Hliníkové přípoje v IDEA StatiCa

Toho lze dosáhnout vytvořením nového uživatelsky definovaného materiálu na základě vlastností hliníkového materiálu v tepelně ovlivněných zónách (HAZ), použitím správného bilineárního modelu materiálu a použitím posudků šroubů a svarů podle EN 1993-1-8.

Hliník je v konstrukčním inženýrství stále více využíván díky své nízké hmotnosti, odolnosti proti korozi a dlouhodobé trvanlivosti. Zároveň se hliník chová zásadně odlišně od oceli, zejména ve svařovaných oblastech. Návrhář musí zohlednit změkčení v HAZ, sníženou tažnost a silnou závislost pevnosti na slitině a stavu materiálu.

IDEA StatiCa Přípoj může podporovat návrh hliníkových konstrukcí, pokud je specifické chování správně reprezentováno v modelu.

Materiál

Přestože má hliník stejný tvar diagramu materiálu, vyžaduje dodatečný vstup od uživatele, protože jeho mechanické vlastnosti jsou silně ovlivněny:

• slitinou a stavem materiálu,
• tloušťkou,
• historií tepelného zpracování,
• svařováním a výslednou tepelně ovlivněnou zónou (HAZ).

Smluvní mez kluzu (f₀) a mez pevnosti v tahu (fᵤ)

Smluvní mez kluzu (ekvivalent meze kluzu u oceli) a mez pevnosti v tahu se liší pro každou slitinu a stav materiálu. Tyto hodnoty musí být převzaty z EN 1999‑1‑1 a zadány ručně při definování uživatelského materiálu.

Tepelně ovlivněná zóna (HAZ)

Svařování výrazně snižuje pevnost hliníku, často o 40–60 % v oblastech kolem svarů nazývaných tepelně ovlivněné zóny. IDEA StatiCa automaticky nedetekuje oblasti HAZ, takže je uživatel musí specifikovat explicitně.

Existují dvě možnosti:

• Přiřadit samostatný materiál se sníženými pevnostmi HAZ příslušným svařovaným oblastem, nebo
• přiřadit vlastnosti HAZ celému přípoji, což je konzervativní, ale praktické a odráží skutečnost, že většina poruch nastává v HAZ nebo v její blízkosti.

Diagram materiálu

Hliník vykazuje výrazně nižší tažnost než ocel. Pro konstrukční návrh v IDEA StatiCa byla přijata následující stanoviska:

• Protože plasticita hliníkové slitiny je silnězávislá na stavu materiálu, rozsah mezního plastického přetvoření se výrazně liší v závislosti na způsobu tváření. Nelze poskytnout obecné tvrzení o mezním plastickém přetvoření pro všechny slitiny. 
• Pokud chce uživatel použít plastickou analýzu, mezní plastické přetvoření plechů je na uvážení uživatele.
• Rozsah mezního inženýrského přetvoření a přetvoření při lomu je uveden níže.

Pro typické konstrukční hliníkové slitiny mezní (rovnoměrné) inženýrské přetvoření obecně spadá do rozsahu 4–10 %, zatímco celkové přetvoření při lomu (tažnost po přetržení) je typicky v rozsahu 9–18 %, v závislosti na sérii slitiny a tepelném zpracování.

Modul zpevnění E₁

Pro hliník není modul zpevnění E₁ konstantní a musí být stanoven z fᵤ, f₀, ε_u, ε_p. To se liší od oceli, ale IDEA StatiCa používá pevný vztah E₁ = E / 1000 a nelze jej změnit.

Co to znamená v praxi?

Mezní plastické přetvoření je třeba upravit v Nastavení projektu.

Pro vytvoření hliníkového materiálu je třeba přejít na záložku Materiály, Kopírovat existující materiál a Upravit.

Poté je třeba upravit vlastnosti materiálu podle specifik hliníku.Pokud přípoj zahrnuje svařování, musí být zohledněny hodnoty HAZ  f_0,haz a f_u,haz.

Uživatelsky definované materiály lze uložit do knihovny MPRL, kde jsou k dispozici pro použití ve všech budoucích projektech v IDEA StatiCa Přípoj.

Dílčí součinitele

Posudky ULS pro materiály, šrouby a svary jsou mezi normami totožné – kompatibilita zaručena.

Standardní šrouby

Většina posudků šroubů v EN 1999‑1‑1 používá stejné rovnice a parametry jako EN 1993‑1‑8. To znamená, že:

• Stávající posudky šroubů v IDEA StatiCa jsou plně použitelné pro hliníkové přípoje.
• Jediným rozdílem je součinitel únosnosti v tahu k₂ pro zápustné a hliníkové šrouby.
  Tyto typy nejsou v IDEA StatiCa Přípoj podporovány, stejně jako nýty.

Pro standardní ocelové šrouby (typická volba v hliníkových konstrukcích) zůstávají všechny posudky platné.

Upozorňujeme, že EN 1999 výslovně vyžaduje ochranu proti galvanické korozi, pokud je hliník v kontaktu s jinými kovy, jako je ocel.

Předepnuté (třecí) šrouby

Součinitel tření pro EN 1993-1-8 je založen na třecích plochách/úpravě povrchu. Součinitel tření pro EN 1999-1-1 je založen na tloušťce třecích ploch. 

V IDEA StatiCa lze součinitel tření μ nastavit přímo v Nastavení projektu, takže hodnoty lze aplikovat bez omezení.

Svary

Při svařování dochází v tepelně ovlivněné zóně (HAZ) k výraznému snížení pevnosti v důsledku degradace materiálu. Tyto zóny nejsou aplikací automaticky rozpoznávány, takže je uživatelé musí reprezentovat explicitně.

To lze provést:

• definováním samostatného materiálu HAZ a jeho přiřazením k ovlivněné části plechu.
• konzervativním použitím vlastností HAZ pro celý přípoj, čímž se vyhneme složitým úpravám geometrie

Podmínka plasticity Von-Mises je v IDEA StatiCa použita jako kritérium porušení. Je v souladu s předpokladem v EN 1993-1-8. Svary musí mít přiřazený materiál odpovídající pevnosti HAZ.

Závěr 

✅ Dílčí součinitele pro materiály, šrouby a svary jsou konzistentní mezi EN 1999‑1‑1 a EN 1993‑1‑8.

⚠️ Hliníkové materiály nejsou zabudovány a musí být definovány uživatelem, včetně správných pevností HAZ.

⚠️  Mezní plastické přetvoření by mělo být voleno konzervativně. Plastické přetvoření pro analýzu je silně závislé na stavu materiálu a způsobu tváření.

❌ Modul zpevnění E₁ je pro hliník závislý na fᵤ, f₀, ε_el, ε_max . IDEA StatiCa používá pevný vztah, který nelze změnit. Nízké zpevnění v IDEA StatiCa je konzervativní.

✅ Posudky podle normy pro standardní a předepnuté ocelové šrouby jsou kompatibilní se stávajícím nastavením v IDEA StatiCa.

✅ Posudky svarů jsou kompatibilní.

⚠️ Zóny HAZ musí být definovány explicitně, nebo může celý přípoj konzervativně používat vlastnosti HAZ.

⚠️ Řešení pro hliníkové přípoje nebylo ověřeno. 

Poznámka: Podrobnější vysvětlení tohoto tématu je uvedeno v dokumentu PDF.