Γιατί σπάνε τα τζάμια κατά τη διάρκεια πυρκαγιών;
Η φωτιά προκαλεί την ανομοιόμορφη θέρμανση του γυαλιού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη θερμική καταπόνηση στο υλικό, η οποία προκαλεί το σπάσιμο των τζαμιών.
Όλοι έχουμε απολαύσει ταινίες δράσης, ειδικά εκείνες τις κορυφώσεις που κόβουν την ανάσα, όπου ένας γιγαντιαίος πύργος καίγεται και τα σπασμένα κομμάτια γυαλιού πέφτουν βροχή από τον ουρανό. Αλίμονο, κανένα σημάδι του ήρωα, αλλά τελικά, αφού τα κομμάτια γυαλιού που θρυμματίζονται σιωπούν, ο ήρωας βγαίνει όρθιος.
Όσο υπερβολικά δραματική και αν φαίνεται η σκηνή, υπάρχει μια δόση πραγματικότητας. Το σπάσιμο του γυαλιού λόγω φωτιάς δεν είναι απλώς ένα κομμάτι κινηματογραφικής μαγείας, αλλά είναι γνωστό ότι συμβαίνει και στην πραγματική ζωή. Είναι γνωστό ότι ατυχή περιστατικά, όπως πυρκαγιές σε διαμερίσματα, προκαλούν σπάσιμο γυαλιού.
Γιατί σπάει το γυαλί κατά τη διάρκεια πυρκαγιάς;
Τα ανοίγματα ή τα παράθυρα στους τοίχους ενός δωματίου που καίγεται παίζουν βασικό ρόλο στην εξάπλωση της φωτιάς. Τα παράθυρα είναι εκείνα τα μέρη του κτιρίου που έχουν γενικά μικρότερη αντίσταση στη φωτιά, σε σύγκριση με τους τοίχους. Κατά τη διάρκεια μιας ανερχόμενης πυρκαγιάς στο διαμέρισμα, υπάρχει αύξηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του δωματίου. Το σπάσιμο των υαλοπινάκων συμβαίνει λόγω της ανομοιόμορφης θέρμανσης που προκαλείται από τη φωτιά.
Ο υαλοπίνακας δεν υπόκειται σε ομοιόμορφη θερμότητα από τη φωτιά του διαμερίσματος. Η περιοχή του υαλοπίνακα που υποκύπτει στη θερμότητα περισσότερο είναι η κεντρική περιοχή. Ως αποτέλεσμα, το κέντρο του τζαμιού είναι πιο ζεστό από το υπόλοιπο. Έτσι, τα κύματα καύσωνα από τη φωτιά δημιουργούν μια «κλίση θερμότητας» σε όλη την επίπεδη διάσταση του υαλοπίνακα. Διαφορετικές περιοχές του υαλοπίνακα υφίστανται διαφορική θέρμανση, γι' αυτό ονομάζεται ανομοιόμορφη θέρμανση.
Υπάρχουν διάφοροι παράγοντες που οδηγούν στην «ανομοιόμορφη θέρμανση» του γυαλιού. Αυτά θα συζητηθούν σύντομα.
Έσπασε παράθυρο λόγω πυρκαγιάς (Φωτογραφία:Ron Frank/Shutterstock)
Πώς σπάει το γυαλί λόγω πυρκαγιάς;
Τα τζάμια τοποθετούνται εντός κουφωμάτων και το πάχος του πλαισίου είναι μεγαλύτερο σε σύγκριση με το τζάμι. Κατά τη διάρκεια μιας πυρκαγιάς, υπάρχει μια έντονη ροή θερμότητας που εμφανίζεται ξαφνικά στη μία πλευρά ενός υαλοπίνακα. Ως αποτέλεσμα, δημιουργείται μια έντονη θερμική κλίση σε όλο το πάχος του υαλοπίνακα.
Η ταχεία θέρμανση που προκαλείται από τη φωτιά ονομάζεται «θερμικό σοκ», ενώ η βαθιά κλίση που δημιουργείται ονομάζεται «θερμική καταπόνηση». Η θερμική καταπόνηση προκαλεί το σπάσιμο του υαλοπίνακα.
Το πάχος του πλαισίου είναι μεγαλύτερο από αυτό του υαλοπίνακα. Κατά τη διάρκεια μιας πυρκαγιάς, η θερμική καταπόνηση εστιάζεται στην κεντρική περιοχή του υαλοπίνακα και η φωτιά μεταφέρει θερμική θερμότητα ως θερμική ακτινοβολία στο υαλοπίνακα. Οι άκρες/ζάντες προστατεύονται από την ακτινοβολία και τη θέρμανση. Οι άκρες χάνουν ενέργεια/θερμότητα στο πλαίσιο με αγωγή μέσω του υαλοπίνακα.
Ως αποτέλεσμα, η θερμότητα που εστιάζεται στην κεντρική περιοχή του γυαλιού προκαλεί διαστολή του. Ενώ οι άκρες του υαλοπίνακα τυχαίνει να είναι σχετικά πιο ψυχρές, αυτό προκαλεί πίεση στο υλικό. Αυτή η κλίση μετατόπισης είναι γνωστό ότι προκαλεί το σπάσιμο του γυαλιού.
Απεικόνιση κλίσης θερμοκρασίας που οδηγεί σε ράγισμα γυαλιού
Ακόμη και σε περιπτώσεις ομοιόμορφης θέρμανσης ή όταν το τζάμι υφίσταται ομοιόμορφο θερμικό φορτίο, τα πλαϊνά/τζάμια του τζαμιού παραμένουν σχετικά πιο ψυχρά. Αυτό συμβαίνει επειδή η θερμότητα από τα πλαϊνά θα διαχέεται στα παχύτερα κουφώματα των παραθύρων, καθιστώντας τα πλαϊνά δροσερά.
Το ράγισμα του γυαλιού συμβαίνει πριν από τη θραύση. Οι ρωγμές προέρχονται από τα πλαϊνά του γυαλιού που είναι ενσωματωμένα σε πλαίσια. Ο χρόνος μεταξύ του πρώτου ραγίσματος του γυαλιού και της πλήρους θραύσης εξαρτάται από τον τύπο του γυαλιού και τη φύση της φωτιάς.
Ρωγμή που προέρχεται από την άκρη του παραθύρου (Photo Credit :cunaplus/Shutterstock)
Παράγοντες που επηρεάζουν το σπάσιμο του γυαλιού:
Δεν σπάνε όλα τα τζάμια στην ίδια θερμοκρασία. Διαφορετικοί τύποι γυαλιού έχουν διαφορετικές δυνατότητες θερμικής αντίστασης.
(1) Πάχος του υαλοπίνακα.
Το πάχος του γυαλιού είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει το σπάσιμο του γυαλιού. Διεξήχθησαν αρκετά πειράματα προκειμένου να κατανοηθεί η σχέση μεταξύ του πάχους του γυαλιού και της θερμικής καταπόνησης. Έγιναν οι ακόλουθες παρατηρήσεις:
| Πάχος γυαλιού | Θερμοκρασία θραύσης |
| 3 mm | 360℃ |
| 4 mm | 450℃ |
| 6 mm | 600℃ |
(2) Τύπος γυαλιού
Ο τύπος του γυαλιού στο πλαίσιο κάνει επίσης τη διαφορά.
Το γυαλί πλάκας που χρησιμοποιείται σε εμπορικά κτίρια δοκιμάστηκε για τη θερμική του αντοχή. Γυαλί πλάκας πάχους 6 mm έσπασε με έκθεση σε ακτινοβολούμενη ροή θερμότητας 23 kW m-2. Ο χρόνος που χρειάστηκε για να σπάσει ήταν 7 λεπτά.
Διαπιστώθηκε ότι το σκληρυμένο γυαλί έσπασε εντελώς κατά την αρχική ρωγμή. Ωστόσο, το αρχικό ράγισμα δεν είναι γνωστό ότι συμβαίνει έως ότου το γυαλί εκτεθεί σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Ένα σκληρυμένο γυαλί πάχους 6 mm απαιτούσε περίπου 330–380ºC για να ραγίσει, ενώ για γυαλί πάχους 10 mm, ήταν περίπου 470–590ºC.
Οι πλαστικοί υαλοπίνακες που χρησιμοποιούνται σε οχήματα μεταφοράς και σχολικά κτίρια απαιτούσαν εισροή θερμότητας 26 kW m-2 για να σπάσουν.
(2) Τύπος πλαισίου
Το υλικό του πλαισίου παραθύρων είναι επίσης γνωστό ότι έχει σημαντική επίδραση στη θραύση του γυαλιού που προκαλείται από πυρκαγιές. Μελέτες έχουν δείξει ότι τα παράθυρα με σκελετό βινυλίου υπέκυψαν σε πρώιμες ζημιές. Το πλαίσιο υπέστη ζημιά όταν οι ροές θερμότητας αυξήθηκαν στην περιοχή από 8 έως 16 kW m-2.
Περαιτέρω μελέτες έδειξαν ότι το γυαλί στα παράθυρα με σκελετό αλουμινίου επιβίωσε στις πυρκαγιές καλύτερα από τα παραδοσιακά παράθυρα με σκελετό από ξύλο.
Εκτός από τις προαναφερθείσες πτυχές, παράγοντες όπως το μέγεθος του παραθύρου, οι αεραγωγοί θερμότητας, η επίστρωση γυαλιού, τα σχέδια σκίασης, τα ελαττώματα του γυαλιού και η επίπεδη κλίση θερμοκρασίας είναι επίσης γνωστό ότι επηρεάζουν το σπάσιμο του γυαλιού λόγω πυρκαγιών. Αυτοί οι παράγοντες ακόμη μελετώνται και αναλύονται.
Διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική καταπόνηση
Γιατί είναι απαραίτητο να μελετηθεί η θερμική αντίσταση του γυαλιού;
Αν και αυτή η συζήτηση μπορεί να μας φαίνεται μάταιη, είναι ύψιστης προτεραιότητας για πολλούς ανθρώπους. Το σπάσιμο του γυαλιού κατά τη διάρκεια πυρκαγιάς στο διαμέρισμα είναι ένα κρίσιμο πρόβλημα, καθώς τα παράθυρα λειτουργούν ως εμπόδια πριν από τη θραύση και ως αεραγωγοί ή ανοίγματα μετά τη θραύση.
Η επιστήμη της πυρκαγιάς είναι πολύ σημαντική στη μηχανική κατάγματος. Είναι ζωτικής σημασίας στους τομείς της κατασκευής μηχανημάτων και των πολιτικών μηχανικών. Για να χρησιμοποιηθούν μοντέλα πυρκαγιάς, πρέπει να διερευνηθούν οι αεραγωγοί και τα ανοίγματα πυρκαγιάς. Ως εκ τούτου, η θραύση του γυαλιού και η αντοχή του έχουν έντονο ενδιαφέρον για τους μοντελιστές πυρκαγιάς. Η γνώση των εξόδων πυρκαγιάς, των αεραγωγών και των παραθύρων καθίσταται σημαντική για την αποφυγή ατυχημάτων.
Ακόμη και όταν πρόκειται για αυτοκίνητα, η αντοχή του γυαλιού που χρησιμοποιείται αναλύεται προσεκτικά. Αυτά τα πλαίσια και πολλά άλλα έχουν οδηγήσει σε μια σειρά από θεωρητικά, εμπειρικά και πρακτικά πειράματα που διεξάγονται προκειμένου να μελετηθεί η ικανότητα αντοχής στη φωτιά του γυαλιού.
