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Smoke control research

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Academic year: 2021

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(1)

https://doi.org/10.4224/20373747

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Smoke control research

(2)

Smoke

 Control Research

Gary Lougheed

Fire Research Program

National Research Council

Short Course  Smoke Control and Smoke Management May 26 ‐ 28, 2010 Carleton University, Ottawa, Ontario

(3)

Outline

• Sprinklers and smoke control.

– Office buildings. – Mercantile.

• Atrium smoke management.

– Exhaust effectiveness – plugholing. – Balcony spill plumes.

(4)

Outline

• Other smoke control research.

– Duct detection. – Cables in plenums. – Smoke movement algorithm. – Secondary suites.

• Future research.

(5)

Sprinklers and Smoke Control

• Smoke  control.

– An engineered system that includes all methods  that can be used singly or in combination to   modify smoke movement.

• Reduce production of smoke

– Automatic sprinklers, non‐combustible  construction materials.

• Mechanical systems.

– Produce pressure differences, exhaust smoke, 

(6)

Sprinklers and Smoke Control

• NFPA 13 expected performance.

– Automatic sprinkler system will control the fire. 

• Research projects.

– Sprinklers effective in extinguishing fire if water  spray reaches seat of fire. – Shielded fires.

(7)

Sprinklers and Smoke Control

• Initial project completed in 1994.

– Wood crib fires shielded by plywood. – Tests in large compartment and ten story tower. – Heat release rate reduced by > 50%. – Burned for up to 1 h. – Reduced temperatures and buoyancy forces. – High volumes of smoke produced.

(8)

Sprinklers and Smoke Control

• Initial project.

– Assumed high fire load. – Did such scenarios exist in office buildings?

• Second project completed in 1997.

– Determine typical shielded scenarios in office  buildings. – Open Plan Offices. – Simulate scenarios in full‐scale tests.

(9)

Sprinklers and Smoke Control

(10)

Sprinklers and Smoke Control

• Addressed by fire codes,

(11)
(12)
(13)
(14)

Sprinklers

 and Smoke Control

• Measurements.

– Heat release rate. – Temperatures. – CO and CO production. – Smoke obscuration.

(15)

Sprinklers and Smoke Control

re le a se  ra te  (kW)

(16)

Sprinklers and Smoke Control

Hea re le a se  ra te  (kW)

(17)

Sprinklers and Smoke Control

• Buoyant Smoke Flow (2001).

– To investigate smoke movement in atria for  sprinklered mercantile fires in communicating  spaces. – To provide a basis for a hazard analysis and an  evaluation of current design approaches for  smoke management.

(18)

Sprinklers

 and Smoke Control

• Test facility.

– Room adjacent to  atrium. – 5 m x 9.2 m x 6.4 m  high. – Four sprinklers ordinary  hazard. – Application density 4.1,  6.1 and 8.1 mm/min. – Smoke exhaust.

(19)

Sprinklers and Smoke Control

• Test facility.

– Application density 4.1,  6.1 and 8.1 mm/min. – Steady and t‐squared  propane burner fires.

(20)

Sprinklers and Smoke Control

• Low Heat Release 

Rate

 ‐ non‐buoyant 

smoke.

• Heat release rate > 

250 ‐1000 kW –

buoyant

 smoke 

flow.

• Temperatures > 

100°C  ‐ additional 

sprinklers activates.

Figure 6. Temperatures in compartment opening.

0 1000 2000 3000 4000 5000 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 2.98 m 2.53 m 2.08 m 1.63 m 1.18 m 0.73 m

Heat Release Rate (kW)

0 1000 2000 3000 4000 5000 Temperatu re ( ºC) -20 0 20 40 60 80 100 120 140 2.98 m 2.53 m 2.08 m 1.63 m 1.18 m 0.73 m t-squared Steady

(21)
(22)

Sprinklers and Smoke Control

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Sprinklers and Smoke Control

Hea re le a se  ra te  (kW) Time (s) Hea re le a se  ra te  (kW) Time (s)

(25)
(26)
(27)

Atrium

 Smoke Management

• Maintain smoke layer  above design height  for design time.

(28)

Atrium

 Smoke Management

• Plugholing. – Air from below smoke  layer exhausted along  with smoke. – Decrease system  effectiveness.

(29)

Atrium

 Smoke Management

• Medium scale physical  model. – Varied fire size (15 – 800 kW),  height of inlet, number of  inlets (1 – 32). – Simulate situations with cold  air mixing with smoke exhaust. – Able to simulate with CFD 

(30)

Atrium

 Smoke Management

• Large scale tests.

– Multiple inlets – 16. – Single inlet.

(31)

Atrium

 Smoke Management

• Large scale tests. – Propane burner. – Fire sizes 250 kW to 5 MW. – Fire area varied to maintain  approximately 500 kW/m2.

(32)

Atrium

 Smoke Management

• Smoke exhaust efficiency. – Dependent on smoke depth  and smoke temperature. – For thin smoke layers,  improve efficiency by using  multiple inlets. – Locate inlets away from walls • High exhaust flow rates will  not produce thin smoke  layer. 

(33)

• NFPA 92B Requirements

– Choose minimum number of inlets such that maximum  volumetric flow rate for each inlet not exceeded. – Maximum flow rate (m3/s); – d = smoke layer depth, (m); – Ts = smoke layer temperature (K); – To = ambient temperature (K);

Atrium Smoke Management

(34)

Atrium

 Smoke Management

• Balcony Spill Plumes.

– Equation in early editions  of NFPA 92B. – Initially was not used for  sprinklered buildings. – With development of  sprinklered design fires  found to be dominant  scenario for high atrium.

(35)

Atrium Smoke Management

m = mass flow rate in plume (kg/s);Q = total heat release rate of the fire  (kW); • W = width of the plume as it spills under  the balcony (m); • zb = height above the underside of the  balcony to the smoke layer interface (m); • H = height of balcony above base of fire  • Several algebraic  equations developed  for balcony spill  plumes. • Based on 1:10 scale  physical model  experiments at BRE. • Equation used in NFPA  92B developed by Law.

(36)

Atrium

 Smoke Management

• Research. – Full‐scale model tests. – CFD modeling. • Smoke flow in balcony area. • Extend results to high atria. – Law’s correlation valid for low  smoke layer interface heights  (< 15 m above balcony). – New correlations developed  for higher smoke layer  interface heights.

(37)

Atrium Smoke Management

m = mass flow rate in plume (kg/s);Qc = convective heat release rate of the  fire (kW); • W = width of the plume as it spills under  the balcony (m); • zb = height above the underside of the  balcony to the smoke layer interface (m); • H = height of balcony above base of fire  • Smoke layer interface  height > 15 m. • Width of plume at  balcony edge < 10 m. • CFD modeling indicated  that line plumes such as  those formed by  balcony spill plumes  transition to 

(38)

Atrium Smoke Management

m = mass flow rate in plume (kg/s);Qc = convective heat release rate of the  fire (kW); • W = width of the plume as it spills under  the balcony (m); • zb = height above the underside of the  balcony to the smoke layer interface (m); • H = height of balcony above base of fire  (m). • W=w + b if draft curtains not used to  channel flow where w = width of opening  (m) and b = depth of balcony (m). • Smoke layer interface  height > 15 m. • Width of plume at  balcony edge >10 m. • Balcony plume remains  a line plume at higher  heights.

(39)

Atrium Smoke Management

• Make‐up air

– Current design requirements set a maximum  make‐up air velocity of 1 m/s at the plume. – Based on research into effect of wind on flames. – Flame tilt with airflow velocity > 1 m/s increases  smoke production. – Higher velocities can cause disruption of the 

(40)

Atrium Smoke Management

• Issue for designers

– To maintain a 40‐m clear height in a 50‐m tall atrium,  with a fire size of 1 MW, the mass flow rate of the smoke  exhaust should be 288.91 kg/s.   – With a make‐up air velocity of 1 m/s, the area of the  opening providing this air should be 347 m2.  – If this opening is put at ground level with a height of 3 m,  the length of the opening would be 115 m. – This may not be possible for many cases.

(41)

Atrium Smoke Management

• Research project

– To use a Computational Fluid Dynamics (CFD)  model to investigate the impact of make‐up air  velocity on smoke exhaust effectiveness; and  – To determine whether the 1 m/s make‐up air  criterion is too severe.

(42)

Atrium

 Smoke Management

• FDS Simulations.

– Opening one wall. – Smoke exhausted from  whole ceiling. – Flow rate calculated  using NFPA 92B to give  smoke layer interface  height of 80% ceiling  height. – Fire located different  distances from opening.

(43)

Atrium Smoke Management

Name Atrium 10 Atrium 20 Atrium 30 Atrium 50 Atrium 60

Dimensions 10x10x10 15x15x20 20x20x30 30x30x50 40x40x60 Distance from

opening, (m) 2.5 3.75 5.0 and 2.5 5.0 and 2.5 5.0 and 2.5 Height of smoke

(44)

Atrium Smoke Management

• 50 m high atrium.

• 1 MW fire 5 m from 

opening.

• Make‐up air 

velocity.

– 0.5 m/s – 1 m/s – 1.25 m/s – 1.5 m/s

(45)

Atrium Smoke Management

• 50 m high atrium.

• 2.5 MW fire 5 m from 

opening.

• Make‐up air 

velocity.

– 0.5 m/s – 1 m/s

(46)

Atrium Smoke Management

• 50 m high atrium.

• 5.0 MW fire 5 m from 

opening.

• Make‐up air 

velocity.

– 0.5 m/s – 1 m/s – 1.25 m/s – 1.5 m/s

(47)

Atrium Smoke Management

50‐m atrium 2.5 m      50‐m atrium 5 m

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 0.5 1 1.5 2 N o rmalized I n te rf ace H e ight 1 MW 2.5 MW 5 MW 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 0.5 1 1.5 2 N o rmalized I n te rf ace H e ight 1 MW 2.5 MW 5 MW

(48)

Atrium Smoke Management

• For all cases studied, increased make‐up air 

velocity lowers the interface height in the atrium. 

• The 1.0 m/s requirement is not conservative as it 

causes plume disturbance and lower interface 

heights.

  

• Effect of make‐up air similar at 1.25 m/s and in 

some

 cases 1.5 m/s to that at 1.0 m/s.

• More impact for atrium < 20 m in height.

• More research required to validate results and 

develop design tools for addressing effects of 

make‐up air velocities.

(49)

Other Smoke Control Research

• Duct Smoke Detection.

– Shutdown HVAC system earliest form of smoke  control. – Required by Codes. • Limit re‐circulation of smoke through building by HVAC  system. • Does not limit smoke movement through shafts and  ducts used for air management.

(50)

Other Smoke Control Research

• Duct Smoke Detection.

– Fire Detection Institute project. – Joint University of Maryland and NRC. – Issues. • Comparative driving forces. • Smoke aging and agglomeration.  • Dilution. • Effect of filters. • Smoke stratification. • Efficacy of sampling system.

(51)

Other Smoke Control Research

• Full‐scale tests  investigated each of  the issues. • Detection dependent  on smoke  concentration. • Should shutdown 

(52)

Other Smoke Control Research

• Communication Cable  in Ceiling Void.

• Build up of cables. • Return Air Plenum.

(53)

Other Smoke Control Research

• Canada . – FT4 CSA Test Method. – FT6 CAN/ULC S102.4. • US – CMP rating using  tunnel test. • Limit fire spread and  smoke production. JACKET – PVC INSULATION • POLYOLEFIN   • PVC

(54)

Other Smoke Control Research

• Plenum cable fire research.

– Cone calorimeter tests. • To assess flammability of used and new cables.  • Production of smoke and irritant gases – HCl and HF. – Medium scale  tests. • assess effect of hot air on cables. • Cables can produce additional smoke at temperatures  >400⁰C. 

(55)

Other Smoke Control Research

• Plenum cable fire research.

– Full‐scale tests. • Assess effect of fully‐developed fire in room below  plenum and potential fire spread. • Limited flame spread along cables. • Increase smoke production which can affect visibility. • Increased CO production which can increase risk of 

(56)

Other Smoke Control Research

• Network models.

– Since the 1970s, network models developed for  use in design of smoke control systems. – CONTAM developed in 1990s. – Do not include energy equation and temperature  assumed constant for all nodes of network. – Good for smoke control applications but cannot  model fire induced smoke movement.

(57)

Other Smoke Control Research

• Network models.

– Combination of zone models and network models. • Zone model determines smoke movement between  compartments near fire. • Data used as input into network model to calculate  smoke movement remote from fire. – New algorithm. • Combination zone and network model.

(58)

Other Smoke Control Research

• Secondary suites.

– 3 bedroom house. – Constructed area as  secondary suite in  basement. – Investigate smoke  movement between  suites by HVAC system. – Proposed code  requirements for  secondary suites.

(59)

Other Smoke Control Research

• Secondary suites.

– Polyurethane foam as  fuel. – Ignited with propane  burner. – Short duration fire  with peak. 

(60)

Other Smoke Control Research

• Detection times

– < 20 s in fire compartment. – 78 – 120 s if located in separate room in  basement. – 156 – 306 s in the first storey depending on the  setup of the HVAC system.

(61)

Other Smoke Control Research

• Smoke measurements

– Fire compartment, main floor (corridor and  bedroom), main entryway. – Smoke accumulation on main floor dependent  on setup of HVAC system. • HVAC system did affect smoke movement with earlier  detection and more smoke measured on main floor in  tests with system operating.

(62)

Other Smoke Control Research

• Smoke measurements.

– Smoke levels in fire compartment indicated  visibility could be affected in < 100 s. – Fire very under ventilated. • High CO (> 1%) and low oxygen (<6%) levels  measured. • Indicates incapacitation times <20 s if exit through fire  compartment.

• Second exit required.

(63)

Future Research

• Pressurized stair shafts with open doors.

– Modeling study indicated that as long as the doorway on the  fire floor is closed minimum pressure difference required to  protect stairwell for sprinklered fires. – Does one need to use pressure compensation systems? – Need experiments to confirm.

• Atrium make‐up air

– Initial study indicated make‐up air velocities of 1 m/s 

(64)

Future Research

• Long atria (malls, airport terminals, etc).

– Know smoke will become non‐buoyant with extended  horizontal propagation.  How far?  When are smoke  curtains required?

• Large atria.

– Is there a limit to the design equations? Height?  Area? – Very limited data.

(65)

Future Research

• Sprinklers in large volume areas.

– Can cause smoke logging. – Will this effect smoke control and evacuation?

• Fires under balcony.

– Limited research. – Difficult problem to model.

(66)

Summary

• Sprinklers and smoke control.

• Atrium smoke management.

• Other smoke control research.

• Future research.

Figure

Figure 6.  Temperatures in compartment opening.

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