Karayolu Tünellerinde Havalandırma Planlaması Ve Performans Değerlendirmesi

Abstract

Tüneller, ulusal ve uluslararası ulaşımda zorlu coğrafik koşulların aşılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Dağlık bölgelerde ulaşımı kolay ve güvenli bir hale getirmek ve artan araç sayısı nedeniyle şehrin belli bölgelerindeki trafik yükünü azaltmak amacıyla inşaa edilen tünellerin sayısı gün geçtikçe artmaktadır. Tüneller mühendislik açısından hem inşaa sürecinde hem de tünel işletmesi açısından oldukça hassas hesaplamaların yapılması gereken yapılardır. Özellikle şehir içerisindeki tüneller, insanlar tarafından yoğun olarak kullanıldığından, bu tarz karayolu tünellerindeki en önemli konu güvenliktir; çünkü tünel içerisindeki koşullar açık karayollarına oranla oldukça farklıdır. Örneğin; tüneller kapalı bir hacme sahiptir ve sürüş koşulları açısından daha fazla dikkat edilecek unsur bulunmaktadır. Ayrıca tünellerde gerçekleşen kazalar çok daha ağır sonuçlar doğurabilmektedir. Araç kazası sonucu çıkan bir yangın, karayolu tüneli içinde meydana gelebilecek en şiddetli kaza çeşididir. Yangın gibi acil durumlar sırasında tünellerin sahip olduğu çıkışların sınırlı olması nedeniyle, zaman kavramı tünel kullanıcıları için oldukça önemlidir.Tünel içerisinde çıkan yangınlarda, insan hayatını esas olarak tehdit eden unsur yangın sırasında açığa çıkan sıcaklık değildir. Yangınlarda, ölümlerin büyük bir kısmı açığa çıkan dumanın ve zehirli gazların tüneldeki insanlar tarafından solunması sebebiyle gerçekleşmektedir. Bu nedenle tünel kazalarında, ölümlerin büyük bir yüzdesi zehirli gazların solunmasından kaynaklanmaktadır. 1949-1999 yılları arasında güvenli olarak bilinen 23 tünelde meydana gelen yangınlı kazalarda, 306 kişi hayatını kaybetmiş ve 262 kişi yaralanmıştır. Tüneller içerisinde güvenli bir ulaşım sağlamanın yolu, havalandırma sisteminin tasarımının çok hassas bir şekilde yapılmasına bağlıdır. Havalandırma sisteminin en önemli görevleri, araçlardan yayılan emisyon gazlarını seyreltmek ve tünel içerisinde oluşabilecek yangın gibi acil durumlar sırasında açığa çıkan sıcak gazları ve dumanı tünel kullanıcılarından uzak tutmaktır. Bu iki önemli parametrenin detaylı olarak analiz edilmesi sonucu nihai ve istenen havalandırma sisteminin tasarımına ulaşılmaktadır. Tasarım parametrelerinden ilki, araçlardan açığa çıkan emisyon gazlarının yasal sınırlarla belirlenmiş olan sınır değerlerin altında tutulması için gereken temiz havanın tünel ortamına sağlanmasıdır. Tasarım parametrelerinden ikincisi ise; havalandırma sisteminin yangın gibi acil durumlar sırasında istenilen performansı gösterip göstermediğinin kontrol edilmesidir. Bir kaza anında tünel içerisinde bulunan insanların uzun süre zehirli duman solumasını engellemek ve yüksek ısıya maruz bırakmadan tünelden en kısa zamanda tahliyelerini gerçekleştirmek hayati açıdan çok önemlidir. Bu nedenle yangın sırasında tünel atmosferinin, bilgisayar programı ile detaylı bir şekilde incelenmesi ve yangın konumuna bağlı olarak uygun tahliye yollarının belirlenmesi gerekmektedir. Normal şartlarda tünel içerisindeki havalandırmayı verimli bir şekilde gerçekleştiren havalandırma sisteminin, aynı zamanda yangın sırasında da istenilen performansı göstermesi gerekmektedir. Bu çalışmanın birinci kısmında, PIARC 2004 (Permanent International Association Of Road Congress) teknik raporları kullanılarak örnek bir tünelin havalandırma sistemi tasarlanmıştır. Bu raporlar içerisindeki hesaplama yöntemleri kullanılarak araç gruplarından açığa çıkan toplam emisyon gazı miktarı hesaplanmış ve bu kirletici öğeleri seyreltebilmek için gereken temiz hava miktarları belirlenmiştir. Tünel içerisindeki CO gazını seyreltebilmek için 268,39 m3/sn, NO2 gazını seyreltebilmek için 159,43 m3/sn ve dumanı seyreltmek için 360,51 m3/sn temiz havanın gerekli olduğu hesaplanmıştır. Havalandırma sisteminin tasarımında belirleyici etken duman olmuştur. Dumanı seyreltmek için gerekli olan temiz hava miktarı tünel içerisine sağlandığında, diğer kirletici gazlar olan CO ve NO2 gazı da yeterli bir şekilde seyreltilebilmektedir. Havalandırma sistemi planlanmadan önce tünelden geçmesi muhtemel olan trafik kompozisyonu belirlenmiştir. Belirlenen trafik kompozisyonu da kendi içinde araçların tipine ve kullandıkları yakıt türüne göre sınıflandırılmıştır. Havalandırma sistemi, tünel içerisindeki kirlilik düzeyini en yüksek seviyede etkileyen ve havalandırma sisteminin tam kapasite ile çalışmasına sebebiyet verecek olan akıcı trafik durumu göz önüne alınarak tasarlanmıştır. Bu trafik koşulunda tünel içerisinde 44 adet benzinli araç, 55 adet dizel binek araç ve 51 adet ağır vasıta araç bulunduğu hesaplanmıştır. Temiz hava miktarının belirlenmesinden sonra tünel içindeki basınç kayıpları belirlenmiştir. Tünel içinde bulunan levha, ışıklı tabela ve diğer tünel ekipmanları tarafından meydana gelen basınç kaybı 152,78 Pa olarak hesaplanmıştır. Tünelin at nalı biçiminde veya dikdörtgen kesitli olarak açılması tünel içerisinde bir miktar basınç kaybına neden olmaktadır. Tünelin şekli nedeniyle oluşan basınç kaybı 2,58 Pa olarak hesaplanmıştır. Tünel içerisindeki araçların hareketlerinden oluşan piston etkisi de basınç kayıplarına neden olmaktadır. Aslında piston etkisi basınç kaybına neden olmamakta tam aksine havalandırma sistemi için ek bir hava akımı olarak ele alınmaktadır. Binek ve ağır vasıta araçların yüzey alanları ve sayıları, piston etkisi nedeniyle meydana gelen basınç kaybı hesaplamalarında belirleyici faktörlerdir. 98 adet binek aracın tünel içinde yaratmış olduğu basınç kaybı 98,39 Pa, 51 adet ağır vasıta aracın yaratmış olduğu basınç kaybı ise 448,29 Pa olarak hesaplanmıştır. Toplamda tünel içinde piston etkisi nedeniyle meydana gelen basınç kaybı ise 546,68 Pa olarak belirlenmiştir. Tünel içerisine montajı yapılacak olan jet fanlar da basınç kaybına neden olmaktadır. Jet fanlar nedeniyle meydana gelen basınç kaybı ise 565,80 Pa olarak hesaplanmıştır. Montajı yapılacak olan jet fanların tünel için gerekli olan temiz hava miktarını sağlayacak kapasitede ve basınç kayıplarını yenecek güçte olmalıdır. Aksi halde istenilen hava hızı ve hava debisine ulaşılamamaktadır. Bu da tünel içerisinde bir yangın çıkması durumunda tahliye için gereken tünel ortamının sağlanamaması ve zehirli gaz bileşenlerinin seyreltilememesi anlamına gelmektedir. Jet fan sayısının belirlenmesi için yapılan hesaplamalar sonrasında tünel için 24 çift olmak üzere, toplamda 48 adet jet fanın kullanılması gerektiği belirlenmiştir. Tasarımı yapılan havalandırma sisteminin yangın gibi acil durumlar sırasında istenilen performansı göstermesi gerekmektedir. Havalandırma sisteminin performans değerlendirme kriterleri içerisinden herhangi birinden yetersiz kalması, tünel kullanıcıları ve tünelin yapısal bütünlüğü açısından oldukça tehlikeli durumların oluşmasına neden olmaktadır. Çünkü yangın sırasında açığa çıkan duman ve sıcak gazların tahliye yollarından uzak tutulması hayati önem taşımaktadır. Ayrıca açığa çıkan sıcak gazlar, jet fanların yaratmış olduğu hava akımı sayesinde tünel atmosferi içerisinde homojen bir şekilde dağıtılabilmektedir. Böylece sıcaklığın tek bir noktada toplanması engellenerek, tünelde yapısal kusurların oluşmasının önüne geçilmektedir. Performans değerlendirme kriterlerinden ilki, tasarımı yapılan havalandırma sisteminin hava debisi açısından yeterliliğinin kontrol edilmesidir. Tünel içinde bir yangın çıkması durumunda, havalandırma sisteminin çıkan yangınla mücadele edebilecek kapasitede olması gerekmektedir. Tünel yangınları sırasında yapılan araştırmalar sonucunda 0,15 m3/s,şerit dolaylarındaki hava akımının, yangın havalandırması açısından yeterli olduğu tespit edilmiştir. Örnek tünel için yapılan hesaplamalar sonrasında tünel içindeki hava debisinin 0,12 m3/s,şerit olduğu belirlenmiştir. Hesaplanan değerin 0,15 m3/s,şerit değerine oldukça yakın olması nedeniyle, sistemin bir yangın durumunda istenilen hava debisini sağlayacak kapasitede olduğu anlaşılmıştır. Performans değerlendirme kriterlerinden ikincisi ise sistemin hava hızı açısından yeterliliğinin kontrol edilmesidir. Yangın sırasında açığa çıkan dumanın kontrol altında tutulması ve tahliye yoluna doğru yönlenmesinin önüne geçilmesi, tünel kullanıcıları açısından oldukça önemlidir. Çünkü yangın sırasında esas ölümcül faktör açığa çıkan sıcaklık değil dumandır. Duman içerisinde bulunan zehirli gazın vücut üzerindeki etkileri oldukça hızlıdır. Ayrıca tahliye işlemlerinin başarı yüzdesini en fazla etkileyen parametre duman yoğunluğudur. Bu nedenle yangın sırasında dumanın kontrol altında tutulabilmesi için, tünel içerisinde optimum bir hava hızının uygulanması gerekmektedir. Genel olarak otomobil ve hafif araç yangınlarında, 1-2 m/sn, otobüs veya kamyon yangını için 2-3 m/sn ve petrol tankeri gibi 100 MW’a kadar olan yangınlarda 5-8 m/sn’lik hava hızları yeterli olabilmekte ve duman akışı rahatlıkla kontrol altında tutabilmektedir. Yapılan hesaplamalar sonucunda tünel içindeki hava hızı 6,49 m/sn olarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuca göre tasarımı yapılan havalandırma sistemi, yangın sırasında açığa çıkan dumanı kontrol altına alabilecek kapasitededir. Performans değerlendirme kriterlerin sonuncusu ve en önemlisi, farklı yangın boyutları için oluşturulan yangın senaryoları sırasında havalandırma sisteminin, gereken tahliye koşullarını oluşturup oluşturmadığının kontrol edilmesidir. Tasarlanan havalandırma sisteminin 30 MW, 50 MW ve 100 MW yangın gücüne sahip yangınlar sırasındaki performansı incelenmiştir. Yapılan simülasyonlar sonrasında, tasarımı yapılan havalandırma sisteminin oluşturulan yangın simülasyonları ile başa çıkabilecek yeterlilikte olduğu görülmüştür. Havalandırma sisteminin yangın sırasında aktif hale gelene kadar olan gecikme süresini simülasyonlara dahil edebilmek, yangının gelişim evrelerini ve tünel içerisindeki sıcaklık ve duman dağılımını anlık olarak görebilmek için, zamana bağlı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Yangın ve duman, simülasyonlarda enerji kaynağı olarak ifade edilmiştir.

Tunnels play important role in overcoming the difficulties caused by geographic hinderences on domestic and international roads. The number of tunnels built to enable easy and safe access in highlands and also to divert traffic from congested urban areas grow in numbers as days pass. From an engineering point of wiev, tunnels are structures that require detailed calculations in the construction and operational stages. The main concern for the tunnels located in urban areas is the security since these are normally utilised by a wast number of individuals. The conditions that are met inside such tunnels are rather different to those that are met on open road networks. For instance, tunnels are confined structures and in terms of driving conditions, they require more attention of the driver in comparison to motorways. In line with this, tunnel related traffic accidents may result in more dire consequences. A fire that breaks out following a traffic accident inside a tunnel is the most serious dangerous incident that can occur in a tunnel. In such cases “time” as a concept becomes an important factor for the tunnel users since the number of exits are limited in tunnels. During a tunnel fire, the heat accumulation is not the primary threat to human life. The more dangerous threat comes from inhalation of smoke containing toxic fumes and gasses originating from the burning debris. Inhalation of such is the cause for the major part of casualties. Between 1949-1999, 306 individuals have lost their lives and 262 have been injured in tunnel fires. These incidents happened in 23 tunnels that were deemed to be safe. The key issue for assuring safe passage through tunnels lie in the precise design of the ventilation system. In essence, the purpose of the ventilation system is to retract the emissions during normal usage of the tunnel and to extract the heat and the fumes accumulated inside the tunnel away from the individuals in the event of a fire. By close analysis of these variables one can construct and optimise the design of the ventilation system. In the past, the function of the ventilation system was mainly to extract the gas emissions caused by vehicles. However, with the tightened security legislation during the recent years for secure travel in tunnels, the ventilation system needs to be designed to also accommodate security features during emergency situations such as fire. The first design parameter is the extraction of the emission gases. Exhaust of vehicles released CO, NO2 and smoke emitted from diesel vehicles negatively affects the atmosphere of the tunnel. These pollutant components are directly involved in the atmosphere on the open roads thus does not present any danger. However due to the tunnels have enclosed volume in the case of an unventilated tunnel or not properly designed ventilation system, toxic effect of emission gases intensified and reach the permitted limit values. The desired outcome is to keep emission levels inside the tunnel at the legally set levels. With appropriately designed ventilation systems, relased poisonous gases by vehicles are diluted by the means of mechanical ventilation equipments that allow tunnel users without any damage. Therefore appropriately dimensioning of the ventilation system is very important. Because large ventilation systems process too much dilution which means to increase maintenance, repair, operation and initial investment costs. Otherwise in the case of establishing insufficient ventilation system in the tunnel, adequate amount of fresh air isn’t provided to the tunnel air and toxic gases doesn’t dilute at the desired rate. In addition, increasing the concentration of particles released by diesel vehicles, cause serious pollution of the atmosphere of the tunnel, decrease in visibility and increase the risk of accidents. The second design parameter is to assure the performance of the ventilation system in the event of a fire. Therefore, while designing the ventilation system one has to consider the fire and smoke accumulation pattern by using means of numerical simulation of computational fluid dynamics, evaluation of the post-analysis results and also through modelling different fire scenarios to determine the best evacuation strategy. Enabling quick evacuation of the individuals with minimum exposure to fumes and heat is the desired outcome. The system achieves this by constant monitoring of the atmosphere through a computer software and by determining the evacuation route in accordance with these variables. The optimal system assures proper ventilation of the tunnel during day-to-day use but also needs to perform adequately in extreme cases such as fires. By using PIARC 2004 calculation methods, the emission levels have been calculated to determine the required fresh air amount. Calculations show that 268 m3/s is required to dilute the CO emission, 159,43 m3/s for NO2 and 360,51 m3/s for smoke. Smoke has been the dominating factor in the design of the ventilation system. When enough amount of fresh air is supplied to dilute the smoke; the requirements for CO and NO2 dilutions are also met. Before designing the ventilation system the probable traffic composition that will be passing through the tunnel has been determined. Thereafter, the traffic composition has been grouped according to type of vehicles and fuel type. At the last stage, the designers have paid to attention to the flowing traffic that would keep the the ventilation system operating at the maximum capacity to overcome excess contamination levels. In this simulation there would be 44 petrol, 55 diesel passenger cars and 51 heavy goods vehicles. Upon determination of fresh air requirement, the pressure losses inside the tunnel have been determined. The calculations have revealed that the total pressure loss caused by signs and other tunnel equipment is 152,78 Pa, The horse shoe and the rectangular cross section of the tunnel also contributes to the pressure losses. The amount of pressure loss due to physical characteristics of the tunnel has been calculated as 2,58 Pa. The piston effect resulting from the movement of the vehicles inside the tunnel that can affect the pressure balance. The piston effect is considered as supply of fresh air rather than pressure loss. The piston effect in this project has been calculated by the surface areas of the 98 passenger cars (98,39 Pa) and the 51 heavy goods vehicles (448,29 Pa). Consequently the total piston effect is 546,68 Pa. Finally the pressure loss caused by the jet fans has been calculated as 568,80 Pa. The jet fans that are to be mounted need to overcome the pressure loss and be of adequate capacity to supply the required fresh air. Failing to comply with these conditions it will be a challenge to achieve the target air flow speed and volume. This in turn will lead to ventilation system being inadequate to extract the heat and fumes during a potential fire. The calculations have showed that 24 pairs (48 total) of jet fans are required for the design of the ventilation system. The design of a ventilation system needs to be evaluated in a range of different parameters. If the system fails to pass one of the defined assessment criteria, this may result in dangerous conditions for the tunnel users and tunnel’s structural integrity. The system needs to deviate the heat and the fumes away from the evacuation routes and also distribute these elements homogeneously to avoid accumulation at a certain location. The latter is of special importance for the structural integrity. The first performance evaluation criteria for the ventilation system is the control of the volume of the air supply. The system needs to be able to cope with the fire in case this happens. Research shows that an air supply volume of 0,15 m3/s,lane is adequate in terms of fire ventilation. Calculation shows that the subject tunnel will have an air supply rate of 0,12 m3/s,lane. Since this value is close to the 0,15 m3/s,lane which is preffered; it has been concluded that the air flow volume is satisfactory. The second performance evaluation criteria is the air speed adequacy. The air speed is a rather important factor for deviating the smoke away from the evacuation route in the event of a fire. As described earlier, the smoke accumulation and density is lethal factor in tunnel fires since the toxic elements may effect the success ratio of the evacuation process. Consequently, adequate amount of air speed obtained with the ventilation system enables one to control the smoke density. In general it is known that an air speed of 1-2 m/s for passenger cars, 2-3 m/s for heavy goods vehicles and 5-8 m/s for tankers fires up to 100 MW is adequate. Calculations show that the air speed in the project tunnel is 6,49 m/s. This value indicates that the air speed is sufficient enough to cope with smoke control. The third and the most important performance evaluation criteria is to assess whether the designed ventilation system provides evacuation conditions in difference fire scenarios. On this phase, several fire simulations have been modeled by using a SOLVENT software functioning on computational fluid dynamics (CFD) method. Also the purpose of these simulations have been assess the performance of the ventilation system during emergency situations. The system has been studied with fires of 30 MW, 50 MW and 100 MW. Simulation show that the design of the ventilation system is able to meet requirements of such fires. In order to observe the progressional stages of the fire and to account for the delay time of ventilation system’s activation; “transient simulation” have been performed to understand physical distribution of temperature and smoke accumulation in the tunnel. For this study, fire and smoke are defined as energy sources. Graphs produced and presented are from results obtained through the fire scenarios, showing temperature and smoke density distributions.