Análise Experimental e Numérica de Termo

Data: 26 de maio de 2023

Autores: Dániel Honfi, Johan Sjöström, Chiara Bedon e Marcin Kozłowski

Fonte: Incêndio 2022, 5(4), 124; MDPI

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

Apesar de muitas pesquisas e aplicações, o material de vidro e seu uso em edifícios ainda é um desafio para os engenheiros devido à sua fragilidade inerente e características como sensibilidade a concentrações de tensão, redução da resistência ao longo do tempo e da temperatura e quebra devido às tensões que podem ocorrer. acumular por causa de gradientes térmicos. Este artigo apresenta os resultados de uma série de testes originais realizados em placas de vidro monolíticas com as dimensões de 500 × 500 mm2 e diferentes espessuras, sob exposição ao aquecimento radiante.

O estudo de pesquisa também inclui um modelo de transferência de calor unidimensional (1D) e um modelo termomecânico tridimensional numérico (3D) que são usados ​​para investigar com mais detalhes os fenômenos observados durante os experimentos. Como mostrado, o comportamento do vidro sob aquecimento radiante é bastante complexo e confirma a alta vulnerabilidade deste material para aplicações em edifícios. A usabilidade e o potencial de modelos numéricos termomecânicos são discutidos para feedback experimental.

1.1. Fundo

Uma tendência recente na arquitetura moderna é fornecer o máximo de transparência ao interior do edifício, reduzindo as obstruções visuais do quadro estrutural e do envelope [1]. Esse movimento inclui o aumento do uso de elementos estruturais de vidro autoportantes e grandes painéis de vidro para a fachada dos edifícios.

O vidro evoluiu rapidamente de um enchimento para um material estrutural, permitindo assim que os engenheiros projetem e construam paredes, vigas, colunas, pisos, escadas, etc., e usem vãos e grandes áreas transparentes que não eram possíveis antes. Um exemplo bem conhecido de maximização da transparência é a loja da Apple na Quinta Avenida em Manhattan (veja a Figura 1). No entanto, o projeto estrutural do vidro ainda é desafiador, por exemplo, devido à sua fragilidade inerente, sensibilidade a concentrações de tensão, redução da resistência ao longo do tempo e possível quebra térmica [2]. Além disso, vários outros problemas em relação ao projeto estrutural seguro e econômico podem ser atribuídos à degradação relativamente comum dos materiais usados ​​em combinação com o vidro (devido a fortes variações de umidade e temperatura, ou condições operacionais desfavoráveis ​​para vibrações, etc.).

Existem métodos e soluções para melhorar a robustez da aplicação estrutural do vidro, incluindo o aumento da resistência do vidro, como tratamento térmico, pré-tensionamento, polimento de bordas e prevenção ou mitigação dos riscos de falha frágil, por exemplo, por meio de detalhamento cuidadoso, laminação, membros compostos, sistemas de backup, provisão de caminhos de carga alternativos, etc. [3]. Situações excepcionais, como temperatura elevada durante um incêndio em prédio, são desafiadoras e requerem considerações adicionais de tais medidas de robustez para garantir a segurança dos ocupantes do edifício e permitir a evacuação [4]. A principal estratégia de projeto é limitar o estresse no material e reduzir as consequências da quebra, pois a fratura das vidraças não pode ser evitada completamente. No entanto, é importante entender em quais circunstâncias o vidro pode rachar para desenvolver uma base racional para situações extremas de projeto.

1.2. Objetivos, Escopo e Limitações

Este artigo enfoca a análise experimental e numérica do comportamento termomecânico de vidraças monolíticas expostas ao aquecimento radiante. Seu objetivo é ajudar a preencher as lacunas de conhecimento mencionadas na Seção 2 e dar um passo inicial para o desenvolvimento de uma metodologia para um projeto de incêndio estrutural mais racional e avaliação para vidros arquitetônicos. Isso inclui uma abordagem em que as distribuições de temperatura esperadas na estrutura são simuladas por meio de modelagem numérica e as tensões correspondentes são calculadas usando um modelo termomecânico de elementos finitos (FE). As tensões calculadas podem então ser verificadas em relação a critérios de projeto específicos para decidir se a segurança contra ruptura térmica é atendida. Uma das principais vantagens desta abordagem é a análise da distribuição de temperatura em todo o elemento estrutural e a possibilidade de combinar o efeito das ações térmicas e mecânicas.