Otomatik sprinkler sistemi, endüstriyel ve ticari binalar için en sık kullanılan otomatik sprinkler sistemidir. Sprinkler sistemleri ilk kez 20. Yüzyılda New England'da o dönemlerde oldukça yaygın olan çok-katlı depo binalarında bulunan kumaş atölyelerinde kullanılmıştır.

HC KUNG 

Ph.D., FSFPE

www.fpemag.com

Otomatik sprinkler sistemi, endüstriyel ve ticari binalar için en sık kullanılan otomatik sprinkler sistemidir. Sprinkler sistemleri ilk kez 20. Yüzyılda New England'da o dönemlerde oldukça yaygın olan çok-katlı depo binalarında bulunan kumaş atölyelerinde kullanılmıştır. Bu binalarda tavanlar alçak olup, ürünler genelde ahşap sandıklarda depolanmaktadır. Bu ilk sprinkler sitemleri suyun yarısını tavana ve diğer yarısını da yere doğru fışkırtacak şekilde tasarlanmıştır. Bu sprinklerlerin önemli bir özelliği yanıcı tavan yapısını ıslatmak ve korumaktır. 

Bu tasarım felsefesi, 1950'lerde Factory Mutual (FM)'in geliştirdiği "sprey" sprinklerinin kullanılmaya başlanması ile değişmiştir. Bu dönemde, yüksek tavan ısılarının önlenmesi ve her bir sprinklerden gelen spreyin daha geniş bir yer yüzeyi üzerinde daha verimli şekilde dağıtılması şartı ile doğrudan tavana su uygulanmasının gerekli olmadığı anlaşılmıştır. Yeni sprey sprinkler tüm suyu aşağı yönlendirmek üzere tasarlanmıştır. Etkinliğinin başarılı şekilde uzun yıllar boyunca ortaya konulmasının ardından, sprey sprinkler 1953 yılında ABD'de Ulusal Yangından Korunma Birliği (NFPA) tarafından "standart" sprinkler olarak kabul edilmiştir. 5.6gpm/psi1/2 seviyesinde K-faktörü (boşaltma katsayısı) ve 12 mm'lik nominal ağız çapına sahip olan bu standart sprinklerler o zamanki endüstriyel binalarda kullanılmıştır.

Üretim ve Depolama Uygulamalarında Dramatik Değişimler

Geçtiğimiz birkaç yıl içerisinde, endüstriyel tesisler, üretim tesisleri ve depolama tesisleri ciddi değişimler geçirmişlerdir. Paketleme malzemelerinde strafor gibi plastiklerin ve kartonların artan kullanımı yangın sprinkler sistemlerinin üstesinden gelmek zorunda kaldığı yeni zorluklar arz etmiştir. Bu yeni ve hafif depolama malzemeleri depolama raflarının çok daha yüksek yerlere yapılabilmesine izin vermiş ve depolama alanlarının tasarlanma şeklini değiştirmiştir. Daha yüksek depolama rafları, üzerlerindeki malzeme yandığı zaman bir "baca etkisi" meydana getirirler ve yangının büyüme şeklini değiştirip yangın sprinklerinin işini zorlaştırırlar. Buna ilave olarak, günümüzde sık olarak kullanılan plastik malzemeler yandıklarında daha önceden kullanılan üretim malzemelerinden daha fazla ısınırlar ve bu sebeple tehlike riskini de artırırlar. 

Genel olarak, raflı bir depolama ortamındaki yangınlar hızlı büyürler, ısı yayılım oranı hızlı olur ve yüksek duman hızı ile karakterize olurlar, bu sebeple standart sprinkler için zorluklar sunmaktadırlar. Bazı durumlarda, raf düzenlemelerinde yanıcı maddeler sert raflar üzerinde depolanırlar veya depo yüksekliği ve ürünün yangına direnme seviyesi bir tavandan asılı sprinkler sisteminin etkinliğinin ötesindedir. Bu durumlarda, yeterli oranda yangından korunma sağlamak amacıyla raf-içi sprinklerlere gerek vardır. 

Bu zorlu koşullar altında, çevredeki yanıcı maddeleri alevlenmeyecek şekilde ıslak tutmak suretiyle belirli bir tasarım alanı içinde yangının yayılma oranını kontrol etmek ve sınırlamak için yeterli miktarda suya sahip olan çok sayıda sprinkleri beslemek için standart bir sprinkler sistemi gereklidir. Sprey sprinklerin kullanılmaya başlanmasını takip eden yıllarda, her bir depolama durumu için gerekli olan sprinkler sistemi tasarım gerekliliklerinin ayrı ayrı belirlenmesinin zorunlu olduğu ortaya çıkmıştır.  

1967 yılında FM, büyük ölçekli yangın testleri vasıtası ile depolama ortamlarının sunduğu yangından korunma problemlerine çözüm üretmek amacıyla, büyük bir sprinkler yangın test tesisi inşa etmiştir.

Makul sayıda yangın testi kullanarak gerekli olan verileri sağlamak amacıyla, FM tarafından "paralellik" adı verilen bir kavram kullanılmıştır. Bu konseptte, standart bir test materyali, bir yangın sprinkleri ve bir dizi test koşulu kullanılarak temel yoğunluk (su akışı) talep alanı eğrisi oluşturulmaktadır. Bunun ardından, temel eğriye paralel olan ve yeni ürün ve test değişkenlerinin tek bir noktasından geçen bir çizgi çizmek suretiyle depolanan ürünler, depolama koşulları ve koridor genişliği, depolama rafı türü ve sprinkler ısı derecesi gibi sprinkler değişkenleri için ilave eğriler oluşturulmuştur. Bütün bu testler sırasında, alevlenme kaynağı dört sprinkler altında merkez bir noktaya konulmuştur. Tanım olarak, yoğunluk/alan kuralı, belirli bir yoğunluk için, belirli bir kategori içinde listelenmiş tüm sprinklerlerin performansı, üretici firması, ağız boyutu, bırakılan boşluk ve basınçtan bağımsız olarak aynı olacaktır. 

Ancak maalesef, geçtiğimiz yıllar içerisinde, yapılan testlerin sonuçları, farklı sprinkler modelleri ve alevlenme lokasyonlarının alan talepleri üzerinde ciddi farklılıklara yol açabileceğini göstermiştir. Buna ilave olarak, geleneksel sprinkler sistem tasarımının temeli olarak kullanılmış olan yoğunluk/alan kuralı modern depolama ünitesi yangından koruma sistemleri için her zaman uygun olmamaktadır. Buna ilave olarak, FM'de gerçekleştirilen "Plastik Depolama Programı"nda yapılan yangın testleri, 4.5 metre üzerindeki yüksekliklerde plastik ürünlere yönelik depolama sistemlerinin, tek başına, standart sprinklerler kullanan bir tavana yerleştirilen sprinkler sistemi ile korunamayacağını ortaya çıkartmıştır. Yangının düzgün şekilde kontrol edilebilmesi için, tavandaki standart sprinklerlerin raf-içi sprinklerler ile desteklenmesi gereklidir. Depo ürün saklama konfigürasyonu içerisinde, raf içi sprinkler sistemlerine depo operatörleri tarafından hasar verilebilme olasılığı yüksektir. Maliyet verimliliği ve depolarını ileride büyütmeyi veya yeniden yapılandırmayı hedefleyen depo sahipleri için "sadece tavandan" olan sprinklerleri kullanabiliyor olmak daha tercih edilen bir durumdur. 

Bu ihtiyaca yanıt vermek amacıyla, pazara yeni sprinkler teknolojileri çıkmıştır. 7.6 metre yükseklikte bir tavan altında, 6 metre yükselliğindeki karton içindeki plastik ürünlerin korunması için 115 l/min-bar1/2 seviyesinde K-faktörüne ve 13 mm'lik nominal ağza sahip olan büyük ağızlı sprinklerler geliştirilmiştir. Depolama yüksekliği arttıkça, sadece tavandan sprinkler sistemleri için yangını söndürmek daha zor olmaktadır ve sprinkler sisteminin depolanan ürünleri koruması için tavandan çok daha fazla miktarda su verilmesi gereklidir. Su kaynağındaki basınç sabit bir değer olduğunda, sprinkler ağız çapının daha fazla boşaltma hızı sağlamak için artırılması gereklidir. 

Depo Sprinklerlerinin Etkinliğinin Ölçümü

Bu süregelen zorluklara bir yanıt olarak, 1970'lerden 1990'lara kadar, Factory Mutual mühendisleri ve bilim adamları tarafından daha kapsamlı bir araştırma serisi gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalarda raflı depolama tesislerinde sprinkler sistemlerinin performans prensipleri araştırılmıştır. Bu araştırma programları sprinkler duyarlılığı (tepki süresi endeksi) ölçümü, sprinkler aktivasyonunun tahmini, yangın içine sprey girebilme yeteneği (gerçek gönderilen yoğunluk, ADD) ve raflı depolama tesislerindeki yangınlar için yangın söndürme gereklilikleri (gerekli olan gönderilen yoğunluk, RDD)'yi içermektedir. Bu bilimsel prensipler yardımı ile istenilen sprinkler etkinlik seviyesi hedeflenebilmekte olup optimal seviyede su miktarı kullanımı belirlenebilmektedir. Bu da depolarda çok farklı ürünlerin maliyet-verimli bir şekilde sprinklerler ile korunabilmesini sağlamaktadır. 

Temel Kavramlar

Tepki süresi endeksi (RTI): Sprinklerin kendi yakınındaki gaz ısısı ve süratine olan tepki duyarlılığının ölçümü

Sprinklerin harekete geçme anında yangın boyutunun tahmin edilmesi: Duman bulutu ve tavan jet akışı korelasyonları kullanılarak duman bulutu, tavan jet akış ve sprinkler tepkilerinin belirlenmesi.

Gerekli  gönderilen yoğunluk (RDD): Yangını söndürebilmek için yanan bir alanın üst kısmına gönderilmesi gereken su akış hızı.

Gerçek gönderilen yoğunluk (ADD): Duman bulutu içerisine girmekte olan bir yanan alanın üst yüzeyine sprinkler tarafından gönderilen gerçek su akış miktarının ölçümü. ADD su damla boyutuna, sprey şekline, boşaltma hızına ve yağmur boyutuna bağlıdır. 

"Büyük Damlalı" Sprinklerin Geliştirilmesi 

Büyük ağızlı bir sprinklerin, üzerine su gönderemeyeceği bir yükseklik olan 6 metre yüksekliğe varan plastik ürünler depolanan, 9.1 metre yüksekliğe ulaşan depolarda yangından koruma sağlama ihtiyacına bir yanıt olarak 1970'lerin ortalarında "büyük damlalı" sprinkler geliştirilmiştir. Bu sprinkler, 13 mm'lik ağız çapına ve 157 l/min-bar1/2 K-faktörüne sahip sprinklerlere kıyasla, 26 mm‘lik nominal ağız çapına ve 157 l/min-bar1/2 seviyesinde K-faktörüne sahiptir. Belirli bir boşaltma basıncında, bu büyük damlalı sprinkler standart sprinklere kıyasla daha büyük miktarda su ve daha büyük damla boyutları sağlamış ve beklenen daha üstün performansı ortaya koyabilmiştir. Büyük damlalı sprinkleri tasarlamak için ADD ölçümleri kullanılmıştır. "Büyük damlalı" bir sprinkler sisteminin tasarım amacı belirli bina ve ürün sınıfı, depolama yüksekliği ve depolama gereklilikleri için en düşük basınçta çalışan en az sayıda sprinkler sağlamaktır. Bu yaklaşım geleneksel yoğunluk/alan yaklaşımından (sprinkler çalışma alanı üzerinde sprinkler su akış yoğunluğu) farklıdır ve sprinkler operasyon alanı arttıkça sprinkler tasarım yoğunluğunun (sprinkler boşalma basıncı) azalmasına izin verir. Sprinkler spreyinin ADD'si, sistemin etkinliğinin artık sürdürülemeyeceği bir seviyeye düşebilir. 

Erken Bastırma Hızlı Tepkili Söndürme Sprinklerlerin Ortaya Çıkışı

1980'lerde, bir başka teknoloji geliştirilmiştir: Erken Bastırma Hızlı Tepkili (ESFR) sprinklerler. Bu yeni sprinkler sınıfı, bir yandan 9.1 metre yüksellikte bir tavan altında 7.6 metreye kadar ulaşan karton içinde plastik ürünlerin yangından korunmasını sağlarken RDD'den daha yüksek bir ADD sağlamak üzere geliştirilmiştir. Sprinklerde hızlı tepki linki kullanılmıştır. Bu sebeple, ESFR sprinklerleri bir yangına başlangıç aşamasında müdahale edecek ve yangını söndürebilmek için büyük miktarda su boşaltacak şekilde tasarlanmıştır. Birinci nesil ESFR sprinklerler 18 mm'lik ağız çapına ve 200 l/min-bar ½ seviyesinde K-faktörüne sahiplerdir. EFSR teknolojisi popüler hale gelmiş ve sıradan yanıcı maddelerin (NFPA'da tanımlanan şekilde sınıf I-IV ürünler ve karton içine yerleştirilmiş genişletmiş plastik) depolama sistemlerinde yangın olarak kullanılmaya başlanmıştır. 1990'lı yıllarda, K14.0 ESFR sprinkler depoların yangından korunması anlamında popüler bir teknoloji haline gelmiştir. K14 ESFR sprinklerlerin piyasaya çıkışından kısa bir süre sonra, ESFR teknolojisini daha büyük yangınlarda kullanma yönünde bir arzu ortaya çıkmıştır. Bu daha büyük yangınların sundukları zorluklar, daha büyük tavan ve depolama yüksekliklerinden kaynaklanmıştır ve bunlar K14 ESFR sprinklerin ilk başlangıçta tasarlanmış olan yangından koruma hedeflerinin ötesinde olmuştur. Takip eden 10 yılda, daha büyük yangın tehlikeleri ile mücadele edebilmek için, 16.8, 22.4 ve 25.2 (240, 320 ve 360 l/min-bar1/2) gibi yüksek K-faktörlerine sahip ESFR sprinklerler geliştirilmiştir. Tahmin edilen şekilde, sprinkler ağzı ne kadar büyük olursa, sprinklerin çıkarttığı damlaların boyutları da o kadar büyük olmaktadır. K25.2 ESFR sprinkleri 12 metre yüksekliğe ulaşan karton içinde plastik ürünlerin bulunduğu 13.7 metre yükseklikte tavana sahip depolarına korunması amacıyla geliştirilmiştir. 

Depo Sprinklerlerinin Sınıflandırılmaları

ESFR'nin ötesinde, sprinkler sınıflandırmaları kontrol modunu (yoğunluk/alan) (CMDA) ve kontrol modunu (spesifik uygulama) (CMSA) içerecek şekilde genişletilmiştir. CMDA 280 metrekarenin üzerinde alana sahip bir bölgeye boşaltılan suyun yoğunluğunun hesaplanmasına dayalı bir sistem tasarım modelidir. Bu yaklaşım 7.6 metreye kadar olan tavan yükseklikleri ile sınırlıdır. Kontrol modu sprinklerlerinin K-faktörleri arasında 5.6, 8.0, 11.2, 14, 16.8 ve 25.2 gpm/psi1/2 (80, 115, 160, 200,240 ve 360 l/min-bar1/2) vardır. Artan K-faktörü ve sprinkler ağız boyutuyla, kapsama alanında artış vardır. CMSA sprinkler sistemleri, belirli bir bina için minimum basınçta çalışan en az sayıda f sağlamak üzere tasarlanmışlardır. Büyük damlalı sprinkler ilk CMSA sprinklerdir. Bu sınıfın oluşturulmasından sonra, 16.8, 19.6 ve 25.2 gpm/psi1/2 (240, 280 ve 360 l/minbar1/2) seviyesinde daha yüksek K-faktörleri geliştirilmiştir. 

Yakın Zamandaki Depo Sprinkler Yenilikleri -Daha Hızlı Her Zaman Daha İyi Değildir-

Günümüzde, sistem tasarımcıları ve taşeron firmalar tipik bir şekilde raflı depo sistemlerindeki yangınlar üzerinde sprinklerlerin yangın söndürme performansını sadece "hızlı-tepkili" sprinklerler ile özdeşleştirmektedirler. Her ne kadar bir hızlı-tepkili sprinkler standart bir sprinklere kıyasla yangına daha erken müdahale etse de (su damlalarının yangın dumanı içerisine daha kolay girip yanan yakıta kolayca ulaşmasını sağlayarak), hızlı-tepki tek başına bir sprinkler sisteminin yangını söndürmesi için yeterli değildir. Daha da önemlisi, ADD'nin RDD'den daha büyük olması gereklidir. Bu durumda, daha iyi bir yangın söndürme performansı beklenebilir. 

Sprinkler performansı üzerine gerçekleştirilen bilimsel çalışmalardan elde edilen sonuçlar ışığında, yeni bir büyük K-faktörlü standart-tepkili sprinkler geliştirilmiştir ve bu sistem 12 m yüksekliğe kadar olan tavanların altında istiflenmiş olan karton içindeki plastik ürünlerde çıkan yangınları söndürebilmektedir. Bu sprinkler modeli 25 mm ağza ve 360 1/min-bar1/2 K-faktörüne sahip bir asılı sprinklerdir. Sprinklerin ısı derecesi 71°C'dir ve 235 (ft-s)1/2 (130 m1/2-s1/2) seviyesinde Tepki Süresi Endeksine (RTI) sahiptir. Bu yüksek K-faktörlü sprinklerden elde edilen büyük damlalar, suyun yangın dumanı içerisine girebilme yeteneğini arttırmaktadır. Yapılan bir dizi yangın testi standart tepkili K 25.2 gpm/psi1/2 (360 l/min-bar1/2) sprinklerin, 12 metreye kadar yükseklikte tavanlara sahip olan depolarda yangına karşı koruma sağlama anlamında ESFR sprinklerler kadar etkili olabileceğini göstermiştir. Bunun sebebi de her iki ESFR sprinklerinin ve yeni sprinklerin aynı yangın senaryosu ile test edilmiş olmasıdır. Şekil 1 ve 2'ye bakınız. Yeni sprinklerin performansına dayanarak, FM Global, sprinklerini, ESFR sprinklerler ile aynı tasarlamıştır. Bu sprinklere "12 ağızlı" tasarım uygulanmış ve ESFR sprinklerler ile aynı hortum akış seviyesi ve su tedarik süresi sağlanmıştır. Fiziksel tıkanıklıklar ve tavan unsurları anlamında aynı sprinkler kurulum kuralları hem EFSR sprinklerlere hem de yeni sprinklere uygulanmıştır. Ancak yeni sprinkler ESFR sprinkler olarak değil CMSA sprinkler olarak sınıflandırılmaktadır çünkü bu sprinkler bir hızlı-tepki bağlantısı kullanmamaktadır. 

Bu tür bir teknoloji, geleneksel bir ESFR teknolojisine kıyasla daha düşük uç-kafa basıncı sunabilmektedir ve depolama uygulamaları anlamında bir tasarım seçimi olarak ESFR'nin yerini almak üzere konumlandırılmıştır. Geleneksel ESFR ürünlerine kıyasla, bir alt-uç kafa basınçlı sistem boşaltma basınç gerekliliklerini 9.1-12.2 m'lik tavanlar için %25-40 oranında azaltırken, 9.1 metreye kadar olan tavanların boşaltma basınç gerekliliklerini %25 ila 70 oranında azaltabilmektedir. Bu yeni depo sprinkler sisteminin azaltılmış kafa-basıncının bir faydası da boru çaplarının azaltılması ve hatta şebeke suyu basıncının yeterince yüksek olması durumunda, pompa gereksinimini ortadan kaldırmasıdır. Bu da malzeme ve işçilik anlamında tasarruf sağlamaktadır. 

Önümüzdeki On Yıl

Sprinkler türlerinin giderek çeşitlenmesi ve alt-kategorilerinin artması, kafa karıştırıcı şekilde çok sayıda yangından korunma çözümlerinin ortaya çıkmasına yol açmıştır. Buna ilave olarak, her bir sprinkler sınıfı için mevcut olan karmaşık kurulum yönergeleri tasarım alanını daha da karmaşık hale getirmektedir. 2010 yılının başlarında, FM Global, depo sprinkler sistemlerine yönelik sistem tasarımı ve kurulumuna yönelik kuralları belirleyen Veri Tabanlarını güncellemeye başlamıştır. Burada amaç sprinkler sınıflandırmaları konusundaki çeşitliliği azaltmak ve sistem tasarım kurallarını sprinklerin geleneksel isimlerine değil sprinklerin performansı üzerine dayandırmaktır. Bu sebeple, sistem performansı anlamında daha fazla tutarlılık elde edilebilecektir. Sprinklerlerin yangın söndürme veya kontrol performansları farklı sprinkler özelliklerinin sprinkler özelliklerinin birleşimine dayanmaktadır. Sprinklerin yönlendirmesi (asılı veya dik), sprinkler deflektör tasarımı, spreyin medyan çapı, sprinkler duyarlılığı (RTI) ve ısı derecelendirmesi. FM Global'ın yeni Veri Tabanları sistem tasarım kurallarını sprinkler ile bağdaşlaştırılmış isimler yerine sprinklerin performansı üzerine dayandırmaktadır. Bu sprinkler performansı öngörülebilmektedir ve sistemin parametrelerine dayalıdır. Depolama alanlarının tasarımı gelişmeye devam ettikçe, artan zorlukları karşılamak üzere yeni teknolojiler de pazara sürülmeye devam etmektedir. 

H.C. Kung Victaulic'de çalışmaktadır.

Referanslar

1. Richardson, K. (Ed.) History of Fire Protection Engineering, National Fire Protection Association, Quincy, MA, 2003. 

2. Yao, C., "Overview of Sprinkler Technology Research," Proceedings of the Fifth International Symposium on Fire Safety Science, International Association for Fire Safety Science, London, 1997. 

3. Yao, C., "Applications of Sprinkler Technology – Early Suppression of High-Challenge Fires with Fast-Response Sprinklers," Special Technical Testing Publication 882, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, 1985. 

4. Heskestad, G. & Smith, H., "Plunge Test for Determination of Sprinkler Sensitivity," Technical Report, FMRC J. I. 3A1E2.RR, Factory Mutual Research Corporation, Norwood, MA, 1980. 

5. Heskestad, G., "Engineering Relations for Fire Plumes," Fire Safety Journal 7: p.25-32, 1984 

6. Yu, H., Lee, J. & Kung, H.C., "Suppression of Rack Storage Fire by Water," Proceedings of the Fourth International Symposium on Fire Safety Science, International Association for Fire Safety Science, London, 1994. 

7. Chan, T., Kung, H.C., Yu, H., & Brown, W.R., "Experimental Study of Actual Delivered Density for Rack-Storage Fires," Proceedings of the Fourth International Symposium on Fire Safety Science, International Association for Fire Safety Science, London, 1994. 

8. NFPA 13, Standard for Installation of Sprinkler Systems, National Fire Protection Association, Quincy, MA, 2007. 

9. Kung, H.C., Lee, S., Ide, S. R.and Ballard, R. J., "Full-scale Fire Test Performance Evaluation of Victaulic Model LP-46 Low Pressure Storage Sprinkler," Victaulic Company, Easton, PA, 2008.