Laajenemisjännityksiä

Laajenemisjännitykset ovat sisäisiä jännitteitä, jotka syntyvät, kun kappaleen lämpötilan aiheuttama laajeneminen estetään kokonaan tai osittain. Ne voivat muodostua myös epäyhtenäisestä laajenemisesta kiinnityksissä tai rajapinnoissa sekä faasimuutosten aiheuttamasta tilavuuden muutoksesta. Laajenemisjännitykset ovat merkittäviä suunnittelussa, sillä ne voivat johtaa muodonmuutoksiin, halkeiluun tai ennenaikaiseen kulumiseen.

Syntyminen ja vaikutukset: Eniten ne liittyvät lämpötilan muuttuessa, kun kappale kiinnittyy toisiinsa tai rakenteeseen eikä ehdi laajeta vapaasti. Tämä aiheuttaa jännitteitä, jotka voivat olla puristavia tai venyviä riippuen lämpötilan muutoksen suunnasta ja siitä, miten laajeneminen on estetty. Yksinkertainen malli täydessä rajoituksessa on sigma = E α ΔT, missä E on Youngin moduli, α lämpölaajenemiskerroin ja ΔT lämpötilamuutos. Jännityksen suunta seuraa ΔT: positiivinen ΔT antaa puristavia jännitteitä, negatiivinen venyviä.

Esimerkkejä: Rakennusalalla ja koneteollisuudessa laajenemisjännitykset ilmenevät esimerkiksi metalliputkien ja muiden rakenneosien kiinnityksissä sekä sillan- ja laivamateriaalien liitoksissa, joissa laajeneminen ei saa maksimaalta laajuuttaan. Geologiassa termiset jännitteet voivat kehittyä suurissa kallio- ja maaperämuodostelmissa lämpötilavaihteluiden vuoksi, mikä voi edistää halkeilua ja muodonmuutoksia. Hallittu suunnittelu voi myös hyödyntää laajenemisjännityksiä, esimerkiksi tarjoamalla riittäviä liikkumavaroja tai käyttämällä materiaaleja, joissa lämpölaajenemiskertoimet ovat sopivia.

Mittaaminen ja hallinta: Laajenemisjännityksiä voidaan mitata strain gauge -mittauksin sekä lämpötilatiedon avulla ja niitä voidaan mallintaa rakenteellisesti sekä lineaarisella thermoelasticyysillä että finite element -analyysillä. Hallintatoimenpiteitä ovat laajenemisliitokset tai -ura-alueet, oikeanlaiset materiaalivalinnat (alamaiset α-arvot), sekä suunnittelu, joka sallii tai kompensoi lämpölaajenemisen ilman haittaa.