Μελέτη Θερμικής Συμπεριφοράς Δομικών Υλικών και Τοιχοποιίας σε Θερμοκρασίες Φωτιάς

Abstract

Στατιστικά στοιχεία έχουν δείξει ότι το μεγαλύτερο ποσοστό θανατηφόρων πυρκαγιών εντοπίζεται στους εσωτερικούς χώρους. Το κάθε κράτος έχει θεσπίσει ορισμένους νόμους οι οποίοι αφορούν στην πρόληψη στοχεύοντας στην εξάλειψη του φαινομένου της εμφάνισης πυρκαγιών στους εσωτερικούς χώρους. Η θυσία τόσων αθώων θυμάτων στο βωμό θανατηφόρων πυρκαγιών επιβάλλει την μελέτη και τον εντοπισμό των κατάλληλων δομικών υλικών τα οποία μπορούν να αποβούν σωτήρια σε τέτοιες περιπτώσεις. Στόχο της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη και καταγραφή των υλικών αυτών που θα βοηθήσουν στην μη επέκταση της φωτιάς σε περίπτωση πυρκαγιάς σε ένα κτίριο. Αρχικά, αντικείμενο της εργασίας αυτής αποτελεί η μελέτη της θερμικής συμπεριφοράς σε υψηλές συνθήκες θερμοκρασίας της γυψοσανίδας με υαλονήματα, της διογκωμένης πολυστερίνης, του πετροβάμβακα και του θερμοσοβά. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης ( Differential Scanning Calorimetry, DSC). Έτσι, σε επίπεδο μικρό-κλίμακας (micro-scale), δηλαδή για δείγματα της τάξης των μερικών mg, έγινε γνωστή η θερμική συμπεριφορά των παραπάνω υλικών σε υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, βαθύτερο και σημαντικότερο στόχο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελούσε εξαρχής η μελέτη συνδυασμού δομικών υλικών ως μέρος μιας τοιχοποιίας. Αφού λοιπόν βγήκε το πρώτο συμπέρασμα για τη συμπεριφορά των συγκεκριμένων υλικών σε συνθήκες φωτιάς, στη συνέχεια διεξήχθησαν πειράματα σε επίπεδο μεσαίας κλίμακας (meso-scale). Τα δοκίμια των υλικών που μελετώνται ήταν διαστάσεων 200mm x 150mm, ενώ το πάχος επιλέχθηκε κατά περίπτωση. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε εργαστηριακό φούρνο. Τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν στην συγκεκριμένη σειρά πειραμάτων τοποθετήθηκαν στην είσοδο του φούρνου ώστε από την μία πλευρά των δοκιμίων να υπάρχουν συνθήκες περιβάλλοντος και από την άλλη να επικρατεί θερμοκρασία της τάξης των 900 οC. Πραγματοποιήθηκαν δύο πειράματα. Το πρώτο πείραμα συμπεριλάμβανε δύο δοκίμια γυψοσανίδας. Η διεξαγωγή του πειράματος αυτού οδήγησε στην περαιτέρω κατανόηση της θερμικής συμπεριφοράς της γυψοσανίδας ως μέρος μιας τοιχοποιίας. Στη συνέχεια, σχεδιάσθηκε και πραγματοποιήθηκε ένα πιο περίπλοκο πείραμα, στόχος του οποίου ήταν η καταγραφή της θερμομονωτικής ικανότητας ενός συνδυασμού δομικών και μονωτικών υλικών. Συγκεκριμένα, τα υλικά που συμπεριλήφθηκαν στο πείραμα αυτό ήταν τα εξής: i) γυψοσανίδα με υλικά αλλαγής φάσης, ii) πετροβάμβακας, iii) γυψοσανίδα με υαλονήματα, iv) διογκωμένη πολυστερίνη και v) θερμοσοβάς. Τα στοιχεία που προέκυψαν από το παραπάνω πείραμα είναι πολύ σημαντικά επειδή οδηγούν σε συμπεράσματα που αφορούν τη θερμική συμπεριφορά τόσο του συνολικού δοκιμίου όσο και του κάθε υλικού ξεχωριστά που το απαρτίζει. Αυτό έγινε εφικτό από τη στιγμή που σε κάθε μια διατομή μεταξύ των υλικών τοποθετήθηκαν θερμοστοιχεία τα οποία κατέγραφαν τη θερμοκρασία σε κάθε θέση δίνοντας βασικές πληροφορίες για την θερμική συμπεριφορά του κάθε υλικού σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν, από την μελέτη των παραπάνω υλικών και την καταγραφή της θερμικής τους συμπεριφοράς στα πειράματα τα οποία διεξήχθησαν, μαρτυρούν την πορεία της εν λόγω έρευνας και αποτελούν ερεθίσματα για περαιτέρω μελέτη.

Statistical elements have shown that the bigger percentage of leathal fires is located in the internal spaces. Each state has established certain laws which concern the prevention of fires in the internal spaces, aiming in the obliteration of fire phenomena. The sacrifice of so much innocent victims in the altar of lethal fires imposes the study and the tracking of suitable structural materials which can to turn out redeeming in such cases. The objective of this thesis constitutes the study and recording of the materials that can prevent the extension of a fire inside a building. The initial target of this work was the study of the thermal behavior of several structural materials, such as glass- fiber gypsum board, expanded polystyrene, mineral wool and thermal render under high temperatures conditions. For that reason, the well known Differential Scanning Calorimetry (DSC) method was used. Hence, studying these materials at a micro-scale level, i.e. samples of order of mg, its thermal behavior under high temperatures conditions became known. However, the deeper and more important objective of this thesis constituted the study of the thermal behavior of a combination of structural materials as part of configuration. After concluding on the thermal behavior of the examined materials at the micro-scale level experiments at the meso-scale level were carried. The dimensions of the examined materials were 200mm x 150 mm. The experiments were performed by the utilization of a laboratorial oven. The specimens that were used in the particular line of experiments were placed in the entry of the oven so that the one side of the configuration to be unexposed (environmental temperature) and the other to be exposed to high temperatures, up to ca. Two experiments were performed. The first experiment included two gypsum board specimens. The result of this experiment led to the further understanding of thermal behavior of the gypsum board as part of a configuration. Afterwards, it was designed and performed a more complicated experiment, targeting on the thermal insulating capability of a combination of structural and insulating materials. Concretely, the materials that were included in this experiment were: i) gypsum board with phase change materials, ii) mineral wool, iii) glass fiber gypsum board, iv) expanded polystyrene and v) thermal render. The results of the above experiment were very important because they lead to very interesting conclusions concerning the thermal behavior of the total configuration, as well as of each material separately. This became feasible due to the fact that in every cross-section between the materials several thermocouples were positioned which recorded the temperature providing the thermal behavior of each material under high temperatures conditions. The concluding remark, provided from the study of the above materials and their thermal behavior, testify the course of research in question and stimulates for further study.