پنجمین همایش فناوری‌های نوین صنعت ساختمان

معرفی و طراحی سامانه‌های کنترل دود و ابزارهای مدیریت دود در ساختمان (2)

مدرس: عباس شاملو

16 و 17 اسفندماه 1397

دود، عامل اصلی بروز تلفات در حوادث حریق

بر اساس آمارها 70 درصد تلفات ناشی از حریق در ساختمان‌ها در اثر استشمام دود و محصولات احتراق است.   Berl and Halpin (1980)   Harland and Woolley (1979)   دود از فضای حریق به سرعت به سایر فضاها و طبقات حرکت کرده و ایمنی انسان‌ها را تهدید می‌کند.   اسپرینکلرها لازم هستند، ولی کافی نیستند!!!   بر اساس مطالعات نرخ شکست در اسپرینکلرها حدود 10 درصد است.   Koffel’s Study (2005)   Hall’s Study (2006 & 2011)

اهداف کنترل دود

بر اساس IBC 909.1 هدف سامانه کنترل دود حفظ شرایط ایمنی به منظور تخلیه ساکنین به بیرون و یا حرکت آنها به یک پناهگاه امن است.   کنترل و محدودسازی حرکت دود بین فضای حریق و سایر فضاها   بهبود شرایط به منظور انجام عملیات توسط آتش‌نشانان   کاهش خسارات وارد آمده به ساختمان و سرمایه افراد   کمک به فرآیند پاکسازی دود پس از اتمام حادثه حریق

سامانه‌های کنترل دود

سامانه‌های ایجاد فشار مثبت  سامانه‌های فشار مثبت شفت راه‌پله سامانه‌های فشار مثبت چاله آسانسور سامانه‌های کنترل دود ناحیه‌ای سامانه‌های ایجاد فشار مثبت در لابی و فضای امن سامانه‌های مدیریت دود در آتریوم‌ها اگزاست دود از آتریوم تخلیه طبیعی دود تجمع طبیعی دود

دو رویکرد کلی در سامانه‌ها

رویکرد سامانه‌های معمول: هدف آنها دور نگه‌داشتن دود از ساکنین در طول فرآیند تخلیه   همواره ممکن است ساکنین در معرض مقادیری از دود قرار گیرند اما هدف این است که مقدار آن ناچیز باشد.

رویکرد سامانه‌های حفظ شرایط ایمن: هدف این سامانه‌ها حفظ شرایط ایمنی ساکنین در طول فرآیند تخلیه است.

منظور از شرایط ایمن (Tenable Environment) مقادیری از دود و حرارت است که برای ساکنین مخاطره‌آمیز نباشد.   این سامانه‌ها به دقت بایستی مورد ارزیابی و تحلیل قرار گرفته و از حفظ شرایط ایمنی توسط آنها اطمینان حاصل نمود.

رویکرد سامانه‌های حفظ شرایط ایمن

در طراحی این سامانه‌ها به ارزیابی مخاطرات ایمنی پرداخته می‌شود.   قرار گرفتن در معرض گازهای سمی قرار گرفتن در معرض حرارت قرار گرفتن در معرض حرارت تشعشعی کاهش میدان دید (تهدید غیرمستیم که سبب طولانی شدن زمان قرار گرفتن افراد در معرض دود و سقوط آنها می‌شود.)

مکانیزم‌های فیزیکی کنترل دود

جداسازی فضاها (موانع دود، پرده‌های دود و …)   رقیق‌سازی دود   ایجاد فشار مثبت   ایجاد جریان هوا   نیروی شناوری

راهکارهای کنترل دود غیرعامل

هدف اصلی در راهکارهای غیرعامل، جداسازی فضاهاست. (موانع دود، پرده‌های دود و …)   برای استفاده از این راهکارها روشهای تجویزی محدودی در استانداردهای ذکر شده است و بایستی به صورت عملکرد محور و به منظور حفظ شرایط ایمنی افراد طراحی شوند.

  ارزیابی عملکرد این راهکارها معمولاً با استفاده از شبیه‌سازی‌های عددی (CFD) و مدلسازی تخلیه ساکنین انجام می‌شود.

شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

طراحی و تحلیل‌های سامانه کنترل دود

به منظور تعیین نحوه عملکرد سامانه کنترل دود در شرایط بروز حریق یا حریق‌های طراحی، بایستی به تحلیل آن پرداخت. روش‌های طراحی و تحلیل سامانه‌های کنترل دود عبارتند از:  روش سرانگشتی روش استفاده از روابط جبری  استفاده از مدل‌های شبکه‌ای و چندناحیه‌ای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) انجام آزمایش در ابعاد مقیاسی یا واقعی

استفاده از CFD در تحلیل سامانه‌های کنترل دود

این روش ابزاری توانمند در تحلیل شرایط ایمنی افراد است.  CFD در واقع ابزاری برای ارزیابی سامانه کنترل دود طراحی‌شده است.   رویکرد اصلی، تقسیم هندسه محاسباتی به تعداد زیادی سلول کوچک و تحلیل روابط حاکم بر جریان سیال برای هر یک از سلول‌ها است. به حجم محاسبات بالا و روزها کار کامپیوترهای با توان پردازش بالا نیاز دارد. اغلب به منظور ارزیابی سامانه‌های حفظ شرایط ایمنی استفاده می‌شود.

روابط حاکم

بقای جرم  بقای مومنتوم در جهات مختلف محور مختصات بقای انرژی  بقای آلاینده‌ها کلیه روابط فوق، معادلات دیفرانسیل جزئی غیرخطی هستند.

رابطه مومنتوم در جهت x

شبیه‌ساز دینامیک حریق (FDS)

این مدل بر اساس کد فرترن و توسط NIST توسعه یافته است. FDS دارای ویژگی‌هایی است که در محاسبات شرایط ایمنی کمک می‌کنند. این مدل مختص شبیه‌سازی مباحث مرتبط با حریق و دود توسعه یافته و از این رو در کاربردهای فوق توانمند و سریع است.   این مدل توانایی شبیه‌سازی جریان‌های ناشی از حریق را با جزئیات واقعی جریان‌های گردابه‌ای و اِدی‌ها دارد. راستی‌آزمای و اعتبارسنجی در خصوص مدل FDS بیش از هر مدل CFD دیگری در این حوزه انجام شده است.

  شبیه‌سازی اغتشاشات با استفاده از مدل LES و DNS انجام می‌شود. مواد سوختنی می‌توانند جامد، مایع و یا گاز باشند. می‌توان نرخ حرارت آزاد شده از حریق را پیش از شبیه‌سازی تعریف کرد. حریق‌ها می‌توانند منتشر شده و رشد پیدا کنند.   به منظور تحلیل سامانه‌های کنترل دود آتریوم معمولاً از مشعل‌های گازی با نرخ حرارت آزاد شده مشخص استفاده می‌شود.

مدلسازی فضا در شبیه‌ساز دینامیک حریق (FDS)

در FDS حوزه محاسباتی از یک یا چند شبکه محاسباتی تشکیل شده است.  مواد سوختنی می‌توانند جامد، مایع و یا گاز باشند. شبکه محاسباتی یک متساوی‌السطوح به شکل یک جعبه مستطیلی است. سلول‌های داخل شبکه محاسباتی نیز به شکل مستطیلی هستند. اجسام نازک مانند دیوارهای شیشه‌ای را نیز می‌توان به صورت اجسام دوبعدی شبیه‌سازی نمود.

 به دلیل اینکه سلول‌های شبکه محاسباتی به شکل مکعب هستند، FDS سطوح مورب و منحنی را به صورت تخمینی در نظر می‌گیرد.

دقت نتایج شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی

استفاده از CFD در کنترل دود آتریوم

در روش روابط جبری، از ناحیه گذار بین لایه دود و لایه عاری از دود صرف نظر می‌شود و در نتیجه در ناحیه گذار ممکن است ساکنین در معرض دود قرار گیرند.   با استفاده از CFD می‌توان تماس پلوم دود با دیوارها و تأثیر آنها بر عملکرد سامانه کنترل دود را به صورت واقع‌گرایانه شبیه‌سازی نمود.   با استفاده از CFD می‌توان تأثیر سرعت هوای جبرانی بر نحوه شکل گیری پلوم دود را شبیه‌سازی کرد.   مدلسازی CFD توانایی شبیه‌سازی واقع‌گرایانه پلاگ‌هولینگ را دارد. تمامی هندسه‌ها و اشکال مختلف بالکن را می‌توان شبیه‌سازی نمود. توانایی شبیه‌سازی اثرات وزش باد بر سامانه‌های کنترل دود را دارد.

استفاده از CFD در سامانه‌های تهویه راه‌پله

ایده کلی این سامانه‌ها، رقیق‌سازی محصولات احتراق جهت حفظ شرایط ایمنی در محیط راه‌پله است. این رویکرد پتانسیل خوبی در حفاظت راه‌پله‌های ساختمان‌های بلند مرتبه و پیچیده در مقابل دود دارد. به واسطه داشتن مقادیر دود نسبتاً غلیظ به صورت موضعی، امکان تحلیل با استفاده از مدل‌سازی شبکه‌ای لزوماً وجود ندارد.

استفاده از FDS در تحلیل حریق یک سالن سینما

استفاده از FDS در تحلیل حریق یک سالن سینما

استفاده از FDS در تحلیل حریق یک آتریوم

تحلیل و شبیه‌سازی تخلیه نفرات

بر اساس IBC 2015, 909.4.7 سامانه کنترل دود بایستی به مدت 20 دقیقه و یا 1/5 برابر مدت زمان خروج ساکنین عملکرد مناسب داشته باشد. (هر کدام که بیشتر بود)   بنابراین نیاز به شبیه‌سازی دقیق تخلیه نفرات وجود دارد. روش‌های مختلف شبیه‌سازی تخلیه نفرات:   استفاده از روابط جبری (سرعت، چگالی، جریان مخصوص، دبی جریان و …)   مدل ساده‌سازی شده   تحلیل جداگانه هر مؤلفه   مدل‌های تخلیه بر مبنای محاسبات کامپیوتری

تحلیل و شبیه‌سازی تخلیه نفرات با مدل EVAC

مدلی توانمند و با قابلیت‌های فراوان در شبیه‌سازی تخلیه نفرات که توسط NIST توسعه یافته است. برخی از قابلیت‌های نرم افزار Pathfinder: تعیین سرعت‌های متفاوت برای افراد گروه‌بندی افراد با یکدیگر   تعیین تأخیرهای متفاوت برای هر یک از افراد تعیین مسیر خروج برای هر یک از افراد  امکان مشاهده نتایج FDS درطول فرایند تخلیه نفرات