Εισαγωγή
Οι σύγχρονοι οικοδομικοί κανονισμοί και τα πρότυπα ασφαλείας απαιτούν τα δομικά υλικά να είναι όχι μόνο δομικά ασφαλή, αλλά και πυρασφαλή. Το ξύλο, ένα δοκιμασμένο δομικό υλικό, προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα, αλλά ενέχει επίσης κινδύνους, καθώς μπορεί να αναφλεγεί από small πηγές θερμότητας, όπως σπινθήρες, απελευθερώνοντας αέρια καπνού.
Καθώς η εισπνοή καπνού είναι η πιο συχνή αιτία θανάτου σε πυρκαγιές και ο πυκνός καπνός δυσχεραίνει τον προσανατολισμό και τη διαφυγή, είναι απαραίτητο να αναλυθεί η συμπεριφορά της πυρκαγιάς και η εκπομπή καπνού από το ξύλο.
Απαιτούνται εκτεταμένες δοκιμές πυρκαγιάς και πιστοποίηση για την επιβεβαίωση της καταλληλότητας του ξύλου ως δομικού υλικού από αυτή την άποψη.
Συνθήκες μέτρησης
Για τη διερεύνηση της αντίδρασης στη φωτιά, δοκίμια ξύλου ερυθρελάτης (100 x 100 x 17 mm³) δοκιμάστηκαν στο NETZSCH TCC 918 Cone Calorimeter. Η συσκευή αυτή καταγράφει τον ρυθμό έκλυσης θερμότητας (HRR), την απώλεια μάζας, καθώς και την πυκνότητα και τη σύσταση των παραγόμενων καυσαερίων.
Τα δείγματα ξύλου τοποθετήθηκαν σε οριζόντια βάση δείγματος τοποθετημένη σε κυψέλη φορτίου για τη συνεχή καταγραφή της απώλειας μάζας κατά τη διάρκεια της μέτρησης. Ένας ηλεκτρικός κώνος θέρμανσης θέρμαινε τα δείγματα από πάνω και ξεκινούσε την πυρόλυση του ξύλου. Μόλις απελευθερώθηκαν επαρκή αέρια πυρόλυσης, η ανάφλεξη έγινε με αναφλεκτήρα σπινθήρα. Τα προκύπτοντα αέρια καύσης διέρρεαν μέσω του κώνου θέρμανσης και συλλέγονταν από ένα σύστημα εξάτμισης.
Η ροή μάζας, η θερμοκρασία των καυσαερίων και οι συγκεντρώσεις O₂, CO₂ και CO μετρήθηκαν συνεχώς στο σύστημα εξάτμισης. Επιπλέον, η πυκνότητα του καπνού προσδιορίστηκε με τη μετάδοση του φωτός λέιζερ. Ο αναλυτής αερίων (Siemens Oxymat/Ultramat) βαθμονομήθηκε πριν από τις μετρήσεις και ο συντελεστής C1 ελέγχθηκε με τη χρήση καυστήρα μεθανίου. Οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον πίνακα 1.
Μετά τη θέρμανση του κώνου θέρμανσης, το κλείστρο έκλεισε και η προετοιμασμένη υποδοχή δείγματος τοποθετήθηκε στην πλάκα βάσης. Η μέτρηση ξεκίνησε με το αυτόματο άνοιγμα του κλείστρου και τα εκλυόμενα αέρια αναφλέγονταν από το σύστημα αυτόματης ανάφλεξης. Στο σχήμα 2 παρουσιάζεται η διάταξη προετοιμασίας του δείγματος και μέτρησης.
1Οσυντελεστής C είναι μια βασική παράμετρος βαθμονόμησης στην κωνική θερμιδομετρία, η οποία ορίζεται σύμφωνα με το ISO 5660-1. Χρησιμεύει ως σταθερά για τον ακριβή προσδιορισμό του ρυθμού έκλυσης θερμότητας (HRR), καθορίζοντας τη σχέση μεταξύ του σήματος από τον αναλυτή οξυγόνου και της πραγματικής θερμικής ενέργειας που εκλύεται.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Δοχείο δείγματος | Οριζόντια |
| Ροή θερμότητας | 50 kW/m2 |
| Ονομαστικός ρυθμός ροής | 24.0 l/s |
| Απόσταση από τον κωνικό θερμαντήρα | 25 mm |
2) Προετοιμασία δείγματος και ρύθμιση μέτρησης
Αποτελέσματα μέτρησης
Το Σχήμα 3 δείχνει την απώλεια μάζας των τριών δειγμάτων ξύλου με την πάροδο του χρόνου κατά τη διάρκεια της καύσης. Αμέσως μετά την ανάφλεξη, παρατηρείται ταχεία απώλεια μάζας λόγω της καύσης πτητικών συστατικών, όπως το νερό και οι εξαιρετικά εύφλεκτες οργανικές ουσίες. Αφού σβήσει η φλόγα, αρχίζει μια αργή διαδικασία πυράκτωσης, με αποτέλεσμα μικρότερη, συνεχή απώλεια μάζας.
Το Σχήμα 4 παρουσιάζει την πορεία του ρυθμού έκλυσης θερμότητας (HRR)2 των δοκιμίων. Αμέσως μετά την ανάφλεξη, ο HRR όλων των δοκιμίων αυξάνεται απότομα και φτάνει σε μέγιστο περίπου στα 170 kW/m2. Καθώς καταναλώνονται τα ιδιαίτερα εύφλεκτα συστατικά, ο HRR μειώνεται σημαντικά, υποδηλώνοντας λιγότερο έντονη καύση. Αυτό δείχνει επίσης ότι τα πτητικά συστατικά έχουν καταναλωθεί σε μεγάλο βαθμό και ότι η καύση των στερεών υπολειμμάτων (κάρβουνο) είναι κυρίαρχη. Μια περαιτέρω αύξηση του HRR λίγο πριν σβήσει η φλόγα είναι τυπική για το ξύλο και οφείλεται στη διάσπαση του στρώματος του κάρβουνου, απελευθερώνοντας περισσότερα πτητικά συστατικά τα οποία στη συνέχεια καίγονται. Μετά από περίπου 20 λεπτά, οι τιμές σταθεροποιούνται σε χαμηλότερο επίπεδο. Αυτό δείχνει ότι το μεγαλύτερο μέρος του καύσιμου υλικού έχει εξαντληθεί, αφήνοντας κυρίως απανθρακωμένα υπολείμματα. Αυτά τα υπολείμματα συνεχίζουν να καίγονται αργά και ομοιόμορφα, με αποτέλεσμα τη συνεχή αλλά χαμηλή έκλυση θερμότητας.
2 Ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας (HRR) είναι ένα μέτρο της ποσότητας θερμότητας που εκλύεται ανά μονάδα χρόνου κατά την καύση ενός υλικού(https://analyzing-testing.NETZSCH.com/en/products/fire-testing/tcc-918)
Μια άλλη βασική πτυχή της ανάλυσης είναι η παραγωγή καπνού, η οποία προσδιορίζεται με τη μέτρηση της μετάδοσης. Η μείωση της διαπερατότητας υποδηλώνει αύξηση της πυκνότητας του καπνού. Το Σχήμα 5 απεικονίζει τις μετρήσεις καπνού των δειγμάτων και αναδεικνύει τη συσχέτιση μεταξύ της παραγωγής καπνού και της έκλυσης θερμότητας. Αρχικά, υπάρχει ένα έντονο μέγιστο στο ρυθμό παραγωγής καπνού (SPR), που υποδηλώνει ταχεία ανάφλεξη και απελευθέρωση large ποσοτήτων καύσιμων αερίων και σωματιδίων. Ωστόσο, αυτή η αρχική αιχμή μειώνεται γρήγορα, γεγονός που είναι χαρακτηριστικό της καύσης πτητικών συστατικών που οδηγούν γρήγορα στον σχηματισμό καπνού.
Τα αποτελέσματα παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τις πολύπλοκες διεργασίες καύσης του ξύλου, ιδίως όσον αφορά την απώλεια μάζας, την απελευθέρωση θερμότητας και τον σχηματισμό καπνού.
Οι διαφορές μεταξύ των δειγμάτων είναι μικρές και μπορούν να εξηγηθούν από φυσικές παραλλαγές του ξύλου, όπως διαφορές στη δομή, την υγρασία ή την πυκνότητα.
Περίληψη
Συνοψίζοντας, το ξύλο είναι ένα πολύτιμο και ευέλικτο δομικό υλικό με φυσική εμφάνιση, βιωσιμότητα και μηχανική αντοχή. Η αντοχή του ξύλου στη φωτιά βελτιώνεται με το σχηματισμό ενός στρώματος άνθρακα που μονώνει την εσωτερική δομή του ξύλου και επιβραδύνει την καύση. Αυτό το στρώμα άνθρακα συμβάλλει στη διαστατική σταθερότητα και αντοχή των ξύλινων στοιχείων, επιτρέποντας στα ξύλινα κτίρια να παραμένουν δομικά σταθερά σε πυρκαγιές για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από πολλά άλλα υλικά.
Η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα του ξύλου μειώνει την απαγωγή θερμότητας, γεγονός που υποστηρίζει τη διαστατική σταθερότητα και την αντοχή των στοιχείων. Ως αποτέλεσμα αυτών των ιδιοτήτων, η δομή των ξύλινων κτιρίων παραμένει άθικτη για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα σε περίπτωση πυρκαγιάς, γεγονός που εξηγεί τη ρήση μεταξύ των πυροσβεστών ότι "το ξύλο καίγεται με ασφάλεια". Ωστόσο, είναι ζωτικής σημασίας η περαιτέρω διερεύνηση και βελτιστοποίηση της πυραντίστασης του ξύλου, ώστε να διασφαλιστεί η ασφάλεια και η μακροζωία των ξύλινων κατασκευών στις σύγχρονες κατασκευές.