I programmi di analisi strutturale RFEM 6 e RSTAB 9 offrono potenti funzionalità per la simulazione della deformazione termica dei componenti strutturali con l'applicazione di carichi dovuti alla temperatura. Questi programmi consentono di considerare con precisione gli effetti delle variazioni di temperatura, che possono influenzare significativamente il comportamento dei materiali e delle strutture. Simulando sia cambiamenti di temperatura uniformi che non uniformi, RFEM 6 e RSTAB 9 permettono un'analisi completa di come l'espansione o la contrazione termica possa influire sulle prestazioni strutturali.
In questo articolo, esploreremo i fondamenti teorici degli effetti termici, concentrandoci in particolare sugli effetti a membrana e di flessione, e dimostreremo come questi effetti termici possano essere modellati e applicati in RFEM 6. Utilizzando esempi pratici, vedrai come queste deformazioni legate alla temperatura possano essere rilevate efficacemente nel software, fornendo informazioni preziose per la progettazione e l'analisi di strutture esposte a temperature variabili.
1. Effetto membrana (Variazione di temperatura uniforme)
Una variazione di temperatura uniforme lungo l'altezza di un componente induce il cosiddetto effetto membrana. Ciò si verifica quando l'intero componente subisce la stessa variazione di temperatura lungo la sua lunghezza, senza alcun gradiente nella direzione perpendicolare. Sotto una variazione di temperatura uniforme, l'elemento strutturale sperimenta espansione o contrazione termica senza deformazione da flessione.
L'effetto membrana è caratterizzato da una deformazione uniforme lungo l'asse dell'asta, risultando in una deformazione puramente assiale (Immagine 1). Quando la temperatura aumenta, il materiale si espande lungo l'asse, e quando la temperatura diminuisce, si contrae. Importante, questo effetto non genera momenti interni o sollecitazioni da flessione, ma crea forze assiali all'interno del membro se l'espansione lineare del membro è vincolata, come in un sistema staticamente indeterminato.
2. Effetto della flessione (Variazione di temperatura non uniforme)
In contrasto con l'effetto membrana, una distribuzione di temperatura non uniforme lungo l'altezza o lo spessore del componente risulta in una deformazione da flessione (Immagine 2). Ciò accade quando la temperatura varia attraverso la sezione trasversale dell'elemento strutturale, creando un gradiente di temperatura.
Quando un componente è soggetto a un gradiente di temperatura, il materiale si espande diversamente in punti diversi lungo la sua altezza o spessore. Questa espansione differenziale causa momenti interni e sollecitazioni da flessione, che sorgono solo in un sistema staticamente indeterminato, dove l'espansione è vincolata. Il componente tenterà di flettersi in risposta alle temperature variabili in sezioni diverse dell'elemento, con la parte superiore della sezione che si espande più della parte inferiore, o viceversa. Pertanto, l'effetto di flessione può essere compreso come la flessione dell'elemento strutturale dovuta al gradiente termico.
3. Effetto combinato: Membrana e flessione
In pratica, i componenti strutturali sono spesso soggetti sia a variazioni di temperatura uniformi (effetto membrana) che a gradienti di temperatura (effetto di flessione). La deformazione termica totale nel componente può quindi essere descritta come una combinazione di questi due effetti:
- L'effetto membrana causa deformazione assiale (trazione o compressione) dovuta alla variazione di temperatura uniforme lungo l'asse del membro.
- L'effetto di flessione produce deformazione flessionale a causa del gradiente di temperatura attraverso l'altezza o lo spessore del componente.
Questo effetto combinato porta a una deformazione non uniforme (Immagine 3), poiché sia forze assiali che momenti di flessione sono generati all'interno del componente, che si verifica quando il sistema è staticamente indeterminato e l'espansione è vincolata.
Simulazione delle deformazioni termiche in RFEM 6
In RFEM 6, puoi simulare sia gli effetti membrana che di flessione applicando due tipi di carichi di temperatura: “Temperatura” e “Variazione di Temperatura”. Questi possono essere facilmente definiti utilizzando la finestra “Nuovo carico su asta”, dove puoi selezionare il tipo di carico appropriato dal menu a tendina “Tipo di carico” (Immagini 4 e 5).
1. Tipo di carico “Temperatura”
Il carico “Temperatura” in RFEM 6 ti permette di specificare la temperatura superiore (Tt) e la temperatura inferiore (Tb) dell'asta. La distribuzione della temperatura può essere:
- Uniforme: Quando Tt=Tb, ovvero l'asta subisce una variazione di temperatura uniforme, portando agli effetti membrana (nessuna flessione).
- Non uniforme: Quando Tt≠Tb, ciò crea un gradiente di temperatura attraverso il componente, portando sia a effetti membrana che di flessione.
2. Tipo di carico “Variazione di temperatura”
Il carico “Variazione di temperatura” ti permette di definire una temperatura dell'asse medio (Tc) e di specificare direttamente la differenza di temperatura ΔT tra la parte superiore e inferiore dell'asta. Una temperatura dell'asse medio positiva significa che l'asta si sta riscaldando, e una differenza di temperatura positiva implica che la parte superiore dell'asta si riscalda più della parte inferiore, inducendo flessione.
Esempi pratici
Per comprendere meglio gli effetti dei carichi di temperatura, esaminiamo diversi scenari in cui la stessa trave a sbalzo è soggetta a condizioni di temperatura variabili. In ciascun caso, considereremo come le diverse variazioni di temperatura possano essere simulate in RFEM 6 utilizzando i tipi di carico "Temperatura" e "Variazione di temperatura". Entrambi i tipi di carico possono rappresentare gli stessi effetti di temperatura; l'unica differenza è il modo in cui l'input è definito. Evidenzieremo come queste variazioni influenzano il comportamento della trave, particolarmente in termini di flessione e deformazione.
1. Scenario: Sistema di riscaldamento a pavimento in un edificio
In questo scenario, una trave a sbalzo supporta una parte del sistema di pavimento in un edificio ed è esposta a un aumento di temperatura uniforme di 10°C a causa dell'attivazione di un sistema di riscaldamento a pavimento. Il sistema di riscaldamento aumenta la temperatura dell'intera trave uniformemente lungo la sua lunghezza, causando un riscaldamento uniforme della trave.
Come applicare questo concetto in RFEM 6:
Questo scenario può essere simulato in RFEM 6 usando il tipo di carico "Variazione di temperatura", dove la temperatura dell'asse medio (Tc) è impostata a 10°C, rappresentando il riscaldamento uniforme della trave (Immagine 6). La differenza di temperatura (ΔT) tra le superfici superiore e inferiore della trave sarebbe zero, poiché l'aumento di temperatura è uniforme lungo la lunghezza della trave.
In alternativa, la stessa simulazione può essere eseguita utilizzando il tipo di carico "Temperatura", dove sia la temperatura superiore (Tt) che la temperatura inferiore (Tb) sono impostate a 10°C (Immagine 7). In entrambi i casi, il risultato sarà un'espansione uniforme della trave senza causare alcuna flessione, poiché l'intera trave subisce la stessa espansione termica (Immagine 8).
2. Scenario: Trave esposta a fonte di calore
Una trave a sbalzo è situata in un ambiente industriale, dove è esposta al calore da un lato della trave. Ad esempio, durante un processo di produzione, la trave potrebbe essere esposta a temperature più elevate (ad es. 30°C) su un lato, mentre il lato opposto della trave rimane a una temperatura più bassa (ad es. 20°C) o è schermato dal calore.
Come applicare questo concetto in RFEM 6:
Ciò può essere simulato utilizzando il tipo di carico "Temperatura" con Tt ≠ Tb (Immagine 9), dove la temperatura superiore (Tt) è impostata più alta (30°C) a causa della fonte di calore, e la temperatura inferiore (Tb) rimane più bassa (20°C). La differenza di temperatura tra la parte superiore e inferiore della trave crea un gradiente termico, che causa l'espansione e la flessione della trave (Immagine 10).
3. Scenario: Trave esposta a radiazione solare non uniforme
Una trave a sbalzo si trova in un ambiente esterno, dove una superficie è esposta alla luce solare, mentre la superficie opposta è in ombra. Di conseguenza, una superficie della trave si riscalda fino a 5°C, mentre l'altra rimane a -5°C. In questo caso, la temperatura dell'asse medio è 0°C, ma esiste un gradiente di temperatura attraverso la trave, con una superficie che sperimenta una temperatura più elevata rispetto all'altra. Il focus principale in questo scenario è catturare la flessione causata dal gradiente termico creato dalla differenza di temperatura (ΔT) tra le superfici superiore e inferiore della trave, portando a una flessione dovuta a un'espansione differenziale.
Come applicare questo concetto in RFEM 6:
Questo scenario può essere simulato in RFEM 6 utilizzando il tipo di carico "Variazione di temperatura" (Immagine 11), dove è specificata la differenza di temperatura (ΔT) tra la parte superiore e inferiore della trave (ΔT=10°C). La temperatura dell'asse medio (Tc) è impostata a 0°C, ma la differenza di temperatura (ΔT) è diversa da zero, rappresentando il gradiente termico che causa la flessione della trave. Si noti che viene utilizzato il tipo di carico "Variazione di temperatura", e non è necessario definire temperature specifiche per le superfici superiore (Tt) e inferiore (Tb), poiché il focus è sulla flessione indotta dal gradiente termico creato da ΔT.
Conclusioni finali
Quindi, RFEM 6 offre un approccio flessibile per modellare gli effetti termici sui componenti strutturali, consentendo di simulare sia gli effetti a membrana che di flessione con i tipi di carico "Temperatura" e "Variazione di temperatura". Questi tipi di carico permettono simulazioni accurate delle variazioni di temperatura lungo la lunghezza e l'altezza di un'asta, garantendo un'analisi dettagliata delle deformazioni termiche.
Comprendendo come applicare efficacemente questi tipi di carico, gli ingegneri possono prevedere il comportamento dei componenti strutturali sotto carichi termici, portando ad analisi più accurate e a progetti ottimizzati. Che si tratti di riscaldamento uniforme, esposizione localizzata alla temperatura o condizioni variabili, RFEM 6 fornisce gli strumenti necessari per gestire gli effetti legati alla temperatura nelle tue strutture.
