M2012!13!7 Predavanje

11

Материјали у архитектуриМатеријали у архитектуриПредавач: проф. др. Ана РадивојевићПредавач: проф. др. Ана Радивојевић

77. предавање. предавањешколска школска 20120122--13.13. год.год.

р д р ф др д јр д р ф др д ј

МеталиМетали


металиметали –– компактни компактни материјали материјали којекоје одликује: одликује: карактеристичанкарактеристичан метални сјајметални сјај способност пластичног деформисањаспособност пластичног деформисања добра топлотна и електрична добра топлотна и електрична проводљивостпроводљивост

својства проистекла из својства проистекла из карактеристичне микроструктуре карактеристичне микроструктуре ––металне кристалне решеткеметалне кристалне решетке

22


применапримена уу грађевинарствуграђевинарству дугодуго временавременабилабила сведенасведена нана малимали бројброј металаметала ииограниченеограничене начиненачине њиховењихове применепримене

Еволуција примене металаЕволуција примене метала

праисторијапраисторија –– епохе одређене употребом оруђа иепохе одређене употребом оруђа и праисторија праисторија –– епохе одређене употребом оруђа и епохе одређене употребом оруђа и оружја од неког метала оружја од неког метала –– бронзано доба, гвоздено бронзано доба, гвоздено добадоба примена у грађевинарству безначајна или никаквапримена у грађевинарству безначајна или никаква

технологија производње гвожђа допринела да се технологија производње гвожђа допринела да се током антике и већег дела средњег века (дотоком антике и већег дела средњег века (до XVXV века)века)током антике и већег дела средњег века (до током антике и већег дела средњег века (до XVXV века) века) користи само хемијски веома чисто сирово гвожђе користи само хемијски веома чисто сирово гвожђе чије карактеристике не дозвољавају његову примену чије карактеристике не дозвољавају његову примену као конструктивног материјалакао конструктивног материјала

33


антички свет антички свет примена бронзаних греда у портику примена бронзаних греда у портику ПантеонаПантеона

Витрувије оставља податке о Витрувије оставља податке о потконструкцији спуштеног плафона од потконструкцији спуштеног плафона од гвоздених шипкигвоздених шипки

гвоздени клинови и кламфегвоздени клинови и кламфе оловни лим као изолација од влагеоловни лим као изолација од влаге оловне водоводне цеви оловне водоводне цеви заливање оловом монолитних камених заливање оловом монолитних камених елемената елемената –– спојно средствоспојно средство

средњовековни свет средњовековни свет –– примена слична примена слична античким временима;античким временима; новинановина -- покривање кровова покривање кровова сакралних грађевина оловним лимомсакралних грађевина оловним лимом


од од XVXV века почиње да века почиње да се користисе користиливено гвожђе,ливено гвожђе,односно, његовом односно, његовом даљом прерадомдаљом прерадом

(смањењем количине угљеника (смањењем количине угљеника

нова ера у примени нова ера у примени металаметала -- XVIII XVIII век век ––технологија технологија производње ливеног производње ливеног гвожђа у потпуности гвожђа у потпуности савладана па постаје савладана па постаје економски економски

на 0.02%)на 0.02%)

ковано гвожђековано гвожђе новинановина -- примена затега примена затега од кованог гвожђаод кованог гвожђа

исплатива;исплатива;

прва права прва права конструктивна конструктивна примена гвожђапримена гвожђа

44


мала отпорност ливеног гвожђа на савијање, али мала отпорност ливеног гвожђа на савијање, али добро подношење аксијалних напрезања (притиска и добро подношење аксијалних напрезања (притиска и затезања), предодредила његову примену у виду затезања), предодредила његову примену у виду стубова, лукова, решеткастих носача,стубова, лукова, решеткастих носача, али не и гредаали не и греда


Првобитна зграда Националне библиотеке у Паризу

Станица Остерлиц у Паризу

55


‘Галерија машина’


66


Развој нових система грађења – облакодери

(челик је први пут примењен у градњи облакодера 1883. године)

Савремени пример – Аеродром Кансаи, Осака, Јапан (арх. Ренцо Пиано)

77

Савремени пример Железничка станица у Цириху

(арх. Калатрава, Амслер, Ругер)

Савремени пример Железничка станица брзих возова у Лиона

(арх. Сантјаго Калатрава)

88

Савремени пример –Арапски институт у Паризу (арх. Жан Нувел)

Савремени пример - Гугенхајмов музеј у Билбау (арх. Френк Гери)

99

Савремени пример – Павиљон у Амстердаму, арх. Стивен Хол; примена перфорираних металних облога фасаде

Савремени примери сенила и застора од метала

1010

Савремени примери степеништа од метала


уу највећемнајвећем обимуобиму сесе примењујепримењује гвожђегвожђеии његовењегове легурелегуре ((9595%% укупногукупног обимаобимаприменепримене метала)метала)

1111


обим примене металаобим примене метала негативнанегативна својствасвојства обим примене метала обим примене метала последица последица позитивнихпозитивнихсвојстава ових својстава ових материјала:материјала: високе механичке високе механичке карактеристикекарактеристике

могућност обраде могућност обраде

негативнанегативна својства својства метала:метала: велике запреминске масевелике запреминске масе подложност корозијиподложност корозији значајне деформације значајне деформације при високим при високим температураматемпературама

деформацијом деформацијом (ваљање, ковање, (ваљање, ковање, извлачење)извлачење)

могућност ливењамогућност ливења заварљивостзаварљивост

неотпорни на пожарнеотпорни на пожар

Метали Метали –– начин примененачин применеСврха примене:Сврха примене: Облик примене:Облик примене:

у конструктивне сврхеу конструктивне сврхе као везни (спојни) као везни (спојни) елементелемент

у виду различитих облогау виду различитих облога у остале сврхеу остале сврхе

какокако биби сесе избеглаизбеглавеликавелика укупнаукупна тежинатежинаграђевинаграђевина (последица(последицавеликихвеликих запреминскихзапреминскихмасамаса већиневећине метала),метала),применапримена металаметала сесе

у остале сврхе у остале сврхе (инсталационе цеви и сл.)(инсталационе цеви и сл.)

углавномуглавном сводисводи нана::профиле профиле

иилимовелимове

1212


основна поделаосновна подела поступак (технологија)поступак (технологија) основна подела основна подела метала:метала:

1.1. црницрни гвожђе и челикгвожђе и челик

2.2. обојениобојени сви остали метали и сви остали метали и

((PbPb

поступак (технологија) поступак (технологија) добијања метала добијања метала условљен условљен карактеристикама карактеристикама сировине (руде):сировине (руде):

11 топљењетопљење (гвожђе челик(гвожђе челикњихове легурењихове легуре ((Pb, Pb, Cu, Al,…)Cu, Al,…)

1.1. топљењетопљење (гвожђе, челик, (гвожђе, челик, бакар,..)бакар,..)

2.2. електролизаелектролиза (алуминијум, (алуминијум, магнезијум,...)магнезијум,...)


1313


реткаретка применапримена чистихчистих металаметала –– углавномуглавном сесереткаретка применапримена чистихчистих металаметала углавномуглавном сесепримењујупримењују легурелегуре

легуралегура –– сложена супстанца добијена интеракцијом: сложена супстанца добијена интеракцијом: а) два или више металаа) два или више метала

илиилиб) метала са неметалимаб) метала са неметалима))

предност легура у односу на чисте метале:предност легура у односу на чисте метале: могућност побољшања механичких, хемијских, технолошких могућност побољшања механичких, хемијских, технолошких особина основних металаособина основних метала

економска повољностекономска повољност

Гвожђе и његове легуреГвожђе и његове легуре

чисто гвожђечисто гвожђе чисто гвожђечисто гвожђе-- није погодно за техничку употребу није погодно за техничку употребу -- има мале механичке чврстоћеима мале механичке чврстоће

гвожђе које се користи у грађевинарству увек гвожђе које се користи у грађевинарству увек садржи одређену количину других хемијских садржи одређену количину других хемијских елемената који утичу на његове особине и начинелемената који утичу на његове особине и начинелемената који утичу на његове особине и начин елемената који утичу на његове особине и начин примене:примене:

a.a. легирајући елементилегирајући елементи (позитиван утицај) (позитиван утицај) b.b. штетни састојциштетни састојци (негативан утицај);(негативан утицај);

1414


процеспроцес добијањадобијања гвожђагвожђајјсесе одвијаодвија уу високимвисоким

пећимапећима

резултат прераде руде:резултат прераде руде:сирово гвожђе сирово гвожђе ((данас се данас се ретко користи у оваквом ретко користи у оваквом р р ур р уоблику)облику)

лије се у калупе (инготе) лије се у калупе (инготе) и даље прерађујеи даље прерађује


сирово гвожђесирово гвожђе -- у зависности од врсте и у зависности од врсте и количине других хемијских елемената у свом саставу количине других хемијских елемената у свом саставу дели се на 3 карактеристичне врстедели се на 3 карактеристичне врсте

бело сирово бело сирово гвожђегвожђе

пуно мангана, пуно мангана, угљеник хемијски угљеник хемијски везан са гвожђемвезан са гвожђем

основна сировина за основна сировина за добијање добијање челикачелика

сиво сировосиво сирово пуно силицијума, пуно силицијума, за израдуза израду ливеногливеногсиво сирово сиво сирово гвожђегвожђе

угљеник у облику угљеник у облику графита (графита (>>2%)2%)

за израду за израду ливеног ливеног гвожђагвожђа

специјално специјално сирово гвожђе сирово гвожђе ((феролегуре)феролегуре)

фероферо--силицијум,силицијум,фероферо--манган,манган,фероферо--хромхром

за добијање за добијање специјалних врста специјалних врста челикачелика

1515


ливеноливено гвожђегвожђе –– добијадобија сесе претапањемпретапањем сивогсивог сировогсировогливеноливено гвожђегвожђе добијадобија сесе претапањемпретапањем сивогсивог сировогсировоггвожђагвожђа уу специјалнимспецијалним пећимапећима (куполна(куполна пећ)пећ)

•• карактеристичне особине:карактеристичне особине: тамно сиве боје, зрнастог преломатамно сиве боје, зрнастог прелома густина густина 7200 7200 kg/mkg/m33

мала жилавост материјаламала жилавост материјала коефицијент топлотног издужењакоефицијент топлотног издужења 1,0 1,0 mm/m/100mm/m/100ooCC σσzz: : σσss::σσpp=1: (1,5=1: (1,5--2): (3,52): (3,5--4)4) σσpp=1=1200 200 MPaMPa могућност обраде: могућност обраде: може може се турпијати и глачати, се турпијати и глачати, не можене може се се ковати, варити, ваљатиковати, варити, ваљати

за конструктивне елементе од ливеног гвожђа значајно за конструктивне елементе од ливеног гвожђа значајно да не постоје велике и нагле промене попречног пресекада не постоје велике и нагле промене попречног пресека


челикчелик –– легура гвожђа и угљеника добијеналегура гвожђа и угљеника добијена челикчелик легура гвожђа и угљеника добијена легура гвожђа и угљеника добијена прерадом белог сировог гвожђапрерадом белог сировог гвожђа

класификација се може вршити према:класификација се може вршити према:1.1. поступку производње поступку производње (Сименс(Сименс--Мартинов, Бесемеров, Мартинов, Бесемеров,

Томасов, електроТомасов, електро--челик)челик)22 наменинамени (конструкциони алатни)(конструкциони алатни)2.2. намени намени (конструкциони, алатни)(конструкциони, алатни)3.3. хемијском саставухемијском саставу (угљенични, легирани, микролегирани)(угљенични, легирани, микролегирани)

1616


примена у грађевинарству:примена у грађевинарству: примена у грађевинарству:примена у грађевинарству:•• обични (угљенични)обични (угљенични) челикчелик<1,7% C<1,7% C•• легирани челиклегирани челик –– присутни остали легирајући присутни остали легирајући елементиелементи

a.a. нисколегирајућинисколегирајући < 5% < 5% легирајућих примесалегирајућих примесаb.b. високолегирајућивисоколегирајући > 5%> 5% легирајућих примесалегирајућих примеса

хем.хем.ел.ел. SiSi MnMn CrCr NiNi WW MoMo VV CoCo TiTi CuCu AlAl

< < од од [[%%]] 0,600,60 0,800,80 0,300,30 0,300,30 0,100,10 0,080,08 0,010,01 0,100,10 0,050,05 0,400,40 0,100,10


карактеристичне особине челика:карактеристичне особине челика:

густина густина 7860 7860 kg/mkg/m33

жилав материјалжилав материјал коефицијент топлотног издужењакоефицијент топлотног издужења 1,2 1,2 mm/m/100mm/m/100ooCC велике механичке чврстоће (и на притисак, и на затезање) велике механичке чврстоће (и на притисак, и на затезање)

и до 2600 и до 2600 MPaMPaконкретне вредности условљене саставом челикаконкретне вредности условљене саставом челика

1717

Обрада металаОбрада метала

облици даље обраде металаоблици даље обраде метала(ливеног гвожђа и челика):(ливеног гвожђа и челика):

1.1. ради добијања елемената одређених обликаради добијања елемената одређених облика –– ковање и ковање и пресовање, ливење, ваљањепресовање, ливење, ваљање

2.2. ради побољшања квалитетаради побољшања квалитета (постизања одређеног (постизања одређеног својства или завршне обраде) својства или завршне обраде) –– долази до измене структуре и долази до измене структуре и појединих особина:појединих особина:појединих особина:појединих особина:

a.a. механичка обрадамеханичка обрада –– ковање, ваљање, извлачењековање, ваљање, извлачењеb.b. термичка обрадатермичка обрада (врши се након механичке обраде) (врши се након механичке обраде) –– каљење, каљење,

отпуштање, жарење (поништава претходно дејство каљења, или отпуштање, жарење (поништава претходно дејство каљења, или отупштања)отупштања)

c.c. хемијска обрадахемијска обрада –– цементовање, нитровање цементовање, нитровање –– повећање тврдоће повећање тврдоће челикачелика

Спајање металаСпајање метала

међусобно спајање метала семеђусобно спајање метала се међусобно спајање метала се међусобно спајање метала се може извршити на 2 начина:може извршити на 2 начина:

1.1. раздвојивим везамараздвојивим везама –– веза веза између елемената је механичка између елемената је механичка (завртњи, закивци, веза (завртњи, закивци, веза квачењем и сл.)квачењем и сл.)

2.2. нераздвојивим везаманераздвојивим везама ––( ћ ј )( ћ ј )лемљење (помоћу калаја), лемљење (помоћу калаја),

варење, лепљењеварење, лепљење

начинначин повезивањаповезивања металнихметалних деловаделовауу великојвеликој меримери предодређујепредодређујеконструктивниконструктивни типтип везевезе –– крутакрутаилиили зглобназглобна

1818

Облици примене челикаОблици примене челика

профилипрофили –– челици за носеће конструкције челици за носеће конструкције (шипке, штапови)(шипке, штапови)


лимови:лимови:а. према дебљини:а. према дебљини:танки (дотанки (до 3mm)3mm)танки (до танки (до 3mm)3mm), , средњисредњи (3(3--4,75mm)4,75mm), , дебелидебели (4,75(4,75--60mm)60mm)

1919


лимови:лимови:б.б. према према ррначину/поступку начину/поступку обликовања лима:обликовања лима:

равниравни таласаститаласасти браздасти и брадавичастибраздасти и брадавичасти

бб коритасте и удубљене коритасте и удубљене плочеплоче

челичне цеви челичне цеви (са или без (са или без шава)шава)


хладнообликовани профилихладнообликовани профили хладнообликовани профилихладнообликовани профили челична жицачелична жица челична ужадчелична ужад челици за вијке и сл.челици за вијке и сл. бетонски челикбетонски челик челици за преднапрегнут бетончелици за преднапрегнут бетонц р д р уц р д р у

2020

Обојени металиОбојени металиврста врста металаметала AlAl CuCu ZnZn PbPb

месингмесинг(Z C )(Z C )

бронзабронза(K C )(K C )металаметала (Zn+Cu)(Zn+Cu) (K+Cu)(K+Cu)

густинагустина[kg/m[kg/m33]]

2 7002 700 9 0009 000 7 1007 100 11 50011 500 8 6008 600 8 8008 800

коеф. коеф. топл. топл. издужењаиздужења[mm/m/100[mm/m/100ooC]C]

2,42,4 1,71,7 2,92,9 2,92,9 -- --

eeластичностластичностeeластичностластичност[MPa][MPa]

70 00070 000 120 000120 000 90 00090 000 15 00015 000 -- --

начин/начин/облик облик применепримене

лимови, лимови, фолије, фолије, профилипрофили

лимови, лимови, жицежице

лимови, лимови, жице, жице, фолијефолије

лимови, лимови, плоче, плоче, цевицеви

цеви, цеви, славине, славине, окови за окови за прозоре и прозоре и вратаврата

окови и окови и украсиукраси

ДеформацијеДеформације и разарање и разарање металаметала

карактеристичне деформације метала:карактеристичне деформације метала: карактеристичне деформације метала:карактеристичне деформације метала:

1.1. уследуслед променепромене температуретемпературе –– последицапоследицавеликевелике вредностивредности коефицијентакоефицијентатоплотногтоплотног издужењаиздужења

2.2. уследуслед деловањаделовања механичкихмеханичких силасила ––последицапоследица жилавостижилавости материјаламатеријала

2121

Деформације и Деформације и разарање разарање металаметала

карактеристичан вид разарања металакарактеристичан вид разарања метала карактеристичан вид разарања метала карактеристичан вид разарања метала –– корозијакорозија нагризањенагризање ии разарањеразарање (претежно(претежно

површинско)површинско) чврстихчврстих материјаламатеријала каокаопоследицапоследица хемијских/електрохемијскиххемијских/електрохемијскихреакцијареакција припри контактуконтакту саса:: ваздухом,ваздухом, водом,водом, земљиштем,земљиштем, међусобноммеђусобном контактуконтакту

најчешћенајчешће јеје корозијакорозија интензивнијаинтензивнија ууприсуствуприсуству воде!!!!воде!!!!

Деформације и Деформације и разарање разарање гвожђа и његових легурагвожђа и његових легура

специфични облици корозијеспецифични облици корозије специфични облици корозије специфични облици корозије карактеристични за метале: карактеристични за метале:

1.1. атмосферска корозијаатмосферска корозија -- у односу на кисеонику односу на кисеоник2.2. галванска корозијагалванска корозија

•• јављајавља сесе уколикоуколико сесе 22 метала,метала, различитогразличитогелектродногелектродног потенцијалапотенцијала нађунађу уумеђусобноммеђусобном контактуконтакту уу присуствуприсуствумеђусобноммеђусобном контактуконтакту уу присуствуприсуствуелектролитаелектролита (галванска(галванска ћелија)ћелија)

анода(-) катода (+)електролит(вода, влага)

2222

Атмосферска Атмосферска корозијакорозијаметаламетала

1.1. једнолична, једнолична, равномернаравномерна скрама скрама оксидаоксида, чврсто , чврсто прионутог за подлогу прионутог за подлогу –– без пукотина и порабез пукотина и пора

заштита од разарањазаштита од разарања

карактеристика обојених метала карактеристика обојених метала –– добра добра корозиона отпорносткорозиона отпорност –– превлачење превлачење равномерном превлаком оксида која равномерном превлаком оксида која штити металштити метал


22 местимична саместимична са2.2. местимична, са местимична, са пукотинама,пукотинама, одваја се одваја се од подлогеод подлоге

води ка постепеном води ка постепеном разарањуразарању

карактеристична за карактеристична за челик, челик, FeFe

2323

посебне легурепосебне легуре –– CorTenCorTen –– утисак зарђалогутисак зарђалог

Атмосферска корозија Атмосферска корозија металаметала

посебне легуре посебне легуре CorTen CorTen утисак зарђалог утисак зарђалог челикачелика


превентивапревентива –– одговарајућаодговарајућапревентива превентива одговарајућа одговарајућа површинска обрада:површинска обрада:

премази лаковима/бојомпремази лаковима/бојом емајлирањеемајлирање покривање слојем отпорног покривање слојем отпорног металаметала

елоксирањеелоксирање

специфични поступак специфични поступак завршне/површинске обраде завршне/површинске обраде алуминијума алуминијума –– елоксирање елоксирање (процес анодне оксидације)(процес анодне оксидације)

2424

Еколошке особине металаЕколошке особине метала карактер утицаја на окружење и карактер утицаја на окружење и количина уграђене енергије и количина уграђене енергије и уграђеног уграђеног COCO22 :: приликом експлоатације рудеприликом експлоатације руде приликом експлоатације руде приликом експлоатације руде метала као нузметала као нуз--продукт јављају се продукт јављају се “брда” згуре и прашине “брда” згуре и прашине –– овај овај материјал се у одређеној мери материјал се у одређеној мери може искориститиможе искористити--рециклирати у рециклирати у поступку производње бетонапоступку производње бетона

експлоатација руде метала трајно експлоатација руде метала трајно нарушавају карактеристике нарушавају карактеристике крајоликакрајоликакрајоликакрајолика

сви индустријски процеси који се сви индустријски процеси који се тичу екстракције металне руде и тичу екстракције металне руде и топљење метала представљају топљење метала представљају озбиљне загађиваче околине озбиљне загађиваче околине ––велика количина уграђене енергије, велика количина уграђене енергије, велика емисија велика емисија COCO22 и значајно и значајно загађење прашином и загађење прашином и SOSO22

Еколошке особине металаЕколошке особине метала

карактер утицаја на окружење и количинакарактер утицаја на окружење и количина карактер утицаја на окружење и количина карактер утицаја на окружење и количина уграђене енергије и уграђеног уграђене енергије и уграђеног COCO22 :: примена готових металних производа у примена готових металних производа у грађевинарству не узрокује значајније загађење грађевинарству не узрокује значајније загађење околинеоколине

проблем представљају честице метала које проблем представљају честице метала које доспевају у воду и тло доспевају у воду и тло –– када овако доспе у када овако доспе у ју у ују у у ууземљу/воду, метал никада не може бити уклоњен земљу/воду, метал никада не може бити уклоњен –– нема даљег разлагањанема даљег разлагања релативно бенигни релативно бенигни –– Fe, Al, Mg, TiFe, Al, Mg, Ti –– велики потенцијал за велики потенцијал за рециклажурециклажу

изразито опасни за животну средину изразито опасни за животну средину –– Cr, Ni, Cu, Zn, Cr, Ni, Cu, Zn, Pb, Pb, Cd, HgCd, Hg

2525

Еколошке особине металаЕколошке особине метала одрживост ресурса и одрживост ресурса и могућност рециклирања:могућност рециклирања:могућност рециклирања:могућност рециклирања: сви метали се (у принципу) сви метали се (у принципу) могу рециклирати могу рециклирати –– овиме овиме се значајно смањује се значајно смањује количина уграђене енергије количина уграђене енергије у односу на првобитни у односу на првобитни процес (20процес (20--70% 70% --алуминијум)алуминијум)

топлотна енергија која се у топлотна енергија која се у поступку прераде ствара се поступку прераде ствара се може искористити за систем може искористити за систем даљинског грејањадаљинског грејања

Еколошке особине метала Еколошке особине метала ––занимљивости везане за рециклажу занимљивости везане за рециклажу

челикачелика због своје особине да га привлачи магнет, челик представља због своје особине да га привлачи магнет, челик представља

ј ј ј ј ј ћј ј ј ј ј ћматеријал који се најлакше одваја са депоније смећа. материјал који се најлакше одваја са депоније смећа. челик је материјал који се у Северној Америци годишње челик је материјал који се у Северној Америци годишње рециклира у највећем проценту (69%) рециклира у највећем проценту (69%) –– више него папир, више него папир, алуминијум, пластика и стакло заједно!алуминијум, пластика и стакло заједно!

са сваком тоном челика која се рециклира уштеди се: 113са сваком тоном челика која се рециклира уштеди се: 1134 kg4 kgгвоздене руде; 635 гвоздене руде; 635 kgkg угља и 54 угља и 54 kgkg кречњака.кречњака.

више од 95% воде која се користи у производњи челика се више од 95% воде која се користи у производњи челика се рециклира у Северној Америци.рециклира у Северној Америци.

95% челика узетог из грађевинског шута је рециклирано и95% челика узетог из грађевинског шута је рециклирано и 95% челика узетог из грађевинског шута је рециклирано и 95% челика узетог из грађевинског шута је рециклирано и претворено у претворено у нове челичне производе у току 2002. године, у нове челичне производе у току 2002. године, у Северној Америци.Северној Америци.

нова челична конструкција садржи више од 28% рециклираног нова челична конструкција садржи више од 28% рециклираног челика, а сама је 100% рециклабилна.челика, а сама је 100% рециклабилна.

..................

Documents

M2012!13!7 Predavanje