Hoe beïnvloedt hitte bruggen, gebouwen en andere constructies?
Hittegolven komen steeds vaker voor en duren langer. Voor mensen is dat direct voelbaar. Maar wat betekent dit voor de constructies waarop we dagelijks vertrouwen? Zijn onze bruggen, gebouwen en attracties hier eigenlijk wel op ontworpen?
Een brug die op een warme dag niet meer opent. Een voeg die zijn bewegingsruimte verliest. Of scheurvorming bij een starre aansluiting die voorheen probleemloos functioneerde. Constructies reageren op temperatuur. En dat maakt temperatuur een interessant criterium bij het ontwerpen van constructies. Wanneer staal of beton warm wordt, zet het uit. Dit hoeft niet direct problematisch te zijn, maar een relatief kleine vervorming kan grote interne krachten veroorzaken en leiden tot storingen.
Daarom wordt temperatuur in het constructief ontwerp niet behandeld als bijzaak, maar als volwaardige belasting. Net als wind, verkeer en sneeuw bepaalt temperatuur mede hoe een constructie zich gedraagt tijdens de gebruiksfase. Het is een ontwerpfactor die van invloed kan zijn op de veiligheid, beschikbaarheid en levensduur van constructies.
Bij het ontwerp van een constructie wordt vaak uitgegaan van een referentietemperatuur van circa 10 °C. Deze temperatuur vormt de zogenoemde nulstand van de constructie. Tijdens de gebruiksfase kunnen de materiaaltemperaturen echter aanzienlijk hoger worden dan de omgevingstemperatuur.
Stalen constructies kunnen relatief lage massa en onder directe zoninstraling temperaturen van circa 70 °C bereiken. Ook beton, metselwerk en andere materialen warmen op tot boven de 40 °C. Hierdoor kunnen temperatuurverschillen ten opzichte van de referentiesituatie oplopen tot 30 à 60 °C.
Deze temperatuurverschillen leiden tot thermische vervormingen waarmee in het ontwerp expliciet rekening moet worden gehouden.
Alle constructiematerialen zetten uit wanneer de temperatuur stijgt. De grootte van deze vervorming hangt af van de lineaire uitzettingscoëfficiënt, het temperatuurverschil en de lengte van de constructie.
Bij een stalen of betonnen constructie van 100 meter resulteert een temperatuurverschil van 30 tot 60 °C in een lengteverandering in de orde van 3 tot 7 centimeter, afhankelijk van het materiaal.
Hoewel deze vervorming relatief klein lijkt, kan dit constructief bepalend worden wanneer de beweging niet vrij kan plaatsvinden.
Thermische uitzetting is op zichzelf geen probleem. De uitdaging ontstaat wanneer de constructie onvoldoende bewegingsruimte heeft of wanneer de beweging lokaal wordt belemmerd.
In dat geval worden vervormingen omgezet in interne spanningen en oplegreacties, met mogelijke gevolgen zoals:
In de praktijk spelen daarbij niet alleen temperatuurverschillen een rol. Ook zettingen, verplaatsingen van opleggingen en slijtage kunnen ervoor zorgen dat de beschikbare bewegingsruimte in de loop der jaren afneemt. Juist de combinatie van deze factoren bepaalt uiteindelijk hoe een constructie zich gedraagt tijdens warme omstandigheden. Dit is ook een aspect dat je bij inspecties dient te beoordelen.
Om temperatuurvervormingen gecontroleerd op te nemen, worden constructies voorzien van dilataties, opleggingen en andere voorzieningen die beweging mogelijk maken.
Bij langere constructies wordt vanaf ongeveer 40 tot 60 meter vaak al gekeken naar het opdelen van de hoofdconstructie. Voor metselwerk liggen deze afstanden doorgaans kleiner. De optimale positie en afmeting van dilataties zijn afhankelijk van onder meer materiaalgedrag, constructievorm, detaillering en randvoorwaarden vanuit gebruik en onderhoud.
Een goed ontwerp voorkomt daarom niet iedere beweging, maar zorgt ervoor dat de constructie gecontroleerd kan vervormen zonder dat ongewenste spanningen ontstaan.
Bij grote constructies kunnen temperatuurinvloeden aanleiding geven tot aanvullende ontwerpmaatregelen. Een bekend voorbeeld is de Maeslantkering, waarvan de deuren een lengte hebben van ongeveer 250 meter. Om opwarming door zoninstraling te beperken en daarmee de thermische uitzetting te reduceren, is gekozen voor een reflecterende coating.
Het laat zien dat temperatuurbelasting niet alleen wordt opgevangen met dilataties of opleggingen, maar ook al kan worden beïnvloed door materiaal- en ontwerpkeuzes.
Door klimaatverandering kunnen perioden met hoge temperaturen en langdurige hitte toenemen. Daarmee wordt temperatuurbelasting een steeds relevantere ontwerpfactor voor zowel nieuwe als bestaande constructies.
Een goed constructief ontwerp houdt daarom niet alleen rekening met de belastingen die op een constructie werken, maar ook met de vervormingen die daaruit voortkomen. Juist het gecontroleerd toelaten van beweging zorgt ervoor dat bruggen, gebouwen, sluizen en andere kunstwerken ook onder hoge temperaturen veilig en betrouwbaar blijven functioneren.
Jaco, directeur Consult, gaat hier graag over met je in gesprek! Neem contact op via 088 943 3100 of stuur een bericht.
