Z2-8160: Modeliranje pirolize za določitev poškodovanosti lesa pri naravnem požaru

Osnovni podatki:

Naslov v izvirniku: Modeliranje pirolize za določitev poškodovanosti lesa pri naravnem požaru
Sodelavci: asist. dr. Robert Pečenko
Trajanje:

24 mesecev

1. 11. 2017 – 31. 10. 2019

Šifra: Z2-8160
Vodilni partner: UL FGG
Vodja projekta:

asist. dr. Robert Pečenko

Partnerji:
   
Finančni vir:

 

Ključne besede: lesene konstrukcije, naravni požar, oglenenje, piroliza, toplotno-vlažnostno-pirolizni model, metoda končnih elementov

Opis:

Uporaba lesenih konstrukcij je v sodobnem času vedno bolj v razmahu. Skrb za sonaravno, ekološko, nizko energijsko in cenovno dostopno gradnjo postavljajo les v ospredje pred drugimi gradbenimi materiali. Skladno z zakonom o graditvi objektov, je med drugim potrebno zagotoviti tudi ustrezno požarno varnost. To pa v sedanjem stanju predstavlja oviro, saj je predpisni pristop za določanja požarne varnosti omejen na projektiranje lesenih objektov do etaže P+3 po slovenski tehnični smernici in do etaže P+7 skladno z večino evropskih tehničnih smernic.  Z računskimi modeli je sicer možno projektirati tudi višje objekte, vendar ti v tem trenutku še niso dovolj natančni, zato so nekateri ukrepi za dosego požarne varnosti sprejeti kar iz predpisnega pristopa, kar pa ni najbolj optimalno in včasih tudi na nevarni strani. Za projektiranje višjih objektov je potreben odzivni pristop, ki zahteva obravnavanje v pogojih naravnega požara ter uporabo napredni računskih orodij. Za določanje požarne varnosti lesenih konstrukcij v naravnem požaru, pa je potrebno poznati fizikalne in kemične procese, ki se ob tem prisotni, kjer imata dva procesa prevladujoč vpliv. Prvi je prenos toplote in vlage, od katerega je odvisna razporeditev temperatur v lesu, drugi pa piroliza lesa in z njo povezano oglenenje ter izguba mehanskih lastnosti lesa pri povišanih temperaturah. S pirolizo opisujemo razgradnjo osnovnih kemičnih komponent lesa (celuloza, hemiceluloza, lignin), ključno vlogo pri tem pa ima hitrost razvoja požara, saj je razgradnja vsake izmed komponent odvisna ne le od razvoja temperatur v lesu ampak tudi od hitrosti razvoja le-te. Na podlagi razgradnje posamezne komponente je možno določiti poškodovanost ter stopnjo zoglenelosti posameznega lesenega vlakna pri poljubnem požaru. Iz tega vidika predstavlja poznavanje procesov in modeliranja pirolize ob hkratnem prenosu toplote in vlage ključen korak pri določanju požarne odpornosti lesenih konstrukcij izpostavljenim naravnemu požaru.

Glavni cilj predlaganega projekta je torej razvoj novega naprednega matematičnega in numeričnega modela, ki bo povezano obravnaval prenos toplote in vlage skupaj s pirolizo lesa ter bo primeren za poljubno požarno obtežbo s čimer bo omogočen tudi odzivni način projektiranja. Z novim toplotno-vlažnostno-piroliznim modelom bo mogoče predvideti poškodovanost lesenih vlaken pri naravnem požaru, kar bo osnova za določitev odziva in požarne varnosti lesenih konstrukcij izpostavljenim naravnemu požaru. Ker bo predlagan model temeljil na natančnem fizikalnem in kemičnem opisu problema bo s tem omogočeno projektiranje bolj varnih in ekonomičnih lesenih konstrukcij. Hkrati bo model predstavljal novost na tem področju, zato bo na osnovi novih spoznanj, možen nadaljnji razvoj širše znanstvene stroke. Za ustrezno validacijo in kalibracijo novega modela, je v sklopu projekta predvidena tudi izvedba treh sklopov eksperimentalnih raziskav.

Ključni cilji:

  • razvoj novega povezanega toplotno-vlažnostno-piroliznega modela za določitev poškodovanosti lesenih vlaken in zoglenelosti lesa pri naravnem požaru,
  • dokončen prehod na naraven požar, kar je temeljno načelo odzivnega načina projektiranja, s tem pa bo omogočeno projektiranje večetažnih lesenih objektov (> P+3),
  • analizo občutljivosti novega toplotno-vlažnostno-piroliznega modela, s čimer bo mogoče identifikacija ključnih parametrov, ki vplivajo na odziv oziroma rezultate modela,
  • na osnovni novega toplotno-vlažnostno-piroliznega modela potencialni vpliv tudi na razvoj novih smernic za projektiranje večetažnih lesenih konstrukcij v Sloveniji v pogojih požara (npr. nadgradnja tehnične smernice TSG-01-2010 [3] za uporabo lesenih nosilnih konstrukcij za objekte > P+3),
  • izvedba treh sklopov eksperimentalnih raziskav, s katerimi bi nov model validirali in po potrebi tudi kalibrirali,
  • na osnovi občutljivostne analize predlogi za bolj usmerjene eksperimente v prihodnje.

Delovni sklopi projekta:

Projekt bo razdeljen v 7 delovnih sklopov:

  • Delovni sklop 1: Pregled stanja in literature na področju pirolize ter oglenenja lesa
  • Delovni sklop 2: Izpeljevanje osnovnih enačb toplotno-vlažnostno-piroliznega modela
  • Delovni sklop 3: Izdelava numeričnega modela
  • Delovni sklop 4: Prvi del eksperimentalnih raziskav
  • Delovni sklop 5: Analiza občutljivosti toplotno-vlažnostno piroliznega modela
  • Delovni sklop 6: Drugi in tretji sklop eksperimentalnih raziskav
  • Delovni sklop 7: Diseminacija rezultatov