Fire spread inside the ventilation cavity and along the external wall of timber facades

Abstract

Treverk er blitt gradvis mer populært som byggemateriale i høyhus på grunn av at det er fornybart og har gode estetiske og strukturelle egenskaper. Fasader laget av treverk innebærer risiko for brannspredning langs yttervegg eller gjennom ventilasjonssjakt til de øvre etasjene, slikt det skjedde i Grenfell-brannen i London. Denne tredelte forskningsstudien undersøker brannspredning langs vertikalt orienterte sponplater på vegg og i ventilasjonssjakt i yttervegg.

Del I: Brannspredning og forkulling ble undersøkt langs vertikalt orienterte sponplatevegger utsatt for eksternt ventilerte flammer fra et brannrom. En propanbrenner plassert inne i brannrommet var brannkilden. Energiproduksjonen i brannrommet og varigheten av flammeeksponeringen ble variert og deres innflytelse på flammehøyde, og høyde, volum, areal, tetthet og dybde av forkullingslaget ble kvantifisert. Etter at panelet ble antent, ble flammehøyden observert å øke gradvis, oppnå en maksimumsverdi og deretter avta til høyder som kan sammenlignes med flammehøyden fra før selve sponplaten antente. Økende varighet av flammeeksponering på veggen økte ikke forkullingshøyden, forkullingsarealet eller omfanget av flammespredning mot toppen av prøven, men økte dybden og volumet av forkullingslaget. Økende energiproduksjon i brannrommet økte høyden til det forkullede laget, arealet, dybden og volumet. Det økte også den maksimale og steady-state flammehøyde. Tøffheten til det forkullede materialet ble redusert når eksponeringslengden og energiproduksjonen økte.

Del II: Brannspredning langs ventilasjonssjakt i trefasader ved bruk av parallelle veggplater med én sponplate og én inert vegg ble også undersøkt. En propanlinjebrenner ble brukt som brannkilde. Sjaktens bredde og høyden på sponplaten varierte, og deres innflytelse på flammehøyde, massetap, temperatur langs sjaktens høyde og gasshastighet over sjakten ble kvantifisert. Alle disse størrelsene økte etter hvert som sjaktbredden ble redusert. 3D-skanning ble brukt for å kvantifisere forkullingen på prøveoverflaten. Dybden på forkullingslaget økte når sjaktbredden ble redusert. En påvirkning av sjaktbredden på flammehøyden var tydelig alt fra en bredde på 25 cm. For hulrom med to inerte vegger skjedde dette først ved en sjaktbredde på 10 cm. Når høyden på sponplateveggen ble økt, økte flammehøyden, gasshastigheten, maksimal forkullingsdybde og forkullingsvolumet tilsvarende.

Del III: Til slutt ble eksponeringstiden for en flamme å oppnå antennelse i en ventilasjonssjakt undersøkt. Det ble undersøkt forskjellige sjaktbredder. En sjaktbredde på 3 cm ble funnet å kreve kortest eksponeringstid for å få antennelse. Å redusere sjaktbredden til 2 cm eller øke den til 4 cm resulterte i en liten økning i nødvendig eksponeringstid for å oppnå vedvarende flammer i ventilasjonssjakten.

Timber is gradually becoming popular in high-rise buildings due to its renewability, aesthetic, and structural properties. Facades made of timber cause concern regarding fire spreading along them through the exterior wall or the ventilation cavity to upper floors, similar to the Grenfell Tower fire. Therefore, this three-part research study investigates fire spread along vertically oriented particleboard samples in a single wall and cavity wall orientation.

Part I: Fire spread and charring were investigated along vertically oriented particleboard walls exposed to externally vented flames ejected from a fire compartment. A propane burner placed inside the fire compartment was the fuel source. The heat release rate from the fire compartment and duration of flame exposure were varied and their influence on flame height, char height, volume, area, density and depth of char layer were quantified. After the panel ignited, the flame height was observed to gradually increase, achieving a peak and then decaying to heights comparable to pre-ignition (of the sample) state. Increasing duration of flame exposure on the wall did not increase char height, char area or the extent of flame spread towards the top of the sample, but increased the depth and volume of the char layer. Increasing heat release rates in the compartment increased the char height, area, depth and volume. It also increased the peak and steady-state flame heights. Char density decreased when the duration of exposure and heat-release rate were increased.

Part II: Fire spread along ventilation cavities in timber facades using a parallel wall cavity with one particleboard and one inert wall was also investigated. A propane line burner was used as the fuel source. Cavity width and height of the particleboard were varied, and their influence on flame height, mass loss, temperature along the height of the cavity and gas velocity above the cavity were quantified. All these parameters increased as cavity width was reduced. 3D scans were used to quantify the charring on the sample surface. Char depth increased when cavity width was reduced. An influence of cavity width on flame height was evident from a width of 25 cm. For cavities with two inert walls, this occurred below a cavity width of 10 cm. When the height of the particleboard wall was increased, flame height, gas velocity and maximum char depth and char volume increased accordingly.

Part III: Finally, the threshold gas flame exposure duration necessary for setting up sustained flames on a particleboard cavity wall was estimated for various cavity widths. A cavity width of 3 cm was found to be the most sensitive, requiring the shortest duration of exposure. Reducing the cavity width to 2 cm or increasing it to 4 cm resulted in a slight increase in the required duration of exposure to cause sustained flames on the sample surface.