TEKNÄ°K MAKALE 60. Sayı (Mayıs Haziran 2006)

Öğr. Gör. Dr. Mustafa ÖZGÜNLER, Araştırma Görevlisi Seden A. ÖZGÜNLER İstanbul Teknik Üniversitesi Mimarlık Fakültesi, Mimarlık Bölümü, Yapı Bilgisi Ana Bilim Dalı
1. Giriş

Yangınlarda oluşan can kayıplarının çok az bir yüzdesi alevlerin doğrudan teması nedeniyle oluşur. Bina içerisinde ani bir patlama olmadıkça, strüktürü güçlendirilmiş bir binanın çökme süresi genelde kaçış süresinden fazla olacağı için göçük altında kalma nedeniyle oluşacak ölümlerin yüzdesi de fazla değildir.

Bu tip olaylarda can kayıplarının pek çoğu bina içerisinde oluşan dumanın ve zararlı gazların solunmasıyla oluşan zehirlenmelerdir. Bu oran tüm ölümlerin  % 75'ini oluşturur ki bu da çok fazla bir miktardır. Yanmakta olan farklı malzemelerden çıkan zehirli gazların türleri yapılan deneyler sonucu belirlenebilmektedir. Malzemelerden çıkan bu tip gazların türüne göre tehlike sınırlarının belirlenmesi de mümkündür. İnsanlar için belirlenen tehlike sınırları, kişinin fizyolojik yapısına, yaşına, cinsine göre değişebileceği ve ayrıca yanma gazlarının yanma ortam şartlarına bağlı olarak insanı etkileyiş biçimlerinin farklılaşacağı için kesin bir rakam olarak alınmamalıdırlar. Örneğin karbon içeren tüm malzemelerde yanma anında çıkan, karbondioksit gazının, ortamdaki oksijen yetersizliği nedeni ile daha tehlikeli olan karbonmonoksit gazına dönüşmesi ile insan üzerinde yapacağı etki tamamen farklılaşacaktır.

Bina içerisinde serbestçe dolaşan bu tip zehirli gazlar içeren duman tabakasının zehirleyici etkisinin yanında, sıcaklığı da kullanıcılar açısından büyük tehlike olabilmektedir. Birçok yangında, yangın başlangıcından çok kısa bir süre sonra kaçış yollarını kullanarak binayı terk eden kullanıcılarda bile, giysi korunması olmayan yerlerde özellikle ısıya çok duyarlı göz kapaklarında yanıklar görülmüştür.

Dumanın zehirleyici etkisi, görüşü engelleyip kaçışı zorlaştırması ve diğer tüm olumsuz etkileri göz ardı edilip yangının sadece ortam havasını ısıtan bir ısı kaynağı olduğu varsayılsa bile artan ortam sıcaklığı tek başına ölüme neden olabilir. Herhangi bir mekana 80-120 ûC sıcaklığında hava üflendiğinde mekandaki canlıların fizyolojik yapı ve giysilerine bağlı olarak en fazla 15 dakika içerisinde ısı çarpması (Hyperthermia) nedeni ile hayatlarını kaybedecekleri kaçınılmaz bir gerçektir [1].

İnsan vucudunda deri sıcaklığının 44.8 ûC’ye çıkmasını sağlayacak güçteki bir sıcak hava akımı bile hücre bozulmalarına sebep olacağından acıya ve ufak yanıklara neden olabilmektedir. Kaçış yollarında 60 ûC sıcaklıkta bir yüzeye dokunulduğunda 10 saniye içerisinde deride protein pıhtılaşması oluşacak ve acı veren yanığa sebep olacaktır [1].

Yangın mekanına yakın herhangi bir mekanda bile, ısınmış yüzeylerden ışınım yolu ile ve/veya sıcak gaz ve dumanın doğrudan bu mekana sızması ile ortam sıcaklığının özellikle tavan hizasında çok kısa sürelerde yukarıda bahsedilen düzeyde tehlikeli değerlere çıkacağı ve bu mekana sızan dumanın başka bir bölmedeki yanma sonucu oluşan zehirli gazları da beraberinde getireceği bilindiğinden yangın mekanından çıkıp komşu mekanı kullanarak kaçmaya başlayan kullanıcının hala büyük tehdit altında olduğu açıktır.

Yangından korunmadaki ilk amaç kullanıcıların güvenliğini sağlamak olduğundan, tasarım aşamasında alınacak kararlarla, kullanıcılar için ölümcül bir tehlike olan dumanın bina içindeki hareketi ve yayılması kontrol edilmelidir. Binalarda duman yayılmasını engelleyebilmenin en etkili yolu ise dumanın ve sıcak gazların özelliklerini bilmektir. Bu tip veriler bilinirse dumanı kontrol altında tutmak çok daha kolay olacaktır.

2. Kapalı Hacim Yangınlarında Duman Hareketi

Yangın tutuşmadan sonra kendi kendine sönmediyse mekandaki oksijen ve yakıt bitene kadar büyüyerek devam eder. Yanma olayının bir sonucu olarak yakıtın hemen üzerinde alevlenme görülür ve alevlerin hemen üzerinde tavana doğru yükselen sıcak hava ve duman sütunu oluşmaya başlar. Yanma esnasında yükselen duman sütunu içerisine ortam havası girerek salınan yakıt buharı ile karışır.

Duman sütununun içine karışan havadan sağlanan oksijen ile tutuşmuş yakıttan çıkan yanıcı buharın karışması ile yanma devam eder ve ortama ısı salınır. Bu şekilde açığa çıkan ısının büyük bir bölümü yanma bölgesindeki gazlar tarafından emilir, böylece mekandaki gazların ve havada uçuşan katı parçacıkların sıcaklığı da artar. Yanma gazları kaldırma kuvvetleri (buoyancy) yardımı ile yükselmeye devam ettiği süre boyunca içeriye hava girişi devam eder. Yanma bölgesinin üstünden yükselen duman sütununa yanlardan hava girdiği süre içinde yanma için gerekli oksijen de sağlandığından, yangın kendini büyütme mekanizmasını kurmuş olur. Duman sütunu sürekli sıcaklığını artırarak yükselmeye devam eder. Yanmakta olan bir cisme uygulanan bu temel kural aşağıdaki şekilde açıklanmıştır [2].

Alevli bölgenin tam üzerinde oluşan, sıcaklığını artırarak yükselmeye devam eden ve içerisine giren hava ile hacmini sürekli artıran bu karışımın düşey hareketini engelleyecek tek eleman, yanan bölgenin üzerinde bulunan tavan veya çatıdır. Kapalı hacim yangınlarının diğer yangınlardan farklı olmasını sağlayan, çift tabaka kavramı gibi birçok teorinin temelini oluşturan en önemli özelliklerden birisi bu yatay engel bir başka deyiş ile tavanı oluşturan döşemedir.

Duman sütunu tavana ulaştığında Şekil 2’de gösterildiği gibi tavan şekline bağlı olarak farklı yönlerde ince ışınlar halinde dağılır. Yanma bölgesinin üstünde oluşan duman sütunu ve yanlardan sütuna karışmış olan ortam havasının tümü bu şekilde tavanın hemen altında her yönde dağılmaya başlarlar. Dumanın tavan altında, tavan alt yüzeyine paralel olarak her yönde ince ışınlar halinde dağılması tavan jeti olarak adlandırılır.

Tavan boyunca devam eden sıcak hava akımı (tavan jeti) duvarlara doğru devam ederken altındaki ortam havasını da içine alarak ve düşey harekettekine benzer şekilde ortam havası ile zenginleşerek kalınlaşır. Bu olaylar esnasında yanma bölgesinden kazandığı enerjiyi iletim yolu ile (kondüksiyon) nispeten daha soğuk olan tavan alt yüzeyine, taşınım yolu ile de (konveksiyon) ortam havasına geçirir. Bahsedilen ısı alışverişi sebebiyle yangın mekanının sıcaklığı hızla artmaya başlar. Bu hava hareketi tavan alt yüzeyinde oluşan sürtünme kuvveti etkisi ile yukarıdan ve karışan ortam havasının türbülanslı hareketi ile aşağıdan itilir. Bu hareket ve ısı alış-verişi ile tavandaki jet hareketinin sıcaklığı, duman karışım oranı ve hızı sürekli olarak azalır ve büyüyen bir dönüş açısı ile kalınlığı artar.

Akışkanlar dinamiği kavramları bu aşamada devreye girerek tavan jet hareketinin teorik olarak çözülebilmesine yardım eder. Bu konuda yapılmış olan birçok araştırma literatüre girmiştir. Bu araştırmalar sayesinde tavan jet dinamiği günümüzde daha anlaşılır hale gelmiş duman dedektörlerinin seçimi ve yerleştirilmesi, ısıya duyarlı yağmurlama sistemi başlıklarının yerlerinin daha doğru olarak projelendirilmesi sağlanmıştır. Ayrıca bu araştırmalardan elde edilen veriler sayesinde; kapalı mekan yangınının kapsamlı matematiksel modellemesinin yapılabilmesinde kullanılacak tavan jet dinamiğinin çözümü daha kolay ve gerçekçi hale gelmiştir [4].  

Tavandaki jet olayı tavan yüzeyi altında alevlenme noktasının tam üzerinden her yönde yanal olarak devam eder ve sonunda mekan duvarlarına ulaşır. Şekil 3’te gösterildiği gibi tavan jeti, duvar tavan birleşim noktasında aşağı doğru dönerek bir duvar jeti halini alır. Ancak başlayan duvar jeti aleve yakın yerdeki en yüksek sıcaklığından çok şey kaybeder. Aşağı doğru oluşan duvar jeti içine girdiği havadan daha sıcak ve yoğunluğu daha azdır. Jet olayı aşağı doğru inişinde kaldırma kuvvetleri (buoyancy) tarafından engellenir ve tavandan belli bir uzaklığa indiğinde dumanlı jetin aşağı doğru hareketi tamamen durur. Duvardaki jet olayı ayrıca duvar yüzeyindeki sürtünme kuvveti nedeni ile yavaşlar ancak bu sürtünme kuvveti tavan yüzeyinde oluşandan daha azdır. Tavan jetinde oluşan ısı geçişi aynı şekilde daha soğuk olan duvar yüzeyi önünde hareket halindeki havada da oluşur. İki yüzey arasında gerçekleşen bu olay (kondüksiyon/ konveksiyon) nedeniyle duvar jeti sıcaklığı düşmeye devam eder ve hareket halindeki hava soğur. Isı transferi jet akışının duvar yüzeyinden ayrılıp kaldırma kuvveti ile tekrar yukarıya geri çevrilmesine kadar devam eder. Bu dönüş esnasında ortam havası aynen alev yüzeyinde yükselen havaya karıştığı şekilde tekrar yukarı dönüş hareketine karışır. Böylece devam eden tavan jet akımı altında yukarıdakinden daha az hareketli bir gaz tabakası oluşur.

Aşağıdaki Şekil 4.’te kapalı mekan yangınının büyüme evresi görülmektedir. Yangın başlangıcından beri gelişen olayların ardından ortam havası ile üst tabaka arasında sınır tabakası oluşmuş ve üst tabakanın büyümesi ile zemine doğru alçalmaya başlamıştır. Bu evrede kapalı bölüm (kompartman) yangını ve açık mekan yangınlarının farklılığı ön plana çıkar. Bu  noktadan sonra mekanın  pencere  ve/veya kapılarının  tam anlamı ile  kapalı olması  sadece doğrama  birleşim yerlerindeki  sınırlı  hava   sızıntısı dışında mekandan dışarıya veya dışarıdan içeriye hava akışı olmaması gerekir. Eğer yangın mekanı diğer komşu mekanlar ile doğrudan ilişkili ise ve/veya doğrudan dışarıya ya da komşu mekanlardan birine açılan otomatik kapanma mekanizması olmayan bir veya birden fazla kapısı var ise bu etkenler yangın gelişmesindeki sonraki evreler için oldukça önemli duruma gelmektedir. Aynı şekilde mekanda bulunan pencerelerdeki camlardan herhangi birinin yangın anında kırılması tüm yangın dinamiğini değiştireceğinden bu gibi parametrelere dikkat edilmesi gerekmektedir. İlk seçenekte bahsedilen sınırlı sızıntılı tam anlamı ile kapalı bir mekanda üst tabaka kalınlığı ve sıcaklık, zemine doğru daha hızlı artarak, solumayı etkiler ve hayati tehlike artmış olur.

Şekil 4’te görüldüğü gibi ara yüzeydeki duman tabakasının altındaki alev yangın başlangıcındaki hareketine devam ederek mekan havasını alarak tavana doğru yükselir. Yükselen alev ara yüzeyi delerek üst tabakaya ulaşır. Bununla birlikte alev ara yüzey içinde yükselirken de o dumanlı tabakada bulunan sıcak gazları da alır. Ayrıca alev bu ara tabakaya girdiğinde ortam havasına bağlı olarak bu tabakadaki kaldırma kuvvetleri daha az olduğundan yukarı doğru hareketin hızı yavaşlar. Ancak yükselme hızı yavaşlasa dahi tavandaki jet hareketi devam eder.

Yeni oluşan bu karmaşık iki tabakalı durum alevin nicel özelliklerinde, tavan jetinde ve tavan jeti-duvar ilişkisinde bazı değişikler yapılmasını gerektirir. Bu konuda birçok çalışmalar yapmış bir araştırmacı olan L. Y. Cooper bu konuda matematiksel modellemede çeşitli kolaylıklar getirecek bazı önemli öneriler sunmuştur [5].

Dumanlı üst tabaka yükselen sıcaklığının bir sonucu olarak kendini çevreleyen duvarlara ve döşemeye doğru ışınım (radyasyon) yolu ile ısı transferi yapacaktır. Şekil 4 ve 5’te aşağı yönlendirilmiş oklarla gösterildiği gibi, bu duman tabakası mekanın içinde bulunan cisim yüzeylerini de ısıtmaya başlar. Bu ters ışınımın en önemli etkilerinden birisi de insan dokusuna yaptığı etkidir. Normalde bina kullanıcıları ters ışınımın başladığı bu anda güvenli bölgelere ulaşmış olmalıdır. Yangın konusunda yapılan birçok araştırmada ters ışınımın insan hayatı açısından tehlike yaratacak düzeye geliş süresi hesaplanarak binadan güvenli kaçış süreleri ile karşılaştırılır.

Ters ışınım önemli miktarlara ulaştığında; örneğin üst tabaka ortalama sıcaklığı 300 - 400 ûC’ye ulaştığında genel kavuşma (flashover) evresine çok kısa bir zaman içinde girilmesi için uygun ortam hazırlanmış olur. Yükselen sıcaklık ile mekan içinde oluşan yanmadaki fiziksel ve kimyasal ayrışma hızları logaritmik olarak artmaya başlarlar, artık her şey çok hızlı gelişmeye başlamıştır.

Basınç farkı nedeniyle komşu mekana geçen duman tabakası, komşu mekan ortam havasından daha az yoğunlukta olduğundan tavana doğru yükselir. Şekil 4’te gösterilen yüzen üst tabaka akımı daha önce anlatılan alev hareketi ile benzer karakterlere sahiptir ve bazı ufak değişiklikler yapılarak benzer formüller ile matematiksel olarak modellenebilir.

Yangın güvenliği kavramı içinde, yanma anında oluşan dumanın tüm bina ya da tesis içinde yayılması da önemli bir yer tutmaktadır. Yangın başlangıcından çok kısa bir süre sonra yangın mekanına çok uzak diğer mekanlarda da duman hareketi görülmeye başlar. Özellikle bina içindeki düşey ve yatay boşluklarda herhangi bir önlem alınmadıysa bu tip alanlara sızan sıcak gazlar tüm binayı sarabilir. Mekan dışına ilk sızıntı başladıktan sonra tüm binanın içinde duman hareketini sağlayan mekanizma aşağıdaki bileşenlerden oluşur.

Genleşme

Kaldırma kuvvetleri

Mekanik havalandırma ve klima sistemleri

Rüzgar nedeni ile oluşan basınçlar

Görüldüğü gibi mekanik havalandırma ve rüzgar etkisi olmasa bile genleşme ve kaldırma kuvvetleri yardımı ile duman tüm binaya yayılabilmektedir.

3. Duman Üretimi

Duman genel olarak sıcak gazlar ve buhar ile karışmış küçük katı tanecikler ve sıvı zerreciklerinden oluşmuş yangın kaynağından yükselerek soğuk alt tabaka üzerinde yüzen bulut olarak tarif edilebilir. Duman bulutu yanmaya başlamış organik madde atıklarından da oluşmuş olabilir. Bu tip organik madde atıkları genelde tam olmayan bir yanma ile oluşur. Herhangi bir yanmanın tam olmaması iki genel nedene bağlıdır;

a)Karmaşık reaksiyonların gerçekleştiği alevli yanmada     oksidasyon çok yavaş ise oluşan karbon parçacıklarının tam olarak yanmadan alevden ayrılmaları,

b)İçin için yanma olayında katran ve nem içeren küçük parçacıkların tam olarak yanmadan ateşten uzaklaşarak             duman oluşturması.

Herhangi bir katı veya sıvı yangınında görülen sarımsı alevler, tam olarak yanıp kül olan kurum parçacıklarından oluşur. Bu parçalar uygun koşullarda büyüyerek alevden uzaklaşır ve dumanı oluştururlar. Burada dumanın odadan odaya hareket etmesine, diğer mekanlardaki ortam havasına karışmasına neden olan unsur sızıntı, rüzgar veya aktif havalandırma sistemleri etkisi ile oluşan odadan odaya farklılaşan basınçtır.

Yangının oluştuğu kompartman (bölüm) binanın diğer bölümleri için bir duman kaynağıdır. Dumanın buradan diğer mekanlara girişi, karşılıklı mekanlardaki basınç farklılıklarına ve ayırıcı bölme duvarlarının sızdırma özelliklerine bağlı olarak değişir. Bu durumda iki farklı kompartman arasında hava sızıntısı yoluyla oluşan duman hareketi miktarı kantitatif olarak belirlenebiliyor ise, ikinci kompartmandaki veya binanın geri kalan kısmındaki duman hareketi de rahatlıkla çözülebilir.

4. Duman Miktarı

Yanan malzemenin alevinden yayılan duman miktarı başlıca iki farklı nedene göre değişiklik gösterir.

a)Yakıtın kimyasal yapısı: Yanıcı malzemeler kimyası ile ilgili yapılmış araştırma sonuçlarına göre;Kimyasal yapılarında oksijen atomu veya molekülü bulunduran malzeme veya yakıtlar, oksijen bulundurmayanlardan daha az duman üretirler.Yapılarında benzen atom halkaları bulunduran malzemeler daha fazla duman üretirler.

b)Yanma ortamı: Yanma ortamında oluşan duman miktarına etki eden faktörler ise;Yanma bölgesi ve alev bölgesi sıcaklıkları.
Yanma bölgesindeki havalandırma düzeyine bağlı olarak değişen O2 yoğunluğu olarak sıralanabilir [6].

5. Sonuç

Sonuç olarak, herhangi bir yangında oluşacak yangın anında oluşacak duman miktarının ve yanan malzeme cinsine göre içinde bulunabilecek farklı yanma ürünlerinin bilinmesi, dumanın kendi hareket mekanizmalarını kullanarak en kısa yoldan pasif yöntemler ile bina dışına atılması ve/veya bina içerisinde belirli haznelerde biriktirilmesi kullanıcı güvenliği açısından büyük önem taşımaktadır. Duman miktarının bilinmesi duman haznesi tasarımında çok önemlidir.

Kimyasal açıdan farklı yapıdaki malzemelerden çıkacak olan zehirli atıklar ve bu atıkların oluşturacağı tehlikenin tam olarak belirlenemediği durumlarda, hazne boyutu hesaplayabilmek için, duman sütununa karışan havanın hacminin yakıt tarafından üretilen yanıcı gazlardan çok daha fazla olmasından duman üretim oranını, karışıma giren hava miktarı olarak almak mümkündür.


 

---

R E K L A M