Hệ số nở dài của thép trụ và các ứng dụng trong xây dựng

Hệ số nở dài của thép trụ nói riêng hay sự nở vì nhiệt của chất rắn nói chung là hiện tượng chúng ta có thể dễ dàng bắt gặp trong cuộc sống nhưng đôi khi không nhận thấy. Dựa trên hệ số giãn nở nhiệt mà các kỹ sư, các nhà thiết kế có cơ sở tính toán nhằm đảm bảo cho các công trình không bị ảnh hưởng bởi tính chất này.

Hệ số nở dài của thép trụ

Tương tự như các loại chất rắn, hệ số nở dài của thép trụ đã được các nhà vật lý chứng minh có sự tương quan đến nhiệt độ.

Hệ số nở dài của thép trụ

Lý thuyết hệ số nở dài

Trước khi nói đến hệ số nở dài của chất rắn, chúng ta cùng xem qua thí nghiệm sau đây:

Chuẩn bị một thanh kim loại đồng chất có một đầu được gắn cố định, đầu còn lại nối với bộ phận lẫy có thể mở rộng góc để xem xét sự giãn nở vì nhiệt. Khi thanh kim loại được nung nóng sau khoảng thời gian nhất định, ta thấy đầu còn lại đã mở rộng góc đo, tức là chiều dài thanh kim loại đã tăng lên một đoạn.

Điều này chứng tỏ vật rắn đã có sự biến dạng sau khi chịu tác động bởi nhiệt. Cụ thể khi nhiệt độ tăng lên, chất rắn sẽ nở ra, khi nhiệt độ giảm xuống, chất rắn sẽ co lại. Tương tự, sự tăng độ dài của thép trụ khi nhiệt độ tăng lên được gọi là sự nở dài của thép trụ.

Ví dụ dễ thấy nhất về tính chất này thường được nhắc đến là tháp Ép-phen (Eiffel) của thủ đô Paris nổi tiếng thế giới được làm bằng chất liệu thép. Người ta tiến hành đo chiều cao của tháp ngày 1/1/1890 và ngày 1/7/1890 và thấy được kết quả chiều cao của tháp đã tăng lên 10cm trong vòng 6 tháng.

Lý thuyết hệ số nở dài

Áp dụng lý thuyết của hệ số nở dài của thép trụ do nhiệt, có thể thấy rằng vào tháng 1, ở Pháp đang là mùa đông và nhiệt độ tương đối thấp.

Nhưng đến tháng 7 là thời điểm của mùa hè, nhiệt độ cao hơn rất nhiều so với tháng 1. Do được cấu tạo bởi chất liệu thép nên tháp đã chịu sự giãn nở do thay đổi nhiệt độ, từ đó vào mùa hè chiều cao của tháp sẽ tăng lên khoảng 10 – 15cm.

Công thức tính độ nở dài của vật rắn

Ta có công thức như sau:

△l = l – l₀ = α.l₀.△t

Trong đó:

△l: độ nở dài của vật rắn
△t = t₂ – t₁: độ tăng nhiệt độ của vật rắn
l₀: chiều dài ban đầu của vật rắn
l: chiều dài sau khi giãn nở của vật rắn do nhiệt độ
α: hệ số nở dài (phụ thuộc bản chất vật rắn) có đơn vị k^-1

Chúng ta đều biết rằng, vật rắn được cấu tạo từ nhiều chất liệu khác nhau. Tùy từng loại chất rắn mà hệ số nở nhiệt cũng có sự khác biệt. Ví dụ như vật rắn làm bằng chất liệu nhôm sẽ có sự nở nhiệt khác với vật liệu làm từ đồng hay sắt.

Các nhà khoa học đã tiến hành rất nhiều thí nghiệm và đã đưa ra những con số cụ thể về sự nở dài của một số vật liệu như sau.

Công thức tính độ nở dài của vật rắn

Bên cạnh sự nở dài, sự nở vì nhiệt của chất rắn còn bao gồm cả sự nở khối. Với các vật có hình dáng dài như thép trụ, thì chúng ta có thể đo được sự giãn nở dễ dàng.

Tuy nhiên với vật rắn có hình cầu, hình hộp… thì không thể áp dụng theo cách đo như trên, và đây cũng là lý do ta cần xem xét đến sự nở khối. Với các chất rắn có hình khối khác nhau, khi nhiệt độ tăng lên thì thể tích của vật rắn đó cũng tăng lên theo công thức:

△V = V – V₀ = β.V₀.△t = 3α.△t

Trong đó:

△V: độ nở khối của vật rắn
△t = t₂ – t₁: độ tăng nhiệt độ của vật rắn
V₀: thể tích ban đầu của vật rắn
V: thể tích sau khi giãn nở bởi nhiệt của vật rắn
Β=3 α: là hệ số nở khối của vật rắn, phụ thuộc bản chất vật rắn, có đơn vị k^-1

Có thể lấy ví dụ đơn giản bằng vật rắn hình cầu và một vật rắn khác hình vành khuyên tròn. Ở nhiệt độ ban đầu, quả cầu có thể lọt qua vật rắn hình vành khuyên dễ dàng, nhưng khi nung nóng, quả cầu không thể đi qua được vật rắn hình vành khuyên. Điều này chứng minh được thể tích của khối cầu đã tăng lên khi có sự tác động của nhiệt độ, đó chính là sự nở khối.

Ứng dụng sự biến dạng của thép và các chất rắn chịu giãn nở nhiệt trong thực tế

Trên thực tế, sự giãn nở do nhiệt của vật rắn là không thể tránh khỏi, vì thời tiết trên trái đất luôn được phân chia thành các mùa rõ rệt, mùa đông nhiệt độ giảm xuống và mùa hè nhiệt độ tăng lên. Bởi thế trong các công trình xây dựng, nơi mà thép hình thường được sử dụng, người ta luôn phải chú ý đến sự giãn nở vật liệu bởi nhiệt để tránh trường hợp các công trình bị nứt gãy, cong vênh hay bị phá hủy bởi sự giãn nở không đồng đều do các loại chất rắn khác nhau.

Trong thi công đường sắt, khi làm đường ray tàu các kỹ sư đã bỏ thời gian nghiên cứu các tính chất biến dạng của sắt thép để tránh tình trạng đường ray bị cong vênh, gây mất an toàn khi tàu chuyển bánh. Vì thế trong giai đoạn thi công người ta sẽ bố trí các khe hở giữa các thanh ray, để nó có thể giãn nở dài ra trong trường hợp nhiệt độ tăng lên.

Ứng dụng sự biến dạng của thép và các chất rắn chịu giãn nở nhiệt trong thực tế

Không chỉ có kim loại, bê tông cốt thép cũng chịu tác động giãn nở bởi nhiệt. Thép và bê tông có hệ số giãn nở nhiệt gần giống nhau, vì thế trong xây dựng, bê tông cốt thép là sự kết hợp đem lại nhiều ưu điểm nổi bật để tránh được sức ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường.

Ứng dụng trên các nhịp cầu đường bộ, khi thi công luôn có những khe hở tách nhau từng đoạn trên nhịp cầu để phòng trường hợp giãn nở khi thời tiết thay đổi, tránh trường hợp cầu bị nứt vỡ đổ sập.

Ứng dụng sự biến dạng của thép và các chất rắn chịu giãn nở nhiệt trong thực tế

Qua bài viết trên, hi vọng chúng tôi đã mang đến cho bạn nhiều điều thú vị về hệ số nở dài của thép trụ và những ứng dụng của nó trong đời sống hằng ngày. Nếu muốn biết thêm nhiều thông tin về lĩnh vực này, hãy thường xuyên theo dõi Toàn Phúc JSC để cập nhật thêm nhiều bài viết mới nhé.

Và nếu bạn có nhu cầu mua các loại sắt thép, vật tư công trình xây dựng như thép hình chữ V, thép hình chữ H, thép hình chữ I, thép chữ hình U hãy nhanh tay liên hệ với Toàn Phúc JSC để được chúng tôi phục vụ tận tình nhé.