Yeni Mühendislik, Havacılık, Bilgisayar ve Matematik Bilimleri (MHBMB) binaları Maryland Princess Anne’deki Eastern Shore Maryland Üniversitesi (UMES) kampüsünde yer alacaktır. Binaların inşaatlarının Haziran 2015’te tamamlanması ve üniversitenin 2015 güz sömestrında öğrencilere açılması beklenmektedir. Bina 201 Uluslararası Bina Yönetmeliğine[i] ve Maryland Eyaleti tarafından kabul edildiği şekliyle Can Güvenliği Yönetmeliğine[ii] uygun olarak tasarlanmıştır. MHBMB binası yüksekliği üç kat olarak planlanmıştır. Binada sınıflar, konferans salonları, laboratuvarlar,  makina atölyeleri, ofis alanı ve yemek hizmetleri olacaktır. Her bir kat yaklaşık 4.6 m yüksekliğindedir ve üçüncü katın üzerindeki pencereli üst kısmın da ilave bir 3.1 m yüksekliğinde olacaktır.

Zemin seviyesinden üçüncü katın üzerindeki pencereli alan seviyesine kadar uzanan 3 katlı atriyumun yüksekliği yaklaşık 17 metredir. Atriyumun açık alanı ikinci ve üçüncü katlarda doğudan batıya yaklaşık 75 m uzunluğunda ve genişliği de kuzeyden güneye yaklaşık 6 metre ölçülerindedir.

İkinci ve üçüncü katlara atriyumun dış kenarı etrafında, atriyumun açık alanına doğru çıkıntı yapan yürüyüş platformları yapılmıştır. Bu katlarda kuzey ve güney yürüyüş platformlarını atriyumun ortasından birbirine bağlayan ilave bir yürüme platformu daha vardır. İkinci ve üçüncü katları güney giriş koridorundan ve kuzey giriş koridorundaki kapalı merdivenden geçen başka bir giriş daha vardır. 

TASARIM YAKLAŞIMI

Üç katlı atriyum IBC[1] ve NFPA 101 gereğince bir duman kontrol sistemine ihtiyaç duymaktadır. Dumanı atriyumun üstünden dışarı atmak için doğal bir duman egzoz sistemi kullanılacaktır. Bu şekilde atriyumun tabanından en yüksek yürüme yüzeyinin 1.6 m üzerine kadar korunabilir şartlar muhafaza edilecektir. Atriyum içinde makul olarak öngörülebilecek en kötü koşullarını değerlendirmek ve tabii duman egzozunun alan içinde dayanabilmeye olan etkisini değerlendirmek için 5. versiyon Yangın Dinamikleri Simülatörü kullanılıştır. Atriyuma fiziksel olarak temas etmeyen bina alanları modele dâhil edilmemiştir.

TASARIM KRİTERİ

Yangın Senaryoları Tasarımı

Üç katlı atriyum içinde makul olarak düşünüldüğünde çıkabilecek dört (4) yangın senaryosu tasarımı belirlenmiştir:

·                    Üç katlı atriyumun merkezinde yürüme platformunun altında zemin seviyesinde açığa çıkmış yaygın bir duman bulutu,

·                    Zemin seviyesinde kuzey giriş koridorundaki merdivenlerin altında açığa çıkmış yaygın bir duman bulutu,

·                    Atriyumun doğu tarafında stüdyo ve toplantı odaları arasında zemin seviyesinde asimetrik bir duman bulutu, ve

·                    İkinci katta güney giriş koridoru katındaki girişin yanında açığa çıkan bir duman bulutu 

Her bir tasarım senaryosunda sabit oranda ısı çıkartan bir yangın bulunmaktadır. Senaryonun başından sabit ve sürekli bir ısı çıkışı olan yangını belirleyerek (dolayısıyla sabit bir duman çıkışı da belirlenmiş olur) atriyum içindeki şartların çok daha ölçülü bir tahmini modellenebilir.

Tüm dört yangın senaryosu için tasarım yangın büyüklüğü olarak 5 megavatlık (MW) yangın kullanıldı. Tasarım yangınının ölçüsü binanın koridorları içinde çıkan nispeten düşük oranlı ısı çıkışlı bir yangın esas alınarak belirlendi. Bu ölçü hafif tehlike sınıfı kullanım için tipik olarak seçilmiştir:-. SFPE ([2]El  kitabı Şekil 3-1.18 ve 3-1.102’ye göre; bina içinde 2 MW’lık bir yangın meydana gelebilir ancak, tabii egzoz sisteminin 5MW’lık bir yangın dumanını tahliye edecek kapasitede olduğunu göstermek için  daha tedbirli düşünülerek,   bundan 2.5 kat büyük bir yangın modellemiştir. 

Her bir yangın senaryosu rüzgarsız, kuzey, güney, doğu veya batı yönlerde 30 mph (13.4 m/s) rüzgarda, ve 60 mph (26.8 m/s) rüzgarda test edilmiştir. 27  senaryo için hassasiyet analizi yapılmıştır. Modelin hassaslığının sonuçları önemli ölçüde değiştirip değiştirmeyeceğini belirlemek için hassasiyet analizleri için mesh çözünürlüğü (iki değerlendirme ölçüm noktası arası mesafe) her taraftan 0,75 m’ye yükseltilmiştir.  Sonuçlar her taraftan mesh çözünürlüğü 0,6 m olarak yapılan modellere dayanmaktadır.

Dayanabilme Kriteri

Her bir tasarım senaryosunda ortamın kullanılabilirliğini yani o mahalli kullananların şartlara dayanabilirliğini belirlemek için ortamın görüş mesafesi ve hava sıcaklığı değerlendirildi. IBC’ye göre mahallin kullanılabilirlik şartları en az 20 dk. süreyle korunmalıdır. Burada minimum görüş mesafesinde eşik değeri olarak 10 m kullanılmıştır, Purser[iv] tarafından önerildiği üzere; bunun ötesinde duman tabakası içinde binanın terk edilmesinde zorluklar meydana gelir.

Yangın tasarımı senaryolarının her birinde iki maksimum sıcaklık kriteri incelenmiştir. 20 dakikalık sıcağa maruz kalma süresince sürdürülebilir maksimum sıcaklık olarak 76°C kabul edilebilir olarak varsayılmıştır.4 İlave olarak Purser maksimum 200°C sıcaklığa bir dakika dayanılabileceğini belirtmektedir, buna göre bu sıcaklığın aşılması dayanılabilir şartların korunamaması olarak kabul edilmiştir.

DUMAN EGZOZU MODELLEMESİ

Bina tasarımcıları atriyum duman kontrol sistemi çalışmaktayken yağan yağmur veya karın binaya girmesine karşı en büyük korumayı sağlaması için duman tahliyelerinin 90° ye kadar tam açılmayan tek kanatlı pencereler olmasını arzu etmişlerdir. FDS’deki sınırlanmalar nedeniyle, bu yeni pencereye modellik yapmak için oluşturulan kanat ters bir “L” şekli meydana getirecek şekilde duvardan bir hücre dışarı ve bir hücre de aşağı doğru uzanan bir engel meydana getirdi. Bu, dumanı pencere kanadının kenarlarından dışarı akmasını sağlayan gerçek bir tek kanatlı pencereyle ayni etkiyi yapan bir engelleme sağladı   

Birçok tasarım senaryosundan, yangın üzerine olan sprinkler etkileri sprinkler/yangın karşılıklı etkileşiminin karmaşık yapısı ve duman kontrol sisteminin performansıyla ilgili daha ölçülü sonuçlar almak için modellenmemiştir.

Sprinklerin devreye girmesi baca etkisi şartlarını test ederken bazı senaryolar için gerekli olmaktadır. Bu durumlarda ve sıcaklığın 76,1°C sınırının üzerine yükselmesi üzerine dayanılabilir koşulların korunması için sprinklerin çalışması gerektiğinde modellenen sprinklerler tavanın 0,61 m altına ve birbirlerinden 6,1 m ayrık olacak şekilde yerleştirilir.

Gerçek binada sprinkler montajı NFPA 13 ile uyumlu olmasına rağmen modellenen sprinklerler, sprinklerin tepki verme süresini ölçülü bir şekilde geciktirmek ve modelde kullanılan 2 ft küplük  (0.61 m) ızgara hücresi ölçüsüyle uyumu korumak için NFPA 13’ün öngördüğü maksimum 30mm’den daha aşağı yerleştirilmişlerdir. Sprinklerlerin aktif hale gelme sıcaklığı 68°C ve RTI (Reponse Time Index) kabaca 100 (ft×s)^1/2 [50 (m×s)^1/2)], olarak belirlenmiştir bu ölçü hafif tehlike yatan kullanım derecesine göre sıradan bir sıcaklığı, hızlı tepkiyi, genişletilmiş kaplama alanı olan bir sprinkler sistemini simüle etmektedir. Tablo 1 modellerde çalıştırılan her bir yangın senaryosunda en çabuk aktivasyon zamanını göstermektedir.  

Duman tahliye sistemi NFPA 204[v]’ten alınan hesaplama yöntemlerine göre tasarlanmıştır. Tahliye edilen dumanın yerini alacak tamamlama havası dört girişin her birindeki iki takım 6 ft x 8 ft (1.8 m x 2.4 m) ölçülerindeki çiftli kapılardan ve doğu ve batı girişlerinin her ikisindeki iki ilave hava firarından sağlanacaktır.  Gerçek hava tahliye alanı atriyum boyunca uzanan pencereli alandaki 48 adet pencere ile sağlanacaktır. Bunlar 4.5 ft x 4.5 ft (1.4 m x 1.4 m)  ölçülerindedir ve toplam 972 ft kare (90,3 metre kare) alan sağlamaktadır. 0,35 olan havalandırma katsayısı dâhil olmak üzere toplam etkin hava tahliye alanı 340 ft kare (31.6 metre kare) yapmaktadır. Rüzgarın da etkisini (hız ve yön olarak) mukayese etmek için birçok farklı senaryolar (her yangın yeri için dokuz adet) oluşturulmuştur.

Atriyum duman kontrol sistemi atriyumun çatısı boyunca yerleştirilmiş üç adet huzme ışıklı detektör (beam detector) vasıtasıyla aktif hale geçer. Işıklı detektörlerin ikisi atriyumun tüm boyunca doğu batı yönünde çalışır. Üçüncü ışıklı detektör ise atriyumun çatısının yaklaşık bir metre altına yerleştirilmiştir ve kuzey-güney yönde çalışarak kuzey veya güney giriş koridorlarında olabilecek dumanı algılar. Bu detektörler ışıklı algılayıcılarında %25 bir ışık engellemesi olması halinde aktif duruma geçerler. Detektörün aktif hale gelmesinden itibaren yangın alarmının sinyal oluşturma zamanı ve hava tahliyeleri ve kapıların tam olarak açılmasını sağlamak için  45 sn’lik bir gecikme zamanı verilmiştir.

Atriyum içinde görüş mesafesi ve sıcaklık değerlerinin illüstrasyonu ‘örneklemesi’ için iki boyutlu dilim dosyaları verilmiştir. Her ölçüm için gösterilen dilim dosyası  zemin seviyesinden 11,6 metre yukarıdan, bu değer en yüksek yürüme yüzeyinin 1,8 metre yukarısındadır, alınmıştır. Bu yüksekliğin altındaki seviyelerde meydana gelebilecek görüş mesafesinde herhangi bir azalma, sıcaklıkta artış ve/veya asfiksant ‘boğucu’ gazların miktarında bir artış belli sayıda insanın o mahalden çıkışını önemli ölçüde etkilemeye başlayacaktır. 

Modelleme Sonuçları, Özet

Her bir yangın senaryosunun, duman tahliyesi ve sprinkler aktif hale geçme zamanları da dâhil olmak üzere, sonuçları tablo 1’de özetlenmiştir. Değerle her bir yangın mevkii için sıfır rüzgar senaryolarındandır, iç ve dış sıcaklıkların ikisi de 20°C’dir.

RASYONEL ANALİZLER

Baca etkisi

Baca etkisi binanın iç ve dış sıcaklıkları farklı olduğunda havanın hareket etme eğilimini tarif eder. Normal baca etkisi bina içi sıcaklığın binanın dışındaki havanın sıcaklığından daha yüksek olduğu durum anlamındadır ve içteki havanın yukarı doğru hareketlenmesine neden olur. Tersine baca etkisi havanın bina içinde aşağı doğru hareket etme eğilimini tanımlar, bu durumda binanın içi dışarıdaki havadan daha soğuktur.

Her bir senaryonun bina iç ve dışı sıcaklıkları 20°C olması durumunda çalıştırılmasına ilave olarak, her bir senaryo normal ve tersine baca etkisi için de durumu göstermek amacıyla çalıştırıldı. Yaz için en kötü senaryo durumunu simüle etmek için dış hava sıcaklığı 37.8°C olarak modellendi ve bu sırada iç sıcaklık da 20°C da muhafaza edildi. Kış için en kötü senaryo durumunu simüle etmek için dış hava sıcaklığı -17.8°C olarak modellendi ve bu sırada iç sıcaklık da 20°C da muhafaza edildi.

Her iki baca etkisinin şartları doğal havalandırma sisteminin çalışma şeklini etkilemektedir. Normal baca etkisi şartları daha düşük görüş mesafesi ve sıcaklığa neden olmakta, tersine baca etkisi şartları ise görüş mesafesini ve sıcaklığı artırmaktadır. Bununla birlikte, modelleme sonuçları atriyum duman kontrol sisteminin bu koşullar altında dahi dayanılabilir ortam şartlarını muhafaza ettiğini göstermiştir. 

Rüzgâr Etkisi

MHBMB Binası için yangın senaryosu sırasında çıkan herhangi bir rüzgârın duman kontrol sisteminin verimini artıracağı beklenmektedir. İlk olarak, rüzgâr dumanı atriyumun etrafından itip sonrasında üçüncü katın üstündeki pencereli alandaki hava çıkış açıklıklarından dışarı iterek doğal havalandırmaya yardımcı olacaktır. Rüzgârın doğal havalandırmalı mahallere olan esas olumsuz etkisi ise rüzgârın duman tahliye deliklerinden gelmesi halinde dumanın binayı terk etmesine engel olmasıdır.

Atriyum çatısının 62 ft (18.9 m) olan yüksekliğiyle mukayese edildiğinde çatı katının daha yüksek olan çatı yüksekliği 70 ft (21.3 m) nedeniyle,  dikey esen yani kuzey veya güney yönlerinden gelen bir akış atriyum çatısının üzerine baskı yapacak ve aşağıya atriyumun çatı yüksekliğine inemeyecektir. İlave olarak üstteki camlı bölgenin uzun ekseninin her iki tarafında da hava tahliye açıklıkları olması dumanı binanın içine geriye iten rüzgârın etkisini en aza indirecektir.

SONUÇLAR

Tüm standart sıcaklık simülasyonlarında görüş mesafesi herhangi bir noktada 30 ft (9.1 m) altına düşmedi. İkisi dışında tüm yangın senaryolarında, zemin seviyesinde güney girişinin altında ve ikinci katta güney girişin yanında, sıcaklık 20 dakikaya kadar maruz kalındığı süre içinde 169°F (76.1°C) değerinin üzerine çıkmadı.

20 dakikalık sınırın üzerinde bu sıcaklık güney giriş koridorunda da yer aldı ve hiçbir noktada sıcaklık 392°F (200°C) olan bu üst sınıra yaklaşmadı. Sıcaklığın 169°F (76.1°C) sınırını aştığı iki durumda da sprinklerin devreye girişi değerlendirildi ve her iki durumda da sprinklerlerin bir dakika içinde devreye girmesinin beklendiği bulundu. Sprinklerlerin aktif hale gelmesinden sonra bu alandaki sıcaklığın mahal içinde simülasyonun kalan kısmında dayanılabilir şartları yeterli ölçüde sağlayabileceği kabul edilmiştir.

Dış ortam sıcaklığının etkisi de duman kontrol sisteminin verimli çalışması üzerine etki yapmaktadır. Normal baca etkisi şartlarında yani dış sıcaklığın iç sıcaklıktan daha düşük olduğu durumlarda, duman kontrol sisteminin performansı dış sıcaklık ve iç sıcaklığın birbirine eşit olduğu şartlarla mukayese edildiğinde değişmektedir.  Beş yangın senaryosunun bazılarında karşılaşılan minimum görüş mesafesi azalmıştır. Bu durum duman bulutunun giren soğuk hava nedeniyle soğumasına, dumanı daha az yüzer hale getirmesine, bağlanabilir. Bu en üst katta daha fazla duman toplanmasına neden olur ancak duman hemen hemen tüm senaryolarda daha soğuktur, 20°F (-6.7°C) altındadır.

Tersine baca etkisinde yani dış hava sıcaklığının daha sıcak olduğu şartlarda, duman kontrol sisteminin performansı normal baca etkisindeki performansın tam tersinedir. Duman bulutu içine soğuk hava girmesi yerine sıcak hava içeri çekilir ve bu dumanın yeterince çok ısı kaybetmesini önler ve duman daha yüzer bir hale gelir. Dumanın artan bu yüzer hale gelmesi doğal havalandırmayı arttırır. Ancak duman tabakası sıcaklığı her senaryoda yaklaşık 20°F (-6.7°C) artmıştır.