Aluminium een vederlicht zwaargewicht, bij uitstek in constructies

Overeenkomst in afscheidsrede prof.ir. Soetens en intreerede prof.dr.ir. Maljaars

Prof.ir. Frans Soetens, van 1 juli 1995 tot 1 mei 2014 deeltijd hoogleraar Aluminium- constructies aan faculteit Bouwkunde van de TU/e, gaf op 9 januari jl. zijn  afscheidscollege, gezamenlijk met de intreerede van zijn opvolger binnen de leerstoel Aluminium Structures, prof.dr.ir. Johan Maljaars. Na afloop recipieerden beide heren in de Senaatszaal.



Palariccione Stairways, Italië - Foto: Bayards Aluminium Constructie BV.


Vergeleken bij de traditionele bouwmaterialen, zoals beton, staal, metselwerk en hout, is aluminium een jong constructiemateriaal. In zijn afscheidsrede behandelde prof.ir. Frans Soetens daarom kort de eigenschappen van aluminium. Prof.dr.ir. Johan Maljaars gaf in zijn intreerede – onder de titel: ‘Aluminium, vederlicht zwaargewicht’ - een overzicht van het onderzoek naar het dragende vermogen van aluminium constructies binnen zijn leerstoel. Hij ging daarbij in op de relatie tussen het materiaalgedrag enerzijds en het gedrag van de constructie anderzijds en de schaalproblemen, die dit met zich meebrengt. Al met al een uiterst interessante en boeiende bijeenkomst van twee heren, die bijzonder deskundig zijn op het gebied van het materiaal aluminium en specifiek binnen constructies.

Toepassing aluminium

De toepassing van aluminium – meer precies aluminiumlegeringen in de transportsector (met name in de lucht- en ruimtevaart, scheepvaart, rail en wegverkeer) – is vooral gebaseerd op de gunstige sterkte/gewichtsverhouding. Hierdoor is het gebruik van aluminium zeer sterk toegenomen en neemt het nog steeds toe, hoewel andere constructiematerialen zoals vezelversterkte kunststoffen concurrentie bieden.

Waarom toepassing van aluminium in bouwconstructies:
 

• de tendens naar lichtere constructies. Een laag eigen gewicht betekent minder materiaalgebruik, een eenvoudiger assemblage, een makkelijker transport, een grotere nuttige belasting (denk aan renovatie van bijvoorbeeld bruggen) en minder energieverbruik (bij beweegbare constructies);
• het streven naar duurzame constructies, die weinig of geen onderhoud behoeven;
• recycling, hergebruik van materialen;
• het kennisniveau van aluminium, dat zich op hetzelfde niveau bevindt als van bekende bouwmaterialen, zoals beton, staal, hout en metselwerk;
• het sinds 2010 beschikbaar zijn van ontwerpregels. Dit in Eurocode 9 ‘Design of aluminium structures’.

Een aantal eigenschappen van aluminium en aluminiumlegeringen, zowel fysische als mechanische, kan worden aangemerkt als gunstig voor de toepassing in bouwconstructies en sluit goed aan bij bovengenoemde redenen.

Die gunstige eigenschappen zijn:
 

• een laag eigen gewicht, ongeveer een derde van staal;
• goede sterkte- en taaiheideigenschappen, zelfs bij zeer lage (cryogene) temperaturen;
• grote variëteit in vormgeving van profielen door extrusie – persen van profielen door een matrijs – wat niet mogelijk is met staal;
• hoge corrosievastheid door dichte, afsluitende oxidehuid, die zeer hecht met het onderliggende metaal is verbonden. Veel toepassingen zijn mogelijk zonder oppervlaktebehandeling; en
• uitstekende recyclebaarheid met behoud van mechanische eigenschappen.

Uiteraard zijn er ook minder gunstige eigenschappen die niet onvermeld dienen te blijven, zoals:
 

• de relatief lage waarde van de elasticiteitsmodulus, een derde van staal. Dat betekent een lagere stijfheid en dus grotere vervormingen van aluminiumconstructies in vergelijking met staalconstructies. Bovendien zijn aluminiumconstructies gevoeliger voor instabiliteit (knik/plooi) dan staalconstructies;
• in geval van wisselend belaste constructies treedt vermoeiing eerder op bij aluminiumconstructies in vergelijking met staalconstructies;
• het lage smeltpunt van aluminium (circa 650°C), hetgeen een grote invloed heeft op de mechanische eigenschappen van aluminium boven 100°C, waardoor de brandwerendheid van een aluminiumconstructie kritischer is dan die van een staalconstructie.

Mechanische eigenschappen

In onderstaande tabel staat een overzicht van belangrijke mechanische eigenschappen van legeringen, die veel in de bouw worden toegepast.

• Aluminium en constructies

Tijdens het afscheidscollege van prof.ir. Frans Soetens was het onderwerp ‘Aluminium en constructies’ leidend. Vergeleken bij de traditionele bouwmaterialen, zoals beton, staal, metselwerk en hout, is aluminium een jong constructiemateriaal.




Figuur 1: Overzicht van belangrijke mechanische eigenschappen van legeringen, die veel in de bouw worden toegepast.


In zijn afscheidsrede behandelde Frans Soetens daarom kort bovengenoemde eigenschappen van aluminium. Ook kwam het ontwerpen en construeren van aluminium draagconstructies aan de orde. Daarna belichtte hij het vele onderzoek, dat de afgelopen decennia is verricht en benadrukte hij hierbij de onderzoeken die aan de TU/e zijn gedaan. Met de ontwerpregels in Eurocode 9 zijn veel toepassingen gerealiseerd en de belangrijkste daarvan werden gepresenteerd. Soetens lichtte verder bepalende onderwerpen als spanning/rek-diagram, elasticiteitsmodulus en nabehandelingen toe.

Spanning rek diagram

Bij aluminium is, in tegenstelling tot constructiestaal, geen vloeitraject aanwezig. De treksterkte varieert van minder dan 100 N/mm² voor zuiver aluminium tot circa 500 N/mm² voor legering 7075-T6. Als grens voor elastische berekeningen wordt door het ontbreken van een vloeigrens de 0,2% rekgrens aangehouden. Dit is de spanning waarbij na ontlasten een blijvende vervorming van 0,2% optreedt. De verhouding tussen de 0,2% rekgrens en de treksterkte varieert tussen 0,4 en 0,95%, afhankelijk van de legering en de toegepaste nabehandeling.

Elasticiteitsmodulus

De elasticiteitsmodulus van aluminium is 70000 N/mm², drie maal zo laag als die van staal. De variatie van deze waarde voor verschillende legeringen kan worden verwaarloosd bij berekeningen. Bij rekken in het elastisch gebied betekent dit dat de spanning in staal bij gelijke vervorming drie maal zo hoog is als bij aluminium. Maar omgekeerd, bij eenzelfde spanning in het elastisch gebied, is de vervorming van aluminium drie maal zo hoog als bij staal.

Nabehandelingen

De mechanische eigenschappen van aluminiumlegeringen kunnen worden verbeterd door het toepassen van nabehandelingen in het productieproces, waarbij onderscheid wordt gemaakt in thermisch veredelbare en thermisch niet-veredelbare legeringen. Het thermisch veredelen omvat drie behandelingen: oplossend gloeien, afschrikken en verouderen (harden). Hiermee worden de 0,2% rekgrens en de treksterkte aanzienlijk verhoogd, maar de breukrek neemt in het algemeen af. Thermische veredeling is alleen mogelijk bij legeringen uit de 2xxx-, 6xxx-, en 7xxx-serie. In deze legeringen zijn namelijk bestanddelen aanwezig waarvan de oplosbaarheid bij hogere temperaturen groter is dan bij lagere temperaturen. De mechanische eigenschappen van thermisch niet-veredelbare legeringen kunnen alleen worden verbeterd door koudvervorming, zoals eveneens bij staal wordt toegepast. Dit wordt daarom ook wel mechanische veredeling genoemd. Bij deze bewerking, door trekken, walsen of persen, worden de 0,2% rekgrens, de treksterkte en de hardheid verhoogd, maar neemt de breukrek aanzienlijk af. Dat laatste kan gedeeltelijk worden gecompenseerd door het materiaal te gloeien.
 

'Ontwerpen en construeren= Denken in aluminium'

Construeren met aluminium

Ontwerpen en construeren met aluminium is succesvol, indien de gunstige eigenschappen van aluminium goed worden benut en er voor de minder gunstige eigenschappen een adequate constructieve oplossing wordt geboden. Bij de keuze voor aluminium spelen de volgende aspecten, zoals eerder vermeld, een belangrijke rol: een laag eigen gewicht, een grote bestendigheid tegen corrosie, de vrije vormgeving van profielen met name door extrusie en de economie van het eindproduct. Soetens: ‘Voor aluminium geldt daarom in het bijzonder: Ontwerpen en construeren = Denken in aluminium. Met andere woorden, de mogelijkheden van aluminium en vooral de vormgevingsmogelijkheden dienen vanaf het allereerste ontwerp centraal te staan. Soetens ging daarna in op ontwerpregels en hij lichtte een aantal bijzondere toepassingen toe. Hij sloot de afscheidsrede af met enkele kanttekeningen over onderwijs, industrie en academia en een blik naar de toekomst.

Aluminium, een vederlicht zwaargewicht

In zijn rede ‘Aluminium, een vederlicht zwaargewicht’, gaf prof.dr.ir. Johan Maljaars een overzicht van het onderzoek naar het dragende vermogen van aluminium constructies binnen zijn leerstoel. Hij ging in op de relatie tussen het materiaalgedrag enerzijds en het gedrag van de constructie anderzijds en de schaalproblemen, die dit met zich meebrengt.





Maljaars: ‘Bij deze leerstoel wordt onderwijs gegeven over en onderzoek gedaan naar de dragende capaciteit van aluminiumconstructies. Met andere woorden: welke belasting kan de constructie dragen voordat deze bezwijkt? Om die vraag te kunnen beantwoorden, is inzicht in het gedrag van de constructieve werking van de gehele constructie nodig, maar ook inzicht in het gedrag van het materiaal. Tijdens het belasten van de constructie treden veranderingen op in het materiaal, die zich uiteindelijk manifesteren in een verandering van de constructie.’



Opstelling voor onderzoek naar aluminium liggers bij verhoogde temperatuur, door promovendus Ronald van der Meulen.

Vermoeiing aluminium in constructies

In het bijzonder besteedde hij aandacht aan voorspellingen van de vermoeiingslevensduur. Hierbij worden numerieke modellen ingezet om het degradatieproces in kaart te brengen en worden probabilistische modellen ingezet om de resultaten van inspecties en monitoring van vermoeiingsscheurtjes te gebruiken voor een nauwkeurige voorspelling van de restlevensduur.  Daarnaast ging hij in op het benodigde onderzoek om nieuwe, veelbelovende aluminiumlegeringen toe te kunnen passen in bouwconstructies. Hierdoor zullen in de toekomst optimale, nieuwe en verrassende constructies en toepassingsgebieden van aluminiumlegeringen tot de mogelijkheden behoren.

Brandwerendheid aluminium

Nog een belangrijk onderwerp is de brandwerendheid van aluminium. Met de onderzoeken op het gebied van brandwerendheid bij de leerstoel is er een belangrijke stap gezet in het kunnen voorspellen van het gedrag bij brand van aluminiumconstructies.  Maljaars: ‘Metaalconstructies moeten vaak met isolatiemateriaal beschermd worden om voldoende brandwerendheid te halen. Voor nieuwe toepassingen moeten proeven uitgevoerd worden om de isolerende werking van beschermingsmaterialen te bepalen. Maar die proeven zijn kostbaar. Numerieke modellen waarmee de temperatuur van geïsoleerde profielen vastgesteld kan worden, zijn daarom van meerwaarde. Aan het ontwikkelen van zulke modellen wil ik werken.’

Onderzoek blijft belangrijk

Hoewel reeds veel onderzoek is verricht, blijven er onderwerpen die nader onderzoek vereisen. Zoals:
 

• optimalisatie van de draagkracht van aluminium profielen. Belangrijke aspecten daarbij zijn plooien en doorsnedevervorming (distortional buckling);
• nieuwe verbindingsmethoden, zoals verbindingen door wrijvingsroerlassen (Friction Stir Welding) en gelijmde verbindingen. Voor de laatste zijn betrouwbaarheid en lange-duurgedrag belangrijke aspecten;
• nieuwe methoden om het vermoeiingsgedrag van aluminiumconstructies nauwkeuriger te voorspellen. Het lopende vermoeiingsonderzoek aan de TU/e van promovendus Sarme Silitonga, gebaseerd op ‘Continuum damage Mechanics’, levert daaraan een eerste bijdrage;
• verder onderzoek aan brandwerendheid van aluminiumconstructies, waaraan het lopende onderzoek aan de TU/e van promovendus Ronald van der Meulen een belangrijke bijdrage levert.

Leerstoel Aluminium Structures

Soetens neemt nog geen volledig afscheid. ‘Er zijn nog twee promovendi – Sarme Silitonga en Ronald van der Meulen – die hun proefschrift hopelijk op korte termijn zullen afronden met een promotie’, gaf hij aan. ‘Dat zal dan tevens mijn laatste formele rol als eerste promotor aan deze universiteit betekenen. Echter, met mijn opvolger Johan Maljaars zie ik een goede toekomst voor de leerstoel Aluminium Structures weggelegd.’ Maljaars sloot zijn intreerede af met de overtuiging dat het mogelijk is om nog veel meer mooie constructies in aluminium te realiseren. ‘Daaraan wil ik graag bijdragen, door studenten op te leiden en kennis op te bouwen, die relevant is voor aluminiumconstructies. Ik zal met heel veel plezier invulling geven aan de leerstoel Aluminium Structures.’  Aluminium- en bouwminnend Nederland kan blijven rekenen op onderzoek op het gebied van aluminiumconstructies.



Prof.ir. Frans Soetens
Prof.ir. Frans Soetens was van 1 juli 1995 tot 1 mei 2014 deeltijd hoogleraar Aluminiumconstructies aan de Technische Universiteit Eindhoven, faculteit Bouwkunde. Soetens (1948) studeerde Weg- en Waterbouwkunde aan de Hogere Technische School in Dordrecht en aan de Technische Universiteit Delft. In 1975 trad hij in dienst bij TNO Bouw, waar hij als senior wetenschappelijk medewerker verantwoordelijk was voor het verrichten van onderzoek op het gebied van aluminium- en staalconstructies met als specialisme Ontwerp en berekening van aluminiumconstructies. Tot aan zijn (pre-)pensionering op 1 september 2010 gaf hij leiding aan nationale en internationale onderzoeksprojecten op het gebied van aluminiumconstructies. Hij was lid van nationale en internationale onderzoekscommissies en heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan de totstandkoming van Eurocode 9, Design of Aluminium Structures. Veel draagconstructies in nieuwbouw- en renovatieprojecten zijn gebaseerd op de rekenregels in deze code. Sinds 2006 was hij de Europese vertegenwoordiger in het organisatiecomité van INALCO (International Aluminium Conferences) en heeft hij als chairman, samen met zijn Delftse collega prof. Katgerman, de INALCOconferentie van 2010 in Eindhoven georganiseerd. De laatste INALCO-conferentie in Montreal, Canada, in oktober 2013 is geopend met een keynote lecture, waarin hij een review van zijn activiteiten op aluminiumgebied heeft gepresenteerd.



Prof.dr.ir. Johan Maljaars
Prof.dr.ir. Johan Maljaars is op 1 april 2014 aangesteld als bijzonder hoogleraar Aluminium Structures aan de faculteit Bouwkunde van de TU/e. Maljaars studeerde Civiele Techniek aan de TU/Delft, waar hij in 2001 afstudeerde en in dienst trad bij TNO, waar hij tot op heden werkt.

Aan de TU/e startte hij in 2004 een PhD-onderzoek naar de brandwerendheid van aluminium constructies. Hij promoveerde in 2008. Momenteel doet hij onderzoek naar het mechanische gedrag van metaalconstructies. In het bijzonder worden nieuwe belasting- en responsiemodellen ontwikkeld, levensduurvoorspellingen opgesteld, expertbeoordelingen gegeven, studies uitgevoerd naar de technische oorzaak van het bezwijken van constructies en normen ontwikkeld. Daarbij wordt gebruikgemaakt van de theorie van de (breuk-)mechanica, numerieke simulatiemodellen, gebaseerd op de eindige-elementenmethode, nieuwe materiaalmodellen, resultaten van proeven in laboratoria en probabilistische technieken. Het onderzoek wordt toegepast op bouwwerken zoals bruggen, windturbines en offshore-constructies. Johan Maljaars participeert in internationale onderzoekscommissies op het gebied van vermoeiing, constructieve veiligheid en normering.



V.l.n.r.: prof.dr.ir. J. Maljaars, prof.ir. F. Soetens, ir. J.H.J. Mengelers, voorzitter van het college van bestuur, Mr. J.P. van Ham, vicevoorzitter van het college van bestuur.