Gases ideales en análisis estructural

Artículo técnico

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En teoría, un gas ideal se compone de partículas de masa moviéndose libremente sin dilatación en un espacio de volumen. Es este espacio, cada partícula se mueve con una velocidad en una dirección. La colisión de una partícula con otra o las limitaciones de volumen llevan a un desvío y cambio en la velocidad de las partículas.

El estado del gas incluido se puede describir por medio de estas suposiciones sobre un equilibrio termodinámico. Esto resulta en la siguiente ecuación general de los gases:
p ∙ V = n ∙ R ∙ T
con las variables de estado
p = compresión
V = sólido
n = cantidad molar
R = constante de gas universal
T = temperatura

Propiedades de los gases ideales

Al mantener constantes ciertas variables de estado en la ecuación de los gases generales, se obtienen propiedades especiales del gas ideal. Estar familiarizado con estas propiedades le ayuda a utilizar los gases ideales en el análisis estructural y le ayuda a simular ciertos estados de carga en consecuencia.

Cambio de estado isotérmico (Boyle-Mariotte)
Si mantenemos constantes las variables T y n, y aumentamos la presión aplicada p, se reduce el volumen V de la unidad de gas considerada.

Se aplica lo siguiente:
$\begin{array}{l}\mathrm p\;\sim\;\frac1{\mathrm V}\\\mathrm p\;\cdot\;\mathrm V\;=\;\mathrm{const}\\\frac{{\mathrm p}_1}{{\mathrm p}_2}\;=\;\frac{{\mathrm V}_2}{{\mathrm V}_1}\end{array}$

Cambio de estado de la fase isobárica (Gay-Lussac)
Si las cantidades p y n se mantienen constantes y aumenta la temperatura de actuación T, aumenta el volumen V de la unidad de gas considerada.

Se aplica lo siguiente:
$\begin{array}{l}\mathrm V\;\sim\;\mathrm T\\\frac{\mathrm V}{\mathrm T}\;=\;\mathrm{const}\\\frac{{\mathrm V}_1}{{\mathrm V}_2}\;=\;\frac{{\mathrm T}_1}{{\mathrm T}_2}\end{array}$

Cambio de estado isocórico (amotones)
Si los valores V y n se mantienen constantes y la temperatura de actuación T aumenta, se aumenta la presión p de la unidad de gas pertinente.

Se aplica lo siguiente:
$\begin{array}{l}\mathrm p\;\sim\;\mathrm T\\\frac{\mathrm p}{\mathrm T}\;=\;\mathrm{const}\\\frac{{\mathrm p}_1}{{\mathrm p}_2}\;=\;\frac{{\mathrm T}_1}{{\mathrm T}_2}\end{array}$

Uso en análisis estructural

En el análisis estructural, los gases cerrados se usan generalmente para la transferencia de esfuerzos externos. El requisito aquí es que se pueda transportar un esfuerzo localmente activo en una determinada ubicación en la carcasa sólida a través del gas atrapado a todos los demás lados de la cubierta sólida.

Esta propiedad se utiliza, por ejemplo, para aislar paneles de vidrio o cojines de membrana inflados. En ambos casos, se describe la carcasa sólida compuesta de elementos estructurales y se llena con un gas. Para los paneles de vidrio aislantes, la limitación de volumen se compone de elementos de cubierta rígidos y diafragmas de membrana hechos de elementos de membrana no rígidos. En ambos casos, sin embargo, la carga de viento o nieve ataca a un lado de la limitación de volumen y se transfiere a través del gas incluido a los límites de volumen adyacentes.

Dado que la temperatura no cambia bruscamente en las situaciones de carga consideradas en la industria de la construcción, generalmente se simula un gas ideal con propiedades de estado isotérmico en el armazón macizo.

Implantación en RFEM

Las definiciones sólidas están disponibles en RFEM. Estos volúmenes se describen en relación con las superficies circundantes. En una celda sólida compuesta de carcasa y componentes sólidos, puede introducir una definición de volumen con el tipo Gas. El volumen de gas resultante requiere una descripción del gas incluido y una definición de las variables de estado atmosférico. Las variables de estado atmosférico no tienen efecto en el sólido incluido y describen solo una situación inicial para la simulación.

Figura 01 - Comportamiento del gas en sólido con gas

En los casos de carga asignados, se puede aplicar una carga de sólidos correspondiente para cada volumen de gas. Para simular sólidos abiertos o cerrados, es posible especificar presiones / sólidos o cambios de presión / volumen resultantes.

Bibliografía

[1] Wikipedia: Gas ideal
[2] Wikipedia: Ecuación térmica del estado de los gases ideales
[3] Wagner, R .: Construcción con cables y membranas. Berlín: Beuth, 2016

Palabras clave

Volumen de gas PV SDR Clima Almohada Isotermo Espacio intermedio del panel de vidrio

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