طراحی و محاسبه اسپرینکلر با حل مثال

در این قسمت از این مقاله به به بررسی و محاسبات هیدرولیکی مورد نیاز طراحی سیستم های اسپرینکلر حه به دست آوردن دبی و فشار مورد نیاز آن خواهیم پرداخت که منتهی به  انتخاب بوستر پمپ آتش نشانی اسپرینکلر می شود ، در این بخش به دلیل گسترده بودن روند محاسبات از مفاهیم قرار گیری و نحوه لوله کشی اسپرینکلر ها صرف نظر شده و صرفا روند حل انجام محاسبات پیگیری می شود .

روند حل مسئله و  انجام  محاسبات هیدرولیکی اسپرینکلر

برای انجام و محاسبه اصولی و همچنین طراحی کارآمد سیستم اسپرینکلر و انتخاب بوستر پمپ آن 6 گام زیر به عنوان مبانی اصلی برای حل مسئله اسپرینکلر به ترتیب اهمیت مطرح می شود ، که بدست آن اوردن مجهولات هر گام به عنوان کلید گام بعدی می باشد که تا به سرانجام برسد

1- تشخیص کلاس پر خطر و طبقه بندی آن

در استاندارد های آتش نشانی NFPA چهار کلاس خطر برای ساختمان ها تعریف می شود که شامل :

• محیط کم خطر شامل : مسکونی ، اداری ، بیمارستان ها ، اماکن مذهبی و آموزشگاه می باشد ، حداکثر مساحت تحت پوشش که در هر طبقه با یک سیستم اسپرینکلر تحت پوشش قرار می گیرد 4830 متر مربع  معادل 5200 فوت مربع می باشد
• محیط های خطر معمولی : که قابلیت اشتعال مواد موجود درآن کم باشد مانند که اصولا به دو دسته گروه یک و دو تقسیم می شوند ولی کلا رستوران ها ، پارکینگ ها ، کارخانهای تولید لاستیک و مشابه و همچنین دفاتر پستی جز این محیط ها  هستند حداکثر مساحت تحت پوشش که در هر طبقه با یک سیستم اسپرینکلر تحت پوشش قرار می گیرد 4830 متر مربع  معادل 5200 فوت مربع می باشد
• محیط های پرخطر : که به دوسته پرخطر گروه یک و گروه دو تقسیم می شود – بخشی از ساختمان نرخ حرارت آزاد شده و همچنین گسترش حریق به دلیل مقدار و قابلیت اشتعال مواد موجود زیاد است مانند کارگاهای ریخته گری ، چابخانه ها هستند . حداکثر مساحت تحت پوشش که در هر طبقه با یک سیستم اسپرینکلر تحت پوشش قرار می گیرد 3716 متر مربع معادل 5200 فوت مربع می باشد

2- جانمایی اسپرینکلر ها در محیط :   

3- انتخاب و ترکیب لوله کشی مناسب :

سه روش لوله کشی و طرح واره های شبکه باران (اسپرینکلر ) در یک فضا به شرح زیر است :

• درختی : که 4 حالت مختلف دارد که از وسط یا انتها وارد شده و  شاخه شاخه می شود و روی هر شاخه تعداد اسپرینکلر  قرار می گیرد  
• حلقه ای : با ایجا یگ حلقه دورتا دور فضا از به صورت یک رینگ مستطیلی ، که از عرض یکی از مستطیل ها رایزر اصلی قرار گرفته و از لولهایی که در طول مستطیل رینگ شکل قرار گرفته اند شاخه هایی برای قرار گیری اسپرینکلر ها تعبیه می شود  
• شبکه ای : تقریبا مانند درختی است که در دوطرف فضا شاخته اصلی قرار گرفته و به صورت روبروی هم شاخه های اسپرینکلر برای پوشش دهی جانمایی می شود.

 4-محاسبه  مقدار آب خروجی از هر اسپرینکلر :

5- تعیین تعداد و محل دورترین اسپرینکلرها ( تا منبع سیستم از نظر هیدرولیکی ) که در هنگام حریق باز می شوند

6- شروع محاسبه از دورترین اسپرینکلر به سمت منبع به منظور کنترل و حصول اطمینان از تامین و دبی و فشار مورد نیاز در بحرانی ترین شرایط 

شروع محاسبات هیدرولیکی اسپرینکلر ها- محاسبه دبی اسپرینکلر ها

در واقع از مرحله 4 ام به بعد محاسبات طراحی اسپرینکلر ها برای محاسبه دبی و انتخاب بوستر پمپ ها شروع می شود که اولین مرحله آن محاسبه  مقدار آب خروجی از هر اسپرینکلر می باشد که سه روش برای آن تعریف می شود :

• الف- روش مساحت و چگالی
• ب-در صورت استفاده اسپرینکلر ویژه مقدار کمترین دبی  مربوط به آن خوانده می شود
• ج- استفاده از جداول مربوط به اسپرینکلر های ESFR و CMSA که در آن فشار مورد نیاز ذکر شده است

روش مساحت چگالی :

در این روش مقدار دبی تخلیه شده از بر واحد سطح تحت پوشش هر اسپرینکلر مد نظر می باشد که در سیستم های انگلیسی با GPM  بر فوت مربع  محاسبه می شود با استفاده از نمودار زیر که چگالی متناظر با نوع محیط خطر خود مشخص شده  و جدول مساحت تحت پوشش اسپرینکلر ها که در بالا بیان شده به محاسبه دبی خروجی از هر اسپرینکلر می پردازیم

برای تعیین دبی خروجی از هر اسپرینکلر ، با توجه به مشخص بودن کلاس خطر از روی کاربری فضا ؛ چگالی متناظر با محیط خطر که معمولا پایین ترین نقطه شرایط بهینه  طراحی را فراهم می کند از روی نمودار برداشت کرده و در مساحت تحت پوشش هر اسپرینکلر که در جدول زیر آمده است  ضرب می کنیم ، که نهایتا دبی خروجی از اسپرینکلر می باشد.

چگالی محیط های بر اساس نوع خطر رو صورت عدم داشتن جدول به شرح ذیل است :

• کم خطر:0.1
• خطر معمولی گروه یک :0.15
• خطر معمولی گروه دو :0.2
• پر خطر گروه یک  :0.3
• پر خطر گروه دو :0.4
  

نکته :  تمام مقادیر gpm بر فوت مربع می باشد.

• برای  مثال اگر اسپرینکلری در محیط کم خطر قرار گیرید دبی خروجی از هر اسپرینکلر چقدر می باشد

با مراجه به جدول مساحت تحت پوشش برای محیط کم خطر 225 فوت مربع مساحت تحت پوشش هر هر اسپرینکلر لذا خواهیم داشت :

•   که دبی خروجی از هر اسپرینکلر برای این فضای کم خطر معادل 22.5 gpm است .

روش دوم استفاده از مقادیر تعیین اسپرینکلر های ویژه :

بعضی از اسپرینکلر ها هستند تنها در شرایطی قابل استفاده هستند که بتوان مینیمم دبی مورد نیاز آن تعیین کرد  مانند اسپرینکلر هایی با کد C3180 که مقادر  K  آن برابر است با 5.6 و دبی خروجی آن 38 GPM می باشد از این اسپرینکلر ها برای اتاق های زیر شیروانی و فضاهایی مشابه استفاده می شوند.با اسپرینکلر هایی که به آن پوشش گسترده گفته شده با کد R6043 که مقدار K  آن 14 می باشد و قابلیت تحت پوشش فضای 18 در 18 فوت را دارند که دبی آن49  GPM می باشد

استفاده از جداول مربوط به اسپرینکلر های ESFR و CMSA:

در صورت استنفاده از اسپرینکلر های فوق ، NFPA طی جداولی با توجه به نوع ، ارتفاع و روش انبار کردن کالاهای تحت حفاظت سیستم اسپرینکلر  و بر اساس K فاکتور و کمترین فشار دبی خروجی هر اسپرینکلر را مشخص کرده که دبی خروجی از  رابطه زیر به دست می آید :

• که در آن دبی بر جسب GPM
• فشار بر حسب PSI
• K ضریب فاکتور می باشد.

ب – تعیین تعداد و محل دورترین اسپرینکلرها که در هنگام حریق باز می شوند

محاسبه این بخش و تعیین تعداد اسپرینکلرهایی که در هنگام حریق باز می شوند تعیین کننده دبی بوستر پمپ اسپرینکلرها آتش نشانی می باشد.که همانند مرحله قبل با  سه روش قابل محاسبه است

روش مساحت چگالی : همانطور که در قسمت با مراجه به نمودار و تعیین نوع گروه خطر ، چگالی متناظر با آن را خواندیم و نقطه پایینی را به عنوان فصل الخطاب شرایط بهینه طراحی قرار دادیم خواهیم داشت :

1.  مساحت عمکلرد برای محیط های کم خطر ، خطر معمولی گروه یک و دو برابر است با 1500 فوت مربع یا 139 متر مربع
2. مساحت عمکلرد برای محیط های پر خطر گروه یک و دو برابر است با 2500 فوت مربع یا 232 متر مربع
3. با معلوم بودن مساحت خای عملکرد هر اسپرینکلرها و در صورت جانمایی منظم و یکسان آنها ، از تقسیم مساحت عملکرد اسپرینکلرها به مساحت تحت پوشش هر اسپرینکلر ، تعداد اسپرینکلرهایی که در حریق باز می شوند به دست می آیند یعنی :

نکته :

1. اگر جواب فوق اعشاری باشد ، عد صحیح بزرگتر را انتخاب می کنیم
2.    در صورت استفاده از اسپرینکلرهای پوشش گسترده نباید تعداد اسپرینکلرها واقع در مساحت طراحی کمتر از 5 عدد در نظر گرفته شود

• مثال : دریک محیط کم خطر معمولی گروه تعدادی اسپرینکلر به صورت یکنواخت با ابعاد پوشش 10  در 12 فوت قرار گرفته اند.مطلوب است محاسبه تعداد اسپرینکلرهای باز شده در هنگام حریق :

حل :

تعیین عملکرد مساحت تحت پوشش اسپرینکلرها با توجه به محیط خطر که در اینجا خطر معمولی می باشد معادل 1500 فوت مربع می باشد پس :

مساحت طراحی یا design Area چیست ؟

قبل ورود به مرحله آخر طراحی اسپرینکلرها ، بخش مساحت طراحی یا همان مساحتی که اسپرینکلرهای باز شده درهنگام حریق رخ می دهد را می گویند ،که باید دورترین و بحرانی ترین مسیر از نظر هیدرولیکی به منبع آب بوستر پمپ باشد ،گرچه در بسیاری از طراحی ها دورترین اسپرینکلرها از بعد فاصله مکانی تا منبع دوترین فاصله هیدرولیکی می باشد و لی برای حصول اطمینان بیشتر حداقل محاسبات را برای سه بخش مخلتف انجام می دهند.

تا اینجا تعداد اسپرینکلرهایی که در هنگام حریق باز در مساحت طراحی قرار می گیرند را بررسی کردیم ، حال به تعیین شکل مساحت طراحی می پردازیم ، براساس NFPA بهترین مساحت طراحی باید به شکل مستطیلی که طول آن موازی با شاخه و عرض آن موازی با CROSS main  باشد و اندازه طول آن نیز برابر با :

محاسبه تعداد اسپرینکلرهاهای قرار گرفته در طول مستطیل از رابطه زیر به دست می آید :

 برای مثال قبل مطلوب است مساحت طراحی برای 13  اسپرینکلر  وتعداد قرار گرفتن روی هر شاخه را محاسبه کنید؟فاصله بین دو  اسپرینکلر  را 10 فوت و فاصله بین دو شاخه را 12 فوت بگیرید :

یعنی تعداد اسپرینکلر  های واقع برروی دورترین شاخه برابر با 5 عدد و همچنین 5 اسپرینکلر  هم روی شاخه ما قبل و 3 عدد باقیمانده روی شاخه قبلتر قرار میگیرد

مثال :

اسپرینکلری در یک انبار نصب شده ااست که هریک ابعاد 10 فوت در 10 فوت را پوشش می دهد ، اگر با توجه به نمودار نقطه 0.45 GPM و 2000  فوت  مربع انتخاب شده باشد ، مطلوب است مساحت طراحی ،فاصله بین دو اسپرینکلر ازهم روی یک شاخه را 10 فوت و فاصله دو شاخه را ازهم نیز 10 فوت در نظر بگیرید

یعنی از 20 عدد  اسپرینکلر به دست آمده در مساحت طراحی  3 شاخه که هر کدام 6 عدد اسپرینکلر را شامل شود و دو تا باقی مانده در مساحت طراحی لحاظ میکنیم

طراحی اسپرینکلر های ESFR و CMSA

طراحی این نوع اسپرینکلر ها رو با یک مثال کابردی به محاسبات هیدرولیکی آن خواهیم پرداخت با در نظر گرفتن شرایط زیر ،اصولا اسپرینکلر های ESFR و CMSA  در صورت داشتن محیا بودن شرایط زیر اجازه نصب و بهره بردای دارند:

• محیط کم خطیر معمولی گروه دو
• سیستم اسپرینکلر تر
• اسپری کننه واکنش سریع با K فاکتور 5.6
• ارتفاع سقف 10 فوت
• فاصله اسپرینکلر های یک شاخه از یکدیگر 10 فوت و فاصله شاخه ها 12 فوت

مقادیر دبی و فشار مورد نیاز را تعیین کنید

گام اول :

با توجه نوع میحط خطر که معمولی گروه دو است از نمودار مساحت چگالی مساحت 1500 فوت مربع با دبی 0.2 GPM  بر فوت مربع برداشت می شود با توجه به مساحت تحت پوشش هر اسپرینکلر که می شود 10 در 12 فوت خواهیم داشت :

با در نظر گرفتن k  فاکتور 5.6  و با استفاده از فرمول

گام دوم

تعیین تعداد و محل دورترین اسپرینکلر که درحریق باز می شود با توجه به استفاده از اسپرینکلرها QR  و ارتفاع سقف 10 فوت مجاز به کاهش فاصله تا 40 درصد مساحت طراحی هستیم پس :

تعداد اسپرینکلر باز شده برابر است با و تعداد اسپرینکلر های شاخه آخر  :