Slider Altına

Acil Durum Tünel Havalandırmasında Bölgesel Faktörlerin Sayısal Olarak İncelenmesi*

05 Ağustos 2015 Dergi: Ağustos-2015

Yazan: Efe Ünal, Aironn İklimlendirme Sistemleri San. ve Taahhüt A.Ş., Proje ve Ar-Ge Mühendisi

1. GİRİŞ

Açık karayollarında kaza olma olasılığı karayolları tünellerinde olma olasılığından çok daha fazladır. Fakat karayolları tünellerinde kaza olması durumunda oluşacak yangında veya oluşacak zehirli gazların etkisi açık karayollarından çok daha fazladır. Bunun sebebi ısının ve oluşan dumanın tünel içerisinde hapsolmasıdır. Tüneller içerisinden bu oluşan ısıyı ve dumanı tahliye etmek için 3 çeşit mekanik havalandırma sistemi bulunmaktadır. Bunlar boylamasına, enine ve yarı eninedir [1]. Boylamasına mekanik havalandırma sistemleriyle kirli havayı tünel çıkış portalından dışarı atılırken, taze havada giriş portalından tünel içerisine alınır. Bu tünel tavanına yerleştirilen jet fanların itki gücüyle sağlanır.

Tünel içerisindeki yangının etkisi yangının tünel içerisindeki pozisyonuna bağlıdır. Tünel girişine yakın bir yerde oluşacak bir kaza da çıkan yangının tahliyesi çıkışa yakın bir yerde çıkan yangından daha zordur. Buna ek olarak tünel geometrisi de yangının oluşturacağı sonuçları etkileyen faktörler arasındadır. Uzun tünellerde çıkan yangınlar daha tehlikeli olmaktadır. Tünel geometrisinin kavisli olması da olumsuz etkiler arasında yer almaktadır. Tünel havalandırma hesapları yapılırken tünel içerisinin belli bir oranda araçla dolu olduğu ön görülmektedir. Buda demek oluyor ki, yangın durumundaki tünel içerisindeki araç yoğunluğu yangın tehlikesini etkilemektedir. Bu araçlar hava akışına karşı bir güç oluşturacakları için duman tahliyesini zorlaştıracaklardır.

Doğal hava şartları da tünel hesaplamalarında önemli bir yer tutmaktadır. Havanın sıcaklığı ve nemi jet fan itki güçlerini etkileyecektir. Ayrıca araç akış yönünün aksine oluşacak rüzgâr, yangın anında dumanın tünel içerisinden tahliyesini zorlaştıran etkilerden biri olacaktır. 

Bu çalışmanın amacı tünel içerisinde yangın anında oluşacak ısının ve dumanın tahliyesinde karşı rüzgâr etkisinin incelenmesidir. Bu konudaki çalışma motivasyonumuz şöyledir. Tünel havalandırma hesapları yapılırken, bölgedeki rüzgâr değerlerinin bugüne kadar ki ortalama değerleri hesaba katılmaktadır. Kabul edilmelidir ki, rüzgâr kontrol edilemez. Bu sebeple hesaplananın aksine bir durumla karşılaşıldığında nasıl bir senaryo ortaya çıktığı incelenmek istenmiştir.

Hesaplanan ve hesaplanandan daha fazla bir ters rüzgâr etkisinin olması durumları için HAD analizleri yapılmıştır. Analizler sonucunda tünel içerisindeki görüş mesafesi, zehirli gaz konsantrasyonu ve üç boyutlu duman dağılımı değerleri karşılaştırılmıştır.

2. TÜNEL ÖZELLİKLERİ

2.1. Tünel Geometrisi

İncelenen tünel İstanbul’da Beykoz ile Kavacık ilçelerini birbirine bağlayan tek yönlü bir şehir içi tünelidir. Tünel geometrisi Şekil 1 de gösterildiği gibi kavisli olup A ve B portalı arasında mesafe 690 metredir. Dikey olarak incelendiğinde B ile A portalları arasında düzenli olarak % -1,5 eğim bulunmaktadır.

acil durum tünel havalandırması

Şekil 1: Tünel Plan görünümü ve ölçüsü

Tünel Şekil 2 gösterildiği gibi bir kesite sahiptir. Tünel yüksekliği 7,55 m iken genişliği 10,6 metredir. Tünel 4 metrelik 2 şeritten oluşmakta ve bu 2 şeritte aynı yönde ulaşıma hizmet etmektedir. Tünelin her iki tarafında da yaklaşık birer metrelik yürüyüş yolu bulunmaktadır. Acil durumda insanların kaçışı için yan tüpe geçişler bulunmaktadır fakat bu geçişler yangın kapıları ve duvar ile tünel geometrisi bozulmayacak şekilde inşa edilmiştir.

acil durum tünel havalandırması 

Şekil 2: Tünel Kesit görünüşü ve ölçüleri

2.2. Trafik Değerleri

Tünel içerisinde tünel birim uzunluğundaki araç sayısı 0.262 olarak kabul edilmiştir. Tünel içerisindeki ağır taşıt/hafif taşıt oranı 0.3 olarak ele alınmıştır. Yasal olarak tünel içerisindeki hız sınırı 60 km /h olarak belirlenmiş ve bu sebep ile daha yüksek hızlar cezalarla azaltılmaya çalışılmıştır.

2.3. Havalandırma Sistemi

Tünel havalandırmasının boylamasına havalandırma sistemi kullanılarak yapılmasına karar verilmiştir. Havalandırma sistemi için 5 çift aksiyal jet fan tünel tavanına yerleştirilmiştir. İlk aksiyal jet fan çifti tünel girişi olan B portalından 110 m mesafeye yerleştirilmiştir. Diğer aksiyal jet fan çiftleri ise 120 m ara ile tünel boyunca yerleştirilmiştir. Aksiyal jet fanların yerleri Şekil 3 de siyah çemberlerle gösterilmiştir. Bu ölçü belirlenirken aksiyal jet fanların birbirlerinin akışlarını etkilememesine dikkat edilmiştir. Her bir jet fanın maksimum çıkış hızı 32,5 m/s ve debisi ise 39,7 m3/s’dir. Operatörlerin yangının hemen fark ettiğini ve jet fanlarını bununla beraber tam kapasite çalıştırdığını ön görülmüştür.

2.4. Yangın Senaryosu

HAD simülasyonu tünel içerisinde oluşacak değişik yangın senaryoları için yapılabilir.  Örneğin tünel içerisinden geçen araba, otobüs, petrol tankeri gibi araçların tünel içerisindeki değişik pozisyonları için yanma senaryoları oluşturulabilir. Bu yapılan çalışmada tünel içerisinden geçen petrol tankerinin tünel girişi B portalından 210 m mesafede sağ şeritte Şekil 3 de kırmızı çember ile gösterildiği yerde yandığı düşünülmüştür.

acil durum tünel havalandırması

Şekil 3: Tünel içerisinde aksiyal jet fan yerleşimi ve yangın noktası

Petrol tankeri HAD analizinde ölçüleri 8 x 3 x 2,4 m (UxYxG) olan dikdörtgenler prizması olarak alınmıştır. Petrol tankeri yanarken ortaya çıkan maksimum ısının 200 MW olduğu düşünülmüştür. Yangın profili Şekil 4 te gösterildiği gibidir. 0. Saniye tutuşmanın başladığı, 1000. s ye ye kadar büyüme evresinin gerçekleştiği, 1000 ile 1480 s arasında tam gelişmiş yangının devam ettiği ve daha sonra yangının sönme evresine girdiği ön görülmüştür. Yangının büyüme evresi t2 kanununa göre hesaplanmıştır.

acil durum tünel havalandırması

Şekil 4: Yangın Profili

3. HAD MODELİ

3.1.Türbülans modeli ve zaman adımı

Yangın anında tünel içerisindeki türbülanslı akış, sayısal olarak RANS, LES veya DNS türbülans modelleri kullanılarak çözüle bilir. Fakat DNS ve LES türbülans modellerinin doğru sonuç verebilmeleri için sayısal ayrıklaştırmanın yüksek Reynolds sayılarında tünel içerisinde oluşacak küçük türbülansları çözebilecek kadar küçük olmalıdır. Günümüz teknolojisinde bu tarz çözümler yüksek bilgisayar teknolojilerine ihtiyaç duymaktadır. Bu sebeple, RANS bu tarz mühendislik yaklaşımlarında, akış hakkında bilgiler edinmek amacıyla kullanılması uygundur.

Bu çalışmadaki simülasyonlar ANSYS CFX yazılımında yürütülmüştür [2]. Simülasyonlar için bir RANS türbülans modeli olan k-w SST( Shear Stress Theorem) seçilmiştir. Çünkü bu türbülans modeli laminer-geçiş-türbülanslı bölgeler için en hassas öngörüyü oluşturmaktadır. Analizler zamana bağlı olarak çözülmüştür. Analizler için zaman adımı olarak 1 s seçilmiştir. Zamana bağlı analizler tünel içerisinde duman-temiz hava oranı 0 oluncaya kadar yürütülmüştür.

3.2.Mesh

Yürütülen yangın analizi senaryolarında, tetrahedral elemanlardan oluşan yapısal olmayan (unstructured) ve düzensiz bir mesh kullanılmıştır. Mesh yangın noktasında ve fan bölgelerinde iyileştirilmiştir. Fanlara 5 cm/kenar lık, yanan petrol tankerinde ise yapısal ve düzenli mesh atılmıştır. Yangın bölgesinde 15 m lik yarı çapa ise 20 cm/kenarlık eleman büyüklüğü olan meshler tercih edilmiştir. Tünel girişi B portalındaki mesh Şekil 5 te gösterilmiştir. Şekil 5 te görüldüğü gibi tünel boyunca tünel duvarından sınır tabakasına yapısal mesh uygulanmıştır. Tünel için toplamda 5.147.504 eleman kullanılmıştır. Mesh yapısı meshten bağımsız (grid independency) sonuç elde edebilmek için test edilmiştir. Analiz sonuçları y+ değerinin 3,5 den küçük olduğunu göstermektedir.

acil durum tünel havalandırması

Şekil 5:Tünel giriş B portalındaki mesh

3.3.Simülasyonlar Varsayımlar

Tünel giriş ve çıkışı olan B ve A portalları için açıklık sınır şartı kullanılmıştır. Hava koşullardan doğan etkiyi görmek amacıyla çıkış portalı A’ya 4 m/s ve 10 m/s rüzgâr etkisini karşılayacak basınç değerleri tanımlanacak 2 analiz oluşturulmuştur. Bu basınç değerleri aşağıdaki denklemden elde edilmiştir. 

ΔP=ρV2/2 (Pa)                                                              (1)

 

ΔP        Gösterge Basıncı          (Pa)

ρ          Havanın yoğunluğu        (kg/m3)

V          Hava Hızı                      (m/s)

Elde edilen değer analiz programında açıklık sınır şartının içerisine tanımlanmıştır. Başlangıç değeri olarak tünel içerisindeki hız değeri 0’a, sıcaklık değeri ise 25 °C ye ayarlanmıştır. Duvar pürüzlülük kat sayısı olarak 0,03 m olarak girilmiştir. Duvarlar adiyabatik olarak tanımlanmıştır. Analizde jet fanlar tedarikçilerin sağlamış olduğu itki güçlerinden birim hacimdeki itki gücü hesaplanarak birer momentum kaynağı olarak tanımlanmıştır. Bu birim hacimdeki itki gücü değerleri jet fan atış yönlerine göre kartezyan koordinat sisteminde hesaplanarak paylaştırılmıştır. Literatürdeki tünel HAD analizleri incelendiğinde yakınsama değeri olarak 10-3 - 10-4 arasında bir değer alındığı görülmüştür. [3,4] Yapılan analizde bu değer 10-3 olarak alınmıştır.

3.4.Modellemeler

Tünel içerisindeki yangını simüle etmek amacıyla senaryo gereği yangının gerçekleştiği yerde kimyasal reaksiyon içermeyen ısı kaynağı oluşturulmuştur. Bahsedilen ısı kaynağı Şekil 4 de gösterilen zamana bağlı ısı yayılımı grafiğindeki değerleri sağlayacak şekilde analiz programının dilinde tanımlanmıştır. Duman oluşumu kütle kaynağı olarak aynı subdomain de tanımlanmıştır.  Duman oluşum verimi analiz programında 0,05 kg/kg olarak tanımlanmıştır. Buna ek olarak dumanın kinematik yayılma değeri 0,00001 m2/s olarak alınmıştır.

Analiz sonucu olarak sunulan görüş mesafesi değerleri hesaplanırken aşağıda gösterilen denklemlerden yararlanılmıştır.

K=Km x m         (1/m)                                                   (2)

K          Sönme katsayısı                                   (1/m)

Km           Birim kütledeki sönme katsayısı             (m2/kg)

m         Duman kütle konsantrasyonu                 (kg/m3)

Birim kütledeki sönme katsayısı alevlenmiş yangın için 0,0076 m2/kg olarak alınmıştır.[5] Hesaplanan Sönme katsayısını kullanarak görüş mesafesini bulmak için aşağıdaki denklemden yararlanılmıştır.

 KxS=3  [6]                                                                   (3)

K      Sönme katsayısı           (1/m)

S      Görüş Mesafesi             (m)

4. HAD ANALİZ SONUÇLARI

Geometri özellikleri önceki kısımlarda belirtilmiş olan tünel için 2 farklı HAD analizi yapılmıştır. Jet fan âdeti belirlemek için yapılan boylamasına mekanik havalandırma hesaplarında dış rüzgâr etkisi 4 m/s olarak alınmıştır. Yapılan ilk analiz (S1) boylamasına mekanik havalandırma hesabına göre yapılmıştır. Diğer analizde (S2) ise aynı jet fan sayısında dış rüzgâr etkisi 10 m/s olacak şekilde düşünülmüştür. Yapılan analizler de görüş mesafesi ve zehirli gaz değerleri tünel zemininden 1.7 m  yükseklikte incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Ayrıca tünel içerisinde yangın sonucu oluşan dumanın 3 boyutlu dağılımları karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma yapılırken belli zaman aralıklarında değerler gösterilmiştir.

Şekil 6'da yapılan analizlerde farklı zaman adımlarındaki tünel zemininden 1,7 m yükseklikteki görüş mesafeleri gösterilmiştir. Ortalama insan boyunun 1,7 m olduğu düşünülerek bu yükseklikteki görüş mesafesi yangın anında insanların kaçışı için oldukça önemlidir. Yangının başlangıcından 10 dakika sonra Şekil 6 a’da görüldüğü gibi S2 analizi için tünelin girişi B portalından yaklaşık 320 m sonra bölgesel olarak görüş mesafesinin yaklaşık 20 m ye indiği gözükmektedir. Fakat S1 analizinde aynı zaman diliminde görüş mesafesinde böyle bir düşüş yaşanmamıştır. Şekil 6 b ve g de gösterilen bir sonraki zaman adımı incelendiğinde S2 analizi için yangın noktasından yaklaşık 30 m sonra görüş mesafesindeki değişiklik görülmektedir. S1 analizi için aynı zaman adımına bakıldığı zaman bu mesafenin arttığı açıkça görülmektedir. Yangın başlangıcından 20 ve 25 dakika sonraki, yangın noktasından tünel çıkışı olan A portalına kadar olan bölgede S2 analizinde görüş mesafeleri incelendiğinde görüş mesafe değerlerinin 10 m’nin altına düştüğü açıkça görülmektedir. Aynı zaman diliminde S1 analiz sonuçlarında aynı bölgedeki görüş mesafesi değerleri PIARC(1999) da kaçış işaretlerini görebilmek için gerekli görüş mesafesi olan 15 m civarındadır [7]. Tünel çıkışı A portalındaki 20 m’lik bir alandaki görüş mesafesi değerlerine bakılacak olursa,  Şekil 6 c de gösterildiği gibi görüş mesafesinin bu bölgede 30 m olduğu fakat Şekil 6 h.’da ise bu değerin 15 m civarından olduğu görülecektir. Ters rüzgârın etkisi burada açıkça görülmektedir.

acil durum tünel havalandırması

Şekil 6: a)-e) Rüzgâr hızı 10 m/s için analiz (S2) için farklı zaman adımları için 1,7 m deki görüş mesafesi, f)-j) Rüzgâr hızı 4 m/s için analiz (S1) için farklı zaman adımları için 1,7 m deki görüş mesafesi

S1 analizinde rüzgârın itki gücü jet fanların bu yükseklikte oluşturduğu itki gücünü yendiği için dışarıdan temiz havayı içeri taşımakta ve dumanın tahliyesini zorlaştırmaktadır. Şekil 6.e ve j’de gösterilen görüş mesafe değerlerine bakıldığında S1 analiz sonuçlarında tünel genelinde görüş mesafesinin 30 m’nin üzerine çıktığı görülmektedir. Fakat S2 analiz sonucunda görüş mesafesi değerlerinin daha düşük olduğu açıktır.

Tünel zemininden 1,7 m’deki zehirli gaz konsantrasyonlarını belli zaman adımları için Şekil 7 gösterilmiştir. Aynı zaman adımları için zehirli gaz konsantrasyonu değerleri, S2 analizinde S1 analizine göre fazla olduğu açıkça görülmektedir. Şekil 7 d de S2 analizinin yangın başlangıç anından 25 dakika sonraki duman konsantrasyonu değeri gösterilmiştir. Bu değerlerin yangın noktası ve tünel çıkışı A portalı arasında kalan bölgede sınır değer olan 100 ppm in üzerinde olduğu görülmektedir [8].  S1 analizi için aynı zaman adımını Şekil 7 j’de gösterilmiştir.

acil durum tünel havalandırması

Şekil 7: a)-e) Rüzgâr hızı 10 m/s için analiz (S2) için farklı zaman adımları için 1,7 m deki zehirli gaz konsantrasyonu, f)-j) Rüzgâr hızı 4 m/s için analiz (S1) için farklı zaman adımları için 1,7 m deki zehirli gaz konsantrasyonu

Zehirli gaz konsantrasyonu değerleri 100 ppm değerinin altında ortalama 45 ppm civarındadır. S2 analizinde Zehirli gaz konsantrasyonu değerleri insanlar için tehlike oluşturmaktır. Tünel içerisindeki havanın uygun şekilde seyreltilip tahliye edilemediği görülmektedir.

acil durum tünel havalandırması

Şekil 8: a)-e) Rüzgâr hızı 10 m/s için analiz (S2) için farklı zaman adımları için 3 boyutlu duman dağılımı, f)-j) Rüzgâr hızı 4 m/s için analiz (S1) için farklı zaman adımları için 3 boyutlu duman dağılımı

Şekil 8’de yangın anında tünel içerisindeki duman dağılımı farklı zaman adımları için gösterilmiştir. Jet fan sisteminin çalışmadığı durumda yangın sebebiyle oluşan sıcak duman doğası gereği tünel tavanına doğru yükselme eğiliminde bulunacaktır. Daha sonra katmanlaşarak tünelin her iki yönüne doğru ilerlemeye başlayacaktır. Jet fan sisteminin amacı dumanı yangın noktasından tünel çıkışı olan A portalına yönlendirmektir. Diğer bir bakış açısıyla dumanın tünel girişi B portalına yönlenmesini engellemektir. S2 ve S1 bir analiz sonuçları incelendiğinde yangın başlangıç anından 15 dak. ya kadar böyle bir yönlenme görülmemektedir. Fakat yangın büyüme evresini tamamladığında S2 analizinde Şekil 8c’de görüldüğü gibi ters katmanlaşma yani yangın sonucu oluşan dumanın tünel girişi B portalına yönlendiği görülmektedir. Aynı zaman adımında S1 analiz sonucunu gösteren Şekil 8h. incelendiğinde böyle bir ters katmanlaşma görülmemektedir. Dumanın S1 analizinde gerekli şekilde seyreltilip tünel çıkışı A portalından uygun şekilde atıldığı açıkça görülmektedir.S2 analiz sonuçlarında görüldüğü gibi duman yüksek ters rüzgâr etkisinden dolayı yangın noktasıyla tünel çıkış portalı arasında çıkışıp yoğunluğu artmaktadır.

SONUÇ

Yapılan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizlerinde açıkça görülmektedir ki; tüneller de boylamasına havalandırma sistemlerinde ters rüzgârın büyüklüğü duman tahliyesini etkilemektedir. Boylamasına havalandırmada kullanılacak jet fanların seçimine karar verilirken yapılan hesaplamalarda, jet fanların itkisini karşı rüzgârın oluşturacağı itkiyi yenebilecek kapasiteler seçmeye dikkat edilmelidir. Doğru hesaplamalar için yürütülen S1 analiz sonuçlarında hiçbir terslik görülmemektedir. Fakat fazla rüzgar hızıyla yapılan S2 analizinde yangın sonucunda oluşan duman, jet fanların ve rüzgârın karşılıklı oluşturduğunu itki kuvvetleri sebebiyle, yangın noktasıyla tünel çıkış portalı A arasında sıkışmaktadır. Sonuç olarak tünel içerisinde ki duman tahliye edilmektedir fakat yukarıda bahsedilen sebeple tünel içerisinde insan hayatını tehlikeye atan sonuçlar ortaya çıkmakta ve tünel içerisinden duman tahliye süreleri uzamaktadır.

KAYNAKLAR

[1] KAYILI, S. “TÜNEL YANGINLARININ VE YANGIN GÜVENLİĞİ İÇİN KULLANILAN HAVALANDIRMA SİSTEMLERİNİN ÖZELLİKLERİ”, Mühendis ve Makine Cilt no:51,Sayı:604, 2010.

[2] ANSYS, 2010. ANSYS CFX, Release 14.5.

[3] C. CALİENDO, P. CİAMBELLİ, M.L.D. GUGLİELMO,M.G. MEO, P.RUSSO, “ SIMULATION OF FIRE SCENARIOS DUE TO DIFFRERENT VEHICLE TYPES WITH AND WITHOUT TRAFFIC IN A BI-DIRECTIONAL ROAD TUNNEL”, Tunneling and Underground Space Technology 37,Pg. 22-36, 2013

[4] R. BUBBICO, B.MAZZAROTTA, N. VEERDONE, “CFD ANALYSIS OF THE DISPERSION OF TOXIC MATERIALS IN ROAD TUNNELS”, Journal of Loss Prevention in the Process Industries 28, Pg. 47-59, 2014

[5] QUINCY, MA, DINENNO, P. J. BEYLER, C. L. CUSTER, R. L. P. WALTON, W. D., EDITOR(S), “SFPE HANDBOOK OF FIRE PROTECTİON ENGINEERING.” 2nd Edition, Section 2, Chapter 15, National Fire Protection Assoc., 2/217-227 p., 1995.

[6] T. JIN, J. Fire and Flamm., 9, p. 135 , 1978.

[7] PIARC, “FIRE AND SMOKE IN ROAD TUNNELS”, PIARC Technical Committee C5 Road Tunnel,1999.

[8] NFPA, “NFPA-502- STANDART FOR ROAD BRIDGES AD OTHER LIMITED ACCESS HİGHWAYS.”, National Fire Protection Association, USA, 2008.

 

* Bu makale, 12. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi 2015’te bildiri olarak sunulmuştur.

 



Video İçerik

Performansa Dayalı Deprem Tasarımı Yaklaşımı

Sempozyum