İbik, vaka çalışmaları doğrultusunda farklı senaryoların değerlendirildiği sunumunda şu detayların üzerinde durdu:
“TUCSA TK3-Yangın Güvenliği Komitesi adına bugün sunumumu gerçekleştiriyorum. Sunumumda basitçe vaka çalışmaları üzerinden ilerlemek istiyorum. Türk Yapısal Çelik Derneği (TUCSA), YAÇEM Akademi bünyesinde yangın güvenliği konusunda eğitimlerini sürdürüyor. Detaylı teorik ve uygulama eğitimlerimizi web sitemiz üzerinden de takip edebilirsiniz.
Sunumumun ilk bölümünde yangın güvenlik mühendisliği yaklaşımından bahsedeceğim. Çelik yapıların, tam gelişmiş bir yangınla karşı karşıya geldiklerinde güvenli tarafta kalabilmeleri mukavemetleri ve mekanik yeteneklerini kaybetmemeleri önemli. Ayrıca çelik yapıların, yangından direkt olarak etkilenen alandan insanların kaçışlarına da müsaade edebilmeleri için nasıl tasarlanabileceği konusunda bir yaklaşım sunacağım. Vaka çalışmalarımızda ise Paris Charles-de-Gaulle Havalimanı 2E Terminali ve Airbus A380 Üretim Hangarı olan Bâtiment Star’ı inceleyeceğiz. İkisi de şirketim olan Efectis’in projeleri.
Tasarım sürecimizden kısaca bahsedelim. Çelik yapı tasarımından konuşacağımız zaman yangın konusundaki güvenlik hedeflerimiz nelerdir? Neye ulaşmaya çalışıyoruz? Önce bunu tanımlayalım. Havalimanlarında güvenlik hedefleri duman atımı ile başlar. Boşaltma ve çıkış esnasında yangınla karşılaşıldığında, kullanıcıların çıkışı sürecinde duman atımı problemsiz olmalıdır. Çünkü ciddi bir kalabalıktan, potansiyel bir yaya trafiğinden bahsediyoruz. Dolayısıyla dumanla beraber panik oluşması ve duman atımı sıkıntıya düştüğünde bu panik esnasında can kayıpları yaşanması son derece muhtemeldir. Sonraki güvenlik hedefimiz ise yangın yayılımını sınırlandırmaktır. Yapısal çökmeyi engellemeniz gerekir. Böylece kurtarma müdahalesine de olanak tanımış oluruz. Kurtarma ekipleri içeri girebilmeliler. Yapısal çökme olacaksa da bunun genel olmaması gerekir. Kaçış yollarını, bekleme alanlarını, itfaiye müdahale rotasını etkilemeyecek bölgesel mukavemet kayıpları kabul edilebilir. Ama temel amaç genel yapısal çökmenin gerçekleşmemesidir.
Havalimanlarını özel kılan iki temel nokta olduğunu düşünebiliriz. Biri, “Shevs” dediğimiz duman ve ısı atım havalandırma sistemleri. Çok büyük hacimlerden bahsediyoruz. Bölmelendirme ya azdır ya da yoktur. Rüzgâr etkileri yine önemlidir. Duman ve ısı atım yüzeyleri standart bir yüksek bina ile karşılaştırıldığında eksiktir her yüzeyi kullanamazsınız. Kapalı alan olması nedeniyle temiz hava girişi problemlidir. Aynı anda hem mekanik hem de doğal havalandırma kullanılması gereklidir, bu da biraz önce saydığım sınırlandırmalar sebebiyle zordur. Diğer nokta olarak yapısal güvenlikte de yüksek yangın yükümüz söz konusu. Çünkü çelik yapılar havalimanlarında hangarlar ve terminallerde çoktur. En azından çelik-beton kompozit yapılar görmekteyiz. Çok fazla kaplama ve yalıtım malzemesi vardır. Bunlar da yangın yükü oluştururlar. Havalimanları zaman içerisinde evrildikleri için eski ve yeni yapılar beraberce çalışırlar. Bu da tabii mekanik ve yapısal mühendislerin kabul edeceği üzere mekanik ve yapısal sistemlerde sorun teşkil eder. Yangın gibi yapının tamamını tehdit eden durumlarda bu farklılıklar ortaya çıkar.
Yalıtım Optimize Edilmeli
Baskılama sistemi yapısal güvenlik için bir tehdittir. Çünkü baskılama sisteminiz, sprinkler, water mist veya yerine göre kullanıyorsanız köpük sisteminiz, eğer aktif ve sürekli olarak görevlerini yerine getiriyor halde değillerse, örnek olarak bir hangar yangınında yakıt yükü ile başa çıkamazsınız. Çünkü yüzlerce Megawatt yüklerden bahsediyoruz. Dolayısıyla baskılama sistemi bu kadar dar alanda, bu kadar zor şartlarda yüksek kapasiteli ve iyi çalışıyor olmalı. Yer kazanabilmek ve tüm sistemleri entegre bir şekilde çalıştırabilmek için de yalıtımı optimize etmelisiniz. Her şeyi yalıtmak bir çözüm değil. Ekonomik parametreler bir yana fiziksel olarak da çoğu zaman mümkün olmuyor. Dolayısıyla da yalıtım optimizasyonu da yapısal güvenlik için tehditlerden bir tanesidir.
Tasarım süreci ile ilgili olarak bu kadar sert şartlarda yangına karşı güvenli bir tasarım ve uygulama yapmak istiyorsanız yönetmelik veya mevzuat temelli değil direkt olarak eldeki tasarıma yönelik yangın güvenlik çözümleri oluşturmak gerekir. Yani terzi işi, tanım temelli olmayan, performans temelli, performansa ulaşılması amaçlı tasarımlar kritiktir. Dolayısıyla burada da performans temelli yangın mühendisliği sizin en önemli silahınızdır.
Yangın güvenlik mühendisliği özetle baştan aşağıya bir proje risk değerlendirmesidir. Bu risk değerlendirmesi, inşaat aşamasına geçmeden tasarım esnasında modellemelerle güvenlik riski alternatiflerini ortaya çıkartır. Bunlardan hangilerinin kabul edileceğine yetkili otorite karar verir. Otorite onayından sonra iyileştirilmiş bir yangın güvenlik seviyesiyle tasarımınızı tamamlar ve uygulamaya geçersiniz. Eğer doğru bir yangın güvenlik mühendisliği çalışması yapılırsa bu uygulama ekonomik avantaj da sağlar. Örnek olarak biraz önce bahsettiğim yalıtım optimizasyonunu sağlarsınız. Gereksiz yerlere gereksiz paralar harcamazsınız. Tabii dezavantajı da uygulamada uzmanlık gerektirmesi. Yani biraz işin ehli olmak gerekiyor.
Bir havalimanında yangın gelişimi ve yayılması modellenmelidir. Isı ve duman yayılımı, yüksek ısı duman atım sistemlerinin yerleşimi ve performans seçimlerine bu modellemeyle karar vermek gerekir. Burada hesaplamalı akışkanlar mekaniğinden CFD modellemelerinden bahsediyorum. Birden çok en kötü durum senaryosu oluşturulduktan sonra yangın gelişimi veya yayılımı modellemesi yapılır. Buradan yapısala geçmek mümkün olur. Bu da ısı transfer hesapları ve modellemeleri ile başlar. Isı analiz programlarıyla gerçekleştirilen biraz kolay bir adım. Bir sonraki adım olan yapısal davranış modelleri ise çelik yapının çökme modunu belirler. Her yapı çöker. Ama ne kadar zamanda ve hangi şekillerde çökecek? En yüksek risk durumunu oluşturan mevcut durum senaryoları uygulandığında veya ortalama bir durumda neler oluyor? Bunlara bakmak gerekir. Burada termomekanik analiz yazılımları kullanılır.
Devamındaki süreç ise duman yönetimidir. Burada yine CFD yazılımlarıyla duman ve yüksek ısı atım sistemlerimizin optimizasyonunu sağlarız. Duman nasıl yayılıyor, hangi bölgelerde toplanıyor, özellikle yalıtımlı alanlara, kaçış yollarına sirayeti nasıldır sorularının cevaplarını duman modelleri bize söyler. Son olarak kaçış esnasında ne yaşadığımızı Pathfinder, Exodus gibi yazılımlarla modelleyebiliyoruz. Bu yazılımlarda insanlar panik halinde simüle ediliyor. Görüş mesafesinin 1,8 metre altına düşmesi durumunda panik modunun devreye alınacağı bilgisi yazılıma veriliyor. Duman yayılımı ile beraber neler olabileceğini seyredebiliyorsunuz. Bir yangın durumunun canlandırmasını yazılım size sağlıyor.
Bu simülasyon sayesinde yangın esnasında, hangi bölümleri hangi sırayla, ne kadar zamanda boşaltacağınıza veya tam boşaltmanın hangi senaryoda ve hangi durumda gerçekleştirileceğine dair operasyonel kararları verebilirsiniz.
Sonuç olarak; en kötü durum senaryolarının belirlenmesi, yangın ve duman gelişimi/yayılımı modeli, ısı transferi modeli, yapısal davranış modeli ve değerlendirmesi, son olarak ise kaçış/çıkış modeli, size yangın güvenlik tasarımı doğrulama ve otorite tarafından onay alma şansı verir.
Vaka Çalışmaları
Şimdi vaka çalışmalarına gelelim. 1. Vaka Çalışması Paris Charles-de-Gaulle Havalimanı 2E Terminali. Bu çöktükten sonra yeniden bir yapım işiydi. Dolayısıyla yeni bir tasarım gerçekleştirilecekti. Aslında büyük bir avantaj söz konusu. Çünkü yeniden tasarlayabiliyorsanız müdahale etme şansınız doğar. Çoğunlukla havalimanlarında yeniden tasarım fırsatı bulunmaz. Genelde biz revizyonları kontrol ederiz. Burada duman atım sistemi olarak temel bir problemimiz vardı. Fransa’daki bu konuyla ilgili mevzuat 60 metrede bir duman perdesi talep ediyordu. Hâlbuki tasarımcı 700 metre aralıkla duman perdesi koyabiliyor. Ayrıca %2 payla çalışan duman ısı yalıtım sistemine ihtiyaç vardı. Oysa %1,3 en fazla sağlanabiliyordu. Dolayısıyla burada duman ısı yalıtım sisteminde mevzuat kriterlerine uyamıyordu tasarımcı.
Bunun dışında yapısal dayanımda da bir problemimiz vardı. Asma tavan ve yüzer tavan opaklıkları %50’den az olmamalı diyordu mevzuat. Ancak böyle bir şey sağlamak pek mümkün değildi. Yangın dayanım sınıfına R30 demişti mevzuat, yani 30 dakika fiziksel mukavemetini yük altında taşıması durumu söz konusuydu. Fransız mevzuat kriterleri yerine yangın güvenlik mühendisliği ve gerçek yangın senaryoları ile yeterlilik gösterdik.
Duman atım ısı sistemlerinde özellikle acil çıkış ve itfaiye müdahale şartlarını dikkate aldık. Mevzuatın istediğini değil proje tasarımını modelledik. Yangın dayanım testleri ve parlama, patlama testlerini de göz önüne alınarak sınırlarımızı belirledik. Tasarımdan kaynaklı özellik olarak, 200 metre uzunluk, 30 metre genişlik, 10 metre yükseklik söz konusu. Zemin kat araç girişi ve giden/gelen yolcu, N1 kat gelen yolcu, N2 kat ise giden yolcu olmak üzere yapı 3 katlı idi. Çıkış/kaçış ise zemin kattan N1 ve N2 ile bağlantı sağlayarak gerçekleştiriliyordu. Yapıda ahşap paneller kaplı çelik taşıyıcılarımız vardı. Bunların bazıları ise ahşap kompozit olarak daha riskliydi. Sonuç itibariyle çelik taşıyıcı üzerinde yangın yükü oluşturan bir kaplamamız vardı.
Yangın senaryomuza baktığımızda koltuklar büyük risk oluşturuyordu. Çünkü her biri 250 kW olan poliüretan yanıcı koltuk panellerimiz var. Kiosklar ve masalar problem teşkil ediyordu. Plastik ve polimer temelleri olduğu için 1 MW’lık yangın yükleri var. Döşeme altı ve tavan içi kablo kanalları 500 kW yangın yüküyle problem oluşturuyordu. Fransız mevzuatında ise standart yangın tasarımı için son derece sert bir şekilde 0,5 MW/m² değeri isteniyordu. Mevzuat ahşap yanıcıya müsaade ediyor ancak zehirli duman için izin yok. Tasarım, mevzuatın istediği hiçbir şeyi sağlayamıyordu.
Önce laboratuvar testleri ile eldeki gerçeklere baktık. 10 adet koltuğun yangın yayılmasına ve 10 dakikada toplam 22 koltuktaki yanma sonucuna baktık ve kaç MW’lık riskimiz olduğunu gördük. Sonra koltuk ve kiosklarla beraber kablo kanallarının optimal yerleşimlerini çıkarmaya çalıştık ve modelledik. Yangın yayılım modellemesiyle başladık. Mevzuat belli bir noktada dumanın tutulmasını ve yangın sonucunda yayılımın sınırlı olmasını istiyor. Biz daha yangın başlangıcında bu şartı sağlayamıyoruz. Yangın süresi boyunca görüntü kriteri de sağlanamıyor. Sıcak gaz yayılımına baktık, bu biraz daha insaflı çıktı. Yangın yayılımına baktık sonuç itibariyle kiosk yangını senaryomuzu gerçekleştirdiğimizde mevzuat şartı ile modellememiz arasındaki farkı değerlendirdik ve şunu gördük. Ele alınan yangın senaryolarında duman haricinde kabul edilebilir bir ısı yalıtımı söz konusu. Isı yayılımı için benzer seviyede yangın güvenliği vardı.
Kaçış ve çıkış koşulları, yerleşimi değiştirerek 6 dakikanın altında belirlendi. 6 dakika kabul edilebilir bir seviye. Ama en kritik nokta olarak, kurtarma ve müdahale ekipleri için 1,8 metrelik görüş mesafesi gerekli. Biz bunun 3 metre olan standart şartlarını sağlayamıyoruz. Zaten ilk modelde de gördük bunu. Ama kurtarma ve müdahale ekipleri için kabul edilebilir bir sınırda tutabiliyoruz görüş mesafesini. Buradan hareketle durumu iyileştirebilmek, duman atımını azaltabilmek görüş mesafesini optimize tutmak ve ısının yayılımını engellemek için kriterler koyduk ve şunları söyledik: ‘Yalıtımlı kablolar kullanacaksınız. Bu kablo kriterleriniz EN 13501-6’ya göre olacak. Kablo kanallarınız E60 yangına dayanımlı olacak. Ahşapların yangına tepki sınıfları çok duman çıkartıyor. Bunu engellemeniz gerekiyor. Masif ahşap kullanacaksınız ve yanıcı madde yükünüz en fazla 5,5 MW olacak.’
Çelik taşıyıcı sistemin ahşap duvar kaplamalarında ve asma ile yüzer tavanlarda yangın yalıtımını bu şekilde ortadan kaldırmayı hedefledik. Bunlar kaldırılınca duman yükü azaldı. Duman yükü azalınca kaçış yolu rahatladı. Sonuç itibariyle yanıcı maddelerin miktarları, bunların yüzey alanları ve birbirlerine olan mesafeleri için kriterleri belirledik. Ana yakıcılar ve hedef yakıcılar için en fazla 300 MW/m²’lik ahşaplar, 600 kW/m² poliüretan koltuklar, toplam hedef yanıcılar için yani ahşap kaplamalar, koltuklar ve kiosklar için yangına tepki ve yangın yükü sınıfları ile hesap yapmaksızın kullanımını desteklediğimiz bazı kriterler ekledik. Sulanabilir yeşil bitkiler koyulmasını istedik, sprinkler uygulamasını talep ettik ve kg başına 5 Mj’ün altındaki zayıf yanıcı malzemelerle burayı soğutmalarını, desteklemelerini talep ettik. Şu an Fransa’ya gidip gelenler varsa çoğunlukla bu terminali kullanıyorlardır.
İkinci vaka çalışmamız ise Airbus A380 Üretim Hangarı-Bâtiment Star. Söz konusu üretim hattı Airbus’ın aynı zamanda en yeni üretim hattı olma özelliğini taşıyor. A380 denildiğinde çok büyük bir araçtan bahsediyoruz. Dolayısıyla yüksek risk söz konusu. Tasarımı uygulamaya geçirmeden önce destekleyici yapıyı farklı yangın alanlarında simülasyonlarla değerlendirmemizi talep ettiler. Üç farklı yangın senaryosu belirledik. Isı transferini hesapladık, yangın gelişimi ve sıcaklık değişimi modellemesini gerçekleştirdik, son olarak ise yapının modellenmesini, sonlu elemanlar metodu ile senaryo simülasyonu olarak yaptık ve sonuçları deformasyon, yer değiştirme, plastikleşme, çökme açısından inceledik.
Hangarın, toplanma alanı, lojistik ve test alanı, ofis alanı ve yine lojistik ve test alanı olmak üzere dört farklı bölgesi var. Bölüm 2 olarak nitelenen faaliyet bölgeleri ise daha riskli. Burada hipotezlerimizi oluşturmaya başladık. İlk yangın senaryosu hipotezimiz lojistik alanında bir kamyon ve toplanmayı bekleyen malzemelerden çıkan yangındı. Uçak yakınında 10 MW’lık bir ısı akısı oluşturan 100 litre hidrokarbona eşdeğer bir kaynağın tutuşması ve yanması konu olacaktı. Yanıcı madde olarak 20 kg/m, toplamda 4850 m² bir alan için ahşap belirlendi. Yanıcı kaynakları için ise yağ ve kablolar, malzemeler/mobilyalar ve uçağın kendisi kullanıldı.
İkinci oluşturduğumuz senaryo biraz daha sertti. Yakıtsız uçak yangını senaryoda yer aldı. Yangın uçağın kendisinden kaynaklı. Dolayısıyla yanıcı maddelerimiz 1000 litre dizel, 800 kg PVC 720 kg kauçuk ve 11 ton ahşap. 260.730 MJ/400 m² kalorifik potansiyel oluşturuyor yakıt almamış bir uçağın yangını.
Üçüncü senaryomuz ise en kötü durum senaryosuydu. Yakıt ile dolu uçak yangını. Burada da kanatlardaki yakıt hacminin %2,5’ine denk gelen bir yakıt sızıntısı yaşanması, bunun yere yayılması ve ardından başlayan yangın söz konusu. Yanıcı madde olarak toplamda 150 m³ solventimiz var.
Yapının mekanik davranışını her üç yangın senaryosu için ANSYS ile modelledik. 1000 metreden geçen üç açıklık var tasarımımızda. Birinci senaryoda hiçbir çökme belirtisi ortaya çıkmadı. Yanal yer değiştirme var, 4 cm ile 40 mm arasında. 4000 m² alana yayılmış bir ahşap yangını için hiçbir şey değil. Yangının 80. dakikasında bir dikey deformasyon söz konusu ancak yapının yapısal herhangi bir noktasında risk oluşturmuyor. Sonuç olarak bu senaryoya göre güvendeyiz.
İkinci senaryoda yangın uçakta. 900 °C’ın üzerinde maksimum sıcaklık oluştu. Yangın yüküne yakın kolonların çökmesini gördük. 6500 mm mertebesinde dikey yer değiştirme var, bu tam çökme demek neredeyse. Yangın duvarına doğru 450 mm yanal hareket ve potansiyel zarar var. Yangın duvarına çarpıyor çökme, dolayısıyla çevreye yayılımı da zorluyor. 30 dakikada deformasyon, 42-43. dakikalarda ise net çökme söz konusu. Burada bir önlem almamız gerekecek.
Riski en yüksek olan son senaryoya bakıyoruz. Sıcaklık 30. dakikada değil, 11. dakikada 900 °C’ın üzerine çıkıyor. Yakıt dolu uçak yangınında her üç kolon ve yangın duvarı çöküyor, yani tam yıkım söz konusu. Sonucumuz şu: İlk senaryomuzda yapının sıcaklık artışı nispeten sınırlı ve yapı güvenli seviyede kalabiliyor. İkinci senaryoda yangın kaynağının yakınında kolon eğriliyor ve çökmeye başlıyor. Çöküş esnasında da güvenlik duvarıyla temas ederek ona zarar veriyor. Burada tam çökme riski olmasa da potansiyel yüksek risk var. Yakıtı dolu uçak senaryosu olan 3. senaryomuzda ise 10 dakika içerisinde yangın duvarı da dâhil olmak üzere tam çöküş söz konusu.
Bu sonuçlar göze alındığında tasarımcıya dedik ki ‘çelik ana taşıyıcıları 1000 derecelik bir güvenlik seviyesinde yalıtmak zorundasınız ve çelik yapı elemanları çöktüğünde beton yük taşıyıcının yangın duvarıyla temas etmesini engellemek için engelleme sistemine ihtiyacınız var. Çünkü çelik yapı elemanları yani kolonlarımız yangın duvarını yıkıyor. Bu da kaçış yolunu ortadan kaldırıyor ve diğer yapılara da sıçramasına neden oluyor.’ Bu iki temel kriter ile ilgili yönlendirmemiz oldu. Bir güvenlik bariyeri geliştirdiler beton yangın duvarının önüne. Çelik ana taşıyıcıları da 1000 °C’a dayanmak üzere yalıtmaya karar verdiler. Beni dinlediğiniz için çok teşekkür ederim.”