Температурные воздействия на конструкции по Еврокоду 1

Температурные воздействия на конструкции зданий возникают в результате:

• климатических условий страны, в которой находится конструкция;
• дневных и сезонных климатических изменений;
• термических факторов, которые образуются при эксплуатации здания.

Ниже представлен подход к учету температурных воздействий на конструкции зданий, который применяется в одной из частей Еврокода 1, а, именно, в европейском стандарте EN 1991-1-5.

Обзор аналогичного подхода по российскому своду правил СП 20.13330.2012 (СНиП 2.01.07-85) представлен здесь.

Параметры температурных воздействий по EN 1991-1-5

Максимальная Tmax и минимальная Tmin температуры

За максимальную температуру наружного воздуха Tmax в тени и минимальную температуру наружного воздуха Tmin в тени принимают характеристические величины этих температур для данной местности с вероятностью превышения 0,02 в течение одного года, что эквивалентно среднему периоду повторения 50 лет. Эти значения устанавливаются в национальном приложении к стандарту.

Значения этих температур могут корректироваться в зависимости от положения местности относительно уровня моря. Процедура такой корректировки дается в национальном приложении к стандарту. При отсутствии такой информации величины максимальной и минимальной температур в тени могут корректироваться путем вычитания

• 0,5 ºС на каждые 100 м высоты для минимальной температуры воздуха
• 1,0 ºС на каждые 100 м высоты для максимальной температуры воздуха.

Начальная температура T0

Начальная температура T0 – температура конструкционного элемента, при которой он устанавливался в конструкцию, которая ограничивает его перемещения. На этом этапе конструкция, которая включает этот элемент, становится статически неопределимой [3]. Если это невозможно установить, то за начальную температуру T0 принимают среднюю температуру в течение периода возведения конструкции.

Минимальная температура T0 может задаваться в национальном приложении к стандарту. При отсутствии информации допускается принимать начальную температуру T0 равной 10 ºС.

Факторы температурных воздействий

Суточные и сезонные изменения температуры наружного воздуха, прямое солнечное излучение, отраженное солнечное излучение и т.д. приводят к изменению распределения температуры в отдельных элементах конструкции.

Величина температурных воздействий на конструкции здания зависит от таких факторов, как:

• местные климатические условия, а также:
• пространственная ориентация конструкции,
• общая масса конструкции,
• свойства наружных поверхностей (облицовки, отделки зданий),
• режимы работы систем обогрева и кондиционирования,
• тепловая изоляция здания.

Компоненты температуры конструкционного элемента

Распределение температуры в пределах отдельного конструкционного элемента удобно подразделять на четыре основных компонента, как показано на рисунке

• однородное изменение температуры, ∆Тu;
• линейное изменение температуры по высоте элемента (по оси z), ∆ТМy;
• линейное изменение температуры по ширине элемента (по оси y), ∆ТМz;
• нелинейное распределение температуры ∆ТЕ, которое создает систему самоуравновешенных внутренних напряжений (не создает нагрузки на элемент).

Температурные деформации и, следовательно, температурные напряжения, которые возникают в конструкционном элементе, зависят от геометрии и условий его опирания или закрепления в более общей конструкции, а также от физических свойств применяемого материала. При применении материалов с различными коэффициентами линейного температурного расширения, в расчетах следует учитывать возможные температурные эффекты.

При определении температурных эффектов применяют коэффициенты линейного температурного расширения для применяемых материалов. Коэффициенты линейного температурного расширения часто применяемых материалов согласно Еврокода 1 даны в таблице ниже.

Таблица – Коэффициенты линейного температурного расширения некоторых конструкционных материалов по EN 1991-1-5

Температурные изменения в зданиях

Общие положения

Температурные воздействия на здание, вызванные климатическими и эксплуатационными изменениями температуры следует учитывать при определении расчетных параметров здания, если существует возможность превышения предельных состояний по несущей способности и эксплуатационной пригодности вследствие температурных перемещений и/или напряжений.

На объемные изменения и/или напряжения, вызванные температурными изменениями, могут также влиять:

• затенение соседними зданиями;
• применение различных материалов с различными коэффициентами температурного расширения и теплопроводностью;
• применение различных форм поперечного сечения с различными однородно распределенными температурами.

На изменения объема элемента конструкции могут также влиять влажность и другие условия окружающей среды.

Определение температуры

Температурные воздействия на здания определяют на основании:

• принципов и правил, указанных ниже в этом разделе;
• национальных или региональных климатических данных;
• опытных климатических данных.

Климатические эффекты определяют с учетом колебания температуры наружного воздуха и солнечного излучения. В отдельных случаях, для конкретного проекта учитывают эксплуатационные температурные нагрузки (например, обогрев, технологические и производственные процессы).

В соответствии с компонентами температуры, указанными выше, устанавливают климатические и эксплуатационные колебания температуры, воздействующие на элемент конструкции. Для этого применяют следующие параметры:

∆Тu

однородный компонент распределения температуры, который определяют как разность между средним значением температуры Т элемента и его начальной температурой Т0

∆ТМ

линейный компонент изменения температуры, который определяют как разность температуры между наружной и внутренней сторонами элемента или между поверхностями отдельных его слоев

∆ТР

разность температуры для различных частей конструкции, которую определяют как разность средних значений температуры этих частей

При необходимости, кроме ∆Тu, ∆ТМ и ∆ТР, при проектировании, например, кронштейнов наружной облицовки, учитывают локальные эффекты температурных воздействий. Для этого выполняют соответствующие расчеты температурных воздействий с учетом положения здания и его конструкционных особенностей.
Однородный компонент изменения температуры элемента конструкции ∆Тu определяют следующим образом:

∆Тu = Т – Т0, (*)

где Т – среднее значение температуры конструкционного элемента, вызванное климатическими температурами зимой или летом и эксплуатационными температурами.

Значения ∆Тu, ∆ТМ, ∆ТР и Т определяют в соответствии с представленными в стандарте принципами с учетом региональных данных.

При отсутствии региональных данных допускается применять указанные стандартные данные.

Распределение температуры по сечению конструкционного элемента

Температуру Т для формулы (*) определяют как среднюю температуру конструкционного элемента зимой или летом с применением распределения температуры по сечению конструкционного элемента. В случае многослойных элементов, величина Т является средней температурой отдельного слоя.

Распределение температуры может определяться расчетом с помощью теории теплопроводности. В случае простого элемента при отсутствии мостиков холода температура T(x) на расстоянии x от внутренней поверхности поперечного сечения может определяться, предполагая стационарное температурное состояние по следующей формуле:

T(x) = Tin – (R(x)/Rtot)(Tin – Tout)

где Tin – температура воздуха внутри здания;

Tout – температура воздуха снаружи здания;

Rtot – общее термическое сопротивление элемента конструкции, включая сопротивление обеих поверхностей, внутренней и наружной;

R(x) – термическое сопротивление от внутренней поверхности до точки х.

Если элемент конструкции имеет только один слой и условия окружающей среды на обеих его сторонах одинаковы, то величину Т определяют как среднее значение внутренней и наружной температур воздуха Тin и Тout

Температура внутреннего воздуха Тin

Температуру внутреннего воздуха Тin устанавливают для лета (Т1) и зимы (Т2) согласно национальному приложению к стандарту (рисунок 3). При отсутствии таких данных рекомендуются следующие значения: Т1 = 20 ºС и Т2 = 25 ºС

Температура Тout зданий над уровнем земли

Летняя температура Тout

Летняя температура Тout для зданий выше уровня земли вычисляется как

Tout = Tmax + Ti,

где Ti – добавка к максимальной температуре (i = 3, 4 и 5), которая зависит от:

• теплопоглощающей способности материала и
• ориентации поверхности сооружения или элемента конструкции относительно сторон север-восток и юг-запад.

Зависимость температуры Tout от ориентации выражается следующим образом:

• максимум достигается обычно на поверхностях, обращенных на запад, юго-запад или на горизонтальных поверхностях;
• минимум (приблизительно половина значения максимума в градусах Цельсия) достигается на поверхностях, обращенных на север.

Температура Ti зависит от теплопоглощающей способности, которая отличается для поверхностей различных цветов:

• 0,5 – для светлой отражающей поверхности (Т3);
• 0,7 – для светлой цветной поверхности (Т4);
• 0,9 – для темной поверхности (Т5).

Величины Т3, Т4 и Т5 устанавливаются в национальном приложении к стандарту.
Если таких данных нет, то для регионов между 45º и 55º северной широты рекомендуются следующие значения этих температур:

• Т3 = 0 ºС, Т4 = 2 ºС и Т5 = 4 ºС для элементов, обращенных на северо-восток;
• Т3 = 18 ºС, Т4 = 30 ºС и Т5 = 42 ºС для элементов, обращенных на юго-запад.

Зимняя температура Тout

Зимняя температура наружного воздуха Тout устанавливается равной Tmin согласно национального приложения к стандарту.

Температура Тout зданий ниже уровня земли

Летняя температура Тout для сооружений ниже уровня земли устанавливается:

• для глубины до 1 м – Т6
• для глубины более 1 м – Т7

Зимняя температура Тout для сооружений ниже уровня земли устанавливается:

• для глубины до 1 м – Т8
• для глубины более 1 м – Т9

Величины Т6, Т7, Т8 и Т9 устанавливаются в национальном приложении к стандарту. При отсутствии этих данных для регионов между 45º и 55º северной широты рекомендуется принимать: Т6 = 8 ºС, Т7 = 5 ºС, Т8 = –5 ºС и Т9 = –3 ºС.