فاکتورهای طراحی آتریوم و فضاهای بزرگ برای سیستم کنترل دود

پیشگفتار:

کنترل دود در فضاهای بزرگ و آتریوم نسبت سیستم های کنترل قدیمی ترهستند ودارای پیشینه ی طولانی تری می باشند همچنین شامل سناریوهای متفاوتی است. که در این مقاله به موضوع فاکتورهای طراحی سیستم کنترل دود در فضاهای بزرگ و اتریوم می پردازیم. 

دود به‌عنوان عامـل اصلی بروز تلفـات در حوادث حریق ساختمان‌ها شناخته می‌شود. کنترل دود در فضاهای بزرگ نسبت به سایر سامانه‌های کنترل دود قدیمی تر هستند و تاریخچه تحقیقات در این زمینه به حریق سـال ۱۸۸۱ در رینگ تئاتر شهر وین که به فوت ۴۴۹ نفر انجامید، بازمی‌گردد.

قبل از این حادثه نیز حریق‌های مختلفی در تالارها و سالن‌های بزرگ با تلفـات زیاد رخ‌داده بود اما پس از این حادثه انجمن مهندسین اتریش آزمایش‌های حریق با مقیاس کوچک مختلفی را اجرا نمود و نشان داد که چگونه بازشوهای سقفی قرار گرفته در صحنه نمایش می‌توانند از افراد در برابر دود ناشـی از حریق محافظت کنند. پس از این تحقیقات، در تالارها و سالن‌های نمایش مختلفی بازشوهای سقفی نصب گردید اما زمان زیادی لازم بود تا این بازشوها به‌درستی عمل کنند. تا اینکه در حادثه حریق در پالاس تئاتر شهر ادینبرگ در سال ۱۹۱۱ این بازشوها دقیقاً همان‌طور که انتظار می‌رفت، عمل کردند.

امروزه علاوه بر این بازشوها که برای تخلیه طبیعی دود مورداستفاده قرار می‌گیرند، نگرش‌های مختلفی برای طراحی سامانه کنترل دود در فضاهای بزرگ وجود دارد. منظور از فضای بزرگ، فضایی است که حداقل در دوطبقه از ساختمان امتداد پیدا می‌کند؛ مانند آتریوم‌ها، سالن‌های ورزشی و آشیانه‌های هواپیما اصطلاح آتریوم برای این فضاهای بزرگ مختلف استفاده می‌شود.

سناریوهای طراحی سیستم های کنترل دود آتریوم

منظور از سناریوی طراحی یک طرح اجمالی از رویدادها و شرایط مهم مختلف به‌ منظور تعیین کردن نتیجه حاصل از موقعیت‌ها یا طراحی‌های مختلف اسـت. به‌ عبارت‌ دیگر در سناریوهای طراحی به بررسی و مطالعه طرح‌ها و عوامل تأثیرگذار مختلف بر روی عملکرد سامانه کنترل دود پرداخته می‌شود. سناریو طراحی علاوه بر موقعیت حریق و نرخ حرارت آزاد شده، می‌تواند شامل شرایط و مشخصات دیگر مانند مواد سوختنی، شرایط آب‌ وهوایی، مشخصات سامانه تهویه مطبوع و باز و بسته بودن درب‌های مختلف نیز باشد. به‌ منظور ایجاد سطحی از اطمینان نسبت به عملکرد مناسب سامانه کنترل دود، باید در تحلیل‌ها و طراحی سامانه کنترل دود، سناریوهای طراحی مختلفی گنجاند.

طراحی حریق باید بر اساس شرایط واقعی انجام گردد. به‌ طورکلی تحلیل‌های طراحی باید شامل طراحی حریـق در داخل آتریوم و در فضاهای مرتبط با آتریوم باشـد. فضاهـای مرتبط با آتریوم، فضاهایی هستند که حداقل دارای یک مسیر باز با آتریوم هستند و در صورت وقـوع حریق داخل آتریوم یا داخل فضای مرتبط، دود ناشی از حریق بدون برخورد با موانع مابین دو فضا حرکت کرده و منتقل می‌شود. این فضاها در شکل زیر نمایش‌ داده‌ شده‌اند. همان‌طور کـه در شکل مشـاهده می‌گردد، فضاهای جدا از آتریوم، فضاهایی هستند که با استفاده از موانع دود از فضای اصلی آتریوم جدا شده‌اند. منظور از مانع دود یک جداره پیوسته عمودی یا افقی است که به‌ منظور جلوگیری از حرکت دود در کنار سامانه کنترل دود طراحی ساخته شده اسـت. حرکت و انتقـال دود از طریق این موانع را می‌توان به‌ وسیله ایجاد فشار مثبت و یا صرفاً جداسازی فضاها کنترل نمود. 

ستون دود برخاسته از آتش اصطلاحاً پلوم دود نامیده می‌شود. رایج‌ ترین رویکرد کنترل دود در آتریوم‌ها، تخلیه دود است اما از سـایر رویکردها نیز می‌توان بهره برد. فارغ از نوع رویکرد کنترل دود، به علت شدت آتش، ساکنین تا شعاع خاصی می‌توانند به حریق نزدیک شـوند. به‌ منظور تعیین حداقل فاصله‌ای که یک فرد می‌تواند بدون ابتلا به دردهای غیرقابل‌ تحمل، دقایقی را دوام آورد.

در شکل زیر حریق داخل آتریوم، ستون دود برخاسته از آن و لایه دود ایجادشده، نمایش‌داده‌شده است. 

معمولاً در سناریوهایی که موقعیـت حریق در داخل آتریوم فرض شده است، نمی‌توان اثرات اسپرینکلرها را در نظر گرفت. در فضاهای با ارتفاع سقف زیاد، دمای دود برخاسته از حریق به‌ شدت کاهش‌ یافته و این امر سبب عدم فعالیت اسپرینکلرها یا تأخیر زیاد در فعال‌ شدن آنها می‌شود. همان‌ طور که در شکل زیر مشـاهده می‌شود، دود ناشی از حریق در فضاهای مرتبط با آتریوم می‌تواند وارد آتریوم شود و از زیر لبه سقف بالکن به سمت بالای آتریوم حرکت نماید. جریان دودی که از زیر سقف بالکن‌های متصل به آتریوم حرکت کرده و بالا می‌رود، اصطلاحاً پلوم دود سـرریز شده یا بالارونده از لبـه بالکن نامیده می‌شود. در این شکل در بخش‌هایی از بالکن‌های طبقات فوقانی، موانع دود نمایش‌ داده‌ شده است. نکاتی که در خصوص حداقل فاصله افراد با حریق عنوان گردید در اینجا نیز کاربرد دارند. عموماً در سناریوهایی که فضاهای مرتبط با آتریوم مورد حریق واقع می‌شوند، مفروض است که با فعال‌شدن اسپرینکلر رشد حریق متوقف می‌شود.

دود ناشی از حریق کاملاً توسعه‌ یافته به آتریوم منتقل شده و سبب ایجـاد جریان دود در راستای پنجره‌ها و جداره‌های طبقات فوقانی می‌شود. جریان دودی که در راستای دیوارها و پنجره‌های متصل به آتریوم حرکت کرده و بالا می‌رود، اصطلاحاً پلوم دود پنجره‌ای" نامیده می‌شود. اگر اسپرینکلرها و سامانه اطفاء حریق به‌ درستی عمل کند، حریق به مرحله کاملاً توسعه‌ یافته نخواهد رسید. با توجه‌ به اینکه اغلب ساختمان‌های جدید غیرمسکونی در ایالات متحده تحت پوشش کامل شـبکه بارنده هستند، سناریوهای طراحی با درنظرگرفتن حریق کاملاً توسعه‌ یافته در آنجا چندان رایج نیست. در کشورهایی که اجرای ساختمان‌ها با پوشش کامل شبکه بارنده چندان رایج نیست، در سناریوهای طراحی می‌توان حریق کاملاً توسعه‌ یافته را در نظر گرفت. با این‌ حال در مواقعی که مالکین و کارفرمایان پروژه‌های ساختمانی سطح بالایی از حفاظت سامانه کنترل دود را طلب می‌کنند، باید در سناریوهای طراحی حریق کاملاً توسعه‌ یافته را در نظر گرفت. همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌گردد.

رویکردهای طراحی سیستم تخلیه دود آتریوم

رویکردهای مختلفی که در طراحی سامانه کنترل دود آتریوم‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند، عبارت‌اند از:

• تجمع طبیعی دود در آتریوم
• تخلیه مکانیکی و پایای دود
• تخلیه مکانیکی و ناپایای دود
• تخلیه طبیعی و پایای دود
• تخلیه طبیعی و ناپایای دود

در کنار رویکردهای فوق می‌توان از ایجاد جریان هوا به‌ منظور کنترل دود نیز بهره برد اما با توجه‌ به اینکه جریان هوا، پتانسیل فراهم‌ کردن هوای احتراق برای حریق را ایجاد می‌کند، باید با دقت از این روش استفاده نمود.

تخلیه دود از طریق پلنوم‌های داخل سقف کاذب توصیه نمی‌شود. فشـارهایی که به‌ واسطه جریـان هـوای تخلیه داخل پلنوم و سقف کاذب ایجاد می‌شود ممکن است سبب بر خواستن تایل‌های سقف کاذب از قاب‌های خود شود. تغییر وضعیت تایل‌های سقفی ممکن است سبب بروز اثرات منفی بر روی عملکرد سامانه تخلیه دود شـود. از طرف دیگر این امر سبب افزایش چشمگیر خرابی سقف‌های کاذب در حین انجام آزمایش‌ها و تست‌های دوره‌ای سامانه کنترل دود می‌شود و پس از انجام آزمایش‌ها باید به تعمیر و بازسازی سقف کاذب پرداخت.
مقصود اغلب رویکردهای طراحی جلوگیری از قرارگرفتن افراد و ساکنین در معرض دود است. ایده کلی کنترل دود در این فضاها حفظ ضخامت لایه دود و جلوگیری از پایین آمدن آن تا ارتفاع مشخص شده‌ای است. معمولاً در ضوابط و استانداردها مقدار این ارتفاع مشخص شده است. این ارتفاع بین 6 تا 10 فوت (1.83 متر تا 3.05) فراتر از بالاترین سطحی است که افراد در آنجا حضور داشته. یا مسیر عبور آن‌ها است. به‌ا ین‌ ترتیب فضای مورد نیاز جهت خروج افراد از آتریوم ایجاد می‌شود.
مقصود سایر رویکردهای طراحی حفظ شرایط ایمنی در مواقع قرارگرفتن افراد در معرض دود است. زمانی که محصولات احتراق به‌ اندازه کافی رقیق شده باشند، دود رقیق شده منجر به ازبین‌رفتن شرایط ایمنی افراد نمی‌شود. معمولاً در زمان تحلیل شرایط ایمنی و تاب‌آوری افراد باید مخاطرات ناشی از کاهش میدان دید، قرارگرفتن در معرض گازهای سمی گرما و حرارت تشعشعی را در نظر گرفت.

تجمع طبیعی دود در آتریوم

در این رویکرد امکان حرکت دود به قسمت‌های فوقانی آتریوم فراهم شده است و در آنجا تجمع پیدا می‌کند. در این رویکرد هیچ‌ گونه تخلیه دود طبیعی و مکانیکی از آتریوم در نظر گرفته نمی‌شود در برخی فضاها زمان تجمع دود با درنظرگرفتن مشخصات حریق طراحی شده از زمان مورد نیاز برای تخلیه نفرات بیشتر است. زمان تجمع دود، مدت‌ زمان بین شروع احتراق تا رسیدن دود به ارتفاع مورد نظر است. ازآنجا که در این رویکرد به فضای خالی بسیار زیادی بالاتر از آخرین طبقه آتریوم نیاز است، معمولاً در ساختمان‌های محدودی می‌توان از آن استفاده کرد. از کلیه روش‌های محاسباتی و تحلیلی که در ادامه ارائه می‌شوند برای طراحی سامانه کنترل دود با استفاده از ین رویکرد می‌توان بهره برد. در محاسبات زمان تخلیه نفرات باید زمان مورد نیاز جهت شناسایی و تأیید و مشخص‌ کردن حادثه و زمان پیش جابه‌جایی نفرات در نظر گرفته شود.

تخلیه مکانیکی و پایای دود در آتریوم

این رویکرد رایج‌ترین رویکرد کنترل دود آتریوم‌ها در آمریکای شمالی است. در این سامانه به‌ منظور جلوگیری از رسیدن لایه دود ناشی از حریق طراحی شده به ارتفاع مشخص و قرارگرفتن افراد در معرض آن، دود به‌ صورت مکانیکی از قسمت فوقانی آتریوم تخلیه می‌گردد.

تخلیه مکانیکی و ناپایای دود در آتریوم

در ایـن رویکرد نیز به‌ منظور جلوگیری از افزایش ضخامت لایه دود و رسیدن آن به ارتفاع مشخص و قرارگرفتن افراد در معرض دود از قسمت فوقانی آتریوم دود به‌ صورت مکانیکی تخلیه می‌گردد. دبی هوای تخلیه در این رویکرد کمتر از رویکرد قبلی است و فقط سرعت افزایش ضخامت لایه دود و تنزل آن را کاهش داده و این امر فرصت خروج افراد و ساکنین ساختمان را از فضاها فراهم می‌کند. در این روش نیز باید تا زمان تخلیه ایمن نفرات از بالاترین طبقه، حداقل ارتفاع موردنظر حفظ شود. همچنین ملاحظاتی که در خصوص محاسبه زمان موردنیاز جهت تخلیه نفرات در رویکرد تجمع طبیعی دود در آتریوم نیز باید در نظر گرفته شوند.

تخلیه طبیعی و پایای دود در آتریوم

استفاده از این روش تخلیه دود به حادثه حریق رینگ تئاتر در سال ۱۸۸۱ بازمی‌گردد. استفاده از این رویکرد در ایالات متحده چندان رایج نیست اما در اروپا، استرالیا، نیوزلند و ژاپن رایج است. برخلاف دو رویکرد قبلی، در این روش به‌جای فن‌های اگزاست و تخلیه، از بازشوهای دود در قسمت فوقانی آتریوم استفاده می‌شود. ازآنجا که در این روش دود به‌ واسطه نیروی شناوری تخلیه می‌شود، این روش اصطلاحاً تخلیه ثقلی نیز نامیده می‌شود. دبی دود عبوری از بازشـوها باید مقداری باشـد تا ضخامت لایه دود ناشی از حریق طراحی شده را به‌ صورت نامحدود بالاتر از ارتفاع مشخص شده حفظ نماید. موارد پیشین که در خصوص ارتفاع مشخص شده عنوان گردید در اینجا نیز باید در نظر گرفته شـوند. جهت تخمین دبی جرمی پایای عبوری از بازشـوهای طبیعی رابطه‌ای وجود دارد که در ادامه ارائه خواهد شد. جهت تحلیل سامانه‌های تخلیه طبیعی دود توصیه می‌گردد که از مدل‌های دینامیک سیالات محاسباتی و شبیه‌ سازی عددی استفاده گردد.

تخلیه طبیعی و ناپایای دود در آتریوم

این رویکرد مشابه مورد قبلی بوده، با این تفاوت که در این رویکرد دبی هوای تخلیه به‌ اندازه‌ای است که صرفاً سبب کاهش سرعت ازدیاد ضخامت لایه دود و پایین آمدن آن شـده و زمان موردنیاز برای خـروج ایمن نفرات از بالاترین طبقـه آتریوم را فراهم می‌نماید. در این روش نیز باید تا زمان تخلیـه ایمن نفرات از بالاتریـن طبقه، حداقل ارتفاع موردنظر که در بخش‌های قبلی به آن پرداخته شـد، حفظ شود. همچنین موارد پیشین که در خصوص ارتفاع مشخص شده عنوان گردید، در اینجا نیز باید در نظر گرفته شـوند. جهت تحلیل سامانه‌های تخلیه طبیعی دود توصیه می‌گردد که از مدل‌های دینامیک سیالات محاسباتی و شبیه‌سازی عددی استفاده شود. علاوه بر این ملاحظاتی که در خصوص محاسبه زمان موردنیاز جهت تخلیه نفرات در رویکرد تجمع طبیعی دود در آتریوم ارائه شده، در اینجا نیز باید در نظر گرفته شوند.

روش‌های تحلیل و طراحی سامانه‌های کنترل دود آتریوم

از روش‌های تحلیل با استفاده از روابط جبری، مدل‌سازی ناحیه‌ای حریق، مدل‌سازی با دینامیک سیالات محاسباتی و مدل‌سازی در مقیاس آزمایشگاهی می‌توان در تحلیل و طراحی سامانه‌های کنترل دود آتریوم استفاده کرد.

• روابط جبری طراحی سامانه‌های کنترل دود آتریوم

در تحلیل سامانه کنترل دود آتریوم از روابط جبری مختلفی استفاده می‌شود. برخی از این روابط بر اساس اصول بنیادین مهندسی و برخی دیگر بر اساس روابط تجربی حاصل از نتایج آزمایش‌ها به‌ دست‌ آمده‌اند. روابط تجمـع دود، تخلیه طبیعی دود و سـرعت دبی عبوری جهت جلوگیری از برگشـت دود برای تحلیل تخلیه مکانیکی و پایای دود ارائه شده است و این روابط بر اساس مفاهیم مدل حریق ناحیه‌ای که در بخش بعدی ارائه شـده، به دست می‌آیند. قرارگرفتـن افراد در معرض دود در ناحیه انتقالی لایه، در سامانه‌های طراحی شده بر اساس روابط جبری ارائه شده باید در نظر گرفته شوند.

• مدل‌سازی حریق ناحیه‌ای طراحی سامانه‌های کنترل دود آتریوم

در حریق آتریوم دود ناشی از حریق به سمت بالا حرکت کرده و همچنان که به سمت بالا حرکت می‌کند هوای اطراف را نیز با خود همراه می‌سازد. جریان ستونی دود برخاسته از حریق اصطلاحاً پلوم و هوایی که وارد پلوم شـده با آن همراه می‌گردد اصطلاحاً هوای همراه دود نامیده می‌شود. زمانی که پلوم دود به سقف آتریوم می‌رسد، حرکت عمودی جریان دود به حرکت افقی تبدیل شـده و در زیر سـقف جت سقفی تشکیل می‌دهد. این موضوع در شکل زیر نمایش داده شـده اسـت.

همچنین در شکل زیر تصویری از مدل ناحیه‌ای ایده‌آل حریق آتریوم نمایش داده شده است.

مدل‌های حریق ناحیه‌ای مدل‌های ساده‌ای هستند که فضای حریق را به دو ناحیه لایه دود و لایه پایینی عاری از دود و محصولات احتراق تقسیم می‌کنند. بر اساس جرم ورودی یا خروجی از لایه دود ابعاد لایه دود تغییر پیدا می‌کند. در حریق واقعی دما و غلظت آلاینده‌ها در لایه دود متغیر است و بالاترین مقادیر در نزدیکی سقف و قسمت فوقانی لایه دود قرار گیرند. در حریق‌های واقعی یک ناحیه انتقالی تدریجی بین ناحیه دود و ناحیه پایینی عاری از دود وجود دارد.
در مدل حریق ناحیه‌ای دمـا و غلظت آلاینده‌های لایه دود به‌صورت یکنواخت در نظر گرفته می‌شود. به‌رعبارت‌ دیگر دما و غلظت آلاینده دقیقاً برابر با سایر نقاط لایه دود است. در مدل‌های حریق ناحیه‌ای ناحیه انتقالی شبیه‌ سازی نمی‌شود. با این‌ حال قسمت زیرین لایه دو همانند یک صفحه افقی به‌ عنوان سطح مشترک لایه دود شبیه‌ سازی می‌شود. مدل‌ سازی ناحیه‌ای چند سانتی‌متر از سطح مشترک لایه دود هوا و ناحیه عاری از دود را در نظر می‌گیرد. ساکنین و افرادی که در لایه پایینی و نزدیک سطح مشترک لایه دود قرار گرفته‌اند ممکن است دقیقاً در ناحیه انتقالی و در معرض مقداری دود قرار گرفته باشند. متأسفانه مدل‌های ناحیه‌ای حریق و روابط جبری ارائه شده را نمی‌توان جهت ارزیابی این موضوع استفاده کرد. معمولاً اغلب مواقع فرض بر این است که شرایط ایمنی در ناحیه انتقالی برقرار باشد. از مدل‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می‌توان به‌ منظور ارزیابی شرایط ایمنی در این ناحیه استفاده کرد.
مدل‌های حریق ناحیه‌ای زمان مورد نیاز جهت رسیدن پلوم دود به زیر سقف را محاسبه نمی‌کنند. این تأخیر زمانی در فضاهای کوچک ناچیز اما در یک آتریوم قابل‌ توجه است. مدل‌های حریق ناحیه‌ای جریان پلوم دود را شبیه‌سازی نمی‌کنند اما با استفاده از برخی روابط تجربی دما و دبی جرمی پلوم دود را محاسبه می‌نمایند. با وجود کلیه این محدودیت‌ها مدل‌های حریق ناحیه‌ای همچنان به‌ عنوان کاربردی‌ ترین ابزار در تحلیل بسیاری از سامانه‌های کنترل دود آتریوم‌ها شناخته می‌شوند. 

• مدل‌سازی با دینامیک سیالات محاسباتی طراحی سامانه‌های کنترل دود آتریوم

دینامیک سیالات محاسباتی عبارت است از گسسته‌ سازی و تقسیم فضای هندسه مورد نظر مانند یک آتریوم، به تعداد بسیار زیادی سلول کوچک و استفاده از یک برنامه کامپیوتری جهت حل معادلات حاکم در هر سلول. دینامیک سیالات محاسباتی از توانایی بالایی در انجام شبیه‌ سازی‌های واقع‌گرایانه برخوردار است. با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی می‌توان پلوم دود، جت سقفی، لایه دود و ناحیه انتقالی و سایر پدیده‌ها را به‌ دقت شبیه‌سازی کرد. این مدل‌ها در شبیه‌سازی پلاگ هولینگ و اثرات منفی سرعت جریان هوای تازه بر روی پلوم دود نیز کاملاً توانمند هستند.

مدل‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی به سطح بالایی از دانش و تجربه، فراتر از مدل‌سازی ناحیه‌ای حریق نیاز دارد. همچنین این روش مدل‌سازی بسیار زمان‌بر است و به چندین ساعت یا چندین روز محاسبه کامپیوترهای بسیار پیشرفته نیاز دارد. 

• مدل‌سازی در مقیاس آزمایشگاهی طراحی سامانه‌های کنترل دود آتریوم

مدل‌سازی در مقیاس آزمایشگاهی از توانایی بالایی در انجام شبیه‌سازی‌های واقع‌ گرایانه برخوردار است. در این روش مدل‌سازی تست‌های دود و حریق مختلف بر روی یک مدل کوچک آتریوم در آزمایشگاه انجام شده و نتایج حاصل از تست‌ها بر اساس روابط ریاضی برای آتریوم با ابعاد واقعی تعمیم داده می‌شوند.

محاسبه دمای آتریوم در طراحی سامانه‌های کنترل دود آتریوم

در سامانه‌های کنترل دود آتریوم با استفاده از تخلیه مکانیکی دود، به دلیل آنکه حجم هوای تازه جبرانی به آتریوم زیاد است، دمای هوای قرارگرفته در زیرلایه دود سریعاً به دمای هوای خارج نزدیک می‌شود. در تحلیل‌های طراحی سامانه‌های کنترل دود آتریوم با استفاده از تخلیه مکانیکی، دمای محیط آتریوم را باید برابر با دمای هوای خارج در نظر گرفت. با افزایش دمـای گاز، چگالی گاز کاهش پیدا کرده و جهت ثابت ماندن دبی جرمی عبوری، باید دبی حجمی افزایش یابد.فن‌های تخلیه اتریوم باید بر اساس حداکثر دبی حجمی موردنیاز جهت کنترل دود در شرایط طراحی انتخاب شوند. حداکثر دبی حجمی مورد نیاز معمولاً در شرایطی رخ می‌دهد که دمای محیط آتریوم برابر با دمای هوای خارج در تابستان قرار داده شـود. از همین رو ظرفیت این فن‌ها باید در شرایطی که دمای محیط آتریوم برابر با دمای هوای خارج در فصل تابستان است، تعیین شوند.

حداقل ضخامت لایه دود در طراحی سامانه‌های کنترل دود آتریوم

حداقل ضخامت لایـه دود باید برابر با ۲۰ درصد ارتفاع کف تا سقف فضا در نظر گرفته شـود، مگر اینکه نتایج تحلیل‌های مدل‌سازی در ابعاد واقعی، مدل‌سازی در ابعاد آزمایشگاهی یا شبیه‌سازی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی بیانگر مطلب دیگری باشند. در شکل زیر شکل‌گیری حداقل ضخامت لایه دود نمایش داده شـده اسـت. زمانی که دود برخاسته از حریق (پلوم دود) به سقف فضا می‌رسد، از نقطه بخورد به‌ صورت شـعاعی حرکت کرده جت سقفی را شکل می‌دهد. وقتی جت سقفی به یک دیوار برخورد می‌نماید، دود به سمت پایین حرکت کرده و مجدداً در زیرلایه جت سـقفی برگشـت پیدا می‌کند. معمولاً جت سقفی ۱۰ درصد و جریان دود زیر جت سقفی نیز ۱۰ درصد از ارتفاع کف تا سقف فضا را به خود اختصاص می‌دهند؛ بنابراین حداقل ضخامت کل لایه دود برابر با ۲۰ درصد ارتفاع کف تا سقف فضا در نظر گرفته می‌شود.

محاسبه هوای تازه جبرانی سامانه‌های کنترل دود آتریوم

هوای تازه جبرانی یا با استفاده از بازشوها به‌صورت طبیعی و یا با استفاده از فن‌های هوای تازه به‌ صورت مکانیکی وارد آتریوم می‌شود. در خصوص سامانه‌هایی که با استفاده از فن‌های اگزاست به تخلیه مکانیکی فضا می‌پردازند، هوای تازه جبرانی یا به‌ صورت مکانیکی و یا به‌صورت طبیعی تأمین می‌گردد. به‌منظور جلوگیری از تجاوز نیروی مورد نیاز بازکردن درب‌ها از حداکثر مجاز و امکان ایجاد دبی مورد نیاز فن تخلیه دود بر اساس شـرایط طراحی، هوای تازه جبرانی باید به‌اندازه کافی تأمین گردد. جهت جلوگیری از ایجاد آشفتگی و از بین‌ بردن لایه دود، هـوای تازه جبرانی باید به‌ اندازه کافی از لایه دود فاصله داشته باشد.
در سامانه‌هایی که هوای جبرانی از طریق بازشوهای هــوای تازه و به‌ صورت طبیعی تأمین می‌گردد، بخشی از آن از طریق مسیرهای نشتی وارد آتریوم می‌شود. بازشوهای بزرگ مانند دریچه‌های تخلیه هوا، درب‌ها و پنجره‌ها، باید به‌ صورت خودکار و با فرمان فعال‌سازی سامانه کنترل دود باز شـوند. مسیرهای نشتی شامل ترک‌های جداره‌ها، درزهای دور درب‌ها و پنجره‌های بسته و سایر مسیرهای کوچک مشابه آن می‌شود. ابعاد بازشوهای بزرگ باید به‌ اندازه باشد که توانایی تأمین 85 تا 95 درصد کل هوای جبرانی را داشته باشد و مابقی هوای جبرانی (5 تا 15) درصد باقی‌مانده از طریق مسیرهای نشتی تأمین می‌شود.
در سامانه‌هایی که هوای جبرانی از طریق فن‌های مکانیکی و به‌ صورت اجباری تأمین گردد، هوای تازه جبرانی باید کمتر از نرخ دبی جرمی فن‌های تخلیه مکانیکی باشد. ازاین‌رو توصیه می‌شود که هوای جبرانی 85 تا 95 درصد هوای تخلیه باشد. فرض می‌شود که باقی‌ مانده هوای تازه جبرانی (5 تا 15) درصد از طریق مسیرهای نشتی وارد آتریوم شده و از به‌ وجود آمدن فشار مثبت در داخل آتریوم جلوگیری می‌نماید.
در جایی که جریان هوای جبرانی با پلوم دود برخورد می‌کند نباید بیش از 1.02 متر بر ثانیه (200 فوت بر دقیقه) سرعت داشته باشد، مگر اینکه تحلیل‌های مهندسی بیانگر عدم ایجاد تأثیرات منفی ناشی از سرعت‌های بالاتر جریان هوای جبرانی باشند. بر اساس مطالعات دلیل اصلی این محدودیت، جلوگیری از بروز تغییرات چشمگیر در حرکت طبیعی پلوم دود و ایجاد آشفتگی در لایه دود است. بروز تغییرات در پلوم دود و ایجاد شکست در آن سبب افزایش نرخ جریان هوایی می‌شود که با خود همراه می‌کند و این امر ممکن است منجر به شکست مأموریت سامانه کنترل دود شود. دلیل دوم این محدودیت سرعت، کاهش پتانسیل رشد و انتشار حریق به‌واسطه جریان هوا است.
محدودیت 1.02 سـرعت متر بر ثانیه (200 فوت بر دقیقه) در داخل فضاهای مرتبط با آتریوم و با ارتفاع یک طبقه که دارای پوشش کامل شبکه بارنده هستند، مطرح نیست؛ زیرا در شرایطی که اسپرینکلرها در مهار حریق موفق عمل کنند، پلوم هایی که در حریق آتریوم ایجاد می‌گردند، شکل نخواهند گرفت و رشد حریق نیز محدود خواهد شد. با این‌ حال هوای ورودی به فضای مرتبط با آتریوم، در مقطعی که فضای مرتبط به آتریوم می‌رسد، باید با محدودیت 1.02 متر بر ثانیه (200 فوت بر دقیقه) مطابقت داشته باشد. اگر هوای تازه جبرانی با سرعتی فراتر از محدودیت تعیین شـده، وارد فضای مرتبط شـود. این امر سبب شکل‌گیری یک جت هوایی، مشـابه اثر دیفیوزرهای سامانه تهویه مطبوع می‌شود. زمانی که این جت هوا به فضای آتریوم می‌رسد، سرعت آن باید تا 1.02 متر بر ثانیه (200 فوت بر دقیقه) یا کمتر کاهش پیدا کند؛ بنابراین در طراحی باید محاسبات مربوط به‌ سرعت جت هوای ورودی در نقطه‌ای که به آتریوم می‌رسد نیز گنجانده شود. در مواقعی که هوای جبرانی با استفاده از بازشوهای هوای خارج تأمین گردد، لازم است که در تحلیل‌های طراحی سامانه کنترل دود اثرات ناشی از وزش باد، مورد بررسی قرار می‌گیرند.

اثرات وزش باد در طراحی سامانه‌های کنترل دود آتریوم 

سامانه‌های کنترل دود آتریوم باید به نحوی طراحی شوند که اثرات منفی ناشی از وزش باد را به حداقل برسانند.

این اثرات منفی شـامل:

• تجاوز سـرعت جریان هوای جبرانی در زمان برخورد با پلوم دود از 1.02 متر بر ثانیه (200 فوت بر دقیقه)
• برگشت دود خروجی از دریچه‌ها و فن‌های تخلیه دود از طریق هوای جبرانی به داخل ساختمان می‌شود.

در مواقعی که دریچه‌های ورودی هوای جبرانی در جهات مختلف ساختمان قرار گرفته باشند، اثرات ناشی از وزش باد می‌تواند منجر بـه زیاد تر شدن سـرعت جریان‌های داخـل آتریوم از 1.02 متر بر ثانیه (200 فوت بر دقیقه) شـود. در این شرایط باد تمایل دارد که از دریچه‌های یک سـمت وارد ساختمان شده و از دریچه‌های سمت دیگر ساختمان خارج شود. یک رویکرد سـاده جهت به‌حداقل‌ رساندن اثرات وزش باد در داخل آتریوم، قراردادن کلیه دریچه‌های ورودی هوای جبرانی در یک سـمت از ساختمان است.

(دریچه های هوای جبرانی در یک سمت آتریم باشد.)

رویکرد ساده دیگر استفاده از فن‌های هوای جبرانی و تأمین هوا به‌ صورت مکانیکی است. در مواقعی که پیاده‌ سازی این روش‌ها امکان‌پذیر نباشد، باید تحلیل‌های دقیقی به‌ منظور بررسی اثرات ناشی از وزش باد معمول (با فرض سرعت و جهت رایج وزش) بر ساختمان انجام شـود. این تحلیل‌ها را می‌توان با استفاده از مدل‌سازی‌های شبکه‌ای و شبیه‌سازی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی اجرا نمود. دود می‌تواند با باد همراه شده و از دریچه‌های تخلیه دود به سمت دریچه‌های تأمین هوای جبرانی حرکت نماید.

راهکارهای سـاده در به‌ حداقل‌ رساندن چالش فوق

• دورکردن دریچه‌ها و بازشوهای تخلیه دود و تأمین هوای تازه تا حد ممکن.
• استفاده از جهت وزش باد رایج در تعیین موقعیت بازشـوها و دریچه‌های تخلیه دود و تأمین هوای جبرانی است؛ به‌ نحوی‌ که وزش باد سبب دورشدن دود از دریچه‌ها و ورودی‌های هوای جبرانی گردد.

در مواقعی که پیاده‌سازی این روش‌ها امکان‌پذیر نباشـد، باید تحلیل‌های دقیقی به‌ منظور بررسی اثرات ناشی از وزش باد بر ساختمان انجام شود. با استفاده آزمایش در تونل باد و شبیه‌سازی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی می‌توان پتانسیل برگشت دود به داخل آتریوم را بررسی نمود.

جلوگیری از پدیده پلاگ هولینگ در طراحی سامانه‌های کنترل دود آتریوم

پلاگ هولینگ پدیده‌ای است که در آن هوا از قسمت زیرین لایه دود توسط مکانیزم تخلیه دود مکش می‌شود. پلاگ هولینگ به‌ واسطه کاهشی که در عملکرد تخلیه دود ایجاد می‌کند. ممکن است منجر به عدم کارآمدی سیستم کنترل دود شود اما به‌سادگی می‌توان از بروز آن جلوگیری نمود. پلاگ هولینگ کاهش نرخ تخلیه لایه دود و در نتیجه افزایش سرعت پایین آمدنن لایه دود شده و خطرات بیشتری را برای ساکنین ایجاد می‌کند. بحث پلاگ هولینگ مخصوص سیستم تخلیه مکانیکی و پایای دود است. در شـکل زیر لایه دود در ارتفاع طراحی نمایش داده شده است اما به‌ واسطه پلاگ هولینگ، ضخامت لایه دود همچنان افزایش‌ یافته و به سمت پایین حرکت پیدا می‌کند. با افزایش ضخامت لایه دود، نیروهای شــــناوری لایه دود افزایش‌ یافته و پلاگ هولینگ کاهش پیدا می‌کند. سرانجام ضخامت لایه دود به‌اندازه کافی افزایش‌ یافته و به تعادل رسـد.ضخامت لایه دود ثابت باقی می‌ماند. همان‌طور که مشاهده می‌شود پدیده پلاگ هولینگ سبب پایین آمدن لایه دود از ارتفاع طراحی شده و شرایط ایمنی در آخرین طبقه را از بین می برد. نیروهای اصلی اثرگذار بر روی پدیده پلاگ هولینگ، نیروهای جنبشی ناشی از سیستم تخلیه دود و نیروهای شناوری لایه دود است. زمانی که نیروهای جنبشی بر نیروهای شناوری غلبه کنند، پلاگ هولینگ رخ خواهد و زمانی که نیروهای شناوری لایه دود غلبه کنند، پلاگ هولینگ رخ نمی‌دهد. نیروهای جنبشی به نرخ دبی هوای فن تخلیه دود و نیروهای شــــناوری به دما و ضخامت لایه دود بستگی دارند. وقتی این نیروها در قسمت مکش فن تخلیه دود به تعادل برسند، دبی هوای مکش شـده بدون بروز پلاگ هولینگ را با افزایش تعداد دریچه های تخلیه دود و کاهش دبی هوای عبوری از هر دریچه، می توان ایجاد کرد.