Programy do analizy statyczno-wytrzymałościowej RFEM 6 i RSTAB 9 oferują szerokie możliwości symulacji odkształcenia termicznego elementów konstrukcyjnych przy zastosowaniu obciążeń temperaturą. Programy te umożliwiają dokładne uwzględnienie efektów zmian temperatury, które mogą znacząco wpłynąć na zachowanie materiałów i konstrukcji. Symulując zarówno jednolite, jak i niejednolite zmiany temperatury, RFEM 6 i RSTAB 9 umożliwiają kompleksową analizę, w jaki sposób rozszerzalność cieplna lub kurczliwość mogą wpływać na wydajność konstrukcji.
W tym artykule przyjrzymy się teoretycznym podstawom wpływów termicznych, koncentrując się w szczególności na wpływach na membranę i zginanie, oraz pokażemy, jak te efekty termiczne można modelować i stosować w RFEM 6. Korzystając z praktycznych przykładów, zobaczysz, jak te odkształcenia wywołane działaniem temperatury mogą być efektywnie uwzględnione w programie, dostarczając cennych informacji na temat projektowania i analizy konstrukcji narażonych na zmienne temperatury.
1. Efekt membranowy (jednolita zmiana temperatury)
Jednolita zmiana temperatury na wysokości elementu wywołuje tak zwany efekt membranowy. Dzieje się to, gdy cały element podlega tej samej zmianie temperatury na całej swojej długości, bez gradientu w kierunku prostopadłym. Pod wpływem jednolitej zmiany temperatury element konstrukcyjny doświadcza rozszerzalności cieplnej lub kurczliwości bez odkształcenia zginania.
Efekt membranowy charakteryzuje się jednolitym odkształceniem wzdłuż osi elementu, prowadzącym do czysto osiowego odkształcenia (Obraz 1). Gdy temperatura wzrasta, materiał rozszerza się wzdłuż osi, a gdy temperatura maleje, kurczy się. Ważne jest, że efekt ten nie generuje wewnętrznych momentów ani naprężeń zginających, ale powoduje powstawanie sił osiowych w elemencie, jeśli na przykład rozszerzalność liniowa elementu jest ograniczona w układzie statycznie niewyznaczalnym.
2. Efekt zginający (niejednolita zmiana temperatury)
W przeciwieństwie do efektu membranowego, niejednolity rozkład temperatury na wysokości lub grubości elementu prowadzi do odkształcenia zginającego (Obraz 2). Dzieje się tak, gdy temperatura zmienia się na przekroju elementu konstrukcyjnego, tworząc gradient temperatury.
Gdy element poddany jest gradientowi temperatury, materiał rozszerza się różnie w różnych punktach wzdłuż jego wysokości lub grubości. To rozszerzalność różnicowa powoduje wewnętrzne momenty i naprężenia zginające, które pojawiają się tylko w statycznie niewyznaczalnym układzie, gdzie rozszerzalność jest ograniczona. Element będzie starał się zgiąć w odpowiedzi na zmienne temperatury w jego różnych przekrojach, przy czym górna część przekroju rozszerza się bardziej niż dolna część, lub odwrotnie. Dlatego efekt zginania można zrozumieć jako odkształcenie elementu konstrukcyjnego z powodu gradientu temperaturowego.
3. Efekt łączony: membranowy i zginania
W praktyce elementy konstrukcyjne są często narażone zarówno na jednolite zmiany temperatury (efekt membranowy), jak i gradienty temperatury (efekt zginania). Całkowite odkształcenie termiczne w elemencie można zatem opisać jako połączenie tych dwóch efektów:
- Efekt membranowy powoduje odkształcenie osiowe (rozciąganie lub ściskanie) w wyniku jednolitej zmiany temperatury wzdłuż osi elementu.
- Efekt zginania prowadzi do odkształcenia giętnego z powodu gradientu temperatury na wysokości lub grubości elementu.
To połączone oddziaływanie prowadzi do niejednolitego odkształcenia (Obraz 3), ponieważ zarówno siły osiowe, jak i momenty zginające są generowane w elemencie, co ma miejsce, gdy układ jest statycznie niewyznaczalny, a rozszerzalność jest ograniczona.
Symulacja odkształceń termicznych w RFEM 6
W RFEM 6 można symulować zarówno efekty membranowe, jak i zginania, stosując dwa rodzaje obciążeń temperaturą: „Temperatura” i „Zmiana temperatury”. Można je łatwo zdefiniować za pomocą okna „Nowe obciążenie prętowe”, gdzie można wybrać odpowiedni typ obciążenia z menu rozwijanego „Typ obciążenia” (Obrazy 4 i 5).
1. Typ obciążenia „Temperatura”
Obciążenie „Temperatura” w RFEM 6 pozwala określić temperaturę górną (Tt) i dolną (Tb) elementu. Rozkład temperatury może być:
- Jednolity: gdy Tt=Tb, oznacza to, że element podlega jednolitej zmianie temperatury, prowadząc do efektów membranowych (bez zginania).
- Niejednolity: gdy Tt≠Tb, tworzy to gradient temperatury na elemencie, prowadzący do zarówno efektów membranowych, jak i zginania.
2. Typ obciążenia „Zmiana temperatury”
Obciążenie „Zmiana temperatury” pozwala zdefiniować temperaturę w osi środkowej (Tc) i bezpośrednio określić różnicę temperatur ΔT między górą a dołem pręta. Dodatnia temperatura w osi środkowej oznacza, że element się nagrzewa, a dodatnia różnica temperatur implikuje, że górna część elementu nagrzewa się bardziej niż dolna, indukując zginanie.
Praktyczne przykłady
Aby lepiej zrozumieć efekty obciążeń temperaturą, przeanalizujmy kilka scenariuszy, w których ta sama belka wspornikowa poddawana jest zmiennym warunkom temperatury. W każdym przypadku rozważymy, jak różne zmiany temperatury można zasymulować w RFEM 6, używając typów obciążeń "Temperatura" i "Zmiana temperatury". Oba typy obciążeń mogą reprezentować te same efekty temperatury; różnica polega wyłącznie na sposobie wprowadzania danych. Podkreślimy, w jaki sposób te zmienne wpływają na zachowanie belki, szczególnie w kontekście zginania i odkształcenia.
1. Scenariusz: System ogrzewania podłogowego w budynku
W tym scenariuszu belka wspornikowa podpiera część systemu podłogowego w budynku i jest narażona na jednolity wzrost temperatury o 10°C z powodu aktywacji ogrzewania podłogowego. System grzewczy równomiernie podnosi temperaturę całej belki na jej długości, co powoduje równomierne nagrzewanie się belki.
Jak zastosować to w RFEM 6:
Ten scenariusz można zasymulować w RFEM 6, używając typu obciążenia "Zmiana temperatury", gdzie temperatura w osi środkowej (Tc) jest ustawiona na 10°C, co reprezentuje równomierne nagrzewanie się belki (Obraz 6). Różnica temperatur (ΔT) między górną i dolną powierzchnią belki będzie wynosić zero, ponieważ wzrost temperatury jest jednolity na długości belki.
Alternatywnie, tę samą symulację można przeprowadzić za pomocą obciążenia "Temperatura", gdzie zarówno temperatura górna (Tt), jak i dolna (Tb) są ustawione na 10°C (Obraz 7). W obu przypadkach rezultatem będzie jednolite rozszerzenie belki bez powodowania zginania, ponieważ cała belka podlega tej samej rozszerzalności cieplnej (Obraz 8).
2. Scenariusz: Belka narażona na źródło ciepła
Belka wspornikowa znajduje się w środowisku przemysłowym, gdzie jeden jej bok jest narażony na działanie podwyższonej temperatury. Na przykład podczas procesu produkcyjnego jeden bok belki może być poddawany działaniu wyższej temperatury (np. 30°C), podczas gdy przeciwny bok belki pozostaje w niższej temperaturze (np. 20°C) lub jest osłonięty od ciepła.
Jak zastosować to w RFEM 6:
Można to zasymulować, używając obciążenia "Temperatura" z Tt ≠ Tb (Obraz 9), gdzie temperatura górna (Tt) jest ustawiona wyżej (30°C) z powodu źródła ciepła, a dolna temperatura (Tb) pozostaje niższa (20°C). Różnica temperatur na górze i dole belki tworzy gradient termiczny, który powoduje rozszerzanie się i zginanie belki (Obraz 10).
3. Scenariusz: Belka narażona na nierównomierne promieniowanie słoneczne
Belka wspornikowa znajduje się w środowisku zewnętrznym, gdzie jedna powierzchnia jest wystawiona na działanie słońca, podczas gdy przeciwna powierzchnia jest zacieniona. W rezultacie jedna powierzchnia belki nagrzewa się do 5°C, podczas gdy druga pozostaje na poziomie -5°C. W tym przypadku temperatura w osi środkowej wynosi 0°C, ale występuje gradient temperatury w poprzek belki, gdzie jedna powierzchnia doświadcza wyższej temperatury niż druga. Głównym celem w tym scenariuszu jest uchwycenie zginania spowodowanego gradientem termicznym wywołanym różnicą temperatur (ΔT) między górną i dolną powierzchnią belki, prowadząc do zginania z powodu rozszerzalności różnicowej.
Jak zastosować to w RFEM 6:
Ten scenariusz można zasymulować w RFEM 6, używając obciążenia "Zmiana temperatury" (Obraz 11), gdzie określona jest różnica temperatur (ΔT) między górną i dolną częścią belki (ΔT=10°C). Temperatura w osi środkowej (Tc) jest ustawiona na 0°C, ale różnica temperatur (ΔT) jest niezerowa, co reprezentuje gradient termiczny, który powoduje zginanie belki. Należy zauważyć, że używany jest typ obciążenia "Zmiana temperatury" i nie ma potrzeby definiowania konkretnych temperatur dla górnej (Tt) i dolnej (Tb) powierzchni, ponieważ skupiamy się na zginaniu wywołanym gradientem termicznym utworzonym przez ΔT.
Podsumowanie
Podsumowując, RFEM 6 oferuje elastyczne podejście do modelowania wpływów zmian temperatury na elementy konstrukcyjne, pozwalając na symulację zarówno efektów membranowych, jak i zginających przy użyciu typów obciążeń "Temperatura" i "Zmiana temperatury". Te typy obciążeń umożliwiają dokładne symulacje zmian temperatury na długości i wysokości elementu, zapewniając szczegółową analizę odkształceń termicznych.
Rozumiejąc, jak skutecznie stosować te typy obciążeń, inżynierowie mogą przewidzieć zachowanie elementów konstrukcyjnych pod wpływem obciążeń termicznych, co zapewni dokładniejsze analizy i optymalizację projektów. Niezależnie od tego, czy chodzi o równomierne nagrzewanie, lokalne narażenie na wysoką temperaturę, czy zmienne warunki, RFEM 6 dostarcza niezbędnych narzędzi do zarządzania efektami związanymi z temperaturą oddziałującą na konstrukcje.
