Profil aluminiowy czy stalowy - jak dobrać do konstrukcji

1. Czym profil aluminiowy różni się od stalowego w konstrukcji?

Różnią się trzema parametrami, które wynikają z natury materiału, a nie z oferty producenta: modułem sprężystości (aluminium 70 GPa, stal 210 GPa), gęstością (2700 wobec 7850 kg/m³) i granicą plastyczności. Aluminium jest o dwie trzecie lżejsze, ale trzykrotnie mniej sztywne. Pozostałe różnice - spawanie, rozszerzalność, korozja - wynikają z tych liczb albo z odrębnych cech stopu.

Zestawienie dla najczęściej porównywanych wyrobów: profilu stalowego S235JR wg PN-EN 10025-2 i profilu aluminiowego 6060 w stanie T66 wg PN-EN 755-2:

Szczegóły gatunków aluminium (6060, 6063, 6082) i stanów T5, T6, T66 opisujemy w artykule o doborze gatunku aluminium, a gatunki stali S235, S275 i S355 w tekście o doborze gatunku stali. Tutaj porównujemy materiały jako całość.

2. Co decyduje o ugięciu profilu - moduł sprężystości czy gatunek?

O ugięciu decyduje moduł sprężystości, nie gatunek. Sztywność giętna profilu to iloczyn EI, czyli modułu sprężystości E i momentu bezwładności przekroju I. Gatunek wpływa na granicę plastyczności, a więc na to, jakie naprężenia profil przeniesie bez trwałego odkształcenia - ale nie na to, jak bardzo się ugnie.

Dlatego zamiana S235 na S355 nic nie daje, gdy o przekroju rozstrzyga ugięcie, a aluminium wymaga większego przekroju niż stal. Ugięcie belki swobodnie podpartej z obciążeniem równomiernym wyraża wzór:

f = 5 · q · L⁴ / (384 · E · I)

Przy tym samym obciążeniu q, rozpiętości L i przekroju profil aluminiowy ugnie się trzy razy bardziej niż stalowy, bo E jest trzykrotnie mniejsze. Żeby uzyskać to samo ugięcie, aluminium potrzebuje trzykrotnie większego momentu bezwładności I. Przy stałej grubości ścianki I profilu zamkniętego rośnie w przybliżeniu z trzecią potęgą boku, więc wystarczy powiększyć bok o około 45%, a nie trzykrotnie.

3. Ile waży profil aluminiowy, a ile stalowy przy tej samej sztywności?

Przy równej sztywności profil aluminiowy waży około połowy tego, co stalowy, choć sam materiał jest o 66% lżejszy. Oszczędność jest mniejsza niż wynika z gęstości, bo aluminium trzeba rozbudować przekrojem. Przykład policzony dla profili zamkniętych kwadratowych o ściance 4 mm:

Aluminium 100x100x4 nie dorównuje sztywnością stali 80x80x4 (165 wobec 246 kNm²). Dopiero 120x120x4 daje wymaganą sztywność z zapasem i waży o 48% mniej niż stal. Obliczenie obejmuje samo ugięcie; nośność i stateczność wymiaruje projektant wg Eurokodu.

4. Jak spawanie wpływa na wytrzymałość aluminium i stali?

Spawanie osłabia aluminium serii 6xxx w strefie wpływu ciepła, a stal konstrukcyjną S235JR praktycznie nie. Stop utwardzony wydzieleniowo (stan T5, T6, T66) traci w strefie wpływu ciepła istotną część granicy plastyczności, a w obliczeniach konstrukcyjnych przyjmuje się ją jako obniżoną. Eurokod 9 uwzględnia to współczynnikiem redukcyjnym dla strefy wpływu ciepła, więc nośność spawanego węzła z aluminium liczy się z mniejszej wartości niż 160 MPa.

Konsekwencja jest praktyczna: w konstrukcjach spawanych aluminium wymaga większej rezerwy w węzłach niż stal, a spoiny rozmieszcza się z dala od najbardziej wytężonych przekrojów. Gdy węzły można połączyć mechanicznie, czyli śrubami, nitami lub łącznikami, osłabienie nie występuje - sposoby łączenia opisujemy w artykule Jak łączyć profile aluminiowe?. Wykonawca konstrukcji spawanych ze stali pracuje w oparciu o PN-EN 1090-2 i system jakości spawania wg PN-EN ISO 3834-2, który opisujemy w tekście ISO 3834-2 - co to jest i jak sprawdzić wytwórcę.

5. Jak oba materiały zachowują się przy temperaturze, korozji i ogniu?

Aluminium wydłuża się przy ogrzewaniu prawie dwa razy bardziej niż stal, ale nie wymaga powłoki antykorozyjnej. Przy zmianie temperatury o 50 K profil o długości 6 m wydłuża się o 3,6 mm w stali i o 6,9 mm w aluminium. W długich ciągach - attykach, balustradach, ramach elewacyjnych - ta różnica wymaga szczelin dylatacyjnych i otworów podłużnych w mocowaniach.

• Korozja. Aluminium pokrywa się własną warstwą tlenku glinu, więc w typowych warunkach atmosferycznych nie wymaga ocynku ani farby. Stal konstrukcyjna wymaga ochrony: cynkowania ogniowego albo malowania, dobranego do klasy korozyjności C1-C5. Szerzej piszemy o tym w artykule Czy aluminium koroduje?.
• Styk stali z aluminium. W obecności wilgoci aluminium jest anodą w parze ze stalą, więc koroduje szybciej w miejscu kontaktu. Rozwiązaniem są podkładki izolacyjne, powłoki i łączniki z właściwej stali nierdzewnej - szczegóły w tekście Korozja galwaniczna aluminium i stali.
• Ogień. Nośność aluminium spada przy niższej temperaturze niż stali. Dla konstrukcji z wymaganiem odporności ogniowej wybór materiału wynika z projektu, nie z kosztu profilu.

6. Kiedy wybrać profil aluminiowy, a kiedy stalowy?

Aluminium wybiera się, gdy liczy się masa, brak malowania lub transport ręczny. Stal wybiera się, gdy konstrukcja jest spawana, mocno wytężona albo ograniczona wysokością przekroju. Decyzję przy zamówieniu porządkują dwie listy.

Profil aluminiowy - gdy:

• konstrukcja jest przenoszona lub montowana ręcznie, a masa elementu ogranicza ekipę,
• profil pracuje na zewnątrz bez powłoki, a wygląd ma być jednolity (anodowanie, malowanie proszkowe),
• węzły są skręcane lub nitowane, nie spawane,
• rozpiętość i obciążenie są umiarkowane, a zapas na większy przekrój istnieje.

Profil stalowy - gdy:

• przekrój jest ograniczony wysokością lub szerokością (strop, ściana, ościeżnica),
• węzły są spawane, a konstrukcja przenosi duże obciążenia,
• konstrukcja jest odpowiedzialna i objęta wymaganiem odporności ogniowej,
• o wyborze decyduje koszt materiału na jednostkę nośności.

W zadaszeniach nad samochodami obowiązują te same zasady, rozszerzone o strefę śniegową - tę ścieżkę opisujemy w artykule Carport aluminiowy czy stalowy - jak dobrać materiał.

7. Co mamy w magazynie w Zawadzie

Magazyn główny działa pod adresem Zawada 144, 97-200 Tomaszów Mazowiecki, w województwie łódzkim, od poniedziałku do piątku w godzinach 7:00-16:00. NIP firmy to 7730002877. Wysyłka obejmuje całą Polskę: DPD, GLS, Schenker oraz palety dedykowane. Odbiór własny jest możliwy po wcześniejszym umówieniu.

Po stronie stali oferujemy profile stalowe zamknięte S235, kątowniki, płaskowniki i pozostałą stal czarną. Atest 3.1 wg PN-EN 10204 dołączany jest do każdej partii stali konstrukcyjnej. Po stronie aluminium w ofercie są profile aluminiowe zamknięte w gatunku 6060 T66, kątowniki aluminiowe 6060 T66 oraz rury aluminiowe w gatunkach 6060 i 6063. Całość aluminium zebrano w kategorii hurtownia aluminium.

8. Co sprawdzić przed zamówieniem - 4 sytuacje

Uczciwy poradnik obejmuje też sytuacje, w których nie jesteśmy właściwym adresem.

1. Potrzebne jest wymiarowanie za projektanta. Opiekun handlowy podpowie, z czego wykonuje się podobne elementy, ale przekrój, gatunek i sztywność określa projekt konstrukcji, nie dostawca materiału.
2. Profil docięty na wymiar, sztuka po sztuce. Prowadzimy wyłącznie sprzedaż hurtową i nie docinamy profili aluminiowych na wymiar; cięcie stali realizujemy w ramach zleceń produkcyjnych B2B, nie jako serwis detaliczny.
3. Montaż konstrukcji pod klucz. Dostarczamy materiał i, w ramach zleceń produkcyjnych, konstrukcje stalowe; montaż u klienta nie wchodzi w zakres oferty sklepu.
4. Materiał "na dziś" na drugim końcu Polski. Wysyłka idzie z jednego magazynu w Tomaszowie Mazowieckim i wymaga czasu przewoźnika.

9. Jak zamówić profil aluminiowy lub stalowy - 4 kroki

1. Gatunek i stan z projektu. Oznaczenie przepisuje się w całości: S235JR wg PN-EN 10025-2 albo 6060 T66 wg PN-EN 755-2, nie samo "stal" lub "aluminium".
2. Lista pozycji. Kształt i wymiar profilu, grubość ścianki, długość, ilość i wymagany dokument kontroli przy każdej pozycji.
3. Kontakt. Opiekun właściwego działu przyjmuje listę pozycji i potwierdza dostępność. Dane kontaktowe
4. Dostawa i odbiór. Przy rozładunku oznaczenie na materiale i dokument porównuje się z zamówieniem; stal i aluminium wyglądają podobnie na palecie, a różnią się nośnością.

Przykład kompletnej pozycji zamówienia:

Profil zamknięty 120x120x4, aluminium 6060 T66 wg PN-EN 755-2, dł. 6 m, 12 szt.

10. Najczęstsze pytania o profil aluminiowy i stalowy

Czy profil aluminiowy jest wytrzymalszy od stalowego?

Nie. Min. granica plastyczności stali S235JR wynosi 235 MPa, a aluminium 6060 T66 - 160 MPa. Aluminium wygrywa stosunkiem wytrzymałości do masy, nie samą wytrzymałością.

Ile razy aluminium jest lżejsze od stali?

Aluminium ma gęstość 2700 kg/m³, stal 7850 kg/m³, więc materiał jest lżejszy około 2,9 razy. Przy tej samej sztywności profil aluminiowy waży około połowy masy profilu stalowego, bo wymaga większego przekroju.

Czy profil aluminiowy można spawać?

Tak, ale spoina osłabia stop serii 6xxx w strefie wpływu ciepła. Nośność węzła spawanego liczy się z obniżonej wartości granicy plastyczności, więc w węzłach silnie wytężonych stosuje się połączenia mechaniczne.

Czy aluminium rdzewieje?

Nie. Aluminium nie rdzewieje, bo pokrywa się szczelną warstwą tlenku glinu. Korozja pojawia się w miejscach styku ze stalą w obecności wilgoci - to korozja galwaniczna.

Czy można zamienić profil stalowy na aluminiowy bez przeliczenia?

Nie. Aluminium ma trzykrotnie mniejszy moduł sprężystości, więc profil o tych samych wymiarach ugnie się trzy razy bardziej. Zamiana wymaga przeliczenia przez projektanta i zgody na zmianę materiału.

Źródła

• Eurokod 3 - projektowanie konstrukcji stalowych (Wspólne Centrum Badawcze Komisji Europejskiej)
• Eurokod 9 - projektowanie konstrukcji aluminiowych (Wspólne Centrum Badawcze Komisji Europejskiej)
• EN 1090-3 - wykonanie konstrukcji aluminiowych, wymagania techniczne (BSI)

Powiązane produkty i artykuły

• hurtownia aluminium w ofercie Ulamex
• profile aluminiowe zamknięte
• profile stalowe zamknięte S235
• 6060, 6063 czy 6082 - jak dobrać gatunek aluminium
• Korozja galwaniczna aluminium i stali - jak zapobiegać