Υπολογιστική προσομοίωση θερμικής συμπεριφοράς πολυστρωματικής τοιχοποιίας σε συνθήκες φωτιάς

Κοντογεώργος, Δήμος; Kontogeorgos, Dimos

dc.contributor.author	Κοντογεώργος, Δήμος	el
dc.contributor.author	Kontogeorgos, Dimos	en
dc.date.accessioned	2019-05-16T07:37:39Z
dc.date.available	2019-05-16T07:37:39Z
dc.date.issued	2019-05-16
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48735
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.9192
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Μεταφορά Θερμότητας	el
dc.subject	Υπολογιστική Προσομοίωση	el
dc.subject	Πολυστρωματική Τοιχοποιία	el
dc.subject	Συμπεριφορά σε Φωτιά	el
dc.subject	Δομικά Υλικά	el
dc.subject	Heat Transfer	en
dc.subject	Numerical Simulation	el
dc.subject	Multi-layer wall configuration	el
dc.subject	Fire Behavior	el
dc.subject	Building Materials	el
dc.title	Υπολογιστική προσομοίωση θερμικής συμπεριφοράς πολυστρωματικής τοιχοποιίας σε συνθήκες φωτιάς	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ	el
heal.classification	ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/110ac37eff2b603f1775724ef374f54b7ba1ddc0
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/5c281cc25ddfbf0bf74fa43c945fa2adbe6bf2ea
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-02-25
heal.abstract	Τα συστήματα ξηράς δόμησης αποτελούνται κυρίως από γυψοσανίδες ή/και τσιμεντοσανίδες, τα οποία λόγω της περιεκτικότητάς τους σε κρυσταλλικό νερό, έχουν αυξημένη αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες και σε συνδυασμό με το χαμηλό τους βάρος τα καθιστά αρκετά ελκυστικά στις σύγχρονες κατασκευές. Για το λόγο αυτό, στα πλαίσια της παρούσης διπλωματικής εργασίας γίνεται για πρώτη φορά η υπολογιστική προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς πολυστρωματικών τοιχοποιιών ξηράς δόμησης σε συνθήκες φωτιάς. Το πλαίσιο πάνω στο οποίο έγινε η υπολογιστική προσομοίωση βασίστηκε στη γενικότερη μεθοδολογία που ακολουθείται σε τέτοιες περιπτώσεις, σύμφωνα με την οποία η θερμική συμπεριφορά ενός υλικού όταν εκτίθεται σε μεταβαλλόμενο θερμοκρασιακό περιβάλλον μελετάται σε τρία στάδια: α) μελέτη της χημικής αντιδραστικότητας του υλικού (μικρό-κλίμακα), β) μελέτη και προσδιορισμός των φυσικών ιδιοτήτων του υλικού (μικρό-κλίμακα ή/και μέσο κλίμακα) και γ) μελέτη της θερμικής συμπεριφοράς ενός υλικού ξεχωριστά (μέσο-κλίμακα) ή ως μέρος μιας κατασκευής (μακρό-κλίμακα). Η ανάλυση που πραγματοποιήθηκε στην παρούσα εργασία εστίασε στα δύο πρώτα στάδια της γενικότερης μεθοδολογίας: α) στις φυσικές ιδιότητες των υλικών που απαρτίζουν τις τοιχοποιίες που μελετήθηκαν (μικρό-κλίμακα) και β) τη θερμική συμπεριφορά των τοιχοποιιών σε συνθήκες φωτιάς (μέσο-κλίμακα). Στο πρώτο στάδιο, ο στόχος ήταν να αναδειχθεί η δυνατότητα μοντελοποίησης ενδόθερμων φυσικό-χημικών διεργασιών μέσω των φαινόμενων θερμικών φυσικών ιδιοτήτων των υλικών που απαρτίζουν τις τοιχοποιίες ξηράς δόμησης, ενώ στο δεύτερο στάδιο ο στόχος ήταν να μελετηθεί η εισαγωγή όρων πηγών στην εξίσωση μετάδοσης θερμότητας για τη μοντελοποίηση εξώθερμων φυσικό-χημικών αντιδράσεων. Η μελέτη των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των υλικών των συστημάτων ξηράς δόμησης που μελετήθηκαν έγινε κυρίως μέσω θεωρητικής ανάλυσης και χρησιμοποιώντας τον υπολογιστικό κώδικα HETRAN. Παράλληλα, αξιοποιήθηκαν κατάλληλα πειραματικά δεδομένα για την ανάπτυξη κατάλληλων μοντέλων προσομοίωσης των φυσικό-χημικών διεργασιών στο εσωτερικό των υλικών, αλλά και πιστοποίησης της ακρίβειας των υπολογισμών. Η μελέτη που πραγματοποιήθηκε αφορούσε δύο τοιχοποιίες ξηράς δόμησης, οι οποίες αποτελούνταν από πέντε διαφορετικές στρώσεις: 1) γυψοσανίδα με υλικά αλλαγής φάσης, 2) διάκενο αέρος στη μια τοιχοποιία και μονωτικό πάνελ κενού στην άλλη τοιχοποιία, 3) απλή γυψοσανίδα, 4) διογκωμένη πολυστερίνη και 5) θερμομονωτικός σοβάς. Αφού προσδιορίστηκαν οι φαινόμενες θερμικές φυσικές ιδιότητες των υλικών που απαρτίζουν τις τοιχοποιίες, ενσωματώθηκαν στον υπολογιστικό κώδικα HETRAN. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα για την αξιολόγηση της ακρίβειας των υπολογισμών. Η σύγκριση έδειξε ότι λαμβάνοντας υπόψη τις ενδόθερμες φυσικό-χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των υλικών είναι δυνατή η ακριβής προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς των τοιχοποιιών, μέχρι το σημείο που αρχίζουν να λαμβάνουν χώρα εξώθερμες διεργασίες. Από εκεί και πέρα, οι υπολογισμοί υποεκτιμούν τα πειραματικά δεδομένα, αφού η ενέργεια που προστίθεται στο σύστημα λόγω των εξώθερμων αντιδράσεων δε λαμβάνεται υπόψη στους υπολογισμούς. Για το λόγο αυτό, εισήχθησαν όροι πηγής μέσα στον υπολογιστικό κώδικα HETRAN οι οποίοι προσομοιώνουν τις εξώθερμες αντιδράσεις, όπως είναι η οξείδωση της χάρτινης επιφάνειας της απλής γυψοσανίδας και η οξείδωση της διογκωμένης πολυστερίνης. Εισάγοντας στο σύστημα την ενέργεια που εκλύεται από τις εξώθερμες αντιδράσεις, τα υπολογιστικά αποτελέσματα που προέκυψαν βελτιώθηκαν σημαντικά. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η συγκεκριμένη εργασία αποτελεί την πρώτη προσπάθεια που γίνεται για την προσομοίωση ενός τόσο πολύπλοκου φυσικού προβλήματος και έχει ως επί μέρους στόχο να αναδείξει τις δυσκολίες που υπεισέρχονται στους υπολογισμούς. Λαμβάνοντας υπόψη τα συμπεράσματα που προέκυψαν είναι φανερό ότι η ολοκληρωμένη προσέγγιση τόσο πολύπλοκων προβλημάτων πρέπει να γίνεται συνδυαστικά τόσο με πειράματα όσο και με υπολογισμούς. Τέλος, η παρούσα εργασία αποδεικνύει τη σημασία του να γίνεται ακριβής υπολογισμός τέτοιων προβλημάτων, ιδιαίτερα στις περιπτώσεις όπου η ύπαρξη πειραματικών δεδομένων δεν είναι εφικτή.	el
heal.abstract	Drywall systems mainly consist of gypsum boards and/or cement boards, which contain chemically bonded water in their crystal lattice, and thus they have increased fire resistance capability. The latter, in conjunction with the low weight makes drywall systems attractive in modern construction. For that reason, the current thesis studies for the first time the numerical simulation of the thermal behavior of multilayer drywall systems under fire conditions. The study was based on the general methodology followed for studying the thermal behavior of a material under varying temperature conditions, which consist of three basic steps: a) studying the chemical reactivity of the material microscale), b) determination of the effective thermal physical properties of the material (meso-scale), and c) study of the thermal behavior of the material individually (meso-scale) or as part of an overall construction (macro-scale). The current analysis was focused on the two first steps of the general methodology: a) determination of the effective thermal physical properties of the materials that consist the examined multilayer drywall systems (micro-scale), and b) study of the thermal behavior of the drywall systems under fire conditions (meso-scale). Within the first step, the main target was to prove the capability of modeling endothermic physical-chemical processes through effective physical properties, while the target of the second step was to identify whether the incorporation of different source terms in the heat transfer equation is able to model exothermic physical-chemical properties. In order to study the different phenomena occurring inside the examined multilayer drywall systems when exposed to fire conditions, the computational code HETRAN was used. In addition, several experimental data was used for modelling the physical-chemical processes occurring inside the drywall systems, as well as to assess the accuracy of the predictions. Two different drywall systems were used in this study for modeling their fire behavior, which comprised five layers: 1) gypsum board incorporating phase change materials, 2) cavity for the first drywall system and vacuum insulation panel for the second drywall system, 3) standard gypsum board, 4) expanded polystyrene, and 5) thermal insulation render (incorporating expanded polystyrene). After the determination of the effective thermal properties for each of the materials, they were incorporated inside the numerical code HETRAN. The predictions were compared with respective experimental data for assessing their accuracy. The comparison revealed that taking into account the endothermic physical-chemical properties through effective thermal properties the accuracy of the predictions were in sound agreement with the experimental results, up to the point where exothermic processes begun to occur. When the exothermic reactions started, the predictions were under estimating the experimental results due to the fact that the incoming energy from the reactions were not taken into consideration in the computational results. Hence, different source terms were incorporated inside the HETRAN code in order to model the exothermic reactions, such as the oxidation of the external paper of the standard gypsum board and the oxidation of the expanded polystyrene. The source terms supplied the overall system with the necessary energy from the exothermic reactions and the predictions were in sound agreement with the experimental results for the overall time evolution. It should be noted that the current thesis is the first attempt for simulating such a complex physical problem and tries to identify and indicate the computational difficulties that occur. Taking into account the conclusions of this study it is obvious that the overall approach of such difficult problems should be performed both experimentally and computationally. Finally, this study points out the importance of accurate predictions, especially in cases where there are no experimental data.	en
heal.advisorName	Φούντη, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Ριζιώτης, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Μπούρης, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	72 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true