Tünellerde yangın güvenliği

Yapılarda yangın nasıl ele alınmaktadır?

 Binalarda yangın iki farklı senaryo ile ele alınmaktadır. İlk senaryo yangının oluşma ve gelişme evresini içermektedir. Bu kısımda binada bulunan yanıcı bileşenlerinin, yanma kaynağından etkilenerek tutuşması ve yangını ilerletmesi konuları ele alınır. Buradaki kritik bölüm, yangının meydana gelmesinden itibaren geçen ortalama 10 dakikalık süredir. Bu 10 dakikalık süre içerisinde yangının oluştuğu bölümdeki insanların tahliye edilmesi gereklidir. 10 dakikalık sürenin ardından yangın, gelişme evresine girmektedir. Bu evrede sıcaklık en üst noktaya ulaşır ve bu nedenle ısı çıkışı ve ışıma oranı da aşırıderecede yükselir. Yangının tam gelişmiş hale ulaşması durumunda artık, yangının mevcut olduğu bölümden diğer bölümlere transferinin engellenmesi gerekir. Aksi takdirde tüm yapı, yangına maruz kalma tehlikesiyle karşı karşıya kalacaktır. Kapalı bir ortamda yapı malzemeleri, yangın yükü ve yanma hızı gibi parametreler önemlidir. Sıcak gazların tavan kısımlarında birikmesi sonucunda tavan ve duvarlar ısınır; dolayısıyla yüzeyler ve sıcak gaz katmanı yakıt yüzeyine doğru ışınım yoluyla ısı transferi yapar ve bu da yanma hızını artıran bir etmendir. Mekândaki havanın giriş yapabileceği kısımların kısıtlı olması sonucunda yanma için gerekli olan oksijen miktarının elde edilebilirliğinin sınırlanması gereklidir.

Tünellerdeki yangının farkı ve boyutu nedir?

Tünel yangınları, gerek yangın yükü, gerekse çevresel şartlar bakımından kapalı alan yangınlarından büyük farklılıklar göstermektedir. Araçların tünel içerisinden geçişleri esnasında meydana gelenyangından kaynaklanan “hidro karbon yangınları”, kapalı alanlarda meydana gelen “selülozik yangınlar” dan çok daha tahrip edicidir. Tüneller, trafiğe açık ortamlar olması nedeniyle yangın anında havalandırma sisteminin performansı yangını doğrudan etkilemektedir. Tünellerde doğal havalandırma esnasında yangın büyüklüğü; tünelin eğimine, kesit alanına, geometrik özelliklerine, tünel duvarının özelliklerine ve tünelin girişindeki meteorolojik koşullara bağlıdır. Tünellerde çıkan yangınlar kapalı alan yangınları arasında sınıflandırılır. Ancak, tüneller, mekanik havalandırma sistemleriyle (jet fan uygulamaları ile) donatılmaları nedeniyle kapalı alan yangınına göre daha fazla hava (oksijen) içermektedir. Bunun da, hem yangın verimine, hem de yangın yüküne bazı etkileri olduğu görülmektedir. Tünel yangınlarında duman katmanı oluşumu,kapalı alanlardaki yangınlara göre farklılık göstermektedir. Duman katmanı, kademeli olarak tünel yüzeyine doğru ilerleyerek, yangının merkezinden daha uzak bölgelere alçalmaya başlar. Eğer tünel çok uzunsa duman katmanı tünel tabanına kadar alçalabilir. Bu olay, yangının merkezineolan mesafeye, yangının boyutuna, tünelintipine, çevresine ve yüksekliğine bağlıdır. Tüneldeki havalandırma sistemleri, yangın meydana geldiği bölgede soğutma özelliği göstererek sıcaklığın çok yüksek değerlere ulaşmasını engeller. Tünel yangınlarında ölümlerin çoğu yoğun dumana maruz kalınması nedeniyle meydana gelmektedir. Duman ve zehirli gazlar, insanların görüş mesafelerini düşürmektedir. Bunun sonucunda da paniğe kapılmalarına ve yoğun duman altında boğulmalarına sebebiyet verir.

Tünellerin yangın anındaki yapısal davranışları nasıldır?

Herhangi bir nedenle yüksek sıcaklık etkisine maruz kalan betonarme elemanlarda betonun ve çeliğin mekanik ve fiziksel özelliklerinde değişiklikler meydana gelir. Bu değişiklikler sonucunda betonda çatlama ve parça atma davranışı gözlenirken, aderansta da önemli kayıplar oluşur. Betonun yanmayan madde oluşu, belirli bir süre içinde önemli derecede zarar görmemesi ve zehirli duman çıkarmaması nedeni ile yangın direnci yüksek bir malzemedir. Ancak bu dayanıklılık, sınırlı bir süre ve belirli sıcaklık değerleri için geçerlidir. Betonun yangına maruz kaldığında göstereceği davranış; içeriğindeki agreganın ve çimentonun özelliğine, nem miktarına,beton içerisindeki hava yüzdesine ve yangın sırasındaki maksimum sıcaklık değerine bağlıdır. Beton yüksek sıcaklığa maruz kaldığında, bünyesinde bulunan su molekülleri buhar fazına geçmeye başlar. Hacmi artan ve gittikçe mikro gözeneklere sıkışan buhar, iç basıncı arttırır. Eğer, beton içerisinde yeteri kadar hava boşluğu yok ise ve buhar dışarıya çıkmak için yeteri kadar mikro kanallara sahip değilse, oluşturduğu aşırı basınç ile birlikte beton yüzeyini patlatır. Ortaya çıkan her taze beton katmanı aynı etkiyi göstererek yüzeydeki betonun gitgide dökülmesine ve taşıyıcı donatının ortaya çıkmasına neden olur. Donatının yüksek sıcaklığa maruz kalması ise çok kısa sürede yapının çökmesine neden olabilir. Zira bilindiği gibi çelik, ortalama 500-550°C’de mukavemetinin yarısından fazlasını yitirmektedir. Bu da tünel gibi aşırı yük altında olan yapılarda son derece kritik bir konudur. Bu nedenle beklenenin aksine, yüksek dayanımlı betonlar yangın durumunda oluşacak yüksek sıcaklığa karşı, düşük dayanımlı betonlara oranla daha az dirençlidir ve bu da deneylerle kanıtlanmıştır.

Tünellerde patlamaya karşı yalıtım / kaplama malzemesi

Kara yolu ve metro tünellerinde yangın yalıtım / dayanım malzemesi olarak levha kaplamaları veya püskürtme kaplamaları (sprey) kullanılmaktadır. Bu yangından koruyucu kaplamalar; yüksek performans, düşük maliyet, düşük bakım gereksinimleri ve tünel betonunun aleve maruz kalındığında az hasarla kurtulması bakımından tüneller için en iyi yalıtım uygulamalarıdır. Levha kaplama malzemesinin beton yüzeyine sabitlenmesi hususuna ayrıca önem verilmelidir. Ufak bir bölgede başlayan beton patlaması (spalling) ve patlayan beton parçacıkları, zaman içerisinde kaplama malzemesini ileriye iterek beton yüzeyinde daha büyük bir boşluk oluşmasına sebep olabilmektedir. Yangından koruyucu kaplama malzemesi seçiminde şu konular netleştirilmelidir;

• Yangına karşı dayanım kriteri (zaman/sıcaklık eğrisi vs.)
• Yapının ne kadar süre korunması gerektiği veya konuyla ilgili standardın talebi (zaman/sıcaklık eğrisinin süresi vs.)
• Betonun yapısı
• Betonun nem miktarı
• Beton karışımında kullanılan agregalar

Yukarıdaki hususlar doğru şekilde yanıtlandığında koşullara uygun kaplama malzemesi (türü, kalınlığı vs.) hakkında seçim yapılabilir.

 Levha kaplama

Levha kaplama malzemeleri, mekanik sabitleme imkanları sayesinde trafikten kaynaklanan vakum (emme) ve rüzgar yüklerinden etkilenmez. Tünel içerisinden geçen yanıcı malzemelerden ve sudan etkilenmez. Levha kaplama malzemeleri yangından etkilendiği durumlarda, taşıtların yapı malzemesi olan kauçuk ve plastik malzemesinin yanmasından dolayı oluşan klor ve diğer zararlı gazlara karşı adeta bir filtre formunda davranış gösterir. Bu tür zararlı gazların tünelin beton yüzeyine direkt temas etmesini engeller.

Şekil 1: Tünel segmentine levha kaplama uygulaması

Püskürtme kaplamaları (Sprey uygulamalı yangın dayanımlı malzeme)

Püskürtme kaplamalarının içerisinde genel olarak, karışım oranları önceden belirlenmiş olan Vermikülit – Portland çimento esaslı bir karışım bulunmaktadır. Vermikülit sayesinde bir hidro karbon yangınında, yangın hortumları veya (varsa)sprinkler başlıklarından gelebilecek su nedeniyle oluşan sıcak ve soğuk su termal şoklarına karşı betonda ısıl performans ve dayanım göstermesi sağlanır. Bu malzeme aynı zamanda betonda oluşabilecek patlamaları önler ve bir tünel yangınında,beton segmentlerinin yangına karşı daha yüksek bir yangın dayanımı sergilemesini mümkün kılar. Hedeflenen yangına dayanım süresine ulaşmak için çeşitli kalınlıklarda uygulamalar yapılabilir. Püskürtme kaplamasının yanmaz malzeme olması sebebiyle yangın anında zehirli gaz ve duman açığa çıkma tehlikesi demini muma inmektedir.

 Şekil 2: Püskürtme kaplaması (sprey) uygulanmış beton yüzey

Püskürtme kaplama sistemlerinin dezavantajlarından birisi de; karayolu tünellerinde, spreyleme uygulaması yapılan son katmanın tünel içerisindeki sürücüleri rahatsız edebilecek düzeyde ışık yansıtmasıdır. Püskürtme kaplama uygulaması, robot teknolojisi kullanılarak yapılabilmektedir.

Müşterilerin talebi doğrultusunda robot programlanarak 24 saatlik bir çalışma süresinde 1000 m2’yekadar bir alanı 40 mm kalınlıkta malzeme ile koruma altına alınabilmektedir.

 Tünellerde yangın performansı nasıl değerlendirilmelidir?

Geçmiş yıllardaki tünel yangınları, tünellerdeki pasif yangın korunum önlemlerinin son derece önemli olduğunu bize göstermiştir. Tünel yangınlarında, batırma tipi tünellerde yangın nedeniyle tavan bölümünün en yüksek sıcaklığı görerek deformasyona uğrayıp yıkılması, delme tünellerde ise betonarme kalitesinin yüksekliği nedeniyle patlama tehlikesinin en yüksek seviyede olması pasif yangın koruma uygulamalarını zorunlu hale getirmiştir. Tünellerin yangın performansının önceden tahmin edilebilmesi için deney sonuçlarının da kullanıldığı bir modelleme gerçekleştirilmektedir. Her tünelin özgün bir tasarım olması, maruz kaldığı yangın yükünün ve jeolojik yapının çeşitlilik göstermesi nedeniyle her bir tünelin yangın performansı ayrı ayrı değerlendirilir. Yangın testleri, tünelde taşıyıcı özelliği olan tüm elemanlarda uygulanmalı, yangın anında patlama ve termal özelliklerinin belirlenmesi gerekmektedir. Yangına dayanım testleri farklı yangın senaryolarını ele alarak gerçekleştirilmektedir. Bu senaryolar, tünellerin yangın yüküne bağlı olarak çeşitlilik göstermektedir. Bu nedenle çeşitli yangın yüklerine göre ısıtma eğrileri oluşturulmuş ve literatürde yer almıştır. Dünya üzerinde kabul edilen 4 farklı yangın dayanım ısıtma eğrisi bulunmaktadır.

• ISO 834 (Standart-Selülozik eğri)

2) Modifiye Hidrokarbon Eğrisi (Sıcaklık 30 dakika 1100 C dereceye kadar yükselmektedir)

• RWS Eğrisi (Sıcaklık 30 dakikada 1300 C dereceye kadar yükseltilmektedir.)
• RABT eğrisi (Sıcaklık 5 dakikada 1200 C dereceye kadar yükseltilir.)

Bu ısıtma eğrilerine göre gerçekleştirilen testler sonrasında, hem gözlemler hem de ölçümler ile tünel elemanlarının yüksek sıcaklıktaki yangın davranışı tespit edilebilmektedir. Bu testlerden elde edilen veriler, tünele ait yapı elemanlarının yangın davranışı bilgisayar yazılımları ile modellenerek ileri araştırmalar için kullanılmaktadır. Bu sayede tünelin toplamında en zayıf noktaların tespiti, tünel tavanına monte edilecek havalandırma elemanlarının tavanda meydana getireceği ısı transferi vs. birçok ileri seviye çalışmalar gerçekleştirilebilmektedir.