Reliability of Mass Timber Buildings in Fire: A performance-based design method and its application to office buildings

लकड़ी आधुनिक शहरों के क्षितिज (स्काईलाइन) में एक शांत लेकिन शक्तिशाली वापसी कर रही है। दशकों तक, निर्माण उद्योग ने स्टील और कंक्रीट को प्राथमिकता दी, जो ऐसी सामग्रियां हैं जो जलती नहीं हैं, जबकि लकड़ी को छोटे ढांचों तक ही सीमित रखा गया था। हालाँकि, आज इंजीनियर तेजी से 'मास टिम्बर' (mass timber) की ओर रुख कर रहे हैं, जो कि ठोस लकड़ी के पैनलों की परतों से बनी एक ऐसी सामग्री है जिससे बीम और दीवारें बनाई जाती हैं, जो ऊंची इमारतों का भार उठाने के लिए पर्याप्त मजबूत होती हैं। यह बदलाव निर्माण के कार्बन फुटप्रिंट को कम करने की इच्छा से प्रेरित है, क्योंकि लकड़ी उत्पादन के दौरान उत्सर्जन करने के बजाय कार्बन को संचित करती है। फिर भी, एक मौलिक प्रश्न बना हुआ है: यदि लकड़ी से बनी इमारत में आग लग जाए, तो वह कैसा व्यवहार करेगी? स्टील के विपरीत, जो गर्म होने पर कमजोर हो जाता है, लकड़ी एक अनुमानित तरीके से जलती है, जिससे इसकी सतह पर एक झुलसी हुई परत (charred layer) बन जाती है जो आंतरिक भाग को सुरक्षित रख सकती है और संरचना को लंबे समय तक खड़ा रहने में मदद कर सकती है। सुरक्षा नियामकों के लिए चुनौती यह निर्धारित करना है कि कमरे के अंदर की हवा के संपर्क में कितनी लकड़ी को बिना लोगों की सुरक्षा या आसपास की इमारतों को खतरे में डाले छोड़ा जा सकता है।

फ्रांस, कनाडा और स्वीडन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन टिम्बर संरचनाओं के लिए अग्नि सुरक्षा की गणना करने का एक नया तरीका विकसित करके इस प्रश्न को हल किया है। कठोर, 'एक ही नियम सबके लिए' (one-size-fits-all) वाले नियमों पर निर्भर रहने के बजाय, जो अक्सर सभी लकड़ी को अग्नि-प्रतिरोधी प्लास्टर से ढकने की आवश्यकता रखते हैं, उन्होंने हजारों अलग-अलग अग्नि परिदृश्यों को मॉडल करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने आग को केवल एक एकल घटना के रूप में नहीं, बल्कि एक यादृच्छिक घटना के रूप में माना जो कई चरों (variables) पर निर्भर करती है: कमरे में कितना फर्नीचर और कागज है, खिड़कियां कितनी बड़ी हैं, अग्निशमन दल कितनी जल्दी पहुंचता है, और कितनी लकड़ी को बिना ढके छोड़ा गया है बनाम कितनी ढकी हुई है। इन सिमुलेशन को बार-बार चलाकर, वे सांख्यिकीय संभावना की गणना कर सके कि एक इमारत बिना ढहे या बाहर की लपटों को फैलाए आग में जीवित रहेगी या नहीं। उनका काम विशेष रूप से कार्यालय भवनों पर केंद्रित है, जो एक ऐसा सामान्य प्रकार (typology) है जहाँ सुरक्षा और उजागर लकड़ी के सौंदर्य के बीच संतुलन सबसे अधिक बहस का विषय है।

शोधकर्ताओं ने एक डिजिटल टूल बनाया जो कमरे में आग के भौतिक विज्ञान (physics) की नकल करता है। उन्होंने इस बात को स्वीकार करते हुए शुरुआत की कि आग अप्रत्याशित होती है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने ईंधन की मात्रा, कमरे के आकार और अग्निशमन दल के पहुंचने के समय में बदलाव किया। उन्होंने मास टिम्बर के अनूठे व्यवहार को भी ध्यान में रखा। जब लकड़ी जलती है, तो वह चार (char) बनाती है, और यह चार की परत एक ढाल के रूप में कार्य करती है। हालाँकि, यदि लकड़ी को जिप्सम जैसी सुरक्षात्मक बोर्डों से ढका गया है, तो वह सुरक्षा विफल हो सकती है यदि गर्मी के कारण बोर्ड गिर जाते हैं। टीम का मॉडल इसे सावधानीपूर्वक ट्रैक करता है, यह गणना करता है कि सुरक्षात्मक परत कब विफल हो सकती है और फिर उजागर लकड़ी आग की तीव्रता में कितना योगदान देगी। उन्होंने स्प्रिंकलर की भूमिका को भी शामिल किया, जो आग को बहुत बड़ा होने से पहले नियंत्रित कर सकते हैं, और अग्निशमन दल के कार्यों को भी, जिनकी आग बुझाने की क्षमता आग के गर्म और तीव्र होने के साथ घटती जाती है।

अपने तरीके का परीक्षण करने के लिए, टीम ने इसे एक मानक कार्यालय कक्ष (office compartment) पर लागू किया। उन्होंने प्रत्येक परिदृश्य के लिए 15,000 अलग-अलग सिमुलेशन चलाए, जो प्रभावी रूप से कंप्यूटर से यह कल्पना करने को कहा कि इमारत के जीवनकाल के दौरान उस कमरे में 15,000 अलग-अलग आग लगने की घटनाएं होंगी। उन्होंने एक सख्त सुरक्षा लक्ष्य निर्धारित किया: इमारत के विफल होने की संभावना सार्वजनिक सुरक्षा के लिए स्वीकार्य माने जाने वाले एक विशिष्ट सीमा से कम होनी चाहिए। यह सीमा यूरोप में उन इमारतों के लिए उपयोग किए जाने वाले सुरक्षा स्तर के अनुरूप है जहाँ लोग एकत्र होते हैं। उन्होंने अग्नि प्रतिरोध के तीन अलग-अलग स्तरों का परीक्षण किया, जो यह दर्शाते हैं कि इमारत को आग के दौरान कितनी देर तक खड़ा रहने की आवश्यकता है: 60 मिनट, 90 मिनट और 120 मिनट। प्रत्येक स्तर के लिए, उन्होंने बिना ढकी हुई लकड़ी की विभिन्न मात्राओं का परीक्षण किया, जो दीवार की सतह का 30 प्रतिशत से 90 प्रतिशत तक थी, स्प्रिंकलर के साथ और बिना स्प्रिंकलर के।

परिणामों ने डिजाइनरों के लिए एक स्पष्ट मार्ग दिखाया। उन इमारतों के लिए जिन्हें 60 मिनट का अग्नि प्रतिरोध आवश्यक है, सिमुलेशन ने दिखाया कि दीवार की सतह का 30 प्रतिशत हिस्सा उजागर छोड़ना सुरक्षित था, भले ही स्प्रिंकलर न हों। यदि स्प्रिंकलर जोड़े जाते, तो यह प्रतिशत बढ़ाकर 60 प्रतिशत किया जा सकता था। 90 मिनट के प्रतिरोध की आवश्यकता वाली इमारतों के लिए, उजागर लकड़ी की सुरक्षित सीमा बिना स्प्रिंकलर के 60 प्रतिशत और स्प्रिंकलर के साथ 75 प्रतिशत थी। सबसे जटिल मामला 120 मिनट की आवश्यकता वाला था, जो बहुत ऊंची इमारतों के लिए विशिष्ट है। यहाँ, शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि स्प्रिंकलर मौजूद थे, तो दीवार की सतह का 75 प्रतिशत हिस्सा उजागर छोड़ना सुरक्षित था। बिना स्प्रler के, इमारत के बाहर आग फैलने का जोखिम चिंता का विषय था, लेकिन स्प्रिंकलर के साथ, प्रणाली सुरक्षा लक्ष्यों को बनाए रखती है।

अध्ययन का एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह था कि पड़ोसी इमारतों या इमारत के किनारे तक आग फैलने का जोखिम आम तौर पर कम था, बशर्ते उजागर लकड़ी की मात्रा इन गणना की गई सीमाओं के भीतर रहे। ऊंची इमारतों के सिमुलेशन में, खिड़कियों से निकलने वाली ऊष्मा कभी-कभी पास की संरचनाओं को प्रज्वलित करने के स्तर तक पहुँच गई, लेकिन यह केवल उन अत्यधिक, दुर्लभ परिदृश्यों में हुआ जहाँ आग असाधारण रूप से बड़ी थी और स्प्रिंकलर इसे नियंत्रित करने में विफल रहे। जब शोधकर्ताओं ने दूरी को ऊंची इमारतों के लिए अधिक यथार्थवादी 15 मीटर तक समायोजित किया, तो जोखिम स्वीकार्य स्तर तक गिर गया। यह सुझाव देता है कि वर्तमान सख्त नियम, जो अक्सर मांग करते हैं कि सभी लकड़ी को ढका जाना चाहिए, आवश्यकता से अधिक रूढ़िवादी हो सकते हैं। अध्ययन इंगित करता है कि स्प्रिंकलर के सही संयोजन और उजागर लकड़ी की गणना की गई मात्रा के साथ, ऊंची टिम्बर इमारतें पारंपरिक संरचनाओं के समान उच्च सुरक्षा मानकों को पूरा कर सकती हैं।

शोधकर्ताओं ने सावधानीपूर्वक उल्लेख किया कि उनका कार्य कंप्यूटर मॉडल पर आधारित है, न कि हर एक परिदृश्य में भौतिक अग्नि परीक्षणों पर। उन्होंने अपने टूल को दुनिया भर में किए गए 54 वास्तविक दुनिया के अग्नि प्रयोगों के विरुद्ध मान्य (validate) किया, और कंप्यूटर भविष्यवाणियां वास्तविक दुनिया के परिणामों से निकटता से मेल खाती थीं, जो अक्सर सावधानी बरतते हुए अधिक सतर्क परिणाम देती थीं। इससे उनके परिणामों में विश्वास पैदा होता है, लेकिन उन्होंने भविष्य के सुधार के लिए क्षेत्रों की भी पहचान की। उदाहरण के लिए, उन्होंने नोट किया कि सुरक्षात्मक बोर्डों के व्यवहार और आग के ठंडा होने के चरण के दौरान लकड़ी के माध्यम से गर्मी कैसे चलती है, इसका और अधिक सटीक रूप से मॉडल किया जा सकता है। उन्होंने यह भी सुझाव दिया कि भविष्य के नियमों में हवा की गति और इमारत के भीतर आग के विशिष्ट स्थान जैसे कारकों पर विचार किया जाना चाहिए, जो यह प्रभावित कर सकते हैं कि अग्निशमन दल कितनी जल्दी हस्तक्षेप कर सकता है।

अंततः, यह अध्ययन लकड़ी के साथ निर्माण के लिए एक अधिक लचीले दृष्टिकोण के लिए एक वैज्ञानिक आधार प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि सुरक्षा के लिए सामग्री को छिपाना आवश्यक नहीं है; बल्कि, यह समझने की आवश्यकता है कि सामग्री तनाव के तहत कैसे व्यवहार करती है। संभाव्यता विधियों (probabilistic methods) का उपयोग करके, इंजीनियर अब उन सुंदर, टिकाऊ लकड़ी को उजागर करने वाली इमारतों को डिजाइन कर सकते हैं जो यह गारंटी भी देती हैं कि संरचना विफल नहीं होगी और आग नहीं फैलेगी। कार्य बताता है कि कार्यालय भवनों के लिए, लकड़ी की दीवारों और छतों के एक बड़े हिस्से को उजागर छोड़ना संभव है, जब तक कि स्प्रिंकलर जैसे सक्रिय सुरक्षा उपाय मौजूद हों और डिजाइन इस नए तरीके द्वारा गणना की गई विशिष्ट सीमाओं का पालन करता हो। यह वास्तुकारों के लिए ऐसे स्थान बनाने का द्वार खोलता है जो अधिक गर्म और प्राकृतिक महसूस होते हैं, बिना उन कठोर सुरक्षा मानकों से समझौता किए जो जनता की रक्षा करते हैं।