Wprowadzenie
Nowoczesne przepisy budowlane i normy bezpieczeństwa wymagają, aby materiały budowlane były nie tylko bezpieczne pod względem konstrukcyjnym, ale także pożarowym. Drewno, sprawdzony materiał budowlany, oferuje wiele korzyści, ale także niesie ze sobą ryzyko, ponieważ może zostać zapalone przez small źródła ciepła, takie jak iskry, uwalniając gazy dymne.
Ponieważ wdychanie dymu jest najczęstszą przyczyną śmierci w pożarach, a gęsty dym utrudnia orientację i ucieczkę, niezbędna jest analiza zachowania drewna podczas pożaru i emisji dymu.
Aby potwierdzić przydatność drewna jako materiału budowlanego z tego punktu widzenia, wymagane są szeroko zakrojone testy ogniowe i certyfikacja.
Warunki pomiaru
Aby zbadać reakcję na ogień, próbki drewna świerkowego (100 x 100 x 17 mm³) zostały przetestowane w kalorymetrze stożkowym NETZSCH TCC 918 . Urządzenie to rejestruje szybkość uwalniania ciepła (HRR), utratę masy oraz gęstość i skład powstających gazów spalinowych.
Próbki drewna zostały umieszczone na poziomym uchwycie na próbki zamontowanym na ogniwie obciążnikowym w celu ciągłego rejestrowania utraty masy podczas pomiaru. Elektryczny stożek grzewczy podgrzewał próbki od góry i inicjował pirolizę drewna. Po uwolnieniu wystarczającej ilości gazów pirolitycznych, zapłon został zapewniony przez zapalnik iskrowy. Powstałe gazy spalinowe przepływały przez stożek grzewczy i były zbierane przez układ wydechowy.
Przepływ masowy, temperatura spalin oraz stężenia O₂, CO₂ i CO były mierzone w sposób ciągły w układzie wydechowym. Ponadto gęstość dymu określono za pomocą transmisji światła laserowego. Analizator gazu (Siemens Oxymat/Ultramat) został skalibrowany przed pomiarami, a współczynnik C1 został sprawdzony przy użyciu palnika metanowego. Warunki pomiaru podsumowano w tabeli 1.
Po podgrzaniu stożka grzejnego, przesłona została zamknięta, a przygotowany uchwyt próbki został umieszczony na płycie bazowej. Pomiar został rozpoczęty przez automatyczne otwarcie przesłony, a uwolnione gazy zostały zapalone przez automatyczny układ zapłonowy. Rysunek 2 przedstawia przygotowanie próbki i konfigurację pomiarową.
1WspółczynnikC jest kluczowym parametrem kalibracji w kalorymetrii stożkowej, zdefiniowanym zgodnie z normą ISO 5660-1. Służy on jako stała do dokładnego określenia szybkości uwalniania ciepła (HRR) poprzez ustalenie zależności między sygnałem z analizatora tlenu a rzeczywistą uwalnianą energią cieplną.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Uchwyt próbki | Poziomy |
| Przepływ ciepła | 50 kW/m2 |
| Nominalne natężenie przepływu | 24.0 l/s |
| Odległość od grzałki stożkowej | 25 mm |
2) Przygotowanie próbki i konfiguracja pomiaru
Wyniki pomiarów
Rysunek 3 przedstawia ubytek masy trzech próbek drewna w czasie podczas spalania. Natychmiast po zapłonie następuje szybka utrata masy w wyniku spalania lotnych składników, takich jak woda i wysoce palne substancje organiczne. Po zgaśnięciu płomienia rozpoczyna się powolny proces żarzenia, powodujący mniejszą, ciągłą utratę masy.
Rysunek 4 przedstawia przebieg współczynnika wydzielania ciepła (HRR)2 próbek. Natychmiast po zapłonie HRR wszystkich próbek gwałtownie wzrasta i osiąga maksimum przy około 170 kW/m2. W miarę zużywania się wysoce łatwopalnych składników, HRR znacznie spada, wskazując na mniej intensywne spalanie. Wskazuje to również, że substancje lotne zostały w dużej mierze zużyte, a spalanie stałych pozostałości (węgla drzewnego) jest dominujące. Dalszy wzrost HRR tuż przed zgaśnięciem płomienia jest typowy dla drewna i jest spowodowany rozpadem warstwy węgla drzewnego, uwalniając więcej lotnych składników, które są następnie spalane. Po około 20 minutach wartości stabilizują się na niższym poziomie. Wskazuje to, że większość materiału palnego została zużyta, pozostawiając głównie zwęglone pozostałości. Pozostałości te nadal spalają się powoli i równomiernie, powodując stałe, ale niskie wydzielanie ciepła.
2 Współczynnik wydzielania ciepła (HRR) jest miarą ilości ciepła uwalnianego w jednostce czasu podczas spalania materiału(https://analyzing-testing.NETZSCH.com/en/products/fire-testing/tcc-918)
Innym kluczowym aspektem analizy jest wytwarzanie dymu, które jest określane poprzez pomiar transmisji. Spadek transmisji wskazuje na wzrost gęstości dymu. Rysunek 5 ilustruje pomiary dymu próbek i podkreśla korelację między wytwarzaniem dymu a wydzielaniem ciepła. Początkowo występuje wyraźne maksimum w szybkości wytwarzania dymu (SPR), co wskazuje na szybki zapłon i uwolnienie large ilości palnych gazów i cząstek. Jednak ten początkowy szczyt szybko maleje, co jest charakterystyczne dla spalania lotnych składników, które szybko prowadzą do powstawania dymu.
Wyniki dostarczają cennych informacji na temat złożonych procesów spalania drewna, w szczególności w zakresie utraty masy, uwalniania ciepła i tworzenia dymu.
Różnice między próbkami są niewielkie i można je wyjaśnić naturalnymi różnicami w drewnie, takimi jak różnice w strukturze, wilgotności lub gęstości.
Podsumowanie
Podsumowując, drewno jest cennym i wszechstronnym materiałem budowlanym o naturalnym wyglądzie, trwałości i wytrzymałości mechanicznej. Odporność drewna na ogień jest zwiększona dzięki tworzeniu się warstwy zwęglonej, która izoluje wewnętrzną strukturę drewna i spowalnia spalanie. Ta warstwa zwęglenia przyczynia się do stabilności wymiarowej i wytrzymałości elementów drewnianych, umożliwiając budynkom drewnianym zachowanie stabilności strukturalnej podczas pożaru dłużej niż w przypadku wielu innych materiałów.
Niska Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna drewna zmniejsza rozpraszanie ciepła, co wspomaga stabilność wymiarową i wytrzymałość komponentów. Dzięki tym właściwościom konstrukcja drewnianych budynków pozostaje nienaruszona przez dłuższy czas w przypadku pożaru, co wyjaśnia powiedzenie wśród strażaków, że "drewno pali się bezpiecznie". Niezbędne jest jednak dalsze badanie i optymalizacja odporności ogniowej drewna w celu zapewnienia bezpieczeństwa i długowieczności konstrukcji drewnianych w nowoczesnym budownictwie.