11.1 Allmänna konstruktionsregler

Aluminiums densitet är 2,7 kg/dm³, det vill säga endast en tredjedel av stålets. De vanligtvis använda konstruktionslegeringarna av aluminium, som används för bärande ändamål, har brottgränser upp mot 350 MPa. Om ett konstruktionselement enbart är dragbelastat kan en aluminiumkonstruktion väga 40–60% av motsvarande stålkonstruktion. För konstruktioner där egentyngden utgör huvudbelastningen är aluminium ett fördelaktigt konstruktionsmaterial.

Om en konstruktion utsätts för en given belastning som inte ändras med spännvidden, så ökar aluminiumkonstruktionens konkurrenskraft i förhållande till tyngre material då spännvidden ökar.

Regel
Aluminiums fördel jämfört med tyngre konstruktionsmaterial ökar med ökande spännvidd om lasten huvudsakligen utgörs av egentyngd.

Elasticitetsmodulen för aluminium är cirka 70000 MPa, det vill säga en tredjedel av motsvarande värde för stål. Samtidigt har aluminium relativt hög hållfasthet. Den låga elasticitetsmodulen medför att stabilitetsproblem till exempel knäckning, vippning och buckling, uppkommer vid lägre lastnivåer jämfört med en stålkonstruktion med identisk geometri. Hänsyn till detta måste därför tas vid utformningen av konstruktionen.

Låg elasticitetsmodul medför också större elastiska nedböjningar hos aluminiumkonstruktioner än hos likvärdiga stålkonstruktioner.

Regler för dimensionering av aluminiumkonstruktioner ges i Boverkets konstruktionsregler, EKS, som innehåller nationella val till eurokoden SS-EN 1999 för dimensionering av aluminiumkonstruktioner. EKS 10 (BFS 2015:6) började gälla 1 januari 2016. Beräkningsmetoderna som används är till största delen desamma som används vid dimensionering av stålkonstruktioner. Se också Eurokod 9.

Vid dimensionering med hänsyn till plan knäckning bestäms normalkraftskapaciteten av slankheten hos stången.

Slankheten bestäms som:

där l_c är knäcklängden, i är tröghetsradien (= √ I/A), f_y är materialets karaktäristiska flytgräns och E är elasticitetsmodulen. Med hjälp av slankhetstalet, (λ_c), bestäms en reduktionsfaktor, (ω_c). Denna ges som funktion av slankhetstalet i Figur 129.

Tabell 26. Material, tvärsnittstyp och grupp vid bestämning av ω_c

För att utnyttja materialet på ett optimalt sätt ska slankhetstalet vara så lågt som möjligt och reduktionsfaktorn så hög som möjligt. Detta uppnås genom att staga stången, vilket minskar knäcklängden, eller genom att öka tröghetsradien. OBS! Vid slanka tvärsnittsdelar kan lokal buckling vara begränsande.

Regel
Vid tryckta konstruktionselement är det fördelaktigt att ha låg slankhet med hänsyn till materialutnyttjandet. Detta uppnås genom lämpligt tvärsnittsval och/eller genom stagning.

Vid konstruktionselement som är böjbelastade innebär aluminiums låga elasticitetsmodul en större nedböjning i förhållande till stål.

Nedböjningen f av en balk med längden L och belastningen Q är:

där E = elasticitetsmodulen, I = balkens tröghetsmoment och k = konstant, som beror av belastningsfallet.

Nu är E_Stål = 3·E_Al            (E_Stål ≈ 210 GPa, E_Al ≈ 70 GPa)

vilket vid samma nedböjning f_Al=f_Stål och lika långa balkar och samma
belastning ger:

E_Al · I_Al=3·E_Al · I_Stål och följaktligen I_Al=3· I_Stål

Således måste aluminiumbalkens tröghetsmoment, (I_Al), vara tre gånger så stort som stålbalkens, (I_Stål), för att nedböjningarna ska bli lika stora vid samma belastning. För ett rektangulärt tvärsnitt med lika balkbredd, (b), men varierande höjd, (h), får man:

Genom att öka aluminiumprofilens bygghöjd (h_Al) med 43% och därmed dess tröghetsmoment kan styvheten bli lika stor som stålbalkens, men med bara halva vikten, Figur 130 och Figur 131.

Tryckbelastade delar i böjbelastade konstruktionselement kan säkras mot instabilitet genom lämplig profilutformning och stagning.

Regel
Konstruera balkar med så stor bygghöjd som möjligt. Placera så mycket material som möjligt i flänsarna vid tunna liv – se upp för buckling i livet.

Välj statiskt obestämda konstruktionsformer (till exempel ramar, kontinuerliga balkar, inspända balkar).

För många aluminiumlegeringar för konstruktionsändamål gäller:

Detta är ett relativt lågt tal. Därför måste man vara uppmärksam vid dragna konstruktionselement med risk för okontrollerbara överbelastningar. Detsamma gäller böjbelastade konstruktionselement, där kraftiga momentomlagringar kan uppträda då gränslaststadiet utnyttjas.

Regel
Val av konstruktionslegering och tillstånd ska ske med hänsyn till påkänningssättet. Man strävar efter ett relativt högt förhållande R_m/R_p0,2 vid konstruktioner där det finns risk för total kollaps vid ofrivilliga överbelastningar. Detsamma gäller vid bärverk där man vill ha en passiv reserv i den lastupptagande förmågan.

Längdutvidgningskoefficienten för aluminium är 24·10^–6/ºC, dvs nästan dubbelt så stor som för stål. Detta måste hållas i minnet om aluminium ska samverka med andra material. Om materialet hindrasfrån att röra sig fritt vid temperaturvariationer uppstår tvångskrafter. Dessa beräknas med utgångspunkt från temperaturförhållandena vid monteringstillfället. Referenstemperaturen bör alltid anges på ritningar

Förlängningen beräknas ur sambandet:

Δl = α·(T₁–T₀)· l₀

där α är metallens längdutvidgningskoefficient, T temperaturer och l₀ ursprunglig längd.

Regel
Tag hänsyn till temperaturvariationer om de kan ge upphov till tvångskrafter genom yttre rörelsebegränsningar. Sådana begränsningar kan uppkomma genom till exempel uppstyvande väggar eller anslutande byggnader. Vid statiskt obestämda system måste man också ta hänsyn till egenspänningstillstånd som orsakats av temperaturväxlingar.

Aluminiummaterial i mjuka tillstånd har relativt låg hårdhet, vilket medför risk för ytskador vid montage och hantering. Dessa skador kan minska utmattningshållfastheten.

Regel
Skydda utsatta delar för ytskador vid montage och hantering.

Den karakteristiska hållfastheten hos material i utmattningsbelastade konstruktioner är i allmänhet lägre än vid motsvarande statiska påkänningar. Dynamiskt lastfall anses föreligga om lastväxlingstalet är större än 10³ vid växlande last (R = 0). (Se Boverkets konstruktionsregler, EKS eller Eurokod 9, Figur 132).

Regel
En dynamiskt belastad aluminiumkonstruktion ska utformas så att det snitt där den största spänningsamplituden kan förväntas utgörs av oförsvagat grundmaterial. Särskild hänsyn måste tas till geometrisk utformning. Anvisningar, små radier, svetsar mm nedsätter den dynamiska hållfastheten.

Material, som ska användas i bärande aluminiumkonstruktioner, har fått en förhöjd hållfasthet genom kallbearbetning (till exempel H14, H18) eller värmebehandling (till exempel T4, T6), se kapitel 6.

Detta medför att materialet endast har begränsad termisk stabilitet. Svetsning, varmriktning och varmformning kan därför ge en lokal minskning av hållfastheten. Den ursprungliga hållfastheten kan i allmänhet inte återställas.

Vid risk för instabilitet bör det värmepåverkade området ha ett så stort avstånd som möjligt från det knäckningskritiska snittet. Bredden av det snitt som påverkas av värme bör begränsas.

Regel
Behövs svetsning eller annan värmning av konstruktiva eller tillverkningstekniska skäl, bör den värmepåverkade konstruktionsdelen förläggas till ett område med låga påkänningar.

Aluminium har mycket god korrosionshärdighet. Det beror på att metallytan spontant överdras med ett skyddande oxidskikt. Skiktet är mycket tunt, ungefär 0,01–0,1 µm. Aluminium kräver i normal atmosfär begränsat underhåll och är lämpligt att användas utomhus.

Regel
Under normala förhållanden kan aluminiumkonstruktioner användas utomhus utan speciell ytbehandling.