Mathematical and experimental modelling of a fire-proof barrier

Abstract

Year after year, Portugal faces wild fire seasons with devastating consequences. Besides burning thousands of hectares of forest, wildfires lead to destruction of structures and the loss of human lives. Many studies reveal that this natural catastrophe is an increasing threat. Consequently, it is imperative to develop more effective solutions to protect people and structures, such as the fire-proof barrier that was the subject of this thesis. The focus of this work was the thermal behaviour of a fibreglass barrier with aluminium coating while being exposed to an heat source that changes intensity with time.Initially, the state-of-the-art for fire-proof barrier models was studied. However, none of the analyzed models was applicable to this barrier. Many of the already existing models are only applicable in barriers with high thermal conductivity (metallic barriers) whose temperature is only a function of time. Due to the lack of an already existing model for this case, a new approximate analytical model was developed. The accuracy of said model was then evaluated by comparing the model's predictions against laboratory experiments using a convective heat source. The experimental results showed a good proximity between the measured values and the model predictions. In the future, this model must be improved in order to include water cooling systems that were not considered in this work. That will allow the optimization of water consumption while conserving the barrier's integrity throughout the exposure to an high intensity heat source.

Ano após ano, Portugal enfrenta épocas de incêndios florestais com consequências devastadoras. Para além de queimarem milhares de hectares de floresta, os fogos florestais levam à destruição de estruturas e à perda de vidas humanas. Muitos estudos revelam que esta catástrofe natural é uma ameaça crescente. Logo, torna-se imperativo desenvolver soluções mais eficazes para a proteção de pessoas e estruturas, como a barreira anti-fogo que será estudada nesta tese. Este trabalho teve como foco o comportamento térmico de uma barreira de fibra de vidro revestida com alumínio quando exposta a uma fonte de calor que varia com o tempo.Inicialmente foi feito um estudo do estado de arte de modelos térmicos para barreiras anti-fogo. Contudo, nenhum dos modelos analisados se revelou aplicável à barreira em estudo. Muitos modelos só são aplicáveis a barreiras com elevada condutibilidade térmica (barreiras metálicas) em que se considera que a temperatura apenas varia com o tempo.Face a esta necessidade foi desenvolvido um novo modelo analítico aproximado aplicável na situação em estudo. A precisão do modelo foi depois avaliada comparando as suas previsões com experiências laboratoriais utilizando uma fonte de calor convectiva. Os resultados das experiências mostraram uma boa proximidade entre os valores medidos e as previsões do modelo. No futuro este modelo deve ser melhorado para incluir sistemas de arrefecimento a água que não foram considerados no presente trabalho. Isso permitirá otimizar o consumo de água enquanto se conserva a integridade da barreira ao longo de toda a exposição a uma fonte de calor de elevada intensidade.