Γ.-Φοίβος ΣαργέντηςΜάρτιος 2015

ΑρχιτεκτονικέςΑρχιτεκτονικές εφαρµογέςεφαρµογές µετάλλωνµετάλλων

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

Περιεχόµενα παρουσίασης

Συνήθη µέταλλα σε αρχιτεκτονικές εφαρµογέςΙδιότητεςΠαραγωγήΣυγκόλληση∆ιάβρωσηΧρήση-εφαρµογές-παραδείγµαταΕργαστηριακές δοκιµές

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

Γενικά

• Τα µέταλλα προέρχονται από τις διάφορες ενώσεις των µετάλλων πουβρίσκονται στη φύση µε τη µορφή µεταλλευµάτων

• Τα µέταλλα ενώνονται µε άλλα χηµικά στοιχεία και σχηµατίζουν διάφορεςενώσεις, οι οποίες ονοµάζονται κράµατα.

• Τα κράµατα παρουσιάζουν βελτιωµένες ιδιότητες, οι οποίες εξαρτώνταιαπό τα υλικά και τις αναλογίες ανάµιξης.

• Επειδή ο σίδηρος και τα κράµατά του (χυτοσίδηρος, χάλυβας, κ.ά.) είναιτα πιο διαδεδοµένα µεταλλικά υλικά, η εξαγωγική µεταλλουργίαδιακρίνεται σε µεταλλουργία σιδήρου και σιδηρούχων µετάλλων και σεµεταλλουργία µη σιδηρούχων µετάλλων.

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

Γενικά

• Τα σιδηρούχα µέταλλα περιλαµβάνουν τονσίδηρο και τα κράµατά του: χυτοσίδηρος, χάλυβας, ανοξείδωτος χάλυβας, κ.λπ.

• Τα µη σιδηρούχα µέταλλα διακρίνονται σε– βασικά: χαλκός, µόλυβδος, ψευδάργυρος, κασσίτερος, αλουµίνιο– δευτερεύοντα: κάδµιο, κοβάλτιο, µαγνήσιο, τιτάνιο, χρώµιο, βανάδιο, υδράργυρος κ.ά. και

– πολύτιµα: χρυσός, άργυρος, λευκόχρυσος και πλατινοειδή(παλλάδιο, κ.ά).

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

Τα µέταλλα διακρίνονται σε:Σιδηρούχα µέταλλα Σηµείο τήξεως °C

Σίδηρος 1535

Χυτοσιδηρος 1204

Σφυρήλατος Σίδηρος 1482

ΑτσάλιΜε συγκέντρωση άνθρακα µεταξύ 0,2% και 2,1% παράγεται χάλυβας (steel ή «ατσάλι» εκτου λατινικού acciaio), (έως 1.000 φορές σκληρότερο)

1371

Μη σιδηρούχα µέταλλα Σηµείο τήξεως °CΜόλυβδος 327

Ψευδάργυρος 419

Μαγνήσιο 651

Αλουµίνιο 659

Ασήµι 951

Χαλκός 1083

Ορείχαλκος (χαλκός +ψευδάργυρος) ~800-900 °CΜπρούτζος (χαλκός +κασσίτερος)

Νικέλιο 1452

• Οι τεχνολογικές ιδιότητες αναφέρονται:– Στη συµπεριφορά των µετάλλων στις διάφορες µηχανικές και θερµικές κατεργασίες, όπως είναι η

ολκιµότητα, η χυτευσιµότητα, η συγκολλησιµότητα και η ελατότητα.

• Μηχανικές αντοχές τα µέταλλα και τα κράµµατά των µετάλλων παρουσιάζουν πολύ υψηλές µηχανικέςαντοχές

• Ολκιµότητα ονοµάζεται η ικανότητα των µετάλλων να παίρνουν τη µορφή σύρµατος, όταν υποβάλλονταισε εφελκυστικές τάσεις σε ειδική συσκευή.

• Συγκολλησιµότητα ονοµάζεται η ικανότητα των µετάλλων να συγκολλώνται δύο κοµµάτια του ίδιουµετάλλου χωρίς να µειώνονται οι µηχανικές ιδιότητες στη διατοµή συγκόλλησης.

• Χυτευσιµότητα ονοµάζεται η ικανότητα των µετάλλων να παίρνουν οποιοδήποτε σχήµα, όταν χυθούν σεκατάλληλα καλούπια σε κατάσταση τήξης.

• Ελατότητα ονοµάζεται η ικανότητα των µετάλλων να µεταβάλλεται το σχήµα τους υπό την επίδρασηεξωτερικών δυνάµεων χωρίς να ρηγµατώνονται.

• Η µεταβολή του σχήµατος των µετάλλων γίνεται:– Εν ψυχρώ, σε θερµοκρασία περιβάλλοντος– Εν θερµώ, σε θερµοκρασία ερυθροπύρωσης

Ιδιότητες

ΣυντελεστήςΣυντελεστής θερµικήςθερµικής διαστολήςδιαστολής

W/m*KW/m*K0

20

40

60

80

100

Χάλυβας Χαλκός

Ιδιότητες

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

Φορτίσεις

Στατικές

Η επιλογή µορφής-υλικούπαίζει ρόλο στηνπαραλαβή των φορτίωνκαι είναι υπεύθυνη γιαχαρακτηριστικές αστοχίες

Σχετικό ερευνητικό έργο ΕργαστήριοΑντισεισµικής Τεχνολογίας Ε.Μ.Π.

Γήρανση

Φυσικός λίθοςΑφαιρετική µέθοδος

ΥλικόΤεχνική

ΧαλκόςΧύτευση

ΧαρακτηριστικόςΧαρακτηριστικόςπρόβολοςπρόβολος

ΜπρούτζοςΜπρούτζος ΦυσικόςΦυσικόςλίθοςλίθος

ΣηµείοΣηµείοενίσχυσηςενίσχυσης--αστοχίεςαστοχίες

Ο Περσέας µε το κεφάλι της Μέδουσας, του Benvenuto Cellini ∆αβίδ, του Μιχαήλ Άγγελου

Παραγωγή µετάλλων• Αναλόγως µε τον τρόπο της παραγωγής των µετάλλων, οι διεργασίες της

εξαγωγικής µεταλλουργίας διακρίνονται σε πυροµεταλλουργικές καιυδροµεταλλουργικές.

• Στις πυροµεταλλουργικές διεργασίες, το παραγόµενο µέταλλο εξάγεται στην µορφήτήγµατος σε θερµοκρασίες πολύ υψηλότερες από την θερµοκρασία περιβάλλοντος. Στις υδροµεταλλουργικές διεργασίες, το παραγόµενο µέταλλο ανακτάται απόυδατικά διαλύµατα σε σχετικά χαµηλές θερµοκρασίες που δεν ξεπερνούν τους300 °C. Η µεταλλουργία σιδηρούχων χρησιµοποιεί αποκλειστικάπυροµεταλλουργικές µεθόδους, ενώ η µεταλλουργία µη σιδηρούχων µετάλλωνχρησιµοποιεί πυροµεταλλουργικές, υδροµεταλλουργικές ή µεικτές(πυροµεταλλουργικές–υδροµεταλλουργικές) διεργασίες.

• Συνήθως στην εξαγωγική µεταλλουργία συµπεριλαµβάνεται και ο εµπλουτισµός τωνµεταλλευµάτων, δηλ. η παραγωγή συµπυκνωµάτων σχετικά καθαρών ορυκτών απόµεταλλεύµατα µε τεχνικές φυσικού διαχωρισµού. Τέλος, ειδική κατηγορία τηςεξαγωγικής µεταλλουργίας θεωρείται και η ηλεκτροµεταλλουργία, δηλ. η ανάκτησηµετάλλων µε ηλεκτρόλυση υδατικών διαλυµάτων ή ηλεκτρόλυση τηγµάτων οξειδίων, αλογονούχων αλάτων, κ.λπ.

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

Παραγωγή χάλυβα

1856 Henry Bessemer• Ανακάλυψη εύκολης µεθόδου για την αποµάκρυνση του άνθρακα από τον χυτοσίδηρο. • Παλαιά µέθοδος- ισχυρή θέρµανση• Νέα µέθοδος- παροχή οξυγόνου µέσα από τον τηγµένο σίδηρο• Η µέθοδος αυτή επέτρεψε την µαζική παραγωγή χάλυβα και την κατασκευή υψηλών

κτηρίων (ουρανοξυστών). • Η χρήση του χάλυβα έδωσε στην κατασκευή την απαιτούµενη δυνατότητα

παραµορφώσεων και ανάληψη εφελκυστικών καταπονήσεων.

Σχηµατικό διάγραµµα της παραγωγής χυτοσιδήρου καιηµιτελών προϊόντων χάλυβα.

Η µετάβαση του ανθρώπου σταιστορικά χρόνια έγινε µε τηνανακάλυψηπυροµεταλλουργικών τεχνικώνπου επέτρεψαν την παραγωγήδιαφόρων µετάλλων. Έτσισήµερα γίνεται λόγος για Εποχήτου Χαλκού (3000 π.Χ. – 1200 π.Χ.), Εποχή του Σιδήρου (1200 π.Χ. – 1800 µ.Χ.), Εποχή τουΧάλυβα (1800–1945), κ.λπ.

http://el.wikipedia.org/wiki/Χάλυβας

Η παγκόσµια παραγωγή χάλυβα από το 1943 έωςτο 2012. Πηγή: US Geological Survey, 2015.

Η ελληνική παραγωγή χάλυβα σηµείωσεεντυπωσιακή άνοδο µετά το 2000. Όµως απότο 2008 και µετά παρουσίασε σηµαντικήκάµψη. (Στοιχεία από: worldsteel.org, 2015.)

http://el.wikipedia.org/wiki/Χάλυβας

∆είκτης

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

Παραγωγή µολύβδου από συµπυκνώµατα γαληνίτη (PbS) µε φρύξη σε κάµινο Dwight–Lloyd, αναγωγή σε φρεατώδη κάµινο και καθαρισµό µε πυροµεταλλουργικές τεχνικές.

http://http://el.wikipedia.orgel.wikipedia.org/wiki//wiki/ΠυροµεταλλουργίαΠυροµεταλλουργία

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

Παραγωγή αργού χαλκού από θειούχα χαλκοµεταλλεύµατα µε ακαριαία τήξη σε κάµινο Outokumpuπρος matte και αναγωγή της matte σε µεταλλάκτη Pierce–Smith (εργοστάσιο Πυχασάλµι(Pyhäsalmi), Φινλανδία, 1976).

http://http://el.wikipedia.orgel.wikipedia.org/wiki//wiki/ΠυροµεταλλουργίαΠυροµεταλλουργία

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

Χρήσεις• Από την αρχαιότητα: Χρήση µετάλλων και κραµάτων για την κατασκευή εργαλείων και όπλων

– Αρχικά: Χρησιµοποιήθηκε ο χαλκός, ο µπρούντζος και ακολούθως ο σίδηρος. – 19ος αιώνας: Άρχισε να χρησιµοποιείται σε µεγάλη κλίµακα ο χάλυβας, όταν έγινε δυνατή η παραγωγή του σε µεγάλες

ποσότητες– τέλη 19ου αιώνα: Η ανακάλυψη του αλουµινίου προσέφερε νέες δυνατότητες εφαρµογών

• Στη δοµική τα µέταλλα άργησαν να χρησιµοποιηθούν σε ευρεία κλίµακα. • Αυτό έγινε όταν άρχισαν να κατασκευάζονται µεγαλύτερα και πιο σύνθετα έργα, οπότε έπρεπε να

χρησιµοποιηθούν υλικά µε βελτιωµένες ιδιότητες και µικρότερο κόστος.• Πρώτα µεταλλικά δοµικά έργα: Οδικές και σιδηροδροµικές γέφυρες, δοκοί και στύλοι για στέγες

Κατασκευή από χυτοσίδηρο• Σήµερα → Αλµατώδης ανάπτυξη της παρασκευής και της τεχνολογίας του σιδήρου και του χάλυβα

→ Ευρύτατη χρήση σιδήρου και χάλυβα: - Σε σηµαντικά κτηριοδοµικά έργα, - Στις τρέχουσες καθηµερινές κατασκευές

• Η κατασκευή πολύ σηµαντικών έργων, όπως γέφυρες µε εξαιρετικά µεγάλα ανοίγµατα, αίθουσες µεµεγάλες διαστάσεις χωρίς υποστυλώµατα κ.ά., έγινε δυνατή µόνο µε τη χρησιµοποίηση αυτών τωνυλικών.

• Χάλυβας µαζί µε σκυρόδεµα: Χρήση σε έργα από οπλισµένο και προεντεταµένο σκυρόδεµα• Χαλκός, Ψευδάργυρος, κ.ά.: Χρήση στις κατασκευές σε περιορισµένη έκταση• Αλουµίνιο: Χρήση τα τελευταία χρόνια κυρίως στις εξωτερικές όψεις των

κτηρίων, επειδή είναι ελαφρύ, µε µεγάλη αντοχήκαι εξαιρετική ανθεκτικότητα στις καιρικές µεταβολές

Συγκολλήσεις• Η συγκόλληση τόξου ή ηλεκτροσυγκόλληση στηρίζεται στη δηµιουργία

ηλεκτρικού τόξου ανάµεσα στο κοµµάτι, που θέλουµε να κολληθεί, και σεένα ηλεκτρόδιο, που είναι ταυτόχρονα και συγκολλητικό µέσο. Για να γίνειαυτό, το ηλεκτρόδιο και το κοµµάτι συνδέονται µε τους ακροδέκτεςγεννήτριας ηλεκτρικού ρεύµατος.

• Η συγκόλληση µε οξυγονοασετυλίνη (οξυγονοσυγκόλληση ήοξυγονοκόλληση) πρωτοεµφανίστηκε στις αρχές του 20ου αιώνα. Χρησιµοποιείται για τη συγκόλληση µεταλλικών ελασµάτων ή δοκών, ράβδων, σωλήνων κ.λπ. Η οξυγονοκόλληση είναι µία αυτογενήςσυγκόλληση, γιατί πραγµατοποιείται µέσω της τήξης των άκρων των δύοπρος συγκόλληση τεµαχίων και µε προσθήκη ή όχι συγκολλητικού υλικού.

http://http://en.wikipedia.orgen.wikipedia.org/wiki/Welding/wiki/Welding

Έλεγχοι συγκόλλησηςΣυνήθης έλεγχοι: Μηχανικός, οπτικός έλεγχος• Έλεγχος µε φθορισµό : Αλείφεται η ραφή της συγκόλλησης µε θειούχο

ψευδάργυρο, που είναι φθορίζον υλικό, και στη συνέχεια, αφού σκουπιστεί ηεπιφάνεια, φωτίζεται και έτσι µπορεί να παρατηρηθούν ρωγµές, πόροι κ.λπ, σταοποία ο θειούχος ψευδάργυρος παραµένει και λάµπει.

• Μαγνητικός έλεγχος : Τοποθετούνται χαλύβδινα κοµµάτια σε µαγνητικό πεδίο καιαπό τη συνέχεια των µαγνητικών γραµµών φαίνεται αν υπάρχει ή όχι ανωµαλίαστη συγκόλληση.

• Έλεγχος µε υπερήχους : Μία δέσµη υπερήχων προσπίπτει στην ραφή τηςσυγκόλλησης και ανακλάται. Σε περίπτωση που υπάρχει εσωτερικά στη ραφήκάποιο ελάττωµα, αυτό εντοπίζεται, επειδή η ανάκλαση του υπερήχου διακόπτεταικαι δεν είναι συνεχής. Η µέθοδος αυτή είναι από τις πιο αξιόπιστες αλλά απαιτείειδική προετοιµασία.

• Έλεγχος µε ακτίνες X : Τα ελαττώµατα της συγκόλλησης µεταφράζονται σε σκιέςπάνω σε φίλµ µετά από προσβολή από ακτίνες Χ.

• • Έλεγχος µε ακτίνες γ : Οι ακτίνες γ έχουν πολύ µεγαλύτερη διεισδυτική ικανότητααπό τις αντίστοιχες ακτίνες Χ. Σε αυτή την περίπτωση επίσης τα ελαττώµατα τηςσυγκόλλησης µεταφράζονται σε σκιές πάνω σε φιλµ µετά από προσβολή απόακτίνες γ. www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

∆ιάβρωση• Η διάβρωση ή χηµική διάβρωση είναι αυθόρµητο φαινόµενο

χηµικής διεργασίας και η φυσική του εξήγηση ανήκει στονεπιστηµονικό κλάδο της ηλεκτροχηµείας. Κατά τη διάβρωση τοµεταλλικό υλικό υπό την επίδραση του περιβάλλοντος χάνειηλεκτρόνια, τα οποία δεσµεύονται (συνήθως) από το οξυγόνο τουπεριβάλλοντος (γι αυτό και την διαδικασία αυτή την ονοµάζουµε καιοξείδωση). Υπάρχει δηλαδή αύξηση του σθένους του µετάλλουκατά την ηλεκτροχηµική αντίδραση:

Me ---> Men++ne-

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

Γενικά: όταν «παντρεύουµε» διαφορετικά µέταλλαέχουµε µεγάλες πιθανότητες να «τσακωθούν»

Γενικά: διάβρωση µετάλλων σηµαίνει µεταβολή όγκου(αστοχίες στην περίπτωση που εµπεριέχονται π.χ. χάλυβες σεκονίαµα ή ως σύνδεσµοι µαρµάρου)

Χρήσεις-εφαρµογές-παραδείγµατα

• Νέες φοιτητικές εστίες στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου• Αποκατάσταση του κτηρίου Αβέρωφ• Αρχιτεκτονικές εφαρµογές• ∆ιάβρωση µετάλλων: Το άγαλµα της Ελευθερίας• ∆ιάβρωση µετάλλων: Μεταλλικές συνδέσεις σε µάρµαρα• Χύτευση µε χαµένο κερί

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

Οπλισµός σκυροδέµατος Νέων Φοιτητικών Εστιών = 1.200.000 Kgr

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruviushttp://en.wikipedia.org/wiki/Copper_in_architecture#

Frank O. Gehry, (1997), Μουσείο Guggenheim > Bilbao, Ισπανία, επικάλυψη µε τιτάνιο

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/de/Guggenheim-bilbao-jan05.jpg

Αφηγηµατικές µακέτες της κατασκευής του αγάλµατος της Ελευθερίας. Παρίσι. Μουσείο µέτρων και σταθµών (Musée des arts et métiers)•• ΓλύπτηςΓλύπτης: : FrFrééddééricric AugusteAuguste BartholdiBartholdi•• ΜηχανικόςΜηχανικός--κατασκευαστήςκατασκευαστής: : GustaveGustave EiffelEiffel

Όταν δύο διαφορετικά µέταλλα βρίσκονταισε αγώγιµη επαφή µεταξύ τους σε διαβρωτικό περιβάλλονπαρατηρείται έντονη διάβρωση. Η µορφή αυτή διάβρωσηςείναι καθαρά ηλεκτροχηµική και ονοµάζεται γαλβανική ήεπαφήςΕδώ, η επαφή είχε µονωθεί µε ασβέστη αναµιγµένο µεγοµαλάκα.

http://http://en.wikipedia.org/wiki/Copper_in_architectureen.wikipedia.org/wiki/Copper_in_architecture##, , http://http://en.wikipedia.org/wiki/Statue_of_Libertyen.wikipedia.org/wiki/Statue_of_Liberty, , www.open.eduwww.open.edu//

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

ΌπτησηΌπτηση τουτουεκµαγείουεκµαγείου

ΘερµικόΘερµικό κρουστικόκρουστικόφορτίοφορτίο

Αρχαία

ΑρχαίαΕλλάδα

Ελλάδα

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

∆ευτερογενές∆ευτερογενέςεκµαγείοεκµαγείο

ΤοΤο κονίαµακονίαµα έχειέχει υποστείυποστεί όπτησηόπτηση((ελεύθεροελεύθερο κεριούκεριού) ) χάνονταςχάνοντας

µέροςµέρος τηςτης συνάφειάςσυνάφειάς τουτου

≈≈ 1.000 1.000 ºº CC

ΑγωγόςΑγωγός χύτευσηςχύτευσης ≈≈ ΦΦ/10/10 mmmm

ΚέλυφοςΚέλυφος 55--77mmmm

ΚρουστικόΚρουστικό φορτίοφορτίο

ΤοπικόςΤοπικός περιορισµόςπεριορισµόςτωντων τάσεωντάσεων

ΧρονικόςΧρονικόςπεριορισµόςπεριορισµός τωντων

τάσεωντάσεων

ΘερµικόΘερµικόκρουστικόκρουστικό φορτίοφορτίο

ΤοΤο κονίαµακονίαµα φορτίζεταιφορτίζεται µεµε θερµικέςθερµικές τάσειςτάσειςλόγωλόγω τωντων απότοµωναπότοµων µεταβολώνµεταβολών

θερµοκρασίαςθερµοκρασίας

TT ºº CC κελύφουςκελύφους ≈≈ περιβάλλοντοςπεριβάλλοντος

www.ntua.gr/vitruviuswww.ntua.gr/vitruvius

30,0°C

800,0°C

200

400

600

800

30,0°C

800,0°C

200

400

600

800

Υπέρυθρη φωτογράφησηθερµοκρασιακώνδιαφορών κατά τηνχύτευση

Εργαστήριοχαλκοχυτικής

26.04.04

ΤοΤο εκµαγείοεκµαγείο

ΕλεύθεροΕλεύθεροκεριούκεριού

20,0°C

70,0°C

20

30

40

50

60

70

20,3°C

70,0°C

30

40

50

60

70