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    實例解析 | 溫度對隔熱斷橋型材的影響

    作者:幕墻工程網 時間:2020-11-21 17:56:31

    之前講了很多關于斷橋鋁性能、加工等方面的內容,對于實際應用說的不多,今天泰叔講個實例。


    眾所周知,隔熱斷橋型材是由隔熱條和鋁合金型材復合而成的。隔熱條和鋁合金型材的線性膨脹系數雖然比較接近,但是還是有差異的。鋁合金的線膨脹系數是α=2.35 X10-5K-1,隔熱條的線性膨脹系數為2.3-3.5X10-5K-1。


    舉個我們自己隔熱條的例子算一算就明白了。隔熱條的線性膨脹系數為α=2.8X10-5K-1,取L0=1.5m的桿件長度,溫差變化取?T= 30℃,可以分別計算在沒有約束的情況下兩種材質的溫度熱變形量:


    隔熱條: ?L=αL0?T=2.8*10-5*1.5*103*30=1.26mm
    鋁合金: ?L=αL0?T=2.35*10-5*1.5*103*30=1.06mm


    對于門窗而言,1.5m的桿件在溫差30℃的情況下,隔熱條和鋁合金型材的溫度變形量僅僅相差0.2mm,大概占到桿件長度的0.01%,加上約束這個變形是可以吸收的。所以隔熱斷橋型材的溫度變形基本是同步的,不會產生型材內部使用上的問題。


    那溫差比較大的地區熱變形會不會產生使用的問題?

     

    發現問題


    客戶發郵件來和我們反映在美洲項目上提升推拉門啟閉發現異常,大概是這么個情況:


    1. 被投訴的10樘推拉門,分布在不同樓層和不同立面?,F場的陣風風壓沒有實測過,現場的人表示體感風壓時大時小。

    2. 外扇變形朝室外拱,中間鼓起約4-5mm。內扇幾乎沒有變形,1-2mm變向朝室內拱,出現的季節集中在冬天,有8樘,還有1樘在春天,1樘在夏天。關不上的情況都是變形引起。據總包反饋,冬天發生問題的時候,稍微出現點太陽,門就又可以關上了。最冷的時候因為太冷沒有人開門,所以也沒有數據。

    3. 勾起沒有變形,關不上的情況非持續性,是偶發且短暫發生。

    4. 多倫多所有使用此提升推拉門的工程,相隔距離不超過5公里。其他工程沒有出現過類似情況。詳見圖1所示:

    圖1 變形的推拉門型材

       

    到底哪里出了問題?


    當地的氣候條件如下:多倫多地區冬季溫度在-10℃左右,體感溫度-16-17℃。最冷的時候可以達到-30℃,體感溫度可以達到-40℃。室內溫度為20-25℃?;撅L壓設計值為2.5KN/m2,門的尺寸為2.0*1.0m。出現變形的門基本都處在轉角位置??蛻羰褂玫脑O計方案如下圖2所示:


    圖2


    溫度分析:根據現場反饋可知,室內外溫差最高可達55℃。而勾起的線性膨脹系數為2.8x10-5K-1。簡化的計算模型如下圖3所示:


    圖3


    由溫度引起的變形量為:=55×2.8×10-5×2.0×1000=3.08mm。


    由軟件計算可得如圖4所示:


    圖4


    由上圖計算軟件得出計算數據撓度的值為48.074mm??!


    對于型材而言:線性膨脹系數為2.35x10-5K-1,由溫度引起的變形量為:=55×2.35×10-5×2.0×1000=2.585mm。由軟件計算可得:


    圖5


    由上圖計算軟件得出計算數據撓度的值為44.04mm??!


    如果是由溫度引起的變形室外側為低溫,室內側為高溫,變形應該是向室內側彎曲(熱脹冷縮原理),而不是現場反饋的向室外側彎曲。由以上兩點可知,此變形不是因為溫差造成的。


    不是溫差?難道是風壓?


    來分析下


    圖6


    圖7


    圖8

     

    圖9

     

     ==0.48

    ==17.9

    =0.97

    Ief = IS * { (1 - v) / (1 - v*β) }  =43*{ (1 - 0.48) / (1 - 0.48*0.97 ) }=41.84cm4

    wkgzμsμzw0=2.5 KN/m2

    q= wkB/2=2.5*0.5=1.25 KN/m

    M=ql2/8= 1.25*22/8=0.625KN.m

    N=Gg?H?B=0.31*2*0.5=0.31KN


    圖10


    ==69.2N/mm2<85.5N/mm

    強度滿足設計要求。

    Ymax=5ql4/(384EI)

    =5*1.25*(2*1000)4/(384*70000*41.84*104)

    =9mm


    允許的撓度限值是 L/180=11mm>9mm。滿足撓度限值要求。


    實際使用中的5mm<9mm,即滿足設計要求。溫度變形和風壓變形二者疊加后的變形為:44.04-9=35.04mm,不滿足實際使用要求。


    “真兇”就抓出來了,這是由溫度變形引起的變形方向與實際出現的方向不符,因而不是由于溫度變形引起的過度變形。而強度設計滿足設計要求。撓度雖滿足限值要求,但是不滿足實際的使用要求。


    怎么解決?


    針對以上容易出現的問題,我們綜合考慮了當地的環境溫度的特殊性,以及較大風壓的情況,建議可以采取以下兩種方案來解決和改善這種問題的發生。


    1.可以將勾起與型材固定位置的開孔由圓孔改為長圓孔,這樣有利于勾起在溫差下的變形伸縮。

    2.增強型材的斷面設計,從而增加型材的強度和有效慣性矩,進而控制型材的撓度和溫度變形。如下圖11所示:


    圖11


    對于復雜環境的區域,建議我們做好強度,撓度相關的力學計算,從而減少或者規避因為方案不足而帶來的使用問題。除此之外我們建議對于門上用隔熱條可以選擇防拱型隔熱條,以20mm寬隔熱條為例試驗數據如下圖12所示:


    圖12


    結論如下:

    a.常規隔熱條溫差變形比防拱隔熱條要大

    b.隨著溫差的不斷增大,防拱型隔熱條的形變率比常規條要低。

    所以防拱隔熱條的應用也會降低溫差變形對隔熱斷橋門窗的影響。


    通過上面這么一堆數據、實驗分析,我們可以發現,溫度引起的熱變形也是不能被忽略的一種現象。對于復雜氣候條件的地區,即溫差變化比較大的地區,或者濕度比較大的地區要尤其慎重考慮隔熱斷橋型材的熱變形。


    發生這種情況,不要慌,先確定是力學因素還是溫度因素。如果是力學因素,我們可以選擇增加型材斷面、加強剛度。如果是溫度因素可以考慮選擇具有防拱功能的隔熱條。如此一來,我們能夠實現一些復雜區域的隔熱斷橋型材的設計,可以解決一些不必要問題的發生。


     熱變形的問題并不僅于此,泰叔此例拋磚引玉,如有經典案例,歡迎來擴展素材庫。


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