Endüstriyel tesislerde, yangında can güvenliği olanaklarının bilgisayar destekli simülasyon programları kullanılarak performans bazlı tasarımı

ÖZET

Endüstriyel tesisler hizmet ettiği konuda en verimli çalışabilecekleri binalar içerisinde teçhiz edilmektedir. Bu tip binalarda ise yönergeseltasarım metodları ile yangından korunum sistemleri tasarlanması kimi durumlarda mümkün olmamakla birlikte kimi durumlarda endüstriyel binanın verimliliğinden fedakârlık yapılması gerekliliğini doğurmaktadır.

Yönergesel standartlar bu tip yerleşkelerde uygun tasarımların yapılabilmesine olanak sağlamak için kimi zaman yetersiz kalmaktadırlar. Bunun sebebi bu tip tasarım kriterlerininsınırlı testler sonucu veya olaylar sonucu geneli dikkate alarak kriterlerin oluşturulmasıdır. Endüstiriyel tesisler değişen teknoloji ve ihtiyaçlar neticesinde, yönergesel standartlarlara uygun dizayn edilemeyen tipte mimariye sahip binalara ihtiyaç duyabilmektedir. Bunlara yüksek tavanlı otomatik depolar,online satış siteleri depoları, yangın kompartmanı tesis edilemeyecek imalat alanları örnek verilebilir.

Bu tip tesisler kimi zaman ise yönergesel standartların henüz ön görmediği yabancı tehlikeleri barındırabilmektedir. Çoğu yönergesel standart “eşdenik tasarım” veya “alternatif metodlar” gibi başlıklar altında performans bazlı tasarım yapılmasının yolunu açarak yangın güvenliğinin uzmanlar tarafından mevcut standartların sınırlamaları dışında da sağlanabilmesine olanak tanımıştır. Yangın mühendislerinin performans bazlı tasarımlarda kullanabilecekleri araçlar gün geçtikçe gelişmektedir. Günümüzde performans bazlı tasarım hesaplarında kullanılabilecek gelişmiş bilgisayar yazılımları yapılması gereken iş yükünü kayda değer biçimde hafifletmektedir.

Ayrıca, hesaplamalarda kullanılacak girdi verilerini iyileştirmeye yönelik birçok test ve deneysel çalışma devam etmektedir. Gün geçtikçe bu konuda bilgi yeni araştırmalar ve yayınlar ile genişlemektedir.

Bu çalışma can güvenliği bakımından endüstriyel tesislerde yönergesel tasarım metodlarının alternatifi, performans bazlı tasarım yöntemi konusunda bilgi sunmak ve bu yöntemin sunduğu esneklikleri gösterebilmek için hazırlanmıştır.

Anahtar Sözcükler: Endüstriyel yapılar, performans bazlı tasarım,simülasyon, CFD, yönergesel,tahliye olanakları, tahliye simülasyonu, duman kontrol, duman simülasyonu, yangın simülasyonu, FED (Fractional effective dose),FIC (Fractional Irritant Concentration),can güvenliği. 

Giriş

Endüstriyel tesislerin en verimli şekilde tasarlanması ve olası risklerin daha net tespit edilebilmesi için performans bazlı analizlerin yapılarak, edinilen sonuçlar ile yangından korunum sistemleri tasarımlarının yapılması günümüz koşullarının bir gerekliliği haline gelmiştir. Yaklaşık 100 yıla yakın geçmişi olan yönergesel tasarım metodlarının günümüzde kimi özel koşullarda kullanımı mümkün olamamakla beraber kimi zaman da tehlikeyi bertaraf etmekte yetersiz kalabileceği görülmektedir.

Günümüzde yapılan mühendislik çalışmalarında, artık geçtiğimiz on yıla nazaran kullanılabilecek araçlar ve veri kaynakları bakımından da hayli etkili olanaklar mevcuttur. Yangın ve tahliye simülasyonları yangından korunum mühendisliğinin ayrılmaz bir parçası haline gelmiştir, hem kurulmuş veya kurulacak sistemlerin yeterlilikleri bu araçlar yardımı ile analiz edilebilmekte, hem de oluşmuş yangınların nedenlerinin araştırıldığı çalışmalarda yangın koşullarını simüle edebilmek için kullanılmaktadırlar.

Ayrıca yangından korunum sistemleri gibi tasarım kriterlerinin oluşturulabilmesi için çoğu zaman maliyetli gerçek boyutta testlere ihtiyaç duyulan sistemlerin irdelenmesi ve başarısız olabilecek test senaryolarının elimine edilebilmesi için de bilgisayar destekli simülasyonlar kullanılmaktadır. Bu sayede makul sayıda ve maliyette testler yapılabilmektedir.

1. Performans bazlı proje tasarımı

Performans bazlı tasarımın en basit olarak ifadesi olası yangında ortamdaki Mevcut Güvenli Tahliye Süresi (MGTS) ile Gereken Güvenli Tahliye Süresinin (GGTS) bilimsel yöntemler ile hesaplanarak yerleşkenin yangına karşı güvenli olmasını sağlamaktır.

MGTS > GGTS koşulu yerleşkenin güvenli olduğu durumdur.

Şekil 1- Mevcut ve gereken güvenli tahliye süresi kademeleri

Performans bazlı tasarım aşamaları aşağıdaki gibidir;

• Proje konusu

Bu bölümde çalışma yapılacak bina mimarisi ve özellikleri tanımlanır (kullanım amacı, yüksekliği, yapı elemanları vs.)

• Maksatın belirlenmesi

Mimari estetiğin sağlanması, duman kontrolünün sağlanarak hasarın minimize edilmesi bu bölümde yer alabilecek birbirine tezat iki hedefe örnek olarak gösterilebilir.

• Amaçların tanımlanması

Örnek olarak bir atrium alanında dumanın controleidlebilmesi için alınacak farklı önlemler gösterilebilir. Dumanın atrium dolamasına müsade edilerek daha yüksek bir debi ile duman tahliyesi yapılabileceği gibi katlarda hapsederek daha düşük debilerde duman tahliyesi yapılabiir veya yangın yükü atrium alnında sınırlandırılabilir.

• Yangın senaryolarının oluşturulması

Bina karaktreistik özellikleri, kullanıcı özellikleri ve olası yangın özellikleri senaryoların oluşturulmasında irdelenmesi ve kullanılması gereken hususlardır.

Atriyum yangınından örnek vermek gerekirse bina özelliği olarak atriumun yüksekliği, genişliği, en üst kullanılır alan ile tavan arasındaki mesafe gibi veriler kullanılır, kullanıcı yoğunluğu ve davranış karakteri değerlendirilir, olası yangın yükü, yanıcı malzeme miktarı, tipi, yangın hızı, söndürme sistemleri, emisyon gazları değerlendirillir.

• Deneme tasarımının geliştirilmesi

Tüm proje katılımcıları ile yapılacak değerlendirmeler sonucunda kurulması gereken sistem ve boyutları hakkında çalışma yapılarak analiz edilecek tasarımlar belirlenir.

• Deneme tasarımlarının sınanması

Bu aşamada hem duman hemde tahliye simülasyonları çalışmaları yapılarak çeşitli sistemler için performans analizleri yapılarak sonuçlar çıkarılır.

• Final tasarımın seçilmesi

Yapılan denemeler sonucunda tasarlanacak sistem seçilir. Örnek olarak atriumda çıkan bir yangın için duman kontrolünün cebri veya doğal duman atım sistemleri ile atılması veya atriumun bir duman rezervuarı olarak duman kontrolü yapılmaksızın kullanılması gibi tasarımlar eğer yapılan analizlerde başarılı olmuşlar ise değerlendirilerek seçilirler.

• Dizayn dokümanlarının oluşturulması

Bu aşamada dizayna konu olan alan ve girdi verilerinin belirlenerek tüm katılımcılarca onaylanması sağlanır, bu veriler içerisinde mekânda bulunabilecek maksimum kullanıcı, ortamda bulunabilecek maksizmum yanıcı malzeme miktarı, bulundurulma biçimi ve yeri gibi veriler ve analiz sonuçları yer alır.

Şekil 2- Performans bazlı tasarım süreci

2. Performans bazlı tahliye simülasyonu ile yönergesel bazlı tasarım metodunun mukayese örneği

Yönergesel tasarımların önerdikleri genel prensipler kullanılarak modellenen binalarda tahliye simülasyonları kullanıldığında dikkate değer farklıkların oluşabildiği durumlar gözlemlenebilmektedir. Bu bölümde aşağıdaki özelliklerde iki binanın tahliye olanakları bakımından kıyaslanması her iki tasarım metoduna göre yapılmıştır.

Tablo 1- Simüle edilen bina özellikleri

Resim 1- Simüle edilen bina perspektif görünümü

Her iki bina içinde binaların yangından korunması hakkındaki yönetmelik gereklilikleri yukarıda belirtilen tahliye olanakları ile sağlanabilmektedir. Bu binalar için tahliye simülasyonu yapıldığında ve merdivende oluşabilecek sıkışıklığın gözlemlenebileceği en üst katın bir altındaki kat için kattaki kullanıcıların tahliye süresi ölçüldüğünde aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır. Tahliye hareket modeli olarak SFPE hareket modeli kullanılmıştır.

Resim 2- Tahliye süresi karşılaştırılan kat planı

Yapılan çalışmada her ikisi de yönergesel tasarım metoduna göre aynı tahliye olanakları gerektiren iki binanın tahliye süresi simülasyonun iki katından daha fazla bir fark oluşturabileceğini göstermiştir.

3. Performans bazlı tasarımda kullanılan enstürmanlar

Performans bazlı tasarımlarda kullanılan en önemli enstrümanlar yangın ve duman simülasyon programları ile yangın tahliye simülasyon programlarıdır. Günümüzde bu iki simülasyonun birleştirilerek birbirleri ile entegre olmaları kısmen sağlanabilmektedir. Yangın simülasyonları ile dumanın muhteviyatı, hareket tarzı, ortamda oluşan ısı transferleri sıcaklık ve hava hareketleri gibi perfromans bazlı tasarımda çok önemli olan veriler deney yapılmaksızın sağlanabilmektedir. Bu tip simülasyonlara artık otomatik sondürme ve algılama sistemleri, duman kontrol sistemleri de tanımlanarak olası yangında aktif yangından korunum sistemlerinin olumlu etkisi hesaba dâhil edilebilmektedir.

Resim 3- Tahliye, yangın ve yangın söndürme sistemi entegre simülasyon örnek görüntüsü

Yapılan çalışmalarda bu tip yazılımların sonuçları gerçek testler ile karşılaştırılmış ve sonuçlarının gerçeğe çok yakın olduğu görülmüştür. Tabi ki bu tip çalışmaların konusunda uzman yangın mühendisleri tarafından yapılması ve ikinci bir denetim mekanizması tarafından denetlenmesi güvenli tasarım için bir mecburiyettir. Mevcut yapılar için yangın ve duman simülasyonları ile birlikte yerleşkede sıcak duman testlerinin de yapılması sistem tasarımının yeterliliğinin değerlendirilmesi kapsamında ek veriler elde edilmesini sağlamaktadır. Yeni yapılan binalar için bu testler tasarımın doğrlanması için imalat sonrası devreye alma aşamasında yapılmaktadır. Tahliye simülasyonları binada Gereken Güvenli Tahliye Süresinin (GGTS) tespiti için yeri doldurulamaz bir enstrüman niteliğindedir. Zira özellikle kalabalık alışveriş merkezleri, stadyumlar, yüksek katlı binalar gibi tam ölçekli tahliye tatbikatı yapılmasının kimi durumlarda mümkün olmadığı binalarda bu tip simülasyonlar kullanılarak tahliye süreleri konusunda veri elde edilebilmektedir. Son yıllarda tahliye simülasyon programları yangın ve duman simülasyonları ile entegre çalışabilmekte, onlardan aldığı duman, zehirli gaz gibi verileri kullanarak bunu tahliye eden kişiler üzerinde değerlendirerek tahliye edenlerin dumandan etkilenme derecesini bir veri olarak yangın mühendisine sunabilmektedir.

4 Performans bazlı tasarımda kullanılan yeni girdiler

İlk başlarda bu tip analizler yapılırken sıcaklık ve görüş mesafesi (Vizibilite) üzerinden yaşanabilir ortam sınırı değerlendirmeleri yapılmakta idi, görüş mesafesi kriteri bir anlamda dumanın etkisi olarak değerlendirilmekteydi, hali hazırda görüş mesafesinin 5 ila 10 metre aralığında sağlanabilmesi çeşitli standartlarca kabul gören bir hedef ve gerek kriterdir.  Daha sonraları yapılan çalışmalar ve yangın analiz yöntemlerinin çeşitlenmesi ile yangında oluşan gazların boğucu ve zehirleyici etkileri irdelenebilir oldu. Kimi durumlarda görüş mesafesinin insan can güvenliğini tehdit etmemesi sadece tahliye hızını düşürmesi dikkate alınarak yaşanabilir ortam sınırı daha da fazla arttırıldı.

Günümüzde yapılan analizlerde artık FED (Fractional Effective Dose) yani kısmi etkili doz ve FIC (Fractional Iritant Concentration) kısmi irrite edici konsantrasyon değerleri de izlenmektedir. Çeşitli kaynaklara göre FED ve FIC değerlerinin Kabul edilebilir sınırları değişiklik göstermektedir.

Tablo 2- Yangında oluşabilecek kimi emisyon gazlarının ölümcül doz seviyesi

Tablo 3- Kısmi etkili doz seviyesi ile popülasyon etkilenme oranları

Bu tabloda belirtilen etkilenme, insanların normal İşleri veya hareketleri yapamamasını tariflemektedir, genelde güvenlik limiti FED=0,3 alınmakla beraber FED=0,1 limitinin kullanılması daha tutucu bir yaklaşım olarak kabul edilmektedir.

Tablo 4- Yangında oluşabilecek kimi emisyon gazlarının kısmi irite edici konsantrasyon ölümcül doz seviyeleri

ISO 13571’e göre FIC > 1 koşulunda maruz kalan popülasyonun %50 sinde hareket kabiliyetinde kayıp yaşamaktadır.

Yukarıdaki tablolardan anlaşılacağı üzere artık yangının nasıl bir emisyon oluşturduğu da analizlere dahil edilmesi gereken bir veri olmuştur. Zira sadece yangın yükü, ısı ve görüş mesafesi kriterleri üzerinden yapılan analizler ya çok töleranslı yada kimi zaman hatalı sonuçlar verebilmektedir. CO ve CO₂ genelde etkili olacağı düşünülen emisyon gazları olmasına rağmen, yanan malzeme ve söndürme ajanına bağlı olarak kimi zaman NO_x (Azot oksit), HCN (Hidrosiyanik asit) etkili emisyon gazları olabilmektedir.

5. Sonuç

Performans bazlı tasarım metodlarının giderek yaygınlaşması ve bu tip araçların hem tasarımcı hem de onay mekanizması tarafından kullanılması ile özellikle endüstriyel binalarda daha verimli binaların inşa edilmesi sağlanabilecektir. Bu yöntemler mimari çalışmaların daha özgür yapılabilmesine olanak tanıyacağı gibi kararalma aşamasında yangın danışmanları için önemli bir bir yardımcı gereç olarak görev yapacaktır.  Bu konuda akademik platformda test, deneme ve eğitim hizmetlerinin verilebilmesi, ileride tasarımcı veya kontrolör olarak görev alacak yetkin yangın mühendislerinin yetiştirilmesi için gerek şart olup, yönetmeliğimize performans bazlı tasarım olanağının girebilmesi için ön koşuldur. Zira yetkin mühendislerin yeterli sayıda mevcut olmadığı bir ülkede sadece standart ve yönetmeliklerin geliştirilerek ilerleme sağlanması mümkün değildir. 

Kaynaklar

1. BYKHY (2009), “Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelikte Değişiklik Yapılmasına Dair Yönetmelik”, Bakanlar Kurulu kararı: 10.08.2009 tarihli 2009/15316 sayılı karar Resmi Gazete yayını: 09.09.2009 tarihli 27344 sayılı sayı 5. BYKHY (2015), “Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelikte Değişiklik Yapılmasına Dair Yönetmelik”, Bakanlar Kurulu kararı: 16.03.2015 tarihli 2015/7401 sayılı karar Resmi Gazete yayını: 09.07.2015 tarihli 29411 sayılı sayı
2. SFPE Handbook of Fire ProtectionEngineering
3. Fire ProtectionHandbook 20 thedition 2008 National Fire ProtectionAssociation
4. NFPA 1 Fire Code 2018 National Fire ProtectionAssociation