Aluminiumkonstruksjoner : innføring i material- og konstruksjonslære [PDF]

Zitiervorschau

BYGGFORSK Norges byggforskningsinstitutt

Tarald Rørvik

Aluminiumkonstruksjoner Innføring i material- og konstruksjonslære

Håndbok 46, 1997

Håndbok 46 Tarald Rørvik Aluminiumkonstruksjoner Innføring i material- og konstruksjonslære

ISSN 0048-0517 ISBN 82 - 536 - 0587 -0

Utarbeidet med støtte fra Det faglitterære fond. Utgivelsen er delfinansiert av Skanaluminium Stensberggaten 27 Telefon: 22 96 10 80 Telefaks: 22 96 10 85

Redaksjon og sats: Solveig Øyri Ombrekning: Per Frøysa/Norges byggforskningsinstitutt Omslag og tegninger: Tegnekontoret ved Norges byggforskningsinstitutt

Opplag: 1 500 Østfold Trykkeri AS Papir, innmat: 100 g matt G-print Papir, omslag: 280 g Chromocard

© Norges byggforskningsinstitutt 1997

Adresse: Forskningsveien 3 B Postboks 123 Blindern 0314 OSLO Telefon: 22 96 55 00 Telefaks: 22 69 94 38 og 22 96 55 08 (salg)

Innhold Forord 5

B Konstruksjonslære

Enheter 7 Symboler 7

6 Grunnleggende konstruksjonslære 35 6.0 Bakgrunn 35 6.1 Generelt om dimensjonering 35 6.2 Last og lastvirkning 36 6.3 Dimensjonerende kapasitet 39

A

Materiallære

1 Aluminiumsmaterialet 11 1.0 Generelt 11 1.1 Hva aluminium brukes til 11 1.2 Framstilling av aluminium 12 1.3 Ressurs- og miljøaspekter 13

7 Forskyvninger 40 7.0 Generelt 40 7.1 Krav til maksimale forskyvninger 7.2 Aluminium og stål 40 7.3 Forskyvningsberegning 41

2 Aluminiumskvaliteter 16 2.0 Rein aluminium 16 2.1 Legeringer 16 2.2 Deformasjonsherding 17 2.3 Varmherding 18 2.4 Vanlige konstruksjonskvaliteter

8 Kapasiteter i bruddgrensetilstand 43 8.0 Elastisk og plastisk beregning 43 8.1 Tverrsnittsklasser 45 8.2 Effektiv tverrsnittstykkelse 50 8.3 Aksialkraft 55 8.4 Skjærkraft 57 8.5 Moment 60 8.6 Torsjon 65 8.7 Vipping av bjelker 69 8.8 Knekking av søyler 72 8.9 Aksialkraft og moment 76

19

3 Halvfabrikata og ferdigprodukter 21 3.0 Generelt 21 3.1 Ekstrudering 21 3.2 Valsing 22 3.3 Detaljbearbeiding 23 3.4 Overflatebehandling 23 3.5 Pris på aluminium 23

9 Forbindelser 86 9.0 Generelt 86 9.1 Vanlige skruer 86 9.2 Andre forbindelsesmidler 9.3 Sveiser 94

4 Materialegenskaper 25 4.0 Generelt 25 4.1 Mekaniske egenskaper 25 4.2 Sveisbarhet 27 4.3 Temperaturfølsomhet 27 4.4 Egenspenninger 28 4.5 Korrosjon 28

92

10 Utmatting 106 10.0 Generelt 106 10.1 Utmattingskonstroll 106 10.2 Utmatting av aluminium 109

5 Produktutvikling 30 5.0 Generelt 30 5.1 Produktutviklingsprosessen 30 5.2 Fordeler og begrensninger ved å velge alumi­ nium 31

11 Branndimensjonering 111 11.0 Generelt om brann 111 11.1 Brannforløp 111 11.2 Brannbeskyttelse 111 11.3 Branndimensjonering 112 Fasitliste

117

Litteratur

118

Stikkord 119

3

40

Forord Konstruksjonslæren i boken er basert på de nye beregningsprinsippene som er innført i den europeiske førstandarden for beregning av aluminiumskonstruksjoner (Eurocode 9), datert i ap­ ril 1997: prENV 1999 «Design of Aluminium Structures». Denne består av Part 1 «General rules» med Part 1-1 «Rules for buildings» og Part 1-2 «Structural fire design» og dessuten Part 2 «Struc­ tures susceptibel to fatigue». Leseren må imidlertid være oppmerksom på at de nasjonale standarder for aluminiumskonstruksjoner er gjeldende inntil prENV 1999 blir vedtatt brukt som standard av de nasjonale standardiseringsmyndighetene. Senere tas det sikte på at en endelig versjon av standarden, ENV 1999, skal bli gjeldende for alle land i EU. Denne versjonen kan da inneholde visse endringer i forhold til prENV-utgaven av 1997. Det er likevel grunn til å tro at selve prin­ sippene for beregning av aluminiumskonstruk­ sjoner ikke vil bli vesentlig endret i den endelige utgaven. Til undervisningsformål antas hoved­ innholdet i boken derfor å være av varig verdi. En lærebok kan selvsagt ikke benyttes som referanse på lik linje med en standard. Men lære­ boken kan være et supplement til standarden, og på den måten være til hjelp ved tolkningen av standardens bestemmelser. Leseren må likevel være oppmerksom på at selv om denne læreboken er basert på de prinsippene som benyttes i prENV 1999, så er innholdet likevel preget av forfatterens subjektive tolkning av de ulike bestemmelsene. Forfatter og forlag kan derfor ikke gjøres ansvar­ lige for eventuelle feil eller feiltolkninger i boken. Det er de gjeldende standarders bestemmelser som til enhver tid er bindende for konstruktøren. En annen ting er at en del av sikkerhetskoeffisientene for konstruksjon i alle tilfeller bestemmes av nasjonale myndigheter. Den praktiserende ingeniør må derfor konferere med de såkalte NAD-dokumentene (National Application Document) som gjelder i vedkommende land. I lære­ boken er det benyttet sikkerhetskoeffisienter som er anbefalt i førstandarden. Disse koeffisientene er satt i klammerparentes [ ] for å indikere at det kan være nasjonale verdier som her må benyttes. Bakgrunnsstoffet for den første delen av boken er i vesentlig grad hentet fra Skanaluminiums om­ fattende materiale i forbindelse med TALAT-prosjektet (Training for Aluminium Application Tech­ nology). Boken er skrevet etter initiativ og opprag fra Skanaluminium. Fagkonsulenter har vært pro-

Aluminium er et relativt nytt materiale til bruk i konstruksjoner. De siste årene er det imidlertid skjedd en utvikling i retning av stadig nye bruks­ områder, også på felt der andre materialer tradi­ sjonelt har vært enerådende. Universiteter og høg­ skoler ser nå nødvendigheten av å utvide kompe­ tansen og undervisningen om aluminium som konstruksjonsmateriale. Tilbudet av lærebøker som er tilpasset for undervisning om aluminiumskonstruksjon, har hittil vært begrenset. Litteraturen om aluminium og aluminiumslegeringene er likevel ganske omfattende, spesielt det som omhandler framstilling av aluminiumslegeringer og legeringenes kjemiske og mekaniske egenskaper. Det finnes derimot ikke så mye litte­ ratur om konstruksjonslære. Hensikten med denne boken er først og fremst å dekke behovet for en lærebok i aluminiumskonstruksjon for de nordiske ingeniørhøgskolene. Boken er delt inn i to hoveddeler: «Materiallære» og «Konstruksjonslære». Den vil ha størst interes­ se for studentene på studieretninger for konstruksjonsfag, det vil si for bygningsstudenter og maskinstudenter. De fleste eksemplene i boken er fra byggkonstruksjon, men prinsippene for styrkebe­ regning er bygd på anerkjente metoder i meka­ nikk og statikk, og disse er de samme for de fleste praktiske bruksområder. En del av lærestoffet er nok noe mer avansert enn det en kan forvente å undervise i et fag med aluminiumkonstruksjoner ved en ingeniørskole på mellomnivå. Men det er til en viss grad henvist til forenklinger og tilnærmete metoder for de mest kompliserte kontrollformlene. Det blir i alle fall opp til den ansvarlige faglærer å bestemme hva som skal tas med i faget, ut fra disponibel tid og studentenes basiskunnskaper fra andre fagområ­ der. Også næringslivet har trolig et behov for læ­ rebøker av denne typen. Foruten å omtale det teo­ retiske grunnlaget for konstruksjon, inneholder boken en del beregningseksempler, oppgaver og praktiske detaljløsninger. Det er derfor et håp at boken også kan være til nytte for den praktiseren­ de ingeniør. Læreboken forutsetter at leseren er fortrolig med teorigrunnlaget i mekanikk og sta­ tikk. Derfor er det ikke lagt så stor vekt på statisk analyse av konstruksjoner. Hovedvekten i kon­ struksjonsdelen er lagt på dimensjoneringsprinsipper som er spesifikke for aluminiumskonstruksjoner.

5

fessor Torsten Hoglund, Byggkonstruksjon, KTH, Stockholm og dr. ing. Nils Erik Forsén, Multiconsult A/S, Oslo. Spesielt har professor Hoglund vært til stor hjelp ved utformingen av stoffet og ved fortolkningen av forslaget til EC9. Ved bear­ beidingen av kapitlet om branndimensjonering har forfatteren hatt nytte av kommentarer fra si­ vilingeniør Steinar Lundberg, Hydro Aluminium Maritime A/S, Avaldsnes. Også andre fageksper­ ter har vært konsultert. Jeg vil rette en takk til alle som har bidratt til boken på ulike måter. Gjengivelse av tabeller og figurer fra Eurocode 9 er gjort med tillatelse fra Norges Standardi­ seringsforbund. Leserne henstilles om å gå kritisk igjennom bo­ ken. Alle kommentarer, forslag til forbedringer, eventuelt påpeking av feil, mottas med takk. Jeg håper at boken vil være til nytte for alle som er interessert i å arbeide med aluminiumskonstruksjoner.

Ålesund, mai 1997 Tarald Rørvik, førsteamanuensis

Høgskolen i Ålesund

b. Greske

Enheter

a (alfa) Krefter og belastninger: Masse: Tyngde: Tyngdetetthet: Spenninger, materialfasthet: Momenter:

kN, kN/m, kN/m2

P (beta)

kg kN kN/m3

y (gamma)

MPa (N/mm2) kNm

8 (delta) E (epsilon)

I beregningseksemplene er tallstørrelser som regel satt inn i formlene i enhetene N (Newton) og mm, mens utregnete svar er angitt direkte i enhetene kN og m.

r| (eta)

Symboler

P (ro)

a.

Uxi) X (lambda) p(my) v (ny)

Latinske

o (sigma) t (tau) 0 (phi)

A Tverrsnittsareal; Ulykkeslast a Dimensjon av kilsveis b Bredde C Vippingskonstant; Korreksjonsfaktor D Diameter, Utnyttingsgrad ved utmatting d Diameter; Isolasjonstykkelse E Elastisitetsmodul e Eksentrisitet; Avstand F Kraft; Tverrsnittsareal f Materialfasthet G Permanent last; Skjærmodul g Jevnt fordelt permanent last H Horisontal last h Høyde I Treghetsmoment (for flate) i Treghetsradius; Elementnummer k Knekkingskoeffisient; Korreksjonsfaktor L Spennvidde; Knekklengde l Spennvidde; Knekklengde M Moment m Stigning på utmattingskurve N Aksialkraft; Antall n Antall p Avstand Q Variabel last q Jevnt fordelt variabel last R Kapasitet (motstand) r Radius s Avstand T Torsjonsmoment; Levetid t Platetykkelse; Tid V Skjærkraft; Volum W Tverrsnittsmodul x Lengdeakse y Tverrsnittsakse (sterk) z Tverrsnittsakse (svak); Sidekant av kilsveis

X (chi) V (psi) A (delta) 0 (theta) æ (omega)

Formfaktor; Temperaturutvidelseskoeffisient; Vinkel; Koeffisient Reduksjonsfaktor; Vinkel; Slankhetsparameter for plater Partiell sikkerhetsfaktor; Knekkingseksponent Forskyvning Relativ forlengelse; Bruddtøyning; Koeffisient Koeffisient; Reduksjonsfaktor; Knekkingseksponent Knekkingseksponent Slankhet; Varmeledningsevne Friksjonskoeffisient; Faktor Poissons tall Reduksjonsfaktor for sveising og for tverrsnittsklasse Normalspenning Skjærspenning Faktor Reduksjonsfaktor for knekking Spenningsforhold; Reduksjonsfaktor; Knekkingseksponent Differanse Torsjons vinkel; Temperatur Reduksjonsfaktor for knekking

c. Vanlig brukte indekser Indeks b

c cr d E Ed Ek

Eksempel Nb.Rd Knekkingskapasitet fub Bruddspenning i skruer Trykkspenning; Jevnføringsspenning Oc Mer Kritisk vippingsmoment Dimensjonerende skjærspenning Td

Oe TIEd

NEk

pf

ef el

Wel

f

Tf tf

S haz k LT

Ag

M m

Ym

p/uz

Pk

"Llt

Am

net P pl Rd Rk

7

Anet

Wpi

Nm Nuk

Eulerspenning Dimensjonerende aksialkraft Karakteristisk aksialkraft Effektiv tykkelse Elastisk tverrsnittsmodul Lastfaktor Flenstykkelse Brutto areal Reduksjonsfaktor for sveising Karakteristisk last Vippingsslankhet

Materialfaktor Maksimal spenning Overflate per lengdeenhet Nettotverrsnitt ved hull (sliss)

Polart flatetreghetsmoment Plastisk tverrsnittsmodul Dimensjonerende aksialkraftkapasitet Karakteristisk aksialkraftkapas itet

Indeks

r s

Eksempel

(Jr fs As Ot It fu Av fv

Egenspenning Knekkspenning Tverrsnittsareal i gjengeparti Strekkspenning Torsjonstreghetsmoment Bruddfasthet Skjærareal Skjærfasthet

w

tw fw

Tykkelse av stegplate Materialfasthet av sveiseavsett

y

fy iy

Flytespenning generelt Treghetsradius om y-aksen

z 1 // 0 02

iz

Treghetsradius om z-aksen Skjærspenning vinkelrett Skjærspenning parallelt Opprinnelig tverrsnittsareal Flytespenning i aluminium

t u V

T/ Ao fo2

8

A MATERIALLÆRE

1 Aluminiumsmaterialet 1.0 Generelt kunnet økes. Tilsvarende vektbesparelse er opp­ nådd i offshorekonstruksjoner ved å benytte alumi­ nium i helikopterdekk, trapper, rekkverk, brann­ vegger og også i hele boligmoduler. I Norge ble det i 1996 bygd ei bru der alt bæren­ de materiale var av aluminium, se figur 1.1:1. In­ vesteringskostnaden for mindre bruer i aluminium er nok større enn for stålbruer. Men betydelig redu­ serte vedlikeholdskostnader, samt den store gjenbruksverdien materialet har, taler til fordel for alu­ minium når totale livsløpskostnader tas med i reg­ nestykket. Med tiden vil trolig også bruer med over 100 m lengde kunne konkurrere prismessig.

Bruken av aluminium som konstruksjonsmateriale har økt kraftig de siste årene. Årsaken er at dette lette materialet har en rekke interessante egenska­ per. Blir materialet utnyttet på en riktig måte, kan aluminium gi fordeler framfor andre, mer tradisjo­ nelle konstruksjonsmaterialer. Det å prosjektere og dimensjonere en bærende konstruksjon består av to hovedfaser. Den første fa­ sen er analyse av de påkjenningene som belastnin­ gene på konstruksjonen gir. Denne analysen er til­ nærmet lik for alle konstruksjonsmaterialer. Den andre fasen er dimensjonering, det vil si å finne di­ mensjonen på konstruksjonens komponenter slik at de kan ta opp påkjenningene på en sikker måte og slik at konstruksjonen kan fungere som forutsatt. Denne siste fasen er svært avhengig av materialets egenskaper. Å dra nytte av de erfaringene man har fra kon­ struksjon av andre materialer er selvsagt viktig og­ så når man skal lage konstruksjoner i aluminium. Siden aluminium er forholdsvis nytt som materiale i bærende konstruksjoner, har det ofte vært fristen­ de for konstruktører å velge løsninger som er kjent fra stålkonstruksjon. Men det er ikke alltid riktig å kopiere slike løsninger. Hvert materiale har sine for­ deler og ulemper. En detaljløsning i stål er ofte ikke den mest hensiktsmessige i aluminium. Derfor er det viktig at konstruktøren har god kunnskap om det materialet han skal benytte.

Figur 1.1:1 Forsmo bru i Nordland bygd i 1996. Aluminium er benyttet både i bæresystem, brudekk og rekkverk. Foto: Hydro Aluminium a.s

1.1 Hva aluminium brukes til Forbruket av aluminium viser sterk økning på ver­ densbasis. Fra en totalproduksjon på 4,5 millioner tonn i 1970 ventes det å bli produsert over 20 milli­ oner tonn i år 2000. Materialet finner stadig flere bruksområder.

Transportmateriell Transportsektoren bruker aluminium i stadig øken­ de grad. Vektreduksjonen ved å bruke aluminium har her stor betydning. Aluminium er nesten enerådende i flykonstruksjoner, der kombinasjonen lav vekt og høy styrke er avgjørende. I skip brukes aluminium både i over­ bygninger og i skrog. Mange aluminiumslegeringer har god korrosjonsmotstand også i sjøvann. Trans­ port av flytende naturgass foregår i gasstanker av aluminium, da materialet tåler ekstremt lave tem­ peraturer uten å bli sprøtt. Ellers finnes aluminium i karosserier for tog, busser og T-banevogner samt i containere for varetransport. I bilindustrien øker bruken sterkt av aluminium i felger, støtfangere, motorblokker og stempler. I rammer og andre bæ­ rende deler på personbiler kan aluminium etter hvert erstatte stål. Vektbesparelsen kan også her bli betydelig. En personbil med aluminium i den bæ­ rende rammen (space frame) som er utviklet av en

Bygg- og offshorekonstruksjoner Den gode korrosjonsmotstanden gjør at aluminium ofte blir valgt til fasadekledning, takplater, veran­ daer, balkonger og rekkverk. Ved produksjon av vindus- og dørrammer, stiger o.l. kommer den gode formbarheten til sin rett. I rammekonstruksjoner for overbygde gårdsplasser eller torg er den lave vek­ ten til aluminium en stor fordel. Solfangerpaneler utnytter varmeledningsegenskapene. Høy materialfasthet gjør det også mulig å bruke aluminium i tyngre bærende konstruksjoner, for eksempel bruer og takkonstruksjoner. I Sverige har en de senere årene systematisk benyttet aluminiumsmaterialer i brubaner, ved forsterkning og fornying av eldre bruer. Dermed har nyttelasten

11

Figur 1.1:2 Aluminium brukt i transportmateriell. Foto: Photographic

Figur 1.1:3 Aluminium brukt til emballasje. Foto: Kim Holthe AS

bilprodusent i samarbeid med norsk aluminiums­ industri, ventes å gi en vektreduksjon på nærmere 30 % i forhold til en konvensjonell rammekonstruksjon av stål. Videre kan materialets energiabsorberende evne ved støt utnyttes. Et materiale som påføres spennin­ gen a i det elastiske området, mottar en energi per volumenhet lik o2/(2E), der E er elastisitetsmodulen. Aluminium har en E-modul lik tredjedelen av

1.2 Framstilling av aluminium Historikk Rein aluminium forekommer ikke i naturen. Deri­ mot finnes det i rikt monn bundet til andre grunn­ stoffer. Navnet aluminium kommer av mineralet alumen, som er det stoffet som aluminium først ble funnet i, cirka 400 år f.Kr. Alumen ( KA1(SO4)2 ) finnes også i Norden, blant annet i alunskiferen i Oslo-området. I det følgende vil betegnelsen alumi­ nium bli benyttet både om det reine aluminiumsmetallet og om aluminiumslegeringene. Rein aluminium har et sølvhvitt og glinsende ut­ seende, men får etter hvert en gråblå oksidasjonshud i luft. Mens jern og kopper er blitt brukt i mer enn 2000 år, har man bare brukt aluminium i rundt 100. Årsaken er nok at aluminium danner en meget

stålets E-modul. Aluminium kan dermed absorbere tre ganger så stor energi i det elastiske området. I figur 1.1:2 er det vist eksempel på bruk av alu­ minium i transportsektoren.

Emballasje Aluminiumsmaterialet er tett, smakfritt, ikke giftig og kan lett formes og framstilles i tynne folier. Disse egenskapene gjør at aluminium egner seg godt som emballasje for næringsmidler. Materialet blir heller ikke sprøtt ved lave temperaturer og kan derfor be­ nyttes til frysevarer. Produkter som hermetikkbok­ ser, folier, tuber, medisinbokser, kokekar, øl- og mineralvannsbokser er typiske eksempler på anven­ delser. Vekten på en mineralvannboks i aluminium blir bare ca. 7 % av vekten til en glassflaske med til­ svarende volum. Dette reduserer transportvekten og dermed energibehovet ved transport.

stabil forbindelse med oksygen. Aluminiumoksid (AI2O3) har et smeltepunkt på hele 2 050 °C. Til sammenlikning er smeltepunktet for rein alumini­

um cirka 660 °C. Det skal svært stor energitilførsel til for å oppløse denne forbindelsen mellom oksy­ gen og aluminium. Først rundt midten av 1800-tallet klarte man å framstille reint aluminium. Dagens aluminiumsindustri baserer seg på en framstillingsmetode som franskmannen Heroult og amerikaneren Hall kom fram til, uavhengig av hverandre, i 1886. Men først i 1892 ble det fart i utviklingen. Da fikk østerrikeren Bayer patent på den såkalte Bayer-metoden, der mineralet bauxitt kunne anvendes som råstoff til å framstille rein alu­ miniumoksid.

Spesielle bruksområder Som vi skal se i kapittel 5.2, så har aluminium spe­ sielt gode egenskaper ved lave temperaturer. Aluminum egner seg derfor godt til konstruksjoner i fryserom og til beholdere for nedkjølt naturgass (LNG tanker). Aluminium finnes dessuten i produkter som skilt, master, sykler, møbeldeler, høgspentlinjer, transformatorer og i ulike elektronikkprodukter. Figur 1.1:3 viser eksempel på aluminium brukt til emballasje.

Råmaterialer Til tross for at aluminium er et av våre nyoppdage­ de metaller, så viser det seg at det er et av de mest vanlige i jordskorpa. For eksempel så inneholder feltspatbergarten anorthositt hele 10 - 20 % alumi­ nium. Men foreløpig er det ikke utviklet noen øko-

12

nomisk lønnsom prosess for å utnytte denne berg­ arten til aluminiumframstilling. Et av de mest aluminiumsholdige mineralene som finnes, er bauxitt (AI2O3 • 2H2O). Bauxitt er et leirmineral som dannes ved en svært langsom kje­ misk utfellingsprosess, spesielt i tropiske og subtro­ piske strøk. Bauxitt inneholder 20 - 30 % alumi­ nium i form av aluminiumoksid AI2O3. Størstepar­ ten som utvinnes i dag, finnes i dagbrudd i Brasil, Afrika, Australia, på Jamaica og i noen søreuropeis­ ke land. Enkelte steder forekommer bauxitt som jord, andre steder er det halvt forsteinet.

Blandeovn (oppholdsovn)

Vakuumbeholder

Produksjonsprosessen Etter knusing og tørking av bauxitten, foregår fram­ stillingen til rein aluminium i to trinn:

-

framstilling av aluminiumoksid (AI2O3) fra bau­ xitt framstilling av rein aluminium (Al) ved elektro­ lyse av aluminiumoksid Figur 1.2:1 Skjematisk skisse av elektrolyseovn

Aluminiumoksid Framstilling av aluminiumoksid foregår fremdeles ved hjelp av Bayer-metoden. Bauxitten knuses og tørkes i en roterende tørkeovn, og ved hjelp av uli­ ke kjemiske prosesser får en aluminiumoksid som sluttprodukt. Til å framstille ett tonn aluminium trengs det 3,5 til 7 tonn bauxitt.

blandeovn. Der blir smeiten gjennomblåst av argongass for å fjerne uønskede stoffer. Her blir også legeringselementene og eventuelt skrapmetall av alu­ minium tilsatt. Til slutt støpes metallet ut i blokker eller til såkalte bolter for å bearbeides videre til pla­ ter eller ekstruderte profiler. Noe går direkte til utstøping av støpegods. Små mengder av alumini­ um kan også benyttes videre som tilsettingselement i andre metaller.

Elektrolyseprosessen Ved elektrolyseprosessen blir oksygenet fjernet fra aluminiumoksidet, og vi får ut rein aluminium. Prosessen foregår i store elektrolysehaller, der seriekoplete elektrolyseovner sørger for reduksjonen av oksygen. Ovnspannen i en elektrolyseovn er bygd av stål og foret med ildfast stein i bunnen og langs sidene, se figur 1.2:1. Et lag med kolblokker mellom strøm­ førende stålskinner (katode) dekker bunnen. Elek­ trolytten (smeltebadet) består av kryolitt (NaFjsAh, et mineral som finnes i tinnmalmførende granitt. I dag blir kryolitt framstilt syntetisk. Elektrisk strøm tilføres gjennom store karbonstaver (anoder) som består av petrolkoks og bek. Kolet i anodene forbrukes i prosessen og må fornyes etter hvert. Oksygenet i AI2O3 reagerer med karbonet i anoden til karbondioksid (CO2). Reint aluminium (99,0 - 99,9 % Al) samler seg i bunnen av ovnen og suges opp med jevne mellomrom i en vakuumbeholder. Til å framstille 1 tonn reint aluminiumsmetall trengs det: 2 000 kg AI2O3 50 kg kryolitt 550 kg elektrodemasse 13 000 - 16 500 kWh elektrisk strøm Det flytende aluminiumsmetallet går videre til en

1.3 Ressurs- og miljøaspekter Alle industrielle produkter som et moderne sam­ funn er avhengig av, medfører forbruk av energi og råvarer og resulterer i større eller mindre mengder av uønskete avfallsprodukter. Resirkulering av pro­ duktene er derfor viktig for å redusere belastningen på naturen. For å kunne gjøre opp et fullstendig regnskap over virkningen av industrielle prosesser, må en bå­ de inkludere produktets levetid, gjenbruksmuligheter og vedlikeholdsbehov. Man foretar da en såkalt livsløpsanalyse av produktet. Ved å studere og sam­ menlikne resultatene av livsløpsanalysen får man et bilde av produktets økologiske påvirkning. Produkters livsløpsanalyse kan bare sammenlik­ nes dersom en har standardiserte metoder å arbeide ut fra. Flere slike metoder er i bruk i dag, og det ar­ beides med å forbedre påliteligheten. Se bl.a. (21) og (22). Vi skal se på noen hovedelementer som er viktige i forbindelse med livsløpsanalyse av alu­

minium.

13

Energibruk og energibesparelser Råvarer Råvaren til produksjon av aluminium er som nevnt i hovedsak bauxitt. Til hele verdensproduksjonen av aluminium går det i dag med cirka 80 millioner tonn bauxitt. Energibruken ved utvinning og transport av sel­ ve bauxitten er relativt liten i forhold til den reste­ rende prosessen fram til ferdig aluminium. Figur 1.3:1 viser bauxittutvinning i dagbrudd.

Figur 1.3:2 Totalforbruk av energi per kg produsert aluminium som funksjon av antall gjenbruk av materialet

enkelt å smelte om aluminium og å korrigere legeringssammensetningen for å få fram ønsket kvalitet av nye produkter. Ved omsmelting av aluminiumsskrap er energibehovet bare 1 - 1,5 kWh per kg. Energiforbruket vil derfor synke vesentlig med an­ tall gjenbruk. Etter tredje gangs gjenbruk vil energi­ behovet for materialet ha kommet ned i 10 kWh per kg, se figur 1.3:2. Muligheten for resirkulering har derfor stor betydning i en økologisk sammenheng.

Figur 1.3:1 Bauxittutvinning i dagbrudd. Foto: Hydro Aluminium a.s

Stort energibehov i produksjonen Produksjon av aluminiumoksid er derimot energikrevende. Slik produksjon foregår ikke i Skandina­ via, og energiforbruket er i høy grad basert på olje. Når oksidet kommer til elektrolyseverket, er energiinnsatsen, inkludert transport, kommet opp i 5 - 10 kWh per kg produsert aluminium. Også elektrolyseprosessen krever store energi­ mengder. Elektrolyseanlegg finnes det flere av i Skandinavia, og de er for det meste basert på energi fra vannkraft. Elektrolysen krever et energiforbruk på 13 - 15 kWh per kg aluminium når forbruket av anodekol inkluderes. Totalt regner en med (1995) at det i gjennomsnitt trengs en energitilførsel på cirka 20 - 25 kWh til å framstille ett kg rein aluminium av bauxitt. (Tilsvarende tall for stål er svært usikre, men vil være cirka 10 kWh per kg konstruksjonsstål.) Bearbeiding i form av valsing, pressing eller støping krever i tillegg cirka 1 kWh per kg alumi­ nium.

Vekt og energibesparelse Det som kan spares inn av energi ved å bruke et lettere materiale, kan belyses ved et enkelt eksem­ pel fra transportsektoren. Gjør vi en personbil 100 kg lettere ved å erstatte 200 kg stål med 100 kg aluminium, så kan drivstofforbruket reduseres med anslagsvis 0,05 liter per 10 kilometer kjørelengde. Med en kjørelengde på 15 000 km per år over 10 år får bileieren en innsparing på 750 liter bensin, eller 7 500 kWh. Trekker vi fra 2 000 kWh for den merenergi som skal til for å framstille de 100 kg med aluminium i stedet for stål, spares det totalt 5 500 kWh i samfunnets energiregnskap. Hvis vi resir­ kulerer bilens aluminiumsdeler, blir det totale regn­ skapet enda gunstigere ved bruk av aluminium.

Miljøpåvirkning Det er et kjent faktum at aluminium finnes i små mengder i menneskekroppen. Daglig får vi tilført aluminium gjennom mat og vann som vi inntar. Aluminium er som nevnt ikke giftig. Kroppen regu­ lerer mengden og skiller ut eventuelt overskudd.

Gevinst ved resirkulering og gjenbruk Et positivt tegn er at behovet for aluminium i øken­ de grad dekkes av resirkulert avfall. En del av den resirkulerte aluminiumen kommer fra produksjons­ bedriftene i form av avkapp. Resten samles inn fra brukte produkter. I Europa regner en med at 80 90 % av aluminiumen fra bygg- og transportsekto­ ren resirkuleres, og cirka 30 % av emballasjen. De fleste aluminiumsproduktene inneholder mer enn 95 % rein aluminium. Det er derfor relativt

Bedring av produksjonsmetoder Det er ikke påvist uheldige virkninger av skrapmetall av aluminium som er lagt i deponier. Uheldige påvirkninger på miljøet er først og fremst knyttet til produksjonen. Produsentene har de siste tiårene økt innsatsen for å minske disse problemene. Resultatet har vært en betydelig forbedring av produksjons­

14

metodene og større kunnskap om problemene. En annen sak er at denne innsatsen til en viss grad har gitt bedriftene reduserte kostnader. Bauxittbrudd og miljø Bauxitten tas vesentlig ut i dagbrudd, som legger beslag på en del arealer. Tidligere ble bruddene lig­ gende ufruktbare. Men i dag forsøker en å tilbake­ føre det opprinnelige jordsmonnet etter utvinnin­ gen, slik at jordarealet igjen kan utnyttes til skog­ bruks- eller dyrkingsformål. Av regnskogsarealer forsvinner cirka 5 km2 per år på grunn av bauxittutvinning. Belastningen av bruddene på miljøet har i dag ikke noe stort omfang sammenliknet med andre råvarer, og det er liten forurensende virkning på luft og vann. Avfallsprodukter og rensetiltak Oksidproduksjonen, derimot, medfører betydelige mengder avfall i form av såkalt rødslam. Slammet inneholder blant annet jemoksid og lutrester. Slam­ met kan gi problemer dersom det blir ført ut i elver og vassdrag. I dag prøver en å fjerne mest mulig av lutrestene før en tørker slammet og legger det i de­ ponier. Fra kalsineringsovnene vil det avgis SO2- og CCh-gass til luften. Bruk av svovelfattig olje eller naturgass reduserer disse utslippene. Miljøbelastningen fra elektrolyseverkene er vel kjent i Skandinavia. Fluorholdige avgasser og støv fra elektrolysebadet har ført til skader på dyre- og planteliv i nærmiljøet, spesielt i trange norske fjor­ der. Å fjerne fluor helt er vanskelig. Men store investeringer i renseanlegg de siste årene har redusert

fluorutslippene fra et gjennomsnitt på 4 - 5 kg per produsert tonn aluminium i 1960-årene til 0,3 - 0,7 kg i dag. Et annet avfallsprodukt fra elektrolyseverkene er polysykliske, aromatiske hydrokarboner (PAH) som avgis fra anodekolet. Stoffene finnes i avløps­ vannet fra gassrenseanleggene og kan anrikes i bunnslammet i nære fjordområder. Rensetiltak er også her satt inn. Katodeavfall og slagg fra ovnene blir samlet og behandlet som spesialavfall. Både anodeproduksjonen og elektrolyseprosessen avgir store mengder CCb-gass til luften, totalt 1,7 kg per kg aluminium. Gassen påvirker riktignok ikke dyre- og planteliv direkte i særlig grad, men den er en av de såkalte klimagassene som kan gi drivhusvirkning på jorda. Videreforedling i form av pressing, valsing og støping gir bare mindre avfallsproblemer. Ved anodisering og lakkering er det nødvendig med rense­ tiltak for visse salter og løsningsmidler som benyt­ tes i prosessene.

Vedlikehold og miljøbelastning Til slutt må vi nevne at selve bruken av aluminium kan gi betydelig mindre miljøbelastning enn de ma­ terialene som har behov for periodisk overflatebe­ handling. På disse materialene vil både fjerning av overflatebelegg, framstilling av nytt belegg og selve arbeidsprosessen med påføringen kunne påvirke miljøet. Dersom det benyttes et aluminiumsmateriale, vil vedlikeholdsbehovet i mange tilfeller bli langt mindre.

2 Aluminiumskvaliteter 2.0 Rein aluminium

med konstruksjonsstål. Vi ser at tettheten og elastisitetsmodulene i aluminium er omtrent en tredje­ del av stålets verdier, mens termisk utvidelseskoef­ fisient er dobbelt så stor som i stål. Hva fastheten og tallene i denne tabellen har å si i konstruksjonssammenheng, skal vi komme tilbake til.

Rein aluminium har forholdsvis lav fasthet (bruddfasthet 65 - 105 MPa) og stor duktilitet (bruddforlengelse 25 - 40 %). Aluminium i rein form har ingen anvendelse til bærende konstruksjoner, men benyttes i næringsmiddelindustrien og i elektrotek­ nisk industri. Tilsetting av legeringselementer øker styrken. Størstedelen av aluminiumsproduktene er derfor aluminiumslegeringer. Mekaniske egenska­ per kan forbedres ytterligere ved plastisk bearbei­ ding (deformasjonsherding) eller varmebehandling (varmherding).

Tabell 2.1:2 Mekaniske og fysikalske egenskaper til aluminiumslegeringer og konstruksjonsstål_______________________________ ________

2.1 Legeringer Ulike land har til nå hatt sine egne betegnelser på aluminiumslegeringer. Ofte har også de enkelte produsentene benyttet egne betegnelser på sine alu­ miniumsprodukter. Dermed har det vært vanskelig å orientere seg om produktene og sammenlikne kvaliteter. I dag går flere og flere land i Europa over til å benytte europanormen, som igjen bygger på AA-systemet (American Aluminium Assosiation) for betegnelse av aluminiumslegeringer. I den­ ne boken bruker vi AA-systemet, med betegnelsen A W (W = wrought) for de formbare legeringene og AC (C = east) for støpelegeringer. I (9) er det satt EN foran de tilsvarende betegnelsene, altså EN-AW og EN-AC.

Hovedlegeringselement

Eksempel

1*** 2*** 3*** 4*** 5*** 6***

Rein aluminium Kopper (Cu) Mangan (Mn) Silisium (Si) Magnesium (Mg) Magnesium/silisium (MgSi) Sink (Zn) Andre elementer

AW-1050 AW-2024 AW-3103 AW-4042 AW-5052

7*** 8***

Aluminiums­ legeringer

Konstruksjonsstål

Tetthet

2,7 kg/dm3

7,9 kg/dm3

Elastisitetsmodul

70 000 MPa

210 000 MPa

Skjærmodul

26 000 MPa

80 000 MPa

Termisk utvidelseskoeff.

23 x 106 mm/mm °C

12 x 10'6 mm/mm °C

Smeltepunkt

650 - 660 °C

1 530 °C

Egenskapene til de enkelte legeringselementene - Magnesium (Mg) forekommer i mange typer av aluminiumslegeringer. Det gir markert økning av fastheten, spesielt ved såkalt deformasjons­ herding. Dessuten øker korrosjonsmotstanden. Smeltepunktet senkes, noe som er en fordel i sveisetråd og ved støping.

Tabell 2.1:1 Hovedinndeling av aluminiumslegeringene etter AA-systemet

AAnummer

Egenskap

(AI99.5) (AlCuMgZ) (AIMn1) (AISi5) (AIMg2,5)

AW-6082 (AlSilMgMn) AW-7020 (AIZn4,5MgCu)

” Parentesen angir kjemisk sammensetning. Tallene gir omtrentlig prosentinnhold.

-

Mangan (Mn) øker også fastheten. Ellers har det tilsvarende virkning som magnesium.

-

Silisium (Si) gir noe økt fasthet og duktilitet. Si­ lisium senker også smeltepunktet og benyttes i støpelegeringer og i sveisetråd. Kombinasjonen Si og Mg fremmer varmherdeeffekten og gir en lettere formbar legering i varm tilstand.

-

Sink (Zn) øker fasthet og varmherdbarhet ve­ sentlig. Det fremmer også sveisbarheten, men kan øke faren for spenningskorrosjon.

-

Kopper (Cu) gir svært høye fastheter. Men duktiliteten, og spesielt sveisbarheten, reduseres be­ tydelig. Også faren for spenningskorrosjon øker.

I reinaluminium (Al > 99 %) og i aluminiumslege­ ringer utgjør ofte jern (Fe) en stor del av restprosenten. Dette er egentlig å betrakte som en forurens­ ning som skriver seg fra elektrolyseprosessen. Men et visst innhold av Fe kan være gunstig, for eksem­ pel ved framstilling av folie. Ellers vil små mengder

AA bruker en firesifret betegnelse på legeringene. Første siffer angir hovedlegeringselementet, se ta­ bell 2.1:1. Det andre sifferet angir en viss modifise­ ring av mengden av legeringselementer (eller aluminiumsinnholdet i AW-l***-serien), mens de to siste sifrene står for bestemte variasjoner av legerin­ gens innhold. I tabell 2.1:2 er noen mekaniske og fysikalske egenskaper til aluminiumlegeringer sammenliknet

av nikkel (Ni) øke fastheten ved høye temperaturer. Små mengder med krom (Cr) kan redusere tenden­ sen til spenningskorrosjon i Cu-holdige materialer. Det pågår et kontinuerlig forskningsarbeid for å

16

forbedre kvaliteten av aluminiumslegeringer og fin­ ne fram til kvaliteter som er spesialtilpasset ulike bruksområder. Aluminiumsprodusentene har stor kompetanse på dette området, og bør konsulteres om de mulighetene som finnes.

Aluminiumslegeringer til konstruksjonsformål deles inn i to hovedgrupper: - deformasjonsherdbare legeringer (non heat treatable alloys) - varmherdbare legeringer (heat treatable alloys)

F:

Materialet er framstilt uten spesiell kontroll av temperatur og deformasjons­ herding (as fabricated), for eksempel AW-5083 F.

O:

Materialet er glødet (350 - 450 °C) i 1 - 5 timer etter varm- eller kaldforming for å få laveste fasthetstilstand og maksimal duktilitet, f.eks. AW-5054 O.

Hl*:

Deformasjonsherdet til ferdig produkt (uten varmebehandling).

H2*:

Deformasjonsherdet til noe over tilsiktet fasthet og deretter delvis glødet (for å få bedre duktilitet).

H3*:

Deformasjonsherdet til noe over tilsiktet fasthet og deretter lavtemperaturbehandlet til stabil tilstand. Prosessen er bare aktuell på de kvalitetene som etter defor­ masjonsherding ville få en viss reduksjon i fastheten etter en tids lagring i rom­ temperatur.

2.2 Deformasjonsherding Bruddfastheten av både rein aluminium og av alu­ miniumslegeringer kan økes betraktelig ved formendring, for eksempel valsing eller strekking, i kald (T