Mariusz Krzysztof Kopański. Temat rozprawy doktorskiej:

Mariusz Krzysztof Kopański Temat rozprawy doktorskiej: OPRACOWANIE METODY OCENY ZGODNOŚCI WYNIKÓW BADAŃ REAKCJI MATERIAŁÓW NA OGIEŃ METODAMI W DUŻEJ I MAŁEJ SKALI NA PODSTAWIE LABORATORYJNYCH BADAŃ PORÓWNAWCZYCH Devising the assessment method of results compatibility in the field of materials reaction to fire by means of a small and big scale on the basis of comparative research Promotor: Dr hab. n.t. Zygmunt Sychta Recenzenci: Prof. dr hab inż. Rudolf Klemens Politechnika Warszawska; Instytut Techniki Cieplnej Dr hab. Marek Konecki, prof. SGSP Szkoła Główna Służby Pożarniczej; Katedra Podstaw Spalania, Wybuchu i Gaszenia Szczecin, 12 czerwca 2018

Devising the assessment method of results compatibility in the field of materials reaction to fire by means of a small and big scale on the basis of comparative research ABSTRACT Aim: The main objective of the thesis is to establish the causes of considerable differences between intensity values of heat release using various methods and ways of their decrease. The same material may be applied to different technical objects on condition that it meets technical and fire requirements for these objects. Therefore, a question arises, whether or not, it is possible to provide a preliminary assessment of the material usability, from the fire posed threat perspective, for the maritime requirements based on the results of the research that confirms meeting both land and rail requirements and vice versa. This issue is especially essential at the stage of new materials development due to the sample dimensions. Materials and methods: Laboratory analyses have been conducted on the basis of 25 materials that are commercial products available on the European market and that are commonly used to equip building facilities and means of transport. In order to conduct the research about how materials react to fire using both small and big scale methods, the following techniques were applied EN 13823 (SBI), ISO 5660-1 as well as FTP part 5, IMO/ ISO 5658-2. Gordon type heat stream sensor as well as rod sensor were used to compare the conditions of thermal decomposition and discussed test rigs combustion. Additionally, the temperature profiles were determined on the samples surface, with the use of infrared thermal camera. Results: Having analyzed the conditions of thermal decomposition and combustion using the methods ISO 5660-1, EN 13823 (SBI) and FTP part 5, IMO/ ISO 5658-1, it has been concluded that where the heat stream density equals 50 kw/m² there are similar thermal conditions, in all types of methods in the initial stage of the research. Moreover, a comparative analysis of parameters such as HRR max, MARHE and FIGRA has been carried out between individual research methods using linear regression technique. An increase of correlation factor R² among research results was obtained by converting HRR max and MARHE parameters in relation to the unit of the combusted sample area (chapter 4.3). Conclusions: 1. On the basis of theoretical analyses and comparison of materials thermal decomposition and combustion in the laboratory conditions, it has been concluded that it is possible to achieve comparable values of the same parameters on different test rigs only when both their thermal decomposition and combustion are examined in the same conditions. 2. The results of intensity heat release using the methods of ISO 5660-1, FTP part 5, IMO, and EN 13823 may be compared only in the first stage of analysis up to the first maximum intensity of heat release. It is due to the fact that at this stage thermal decomposition and combustion process of the samples takes place in similar thermal conditions. 3. It is feasible to obtain a good reproducibility of testing results on a particular test rig, by maintaining stable conditions of rig elements heat exchange and of thermal decomposition and combustion of the tested material samples as well as careful maintenance of measuring device after each of the test series. 4. On the basis of the measurement of heat release intensity in a small scale (ISO 5660-1, FTP part 5, IMO/ ISO 5658-2) it is possible to estimate the value of maximum heat release intensity in a big scale (method EN 13823). 5. The best compatibility of heat release intensity tests has been achieved while comparing the results obtained from EN 13823 and FTP part 5, IMO / ISO 5658-2 methods, when the correlation factor R² equals 0,95. Key words: Reaction to fire, flashover, Cone Calorimeter, ISO 5660, Single Burning Item, SBI, EN 13823, ISO 5658, FTP part 5, IMO, FIGRA, MARHE, CFE, classification, correlation, fire

1. Wprowadzenie Każdy układ techniczny ma określony dopuszczalny awaryjny zakres zmian parametrów eksploatacyjnych od wartości projektowych w zakresie, których może jeszcze pracować. Daje to możliwość przeprowadzenia skutecznych działań korekcyjnych, naprawczych, reakcji automatycznych systemów bezpieczeństwa, itd. Utrata kontroli nad rozwojem sytuacji powstaje, gdy działania systemów sterowania i systemów bezpieczeństwa oraz ekip remontowo-konserwatorskich nie są w stanie skorygować niebezpiecznego trendu w wartościach parametrów wyznaczających obszar bezpiecznej pracy instalacji i/lub urządzeń, co prowadzi do uszkodzeń i eskalacji zdarzeń, którym towarzyszy zazwyczaj znaczne uwalnianie substancji niebezpiecznych i/lub energii. Częstym skutkiem utraty kontroli nad rozwojem sytuacji awaryjnej jest pożar niekontrolowany w czasie i przestrzeni proces spalania materiałów. Podstawowym warunkiem bezpieczeństwa pożarowego jest czas niezbędny do usunięcia awarii (ogniska pożaru) kontrolowana sytuacja awaryjna (rys.1). Spowolnienie rozwoju pożaru w fazie przedrozgorzeniowej jest wynikiem zastosowanych barier, których wartości powinno się dobierać dla warunków eksploatacyjnych obiektu [32]. Bariery stanowić mogą: osłony bierne lub czynne, cechy pożarowe materiałów i konstrukcji, systemy kontroli dynamiki rozwoju pożaru i rozprzestrzeniania się jego produktów, wymagania administracyjne, itd. Potencjał energetyczny zgromadzony w materiałach może, ale nie musi, wyzwolić się w czasie pożaru. Zależeć to będzie od: odporności materiałów na działanie zewnętrznych źródeł podpalania, intensywności wydzielania ciepła w czasie ich rozkładu termicznego i spalania, w wyniku intensywności której mogą, ale nie muszą, ulec zapłonowi kolejne partie palącego się materiału lub materiały sąsiednie. Intensywność wydzielania ciepła decyduje również o szybkości zmian temperatury pożaru, emisji dymu i toksycznych produktów rozkładu w czasie rozkładu termicznego i spalania materiałów. Zatem z punktu widzenia zapobiegania rozprzestrzenianiu się pożaru w dowolnym obiekcie technicznym przedmiotem zainteresowania jest między innymi: odporność materiału lub wyrobu na działanie zewnętrznych źródeł podpalania, analiza możliwości wywołania przez ten materiał lub wyrób pożaru kolejnych elementów jego powierzchni i sąsiednich materiałów. Reakcja spalania materiału rozprzestrzenianie się płomieni po jego powierzchni może rozwinąć się jedynie wtedy, gdy ogólny bilans cieplny (1) jest dodatni: q + q z q s > 0 (1) i temperatura reagentów wzrasta (rys. 2). gdzie: q - intensywność wydzielania ciepła w czasie rozkładu termicznego i spalania materiału, kw, q s - straty ciepła w jednostce czasu, kw, q z - moc cieplna pochodząca z zewnętrznych źródeł ciepła, kw. Rys. 1. Zależność rozwoju pożaru od możliwości systemów kontroli jego rozwoju (Źródło opracowanie na podstawie literatury [32]) W przeciwnym przypadku szybkość reakcji, osiągnąwszy pewną wartość, zaczyna stopniowo maleć w związku ze zmniejszaniem się w tej strefie koncentracji reagentów. W przypadku działania płomienia zapłon materiału następuje mniejszej wartości natężenia zewnętrznego źródła podpalania (rys. 3, rys. 4). 2 Rys. 2. Model procesu rozprzestrzeniania się płomienia po powierzchni poziomej [32]

Rys. 3. Zależność: szybkości wydzielania ciepła w czasie trwania badania dla XPS, przy natężeniu strumienia ciepła na powierzchni próbki 50 kw/m², w obecności/ braku źródła zapłonu, wg metody FTP-5, IMO (Badania własne) Rys. 4. Porównanie minimalnego czasu potrzebnego do zapłonu różnych odmian Poliamidu 6,wg metody ISO 5660-1/FTP-10, IMO (Badania własne) Z równania bilansu cieplnego (1) wynika, że proces spalania danego materiału możemy przeprowadzić na nieskończenie wiele sposobów i w zależności od mocy i rodzaju źródeł podpalania oraz wartości strat ciepła, inna będzie ilość wydzielonego ciepła i intensywność jego wyzwalania, inny skład fizykochemiczny produktów jego rozkładu termicznego i spalania (rys. 5, rys. 6). Rys. 5. Szybkość wydzielania ciepła w funkcji czasu, dla płyty z polistyrenu ekstrudowanego (XPS) grubości 3 mm, badana metodą wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO, przy różnych wartościach natężenia strumienia cieplnego padającego na jej powierzchnię (Badania własne) Rys. 6. Zależność szybkości wydzielania ciepła od czasu przy różnych podkładach pod próbką wykładziny, wg badania ISO 5660-1/FTP-10, IMO (Badania własne) 1.1. Odporność materiału na działanie zewnętrznych źródeł podpalania Z równania bilansu cieplnego (1) wynika, że dla każdego materiału istnieje charakterystyczna wartość q z zewnętrznego strumienia ciepła padającego na jego powierzchnię, przy której zachodzi jeszcze jego płomieniowe spalanie. q + q z q s = 0 (2) Wielkość tę przyjęto nazywać krytycznym strumieniem ciepła (CFE). Jej wartość jest miarą odporności materiału na działanie zewnętrznych źródeł podpalania. Do spowodowania zapalenia się materiału potrzebna jest pewna określona energia cieplna, zwana ciepłem podtrzymującym płomieniowe spalanie (Q sb ). Za miarę ciepła podtrzymującego płomieniowe spalanie materiału przyjęto wartość średnią iloczynu natężenia strumienia cieplnego I(l i ) i czasu Δt jego oddziaływania na powierzchnię materiału, po którym wystąpi jej zapłon. Ciepło podtrzymujące płomieniowe spalanie charakteryzuje również dynamikę rozprzestrzeniania się płomieni po powierzchni materiału w danych warunkach rozkładu termicznego i spalania. 3

Im mniejsza jest wartość tego iloczynu tym szybciej płomienie rozprzestrzeniają się po powierzchni. 1.2. Parametry podpalania O dynamice rozprzestrzeniania płomienia decyduje szybkości wydzielania ciepła: q = η sp m c sp (3) gdzie: q - intensywność wydzielania ciepła w czasie rozkładu termicznego i spalania materiału, kw, η sp - współczynnik niecałkowitości spalania, m - masowa szybkość rozkładu termicznego i spalania materiału, kg/s, c sp - ciepło spalania materiału, kj/ kg. Szybkość wydzielania ciepła zależy od masowej szybkości spalania i ciepła spalania materiału. Wyzwalana energia cieplna nagrzewa sąsiadującą z płomieniem powierzchnię materiału, która po uzyskaniu temperatury zapłonu zapala się. Stopień nagrzania powierzchni materiału jest efektem działania nie tylko intensywności wydzielania ciepła, ale i czasu ekspozycji na jej działanie zależnego od potencjału cieplnego objętego spalaniem materiału. W rezultacie obserwuje się rozprzestrzenianie się płomienia po powierzchni materiału. Miarą tego potencjału jest całkowite ciepło (Q t ) wyzwolone w czasie rozkładu termicznego i spalania materiału: t Q t = k 0 η sp m c sp dt (4) Źródłem zapłonu kolejnych nie objętych jeszcze pożarem materiałów są opadające palące się krople stopionego materiału opad kroplisty (rys. 7). Zjawisko charakterystyczne dla większości tworzyw sztucznych, które zanim się zapalą, miękną, tworząc ciekłe warstwy powierzchniowe. Zjawisko opadu kroplistego przyspiesza proces rozprzestrzeniania się pożaru. Rys. 7. Opad kroplisty opadające palące się krople stopionego materiału a) badanie wg PN-EN 45545-2 aneks B, b) badanie według FTP część 5, IMO (Badania własne) Naturalnym kierunkiem rozszerzania się płomienia jest kierunek od dołu ku górze po płaszczyznach pionowych. Zjawisko rozprzestrzeniania się płomieni ku górze po powierzchniach pionowych (ścian, materiałów wolno zwisających, itp.) może przebiegać lawinowo, to jest ze stale rosnącym przyspieszeniem proporcjonalnym do sumującej się ilości ciepła wytworzonego w danej chwili w poprzedzającym ten moment okresie (rys. 8). Oprócz tego oddziałuje na powierzchnię energia cieplna pochodząca z zewnętrznych źródeł ciepła q z (spalanych w pewnej odległości przedmiotów). Oznacza to konieczność stosowania różnych metod badań lub różnych kryteriów oceny przydatności tego samego materiału w zależności od jego przeznaczenia. Zatem rozprzestrzenianie się płomieni po powierzchni materiału determinują: - krytyczny strumienia ciepła, - ciepło podtrzymujące płomieniowe spalanie, - intensywność wydzielania ciepła, - ciepło wydzielone w czasie rozkładu termicznego i spalania, - możliwość tworzenia opadu kroplistego. 4 Rys. 8. Model procesu rozprzestrzeniania się płomienia po powierzchni pionowej [32]

Pierwsze dwa parametry odpowiadają za odporność materiału (wyrobu) na działanie zewnętrznych źródeł podpalania, pozostałe trzy za możliwość wywołania przez ten materiał pożaru sąsiednich materiałów. 2. Problemy badawcze Badając w warunkach laboratoryjnych stopień palności materiałów, ich dymotwórczość i emisję toksycznych produktów określa się jedynie zachowanie tych materiałów i ich właściwości w określonych umownych warunkach rozkładu termicznego i spalania, nie zaś ich zachowanie i ich właściwości w warunkach rzeczywistego pożaru. Nie oznacza to, że uzyskane wskaźniki nie mają praktycznego zastosowania. Konieczna jest właściwa interpretacja fizyczna mierzonych parametrów i dobór odpowiednich wartości krytycznych (barier), które stanowią podstawę do oceny (klasyfikacji) materiałów z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego dla obiektów morskich i lądowych. Ponieważ wartości barier spowalniających proces rozwoju pożaru w fazie przedrozgorzeniowej dobiera się dla warunków eksploatacyjnych obiektu, inne metody badań stosuje budownictwo lądowe, inne morskie, jeszcze inne kolejnictwo, transport lądowy, lotnictwo, itd. Jako źródła podpalania w badaniach laboratoryjnych stosuje się: tlący się papieros, płomień zapałki, płomień palnika gazowego, promiennik podczerwieni, promiennik podczerwieni i płomień palnika gazowego. Do ważniejszych parametrów materiału decydujących o pożarowym zagrożeniu obiektów technicznych należą intensywność wydzielania ciepła i jego potencjał cieplny. Opracowano wiele metod badań materiałów [4, 32, 18, 19, 37], które umożliwiają pomiar intensywności wydzielania ciepła w czasie rozkładu termicznego i spalania próbek tych materiałów. Analiza literaturowych i własnych wyników badań intensywności wydzielania ciepła uzyskanych różnymi znormalizowanymi metodami dla tych samych warunków termicznych rozkładu i spalania wykazała, że nie ma korelacji między uzyskanymi wynikami (rys. 9-10). Rys. 9. Porównanie wartości maksymalnych intensywności wydzielania ciepła uzyskanymi metodami wg FTP-5, IMO i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO przy natężeniu strumienia ciepła na powierzchni próbki 50 kw/m² (Badania własne) Rys. 10. Porównanie własnych wyników badań wartości maksymalnych intensywności wydzielania ciepła uzyskanymi metodami opierającymi się na zasadzie pomiaru ubytku tlenu wg PN-EN 45545-2, Aneks B i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO przy natężeniu strumienia ciepła na powierzchni próbki 50 kw/m² (Badania własne) Na tej podstawie można wyszczególnić następujące problemy badawcze. Problem badawczy nr 1. Podstawowym nierozwiązanym problemem jest określenie przyczyn znacznych różnic między wartościami intensywności wydzielania ciepła określonymi różnymi metodami i sposobu ich zmniejszenia. Problem badawczy nr 2. Ten sam materiał może być stosowany w różnych obiektach technicznych pod warunkiem, że spełnia różne wymagania techniczne dla tych obiektów. W związku z tym pojawia się drugi nierozwiązany problem badawczy, czy istnieje możliwość wstępnej oceny przydatności materiału z punktu 5

widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego dla obiektów morskich na podstawie wyników badań potwierdzających spełnienie wymagań lądowych lub kolejowych oraz możliwość wstępnej oceny przydatności materiału na podstawie badań w małej skali. Problem szczególnie ważny w fazie opracowywania nowych materiałów ze względu na wymiary próbek (rys. 11). Rys. 11. Proporcje próbek w rozpatrywanych metodach badawczych (Opracowanie własne) Przygotowanie próbek nowych prototypowych materiałów w warunkach laboratoryjnych o dużych wymiarach jest bardzo trudne. W szczególności dotyczy to układów wielowarstwowych i kompozytów. Jednorodność i powtarzalność wewnętrznej struktury przekazanych do badań próbek decyduje o powtarzalności wyników badań. 3. Tezy i cel pracy Analiza wyników badań szybkości wydzielania ciepła różnymi metodami pozwala na sformułowanie następujących tez pracy: 1. Korelacja między wynikami pomiaru szybkości wydzielania ciepła, określonymi różnymi metodami badań jest możliwa w przypadkach zbliżonych warunków rozkładu termicznego i spalania próbek badanych materiałów. 2. Istnieje możliwość wstępnej oceny przydatności materiału z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego dla obiektów technicznych lądowych i morskich na podstawie wyników badań w małej skali. 3. Zmierzona szybkość wydzielania ciepła musi być odniesiona do jednostki powierzchni objętej spalaniem. Celem pracy jest rozwiązanie poniższych problemów: 1. Określenie przyczyn znacznych różnic między wartościami intensywności wydzielania ciepła określonymi różnymi metodami i sposobu ich zmniejszenia. 2. Określenie możliwości wstępnej oceny przydatności materiału z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego dla obiektów technicznych lądowych i morskich na podstawie wyników badań w małej skali. 3. Określenie możliwości wstępnej oceny przydatności materiału z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego dla obiektów technicznych lądowych i morskich na podstawie wyników badań potwierdzających spełnienie lądowych lub kolejowych i odwrotnie. 4. Kryteria selekcji metod badawczych Zgodnie z równaniem bilansu cieplnego (1) proces rozkładu termicznego i spalania materiału w czasie badań laboratoryjnych materiałów możemy przeprowadzić na nieskończenie wiele sposobów w zależności od kombinacji rodzaju i wielkości źródeł podpalania i warunków odprowadzania ciepła oraz udziału ciepła 6

wyzwalanego przez palący się materiał na nagrzewanie kolejnych jego partii otrzymując za każdym razem inną ilość wydzielonego ciepła i intensywność jego wyzwalania, inny skład fizykochemiczny produktów jego rozkładu termicznego i spalania. Oznacza to, że dobrą powtarzalność i odtwarzalność wyników pomiarów, w granicach dopuszczalnego błędu, można uzyskać zachowując stałość warunków rozkładu termicznego i spalania próbek badanego materiału. Oznacza to bezwzględną konieczność zachowania, określonych normą dla danej metody badań, warunków termicznych rozkładu termicznego i spalania próbek badanych materiałów. Dotyczy to także układu geometrycznego stanowiska, który ma znaczący wpływ na wymianę ciepła między poszczególnymi jego ścianami i w strefie rozkładu termicznego i spalania próbek badanych materiałów. Z stosowanych w praktyce metod badań szybkości wydzielania ciepła wybrano metody: ISO 5660-1 /FTP-10, IMO, FTP-5, IMO/ ISO 5658-2 i PN-EN 13823. Analizowane metody badań różnią się między sobą warunkami rozkładu termicznego i spalania próbek badanych materiałów (Tabela 1). Tabela 1. Porównanie warunków rozkładu termicznego i spalania (Opracowanie własne) Orientacja badanej próbki Źródło podpalania Rozkład gęstości strumienia ciepła na powierzchni próbki Podkład pod próbką ISO 5660-1/ FTP-10, IMO Metoda badań FTP-5 IMO/ ISO 5658-2 PN-EN 13823 Pionowa, pozioma Pionowa Pionowa Elektryczny promiennik stożkowy, iskrowa zapalarka elektryczna Gazowy płytowy promiennik, palnik pilotowy Palnik gazowy emitujący płonący przedmiot Stały, równomierny Zmienny Zmienny Płyta krzemieniowowapienna z folią aluminiową, wełna szklana z folią aluminiową Płyta krzemieniowowapienna z folią aluminiową, płyta betonowa z folią aluminiową lub bez niej Płyta krzemieniowowapienna, płyta nie palna z pustką powietrzną, brak podkładu pod badaną próbką Rys. 12. Mapa rozkładu temperatury/rozkład punktów pomiarowych na próbce zastępczej w metodzie wg FTP-5, IMO/ISO 5658-2 (Badania własne) Rys. 13. Wykres rozkładu natężenia strumienia ciepła, dla stanowiska według Kodeksu FTP-5, IMO/ISO 5658-2, wraz z odchyleniami (Badania własne) Wyniki badania rozkładu natężenia strumienia ciepła wzdłuż próbki miernikiem z czujnikiem typu Gardona dla stanowiska do badania reakcji na ogień metodami, wg Kodeksu FTP-5, IMO/ISO 5658-2 przedstawiono na rysunkach 12 i 13 natomiast dla metody wg PN-EN 13823 (SBI) poza strefą oddziaływania płomienia (rys. 14) w tabeli 2. 7

Tabela 2. Rozkład natężenia strumienia ciepła na dłuższym skrzydle próbki w metodzie wg PN-EN 13823 (Badania własne) Położenie (wysokość) 750 mm Dystans wzdłuż próbki, mm 60 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Wartość średnia gęstości strumienia ciepła, kw/m² 40,25 27,59 15,80 7,43 2,80 1,16 0,94 0,42 0,27 0,16 Odchylenie standardowe, kw/m² 0,53 0,54 0,86 0,35 0,26 0,09 0,02 0,01 0,01 0,01 Położenie (wysokość) 1000 mm Dystans wzdłuż próbki, mm 60 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Wartość średnia gęstości strumienia ciepła, kw/m² 25,53 20,05 9,81 4,04 1,86 0,93 0,67 0,42 0,26 0,16 Odchylenie standardowe, kw/m² 0,51 0,31 0,41 0,03 0,02 0,01 0,02 0,01 0,01 0,01 Oszacowanie stałych warunków (rys. 15, rys. 16) rozkładu termicznego w określonym punkcie, w pobliżu oddziaływania płomienia w metodzie badań według PN-EN 13823 jest trudne. Przyczyną tego jest nieustabilizowany ruch we wszystkich kierunkach płomienia, który dynamicznie obwiewa płaszczyznę próbki i ją nagrzewa. Wykorzystując czujnik prętowy do pomiaru dużych wartości natężenia gęstości strumienia ciepła w strefie oddziaływania płomienia z piaskowego palnika określono całkowitą gęstość strumienia ciepła, będącego sumą konwekcyjnego i radiacyjnego strumienia ciepła, na poziomie 51 ±2 kw/m² (rys. 17). Z przeprowadzonej analizy literaturowej wynika, że maksymalne natężenie gęstości strumienia ciepła padającego na powierzchnię próbki, w badaniu PN-EN 13823, osiąga wartość 54,81 ± 4,17 kw/m² [2, 25]. Rys. 14. Rozpieszczenie otworów w strefie LFS w badaniu wg PN-EN 13823 (Opracowanie własne) Przeprowadzone pomiary w podczerwieni stanowią jakościową analizę różnych warunków rozkładu termicznego i spalania stanowisk według metod PN-EN 13823 i FTP-5, IMO (rys. 18, rys. 19, rys 20). Rys. 15. Oddziaływanie źródła zapłonu w badaniu PN- EN 13823 trójkątny palnik piaskowy (Badania własne) Rys. 16. Obraz zarejestrowany za pomocą kamery termowizyjnej, źródła zapłonu w metodzie PN- EN 13823 (Badania własne) 8

<< Rys. 17. Porównanie natężenia gęstości strumienia ciepła oddziaływującego na próbkę wg metody PN-EN 13823 i metody wg FTP-5, IMO/ISO 5658-2, przy wykorzystaniu czujnika typu prętowego i czujnika typu Gardona (Badania własne) Temperaturową charakterystykę warunków rozkładu termicznego i spalania próbek materiałów, metodami według PN-EN 13823 i FTP-5, IMO, określono przy pomocy kamery na podczerwień. Na rysunku 18 i w tabeli 3 przedstawiono wyniki pomiaru temperatur, po upływie 180 s trwania procesu nagrzewania próbki zastępczej wg. metody FTP-5, IMO. Analizę rozkładu temperatur przeprowadzono dla trzech profili: P1, P2 i P3. Badanie próbki zastępczej metodą wg PN-EN 13823 przeprowadzono zgodnie z wymaganiami normatywnymi. Na rysunku 18, 19 oraz w tabeli 3 przedstawiono wyniki pomiaru temperatur powierzchni próbki zastępczej po 300 s trwania procesu jej nagrzewania (normatywny, charakterystyczny czas dla palnika). Analizę rozkładu temperatur przeprowadzono dla trzech orientacji i pięciu profili: P1, P2, P3, P4 i P5. W wariancie poziomym dwa profile (P1, P3) przechodzą przez punkty pomiaru natężenia strumienia ciepła. Analizując wyniki badań rozkładu temperatury na dłuższym skrzydle, w metodzie wg PN-EN 13823, można stwierdzić, że wzdłuż i wszerz próbki temperatura maleje. Maksymalną temperaturę, ok. 550 C (rys. 21), na próbce zastępczej odnotowano na wysokości ok. 200 mm nad płaszczyzną głównego palnika trójkątnego. Taką maksymalną wartość temperatury potwierdza dostępny raport z badań. 9

Rys. 19. Rozkład temperatur na próbce zastępczej, wg PN-EN 13823, z profilami temperatur dla orientacji poziomej (Badania własne) Rys. 18. Rozkład temperatury i gęstości strumienia ciepła popadającego na próbkę, wg FTP-5, IMO/ ISO 5658-2 (Badania własne) Rys.20. Rozkład temperatur na próbce zastępczej, wg PN-EN 13823, z profilami temperatur dla orientacji ukośnej (Badania własne) 10

Duży rozmiar badanej próbki i usytuowanie źródła ciepła w narożu powoduje, że gęstość strumienia ciepła, będący sumą konwekcyjnego i radiacyjnego strumienia ciepła, nie oddziałuje bezpośrednio na większą płaszczyznę próbki. Średnia temperatura szacowana jest na ok. 150 C. Analizowano zasięg ok. 45 cm oddziaływania konwekcyjnego i radiacyjnego strumienia ciepła pochodzącego ze spalającego się gazu energetycznego. Średnia temperatura zarejestrowana przy użyciu kamery termowizyjnej przyjmuje wartość 200 C. Wystąpienie zbliżonych warunków rozkładu termicznego i spalania do pozostałych metod w metodzie wg PN-EN 13823 znajduje się w obszarze bezpośredniego oddziaływania płomienia co potwierdzają zarejestrowane wartość temperatur dla metod wg PN EN 13823 i FTP część 5 IMO. W tabeli 3 przedstawiono wartości z sześciu pomiarów z wykorzystaniem kamery termowizyjnej. Pomiary termograficzne wykonano w odstępie co 4 minuty. Rys. 21. Histogram temperatury, w bezpośrednim oddziaływaniu źródła podpalania, w metodzie według PN-EN 13823 i wg FTP-5, IMO/ISO 5658 (Badania własne) Tabela 3. Wartości temperatury powierzchni badanej próbki po procesie nagrzewania Wartość mierzona Wartość Odchylenie średnia Mediana standardowe temperatury FTP-5, IMO / ISO 5658 Minimalna temperatura, C 97,67 98,55 3,51 Maksymalna temperatura, C 550,10 551,85 5,28 Średnia temperatura, C 257,63 257,35 2,57 PN-EN 13823 długość całej próbki 100 cm Minimalna temperatura, C 37,30 37,30 0,62 Maksymalna temperatura, C 537,80 570,85 14,10 Średnia temperatura, C 131,18 131,25 8,94 PN-EN 13823 fragment próbki 50 cm Minimalna temperatura, C 49,37 48,40 1,81 Maksymalna temperatura, C 579,20 572,80 16,78 Średnia temperatura, C 220,37 218,20 12,63 Na podstawie analizy warunków rozkładu termicznego i spalania metodami: ISO 5660-1/FTP-10 IMO, FTP-5, IMO/ISO 5658-2 oraz PN-EN 13823 ustalono, że we wszystkich metodach występują, w początkowej fazie badania, warunki termiczne, w których gęstość strumienia ciepła wynosi 50 kw/m² ± 2 kw/m². 11

5. Przegląd wyników badań literaturowych Rozwiązaniem wspomnianych problemów badawczych zajmuje się wiele ośrodków naukowo-badawczych głównie europejskich po wprowadzeniu normy PN-EN 13823 (duża skala). Do ważniejszych, moim zdaniem, prac w tym zakresie należą: V. Babrauskas [1], Z. Sychta [31], R.E. Lyon i A. Abramowitz [14], M. Konecki [10], B.Kristoffersen [11], L. Tsantaridis [34], B. A.Östman, R. M. Nussbaum [17], B. Papis [20], T. Hakkarainnen i M. Kokkala [5], R. Getka [4], K.Sychta [30], A. Kolbrecki [8], Yoh Chyurn Ding, Ding Ping Yen [36]. W raporcie [12] napisanym przez L. Tsantaridis i B. Östman porównano maksymalne szybkości wydzielania ciepła, określone metodami: wg ISO 5660-1 i PN-EN 13823 dla dwudziestu siedmiu materiałów (rys. 22). Podobne badania wykonali A. Kolbrecki, M. Konecki, B. Papis [2,3] (rys. 23). << Rys. 22. Porównanie wartości maksymalnych szybkości wydzielania ciepła uzyskane metodami opierającymi się na zasadzie ubytku tlenu według PN-EN13823 i wg ISO 5660-1 (Źródło: opracowanie własne na podstawie literatury [12]) Natomiast w pracach B. Östmana,T [19], Hakkarainnen [6], A. Steen Hansen [27], a także M. Koneckiego [10] do określenia intensywności wydzielania ciepła metodą ISO 5660-1 przyjęto wartość natężenia strumienia cieplnego 50 kw/m². Była to wartość przy której otrzymano najlepsze korelacje doświadczalne pomiędzy metodami: według PN-EN 13823 oraz wg ISO 5660-1. A. Lukošius razem z V. Vekteris [13] brak korelacji pomiędzy wynikami badań, metodami wg PN-EN 13823 i wg ISO 5660-1, tłumaczyli dużą niepewnością pomiaru intensywności wydzielania ciepła spowodowany pomiarem udziału molowego tlenu w spalinach oraz masowym przepływem gazów w kanale wylotowym mierzonym za pomocą sondy dwukierunkowej, która ulegała zapychaniu przez produkty niecałkowitego spalania. Rys. 23. Zależność między wynikami maksymalnej szybkości wydzielania ciepła uzyskanymi metodami: według PN-EN 13823 i ISO 5660-1 (Źródło: opracowanie własne na podstawie literatury [8, 9]) Badano również korelację wskaźnika szybkości wzrostu pożaru (FIGRA) [12]. Duży rozrzut otrzymanych wyników badań metodami ISO 5660-1 i PN-EN 13823 (rys.24) tłumaczono dużymi różnicami w ich składzie chemicznym. W związku z tym zaproponowano podział na materiały naturalne (drewnopochodne), tworzywa sztuczne oraz materiały trudnopalne oraz wyroby wielowarstwowe (Tabela 4). Rys.24. Korelacja (R²) wskaźnika wzrostu pożaru FIGRA na podstawie danych z Raportu Trätek [12] 12

Tabela 4. Zestawienie współczynnika korelacji (R²) FIGRA dla różnych metod badawczych dane literaturowe FIGRA współczynnik korelacji R² Autor/ Instytucja ISO 5660-1 do ISO 9705 PN-EN 13823 do ISO 5660-1 Materiały drewnopochodne Tworzywa sztuczne Materiały typu sandwich Tsantaridis [12] 0,72-0,24 Tsantaridis [12] 0,78 0,27-0,24 Yoh Chyurn [36] 0,74 0,20 VTT [24] 0,75 ISO 9705 do Tsantaridis [12] 0,91 0,35 0,997 PN-EN 13823 Źródło: opracowanie własne na podstawie literatury Zgodnie z sugestiami wspomnianych autorów istnieje potrzeba prowadzenia dalszych prac naukowobadawczych w tym zakresie. 13

6. Badania własne 6.1. Charakterystyka badanych materiałów/wyrobów Do badań wybrano materiały z tworzyw naturalnych i sztucznych o zróżnicowanym składzie i właściwościach fizycznych (tabela 5). Tabela 5. Wybrane właściwości fizyczne i termochemiczne badanych materiałów Oznaczenie Gęstość Grubość, materiału Materiał/ wyrób powierzchniowa, mm wyrobu kg/m² Wyroby lignocelulozowe (drewnopochodne) D1 Płyta wiórowa 10 7,13 D2 laminowana 28 18,81 D3 10 7,59 Płyta wiórowa D4 28 17,95 D5 Płyta wiórowa STOP FIRE 18 12,49 D6 10 6,54 Płyta OSB D7 28 15,14 D8 Płyta OSB STOP FIRE 12 8,61 D9 10 7,98 Płyta MDF D10 28 21,57 D11 Płyta MDF laminowana 18 16,02 D12 Płyta MDF STOP FIRE laminowana 18 17,57 Płyty (ścienne / dekoracyjne) na bazie płyt karton gipsu Opis składu materiału/producent SWISS KRONO sp. z o.o. D13 Płyta karton gips (k/g) 7,1 7,90 Norgips Sp. z o.o. D14 Tapeta papierowa Tapeta papierowa nr 1641403 Trend 7,2 8,20 klejona na płycie k/g Tapety Sp. z o.o. D15 Płyta k/g z powłoką Farba lateksowa DULUX na płycie karton 7,6 8,85 malarską gips D16 Tapeta z włóknem PS-International mineralnym klejona na 8,2 11,51 Pickhardt + Siebert GmbH płycie k/g Wyroby z tworzyw sztucznych D17 Wykładzina CP 51 8 14,38 RADICI PIETRO Industrles &Brands S.p.A. D18 D19 D20 Laminat poliestrowo szklany STOP FIRE Laminat poliestrowo szklany Laminat poliestrowo szklany z pianą 15 15,56 4 5,08 8 6,85 Cztery warstwy laminatu poliestrowo szklanego z żywicą Crystic 344 A z dodatkiem wypełniacza Crystic Filler CO Żywica: BUFA Firestop; mata szklana; farba podkładowa: Etokat Primer; farba nawierzchniowa: Nuvovern Żywica: BUFA Firestop; mata szklana; farba podkładowa: Etokat Primer; farba nawierzchniowa: Nuvovern Piana Airex Grupa ART-POL Polietylen D21 Plandeka Mata z pianki PE z folią 3 0,38 D22 Pianka XPS 7 0,31 polistyren ekstrudowany EPDM Mieszanka D23 gumowa na bazie 5 10,55 CO.ME.T S.r.I kauczuków D24 Panele PCV 2,2 11,80 - D25 Pianka PP 1,3 0,29 Polipropylen 6.2. Wyniki badań własnych Wyniki badań przedstawiono graficznie na rysunkach od numeru 25 do 36 oraz w tabelach 6-8.. 14

Rys. 25. Porównanie wartości maksymalnej szybkości wydzielania ciepła w kw z materiałów metodą według ISO 5660-1/ FTP-10, IMO, PN-EN 13823 oraz FTP-5, IMO/ISO 5658-2 15

Rys. 26. Porównanie wartości MARHE badanych materiałów metodą według ISO 5660-1/ FTP-10, IMO, PN-EN 13823 oraz FTP-5, IMO/ISO 5658-2 16

Rys. 27. Porównanie wartości FIGRA badanych materiałów metodą według ISO 5660-1/ FTP-10, IMO, PN-EN 13823 oraz FTP-5, IMO/ ISO 5658-2 17

Rys. 28. Porównanie wartości HRR maks uzyskanych metodami wg PN-EN 13823 i wg FTP -5, IMO dla wszystkich materiałów Rys. 29. Porównanie wartości HRR maks uzyskanych metodami wg PN-EN 13823 i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów Rys. 30. Porównanie wartości HRR maks uzyskanych metodami wg FTP-5, IMO i wg ISO 5660-1/ FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów Tabela 6. Zestawienie współczynnika korelacji (R²) maksymalnej szybkości wydzielania ciepła (HRR) -kw Współczynnik korelacji R² maksymalnej szybkości wydzielania ciepła PN-EN13823 do ISO 5660-1 / FTP-10, IMO PN-EN13823 do FTP-5, IMO/ISO 5658-2 FTP-5, IMO/ISO 5658-2 do ISO 5660-1 /FTP-10, IMO Materiały drewnopochodne Tworzywa sztuczne Materiały trudnopalne 0,62 0,14 0,45 0,82 0,02 0,52 0,49 0,77 0,84 18

Rys. 31. Porównanie wartości MARHE uzyskanych metodami według PN-EN 13823 i wg FTP-5, IMO dla wszystkich materiałów Rys. 32. Porównanie wartości MARHE uzyskanych metodami według PN-EN 13823 i wg ISO 5660-1/FTP-10,IMO dla wszystkich materiałów Tabela 7. Zestawienie współczynnika korelacji (R²) MARHE kw Rys. 33. Porównanie wartości MARHE uzyskanych metodami według FTP- 5, IMO i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów PN-EN13823 do ISO 5660-1 /FTP-10, IMO PN-EN13823 do FTP-5, IMO/ISO 5658-2 FTP-5, IMO/ISO 5658-2 do ISO 5660-1 /FTP-10, IMO Współczynnik korelacji R² MARHE - kw Materiały Tworzywa drewnopochodne sztuczne Materiały trudnopalne 0,66 0,05 0,27 0,86 0,49 0,06 0,61 0,84 0,67 19

Rys. 34. Porównanie wartości FIGRA uzyskanych metodami wg PN-EN 13823 i wg FTP -5, IMO dla wszystkich materiałów Rys. 35. Porównanie wartości FIGRA uzyskanych metodami wg PN-EN 13823 i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów Tabela 8. Zestawienie współczynnika korelacji (R²) FIGRA W/s Rys. 36. Porównanie wartości FIGRA uzyskanych metodami wg FTP-5, IMO i wg ISO 5660-1 /FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów PN-EN13823 do ISO 5660-1 /FTP-10, IMO PN-EN13823 do FTP-5, IMO/ISO 5658-2 FTP-5, IMO/ISO5658-2 do ISO 5660-1/ FTP-10, IMO Współczynnik korelacji R² FIGRA W/s Materiały Tworzywa drewnopochodne sztuczne Materiały trudnopalne 0,83 0,05 0,04 0,88 0,49 0,37 0,45 0,36 0,81 20

Uzyskane wyniki potwierdzają brak korelacji między metodami badawczymi ISO 5660-1/FTP-10, IMO, FTP-5, IMO/ISO 5658-2 oraz PN-EN 13823. 7. Analiza wyników badań własnych 7.1. Kształt funkcji krzywych szybkości wydzielania ciepła Analizując wyniki badań właściwości pożarowych materiałów zauważa się, że kształt krzywych szybkości wydzielania ciepła, tzn. zmienność ich przebiegu w różnych fazach spalania materiału palnego jest zbliżony do siebie w sensie jakościowym (rys. 37). Krzywe szybkości wydzielania ciepła mają najczęściej kształt niesymetryczny i uzależnione są od rodzaju włókien materiału palnego naturalnego czy sztucznego, a mianowicie: tworzywa sztuczne spalają się gwałtownie z jednoczesnym wydzielaniem się bardzo dużych ilości ciepła; przebieg rozkładu termicznego przybiera zazwyczaj skokowy ostry jeden pik lub też pik rozciągnięty w czasie z powodu uplastycznienia materiału termoplastycznego. tworzywa naturalne (drewno) wykazują charakterystyczny dwugarbny przebieg zmian szybkości wydzielania ciepła w czasie. Powstanie charakterystycznego tzw. siodełka na krzywej szybkości wydzielania ciepła jest typowe dla procesu tworzenia się na powierzchni materiału warstwy zwęglonej, która stanowi barierę penetracji płomienia w głębszych ich warstwach. W ten sposób powstaje naturalna blokada utrudniająca przepływ energii cieplnej przez produkty powstałe w trakcie rozkładu termicznego. W analizie porównawczej uzyskanych wyników badań oraz w oparciu o studium literatury przedmiotem zainteresowania staje się pierwsza faza oddziaływania źródła podpalania próbki od zapłonu do osiągnięcia maksymalnej wartości charakterystycznego pierwszego piku (garbu). Początkowy pik (garb) jest najbardziej reprezentatywny i można go porównywać z innymi wynikami uzyskanymi w odmiennych metodach badań palności materiałów. Ponadto opisuje stan i reakcję oddziaływania strumienia ciepła pochodzącego od źródła podpalania. Początkowy szybki rozwój procesu spalania wytwarza warstwę zwęgloną, która stanowi blokadę do wnikania ciepła i tlenu do wnętrza spalanego materiału, ograniczając intensywność wydzielania ciepła. Drugi pik Rys. 37. Krzywe szybkości wydzielania ciepła dla drewna i tworzywa (garb) odnosi się do spalania sztucznego w różnych metodach badań (Drewno płyta OSB grubości podpowierzchniowych warstw materiału 10 mm; Tworzywo sztuczne polistyren spieniony grubości 6 mm) badanego oraz oddziaływania dodatkowego (Badania, opracowanie własne) strumienia ciepła (w badaniu wg metody PN- EN 13823) pochodzącego od drugiego skrzydła testowanej próbki która pali się pod kątem prostym. 7.2. Określenie efektywnej powierzchni wydzielania ciepła Tak duże różnice maksymalnych wartości intensywności wydzielania ciepła, MARHE i FIGRA spowodowane są różnymi wielkościami badanych próbek. Oznacza to występowanie różnych wielkości powierzchni czynnych objętych spalaniem. 21

Masowa szybkość spalania jest funkcją powierzchni A objętej spalaniem: m = m A A, kg s 1 (5) Oznacza to, że również intensywność wydzielania ciepła (HRR) jest funkcją powierzchni objętej spalaniem: HRR = η sp m A c sp A = HRR A A, kw (6) Zatem intensywność wydzielania ciepła z jednostki powierzchni objętej spalaniem określa wzór: HRR A = HRR A, kw m 2 (7) W związku z tym AVHR A i jego maksimum MARHE A wyznacza się z zależności: HRR A (t) = HRR A, kw m 2 (8) t AVHR A (t) = 1 (t t 1 ) HRR A (t) dt, kw m 2 (11) t 0 MARHE A = max AVHR A (t) (12) gdzie: HRR A (t) - intensywność wydzielania ciepła na jednostkę powierzchni, kw/m², A - powierzchnia czynna eksponowanej próbki materiału, m², HRR - intensywność wydzielania ciepła, kw, t - czas początku pomiaru, s, t 1 - czas zakończenia pomiaru, s. Algorytmy określenia powierzchni czynniej objętej spaleniem dla poszczególnych metod są następujące: ISO 5660-1 / FTP-10, IMO (mała skala) - cała powierzchnia próbka materiału (0,0088 m 2 ) poddana oddziaływaniu stożkowego promiennika podczerwieni. W związku z tym AVHR A i jego maksimum MARHE A wyznacza się z zależności: HRR A (t) = HRR A, kw m 2 (8) FTP część 5, IMO / ISO 5658-2 (średnia skala) zmienną w czasie powierzchnię czynną próbki A FTP określa się na postawie średniej szybkości rozprzestrzeniania się płomienia wzdłuż próbki: A FTP (t) = d v(t) t strefa, m 2 (13) gdzie: A FTP (t) - powierzchnia czynna eksponowanej próbki materiału w badaniu FTP cz.5 IMO, m 2, d - szerokość próbki w badaniu FTP cz.5 IMO, m, v(t) - prędkość rozprzestrzeniania się czoła płomienia po i-tej strefie, m/s, t strefa - czas przejścia czoła płomienia przez i-tą strefę, s. PN-EN 13823 (duża skala) zmienne w czasie pole powierzchni. Pola bezpośredniego oddziaływania płomienia na próbce, w pierwszej fazie badania metodą PN-EN 13823, określono doświadczalnie. Próbki materiałów poddano oddziaływaniu płomienia palnika głównego, o normatywnej mocy 30 kw, w czasie 5. minut. Dyfuzyjny płomień z trójkątnego piaskowego palnika przybiera kształt stożka, który bezpośrednio oddziaływuje na powierzchnię próbki. Po oględzinach próbek poddanych działaniu płomienia przyjęto powierzchnię czynną, która przybiera kształt paraboli (rys. 38), Przyjmuje się, że powierzchnie oddziaływania ognia przyjmują kształt figur prostych. Parametry paraboli uwarunkowane są rodzajem badanego materiału. Na podstawie dokonanych obserwacji (rys. 38) dla pola powierzchni objętej spalaniem zastosowano kształt paraboli 22

A SBI (t) = 4 3 L(t) h(t), m2 (14) gdzie: A SBI (t) - powierzchnia czynna eksponowanej próbki materiału w badaniu PN-EN 13823, m 2, L(t) - przejście przez i-tą strefę przy podstawie, m, h(t) - wysokość powierzchn i czynnej od 1m do 1,5m, m, Rys. 38. Mechanizm oszacowania powierzchni czynnej, w czasie 5 minut oddziaływania płomienia z palnika, w metodzie wg PN-EN 13823 (Badania własne) 7.3. Skorygowane wyniki badań własnych Graficznie przedstawiono, odniesione do jednostki powierzchni, wartości średnie: maksymalnej szybkości wydzielania ciepła (rys. 39) oraz maksymalnej średniej całkowej szybkości wydzielania ciepła MARHE (rys. 40). Przeprowadzono również analizę porównawczą wymienionych parametrów pomiędzy poszczególnymi metodami przy pomocy regresji liniowej. Wyniki analizy przedstawiono graficznie na rysunkach 41 46. W tabelach 9 i 10 przedstawiono współczynniki korelacji R 2. Uzyskano zadawalającą zgodność wyników w badaniach dotyczących maksymalnej szybkości wydzielania ciepła. 23

Rys. 39. Porównanie wartości maksymalnej szybkości wydzielania ciepła w przeliczeniu na jednostkę powierzchni materiału uzyskane metodami według ISO 5660-1/ FTP-10, IM0, PN-EN 13823 oraz FTP-5, IMO/ISO 5658-2 24

Rys. 40. Porównanie wartości MARHE, w przeliczeniu na jednostkę powierzchni materiału, metodą według: ISO 5660-1/ FTP-10, IMO, PN-EN 13823 oraz FTP-5, IMO/ISO 5658-2 25

Rys. 41. Porównanie wartości HRR, na jednostkę powierzchni, uzyskanych metodami kalorymetrycznymi wg PN-EN 13823 i wg FTP-5, IMO dla wszystkich materiałów Rys. 42. Porównanie wartości HRR, na jednostkę powierzchni, uzyskanych metodami kalorymetrycznymi wg PN-EN 13823 i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów Rys. 43. Porównanie wartości HRR, na jednostkę powierzchni, uzyskanych metodami kalorymetrycznymi wg FTP-5, IMO i wg ISO5660-1/FTP-10, IMO, dla wszystkich materiałów Tabela 9. Zestawienie współczynnika korelacji (R²) maksymalnej szybkości wydzielania ciepła na jednostkę powierzchni Współczynnik korelacji R² maksymalnej szybkości wydzielania ciepła na jednostkę powierzchni PN-EN13823 do ISO 5660-1 /FTP-10, IMO PN-EN13823 do FTP-5, IMO/ISO 5658-2 FTP-5, IMO/ISO 5658-2 do ISO 5660-1 /FTP-10, IMO Materiały drewnopochodne Tworzywa sztuczne Materiały trudnopalne 0,94 0,89 0,72 0,94 0,96 0,93 0,91 0,89 0,71 26

Rys. 44. Porównanie wartości MARHE, na jednostkę powierzchni, uzyskanych metodami kalorymetrycznymi wg PN-EN 13823 i wg FTP-5, IMO dla wszystkich materiałów Rys. 45. Porównanie wartości MARHE, na jednostkę powierzchni, uzyskanych metodami kalorymetrycznymi wg PN-EN 13823 i wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów Rys. 46. Porównanie wartości MARHE, na jednostkę powierzchni, uzyskanych metodami kalorymetrycznymi wg FTP-5, IMO i wg ISO5660-1 /FTP-10, IMO dla wszystkich materiałów Tabela 10. Zestawienie współczynnika korelacji (R²) MARHE na jednostkę powierzchni Współczynnik korelacji R² MARHE na jednostkę powierzchni PN-EN13823 do ISO 5660-1 / FTP-10, IMO PN-EN13823 do FTP-5, IMO/ISO 5658-2 FTP-5, IMO/ISO 5658-2 do ISO 5660-1 / FTP-10, IMO Materiały drewnopochodne Tworzywa sztuczne Materiały trudnopalne 0,91 0,67 0,75 0,57 0,23 0,92 0,57 0,33 0,19 27

Brak zgodności wyników z badań wartości maksymalnej średniej całkowej intensywności wydzielania ciepła MARHE (rys. 44 46, Tabela 10), spowodowane jest przejściem tego maksimum w drugą fazę spalania, co skutkuje zmianą warunków rozkładu termicznego i spalania (rys.48). Stąd też należy rozpatrywać uzyskane wyniki z badań w pierwszym okresie badania, gdy warunki termiczne są zbliżone we wszystkich metodach badawczych. Rys. 48. Szybkość wydzielania ciepła oraz średnia całkowa szybkość wydzielania ciepła (AVHR) z jednostki powierzchni materiału płyta wiórowa laminowana grubości 10 w funkcji czasu (Badania własne) 8. Podsumowanie Przeprowadzone badania porównawcze szybkości wydzielania ciepła z jednostki powierzchni objętej spalanie metodami wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO, FTP część 5, IMO/ISO 5658 i PN EN 13823 wykazały, że istnieje korelacji między uzyskanymi wynikami. Wykazano, że jedną z przyczyn powodujących brak korelacji jest nieuwzględnienie powierzchni objętej spalaniem. Uzyskanie porównywalnych wartości tych samych parametrów, na różnych stanowiskach badawczych, można osiągnąć wtedy i tylko wtedy, gdy bada się je w tych samych warunkach rozkładu termicznego i spalania. W związku z tym, przystępując do badań korelacji wyników badań uzyskanych różnymi metodami, należy przeprowadzić dokładną analizę warunków rozkładu termicznego i spalana badanych próbek. Poza tym wielkości porównywane muszą być odniesione do jednostki powierzchni objętej spalaniem. Na podstawie analizy warunków rozkładu termicznego i spalania metodami: ISO 5660-1/FTP-10 IMO, FTP-5, IMO/ISO 5658-2 oraz PN-EN 13823 ustalono, że we wszystkich metodach występują, w początkowej fazie badania, warunki termiczne, w których gęstość strumienia ciepła wynosi 50 kw/m² ± 2 kw/m². Uzyskana zgodność wyników badań szybkości wydzielania ciepła z jednostki powierzchni badanych materiałów pozwala na wstępną ocenę ich przydatności, z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego dla obiektów technicznych lądowych i morskich, na podstawie wyników badań w małej skali. Problem szczególnie ważny w fazie opracowywania nowych bezpiecznych materiałów ze względu na wymiary próbek. W celu potwierdzenia słuszności stosowania zaproponowanej metody należy przeprowadzić jeszcze dalsze badania, w tym polepszenia zgodności wyników pozostałych parametrów klasyfikacyjnych maksymalnej średnie całkowej szybkości wydzielania ciepła (MARHE) i wskaźnika wzrostu pożaru (FIGRA). 28

9. Wnioski 1. Na podstawie analizy badań literaturowych i własnych, w warunkach laboratoryjnych, rozkładu termicznego i spalania, uzyskanie porównywalnych wartości tych samych parametrów, na różnych stanowiskach badawczych, można osiągnąć wtedy i tylko wtedy, gdy bada się je w tych samych warunkach rozkładu termicznego i spalania. 2. Dobrą powtarzalność wyników pomiaru na danym stanowisku można uzyskać zachowując stałość warunków wymiany ciepła elementów stanowiska oraz rozkładu termicznego i spalania próbek badanego materiału oraz konserwacji urządzeń pomiarowych po każdej serii testu. 3. Przeprowadzone badania porównawcze intensywności wydzielania ciepła z jednostki powierzchni objętej spalanie metodami wg ISO 5660-1/FTP-10, IMO, FTP część 5, IMO/ISO 5658 i PN EN 13823 wykazały, że istnieje korelacji między uzyskanymi wynikami. 4. Można ze sobą porównywać wyniki badań szybkości wydzielania ciepła z jednostki powierzchni metodami: ISO 5660-1/FTP-10, IMO; FTP-5, IMO/ISO 5658; PN-EN 13823 tylko w pierwszej fazie badania do wystąpienia pierwszego maksimum szybkości wydzielania ciepła, ponieważ w tym okresie proces rozkładu termicznego i spalania próbek (danego materiału) zachodzi w zbliżonych warunkach termicznych. 5. Pomiary szybkości wydzielania ciepła z jednostki powierzchni w małej skali (metoda ISO 5660-1/FTP-10, IMO) pozwalają oszacować wartości maksymalnej szybkości wydzielania ciepła w dużej skali (metoda PN- EN 13823). 6. Na podstawie pomiaru szybkości wydzielania ciepła z jednostki powierzchni metodą FTP-5, IMO/ ISO 5658-2 pozwalają oszacować wartość maksymalną szybkości wydzielania ciepła określoną metodą wg PN-EN 13823 (SBI). 7. Materiał/ wyrób, który spełnia, podczas badania wg FTP-5, IMO określone w Kodeksie FTP:2010 parametry to przewidywalnie spełni również wymagania dla budownictwa kolejowego (PN-EN 45545-2: 2012) dla wymagania R1, R2, R3 w kategoriach projektowych taboru kolejowego HL1, HL2 i HL3 oraz ten sam materiał może również spełnić wymagania budownictwa lądowego (PN-EN 13501-1:2010) dla klasy reakcji na ogień B. 8. Konieczne jest przeprowadzenie dalszych badań, w tym dotyczących polepszenia zgodności wyników pozostałych parametrów klasyfikacyjnych - maksymalnej średnie całkowej intensywności wydzielania ciepła - MARHE i wskaźnika wzrostu pożaru FIGRA. 29

10. Zastosowanie wyników badań materiałów w małej skali do wstępnej oceny przydatności dla różnych obiektów technicznych Ten sam materiał może być stosowany w różnych obiektach technicznych pod warunkiem, że spełnia różne wymagania techniczne dla tych obiektów. W związku z tym opracowano możliwość wstępnej oceny przydatności danego materiału z punktu widzenia stwarzanego zagrożenia pożarowego dla wymagań morskich na podstawie wyników badań potwierdzających spełnienie wymagań lądowych lub kolejowych i odwrotnie. Pożarowe wymaganie techniczne dla obiektów technicznych określają w: budownictwie morskim Kodeks FTP:2010, budownictwie kolejowym PN-EN 45545-2:2012, budownictwie lądowym PN-EN 13501-1:2010. Przy klasyfikacji ogniowej zazwyczaj wymagane jest spełnienie kilku parametrów. Na podstawie przeprowadzonych badań wg metody ISO 5660-1 / FTP-10, IMO przy ekspozycji promieniowania cieplnego 50 kw/m² w obecności elektrycznej zapalarki iskrowej, gdy równocześnie spełnione będą warunki: średniej maksymalnej szybkość wydzielania ciepła 1,3 kw, MARHE 50 kw, to spełnione mogą być wymagania: kolejowe wg PN-EN 45545-2:2013 na poziomie R1/ R7 (HL1, HL2, HL3) oraz R3 (HL1, HL2, HL3), lądowe wg PN-EN 13501-1:2010, morskie wg Kodeksu FTP-5, IMO. Badając materiał na stanowisku wg metody ISO 5658-2/ FTP-5 IMO, gdy równocześnie uzyska : gęstość krytycznego strumienia ciepła 20 kw/m², maksymalną szybkość wydzielania ciepła 5,5 kw, to może spełnić wymagania kolejowe wg PN-EN 45545-2:2013 na poziomie R1/R7 (HL2) oraz budownictwa lądowego na poziomie klasy reakcji na ogień C. Jeżeli natomiast materiał/ wyrób spełnia, podczas badania wg FTP-5, IMO określone w Kodeksie FTP:2010 parametry to przewidywalnie spełni wymagania dla budownictwa kolejowego (PN-EN 45545-2: 2012) dla wymagania R1, R2, R3 w kategoriach projektowych taboru kolejowego HL1, HL2 i HL3. Ten materiał może również spełnić wymagania budownictwa lądowego (PN-EN 13501-1:2010) dla klasy reakcji na ogień A2 lub B. Gdy materiał osiągnie klasę C reakcji na ogień wyrobów to jednocześnie może spełnić wymagania dla taboru kolejowego R1 i R7 dla poziomu zagrożenia HL2 oraz dla R3 w kategorii HL1, HL2 I HL3. Natomiast gdy materiał wyrób uzyska klasę C to najprawdopodobniej nie będzie mógł być stosowany w środkach transportu kolejowego i morskiego. 30