13.3.2 Oksydinneslutninger 13.3.3 Kantsår 13.3.4 Sprekker 13.3.5 Rotfeil 13.3.6 Bindefeil 13.4 Betydningen av sveisefeil 13.4.1 Statisk belastning 13.4.2 Dynamisk belastning 13.5 Kontrollbestemmelser i NS 3471 13.5.1 Materialkvalitet — aluminium 13.5.2 Omfang av sveisekontroll 13.5.3 Prosedyreprøve 13.5.4 Korrosjonsbeskyttelse - aluminium 13.5.5 Tilstandskontroll

177 177 177 178 178 179 179 179 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 181 181 181 181 182 182 182

Symbolliste Litteratur Stikkord

175 175

183 185 187

1 Egenskaper og konstruk-

sjonsforhold

1.1

Konkurransedyktighet for aluminiumkonstruksjoner

Som konkurransedyktig industriprodukt må aluminiumkonstruksjoner gi kjøperen eller brukeren fordeler som tilsvarende produkter fremstilt av andre materialer ikke har. Indu­ striprodukter bedømmes hovedsakelig etter forholdet mellom pris og nytteeffekt eller bruksverdi. I mindre grad kommer forhold som godt utseende, moteriktighet etc. inn. For å konstruere et produkt med høy nyt­ teeffekt eller bruksverdi, må man kjenne markedsbehovet. Dette må så vurderes mot aluminiums spesielle egenskaper for å gi et konkurransedyktig produkt. En markedsforsker for aluminiumprodukter må derfor “kunne” aluminium. Aluminium som industrielt fremstilt massemetall er omtrent like gammelt som armert betong. Det har delvis fortrengt det “gamle” materialet stål. Aluminium har muliggjort produkter som var utenkelige i andre mate­ rialer. Da disse produktene relativt sett er nye, blir aluminium oppfattet som et nytt eller “ungt” materiale. For et stort antall produkter spiller for­ holdet mellom pris, styrke og vekt hoved­ rollen. I forhold til sine viktigste materialkonkurrenter, stål og plast, er aluminium sterkt, lett og dyrt; stål er sterkt, tungt og billig, og plast er svakt, lett og billig. I en liste over fordelene ved aluminium, må disse nødvendigvis bli relative, sett i for­ hold til konkurransematerialene, særlig stål. Aluminium brukt i konstruksjoner og industriprodukter kan gi følgende mulighe­ ter, fordeler og ulemper:

Fordeler: Høy styrke (avhengig av legering og til­ stand ) Lav vekt (i forhold til stål) Fritt for sprøbruddproblemer Høy korrosjonsmotstandevne (med rik­ tig legering og i forhold til stål) Stor dimensjonsnøyaktighet

9

Pent utseende (avhengig av overflate­ behandling og smak) — Pressbart, knabart (avhengig av lege­ ring og temperatur) — Høy elektrisk ledeevne — Høy varmeledeevne — Umagnetisk

Disse tar utgangspunkt i de materialegenskaper som er belyst i avsnittene 1.2.2 til 1.2.11. Aluminium og stål er begge metalliske materialer. Mange konstruksjonsregler må derfor bli like. 1.2.2

Ulemper: — Lav elastisitetsmodul (i forhold til styr­ ken og i forhold til stål) — Temperaturfølsomhet (brann, sveisevarme) Relativt høy materialpris pr. kg (i for­ hold til stål) — Lav utmattingsfasthet

Mindre ulemper: — Materialet må hentes fra andre steder (pressverk, valseverk, gjelder også stål) — Delvis bundne former — Liten egendemping ved svingninger — Deformasjonsmykhet i forhold til bære­ evne — Lav brudd-deformasjon for høyfaste legeringer — Stor varmeutvidelseskoeffisient

1.2 1.2.1

Egenskaper og konstruksjons­ regler Generelt

Aluminiumkonstruksjoner benyttes ofte i stedet for stålkonstruksjoner. Konstruksjons­ regler har derfor ofte en tendens til bare å sammenligne med stål. En slik sammenlig­ ning er berettiget hvis det bare er stål eller aluminium å velge imellom, og særlig beret­ tiget er den hvis det er en stålkonstruktør som skal bli aluminiumkonstruktør. For den som skal lære å konstruere, er det viktigere å forstå hva aluminium er enn å vite hvordan det skiller seg fra stål. Kap. 1.2 vil forsøke å forklare hva alumi­ nium er som konstruksjonsmateriale, og del­ vis sammenligne det med stål. Kapitlet sam­ menfatter også en del konstruksjonsregler.

10

Densitet og styrke

Aluminium kombinerer relativt høg fasthet (styrke) med lav egenvekt (densitet). Fast­ heten er avhengig av både legering og leveringstilstand. Den er derfor ikke en typisk verdi. Se tabell 1.1. Til sammenligning vil vanlig stål, St. 37, ha en flytegrense (