تغییر دمای سازه باعث انبساط یا انقباض مواد تشکیل‌دهنده و ایجاد «تنش حرارتی» (Thermal Stress) و «کرنش حرارتی» (Thermal Strain) در آن می‌شود. شکل زیر، نمونه ساده‌ای از انبساط حرارتی یک بلوک را نمایش می‌دهد. صفحات این بلوک تحت هیچ محدودیتی قرار ندارند و می‌توانند آزادانه حرکت پیدا کنند. با افزایش دمای بلوک، المان‌های تشکیل‌دهنده آن در راستای تمام جهات با کرنش‌های حرارتی مواجه می‌شوند. به این ترتیب، ابعاد بلوک افزایش می‌یابد. اگر گوشه A را به عنوان یک نقطه مرجع (ثابت) در نظر بگیریم و بگذاریم ضلع AB راستای اصلی خود را حفظ کند، شکل بلوک مطابق خط‌چین‌های نمایش داده شده در شکل زیر تغییر خواهد کرد.
در اکثر مواد، میزان کرنش حرارتی εT با تغییرات دما ΔT متناسب است:
کمیت α، یکی از خواص ماده موسوم به «ضریب انبساط حرارتی» (Coefficient of Thermal Expansion) است. به دلیل بی‌بعد بودن کمیت کرنش، واحد ضریب انبساط حرارتی برابر با معکوس واحد دما در نظر گرفته می‌شود. در سیستم SI می‌توان α را با یکی از واحدهای معکوس کلوین یا معکوس درجه سلسیوس بیان کرد. به دلیل برابر بودن اختلاف دما در هر دو واحد کلوین و درجه سلسیوس، مقدار α در هر دو حالت یکسان خواهد بود. در سیستم واحدهای آمریکایی، α بر حسب معکوس فارنهایت بیان می‌شود. به عنوان یک قاعده کلی در نظر داشته باشید که در هنگام محاسبه کرنش‌های حرارتی، معمولاً علامت مثبت برای انبساط و علامت منفی برای انقباض مورد استفاده قرار می‌گیرد.
برای نمایش اهمیت کرنش‌های حرارتی، آن‌ها را با کرنش‌های ناشی از اعمال بار مقایسه می‌کنیم. یک میله تحت بار محوری با کرنش طولی ε=σ/E را در نظر بگیرید (σ، تنش و E، مدول الاستیسیته میله را نمایش می‌دهد). سپس، فرض کنید که یک میله مشابه دیگر در معرض تغییر دمای ΔT و کرنش حرارتی ε=αΔT قرار گرفته است. با برابر قرار دادن این دو کرنش، معادله زیر حاصل می‌شود:
σ، تنش محوری مورد نیاز برای ایجاد کرنشی برابر با کرنش حاصل از تغییر دمای ΔT را نمایش می‌دهد. به عنوان مثال، یک میله فولادی ضد زنگ با مدول الاستیسیته E=30×106psi و ضریب انبساط گرمایی α=9.6×10-6/F را در نظر بگیرید. با قرار دادن این مقادیر در معادله بالا می‌توان مشاهده کرد که اگر دمای میله را به اندازه 100 درجه فارنهایت تغییر دهیم، میزان کرنش حرارتی با کرنش ناشی از اعمال تنش 29000 پوند بر اینچ مربعی برابر خواهد بود. این میزان تنش در محدوده تنش‌های مجاز برای فولاد ضد زنگ قرار دارد. به این ترتیب، تغییرات نسبتاً کوچک دما می‌توانند به اندازه بارهای معمولی باعث ایجاد کرنش درون سازه شوند. این مسئله، اهمیت تأثیر دما بر روی طراحی‌های مهندسی را نمایش می‌دهد.
مواد ساختمانی در هنگام افزایش دما، منبسط و هنگام کاهش دما، منقبض می‌شوند. به این ترتیب، علامت کرنش حرارتی در حین افزایش دما مثبت است. کرنش‌های حرارتی معمولاً برگشت‌پذیر هستند. بنابراین در صورت بازگشت دما به مقدار اولیه، شکل عضوهای سازه نیز به حالت اولیه خود بازمی‌گردد. با این وجود، تعداد کمی از آلیاژهای فلزی جدید از این رفتار پیروی نمی‌کنند. در این مواد خاص، افزایش دما باعث کاهش ابعاد و کاهش دما باعث افزایش ابعاد سازه می‌شود. رفتار آب از نقطه نظر حرارتی به عنوان یکی از موارد خاص به شمار می‌رود. نکته غیر معمول در مورد آب این است که پس از رسیدن به دمای 4 درجه سلسیوس، افزایش و کاهش دما باعث افزایش حجم ماده می‌شوند. در نتیجه، حداکثر چگالی آب در دمای 4 درجه سلسیوس رخ می‌دهد.
اکنون بلوک زیر را در نظر بگیرید. فرض می‌کنیم که ماده تشکیل‌دهنده این بلوک، همگن و همسانگرد است. به علاوه، افزایش دمای ΔT نیز به صورت یکنواخت درون بلوک ایجاد می‌شود. با در نظر گرفتن این فرضیات می‌توانیم میزان افزایش ابعاد بلوک را با ضرب طول اولیه در کرنش حرارتی محاسبه کنیم.
به عنوان مثال، اگر یکی از ابعاد بلوک برابر L باشد، میزان افزایش این بعد با استفاده از رابطه زیر به دست می‌آید:
این رابطه، یک رابطه دما-جابجایی و معادلِ رابطه نیرو-جابجایی در مبحث «تحلیل سازه‌های نامعین استاتیکی» است. به منظور محاسبه تغییر طول عضوهایی که تحت تغییرات یکنواخت دما قرار گرفته‌اند می‌توان از رابطه دما-جابجایی استفاده کرد. شکل زیر، نمونه‌ای از افزایش طول δT ناشی تغییرات یکنواخت دما در یک میله منشوری را نمایش می‌دهد. (توجه داشته باشید که بعد جانبی میله نیز در اثر افزایش دما تغییر می‌کند اما به دلیل عدم تأثیر این تغییرات بر روی انتقال بارهای محوری توسط میله، از نمایش آن‌ها بر روی شکل صرف نظر شده است.)
در بخش‌های قبلی فرض کردیم که هیچ عامل محدودکننده‌ای برای انبساط یا انقباض سازه وجود ندارد. این شرایط برای اجسام ساکن بر روی یک سطح بدون اصطکاک یا اجسام آویزان در فضای باز صدق می‌کند. در این موارد، بر اثر تغییرات یکنواخت دما هیچ تنشی درون شی رخ نمی‌دهد. با این وجود، تغییرات غیر یکنواخت دما می‌توانند باعث ایجاد تنش‌های داخلی شوند. تکیه‌گاه‌های موجود در اکثر سازه‌ها از انبساط یا انقباض آزادانه جلوگیری می‌کنند. در این موارد، تغییرات یکنواخت دما نیز منجر به گسترش تنش‌های حرارتی درون سازه می‌شوند.
برای آشنایی با پیامدهای اثرات حرارتی، خرپای نمایش داده شده در شکل زیر را در نظر بگیرید. سپس، فرض کنید که دمای میله AB به اندازه ΔT1 و دمای میله BC به اندازه ΔT2 تغییر می‌کند. این سازه از نظر استاتیکی معین است. بنابراین، امکان افزایش یا کاهش طول آزادانه هر دو میله و در نتیجه جابجایی مفصل B وجود دارد. در این حالت، هیچ تنشی در میله‌ها و هیچ عکس‌العملی در تکیه‌گاه‌ها رخ نمی‌دهد. در سازه‌های معین استاتیکی، تغییرات یکنواخت دما باعث ایجاد کرنش‌های حرارتی و تغییر طول عضوهای سازه می‌شوند اما هیچ تنشی در این فرآیند به وجود نمی‌آید.
در سازه‌های نامعین استاتیکی شرایط متفاوت است. در این سازه‌ها، ایجاد تنش‌های حرارتی به مواد تشکیل‌دهنده و ماهیت تغییرات دما بستگی دارد. برای آشنایی با سناریوهای مختلف، سازه نمایش داده شده در شکل زیر را در نظر بگیرید. به دلیل فراهم بودن امکان حرکت افقی در مفصل D، هیچ تنشی در هنگام افزایش یکنواخت دمای خرپا به وجود نمی‌آید. در این شرایط، طول تمام عضوهای سازه متناسب با طول اولیه خود افزایش می‌یابد و اندازه خرپا کمی بزرگ‌تر می‌شود.
اگر افزایش دما تنها بر روی برخی از میله‌ها اعمال شود، آرایش نامعین استاتیکی میله‌ها از انبساط آزادانه سازه جلوگیری می‌کند و باعث ایجاد تنش‌های حرارتی درون سازه می‌شود. برای تصور این وضعیت، فرض کنید که تنها دمای یکی از میله‌ها افزایش یافته است. با افزایش طول این میله، میله‌های دیگر در برابر تغییرات آن مقاومت می‌کنند و باعث ایجاد تنش در تمام عضوهای سازه می‌شوند. تحلیل یک سازه نامعین استاتیکی در هنگام وجود تغییرات دما بر اساس مفاهیم معادلات تعادل، معادلات سازگاری و روابط جابجایی صورت می‌گیرد. تفاوت اصلی در این تحلیل‌ها، استفاده از روابط دما-جابجایی به همراه روابط نیرو-جابجایی (δ=PL/AE) برای حل مسئله است.