建設上の懸念: 金属の膨張

記事と写真：グレゴリー・ハベル

「温度が 100°F 上昇するごとに、鋼鉄は長さが 0.06 パーセントから 0.07 パーセントに膨張します。温度が上昇するにつれて膨張率は増加します。1,000 °F に加熱されると、鋼鉄部材は長さ 100 フィートにわたって 9 1/2 インチ膨張します…鋼製梁の場合石積み構造などによって拘束され、火災の温度が約1,000°Fに維持されると、鋼材の膨張により石積みが変位し、部分的または全体的な崩壊が生じる可能性があります。」 (ブラニガンの『消防局のための建築構造』第 4 版、206 ページ) 梁を拘束する石積みまたはコンクリート壁が移動しないほど十分に大きい場合、梁の長さが長くなり、熱によって梁が弱くなることで座屈が発生します。そしてスパンの途中で失敗します。 この情報は、消防士 I および II コースから私たちに伝えられました。

写真1は石積み壁とコンクリート壁、鋼製柱、鋼製桁トラス、棒根太の組立体を示しています。 桁トラスとバージョイストは、壁への接続、または相互の溶接とボルトのいずれかによって拘束されます。 昼と夜、冬と夏の間の温度変化は重要ではないと考えられているため、構造用鋼の膨張を設計に考慮することはできません。 空調設備の整った建物では、通常の温度範囲は 20oF 未満になる場合があります。 寒冷地の暖房のない建物では、温度範囲は 100°F 未満になる可能性があります。 建物内で火災が発生した場合、鋼材の伸縮が懸念されます。

大きな建物では、構造用鋼で支えられた金属パイプの長さが数百フィートになる場合があります。 これらのパイプが暖房や空調のために加熱または冷水を運ぶとき、その内部温度は 40oF から 200oF の範囲になることがあります。 蒸気を運ぶとき、内部温度は室温から 300oF 以上まで変化します。 家庭用の温水と冷水を輸送する場合、内部温度は 40oF ～ 150oF の範囲になります。 建築基準およびその他の法令では、エネルギーを節約するためにこれらのパイプを断熱することが義務付けられています。

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鋼管は構造用鋼と同じ速度で加熱すると膨張します。 銅パイプは、鋼鉄よりも約 40% 高い速度で加熱されると膨張します。 パイプの通常の動作温度範囲内での膨張と収縮は、壁が破損したりパイプが座屈したりするほど高くはないかもしれませんが、騒音が発生する可能性があり、制御されていない場合、最終的にはパイプの接合部で漏れを引き起こす可能性があります。

パイプの膨張を制御する 1 つの方法は、伸縮継手の使用です。 1 つのタイプは、パイプの長い走行中に一定の間隔でフレキシブルな波形金属パイプまたはゴムチューブのセクションを使用します。 もう 1 つのタイプは、メカニカル シールまたは O リングを備えたスリップ ジョイント継手です。 どちらも新しいうちはうまく機能しますが、最終的にはどちらも漏れて交換が必要になります。

もう 1 つの方法は、100 年以上使用されている拡張ループの使用です。 写真 2 は、冬には暖房用の温水を、夏には空調用の冷水を運ぶ 2 本の鋼管の拡張ループを示しています。 この設置では、自動消火スプリンクラー システムで使用されるものよりも高温のゴムのガスケットを備えた Victaulic® フィッティングを使用します。 この建物では、配管の配管は拡張ループ間の配管の途中で拘束されます。

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写真 3 は、家庭用の温水と冷水、暖房用の温水、蒸気を運ぶ断熱パイプ群の膨張ループを示しています。 このシステムでは、拘束はパイプの途中ではなく拡張ループの中心にあります。

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現在、拡張ジョイントは通常、拡張ループ用のスペースがない場合に使用されます。 拡張ループよりも設置に必要な労力は少なくなりますが、多くの場合、拡張ループの材料よりもコストがかかります。 また、定期的な交換が必要です。

拡張ループは労力が必要なため、拡張ジョイントよりも設置に費用がかかりますが、通常は故障までの寿命がはるかに長くなります。 修理が必要な場合、特に拡張ループに Victaulic® 継手を使用している場合、拡張継手の交換に比べて必要な労力と材料が安価になります。

パイプが水で満たされていると、建物の構造に大きな負荷がかかる可能性があります。

写真 3 に示すような拡張ループのグループは、特に写真 2 に示すような大きなパイプの場合、屋上エアコンのような構造物に荷重を加えることができます。より重い荷重を支える構造用鋼は、より大きな荷重がかかるとすぐに破損することに留意する必要があります。より軽い荷重の同様の構造部材よりも火災条件が緩和されます。

主題: 構造用金属の拡張、消防活動のための建物建設、建設上の危険