Экспериментальный и численный анализ термо

Дата: 26 мая 2023 г.

Авторы: Даниэль Хонфи, Йохан Шёстрем, Кьяра Бедон и Марцин Козловски

Источник: Пожар 2022, 5(4), 124; МДПИ

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

Несмотря на многочисленные исследования и применения, стеклянный материал и его использование в зданиях по-прежнему являются сложной задачей для инженеров из-за присущей ему хрупкости и таких характерных особенностей, как чувствительность к концентрации напряжений, снижение прочности с течением времени и от температуры, а также разрушение из-за напряжений, которые могут накапливаться из-за температурных градиентов. В данной статье представлены результаты оригинальной серии испытаний, проведенных на монолитных стеклах размером 500 × 500 мм2 и различной толщины под воздействием лучистого нагрева.

Исследование также включает в себя одномерную (1D) модель теплопередачи и численную трехмерную (3D) термомеханическую модель, которые используются для более детального исследования явлений, наблюдаемых во время экспериментов. Как показано, поведение стекла при лучистом нагреве довольно сложное и подтверждает высокую уязвимость этого материала для применения в строительстве. Обсуждаются удобство использования и потенциал термомеханических численных моделей в плане экспериментальной обратной связи.

1.1. Фон

Последняя тенденция в современной архитектуре заключается в обеспечении максимальной прозрачности интерьера здания за счет уменьшения визуальных препятствий со стороны структурного каркаса и ограждающих конструкций [1]. Это движение включает в себя более широкое использование самонесущих стеклянных конструктивных элементов и больших стеклянных панелей для фасадов зданий.

Стекло быстро превратилось из заполнителя в конструкционный материал, что позволило инженерам проектировать и строить стены, балки, колонны, полы, лестницы и т. д., а также использовать пролеты и большие прозрачные площади, что раньше было невозможно. Хорошо известным примером максимальной прозрачности является магазин Apple на Пятой авеню в Манхэттене (см. рисунок 1). Однако структурное проектирование стекла по-прежнему остается сложной задачей, например, из-за присущей ему хрупкости, чувствительности к концентрациям напряжений, снижения прочности с течением времени и возможного термического разрушения [2]. Кроме того, несколько других проблем, связанных с безопасным и экономичным структурным проектированием, можно объяснить относительно распространенной деградацией материалов, используемых в сочетании со стеклом (из-за сильных колебаний влажности и температуры или неблагоприятных условий эксплуатации из-за вибрации и т. д.).

Существуют методы и решения для повышения прочности стеклянных конструкций, включая повышение прочности стекла, например, термическая обработка, предварительное напряжение, полировка кромок, а также предотвращение или снижение риска хрупкого разрушения, например, путем тщательной детализации, ламинирование, композитные элементы, резервные системы, обеспечение альтернативных путей нагрузки и т. д. [3]. Исключительные ситуации, такие как повышенная температура во время пожара в здании, являются сложными и требуют дальнейшего рассмотрения таких мер по обеспечению надежности, чтобы обеспечить безопасность жителей здания и обеспечить возможность эвакуации [4]. Основная стратегия проектирования состоит в том, чтобы ограничить напряжение в материале и уменьшить последствия разрушения, поскольку полностью избежать разрушения стеклянных окон невозможно. Тем не менее, важно понимать, при каких обстоятельствах стекло может треснуть, чтобы разработать рациональную основу для экстремальных проектных ситуаций.

1.2. Цели, объем и ограничения

Данная статья посвящена экспериментальному и численному анализу термомеханического поведения монолитных стекол, подвергающихся лучистому нагреву. Его цель – помочь заполнить пробелы в знаниях, упомянутые в разделе 2, и сделать первый шаг на пути к разработке методологии более рационального структурного противопожарного проектирования и оценки архитектурного остекления. Сюда входит подход, при котором ожидаемое распределение температуры в конструкции моделируется посредством численного моделирования, а соответствующие напряжения рассчитываются с использованием термомеханической модели конечных элементов (FE). Рассчитанные напряжения затем можно проверить на соответствие конкретным критериям проектирования, чтобы решить, обеспечивается ли безопасность от термического разрушения. Основным преимуществом такого подхода является анализ распределения температуры во всем элементе конструкции и возможность совмещения эффекта теплового и механического воздействия.