Fizicka svojstva materijala

1KONSTRUKCIJE, MATERIJALI I

GRAENJE

Fond: 3+1

Prof. dr Mirjana MALEEV

Prof. dr Vlastimir RADONJANIN

PREDAVANJE br. 4

Kroz prethodno predavanje prikazano je kako setoplota prenosi kroz elemente graeviskih objekata. Pritome je za proraun Q, T i U usvojen stacionaran reimprovoenja toplote, to znai da je temperatura u svimtakama temperaturnog polja konstantna, tj. da setoplota samo prenosi kroz zid i ne troi se nazagrevanje materijala i elemenata kroz koje prolazi (Q=const).

Meutim, u realnim uslovima materijali i elementikonstrukcije se greju ili hlade prilikom penoenjatoplote i to zagrevanje (hlaenje) nije jednako kodrazliitih vrsta graevinskih materijala. 2

specifina toplota materijala

FIZIKA SVOJSTVA MATERIJALA

Pojava zagrevanja materijala i otputanja akumuliranetoplote (hlaenja) je izraenija u letnjem periodu, jer jetada spoljanja temperatura vazduha visoka, aradijacija jaa, pogotovo kod elemenata konstrukcijekoji su izloni direktnom sunevom zraanju.

Pojam toplotna akumulativnost je vezan za termikumasu objekta.

Termika masa predstavlja delove termikog omotaa istrukture zgrade od materijala i u debljini kojaomoguava akumulaciju toplote.

3



Prilikom zagrevanja svako telo prima izvesnu koliinutoplote.

Koliina toplote Q koju telo primi pri zagrevanju od t1do t2 pri emu je t2 > t1, upravo je proporcionalna:

masi tela "m", specifinoj toploti "c" i

temperaturnoj razlici "t".

4


Izraz za koliinu toplote je:


5

SPECIFINA TOPLOTA MATERIJALA

Koeficijent "c" naziva se specifina toplota ipredstavlja fiziko sojstvo materijala, koje zavisiod prirode i vrste materijala. Odreuje seeksperimentalnim putem i pomou izraza

(kJ/kg K)

Specifina toplota je koliina toplote koju izmenimaterija jedinine mase sa okolinom, pri jedininojpromeni temperature te materije.

6


Od vrednosti specifine toplote u praksi zavisibrzina zagrevanja ili hlaenja materijala.

Materijali manjih vrednosti specifine toplote brese zagrevaju i hlade.

Primer: ZAGREVANJE KOPNA I MORA

Voda ima oko pet puta veu specifinu toplotu odstena (kopna).Tokom dana se kopno bre zagreva od vode, ali setokom noi bre i hladi.Zato danju topliji vazduh struji sa kopna premamoru, a nou sa mora prema kopnu.

27


materijal Granit Beton KeramikaProduni

malterSpecifina toplota, (J/kgK) 920 960 920 1050

materijal HrastovinaSiporeks blokovi

StiroporMineralna

vunaSpecifina toplota, (J/kgK) do 2510 1050 1260 840

Vrednosti specifine toplote za

neke graevinske materijale

8

TOPLOTNI KAPACITET MATERIJALA

Za praktinu primenu u arhitektonskim objektimakoristi se i pojam toplotnog kapaciteta "C", kojipredstavlja koliinu toplote potrebnu da ukupnumasu nekog tela zagreje za 10. Odreuje se izizraza:

(J/K)

Toplotni kapacitet pokazuje sposobnostakumulacije toplotne energije u nekom elementukonstrukcije i veoma je znaajan kod izboramaterijala za spoljanji omota objekta.

9

TOPLOTNI KAPACITET MATERIJALA

Pravilnim izborom materijala moe se obezbeditizadovoljavajui toplotni komfor.

Primer:

Materijali spoljnog omotaa mogu da imaju istutoplotno - izolacionu sposobnost, ali da serazlikuju po toplotnom kapacitetu.

Zid manjeg toplotnog kapaciteta se bre zagrevaali i bre hladi, pa je zato bolje birati materijale saveim toplotnim kapacitetom zato to e se poprestanku grejanja iz tih zidova due oslobaatitoplota (prostorija e due biti topla).

PRIMER:

TOPLOTNA AKUMULATIVNOST

10

Sloj od betonad=0,20m

=1m2

=2500kg/m3

c=960/kgK

=2,33W/m2K

C=0,2x1x2500x960=480kJ/K

Sloj od stiroporad=0,20m

=1m2

=20kg/m3

c=1260/kgK

=0,041W/m2K

C=0,2x1x20x1260=5,04kJ/K

Sloj od kamene vune d=0,20m

=1m2 C=0,2x1x100x860=16,8kJ/K=100kg/m3

c=840/kgK

=0,041W/m2K

11

, .

, , , .

, , , , .


12

:

.

, , .

, .


313


14

( , ) SRPS U.J5.530, :

, [[[[-]]]];

() , [[[[h]]]].

.


15

IRENJE - SKUPLJANJE MATERIJALA PRI PROMENAMA TEMPERATURE

Pri poveanju temperature tela se ire u svimpravcima, odnosno poveavaju svoju zapreminu.

Meutim, ako se radi o elementu u obliku tapa(element male irine i visine u odnosu na duinu)moe se posmatrati izduenje tog elementa samou jednom pravcu, to se naziva linearno termikoizduenje.

Linearno termiko izduenje se za razliitematerijale moe eksperimentalno utvrditi i izmeriti.

16


Ako se tap duine l0 zagreva od temperature t1 dotemperature t2 doi e do promene njegoveduine, tako da e posle zagrevanja imati duinu l.

t = t2 - t1

l = l - l0

LINEARNO TERMIKO IZDUENJE

17


Eksperimentalnim ispitivanjem (merenjem tapovarazliitih duina) utvreno je da je izduenje tapa:

odnosno da l zavisi od:

duine tapa

temperaturne razlike

od samog materijala, odnosno od termikog

koeficijenta toplotnog izduenja t


(1)

18


Iz prikazanog izraza moe sesagledati fiziko znaenje t.

Koeficijent t predstavlja jedan od osnovnihtehnikih podataka o materijalu i ima razliitevrednosti za razliite materijale:

puna i uplja opeka t = 0.5 mm/m za 1000C

produni malter t = 1.1 mm/m za 1000C

beton t = 1.0 - 1.5 mm/m za 1000C

elik t = 1.2 mm/m za 1000C

keramike ploice t = 0.9 mm/m za 1000C

drvo t = 2.5 mm/m za 1000C


419


Primer 1:

Ako obrazac (1) primenimo za izraunavanjepromene duine jednog elinog tapa l0= 2m, pritemperaturnoj promeni t= 10C, dobili bi:

l = 2x1x1.2/100 = 0.024mm


20


Povrinsko irenje se javlja kod elemenata u viduploa ili zidova (elementi kod kojih je debljina malau odnosu na druge dve dimenzije), pa se irenjemoe posmatrati samo u pravcu duine i irine.

Izraz za povrinsko irenje se moe izvestianalizom promena duina jednog povrinskogelementa (zida ili ploe).

POVRINSKO IRENJE

21


POVRINSKO IRENJE

a = ao +t t ao

b = bo +t t bo

Fo = aobo

F = ab

F = ao(1+tt) bo(1+tt)

Obrazac vai za izotropne materijale, u sluaju da se materijali

razliito ire/skupljaju u dva karakteristina pravca, postojae

ta i tb 22


ZAPREMINSKO IRENJE

Na isti nain izvodi se i izraz za promenuzapremine u odnosu na prvobitnu zapreminu, satom razlikom to je termiki koeficijent linearnogirenja za IZOTROPNE materijale isti u sva tripravca.

V = Vo (1 + 3tt)

pa je promena zapremine:

23


ZAPREMINSKO IRENJE

Za anizotropne materijale promena zapremine seodreuje pomou sledeeg izraza:

V = Vo [[[[1 + (ta + tb + tc) t]]]]

u kome figuriu koeficijenti linearnog irenja zasva tri pravca.

24


Primer 2:Fasada zida od aluminijumskih elemenata (za aluminijum:t = 2.4mm/m za 1000C) na zgradi P+5, je visine H=20m iduine L=40m.

Ako predpostavimo da je temperatura fasadnihaluminijumskih elemenata u letnjem periodu +500C, uzimskom -50C, a da je postavljena pri temperaturi od 200C,utom sluaju izduenja/skraenja su:

Ll =40x(50-20)x2.4/100 = 28.8mm

TERMIKO IZDUENJE/SKRAENJE

Hl =20x(50-20)x2.4/100 = 14.4mm

Ls =40x(-5-20)x2.4/100 = -24mm

Hs =20x(-5-20)x2.4/100 = -12mm

525


Primer 2:

F0=40x20=800m2

Nove dimenzije zgrade su za letnji period:

L=40 + 0.0288 40.03m

H=20 + 0.0144 20.01m

F=40.03x20.01=801m2

a, za zimski period:

L=40 - 0,024 39.98m

H=20 - 0.012 19.99m

F=39.98x19.99=799.2m2

TERMIKO IZDUENJE/SKRAENJE

26


Primer 3:

Ako pretpostavimo da su to elementi na junoj fasadizgrade i da su jo tamno obojeni (to znai da manjeodbijaju zrake i da se vie zagrevaju) tada temperaturapanela u toku leta moe dostii i +700C, pa u tomsluaju izduenje je:

Ll = 40x(70-20)X2.4x/100 = 48mm

Ako su ove promenedimenzija spreene,pojavie se naprezanjematerijala!

TERMIKO IZDUENJE

Hl = 20x(70-20)X2.4x/100 = 24mm

L=40 + 0.048 40.05m

H=20 + 0.024 20.02m

F=40.05x20.02802m2

27

TERMIKO NAPREZANJE MATERIJALA

Pod termikim naprezanjem podrazumeva senaprezanje koje se javlja u materijalima kada suspreene promene njihovih dimenzija usledpromene temperature.

Izaziva naprezanje tapa na pritisak Izaziva naprezanje tapa na zatezanje

28

TERMIKA STABILNOST MATERIJALA

Pod termikom stabilnou materijalapodrazumeva se sposobnost materijala da budeizloen viekratnim promenama temperature, a dapri tome ne doe do promena na njemu, niti donjegovog razaranja (npr. pojava prslina).

Termika stabilnost materijala zavisi od:

homogenosti materijala i

vrednosti koeficijenta linearnog termikog izduenja (t)

29


Termiki stabilni materijali su uglavnom homogenimaterijali sa malim termikim koeficijentomlinearnog izduenja.

Primer: mermer monomineralna stena ima veutermiku stabilnost od polimineralne stene granita.

Kod termiki nestabilnih materijala mogu sepojaviti dva sluaja:

Termiki zamor i

Termiki ok.30


Termiki zamor nastaje kada je materijal u duemvremenskom periodu izloen promenama temperature,a manifestuje se smanjenjem mehanikih svojstava ilioteenjima materijala (pojava prslina).

Do termikog zamora dolazi zbog nejednakogzagrevanja/hlaenja materijala i nehomogenostimaterijala.

Pojava termikog zamora zavisi od:

prirode samog materijala,

broja ciklusa promena temperature

razlike u temperaturi.

TERMIKI ZAMOR

631


Termiki ok nastaje usled nagle jednokratnepromene temperature, to izaziva oteenjamaterijala ili smanjenje mehanikih karakteristika.

Primer: gaenje poara vodom usled ega dolazido nagle promene temperature materijala ioteenja materijala.

TERMIKI OK

32

PONAANJE MATERIJALA U ODNOSU NA VISOKE TEMPERATURE

U odnosu na visoke temperature moe se razmatratiponaanje materijala:

prilikom poara (kratkotrajno dejstvo) i

pri visokim temperaturama (dugotrajno dejstvo).

Jedan od najvanijih kriterijuma za ocenjivanjegraevinskih materijala je njihovo ponaanje u sluajupoara. Za definisanje ponaanja materijala u tokupoara potrebno je poznavati sledea svojstva: gorivost, zapaljivost, brzinu irenja plamena, otpornost na dejstvo poara i ponaanje materijala pri gaenju poara.

33


Prema gorivosti materijali su podeljeni u dvegrupe:

Negorivi graevinski materijali (A) i

Gorivi graevinski materijali (B).

Pod NEGORIVIM MATERIJALIMA podrazumevaju seoni materijali koji zagrejani do 2000C, u standardnimuslovima, ne stupaju u hemijsku reakciju sakiseonikom iz vazduha, ne razvijaju toplotu, neraspadaju se i ne oslobaaju sagorive gasove.

Dele se na:A1 bez organskih sastojakaA2 - sa organskim sastojcima 34


U NEGORIVE MATERIJALE bez organskih sastojaka(A1) se ubrajaju:

Gvoe i elik, Staklo, Gips, cement, kre, Beton i malter na bazi mineralnih veziva i agregata, Keramiki materijali, Prirodni kamen, glina, pesak, vermikulit..

U negorive mateijale sa organskim sastojcima (A2) ubrajaju se: gips-kartonske ploe, odreeni mineralno-vlaknasti materijali (mineralna

vuna)

35


GORIVI MATERIJALI se razvrstavaju u u tri grupe:

Teko zapaljivi graevinski materijali (B1)

Normalno zapaljivi graevinski meterijali (B2)

Lako zapaljivi graevinski meterijali (B3)

Teko zapaljivi graevinski materijali (B1) su onimaterjali ije sagorevanje ili usijanje prestajeposle uklanjanja toplotnog izvora ili vatre.

36


Normalno zapaljivi graevinski materijali (B2) sumaterijali ije sagorevanje se nastavlja i nakonuklanjanja toplotnog izvora, ali postepeno prestaje.

Lako zapaljivi materijali (B3) su materijali ije sesagorevanje nastavlja i nakon uklanjanja toplotnogizvora i iri se u svim pravcima do potpunog unitenjamaterijala.

U ovu grupu spadaju i materijali koji, pod uticajemvatre, razvijaju veliku koliinu opasnih dimova ilizaguljivih, otrovnih i zapaljivih gasova (npr. materijalina bazi plastinih masa).

737


38


POARNA SITUACIJAEU

KLASADOPRINOS POARU

DIN

4102-1OPIS MATERIJALA

PUNIPOAR

A (A1 i A2)Ne pridonosi

poaru A1 Negoriv

BVrlo malo pridonosi

poaruA2 Negoriv

ZAPALJENIPREDMETI

CMali doprinos

poaru B1 Teko zapaljiv

DZanemariv

doprinos poaru B2 Normalno zapaljiv

MALI PLAMENE

Normalan doprinos poaru B2

Normalnozapaljiv

FVeliki doprinos

poaru B3 Lako zapaljiv

Klasifikacija prema Evropskim normama

39


U pogledu BRZINE IRENJA poara materijali sedele u pet grupa: ne ire poar,

vrlo sporo ire poar,

sporo ire poar,

brzo ire poar i

vrlo brzo ire poar.

Ova klasifikacija je izvrena na osnovu veliineprostora na koji se prenese poar u odreenomvremenskom periodu (npr. 10min).

41


Pod otpornou na dejstvo poara podrazumevase sposobnost materijala da se suprotstavijednokratnom - kratkotrajnom delovanju visokihtemperatura koje se razvijaju u toku poara (do10000C).

Konstrukcijski materijali moraju, nakon poara, upotpunosti da sauvaju svoja mehanika svojstva,kako bi konstrukcije i dalje imale svoju nosivost istabilnost.

Svojstvo negorivosti ne znai da je materijalotporan na dejstvo poara.

42


Primer:

elik spada u negorive materijale, ali se pridejstvu poara lako deformie i gubi na svojimmehanikim karakteristikama.

Drvo, koje spada u gorive materijale, ukoliko jepuno ili lamelirano i ima vei popreni presek, goripo spoljnoj povrini, pri emu se stvara nagoreliugljenini sloj koji smanjuje dovod kiseonika dodrvene mase. Drvo tada poinje da tinja i na tajnain konstrukcijski elementi od drveta zadravajusvoja svojstva.

843


elik

44


Drvo

45


Materijali nedovoljne otpornosti na dejstvo poarase tite otpornijim materijalima.

Nain gorenja materijala je takoe znaajnakarakteristika, jer utie i na bezbednost ljudi i namogunost daljeg irenja poara.

PRIMER: krovni pokriva od indre pri dejstvupoara puca, pri emu se odvajaju zapaljenikomadi, pa poar moe da ih prenese nanezapaljene delove objekta ili na susedne objekte.Neki materijali kada su u vidu fino samlevenogpraha mogu postati eksplozivni (ugalj, aluminijum,magnezijum itd.). 46


Takoe je potrebno poznavati i ponaanjematerijala pri gaenju poara.

Pojedini materijali ne podnose gaenje vodom,tako da u takvim situacijama najee ispucaju, anije redak sluaj i da se raspadnu.

GAENJE POARA

47


Pod vatrostalnou se podrazumeva sposobnostmaterijala da izdri dugotrajno dejstvo visokihtemperatura bez velikih deformacija i beztopljenja.

U odnosu na vatrostalnost razlikuju se:

lako topivi materijali (taka topljenja do 13500C) teko topivi materijali (taka topljenja izmeu

13500C i 15800C) vatrostalni materijali (taka topljenja iznad

15800C);

VATROSTALNOST

48


U vatrostalne materijale se ubrajaju:

VATROSTALNOST

amotne i hrom-magnezitne opeke,

vatrostalni betoni i malteri kod kojih se kao punioci koriste posebne vrste agregata:vermikulit, perlit, amot, korund, a kao vezivo: vatrootporni cementi, azbest, itd.

949


Vatrostalni materijali se prema temperaturitopljenja mogu podeliti na:

VATROSTALNOST

obian vatrostalni materijal (taka topljenja izmeu 15800C i 17700C)

visoko vatrostalan materijal (taka topljenja izmeu 17700C i 20000C)

specijalan vatrostalni materijal (taka topljenja iznad 20000C)

50

MOGUI ZAHTEVI U ODNOSU NA TERMIKA SVOJSTVA MATERIJALA

Poznavanje termikih svojstava o kojima smogovorili omoguava da u svakom konkretnomsluaju izaberemo materijal koji e odgovaratizahtevima u pogledu termikih osobinakonstrukcije i celog objekta.

Ovo poznavanje nam omoguava da istovremenoutvrdimo i mogue karakteristike ponaanjakonstrukcije u razliitim uslovima tokomeksploatacije.

51

MOGUI ZAHTEVI U ODNOSU NA TERMIKA SVOJSTVA MATERIJALA

Zahtevi koji se mogu postaviti u arhitektonskimobjektima su: da se kontroliu deformacije prouzrokovane

promenama temperature, kako bi se umanjili neeljeniefekti i izbegla dodatna naprezanja konstrukcija usledspreenih deformacija;

da se u pojedinim prostorijama ili itavim objektimaobezbede niske temperature i sprei njihovozagrevanje prodiranjem toplote iz spoljnog prostora(hladnjae, skladita);

da se u odreenim prostorijama ili itavim objektimato due zadre visoke temperature i sprei njihovohlaenje (sunice, ind. pei);

da se u prostorijama za boravak ljudi obezbedeoptimalni uslovi termikog komfora i leti i zimi.

Documents

Fizicka svojstva materijala