18.11:  Thermische Belastung

Thermische Spannung ist ein Konzept, das entsteht, wenn wir betrachten, wie sich Temperaturänderungen auf Strukturen auswirken. Im Gegensatz zur herkömmlichen Annahme, dass Strukturen unter Last konstant bleiben, kommt es in realen Szenarien häufig zu Temperaturschwankungen, die erhebliche Auswirkungen auf diese Strukturen haben können. Stellen Sie sich einen homogenen Stab mit einheitlichem Querschnitt vor, der frei auf einer ebenen horizontalen Fläche ruht. Steigt die Temperatur des Stabes, verlängert sich dieser. Diese Dehnung ist proportional zur Temperaturänderung und zur ursprünglichen Länge des Stabes.

Die Proportionalitätskonstante in diesem Zusammenhang ist eine materialspezifische Kenngröße, der sogenannte Wärmeausdehnungskoeffizient. Sie stellt den Betrag dar, um den sich eine Längeneinheit eines Materials bei jedem Grad Temperaturänderung ändert. Der Koeffizient kann in Einheiten pro Grad Celsius ausgedrückt werden.

Da sich der Stab aufgrund der Temperaturänderung verformt, kommt es zu einer Dehnung. Die Verformung ist mit thermischer Belastung verbunden. Es ist wichtig zu beachten, dass Stress nicht unbedingt mit thermischer Belastung zusammenhängt. Es unterscheidet thermische Belastung von mechanischen Belastungen, die in der Regel mit damit verbundenen Spannungen verbunden sind. Das Verständnis der thermischen Spannung ist für den Entwurf und die Analyse von Strukturen, die Temperaturänderungen ausgesetzt sind, von entscheidender Bedeutung. Für die Sicherheit und Integrität von Bauwerken unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen muss die thermische Belastung gewährleistet sein. Es kann die Leistung und Lebensdauer verschiedener Strukturen erheblich beeinträchtigen.

Ein homogener Stab mit gleichmäßigem Querschnitt, der frei auf einer horizontalen Fläche ruht, dehnt sich beim Erhitzen aus.

Die Ausdehnung ist proportional zur Temperaturänderung und der Länge des Stabes, bestimmt durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials in Einheit pro Grad Celsius. Sie gibt die Ausdehnung oder Kontraktion des Materials pro Grad Temperaturänderung an.

Die Dehnung des Stabes durch die Temperaturänderung ist auf die thermische Belastung zurückzuführen. Im Gegensatz zu typischen Dehnungsszenarien ist mit dieser thermischen Dehnung keine Spannung verbunden, da der Stab nicht eingespannt ist.

Wenn der homogene Stab an beiden Enden eingespannt ist, erfährt er einen Temperaturanstieg, kann sich aber aufgrund der Fesseln nicht dehnen, wodurch Spannungen ohne Belastung des Stabes induziert werden.

Um die Belastung und Spannung durch diese Temperaturänderung abzuschätzen, entfernen Sie eine der Stützen in der Stange, damit sie sich frei dehnen kann.

Nachdem Sie das Ausmaß dieser hypothetischen Dehnung bestimmt haben, üben Sie eine Kraft auf das abgelöste Ende aus und simulieren Sie so die Reaktion, die die Stütze hervorgerufen hätte. Um sicherzustellen, dass die Gesamtverformung gleich Null ist, werden die Belastung und Spannung der Stange berechnet.