Tại sao kính cửa sổ thường vỡ khi xảy ra hỏa hoạn?

Chúng ta có thể đã thấy trong các vụ hỏa hoạn, kính ô cửa sổ thưởng tự nhiên phát nổ sau một khoảng thời gian cháy. Vậy nguyên nhân gì dẫn tới hiện tượng này và có cách nào đó khắc phục hay không?

Kính vỡ do hỏa hoạn là một hiện tượng rất thường gặp trong đời sống nhưng ít ai hiểu nguyên nhân nào khiến nhiệt độ cao trong phòng kín có thể làm vỡ ô cửa kính, thậm chí dù đó là kính cường lực có thể chống chịu được nhiệt độ cao. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng đi tìm hiểu nguyên nhân khiến cho kính bị vỡ khi có hỏa hoạn.

Nguyên nhân kính vỡ khi hỏa hoạn

Cửa sổ thường ít có khả năng chống cháy hơn so với tường.

Các khe hở hoặc cửa sổ trên tường của căn phòng đang cháy đóng vai trò quan trọng trong việc lan truyền lửa. Cửa sổ thường ít có khả năng chống cháy hơn so với tường. Khi đám cháy bốc lên, nhiệt độ bên trong phòng sẽ tăng lên. Việc vỡ các tấm kính xảy ra do sự phát nhiệt không đồng đều tác động lên các ô cửa.

Thực tế, ô kính không chịu nhiệt đều từ đám cháy. Khu vực kính chịu nhiệt nhiều nhất là khu vực trung tâm. Kết quả là phần ngăn các ô kính trở nên nóng hơn phần còn lại. Do đó, các sóng nhiệt từ ngọn lửa tạo ra một "gradient nhiệt độ" trên chiều phẳng của khung cửa. Gradient nhiệt độ là đại lượng vật lý mô tả hướng có tốc độ thay đổi nhiệt độ nhanh nhất, ở xung quanh một vị trí, và độ lớn của mức độ thay đổi nhiệt độ nhanh nhất này. Các vùng của ô kính trải qua quá trình bị đốt nóng khác nhau, dẫn tới nhiệt độ phân bổ không đồng đều.

Có nhiều yếu tố khác nhau dẫn đến "sự gia nhiệt không đồng đều" của thủy tinh.

Cửa sổ kính được lắp trong khung và độ dày của khung lớn hơn so với ô kính. Trong một đám cháy, có một luồng nhiệt mạnh đột ngột tác động vào một mặt của tấm kính. Kết quả là, có một gradient nhiệt hình thành và tác động lên toàn bộ khung cửa. Nhiệt độ phòng tăng lên nhanh chóng do ngọn lửa sẽ tạo ra tình trạng "sốc nhiệt" còn gradient nhiệt độ hình thành được gọi là "ứng suất nhiệt". Ứng suất nhiệt làm cho tấm ngăn các ô cửa kính bị vỡ.

Độ dày của khung cửa lớn hơn độ dày của ô cửa kính. Trong khi cháy, ứng suất nhiệt tập trung vào vùng trung tâm của tấm kính và ngọn lửa truyền nhiệt dưới dạng bức xạ lên tấm kính. Các cạnh/vành được che chắn khỏi bức xạ nhiệt và nhiệt đối lưu trong khi đó, các cạnh không được tiếp nhận năng lượng/nhiệt truyền từ khung thông qua ô cửa kính.

Thực tế, ô kính không chịu nhiệt đều từ đám cháy.

Kết quả là, nhiệt tập trung vào vùng trung tâm của thủy tinh làm cho nó nở ra. Trong khi các cạnh của khung ô cửa tương đối mát, điều này gây ra ứng suất vật liệu. Và gradient nhiệt chuyển dịch chính là nguyên nhân gây ra sự cố vỡ kính.

Trong trường hợp ô cửa kính và khung cửa bị đốt nóng đồng đều, hoặc khi cửa sổ kính chịu tải nhiệt đồng đều, các mặt/ô kính sẽ mát hơn. Điều này là do nhiệt từ các mặt sẽ tản vào khung cửa sổ dày hơn, làm cho các mặt kính mát hơn.

Sự nứt vỡ của kính xảy ra trước khi vỡ. Các vết nứt bắt nguồn từ các mặt của kính được gắn trong khung. Thời gian từ khi kính vỡ lần đầu tiên đến khi vỡ hoàn toàn phụ thuộc vào loại kính và tính chất của ngọn lửa.

Các yếu tố ảnh hưởng tới hiện tượng vỡ kính

Không phải tất cả các cửa sổ kính đều vỡ ở cùng một nhiệt độ. Các loại kính khác nhau có khả năng chịu nhiệt khác nhau.

(1) Độ dày của ô kính

Độ dày của kính là một yếu tố chính ảnh hưởng đến việc kính bị vỡ. Một số thí nghiệm đã được tiến hành để tìm hiểu mối quan hệ giữa độ dày của thủy tinh và ứng suất nhiệt. Các quan sát sau đã được thực hiện.

Thử nghiệm trên các độ dày kính khác nhau và mức nhiệt độ có thể làm vỡ kính.

(2) Loại kính

Loại kính trong bối cảnh cũng tạo ra sự khác biệt.

Kính tấm được sử dụng trong các tòa nhà thương mại đã được thử nghiệm về khả năng chịu nhiệt. Tấm kính dày 6 mm bị vỡ khi tiếp xúc với thông lượng nhiệt 23 kW m2. Thời gian để nó vỡ tan là 7 phút.

Thông thường sau một hồi bị nứt, kính sẽ vỡ tan. Tuy nhiên, vết nứt ban đầu rất khó nhận ra và thường xảy ra cho đến khi kính tiếp xúc với nhiệt độ rất cao. Kính cường lực dày 6 mm cần nhiệt độ khoảng 330–380ºC để nứt, trong khi đối với kính dày 10 mm, nhiệt độ cần lên tới khoảng 470–590ºC.

Kính nhựa được sử dụng trong các phương tiện giao thông và các tòa nhà trường học cần một luồng nhiệt 26 kW m2 để tạo ra nứt.

(3) Loại khung

Vật liệu làm khung cửa sổ cũng ảnh hưởng đáng kể đến việc kính bị vỡ do hỏa hoạn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cửa sổ khung nhựa vinyl không chống chọi được với những hư hỏng sớm. Khung bị hư hỏng khi thông lượng nhiệt tăng lên trong khoảng 8 đến 16 kW m-2.

Các nghiên cứu sâu hơn cho thấy kính trong cửa sổ khung nhôm sống sót sau hỏa hoạn tốt hơn cửa sổ khung gỗ truyền thống.

Ngoài các khía cạnh đã đề cập ở trên, các yếu tố như kích thước cửa sổ, lỗ thông hơi nhiệt, lớp phủ kính, kiểu che nắng, khuyết tật kính và độ dốc nhiệt độ phẳng cũng được biết là ảnh hưởng đến sự vỡ kính do hỏa hoạn. Những yếu tố này vẫn đang được nghiên cứu và phân tích.

Tại sao cần nghiên cứu khả năng chịu nhiệt của thủy tinh?

Việc vỡ kính trong các vụ cháy là một vấn đề nghiêm trọng vì cửa sổ đóng vai trò là chướng ngại vật trước khi vỡ và như lỗ thông hơi hoặc lỗ mở sau khi vỡ.

Kính vỡ và khả năng chống vỡ của nó đang được các nhà mô hình hỏa hoạn quan tâm.

Khoa học về lửa rất quan trọng trong cơ học đứt gãy. Nó cũng được ứng dụng vào các lĩnh vực như chế tạo máy và kỹ thuật dân dụng. Để ứng dụng các mô hình đám cháy, các lỗ thông hơi và lỗ thông gió phải được khảo sát.

Do đó, kính vỡ và khả năng chống vỡ của nó đang được các nhà mô hình hỏa hoạn quan tâm. Kiến thức về lối thoát hiểm, lỗ thông hơi và cửa sổ của đám cháy là rất cần thiết để ngăn ngừa rủi ro.

Ngay cả khi nói đến ôtô, độ bền của kính được sử dụng cũng được phân tích cẩn thận. Những bối cảnh như vậy và nhiều bối cảnh khác đã dẫn đến một số thí nghiệm lý thuyết, thực nghiệm và thực tế để nghiên cứu khả năng chống cháy của thủy tinh.