Öğrenim hedefleri

1.     Duman kontrol sistemlerine uygulanan yönetmelik/sistemleri anlamak.

2.     Aktif ve pasif duman kontrolü öğrenmek.

3.     Daha fazla havalandırma yapmanın sonuçta niçin daha iyi olmayacağını anlamak. 

Yangınların meydana gelmesini ve verdiği zararın büyüklüğünü önlemek, en aza indirmek ve kontrol için sprinkler sistemleri kurarak, inşaatta yanıcı madde kullanımını ve tutuşturacak kaynakları en aza indirmek suretiyle büyük gayret göstermemize rağmen yangınlar yine de çıkmakta ve can kayıpları meydana gelmektedir.  Şimdiye kadar, hepimiz bir bina yangınında yaşam için en büyük tehdidin duman (karbonmonoksit ve diğer yanma ürünleri) olduğunu bilmekteyiz. Yangının bir yerde sıkıştırılmasına rağmen duman binadaki hava akımı neredeyse oraya doğru gider ve hafif olması nedeniyle kolayca kendisini taşır. Herhangi bir koruyucu olmaksızın duman havalandırma kanalları içinden, bina şaftlarından yukarı doğru, duvar ve zemindeki açıklıklardan, açık orta avludan ve açık yürüme koridorlarından hareket edecektir.

Çok önemli bir örnek, trajik 21 Kasım 1985’te meydana gelen ve 85 kişinin hayatını kaybettiği 600 kişinin de yaralandığı  Las Vegas GM Grand Hotel yangınıdır. Zemin katta sprinkler olmayan bir alanda çıkan yangın, dumanı 21 katlı gazino kompleksinin tamamına yaymıştır. Ölümlerin 61’i dumanın, merdivenlerden, katların bağlantı yerlerinden, şaftlardan ve klima santrallerinden geçerek yayıldığı, çok katlı kulede meydana geldi. Ölümlerin sadece 18’i yangının bulunduğu kat seviyesinde meydana geldi. Büyük can kaybına sebep ise dumanın serbest hareketiydi. 

MGM Grand Hotel yangını gibi felaketlere karşı, bu olayları ileride meydana gelmesini önleyecek yollar bularak tepki gösteririz. Bu tepkiyi tüm yeni binalara uygulanacak veya en azından uygulamaya tabi olacak binaların inşaatı için imar yasaları ve standartlar getirerek yaparız.

 Uluslararası İmar Yasası (international Building Code)  (UİY), 2012 yayını, dumanın değişik vasıtalarla seyahati konusunu hedef almaktadır. Bunlar içinde katlar arasına işlemesini önleyecek sızmazlık için şartlar, dikey şaftların korunması, duman bariyerleri, duman bölmeleri ve duman kontrol sistemleri dâhil edilebilir. Uluslararası İmar Yasası özellikle birçok dükkânın yer aldığı alışveriş merkezleri ve ikiden fazla katı birbirine bağlayan atriyumlarda, yeraltında kalan binalarda ve hapishaneler dâhil penceresiz binalarda kullanılacak duman kontrol sistemleri için hükümler ortaya koymuştur.  

UİY sadece duman kontrol sisteminin gerektiği yeri tanımlar. Sistemin tipi binaya özel senaryoyu bina ve kullanıcılarının özelliklerine ve ihtiyaçlarına uygun olarak biçimlendirecek deneyime sahip bir yangın koruma mühendisi tarafından seçilmelidir. Yangın kontrol mühendisi mekanik veya pasif bir sistem seçebilir. Mekanik sistem, dumanı binadan atmak için HVAC , duman kontrol fanı olarak kullanılacak bir sistemi veya dumanın ilk kaynağında kalıp bina içinde seyahat etmesine mani olacak basınç farkı oluşturan bir sistemi seçebilir. Pasif sistem dumanın binayı terk etmesi için dumanın doğal yoğunluğuna, yüzerliğine ve bacaya etkisine dayanır.

Aktif Duman Kontrol Sistemlerine Karşılık Pasif Duman Kontrol Sistemleri

Baca etkisi şöminedeki dumanın odayı yanma ürünleriyle doldurması yerine baca içinde seyahat etmesini sağlar. Pasif sistem dumanı bina dışına göndermek için sıcak gazların yüzerliğini kullanır ve bunun için şömine ve dış ortam havası arasındaki sıcaklık farkına dayanır. Aynı yaklaşım bir bina için duman kontrol sistemi tasarımında da kullanılır. Ancak dış hava sıcaklığı, rüzgâr sürati, barometrik basınç, yangın duman bulutunun içine etrafındaki soğuk havanın girmesi ve HVAC sistemi tarafından yaratılan basınç farkları gibi değişkenlerin karmaşık olması bu yaklaşımın çekiciliğini ve uygulanmasını sınırlamaktadır.

Pasif duman kontrol sistemlerinin sınırlı uygulaması bilindiğinden, bu konuda yoğunlaşma genellikle mekanik kontrol sistemleri üzerine olmaktadır. Bu sistemler iki ana kategoride toplanır, egzoz ve basınç altına alma. Bu sistemlerin her birinin uygulamalarda kendine özel bir yeri vardır ve her biri bina kullanıcılarını korumak için son derece etkili bir yardımcıdır. Burada binanın özellikleri hangi sistemin bize uygun olduğunu belirtir.

Büyük açıklığı olan yerler, örneğin birçok dükkânın olduğu alışveriş siteleri ve büyük avlular birçok insanın aynı ortama ve aynı tehlikelere maruz kaldığı yerlerdir. MGM Grand Hotel yangınından öğrendiğimize göre, büyük bir avlusu olan otelin gazino kısmında başlayan yangın sadece aleve doğrudan en yakın yerdeki insanlara değil, yukarıdaki katlarda bulunan birçok insan için de büyük tehdit oluşturdu. Tehlike potansiyeli gazinonun fiili olarak avlunun bir parçası olması durumunda daha da fazladır. Bu çok büyük açık alanlarda, dumanı yangının olduğu yerde tutmaya çalışmak pratik değildir zira çok büyük açık alanlarda dumanı tutacak bir duvar yoktur, ama buna karşılık duman kontrolü mekanik egzoz yardımıyla sağlanabilir.

Büyük hacimli yerlerin egzozunu sağlamak için sadece avlunun tepesine büyük bir emici fan koyarak duman üretiminin kontrol edilmesini bekleyemezsiniz. Duman kontrol sisteminin tasarımı mahallin geometrisini, yakıt yükünü (mahaldeki yangının beklenen büyüklüğünü tahmin için), fanlarla atılan havanın yerine gelecek tamamlama havasının giriş vasıtalarını, geçilen bitişikteki kompartımanlar üzerine hava hareketlerinin etkisini dikkate alan tam bir analizine ihtiyaç duyar. UİY duman tabakasını atriyum içinde en yüksekteki yürüme yüzeyinin en az 1,8 m üzerinde tutulmasını sağlayacak egzoz yani emici tipte bir duman kontrol sistemi olmasını amaçlamaktadır. UİY ne zaman bir duman kontrol sistemine ihtiyaç duyulacağını belirlemesine rağmen, NFPA 92:Duman Kontrol Sistemi Standartları dokümanı bu hedefe nasıl ulaşılacağını gösteren bir kılavuzdur. Duman Kontrol Mühendisliği El Kitabı duman kontrolü üzerine tasarımcılara yardımcı olacak oldukça kapsamlı bilgiler içerir. Bu el kitabı ASHRAE, NFPA, Uluslararası Yasa Konseyi (International Code Council)[1] ve Yangın Koruma Mühendisleri Derneği ile müşterek olarak yayınlanmıştır.

Sistem Tasarım Başarısı

 Etkili bir egzoz tipi duman atma sisteminin tasarımı, bahse konu alanın kullanımının ve alanın beklenen kullanım kapasitesinin uygun şekilde yapılan bir analiziyle başlar.

Bu önemli adım, alan içindeki olası bir yangının büyüklüğünü ve mevkilerini belirler. Bu da beklenen duman üretiminin büyüme oranını bize verir. Bu parametrelerin geliştirilmesi sistemin hesaplanması ve tasarımı için temel teşkil eder ayrıca sistemin tasarımı belli bir deneyime de ihtiyaç duyar.

Alanın yakıt yükünün enerji miktarını veya yanma süratini az olarak tahmin etmek sistem tasarımının dayanılabilir bir ortam temin etmek için dumanı yeterince hızlı tahliye etmede yetersiz kalmasına,  fazla olarak tahmin etmek ise sistemin gereksiz yere büyük tasarlanmasına, karmaşık olmasına veya aşırı enerji tüketimine yol açar.

Duman kontrol sisteminin aşırı büyüklükte tasarlanması tasarımın mutlaka gerekeni karşılaması olarak tutucu bir yaklaşımla ele alındığında zararsız gibi görülebilir ancak ortada dikkate alınması gereken ciddi bir tesis ve işletme masrafları vardır. Aşırı büyüklükte tasarlama genellikle egzoz fanların daha büyük veya sayıca daha fazla olmasına yol açar. Bu uygulamanın başlangıçta ilk tesis masraflarını artıracağı açıktır. Ancak uygulama masrafları fanların ilk temin masraflarını da geçer. Aşırı kapasitenin getireceği maliyet içine fanlarla gelen ilave kanal işleri, ilave çatı destekleri, ilave kablo tesisatı ve ilave edilen elektrik talebini karşılamak için elektrik tesisatına veya jeneratör sistemine ilaveler dahil olur. Daha sonra aşırı egzoz kapasitesini karşılamak için ilave taze hava girişi sağlanması ihtiyacı çıkar. İlave hava sadece kapı ve pencerelerin çalışmasını otomatik hale getirerek sağlanabilir ancak yine de yeterli miktarda hava girişi için ilave besleme fanları ve kanal işine ihtiyaç gösterebilir.

Egzozun yeterli miktarını ve yerlerini, karşılama havası temini için hava giriş yerleri ve vasıtaları ve duman kontrol sisteminin devreye girme sırasının belirlenmesi UİY ile NFPA 92 arasında koordinasyonu gerektirir. Daha önceden belirtildiği gibi UİY duman kontrolüne nerede ihtiyaç duyulacağını belirtir ve sistemin belli özellikleri ve niteliklerini verir, buna karşılık NFPA 92 duman bulutunun hesaplanması, duman üretme oranları ve egzoz şartlarının karşılanması için ayrıntılı bir kılavuz sağlar.

Bu hesaplama yöntemleri yıllar süren araştırma, gözlem ve testlerin sonucunda elde edilmiştir. Basit geometrilerde gayet iyi sonuç vermelerine karşılık, daha karmaşık geometrilere ve düzgün olmayan dikey alanlara uygulandığında yetersiz kalabilir. Bu ise Hesaplamalı Akışkan Dinamiği (HAD) - computational fluid dynamics (CFD)- modellemesini geçersiz kılar.

Modelleme ve Simülasyon

Hesaplamalı Akışkan Dinamiği modellemesi mühendise tasarımı en iyi duruma getirmesi için değişik yangın senaryolarını simüle edeceği bir bilgisayar modeli inşa etmesine imkân sağlar. Mühendis, modeli değişik ölçü ve yerler için çalıştıracağı gibi hava akış oranlarını ve egzoz ve tamamlama havası mevkilerini değiştirebilir. Bu basit gibi görünse de zaman alıcı bir süreçtir, zira bu modeller ve ilgili veriler oldukça yoğundur ve tek bir senaryoyu dahi çalıştırmak saatler hatta bazen günler sürebilir. Tasarım süreçlerinde zaman daima kısıtlı olduğundan mühendis NFPA 92’deki eşitlikleri geçmiş deneyimlerden gelen hava akışı ve dumanın büyümesi bilgileriyle birleştirerek başlangıç modelini oluşturabilir. Bu şekilde sistem tasarımını en iyi duruma getirmek için ince ayar yapılabilecek ve modifiye edilebilecek makul bir başlangıç noktası elde etmiş olur.

Sistemi en iyi duruma getirmek sadece duman tabakasını en yüksek yürüme yüzeyinin 1,8 metre üzerinde tutmak değildir, başlangıç yani ilk tesis ve işletme masraflarını da en aza indirmeli ve kolay bakım yapılması ve güvenilir olmasını da sağlamalıdır. Sadece sistemin uygulanan yasaların şartlarına uygun olması da yeterli değildir, sistem aynı zamanda sistemin sahibinin ve kullanıcısının ihtiyaçlarını karşılamalıdır.  

Duman kontrolünün egzoz yöntemiyle sağlanamadığı durumlarda alternatif yöntemler de dikkate alınmalıdır. Örneğin bir hapishanede en yüksek yürüme yüzeyinin sadece 2,5 metrelik bir tavanı varsa, burada egzoz sisteminin 70 cm’den daha az bir duman tabakası (zeminden 1,8 metre şartı dikkate alındığında) sağlamasını beklemek pek makul bir uygulama değildir. Bunun yerine dumanı yangının çıktığı yerde sıkıştırmak ve çevredeki alanları dumanın yayılmasından korumak daha pratiktir. Bu basınç altına alma yöntemiyle sağlanabilir.

Basınç Altına Alma Metodunun Kullanılması

Eğer yangın bir hapishanede etrafında hücrelerin olduğu ve duman kontrol sisteminin olmadığı ortak bir alanda başlamışsa, dumanın yangının başladığı yerden yayılması ve hapishanede kalan herkesi etkilemesi mümkündür. Duman kontrolde basınç altına alma yöntemi dumanın yayılmasını yangının çıktığı yerdeki basıncı diğer alanlara göre düşürerek en aza indirir, bu şekilde korunmamış açıklıklardaki hava akışı yangının çıktığı yere doğru yönlendirilmiş, böylece dumanın kaçması engellenmiş olur.  Bu yaklaşım bir hücrede meydana gelen yangının yandaki hücre gruplarını kullananlara etkilemesi için küçük hücre gruplarına göre ayarlanarak de etkin bir şekilde uygulanabilir.

Northern Virginia eyaletindeki bir hapishanede duman algılaması, HVAC ve duman kontrol sistemleri beş müstakil alandaki her bir hücre grubunu kontrol edecek şekilde tasarlandı. Merkezde ortak alan ve dört bağımsız hücre grubu (doğu zemin, batı zemin, doğu asma kat ve batı asma kat). Basınçlandırma sistemi hücre grubu içindeki yangın alanı üzerindeki basıncı azaltacak, bu sırada tüm hücre gruplarının da basıncını göreceli olarak binanın diğer kısımlarına göre azaltacak şekilde programlanmıştır. Örneğin, doğu asma katta bir hücrede başlayan bir yangın HVAC sistemine besleme havasını kapatma ve doğu asma katta egzoz kapasitesini artırma bu sırada genel hücre gruplarının da basıncını aşağı çekme olarak çalışacak şekilde etkiler. Bu işlem etkili bir şekilde dumanı doğu asma katta tutar, ancak testler bu metodun fiili olarak dumanı sadece yangının esas olarak başladığı hücrede tuttuğu kanıtlanmıştır.

Burada sadece, yangının çıktığı alandan basıncı çekerek etrafındaki mahallere göre negatif değere düşürmek yeterli değildir. Aynı zamanda basınç farkının acil çıkış kapıları üzerine yapacağı etkiyi de dikkate almak gerekir. Minimum basınç farkları NFPA 92 standardı dokümanında verilmiştir, ancak maksimum basınç UİY veya NFPA 101: Can Güvenliği Yasası tarafından müsade edilen maksimum açma kuvvetlerinden elde edilmelidir. UİY’nin 909.1 sayılı denklemi bir kapının iki tarafındaki maksimum basınç farkının kapının ölçülerine ve kapıyı açmak için gereken maksimum kuvvete göre (UİY’nin başka bir yerinde verilmiştir) hesaplanmasını sağlar.

F=Fdc +K(WA?P)/2(W- d)

Burada

A = Kapı alanı, ft² (m²)

d = Kapının kolundan kapının mandalının olduğu köşeye kadar olan mesafe, ft (m)

F = Kapıyı açmak için gereken toplam kuvvet, pound (N)

Fdc = Kapatma cihazını yenmek için gereken kuvvet, pound (N)

K = Katsayı5.2 (1.0)

W = Kapının genişliği, ft (m)

?P = Tasarım basınç farkı, inç olarak su sütunu (Pa)

Bir basınçlandırma sisteminin ava akış oranları ve basınçlarını hesaplarken, sistem mühendisi duvarlardan, bina içindeki şaftlardan, pencerelerden vb. olan hava sızıntıları için de kabuller yapmalıdır. Sistemlerin karmaşıklığı nedeniyle, sistemlerin bitişik alanlardaki sistemlerle ve hava kaçaklarıyla karşılıklı etkileşimi nedeniyle sistemler için devreye alma sırasında ayar yapma ihtiyacı göstermesi sıklıkla rastlanan bir durumdur. Bir alana açılan kapının iki tarafındaki basınç farkını minimum ve maksimum limitler içinde tutmak hassas bir dengedir ancak iyi bir planlamayla sağlanabilir. 

Dumanın yayılmasının kontrolünde bir model tüm çözümlere uymadığından egzoz ve basınçlandırma yöntemleri etkinliklerini kanıtlamışlardır ve Hesaplamalı Akışkan Dinamiği modellemesi bu sistemlerin tasarımlarını her gün daha da iyileştirmektedir.

Paul J. Pinigis H&A Architects & Engineers firmasında can güvenliği direktörüdür. Çalışmaları bina yönetmeliklerine ve can güvenliği danışmanlığına, HAD yangın modellemesine, özel bastırma sistemleri tasarımına ve yangın alarmı ve toplu uyarı sistemleri tasarımına odaklanan bir ekibi yönetmektedir.