Навигация по таблицам
- Таблица 1: Коэффициенты линейного расширения конструкционных материалов
- Таблица 2: Диапазоны температур для различных типов конструкций
- Таблица 3: Нормативные значения температурных воздействий по СП 20.13330
- Таблица 4: Примеры расчетов температурных деформаций
Таблица 1: Коэффициенты линейного расширения конструкционных материалов
| Материал | Коэффициент α, ×10⁻⁶ К⁻¹ | Температурный диапазон, °С | Нормативный документ |
|---|---|---|---|
| Сталь конструкционная | 12,0 | -40...+50 | СП 16.13330 |
| Алюминиевые сплавы | 23,0 | -70...+100 | СП 128.13330.2016 |
| Бетон тяжелый | 10,0 | -40...+50 | СП 63.13330.2018 |
| Железобетон | 10,0 | -40...+50 | СП 63.13330.2018 |
| Кирпичная кладка | 6,0 | -40...+50 | СП 15.13330 |
| Древесина (вдоль волокон) | 4,0 | -40...+50 | СП 64.13330 |
| Стекло | 9,0 | -40...+80 | ГОСТ Р 56926 |
| Нержавеющая сталь | 16,0 | -40...+100 | СП 16.13330 |
Таблица 2: Диапазоны температур для различных типов конструкций
| Тип конструкции | Летняя температура, °С | Зимняя температура, °С | Расчетный перепад, °С |
|---|---|---|---|
| Наружные стены | +35...+50 | -40...-25 | 75...90 |
| Покрытия зданий | +40...+60 | -40...-25 | 80...100 |
| Мостовые конструкции | +45...+65 | -45...-25 | 90...110 |
| Промышленные здания | +30...+45 | -35...-20 | 65...80 |
| Резервуары наружные | +35...+55 | -40...-25 | 75...95 |
| Трубопроводы наружные | +40...+70 | -45...-25 | 85...115 |
Таблица 3: Нормативные значения температурных воздействий по СП 20.13330
| Климатический регион | Средняя температура зимой, °С | Средняя температура летом, °С | Коэффициент надежности γf |
|---|---|---|---|
| I (Крайний Север) | -45 | +30 | 1,1 |
| II (Северная зона) | -35 | +35 | 1,1 |
| III (Центральная зона) | -25 | +40 | 1,1 |
| IV (Южная зона) | -15 | +45 | 1,1 |
Таблица 4: Примеры расчетов температурных деформаций
| Материал | Длина элемента, м | Перепад температуры, °С | Деформация, мм |
|---|---|---|---|
| Стальная балка | 20 | 50 | 12,0 |
| Алюминиевая ферма | 30 | 60 | 41,4 |
| Железобетонная плита | 50 | 40 | 20,0 |
| Кирпичная стена | 100 | 70 | 42,0 |
Оглавление статьи
- 1. Основы температурных воздействий на конструкции
- 2. Коэффициенты линейного расширения материалов
- 3. Диапазоны рабочих температур конструкций
- 4. Методы расчета температурных деформаций
- 5. Нормативные требования и стандарты
- 6. Практические примеры расчетов
- 7. Учет температурных воздействий в проектировании
- 8. Способы компенсации температурных деформаций
- 9. Часто задаваемые вопросы
1. Основы температурных воздействий на конструкции
Температурные воздействия представляют собой одну из важнейших категорий нагрузок, которые необходимо учитывать при проектировании строительных конструкций. Под воздействием изменения температуры все материалы изменяют свои геометрические размеры, что приводит к возникновению температурных деформаций и напряжений.
Физическая природа температурного расширения заключается в увеличении амплитуды колебаний атомов и молекул при повышении температуры. Это приводит к увеличению межатомных расстояний и, как следствие, к увеличению линейных размеров тела. Для большинства конструкционных материалов зависимость деформаций от температуры носит линейный характер в рабочем диапазоне температур.
Основные источники температурных воздействий на строительные конструкции включают климатические факторы (суточные и сезонные колебания температуры наружного воздуха), солнечную радиацию, технологические процессы и системы отопления или кондиционирования.
2. Коэффициенты линейного расширения материалов
Коэффициент линейного температурного расширения (α) является важнейшей теплофизической характеристикой материала, определяющей величину относительной деформации при изменении температуры на один градус. Размерность коэффициента: К⁻¹ или °С⁻¹.
ΔL = α × L₀ × ΔT
где:
ΔL - изменение длины элемента, мм
α - коэффициент линейного расширения, К⁻¹
L₀ - первоначальная длина элемента, мм
ΔT - изменение температуры, К (°С)
Значения коэффициентов линейного расширения существенно различаются для разных материалов. Наибольшими значениями обладают металлы (особенно алюминий и его сплавы), наименьшими - керамические материалы и некоторые композиты. Для строительных целей наиболее важны коэффициенты для стали, бетона, кирпича и древесины.
Особенности коэффициентов для различных материалов
Сталь конструкционная: Коэффициент α = 12×10⁻⁶ К⁻¹ является стандартным для углеродистых и низколегированных сталей в диапазоне температур от -40°С до +50°С. Для нержавеющих аустенитных сталей коэффициент может достигать 16-18×10⁻⁶ К⁻¹.
Алюминиевые сплавы: Имеют значительно больший коэффициент расширения (23×10⁻⁶ К⁻¹), что требует особого внимания при проектировании алюминиевых конструкций и их соединений со стальными элементами.
Бетон и железобетон: Коэффициент α = 10×10⁻⁶ К⁻¹ обусловлен влиянием заполнителей (щебень, песок) и цементного камня. Близость значений для стали и бетона обеспечивает совместную работу арматуры и бетона.
3. Диапазоны рабочих температур конструкций
Определение диапазонов рабочих температур является критически важным этапом проектирования, поскольку от корректности этих данных зависит точность расчета температурных воздействий. Диапазоны температур зависят от климатических условий региона строительства, типа конструкции и условий ее эксплуатации.
Факторы, влияющие на температурный режим конструкций
Климатические условия: Основной фактор, определяющий внешние температурные воздействия. Россия характеризуется широким диапазоном климатических зон - от арктических районов с температурами до -60°С до южных регионов с температурами до +45°С.
Солнечная радиация: Может привести к значительному нагреву поверхностей конструкций выше температуры окружающего воздуха. Темные поверхности могут нагреваться на 20-30°С выше температуры воздуха.
При температуре воздуха +30°С и интенсивности солнечной радиации 800 Вт/м², температура темной стальной поверхности может достигать +55°С, что необходимо учитывать при расчетах.
Тип конструкции: Массивные конструкции имеют большую тепловую инерцию и медленнее реагируют на изменения температуры окружающей среды. Тонкостенные элементы быстро принимают температуру окружающей среды.
4. Методы расчета температурных деформаций
Расчет температурных деформаций выполняется с использованием различных методов в зависимости от сложности конструкции и требуемой точности результатов. Основные подходы включают аналитические методы для простых конструкций и численные методы для сложных пространственных систем.
Аналитический метод расчета
Для статически определимых конструкций температурные деформации не вызывают дополнительных напряжений, а приводят лишь к изменению геометрии конструкции. Расчет выполняется по формуле линейного расширения.
σ = α × E × ΔT
где:
σ - температурное напряжение, МПа
α - коэффициент линейного расширения, К⁻¹
E - модуль упругости материала, МПа
ΔT - изменение температуры, К
Учет неравномерного нагрева
При неравномерном распределении температуры по сечению элемента возникают дополнительные внутренние напряжения и деформации изгиба. Это особенно характерно для элементов, подверженных солнечной радиации.
Стальная балка высотой 500 мм подвергается нагреву верхней грани до +50°С при температуре нижней грани +20°С.
Градиент температуры: ΔT = 30°С
Кривизна балки: 1/ρ = α × ΔT / h = 12×10⁻⁶ × 30 / 0,5 = 7,2×10⁻⁴ м⁻¹
5. Нормативные требования и стандарты
Проектирование конструкций с учетом температурных воздействий в России регламентируется сводом правил СП 20.13330.2016 "Нагрузки и воздействия" (с изменениями №1,2,3), который является актуализированной редакцией СНиП 2.01.07-85. Данный документ устанавливает методы определения температурных воздействий и правила их учета в расчетах.
Основные принципы нормирования
Коэффициент надежности по нагрузке: Для температурных климатических воздействий принимается γf = 1,1, что обеспечивает необходимый запас прочности при неопределенности климатических данных.
Сочетания нагрузок: Температурные воздействия рассматриваются как длительные нагрузки и учитываются в основных сочетаниях с соответствующими коэффициентами сочетаний.
Специальные требования для различных материалов
Стальные конструкции: СП 16.13330.2017 (с изменениями №1,2) устанавливает дополнительные требования к учету температурных воздействий в стальных конструкциях, включая особенности расчета болтовых и сварных соединений.
Алюминиевые конструкции: СП 128.13330.2016 содержит специальные указания по учету повышенного коэффициента расширения алюминиевых сплавов и особенностям их соединения с конструкциями из других материалов.
6. Практические примеры расчетов
Для лучшего понимания методов учета температурных воздействий рассмотрим несколько практических примеров расчета температурных деформаций и напряжений в различных конструкциях.
Пример 1: Расчет свободного удлинения стальной фермы
- Длина фермы: L = 36 м
- Материал: сталь С245
- Температурный перепад: ΔT = 70°С (от -30°С до +40°С)
- Коэффициент расширения стали: α = 12×10⁻⁶ К⁻¹
Расчет:
ΔL = α × L × ΔT = 12×10⁻⁶ × 36000 × 70 = 30,24 мм
Вывод: Свободное удлинение фермы составляет 30,24 мм, что необходимо учесть при проектировании опорных узлов.
Пример 2: Расчет температурных напряжений в защемленной балке
- Алюминиевая балка, жестко защемленная с обеих сторон
- Повышение температуры: ΔT = 60°С
- Коэффициент расширения алюминия: α = 23×10⁻⁶ К⁻¹
- Модуль упругости: E = 70000 МПа
Расчет напряжений сжатия:
σ = α × E × ΔT = 23×10⁻⁶ × 70000 × 60 = 96,6 МПа
Вывод: В балке возникают сжимающие напряжения 96,6 МПа, что требует проверки прочности и устойчивости.
Пример 3: Расчет температурного изгиба
Исходные данные:
- Толщина плиты: h = 200 мм
- Пролет: L = 6 м
- Температура верхней поверхности: +45°С
- Температура нижней поверхности: +25°С
- Коэффициент расширения бетона: α = 10×10⁻⁶ К⁻¹
Расчет кривизны:
1/ρ = α × ΔT / h = 10×10⁻⁶ × 20 / 0,2 = 1×10⁻³ м⁻¹
Расчет прогиба:
f = L² / (8ρ) = 6² / (8 × 1000) = 4,5 мм
7. Учет температурных воздействий в проектировании
Грамотный учет температурных воздействий на стадии проектирования позволяет избежать значительных проблем в процессе эксплуатации конструкций. Основные принципы проектирования включают выбор рациональных конструктивных решений, правильное назначение опорных связей и предусмотрение компенсирующих устройств.
Конструктивные решения
Статическая схема: По возможности следует применять статически определимые схемы, которые позволяют температурным деформациям развиваться свободно без возникновения дополнительных напряжений.
Опорные конструкции: Для длинных конструкций целесообразно предусматривать одну неподвижную опору и остальные подвижные опоры, обеспечивающие свободу температурных перемещений.
Температурные швы
Температурные швы являются наиболее эффективным способом компенсации температурных деформаций в зданиях большой протяженности. Шов должен разрезать здание на всю высоту, включая фундаменты, что обеспечивает независимость деформаций отдельных блоков.
Ширина температурного шва назначается исходя из максимально возможных температурных деформаций блоков с каждой стороны шва с учетом коэффициента запаса не менее 1,5.
8. Способы компенсации температурных деформаций
Существует несколько основных способов компенсации температурных деформаций, выбор которых зависит от типа конструкции, условий эксплуатации и экономических соображений.
Механические компенсаторы
Подвижные опоры: Катковые, маятниковые и скользящие опоры позволяют конструкции свободно перемещаться в горизонтальном направлении при изменении температуры.
Компенсирующие устройства: Сильфонные компенсаторы в трубопроводах, гибкие вставки в соединениях, температурные швы с эластичными заполнителями.
Конструктивные методы
Предварительное напряжение: В некоторых случаях применяется предварительное напряжение конструкций, компенсирующее температурные напряжения.
Для стального трубопровода длиной 100 м при температурном перепаде 80°С требуется компенсировать удлинение:
ΔL = 12×10⁻⁶ × 100000 × 80 = 96 мм
Это может быть достигнуто установкой сильфонного компенсатора или устройством П-образного компенсирующего участка.
Материальные решения
Применение материалов с низким коэффициентом расширения: Использование инварных сплавов, углепластиков или специальных керамик в ответственных конструкциях.
Комбинирование материалов: Сочетание материалов с различными коэффициентами расширения для взаимной компенсации деформаций.
9. Часто задаваемые вопросы
Источники информации
При подготовке статьи использовались следующие нормативные документы и источники:
- СП 20.13330.2016 "Нагрузки и воздействия" (с изменениями №1,2,3)
- СП 16.13330.2017 "Стальные конструкции" (с изменениями №1,2)
- СП 128.13330.2016 "Алюминиевые конструкции"
- СП 63.13330.2018 "Бетонные и железобетонные конструкции" (с изменением №1)
- СП 131.13330.2020 "Строительная климатология" (с изменениями №1,2)
- Методические рекомендации по расчету температурных воздействий
- Научные публикации по термомеханике конструкций
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер. Представленная информация не может служить основанием для принятия проектных решений без дополнительной проверки и анализа. Для выполнения реальных расчетов и проектирования конструкций необходимо обращаться к действующим нормативным документам и квалифицированным специалистам. Автор не несет ответственности за возможные последствия применения данной информации в практической деятельности.
