コンクリート 工 学 年 次 論 文 集,Vol.36,No.,4 論 文 剛 飛 翔 体 の 高 速 衝 突 を 受 けたコンクリート 板 の 火 災 時 における 温 度 性 状 に 関 する 検 討 森 田 武 * 別 府 万 寿 博 *2 *3 鈴 木 誠 要 旨 : 剛 飛 翔 体 の 高 速 衝 突 を 受 けて 局 部 破 壊 したコンクリート 板 が 火 災 加 熱 を 受 けた 場 合 の 温 度 性 状 を 把 握 することを 目 的 として,コンクリート 板 に 対 する 高 速 衝 突 実 験, 加 熱 実 験 および 伝 熱 解 析 による 検 討 を 行 っ た 実 験 では, 剛 飛 翔 体 の 衝 突 速 度, 短 繊 維 による 補 強 を 実 験 パラメータとし, 高 速 衝 突 実 験 に 供 したコン クリート 板 に 対 して 加 熱 を 行 った 実 験 の 結 果, 裏 面 剥 離 が 抑 制 されたコンクリート 板 では, 加 熱 に 曝 され ても,ひび 割 れ 等 の 損 傷 の 拡 大 や 遮 熱 性 の 低 下 は 認 められなかった また,ひび 割 れを 考 慮 した 伝 熱 解 析 に よって,コンクリート 板 の 熱 伝 導 特 性 に 対 する 斜 めひび 割 れの 影 響 が 大 きいことが 把 握 された キーワード: 高 速 衝 突, 剛 飛 翔 体, 局 部 破 壊,コンクリート 板, 火 災, 温 度 性 状. はじめに 飛 翔 体 がコンクリート 構 造 物 に 高 速 度 で 衝 突 すると, 衝 突 条 件 によって, 表 面 破 壊 ( 衝 突 面 の 破 壊 ), 裏 面 剥 離 ( 衝 突 面 と 反 対 面 のコンクリートの 剥 離 ), 貫 通 ( 表 面 破 壊 と 裏 面 剥 離 が 連 結 して 飛 翔 体 が 裏 面 側 へ 貫 通 する 破 壊 ) 等 の 局 部 破 壊 が 生 じる ) 一 方, 危 険 物 取 扱 い 施 設 等 での 爆 発 にともなう 飛 散 物 の 衝 突, 発 電 施 設 等 でのタービンブレードの 破 損 飛 散 による 衝 突,あるいは 一 般 の 構 造 物 への 航 空 機 や 車 両 の 衝 突 などが 発 生 した 場 合, 衝 突 を 受 けた 側 の 空 間 で 燃 料 化 学 品 油 といった 種 々の 可 燃 物 の 燃 焼 による 火 災 が 発 生 し, 構 造 物 が 火 災 外 力 の 影 響 を 受 ける 可 能 性 があ る このような 事 象 に 対 して, 構 造 物 内 の 人 命 や 財 産 を 守 るためには, 衝 突 作 用 とその 後 の 火 災 作 用 に 対 して 部 材 構 造 体 の 構 造 安 定 性 を 確 保 するとともに, 火 災 が 屋 内 で 発 生 した 場 合 には 隣 接 する 室 等 への 延 焼 を, 屋 外 で 発 生 した 場 合 には 屋 内 への 延 焼 を 防 止 する 必 要 がある しかしながら, 火 災 時 における 構 造 体 の 温 度 性 状 や 構 造 挙 動 に 関 して, 局 部 破 壊 がどのような 影 響 を 及 ぼすか については,これまでに 検 討 された 例 が 見 当 たらない このような 背 景 から, 著 者 らは, 剛 飛 翔 体 の 衝 突 によ って 損 傷 したコンクリート 板 が 衝 突 面 側 から 火 災 加 熱 を 受 けた 場 合 の 温 度 性 状 の 把 握 を 目 的 として, 実 験 的 解 析 的 検 討 を 行 い, 局 部 破 壊 で 生 じた 内 部 ひび 割 れがコン クリート 板 の 熱 伝 導 特 性 に 及 ぼす 影 響 を 示 した 2) 本 報 では, 既 報 2) で 得 られた 知 見 をさらに 深 めることを 目 的 として, 局 部 破 壊 で 生 じた 内 部 ひび 割 れにおける 気 体 の 熱 伝 導 や 放 射 熱 伝 達 などを 考 慮 した 検 討 考 察 を 行 った 結 果 について 報 告 する 本 報 は, 剛 飛 翔 体 の 衝 突 速 度, ポリプロピレン 短 繊 維 による 補 強 を 実 験 パラメータとし た 高 速 衝 突 実 験 と 加 熱 実 験, 加 熱 を 受 けるコンクリート 板 の 温 度 性 状 に 関 する 数 値 解 析 の 概 要,およびコンクリ ート 板 の 熱 伝 導 特 性 に 及 ぼす 内 部 ひび 割 れの 影 響 に 関 す る 理 論 的 な 側 面 からの 検 討 で 構 成 される 2. 実 験 方 法 2. 試 験 体 表 - にコンクリートの 使 用 材 料 を, 表 -2 に 調 合, 圧 縮 強 度 及 び 含 水 率 を 示 す コンクリートは, 水 セメン ト 比 55%で, 短 繊 維 の 混 入 率 をパラメータとした 3 種 類 とした 短 繊 維 にはポリプロピレン 短 繊 維 ( 以 下,PP と 称 す )を 用 いた 表 -2 の 調 合 名 は,PL が PP 無 混 入, P5 と P が 各 々PP 混 入 率 (コンクリートの 体 積 に 対 し 表 - 使 用 材 料 材 料 種 類 物 性 など セメント 普 通 ポルトランドセメント 粗 骨 材 硬 質 砂 岩 ( 砕 石 5, 青 梅 産 ), 表 乾 密 度 2.65 g/cm 3 細 骨 材 山 砂 ( 君 津 法 木 産 ), 表 乾 密 度 2.63g/cm 3 混 和 剤 AE 減 水 剤,AE 剤, 空 気 量 調 整 剤 短 繊 維 ポリプロピレン(PP): 長 さ mm, 径.5mm, 密 度.9g/cm 3 表 -2 調 合 圧 縮 強 度 含 水 率 調 合 名 水 セメント 比 細 骨 材 率 単 位 量 (kg/m 3 ) PP 混 入 率 圧 縮 強 度 (N/mm 2 ) 含 水 率 (%) (%) 水 セメント 細 骨 材 粗 骨 材 (vol%) 材 齢 28 日 実 験 時 (%) PL 33. 4. 未 測 定 P5 55 46 75 38 87 973.5 3.2 4. 3.3 P. 28.3 34.3 3. * 清 水 建 設 ( 株 ) 技 術 研 究 所 博 士 ( 工 学 ) ( 正 会 員 ) *2 防 衛 大 学 校 建 設 環 境 工 学 科 博 士 ( 工 学 ) ( 正 会 員 ) *3 清 水 建 設 ( 株 ) 技 術 研 究 所 工 博 -32-
発 射 口 2, 発 射 管 エアチャンバー 増 圧 器 圧 縮 器 図 - 高 圧 空 気 式 飛 翔 体 発 射 装 置 と 剛 飛 翔 体 剛 飛 翔 体 固 定 具 て 外 割 り).5,.vol%のコンクリートを 示 す 試 験 体 は, 寸 法 が(H)5mm (W)5mm (t)8mm の 無 筋 コンクリート 板 であり, 表 -2 に 示 す 調 合 ごとに 製 作 した 養 生 方 法 は,コンクリート 打 設 の 翌 日 から 28 日 間 の 水 中 で 養 生 し,その 後 は 気 中 養 生 とした 2.2 高 速 衝 突 実 験 高 速 衝 突 実 験 には, 高 圧 空 気 式 飛 翔 体 発 射 装 置 を 使 用 した 試 験 装 置 の 模 式 図 と 飛 翔 体 を 図 - に 示 す 装 置 は, 圧 縮 器 増 圧 器 エアチャンバー 発 射 管 ( 長 さ 2m, 内 径 35mm)で 構 成 されており, 圧 縮 空 気 で 飛 翔 体 を 発 射 加 速 する 衝 突 速 度 は 図 - の 発 射 口 に 設 置 したレ ーザー 式 速 度 検 出 センサーで 測 定 される 剛 飛 翔 体 は 鋼 製 (SS4)で, 直 径 25mm, 質 量 46g, 先 端 形 状 が 半 球 型 である 剛 飛 翔 体 の 衝 突 速 度 は, 既 往 の 実 験 結 果 3) か ら,PL の 無 筋 コンクリート 板 で 裏 面 剥 離 を 生 じない 速 度 25m/s と 裏 面 剥 離 を 生 じる 速 度 35m/s の 2 水 準 とした 2.3 加 熱 実 験 加 熱 実 験 には, 都 市 ガスを 燃 料 とする 小 型 壁 炉 を 使 用 した 壁 炉 と 試 験 体 の 設 置 状 況 を 写 真 - に 示 す 試 験 体 加 熱 面 の 周 囲 25mm は 試 験 体 設 置 枠 に 当 たるため, 有 効 加 熱 面 積 は 45mm 45mm である 本 実 験 では, 航 空 機 衝 突 など, 衝 突 側 から 火 災 加 熱 を 受 ける 構 造 物 を 想 定 して, 試 験 体 の 衝 突 面 を 加 熱 し, 裏 面 ( 衝 突 面 と 反 対 側 の 面 )は 炉 外 の 常 温 空 気 に 暴 露 される 条 件 とした 加 熱 温 度 は, 燃 料 火 災 を 想 定 して, 炭 化 水 素 火 災 を 模 した 標 準 加 熱 温 度 時 間 曲 線 4) に 準 じた 加 熱 時 間 は 2 時 間 加 熱 とした 測 定 項 目 は 加 熱 温 度 と 試 験 体 の 裏 面 温 度 で, 裏 面 温 度 の 測 定 には 赤 外 線 サーモグラフィを 使 用 した 3. 高 速 衝 突 実 験 結 果 実 験 時 に 測 定 された 剛 飛 翔 体 の 衝 突 速 度 は, 設 定 速 度 25m/s に 対 して 2.6~26.m/s, 設 定 速 度 35m/s に 対 して 32.5~35.5m/s であった 以 下 では, 設 定 した 衝 突 速 度 を 単 に 衝 突 速 度 と 言 う 衝 突 実 験 で 局 部 破 壊 した 試 験 体 の 貫 入 深 さと 表 面 破 壊 の 平 均 直 径, 裏 面 剥 離 深 さと 平 均 直 径 を 表 -3 に 示 す また, 衝 突 実 験 後 の 試 験 体 の 局 部 破 壊 状 況 の 代 表 例 とし て,P-2,P-3,P5-3 および PL-3 を 後 掲 の 写 真 -2 に 示 す 試 験 体 名 は,コンクリートの 調 合 と 衝 突 速 度 (2: 25m/s,3:35m/s)を 示 す 表 記 とした 実 験 の 結 果,PL-3 のみが 裏 面 剥 離 した 衝 突 速 度 試 験 体 ( 上 下 をアングル 材 で 固 定 ) 試 験 体 写 真 - 小 型 壁 炉 外 観 ( 左 )と 試 験 体 の 加 熱 面 ( 右 ) 表 -3 高 速 衝 突 実 験 による 局 部 破 壊 の 状 況 試 験 体 コンクリート 衝 突 速 度 表 面 破 壊 (mm) 裏 面 剥 離 (mm) (m/s) 貫 入 深 さ 平 均 直 径 剥 離 深 さ 平 均 直 径 PL-2 PL 25.9 6 96 - - PL-3 PL 32.5 22 9 33 23 P5-2 P5 26. 8 8 - - P5-3 P5 34.7 29 7 - - P-2 P 2.6 6 86 - - P-3 P 35. 29 95 - - 温 度 ( ) 8 6 4 炭 化 水 素 火 災 加 熱 曲 線 炉 内 温 度 (5 点 ) 外 気 温 度 4 6 8 4 経 過 時 間 ( 分 ) 図 -2 加 熱 温 度 の 測 定 結 果 (P-2) 35m/s における 表 面 破 壊 における 貫 入 深 さは 22~29mm, 裏 面 剥 離 深 さは 33mm, 平 均 直 径 は 23mm であった 今 回 と 同 条 件 で 高 速 衝 突 実 験 を 実 施 した 試 験 体 の 切 断 面 に 関 して, 衝 突 速 度 25m/s では 視 認 できるひび 割 れはなか ったが, 35m/s では 板 内 部 から 裏 面 近 くまで 斜 め 方 向 に 生 じたひび 割 れ( 以 下, 斜 めひび 割 れという 後 掲 の 図 -3 参 照 )が 認 められた 5) 本 報 の 試 験 体 と 同 条 件 の 試 験 体 5) のひび 割 れ 幅 は,PL-3 で.8~.85mm 程 度, P5-3 で.45~.75mm 程 度,P-3 で.45~.55mm 程 度 であった 4. 加 熱 実 験 結 果 および 考 察 加 熱 実 験 時 の 炉 内 温 度 の 測 定 結 果 の 一 例 を 図 -2 に 示 し,P-2,P-3,P5-3 および PL-3 の 加 熱 前 と 加 熱 後 の 状 況,および 加 熱 中 の 裏 面 の 状 況 と 赤 外 線 サーモグラ フィの 熱 画 像 を 写 真 -2 に 示 す なお, 加 熱 中 の 裏 面 状 -33-
加熱中の裏面の状況 上 写真 下 熱画像 加熱前 試験体 上 衝突面 下 裏面 分 4分 6分 加熱後 9分 分 上 衝突面 下 裏面 P-2 P-3 P5-3 PL-3 温度スケール 写真 2 6 4 8 2 26 3 34 P-2 P-3 P5-3 および PL-3 の加熱前 加熱中 加熱後の状況 況と熱画像は 試験体を固定したアングル 写真 参 状および円状に コンクリートの含有水が裏面に湧出し 照 部分を除いた 高さ 4cm 幅 5cm の範囲を示した 始めた 写真 2 P-2 では衝突位置を中心にして放 4. 目視観察 射状に広がったひび割れ 以下 放射状ひび割れという 写真 2 に示すように 加熱 冷却期間を通じて 裏 衝突速度 35m/s では放射状ひび割れと円状のひび割れ 面においてコンクリート片が剥落するなどの外見上の損 斜めひび割れは立体的には円錐状に形成されており 傷の拡大は認められなかった 加熱面についても コン これを裏面に正対して見ると円状のひび割れに見える クリートの爆裂や剥落は認められなかった 以下 円状ひび割れという が 裏面あるいは裏面近傍 加熱開始後約 8 分頃から 衝突速度 25m/s の P-2 で は放射状に 衝突速度 35m/s の P-3 と P5-3 では放射 まで到達していたために これらのひび割れを通じてコ ンクリート内部から含有水が湧出したものと言える -34-
4.2 熱 画 像 による 裏 面 温 度 写 真 -2 の 熱 画 像 から 明 らかなように,PL-3 のように 裏 面 剥 離 すると, 裏 面 温 度 が 高 くなり, 遮 熱 性 における 大 きな 弱 点 になると 言 える 加 熱 開 始 後 分 では,コンクリート 表 面 温 度 よりも, ひび 割 れを 通 じてコンクリート 板 の 高 温 側 から 低 温 側 に 移 動 して 湧 出 した 含 有 水 の 温 度 の 方 が ~3 程 度 高 い 傾 向 を 示 した しかし, 湧 出 がなくなると, 放 射 状 ひ び 割 れのある 部 分 とない 部 分 の 温 度 差 は 見 られない 円 状 ひび 割 れが 生 じていない P-2 では 板 中 央 部 の 温 度 が 周 辺 部 よりも 高 くなっているが,P-3 と P5-3 で は 円 状 ひび 割 れの 外 側 よりも 内 側 の 方 がコンクリート 表 面 温 度 は 低 く,かつ P-2 よりも 低 い 放 射 状 ひび 割 れ は 加 熱 面 から 裏 面 への 熱 エネルギーの 移 動 方 向 に 平 行 な 面 に 形 成 されているために 熱 抵 抗 とはならない しかし, 円 状 ひび 割 れは 熱 エネルギーの 移 動 方 向 に 対 して 角 度 を 持 った 面 に 形 成 されているために 熱 抵 抗 となり, 円 状 ひ び 割 れの 内 側 の 裏 面 温 度 が 低 くなったと 言 える 以 上 から, 遮 熱 性 を 確 保 するためには 裏 面 剥 離 を 抑 制 することは 必 須 であり, 裏 面 剥 離 が 抑 制 できれば,ひび 割 れ( 放 射 状 ひび 割 れ, 斜 めひび 割 れ)が 裏 面 に 達 して も 遮 熱 性 の 弱 点 にはならないと 考 えられる 5. コンクリート 板 の 温 度 性 状 に 関 する 解 析 的 検 討 裏 面 剥 離 が 抑 制 されたコンクリート 板 を 対 象 に 伝 熱 解 析 を 行 い, 斜 めひび 割 れがコンクリート 板 の 裏 面 およ び 内 部 の 温 度 性 状 に 及 ぼす 影 響 を 検 討 し,さらに 斜 めひ び 割 れの 熱 抵 抗 に 関 する 理 論 的 な 側 面 からの 考 察 を 行 う 5. 解 析 方 法 解 析 には 差 分 法 を 適 用 した 非 定 常 伝 熱 解 析 プログラ ム 6) を 用 いた コンクリートの 熱 物 性 は EUROCODE 4 7) の 温 度 依 存 性 を 考 慮 した 物 性 値 を 参 照 した EUROCODE 4 の 熱 伝 導 率 を.8 倍, 比 熱 を.2 倍 すると 実 験 結 果 と 解 析 結 果 が 良 好 に 一 致 することが 報 告 されており 8), 本 解 析 でもこれらの 倍 率 を 乗 じた 物 性 値 を 適 用 した また, 含 水 率 を 3wt%として, 含 有 水 の 潜 熱 による 近 傍 で の 温 度 停 滞 も 考 慮 した 5.2 解 析 モデルと 解 析 ケース () 解 析 モデル 解 析 モデルは, 図 -3 に 示 すように,コンクリート 板 中 央 高 さの 微 小 厚 さ 部 分 について 左 右 の 対 称 性 を 考 慮 し て /2 幅 を 切 り 出 した 2 次 元 の 断 面 とした 対 称 軸 から cm までは 5mm 5mm メッシュ, 残 りは 5mm mm メッシュとした 表 面 破 壊 は PL-3,P5-3 および P-3 の 高 速 衝 突 実 験 結 果 を 概 ね 反 映 するように, 表 面 破 壊 は 貫 入 深 さ 25mm, 半 径 5mm とした また, 斜 めひび 割 れについては, 図 -3 の 試 験 体 切 断 写 真 から, 裏 面 剥 離 25 25 X 25 8 25 対 象 軸 Y 3 25 表 面 破 壊 25 斜 めひび 割 れ 加 熱 加 熱 面 裏 面 55 55 4 25 裏 面 に 達 した 斜 めひび 割 れ ( 円 状 ひび 割 れ) 微 小 厚 さ(mm)を 仮 定 対 称 性 を 考 慮 して 右 半 分 の みを 解 析 下 図 の 解 析 モデルにおい て,5.3 節 の 範 囲 A,B は, 次 のとおり 範 囲 A: + 範 囲 B: 断 熱 表 面 破 壊 裏 面 剥 離 面 ( 解 析 で 仮 定 した 斜 めひび 割 れ 位 置 ) 斜 めひび 割 れ ( 幅 :.8~.85mm) 図 -3 解 析 モデル( 上 )と PL-3 同 等 試 験 体 5) の 切 断 面 ( 下 ) 面 を 含 めると 2 箇 所 以 上 で 生 じていたと 推 察 されるが, 本 解 析 では PL-3 の 剥 離 深 さ 3mm, 半 径 mm の 裏 面 剥 離 面 の 箇 所 を 斜 めひび 割 れ 位 置 とした 解 析 では, 要 素 が 四 角 形 であることから, 表 面 破 壊 と 斜 めひび 割 れ を 階 段 状 にモデル 化 し, 斜 めひび 割 れ 先 端 の 裏 面 到 達 部 の 要 素 に 対 するひび 割 れの 影 響 は 小 さいと 考 え, 若 干 の 誤 差 を 許 容 して 半 径 を mm とした (2) 斜 めひび 割 れの 熱 抵 抗 互 いに 接 触 する 固 体 内 を 熱 が 伝 わる 場 合, 一 般 に 温 度 分 布 は 接 触 面 で 不 連 続 な 温 度 差 を 生 じる これは 接 触 面 が 熱 抵 抗 となるからである 本 解 析 では, 熱 伝 導 を 計 算 する 要 素 間 の 境 界 にひび 割 れがある 場 合 ( 図 -3 参 照 ) には, 要 素 間 の 熱 コンダクタンスに 低 減 率 を 乗 じること によって, 疑 似 的 に 熱 抵 抗 を 考 慮 することにした 本 解 析 では, 斜 めひび 割 れを 要 素 間 の 境 界 に 階 段 状 に モデル 化 しているため,X 方 向 と Y 方 向 に 対 する 斜 めひ び 割 れの 影 響 を 考 える 必 要 がある そこで, 参 照 した 斜 めひび 割 れの 勾 配 3/ を 考 慮 して,X 方 向 の 熱 コンダ クタンスの 低 減 率 に 3/ を 乗 じた 値 を Y 方 向 の 熱 コン ダクタンスの 低 減 率 とした (3) 解 析 ケース 解 析 は, 熱 コンダクタンスの 低 減 率 を %( 斜 めひび 割 れなし),5%,95%の 3 ケースについて 行 った 5.3 解 析 結 果 および 考 察 図 -4 に 裏 面 温 度 と 対 称 軸 からの 距 離 の 関 係 に 関 する, P-2,P-3 および P5-3 の 実 験 と 解 析 の 結 果 を 示 す 断 熱 -35-
裏 面 温 度 ( ) 35 3 25 5 P-2 P-3 P5-3 低 減 率 % 低 減 率 5% 低 減 率 95% 5 5 5 25 5 5 25 5 5 25 5 5 25 対 象 軸 からの 距 離 (mm) 対 象 軸 からの 距 離 (mm) 対 象 軸 からの 距 離 (mm) 対 象 軸 からの 距 離 (mm) 3 分 6 分 9 分 分 図 -4 コンクリート 板 の 裏 面 温 度 と 対 称 軸 からの 距 離 に 関 する 実 験 結 果 と 解 析 結 果 の 比 較 実 験 値 は, 試 験 体 の 縦 対 称 軸 から 右 半 分 の 中 央 高 さ 位 置 ( 解 析 断 面 を 抜 き 出 した 位 置 ( 図 -3))の 温 度 である 対 称 軸 から mm 以 上 離 れた 位 置 の 温 度 は 解 析 と 実 験 で 概 ね 一 致 した 写 真 -2 から 斜 めひび 割 れの 影 響 が ほとんどないと 判 断 できる P-2 と 低 減 率 %の 結 果 を 比 較 すると, 対 象 軸 から mm 以 内 の 温 度 は 解 析 の 方 が 高 くなっており, 実 験 では 表 面 破 壊 付 近 でのコンクリ ートの 損 傷 や 応 力 波 によって 生 じる 裏 面 側 の 微 細 ひび 割 れによる 熱 抵 抗 の 増 加 があるものと 推 察 される また, 低 減 率 5%よりも 95%の 解 析 結 果 の 方 が P5-3 と P-3 の 傾 向 に 近 い 性 状 を 示 した 加 熱 面 に 垂 直 な 方 向 の 熱 コ ンダクタンスを 95% 低 減 させることで,より 実 験 結 果 に 近 い 解 析 結 果 が 得 られることが 把 握 された て 生 じると 考 える また, 実 際 のコンクリート 板 では 斜 めにひび 割 れが 入 っているが,ここでは,コンクリート 板 の 加 熱 面 に 対 して 平 行 なひび 割 れを 仮 定 し, 次 元 の 熱 伝 導 放 射 伝 熱 の 検 討 を 行 うこととする 6.2 コンクリート 板 内 の 熱 通 過 率 コンクリートと 空 気 の 熱 伝 導 率 を 図 -5 に 示 す 本 検 討 では 温 度 依 存 性 を 考 慮 した 熱 伝 導 率 を 適 用 する コン クリート 部 分 およびひび 割 れ 部 分 ( 空 気 による 熱 伝 導 と 熱 放 射 )の 単 位 面 積 当 たりの 熱 コンダクタンスはそれぞ れ 式 ()~(3)で 算 定 し,コンクリート 板 の 熱 通 過 率 ( 単 位 面 積 当 たりにとった 熱 コンダクタンスの 総 和 )は 式 (4)で 算 定 する なお, 本 検 討 では, 式 (3)において T i T j と 仮 定 して,(T i -T j )= とする 6. 熱 コンダクタンスの 低 減 率 に 関 する 考 察 5 章 の 解 析 における 熱 コンダクタンス 95% 低 減 に 相 当 するコンクリート 断 面 内 のひび 割 れ 本 数 を 検 討 する 6. 斜 めひび 割 れ 部 分 のモデル 化 斜 めひび 割 れの 幅 は 前 述 したように.55mm~.85mm 程 度 である 本 実 験 のコンクリートに 関 して,プレーン コンクリートの 引 張 破 壊 において 結 合 力 が 零 となるひび 割 れ 幅 を CEB-FIP モデルコード 99 9) で 計 算 すると.2mm となる 結 合 力 が 零 になると,ひび 割 れ 面 の 法 線 方 向 に 対 してコンクリートは 分 離 しているものと 考 え られる( 短 繊 維 補 強 コンクリートはひび 割 れ 幅.2mm でも 結 合 力 があると 考 えられるが,これは 短 繊 維 の 架 橋 効 果 によるもので,コンクリートは 分 離 していると 考 え る) 本 実 験 に 供 した P-3 や P5-3 は 裏 面 剥 離 していな いが,ひび 割 れ 幅 は.2mm を 超 えていることから, 斜 めひび 割 れ 位 置 でコンクリートが 分 離 していると 仮 定 す る この 仮 定 に 基 づき,コンクリート 板 内 のひび 割 れ 位 置 以 外 の 熱 移 動 はコンクリートの 熱 伝 導 により,ひび 割 れ 位 置 の 熱 移 動 は,ひび 割 れ 間 に 存 在 する 気 体 による 熱 伝 導 とひび 割 れに 面 するコンクリート 面 間 の 放 射 によっ con rad U con, t air air (),(2) x T 2 2 i Tj con con Ti Tj 4Tave 2 Tave (3) 4 con n air rad 記 号 T i,t j :ひび 割 れに 面 するコンクリート 面 の 温 度 K, T ave :ひび 割 れ 部 分 の 平 均 温 度 (=(T i +T j )/2),U:コンクリ ート 板 の 熱 通 過 率 W/(m 2 K),n:ひび 割 れ 本 数 本, t:コンクリートの 板 厚 m,: 単 位 面 積 当 たりの 熱 コン ダクタンス W/(m 2 K),Δx:ひび 割 れ 幅 m,λ: 熱 伝 導 率 W/(m K),ε con :コンクリートの 放 射 率,σ: ステファン ボルツマン 定 数 (=5.67-8 W/(m 2 K 4 )) 添 字 con:コンクリート,air: 空 気,rad: 熱 放 射 6.3 熱 通 過 率 の 計 算 結 果 および 考 察 P5-3 と P-3 を 参 考 にしてひび 割 れ 幅 を.55mm, 断 面 温 度 を 一 様 とし, 図 -3 の 範 囲 A( 表 面 破 壊 最 深 部 ~ 裏 面 )について,a)ひび 割 れ 無 し,b)ひび 割 れを 板 内 の 箇 所 としてその 部 分 の 熱 コンダクタンスを 95% 低 減, 2 (4) -36-
熱 伝 導 率 (W/m.K).6.2.8.4. λcon λcon(95% 低 減 ) λair. 4 6 8 温 度 ( ) 図 -5 コンクリートと 空 気 の 熱 伝 導 率 熱 通 過 率 (W/m 2.K) 3 25 5 2 4 6 ひび 割 れ 無 し 95% 低 減 ひび 割 れ 考 慮 (~ 本 ) 5 ひび 割 れ2 本 以 上 は2 本 おき 表 示 4 6 8 温 度 ( ) 図 -6 熱 通 過 率 と 温 度 の 関 係 熱 通 過 率 (W/m 2.K) 3 25 5 5 範 囲 A-95% 低 減 範 囲 A-ひび 割 れn 本 (~5 平 均 ) 範 囲 B-95% 低 減 範 囲 B-ひび 割 れn 本 (~4 平 均 ) 5 5 ひび 割 れ 本 数 :n( 本 ) 図 -7 裏 面 3,55mm 厚 までの 平 均 熱 通 過 率 とひび 割 れ 本 数 の 関 係 c)ひび 割 れ 本 数 をパラメータとした 3 ケースについて, 熱 通 過 率 を 計 算 した 図 -6 に 示 すように,b)の 場 合 は 温 度 とともに 熱 通 過 率 が 小 さくなる 一 方,c)の 場 合 で は,ひび 割 れ 本 数 によって 温 度 依 存 性 の 傾 向 が 異 なり, b)と 一 致 するような 熱 通 過 率 の 関 係 は 得 られなかった 熱 通 過 率 の 温 度 依 存 性 が b)と c)で 異 なるため, 図 -3 の 範 囲 A と 範 囲 B( 裏 面 剥 離 最 深 部 ~ 裏 面 )について, 伝 熱 解 析 結 果 から 求 めた 分 時 の 断 面 平 均 温 度 におけ る 熱 通 過 率 を 求 めて 比 較 した 結 果 を 図 -7 に 示 す ひび 割 れ 幅.55mm の 場 合, 範 囲 A では 7~8 本 程 度, 範 囲 B では 6~7 本 程 度 のひび 割 れが, 熱 コンダクタンス 95% 低 減 に 相 当 すると 言 える しかし, 図 -3 の 写 真 に 示 す ように,6~8 本 ものひび 割 れは 視 認 できない したがっ て,5. 章 の 検 討 結 果 と 同 様 に, 表 面 破 壊 付 近 におけるコ ンクリートの 損 傷 や 応 力 波 による 裏 面 側 の 微 細 ひび 割 れ による 熱 抵 抗 の 増 加 の 可 能 性 が 推 察 される 7. 結 論 局 部 破 壊 したコンクリート 板 が 火 災 加 熱 を 受 けた 場 合 の 温 度 性 状 を 検 討 し, 以 下 の 知 見 が 得 られた a) 加 熱 によるコンクリート 板 の 損 傷 の 拡 大 はなく, 裏 面 剥 離 がなければ,ひび 割 れは 遮 熱 性 の 弱 点 にならない b) 斜 めひび 割 れを 箇 所 として 解 析 する 場 合, 加 熱 面 に 垂 直 な 方 向 の 熱 コンダクタンスを 95% 低 減 させると 実 験 結 果 に 近 い 値 が 得 られる c).55mm 幅 のひび 割 れを 仮 定 して 熱 通 過 率 を 計 算 した 結 果, 熱 コンダクタンス 95% 低 減 はコンクリート 板 断 面 に 6~8 本 程 度 の 斜 めひび 割 れ が 生 じていることに 相 当 したが, 表 面 破 壊 や 応 力 波 によ る 裏 面 側 の 微 細 ひび 割 れの 影 響 も 検 討 する 必 要 がある 参 考 文 献 ) 日 本 建 築 学 会 構 造 委 員 会 応 用 力 学 運 営 委 員 会 : 衝 突 爆 発 などの 衝 撃 的 な 外 力 による 構 造 被 害 の 低 減 化 について 考 える,9 年 度 日 本 建 築 学 会 大 会 構 造 部 門 ( 応 用 力 学 )パネルディスカッション 資 料,9.8. 2) 森 田 武, 別 府 万 寿 博, 鈴 木 誠 : 高 速 衝 突 を 受 けたコ ンクリート 板 の 火 災 加 熱 に 対 する 温 度 性 状, 日 本 建 築 学 会 構 造 系 論 文 集, 第 694 号,pp.2247-2256,3.2. 3) 別 府 万 寿 博, 三 輪 幸 治, 大 野 友 則, 塩 見 昌 紀 : 鋼 製 剛 飛 翔 体 の 高 速 衝 突 を 受 けるコンクリート 板 の 局 部 破 壊 に 関 する 実 験 的 研 究, 土 木 学 会 論 文 集,Vol.63, No.,pp.78-9,7.3. 4) EUROCODE : Basics of design and actions on strctres Part 2-2: Actions on strctres exposed to fire, Eropean Committee for Standardization, 994. 5) 森 田 武, 別 府 万 寿 博, 鈴 木 誠 : 高 速 衝 突 を 受 けるポ リプロピレン 短 繊 維 補 強 コンクリートの 耐 衝 撃 性 能, 日 本 建 築 学 会 構 造 系 論 文 集, 第 684 号,pp.39-327, 3.2. 6) Morita, T., Wakamats, T., Uesgi, H., and Saito, H.: Analyses of Composite Beams and Frames at Elevated Temperatre, Fire Safety Science - Proceedings of the Third International Symposim on Fire Safety Science, pp.76-77,99. 7) EUROCODE 4: Design of composite steel and concrete strctres Part -2: General rles Strctral fire design, Eropean Committee for Standardization, 994. 8) 齋 藤 秀 人, 森 田 武, 上 杉 英 樹 : 中 心 圧 縮 を 受 ける 充 填 鋼 管 コンクリート 柱 の 内 部 温 度 と 耐 火 時 間 に 関 す る 研 究, 日 本 建 築 学 会 環 境 系 論 文 集, 第 582 号,pp. 9-6,4.8. 9) CEB Comite Ero-International d Beton : CEB-FIP Model Code 99, Blletin d Information, No.3, 99.7-37-