理想气体在建筑结构中的应用

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对于力学分析建模时,假设理想气体有如下特性:气体分子本身不占有体积,气体分子持续以直线运动,并且与容器器壁间发生弹性碰撞,因而对器壁施加压强,气体分子间无作用力,亦即不吸引也不排斥。

通过这些关于热力学平衡的假设可以描述封闭气体的状态。 得出以下一般气体公式:
p∙V = n∙R∙T
使用状态变量
p =压缩
V =实心的
n =摩尔数
R =通用气体常数
T =温度

理想气体的性质

在一般气体方程中保持一定的状态变量不变,得到了理想气体的特殊性质。 熟悉这些属性有助于您在结构分析中使用理想气体,并可以帮助您相应地模拟某些荷载状态。

等温状态变化(Boyle-Mariotte)
如果保持变量T和n恒定并增大施加的压力p,则考虑的气体单元的体积V减小。

以下情况适用:
$\begin{array}{l}\mathrm p\;\sim\;\frac1{\mathrm V}\\\mathrm p\;\cdot\;\mathrm V\;=\;\mathrm{const}\\\frac{{\mathrm p}_1}{{\mathrm p}_2}\;=\;\frac{{\mathrm V}_2}{{\mathrm V}_1}\end{array}$

等压状态变化(Gay-Lussac)
如果量p和n保持不变并且作用温度T增加,那么所考虑的气体单元的体积V就会增加。

以下情况适用:
$\begin{array}{l}\mathrm V\;\sim\;\mathrm T\\\frac{\mathrm V}{\mathrm T}\;=\;\mathrm{const}\\\frac{{\mathrm V}_1}{{\mathrm V}_2}\;=\;\frac{{\mathrm T}_1}{{\mathrm T}_2}\end{array}$

等变量的变形(amotons)
如果值V和n保持不变并且作用温度T增加,则增加相关气体单元的压力p。

以下情况适用:
$\begin{array}{l}\mathrm p\;\sim\;\mathrm T\\\frac{\mathrm p}{\mathrm T}\;=\;\mathrm{const}\\\frac{{\mathrm p}_1}{{\mathrm p}_2}\;=\;\frac{{\mathrm T}_1}{{\mathrm T}_2}\end{array}$

在结构分析中使用

在结构分析中通常使用封闭气体来传递外力。 这里的要求是,在固体壳体上某个位置的局部作用力可以通过截留的气体输送到固体壳体的所有其他侧面。

例如,该属性用于中空玻璃板或充气膜垫。 在这两种情况下都描述了由结构元件组成的实心壳体并用气体填充。 对于中空玻璃板,体积限制由刚性壳单元和由非刚性膜单元构成的膜隔膜组成。 然而,在这两种情况下,风荷载或雪荷载都会受到体积限制的一侧的影响,并通过封闭的气体传递到相邻的体积极限。

由于在建筑行业考虑的荷载情况下温度不会突然变化,因此通常在实心壳体中模拟具有等温状态特性的理想气体。

在RFEM中实施

RFEM中提供了可靠的定义。 这些体积与周围的面相关联。 在这种由周围壳体和实体构件组成的单元格中,您可以输入类型为Gas的体积定义。 由此得出的气体体积需要描述封闭气体和大气状态变量的定义。 大气状态变量对封闭的实体没有影响,只描述模拟的初始状态。

图片 01 - 气固体中的气体行为

在指定的荷载工况中可以对每个气体体积施加相应的实心荷载。 为了模拟开放或者封闭的固体,可以指定得出的压力/固体或者压力/体积的变化。

使用的文献材料

[1] 维基百科: 理想气体
[2] 维基百科: 理想气体的热状态方程
[3] Wagner,R。: 建筑用绳索和隔膜 Berlin: Beuth, 2016

关键词

气体量 光伏发电 特别提款权 气候变化 枕头 等温线 玻璃板中间空间

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