Η σημαντικότητα μιας
φωτιάς
Ενώ η πυραντίσταση εκφράζει
ένα συγκεκριμένο αποτέλεσμα μιας πρότυπης δοκιμασίας, η «σημαντικότητα» μιας
φωτιάς (Fire severity) είναι μια γενικότερη έννοια, που ορίζεται σαν το μέτρο
των θερμικών συνθηκών μιας πυρκαγιάς και των επιπτώσεων της στη δομική
κατασκευή. Αν και οι κύριοι συντελεστές για τη σημαντικότητα είναι η μέγιστη
αναπτυσσόμενη θερμοκρασία και η χρονική διάρκεια (βλ. Διαγρ. 6), υπάρχουν και
ορισμένοι άλλοι παράγοντες όπως τα χαρακτηριστικά μεταφοράς θερμότητας από τις
φλόγες, η κατανομή θερμοκρασίας, κλπ.
Η έκφραση του βαθμού
σημαντικότητας της φωτιάς βασίζεται κυρίως ή στη μελέτη των αποτελεσμάτων και
επιπτώσεων μιας πραγματικής πυρκαγιάς ή σε πειράματα πάνω σε ομοιώματα, όπου
επιδιώκεται η δημιουργία καταστάσεων όμοιων με αληθινή φωτιά. Αυτό οπωσδήποτε
αποτελεί μια πολύ πιο εύστοχη προσέγγιση, όσον αφορά στην αναπαράσταση μιας
φωτιάς, από μια δοκιμασία ενός δομικού στοιχείου σε φούρνο.
Πυροθερμικό φορτίο
Το πνροθερμικό φορτίο ενός πυροδιαμερίσματος καθορίζεται συνήθως από τη συνολική
ποσότητα θερμότητας Q, που εκλύεται κατά την πλήρη καύση των περιεχομένων
καυσίμων υλικών, στα οποία συμπεριλαμβάνονται τα έπιπλα, τα επιχρίσματα και
γενικότερα τα εσωτερικά τελειώματα. Το φορτίο αυτό Q, ανοιγμένο σε μια επιφάνεια
αναφοράς, δίνει την έκφραση της πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου q.
Συνηθέστερα σαν επιφάνεια αναφοράς παίρνεται η επιφάνεια του δαπέδου Αρ ενώ
μερικές φορές το άθροισμα των εσωτερικών επιφανειών του πυροδιαμερίσματος
συμπεριλαμβανομένων και των ανοιγμάτων. Έτσι δίνονται δύο εκφράσεις της
πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου:
qf=1/Af Σmν Ην
(1)
qt=1/At Σmν
Ην (2)
όπου
qf η πυκνότητα του
πυροθερμικού φορτίου ανά μονάδα επιφανείας δαπέδου (MJ ·
m-2)
qt η πυκνότητα πυροθερμικού φορτίου ανά μονάδα επιφανείας συνόλου περιβαλλουσών
επιφανειών πυροδιαμερίσματος (MJ · m-2)
mv η συνολική μάζα των ν
καυσίμων (Kg)
Ην η θερμαντική αξία των ν
καυσίμων (MJ · Kg-1)
Af η επιφάνεια του δαπέδου
του πυροδιαμερίσματος (m2)
At
το άθροισμα των περιβαλλουσών επιφανειών του πυροδιαμερίσματος (m2)
Επειδή σχεδόν ποτέ σε μια πυρκαγιά δεν παρατηρείται πλήρης καύση όλων των υλικών,
στις παραπάνω εκφράσεις (1) και (2) εισάγεται ένας συντελεστής μν, που η τιμή
του κυμαίνεται από 0 έως 1 ανάλογα με το βαθμό πυρόλυσης καθενός από τα καύσιμα
υλικά του χώρου. Έτσι οι σχέσεις (1), (2) γίνονται:
qf= 1/Af
Σμν mν Ην (3)
qt= 1/At
Σμν mn Ην (4)
Ο αδιάστατος αυτός συντελεστής μν εξαρτάται κύρια από τον τύπο, τις διαστάσεις
και τη θέση του καυσίμου, καθώς και από τη διάρκεια της φωτιάς και τα
χαρακτηριστικά της καμπύλης θερμοκρασίας - χρόνου. Θεωρητικά είναι δυνατός ο
υπολογισμός των συντελεστών μν για ένα καθορισμένο πυροδιαμέρισμα με αμετάβλητα
σε πλήθος και σε θέση περιεχόμενα. Στην πράξη όμως προσέγγιση του συντελεστή μν
μπορεί να γίνει με το στατιστικό μέσο όρο για μια κατηγορία ομοειδών κτιρίων.
Επειδή μέσα σ' ένα πυροδιαμέρισμα υπάρχουν υλικά με διαφορετικές θερμαντικές
αξίες και σε διάφορες ποσότητες, συνήθως μετατρέπουμε και εκφράζουμε το
πυροθερμικό φορτίο σε «ισόποσο ξύλου» παίρνοντας υπόψη ότι η θερμαντική αξία του
ξύλου είναι 4450 kcal/kg, ή 8000 Btu/lb, ή 16-18 MJ/kg. «Θερμαντική αξία» ενός
υλικού είναι η συνολική ποσότητα θερμότητας που αποδίδεται κατά την πλήρη καύση
της μονάδας μάζας του υλικού. Τιμές θερμαντικής αξίας των πιο διαδεδομένων
καυσίμων περιέχονται στον Πίνακα 10
Η τιμή του πυροθερμικού φορτίου για ένα συγκεκριμένο κτίριο δεν μπορεί να είναι
σταθερή, γιατί ποικίλλει από χώρο σε χώρο και από μια χρονική στιγμή σε μια άλλη
(π.χ. μετακίνηση επίπλων, εμπορευμάτων, κλπ.). Είναι αναγκαίος επομένως ο
καθορισμός ενός στατιστικού μέσου όρου πυροθερμικού φορτίου,που για λόγους
ασφαλείας παίρνει υπόψη του τις μεγαλύτερες παρατηρούμενες τιμές.
Στον
παρακάτω Πίνακα 11 δίνονται τιμές πυροθερμικών φορτίων για ορισμένες κατηγορίες
κτιρίων από μετρήσεις που έγιναν στη Μεγ.Βρετανία.
Σημαντικότητα της φωτιάς
Στις Η.Π.Α. άρχισαν οι πρώτες έρευνες για συσχετισμό του βαθμού σημαντικότητας
των πυρκαγιών με πειραματικά δεδομένα. Ο Ingberg, το 1930, έδωσε μια σχέση
μεταξύ πυροθερμικού φορτίου και σημαντικότητας της φωτιάς και καθόρισε τις
απαιτήσεις πυραντίστασης για διάφορα είδη κτιρίων μελετώντας τα αντίστοιχα
πυροθερμικά φορτία. Την εργασία αυτή συνέχισαν και τελειοποίησαν οι Robertson
και Gross (1970) που εισήγαγαν την αρχή των ίσων εμβαδών (Διαγρ. 7), όπου η
σημαντικότητα μιας φωτιάς παριστάνεται με το εμβαδόν που περικλείεται από την
καμπύλη του χρονικού της και την παράλληλη προς τον άξονα των x ευθεία μιας
θερμοκρασίας 150 ή 300 °C, που παίρνεται σαν γραμμή αφετηρίας. Έτσι, αν η
καμπύλη (b) παριστάνει το σενάριο μιας φωτιάς πειραματικής ή πραγματικής και η
καμπύλη (a) την πρότυπη των Κανονισμών, η σημαντικότητα της συγκεκριμένης φωτιάς
για 6 ώρες είναι ισοδύναμη με αυτήν της πρότυπης φωτιάς για 4,5 ώρες (ίσα
εμβαδά). Με αυτόν τον τρόπο, οι απαιτήσεις πυραντίστασης των δομικών στοιχείων
για μια κατηγορία κτιρίων με γνωστό πυροθερμικό φορτίο και πιθανή καμπύλη
μεταβολής θερμοκρασίας, εκφράζονται σε κοινή γλώσσα, δηλαδή αυτήν της πρότυπης
καμπύλης.
Ιάπωνες επιστήμονες συνέχισαν τις έρευνες πάνω στη σημαντικότητα της φωτιάς και
με τη θεωρία ομοιωμάτων έφθασαν να μετρήσουν το βαθμό επιρροής του εξαερισμού
στην εξέλιξη της φωτιάς. Έτσι, ο Kawagoe (1950) απέδειξε ότι η ταχύτητα καύσης
είναι ανάλογη του γινομένου Α√Η
,
όπου Α η επιφάνεια των ανοιγμάτων και Η το ύψος τους. Στη δεκαετία του 60,
Βρετανοί επιστήμονες (Heselden, Law, Thomas) απέδειξαν ότι η ταχύτητα καύσης και
η θερμοκρασία εξαρτώνται εκτός από τις παραμέτρους του εξαερισμού, από τη μορφή
και το μέγεθος του χώρου και το πυροθερμικό φορτίο. Ο Thomas πρώτος διέκρινε τα
δύο είδη φωτιάς σε κλειστό χώρο, που αναφέραμε στο προηγούμενο κεφάλαιο (ρυθμιζόμενη
από τον εξαερισμό ή από τα καύσιμα). Τέλος, η Law έδωσε τον τύπο της ισοδύναμης
πυραντίστασης:
t= N/Af X Af/Au(At-Au)
(5)
όπου te η ισοδύναμη πυραντίσταση (min)
Ν το πυροθερμικό φορτίο σε ισοδύναμο
βάρος ξύλου (kg)
Af η επιφάνεια δαπέδου (m2)
Αυ η επιφάνεια εξαερισμού (m2)
At η επιφάνεια του πυροδιαμερίσματος
(m2)
Περαιτέρω έρευνες Σουηδών Επιστημόνων (Odeen, Pettersson, Magnusson) αποκάλυψαν
το ρόλο που παίζουν τα θερμικά χαρακτηριστικά των ορίων. Στο Σχήμα 4 φαίνεται
ένα απλό θερμικό ισοζύγιο φωτιάς πυροδιαμερίσματος.
Έχουμε: QF + QA = QG + Qw + QE + QR
όπου QF η θερμότητα η παραγόμενη από την καύση
QA η θερμότητα
που περιέχεται στον εισερχόμενο αέρα
QG η θερμότητα
για την άνοδο της θερμοκρασίας των καυσαερίων
Qw η θερμότητα
η μεταφερόμενη στους τοίχους, το δάπεδο και την οροφή
QE η θερμότητα
που περιέχεται στα εξερχόμενα αέρια
QR η θερμότητα
που ακτινοβολείται από τα ανοίγματα
Ο τύπος (5) εξελίχθηκε λαμβάνοντας υπόψη και τα οριακά θερμικά χαρακτηριστικά
στον:
te= 0,057qf * At /
√Au(At-Au) *
min (6)
όπου qf = N/Af , η πυκνότητα του πυροθερμικού φορτίου
Από όλη την παραπάνω πειραματική και θεωρητική έρευνα συμπεραίνεται ότι, τρεις
είναι οι κύριες παράμετροι που καθορίζουν το βαθμό σημαντικότητας μιας
αναμενόμενης φωτιάς σ' ένα χώρο:
α) το πυροθερμικό φορτίο (ποσότητα, τύπος και κατανομή) που είναι
καθοριστικό για το ποσό θερμότητας καθώς και την ταχύτητα έκλυσης της μέσα στο
χώρο,
β) ο εξαερισμός που αφορά κυρίως τον εισερχόμενο αέρα από τα παράθυρα,
γιατί οι πόρτες θεωρούνται κατά κανόνα κλειστές και με ορισμένη πυραντίσταση,
γ) το μέγεθος του πυροδιαμερίσματος που παίρνεται έμμεσα υπόψη στον
υπολογισμό του πυροθερμικού φορτίου.
Για το πυροδιαμέρισμα σημασία έχουν τα θερμικά χαρακτηριστικά των εσωτερικών
ορίων. Έτσι, εσωτερικές επιφάνειες με υλικά που έχουν μικρή θερμική αδράνεια (Kpc)
απορροφούν πιο αργά τη θερμότητα, επιτρέποντας να φθάσουν τα αέρια σε υψηλότερες
θερμοκρασίες. Στον Πίνακα 12 φαίνονται τα θερμικά χαρακτηριστικά ορισμένων
τέτοιων υλικών:
Εύκολα επομένως συμπεραίνεται ότι, μια λύση θερμομόνωσης με σύγχρονα
θερμομονωτικά υλικά που έχουν πολύ μικρή θερμική αδράνεια από τη μέσα πλευρά του
κτιρίου θα δημιουργήσει πολλά προβλήματα σε περιπτώσεις φωτιάς, αν δεν
προστατευθεί κατάλληλα με ικανό πάχος επιχρίσματος (Σχ. 5).