열의 실험 ​​및 수치해석

날짜: 2023년 5월 26일

저자: Dániel Honfi, Johan Sjöström, Chiara Bedon, Marcin Kozłowski

원천: 화재 2022, 5(4), 124; MDPI

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

많은 연구와 응용에도 불구하고 유리 재료와 건물에서의 유리 재료 사용은 고유한 취성 및 응력 집중에 대한 민감성, 시간 경과에 따른 강도 감소 및 온도에 따른 강도 감소, 응력으로 인한 파손과 같은 특성으로 인해 여전히 엔지니어에게 어려운 과제입니다. 열 구배 때문에 형성됩니다. 이 논문은 복사열에 노출된 상태에서 크기가 500 × 500 mm2이고 두께가 다른 모놀리식 유리판에서 수행된 일련의 원래 테스트 결과를 제시합니다.

연구 연구에는 실험 중에 관찰된 현상을 더 자세히 조사하는 데 사용되는 1차원(1D) 열 전달 모델과 수치적, 3차원(3D) 열-기계 모델도 포함됩니다. 그림과 같이 복사열 하에서 유리의 거동은 다소 복잡하며 건축 응용 분야에서 이 재료의 높은 취약성을 확인시켜 줍니다. 열역학적 수치 모델의 유용성과 잠재력은 실험적 피드백을 통해 논의됩니다.

1.1. 배경

현대 건축의 최근 추세는 구조 프레임과 외피의 시각적 장애물을 줄여 건물 내부에 최대한의 투명성을 제공하는 것입니다[1]. 이러한 움직임에는 자립형 유리 구조 요소와 건물 외관용 대형 유리 패널의 사용 증가가 포함됩니다.

유리는 충전재에서 구조재로 빠르게 발전하여 엔지니어가 벽, 보, 기둥, 바닥, 계단 등을 설계 및 구축하고 이전에는 불가능했던 경간 및 대형 투명 영역을 사용할 수 있게 되었습니다. 투명성을 극대화한 잘 알려진 사례는 맨해튼 5번가에 있는 Apple 매장입니다(그림 1 참조). 그러나 유리의 구조적 설계는 본질적인 취성, 응력 집중에 대한 민감성, 시간 경과에 따른 강도 감소, 열 파손 가능성 등으로 인해 여전히 어려운 과제입니다[2]. 또한 안전하고 경제적인 구조 설계와 관련된 몇 가지 다른 문제는 유리와 결합하여 사용되는 재료의 상대적으로 일반적인 저하(심각한 습도 및 온도 변화 또는 진동에 대한 불리한 작동 조건 등으로 인해)로 설명될 수 있습니다.

열처리, 프리스트레싱, 모서리 연마 등 유리의 강도를 높이고 취성 파손 위험을 예방하거나 완화하는 등 유리 구조 적용의 견고성을 향상시키는 방법과 솔루션이 있습니다. 적층, 복합재 부재, 백업 시스템, 대체 하중 경로 제공 등 [3]. 건물 화재 중 온도 상승과 같은 예외적인 상황은 까다로우며 건물 거주자의 안전을 보장하고 대피를 허용하기 위한 견고성 조치에 대한 추가 고려가 필요합니다[4]. 주요 설계 전략은 유리판의 파손을 완전히 피할 수 없기 때문에 재료의 응력을 제한하고 파손 결과를 줄이는 것입니다. 그러나 극단적인 설계 상황에 대한 합리적인 기반을 개발하려면 어떤 상황에서 유리가 깨질 수 있는지 이해하는 것이 중요합니다.

1.2. 목표, 범위 및 한계

이 논문은 복사열에 노출된 모놀리식 유리판의 열-기계적 거동에 대한 실험적 및 수치적 분석에 중점을 두고 있습니다. 그 목적은 섹션 2에서 언급된 지식 격차를 메우고 건축용 유리에 대한 보다 합리적인 구조 화재 설계 및 평가를 위한 방법론을 개발하기 위한 첫 단계를 밟는 것입니다. 여기에는 구조물의 예상 온도 분포가 수치 모델링을 통해 시뮬레이션되고 해당 응력이 열역학적 유한 요소(FE) 모델을 사용하여 계산되는 접근 방식이 포함됩니다. 그런 다음 계산된 응력을 특정 설계 기준과 비교하여 열 파손에 대한 안전성이 충족되는지 확인할 수 있습니다. 이 접근 방식의 주요 장점은 전체 구조 요소의 온도 분포를 분석하고 열 및 기계적 작용의 효과를 결합할 수 있다는 것입니다.