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温度応力とは?1分でわかる意味、計算、例題、線膨張係数との関係

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温度応力(おんどおうりょく)とは、外気温の変化による材料の伸縮に伴う応力です。温度が上がると材料は伸び、下がると縮みます。今回は温度応力の意味、零度と計算、熱膨張係数との関係について説明します。


材料の伸び縮みは、下記が参考になります。

材料の伸びとは?1分でわかる意味、定義、計算、必要性、絞りとの関係

ひずみ、変位とは?1分でわかる意味、違い、関係

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温度応力とは?

温度応力(おんどおうりょく)とは、外気温の変化による材料の伸縮に伴う応力です。


下図をみてください。ある材料を両端で固定しました(固定端)。両端を固定したので、この材料は伸縮できません。

温度応力と伸縮

さて、温度が上昇すると材料は伸び、下降すると縮みます。上図の状態で、外気温が上昇しました。両端が自由なら、材料は伸びます。ただ、両端が固定され伸びることができません。


このとき材料には、「伸びようとする変形を抑える力」が働きます。伸びる材料を抑えるには「圧縮力」を加えると良いですね。よって、材料には圧縮応力が生じます。


逆に、温度が下降するとき材料は縮もうとしますが、それを抑える引張力が内部に生じます。圧縮力、引張力の意味は、下記が参考になります。

引張、圧縮とは?1分でわかる意味、違い、符号、強度の関係

温度応力の公式と計算

温度応力は下式で計算します。


σ=Eα(t1-t)


σは温度応力、Eは材料のヤング係数、αは熱膨張係数、t1は変化後の温度(温度変化後)、tは変化前の温度(温度変化前)です。


上式を誘導しましょう。熱膨張係数とは、長さLの部材が1℃の温度変化を受けて、ΔLだけ変化するとき、ΔL/Lの値です。下式に熱膨張係数を示します。


α=ΔL/L

ΔL=αL


よって、t℃のとき長さLの材料が、t1℃になったときΔL伸びたとすると、


ΔL=Lα(t1-t)


です。ここで応力とひずみの曲線を思い出してください。


σ=Eε

σ=Eε=EΔL/L=ELα(t1-t)/L=Eα(t1-t)


です。

温度応力と熱膨張係数の関係

前述した通り、温度応力は熱膨張係数に比例します。温度応力の計算方法を覚えましょう。「ひずみ」の算定に似ていますね。ひずみの意味は、下記が参考になります。

ひずみとは?1分でわかる意味、公式、単位、計算法、測定法、応力

まとめ

今回は温度応力について説明しました。意味が理解頂けたと思います。温度応力は、温度変化で生じる応力です。熱膨張係数が大きな材料では、温度応力による材料の劣化(ひび割れなど)が問題になります。簡単な計算で、温度変化による伸びや応力を計算できるので、是非覚えてくださいね。下記の記事も参考になります。

応力とは?1分でわかる意味と種類、記号、計算法

ひずみとは?1分でわかる意味、公式、単位、計算法、測定法、応力

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