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Feb 06, 2024

熱の実験および数値解析

日付: 2023 年 5 月 26 日 著者: Daniel Honfi、Johan Schöström、Chiara Bedon、Marcin Kozłowski 出典: Fire 2022、5(4)、124; MDPI DOI: https://doi.org/10.3390/fire5040124 多くの調査が行われたにもかかわらず、

日付: 2023 年 5 月 26 日

著者: ダニエル・ホンフィ、ヨハン・ショーストロム、キアラ・ベドン、マルシン・コズウォフスキ

ソース：火災 2022、5(4)、124。 MDPI

土井：https://doi.org/10.3390/fire5040124

多くの研究と応用にもかかわらず、ガラス材料とその建物での使用は、その固有の脆さと、応力集中に対する敏感さ、時間の経過や温度による強度の低下、応力による破損などの特徴により、エンジニアにとって依然として困難な課題となっています。熱勾配により蓄積します。 この論文は、輻射熱にさらされた状態で、500 × 500 mm2 の寸法と異なる厚さのモノリシックガラス板に対して実行された一連の独自のテストの結果を示しています。

この調査研究には、実験中に観察された現象をより詳細に調査するために使用される、1 次元 (1D) 熱伝達モデルと 3 次元 (3D) 熱機械数値モデルも含まれています。 示されているように、輻射加熱下でのガラスの挙動はかなり複雑であり、この材料が建築用途に対して非常に脆弱であることが裏付けられています。 熱機械数値モデルの有用性と可能性について、実験的なフィードバックに向けて議論します。

1.1. 背景

現代建築における最近の傾向は、構造フレームと外壁の視覚的障害物を減らすことによって、建物の内部に最大限の透明性を提供することです[1]。 この動きには、建物のファサードに自立型ガラス構造要素や大型ガラスパネルの使用の増加が含まれます。

ガラスは充填材から構造材料へと急速に発展し、エンジニアが壁、梁、柱、床、階段などを設計および構築し、以前は不可能だったスパンや大きな透明領域を使用できるようになりました。 透明性を最大限に高めるよく知られた例は、マンハッタンの 5 番街にある Apple ストアです (図 1 を参照)。 しかし、ガラスの構造設計は、その固有の脆さ、応力集中に対する敏感さ、時間の経過による強度の低下、および熱破壊の可能性などにより、依然として困難です[2]。 さらに、安全で経済的な構造設計に関連する他のいくつかの問題は、ガラスと組み合わせて使用​​される材料の比較的一般的な劣化（激しい湿度や温度の変化、または振動などの不利な動作条件による）が原因である可能性があります。

熱処理、プレストレス処理、エッジ研磨などのガラスの強度の向上や、詳細を注意深く調整するなどの脆性破損のリスクの防止または軽減など、ガラス構造用途の堅牢性を向上させる方法と解決策があります。積層、複合部材、バックアップシステム、代替負荷経路の提供など[3]。 建物火災時の温度上昇などの例外的な状況は困難であり、建物居住者の安全を確保し、避難を可能にするために、そのような堅牢性対策をさらに考慮する必要があります [4]。 ガラス板の破損を完全に避けることはできないため、主な設計戦略は、材料内の応力を制限し、破損の影響を軽減することです。 しかし、極端な設計状況に対する合理的な根拠を確立するには、どのような状況でガラスが割れる可能性があるかを理解することが重要です。

1.2. 目的、範囲および制限

この論文は、輻射加熱にさらされたモノリシックガラス板の熱機械的挙動の実験的および数値的解析に焦点を当てています。 その目的は、セクション 2 で述べた知識のギャップを埋めるのに役立ち、より合理的な構造防火設計と建築用ガラスの評価のための方法論の開発に向けた最初の一歩を踏み出すことです。 これには、構造内で予想される温度分布を数値モデリングによってシミュレートし、対応する応力を熱機械有限要素 (FE) モデルを使用して計算するアプローチが含まれます。 計算された応力は特定の設計基準に照らしてチェックされ、熱破壊に対する安全性が満たされているかどうかを判断できます。 このアプローチの主な利点は、構造要素全体の温度分布を解析できることと、熱作用と機械作用の影響を組み合わせることができることです。