O ρόλος του αλουμινίου στις εξελίξεις των μεταλλικών κατασκευών

Το αλουμίνιο που ως χημικό στοιχείο απομονώθηκε για πρώτη φορά από τον Wholer το 1827, μόλις πρόσφατα άρχισε να χρησιμοποιείται μαζί με τα κράματά του ως δομικό υλικό σε φέροντες οργανισμούς έργων Πολιτικού Μηχανικού. Η βιομηχανική παραγωγή του αλουμινίου ξεκίνησε το 1886 μετά την ανακάλυψη της ηλεκτρολυτικής διαδικασίας παραγωγής του από τον Γάλλο Paul Luis Touissant Hernoult και ταυτόχρονα και ανεξάρτητα από τον Αμερικανό Charles Martin Hall. Το αλουμίνιο και τα κράματά του χρησιμοποιήθηκαν αρχικά σε εφαρμογές όπου οι ιδιότητές του το έκαναν αναντικατάστατο (π.χ. στην αεροναυπηγική από τα Zeppelin μέχρι τα Concorde), όμως πολύ σύντομα η χρήση του επεκτάθηκε σε πλήθος άλλου τύπου εφαρμογών (αρχιτεκτονικές εφαρμογές, πλαίσια κουφωμάτων, στα μέσα μεταφορών, στη ναυπηγική, στην αυτοκινητοβιομηχανία κ.ο.κ.).

Παράλληλα, τη δεκαετία του ’50, τα κράματα αλουμινίου άρχισαν να εμφανίζονται στην ανέγερση φερόντων οργανισμών σε κατασκευές Πολιτικού Μηχανικού στην Ευρώπη ως εναλλακτική λύση στην κατασκευή κτιρίων που μέχρι τότε κατασκευαζόταν αποκλειστικά από δομικό χάλυβα. Η παντελής όμως έλλειψη σχετικών Προδιαγραφών, Συστάσεων Σχεδιασμού και Κανονισμών κατά τη διάρκεια της πρώτης αυτής περιόδου, περιόρισε το εύρος αυτού του είδους εφαρμογών του αλουμινίου καθώς έκανε τον σχεδιασμό των κτιρίων από αλουμίνιο μια επίπονη και αμφίβολης ποιότητας εργασία τόσο για τους μελετητές, όπως και για τις υπηρεσίες ελέγχου.

Από το τέλος της δεκαετίας του ’70, το κενό αυτό άρχισε σε ευρωπαϊκό επίπεδο να καλύπτεται από τα αποτελέσματα μιας ευρύτατης δράσης του ECCS (Ευρωπαϊκής Σύμβασης για τις Κατασκευές Δομικού Χάλυβα). Οι Συστάσεις Σχεδιασμού του ECCS που προέκυψαν, χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια ως βάση σε όσα Ευρωπαϊκά κράτη αποφάσισαν να συντάξουν αντίστοιχο εθνικό Κανονισμό για τον σχεδιασμό φερουσών κατασκευών αλουμινίου.

Αξίζει να τονισθεί στο σημείο αυτό ότι, παρά την ύπαρξη πλαισίου βάσης σχεδιασμού για τις κατασκευές αλουμινίου, οι ιδιαίτερες δυνατότητες των κραμάτων αλουμινίου (όπως είναι π.χ το μικρό βάρος τους, η οξείδωσή του που δρα ως προστατευτική βαφή, η πλαστικότητά του, η πολύ αυξημένη τιμή του λόγου αντοχής προς βάρος κ.ο.κ.) δεν λαμβάνονται πλήρως υπ’ όψιν από τους μελετητές ακόμη και σήμερα ώστε να είναι προφανής η εναλλακτική επιλογή του αλουμινίου αντί του χάλυβα σε κατασκευές Πολιτικού Μηχανικού. Συγκεκριμένα, το αλουμίνιο διαθέτει ορισμένες ιδιότητες που το καθιστούν ανταγωνιστικό ως προς τον δομικό χάλυβα.

• Το αλουμίνιο είναι ένα πολύ ελαφρύ δομικό υλικό με βάρος 2.700 kgm-3 που αντιστοιχεί στο ένα τρίτο του βάρους του χάλυβα.

• Μετά από έκθεσή του στην ατμόσφαιρα, το αλουμίνιο καλύπτεται εξωτερικά από ένα προστατευτικό εξαιρετικά λεπτό στρώμα οξειδίου που δρα ως προστατευτική βαφή έναντι οξείδωσης, ακόμη και σε έντονα τοξικό (π.χ. παραθαλάσσιο) περιβάλλον.

• Το αλουμίνιο είναι ιδιαίτερα όλκιμο υλικό, ενώ ταυτόχρονα η αντοχή του είναι μικρή για κατασκευές Πολιτικού Μηχανικού. Για τον λόγο αυτό, προκειμένου να αυξηθεί η αντοχή του, χρησιμοποιείται ως κράμα με διάφορα άλλα στοιχεία (Mn, Mg, Si, Zn, Cu) οπότε τα αντίστοιχα κράματα που προκύπτουν (σειρές 1ΧΧΧ, 2ΧΧΧ, …., 9ΧΧΧ) έχουν βελτιωμένες ιδιότητες και a priori γνωστό λόγο αντοχής προς πλαστικότητα.

• Επίσης, η εφαρμογή θερμικής ή ψυχρής κατεργασίας είναι δυνατόν να οδηγήσει σε τιμές ελαστικού ορίου μέχρι 350-400 Νmm-3 που είναι αντίστοιχες αυτών του δομικού χάλυβα (Fe360, Fe510).

• Τα προβλήματα παραμόρφωσης λόγω προβλημάτων τοπικού λυγισμού που παρουσιάζουν τα κράματα αλουμινίου καθώς το μέτρο του Young είναι τρείς φορές μικρότερο από αυτό του χάλυβα, έχουν σήμερα πλήρως επιλυθεί καθώς χρησιμοποιούνται εξελιγμένες μέθοδοι υπολογισμού που βασίζονται σε πληθώρα πειραματικών αποτελεσμάτων και αριθμοϋπολογιστικών προσομοιώσεων.

Ανάμεσα στις διάφορες μεθόδους που χρησιμοποιούνται από τη βιομηχανία για την παραγωγή δομικών στοιχείων αλουμινίου ιδιαίτερα σημαντική είναι αυτή της διέλασης με την οποία παράγονται μέλη με διατομές κάθε είδους σχήματος. Εναλλακτικά ή για διατομές μεγάλων διαστάσεων οι μέθοδοι συγκόλλησης ελασμάτων αλουμινίου (MIG και TIG) έχουν σήμερα τεχνολογικά βελτιωθεί και τα προβλήματα στην εφαρμογή τους έχουν ελαχιστοποιηθεί με αποτέλεσμα τη χρησιμοποίηση συχνά συγκολλημένων διατομών.

Το 1999 αποφασίστηκε από τον CEN η σύνταξη ενός Ευρωπαϊκού Κανονισμού με θέμα τον “Σχεδιασμό των Κατασκευών Αλουμινίου” που ονομάζεται Ευρωκώδικας 9 (prEN 1999-1-1:2003). Ο Ευρωκώδικας 9 αποτελείται από 5 τμήματα τα οποία βρίσκονται υπό σύνταξη (CEN stage 34):

• Part 1-1: General structural rules & Annex A-K

• Part 1-2: Structural fire design

• Part 1-3: Structures susceptible to fatigue

• Part 1-4: Supplementary rules for cold-formed sheeting

• Part 1-5: Shells

Η ψήφιση του κειμένου του Ευρωκώδικα 9 κατά CEN έγινε στις αρχές του 2006. Στο Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών έχει ξεκινήσει τα τελευταία χρόνια μια εκτεταμένη δραστηριότητα σχετικά με τα θέματα αντοχής των φερουσών κατασκευών αλουμινίου και τον Ευρωκώδικα 9.

Αξίζει – εκτός της πληθώρας ερευνητικών έργων σε συνεργασία με τις μεγαλύτερες εταιρείες του κλάδου – να αναφερθεί η ερευνητική συνεργασία του Εργαστηρίου Μεταλλικών Κατασκευών του ΑΠΘ με το Κέντρο Αριστείας Αλουμινίου των ΗΠΑ στο Πανεπιστήμιο Cornell και με το Κέντρο Κτιριακών Μελετών του Πανεπιστημίου Concordia του Τορόντο στον Καναδά σε συναφή ερευνητικά θέματα όπως είναι οι συνδέσεις σε φέρουσες κατασκευές αλουμινίου και οι φορτίσεις ανέμου σε υαλοπετάσματα αλουμινίου. Αποτέλεσμα αυτών των συνεργασιών είναι μεταξύ άλλων σεμινάρια σε διεθνές επίπεδο και εκπαιδευτικό υλικό υπό μορφή βιβλίων και CD.

Στα πλαίσια αυτής της δραστηριότητας, στο Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών ΑΠΘ ολοκληρώθηκαν επιτυχώς το τελευταίο εξάμηνο δύο διδακτορικές διατριβές με τίτλους αντίστοιχα “Ανάπτυξη των γραμμών διαρροής σε εφελκυόμενες κοχλιωτές συνδέσεις αλουμινίου. Αριθμητική και πειραματική προσέγγιση” και “Διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς συγκολλητών διατο μών αλουμινίου με υπολογιστικές μεθόδους”, ενώ ευρίσκεται υπό εξέλιξη διδακτορική διατριβή με θέμα “Διερεύνηση της δομικής συμπεριφοράς υαλοπετασμάτων αλουμινίου υπό ανεμοφόρτιση και σεισμική επιπόνηση”.