APLIKÁCIA PROGRESÍVNEJ TESTOVACEJ METÓDY NA STANOVENIE POŽIARNOTECHNICKÝCH CHARAKTERISTÍK SMREKOVÉHO

TECHNICKÁ UNIVERZITA VO ZVOLENE

APLIKÁCIA PROGRESÍVNEJ TESTOVACEJ METÓDY NA STANOVENIE

Táto publikácia vznikla vďaka grantovej podpore Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-17-0005 „Systematický prístup k štúdiu zmien parametrov požiaru s využitím progresívnych analytických a forenzných metód“ a VEGA č. 1/0115/22 “Komplexný prístup k štúdiu zmien parametrov požiaru s využitím progresívnych analytických a testovacích metód“.

Autor:

doc. Ing. Martin Zachar, PhD., Technická univerzita vo Zvolene

APLIKÁCIA PROGRESÍVNEJ TESTOVACEJ METÓDY

NA STANOVENIE POŽIARNOTECHNICKÝCH CHARAKTERISTÍK

SMREKOVÉHO DREVA

Vedecká monografia

Recenzenti:

prof. Ing. Jozef Martinka, PhD., Slovenská technická univerzita v Bratislave doc. Ing. Bc. Linda Osvaldová Makovická, PhD. Žilinská univerzita v Žiline

I. 2022, 118 s.

Forma dokumentu: elektronická (online PDF)

Vydavateľstvo: Technická univerzita vo Zvolene

Design: doc. Ing. Martin Zachar, PhD

Schválené rektorom Technickej univerzity vo Zvolene číslo EP 45/2022 ako vedecká monografia.

 Technická univerzita vo Zvolene

 doc. Ing. Martin Zachar, PhD.

Rukopis prešiel jazykovou korektúrou. Za odbornú a jazykovú úroveň tejto publikácie zodpovedajú autori a recenzenti.

ISBN 978-80-228-3354-7

Všetky práva vyhradené. Nijaká časť textu ani ilustrácie nemôžu byť použité na ďalšie šírenie akoukoľvek formou bez predchádzajúceho súhlasu autorov alebo vydavateľstva.

TECHNICKÁ UNIVERZITA VO ZVOLENE

Drevárska fakulta

Martin ZACHAR

APLIKÁCIA PROGRESÍVNEJ TESTOVACEJ METÓDY NA STANOVENIE

POŽIARNOTECHNICKÝCH CHARAKTERISTÍK SMREKOVÉHO DREVA

Predslov

Častý výskyt požiarov a značný rozsah nimi spôsobených škôd radí tieto javy medzi významné faktory, ktoré nepriaznivo ovplyvňujú pozitívny rozvoj ekonomiky. Ich sprievodným znakom býva ohrozenia života a zdravia občanov, zranenia nebo straty na životoch a materiálne škody Požiare značnou mierou ohrozujú alebo narušujú spoločenské záujmy. Na predchádzanie požiarom a zabraňovaní ich vzniku je nutné presné stanovenie ich príčin, vyhodnotenie a podrobná analýza, vrátane stanovenia nápravných opatrení a prípadný postih zodpovedných osôb. Pre správne stanovenie príčiny vzniku požiaru je potrebné poznať vybrané požiarnotechnické charakteristiky materiálov.

V súčasnosti sa na stanovenie požiarnotechnických charakteristík využíva veľké množstvo normalizovaných aj nenormalizovaných skúšobných metód. Normalizované skúšobné metódy sa používajú predovšetkým na účely preukázania splnenia požiadaviek kladených na materiál alebo výrobok platnými právnymi predpismi. Nenormalizované skúšobné metódy nachádzajú uplatnenie predovšetkým v oblasti vedy a výskumu Je však potrebné pripomenúť, že pomerne veľké množstvo normalizovaných skúšobných metód vzniklo pôvodne vo výskumných laboratóriách ako nenormalizované.

Predložená vedecká monografia „Aplikácia progresívnej testovacej metódy na stanovenie požiarnotechnických charakteristík smrekového dreva“ pojednáva o návrhu a realizácii novej testovacej metódy na stanovenie vybraných požiarnotechnických charakteristík smrekového dreva. Získané výsledky sú prínosom v oblasti požiarneho inžinierstva a vedy a môžu byť aplikované v ďalšom výskume v danej oblasti. Taktiež je možné uplatniť ich v oblasti požiarnej prevencie a počítačom podporovaného modelovania požiarov.

Úvod

V súčasnosti sa v testovaní materiálov a stavebných konštrukcií využíva veľké množstvo normalizovaných aj nenormalizovaných skúšobných metód. Normalizované skúšobné metódy sa používajú predovšetkým na účely preukázania splnenia požiadaviek kladených na materiál alebo výrobok platnými právnymi predpismi. Nenormalizované skúšobné metódy nachádzajú uplatnenie predovšetkým v oblasti vedy a výskumu, ale aj v oblasti zisťovania príčin vzniku požiarov (napr. rekonštrukcia požiarov v laboratórnej mierke). Je však potrebné pripomenúť, že pomerne veľké množstvo normalizovaných skúšobných metód vzniklo pôvodne vo výskumných laboratóriách ako nenormalizované. Až postupom času, keď výsledky vedeckého výskumu dokazovali, že na základe výsledkov týchto skúšok je možné urobiť spoľahlivý odhad správania sa materiálu v určitej fáze rozvoja požiaru, boli tieto metódy zakotvené v technických normách (Martinka, Balog, 2014).

Z hľadiska klasifikácie skúšobných metód je možné uviesť nasledovné členenie, ktoré sa považuje za jedno z najjednoduchších:

• skúšobné metódy pre pevné horľavé materiály alebo výrobky,

• skúšobné metódy pre horľavé kvapaliny,

• skúšobné metódy pre horľavé plyny a skúšobné metódy pre horľavé prachy.

Iné rozdelenie skúšobných metód je možné podľa účelu aplikácie materiálu alebo výrobku, napr. stavebné materiály a výrobky, odevy a textílie, nábytok, hračky, plasty. Z pohľadu mierky testovania a tiež aj veľkosti testovanej vzorky môžu byť skúšky rozdelené na analytické, pri ktorých sa hmotnosť vzorky pohybuje rádovo v miligramoch, ďalej laboratórne, u ktorých sa hmotnosť vzorky pohybuje rádovo od jednotiek gramov až po niekoľko kilogramov. Pri stredno-rozmerových skúškach (materiál, výrobok) majú vzorky hmotnosť rádovo v kilogramoch až stovkách kilogramov. Za veľko-rozmerové skúšky môžu byť považované skúšky zamerané na výskum správania sa určitého väčšieho celku, ktorého rozmer je rádovo rovnaký, ako rozmer rovnakého celku používaného v technickej praxi, pričom môže ísť o skúšku celej budovy alebo časti budovy (Martinka, Balog, 2014).

Podľa jednotlivých fáz rozvoja požiaru môžeme metódy testovania materiálov rozdeliť na skúšky iniciačných charakteristík (teplota alebo bod vzplanutia a vznietenia, kritická hustota tepelného toku, sklon materiálu k samovznieteniu), skúšky rýchlosti šírenia plameňa, skúšky rýchlosti uvoľňovania tepla, skúšky zamerané na posúdenie sklonu materiálu šíriť požiar vo

fáze flashover, skúšky požiarnej odolnosti konštrukcií a skúšky zamerané na toxicitu splodín horenia a optickú hustotu dymu.

Práca je venovaná problematike testovania dreva (ako horľavého materiálu) pomocou malorozmerových skúšok.

Drevo je najstarší prírodný materiál, ktorý sa dodnes využíva na rôznorodé účely, nielen na spaľovanie, či výrobu papiera, ale v značnej miere aj ako stavebný materiál. Rôznorodosť uplatnenia drevnej suroviny núti zamyslieť sa a prehodnotiť postavenie dreva ako stavebnej, dekoračnej alebo pomocnej suroviny v spoločensko-technickej praxi. Na základe danej skutočnosti je výskum dreva čoraz častejšie špecifikovaný na základe daného druhu dreva a jeho použitia. Z pohľadu na drevo, ako na prírodný obnoviteľný zdroja materiálu ktorý, podlieha tepelnému rozkladu v rôznych fázach požiaru je potrebné riešiť jeho termickú degradáciu pomocou rôznych testovacích metód.

Problematika termickej degradácie dreva, znamená zaoberať sa komplexne so zmenami, ktoré nastávajú v jeho vlastnostiach vplyvom vysokých teplôt. Rôzne práce zaoberajúce sa vplyvom vysokých teplôt na mechanické, fyzikálne ako aj chemické vlastnosti vybraných druhov dreva dali odpoveď na mnohé otázky týkajúce sa tejto problematiky.

Avšak výsledkom nových poznatkov bol aj narastajúci počet nových otázok. Vieme, že na horenie dreva vplýva množstvo faktorov, ktoré vstupujú do procesu termickej degradácie zvonku, alebo sú obsiahnuté v samotnom materiály, teda v dreve. Prakticky nie je možné dať uspokojivú odpoveď na všetky otázky týkajúce sa tejto problematiky. Drevo ako prírodný materiál sa vyznačuje vysokou variabilitou vlastností a to nielen na úrovni rôznych druhov dreva, či v rámci jedného druhu, ale aj v samotnom kmeni je štruktúra dreva rozdielna, či už v smere horizontálnom - od stržňa k obvodu, alebo vertikálnom od koreňov ku korune.

1. Drevo a horenie dreva

1.1 Horenie

Neoddeliteľnou súčasťou zabezpečenia protipožiarnej bezpečnosti stavieb je poznanie procesu horenia a predpovedanie dynamiky rozvoja vnútorného požiaru. Poznatky z oblasti dynamiky požiaru sú dôležitými východiskami napríklad pri projektovaní stavieb, riadenej evakuácii, fyzikálnochemickom a matematickom opise interakcií oheň – materiály a oheň –ľudský organizmus, v procese zisťovania príčin vzniku požiaru pri hľadaní možných scenárov vzniku a rozvoja požiaru a určení najpravdepodobnejšej príčiny vzniku požiaru (Kačíková et al., 2017).

Požiar sprevádza ľudí všetkými vývojovými fázami. Ani tie najmodernejšie budovy s najmodernejším protipožiarnym zabezpečením sa nevyhli rozsiahlym a zničujúcim požiarom. Ak horenie pokladáme za proces želateľný, pri ktorom získavame svetlo a teplo, požiar ako sme už uviedli, je proces neželateľný (Kačíková et al., 2006).

Na to, aby mohlo horieť, sú nevyhnutné tri zdroje požiaru. Sú to dva materiálové zdroje –palivo a kyslík (väčšinou obsiahnutý vo vzduchu), tretím zdrojom je energetický zdroj – teplo. Ak sú tieto zdroje vo svojich fyzikálnych hodnotách (vzdialenosť, čas, hmotnosť, teplota a celý rad ďalších) položené tak, že nemôže nastať ich vzájomné ovplyvnenie, reakcie potrebné k začatiu horenia a teda aj požiaru nenastanú. Jednoduchý príklad z praxe: tam, kde skladujeme horľavé materiály sa vyhýbame vysokým teplotám a naopak. Sú prípady, napr. lisovanie, kde rozhodujúcim faktorom je čas. Tu sa niekedy nevyhneme ani vysokým teplotám, ani horľavým materiálom, ale ich kombinácia a čas vzájomného pôsobenia tiež neumožní, aby reakcia horenia vznikla.

Horenie je jav, ktorý nie je možné s požiarom stotožniť. Ak hovoríme o horení a ohni všeobecne, vyjadrujeme tým určitý cielený a želateľný proces s určitým využitím. Horí v želanom čase a priestore a horia materiály k tomu určené – palivo. Získaná energia sa využije. Požiar reprezentuje neželané horenie, v neželanom priestore a čase. Palivom sa stávajú všetky materiály zasiahnuté požiarom. V minulosti boli často akceptované spravidla len lineárne (štandardné) spôsoby šírenia požiaru. Tieto teórie tvrdia, že požiar sa šíri konštantnou rýchlosťou (v prvopočiatku, resp. do 10 min. polovičnou) (Kačíková et al., 2006).

Vplyvom tepla na horľavé materiály dochádza k väčšiemu počtu paralelných a postupných fyzikálnych a chemických dejov. Za prítomnosti oxidačného prostriedku sa za určitých hraničných podmienok začína predovšetkým proces tepelného horenia. Tepelným

horením nazývame akýkoľvek relatívne rýchly reťazový autokatalytický reakčný mechanizmus

spojený s uvoľnením veľkého množstva tepelnej energie, ktorý môže byť sprevádzaný

výrazným svetelným efektom (Balog, Kvarčák, 1999).

Pojem horenie môžeme definovať aj ako chemickú reakciu, ktorá je sprevádzaná uvoľňovaním tepla a vyžarovaním svetla. Horenie sa iniciuje zväčša pri teplotách nad 200 °C. Pre samotný proces horenia je potrebná súčasná interakcia troch základných elementov horenia:

horľavá látka (palivo), oxidačný prostriedok (vzduch, kyslík) a teplo (iniciačný zdroj). Nedostatok alebo absencia ktoréhokoľvek z nich, t . j. prerušenie trojuholníka horenia spôsobí zamedzenie horenia (Balog, Kvarčák, 1999).

Ako prvý ho formuloval Lavoisier (1743 - 1794), ktorý zistil význam kyslíka ako nevyhnutného produktu na horenie. Tým revidoval predchádzajúce teórie horenia napr. teóriu

Stahla (flogistónovú teóriu), ktorá bola kritizovaná viacerými autormi, napr. Lomonosovom.

Trojuholník horenia formuloval aj Emmons (1973) a aktuálne upravený podľa Baloga a Kvarčáka (1999) je uvedený na Obr. 1.

Obr. 1 Schéma trojuholníka horenia (Balog, Kvarčák, 1999)

Na základe tejto teórie boli formulované ďalšie geometrické, (uholníkové) teórie horenia napr. pre plasty štvoruholník horenia (Košík et al., 1976), výbuchový päťuholník (Zapletalová, Balog, 2000) a šesťuholník samovznietenia (Drysdale, 1999).

Horenie tuhých palív je veľmi zložitý proces, k skupenským zmenám často predchádza proces termického rozkladu, ktorý vyžaduje značnú energiu. Na iniciáciu horenia a vznik plameňa vplýva iniciačný zdroj, typ paliva a veľkosť jeho povrchu. Celý proces prebieha ako následné interakcie paliva, vzniknutých spalín a prostredia.

Poznatky z horenia materiálov rôzneho skupenstva a javov a dôsledkov prenosu tepla a látky je možné aplikovať aj na prípad vnútorného požiaru (Obr. 2).

Obr. 2 Schéma prenosu tepla a látky a interakcií pri vnútornom požiari (Karlsson, Quintiere, 2000)

Po zapálení nastáva následný rozvoj. Pri predpoklade plameňového horenia, ktoré vznikne pri vhodnej kombinácii iniciačného zdroja a vlastností paliva, spôsobí šírenie plameňa postupné zvyšovanie množstva uvoľneného tepla. Pri bezplameňovom horení je množstvo vzniknutého tepla nižšie, ale zvyšuje sa podiel produktov nedokonalého horenia. Pri popise tejto fázy je potrebné odhadnúť rýchlosť uvoľňovania energie a nárastu teploty, výťažok produktov horenia v spalinách a ich toxicitu.

Nad plameňom sa vytvára zóna horúcich spalín, ktoré v dôsledku vztlakovej sily a rozdielu hustôt prúdia nahor. Do tohto prúdu je nasávaný okolitý studený vzduch. Po dosiahnutí stropu sa horúce plyny rozširujú vírivými prúdmi a vytvoria hornú horúcu vrstvu, ktorá zasahuje aj bočné steny. Dôležité sú rýchlostné a teplotné profily tejto vrstvy, ako aj zväčšovanie jej hrúbky. Priestor je potom rozdelený na dve vrstvy. V hornej horúcej vrstve sa nachádzajú spaliny zmiešané so vzduchom a dolnú tvorí studený vzduch s pôvodnou teplotou. Vlastnosti uvedených vrstiev sa menia s časom, ale v rámci vrstvy sa pre zjednodušenie predpokladá homogenita.

Horúca vrstva zväčšuje svoj objem a hranica zadymenia klesá smerom nadol. Prísun ďalších horúcich spalín zvyšuje teplotu. Zvyšuje sa množstvo tepla preneseného radiáciou a konvekciou na strop, steny, podlahu, dolnú studenú vrstvu a palivo. Rýchlosť horenia sa zvyšuje a zahrievajú sa ďalšie palivá.

Ak má priestor otvorený otvor do susednej miestnosti alebo okolia a horúca vrstva dosiahne jeho horný okraj, dym začne unikať. Ak má otvor výplň z tabuľového skla, dym bude unikať po jeho prasknutí.

V priebehu rozvoja požiaru dochádza k zvýšeniu rýchlosti horenia a šíreniu plameňa z primárneho paliva na sekundárne palivá. Teplota hornej vrstvy sa zvyšuje a nastáva zvýšenie radiácie na ďalšie horľavé materiály. Dôsledkom je vznietenie alebo vzplanutie v celom priestore, veľmi rýchly a náhly prechod rozvíjajúceho sa požiaru do plne rozvinutého

flashover

V plne rozvinutom požiari plamene šľahajú z otvorov, proces prebieha do deficitu paliva alebo kyslíka. Pri deficite kyslíka, spôsobenom nedostatočnou ventiláciou, oheň pre nedostatok kyslíka uhasína. Znižuje sa rýchlosť uvoľňovania energie a teplota plynov. Teplota je často dostatočná pre pokračovanie pyrolýzy. Dochádza k akumulácii nezhorených plynov. Náhly prísun vzduchu spôsobí zmenšenie tepelného zaťaženia alebo zvýšenie rýchlosti uvoľňovania energie a neskôr môže nastať flashover. V najhoršom prípade sa produkty pyrolýzy po deficite kyslíka zmiešajú s vnikajúcim vzduchom a akýkoľvek zápalný zdroj spôsobí ich explozívne zhorenie. Uvoľnené teplo vyvolá expanziu plynov (zvýšenie tlaku) a rýchle vyšľahnutie horiacich plynov von – backdraft. Zriedkavo môže nastať explózia dymu, keď sa nezhorený plyn po úniku cez štrbiny zmieša so vzduchom, pričom na iniciáciu stačí iskra (Kačíková et al., 2017).

Pre zjednodušený popis prenosových javov a ich vplyv na charakteristiky vnútorného požiaru je potrebné celý jeho priebeh rozdeliť na nadväzujúce fázy podľa vhodných kritérií.

Najčastejšie sa využíva delenie na fázy podľa teplotno – časovej krivky, výmeny plynov cez otvory a vzniku flashover. Pri popise požiaru podľa teplotno-časovej krivky rozoznávame nasledujúce základné fázy (Obr. 3):

1. zapálenie,

2. propagácia (rozvoj),

3. flashover,

4. plne rozvinutý požiar,

5. uhasínanie.

Obr. 3 Teplotno-časová krivka vnútorného požiaru (Karlsson, Quintiere, 2000)

Vo fáze 1 – zapálenie prebiehajú exotermické reakcie, dochádza k nárastu teploty nad teplotu okolia. Zapálenie vyvolávajú vonkajšie iniciačné zdroje alebo môže nastať spontánne. Proces prebieha ako plameňové alebo bezplameňové horenie.

Fáza 2 – rozvoj môže prebiehať nízkou alebo vysokou rýchlosťou v závislosti od typu horenia, typu paliva, interakcie s okolím a prísunu kyslíka. Pri popise tejto fázy sa vychádza z rýchlosti uvoľnenia tepla, ktorá vplýva na rýchlosť nárastu teploty a vznik spalín. Pri rozvoji bezplameňového požiaru sa uvoľňuje veľké množstvo toxických plynov a rýchlosť uvoľňovania energie je nízka. Fáza má dlhé trvanie a požiar môže uhasnúť. Rozvoj plameňového požiaru je rýchly pri dostatku paliva a kyslíka, často je riadený palivom.

Kritériami fázy 3 – flashover je dosiahnutie teploty 500 − 600 °C, radiácia na podlahu 1520 kW∙m-2 a objavenie sa plameňov v otvoroch. Procesy prebiehajú rôznym mechanizmom v závislosti od vlastností a uloženia paliva, geometrie priestoru a podmienok v hornej horúcej vrstve.

Fáza 4 – plne rozvinutý požiar predstavuje uvoľnenie najväčšieho množstva energie. Často je obmedzená dostupnosť kyslíka a vtedy je riadený ventiláciou a dochádza k hromadeniu nezhorených plynov pod stropom a šľahaniu plameňov z otvorov. Teplota plynov dosahuje 700 - 1 200 °C.

Vo fáze 5 – uhasínanie sa v dôsledku spotrebovania paliva znižuje rýchlosť uvoľňovania energie, nastáva pokles teploty plynov a požiar riadený ventiláciou sa mení na požiar riadený palivom.

Pri klasifikácii fáz požiaru na základe výmeny cez otvory vychádzame zo zjednodušenia, že priestor s primárnym požiarom má jeden otvor v úrovni podlahy do okolia. Hybnou silou

výmeny plynov medzi vnútorným a vonkajším priestorom je zmena prúdenia látky na základe zmien tlaku, pričom platí, že tlak na podlahe je vyšší (vyššia hmotnosť stĺpca vzduchu) a teplota dolnej (studenej) vrstvy plynov a vonkajšia je rovnaká.

Hlavné faktory vplývajúce na rozvoj vnútorného požiaru sú palivo a priestor, ďalšími faktormi sú napr. iniciačný zdroj, geometria priestoru, ventilačné otvory, materiál ohraničujúci priestor atď. (Kačíková et al., 2017).

1.1.1 Mechanizmus iniciácie a horenia horľavých látok

Iniciácia horenia je proces pôsobenia vonkajších faktorov na horľavú látku, ktorého výsledkom je oxidačno-redukčná reakcia medzi horľavou látkou a oxidačným prostriedkom (najčastejšie vzdušným kyslíkom), ktorá uvoľňuje rovnaké alebo väčšie množstvo tepla ako je potrebné na udržanie tejto exotermickej oxidačno-redukčnej reakcie. V prípade tuhých materiálov je najväčšia časť energie potrebnej na udržanie procesu horenia spotrebovaná na termický rozklad materiálu na plynné rozkladné produkty a v prípade horľavých kvapalín na ich vyparovanie. Medzi uvedené vonkajšie faktory, ktoré môžu spôsobiť iniciáciu horľavých materiálov patrí zvýšená teplota, elektromagnetické žiarenie (najčastejšie tepelná radiácia vo forme infračerveného žiarenia, ale na proces iniciácie látky môže mať vplyv aj elektromagnetické žiarenie iných vlnových dĺžok, napr. ultrafialové žiarenie spôsobuje zrýchlené starnutie materiálov, ktoré môže vyústiť do ich zníženej termickej odolnosti), pôsobenie oxidačného prostriedku (najčastejšie vzdušný kyslík), pôsobenie vzdušnej vlhkosti a ďalšie vonkajšie vplyvy.

Pred samotným popisom mechanizmu iniciácie a horenia horľavých látok je potrebné definovať homogénne a heterogénne horenie. Pri homogénnom horení sa horľavá látka a oxidačný prostriedok vyskytujú v rovnakom (plynnom) skupenstve. Homogénne horenie sa označuje aj ako plameňové. Homogénnym spôsobom horia všetky látky horiace plameňom.

Homogénnym spôsobom teda horia plynné látky, pary horľavých kvapalín a plynné produkty uvoľňované pri termickom rozklade tuhých horľavých látok. Pri heterogénnom horení sa horľavá látka a oxidačný prostriedok nachádzajú v rozdielnom skupenstve (horľavá látka je v tuhom a oxidačný prostriedok v plynnom skupenstve).

Heterogénne horenie môže prebiehať dvomi základnými mechanizmami a to žeravenie a tlenie. Žeravenie môže byť definované ako exotermická oxidačno-redukčná reakcia medzi tuhou horľavou látkou a oxidačným prostriedkom prebiehajúca v povrchovej vrstve horľavej látky. Tlenie je špecifický prípad termického rozkladu materiálu, ktorý by za iných podmienok

horel homogénnym spôsobom. Tlenie je v podstate termický rozklad materiálu za súčasného uvoľnenia rozkladných produktov, ktorých koncentrácia buď nedosahuje dolnú medzu horľavosti alebo nie je k dispozícii iniciačný zdroj, ktorý by rozkladné produkty inicioval.

Podľa Osvalda (1997) sa tuhé horľavé látky delia na tie, ktoré sa pôsobením tepla topia, vyparujú alebo sublimujú bez zmeny chemického zloženia a látky, ktoré zahrievaním podliehajú pyrolýze a rozkladu za vzniku plynných prchavých látok a tuhého (uhlíkového) zvyšku. Horenie prvej skupiny látok prebieha rovnako ako v prípade plynov a kvapalín. Horenie týchto látok teda prebieha homogénnym spôsobom. Druhá skupina látok horí homogénnym (horenie plynných rozkladných produktov) aj heterogénnym (horenie tuhého uhlíkového zvyšku) spôsobom.

Podľa Kačíkovej (2006) môžu horľavé plyny a pary z tuhých horľavých látok vznikať:

• sublimáciou,

• topením a vyparovaním bez chemickej zmeny,

• topením, rozkladom a následným vyparovaním nízkomolekulových frakcií,

• rozkladom na taveninu a následným vyparovaním,

• rozkladom priamo na prchavé produkty.

Proces homogénneho a heterogénneho horenia môže prebiehať súčasne. Počas horenia prchavých rozkladných produktov však nemusí mať vzdušný kyslík umožnený prístup až k povrchu horiaceho materiálu jednak vplyvom jeho reakcie s rozkladnými produktmi v zóne horenia, ako aj vplyvom ich vztlaku. Za týchto podmienok môže k bezplameňovému horeniu (žeraveniu alebo tleniu) dochádzať napr. na rozhraní časti povrchu horiaceho materiálu z ktorého unikajú prchavé produkty horiace plameňom a povrchu, ktorý nie je zasiahnutý plameňovým horením, viď. (Obr. 4). Uvedený spôsob horenia je typický pre materiály na báze celulózy. Schartel et al. (2007) predpokladajú, že skutočnosť najlepšie vystihuje model, pri ktorom sa tesne nad povrchom homogénnym spôsobom horiaceho materiálu (predhrievaná zóna) nenachádza žiadny kyslík.

Heterogénne horenie môže ďalej prebiehať napr. pri horení materiálu, ktorý bol zbavený plynných prchavých produktov pri plameňovom horení (heterogénne horenie uhlíkového zvyšku) alebo počas zámernej termickej úpravy (napr. horenie drevného uhlia). Za podmienok reálneho požiaru prebieha homogénne a heterogénne horenie súčasne.

Obr. 4 Schéma plameňového a bezplameňového horenia celulózového materiálu (Balog, 1999)

Podľa pomeru rýchlosti difúzie oxidačného prostriedku k horľavej látke (do zóny horenia) k rýchlosti chemickej reakcie horenia sa horenie delí na difúzne a kinetické.

Na čas horenia má podstatný vplyv okolnosť, či horľavé zmesi vznikajú už na začiatku ohrevu sústavy alebo až pri vlastnom procese horenia. Čas horenia pozostáva z dvoch etáp:

• doba styku horľaviny a oxidačného prostriedku (doba difúzie),

• doba vlastnej chemickej reakcie.

Následne homogénne horenie zodpovedá dobe vytvárania horľavej zmesi, a heterogénne horenie dobe približovania oxidačného prostriedku (vzdušného kyslíka) z objemu začiatočnej koncentrácie k tuhému horiacemu povrchu.

V prípade, že dej riadiaci rýchlosť procesu horenia je difúzia, hovoríme o difúznom horení (alebo o horení vo vysokoteplotnej oblasti), resp. ak je rýchlosť procesu horenia riadená len rýchlosťou samotnej chemickej reakcie (alebo presnejšie chemických reakcií) horenia, vtedy hovoríme o horení v kinetickej oblasti (nízkoteplotné alebo explozívne horenie) (Kalousek, 1999).

V skutočnosti by sa však proces horenia približoval horeniu v kinetickej oblasti. Dôvodom je skutočnosť, že pri horení materiálov v kompaktnej forme (napr. drevo a polyetylén) alebo rozliatych horľavých kvapalín, prípadne horľavých kvapalín v nádrži je čas difúzie rádovo vyšší ako čas samotnej chemickej reakcie. Teda pri skrátení času difúzie na čas približne rovný času samotnej chemickej reakcie bude mať horenie charakter kinetického horenia. Typickým príkladom kinetického horenia je explózia horľavého plynu, pary horľavej kvapaliny alebo organického prachu, prípadne explózia termobarickej bomby (Kalousek, 1999).

Pre pochopenie procesu iniciácie bude uvedený stručný popis dejov spojených s iniciáciou organických polymérov. Pri zahrievaní organického materiálu dochádza k uvoľňovaniu prchavých horľavých produktov. Potom pre každý takýto materiál existuje teplota, pri ktorej sa horľavé plyny uvoľňujú takou rýchlosťou, že ich iniciovaním externým zdrojom tepla (napr. plameňom) nastane proces plameňového horenia. Uvedená teplota (okrem chemického zloženia a štruktúry materiálu) závisí od druhu a koncentrácie oxidačného prostriedku a fyzikálnych vlastností materiálu. Uvedená teplota môže byť rozdelená na minimálnu teplotu, pri ktorej dôjde k zapáleniu zmesi prchavých produktov s oxidačným prostriedkom (prídavným zdrojom tepla) a následnému prerušeniu procesu horenia a na minimálnu teplotu, ktorá umožní trvalé horenie materiálu. Pri zvyšovaní teploty pôsobiacej na daný materiál nastane situácia, že k iniciácii procesu horenia nebude potrebný prídavný zdroj tepla (najčastejšie plameň). Medzi uvedenými teplotami existuje podstatný rozdiel. Prvá teplota sa vzťahuje na rýchlosť rozkladu materiálu a druhá na iniciáciu rozkladných produktov. Principiálne by malo platiť, že by mala postačovať teplota prídavného zdroja zhodná s minimálnou teplotou iniciácie, pri ktorej už nie je potrebný prídavný zdroj tepla. Ďalším významným parametrom je indukčná perióda, čo je čas od začiatku pôsobenia zdroja iniciácie na horľavý materiál do zahájenia procesu horenia, pričom platí, že so vzrastajúcou teplotou zdroja iniciácie, klesá čas indukčnej periódy. Naopak, s klesajúcou teplotou narastá čas indukčnej periódy až do hodnoty, kedy k zapáleniu už nemôže dôjsť (Balog et al., 2015).

V odbornej literatúre a technických normách sa môžeme stretnúť s rôznymi odbornými termínmi vyjadrujúcimi kritické podmienky pre iniciáciu procesu horenia, napr. teplota vzplanutia, teplota vznietenia, teplota horenia, bod vzplanutia apod.

Okrem teploty môžu byť kritické podmienky pre iniciáciu procesu horenia vyjadrené kritickou hustotou tepelného toku prenášaného tepelnou konvekciou alebo tepelnou radiáciou. Hustota tepelného toku prenášaného do materiálu tepelnou konvekciou (prúdením). Vzhľadom na to, že hustota tepelného toku prenášaného tepelnou konvekciou je determinovaná rozdielom teplôt medzi vzorkou a horúcim vzduchom môžu byť podmienky iniciácie vyjadrené kritickou teplotou a zvyčajne nie je potrebné uvažovať s kritickou hustotou tepelného toku.

Na rozdiel od hustoty tepelného toku prenášaného konvekciou, je nutné uvažovať s hustotou tepelného toku a nie teplotou povrchu (vyžarujúceho infračervené žiarenie). Kritická

hustota tepelného toku prenášaného radiáciou sa delí na kritickú hustotou tepelného toku

termického rozkladu (tuhé látky horiace plameňom) alebo vyparovania (horľavé kvapaliny) a kritickú hustotou tepelného toku iniciácie rozkladných plynných produktov (tuhé látky

horiace plameňom) pár (horľavé kvapaliny) alebo heterogénneho horenia na povrchu tuhého

materiálu (materiály, resp. ich degradovaný zvyšok horiaci heterogénnym spôsobom) (Balog et al., 2015).

Kritická teplota termického rozkladu je minimálna teplota (horúceho vzduchu alebo povrchu) potrebná na rozklad tuhého materiálu alebo vyparovanie horľavej kvapaliny

rýchlosťou postačujúcou na dosiahnutie dolnej medze horľavosti rozkladných plynov alebo pár.

Kritická teplota iniciácie rozkladných produktov alebo pár je minimálna teplota (horúceho vzduchu alebo povrchu) potrebná na iniciáciu plameňového horenia rozkladných produktov.

V zmysle definícií teploty vzplanutia a vznietenia podľa ISO 871:2006 môže byť teplota

vznietenia tuhej horľavej látky (minimálna teplota horúceho vzduchu prúdiaceho okolo vzorky, ktorá spôsobí jej zapálenie bez použitia prípadného zdroja zapálenia – malý plameň) približne stotožnená s kritickou teplotou iniciácie plynných rozkladných produktov a teplotu vzplanutia (minimálna teplota horúceho vzduchu prúdiaceho okolo vzorky, ktorá spôsobí jej zapálenie pri použití prípadného zdroja zapálenia pôsobiaceho na rozkladné produkty – malý plameň) je možné približne stotožniť s kritickou teplotou termického rozkladu tuhých horľavých materiálov. Kritická teplota iniciácie heterogénneho horenia na povrchu tuhého materiálu je minimálna teplota (horúceho vzduchu alebo povrchu) potrebná na iniciáciu heterogénneho horenia (žeravenia) na povrchu tuhého materiálu. Do uvedenej definície kritickej teploty iniciácie heterogénneho horenia spadá len jeden druh bezplameňového horenia (žeravenie), nakoľko tlenie je špecifický prípad termického rozkladu materiálu horiaceho za iných podmienok homogénnym spôsobom. Z porovnania teplôt vzplanutia a vznietenia stanovených napr. Balogom (1999) vyplýva, že kritická teplota termického rozkladu je takmer u všetkých organických polymérov nižšia, ako kritická teplota iniciácie plameňového horenia rozkladných produktov.

Kritická hustota tepelného toku termického rozkladu je minimálna hustota tepelného toku potrebná na rozklad tuhej látky na plynné produkty termického rozkladu alebo vyparovanie horľavej kvapaliny takou rýchlosťou, aby tieto dosiahli dolnú medzu horľavosti. Kritická hustota tepelného toku iniciácie plynných produktov termického rozkladu alebo pár je minimálna hustota tepelného toku potrebná na iniciáciu plameňového horenia plynných produktov rozkladu alebo pár horľavých kvapalín. Z výsledkov vedeckej práce Shi Chew (2013) vyplýva, že kritická hustota tepelného toku iniciácie je vyššia ako kritická hustota tepelného toku termického rozkladu.

1.2 Drevo

Drevo je najstarší prírodný materiál, ktorý sa dodnes využíva na rôznorodé účely, nielen na spaľovanie, či výrobu papiera, ale v značnej miere aj ako stavebný materiál.

Rôznorodosť uplatnenia drevnej suroviny núti zamyslieť sa a prehodnotiť postavenie dreva ako stavebnej, dekoračnej alebo pomocnej suroviny v spoločensko - technickej praxi. Na základe danej skutočnosti je výskum dreva čoraz častejšie špecifikovaný na základe daného druhu dreva a jeho použitia.

Riešiť problematiku termickej degradácie dreva znamená zaoberať sa komplexne so zmenami, ktoré nastávajú v jeho vlastnostiach vplyvom vysokých teplôt. Rôzne práce zaoberajúce sa vplyvom vysokých teplôt na mechanické, fyzikálne ako aj chemické vlastnosti vybraných druhov drevín dali odpoveď na mnohé otázky týkajúce sa tejto problematiky.

Avšak výsledkom nových poznatkov bol aj narastajúci počet nových otázok. Vieme, že na horenie dreva vplýva množstvo faktorov, ktoré vstupujú do procesu termickej degradácie

zvonku, alebo sú obsiahnuté v samotnom materiály, teda v dreve. Prakticky nie je možné dať uspokojivú odpoveď na všetky otázky týkajúce sa tejto problematiky. Totiž, drevo ako prírodný materiál sa vyznačuje vysokou variabilitou vlastností a to nielen na úrovni rôznych druhov drevín, či v rámci jedného druhu, ale aj v samotnom kmeni je štruktúra dreva rozdielna, či už ideme v smere horizontálnom - od stržňa k obvodu, alebo vertikálnom od koreňov ku korune.

Drevo sa získava prevažne z drevín stromovitého rastu. Časti stromu, ktoré predstavujú koreň, kmeň a koruna, majú v organizme dreviny rôznu funkciu a použiteľnosť.

Z chemického hľadiska je drevo zložitým komplexom heterogénnych biopolymérov (9097 %), tzv. hlavné zložky, sprevádzaných menším množstvom sprievodných zložiek (3-10 %) (Kačík et al., 1999).

Hlavné zložky dreva tvorí sacharidický podiel (65 - 75 %) – zložený z celulózy (40 - 50 %) a hemicelulóz – a aromatický podiel tvorený lignínom (15 - 35 %). Sprievodné (akcesorické) zložky dreva sú tvorené organickými – monoméry a polyméry – anorganickými látkami. Drevo rôznych druhov drevín obsahuje priemerne 49,5 % C, 6,3 % H a 44,2 % O. Množstvo N je v rozmedzí 0,2 - 1,5 %, v závislosti od dreviny (Kačík et al., 2001).

Drevo ako prírodný, heterogénny materiál mnohých chemických látok s pestrou štruktúrou, môžeme podľa Požgaja et al. (1997) najjednoduchšie klasifikovať a znázorniť podľa Obr. 5.

Obr. 5 Chemické zloženie dreva (Požgaj et al., 1997)

Voda a minerálne látky postupujú vzostupným prúdom zónou beli do koruny. Časť vody sa zúčastňuje na asimilácii, ale prevažná časť sa z listov a ihličia odparuje do ovzdušia. Za slnečného svetla prebieha vo vegetačnom období asimilácia. Produkt asimilácie zostupuje lykom, zúčastňuje sa na raste v delivých pletivách, napríklad v kambiu, a časť sa ukladá do zásobných pletív v beli koreňov, kmeňa a koruny.

Na jar zásobné látky postupujú vzostupným prúdom do púčikov sitkovicami v lyku. Zároveň sa aj uvoľňujú z parenchýmu do ciev a s vodou sa rozvádzajú do koruny stromov. Popri organických látkach, ktoré sú podstatnou časťou drevnej hmoty, drevo obsahuje aj minerálne látky, z ktorých pri spaľovaní vzniká popol (Hawley, 1952).

Podiel popola v dreve sa pohybuje prevažne v rozpätí 0,2 - 1,2 %. Rozdiely v údajoch o množstve popola závisia od podmienok rastu stromu, akosti pôdy, ročného obdobia, od veku stromu, časti stromu a pod. Množstvo popola po spálení kôry predstavuje 6 - 7 % popola, listov 3,5 - 4 %, koreňov 4 - 5 % (Kačíková, 2007).

1.2.1 Mikroskopická stavba dreva

Množstvo jednotlivých zložiek dreva je variabilné podľa dreviny, lokality, veku, zdravotného stavu, ročného obdobia, časti stromu (Chovanec, 1985).

Rozdiely sú aj v ich obsahu vo vrstvách bunkovej steny. Bunková stena je nerovnorodá, skladá sa z niekoľkých vrstiev vypĺňajúcich priestor medzi lúmenom a strednou lamelou.

Bunková stena nie je homogénna, ale je to súvrstvie submikroskopicky a chemicky odlišných vrstiev. Medzi submikroskopickou stavbou a chemickým zložením vrstiev bunkovej steny sú úzke vzťahy. Vyššie rastliny sa skladajú z veľkého počtu buniek. Vytvárajú sa bunkové

elementy. Bunky sa formujú tak, že sú zamerané na vykonávanie rovnakých úkonov. Súbor

morfologicky a fyziologicky rovnakých buniek vytvára pletivá. Podľa tvaru buniek a hrúbky ich stien rozoznávame štyri základné druhy pletív: parenchým, prozenchým, sklerenchým a kolenchým. Pletivá podľa ich funkcie rozdeľujeme na delivé, krycie, prevetrávacie, nasávacie, vylučovacie, vodivé, mechanické, asimilačné a zásobné. Pre potrebu protipožiarnej ochrany v rámci nadmolekulovej a mikroskopickej stavbe drevín postačuje hrubé delenie drevín na ihličnaté a listnaté. Je dôležité poznamenať, že aj na tejto hladine štruktúry dreva sú pozorovateľné faktory, ktoré ovplyvňujú proces tepelnej degradácie dreva a jeho chovanie sa pri požiari (Chovanec, 1985).

Rozdielnosť v horení dreva v rámci jednotlivých drevín (niekedy aj v rámci častí jednej dreviny) je spôsobené viacerými faktormi – nielen obsahom základných stavebných zložiek v danej drevine, teda chemickým zložením. Štruktúra dreva okrem toho, že podstatne ovplyvňuje ďalšie fyzikálne vlastnosti materiálu, priamo vplýva na ich horenie. Jej vplyv je daný veľkosťou otvorov mikro a makrokapilár, ktoré ovplyvňujú transport kyslíka do hmoty a odchod prchavých produktov z dreva, ak sú vodivé elementy otvorené.

Samotná anatomická stavba, resp. jednotlivé bunkové elementy ovplyvňujú proces horenia, hlavne jeho prvú fázu – zapálenie. Je to dané predovšetkým chemickým zložením a geometrickým tvarom bunkových elementov ich rozmermi a ich počtom. Tieto tvrdenia dokumentujú aj štúdie (Chovanec, Osvald, 1992) kde poukazujú na fakt, že po tepelnej degradácii dochádza hlavne k stenšeniu bunkovej steny, ktoré bolo spôsobené hlavne degradáciou hemicelulóz a celulózy v sekundárnej vrstve bunkovej steny. Lignifikovaná stredná lamela a primárna stena si zachovajú svoj tvar aj po tepelnej degradácii.

Aj ďalšie experimenty potvrdili zmeny v anatomickej stavbe drevín spôsobené vysokými teplotami. Náplňou makroskopických pozorovaní bolo dokonalé oboznámenie sa so zmenami farby dreva vplyvom termickej degradácie. Možno pozorovať štyri farebne odlíšiteľné zóny, a to:

• zuhoľnatenú,

• tmavohnedú,

• svetlohnedú,

• bielu.

Uvedené pozorovania prispeli k výskumu zuhoľnatenej vrstvy dreva. Zuhoľnatená vrstva dreva má auto retardačný charakter horenia dreva, čo môžeme považovať za pozitívnu vlastnosť pri horení dreva z hľadiska jeho ochrany pred požiarom.

1.2.2 Makroskopická stavba dreva

Makroskopická stavba dreva závisí predovšetkým od druhu dreva – dreviny. Umožňuje jeho identifikáciu. Okrem dreviny sú dôležité rezy, plochy a smery v dreve kmeňa, ktoré vo finálnej miere určujú makroskopické znaky.

Kužeľovito až valcovito vrstevnatá stavba osi dreviny s prevahou pozdĺžne orientovaných vláknitých elementov a pletív spôsobuje, že rezy vedené drevom pod rôznym uhlom na os kmeňa majú v rôznej vzdialenosti od nej rôznu kresbu. Medzi základné rezy osou kmeňa patrí transverzály, radiálny a tangenciálny rez (Obr. 6).

Obr. 6 Rezy v dreve (Požgaj et al., 1997)

(PR) – priečny rez, (RR) – radiálny rez, (TR) – tangenciálny rez, (D) – stržeň, (R) – ročné kruhy, (DL) – stržňový lúč, (K) – kambium, (L) – floém (lyko), (S) – suberoderm (korok)

Transverzálny (priečny) rez prechádza v rovine vedenej kolmo na os kmeňa naprieč vláknitej, prevažne vertikálne orientovanej stavbe kmeňa. Od ostatných rezov je ľahko rozoznateľný podľa koncentricky uložených vrstiev ročných kruhov.

Radiálny rez prechádza pozdĺž kmeňa. V tejto rovine leží stržeň. Viditeľné stržňové lúče vytvárajú lesklé plochy, a preto radiálny rez sa nazýva aj zrkadlovým rezom. Na celej ploche rezu má rovnobežný priebeh ročných prírastkov. Tangenciálny (dotyčnicový, fládrový) rez je vedený rovnobežne s osou kmeňa v určitej vzdialenosti od stržňa v rovine preloženej v polohe dotyčnice k ročnému kruhu na priečnom reze (Požgaj et al., 1997).

Je nevyhnutné poznamenať, že drevo je anizotropný materiál, ktorý má rôzne vlastnosti v rôznych smeroch, ktoré podstatne ovplyvňujú aj jeho tepelnú degradáciu.

1.2.3 Fyzikálne vlastnosti

Popri chemickom zložení aj fyzikálne vlastnosti dreva a materiálov na báze dreva podstatnou mierou ovplyvňujú priebeh horenia. Každá z fyzikálnych vlastností má vplyv na horenie, i keď všetky nevplývajú rovnakou mierou (Osvald, 1997).

Medzi najvýznamnejšie vlastnosti môžeme zaradiť hlavne fyzikálne vlastnosti:

• druh dreva, resp. druh materiálu,

• hustota,

• vlhkosť,

• povrch,

• termodynamické, resp. termické vlastnosti (Osvald, 1997).

Podľa Markovej (1996) sa nejedná sa o komplexné posúdenie vplyvu fyzikálnych vlastností na priebeh horenia dreva. Vybrané sú tie, ktoré najviac ovplyvňujú proces termickej degradácie: hustota dreva, vlhkosť, povrch materiálu, tepelné vlastnosti dreva a geometrický tvar.

1.2.3.1 Hustota dreva

Hustota dreva je ovplyvnená vlhkosťou, preto sa väčšinou udáva pri určitej vlhkosti. Vypočíta sa z podielu hmotnosti mw a objemu dreva Vw, pričom hmotnosť a objem dreva je pri tej istej vlhkosti, viď. rovnica (1-1).

�������� = �������� �������� (1-1)

kde: ⍴w – hustota dreva pri danej vlhkosti (kg.m-3),

mw – hmotnosť pri danej vlhkosti (kg),

Vw – objem pri danej vlhkosti (m3).

Pre možnosť porovnávania výsledkov a pri rôznych teoretických výpočtoch sa uvažuje s hustotou dreva v absolútne suchom stave ⍴0, keď je hmotnosť a objem dreva pri nulovej vlhkosti. Podľa doteraz platnej normy sa hustota dreva udáva pri vlhkosti 12 %. Hustota dreva bola predmetom výskumu mnohých prác, pretože ide o charakteristiku, ktorá významne

ovplyvňuje fyzikálne a mechanické vlastnosti dreva. Postup skúšky na stanovenie hustoty dreva je daný normou STN EN 323 – 49 01 42.

Hustota dreva nadobúda na význame pri jeho mechanickom a chemickom spracovaní, kde sa kladie dôraz na hmotnostné množstvo drevnej hmoty a kde je potrebné vedieť, koľko drevnej hmoty obsahuje konkrétna objemová jednotka. Ďalej je ukazovateľom vhodnosti použitia dreva na také účely, kde sa vyžaduje napríklad nízka hmotnosť pri vysokej pevnosti alebo pružnosti (stavebníctvo), pri použití dreva na výrobu hudobných nástrojov a inde. Z uvedeného vyplýva, že poznatky o hustote dreva majú nielen teoretický, ale aj praktický význam (Požgaj et al., 1997).

Hustota dreva vplýva aj na celý proces tepelnej degradácie. Hustejší materiál spotrebuje viac energie na zapálenie a zhorenie. Horľavosť jednotlivých materiálov sa však nesmie posudzovať len podľa hustoty. Dôležitejšie je chemické zloženie. Napríklad dreviny s vyšším obsahom hemicelulóz sú horľavejšie aj v tom prípade, ak majú vyššiu hustotu.

Vplyv hustoty na zapáliteľnosť a samotný proces horenia sa podstatne významnejšie prejaví pri veľkoplošných materiáloch na báze dreva (Zachar, 2009).

1.2.3.2 Vlhkosť dreva

Vlhkosť dreva ovplyvňuje hlavne hustotu dreva, taktiež ovplyvňuje aj jeho fyzikálne a mechanické vlastnosti. Sledovanie úrovne vlhkostí tvorí základ technologických disciplín pri spracovaní dreva a pri príprave polotovarov, či výrobe výrobkov z neho. Vlhkosť dreva má významný vplyv na priebeh horenia. Zvyšujúcim obsahom vody v dreve sa zvyšuje aj jeho odolnosť voči zapáleniu. Dá sa to vysvetliť tým, že časť energie sa spotrebuje na odparenie vody voľnej a na narušenie väzieb a odparovanie vody viazanej a chemicky viazanej. Vodnou parou zriedené horľavé plyny majú nižšiu koncentráciu, a tým horšiu zapáliteľnosť. Voda obsiahnutá v dreve pôsobí ako retardér horenia, avšak vlhkosti nemôžeme pripísať autoretardačný účinok ako zuhoľnatenej vrstve. Hoci vlhkosť sťažuje zapálenie, pri vlastnom horení pôsobí negatívne. Tvorba pary v štruktúre dreva, spôsobuje tvorbu mikrotrhlín až trhlín.

Mení sa kompaktnosť profilu dreva, zväčšuje sa plocha otvorená ohňu, narušuje sa kompaktnosť zuhoľnatenej vrstvy. Všetky uvedené faktory spôsobujú rýchlejšiu degradáciu vlhkého dreva, aj keď počiatočné zapálenie bolo problematické. Napokon drevo a výrobky z dreva sa aplikujú pri vlhkostiach 8 – 18 %.

Vlhkosť daných vzoriek dreva vypočítame podľa vzťahu (1-2), ktorý nám udáva pomer medzi hmotnosťou vlhkého a hmotnosťou absolútne suchého dreva (hmotnosť dreva po vysušení pri teplote 103 ± 2 ° C).

���� = �������� ����0 ����0 ∗ 100 (1-2)

Kde: w - vlhkosť dreva (%),

mw - hmotnosť dreva pri danej vlhkosti (kg),

m0 - hmotnosť dreva v absolútne suchom stave (kg)

Postup skúšky na stanovenie vlhkosti dreva je daný normou STN EN 323 – 49 01 43. V tomto prípade hovoríme o váhovej metóde, ktorá je zadefinovaná v uvedenej norme (Dubovský, Čunderlík, 1989).

1.2.3.3 Povrch materiálu

Povrch materiálu (jeho kvalita) je ďalšia fyzikálna charakteristika, ktorá významnou mierou vplýva na zapálenie a samotné horenie. Drevo je kapilárno-pórovitý materiál, ktorý vykazuje určitú drsnosť, ktorá okrem spôsobu opracovania závisí od anatomickej stavby dreva. Okrem drsnosti na kvalitu povrchu vplývajú aj anatomické chyby, chyby vzniknuté pri opracovaní, mechanické poškodenia, nečistoty atď., čím sa podstatne mení kvalita povrchu. Kvalita povrchu vplýva hlavne na teplotnú vodivosť ⍺. Kvalitný hladký povrch odráža energiu sálavého a plamenného zdroja, a tým je ťažšie zapáliteľný, ako povrch drsný, pri tých istých zaťažovacích podmienkach (Marková, 1996).

Podľa zistení Osvalda (1984) vplyv kvality povrchu na čas vzplanutia pri konštantnom tepelnom zdroji potvrdzuje jeho významnosť. Pri experimente bolo použité drevo smreka, buka, duba a topoľa. Hodnotené boli tri kvality povrchu, t. j. pílený, hobľovaný a brúsený, viď. (Tab.

1). Výsledky poukazujú na to že brúsený povrch najviac odolával tepelnému zdroju a pri ňom boli zaznamenané najdlhšie časy potrebné k vzplanutiu testovaných materiálov.

Tab. 1 Časy vzplanutia

jednotlivých

drevín podľa kvality povrchu (Osvald, 1984)

Z hľadiska kvality povrchu okrem opracovania je dôležitá aj jeho farba. Prirodzená farba dreva (ak zohľadníme aj tropické dreviny) zahrňuje takmer celú farebnú škálu. Tepelnou degradáciou sa podstatne mení jeho farba, viď. Obr. 7

Obr. 7 Zmena farby dreva spôsobená tepelnou degradáciou (Osvald, Balog, 1990)

Podľa tvrdení Martinku et al. (2014), svetlá farba dreva postupne tmavne až za zmení na čiernu – zuhoľnatenú vrstvu dreva. Intenzita tmavnutia závisí od rýchlosti ohrevu a teploty ohrevu. Zmena farby je spôsobená odbúravaním polysacharidického podielu (hemicelulóz a celulózy).

Vo všetkých prípadoch nastáva konečná fáza – tvorba zuhoľnatenej vrstvy. Zuhoľnatená vrstva je čiernej farby – dobrý absorbent tepelného žiarenia. Svojím chemickým zložením a pórovitou štruktúrou je však zároveň zlým vodičom tepla. Preto sa zvykne hovoriť v súvislosti so zuhoľnatenou vrstvou aj o auto-retardačnom charaktere dreva, s ktorým sa uvažuje aj v praxi (Martinka et al., 2014).

1.2.3.4 Geometrický tvar

Geometrický tvar materiálu podstatne vplýva na možnosť zapálenia, rýchlosť a intenzitu procesu horenia (Martinka et al., 2015).

Rozmery, hlavne hrúbka, dĺžka, priemer, hrany (ich počet), uhly zaoblenia a iné parametre geometrického tvaru, určujú odolnosť samotného dreveného prvku voči zapáleniu. Dôležitou veličinou je geometrický tvar, všeobecné rozmery, pomer objemu k povrchu. S klesajúcou hodnotou tohto pomeru (úlomky, triesky, prach) sú tieto drevené predmety veľmi ľahko zápaliteľné. V rámci fyzikálnych vlastností dreva môžeme hovoriť aj o ďalších (elektrické, magnetické, optické, akustické a pod.). Tieto však nemajú priamy vplyv na zapálenie a horenie dreva (Osvald, 1997).

Geometrický tvar materiálu významne ovplyvňuje schopnosť zapálenia, rýchlosť a intenzitu procesu horenia. Dôležité geometrické veličiny sú najmä rozmery, hlavne hrúbka. Dôležitá je aj dĺžka a priemer, ktoré určujú schopnosť drevného prvku odolávať voči zapáleniu. Ďalej je dôležitý aj pomer objemu k povrchu telesa (Požgaj et al., 1997). Takýmto výskumom sa zaoberali aj autori Grexa (1991) a Simms (1962).

1.2.3.5 Tepelné vlastnosti dreva

Tepelné vlastnosti dreva poskytujú dôležitý údaj o materiáloch, aj keď s ich hodnotami pri vzniknutom požiari je to problematické. Z tepelných vlastností dreva je potrebné (aj z hľadiska ochrany pred požiarmi) poznať: tepelnú rozťažnosť, špecifickú tepelnú kapacitu dreva cd, tepelnú vodivosť l, teplotnú vodivosť a, a prenosové charakteristiky (Ladomerský et al., 2000).

Zvyšovanie teploty telesa spôsobuje zvyšovanie energie jeho molekúl, zvýšenie ich rýchlosti a v konečnom dôsledku zvýšenie rozmerov telesa. Lineárny rozmer telesa pri teplote ϑ je daný rovnicou (1-3): ���� ���� = ����0 + ���� ���� ����0 = ����0 (1 + ���� ����) (1-3)

kde: lT – tepelná rozťažnosť (mm),

l0

T

rozmer telesa pri teplote 0 °C (mm),

teplota (°C),

a – súčiniteľ teplotnej rozťažnosti (K-1).

So zreteľom na nízke hodnoty koeficientu teplotnej rozťažnosti ⍺ sa v literatúre väčšinou uvádza, že teplotné zmeny rozmerov dreva môžeme zanedbať v porovnaní s vlhkostnými. V praxi sa však vyskytujú problémy, najmä pri lisovaní, keď je zmena teploty podstatne väčšia ako zmena vlhkosti. V takomto prípade sú teplotné zmeny rozmerov porovnateľné s vlhkostnými. Špecifická tepelná kapacita látky je množstvo tepla, ktorým sa jednotková

hmotnosť látky ohreje o 1 K. Potom podľa Požgaja et al. (1997) platí rovnica (1-4). ���� = ���� ������������ (1-4)

kde: c – špecifická tepelná kapacita (J g -1 K-1), Q

množstvo tepla (J), m – hmotnosť látky (g),

∆Τ – rozdiel teplôt (°C).

Hmotnosť absolútne suchého dreva je vlastne hmotnosťou drevnej substancie. Jeho

špecifická tepelná kapacita rovnako ako hustota drevnej substancie nezávisí od druhu dreva.

Špecifická (merná) tepelná kapacita vlhkého dreva sa určuje zo špecifickej kapacity suchého dreva a vody pomocou zmiešavacieho pravidla v tvare (1-5).

kde: cw

špecifická tepelná kapacita dreva pri danej vlhkosti(J g-1 K-1),

c0 – špecifická tepelná kapacita dreva pri nulovej vlhkosti(J·g-1·K-1),

cH2O – špecifická tepelná kapacita vody(J g-1 K-1),

w

značí absolútnu vlhkosť dreva (g g-1).

Zmena vlhkosti dreva v hygroskopickom rozsahu sa prejavuje aj zmenami tepla, ktoré závisia od toho, ako sa daná zmena dosahuje. Výpočet mernej tepelnej kapacity dreva ukazuje, že k rovnakému výsledku dospejeme aj vtedy, ak celkové teplo potrebné na zmenu teploty dreva vypočítame ako súčet tepiel potrebných na zohriatie vody a absolútne suchého dreva (Požgaj et al., 1997).

Prenos tepla v dreve a materiáloch na jeho báze má veľký význam z hľadiska protipožiarnej ochrany. Poznanie zákonitostí prenosu sa uplatní všade tam, kde potrebujeme vedieť časovo priestorové rozloženie teploty v dreve. Významné miesto má i posudzovanie tepelnoizolačných vlastností dreva, drevných materiálov a konštrukcií z nich.

Všeobecne sa v dreve môžu vyskytnúť všetky tri základné druhy prenosu tepla. Vedenie tepla (kondukcia) je formou prenosu energie hmotným prostredím, ktorého objemové elementy ostávajú v pokoji. Prúdenie tepla (konvekcia) je prenosom energie hmotným prostredím, ktorého objemové elementy vykonávajú translačný pohyb. Sálanie tepla (radiácia) je vyžarovanie alebo prijímanie energie vo forme žiarenia, pričom na prenos energie medzi dvoma telesami nie je potrebné hmotné prostredie. Podiel konvekcie a radiácie na celkovom prenose tepla v dreve je obvykle malý. Pre zjednodušenie sa celý prenos opisuje ako vedenie tepla a prípadné odchýlky sa zahrnú do korekcií prenosových charakteristík na dané podmienky (Požgaj et al., 1997).

Ak vedenie tepla prebieha v kolmom smere na vrstvy (Obr. 8), tak pri výpočte tepla stačí uvažovať so stenou rovnakej hrúbky, ale so strednou hodnotou koeficienta tepelnej vodivosti. Stredná hodnota koeficienta tepelnej vodivosti steny je teda váženým harmonickým priemerom koeficientov jednotlivých vrstiev, pričom váhami sú hrúbky vrstiev (viď. rovnica 1-6).

kde: λ

súčiniteľ tepelnej vodivosti (W m-1 K-1), d

hrúbka vrstvy (m).

Pri požiari je problém termodynamických vlastností dreva a prenosových javov v dreve ešte zložitejší, pretože nepoznáme presné hodnoty zdroja. Spomínali sme tvorbu, vlastnosti a funkciu zuhoľnatenej vrstvy dreva. Mení sa jej hrúbka a rovnako sa mení aj vodivosť. Tento fakt pozitívne vplýva na hodnotenú vlastnosť dreva.

Obr. 8 Vedenie tepla vo vrstvenej stene (Babiak et al., 1996)

Existuje aj negatívny vplyv pri naštartovaní procesu horenia a vzniku exotermickej reakcie, ako znázorňuje Obr. 9.

Obr. 9 Prestup tepla drevom (Osvald, 1997)

tz – teplota zdroja, t1 – teplota teplejšej strany, t1e – teplota teplejšej strany pri exotermickej reakcii, t2 – teplota chladnejšej strany, t3 – teplota okolia

Tým sú sťažené všetky výpočty podľa teoretických vzťahov, z tohto dôvodu sa v praxi zavádzajú také pojmy ako napr. požiarna výhrevnosť, ktorá sa definuje ako množstvo tepla, ktoré sa uvoľní v simulovaných podmienkach požiaru z jednotkového množstva horľavej látky, pričom vzniknutá voda zostáva vo forme pary v spalinách (Osvald, 1997).

1.3 Teplotný rozklad a horenie dreva

Podľa dostupných zdrojov, prvý podáva ucelený popis termického rozkladu dreva Brown (1958), ktorý definoval 4 fázy procesu horenia dreva. V prvej fáze pri teplotách do 200 oC dochádza k strate vlhkosti dreva a k tvorbe kyseliny octovej a glyoxalu. V druhej fáze, v teplotnom rozmedzí od 200 - 280 oC, nastáva pomalá pyrolýza, vytvára sa zuhoľnatená vrstva spoločne s určitým množstvom oxidu uhoľnatého. Pri teplotách okolo 400 oC dochádza ku zuhoľnateniu paliva. V štvrtej fáze, pri teplotách nad 500 oC môže dôjsť k ďalším následným reakciám v prípade nekompletnej karbonizácie paliva. Teória horenia dreva, ktorá vyplýva z elementárneho zloženia dreva.

Podľa Reinprechta (1997), rozklad dreva prebieha pri horení cez celý komplex chemických reakcií spojených s procesmi prenosu hmoty a tepla, a rozdelil ho do troch základných fáz:

• Iniciácia: zapálenie dreva – vznietenie dreva.

• Propagácia: šírenie plameňa, intenzívny rozklad dreva a vlastné horenie (typickou črtou tejto fázy je tvorba horľavých plynov z komponentov dreva a ich termooxidačné reakcie s kyslíkom za uvoľnenia tepelnej a svetelnej energie).

• Terminácia: žeravenie dreva, po predchádzajúcom ústupe plamenného horenia, až po úplný útlm žeravenia.

K zapáleniu dreva dochádza pri dodaní dostatočného množstva iniciačnej tepelnej energie (približne 104 W m-2), pričom konkrétna teplota, pri ktorej sa drevo vznieti a vzplanie, sa pohybuje medzi 250 – 400 °C, Obr. 10.

Obr. 10 Schéma mechanizmu horenia dreva (Reinprecht, 1997)

Žeravenie je poslednou fázou horenia dreva, keď už zo zvyškov zuhoľnatenej vrstvy dreva bohatej na uhlík nemôžu vo väčšom množstve vznikať horľavé plyny. Uhlíkaté zvyšky sa postupne exotermickými reakciami oxidujú na oxid uhoľnatý a na nehorľavý oxid uhličitý, za vzniku tepla a slabých plamienkov horenia. Zuhoľnatená vrstva sa tiež často vytvára aj nad povrchom ešte nezhoreného dreva, kde potom vystupuje, ako látková a tepelná izolácia medzi drevom a okolím. Ak sa takáto vrstva odlúpi, tak môže dôjsť k opätovnej intenzifikácii, ale zvyčajne len za predpokladu trvalého atakovania vonkajším energetickým zdrojom. Uvedené časti sa pri horení často prelínajú. Vonkajší energetický zdroj zohráva pri horení nezriedka iniciačnú úlohu. Potom, v priebehu horenia, preberá jeho úlohu samotný horľavý materiál. Problematika horľavosti dreva, materiálov na báze dreva, ako aj ostatných horľavých materiálov spočíva v určení podmienok a faktorov, ktoré na priebeh horenia vplývajú. Faktory vplývajúce na horenie môžeme rozdeliť do dvoch základných skupín, primárne a sekundárne faktory (Horský, Osvald, 1983).

Zvýšená teplota nad 100 °C má vplyv na zmeny fyzikálnych, štruktúrnych a chemických vlastností dreva. Okrem teploty na tieto zmeny vplývajú aj iné faktory, napr. čas, atmosféra, tlak a množstvo prítomnej vody, takže za istých podmienok sa dajú pozorovať zmeny dreva aj pri teplotách do 100 °C (Kačíková, 2007).

Podľa tvrdení Kačíka (2004) a Bubeníkovej et al. (2004) termická degradácia dreva pri teplotách pod 100 °C sa prejavuje úbytkom hmotnosti, zmenami komponentov

v lignín-sacharidovej matrici, ako aj zmenami fyzikálnych a mechanických vlastností dreva. Rýchlosť degradácie je pritom taká nízka, že nemožno udať dolnú hranicu, pri ktorej sa termická degradácia začína.

Následne podľa Mitterovej et al. (2014) termooxidačné homolytické radikálové depolymerizačné reakcie výraznejšie prebiehajú pri teplotách nad 150 °C. V prvom stupni týchto reakcií (iniciácia) sa vytvárajú voľné radikály (túto fázu katalyzuje prítomný kyslík anorganické látky), ktoré v druhom stupni (propagácia) reagujú s kyslíkom za tvorby hydroxidových radikálov (OH). Po reorganizácii väzieb (terminácia) vznikajú laktóny. Laktóny i iné oxidované formy celulózy (napr. –CH=O, >C=O, =COOH) sa rozkladajú dekarbonyláciou a dekarboxyláciou za tvorby oxidu uhoľnatého a uhličitého, ale aj dehydratáciou za vzniku vody.

Pri termickej degradácii dreva prebiehajú nasledovné typy chemických reakcií:

• dehydratácia,

• depolymerizácia,

• štatistická degradácia a termooxidácia.

Tak ako uvádza Balog a Kvarčák (1999), dôsledkom vyššie uvedených chemických reakcií je zmena pevnostných vlastností, pokles relatívnych molekulových hmotností hlavných zložiek dreva, aktívna degradácia sacharidového podielu a nakoniec bezplameňové a plameňové horenie.

Podľa práce Buchmana (2001) možno rozdeliť termolytické reakcie hlavných zložiek dreva vzhľadom k limitnej teplote 300 °C. Pri teplote do 300 °C prebiehajú najmä tieto reakcie:

• dehydratácia,

• štiepenie väzieb v makromolekulách polysacharidov a s tým súvisiaci pokles ich polymerizačného stupňa,

• vznik kyseliny octovej z odštiepených acetylových skupín hemicelulóz,

• štiepenie C–C alkyl-alkylových väzieb a C–O–C4 alkyl-arylových éterových väzieb v ligníne,

• štiepenie fenyl-glykozidových väzieb medzi lignínom a hemicelulózami,

• vznik voľných radikálov a reaktívneho uhlíkového zvyšku,

• vytvorenie oxidov uhlíka (CO a CO2) a funkčných skupín – karbonylových, karboxylových a hydroperoxidových.

Pri teplote nad 300 °C prebiehajú najmä nasledovné reakcie:

• depolymerizácia celulózy rôznymi mechanizmami za vzniku rozličných monomérnych produktov,

• štiepenie väzieb C–C, C–O–C a iných za vzniku rôznych nízkomolekulových prchavých látok (H2O, CO, CO2, CH3OH, CH2O, CH3COH atď.),

• repolymerizácia rozkladných medziproduktov celulózy a lignínu za tvorby kondenzovaných látok typu dechtov a zvyšku s vysokým podielom uhlíka,

• uhlík sa koncentruje do kondenzovaných aromatických jadier a grafitových štruktúr.

Hemicelulózy a celulóza pri zvyšovaní teploty podliehajú pyrolytickým a oxidačným reakciám, ktoré poskytujú horľavé plyny. Lignín, ktorý je termicky stabilnejší, prispieva viac k tvorbe uhlia ako celulóza a hemicelulóza. Zvýšená tvorba uhlia redukuje vznik horľavých plynov a pomáha chrániť drevo pred ďalšou termickou degradáciou. Predovšetkým pokles molekulovej hmotnosti celulózy pri pyrolýze znižuje pevnostné vlastnosti dreva (Nuopponen et al., 2003).

Drevo je materiál, ktorý nehorí homogénne, ale reprezentuje formu heterogénneho horenia. Tento spôsob horenia je reprezentovaný viacerými fázami (etapami) procesu horenia, ktoré Osvald a Horský (1983) rozdelili na: iniciáciu, pyrolýzu, vznietenie, pyrolýzu a plameňové horenie, bezplameňové horenie (tlenie) a zhasnutie.

Makroskopické znaky po horení reprezentuje hlavne vznik zuhoľnatenej vrstvy (Obr. 11) a množstvo ďalších produktov.

Obr. 11 Degradačné zóny termicky degradovaného dreva (Schaffer, 1977)

Podľa práce Schaffera (1977) k rozkladu základných zložiek dreva a k tomu prislúchajúcich charakteristických reakcií dochádza v jednotlivých teplotných intervaloch a výsledný proces popisuje po jednotlivých tzv. vrstvách zo smeru pôsobenia tepelného

zaťaženia na: vrstvu uhlia, základňu uhlia, zónu pyrolýzy, základňu zóny pyrolýzy a nedegradovaného dreva.

Horenie dreva v stavebných objektoch predstavuje riziko, obzvlášť v drevostavbách Pri použití dreva ako konštrukčného prvku, resp. ako súčasti stavebnej konštrukcie je nutné jeho posúdenie z pohľadu protipožiarnej bezpečnosti stavieb, čo je možné realizovať napr. pomocou Eurokódov.

Drevo ako konštrukčný materiál, má svoje významné uplatnenie aj v súčasnosti, čo potvrdzuje skutočnosť, že v rámci európskych noriem – Eurokódov, dostalo drevo samostatnú časť – Eurokódy 5. Navrhovanie drevených konštrukcií na účinky požiaru v zmysle s STN EN 1995-1-1 + A1 (Eurokód 5) – Navrhovanie drevených konštrukcií (všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy) a STN EN 1995-1-2 (Eurokód 5) – Navrhovanie drevených konštrukcií (všeobecné pravidlá a navrhovanie konštrukcií na účinky požiaru).

Eurokódy 5 opisujú požiadavky, princípy a zásady pre bezpečnosť, používateľnosť a trvanlivosť drevených stavieb. Definujú navrhovanie požiadaviek na bezpečnosť, návrhové postupy a pomôcky konštrukcií budov vystavených požiarom.

Tak ako sa uvádza v Eurokóde 5, jednou z najdôležitejších požiarnych vlastností dreva a výrobkov z dreva je rýchlosť zuhoľnatenia. Je to jeden zo vstupných údajov pre výpočet požiarnej odolnosti drevených konštrukcií podľa EN 1995-1-2: 2004.

1.4 Ochrana dreva

Pokiaľ chceme, aby sa funkcia a estetická hodnota dreva zachovala čo najdlhšie, je dôležité vykonávanie rôznych preventívnych opatrení, ktorými možno drevo voči účinkom sálavého alebo plamenného zdroja účinne chrániť a to už pri zhotovovaní a zabudovávaní jednotlivých drevných prvkov do konštrukcií, alebo dodatočne pri požiadavke na dodržanie požiarnej odolnosti.

Ochranu drevených konštrukcií možno v súčasnosti realizovať súborom opatrení, ktoré sa v praxi navzájom kombinujú. Jedná sa o konštrukčné, chemické, fyzikálne a protipožiarne opatrenia (Reinprecht, 2010).

Pri konštrukčnej ochrane dreva sa jedná o vytvorenie takých podmienok v okolí dreva a v konštrukčných detailoch, ktoré potláčajú pôsobnosť abiotických vplyvov a biologických

škodcov. Tento spôsob ochrany vychádza z princípov fyzikálnej ochrany dreva, založenej na regulácii expozičných podmienok – cielená úprava teploty, vlhkosti, pH hodnôt a iných fyzikálnych parametrov dreva a okolitého vzduchu (Reinprecht, 2010).

Vo všeobecnosti môžeme ochranu dreva rozdeliť do troch hlavných oblastí, t. j. fyzikálnu, chemickú a protipožiarnu.

Pri fyzikálnej ochrane dreva sa jedná sa o krátkodobú alebo jednorázovú ochranu, ktorú možno realizovať sterilizáciou dreva rádioaktívnym alebo UV žiarením, vlnovou sterilizáciou, vákuovaním, zmrazením a podobne (Reinprecht, 2010).

Chemická ochrana dreva je ošetrenie dreva chemickými látkami s biocídnym, UVsorpčným, hydrofobizačným a ohňovzdorným účinkom, s cieľom zvýšenia jeho prirodzenej trvanlivosti. Chemické prostriedky na ochranu dreva sú zvyčajne prostriedky obsahujúce jednu alebo viacero smerovo účinných látok a sprievodné látky. Smerovo účinnými látkami sú baktericídy (účinkujúce voči baktériám), fungcídy (proti drevokazným, drevosfarbujúcim hubám a plesniam), insekticídy (proti hmyzu), retardéry horenia (znižujúce horľavosť dreva), inhibítory poveternostnej a chemickej korózie (zvyšujúce odolnosť dreva voči atmosférickým a chemickým vplyvom). Sprievodnými látkami sú napr. rozpúšťadlá, riedidlá, stabilizátory, emulgátory, fixatíva, farbivá a iné pomocné látky zaisťujúce požadovanú aplikovateľnosť ochranných prostriedkov a ich stabilitu (Reinprecht, 2010).

Podstatou protipožiarnej ochrany dreva je jeho ošetrenie, najčastejšie chemickými látkami (retardérmi horenia), ktoré spomaľujú termický rozklad a horenie dreva viacerými fyzikálnymi a chemickými spôsobmi, napr. zabraňujú prístupu kyslíka k povrchu dreva, resp. tepelne izolujú drevo od termického zdroja vytváraním tuhej izolačnej vrstvy, alebo zrieďujú horľavé plyny unikajúce z dreva počas termického rozkladu, alebo znižujú koncentráciu kyslíka v zóne aktívnej pyrolýzy dreva, alebo aktivujú endotermické reakcie (Reinprecht, 2010).

V súčasnosti preferovanými na ochranu dreva sú hlavne intumescentné (napeňovacie) náterové látky, ale aj látky na báze anorganických solí. Ďalším typom ochrany drevených konštrukcií môže byť aj obklad z nehorľavých materiálov, kde veľké využitie nachádzajú napr. sadrokartónové a sadrovláknité dosky (Šenovský et al., 2004).

Z uvedeného vyplýva, že spôsobov ako chrániť drevo je viacero, najdôležitejším kritériom pre výber toho správneho spôsobu ochrany je predpokladané ohrozenie dreva. Z pohľadu protipožiarnej ochrany je retardácia materiálov jeden z najúčinnejších spôsobov ochrany.

Retardácia horenia je jeden zo spôsobov spomalenia horenia horľavých tuhých materiálov chemickými prostriedkami. Retardáciu horenia môžeme vykonávať technológiami ochrany materiálov (náter, máčanie, impregnácia). Pri veľkoplošných materiáloch môžeme retardáciu uplatňovať priamo v procese ich výroby, impregnáciou vstupných prvkov, úpravou jednotlivých komponentov alebo pridávaním retardéru inými spôsobmi. Retardačne môžeme upravovať textílie, drevo, plasty, papier, kovy a mnoho iných tuhých látok (Osvald, 1994).

1.4.1 Retardéry horenia

História požitia protipožiarnych náterov siaha až niekam do staroveku. Už vtedajší ľudia pociťovali nutnosť chrániť stavebné konštrukcie pred účinkami ohňa, nakoľko základnou stavebnou surovinou, okrem kameňov, bolo drevo. Používanie anorganických solí na ochranu dreva proti ohňu bolo známe už z antických čias. Starí Egypťania chránili drevo proti ohňu máčaním dreva vo vodných roztokoch kamencov. Ochranu drevených konštrukcií vykonávali aj ďalšími spôsobmi, napr. máčaním v soľných roztokoch a morskej vode, taktiež sa využívali vápenné nátery, hlinka či samotná hlinená mazanina. V Grécku využívali na protipožiarnu ochranu stavieb vodné vápenné roztoky, neskôr aj dvojzložkové sklo resp. vodné sklo.

Ochrana drevených konštrukcií stavieb pokračovala, drevené stavby odporúčal Sabattini (už v roku 1683) ochraňovať hlinou a sadrou. Jozef II., ktorý chcel čeliť častým a ničivým požiarom, nariadil drevené stropy s viditeľnými trámami podbíjať rákosovými omietkami, aby sa zabránilo prehoreniu medzi poschodiami. V 18. storočí boli udelené patenty J. Wildovi (v roku 1735) za ochranný prostriedok proti ohňu z kamenca a bóraxu, Gay Lucasovi (v roku 1781) za roztok z anorganických solí. Fusch (v roku 1820) odporúčal používať ako látku proti ohňu vodné sklo. V 19. storočí sa na ochranu začínali používať amónne soli kyseliny fosforečnej, ktoré majú význam dodnes. V rokoch 1930 - 1935 výskumníci v United States Department of Agriculture - Forest Products laboratory navrhli viac ako 130 rôznych retardérov horenia na drevo a drevené materiály (Makovický, Osvaldová, 2004).

Ešte výraznejší rozvoj protipožiarnych náterov nastal až v 20. storočí, kedy potreba ochrany pred požiarom vzrastala s rozvojom priemyslu. Najmohutnejší vývoj začal počas 2. svetovej vojny, kedy sa povinne museli natierať podkrovia pred náletmi. Rozvoj v tejto oblasti ochrany materiálov sa nezastavil ani v súčasnosti a veľký význam zaznamenávajú tzv. zelené retardéry a retardéry na báze nanočastíc.

Podľa Puschersa (2014) sa u novodobých protipožiarnych náteroch a retardéroch horenia vyžaduje dosiahnutie zníženia množstva splodín horenia, a tým aj zníženie ich toxicity.

Pre účinnú retardáciu horenia sú určujúce reakcie, ktoré prebiehajú na začiatku jednotlivých etáp horenia, t. j. iniciácie (kontakt systému drevo – teplo), propagácie (uvoľnené horľavé plyny – kyslík) alebo terminácie (vznikajúce pevné zvyšky – kyslík) (Makovický, Osvaldová, 2004).

Retardácia horenia je proces pomerne komplikovaný a väčšinou je založený na použití navzájom sa doplňujúcich a ovplyvňujúcich retardačných systémov. Samostatným, ale

súvisiacim problémom je aj zvýšená toxicita splodín horenia retardovaných materiálov (Mitterová et al., 2014).

Retardéry horenia sú zväčša chemické látky, ktoré chemickým, fyzikálnym alebo kombinovaným spôsobom bránia rýchlemu zapáleniu a následnému horeniu. Základné princípy retardácie sú nasledovné:

• retardér uvoľňuje nehorľavé plyny v teplotnom intervale vzniku horľavých plynov termolýzou materiálu – zrieďovací princíp,

• retardér akumuluje teplo zdroja, a tým ho ochladzuje – rýchle starnutie, krátkodobá účinnosť, málo používané,

• retardér penotvorný – najvyššia účinnosť, najširšia aplikácia, 2 etapy pôsobenia,

• jedna zložka retardéru z tenkého filmu vytvorí penu – oddelenie horľavého povrchu od zdroja tepla – prvý spôsob fyzikálnej retardácie,

• pena je zlý vodič tepla, materiál sa pomalšie ohrieva – druhý spôsob fyzikálnej retardácie,

• chemická retardácia – zvyšovaním teploty prebehnú reakcie, ktoré znížia rýchlosť horenia,

• retardér mechanický – fólie a obklady z nehorľavých materiálov (Kačíková et al., 2007).

Mechanizmus účinku retardérov horenia závisí najmä od vlastností upravovaného materiálu, ako aj od termických vlastností použitého retardéra. Šíreniu plameňa môžeme v podstate zabrániť ochladením telesa, zmenou vzniku horľavých rozkladných produktov v smere vzniku nehorľavých prchavých látok, spomalením odparovania, zamedzením prístupu vzdušného kyslíka alebo ovplyvnením oxidačných reakcií v plynnej fáze. Chemické retardéry horenia pôsobia tak v tuhej fáze (zmenou termických degradačných procesov alebo vytvorením bariéry), ako aj v plynnej fáze (spomalením radikálových oxidačných procesov) (Kačíková et al., 2007).

Jedným z moderných spôsobov protipožiarnej ochrany konštrukčných materiálov je aplikácia protipožiarnych náterov. Protipožiarne nátery slúžia hlavne na dosiahnutie požadovanej požiarnej odolnosti a znižovanie horľavosti samotných konštrukcií. Vo všeobecnosti vieme povedať, že ide o systémy založené na princípe tenkej vrstvy aplikovanej na povrchu chráneného materiálu. Ich účinky sú zábranové, napeňujúce, a sublimujúce (Bradáčová, 2007 a Kupilík, 2006).

1.4.1.1 Zábranové protipožiarne nátery

Zábranové protipožiarne systémy zabraňujú prístupu plameňa k povrchu chráneného materiálu a určitú dobu bránia jeho vznieteniu. Avšak aj po vznietení chráneného materiálu obmedzujú prístup kyslíka do zóny horenia a bránia šíreniu plameňa po povrchu. Tieto systémy sa aplikujú najviac na horľavé konštrukcie a materiály, okrem dreva sú to hlavne plasty, ktoré sú najčastejšie v podobe káblových izolácií alebo plastových potrubí. Zábranové nátery sa najčastejšie vyrábajú na anorganickej báze, a to najčastejšie ľahko taviteľné skloviny, glazúr a aditív, ktoré spôsobujú zhášanie plameňa. Nemajú žiadne tepelno-izolačné vlastnosti a ich funkcia je založená výhradne na bariérovom, resp. „wall“ efekte. Pri požiari dochádza najčastejšie k rýchlemu odhoreniu organického polymérneho spojiva náteru a anorganický zvyšok stvrdne na pevnú vrstvu, ktorá drží na podklade a pôsobí proti šíreniu plameňa (Vašátko, 2009).

1.4.1.2 Intumescentné protipožiarne nátery

Intumescentné nátery (napeňujúce) sú v posledných rokoch najviac využívané protipožiarne nátery. Tento typ protipožiarnych náterov vytvára pri teplotách v rozmedzí od 180 do 200 oC na povrchu chráneného prvku vrstvu izolačnej nehorľavej peny. Spôsob a rýchlosť napenenia, štruktúra, výška peny, veľkosť a tvar buniek peny záleží od účinnosti konkrétneho náteru (Bradáčová, 2007).

1.4.1.3 Sublimujúce protipožiarne nátery

Tieto nátery sú prechodom medzi nátermi a nástrekmi. Využívajú sa najmä v neprístupných miestach na vonkajších konštrukciách, kde nie je možné použiť ostatné protipožiarne systémy a kde je treba vylúčiť riziko zlyhania. Po prvýkrát boli použité na vesmírnych letoch v USA, aby z jednej strany ochladzovali raketové obaly a z druhej strany chránili riadiace systémy a príslušenstvo pred vysokými teplotami. Podstatou pri týchto náteroch je silná vrstva aditív s polymérmi, ktorá sa pri vyšších teplotách ľahko rozkladá, resp. odparuje - sublimuje. Táto vrstva je vystužená sklenenými vláknami alebo rohožami. Funkčnosť sublimujúcich protipožiarnych náterov spočíva v odchádzajúcich plynoch, ktoré strhávajú plameň a ochladzujú povrch, na ktorom sú nanesené. Sublimujúce nátery sú veľmi stále, odolné voči poveternostným vplyvom a mechanickému namáhaniu, a preto sú veľmi vhodné pre vonkajšie použitie. Nakoľko cena týchto náterov je dosť vysoká, nevyužívajú sa tak často, avšak do budúcnosti majú veľkú perspektívu (Vašátko, 2009).

Ďalším významným spôsobom ochrany, modifikácie a zlepšovania aj

požiarnotechnických vlastností dreva je jeho termická úprava, zjednodušene povedané postupné zahrievanie dreva pod teplotu jeho termickej degradácie.

1.4.2 Tepelná úprava dreva

Termicky modifikované (tepelne upravené, teplota zvýšená na 150°C – 260°C) drevo predstavuje pomerne nový, ale perspektívny typ drevného materiálu, ktorý sa priemyselne vyrába už vyše 17 rokov vo viacerých krajinách sveta najmä s použitím ihličnanov (borovica, smrek), v menšej miere brezy či osiky. Priekopníkom je Fínsko (Hill, 2006).

Kolb (2011) uvádza ročné výrobné kapacity pre Európu, ktoré dodnes predstavujú okolo 200 000 m3. Za perspektívne sa považujú najmä ekologicky prijateľné technológie modifikačného zušľachtenia dreva, vrátane jeho mechanickej, termickej, chemickej či enzymatickej modifikácie, a to ako dôsledok jeho nedostatočnej prirodzenej trvanlivosti za účelom zmeny štruktúry na zlepšenie vybranej vlastnosti (Scheiding et al., 2005).

Ide o technologickú prípravu v atmosfére obmedzeného prístupu vzduchu (Thermo-Wood s klasifikačnou triedou S do interiéru a D, vhodnejšou už aj do exteriéru), v prostredí vodnej pary (Plato-Wood), inertných plynov, v prostredí dusíka s podielom kyslíka menším ako

2 % (Retificated-Wood), či v olejoch (Royal-Wood, OHT-Wood), pričom určitým nedostatkom je jeho karamelový zápach a jemný prach vznikajúci pri mechanickom spracovaní (Reinprecht, Vidholdová, 2011).

Vplyv termických úprav na vlastnosti dreva sa vyznačuje najmä trvanlivosťou, zvýšenou biologickou odolnosťou voči drevokazom, lepšou rozmerovou stabilitou (zosychanie, napučanie), nižšou navĺhavosťou, lepšími tepelno-izolačnými vlastnosťami (znížená tepelná vodivosť), zaujímavou farbou, akustickými vlastnosťami, a to iba pri miernom poklese pevnosti (Mayes, Oksanen, 2002).

Napríklad OSB dosky pripravené z plochých triesok pred-upravených teplotami 230 °C i viac, v prostredí argónu majú lepšiu priestorovú stabilitu, ale horšiu pevnosť i modul pružnosti v ohybe (Goroyias, Hale, 2002).

Protipožiarna odolnosť termicky modifikovaných driev je v celku zhodná s pôvodným drevom, tvorba dymu pri požiari je však nižšia (Wang, Cooper, 2007).

Pri zámernom vystavení sa zvýšenej teplote do max. limitu 300°C (sušenie, parenie, varenie, lisovanie) pri rôznych technologických operáciách dochádza k cielenej plastifikácii, zmene fyzikálno-chemickej štruktúry, termicky namáhané drevo tmavne, mení sa lesk, začína strácať

svoju pôvodnú pevnosť v ťahu i ohybe, klesá rázová húževnatosť, stáva sa hydrofóbnejším, pričom ale modul pružnosti sa mení len zanedbateľne, niekedy dokonca i narastá (Trebula, Klement, 2002).

Pri ďalšom náraste teplôt sa zvyčajne aj zapáli a dochádza k požiaru spojenému s intenzívnou premenou dreva na horľavé plyny a zuhoľnatenú vrstvu až popol (Reinprecht, Vidholdová, 2011).

Hlavným zámerom takýchto termických modifikácií rastlého dreva na výrobu termodreva je vytvoriť materiál so zníženou polaritou a vytvorením látok s biocídnym efektom. Všeobecne platí, že termodrevo má potenciál nahrádzať trvanlivé a tvarovo stabilné exotické, tropické drevo, ale i drevo doteraz chemicky ošetrované rôznymi biocídmi (Awoyemi, 2006).

1.5 Požiarnotechnické charakteristiky

V tejto kapitole sú bližšie popísané jednotlivé požiarnotechnické charakteristiky materiálov a konštrukcií a spôsoby ich testovania prostredníctvom progresívnych analytických metód požiarneho inžinierstva. Výstupy týchto testovaní predstavujú základnú bázu údajov potrebných pre matematické modelovanie vnútorných požiarov.

Materiál predstavuje látku určenú na konkrétne technické použitie a ďalšie spracovanie. Pri popise a analýze materiálov sa využívajú poznatky a postupy z chémie, fyziky, matematiky, mineralógie, mechaniky a rôznych experimentálnych techník.

Z hľadiska klasifikácie rozdeľujeme materiály na prírodné a syntetické. Obe skupiny môžu zahŕňať materiály organické (biomasa) a neorganické (žula, keramika).

Pre určenie vlastností horľavých látok slúžia jednotlivé parametre, ktoré umožňujú posúdiť ich chemické a fyzikálne správanie. Jednotlivé parametre sú viazané na skupenstvo a platia výhradne preň. Tieto veličiny alebo parametre dovoľujú požiarnotechnické zhodnotenie a tým stanovenie jednotlivých opatrení, ako aj využitie bezpečnostných zariadení a prístrojov.

Martinka (2015) uvádza, že posúdenie sklonu tuhých materiálov alebo výrobkov k iniciácii je možné vykonať na základe teploty vznietenia, teploty vzplanutia, kyslíkového čísla a kritickej hustoty tepelného toku.

Požiarnotechnické charakteristiky predstavuje zapáliteľnosť a relatívna horľavosť, rýchlosť šírenia plameňa i odhorievania, množstvo tepla uvoľneného tepelnou degradáciou (zmena chemického zloženia materiálu), množstvo a charakteristika zloženia uvoľnených plynných produktov (Kačíková et al., 2011).

Nemajú len charakter materiálového parametru, ale sú neoddeliteľnou súčasťou štúdia procesu horenia a výskumu rôznych spôsobov ochrany: teplota vzplanutia, vznietenia; zlučovacie, rozkladacie, spalné, merné, solárne teplo; merná výhrevnosť; súčiniteľ prestupu tepla, dĺžkovej a objemovej rozťažnosti (Kačíková et al., 2007).

Drevo ako biopolymérny materiál má vysoký obsah energie, ktorá sa z neho dá spätne uvoľniť vplyvom tepelných aktivácií, teda: ak na drevo začne pôsobiť účinný aktivačný zdroj, základné stavebné komponenty dreva sa štiepia za tvorby horľavých plynov, ktoré sa v určitom okamžiku dokážu zapáliť a v tomto momente môže prejsť do samovoľného horenia. Vplyv na horenie dreva ako chemickú reakciu má rozdielnosť obsahu základných stavebných zložiek (lignín, celulóza, hemicelulóza) i jeho mechanizmus (Chovanec, Osvald, 1992).

Únosnosť dreva s ohľadom na požiarnotechnické vlastnosti sa neznižuje naraz, ale postupným odhorievaním prierezu. Ak je vystavené vyšším teplotám pri dlhšom čase ohrevu, pevnosť je natrvalo znížená (Green et al., 1999).

Pre potrebu drevostavieb je dôležitá i informácia týkajúca sa hrúbky zuhoľnatenej vrstvy a úbytku na hmotnosti podľa vzdialenosti od žiariča (vrstva uhlia) (Kolb, 2011).

Z hľadiska komplexného posudzovania všetkých faktorov ovplyvňujúcich možnosť vzniku požiaru je tak podľa Zapletalovej (1987) nutné poznať predovšetkým charakteristické vlastnosti látok, tzv. požiarnotechnické parametre, ktoré sú kvantitatívnym vyjadrením možnosti vzniku požiaru. Reprezentujú reakciu materiálov na vysokú teplotu alebo oheň.

Podľa názorov Chrebeta a Baloga (2010), pre lepšiu využiteľnosť parametrov vznietivosti je vhodné súčasné sledovanie podmienok ovplyvňujúcich priebeh iniciačnej periódy procesu horenia, ktorú najviac ovplyvňujú:

• Tepelné podmienky (zdroj, prestup, vývoj, akumulácia tepla, intenzita vonkajšieho tepelného zdroja, teplota, teplotná rezistencia a dekompozícia) testovaného materiálu nutné na samotný impulz prechodu molekúl do aktivovaného stavu ako základného kroku na začatie rozkladných reakcií (Tureková, Balog, 2001).

• Pôsobenie oxidovadla, oxidačného prostriedku, resp. látky podporujúcej horenie ovplyvňuje termooxidačné reakcie s výraznejším exotermickým efektom, čím zrýchľuje termickú degradáciu materiálu (koncentrácia, distribúcia kyslíka, reakčné podmienky) (Reinprecht, 1996).

• Množstvo, druh paliva – horľavej alebo zápalnej látky (distribúcia paliva v kondenzovanej a plynnej fáze, retardačné prísady, plnivá, povrch, štruktúra, absorpcia, rozmery, hustota a tepelné vlastnosti (Simms, 1962).

Palivo a oxidačný prostriedok vytvárajú súbor nazývaný látková zložka, pričom tepelný faktor je potrebnou energetickou zložkou na iniciáciu procesu horenia. Tepelné podmienky iniciácie procesu horenia obvykle charakterizujeme pomocou teploty vzplanutia a vznietenia (parametrov vznietivosti), ktorých stanovenie uvádza STN ISO 871. Pri hodnotení iniciačných zdrojov a horľavého súboru sa využívajú technicko-bezpečnostné parametre:

• Teplota vzplanutia (FIT – Flame Ignition Temperature) je najnižšia teplota, pri ktorej, za definovaných podmienok skúšky, horľavá látka pri normálnom tlaku vyvinie toľko horľavých plynov, že tieto v zmesi so vzduchom pri pôsobení (priblížení) otvoreného plameňa vzplanú.

• Teplota alebo bod vznietenia (SIT – Spontaneous Ignition Temperature) je najnižšia alebo minimálna teplota vzduchu prúdiaceho okolo vzorky, pri ktorej dôjde k jej zapáleniu (vznieteniu) bez prítomnosti otvoreného zdroja zapálenia počas trvania skúšky.

Podľa práce Turekovej a Baloga (2001), stanovenie teplôt vznietenia/vzplanutia je úzko späté s ďalším technicko-bezpečnostným parametrom – indukčnou periódou. Ide o časový interval od vloženia vzorky do izotermicky vyhriateho skúšobného zariadenia do naakumulovania dostatočnej koncentrácie prchavých degradačných produktov, ktoré s oxidovadlom vytvoria horľavú zmes, prejavujúcu sa ako vznietenie/vzplanutie. Indukčná perióda spolu s teplotou charakterizuje predplameňové procesy materiálov, teda so zvyšujúcou sa reakčnou teplotou sa skracuje:

• Indukčná perióda vznietenia – časový interval od termického zaťaženia vzorky, buď konštantnou teplotou alebo konštantným tepelným tokom, resp. zvoleným teplotným alebo tepelným programom, do jej vznietenia, a to bez použitia malého plameňa ako sekundárneho zdroja zapálenia, pričom jej časový interval je rovný alebo kratší ako desať minút (Tureková, Balog, 2001).

• Indukčná perióda vzplanutia – časový interval od termického zaťaženia vzorky, buď konštantnou teplotou alebo konštantným tepelným tokom, resp. zvoleným teplotným alebo tepelným programom, do jej zapálenia, ale za použitia malého plameňa ako sekundárneho zdroja zapálenia (Balog, 1999).

Parametre vznietivosti spolu s indukčnou teplotou vznietenia alebo vzplanutia sú podstatné na relatívne porovnanie materiálov z hľadiska dynamiky rozvoja požiaru pri ich

termickom zaťažením teplotou alebo tepelným tokom typickým pre požiar, t. j. charakterizujú iniciáciu horenia (Balog, 1999).

Určovaním základných požiarnotechnických vlastností dreva sa zaoberali aj Delichatsios et al. (2003), Hagen et al. (2009), avšak napriek horľavosti dreva (tejto zápornej vlastnosti) sa drevo ako vynikajúci všestranný materiál využíva aj naďalej, no dbá sa na jeho zvýšenú ochranu voči tepelnému pôsobeniu. Oblasť využitia dreva, v ktorej je potrebné sledovať jeho požiarnotechnické vlastnosti je najmä stavebný priemysel.

Podľa Masaříka (2003) požiarnotechnické charakteristiky môžeme definovať ako číselné hodnoty, ktoré vystihujú správanie látok alebo materiálov pri vzniku a priebehu horenia až do jeho ukončenia. Tieto charakteristiky sa vzťahujú k určitým čiastkovým etapám procesu vznietenia a horenia ako sú vznietenie, doba do vzniku plameňa, rýchlosť a doba horenia, rýchlosť šírenia plameňa, množstvo vyvinutého tepla a dymu, množstvo a druh plynných produktov horenia, hmotnostný úbytok, množstvo a vlastnosti zuhoľnateného zvyšku po horení, prípadne iné. Ku komplexnému posúdeniu požiarneho nebezpečenstva látky, materiálu alebo výrobku je preto potrebný určitý súbor požiarnotechnických charakteristík.

Podľa nášho názoru, problematika požiarnotechnických charakteristík materiálov zahŕňa množstvo vedných odborov a oblastí s ktorými sa môžeme v bezpečnostnej praxi stretnúť. Pre zjednodušenie uvádzame hlavne tri najdôležitejšie oblasti bezpečnostnej praxe, t. j. oblasť požiarnej prevencie, oblasť zisťovania príčin vzniku požiarov a oblasť bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci, v ktorých sa uplatňujú požiarnotechnické charakteristiky materiálov.

PTCH z pohľadu požiarnej prevencie

Medzi základné povinnosti právnických osôb a fyzických osôb - podnikateľov, v zmysle Zákona NR SR č. 314/2001 Z. z. o ochrane pred požiarmi, konkrétne v § 4, písm. j) sa uvádza že, právnická osoba a fyzická osoba - podnikateľ na účely predchádzania vzniku požiarov je povinná určovať a mať k dispozícii požiarnotechnické charakteristiky výrobkov a látok a zásady ich bezpečného používania a skladovania, ak je ich výrobcom.

Ďalej sa medzi povinnosťami právnických osôb a fyzických osôb-podnikateľov v zmysle

Vyhlášky MV SR č. 121/2002 Z. z. o požiarnej prevencii, konkrétne v § 26, ods. 2 písm. b) sa uvádza že, požiarny poriadok pracoviska obsahuje najmä požiarnotechnické charakteristiky spracúvaných, používaných a skladovaných surovín a materiálov a ich najvyššie prípustné

množstvá na pracovisku.

PTCH z pohľadu zisťovania príčin vzniku požiarov

Medzi základné povinnosti pri výkone štátneho požiarneho dozoru, v zmysle Zákona NR

SR č. 314/2001 Z. z. o ochrane pred požiarmi, konkrétne v § 25, ods. 1, písm. d) sa uvádza že, štátny požiarny dozor sa vykonáva zisťovaním príčin vzniku požiarov. Následne v zmysle

Prílohy č. 12 Pokynu prezidenta Hasičského a záchranného zboru č. 32/2016 o zisťovaní príčin vzniku požiarov a o štatistickom sledovaní požiarovosti sa uvádza, že odborný posudok alebo požiarnotechnická expertíza obsahuje aj údaje o požiarnotechnických vlastnostiach iniciovanej látky a iniciátora resp. požiarnotechnické charakteristiky materiálov prítomných na požiarisku.

PTCH z pohľadu bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci

Z pohľadu bezpečnosti a ochrany zdravia zamestnancov, zamestnávateľ musí dbať aj na dodržiavanie ustanovení Zákona NR SR č. 67/2010 Z. z. o podmienkach uvedenia chemických látok a chemických zmesí na trh a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov (chemický zákon) a vybrané články nariadenia EP a Rady (ES) č. 1907/2006 REACH a nariadenia EP a Rady (ES) č. 1272/2008 CLP, ako aj na dodržiavanie ustanovení Zákona NR SR č. 124/2006 Z. z. o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov a súvisiacich nariadení vlády SR. V rámci Zákona NR

SR č. 124/2006 Z. z. o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci a o zmene a doplnení niektorých zákonov, konkrétne so zameraním na bezpečnosť zamestnancov na pracovisku, je zamestnávateľ povinný mať k dispozícii karty bezpečnostných údajov, ktoré sú hlavným zdrojom informácií o vlastnostiach chemických látok a zmesí a o bezpečnom zaobchádzaní s nimi. Medzi údaje ktoré sú zahrnuté v karte bezpečnostných údajov môžeme zaradiť aj vybrané požiarnotechnické charakteristiky spracovávaných materiálov.

Z vyššie uvedených dôvodov (pohľad požiarnej prevencie, zisťovania príčin vzniku požiarov a bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci) sa aj my v predloženej práci venujeme problematike stanovenia vybraných požiarnotechnických charakteristík smrekového dreva pomocou nami navrhnutej progresívnej metódy.

1.5.1 Metódy posudzovania (hodnotenia) požiarnotechnických charakteristík dreva

Snaha o pochopenie požiaru sa datuje už do doby pred 2,5 miliónmi rokov, do paleolitu, kedy prvý primitívny človek pozoroval žiaru plameňa. Od doby prvých pozorovaní ľudstvo pomaly dospelo k rozvinutiu poznatkov o horení a požiari a spôsoboch ich využitia.

Prvé pozorované požiare boli pravdepodobne spôsobené prírodnými javmi, bleskom, alebo ako dôsledok vulkanickej činnosti v danej oblasti. Ľudia žijúci v tomto období zároveň pozorovali, že tieto požiare môže uhasiť dážď alebo jeho šírenie môže zastaviť vodný tok. Naučili sa izolovane premiestňovať oheň z jedného miesta na druhé. Na základe tohto poznania bolo ľudstvo schopné rozvinúť koncept využívania ohňa. Avšak ešte stále si neboli vedomí, že jednou zo základných zložiek potrebných pre horenie je kyslík. Poznali len koncept, že kombináciou tepla a paliva vzniká oheň. Tieto poznatky umožnili ľuďom v prípade potreby založiť oheň a vytvoriť základ pre prácu s ohňom (požiarom) v budúcnosti.

Poznatky tejto primitívnej fyzikálnej vedy o teple a požiari v kombinácii s poznatkami z matematiky vytvorili základ pre budúci rozvoj požiarneho skúšobníctva. Postupom času ľudstvo nevyužívalo oheň len v domácnostiach, ale stal sa predmetom prvých požiarnych skúšok vykonávaných v súvislosti s vývojom zbraňových systémov.

Je známe, že „grécky oheň“ sa používal vo vojnách už v siedmom storočí, ako aj skutočnosť, že Číňania používali plameňomet už v desiatom storočí (Lawson, 2009).

Významný posun v oblasti požiarneho skúšobníctva bol zaznamenaný v súvislosti s rozvojom používania sústavy arabských číslic, aritmetikou, algebrou, geometriou, trigonometriou a výpočtovými metódami. Poznatky týchto vedeckých disciplín a výpočtové možnosti poskytli väčšinu základných nástrojov pre študovanie parametrov požiaru. Tieto matematické nástroje sa neskôr používali pre štúdium správania sa požiaru po stáročia. Rozvoj štatistických metód poskytol vývoj základných metodických postupov pre analýzu výsledkov výskumu a údajov získaných z požiarnych skúšok. To zároveň umožňovalo optimalizovať metódy požiarneho skúšobníctva takým spôsobom, aby poskytovali zmysluplné a opakovateľné výsledky. Okrem toho, štatistické metódy ponúkajú aj nástroje, ktoré sú nápomocné pri predikcii správania požiaru.

Ďalšou fázou v rozvoji požiarneho skúšobníctva bolo zapojenie nového parametra do merania, a to času. Takmer všetky požiarne testy sa v súčasnosti zakladajú na meraní parametra čas a tiež mnohé výsledky testov sú uvádzané v jednotkách času. Koncept času bol dôležitý hneď od počiatku.

Vedecké počiatky požiarneho skúšobníctva boli položené v 16. až. 18. storočí. Ďalší pokrok vo vývoji požiarneho skúšobníctva bol predznamenaný nastupujúcimi možnosťami merania teploty. Po zavedení merania teploty do požiarneho skúšobníctva došlo neskôr k tvorbe prvých koncepcií tepla a termodynamiky. Ďalšou významnou oblasťou vo vývoji požiarneho skúšobníctva, ale aj samotného požiarneho inžinierstva, je prenos tepla a tepelného

žiarenia. V 17. storočí anglický fyzik Sir Isaac Newton a holandský fyzik Christiaan Huygens predstavili konkurenčné teórie o vlastnostiach svetla.

Pochopenie koncepcie teploty a tepelného toku vytvorilo základ pre následnú vedeckú a technickú revolúciu. Táto revolúcia, ktorá viedla k vzniku súčasného požiarneho skúšobníctva, začala až v pomerne neskorom období, v 19. storočí, keď boli vyvinuté základné nástroje umožňujúce meranie teploty a tepelného toku. Čo je ešte dôležitejšie, toto obdobie prvej revolúcie zahŕňalo aj vývoj technológií umožňujúcich diaľkové meranie teplôt a tepelného toku.

Vytvorenie termočlánku viedlo čoskoro k vývoju ďalších meracích zariadení pre požiarne skúšobníctvo. Jedným z týchto zariadení bol medený kalorimeter. Už v roku 1876 Maxwell konštruoval a používal medené kalorimetre na meranie tepelného toku vo svojich laboratórnych experimentoch (Harman, 2002).

Hoci je požiar predmetom záujmu výskumu už tisíce rokov, vývoj vedecky založených skúšok požiarnej bezpečnosti stavieb je predmetom záujmu menej ako 300 rokov. Prvé odkazy

týkajúce sa skúšok požiarnej bezpečnosti stavieb poukazujú na Obadiaha Wylda, ktorý vyvinul retardér horenia pre tkaniny a vďaka tomu získal v roku 1735 britský patent. Je však zrejmé, že tento patent by nebol získaný bez použitia určitej formy požiarnej skúšky na kvantifikovanie účinnosti daného retardéra horenia. Prácu Wylda doplnil Gay-Lussac, ktorý realizoval rozsiahle štúdie o požiarnej odolnosti tkanín používaných ako divadelné opony. V roku 1821

Gay-Lussac zverejnil zoznam látok, o ktorých sa zistilo, že účinne zlepšujú požiarnu odolnosť

(Gay-Lussac, 1821).

Začiatok 20. storočia bol okrem pokroku v iných oblastiach požiarneho inžinierstva spojený aj s pokrokom v oblasti testovania dymu a toxicity splodín horenia vznikajúcich pri požiari. Rozvoj požiarneho skúšobníctva v začiatkoch 20. storočia poznamenáva nástup zariadení, ktoré sú schopné na diaľku merať a automaticky zaznamenávať namerané údaje.

Výskumníci ďalej využívali tieto nové poznatky na zlepšenie vedecky založených metód a štandardov pre vykonávanie požiarnych skúšok a to v celosvetovom meradle.

Z doterajšieho popisu vývoja požiarneho skúšobníctva je zrejmé, že jediné testy, ktoré boli vykonávané, boli veľkorozmerové. Vývoj postupov veľkorozmerových požiarnych skúšok sa stretol aj s negatívnymi postojmi. Dôvodom boli zvýšené náklady na výrobu a samotné požiarne skúšky materiálov. Preto bolo snahou viac rozvíjať laboratórne (malorozmerové) testovanie.

Malorozmerové alebo laboratórne požiarne skúšky stavebných materiálov za účelom zistenia ich iniciačných vlastností sa realizovali už v roku 1912, kedy bola vyvinutá pec na

štúdium zápalnosti rôznych druhov dreva a na skúmanie vplyvu retardačných úprav na zapálenie dreva. Táto skúšobná metóda bola ďalej rozvíjaná počas niekoľkých desaťročí v rámci britského štandardizačného procesu, nakoniec bola prijatá ako testovacia metóda pre hodnotenie plastov. Táto skúška sa dodnes používa na štúdium horľavosti materiálov a odpovedá na otázku, či materiály po vystavení vysokým teplotám produkujú teplo a ich horenie sa prejavuje plameňom.

Príchod informačného veku priniesol pokrok aj do požiarneho skúšobníctva, poskytol základ pre implementáciu progresívnych metód zisťovania rýchlosti uvoľňovania tepla z horiacich materiálov. Najväčší pokrok v tejto oblasti nastal v druhej polovici 20. storočia, s vývojom cenovo dostupných stolových počítačov, data loggerov, počítačom podporovanej analýzy údajov a vedecky založených prediktívnych modelov.

Požiarne skúšky sú kľúčovou zložkou používanou v procese navrhovania opatrení zameraných na zaistenie požiarnej bezpečnosti prostredia. Medzi progresívne metódy požiarneho skúšobníctva používané v praxi požiarneho inžinierstva možno zaradiť nasledovné analytické metódy na stanovenie požiarnotechnických charakteristík dreva a materiálov na báze dreva, t. j. stanovenie: teploty vzplanutia a vznietenia, medze výbušnosti, nehorľavosti (horľavosti stavebných výrobkov), teploty samovznietenia, spaľovacieho (spalného tepla) a rôzne metódy termickej analýzy (Zachar, 2018).

V nasledujúcej časti sú popísané analytické metódy, ktoré sa využívajú v procese hodnotenia materiálov a ich požiarnotechnických charakteristík.

1.5.1.1 Stanovenie teploty vzplanutia alebo vznietenia

u tuhých látok

Pre stanovenie teploty vzplanutia a vznietenia pevných látok sa využíva najmä skúšobný postup podľa STN ISO 871: 2010. Pri jeho aplikácii sa vzorka materiálu zahrieva v teplovzdušnej peci pri rôznych teplotách v zahrievacej komore a teplota vzplanutia sa stanoví priložením malého zapaľovacieho plameňa smerovaného na otvor krytu pece, aby sa zapálili uvoľnené plyny. Teplota vznietenia sa stanoví rovnakým spôsobom ako teplota vzplanutia, ale bez zapaľovacieho plameňa (Zachar, 2018).

1.5.1.2 Stanovenie náchylnosti materiálov na samovznietenie

Na stanovenie sklonu k samozahrievaniu a samovznieteniu olejov, náterových hmôt, tukov a mastiacich a čistiacich prostriedkov sa používa Mackeyov test. Pri skúške sa simulujú ideálne podmienky pre samovznietenie. Nosičom pre skúmanú látku je čistá bavlnená vata, ktorá sa napustí skúšanou látkou a zahrieva sa po stanovený čas v Mackeyovom prístroji.

V priebehu skúšky je zabezpečený kontinuálny prívod vzduchu k skúšanej vzorke a pomocou termočlánku alebo teplomera sa sleduje nárast teploty bavlnenej vaty napustenej skúšanou látkou v závislosti od času. Podľa priebehu teploty sa potom posudzuje sklon k samovznieteniu. Skúšku sa odporúča vo väčšine prípadov vykonávať dlhší čas, a to až 3 h (Zachar, 2018).

1.5.1.3 Stanovenie spalného tepla

Skúšobný postup v zmysle platnej normy EN ISO 1716: 2010-12 sa používa pre pevné látky a je založený na stanovení spaľovacieho/spalného tepla pri konštantnom objeme v kalorimetrickej nádobe (bombe). Spaľovacie/spalné teplo je definované ako množstvo tepla, ktoré sa uvoľní pri dokonalom spálení látky, pričom voda v spalinách je v kvapalnej forme. Z hodnôt spaľovacieho/spalného tepla je následne možné odvodiť ďalšiu požiarnotechnickú charakteristiku, ktorou je výhrevnosť. Výhrevnosť je definovaná ako množstvo tepla, ktoré sa uvoľní pri dokonalom spálení látky, pričom voda v spalinách je vo forme pary. Výhrevnosť sa matematicky rovná spaľovaciemu/spalnému teplu zmenšenému o súčin vzniknutého množstva vody a výparného tepla vody. Počas skúšky dôjde k spáleniu zmesi 0,5 g vzorky a 0,5 g kyseliny benzoovej v skúšobnom tégliku (tégliková metóda) alebo v cigaretovom papieri (cigaretová metóda), ktoré sú umiestnené v kalorimetrickej bombe. Kalorimetrická bomba je pred skúškou naplnená čistým kyslíkom s tlakom 3 až 3,5 MPa (termín čistý kyslík nie je celkom presný, nakoľko sa v kalorimetrickej bombe pred plnením nachádza vzduch s atmosférickým tlakom, do ktorého sa natlačí čistý kyslík na výsledný tlak 3 až 3,5 MPa). Spaľovacie (spalné) teplo sa vypočíta na základe zmeraného nárastu teploty destilovanej alebo demineralizovanej vody v kalorimetrickej nádobe po spálení vzorky známeho spaľovacieho/spalného tepla paliva použitého na zapálenie vzorky a známej výmeny tepla medzi kalorimetrickou nádobou a okolím (Zachar, 2018).

1.5.1.4 Stanovenie medzí výbušnosti Medze výbušnosti sa stanovujú ako pre kvapalné a plynné, tak i tuhé látky. Na stanovenie medze výbušnosti sa pre kvapalné a plynné látky využíva štandardný skúšobný postup. Na stanovenie dolnej medze výbušnosti prachov sa využíva výbuchová komora. Dolná medza výbušnosti prachu je taká koncentrácia prachu vo vzduchu, ktorú je možné danou iniciačnou energiou zapáliť, pričom plameň má tendenciu rozširovať sa.

Na stanovenie sa používa vzorka s časticami menšími než 0,063 mm, prípadne iná, vždy s uvedením veľkosti frakcie sitovej analýzy. Do rozvírovača sa nasype odvážená vzorka. Podľa

tabuľky rozvírovacích podmienok sa nastaví stupeň rozvirovania a oneskorenie iniciácie. Medzi elektródy sa pripevní iniciačný zdroj. Voľná stena komory sa prekryje papierovou membránou, ktorá sa upevní dvierkami. Membrána sa na dolnom okraji prereže (aby v komore nevznikal pretlak privedením vzduchu) a komora sa prisunie ku murovanému boxu. Vynuluje sa „mVmeter“ a zariadenie a zásobník rozvírovacieho vzduchu sa natlakuje podľa tabuľky podmienok. Zatlačením štartovacieho tlačidla sa privedie do rozvírovača nastavené množstvo rozvírovacieho vzduchu, tým dôjde k rozvíreniu vzorky a po uplynutí nastaveného času oneskorenia iniciácie automaticky dôjde k zapáleniu iniciačného zdroja. Pritom sa vizuálne sleduje veľkosť plameňa v komore. Po dosiahnutí maximálnej hodnoty napätia sa táto odpočíta na mV-metri a vynesie do grafu pre skúšanú koncentráciu. Potom sa komora vyčistí tlakovým vzduchom od zvyškov prachu. Ďalšie skúšky sa vykonávajú pri zmenenej koncentrácii prachu tak, aby nameranými bodmi zakreslenými v grafe bolo možné preložiť krivku. Z krivky sa odčíta koncentrácia zodpovedajúca napätiu 1,5 mV, čo je hľadaná hodnota dolnej medze

výbušnosti. V prípade väčšieho rozptylu nameraných hodnôt pre jednotlivé koncentrácie prachu sa skúšky aj viackrát opakujú, aby sa dala nameranými bodmi preložiť krivka čo najpresnejšie. Toto platí obzvlášť pre vzorky obsahujúce väčšie častice alebo pre vzorky ťažko rozvíriteľnélepivé a pod.). Ak nie je nameraná hodnota 1,5 mV do koncentrácie prachu 630 g∙m-3, prach je nevýbušný. Dolná hranica výbušnosti sa stanovuje pri energii iniciácie 9 kJ a 4,5 kJ. Pri vzorkách majúcich dolnú hranicu výbušnosti menšiu ako 100 g m-3 sa stanovuje dolná medza

výbušnosti tiež pri energii iniciácie Ei = 0,1 kJ. Okrem už spomenutej metódy je možné pre prachové častice aplikovať aj skúšobný postup podľa ČSN EN 14034-3+A1: 2011. Stanovenie výbuchových charakteristík rozvíreného prachu. Časť 3: Stanovenie dolnej medze výbušnosti

LEL rozvíreného prachu. Táto norma opisuje skúšobnú metódu stanovenia dolnej medze výbušnosti rozvíreného prachu v uzavretej nádobe za definovaných počiatočných podmienok tlaku a teploty. Skúšobný postup sa realizuje vo výbuchovom autokláve. Okrem prachov je možné týmto postupom testovať aj plyny a hybridné zmesi (Zachar, 2018).

1.5.1.5 Stanovenie horľavosti metódou kyslíkového čísla

Pre stanovenie horľavosti metódou kyslíkového čísla sa využíva skúšobný postup v zmysle normy STN EN ISO 4589-2: 2001: Plasty. Ide o metódu stanovenia minimálnej koncentrácie kyslíka v zmesi, ktorá je ešte schopná udržať horenie malých skúšobných telies vo vertikálnej polohe za predpísaných podmienok skúšky.

Pri skúške sa skúšobné telesá pripravia postupom vyhovujúcim špecifikácii materiálov. Odoberie sa vzorka dostatočne veľká pre prípravu najmenej 15 skúšobných telies.

V skúšobnom zariadení sa udržuje teplota v tolerancii 23 ± 2 °C. Zvolí sa počiatočná koncentrácia kyslíka. Skúšobné teleso sa upevní vertikálne do stredu skúšobnej trubice tak, aby jeho vrchol bol najmenej 100 mm pod horným otvorom a jeho najnižšia exponovaná časť bola najmenej 100 mm nad vrcholom zariadenia k rozptýleniu plynu na dne trubice. Nastaví sa zmes plynov a prietok sa zriedi tak, aby zmes kyslík/dusík s požadovanou koncentráciou kyslíka pretekala trubicou. Následne dôjde k zapáleniu vzorky. Pri skúške je možné použiť dve metódy zapaľovania: zapaľovanie na hornom povrchu alebo zapaľovanie na hornom povrchu a čiastočne i na vertikálnych plochách skúšobného telesa. Plameň sa prikladá po dobu najviac 30 s, s krátkymi prestávkami v intervale každých 5 s.

Pri prvej metóde sa teleso považuje za zapálené a meranie doby a rozsahu horenia možno začať ak po oddialení horáka po 5 s celá jeho horná časť horí. Pri druhej metóde sa teleso považuje za zapálené a meranie doby a rozsahu horenia možno zahájiť akonáhle niektorá z častí plameňa dosiahne hornú referenčnú značku.

V priebehu skúšok sa pri hodnotení ďalšieho telesa mení koncentrácia kyslíka v závislosti od hodnôt nameraných pri predchádzajúcom skúšobnom telese.

Kyslíkové číslo vyjadrené v objemových percentách sa vypočíta ako súčet konečnej hodnoty kyslíka (obj. %) s hodnotou súčinu rozdielu medzi koncentráciami kyslíka (%) a faktorom „k“ získaným zo spomínanej normy (Zachar, 2018).

1.5.1.6 Stanovenie nehorľavosti stavebných výrobkov

Pre stanovenie nehorľavosti stavebných výrobkov sa v praxi používa skúšobný postup podľa STN EN ISO 1182: 2010. Pri jeho aplikácii sa vzorka materiálu po dobu 30 alebo 60 min zahrieva v peci pri teplote 750 °C, pričom sa registrujú teploty na povrchu a vo vnútri vzorky. Zaznamenáva sa čas horenia vzorky. Po skúške sa musí určiť hmotnostný úbytok každej vzorky, rozdiel maximálnej teploty pece a ustálenej teploty pece, rozdiel maximálnej teploty na povrchu vzorky a ustálenej teploty pece, čas trvania horenia vzorky. Pred samotnou skúškou sa nechá pec počas minimálne 10 min. stabilizovať na teplote 750 ± 5 °C. Počas tejto doby nesmie byť drift (lineárna regresia) väčší ako 2 °C a maximálna odchýlka od priemernej teploty nesmie byť väčšia ako 10 °C (Zachar, 2018).

1.5.1.7 Skúšky rýchlosti uvoľňovania tepla

Rýchlosť uvoľňovania tepla sa považuje za základný parameter skúšaného materiálu, ktorý vyjadruje jeho príspevok k rozvoju požiaru, ktorému je vystavený. Základnou jednotkou pre vyjadrenie rýchlosti uvoľňovania tepla z materiálu je kW∙m-2 Pre stanovenie rýchlosti uvoľňovania tepla (HRR) sa využíva metóda kónického kalorimetra v zmysle ISO 5660-1: 2002 a ISO 5660-2: 2002.

Pri skúške je vzorka s rozmermi 100 x 100 mm a hrúbkou od 6 do 50 mm zaťažená tepelnou radiáciou z kónického žiariča s hustotou tepelného toku od 0 do 100 kW∙m-2. Na iniciáciu rozkladných produktov sa používa iskrový iniciátor. Počas skúšky sa kontinuálne meria hmotnosť vzorky. Vznikajúce splodiny horenia sú odvádzané cez odsávací digestor do potrubia, kde sú analyzované. Zo spotreby kyslíka sa počíta rýchlosť uvoľňovania tepla a celkové uvoľnené teplo. Rýchlosť uvoľňovania tepla sa počíta na základe poznatku, že pri horení väčšiny organických polymérov sa na 1 g spotrebovaného kyslíka uvoľní 13,1 ± 0,7 kJ tepla.

Okrem koncentrácie kyslíka sa v splodinách horenia štandardne meria aj koncentrácia oxidu uhoľnatého, oxidu uhličitého a optická priepustnosť svetla pre laserový lúč. Z údajov o koncentrácii oxidu uhoľnatého a prietoku splodín horenia sa počíta celkové množstvo uvoľneného oxidu uhoľnatého. Z údajov o útlme laserového lúča, jeho dĺžky a času trvania skúšky je možné vypočítať rýchlosť tvorby dymu a jeho celkové uvoľnené množstvo. Ďalej je možné zachytávať sadze na vláknový filter a na základe gravimetrickej metódy (na základe celkového prietoku splodín horenia, prietoku odsávanej vzorky splodín horenia cez filter, času trvania skúšky a rozdielu hmotnosti filtra pred skúškou a po skúške) stanoviť množstvo vznikajúcich sadzí. Z údajov o uvoľnenom teple a úbytku hmotnosti vzorky sa počíta výhrevnosť (Zachar, 2018).

Z údajov o celkovom množstve uvoľneného oxidu uhoľnatého a celkovom úbytku hmotnosti vzorky a celkovom uvoľnenom teple sa počíta výťažok oxidu uhoľnatého na jednotku úbytku hmotnosti vzorky a na jednotku uvoľneného tepla (Martinka, 2015).

1.5.1.8 Termická analýza

Termická analýza predstavuje súbor metód, ktorými sa študuje zmena stavu skúmaného materiálu na základe merania niektorej z jeho fyzikálnych vlastností ako funkcie teploty, pričom teplota sa mení kontrolovane podľa určitého programu. Metódy termickej analýzy vo

všeobecnosti umožňujú sledovať zmeny, ku ktorým dochádza pri zahrievaní alebo ochladzovaní vzorky.

Metódy termickej analýzy sa rozdeľujú na statické a dynamické. Pri statických metódach termickej analýzy sa sleduje správanie látky (materiálu) vyhrievanej na konštantnú teplotu. Pri aplikácii dynamických metód termickej analýzy je látka konštantnou rýchlosťou zohrievaná alebo ochladzovaná na predom stanovenú teplotu (Zachar, 2018).

Medzi najdôležitejšie metódy termickej analýzy patria: diferenčná termická analýza (DTA), termogravimetria (TG), derivačná termogravimetria (DTG) a diferenciálna snímacia kalorimetria (DSC) (Kačík et al., 2005).

Prostredníctvom diferenčnej termickej analýzy (DTA) sa zisťujú exotermické a endotermické procesy, ktoré prebiehajú pri plynulom zvyšovaní alebo znižovaní teploty vzorky a jej okolia. Tieto procesy sa prejavujú náhlym vzrastom alebo poklesom teploty skúmanej vzorky v porovnaní s teplotou okolia alebo porovnávacej látky, ktorá je zahrievaná za rovnakých podmienok ako skúmaná vzorka, pričom platí, že porovnávacia látka za podmienok merania nesmie podliehať nijakým chemickým ani fázovým premenám. Na zázname DTA sa zaznamenáva zmena teploty v závislosti od času, resp. teploty prostredia či porovnávacej látky. Z tvaru a veľkosti píkov na DTA krivke sa robia závery o zmenách vzorky (Kačík et al., 2005).

Pri termogravimetrii (TG) sa zisťujú zmeny hmotnosti vzoriek v závislosti od teploty, najčastejšie pri ich programovanom ohreve. Pre účely termogravimetrickej analýzy polymérov sa využíva skúšobný postup podľa STN EN ISO 11358-1:2015-04. Pri aplikácii termogravimetrickej, resp. i derivačnej termogravimetrickej metódy, sa skúšobná vzorka s hmotnosťou navážky od jedného do niekoľko sto miligramov zohrieva programovaným lineárnym vzostupom teploty, pričom sa zároveň zaznamenáva vzostup teploty. Počas zohrievania sa plynule sleduje hmotnosť vzorky. Výstupom z merania je tzv. TG krivka, ktorá umožňuje zistiť percentuálny úbytok hmotnosti vzorky a teploty jej rozkladu, z čoho sa usudzujú aj chemické zmeny vzorky (Kačík et al., 2005).

DTG krivka je prvou deriváciou TG krivky. Umožňuje dosiahnuť väčšiu rozlišovaciu schopnosť, najmä v prípade, že zmeny hmotnosti vzorky nasledujú tesne za sebou a na TG krivke sa prekrývajú. Píky na DTG krivke zodpovedajú teplotám pri dosiahnutí maximálnej rýchlosti úbytku hmotnosti vzorky (Kačík et al., 2005).

2 Drevo smreka obyčajného

V nasledujúcej kapitole sú uvedené základné údaje o smreku obyčajnom - Picea abies (L.)

H. Karst , ako drevine vybranej pre experimentálne práce. Výber vzoriek bol realizovaný na základe početnosti zastúpenia jednotlivých drevín na našom území. Z množstva existujúcich druhov drevín boli vybrané práve vzorky dreva z porastov smreka obyčajného Picea abies (L.)

H. Karst.

2.1 Všeobecná charakteristika

Smrek obyčajný je prirodzene rozšírený v severnej a strednej Európe. Na severe rastie prevažne na nížinách od Nemecka a Poľska cez Škandináviu až k polárnej lesnej hranici.

V južnejších polohách Európy sa jeho výskyt dvíha do vyšších nadmorských výšok a po horských hrebeňoch zasahuje až na Balkán. Z hľadiska nadmorskej výšky rastie od hladiny mora až po 2 300 m.n.m. v Talianskych alpách (Pâques, 2013).

U nás bol rozšírený v horských oblastiach na chudobnejších pôdach v nadmorských výškach 800 – 900 m. V nadmorskej výške 600 – 800 m tvoril prímes so stúpajúcim podielom s nadmorskou výškou. Jeho prirodzene väčšie zastúpenie v nižších polohách je viazané na vyššiu pôdnu a vzdušnú vlhkosť, napr. v chladných horských údoliach a na severných expozíciách viď. (Obr. 12). Smrek obyčajný je vysoký 40 – 60 m s priebežným priamym koreňom, s kužeľovitou a špicatou korunou. Konáre sú pravidelne usporiadané v praslenoch, vodorovné, mierne sklonené alebo vystupujúce. V porastoch má korunu vysoko nasadenú, od spodných odumretých vetiev sa dobre prirodzene čistí. Vo veku 100 rokov, ktorý je priemerom jeho rubnej doby, dosahuje na stanovištiach rôznych kvalít hrúbku (150 – 410 mm), pri strednej výške stromu 28 m (140 – 180 mm). Koreňová sústava smreka je plytká, bez zreteľného hlavného koreňa. Bočné korene sa rozprestierajú horizontálne a zasahujú iba niekoľko desiatok centimetrov pod povrch pôdy. Smrek má preto slabú stabilitu a často trpí vývratmi (Balabán, 1955).

Obr. 12 Podrobné rozmiestnenie smreka na území Slovenska (www.sazp.sk)

Smrekové drevo má zo všetkých drevín najširšie uplatnenie (výborné technické vlastnosti, veľmi dobrá spracovateľnosť, veľké domáce zdroje). Je to najdôležitejšia naša drevina pre piliarske spracovanie. Používa sa najmä ako konštrukčný a pomocný materiál v stavebnej výrobe a údržbe, vo výrobe obalov, v banskom priemysle, ako konštrukčný materiál pri výrobe dopravných prostriedkov, v strojárstve, pri výrobe nábytku, preglejok, latoviek, vláknitých a trieskových dosiek. Vysoko cenená je rezonančná schopnosť smrekového dreva (Balabán, 1955).

2.1.2 Makroskopické znaky

Drevo je bez jadra v čerstvom stave s dobre viditeľnou zónou zrelého dreva. Jeho farba je biela až žltobiela, na svetle časom žltne. Hranice ročných kruhov sú výrazné, úzke a letné drevo prechádza pozvoľne do širokého jarného dreva. Živicové kanáliky sú malé, roztrúsené, voľným okom pozorovateľné len na pozdĺžnych, dobre opracovaných rezoch, ako jemné, pozdĺžne, tmavšie, lesklé trhliny. Čerstvé drevo vonia živicou. Stržňové lúče sú voľným okom neviditeľné. Je mäkké, dobre štiepateľné a ľahké s hustotou ρ = 430 kg·m-3 (Balabán, 1955).

Dobre poznať makroskopické znaky dreva je dôležité pre rozlišovanie jednotlivých druhov. Sú ľahko pozorovateľné na jednotlivých rezoch (priečny, radiálny, tangenciálny), viď. Obr. 13.

Obr. 13 Pozdĺžno-tangenciálny a priečny rez smrekovým drevom (Čunderlík, 2009)

Tak ako uvádza Čunderlík (2009) medzi základné makroskopické znaky dreva patria

hlavne:

• beľ, jadro, zrelé drevo,

• ročné kruhy,

• stržňové lúče,

• stržňové škvrny,

• živicové kanáliky,

• cievy (póry).

2.1.3

Ihličnaté dreviny majú jednoduchšiu štruktúru v porovnaní s listnatým drevom. Pozdĺžne usporiadané cievice (tracheidy), tvoriace viac ako 90 % objemu dreva, sú základným pletivom ihličnatého dreva, viď. Obr. 14 (Čunderlík, 2009).

Obr. 14 Tangenciálny rez smrekom (Čunderlík, 2009)

Mikroskopické znaky

Hlavným stavebným elementom smrekového dreva sú tracheidy – cievice, ktoré zaberajú

až 94,5 – 95,3 – 96,5 % celkového objemu dreva. Ich dĺžka 1,7 – 2,9 – 3,7 mm, s podobne dôležitou funkciou. Stržňové lúče sú väčšinou jednovrstvové, zložené z parenchymatických buniek a na obvode s priečnymi tracheidami, ktorých steny sú hladké alebo málo zvlnené s dvojbodkami. Podiel stržňových lúčov je 4,4 – 4,7 – 5,5%. Smrekové drevo sa vyznačuje prítomnosťou živicových kanálikov, ktoré sú dobre viditeľné na priečnom reze – vertikálne kanáliky a na tangenciálnom reze sú horizontálne kanáliky. Na 1cm2 plochy priečneho rezu smrekového dreva sa nachádza 30 až 100 vertikálnych živicových kanálikov. Vyskytujú sa prevažne v letnom dreve a môžeme ich pozorovať aj voľným okom ako jemné brázdičky až výrazné čiarky na pozdĺžnych rezoch. Smrek má veľmi úzky živicový kanálik (0,09 mm) a ich podiel je 0,2 %. Živica má pre strom ochrannú funkciu (pri poranení) a impregnačnú funkciu

zvyšuje odolnosť dreva proti hubám (Balabán, 1955).

V Tab. 2 sú uvedené základné fyzikálne vlastnosti smrekového dreva pri vlhkosti 12 % a vlhkosti väčšej ako 30 % (Klement et al., 2009).

Tab. 2

Základné fyzikálne vlastnosti smrekového dreva (Klement et al., 2009)

V Tab. 3 sú uvedené základné mechanické vlastnosti smrekového dreva pri vlhkosti 12 % a vlhkosti väčšej ako 30 % (Klement et al., 2009).

Tab. 3 Základné mechanické vlastnosti smrekového dreva (Klement et al., 2009)

Vlastnosť

w = 12 % w > 30 % w

12 % w > 30 %

V Tab. 4 je uvedená trvanlivosť smrekového dreva (Klement et al., 2009).

Tab. 4 Trvanlivosť smrekového dreva (Klement et al., 2009) Spôsob

2.2 Príprava vzoriek

Vzorky pre experimentálne práce sa pripravili zo smreka obyčajného - Picea abies (L.) H. Karst. Smrek obyčajný bol spílený v lokalite Hakovo s nadmorskou výškou 800 m. n. m., ktorá patrí do správy Vysokoškolského lesného podniku Technickej univerzity vo Zvolene.

Kmeň na prípravu vzoriek bol z lesnej plochy s číslom porastu - 220, vek stromu - 120 rokov, druh ťažby - letná. Priemer kmeňa bol 420 mm a počiatočná vlhkosť bola 41 %.

Následne bol kmeň popílený na pásovej píle na hrúbku 55 mm a vysušený na 15 % vlhkosť v sušiarni. Kmeň bol pílený tak, aby plocha 40 x 50 mm reprezentovala priečny (P), radiálny (R) a tangenciálny rez (T), viď. Obr. 15

na

Obr. 15 Vy-manipulovanie vzoriek na skúšobné telesá

Skúšobné vzorky boli následne napílené na rozmery 40 x 50 x 50 mm (Obr. 16) pre testovanie - termické zaťaženie keramickým infražiaričom. Všetky skúšobné vzorky boli vysušené na 0 % vlhkosť, ktorá bola udržiavaná až po ich samotné testovanie. Pre termické zaťaženie keramickým infražiaričom boli vzorky rozdelené do 4 sérií po 5 vzoriek pre každú hodnotu tepelného toku 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2

Obr. 16 Ilustračné znázornenie skúšobnej vzorky

Rozmer vzoriek pre testovanie bol upravený na požadované rozmery z dôvodu použitého zdroja zaťaženia a vychádzali sme z jeho rozmerov. Skúšobné vzorky boli bez anatomických a iných chýb.

Vzorka

skúšobné telesá

3 Návrh progresívnej testovacej aparatúry

Testovacia aparatúra pozostáva z viacerých čiastkových zariadení zostavených do jedného celku ako novonavrhnuté testovacie zariadenie pre stanovenie vybraných požiarnotechnických charakteristík materiálov.

3.1 Keramický infražiarič

Keramický infražiarič je účinný robustný infražiarič, ktorý vyrába dlhovlnné infračervené žiarenie. Používa sa v aplikáciách v rozsahu od tepelného formovania cez predhrievanie až po vysúšanie rôznych náterov. Takmer všetky materiály, ktoré majú byť vyhrievané alebo sušené majú max. absorpciu v oblasti 3 – 10 μm. Keramický infražiarič bol vyrobený s ohľadom na túto skutočnosť a to je dôvod, prečo môže byť aplikovaný v rôznych odvetviach priemyselného procesu. Keramický infražiarič je vyrábaný pomocou špeciálneho procesu, pri ktorom je odporová špirála zaliata do keramického tela. Toto telo je následne glazované ako ochrana proti vniknutiu vlhkosti. Glazúra tiež chráni infražiarič pred atmosférickým a korozívnym vplyvom. Týmto spôsobom je keramický element optimalizovaný na max. absorpčnú charakteristiku. Pracuje pri teplote od 300 – 750 °C a vyrába vlnovú dĺžku 3 – 6 μm Keramický infražiarič bol navrhnutý tak, aby ponúkol vysokú účinnosť (85 % v správne navrhnutých systémoch), flexibilitu členenia, vymeniteľnosť pre údržbu, dlhú životnosť a univerzálnosť od elementu k elementu (www.hotset.sk).

Pri väčšine testovacích metód sa ako zdroj zaťaženia vzoriek používa plameň alebo sálavý zdroj energie, najčastejšie infračervený žiarič. Infračervený ohrievač je žiarič, ktorého primárnou funkciou je prenos tepla k cieľu prostredníctvom emisie infračerveného žiarenia (Butturini a Ngo, 2008). Rozsah aplikácií pre infračervené ohrievače je veľmi rozsiahly v závislosti od použitých technológií. V priemysle sa infračervené ohrievače používajú pri procesnom ohreve, tvarovaní za tepla, vytvrdzovaní, sušení a pri spracovaní potravín, aby sme uviedli aspoň niektoré (Leonardi et al., 2003, Schmidt at al., 2003, Bahadori a Vuthaluru, 2010). Používajú sa tiež na komfortné vykurovanie a pre domáce aplikácie (Laouadi, 2004 a Bojić et al., 2015), ako aj pre zdravotné a medicínske aplikácie od inkubátorov po pooperačné ohrievanie (Weyland et al., 1994). Existuje len veľmi literárnych zdrojov na tému charakterizácie elektrických infračervených ohrievačov, najmä tých, ktoré sa používajú v priemysle (pre komerčné aplikácie) a domáce aplikácie. Z tých, ktoré sú k dispozícii, bol sálavý tepelný výkon charakterizovaný ako celkovým výstupným výkonom, ktorý je odvodený z dvojrozmerného rozdelenia tepelného toku meraného v rovine rovnobežnej s plochou

ohrievača (Bédard, 1998, Butturini a Ngo, 2005). Bédard (1998) vykonal komplexnú štúdiu charakterizácie infračerveného ohrievača. V tejto práci boli vykonané tri typy experimentov: mapovanie sálavého tepelného toku, hodnotenie účinnosti sálavého žiarenia, charakterizácia prechodného správania a charakterizácia spektrálnej emisie.

3.1.1 Základné parametre a inštalácia keramického infražiariča

Na Obr. 17 je zobrazená inštalácia keramického infražiariča. Infražiarič sa zasunie do reflektoru z hliníkovanej oceli, ako ukazuje šípka A. Potom na keramický držiak infražiariča nasunieme oceľovú pružinu (šípka B). Nakoniec upevníme infražiarič oceľovou vidlicou (šípka C). Tento spôsob upevnenia umožňuje infražiariču rozpínať sa a zmršťovať behom ohrievania a ochladzovania sa reflektoru. Oceľová pružina a vidlice sú dodávané s každým keramickým infražiaričom (rozmery otvoru pre montáž - ovál 40 mm x 14,5 mm).

Doporučená vzdialenosť vyžarovania pre priemyselné aplikácie je 100 – 200 mm. Napájacie napätie je 220/240 V, elektrické prívody infražiariča sú ukončené kolíčkami, infražiarič má certifikáciu podľa normy CE (www.hotset.sk).

Obr. 17 Inštalácia keramického infražiariča (www.hotset.sk)

V Tab. 5 sú uvedené základné parametre keramického infražiariča

Tab. 5 Základné parametre keramického infražiariča (www.hotset.sk)

Výkon (W) 1000

Stredná povrchová teplota (°C) 750

Minimálna vlnová dĺžka (mikrónov) 3,0

Povrchové zaťaženie (W/cm2) 6,8

Nami použitý element typu (plný zaoblený element) s 18) bol použitý ako zdroj zaťaženia

Reflektor pre keramický infražiarič

Neoddeliteľnou súčasťou infražiariča je aj jeho držiak, ku ktorému j Držiak žiariča je z sa dosahuje vysokého povrchového lesku. Použitie hliníka pre reflexiu minimalizuje stratu tepla, pričom oceľ zaisťuje vysokú pevnosť a stálosť celé pre montáž keramických infražiaričov ( svorkovnice a o rozmeroch 100 mm x 62 mm x 253 mm.

ocele upravenej hliníkom (www.hotset.sk)

3.1.2 Stanovenie tepelného toku keramického infražiariča

Aby sme dosiahli štandardné hodnoty tepelného toku, ktoré využíva množstvo laboratórnych zariadení, bolo potrebné stanoviť tepelný tok pre keramický žiarič. Hodnotám tepelného toku zodpovedá príslušná hodnota napätia (V). Na reguláciu a presné nastavenie napätia na vstupe, na svorkách žiariča, bolo potrebné do aparatúry zapojiť regulačný auto-transformátor METREL HSN0203. Na základe nastavených hodnôt napätia na výstupe auto-transformátora a nameraných údajov napätia (pomocou digitálneho multimetra UT71C) a tepelného toku (pomocou rádiometra, ktorý tvorí súčasť kónického kalorimetra), viď. Tab. 6

Na základe nameraných hodnôt tepelného toku (Tab. 6) bol zostavený graf s lineárnou funkciou s rovnicou spoľahlivosti R2 = 0,9926, viď. Obr. 20.

y = 0,215x - 20,894

R² = 0,9926

Obr. 20 Závislosť tepelného toku a napätia na výstupe z auto-transformátora

Tab. 6 Hodnoty napätia a tepelného toku keramického infražiariča

Na základe vzťahu (3-1) bola vypočítaná skutočná hodnota napätia, potrebná k dosiahnutiu predpísaného tepelného toku, ktorý bol stanovený na 15, 20, 25 a 30 kW m-2

���� = ����+20,894 0,215 (3 - 1)

Kde: y - je napätie (V), x - je tepelný tok (kW∙m-2)

Následne sú v (Tab. 7) uvedené výsledné hodnoty napätia na výstupe s autotransformátora, potrebné na dosiahnutie tepelného toku 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2

Tab. 7 Vypočítané hodnoty napätia a tepelného toku keramického infražiariča

Napätie (V) Hustota tepelného toku (kW∙m-2)

3.1.3 Stanovenie priebehu teplôt pod keramickým infražiaričom

Aby sme poznali štandardné hodnoty teploty a priebeh teplôt pod žiaričom pri príslušných tepelných tokoch 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2, bolo potrebné ich stanoviť meraním.

Hodnotám tepelného toku zodpovedá príslušná vypočítaná hodnota napätia (V) (Tab. 7).

Na meranie teploty pod keramickým infražiaričom boli použité termočlánky typu „K“ hrúbky 0,5 mm, ako záznamové zariadenie sme použili Data logger ALMEMO® 710. Termočlánok bol umiestnený 30 mm od povrchu keramického infražiariča Meranie prebiehalo po dobu 1920

s od vloženia termočlánku pod keramický infražiarič. Na stanovenie priemerného priebehu teplôt pod keramickým infražiaričom bolo meranie realizované 10 krát. Výsledné hodnoty priemerného priebehu teplôt pod keramickým infražiaričom pre príslušný tepelný tok môžeme vidieť na Obr. 21.

Obr. 21 Priebeh teplôt pod keramickým žiaričom pre príslušný tepelný tok

Na Obr. 21, môžeme vidieť jednotlivé priebehy teplôt až po dosiahnutie tzv. ustáleného stavu vyžarovania, kde najnižšie hodnoty teplôt (100 ±2 °C) boli namerané pri tepelnom toku

15 kW∙m-2, pri tepelnom toku 20 kW∙m-2 boli namerané teploty (120 ±2 °C). Pri tepelnom toku

25 kW m-2 boli namerané hodnoty teploty (135 ±2 °C) a pri tepelnom toku 30 kW m-2 boli namerané teploty (160 ±2 °C). Ako kontrolné meranie bola zaznamenávaná aj teplota prostredia v okolí skúšobnej aparatúry, kde boli namerané hodnoty teploty (31 ±2 °C).

Tepelný tok infražiaričov pomocou rádiometra merali aj Butturini a Ngo (2005), kde mapovali teplotné polia štyroch komerčne využívaných infražiaričov s výkonom 1000 W a 1500 W, vo vzdialenosti 2, 5 a 10 cm od stredu telesa žiariča. Kde zaznamenali tepelný tok v intervale od 1,1 W∙cm-2 (vzdialenosť 10 cm od žiariča) až po 2,53 W∙cm-2 (vzdialenosť 2 cm od žiariča).

Brown et al. (2016) vytvoril sférickú mapu tepelného toku z bieleho FTE keramického

prvku žiariča s výkonom 600 W, a 3D mapu tepelného toku keramického žiariča. Vo svojej

práci ďalej poukazujú na to, že tepelný tok klesá lineárne so vzrastajúcou vzdialenosťou, kde pokles výkonu je zo 47 % pri vzdialenosti 10 cm na 15 % pri vzdialenosti 50 cm od infračerveného žiariča. Podobný priebeh môžeme vidieť aj pri našich meraniach (viď. obr.21), s klesajúcimi hodnotami tepelného toku klesá aj teplota.

Na základe stanovenia základných parametrov keramického infražiariča (priebeh teploty a tepelný tok), ktoré zodpovedajú príslušným hodnotám napätia V môžeme uplatniť daný keramický infražiarič FTE-1000W-230V (Ceramicx Ltd.) v nami navrhnutom laboratórnom zariadení pre meranie hmotnostného úbytku, rýchlosti odhorievania, hrúbky zuhoľnatenej vrstvy a rýchlosti tvorby zuhoľnatenej vrstvy. Uvedené požiarno-technické charakteristiky materiálov sú súčasťou požiarnych skúšok

3.2 Váhy

Na meranie hmotnosti vzoriek boli použité precízne váhy Radwag PS 3500.R2, metrologicky overené. Najnovšia kompaktná technológia mechaniky zabezpečuje vynikajúce parametre pri zmenách teploty a excentrickom zaťažení. Váhy merajú s presnosťou na dve desatinné miesta a maximálna meraná hmotnosť na tomto type váh je 3 500 g. Váhy boli pripojené k PC cez zabudovaný 1xUSB konektor a následne hodnoty zaznamenávané cez software RADWAG (R-Lab - 2018.4.11) a následne prekonvertované do MS Office.

3.3 Merací prístroj s termočlánkami

Na meranie priebehu teplôt v skúšobných telesách a na ich povrchu bol použitý merací prístroj Data logger ALMEMO® 710. S týmto meracím prístrojom možno merať údaje z 10 snímačov naraz, ukladať namerané údaje do pamäte a vysielať ich na tlačiareň alebo do počítača. Snímače sú vybavené programovateľným konektorom. To znamená, že po pripojení snímača prístroj automaticky rozpozná aký snímač bol pripojený a zodpovedajúco si nastaví merací rozsah, linearizáciu, všetky korekčné hodnoty, zmeny rozsahu, napájanie a pod.

Štandardný formát výstupu umožňuje spracovanie údajov v počítači pomocou bežných tabuľkových procesorov.

Pri meraní boli použité termočlánky typu „K“ Ni–Cr+Ni (nikel – zliatina chrómu a niklu) hrúbky 0,5 mm. Termoelektrický článok tvoria dva vodiče (vetvy) z rôznych materiálov, na jednom konci spolu vodivo spojené (merný koniec), ktoré dávajú

termoelektrické napätie, ak na merný koniec pôsobí teplota odlišná od teploty pôsobiacej na vyrovnávací koniec. Vznikajúce termoelektrické napätie sa meria meracím prístrojom a v ňom sa hneď aj prevádza na teplotu (Jenčík, Vocetka, 1967).

Ako všeobecne platí pre každý termočlánok, tak aj pre termočlánky typu „K“ platí, že merajú s určitou nepresnosťou. Tolerancie pre termočlánky dané výrobcom Omega Engineering, Inc. sa pohybujú v intervale do 1,1 °C alebo 0,4 % (v závislosti od teploty, ale platí zásada, že sa berie vyššia hodnota).

3.4 Zapaľovací horák - iniciátor

Zdroj zapálenia, resp. horák je skonštruovaný a navrhnutý tak, aby mohol byť použitý vo zvislej polohe. Horák musí byť upevnený tak, aby sa ním mohlo vodorovne jednoducho a hladko hýbať dopredu a dozadu. Na nastavenie výšky plameňa sa musí použiť jemne ovládateľný ventil. Ako palivo pre horák sa využíva technický propán s čistotou minimálne 95 % privádzaný do horáka pod tlakom minimálne 10 kPa až 50 kPa. Zariadenie na meranie výšky plameňa slúži na správne nastavenie výšky plameňa, ktorá je 10 mm. Na správne nastavenie horáka sa používa dištančné teliesko. Pri skúške sa na správne nastavenie vzdialenosti medzi hranou horáka a povrchom vzorky používa dištančné teliesko kónického tvaru. Táto vzdialenosť bola pri skúške 10 mm (EN ISO 11925-2).

3.5 Meracie zaradenie – navrhnutá testovacia aparatúra

Na základe návrhu novej progresívnej metódy pre stanovenie vybraných požiarnotechnických charakteristík dreva sme navrhli nové meracie zariadenie (Obr. 22), ktoré pozostáva z:

• keramického infražiariča o výkone 1000 W so stojanom,

• zariadenia na reguláciu napätia pre napájanie infražiariča,

• presných digitálnych váh,

• držiaka skúšobnej vzorky,

• meracieho zariadenia Almemo s termočlánkami,

• iniciačného horáka s propánovou fľašou,

• izolačných podložiek,

• digestora.

3.5.1 Postup merania s keramickým infražiaričom

Pri experimente bola použitá nami navrhnutá meracia aparatúra (Obr. 22), pozostávajúca z keramického infražiariča, presných digitálnych váh, iniciačného plamenného zdroja, regulačného zariadenia, zariadenia na meranie teploty pomocou termočlánkov a digestora.

Nami navrhnutá testovacia aparatúra sa umiestnila do laboratórneho digestora, kde bol nastavený odťah spalín na rýchlosť 24 l·s-1 (ako pri meraní na kónickom kalorimetri).

Na autotransformátore sa nastavila hodnota napätia pre príslušný tepelný tok (vo vzdialenosti 30 mm od žiariča) podľa vypočítaných hodnôt (viď Tab. 7 – kap. 3.3.1.2).

Žiarič sa nechal nahrievať minimálne 30 minút, kvôli ustáleniu tepelného toku na stanovenú hodnotu 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2 .

Spustili sa váhy a software R-Lab od spoločnosti Radwag na zaznamenávanie hmotnosti v stanovenom 5 sekundovom intervale.

Vzorka smrekového dreva o rozmeroch 50 x 40 x 50 mm sa odvážila. Do vzorky sa vložili

štyri termočlánky (viď. pozícia č. 10 na Obr. 22) a spustilo sa zaznamenávacie zariadenie

ALMEMO na zaznamenávanie teploty. Následne sa vzorka umiestnila do držiaka vzorky a celá zostava sa umiestnila na váhy. Iniciačný plameň výšky 10 mm sa umiestnil nad skúšobnú vzorku vo vzdialenosti 10 mm od povrchu a sledoval a zaznamenával sa čas do iniciácie vzorky. Po iniciácii vzorky sa skúšobný plameň odtiahol od vzorky (Viď . Obr. 23). Vzorka sa nechala zaťažovať po dobu 32 min.. Po 32 min. sa vzorka vybrala z držiaka a uložila do exsikátora.

Obr. 22 Schematické znázornenie navrhnutého meracieho zariadenia

Obr. 23 Znázornenie priebehu experimentu

3.5.2 Spôsob vyhodnotenia

Pred zaťažením vzoriek keramickým infražiaričom sme potrebovali poznať ich hustotu a vlhkosť. Hustotu testovaných vzoriek dreva vypočítame podľa vzťahu (3-2), ktorý nám udáva pomer medzi hmotnosťou a objemom dreva pri danej vlhkosti.

�������� = �������� �������� (3-2)

kde: ρw - hustota pri danej vlhkosti (kg m-3),

mw - hmotnosť pri danej vlhkosti (kg),

Vw - objem pri danej vlhkosti (m-3).

Vlhkosť skúšobných vzoriek dreva sme vypočítali podľa vzťahu (3-3), ktorý nám udáva pomer medzi hmotnosťou vlhkého a hmotnosťou absolútne suchého dreva (hmotnosť dreva po vysušení pri teplote 103 ± 2 ° C). Nami testované vzorky boli vysušené na absolútnu vlhkosť.

���� = �������� ����0 ����0 ∗ 100 (3-3)

kde: w - vlhkosť dreva (%)

mw - hmotnosť dreva pri danej vlhkosti (kg),

m0 - hmotnosť dreva v absolútne suchom stave (kg).

Pri nami navrhnutom spôsobe tepelného zaťaženia sme sledovali a zaznamenávali úbytok hmotnosti každých 5 s. Z neho sme potom podľa vzťahu (3-4) vypočítali úbytok hmotnosti δ (τ) (%) v jednotlivých časových intervaloch.

kde: δ (τ) - úbytok hmotnosti v čase (τ) (%),

m(τ0) - pôvodná hmotnosť vzorky (g),

m(τ) - hmotnosť vzorky v čase (τ) (g),

∆m - rozdiel hmotností (g).

Pre stanovenie rýchlosti odhorievania v nami sledovanom časovom intervale (5 s) sa vypočítala rýchlosť odhorievania ʋ podľa vzťahu (3-5):

���� = ���� (����) ���� (����+��������) �������� (3-5)

kde: ʋ - rýchlosť odhorievania (%·s-1),

δ (τ) - úbytok hmotnosti v čase (τ) (%),

δ (τ + Δτ) - úbytok hmotnosti v čase (τ + Δτ) (%),

Δτ - časový interval, v ktorom sa odčítavajú hmotnosti (s).

Vyhodnotenie nameraných údajov bolo spracované pomocou programu STATISTICA

12.0. a grafické zobrazenie niektorých údajov pomocou programu MS OFFICE.

Na základe stanovenia relatívneho hmotnostného úbytku a relatívnej rýchlosti odhorievania podľa nami navrhnutého testovacieho zariadenia a porovnania relatívneho hmotnostného úbytku a relatívnej rýchlosti odhorievania vypočítanej na základe hodnôt nameraných na kónickom kalorimetri sme následne stanovili vzťah (odvodili rovnice) pre pomerné hodnotenie týchto parametrov ako lacnejšej a rýchlejšej alternatívy pre testovanie materiálov. Na základe vybraných požiarnotechnických charakteristík (hmotnostný úbytok a rýchlosť odhorievania) materiálov, v našom prípade zvolené smrekové drevo, môžeme vyvodiť jednoznačné závery pre zvolenie nami navrhnutej testovacej aparatúry ako vhodnej a hlavne lacnejšej alternatívy testovania.

4 Výsledky a vyhodnotenie

Hmotnostný úbytok, rýchlosť odhorievania, hrúbka zuhoľnatenej vrstvy a rýchlosť tvorby zuhoľnatenej vrstvy, patrí medzi požiarno-technické charakteristiky materiálov, ktoré sú súčasťou požiarnych skúšok, ktoré sú kľúčovou zložkou používanou v procese navrhovania opatrení zameraných na zaistenie požiarnej bezpečnosti prostredia. Medzi progresívne metódy požiarneho skúšobníctva používané v praxi požiarneho inžinierstva možno zaradiť analytické metódy na stanovenie požiarno-technických charakteristík materiálov, ktorých poznatky sa uplatňujú v oblasti bezpečnostnej praxe, t. j. oblasť požiarnej prevencie, oblasť zisťovania príčin vzniku požiarov a oblasť bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci.

V nasledujúcich kapitolách sú popísané namerané experimentálne hodnoty, ako prvé sú prezentované výsledky vybraných požiarno-technických parametrov: iniciačného času, hmotnostného úbytku a rýchlosti odhorievania.

Ďalšia časť výsledkov je získaná z meraní na termočlánkoch umiestnených v testovaných vzorkách.

Na základe vzťahu (3-2) bola hustota skúšobných smrekových vzoriek stanovená na hodnou 443,61 kg.m-3. A vlhkosť skúšobných smrekových vzoriek, podľa vzťahu (3-3), sme stanovili na 0 %.

4.1 Čas do iniciácie skúšobných vzoriek

V nasledujúcej časti sú uvedené jednotlivé iniciačné časy pri nami navrhnutej metóde s keramickým infražiaričom.

Na Obr. 24 sú uvedené výsledné hodnoty iniciačných časov pri nami navrhnutej metóde s keramickým infražiaričom pri jednotlivých tepelných tokoch (15, 20, 25 a 30 kW m-2).

Ako môžeme vidieť na Obr. 24, pri spôsobe termického zaťaženia skúšobných vzoriek, interval nameraných iniciačných časov zodpovedá predpokladu, čím vyšší tepelný tok tým kratší čas do iniciácie skúšobných vzoriek.

Obr. 24 Vzájomné porovnanie iniciačných časov

S rastúcim tepelným tokom klesá iniciačný čas. Pri tepelnom toku 15 kW m-2 bol iniciačný čas 261,5 s pri keramickom infražiariči. Už pri zaťažení 20 kW∙m-2 boli časy do iniciácie vzoriek takmer 5,5 krát nižšie (47,5 s) pri keramickom infražiariči. Podobné výsledky boli zaznamenané aj pri tepelnom toku 25 kW∙m-2, kde bol iniciačný čas 22 s pri keramickom infražiariči. Pri zaťažení najvyšším tepelným tokom (30 kW∙m-2), boli iniciačné časy najkratšie, t j. 11,3 s pri keramickom infražiariči

Pri zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom pomocou nami navrhnutej testovacej metódy môžeme jednoznačne povedať, že pri všetkých tepelných tokoch (15, 20, 25 a 30 kW∙m-2) došlo k iniciácii vzoriek.

Podľa práce (Zachar, 2009) pri stanovení iniciačných časov pomocou infražiariča, hodnoty priemerného iniciačného času, sa menia s meniacou sa vzdialenosťou experimentálnej vzorky. S narastajúcou vzdialenosťou narastá aj iniciačný čas, pri vzdialenosti 30 mm od žiariča bol iniciačný čas 26,68 s, už pri vzdialenosti 40 mm od zdroja bola hodnota takmer 2 krát vyššia (42,66 s) a pri vzdialenosti 50 mm od zdroja bola hodnota 4 krát vyššia (208,03 s), čo môžeme vidieť na Obr. 25. Tieto tvrdenia sú porovnateľné s našimi meraniami.

iniciačný čas

Kĺzavý priemer/2 (iniciačný čas)

Obr. 25 Priemerný iniciačný čas smrekového dreva (Zachar, 2009)

Z protipožiarneho hľadiska zohráva významnú úlohu aj to, za aký čas dosiahne testovaný materiál danú hodnotu teploty vzplanutia. Podľa práce (Zachar et al., 2012) pri stanovení času do iniciácie, podľa STN ISO 871, pre vzorky smrekového dreva pripravené z koreňa, konára a dreva z kmeňa, môžeme vidieť taktiež väčšiu variabilitu výsledkov, nakoľko hodnoty časov vzplanutia sa pohybujú v rozmedzí od 420 s (konár), 485 s (koreň) až po 560 s pre vzorky z kmeňa.

Pri testovaní smrekového dreva, Delichatsios et al (2003) dospel k teplote vznietenia cca 478 °C a času do iniciácie 266 s, čo je porovnateľné s našimi zisteniami pri zaťažení 15 kW∙m-2 (viď. Obr. 24). Taktiež Hagen et al. (2009) uvažuje o teplote vznietenia pri vzorkách severského smreka, neupravených retardantom okolo 487,9 °C a čase do iniciácie 253 s, čo je porovnateľné s našimi zisteniami pri zaťažení 15 kW m-2 (viď. Obr. 24).

4.2 Hmotnostný úbytok skúšobných vzoriek

V nasledujúcej časti sú uvedené priebehy hmotnostných úbytkov vypočítané podľa vzťahu (3-4) v závislosti od zaťaženia tepelným tokom 15, 20, 25 a 30 kW m-2

Na Obr. 26 môžeme vidieť priebeh priemerných hmotnostných úbytkov pri zaťažení vzoriek 15 kW∙m-2 keramickým infražiaričom.

Keramický infražiarič 15 kW·m-2

Obr. 26 Hmotnostný úbytok pri zaťažení 15 kW∙m-2 pomocou keramického infražiariča

Na Obr. 27 môžeme vidieť priebeh priemerných hmotnostných úbytkov pri zaťažení

vzoriek 20 kW m-2 keramickým infražiaričom.

Obr. 27 Hmotnostný úbytok pri zaťažení 20 kW m-2 pomocou keramického infražiariča

Na Obr. 28 môžeme vidieť priebeh priemerných hmotnostných úbytkov pri zaťažení

25 kW∙m-2 keramickým infražiaričom.

Keramický infražiarič 25 kW.m-2 Smrek 25

Obr. 28 Hmotnostný úbytok pri zaťažení 25 kW∙m-2 pomocou keramického infražiariča

Na Obr. 29 môžeme vidieť priebeh priemerných hmotnostných úbytkov pri zaťažení vzoriek 30 kW∙m-2 keramickým infražiaričom.

infražiarič 30 kW·m-2

Obr. 29 Hmotnostný úbytok pri zaťažení 30 kW m-2 pomocou keramického infražiariča

Na Obr. 30 môžeme vidieť priebeh priemerných hmotnostných úbytkov pri zaťažení vzoriek 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2, keramickým infražiaričom.

Obr. 30 Vzájomné porovnanie priemerných hmotnostných úbytkov pri zaťažení vzoriek

15, 20, 25 a 30 kW∙m-2 keramickým infražiaričom

Pri zaťažení tepelným tokom 15 kW m-2 sme na konci zaťaženia (v 1 920. s) dosiahli najnižší úbytok na hmotnosti 44,88 % na keramickom infražiariči. Pri zvýšení tepelného zaťaženia na hodnotu tepelného toku 20 kW∙m-2 sme dosiahli vyšší úbytok na hmotnosti 51,66 % na keramickom infražiariči. Pri zaťažení tepelným tokom 25 kW∙m-2 sme dosiahli úbytok na hmotnosti 65,06 % na keramickom infražiariči. Pri najvyššom zaťažení 30 kW∙m-2 sme na konci termického zaťaženia (v 1 920. s) dosiahli najvyšší úbytok na hmotnosti 76,64 % na keramickom infražiariči.

4.3 Rýchlosť odhorievania skúšobných vzoriek

V nasledujúcej časti sú uvedené priebehy rýchlosti odhorievania vypočítané podľa vzťahu (3-5 – kap. 3.6), v závislosti od zaťaženia tepelným tokom 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2

Rýchlosť odhorievania vzoriek smrekového dreva je vypočítaná z hmotnostných úbytkov

a z tohto dôvodu je porovnateľná len v časovom intervale od 600 s do 1 920. s, tak ako je to uvedené pri výpočte hmotnostného úbytku pre všetky nami testované tepelné toky (15, 20, 25 a 30 kW∙m-2).

Na Obr. 31 môžeme vidieť priebeh priemerných hmotnostných úbytkov pri zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 15 kW∙m-2 .

Keramický infražiarič 15 kW·m-2

Obr. 31 Rýchlosť odhorievania pri zaťažení 15 kW∙m-2 pomocou keramického infražiariča

Tak ako môžeme vidieť na Obr. 31, iniciačná fáza pri priemere jednotlivých sérií meraní pri zaťažení keramickým infražiaričom sa pohybovala v časovom intervale od 225. do 296. s. Najvyššia rýchlosť odhorievania 0,29 % s-1 bola dosiahnutá v 265. s.

Na Obr. 32 môžeme vidieť priebeh priemerných hmotnostných úbytkov pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 20 kW∙m-2 .

infražiarič 20 kW·m-2

Obr. 32 Rýchlosť odhorievania pri zaťažení 20 kW m-2 pomocou keramického infražiariča

Tak ako môžeme vidieť na Obr. 32 iniciačná fáza pri priemere jednotlivých sérií meraní pri termickom zaťažení keramickým infražiaričom sa pohybovala v časovom intervale od 43 do 54. s. Najvyššia rýchlosť odhorievania 0,25 %·s-1 bola dosiahnutá v 55. sekunde.

Na Obr. 33, môžeme vidieť priebeh priemerných hmotnostných úbytkov pri termickom

zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 25 kW∙m-2 .

infražiarič 25 kW·m-2

Obr. 33 Rýchlosť odhorievania pri zaťažení 25 kW∙m-2 pomocou keramického infražiariča

Tak ako môžeme vidieť na Obr. 33, iniciačná fáza pri priemere jednotlivých sérií meraní pri zaťažení keramickým infražiaričom sa pohybovala v časovom intervale od 17 do 27 s.

Najvyššia rýchlosť odhorievania 0,38 %·s-1 bola dosiahnutá v 50. s.

Na Obr. 34 môžeme vidieť priebeh priemerných hmotnostných úbytkov pri termickom

zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 30 kW m-2

Obr. 34 Rýchlosť odhorievania pri zaťažení 30 kW m-2 pomocou keramického infražiariča

Tak ako môžeme vidieť na Obr. 34, iniciačná fáza pri priemere jednotlivých sérií meraní pri zaťažení keramickým infražiaričom sa pohybovala v časovom intervale od 9. do 14. s.

Najvyššia rýchlosť odhorievania 0,54 %·s-1 bola dosiahnutá v 50 s.

Dôležité je poznamenať, že s rastúcim tepelným tokom sa nám podarilo zaznamenať kratšie časy dosiahnutia maximálnej rýchlosti odhorievania, čo svedčí o rýchlejšom a intenzívnejšom rozvoji horenia v prvých minútach testovania.

Tak ako uvádza vo svojej práci Zachar (2009), priebeh rýchlosti odhorievania počas merania v závislosti na meniacej sa vzdialenosti skúšobnej vzorky od zdroja (30, 35, 40, 45 a 50 mm), čo je porovnateľné s naším meniacim sa tepelným tokom 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2, dospel k záverom o variabilite rýchlosti odhorievania. Vo vzdialenosti 30 mm od zdroja dospel k maximálnej rýchlosti 0,098 % s-1dosiahnutej v 480 s, vo vzdialenosti 35 mm to bolo v 75. s a rýchlosť bola 0, 065 %·s-1. Vo vzdialenosti vzorky 40 mm od zdroja bola rýchlosť dosiahnutá už v 45. s a jej hodnota bola 0,079 % s-1. Nasledovali hodnoty vo vzdialenosti 45 mm, kde rýchlosť bola 0,069 %·s-1 a to v 270 s a v 50 mm od zdroja to bolo až v 240. s, kde rýchlosť bola 0,058 % s-1 .

Rýchlosťou odhorievania vzoriek smrekového dreva sa vo svojej práci zaoberal aj Chrebet et al. (2011), ktorý dospel k podstatne nižším rýchlostiam odhorievania, ktoré sa pohybovali v intervale od 0,005 až po 0,007 % s-1. Dôvodom namerania nižších rýchlostí bola počiatočná fáza odhorievania vzoriek oproti nami realizovanému experimentu, kde dochádzalo k iniciácii vzoriek už v 26. sekunde vo vzdialenosti 30 mm od zdroja.

Pri porovnávaní rýchlostí odhorievania podľa práce (Zachar et al., 2012), najvyššia hodnota rýchlosti odhorievania 0,099 % s-1 bola dosiahnutá takmer v poslednej fáze testu (480. s) vo vzdialenosti smrekových vzoriek 30 mm od zdroja. Naopak najnižšiu max. rýchlosť odhorievania 0,058 %·s-1 mali vzorky v najväčšej (50 mm) vzdialenosti od zdroja. Vo vzdialenosti 35 mm od zdroja dosiahla rýchlosť odhorievania 0,065 % s-1 v 75 s. Vyššia

rýchlosť odhorievania bola dosiahnutá vo vzdialenosti 45 mm od zdroja, kde dosiahla hodnotu

0,069 % s-1 v 270. s. Najkratšia doba 45 s na dosiahnutie maximálnej rýchlosti odhorievania

0,079 %·s-1 bola dosiahnutá vo vzdialenosti 40 mm od zdroja. Z uvedeného možno konštatovať

významný vplyv vzdialenosti zdroja zaťažovania na termickú degradáciu materiálu.

Kačíková a Makovická (2009) zistili, že v porovnaní s inými ihličnatými drevinami

najmenšia priemerná rýchlosť odhorievania bola zistená pre smrekové drevo, kde bola zistená

hodnota 0,090 % s-1. Maximálna rýchlosť odhorievania dosiahla hodnotu 0,187 % s-1 v čase 180 s od začiatku zaťaženia.

Podobným tvrdeniam nasvedčujú aj nami namerané hodnoty jednotlivých rýchlostí

odhorievania. V závislosti na veľkosti tepelného toku 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2 sa významne mení čas dosiahnutia maximálnej rýchlosti odhorievania. S rastúcimi hodnotami tepelného toku sa skracuje interval dosiahnutia maximálnej rýchlosti odhorievania smrekových vzoriek dreva.

4.4 Priebeh teplôt v skúšobných vzorkách

V nasledujúcej časti sú uvedené výsledné priebehy teplôt na jednotlivých termočlánkoch

umiestnených v skúšobných vzorkách vo vzdialenosti 10, 20, 30 a 40 mm pod povrchom, v závislosti od zaťaženia tepelným tokom 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2 .

Na základe zaznamenaného priebehu teplôt vo vzorkách môžeme stanoviť teoretický predpoklad degradácie smrekového dreva bez nutnosti manuálneho merania hrúbky zuhoľnatenia.

Pretože tak ako je uvedené v NFPA 921: 2017, rýchlosť zuhoľnatenia dreva závisí od množstva dreva a veľkého počtu premenných (vlastností dreva) a podmienok pri požiari a na stanovenie času horenia a intenzity požiaru sa dá aplikovať STN EN 1995-1-2 (Eurokód 5), kde je uvedené, že za líniu zuhoľnatenej vrstvy drevených konštrukcií sa považuje miesto, kde teplota dosiahla hodnotu 300 °C. Dosiahnutie teploty 300 °C v skúšobných vzorkách (v hĺbke 10, 20, 30 a 40 mm) bolo aj pre naše merania rozhodujúce na stanovenie hĺbky zuhoľnatenia.

4.4.1 Priebeh teplôt v skúšobných vzorkách pri zmene tepelného toku

Na nasledujúcich obrázkoch (Obr. 35 až Obr. 38) je znázornený priebeh teplôt na jednotlivých termočlánkoch umiestnených v hĺbke 10 mm (označený ako T1), v hĺbke 20 mm (označený ako T2), v hĺbke 30 mm (označený ako T3), a v hĺbke 40 mm (označený ako T4) pod povrchom skúšobnej vzorky a zaťažením príslušným tepelným tokom (15, 20, 25 a 30 kW m-2). Teplota prostredia bola meraná termočlánkom označeným ako T0.

Na Obr. 35 môžeme vidieť priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch pri zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 15 kW∙m-2

Priebeh teplôt pri zaťažení 15 kW·m-2

Obr. 35 Priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch pri zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 15 kW∙m-2

Ako môžeme vidieť na Obr. 35, najvyššie teploty boli zaznamenané na termočlánku T1 (umiestnený v hĺbke 10 mm pod povrchom vzorky), kde v 505. s bola zaznamenaná teplota 300,5 °C. Na termočlánku T2 (umiestnený v hĺbke 20 mm pod povrchom vzorky), bola v 1195. s zaznamenaná teplota 300,0 °C. Na ostatných termočlánkoch teploty neprekročili 169,9 °C

(T3) a 99,2 °C (T4) v čase do 1 920 s. (ukončenie termického zaťažovania vzoriek).

Na Obr. 36 môžeme vidieť priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch pri zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 20 kW∙m-2

Obr. 36 Priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch pri zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 20 kW∙m-2

Ako môžeme vidieť na Obr. 36, najvyššie teploty boli zaznamenané na termočlánku T1 (umiestnený v hĺbke 10 mm pod povrchom vzorky), kde v 395 s bola zaznamenaná teplota 303,4 °C. Na termočlánku T2 (umiestnený v hĺbke 20 mm pod povrchom vzorky), bola v 815. s zaznamenaná teplota 302,1 °C. Na ostatných termočlánkoch teploty neprekročili 241,3 °C (T3) a 123,3 °C (T4) v čase do 1 920 s. (ukončenie termického zaťažovania vzoriek).

Na Obr. 37 môžeme vidieť priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch pri zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 25 kW m-2 .

Priebeh teplôt pri zaťažení 25 kW·m-2

Obr. 37 Priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch pri zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 25 kW∙m-2

Ako môžeme vidieť na Obr. 37, najvyššie teploty boli zaznamenané na termočlánku T1 (umiestnený v hĺbke 10 mm pod povrchom vzorky), kde v 300. s bola zaznamenaná teplota 301,6 °C. Na termočlánku T2 (umiestnený v hĺbke 20 mm pod povrchom vzorky), bola v 730 s zaznamenaná teplota 301,3 °C. Na termočlánku T3 (umiestnený v hĺbke 30 mm pod povrchom vzorky), bola v 1265 s zaznamenaná teplota 300,2 °C. Na termočlánku T4 (umiestnený v hĺbke 40 mm pod povrchom vzorky) bola zaznamenaná max. teplota 189,9 °C v čase 1 920 s (ukončenie termického zaťažovania vzoriek).

Na Obr. 38 môžeme vidieť priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch pri zaťažení

vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 30 kW∙m-2 .

Priebeh teplôt pri zaťažení 30 kW·m-2

Obr. 38 Priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch pri zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 30 kW∙m-2

Ako môžeme vidieť na Obr. 38, najvyššie teploty boli zaznamenané na termočlánku T1 (umiestnený v hĺbke 10 mm pod povrchom vzorky), bola v 315. s zaznamenaná teplota 301,7 °C. Na termočlánku T2 (umiestnený v hĺbke 20 mm pod povrchom vzorky), bola v 600. s zaznamenaná teplota 302,5 °C. Na termočlánku T3 (umiestnený v hĺbke 30 mm pod povrchom vzorky), bola v 980. s zaznamenaná teplota 300,9 °C. Na termočlánku T4 (umiestnený v hĺbke 40 mm pod povrchom vzorky), bola zaznamenaná max. teplota 250,5 °C v čase 1 920 s (ukončenie termického zaťažovania vzoriek).

4.4.2 Priebeh teplôt v skúšobných vzorkách na jednotlivých termočlánkoch

Na nasledujúcich obrázkoch (Obr. 39 až Obr. 42) je znázornený priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch (T1, T2, T3 a T4) pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2

Na Obr. 57 môžeme vidieť priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch T1 (v hĺbke 10 mm) pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2

Priebeh teplôt 10 mm pod povrchom vzorky

Obr. 39 Priemerný priebeh teplôt na termočlánku T1 pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 15, 20, 25 a 30 kW m-2

Ako môžeme vidieť (Obr. 39), na termočlánku T1 pri zaťažení 15 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 355 °C až po 516,9 °C v čase 1 920 s. Pri zaťažení 20 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 434,8 °C až po 517,7 °C v čase 1 920 s. Pri zaťažení 25 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 516,7 °C

až po 566,7 °C v čase 1 920 s. Pri zaťažení 30 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 553,7 °C až po 578,3 °C v čase 1 920 s.

Na Obr. 40, môžeme vidieť priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch

T2 (v hĺbke

20 mm) pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2 .

Priebeh teplôt 20 mm pod povrchom vzorky

Obr. 40 Priemerný priebeh teplôt na termočlánku T2 pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 15, 20, 25 a 30 kW m-2

Ako môžeme vidieť (Obr. 40), na termočlánku T2 pri zaťažení 15 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 136,5 °C až po 360,9 °C v čase 1 920 s. Pri zaťažení 20 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 210,8 °C, až po 440,6 °C v čase 1 920 s. Pri zaťažení 25 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 246,9 °C

až po 510,8 °C v čase 1 920 s. Pri zaťažení 30 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 302,5 °C až po 529,8 °C v čase 1 920 s.

Na Obr. 41 môžeme vidieť priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch T3 (v hĺbke 30 mm) pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 15, 20, 25 a 30

Priebeh teplôt 30 mm pod povrchom vzorky

Obr. 41 Priemerný priebeh teplôt na termočlánku T3 pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 15, 20, 25 a 30 kW m-2

Ako môžeme vidieť (Obr. 41), na termočlánku T3 pri zaťažení 15 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 75,1 °C až po 169,9 °C v čase 1 920 s. Pri zaťažení 20 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 102,3 °C až po 241,3 °C v čase 1 920 s. Pri zaťažení 25 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 127,8 °C

až po 382,4 °C v čase 1 920 s. Pri zaťažení 30 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 157,5 °C až po 450,9 °C v čase 1 920 s. Na Obr. 42 môžeme vidieť priemerný priebeh teplôt na termočlánkoch T4 (v hĺbke 40 mm) pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2 .

T0 T 3 15 kW.m-2 T 3 20 kW.m-2

3 25 kW.m-2 T 3 30 kW.m-2

Priebeh teplôt 40 mm pod povrchom vzorky

Obr. 42 Priemerný priebeh teplôt na termočlánku T4 pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom s tepelným tokom 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2

Ako môžeme vidieť (Obr. 42), na termočlánku T4 pri zaťažení 15 kW∙m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 57,8 °C až po 99,2 °C v čase 1 920 s. Pri zaťažení 20 kW m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 69 °C až po 123,3 °C v čase 1 920 s. Pri zaťažení 25 kW m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 83,7 °C až po 198,9 °C v čase 1 920 s. Pri zaťažení 30 kW m-2 , v čase od 600 s sa maximálne teploty pohybovali od 100,6 °C až po 250,5 °C v čase 1 920 s.

4.4.3 Stanovenie rýchlosti zuhoľnatenia vzoriek

Na základe nami stanoveného priebehu teplôt v jednotlivých hĺbkach (10, 20, 30 a 40 mm) pod povrchom skúšobných vzoriek smrekového dreva zaťažených keramickým infražiaričom môžeme stanoviť hĺbku a rýchlosť zuhoľnatenia

Rýchlosť zuhoľnatenia je jednou z najdôležitejších požiarnych vlastností dreva a výrobkov z dreva. Je to jedna zo vstupných údajov pre výpočet požiarnej odolnosti drevených konštrukcií podľa STN EN 1995-1-2 (Eurokód 5). Okrem toho rýchlosť zuhoľnatenia dreva je

významný parameter aj pri zisťovaní príčin vzniku požiarov, čo je uvedené v NFPA 921: 2017.

Technická norma (Eurokód 5) je na analýzu hĺbky zuhoľnatenia najspoľahlivejšia pri

posudzovaní šírenia požiaru. Pre stanovenie času horenia a intenzity požiaru (STN EN 1995-

1-2: 2004) definuje hĺbku zuhoľnatenia ako vzdialenosť medzi vonkajšou stranou povrchu pôvodného prvku a polohu čiary medzi spálenou vrstvou a zvyškom prierez. Uvedená norma považuje líniu zuhoľnatenej vrstvy drevených konštrukcií ako miesto, kde teplota dosiahla hodnotu 300 °C.

Fonseca a Barreira (2009) merali zuhoľnatenú vrstvu v piatich rôznych bodoch pomocou termočlánkov typu „K“ a systému na získavanie údajov MGCPlus. Teplotu merali v rôznych polohách, t j. 1, 2, 3, 5 a 25 cm od plochy vystavenej pôsobeniu tepla a dospeli k názoru, že rozhranie medzi termicky degradovaným a nedegradovaným drevom je ohraničujúcou rovinou medzi čiernou a hnedou vrstvou dreva a je charakterizovaná teplotou 300 °C.

White et al. (1992) uvádza, že zuhoľnatená vrstva zodpovedá teplote 288 °C. Výsledky vedeckých práca Findorák et al. (2016) a Chen et al. (2016) potvrdzujú vyššie uvedené, že rýchly tepelný rozklad dreva (v prípade krátkodobej expozície) začína už pri teplotách tesne pod 300 ° C.

Z tohto dôvodu sme sa aj my zamerali na stanovenie rýchlosti zuhoľnatenia smrekových vzoriek pomocou stanovenia priebehu teplôt v jednotlivých vrstvách pod povrchom zaťaženým keramickým infražiaričom.

Stanovenie rýchlosti zuhoľnatenia bolo stanovené na základe merania času do dosiahnutia hraničnej teploty 300 °C, viď. Tab. 8.

Tab. 8 Hrúbka a rýchlosť zuhoľnatenia skúšobných vzoriek

Tepelný tok Dĺžka vystavenia Hrúbka zuhoľnatenia Rýchlosť zuhoľnatenia

Priemerná teplota 300 °C na termočlánku T1 pri zaťažení 15 kW∙m-2 bola dosiahnutá v čase 505 s, čo zodpovedá hrúbke zuhoľnatenia 10 mm pod termicky zaťaženým povrchom, t. j. rýchlosť zuhoľnatenia je 1,188 mm.min-1. Na druhom termočlánku (T2) bola teplota 300

°C dosiahnutá v čase 1 195 s, čo zodpovedá hrúbke zuhoľnatenia 20 mm pod termicky zaťaženým povrchom, t. j. rýchlosť zuhoľnatenia je 1,004 mm.min-1. Na ostatných termočlánkoch (T3 a T4) pri zaťažení 15 kW m-2 nebola teplota 300 °C dosiahnutá v čase do 1 920 s (ukončenie termického zaťažovania vzoriek) vzhľadom na to, hĺbku zuhoľnatenia nebolo možné stanoviť.

Na termočlánku T1 pri zaťažení 20 kW∙m-2 bola teplota 300 °C dosiahnutá v čase 391 s, čo zodpovedá hrúbke zuhoľnatenia 10 mm pod termicky zaťaženým povrchom, t. j. rýchlosť zuhoľnatenia je 1,535 mm.min-1. Na druhom termočlánku (T2) bola teplota 300 °C dosiahnutá v čase 811 s, čo zodpovedá hrúbke zuhoľnatenia 20 mm pod termicky zaťaženým povrchom, t j. rýchlosť zuhoľnatenia je 1,479 mm.min-1. Na ostatných termočlánkoch (T3 a T4) pri zaťažení 20 kW∙m-2 nebola teplota 300 °C dosiahnutá v čase do 1 920 s (ukončenie termického zaťažovania vzoriek) vzhľadom na to, hĺbku zuhoľnatenia nebolo možné stanoviť.

Na termočlánku T1 pri zaťažení 25 kW∙m-2 bola teplota 300 °C dosiahnutá v čase 298 s, čo zodpovedá hrúbke zuhoľnatenia 10 mm pod termicky zaťaženým povrchom, t j. rýchlosť zuhoľnatenia je 2,013 mm.min-1. Na druhom termočlánku (T2) bola teplota 300 °C dosiahnutá v čase 726 s, čo zodpovedá hrúbke zuhoľnatenia 20 mm pod termicky zaťaženým povrchom, t j. rýchlosť zuhoľnatenia je 1,653 mm.min-1. Na treťom termočlánku (T3) bola teplota 300 °C dosiahnutá v čase 1 364 s, čo zodpovedá hrúbke zuhoľnatenia 30 mm pod termicky zaťaženým povrchom, t j. rýchlosť zuhoľnatenia je 1,424 mm.min-1. Na štvrtom termočlánku (T4) pri zaťažení 25 kW∙m-2 nebola teplota 300 °C dosiahnutá v čase do 1 920 s (ukončenie termického zaťažovania vzoriek) vzhľadom na to, hĺbku zuhoľnatenia nebolo možné stanoviť.

Na termočlánku T1 pri zaťažení 30 kW∙m-2 bola teplota 300 °C dosiahnutá v čase 314 s, čo zodpovedá hrúbke zuhoľnatenia 10 mm pod termicky zaťaženým povrchom, t. j. rýchlosť zuhoľnatenia je 1,911 mm.min-1. Na druhom termočlánku (T2) bola teplota 300 °C dosiahnutá v čase 596 s, čo zodpovedá hrúbke zuhoľnatenia 20 mm pod termicky zaťaženým povrchom, t. j. rýchlosť zuhoľnatenia je 2,016 mm.min-1. Na treťom termočlánku (T3) bola teplota 300 °C dosiahnutá v čase 977 s, čo zodpovedá hrúbke zuhoľnatenia 30 mm pod termicky zaťaženým povrchom, t. j. rýchlosť zuhoľnatenia je 1,842 mm.min-1. Na štvrtom termočlánku (T4) pri zaťažení 30 kW m-2, nebola teplota 300 °C dosiahnutá v čase do 1 920. s (ukončenie termického zaťažovania vzoriek) vzhľadom na to, hĺbku zuhoľnatenia nebolo možné stanoviť

Fonseca a Barreira (2011) posudzovali hĺbku zuhoľnatenia prostredníctvom experimentálnej metódy. Pri experimentálnej metóde skúšobné vzorky podrobili tepelnému namáhaniu pomocou systému „elektro-keramického odporu“ s tepelným výkonom 70 kVA, s nastaviteľným rozsahom teploty v intervale od 20 °C do 1200 °C (viď. Obr. 43). V priebehu

experimentu sa sledovali teplotné priebehy v piatich bodoch skúšobnej vzorky (10, 20, 30, 50 a 250 mm od exponovanej strany). Autori rozdelili jednotlivé vzorky do zóny zuhoľnatenej

vrstvy, zóny pyrolýzy a neporušeného dreva a dospeli k nasledovným záverom:

• vo vzdialenosti 10 mm od exponovanej strany sa po 33 min vytvorí zuhoľnatená vrstva a je pre ňu charakteristická teplota 700 - 800 °C (až do ukončenia experimentu),

• vo vzdialenosti 20 mm od exponovanej strany sa po 42 min vytvára zuhoľnatená vrstva, pričom teplota v tomto mieste po 60 min. bola 400 - 600 °C,

• vo vzdialenosti 30 mm od exponovanej strany nedochádza k vytvoreniu zuhoľnatenej

vrstvy, teplota je pod 300 °C,

• vo vzdialenosti 250 mm od exponovanej strany je termicky nedegradované drevo, teplota v tomto mieste po 60 min. bola 16 °C.

Uvedené výsledky korešpondujú s nami zaznamenanými hodnotami na termočlánkoch T1, T2 a T3, s tým rozdielom že teploty boli dosiahnuté v kratšom časovom intervale.

Obr. 27 Vzorka zaťažená pomocou elektro-keramického odporu (Fonseca a Barreira, 2011)

Hĺbkou zuhoľnatenej vrstvy sa zaoberali aj Martinka et al. (2018), experimentu podrobili skúšobné vzorky smreka obyčajného a borovice lesnej s rozmermi 100 x 100 x 50 mm.

Zaťaženie skúšobných vzoriek bolo vykonané pomocou kónického kalorimetra po dobu 10, 20 a 30 min. Po vopred stanovenom časovom intervale termického namáhania, bola skúšobná vzorka uhasená a vložená do nádoby s vodou. Skúšobné vzorky boli vysušené a následne

prerezané v strede línie zuhoľnatenia. Hĺbku zuhoľnatenia autori dostali ako rozdiel medzi

pôvodnou šírkou prierezu a šírkou zostatkového prierezu. Autori dospeli k nasledovným

výsledkom pre skúšobnú vzorku zo smrekového dreva (výsledky po 30 min):

• pri tepelnom toku 20 kW∙m-2 bola hĺbka zuhoľnatenia 22 mm;

• pri tepelnom toku 30 kW∙m-2 bola hĺbka zuhoľnatenia 28 mm;

• pri tepelnom toku 40 kW∙m-2 bola hĺbka zuhoľnatenia 33 mm;

• pri tepelnom toku 50 kW∙m-2 bola hĺbka zuhoľnatenia 36 mm.

Pri teste podľa (Martinka et al., 2018) a nami realizovanom teste bol totožný druh dreviny, časový interval namáhania skúšobnej vzorky a čiastočne aj tepelný tok (20 a 30 kW m-2). Pri našich meraniach sme pri zaťažení 20 kW m-2 dosiahli po 30 min. hĺbku zuhoľnatenej vrstvy 20 ± 5 mm, a pri zaťažení 30 kW∙m-2 bola hĺbku zuhoľnatenej vrstvy 30 ± 5 mm. Rozdiely v dosiahnutých výsledkoch mohli byť spôsobené v dôsledku rozdielneho tepelného namáhania, veľkosti skúšobných vzoriek a v použitých testovacích metodikách.

Hrúbkou zuhoľnatenej vrstvy sa vo svojej práci zaoberal aj Špilák et al. (2018), kde testoval smrekové drevo s rôznymi geometrickými prierezmi (štvorcový, kruhový a štvorcový profil so zrezanými hranami). Skúšobné vzorky termicky namáhal po dobu 30 min., pomocou radiačného panela s výkon 50,5 kW∙m-2, čomu zodpovedala teplota 935 °C. Celková emisivita bola nastavená na hodnotu 0,9 (Viď. Obr. 44).

Obr. 28 Vzorka zaťažená pomocou radiačného panela (Špilák et al., 2018)

Na základe výsledkov stredno-rozmerového testu Špilák et al. (2018) uvádzajú, že hĺbka zuhoľnatenia sa menila v závislosti na tvare prierezu vzorky. Pri štvorcovom priereze sa pohybovala v priemere od 7 – 9 mm, pri priereze so zrezanými hranami v priemere od 8,5 – 10 mm a pri okrúhlom priereze bola priemerná hĺbka zuhoľnatenia od 15 – 19,5 mm. Taktiež uvádzajú, že hĺbka zuhoľnatenej vrstvy štvorcového prierezu a prierezu so zrezanými hranami zistená experimentálne je v zhode s vypočítanou hĺbkou zuhoľnatenia dchar,0 = 12 mm podľa STN EN 1995-1-2

Podľa (NFPA 921: 2017) je rýchlosť zuhoľnatenia dreva pri laboratórnych podmienkach a vystavení zdroju tepla z jednej strany stanovená v rozsahu od 0,17 mm.min-1 do 4,23 mm.min-1

Lipinskas (2006) vo svojej práci pomocou použitia rôznych testovacích zariadení skúmal zuhoľnatenie vzoriek jedle ošetrených rôznymi druhmi retardérov horenia. Použitím ohrievacej komory stanovil rýchlosť zuhoľnatenia vybraných ihličnatých druhov dreva na 0,8 – 0,9 mm.min-1.

Podľa zistení Hadviga (1981) a Babrauskasa (2005) je rýchlosť zuhoľnatenia dlhodobo predmetom záujmu statikov, ktorí chcú stanoviť úbytok, nosnú kapacitu drevených trámov a stĺpov v post-flashoveri. Na získanie týchto dát sú používané štandardné testovacie zariadenia na simuláciu post-flashoveru (skúšobné pece). Podmienky skúšok sú stanovené na základe ASTM E119 alebo ISO 834. Pri svojich testoch zahriali pec na konštantnú teplotu. Do pece vložili vzorky severského smreku, ktoré boli následne vystavené sálavému prostrediu pece, kde sa teplota pohybovala v intervale 920 °C – 1 070 °C, viď. Tab. 9.

Tab. 9 Rýchlosť zuhoľnatenia v skúšobnej peci (Hadvig, 1981 a Babrauskas, 2005)

Dĺžka vystavenia Hrúbka zuhoľnatenia Rýchlosť zuhoľnatenia

Vzťah medzi priemernou rýchlosťou zuhoľnatenia smrekového dreva a hustotou tepelného toku (v časovom intervale od 0 do 600 s) môžeme vidieť na Obr. 45

Rýchlosť zuhoľnatenia v intervale 0 až 600 s

y = 0,1574* tepelný tok0,7582 R² = 0,8877

Tepelný tok (kW.m-2)

Obr. 45 Priemerná rýchlosť zuhoľnatenia v časovom intervale od 0 do 600 s

Znázornenie na Obr. 45 dokazuje, že rýchlosť zuhoľnatenia so zvyšujúcim sa tepelným tokom narastá. V časovom intervale od 0 do 600 s bola priemerná rýchlosť zuhoľnatenia v rozsahu od 1,18 mm min-1 (pri tepelnom toku 15 kW m-2) do 2,01 mm min-1 (pri tepelnom toku 30 kW m-2).

Vzťah medzi priemernou rýchlosťou zuhoľnatenia smrekového dreva a hustotou tepelného toku (v časovom intervale od 0 do 900 s) môžeme vidieť na Obr. 46

Rýchlosť zuhoľnatenia v intervale 0 až 900 s

y = 0,0759* tepelný tok0,9667 R² = 0,9701

Tepelný tok (kW.m-2)

Obr. 46 Priemerná rýchlosť zuhoľnatenia v časovom intervale od 0 do 900 s

Znázornenie na Obr. 46 dokazuje, že rýchlosť zuhoľnatenia so zvyšujúcim sa tepelným tokom narastá. V časovom intervale od 0 do 900 s bola priemerná rýchlosť zuhoľnatenia v rozsahu od 1,00 mm min-1 (pri tepelnom toku 15 kW m-2) do 2,02 mm min-1 (pri tepelnom toku 30 kW m-2).

Vzťah medzi priemernou rýchlosťou zuhoľnatenia smrekového dreva a hustotou tepelného toku (v časovom intervale od 0 do 1 920 s) môžeme vidieť na Obr. 47

Rýchlosť zuhoľnatenia v intervale 0 až 1920 s

y = 0,1262* tepelný tok0,7821 R² = 0,8666

-2)

Obr. 47 Priemerná rýchlosť zuhoľnatenia v časovom intervale od 0 do 1920 s

Znázornenie na Obr. 47 dokazuje, že rýchlosť zuhoľnatenia so zvyšujúcim sa tepelným tokom narastá. V časovom intervale od 0 do 1 920 s bola priemerná rýchlosť zuhoľnatenia v rozsahu od 1,00 mm·min-1 (pri tepelnom toku 15 kW∙m-2) do 1,84 mm·min-1 (pri tepelnom toku 30 kW∙m-2).

Martinka et al. (2018) vo svojej práci popisuje významný lineárny vzťah medzi hĺbkou zuhoľnatenia a pomerom úbytku hmoty k hustote. Priemerná rýchlosť zuhoľnatenia klesá so zvyšujúcim sa časom a zvyšuje sa s narastajúcim tepelným tokom. Uvádza, že priemerná rýchlosť zuhoľnatenia smrekového dreva je v intervale od 0,73 (pri tepelnom toku 20 kW∙m-2) do 1,2 mm·min-1 (pri tepelnom toku 50 kW∙m-2).

Nami stanovené hodnoty rýchlosti zuhoľnatenia smrekového dreva sú vyššie, od 1,00 mm·min-1 (pri tepelnom toku 15 kW∙m-2) do 1,84 mm·min-1 (pri tepelnom toku 30 kW∙m-2), ale z tvrdením o klesajúcej priemernej rýchlosti zuhoľnatenia so zvyšujúcim časom zaťaženia sa môžeme stotožniť. Dôvodom klesajúcej rýchlosti zuhoľnatenia je predovšetkým to, že zuhoľnatená vrstva vytvorená na povrchu vzorky znižuje prehrievanie a tepelný rozklad nedegradovaného dreva pod zuhoľnatenou vrstvou.

K podobným záverom taktiež dospeli White a Tran (1996), Lizhong et al. (2008) a Zhang (2015), ktorí testovali rôzne dreviny pri tepelnom toku 15, 25, 35, a 50 kW∙m-2. Z ich záverov vyplýva, že rýchlosť zuhoľnatenia dreva vystaveného konštantnému vonkajšiemu tepelnému toku sa môže považovať za lineárnu funkciu času, ale pri vyšších úrovniach tepelného toku môže byť jej správanie nelineárne s dlhším časovým intervalom potrebným pre dosiahnutie danej hĺbky zuhoľnatenia. Miera zuhoľnatenia je priamo úmerná pomeru vystavenia vonkajšiemu tepelnému toku a hustoty.

Na základe nami stanoveného priebehu teplôt v jednotlivých hĺbkach (10, 20, 30 a 40 mm) pod povrchom skúšobných vzoriek smrekového dreva zaťažených keramickým infražiaričom s tepelným tokom (15, 20, 25, a 30 kW∙m-2) a pomocou štatistickej metódy najmenších štvorcov môžeme stanoviť priebeh zuhoľnatenia v čase a príslušnej hrúbke. Za kritickú, resp. hraničnú teplotu sme považovali dosiahnutie teploty 300 °C.

Na Obr. 48 môžeme vidieť priebeh tvorby zuhoľnatenej vrstvy v závislosti od zaťaženia tepelným tokom (15, 20, 25, a 30 kW∙m-2) v jednotlivých hĺbkach (do 10 mm, do 20 mm, do 30 mm a do 40 mm) pod povrchom skúšobných vzoriek smrekového dreva zaťažených keramickým infražiaričom v časovom intervale od 0 do 1 920 s.

Obr. 48 Priebeh zuhoľnatenej vrstvy v čase pre príslušnú hĺbku

Na Obr. 48 je hraničná teplota potrebná k dosiahnutiu zuhoľnatenej vrstvy znázornená bledozelenou farbou. Jedná sa o teplotné pole dosiahnutia 300 ° C v celom časovom intervale (od 0 do 1 920 s) termického zaťažovania keramickým infražiaričom.

Priebeh tvorby zuhoľnatenej vrstvy do hĺbky 10 mm pod povrchom môžeme vidieť na Obr. 48 (vľavo hore). Rýchlosť a rozsah vzniku zuhoľnatenej vrstvy jednoznačne poukazuje na závislosť od tepelného toku a času zaťaženia. Pri tepelnom toku 15 kW∙m-2 sa začína tvoriť až v 200. s od začiatku zaťaženia, pri zaťažení 20 kW∙m-2 sa začína tvoriť už v 120. s, pri zaťažení

25 kW∙m-2 sa začína tvoriť už v 100. s a pri 30 kW∙m-2 sú hodnoty takmer totožné, zuhoľnatená vrstva sa tvorí už v 95. s. Na základe merania priebehu teplôt v skúšobných vzorkách na termočlánku T1 sme zaznamenali odlišné časy dosiahnutia kritickej teploty 300 °C. Naše merania poukazujú na to, že pre tvorbu zuhoľnatenej vrstvy do hrúbky 10 mm pod povrchom

skúšobnej vzorky je kritický tepelný tok 15 kW m-2 už v 505. s, 20 kW m-2 už v 395. s, 25 kW∙m-2 už v 300. s a 30 kW∙m-2 už v 315. s viď. Obr. 39 (kap. 4.4.2), teda niekde v iniciačnej fáze požiaru.

Priebeh tvorby zuhoľnatenej vrstvy v hĺbke od 10 mm do 20 mm pod povrchom

skúšobných vzoriek môžeme vidieť na Obr. 48 (vpravo hore). Rýchlosť a rozsah vzniku

zuhoľnatenej vrstvy taktiež poukazuje na závislosť od tepelného toku a času zaťaženia. Pri

tepelnom toku 15 kW∙m-2 sa začína tvoriť zuhoľnatená vrstva až v 760. s od začiatku zaťaženia, pri zaťažení 20 kW∙m-2 sa začína tvoriť už v 550. s, pri zaťažení 25 kW∙m-2 sa začína tvoriť

už v 460. s a pri 30 kW m-2 sa zuhoľnatená vrstva tvorí už v 415. s. Svedčí to o tom, že pre tvorbu zuhoľnatenej vrstvy v intervale hrúbky od 10 mm do 20 mm pod povrchom skúšobnej vzorky je kritický tepelný tok 30 kW∙m-2 už v 415. s, teda niekde v tretej štvrtine iniciačnej fázy (do 600 s od začiatku zaťažovania vzoriek), čo je čiastočne v rozpore s našimi meraniami, viď. Obr. 40 (kap. 4.4.2), kde pri zaťažení 30 kW∙m-2 sme kritickú teplotu 302,5 °C (zaznamenané na termočlánku T2) dosiahli až v čase 600 s od začiatku termického zaťažovania vzoriek.

Priebeh tvorby zuhoľnatenej vrstvy v hĺbke od 20 mm do 30 mm pod povrchom skúšobných vzoriek môžeme vidieť na Obr. 48 (vľavo dole). Rýchlosť a rozsah vzniku zuhoľnatenej vrstvy taktiež poukazuje na závislosť od tepelného toku a času zaťaženia. Pri tepelnom toku 15 kW∙m-2 k dosiahnutiu zuhoľnatenej vrstvy (počas 1920 s) nedochádza, (viď. Obr. 64). Taktiež podľa našich meraní priebehu teplôt, viď Obr. 41 (kap. 4.4.2), pri zaťažení 15 kW∙m-2 sme kritickú teplotu 300,0 °C (zaznamenané na termočlánku T3) nedosiahli počas celého časového intervalu termického zaťažovania. Pri tepelnom toku 20 kW m-2 sa začína zuhoľnatená vrstva tvoriť už v 1 180. s, pri zaťažení 25 kW m-2 sa začína tvoriť už v 880. s a pri 30 kW m-2 sa zuhoľnatená vrstva tvorí už v 715. s (viď. Obr. 48). Dané časy svedčia o tom, že pre tvorbu zuhoľnatenej vrstvy v intervale hrúbky od 20 mm do 30 mm pod povrchom skúšobnej vzorky je kritický tepelný tok 30 kW∙m-2 až v čase 715 s, teda niekde až za iniciačnou fázou požiaru (do 600 s od začiatku zaťažovania vzoriek), čo je čiastočne v rozpore s našimi meraniami, viď. Obr. 41 (kap. 4.4.2), kde pri zaťažení 30 kW∙m-2 sme kritickú teplotu 300,9 °C (zaznamenané na termočlánku T3) dosiahli až v čase 980 s od začiatku termického zaťažovania vzoriek.

Priebeh tvorby zuhoľnatenej vrstvy v hĺbke od 30 mm do 40 mm pod povrchom

skúšobných vzoriek môžeme vidieť na Obr. 48 (vpravo dole). Pri tepelnom toku 15, 20 a 25 kW∙m-2 k dosiahnutiu zuhoľnatenej vrstvy (počas 1 920 s) nedochádza. Taktiež podľa našich meraní priebehu teplôt pri zaťažení 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2 sme kritickú teplotu 300,0 °C (zaznamenané na termočlánku T4) nedosiahli počas celého časového intervalu termického zaťažovania, viď. Obr. 42 (kap. 4.4.2). Podľa grafického znázornenia na Obr. 48 k tvorbe zuhoľnatenej vrstvy v hĺbke 40 mm pod povrchom dochádza pri zaťažení 30 kW m-2 v 1 490. s, teda niekde v čase plne rozvinutého požiaru.

4.5 Zhrnutie dosiahnutých výsledkov

Medzi vybrané požiarnotechnické charakteristiky smrekového dreva, stanovené nami navrhnutou metódou testovania materiálov sme zaradili, stanovenie hmotnostného úbytku počas zaťaženia keramickým infražiaričom a následne sme vypočítali rýchlosť odhorievania.

Z dôvodu dosiahnutia čo najpresnejších (porovnateľných) hodnôt sme sa zamerali na časový interval od 600 s do 1 920 s termického zaťažovania keramickým infražiaričom, čo zodpovedá fáze rozvoja požiaru.

Na základe stanovenia priebehu teplôt pomocou termočlánkov (typu „K“) umiestnenými vo vzdialenosti (10, 20, 30 a 40 mm) pod povrchom vzoriek zaťažených keramickým infražiaričom sa nám podarilo stanoviť rýchlosť zuhoľnatenia

Na základe priebehu teplôt a pomocou štatistickej metódy najmenších štvorcov môžeme stanoviť priebeh zuhoľnatenia v čase a príslušnej hrúbke. Teplotu 300 °C považujeme za hraničnú teplotu zuhoľnatenia. Čo je prínos oproti predchádzajúcim metódam, ktoré sa používali v minulosti.

Pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom pomocou nami navrhnutej testovacej metódy môžeme jednoznačne povedať, že pri všetkých tepelných tokoch (15, 20, 25 a 30 kW∙m-2) došlo k iniciácii vzoriek. Z pohľadu porovnania času do iniciácie testovaných vzoriek môžeme vyvodiť záver, že so vzrastajúcim tepelným tokom dochádza k iniciácii v kratšom časovom intervale.

Pri vzájomnom porovnaní priemerných hmotnostných úbytkov (pri tepelných tokoch 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2) získaných pri zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom pomocou nami navrhnutej testovacej metódy môžeme jednoznačne povedať, že v časovom intervale od 600 s do 1 920 s, so vzrastajúcim tepelným tokom dochádza k väčšiemu percentuálnemu úbytku na hmotnosti.

Pri porovnaní priemerných rýchlostí odhorievania (pri tepelných tokoch 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2) získaných pri zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom pomocou nami navrhnutej testovacej metódy môžeme povedať, že so vzrastajúcim tepelným tokom dochádza k dosiahnutiu najväčšej rýchlosti odhorievania v kratšom časovom intervale.

Pomocou nami navrhnutej testovacej metódy sa nám podarilo stanoviť priebeh teplôt v jednotlivých hĺbkach (10, 20, 30 a 40 mm) pod povrchom skúšobných vzoriek, čo nám poskytlo možnosť stanovenia rýchlosti tvorby zuhoľnatenej vrstvy a hlavne hrúbky zuhoľnatenia v závislosti od tepelného toku (15, 20, 25 a 30 kW∙m-2) v priebehu časového intervalu od 0 s do 1 920 s, čo zodpovedá prvým trom fázam požiaru.

Uvedené výsledky môžu poslúžiť pre ďalšie možnosti skúmania požiarnotechnických charakteristík smrekového dreva a ich uplatnení v požiarnej prevencii, pri zisťovaní príčin vzniku požiarov, bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci a v konečnom dôsledku aj ako vstupné údaje potrebné k modelovaniu požiarov v laboratórnych podmienkach.

Záver

Vedecká monografia sa zaoberá návrhom novej progresívnej testovacej metódy pre stanovenia vybraných požiarnotechnických charakteristík dreva a overením vhodnosti jej uplatnenia na základe porovnania nameraných výsledkov. Na základe našich výsledkov môžeme konštatovať, že sa nám tento zámer podarilo naplniť a potvrdiť naše predpoklady o vhodnosti aplikácie tejto testovacej metódy pre stanovenie hmotnostného úbytku a rýchlosti odhorievania a rýchlosti zuhoľnatenia ako vybraných požiarnotechnických parametrov smrekového dreva.

Navrhnutá testovacia metóda umožňuje stanoviť závislosť medzi jednotlivými vybranými požiarnotechnickými charakteristikami, a zároveň zjednodušuje testovanie vzoriek smrekového dreva - Picea abies (L.) H. Karst., pri predikcii potenciálnej iniciácie a následného rozvoja požiaru v stavebných konštrukciách, ktorých základným stavebným komponentom je drevo. Nami vybrané a posudzované požiarnotechnické charakteristiky smrekového dreva (čas do iniciácie, hmotnostný úbytok, rýchlosť odhorievania, priebeh teplôt v termicky zaťažených vzorkách, hrúbka a rýchlosť zuhoľnatenia) boli stanovené pri hodnotách tepelného toku 5, 20, 25 a 30 kW∙m-2 .

Pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom pomocou nami navrhnutej testovacej metódy môžeme jednoznačne potvrdiť, že pri všetkých tepelných tokoch (15, 20, 25 a 30 kW∙m-2) došlo k iniciácii všetkých vzoriek. Ďalej môžeme potvrdiť, že so vzrastajúcim tepelným tokom dochádza k iniciácii v kratšom časovom intervale.

Pri vzájomnom porovnaní hodnôt priemerných hmotnostných úbytkov (pri tepelných tokoch 15, 20, 25 a 30 kW∙m-2) získaných pri termickom zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom pomocou nami navrhnutej testovacej metódy môžeme jednoznačne potvrdiť, že v časovom intervale od 600 s do 1 920 s, so vzrastajúcim tepelným tokom dochádza k vyššiemu percentuálnemu úbytku na hmotnosti.

Pri porovnaní priemerných rýchlostí odhorievania (pri tepelných tokoch 15, 20, 25 a 30 kW m-2) získaných pri zaťažení vzoriek keramickým infražiaričom pomocou nami navrhnutej testovacej metódy, môžeme potvrdiť, že so vzrastajúcim tepelným tokom dochádza k dosiahnutiu najväčšej rýchlosti odhorievania v kratšom časovom intervale.

Pomocou nami navrhnutej testovacej metódy sa nám podarilo stanoviť priebeh teplôt v jednotlivých hĺbkach (10, 20, 30 a 40 mm) pod povrchom skúšobných vzoriek, čo nám poskytlo

možnosť stanovenia rýchlosti tvorby zuhoľnatenej vrstvy a hlavne hrúbky zuhoľnatenia v závislosti od tepelného toku (15, 20, 25 a 30 kW∙m-2) v priebehu časového intervalu od 0 s do 1 920 s, čo zodpovedá prvým trom fázam požiaru.

Výsledky práce možno uplatniť pri ďalšom skúmaní a komparácii požiarnotechnických

charakteristík jednotlivých druhov dreva a ich uplatnenie v požiarnej prevencii, pri zisťovaní príčin

vzniku požiarov, bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci a v konečnom dôsledku ako vstupné údaje potrebné pre počítačom podporované modelovanie rozvoja požiaru v uzavretom priestore.

Za najvýraznejší inovatívny prínos predloženej vedeckej monografie však možno považovať samotnú novú nenormovú progresívnu testovaciu metódu, ktorá nespočíva len v inovatívnom prístupe k testovaniu najvýznamnejších požiarnotechnických charakteristík dreva, ale aj v kombinácii a usporiadaní testovacej aparatúry.

Použitá literatúra

[1] Awoyemi, L. 2006. Heat treatment of less-valuable Nigerian-grown Ceiba pentadra wood for improved properties. IRG/WP/06-40332. 7 s.

[2] Babiak, M., Komora, F., Javorský, F. 1996. Temperature profiles in Wood. Drevársky výskum, 1996, 41/1, s. 3-14. ISSN: 0012-6136.

[3] Babrauskas, V. 2005. Charring rate of wood as a tool for fire investigations. In Fire Safety Journal, 2005. vol. 40, issue 6, 528-554. 27 p.

[4] Bahadori A, Vuthaluru HB. 2010. Novel predictive tools for design of radiant and convective sections of direct fired heaters. Applied Energy. Volume 87, Issue 7,2010,Pages 2194-2202, ISSN 0306-2619, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.11.028.

[5] Balabán, K. 1955. Anatomie dřeva. Praha : SZN, 1955. 216 s.

[6] Balog, K. 1999. Samovznietenie. Ostrava : Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství v Ostravě, 1999. 133 s. ISBN 80-86111-43-1.

[7] Balog, K., Kvarčák, M. 1999. Dynamika požáru. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství v Ostravě. 96 s. ISBN 80-86111-44-X.

[8] Balog, K., Kačíková, D., Martinka, J. 2015. Zisťovanie príčin vzniku požiarov: vysokoškolská učebnica. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, Drevárská fakulta, 2015. ISBN 978-80-228-2831-4.

[9] Bédard N. 1998. Laboratory testing of radiant gas burners and electric infrared emitters. Experimental Heat Transfer. 11:3, 255-279, https://doi: 10.1080/08916159808946565.

[10] Bojić M, Cvetković D, Bojić L. 2015. Decreasing energy use and influence to environment by radiant panel heating using different energy sources. Applied Energy Volume 138, 2015, Pages 404-413, ISSN 0306-2619, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.10.063.

[11] Bradáčová, I. 2007. Stavby z hlediska požární bezpečnosti 1. vyd. Brno: ERA group, 2007. 156 s. ISBN 978-80-7366-090-1.

[12] Brown, K.J., Farrelly, R., O’Shaughnessy, S.M., Robinson. A.J. 2016. Energy efficiency of electrical infrared heating elements. Applied Energy, Volume 162, 2016, Pages 581-588, ISSN 0306-2619, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.10.064.

[13] Bubeníková, T., Kačík, F., Kačíková, D. 2004. Characteristics of lignins at low temperature degradation of spruce wood. In: Proceedings Wood and Fire Safety, Zvolen : Technická univerzita 2004, s. 25-30. ISBN 80-228-1321-4.

[14] Buchanan, A.H. 2001. Structural design for fire safety. West Susesex, : Wiley, 2001, ISBN 978-0-471-89060-7.

[15] Butturini R, Ngo M. 2005. Radiant electric heater flux mapping. Product Safety Engineering, 2005 IEEE Symposium on. p. 23-31.

[16] Butturini R, Ngo M. 2008. Flux Mapping of Radiant Electric Heaters: Repeatability Considerations. U.S. Consumer Product Safety Commission.

[17] Čunderlík, I. 2009. Štruktúra dreva. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2009. 133 s. ISBN 978-80-228-2061-5.

[18] Delichatsios, M., Paroz, B., Bhargava, A., 2003. Flammability properties for charing materials. Fire Safety Journal, Volume 38, Issue 3, April 2003, Pages 219-228. ISSN: 0379-7112.

[19] Drysdale, D. 1999. An Introduction to Fire Dynamics. 2nd edn, John Wiley & Sons, 1999.

[20] Dubovský, J., Čunderlík, I. 1989. Náuka o dreve Zvolen: VŠLD. 146 s. ISBN 80–228–0002–3.

[21] Findorák, R., Fröhlichová, M., Legemza, J., Findorákova, L. 2016. Thermal degradation and kinetic study of sawdusts and walnut shells via thermal analysis. J Therm Anal Calorim 125, 689–694 (2016) doi:10.1007/s10973-016-5264-6.

[22] Fonseca, E. M. M. a Barreira, L. M. S. 2009. Charring rate determination of wood pine profiles submitted to high temperatures. Safety and Security Engineering III. Polytechnic Institute of Bragança, Portugal. WIT Transactions on the Built Environment, Vol 108, 2009. ISSN 1743-3509 (on-line) 449–457 (2009).

[23] Fonseca, E.M.M. & Barreira, L.M.S. 2011. Experimental and numerical methot for determining wood char-layer at high temperatures due to an anaerobic heating. Int. J. of Safety and Security Eng., Vol. 1, No. 1 (2011). ISSN: 2041-904X, DOI: 10.2495/SAFEV1-N1-65-76.

[24] Gay-Lussac, J.L. 1821. Ann. Chim. Phys., Vol. 18, no. 2, p. 211.

[25] Goroyias, G. J., Hale, M. D. 2002. Heat treatment of wood strands for OSB production: Effect on the mechanical properties, water absorption and dimensional stability. IRG/WP/02-40238. 10 s.

[26] Green, D.W., Evans, J.W., Logan, J.D., Nelson, W.J. 1999. Adjusting modulus of elasticity of lumber for changes in temperature. Forest Products Journal. 49. 82-94.

[27] Grexa, O. 1991. Horenie dreva, jeho retardácia a vedľajšie účinky retardérov horenia: Ašpirantské minimum. Bratislava: STU v Bratislave CHTF, 1991. s. 19.

[28] Hadvig, S. 1981. Charring of Wood in Building Fires, Technical University of Denmark, Lyngby (1981).

[29] Hagen, M., Hereid, J., Delichatsios, M.A., Zhang, J., Bakirtzis, D. 2009. Flammability assessment of fire-retarded Nordic Spruce wood using thermogravimetric analyses and cone calorimetry. Fire Safety Journal, Volume 44, Issue 8, November 2009, Pages 1053-1066. ISSN: 0379-7112.

[30] Harman, P.M. 2002. The Scientific Letters and Papers of James Clerk Maxwell. Volume III. Cambridge University.

[31] Hawley, L. F. 1952. Combustion of wood. Chapter 19, In: Wood Chemistry, Vol. II, 1952. s. 548. ISSN: 0713-5807., 86.

[32] Hill, C. A. S. 2006. Wood modification – chemical, thermal and other processes. Chichester UK : John Wiley & Sons LtD, 2006. 239 s.

[33] Horský, D., Osvald, A. 1983. Laboratórne testovacie metódy horľavosti dreva. VPA /2/ 1983, Zvolen : ES VŠLD, 1983. s. 15-34. ISBN 85-1370-83.

[34] Chen, T., Wu, W., Wu, J., Cai, J., Wu, J. 2016. Determination of the pseudocomponents and kinetic analysis of selected combustible solid wastes pyrolysis based on Weibull model. J Therm Anal Calorim. (2016) 126: 1899. https://doi.org/10.1007/s10973-0165649-6

[35] Chovanec, D., Osvald, A. 1992. Spruce Wood Structure Changes Caused by Flame and Radiant Source. Zvolen : TU, 1992. 62 s. ISBN 80-228-0182-8.

[36] Chovanec, D. 1985. Morfológia bunečných elementov listnatých drevín VPA 1/1985, Zvolen : ES VŠLD, 1985. 122 s.

[37] Chrebet, T., Arvajová, Z., Martinka, J., Balog, K., 2011. Sledovanie teploty vzplanutia a úbytku hmotnosti v teplovzdušnej elektricky vyhrievanej peci. In POŽÁRNÍ

OCHRANA 2011, Sborník prednášek XX. Ročníku konference. Ostrava. VŠB – TU Ostrava. 2011. s 89 – 91. ISBN: 978-80-7385-102-6.

[38] Chrebet, T., Balog, K. 2010. Critical rate of thermal decomposition of pure and impregnated lignocellulosic materials. In Research papers Faculty of Materials Science and Technology in Trnava. No. 28. Bratislava : Slovak University of Technology, 2010. Dostupné na internete: http://www.mtf.stuba.sk/docs/doc/casopis_Vedecke_prace/28/17_chrebet_balog.pdf.

[39] Jenčík, J., Vocetka, J. 1967. Měření tepelných veličin v automatizaci. Praha: Nakladatelství technické literatury, 1967. 220 s., 04-509-67.

[40] Kačík, F., Geffert, A., Kačíková, D. 2005. Chémia. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 385 s. ISBN 80-228-13-92-3.

[41] Kačík, F., Giertlová, Z., Marková, I., Osvald, A., Čunderlík, I. 2001. Vplyv horenia na chemické a mikroskopické zmeny smrekového dreva. Vedecké štúdie 2/2001/B. Zvolen : Technická univerzita vo Zvolene, 2001. 85 s. ISBN 80228-1034-7.

[42] Kačík, F., Marková, I., Osvald, A. 1999. The changes of lignin in burning process of spruce wood. In: Cellulose Chemistry and Technology, 33, No. 3-4, 1999. s. 267-275, ISSN: 0576-9787.

[43] Kačík, F. 2004. Chemické, fyzikálno-chemické a štruktúrne zmeny hlavných zložiek dreva pri jeho termickej degradácii. In: 50 rokov Katedry chémie a chemických technológií. Zvolen : Technická univerzita vo Zvolene, 2004. S. 83-113. - ISBN 80228-1352-4.

[44] Kačíková, D. 2006. Vybrané kapitoly z dynamiky požiaru: študijné texty pre voľný ročník študijného programu Hasičské a záchranné služby. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2006. 52 s.

[45] Kačíková, D., Balog. K., Tureková, I., Mitterová, I. 2011. Materiály v protipožiarnej ochrane : Vysokoškolská učebnica. Zvolen : Technická univerzita vo Zvolene, 2011. 367 s. ISBN 978-80-228-2317-3.

[46] Kačíková, D., Majlingová, A., Veľková, V., Zachar, M.: Modelovanie vnútorných požiarov s využitím výsledkov progresívnych metód požiarneho inžinierstva. 1. vyd.

Zvolen : Technická univerzita vo Zvolene, 2017. 147 s. ISBN 978-80-228-3006-5.

[47] Kačíkova, D., Makovická – Osvaldová, L. 2009. Wood burning rate of various tree parts from selected softwoods. Acta Fac Xylologiae. 2009;51:27–32.

[48] Kačíková, D., Netopilová, M., Osvald, A. 2006. Drevo a jeho termická degradácia. Ostrava : SPBI, 2006, 79 s ISBN 80-86634-78-7.

[49] Kačíková, D., Osvald, A., Geffert, A., Krakovský, A., Marková, I., Mračková, E., Orémusová, E., Tereňová, Ľ. 2007. Materiály v protipožiarnej ochrane : vybrané kapitoly pre voľný ročník inžinierskeho ŠP Hasičské a záchranárske služby. Zvolen : Technická univerzita vo Zvolene, 2007. 124 s. ISBN 978-80-228-1725-7.

[50] Kačíková, D. 2007. Vplyv termickej degradácie na chemické zloženie smrekového dreva. In : Teplo - oheň - materiály 2007. 1. medzinárodné sympózium s výstavou [elektronický zdroj] Zvolen : Technická univerzita vo Zvolene, 2007. 10 s. ISBN 97880-228-1719-6.

[51] Kačíková, D. 2007. Zmeny vybraných charakteristík smrekového a smrekovcového dreva po zaťažení sálavým tepelným zdrojom. In : Acta Fac Xylologiae. Zvolen : Technická univerzita vo Zvolene, 2007, Roč. 49, č. 1 (2007), s. 53-59. ISSN 13363824.

[52] Kalousek, J. 1999. Základy fyzikální chemie hoření, výbuchu a hašení. 2. vyd. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství v Ostravě, 1999. 203 s. ISBN 8086111-34-2.

[53] Karlsson, B., Quintiere, J.G. 2000. Enclosure fire dynamics. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-1300-7. 336 s.

[54] Klement, I., Réh, R., Detvaj, J. 2009. Základné charakteristiky lesných drevín. Národné lesnícke centrum. 82 s. ISBN 978-80-8093-112-4. http://www.drevar.hostujem.sk/userfiles/downloads/eknihy/Zakladne_charakteristiky_lesnych_drevin_(NLC).pdf

[55] Kobl, J. 2011. Dřevostavby. Systémy nosných konstrukcí, obvodové plášťe. 2. aktualizované vydanie. Praha : Grada Publishing, 2011. 320 s. ISBN 978-80-247-40713.

[56] Košík, M., Luptáková, V., Reiser, V., Blažej, A. 1976. Thermal Degradation and Flammability of Cellulosics. In: Fire and Materials, 1, 1976. s. 19-23. ISSN: 03080501.

[57] Kupilík, V. 2006. Stavební konstrukce z požárního hlediska. 1. vyd. Praha: Grada Publishing, 2006. 262 s. ISBN 80-247-1329-2.

[58] Ladomerský, J., Dzurenda, L., Samešová, D., Fician, M., Welvard, L. 2000. Energetika a životné prostredie. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2000. 184 s. ISBN 80228-10-9X.

[59] Lawson, J.R. 2009. A History of Fire Testing. NIST Technical Note 1628, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland.

[60] Laouadi A. 2004. Development of a radiant heating and cooling model for building energy simulation software. Building and Environment. 39. 421-431. https://doi: 10.1016/j.buildenv.2003.09.016.

[61] Leonardi SA, Viskanta R, Gore JP. 2003. Radiation and thermal performance measurements of a metal fiber burner. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 73. 491-501. https://doi:10.1016/S0022-4073(01)00201-1.

[62] Lipinskas, D. 2006. Prediction of fire origin location to wood materials charring: Summary of Doctoral Dissertation. Vilnius: Vilnius Gediminas Technical Univerzity, 2006. p. 22.

[63] Lizhong, Y., Yupeng, Z., Yafei, W., Zaifu, G. 2008. Predicting charring rate of woods exposed to time increasing and constant heat fluxes. J Anal Appl Pyrolysis. 2008;81:1–6.

[64] Makovický, P., Osvaldová, L. 2004. Horenie smrekového dreva ovplyvnené retardáciou, In: Požarní ochrana 2004, Ostrava : VŠB-TU Ostrava, 2004, ISBN 8086634-66-3.

[65] Marková, I. 1996. Hlavné a vedľajšie produkty termického spracovania dreva. In: Zborník Požární ochrana 1996, Ostrava : VŠB - TU, 1996. s. 8-10.

[66] Marková, I. 1996. Fyzikálno-chemické zmeny dreva v dôsledku jeho termickej

degradácie. In Wood and Fire Safety. Vysoké Tatry, Zvolen : TU vo Zvolene, 1996. s. 185-198. ISBN 80-228-0493-2.

[67] Martinka, J. 2015. Reakcia materiálov na oheň a zisťovanie príčin vzniku požiarov.

Trnava: Slovenská technická univerzita v Bratislave, Materiálovotechnologická fakulta so sídlom v Trnave, AlumniPress, 104 s. ISBN 978-80-8096-217-3.

[68] Martinka, J., Rantuch, P., Balog, K. 2015. Assessment of the impact of spruce woodparticle size and water content on the ignition temperature of dust clouds. Cellulose chemistry and technology, 49 (5-6) p. 549-558 (2015) ISSN 0576-9787.

[69] Martinka, J., Balog. K. 2014. Požiarne inžinierstvo. Trnava: AlumniPress, 201 s.

[70] Martinka, J., Hroncová, E., Chrebet, T., Balog, K. 2018. The influence of spruce wood heat treatment on its thermal stability and burning process. Eur. J. Wood Prod. (2014)

72: 477. https://doi.org/10.1007/s00107-014-0805-9 Online ISSN 1436-736X.

[71] Martinka, J., Rantuch, P., Liner, M. 2018. Calculation of charring rate and char depth of spruce and pine wood from mass loss. J Therm Anal Calorim 132:1105–1113 (2018) doi.org/10.1007/s10973-018-7039-8.

[72] Masařík, I. Plasty a jejich požární nebezpečí. Ostrava: Edice Spektrum SPBI, 2003, 183 s. ISBN 80-86634-16-7.

[73] Mayes, D., Oksanen, O. 2002. ThermoWood® Handbook. Stora Enso Timber Finnforest. 52 s.

[74] Mitterová, I., Zachar, M., Ružinská, E., Majlingová, A. 2014. Ignitability of Unprotected and Retardant Protected Samples of Spruce Wood. In Environmental and safety aspects of renewable materials and energy sources. Zürich: Trans Tech Publications, 2014. - (Advanced materials research ; Vol. 1001). - ISBN 978-3-03835198-6. - P. 330-335.

[75] Nuopponen, M., Vuorinen, T., Jämsä, S., Viitaniemi, P. 2003. The effect of a heat treatment on the behaviour of extractives in softwood studied by FTIR spectroscopi methods. In: Wood Science and technology, 37, 2003. s. 109 -115, ISSN: 0043-7719.

[76] Osvald, A. 1994. Požiarna bezpečnosť v drevospracujúcom priemysle. 1. vyd. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 1994. 157 s. ISBN 80-228-0449-5.

[77] Osvald, A., Balog, K. 1990. Zmeny vo vlastnostiach smrekového dreva po tepelnom namáhaní : I. Mechanické a fyzikálne vlastnosti. In: Drevo, 45, 1990. s. 103-105. ISSN 0012-6144.

[78] Osvald, A. 1983. Horenie dreva a materiálov na báze dreva. In.: Zborník vedeckých prác. VŠLD vo Zvolene 1983 - 1984. Bratislava : Alfa, 1984, s. 197 – 216.

[79] Osvald, A. 1997. Požiarnotechnické vlastnosti dreva a materiálov na báze dreva (Vedecké štúdie 8/1997/A). Zvolen : Technická univerzita vo Zvolene, 1997. 52 s. ISBN 80-228-0656-0.

[80] Pâques, Luc, E. 2013. Forest Tree Breeding in Europe. Current State-of-the-Art and Perspectives. 2013. ISBN: 978-94-007-6145-2. https://doi.org/10.1007/978-94-0076146-9

[81] Požgaj, A., Kurjatko, S., Babiak, M., Chovanec, D. 1997. Štruktúra a vlastnosti dreva. (Druhé vydanie). Bratislava : Príroda, 1997, 488 s. ISBN 8007-00960-4.

[82] Purser, D. A. 2014. Fire Safety Performance of Flame Retardants Compared with Toxic and Environmental Hazards. In: Polymer Green Flame Retardants, [online]. August 2014, Pages 45-86.

[83] Reinprecht, L. 1996. Procesy degradácie dreva. Zvolen : TU, 1996. 150 s. ISBN 802280518-1.

[84] Reinprecht, L. 1997. Ochrana dreva a kompozitov. Zvolen, Technická univerzita vo Zvolene, 1997, 240 s., ISBN 80-228-0690-0.

[85] Reinprecht, L. 2010. Ochrana drevených stavieb. In: Moderné drevostavby. Bratislava: Antar, spol. s r.o., 2010, s. 111 - 121. ISBN 80-967718-9-2.

[86] Reinprecht, L., Vidholdová, Z. 2011. Termodrevo. Thermowood. Zvolen: Šmíraprint, 2011. 90 s. ISBN 978-80-87427-05-7.

[87] Shi, L., Chew. L.Y.M. 2013. Experimental study of woods under external heat flux by autoignition. In: Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. February 2013, Volume 111, Issue 2, pp 1399–1407.

[88] Schaffer, E. 1977. State of Structural Timber Fire Endurance. In: Wood and Fiber, (2), 9, 1977, s. 145-170, ISSN: 07356161.

[89] Schartel, B., Pawlowski, H.K., Lyon, E.R. 2007. Pyrolysis combustion flow calorimeter: A tool to assess flame retarded PC/ABS materials. In: Thermochimica Acta, Volume 462, Issues 1–2, 15 October 2007, Pages 1-14, https://doi.org/10.1016/S00406031(07)00331-0

[90] Scheiding, W., Kruse, K., Plaschkies, K., and Weib, B. 2005. “Thermally modified wood (TMW) for playground toys: Investigations on 13 industrial manufactured products” The Second European Conference on Wood Modification, 6-7 October, Göttingen, Germany. 2005. s. 12 – 19.

[91] Schéma súčastí kónického kalorimetra. 2019. (www.nist.gov). [20.10.2019]

[92] Schmidt FM, Le Maoult Y, Monteix S. Modelling of infrared heating of thermoplastic sheet used in thermoforming process. Journal of Materials Processing Technology.143. 225-231. https://doi:10.1016/S0924-0136(03)00291-7.

[93] Simms, D. L. 1962. Damage to Cellulosic Solid by Thermal Radiation. In Combustion and Flame. 1962, roč. 6, s. 303 – 318.

[94] Šenovský, M., Balog, K., Prokop, P., Bebčák, P., Bradáčová, I., Netopilová, M., Kvarčák, M. 2004. Základy požárního inženýrství. In Edice SPBI Spektrum 38. Ostrava : VŠB – TU Ostrava, 2004, 178 s. ISBN 80-86634-50-7.

[95] Špilák, D., Tereňová , Ľ., Dúbravská, K., Majlingová, A. 2018. Analysis of Carbonized Layer of Wood Beams with Different Geometric Cross-Section Shape. Scientific Journal FIRE PROTECTION & SAFETY. Scientific Journal 12(2): 65−81, 2018, DOI: 10.17423/delta.2018.12.2.53

[96] Tencer, A. 2019. Prehlaď keramických a Quartz infražiaričov.

http://www.hotset.sk/pdf/Keramicke-infraziarice.pdf [20.10.2019]

[97] Trebula, P., Klement, I. 2002. Sušenie a hydrotermická úprava dreva. Technická univerzita vo Zvolene, - 1. vyd. – Zvolen. 2002. - 449 s. ISBN 80-228-1182-3.

[98] Tureková, I., Balog, K. 2001. Parametre vznietlivosti polyetylénu a aktivačná energia iniciácie procesu horenia. In Vedecké práce Materiálovotechnologickej fakulty

Slovenskej Technickej Univerzity v Bratislave so sídlom v Trnave. Bratislava : STU, 2001. Zv. 11. ISBN 80-227-1648-0. s. 181 – 185.

[99] Vašátko, E. 2006. Stárnutí požárněbezpečnistních zařízení a jejich provozuschopnost II. In Materiály pro stavbu. ISSN 1213-0311, 2006, roč. 12, č. 8, s. 22-24.

[100] Vašátko, E. 2009. Protipožární nátěry ve stavebnictví Protipožiarna ochrana stavieb. SEIDL & spol.,s.r.o., Dostupné na internete

<http://www.seidl.cz/cz/publikace/protipozarni-natery-ve-stavebnictvi-61.html>.

[101] Wang, J., Cooper, P. A. 2007. Fire, flame resistance and thermal properties of oil thermally-treated wood. 10 s. IRG/WP/07-40361.

[102] White RH, Nordheim EV. 1992. Charring rate of wood for ASTM E 119 exposure. In: Fire Technol. 1992; 28:5–30.

[103] White, H.,R., Tran, C., H., 1996. Charring Rate of Wood Exposed to a Constant Heat Flux. In: WOOD & FIRE SAFETY 3rd International Scientific Conference, 175-183 p. ISBN 80-228-0493-2.

[104] Zachar, M. 2009. Vplyv ohrevu na termickú degradáciu vybraných druhov dreva Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2009. - 102 s. (Vedecké štúdie). ISBN 97880-228-2060-8.

[105] Zachar, M. 2018. Zisťovanie príčin požiarov a havárií 1. vyd. - Zvolen : Technická univerzita vo Zvolene, 2018. - 136 s. ISBN 978-80-228-3137-6.

[106] Zachar, M., Mitterová, I., Xu, Q., Majlingová, A., Cong, J., Galla, Š. 2012. Determination of fire and burning properties of spruce wood. In Drvna industrija: znanstveno stručni časopis za pitanja drvne technologije. - ISSN 0012-6772. - Vol. 63, broj 3 (2012), s. 217-223.

[107] Zapletalová, I. 1987. Protipožární a protivýbuchová prevence technologických procesú II. Ostrava : Vysoká škola baňská v Ostravě, 1987. 111 s.

[108] Zapletalová-Bartlová, I., Balog, K. 2000. Analýza nebezpečí a prevence průmyslových havaríí. Ostrava : SPBI, 2000, ISBN 80-86111-07-05, 193 s.

[109] Zhang, L., Li, T., Quyn, D., Dong, L., Qiu, P., Li, CZ. 2015. Formation of nascent char structure during the fast pyrolysis of mallee wood and low-rank coals. In: Fuel 2015;150:486–92.

[110] Weyland W, Weyland A, Hellige G, Fritz U, Neumann H, Martens S, et al. 1994. Efficiency of a new radiant heater for postoperative rewarming. Acta Anaesthesiologica Scandinavica. 1994 Aug;38(6):601-6. https://doi: 10.1111/j.13996576.1994.tb03959.x. PMID: 7976152.

[111] Zákon Národnej rady Slovenskej republiky č. 314/2001 Z. z. o ochrane pred požiarmi, v znení neskorších predpisov.

[112] Zákon Národnej rady Slovenskej republiky č. 124/2006 Z. z. o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci, v znení neskorších predpisov.

[113] Zákon Národnej rady Slovenskej republiky č. 67/2010 Z. z. o podmienkach uvedenia chemických látok a chemických zmesí na trh, v znení neskorších predpisov.

[114] Vyhláška Ministerstva vnútra Slovenskej republiky č. 121/2002 Z. z. o požiarnej prevencii, v znení neskorších predpisov.

[115] Pokyn prezidenta Hasičského a záchranného zboru č. 32/2016 o zisťovaní príčin vzniku požiarov a o štatistickom sledovaní požiarovosti.

[116] STN EN 1995-1-1 + A1 (Eurokód 5) – Navrhovanie drevených konštrukcií (všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy).

[117] STN EN 1995-1-2 (Eurokód 5) – Navrhovanie drevených konštrukcií (všeobecné pravidlá a navrhovanie konštrukcií na účinky požiaru).

[118] STN EN 322:1995-10. Skúšky dosiek z dreva. Metóda zisťovania vlhkosti. 1995.

[119] STN EN 323:1996-07. Dosky z dreva. Zisťovanie hustoty. 1996.

[120] STN EN ISO 11925-2:2010 - Skúšky reakcie na oheň. Zapáliteľnosť stavebných výrobkov vystavených priamemu pôsobeniu plameňového horenia. Časť 2: Skúška jednoplameňovým zdrojom.

[121] NFPA 921:2017. Guide for fire and explosion investigations. Quincy: National Fire Protection Association; 2017.

Zoznam skratiek a značiek

% – Percento

„K“ – Termočlánok typu K

∆m – Rozdiel hmotností (g)

⍺ – Súčiniteľ teplotnej rozťažnosti (K-1)

⍴w – Hustota dreva pri danej vlhkosti (kg∙m-3)

°C

Stupeň Celzia

c – Špecifická tepelná kapacita (J∙g-1∙K-1)

c0 – Špecifická tepelná kapacita dreva pri nulovej vlhkosti (J∙g-1∙K-1)

cH2O – Špecifická tepelná kapacita vody (J∙g-1∙K-1)

cw – Špecifická tepelná kapacita dreva pri danej vlhkosti (J∙g-1∙K-1)

D – Stržeň

d – Hrúbka vrstvy (m)

DL – Stržňový lúč

DSC – Diferenciálna snímacia kalorimetria

∆Τ – Rozdiel teplôt (°C)

DTA – Diferenčná termická analýza

DTG – Derivačná termogravimetria

Ei – Energia iniciácie

g – Gram

J∙cm-2 – Joule na centimeter štvorcový

K – Kambium

kJ – Kilojoule

kPa – Kilopascal

kW∙m-2 – Kilowatt na meter štvorcový

L – Floém (lyko)

λ – Súčiniteľ tepelnej vodivosti (W∙m-1∙K-1)

l0 – Rozmer telesa pri teplote 0 °C (mm)

LEL – Dolná medza výbušnosti (obj∙%)

lT – Tepelná rozťažnosť (mm)

m – Hmotnosť látky (g)

m(τ) – Hmotnosť vzorky v čase (τ) (g)

m(τ0) – Pôvodná hmotnosť vzorky (g)

m.n.m. – Meter nad morom

m0 – Hmotnosť dreva v absolútne suchom stave (kg)

mm – Milimeter

MPa – Megapascal

mw – Hmotnosť dreva pri danej vlhkosti (kg)

mw – Hmotnosť pri danej vlhkosti (kg)

PR – Priečny rez

Q – Množstvo tepla (J)

R – Ročné kruhy

R2 – Rovnica spoľahlivosti

RR – Radiálny rez

S – Suberoderm (korok)

SI – Système international

T – Teplota (°C)

T0 – Termočlánok umiestnený v prostredí

T1

Termočlánok umiestnený v hĺbke 10 mm

T2 – Termočlánok umiestnený v hĺbke 20 mm

T3 – Termočlánok umiestnený v hĺbke 30 mm

T4 – Termočlánok umiestnený v hĺbke 40 mm

TG – Termogravimetria

TR – Tangenciálny rez

ʋ – Rýchlosť odhorievania (%∙s-1)

V

Volt základná jednotka napätia

Vw – Objem pri danej vlhkosti (m3)

W – Vlhkosť dreva (%)

w – Absolútnu vlhkosť dreva (g∙g-1)

x – Tepelný tok pri danom napätí (kw∙m-2)

y – Napätie pri danom tepelnom toku (V)

δ (τ + Δτ)

δ (τ)

Úbytok hmotnosti v čase (τ + Δτ) (%)

Úbytok hmotnosti v čase (τ) (%)

δ (τ) – Úbytok hmotnosti v čase (τ) (%)

Δτ – Časový interval v ktorom sa odčítavajú hmotnosti (s)

ρ0

ρrč

Hustota dreva v absolútne suchom stave (kg∙m-3)

Redukovaná hustota dreva v čerstvom stave (kg∙m-3)

τ – Čas (s)