Çok yüksek binalarda merdiven basınçlandırma sistemlerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Yüksek binalarda yangın anında insanların binadan tahliye edilmesi için basınçlandırılan merdivenler tesis edilmekte ve bu uygulama dünyanın birçok ülkesinde standart ve kodlarca istenilmektedir. Merdiven basınçlandırma sistemleri ile dış ortamdan alınan taze hava fan veya fanlar vasıtası ile merdiven yuvasına beslenir. Bu sayede merdiven içerisinde pozitif basınç sağlanarak merdivene duman girişinin engellenmesi amaçlanır. Çeşitli ülkelerin yangından korunma standartları ve kodları tarafından, merdivendeki basınçlandırmanın belirli limitler dâhilinde olması istenir. Basınçlandırma limitleri dumanın merdivene girmesini engelleyecek kadar çok, merdiven kapılarının açılmasına engel yaratmayacak kadar az olacak şekilde belirlenmiştir. Merdiven basınçlandırma sistemleri üzerine iç ortam ve dış ortam arasındaki sıcaklık farkı (baca etkisi), rüzgâr hızı, yangın sırasında ortaya çıkan aşırı sıcaklık, binada bulunan iklimlendirme sistemleri ve asansör hareketinin hava hareketi üzerinde yarattığı kuvvetler etki eder. Aynı zamanda bir binada yangın anında bina tahliye planına göre çeşitli katlardaki kapılar açılır ve geri kapanır. Bu dinamik şartlar altında, istenilen limitlerin merdiven yuvası boyunca sürekli olarak sağlanması gerekir ve bunun için çeşitli yöntemler kullanılır. Bu yöntemlerden biri merdivende bulunan sensörlerden gelen ölçüme göre fanın devir sayısı ve dolayısıyla sağladığı debinin sürekli olarak değiştirilmesidir. Diğer yöntem ise merdivende oluşan aşırı basıncın relief damperler ile dış ortama tahliye edilmesidir. Basınçlandırma sistemi tasarımında basınçlandırma fanlarının kapasitesi ile aşırı basınç tahliye damperinin boyutları belirlenir. Bunun için iki farklı senaryo dikkate alınır. Birinci senaryoda tüm merdiven kapıları kapalıdır. Diğer senaryoda ise seçili katlarda merdiven kapıları açıktır, çok yüksek binalar için bu katlar tasarım yangın katı ve tahliye katıdır. Son yıllarda dünyadaki büyük şehirlerin hızlı gelişmesi sonucu yüksekliği 100 metreden fazla olan bina sayısı hızla artmaktadır ve bu tip çok yüksek binalarda merdiven basınçlandırma sistemleri tasarımı, performansı ve uygulanan farklı yöntem ve tedbirlerin etkileri araştırılmaya devam etmektedir. Uygulamada, standartlarca istenilen basınçlandırmanın merdiven yuvası boyunca sağlanması için ek tedbirler alınmaktadır. Bu tedbirler merdiven yuvasının birden fazla basınçlandırma zonuna bölünmesi, merdivene her katta ya da üç katta bir basınçlandırma havasının temin edilmesi ve her katta merdiven girişinde korunaklı bir lobinin tesis edilmesidir. Bu tez çalışmasında çok yüksek bir binada gerçekleştirilen saha testleri ve bir adet saha testinin hesaplamalı akışkanlar mekaniği kullanılarak modellenmesi ile alınan tedbirlerin ve tasarımda kullanılan parametrelerin etkileri araştırılmıştır. Saha testlerinin gerçekleştirildiği kaçış merdiveni 163 metre yüksekliğindedir ve binada bulunan 40 kata da hizmet vermektedir. Bu kaçış merdiveni düşeyde üç basınçlandırma zonundan oluşmakta ve her katta merdivene erişim yangın güvenlik holü ismi verilen korunaklı bir lobiden geçerek yapılmaktadır. Basınçlandırma havası üç farklı katta yer alan üç adet basınçlandırma fanı ile sağlanmaktadır. Basınçlandırma havası, fanların bulunduğu katlarda yer alan kanallar vasıtası ile basınçlandırma şaftına iletilmekte ve her katta basınçlandırma şaftı ile merdiven arasında yer alan menfezlerden merdivene beslenmektedir. Ofis amacıyla hizmet veren binada, testler binanın boş olduğu gece saatlerinde yapılmıştır. Dış ortam koşullarındaki farklılıkların birbiri ile kıyaslanacak testler üzerindeki etkilerini en aza indirmek amacıyla test grupları oluşturulmuş ve bir adet test grubunu oluşturan testler aynı gece içerisinde tamamlanmıştır. Üç grup saha testi gerçekleştirilmiştir ve her bir test grubu farklı bir parametrenin etkisini incelemektedir. Bir adet test grubu, dört farklı testten oluşmaktadır. Test grupları oluşturulurken tasarımda kullanılan iki farklı senaryo (tüm merdiven kapılarının kapalı olduğu ve seçili katlarda merdiven ile kat kullanım alanları arasındaki kapıların açık olduğu senaryolar) dikkate alınmıştır. Bu sayede araştırılan parametrenin etkileri iki farklı durum altında incelenmiştir. Tüm kapılar kapalı durumu için besleme fanlarını kontrol eden frekans konvertörleri 20 Hz değerine sabitlenmiştir, kritik kapılar açık durumda ise tüm frekans konvertörleri 40 Hz değerine sabitlenmiştir. Böylelikle farklı testlerde aynı miktarda havanın merdivene beslenmesi hedeflenmiştir. Saha testleri sırasında merdiven ile yangın güvenlik holü arasında ve merdiven ile kat kullanım alanı arasındaki basınç farkı her katta ölçülmüş ve araştırılan parametrelerin etkileri bu ölçümler üzerinden değerlendirilmiştir. Kritik kapılar açık durumu testlerinde, açık durumda olan merdiven kapısı açıklığında hava hızı ölçümleri yapılmıştır. Her bir test grubunun başlangıcında dış ortam sıcaklığı ve rüzgâr hızı değeri kaydedilmiştir. Merdivene beslenen basınçlandırma hava debisi kütle korunumu prensibine dayanan bir yöntemle elde edilmiştir. Bu yöntemde her bir test için ayrı ayrı hesaplama yaparak merdivene sağlanan hava debisi elde edilmiştir. Merdiveni sızıntılar nedeniyle terk eden hava debisi ile kritik kapılar açık durumu testlerinde açık durumda olan kapılardan geçerek merdiveni terk eden havanın debisi hesaplanarak merdivenden dışarıya çıkan hava debisi elde edilmiştir. Bu yöntem için basınç farkı ölçümleri ve açık kapılardaki hava hızı ölçümleri kullanılmıştır. Tüm testler tamamlandıktan sonra, fanın giriş ağzında hız ölçümleri yapılarak, farklı bir yöntemle basınçlandırma hava debisi ölçümü yapılmıştır. Bu yöntem ile iki adet ölçüm yapılmıştır, frekans konvertörlerinin tümü ilk ölçüm için 20 Hz değerine sabitlenmiş durumdadır, diğerine ise 40 Hz değerine sabitlenmiştir. Birinci grup saha testlerinin tamamı kritik kapılar açık durumu testlerinden oluşmaktadır ve binanın hangi katında çıkan yangının merdiven basınçlandırma sistemi açısından daha kritik olduğu araştırılmıştır. Kritik kat test grubu ismiyle anılan bu test grubu ile merdiven basınçlandırma sistemi tasarımda kullanılan tasarım yangın katının binanın hangi bölümünde seçilmesi gerektiği ile ilgili inceleme yapılması amaçlanmıştır. Bu test grubunu oluşturan dört farklı testin tümünde alt basınçlandırma zonunda yer alan merdiven tahliye katında merdiven kapıları açıktır. Birinci ve ikinci testlerde sırasıyla 33. ve 22. katlarda merdiven ile kat kullanım alanı arasındaki kapılar açıktır, bu iki kat üst basınçlandırma zonunda yer almaktadır. Üçüncü testte orta basınçlandırma zonunda yer alan 6. katta kapılar açıktır ve dördüncü testte tahliye katı hariç başka bir katta açık kapı bulunmamaktadır. Testler sırasında yapılan ölçümlerle elde edilen katlara göre basınç farkı dağılım grafikleri incelendiğinde, aynı zon içerisinde bir kat yerine başka bir katın seçiminin sonuçları çok değiştirmediği elde edilmiştir. Üst zon ve orta zonda açık kapının olduğu testler kıyaslandığında ise, sonuçların birbirine oldukça yakın olduğu gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar arasındaki farka, fanlardan gelen taze havanın basınçlandırma şaftına bağlandığı katların neden olduğu düşünülmektedir. İkinci grup saha testinde ülkemize yüksek binalarda yapılan bir uygulama olan, her katta kaçış merdiveni girişinde yer alan yangın güvenlik holünün merdiven basınçlandırma sistemi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Yangın güvenlik holleri için ayrı bir basınçlandırma sistemi tesis edilmemektedir ancak bu hacımlar içerisinde merdivenden sızan hava nedeniyle dolaylı yoldan basınçlandırma olmaktadır. Yangın güvenlik holü etkisi test grubu ismi verilen bu test grubunda, tüm kapılar kapalı ve kritik kapılar açık durumları için ikişer adet test yapılmıştır. Bu testlerden ilkinde yangın güvenlik holleri bulunurken, diğer testte her katta yangın güvenlik holü ile merdiven arasındaki kapılar açık tutularak bu hacımlar merdiven hacmına eklenmiştir. Testler sonunda elde edilen basınç farkı dağılım grafikleri incelendiğinde, yangın güvenlik hollerinin bulunduğunda merdiven – kat kullanım alanı arası basınç farkının iki katına çıktığı gözlemlenmiştir. Eğer bir zonda bir katta merdiven ile kat kullanım alanı arasındaki kapılar açık ise (kritik kapılar açık durumu) yangın güvenlik hollerinin bulunmasının bu zondaki etkisi, basınç farkını daha az arttırmaktadır. Yangın güvenlik hollerinin bulunması sebebiyle basınç farklarının iki katına çıkması matematiksel olarak da ispatlanmaktadır. Düşey zonlama test grubu ismiyle anılan üçüncü grup test grubunda ise merdiven yuvasını zonlara ayırmanın etkisi incelenmektedir. Belirli bir yüksekliğin üzerinde olan binalarda baca etkisinin merdiven basınçlandırma sistemi üzerinde oluşturduğu olumsuz etkiyi gidermek için merdiven yuvası düşey zonlara ayrılmaktadır. Saha testlerinin gerçekleştirildiği kaçış merdiveni üç düşey zondan oluşmaktadır. Tüm kapılar kapalı ve kritik kapılar açık durumları için gerçekleştirilen ikişer tersin birincisinde merdiven üç zondan oluşmaktadır. Diğer testte ise zon ayırma duvarları üzerinde yer alan, bir zondan diğer zona geçişi sağlamak amacıyla tesis edilen kapı açık bırakılarak merdiven yuvası tek bir basınçlandırma zonuna indirgenmiştir. Bu test grubunun yapıldığı günde iç ve dış ortam arasındaki sıcaklık farkı 3°C olması nedeniyle baca etkisinin hava hareketi üzerinde yarattığı kuvvetler azdır ancak merdiven yuvasını zonlara ayırmanın basınçlandırılan merdiven üzerinde pozitif etkisi olduğu elde edilmiştir. Ölçümlerden elde edilen katlara göre basınç farkı dağılımı grafiklerinde, üç zondan oluşan sistemde bodrum katlara sağlanan basınçlandırmanın arttığı gözlemlenmiştir. Çok yüksek bir binada merdiven basınçlandırma sisteminin CFD ile modellenmesi ilk defa bu çalışmada yapılmıştır. Yangın araştırmalarında sıklıkla kullanılan FDS paket programı ile ikinci test grubunda yer alan bir testin modeli yapılmıştır. Model sadece merdiven yuvası, basınçlandırma şaftı ve yangın güvenlik hollerini temsil eden hacımlardan oluşmaktadır. Model ile test sonuçlarının kıyaslanması sonucunda, FDS ile yapılan modellemenin kabul edilebilir mertebede olduğu sonucuna varılmıştır. Elde edilen çözümler zamana bağlıdır ve saha testlerinde gerçekleştirilmesi oldukça güç olan baca etkisinin zamana bağlı olarak değişimi incelenmiştir. Modelde, merdiven iç ortam sıcaklığı ile dış ortam sıcaklığı farkı 7°C'dir ve fanların çalışmaya başlamasından itibaren merdivende termodinamik dengenin sağlanması 10 dakikadan fazla sürede gerçekleşmiştir.