Биметаллический эффект в оконных конструкциях

Цель данной статьи состоит в том, чтобы объяснить сложные эффекты теплофизики простыми прикладными методами с помощью 3-х уравнений с переменными в виде внутренних и наружных температур, влияющих на:

• расширение профилей оконных конструкций;
• индуцированные растягивающие напряжения в профилях из изотропного (с постоянными физико-механическими свойствами) алюминиевого сплава;
• напряжения, которые испытывают термоизолирующие вставки для комбинированного («теплого») профиля.

Рассмотрим 3 случая для определения этих напряжений.

1.Температурное расширение материалов.

Тепловое расширение или сжатие материала происходит из-за поступающей к атомам энергии, которая заставляет материал расширяться или сжиматься. Сам процесс удлинения/ сжатия происходит в зависимости от коэффициента температурного расширения α указанного материала и от разницы начальной и конечной температуры, которой подвергается однородный профиль в его структуре - см. рис. 1.

Рис. 1

Изменение длины зависит от следующих параметров:

ΔL = α • L0 • Δt (1), где:

• ΔL = (LК –L0) - изменение длины профиля [ м ]
• α - коэффициент линейного расширения [ °C-1]
• L0 - исходная длина профиля [ м ]
• LК - конечная длина профиля [ м ]
• Δt = t – t0 - изменения температуры [ °C ]

Пример. Для алюминиевого профиля L0 = 1 м, нагретого до температуры, которая дает изменение температуры Δt = 20 °C с коэффициентом расширения α = 0,23 • 10-4 °C-1, длина ΔL увеличится на 0,46 мм.

Для информации, коэффициенты линейного расширения основных материалов, используемых в светопрозрачных конструкциях:

• Термовставка из полиамида 66GF25 α= 0,40 • 10-4°C-1.
• ПВХ профиль α= 0,80 • 10-4°C-1.
• Профиль из алюминиевого сплава α= 0,23 • 10-4°C-1.
• Профиль из древесины α= 0,50 • 10-4°C-1.

2. Теплопередача в алюминиевых профилях.

Для понимания процесса теплопередачи рассмотрим стену, которая отделяет температуру в помещении (tвн.) от температуры наружного воздуха (tнар.). Тепловой поток Q, который проходит через эту стену с коэффициентом теплопередачи U (Вт/м2 °C) - см. рис. 2. определяется формулой:

Q = U • (tвн. – tнар.)

Рис.2

Мы, также, можем выразить тепловой поток в виде обмена между температурой в помещении (tвн) и температурой внутренней поверхности профиля (Tвн), в результате формула принимает следующий вид:

Q = hвн • (tвн.– Tвн) (2)

где hвн - коэффициент теплообмена внутренней поверхности профиля.

Из этих двух выражений получаем формулу для температуры внутренней поверхности профиля:

Tвн. = tвн. – U/ hвн • (tвн. – tнар) (3)

Отсюда следует, что температура внутренней поверхности профиля (Tвн ) меньше, чем температура в помещении (tвн), на величину, которая тем больше, чем хуже термоизоляция и чем больше разница температур снаружи и внутри помещения.

Пример. Определение температуры внутренней поверхности (Tвн) алюминиевого профиля без термовставки в соответствии с исходными данными:

• tнар. = - 25°C - температура наружного воздуха;
• tвн. = + 18°C - температура в помещении;
• U = 6 Вт/м2.°C (см. статью «Термическая эффективность алюминиевого профиля с термовставкой»)
• hвн. = 1/ 0,12 = 8,333 - константа поверхностного обмена за счет конвекции внутренней стенки.

Tвн. = 18 - 6/ 8,333 • (18 + 25) = -13 °C

Сделаем то же самое с алюминиевым профилем с термовставкой:

• tнар = -25 ° C
• tвн. = + 18 ° С
• U = 1 Вт / м2 ° C (см. Пункт 1)
• hвн. = 1 / 0,12 = 8,333 Tвн = 18 - 1/ 8,333 • (18+25) = +13°C

Вывод, существует значительная, математически подтвержденная разница в показателе теплопередаче между профилем с термовставкой («теплым») и просто алюминиевым профилем («холодным»).

3. Продольное расширение профилей без и с термовставкой

Рассмотрим окно с вертикальным импостом, глухой и открываемой частью – см. рис. 3.

Рис. 3

В качестве предположения примем следующие значения:

• tнар. = 10 °C - температура наружного воздуха в момент монтажа;
• tнар. = -25°C - температуре наружного воздуха ночью;
• tвн. = 18 °C - температуре в помещении.

Для профиля с термовставкой следует принимать во внимание температуры поверхностей внутренней и наружной чаш профиля.

Для алюминиевого профиля без термовставки («холодный» профиль) получаем следующее изменение длины снаружи:

ΔLнар.= 0,0231 • 2,1 • (+35), где разница температур Δt = - 25+10°C

Сжатие профиля составляет ΔLнар.= 1,70 мм.

Далее определяем для профиля без термовставки со стороны помещения:

ΔLвн =0,0231 • 2,1 • (+8), где разница температур Δt =18-10°C

Удлинение профиля изнутри составляет ΔL вн =0,40 мм

В итоге, биметаллический эффект для профиля без термовставки дает амплитуду 2,10 мм.

Теперь определяем значения для профиля с термовставкой из полиамида PA66 снаружи и внутри помещения:

ΔLнар. = 0,040 • 2,1 • (+23), где Δt = -13 + 10°C

Снаружи получили сжатие ΔLнар. = 1,9 мм.

ΔLвн. = 0,04 2,1 • (+3), где Δt = 18-13 °C

С внутренней стороны удлинение составляет ΔL вн = 0,25 мм.

Биметаллический эффект для «теплого» профиля с термовставкой дает амплитуду 3,70 мм.

Практические выводы касательно эффектов сжатия и удлинения элементов оконных конструкций.

Линейное удлинение вертикального импоста проявляется в виде продольной деформации от 0,25 мм до 2,0 мм, с биметаллическим эффектом от 3,7 мм до 2,0 мм. Наличие зазоров между строительным проемом и оконной рамой не делает системы сверхстатическими.

С другой стороны, оконные конструкции часто крепят на монтажных пластинах, что позволяет допускать некоторую деформацию из-за изменений в профиле, невидимую для невооруженного человеческого глаза.

Воздействие ветрового давления и усталостное разрушение материалов гораздо более критично и впечатляюще для эксплуатации конструкций.