Väitös rakennustekniikan alalta, DI Aleksi Rinta-Paavola

Väitöskirjan nimi: Pyrolysis and Cracking of Nordic Timbers Under External Heat Exposure

Tohtoriopiskelija: Aleksi Rinta-Paavola
Vastaväittäjä: Prof. Zoubir Acem, Lorrainen yliopisto, Ranska
Kustos: Prof. Simo Hostikka, Aalto-yliopisto, Insinööritieteiden korkeakoulu, Rakennustekniikan laitos

Puuhun rakennusmateriaalina liittyy olennaisesti paloturvallisuusriski, puun ollessa syttyvä materiaali. Toiminnallinen palosuunnittelu, eli paloturvallisuuden tason varmistaminen laskelmien ja analyysin perusteella taulukoitujen arvojen noudattamisen sijasta, on ainoa keino toteuttaa vaativimmat puurakennuskohteet paloturvallisesti.

 Väitöstyön aikana selvitettyjä tutkimuskysymyksiä olivat parametrien määrittäminen mänty-, ja kuusipuutavaran palamista ennustaville materiaalimalleille, hapettumisen merkitys puun palamisessa, ja hiiltyvän pinnan halkeilukäyttäytymisen selvittäminen lämpösäteilylle altistetussa kuusi-, mänty- ja koivupuussa. Työn tarkoituksena on toiminnallisen palosuunnittelun edistäminen kehittämällä materiaalimalli ennustamaan mänty-, ja kuusipuutavaran palamista, ja keräämällä kokeellinen aineisto hiiltyvän puun pinnan halkeilusta auttamaan myöhempää materiaalimallikehitystä, jossa myös halkeilun vaikutus palamiseen otetaan huomioon. Materiaalimalleja voidaan hyödyntää puurakenteiden paloteknisessä suunnittelussa. 

Sekä mänty-, että kuusipuutavaralle kehitettiin kummallekin kaksi erillistä materiaalimallia: puun yhdeksi homogeeniseksi komponentiksi olettava yhden reaktion malli, ja rinnakkaisten reaktioiden malli, jossa jokaisen puun pääkomponentin (hemiselluloosa, selluloosa, ligniini) pyrolyysiä tarkkaillaan erillisenä reaktiona. Kummallakin puulajilla yhden reaktion malli tarjoaa yhtäläisen sopivuuden koetuloksiin kartiokalorimetrissä kuin monimutkaisempi rinnakkaisten reaktioiden malli, mutta ilman siihen liittyvää suurempaa mallin epävarmuutta. Yhden reaktion malli osoittautui siis suositeltavaksi valinnaksi puutavaran palomallinnuksessa. Mallin validointi suuren mittakaavan palotesteillä osoitti, että hiiltymän etenemisnopeus on herkkä ympäröivälle happipitoisuudelle, ja että hapettumisen huomiointi on tärkeää palon leviämisen oikeellisen ennustamisen kannalta. Vastoin odotuksia, hiiltyvän puun pinnan halkeilun tutkimus infrapunakameralla ei osoittanut johdonmukaisesti kasvavaa halkeamien lukumäärää ulkoisen lämpövirrantiheuden funktiona. Kokeellisia havaintoja halkeilusta verrattiin olemassaolevan termomekaanisen halkeilumallin analyyttisen muodon ennusteisiin. Malli kykeni ennustamaan halkeamien lukumäärän oikeassa suuruusluokassa, kykenemättä tarkkaan ennusteeseen. Lopullinen johtopäätös termomekaanisen mallin oikeellisuudesta vaatii sen numeerista ratkaisua yksityiskohtaisessa kolmiulotteisessa muodossaan.

Avainsanat: Toiminnallinen palosuunnittelu, puutavara, hiiltyminen, pyrolyysi, halkeilu

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

 Yhteystiedot: Aleksi Rinta-Paavola, [email protected], puh: +358400727264

Insinööritieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/49