Температурные воздействия на конструкции – Часть 2: Термомеханика

Что это такое?

Термин коэффициент расширения бетона обозначает, как сильно расширяется строительный материал при увеличении температуры.

Понятие связано с теплоемкостью и теплопроводностью раствора. Бетон, который может расширяться, имеет в составе добавки или напрягающий цемент. Таким образом, в результате получается стойкая смесь, которая способна изменяться в размере. Кроме этого, для создания конструкции необходимы швы, поддерживающие блоки. Если возникает слишком большой температурный перепад, то бетон может потрескаться. Для этого стараются правильно подобрать состав материала с высоким коэффициентом, поэтому можно предотвратить появление трещин.

Коэффициент расширения бетона

Определение коэффициента расширения бетона относится к разряду реологических исследований – то есть направления, посвященного деформации и текучести веществ. Коэффициент температурного или теплового расширения является величиной, показывающей изменение объема и линейных параметров изделия при изменении температуры и постоянном давлении. Данное свойство относится ко всем веществам и материалам, имеющим атомно-молекулярную структуру. При их нагревании происходит увеличение расстояния между отдельными атомами и молекулами (для жидкостей и газов) или возрастание диапазона колебаний элементов в кристаллической решетке твердых веществ, следствием чего и является увеличение их объема.

Данный показатель неразрывно связан с такой его характеристикой, как теплопроводность. Последняя определяется как способность изделия передавать тепло, проходящее сквозь его толщу. Теплопроводность непосредственно связана с составом материала. Чем более плотной является его структура, тем выше данный показатель.

Читайте также: Какой фундамент лучше делать под дом плита или ленточный фундамент?

Показатели теплопроводности у тяжелых и легких бетонов существенно различаются. Теплопроводность тяжелых бетонов значительно выше, чем ячеистых, что является их существенным недостатком. Поэтому стены из тяжелого бетона нуждаются в дополнительном утеплении. При этом последняя так же зависит от уровня влажности окружающей среды.

Коэффициент расширения бетона составляет 0,00001оС. Это означает, что при увеличении температуры окружающей среды на 50оС бетонная конструкция способна увеличиваться в объеме, и данный показатель будет находиться в пределах 0,5мм/м. Диапазон колебания температур, превышающий 80оС приводит к возрастанию данного показателя. Так же на величину коэффициента линейного напряжения влияет величина фракции заполнителя: чем она выше, тем больше данный показатель. Возрастание объема составляющих частей бетонной конструкции приводит к возникновению сильных внутренних напряжений в материале, вследствие чего плиты начинают растрескиваться и крошиться, что сразу же сказывается на длительности их эксплуатации, уменьшая ее в разы.

Для предотвращения негативных последствий данного явления используют температурные швы, которые представляют собой углубления, проделанные на поверхности материала. Именно они, а не сама плита, при возникновении деформирующих сил принимают основную нагрузку.

Как рассчитать показатель температурного расширения?

Чтобы определить данный показатель, нужно сделать замер длины изделия до повышенного термического воздействия.
Можно самостоятельно измерить расширение. Для этого измеряется исходная длина. После температура повышается на 1 градус. Стоит помнить, что уровень тепла должен быть одинаковый по всему периметру. После уточняют величину удлинения. Для микроизменений используют микроскоп. Кроме этого, коэффициент теплового расширения бетона можно вычислить по формуле: l=l0(1+α⋅ΔT). В этом уравнении l обозначает расширение, ΔT — температуру, при которой произошли изменения, а l0 — начальная длина.

1.5. Температурные перемещения

Вернемся к бруску материала, показанного на рисунке 1 [1]. Предполагаем, что материал бруска является гомогенным и изотропным, то есть механические свойства материала бруска являются одинаковыми во всем его объеме. Кроме того, предполагаем, что изменение температуры ΔT

является однородным, то есть одинаковым, по всему бруску. При таких условиях мы можем вычислить увеличение любого размера бруска путем умножения первоначального размера на температурную деформацию. Например, если один из размеров бруска составляет L, то этот размер увеличиться на величину

δТ = εT·L=
α·ΔT·L (4)
Уравнение (4) можно применять для вычисления изменений длин элементов конструкций после однородного нагрева, например, удлинение призматического стержня на рисунке 2.2. Поперечные размеры стержня также изменятся, но эти изменения не показаны на рисунке 2.2, так как обычно они не оказывают влияния на осевые силы, которые передаются этим стержнем.

Рисунок 2.2 – Увеличение длины призматического стрежня в результате однородного увеличения температуры (уравнение (4)) [1]

Пример.

Оценим удлинение незакрепленных алюминиевого и стального стержней длиной 3 м при увеличении их температуры на 50 ºС.

Для алюминиевого стержня:

δТ =
α·ΔT·L = 23·10-6·50·3000 = 3,5 мм
Для стержня из малоуглеродистой стали:

δТ =
α·ΔT·L = 12·10-6·50·3000 = 1,8 мм
При рассмотрении выше температурных деформаций предполагалось, что конструкция не имеет ограничений для своих перемещений, что позволяло ей расширяться или сокращаться совершенно свободно. Такие условия возникают, например, когда объект лежит на гладкой поверхности, на которой не возникает трения [1]. В таких случаях при однородном нагреве всего объекта в целом не возникает напряжений, хотя неоднородные изменения температуры могут вызывать внутренние температурные напряжения. Однако многие конструкции имеют опоры, которые препятствуют свободному расширению и сокращению их размеров. Поэтому в них развиваются температурные напряжения даже, если изменение температуры является однородным по всей конструкции.

Температурный показатель

Коэффициент можно найти в таблице, в которой даются средние значения. По табличным данным для бетона этот показатель равен 0,00001 (ºС)-1. Так, при 80 градусах увеличение будет 0,8 мм/м. Но такие табличные данные не являются довольно точными, так как во всех схемах предоставлены усредненные значения. Потому желательно самостоятельно измерять или рассчитывать показатели.

Данный показатель для каждого вида материала будет отличаться.

Читайте также: Система HILST — революционная альтернатива бетону

Справочник

Примечание: источниками справочных данных являются публикации в Интернете, поэтому они не могут считаться «официальными» и «абсолютно точными». Как правило, в Интернет справочниках не приводятся ссылки на научные работы, являющиеся основой опубликованных данных. Мы стараемся брать информацию из наиболее надежных научных сайтов. Однако если кого-то интересуют ссылки на эксперименты, советуем произвести самостоятельно углубленный поиск в Интернете. Будем признательны за любые комментарии к нашим справочным таблицам, а особенно за уточнения существующей информации или дополнение справочных данных.

Вас также может заинтересовать:

Коэффициент объемного расширения

ТКЛР материалов, используемых в электронике

Теплоемкость

Коэффициент температурного расширения неразрывно связан с теплоемкостью, используемых при строительстве. Под этим термином подразумевает определенное количество тепла, которое нужно смеси для того, чтобы поднять температуру. Так как выделяют несколько типов растворов, то и коэффициент будет меняться от наполнителей. Так, теплоемкость воздушно-сухого бетона равняется 1,35 Вт (м*°С). Это говорит о том, что показатель высокий и потому нужен дополнительный утеплитель. У пористых смесей значение теплоемкости низкое (0,35—0,75 ВТ).

Данный коэффициент зависит и от теплоемкости материала.

1.4. Температурные напряжения

Чтобы продемонстрировать относительную важность температурных напряжений, можно сравнить температурные напряжения с напряжениями, которые возникают при силовом нагружении [1]. Предположим, что мы имеем брус, который нагружен силами в осевом направлении с продольными деформациями, которые даются равенством

ε = σ/Е

, (2)

где σ

– напряжение, а
Е
– модуль упругости. Далее предположим, что мы имеем идентичный брусок, которые подвержен изменению температуры
ΔT.
Это означает, что этот брусок имеет температурные деформации согласно равенства (1). Приравнивание этих двух видов деформаций дает уравнение

σ = Е·α·ΔT (3)

Пример.

Вычислим осевое напряжение σ,

которое дает такие же деформации, как и изменение температуры
ΔT
в стержнях из алюминиевого сплава и строительной (малоуглеродистой) стали при увеличении их температуры на 50 ºС.

Читайте также: Бетонные лотки для ливневой канализации: виды изделий, рекомендации по изготовлению и установке

Для алюминиевого стержня (α
= 23·106, Е = 70000 Н/мм2
):

σ = 70000·23·10-6·50 = 80,5 Н/мм2

Для стержня из малоуглеродистой стали (α
= 12·106, Е = 210000 Н/мм2
):

σ = 210000·12·10-6·50 = 126 Н/мм2

Отметим известный факт, что при одинаковом изменении температуры температурные напряжения в алюминиевом стержне составляют только 2/3 от величины температурных напряжений в стальном стержне. Так происходит потому, что величина температурных напряжений зависит от произведения

модуля упругости и коэффициента температурного расширения (см. формулу (3)). Поэтому, хотя коэффициент температурного расширения алюминия в два раза больше, чем у стали, но модуль упругости алюминия в три раза меньше, чем у стали.

Как видно из приведенных выше расчетов, температурные напряжения могут достигать величин, сравнимых с напряжениями от механических нагрузок. Поэтому термические воздействия на конструкции зданий необходимо учитывать наряду с другими нагрузками, как того и требуют нормативные документы [4, 5].

Как регулировать?

Значение зависит от таких факторов:

• температуры;
• класс;
• наполнителя.

Заполнитель и цемент имеют разный температурный коэффициент. Потому при нагревании и расширении может происходить деформация и появляются трещины. Для того чтобы это не произошло применяют специальные швы. Кроме этого, увеличивают армирование строительной конструкции. Бетон делят на отдельные блоки. Но эти методы дорогостоящие и не всегда эффективны. Потому для результата используют напрягающие и расширяющие вяжущие.

1.6. Температурные деформации в статически определимых конструкциях

Рассмотрим ферму АВС из двух стержней, показанную на рисунке 2.3. Предположим, что температура стержня АВ изменилась на ΔТ1, а стержня ВС – на ΔТ2. Поскольку эта ферма является статически определимой, то оба стержня могут свободно удлиняться или укорачиваться, давая в результате перемещение соединения В. Однако в этом случае температурные напряжения в стержнях, а также реакции в опорах, отсутствуют.

Рисунок 2.3 – Статически определимая ферма с однородным изменением температуры в каждом элементе

Это заключение справедливо в целом для всех статически определимых конструкций, а именно: однородное изменение температуры в элементах конструкции вызывают температурные деформации (и соответствующие изменения длин элементов) без возникновения соответствующих температурных напряжений [1, 2].