Pyrolysis and Cracking of Nordic Timbers Under External Heat Exposure
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-08-23
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024
Department
Rakennustekniikan laitos
Department of Civil Engineering
Department of Civil Engineering
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
77 + app. 91
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 146/2024
Abstract
Timber as a construction material has been gaining renewed interest in recent times. However, wood is inherently associated with an increased risk to fire safety. To address the fire risks of wood construction, regulators impose prescriptive building codes that define the limits for use of timber in construction. Performance-based fire safety design is the only method to realize timber construction projects that go beyond the boundaries set by prescriptive building codes. Computational fluid dynamics (CFD) -based fire simulation is a common tool in performancebased fire safety engineering. In realistic CFD fire simulations involving wooden surfaces, wood is defined by a material model that predicts char front progress and release of combustible volatiles, thus interacting with flaming in the gaseous phase. This thesis proposes material models for spruce and pine woods for use in performance-based fire safety design. The thesis also provides an experimental dataset of direct observations of cracking on surface of charring timber to help in implementation of cracking effects to material models in later research. During this work, two independent material models were developed for the studied wood species of spruce and pine: one that assumes wood decomposing through pyrolysis as a single component (single reaction), and another that observes pyrolysis as a sum of individual decomposition reactions of wood primary components: hemicellulose, cellulose and lignin (parallel reactions). Material properties and decomposition kinetics of wood were studied by use of various microscale experimental methods, such as thermogravimetry and differential scanning calorimetry. Cone calorimeter experiments were used in estimation of any remaining model parameters, and in material model validation. The single reaction model arises as the preferable option, offering a similar quality of fit to the experimental data as the more complex parallel reactions model, but without the associated increased model uncertainty. Validation using large-scale experiments revealed that the model is highly sensitive to the surrounding oxygen concentration of the surrounding atmosphere, and inclusion of the oxidation reaction is important for correct fire spread prediction. Formation of cracks on charring spruce, pine and birch woods was studied in real time using an infrared camera. The experiments revealed a linear relationship between heat flux and the inverse of the square root of crack formation time, analogously to the time to ignition in ignition model for thermally thick solids. Contrary to expectations, the number of cracks did not grow consistently as a function of heat flux. The analytical formulation of a previously existing cracking model predicts the number of cracks in correct order of magnitude, but not accurately.Kiinnostus puuhun rakennusmateriaalina on ollut kasvussa viime aikoina. Puumateriaaliin kuitenkin liittyy olennaisesti kasvanut paloturvallisuusriski. Puurakentamisen paloriskien hallitsemiseksi on asetettu erilaisia taulukoituja rakennusmääräyksiä, jotka asettavat rajoituksia puun käytölle rakentamisessa. Toiminnallinen palosuunnittelu on ainoa keino toteuttaa puurakennuksia, jotka eivät mukaudu taulukoitujen rakennusmääräysten rajoituksiin. Laskennalliseen virtausmekaniikkaan perustuva tulipalomallinnus yleinen työkalu toiminnallisessa palosuunnittelussa. Realistisissa puuta palavana pintana sisältävissä virtausmekaanisissa palomallinnuksissa puun hiiltyminen ja palavien kaasujen vapauttaminen määritellään materiaalimallilla. Näin ollen puu on vuorovaikutuksessa kaasufaasissa tapahtuvan liekehtimisen kanssa. Tässä väitöskirjassa on kehitetty materiaalimallit kuusi-, ja mäntypuutavaralle käytettäväksi toiminnallisessa palosuunnittelussa. Väitöskirjassa on myös esitetty suorat kokeelliset havainnot hiiltyvän puun pinnan halkeilusta auttamaan halkeilun vaikutuksen huomioimisessa materiaalimallinnuksessa myöhemmässä tutkimuksessa. Tämän väitöstyön aikana kehitettiin kaksi erillistä materiaalimallia tutkituista puulajeista molemmille, sekä kuuselle että männylle. Näistä ensimmäinen on yhden reaktion malli, joka olettaa puun yhtenäisesti pyrolysoituvaksi materiaalikomponentiksi, ja toinen rinnakkaisten reaktioiden malli, joka tarkkailee kunkin puun pääkomponentin (hemiselluloosa, selluloosa, ligniini) pyrolyysiä erillisenä reaktiona. Materiaaliominaisuudet ja kineettiset parametrit selvitettiin käyttäen eri mikroskaalan koemenetelmiä, kuten termogravimetriaa ja differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa. Kartiokalorimetrikokeita käytettiin loppujen malliparametrien arvioinnissa ja materiaalimallin validoinnissa. Yhden reaktion malli osoittautui suositeltavaksi vaihtoehdoksi, sen tarjotessa yhtäläisen sopivuuden koetuloksiin kuin monimutkaisempi rinnakkaisten reaktioiden malli, mutta ilman monimutkaisemman mallin suurempaa epävarmuutta. Validointi käyttäen suuren mittakaavan palotestejä paljasti, että malli on huomattavan herkkä ympäröivälle happipitoisuudelle, ja hapettumisen huomioiminen on tärkeää palon leviämisen oikeellisen ennustamisen kannalta. Halkeamien muodostumista hiiltyvän kuusen, männyn ja koivun pinnoilla tutkittiin reaaliaikaisesti infrapunakameralla. Kokeet paljastivat lineaarisen riippuvuuden ulkoisen lämpövirrantiheyden ja halkeamien muodostumisajan neliöjuuren käänteisluvun välillä. Termisesti paksujen kiinteiden aineiden syttymismalli ennustaa vastaavan riippuvuuden syttymisajankohdalle. Vastoin odotuksia halkeamien lukumäärä ei johdonmukaisesti kasvanut ulkoisen lämpövirrantiheyden funktiona. Aiemmin olemassa olleen halkeilumallin analyyttinen muotoilu ennusti halkeamien määrän oikeassa suuruusluokassa kykenemättä kuitenkaan tarkkaan ennusteeseen.Description
Supervising professor
Hostikka, Simo, Prof., Aalto University, Department of Civil Engineering, FinlandKeywords
performance-based fire safety engineering, wood, charring, pyrolysis, cracking, toiminnallinen palosuunnittelu, puutavara, hiiltyminen, pyrolyysi, halkeilu
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Rinta-Paavola, Aleksi; Hostikka, Simo. 2022. A model for the pyrolysis of two Nordic structural timbers. Fire and Materials 46(1):55-68.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202103222510DOI: 10.1002/fam.2947 View at publisher
-
[Publication 2]: Rinta-Paavola, Aleksi; Sukhomlinov, Dmitry; Hostikka, Simo. 2023. Modelling Charring and Burning of Spruce and Pine Woods During Pyrolysis, Smoldering and Flaming. Fire Technology 59(5):2751-2786.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202309135806DOI: 10.1007/s10694-023-01458-9 View at publisher
-
[Publication 3]: Rinta-Paavola, Aleksi; Ferrantelli, Andrea; Hostikka, Simo. Experimental Observation of Crack Formation on Surface of Charring Timber.
DOI: 10.1016/j.firesaf.2024.104231 View at publisher
