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¿Qué es el estrés térmico? – Definición y ecuación

Publicado el 28 octubre, 2021

Estrés termal

Una de las propiedades de los metales es que transfieren calor. Los cambios físicos que ocurren con esta transferencia incluyen esa expansión cuando la temperatura aumenta y la contracción cuando la temperatura disminuye. Esto sucede en las tres dimensiones.

El estrés térmico se produce como resultado de la expansión térmica de los elementos estructurales metálicos cuando cambia la temperatura. Los cambios de temperatura provocan deformaciones térmicas de los miembros estructurales. Los valores de estas deformaciones se pueden describir mediante la siguiente fórmula o relación:

deformación térmica

dónde:

  • delta t es la deformación del miembro estructural debido a un cambio de temperatura
  • alfa es el coeficiente de expansión de temperatura, una propiedad del material medida en unidades por Kelvin (K)
  • L es la longitud original del miembro estructural, medida en pies o metros
  • T es la temperatura final medida en unidades de Kelvin o Celsius o para el sistema internacional y Fahrenheit o para el sistema inglés.

T 0 es la temperatura inicial, nuevamente medida en unidades de K o C o para el sistema internacional y F o para el sistema inglés.

Fórmulas

Cuando un miembro estructural puede moverse y expandirse libremente, no se ejerce tensión sobre él. Sin embargo, cuando el movimiento y la expansión están restringidos, se produce estrés térmico. Cuando el movimiento está restringido en la dirección de expansión, el valor de la fuerza de reacción es igual al valor de la fuerza necesaria para comprimir una viga en la dirección opuesta y por la misma cantidad de deformación. Podemos usar la siguiente fórmula para describir esta relación:

fuerza de reacción debida a la expansión

Aquí,

  • delta es la deflexión de la viga debido a la fuerza de reacción, que es igual a la deflexión de la viga debido a la expansión térmica pero en la dirección opuesta, expresada en metros para el SI (o sistema internacional) y en pies para el sistema inglés.
  • A es el área de la sección transversal en f 2 om 2 .
  • E es el módulo de elasticidad del material a partir del cual se fabrica la viga en Pascal (Pa) para el sistema de unidades internacionales o a o lb / ft 2 para el sistema inglés.
  • L es la longitud de la viga en pies o metros.

Al reunir nuestro conocimiento de la expansión térmica y las fuerzas involucradas, ahora podemos resolver el estrés térmico, representado por la letra griega sigma , medido en Newtons por metro cuadrado o Pascales (Pa).

Ya que:

delta t y delta f
delta t y delta f

Y desde,

sigma 2

la fórmula podría reorganizarse de la siguiente manera:

sigma final

Aquí,

  • sigma es la tensión causada por la expansión térmica en Pa para el sistema de unidades internacionales o lb / ft 2 para el sistema inglés.

Sin embargo, a veces los ingenieros diseñan sus estructuras para limitar la expansión térmica proporcionando juntas de expansión térmica, como se ve en los puentes. Esto limita la tensión térmica al proporcionar un pequeño espacio que disminuye la deformación del miembro estructural debido a la fuerza de reacción, como se muestra en la siguiente fórmula:

delta t y delta f 3

donde x es el espacio proporcionado por el ingeniero.

Ejemplo

Veamos un ejemplo…

Una viga de acero de 0,12 m 2 donde alfa = 12 x 10 -6 / K y E = 200 GPa) se fija en ambos extremos sin espacios. La temperatura inicial es de 25o . ¿Cuál es la tensión térmica de la viga si la temperatura aumenta a 32 o ?

Realicemos el cálculo:

sigma ejemplos
ex térmica
ex ans

Tenga en cuenta que, dado que estamos tratando con cambios de temperatura, no tuvimos que convertir las temperaturas a unidades de Kelvin.

Resumen de la lección

La expansión térmica se produce en los metales cuando cambia la temperatura. Cuando se permite la expansión térmica, no se ejerce tensión térmica sobre el miembro estructural. Sin embargo, cuando la expansión térmica está prohibida, es cuando se produce el estrés térmico. Durante el cambio térmico, la cantidad de tensión ejercida sobre un miembro estructural es igual a la fuerza requerida para deformar el miembro en la dirección opuesta con la misma cantidad que la expansión térmica.

Por lo tanto, para reducir el estrés térmico debido a la expansión térmica en los miembros estructurales, los ingenieros dejan huecos en forma de juntas de expansión. Esto reducirá delta f y, por lo tanto, reducirá la fuerza y ​​la tensión sobre el miembro.

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