Навесные фасады. Красивые решения


Проектирование с алюминиевыми профилями по Еврокоду 9

Технология прессования алюминиевых профилей дает конструктору возможность создавать профили, которые могут удовлетворять многим практическим требованиям одновременно. Профили могут иметь почти любое поперечное сечение, и это накладывает на конструктора дополнительные обязанности по определению их характеристик. 

По сравнению с новыми прокатными валками для стальных профилей инструмент для производства прессованных алюминиевых профилей является весьма дешевым. Поэтому часто бывает выгодно разрабатывать новые профили даже для производства небольших партий, иногда для одного конкретного строительного объекта.

Ниже представлен общий обзор особенностей проектирования конструкций с применением алюминиевых профилей, в том числе с Еврокодом 9. Некоторые вопросы были рассмотрены подробнее в предыдущих статьях, часть из них будут рассмотрена в следующих статьях.

Еврокод 9 и другие европейские стандарты

Основой для проектирования алюминиевых конструкций  во всех странах Европейского Союза, а также во многих других странах, европейских и неевропейских, является европейский стандарт по проектированию алюминиевых конструкций Еврокод 9 (EN 1999). Этот стандарт применяется для проектирования конструкций зданий, мостов и гражданских  сооружений.

В каждой стране-члене Европейского Союза для каждого строительного европейского стандарта – от Еврокода 0 до Еврокода 9 – могут приниматься национальные дополнения, которые учитывают специфические условия каждой страны, в первую очередь, климатические.

Национальное приложение может содержать информацию о параметрах, оставленных открытыми в Еврокоде по национальному усмотрению, известных как «национально определенные параметры», используемые для работ по проектированию зданий и гражданскому строительству в рассматриваемой стране.

В России и некоторых других странах СНГ Еврокоды приняты в качестве альтернативных государственных стандартов. При применении каждого из них необходимо обязательно обращать внимание на национальное приложение, которое обычно находится в конце текста стандарта.         

Хотя Еврокод 9 в основном предназначен для зданий и гражданских сооружений, он содержит много информации, которая также относится ко многим другим алюминиевым конструкциям.

Из нескольких десятков европейских стандартов, которые входят в систему Еврокодов – от Еврокода 0 до Еврокода 9 - при проектировании алюминиевых конструкций принимают во внимание требования как Еврокода 9, так и других европейских стандартов [1]:

1. EN 1999 Еврокод 9 – Проектирование алюминиевых конструкций

2. EN 1090-3 Изготовление стальных и алюминиевых конструкций

3. EN 1990 Еврокод 0 – Основы проектирования конструкций

4. EN 1991 Еврокод 1 – Воздействия на конструкции

Алюминий и алюминиевые сплавы

Чистый алюминий имеет очень низкую прочность и не может применяться для несущих строительных конструкций. При легировании алюминия другими элементами он получает прочность по различным упрочняющим механизмам. Алюминий может составлять сплавы с большинством металлических элементов, однако, наиболее важными из них являются медь, магний, кремний и цинк. Кроме  того, значительное количество других элементов оказывают значительное влияние на повышение свойств алюминиевых сплавов. Эти элементы включают хром, марганец и цирконий, которые предназначены в основном для контроля зеренной структуры сплавов в алюминиевых изделиях. Максимальная растворимость различных элементов в алюминии достигается при высоких температурах и значительно уменьшается со снижением температуры. Это является основой для термического упрочнения алюминиевых сплавов старением [2].

О строительных алюминиевых сплавах см. здесь

Особенности проектирования с алюминием

Малый вес (g = 2700 кг/м3)

Малая плотность алюминия особенно важна тогда, когда именно вес конструкции является доминирующим фактором. Например, малый вес транспортного средства позволяет ему перевозить более тяжелый груз. Малый вес может являться важным преимуществом конструкции при необходимости ее перевозки и монтажа в труднодоступных районах.   

Прогиб – часто самый важный фактор (Е = 70000 МПа)

Требования по прогибам (например, что прогиб балки должен быть не более L/400) часто являются критическими для алюминиевых конструкций [1].

Это происходит потому, что модуль упругости алюминия составляет только одну треть от модуля упругости стали. Поэтому при одинаковых напряжениях упругая деформация алюминия будет в три раза больше, чем у стали.   

Поэтому:

Прочность снижается после сварки

Алюминиевые сплавы, которые применяются в несущих конструкциях, обычно являются упрочненными путем термической или деформационной обработки.  После сварки прочность этих сплавов в месте сварки снижается. Аналогичное явление происходит после горячей правки или горячей формовки. Уровень потери прочности зависит от степени термического или деформационного упрочнения.

Прочность алюминиевых сплавов может быть восстановлена путем искусственного старения после сварки.

Чтобы избежать снижения несущей способности сварного алюминиевого конструкционного элемента, сварные швы по возможности должны располагаться в областях, где рабочие напряжения являются невысокими, например, таких как нейтральные оси балок, подвергающихся изгибу.

Усталость может быть критическим фактором

Усталостная прочность сварных алюминиевых элементов составляет около 40 % от усталостной прочности сварных стальных элементов [1]. Конструкционные алюминиевые элементы без применения сварки имеют хорошую усталостную прочность.

Относительно низкая твердость

Твердость алюминиевых сплавов является довольно низкой, например, по сравнению со сталью. Поэтому при перемещении и транспортировании алюминиевых профилей, особенно тонкостенных, необходимо защищать их от ударов и трения друг о друга.

Отсутствует хрупкое разрушение при низких температурах

Алюминий не охрупчивается при низких температурах. В отличии от стали, алюминий не имеет температуры хрупкого перехода.

При низких температурах алюминий становится более вязким и прочным, хотя различие по сравнению с комнатной температурой не так и велико.

Высокое термическое расширение

Коэффициент термического расширения алюминия в два раза выше, чем у стали: 0,000023 1/°С. Изменения наружной температуры и другие изменения температуры должны приниматься во внимание, если в результате термического расширения могут возникать значительные усилия. Однако, благодаря низкому модулю упругости алюминия, напряжения, которые возникают при ограничении термического расширения, обычно являются не слишком высокими.

Высокая теплопроводность

Коэффициент теплопроводности алюминия довольно высок – в три раза больше, чем у стали: 230 и 75 Вт/м·°С, соответственно. Поэтому, например, различие температуры на различных сторонах алюминиевого профиля быстро выравнивается.

Высокое сопротивление коррозии

Высокая коррозионная стойкость алюминия часто является главной причиной при выборе его в качестве конструкционного материала.

В нормальных условиях алюминий обычно не требует защиты от коррозии. Однако в условиях загрязненной атмосферы, высокой влажности, стоячей воды и щелевой коррозии должны приниматься специальные меры по защите алюминия от коррозии.

См. подробнее Защита алюминия от коррозии

Деформационная обработка

Алюминий можно легко обрабатывать с применением пластических деформаций. Способность алюминиевых сплавов к пластическому деформированию во многом зависит от их состояния. Например, алюминиевые профили из сплавов 6060 и 6063 в состоянии Т4 легко поддаются гибке, а в состоянии Т6 - нет.

Жесткие допуски на размеры и форму профилей

Сплошные алюминиевые профили (профили без полостей) могут изготавливаться с довольно жесткими допусками размеров и формы. Прямолинейность профилей обеспечивают правкой растяжением на экструзионном прессе. Полые алюминиевые профили имеют несколько более широкие допуски.

См. подробнее Допуски алюминиевых профилей

Низкие остаточные напряжения

В отличие от катаных профилей прессованные (экструдированные) алюминиевые профили имеют в продольном направлении низкие остаточные напряжения. Это может быть важно, например, при механической обработке профилей.  

Фасадные системы Alucom 

Источники:

1. Design Manual. Success with Aluminium Profiles – SAPA, 2014.

2. Nack J. Kim Designing with Aluminium Alloys // Handbook of Mechanical Alloy Design, ed.  George E. Totten et al., 2004.

3. EN 1999-1-1:2007 Eurocode 9: Design of aluminium structures - Part 1-1 : General
structural rules.

Ваше сообщение успешно отправлено

Ваше сообщение успешно отправлено

Ваше сообщение успешно отправлено

Яндекс.Метрика