火はガラスの不均一な加熱を引き起こします。これにより、材料に熱応力が発生し、ガラス窓が割れる原因になります。
私たちは皆、アクション映画、特に巨大な塔が燃え、粉々になったガラスの破片が空から降り注ぐ息をのむようなクライマックスを楽しんできました。悲しいかな、ヒーローの気配はありませんが、ガラスの破片が静かになった後、最後にヒーローが堂々と立って出てきます.
あまりにも劇的なシーンに見えるかもしれませんが、そこにはちょっとした現実があります。火災によるガラスの割れる事故は、単なる映画の魔法ではなく、現実でも発生することが知られています。コンパートメント火災などの不運な出来事は、ガラスの破損を引き起こすことが知られています.
火災時にガラスが割れるのはなぜですか?
火災が発生した部屋の壁の開口部や窓は、延焼に重要な役割を果たします。窓は、一般的に壁に比べて耐火性が低い建物の部分です。上昇区画火災の間、室内の温度が上昇します。ガラス板の破損は、火災による不均一な加熱が原因で発生します。
ガラス板は、コンパートメントの火からの均一な熱を受けません。熱に最も負ける窓ガラスの領域は中央領域です。その結果、ペインの中心は他の部分よりも熱くなります。したがって、火からの熱波は、窓ガラスの平面寸法全体に「熱勾配」を作成します。ガラス板のさまざまな領域で加熱に差が生じるため、これは不均一な加熱と呼ばれます。
ガラスの「不均一な加熱」につながるさまざまな要因があります。これらについては後ほど説明します。
火事で壊れた窓 (写真提供:Ron Frank/Shutterstock)
火事でガラスが割れる仕組み
枠の中にガラス窓がはめ込まれており、ガラスに比べて枠の厚みが大きい。火災の際、ガラス板の片側に突然強い熱流が発生します。その結果、窓ガラスの厚さ全体に急激な温度勾配が生じます。
火災によって引き起こされる急速な加熱は「熱衝撃」と呼ばれ、生成される深い勾配は「熱応力」と呼ばれます。熱応力により窓ガラスが破損します。
フレームの厚さは、ペインの厚さよりも大きい。火災の間、熱応力はガラス板の中央領域に集中し、火災は熱を熱放射としてガラス板に伝達します。エッジ/リムは、放射線と対流加熱から保護されています。エッジは、ペインを介した伝導によってエネルギー/熱をフレームに失います。
その結果、ガラスの中央領域に集中した熱がガラスを膨張させます。窓ガラスの端はたまたま比較的低温ですが、これにより材料に応力が発生します。この変化する勾配は、ガラスの破損を引き起こすことが知られています.
ガラスのひび割れにつながる温度勾配の図
均一な加熱の場合でも、ガラス窓が均一な熱負荷を受ける場合でも、ガラスの側面/ペインは比較的低温のままです。これは、側面からの熱が厚い窓枠に放散され、側面が冷たくなるためです。
ガラスのひび割れは、割れる前に起こります。ひび割れは、フレームに埋め込まれたガラスの側面から発生します。ガラスが最初に割れてから完全に粉々になるまでの時間は、ガラスの種類と火の性質によって異なります。
窓の端から発生した亀裂 (写真提供:cunaplus/Shutterstock)
ガラスの破損に影響する要因:
すべてのガラス窓が同じ温度で割れるわけではありません。異なるタイプのガラスは、異なる熱抵抗能力を持っています。
(1) ガラス板の厚さ。
ガラスの厚さは、ガラスの破損に影響を与える主要な要因です。ガラスの厚さと熱応力の関係を理解するために、いくつかの実験が行われました。次の観察が行われました:
| ガラスの厚さ | 破損温度 |
| 3mm | 360℃ |
| 4mm | 450℃ |
| 6 mm | 600℃ |
(2)ガラスの種類
状況に応じたガラスの種類も違います。
商業ビルで使用される板ガラスの耐熱性がテストされました。厚さ 6 mm の板ガラスが 23 kW m-2 の放射熱流束にさらされると割れました。粉々になるまでにかかった時間は 7 分でした。
強化ガラスは最初のひび割れで完全に粉々になったことがわかりました。ただし、ガラスが非常に高温にさらされるまで、初期のひび割れは発生しないことがわかっています。厚さ 6 mm の強化ガラスが割れるためには約 330 ～ 380 ℃ が必要でしたが、厚さ 10 mm の強化ガラスでは約 470 ～ 590 ℃ でした。
輸送車両や学校の建物で使用されるプラスチック グレージングは、割れるために 26 kW m-2 の熱流入を必要としました。
(2) フレームの種類
窓枠の材料は、火災によるガラスの破損にも大きな影響を与えることが知られています。研究によると、ビニールフレームの窓は初期の損傷に屈したことが示されています。熱流束が 8 から 16 kW m-2 の範囲に上昇したとき、フレームが損傷しました。
さらなる研究により、アルミニウム フレームの窓のガラスは、従来の木製フレームの窓よりも火災に耐えられることが示されました。
上記の側面とは別に、窓のサイズ、放熱孔、ガラス コーティング、シェーディング パターン、ガラスの欠陥、平面温度勾配などの要因も、火災によるガラスの破損に影響を与えることが知られています。これらの要因は現在も調査および分析中です。
熱応力に影響するいくつかの要因
