Projekti / Programi
Modeliranje pirolize za določitev poškodovanosti lesa pri naravnem požaru
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.01.03 |
Tehnika |
Gradbeništvo |
Konstrukcije v gradbeništvu |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T220 |
Tehnološke vede |
Gradbeništvo, hidravlika, priobalna tehnologija, mehanika zemljin |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.01 |
Tehniške in tehnološke vede |
Gradbeništvo |
Piroliza lesa, oglenenje lesa, naravni požar, toplotno-vlažnostno-pirolizni model
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
34368 |
dr. Robert Pečenko |
Mehanika |
Vodja |
2017 - 2019 |
0 |
Organizacije (1)
Povzetek
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. Tu pa v sedanjem stanju trčimo na oviro, saj predpisni pristop določanja požarne varnosti, ki predstavlja temelj inženirski praksi, omogoča projektiranje objektov z leseno nosilno konstrukcijo le 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 performančni 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 odvijajo. Pri tem pa 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. To pa je tudi glavni cilj predlaganega projekta, tj. 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 performančni 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. Na podlagi rezultatov predlaganega projekta bo mogoče vplivati tudi na izboljšanje in dopolnitev obstoječih normativov ter s tem vplivati na izboljšanje inženirskih metod za določanje požarne varnosti lesenih konstrukcij v naravnih požarih. Hkrati bo na osnovi rezultatov projekta možno predlagati bolj usmerjene eksperimentalne raziskave, možna bo nadgradnja tehnične smernice ter še številni ostali vplivi. Med drugim bo s bo s takim modelom posredno odpravljena pomanjkljivost glede gradnje višjih lesenih konstrukcij ()P+3), s čimer je potencialno možno vplivati na povečano gradnjo teh objektov, kar prinaša velik gospodarski doprinos ne le gradbeni ampak tudi celotni gozdno-lesni verigi. Še več, z gradnjo večetažnih lesenih objektov je možno reševati tudi stanovanjsko problematiko, obenem pa povečana uporaba lesa pomeni manjši vpliv na okolje ter na zmanjšanje globalnega segrevanja okolja.
Iz zgoraj naštetega je razvidno, da imajo predvideni rezultati projekta izjemen vpliv na razvoj znanstvene stroke, gospodarstva, družbene infrastrukture ter tudi na ohranjanje naravne in kulturne dediščine.
Pomen za razvoj znanosti
Glavni produkt predlaganega projekta je razvoj povezanega toplotno-vlažnostno-piroliznega modela, primernega za modeliranje lesenih konstrukcij pri naravnem požaru. Novi model bo predstavljal novost na tem področju in s tem pomembno prispeval k boljšemu razumevanju fizikalnih in kemičnih procesov, ki se odvijajo v lesu med naravnim požarom. Trenutno tako doma kot v tujini glavna problematika ostaja razumevanje obnašanja lesenih konstrukcij v naravnem požaru in s tem povezanega opisa oglenenja lesa, zato bo na osnovni novih spoznanj predlagan projekt omogočal velik doprinos k razvoju znanosti na tem področju.
Z novim modelom bo mogoče predvideti poškodovanost lesenih vlaken pri naravnem požaru, s čimer bo možno določiti nove redukcijske koeficiente za trdnost lesa primerne ob poljubni požarni obtežbi. Trenutno so ti koeficienti omejeni na uporabo standardne požarne obtežbe. Novi koeficienti bodo na razpolago ne samo znanstveni ampak tudi širši inženirski stroki, kar bo omogočalo bolj optimalno in varno projektiranje lesenih konstrukcij izpostavljenim naravnim požarom.
Eden izmed glavnih ciljev v Evropi je izboljšava Evrokoda 5 [1] ter s tem dopolnitev obstoječih oz. razvoj novih metod za račun požarne odpornosti lesenih konstrukcij v naravnem požaru. Trenutno je to največja pomanjkljivost omenjenega Evrokoda, hkrati pa tudi v praksi predstavlja veliko oviro inženirjem, pri projektiranju večetažne lesene konstrukcije. Ker se predlogi za dopolnitev Evrokoda zbirajo do leta 2019, je predstavljeni podoktorski projekt aktualen in v tem trenutku tudi potreben. Možne izboljšave standarda Evrokod so naslednje:
§ Določanje temperature oglenenja in hitrosti oglenenja v odvisnosti od hitrosti razvoja požara.
§ Nadgradnja obstoječih poenostavljenih metod določanja požarne odpornosti, tako da bodo primerne za naravne požare
§ Določitev novih redukcijskih koeficientov za trdnost in togost lesa pri povišanih temperaturah
Cilj predlaganega projekta je tudi analiza občutljivosti novega modela, kjer bomo identificirali ključne materialne parametre, ki vplivajo na obnašanje modela. S tem bo možno zasnovati bolj usmerjene eksperimentalne raziskave z namenom pridobivanja ciljnih materialnih lastnosti lesa. Nov model bo na ta način poleg teoretično-numeričnega razvoja na tem področju nudil tudi podporo za napredne eksperimentalne raziskave v bodoče.
Na osnovni rezultatov projekta bo možno vplivati tudi na razvoj novih smernic za projektiranje večetažnih lesenih konstrukcij v pogojih požara v Sloveniji, npr. nadgradnja tehnične smernice TSG-01-2010 za uporabo lesenih nosilnih konstrukcij za objekte ) P+3.
Rezultate raziskav bo prijavitelj projekta sproti predstavljala na kongresih in sestankih akcije COST FP1404. S tem bo pridobljen odziv širšega evropskega raziskovalnega okolja na tem področju, kar bo omogočalo še kvalitetnejši potek projekta, hkrati pa bo na osnovni rezultatov projekta prijavitelj potencialno vplival na razvoj širše znanstvene stroke na tem področju.
Pomen za razvoj Slovenije
Najpomembnejši vpliv projekta ta, da bo z novimi računskimi orodji omogočeno načrtovanje in projektiranje bolj varnih in bolj ekonomičnih lesnih konstrukcij izpostavljenim požaru. Posledično to pomeni manj človeških žrtev ter manj škode, zato so iz vidika demografskega in družbeno-ekonomskega razvoja, predvideni rezultati projekta izjemnega pomena.
Ob uporabi novega modela, bo mogoče bolj optimalno projektiranje in zagotavljanje varnosti večetažnih lesenih konstrukcij () P+3) v Sloveniji v pogojih požara. S tem pa je potencialno možno vplivati na povečano gradnjo teh objektov, s čimer se poveča tudi poraba in proizvodnja lesa (letno je na zalogi 2 mio m3 lesa), kar neposredno vpliva na povečano gospodarsko dejavnost družbe Slovenski državni gozdovi in z njo povezane gozdne verige. Z gradnjo višjih lesenih konstrukcij, pa se ustvarja potreba po izdelavi lesenih konstrukcijskih elementov (obdelan masiven les, lameliran lepljen les, križno lepljene plošče,…), kar vpliva tudi na povečano proizvodnjo lesno-predelovalne industrije. Povečana gospodarska dejavnost gozdne ter predelovalno-lesne verige pa posledično pomeni tudi potencial za ustvarjanje novih delovnih mest, predvsem na podeželju, ki je iz gospodarsko najšibkejše. Vse opisano pa sovpada tudi z akcijskim načrtom za povečanje konkurenčnosti gozdno-lesne verige v Sloveniji, ki je bil sprejet leta 2012.
V Republiki Sloveniji ostaja odprta tudi nerešena stanovanjska problematika. V zadnjem desetletju gradnja stanovanj namreč miruje, povpraševanje po njih pa še vedno narašča. Z gradnjo večetažnih ()P+3) lesenih konstrukcij je mogoč velik vpliv na to problematiko, saj je gradnja lesenih konstrukcij cenovno ugodna in hitra, poleg tega pa les s svojimi toplotnimi in higroskopskimi značilnostmi skrbi za ugodno klimo bivanja, kar pomeni, da bivanje v takšnih objektih ugodno vpliva tudi na psiho-fizično počutje posameznika. Ob vseh naštetih prednostih je razvidno, da ima predlagan projekt zelo pomemben vlogo tudi iz vidika izboljšanja družbene infrastrukture kakor tudi človekovega zdravja.
Pomen uporabe lesa za gradnjo večetažnih stanovanjskih konstrukcij pa se ne odraža samo v povečani gospodarski dejavnosti in družbeni infrastrukturi, ampak tudi na področju, ki se tiče vseh nas in naših potomcev. Les je naraven, ekološki ter edini obnovljiv gradbeni material. Na ta način omogoča trajnostno oskrbo, kar predstavlja posebno vrednoto, predvsem z vidika sonaravne gradnje in bivanja ter varovanja okolja. Poleg tega za mehansko predelavo lesa v lesno-predelovalnih obratih porabimo malo energije, velikokrat se celo energija za predelavo črpa iz lastnih lesenih ostankov. Zaradi tega ima izdelava in predelava lesa majhen vpliv na okolje, les kot gradbeni material pa ima zelo nizek ogljični odtis v primerjavi z drugimi materiali in ima kot tak pomembno vlogo pri zmanjšanju globalnega segrevanja okolja. S tem se pomen projekta kaže tudi v ohranjanju naravne in kulturne dediščine.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
