Tepelná roztažnost hliníku a oceli: Na co myslet při montáži

Kovová konstrukce může být při montáži dokonale rovná, pevná a přesně usazená. Po prvním létě se ale začnou objevovat problémy. Hliník a ocel totiž při změnách teploty mění své rozměry, každý však jinou měrou. 

Jak s tím počítat při návrhu a montáži, aby konstrukce spolehlivě fungovala i po letech?

Co je tepelná roztažnost a proč ji nepodceňovat?

Každý kov při zahřívání zvětšuje svůj objem a při ochlazování se smršťuje. U dlouhých profilů, nosníků nebo plechových dílů nás zajímá především délková tepelná roztažnost, tedy změna délky materiálu v závislosti na teplotě.

V běžných podmínkách jde o desetiny milimetru až několik milimetrů. To se může zdát zanedbatelné, jenže u pevně spojených konstrukčních prvků nemá materiál vždy prostor k pohybu. Vzniká vnitřní napětí, které se přenáší do svarů, šroubových spojů, kotev a okolních konstrukcí.

Typickým příkladem jsou venkovní ocelové a hliníkové konstrukce. Zatímco v zimě může jejich teplota klesnout hluboko pod bod mrazu, tmavý kovový povrch vystavený přímému slunci se v létě dokáže zahřát na více než 60 °C. Rozhodující přitom není teplota okolního vzduchu, ale skutečná teplota materiálu.

Čím delší konstrukční prvek a větší teplotní rozdíl, tím výraznější bude změna jeho délky.

Hliník versus ocel: Který kov se roztahuje více?

Míru tepelné roztažnosti vyjadřuje součinitel délkové teplotní roztažnosti. Udává, o kolik se prodlouží jeden metr materiálu při zvýšení teploty o jeden stupeň Celsia.

Pro běžné konstrukční materiály můžeme orientačně počítat s následujícími hodnotami:

Z porovnání vyplývá, že hliník má přibližně dvojnásobnou tepelnou roztažnost oproti běžné konstrukční oceli. Při stejném oteplení se tedy hliníkový profil prodlouží téměř dvakrát tolik co ocelový.

To je důležité zejména u konstrukcí, které kombinují oba materiály. Například hliníkový obklad upevněný na ocelovém rámu bude při zahřívání měnit délku rychleji než jeho nosná konstrukce. Pokud spojení neumožní vzájemný pohyb, mohou se jednotlivé díly deformovat.

Uvedené hodnoty jsou orientační. Přesný součinitel závisí na chemickém složení slitiny a teplotním rozsahu, proto je u náročnějších aplikací potřeba vycházet z technických údajů konkrétního materiálu.

Jak vypočítat tepelnou roztažnost hliníku a oceli?

Pro běžný výpočet změny délky kovového prvku stačí jednoduchý vztah:

ΔL = α × L × ΔT

Kde:

• ΔL je změna délky materiálu,
• α je součinitel délkové teplotní roztažnosti,
• L je původní délka prvku,
• ΔT je rozdíl teplot.

Představme si například hliníkový profil dlouhý 6 metrů, jehož teplota se zvýší o 50 °C.

Výpočet bude následující:

ΔL = 0,023 × 6 × 50 = 6,9 mm

Stejně dlouhý ocelový profil se při stejném oteplení prodlouží pouze o 3,6 mm.

Rozdíl mezi materiály tak činí 3,3 mm. Pokud budou oba profily pevně spojeny po celé délce, musí jejich upevnění tento rozdílný pohyb nějakým způsobem přenést nebo umožnit.

U několikametrového opláštění, přístřešku či fasádního systému už proto nelze tepelnou roztažnost považovat za zanedbatelnou.

Dilatační spáry = malý detail, který rozhoduje o životnosti

Základním opatřením proti nežádoucím deformacím jsou dilatační spáry. Jde o záměrně ponechané mezery mezi jednotlivými konstrukčními prvky, které umožňují jejich prodlužování a smršťování.

Dilatační spára však nemá univerzální rozměr. Její velikost závisí na délce prvku, materiálu, předpokládaném teplotním rozsahu i způsobu kotvení.

• U hliníkového profilu dlouhého několik metrů může být nutné počítat s pohybem v řádu milimetrů. Důležité je přitom rozlišovat, zda je prvek upevněn na jednom konci, nebo uprostřed. Při středovém pevném bodu se délková změna rozděluje do obou směrů.

V praxi se dilatační mezery uplatňují například u fasádních obkladů, oplechování, střešních prvků, dlouhých zábradlí nebo hliníkových profilových systémů.

Nestačí však pouze ponechat mezeru mezi díly. Celý způsob kotvení musí umožňovat pohyb, pro který byla dilatace navržena. Jinak bude spára prakticky nefunkční.

Pevné a kluzné kotvení

Jednou z nejčastějších montážních chyb je pevné přišroubování dlouhého hliníkového profilu ve všech kotevních bodech.

Materiál se při zahřátí přirozeně snaží prodloužit, ale jednotlivé šrouby mu v tom brání. Výsledkem může být zvlnění profilu, poškození otvorů nebo postupné uvolňování spojovacího materiálu.

Správným řešením bývá kombinace pevného a kluzného kotvení.

• Pevný bod určuje polohu prvku a zabraňuje jeho nežádoucímu posunu. Ostatní kotevní body umožňují řízený délkový pohyb. K tomu mohou sloužit podlouhlé montážní otvory, vhodné kluzné příchytky nebo speciální upevňovací systémy.
• U podlouhlých otvorů je důležitá jejich orientace ve směru očekávané dilatace. Šroub zároveň nesmí být dotažen způsobem, který pohyb zcela zablokuje. Konkrétní řešení musí odpovídat zatížení konstrukce a pokynům výrobce spojovacího systému.
• U nosných nebo bezpečnostně významných konstrukcí je nutné kotvení posoudit také z hlediska pevnosti a stability.

Spojení hliníku a oceli vyžaduje zvláštní pozornost

Kombinace hliníku a oceli je v praxi velmi častá. Hliníkové výplně se montují do ocelových rámů, lehké hliníkové profily doplňují svařované konstrukce a plechové opláštění bývá upevněno na ocelové podkonstrukci.

Rozdílná tepelná roztažnost však není jediným rizikem takového spojení.

Při přímém kontaktu hliníku s ocelí může za přítomnosti vlhkosti docházet také ke galvanické korozi. Riziko závisí na konkrétních materiálech, povrchové úpravě a prostředí. Problematická bývají zejména místa, kde se dlouhodobě drží voda.

Při montáži proto stojí za zvážení vhodné izolační podložky, oddělovací pásky nebo jiná konstrukční opatření, která omezí přímý kontakt kovů a přístup vlhkosti.

Důležitý je také výběr spojovacího materiálu. Šrouby, nýty a kotvy musí odpovídat nejen požadované pevnosti, ale také materiálové kombinaci a koroznímu prostředí.

Pět situací, kdy se na tepelnou roztažnost nejčastěji zapomíná

1. Montáž dlouhých profilů v chladném počasí. Profil upevněný při nízké teplotě může v létě výrazně prodloužit svou délku. Pokud při montáži nezůstane dostatek prostoru, začne tlačit do sousedních prvků.
2. Plechové opláštění bez možnosti pohybu. Velkoplošné plechy jsou na teplotní změny citlivé a nevhodné upevnění může způsobit viditelné zvlnění povrchu.
3. Kombinace různých kovů. Ocelová podkonstrukce a hliníkové prvky se neroztahují stejně. Konstrukční detail proto musí počítat s jejich vzájemným pohybem.
4. Příliš tuhé spoje. Ani přesně vyvrtané otvory a důkladně dotažené šrouby nezaručují správnou montáž. U dlouhých prvků může být určité uvolnění pohybu nezbytné.
5. Podcenění povrchové teploty. Konstrukce vystavená slunci se může zahřívat mnohem více než okolní vzduch. Výpočty založené pouze na běžných venkovních teplotách proto nemusí stačit.

Na co myslet ještě před řezáním a vrtáním?

Tepelnou roztažnost je nejlepší řešit už při návrhu konstrukce, nikoli dodatečně při samotné montáži. Jakmile jsou profily nařezané, otvory vyvrtané a všechny spoje připravené, možnosti úprav se výrazně zmenšují.

Před zahájením práce je vhodné znát přesný druh materiálu, délku jednotlivých prvků a teplotní podmínky, kterým budou vystaveny. Následně lze určit očekávané délkové změny a přizpůsobit jim rozmístění kotev, velikost dilatačních spár i konstrukci spojů.

U delších profilů se někdy vyplatí rozdělit celou sestavu na kratší úseky. Každý z nich pak může pracovat samostatně, což snižuje riziko nežádoucího napětí.

Zásadní je také volba vhodného materiálu a jeho rozměrů. Tloušťka plechu, délka profilu i tuhost celé konstrukce ovlivňují, jak se případné omezení teplotního pohybu projeví.

Tepelnou roztažnost nelze odstranit, ale lze s ní při montáži správně počítat. A právě v tom spočívá rozdíl mezi konstrukcí, která dobře vypadá v den dokončení, a konstrukcí, která spolehlivě funguje i po mnoha letech. Při výběru ocelových a hliníkových materiálů proto myslete nejen na jejich pevnost, hmotnost a povrchovou úpravu, ale také na podmínky, ve kterých budou skutečně sloužit.

Čtěte dál:

Jak řezat hliník bez otřepů a deformací? Rozhoduje nástroj i technika

Pásovina, plochá ocel a plocháč: Rozdíly a správný výběr

Jak vybrat tloušťku ocelového plechu podle způsobu použití

© Atreon