مدل‌سازی مقیاس آزمایش‌های آتش‌سوزی حرارتی-ساختاری اعضای چوب

آزمایش استاندارد مقاومت در برابر آتش برای واجد شرایط بودن مواد مبتنی بر چوب برای استفاده در مجموعه های ساختمانی ضروری است. مقاومت در برابر آتش نشانی از توانایی یک عنصر ساختمانی برای مقاومت در برابر ریزش یا سایر خرابی ها در هنگام قرار گرفتن در معرض آتش است. مقاومت تمام اعضا و مجموعه‌های سازه در برابر آتش به طور سنتی در آزمایش‌های استاندارد حرارتی-سازه‌ای در مقیاس بزرگ تعیین می‌شود. با این حال، آزمایش‌های استاندارد مقاومت در برابر آتش، مانند روش آزمایش ASTM E119 [1]، به کوره‌ها و نمونه‌های تخصصی حداقل 3.0 متر (10 فوت) یا بیشتر در هر طرف نیاز دارد که باعث گرانی آنها می‌شود. آزمایش‌های مقیاس کاهش‌یافته مطلوب‌تر هستند، زیرا مقرون‌به‌صرفه هستند، اما هیچ آزمایش مقیاس کاهش‌یافته برای ارزیابی مقاومت یک مجموعه در برابر آتش وجود ندارد. در یک مطالعه قبلی، ما بر اساس نظری، روش مقیاس‌گذاری تایید شده تجربی برای کاهش اندازه مقاله آزمایشی در حالی که پاسخ حرارتی مشابهی را در آزمایش در مقیاس بزرگ حفظ می‌کند [2]. آزمایش‌های قرار گرفتن در معرض آتش فقط حرارتی بر روی نمونه‌های دیوار گچی غیر قابل احتراق در مقیاس‌های ضخامت مختلف (در مقیاس کامل، مقیاس ½ و مقیاس 1/6) انجام شد. مقیاس بندی زمان قرار گرفتن در معرض آتش (مقیاس بندی زمانی عدد فوریه) و دمای کوره (تطبیق شرایط مرزی) منجر به گرادیان های حرارتی مشابه در همه نمونه ها شد. این مطالعه بر اساس آن کار انجام می‌شود و دو پیچیدگی اضافی را بررسی می‌کند: اثر پوسته‌گیری حرارتی بر روی مواد قابل احتراق بر پایه چوب و پوسته‌سازی با بارگذاری حرارتی-ساختاری ترکیبی. آزمایش‌های قرار گرفتن در معرض آتش فقط حرارتی بر روی نمونه‌های دیوار گچی غیر قابل احتراق در مقیاس‌های ضخامت مختلف (در مقیاس کامل، مقیاس ½ و مقیاس 1/6) انجام شد. مقیاس بندی زمان قرار گرفتن در معرض آتش (مقیاس بندی زمانی عدد فوریه) و دمای کوره (تطبیق شرایط مرزی) منجر به گرادیان های حرارتی مشابه در همه نمونه ها شد. این مطالعه بر اساس آن کار انجام می‌شود و دو پیچیدگی اضافی را بررسی می‌کند: اثر پوسته‌گیری حرارتی بر روی مواد قابل احتراق بر پایه چوب و پوسته‌سازی با بارگذاری حرارتی-ساختاری ترکیبی. آزمایش‌های قرار گرفتن در معرض آتش فقط حرارتی بر روی نمونه‌های دیوار گچی غیر قابل احتراق در مقیاس‌های ضخامت مختلف (در مقیاس کامل، مقیاس ½ و مقیاس 1/6) انجام شد. مقیاس بندی زمان قرار گرفتن در معرض آتش (مقیاس بندی زمانی عدد فوریه) و دمای کوره (تطبیق شرایط مرزی) منجر به گرادیان های حرارتی مشابه در همه نمونه ها شد. این مطالعه بر اساس آن کار انجام می‌شود و دو پیچیدگی اضافی را بررسی می‌کند: اثر پوسته‌گیری حرارتی بر روی مواد قابل احتراق بر پایه چوب و پوسته‌سازی با بارگذاری حرارتی-ساختاری ترکیبی.

استفاده از چوب به عنوان مصالح ساختمانی را می توان با الزامات ایمنی و مقررات مربوط به اشتعال پذیری و ویژگی های انتشار آتش محدود کرد [3]. بنابراین، مشخص کردن عملکرد آتش عناصر ساختاری مبتنی بر چوب مهم است. سینها و همکاران [4] مجموعه‌ای از آزمایش‌های خمشی چهار نقطه‌ای را بر روی نمونه‌های مبتنی بر چوب در دماهای بالا انجام داد و با افزایش دما، کاهش استحکام و تغییر شکل‌پذیری را افزایش داد. با این حال، آزمایش ها در دمای پیش ذغال (حداکثر 200 درجه سانتی گراد) انجام شد. دیاس دی موراس و همکاران [5] مجموعه مشابهی از آزمایش‌های خمشی سه نقطه‌ای را بر روی نمونه‌های چوبی با ابعاد کوچک تا دمای 300 درجه سانتی‌گراد انجام داد. آنها دریافتند که به محض زغال‌زدگی، مواد به‌طور جبران‌ناپذیری نرم می‌شوند و این امر تقویت می‌کند که رفتار ساختارهای چوبی در آتش تا حد زیادی به زغال‌زدگی بستگی دارد. برای طراحی، تعیین مقاومت در برابر آتش سوزی چوب سازه در یوروکد 5 [6] بر اساس این فرض است که لایه زغال سنگ دارای سفتی صفر است. روش مقطع کاهش یافته استحکام سطح مقطع غیر ذغالی باقیمانده را برآورد می کند [7]، [8]، [9]، [10]، [11]. لانگ و همکاران [7] آزمایش‌های خمشی را روی تیرهای چوبی بارگذاری‌شده استاتیکی که در معرض منحنی‌های آتش غیراستاندارد قرار داشتند، انجام داد. آنها دریافتند که روش کاهش سطح مقطع می تواند پاسخ ساختاری را پیش بینی کند، اما تعیین ضخامت لایه با مقاومت صفر به منحنی آتش بستگی دارد. این روش را می توان به پیش بینی رفتار حرارتی-ساختاری آزمایش های ما در مقیاس کاهش یافته که از منحنی آتش اصلاح شده استفاده می کند، گسترش داد. روش مقطع کاهش یافته استحکام سطح مقطع غیر ذغالی باقیمانده را برآورد می کند [7]، [8]، [9]، [10]، [11]. لانگ و همکاران [7] آزمایش‌های خمشی را روی تیرهای چوبی بارگذاری‌شده استاتیکی که در معرض منحنی‌های آتش غیراستاندارد قرار داشتند، انجام داد. آنها دریافتند که روش کاهش سطح مقطع می تواند پاسخ ساختاری را پیش بینی کند، اما تعیین ضخامت لایه با مقاومت صفر به منحنی آتش بستگی دارد. این روش را می توان به پیش بینی رفتار حرارتی-ساختاری آزمایش های ما در مقیاس کاهش یافته که از منحنی آتش اصلاح شده استفاده می کند، گسترش داد. روش مقطع کاهش یافته استحکام سطح مقطع غیر ذغالی باقیمانده را برآورد می کند [7]، [8]، [9]، [10]، [11]. لانگ و همکاران [7] آزمایش‌های خمشی را روی تیرهای چوبی بارگذاری‌شده استاتیکی که در معرض منحنی‌های آتش غیراستاندارد قرار داشتند، انجام داد. آنها دریافتند که روش کاهش سطح مقطع می تواند پاسخ ساختاری را پیش بینی کند، اما تعیین ضخامت لایه با مقاومت صفر به منحنی آتش بستگی دارد. این روش را می توان به پیش بینی رفتار حرارتی-ساختاری آزمایش های ما در مقیاس کاهش یافته که از منحنی آتش اصلاح شده استفاده می کند، گسترش داد. آنها دریافتند که روش کاهش سطح مقطع می تواند پاسخ ساختاری را پیش بینی کند، اما تعیین ضخامت لایه با مقاومت صفر به منحنی آتش بستگی دارد. این روش را می توان به پیش بینی رفتار حرارتی-ساختاری آزمایش های ما در مقیاس کاهش یافته که از منحنی آتش اصلاح شده استفاده می کند، گسترش داد. آنها دریافتند که روش کاهش سطح مقطع می تواند پاسخ ساختاری را پیش بینی کند، اما تعیین ضخامت لایه با مقاومت صفر به منحنی آتش بستگی دارد. این روش را می توان به پیش بینی رفتار حرارتی-ساختاری آزمایش های ما در مقیاس کاهش یافته که از منحنی آتش اصلاح شده استفاده می کند، گسترش داد.

مطالعات متعددی عبارات تجربی را برای محاسبه عمق ذغال‌شدن مواد مبتنی بر چوب تحت قرار گرفتن در معرض آتش استاندارد [12]، [13]، [14] و قرار گرفتن در معرض آتش غیر استاندارد [15، [16]، [17] ارائه کرده‌اند. با توجه به استاندارد یوروکد 5، دمای جلوی کاراکتر پیشنهادی 300 درجه سانتیگراد است، مقداری که برای قرار گرفتن در معرض آتش استاندارد تأیید شده است. با این حال، Pecenko و Hozjan [17] دریافتند که برای قرار گرفتن در معرض آتش غیر استاندارد با نرخ های گرمایش مختلف، دمای جلوی کاراکتر یک مقدار واضح نیست که توسط ایزوترم 300 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شده است. در واقع، به دلیل سینتیک تشکیل زغال، یک “آتش سریع” دارای جلوی زغال متوسط ​​331 درجه سانتیگراد بود، در حالی که یک “آتش آهسته” دارای جلوی زغال 284 درجه سانتیگراد بود. مطالعات قبلی سینتیک زغال‌ساختن را در مواد مبتنی بر چوب بررسی کرده‌اند [18]، [19]، [20]، [21]، [22]، [23]، [24]، [25]. Richter و Rein [23] دریافتند که بازده ذغال سنگ در نرخ گرمایش بالاتر کاهش می یابد. مطالعات قبلی از مدل‌های تجزیه در اثر حرارت برای بررسی واکنش حرارتی و نرخ ذغال‌شدن مواد مبتنی بر چوب استفاده کرده‌اند [26]، [27]، [28، [29]، [30]. GPyro یک مدل تجزیه در اثر حرارت تعمیم یافته است که توسط Lautenberger و Fernandez-Pello [26] توسعه یافته است که برای شبیه سازی سینتیک تجزیه چوب به زغال سنگ استفاده شده است. ریشتر و همکاران [29] از GPyro برای شبیه سازی پیرولیز چوب نمونه های تخته خرده چوب در یک شار حرارتی ثابت و تخمین نرخ ذغال شدن استفاده کرد. آنها دریافتند که شار گرما و غلظت اکسیژن به طور قابل توجهی بر میزان ذغال‌شدن تأثیر می‌گذارد. GPyro یک مدل تجزیه در اثر حرارت تعمیم یافته است که توسط Lautenberger و Fernandez-Pello [26] توسعه یافته است که برای شبیه سازی سینتیک تجزیه چوب به زغال سنگ استفاده شده است. ریشتر و همکاران [29] از GPyro برای شبیه سازی پیرولیز چوب نمونه های تخته خرده چوب در یک شار حرارتی ثابت و تخمین نرخ ذغال شدن استفاده کرد. آنها دریافتند که شار گرما و غلظت اکسیژن به طور قابل توجهی بر میزان ذغال‌شدن تأثیر می‌گذارد. GPyro یک مدل تجزیه در اثر حرارت تعمیم یافته است که توسط Lautenberger و Fernandez-Pello [26] توسعه یافته است که برای شبیه سازی سینتیک تجزیه چوب به زغال سنگ استفاده شده است. ریشتر و همکاران [29] از GPyro برای شبیه سازی پیرولیز چوب نمونه های تخته خرده چوب در یک شار حرارتی ثابت و تخمین نرخ ذغال شدن استفاده کرد. آنها دریافتند که شار گرما و غلظت اکسیژن به طور قابل توجهی بر میزان ذغال‌شدن تأثیر می‌گذارد.

بسیاری از مطالعات تجربی روشی را برای آزمایش ساختاری در مقیاس های کاهش یافته بر اساس تئوری شبیه سازی ارائه کرده اند [31]. به عنوان مثال، سوسو و همکاران. [32] از تجزیه و تحلیل ابعادی برای انجام آزمایشات اتصالات قاب چوبی در مقیاس کامل، مقیاس ½ و مقیاس 1/3 استفاده کرد. نتایج مقیاس‌بندی‌شده آزمون‌های مقیاس کاهش‌یافته قادر به پیش‌بینی رفتار بار-تغییر مکان آزمون در مقیاس کامل معادل بود. در حالت ایده‌آل، ترکیب این روش‌های مقیاس‌بندی ساختاری با یک روش مقیاس‌بندی که پاسخ حرارتی مشابهی را ایجاد می‌کند، باید منجر به رفتار ساختاری مشابه در آزمایش با بارگذاری حرارتی-ساختاری ترکیبی شود. مطالعات قبلی روشی برای تست مقاومت در برابر آتش اجزای ساختاری در مقیاس‌های کاهش‌یافته ارائه کرده‌اند [33]، [34]، [35، [36]، [37]، [38]، [39]. در درجه اول، این مطالعات رفتار حرارتی مشابه با مقیاس کامل را در آزمایش‌های قرار گرفتن در معرض آتش فقط حرارتی نشان دادند. با این حال، هیچ یک از مطالعات قادر به اثبات تجربی شباهت پاسخ در هنگام مقیاس‌بندی بارگذاری حرارتی و ساختاری نبودند.

مطالعه ما بر اساس تحقیقات قبلی [2] با بررسی تجربی پوسته پوسته شدن ساختاری حرارتی بر روی مواد مبتنی بر چوب است. در این مطالعه، آزمایش‌های قرار گرفتن در معرض آتش فقط حرارتی در ابتدا بر روی نمونه‌های مبتنی بر چوب در سه مقیاس مختلف برای بررسی پاسخ حرارتی با پیچیدگی‌های تجزیه چوب و زغال‌زدگی انجام شد. این تست‌های پاسخ حرارتی قرار گرفتن در معرض آتش، همراه با مدل‌سازی تجزیه در اثر حرارت مبتنی بر سینتیک با استفاده از GPyro، به توسعه راهنمایی‌ها برای دستیابی به سطوح کاراکتر معادل در تست‌های مقیاس کاهش‌یافته کمک کردند. سپس آزمایش‌های خمشی سه نقطه‌ای ترکیبی حرارتی-ساختاری بر روی نمونه‌های الوار ابعادی در دو مقیاس انجام شد، با بارگذاری برای داشتن تنش‌های خمشی ساکن یکسان. مدل‌های سطح مقطع کاهش‌یافته برای پیش‌بینی پاسخ مکانیکی نمونه‌ها با افزایش جلوی کاراکتر استفاده شد.