NONSTATIONARY HEAT TRANSFER IN LOAD BEARING CROSS-ROD SPATIAL STRUCTURES COMPRISED OF POLYMER TUBULAR CYLINDRICAL ELEMENTS
Authors: Федосов С.В. , Малбиев С.А. 
Published: July 2024

Исследовано влияние температурных воздействий на техническое состояние перекрестно-стержневых пространственных конструкций из полимерных материалов на примере трубчатых элементов из поливинилхлорида (ПВХ). Эффективность применения и безаварийная работа элементов строительных конструкций с применением ПВХ во многом зависит от обоснованного выбора конструкции соединения и параметров технологических процессов сборки. Недостатком технических свойств термопластичных полимерных материалов является невысокая стойкость к повышенным температурным воздействиям, что не обеспечивает надежную эксплуатацию конструктивных решений в соответствии с действующей нормативно-технической документацией. Повышенные температуры вследствие особенностей технологических процессов производственных помещений способствуют развитию пластических деформаций, снижая прочностные свойства несущей конструкции. Наибольший интерес для учета температурного воздействия на техническое состояние разработанной конструкции представляет элемент стержневой системы. Рассмотрено в нелинейной постановке и общее решение задачи нестационарного теплопереноса цилиндрического элемента для расчета двумерного поля температур отдельно для стержневого цилиндрического элемента и узлового соединения в системе «цилиндр – цилиндр». Расчет выполнен для элементарной пластины, представляющей собой развернутый элемент цилиндра по образующей. Для решения задачи при переводе ее из нелинейной постановки в линейную примем численно-аналитический метод «микропроцессов», в соответствии с которым решением задачи теплопереноса является поиск малого времени  («микропроцесса»), в пределах которого все коэффициенты могут считаться постоянными, но скачкообразно изменяющимися при переходе от одного «микропроцесса» к другому. Для задачи теплопроводности определены критерии Фурье для поливинилхлоридной трубы диаметром 40 мм, толщиной стенки 3,5 мм и длиной 540 мм, а также для узлового соединительного элемента цилиндрической формы диаметром 63 мм, толщиной стенки 5 мм и длиной 157 мм. Приведен график распределения температур по длине стержня на расстоянии 3 от торцевого участка стержня. При Tx, Fo 2,5. Задача теплопроводности рассмотрена в предположении, что имеется техническая возможность для подачи теплоносителя внутрь цилиндра. Вследствие этого появляется тепловой поток, с помощью которого возможна регулировка температур между наружной и внутренней областями цилиндрических элементов для более эффективной установки напряженно-деформированного состояния всей несущей конструкции в целом.

The paper analyzes the temperature effect on the technical condition of cross-rod spatial structures produced from polyvinyl chloride (PVC). The efficiency of application and trouble-free operation of construction elements with the use of PVC largely depends on the informed choice of the joint design and the assembly parameters of the technological processes. The lack of technical properties of thermoplastic polymeric materials is low resistance to elevated temperature effects, which does not ensure reliable operation of design solutions in accordance with the current regulatory and engineering documentation. Increased temperatures of technological processes contribute to the development of plastic deformations, thus reducing the strength of supporting construction. The truss structure elements should be considered most thoroughly in terms of temperature impact on the technical condition of the developed model. The paper also considers non-linear formulation of the general solution of the problem of unsteady heat transfer in a cylindrical element in order to calculate a two-dimensional temperature field separately for a rod cylindrical element and a node connection in “cylinder-cylinder” system. The calculation was carried out for an elementary plate, which represents an unfolding element of a cylinder along a generatrix. In order to tackle this problem while transferring it from a nonlinear formulation to a linear one, the authors have applied the numerical-analytical method of “microprocesses”. According to this method the heat transfer problem is solved by finding the short time  (“microprocess”), within which all the coefficients can be considered constant, though can change drastically in the transition from one “microprocess” to another. For the problem of thermal conductivity, Fourier criteria have been defined for a PVC pipe. The diameter of the pipe considered within the study is 40 mm with a wall thickness of 3.5 mm and the length of 540 mm, and the diameter of a cylindrical nodal connecting element with is 63 mm with a wall thickness of 5 mm and the length of 157 mm. The authors have built a graph of temperature distribution along the length of the rod at a distance of 3 from the end section of the rod by the formula Tx, Fo 2,5. The task of thermal conductivity is based on the assumption that there is a technical possibility for the supply of coolant into the cylinder. As a result, a heat flux appears, with the help of which it is possible to adjust temperatures between the outer and inner surfaced of the cylindrical elements for more efficient installation of the stress-strain state of the entire supporting structure as a whole.