Investigation of fire spread in industrial wooden buildings with numerical simulation
Endüstriyel ahşap binalarda yangın yayılımının sayısal benzetimle incelenmesi
- Tez No: 885506
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NURİ SERTESER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 137
Özet
Geleneksel Türk evlerinde kullanılan ahşap, günümüzde daha çok beton yapı malzemesiyle değiştirilmektedir. Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte, gelişmiş ülkelerde endüstriyel ahşaptan üretilmiş yapı sistemlerinin kullanımı artmaktadır. Ahşabın bir binada strüktürel eleman olarak kullanılması birçok avantaj sunar: sürdürülebilir olması, depreme karşı dayanıklı olması, estetik görünümü, uygun ağaç türlerinin üretilmesiyle daha ekonomik ve pratik taşıyıcı sistemlerin inşa edilmesi gibi. Tezin temel amacı, endüstriyel ahşabın farklı yapısal formlarda binalarda kullanılması durumunda yangın sırasında sıcaklık, alev ve duman yayılımının etkilerini araştırmaktır. Bu araştırma kapsamında ülkemizde yapılan çalışmalarda, endüstriyel ahşap elemanlar kullanılarak üretilen üç farklı taşıyıcı sistemli model bina üzerinde yangın durumunda oluşan sıcaklık, alev ve duman hareketi incelenmiştir. Bu sistemler dünyanın çeşitli ülkelerindeki mevcut binalardan esinlenilerek panel sistem, çerçeve sistem ve hibrit sistem olarak sınıflandırılmıştır. Sınıflandırmalar sonucunda örnek binalar incelenmiş ve bu binalardan elde edilen strüktürel veriler modellemede kullanılmıştır. Çalışma kapsamında, günümüzde yaygın olarak kullanılan betonarme malzemeden yapılmış bir referans binanın yangın durumu da ele alınmıştır. Bu referans binanın yanı sıra, dört farklı model binanın yangın davranışı, FDS tabanlı Pyrosim programında yapılan yangın analizleriyle incelenmiştir. Birinci bölümde tezin hedefleri, kapsamı ve sınırları belirtilmiştir. Konunun seçilme nedeni ve araştırma yöntemi açıklanmıştır. Binalar ve kullanılan malzemelerin çevre ve insan sağlığı üzerinde büyük etkileri olduğundan bahsedilmiştir. Bu nedenle iklim dostu malzemelerin kullanımı önemsenmektedir. Ahşap malzemenin yanıcı olduğu bilgisi verilmiş ve bu doğrultuda yapılan araştırmaların artması gerektiği vurgulanmıştır. Amaç ve hedeflerin ardından, ülkemizde ve dünyada konuyla ilgili yapılan çalışmalar incelenmiş ve bu çalışmalardan bahsedilmiştir. Türkiye'deki çalışmaların çoğunlukla literatür araştırmaları ile sınırlı kaldığı belirtilmiştir. Yurtdışında ise literatür araştırmalarının yanı sıra deney ve simülasyon çalışmalarıyla desteklenen daha detaylı ve işlevsel çalışmalar yapıldığı ifade edilmiştir. İkinci bölümde endüstriyel ahşap malzeme detaylı bir şekilde ele alınmıştır. Farklı endüstriyel ahşap türlerinden bahsedilmiş ve bunların kullanım olanaklarına değinilmiştir. Bunlar arasında tutkallı tabakalı ahşap, çarpraz lamineli ahşap, yonga lamine ahşap, çivili lamineli ahşap, ahşap beton kompozit, ahşap dübelli kompozit, paralel lamine ahşap bulunmaktadır. Bu malzemelerin özellikleri ve yapı sistemlerindeki kullanımı incelenmiştir.Ayrıca, bu malzemelerden üretilen ahşap yapı sistemleri detaylı olarak tartışılmış ve dünyadaki çeşitli binalar örnek olarak verilmiştir. Ahşap yapı malzemesinin yangın durumundaki davranışı ve bu duruma karşı alınması gereken pasif ve aktif önlemler açıklanmıştır. Ahşabın yangından korunması için tam ve kısmi kapsülleme yöntemleri açıklanmış, bunların yanı sıra vernik, boya ve sprinkler sistemleri gibi çeşitli önlem yöntemleri detaylı bir şekilde ele alınmıştır. Ayrıca, ülkemizde ve dünyada çeşitli yangın yönetmeliklerinde ahşabın yangına karşı korunmasıyla ilgili düzenlemeler ikinci bölümün sonunda anlatılmıştır. Üçüncü bölümde çalışmada kullanılan yöntem ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Sayısal benzetim için kullanılan yazılımın özellikleri ve kullanımı hakkında bilgi verilmiştir. Sayısal benzetimde kullanılan model binanın özellikleri tanıtılmış ve bu binada betonarme ile endüstriyel ahşap elemanların kullanım alanlarına ilişkin açıklamalar yapılmıştır.Daha sonra, tasarlanan model binanın Pyrosim ortamında oluşturulan yangın benzetim modeli detaylı bir şekilde tanıtılmıştır. Bu aşamada, yangın benzetiminde kullanılan parametreler ve modellemeye dair teknik detaylar açıklanmıştır. Analizler, konut kullanım sınıfında 5 katlı ve her katta 2 daire bulunan bir model binada gerçekleştirilmiştir. Yangın, binanın ikinci katında bulunan bir konutun salonunda başlamıştır. Yangın kaynağının HRR (Isısal Yayılma Oranı) değeri 642 kW/m² olarak sabit tutulmuştur. Sayısal benzetim süresi, itfaiyenin alana ulaşması sonrasında hazırlık ve müdahale süresi de dahil olmak üzere toplam 10 dakika (600 saniye) olarak kabul edilmiştir. Çevre sıcaklığı 20 °C olarak sabit tutulmuş ve yangın bu koşullarda başlatılmıştır. Analizde, camların bulundukları alanın 350 °C'ye ulaşmasıyla işlevlerini yitirerek dışarıya ısı geçişine izin verdiği belirtilmiştir. Konutun dış kapısının 180. saniyede açılarak bina çekirdeğindeki ısı geçişine olanak tanıdığı ifade edilmiştir. Modelde kullanılan alanın ölçümü için hücreleme sistemi yapılmış ve 20 cm³'lük alanlar seçilmiştir. Yapı malzemelerinin yoğunluğu, emisyonu, iletkenliği ve özısıları aynı malzemeler için sabit tutulmuştur. Bahsedilen parametreler ve kabuller, sistemler arasında aynı değerleri içermektedir; fark sadece malzeme ve sistem özelliklerinde bulunmaktadır. Dördüncü bölümde, dört farklı taşıyıcı sistemin sayısal yangın benzetimine ait sonuçlar ayrı ayrı değerlendirilmiş ve bu sistemler arasındaki farklar incelenmiştir. Panel Sistem; Bu sistemde binada tamamen CLT paneller kullanılmıştır ve duvarlar taşıyıcı görevi görmektedir. Ahşap Çerçeveli Sistem; Bu sistemde kolon ve kirişler GLT (Çapraz Lamine Ahşap) malzemesinden yapılmıştır, bölücü duvarlar ve döşemeler ise CLT malzemeleri kullanılmıştır. Hibrit Sistem: Bu sistemde döşemelerde betonarme kompozit paneller kullanılmış, kolon ve kirişlerde GLT malzemesi, bölücü duvarlarda ise CLT kullanılmıştır. Referans Betonarme Sistem; Bu sistemde kolonlar, kirişler ve döşemeler betonarme malzemeden yapılmış, bölücü duvarlar ise gazbeton kullanılmıştır. Her bir sistem mimari model ve yangın modeline işlenmiş, ardından simülasyonlar çalıştırılarak sonuçlar elde edilmiştir. Bu sonuçlar, her sistemin yangın durumunda gösterdiği performansı ve dayanıklılığı değerlendirmek için kullanılmıştır. Binanın farklı noktalarına termokupl yerleştirilerek, 600 saniye boyunca sıcaklık değerleri ölçülmüştür. Termokupller salon, mutfak, giriş holü, yatak odası ve ana yatak odası tavanlarına yerleştirilmiştir. Yangının salonda başlaması sebebiyle, salondaki oda merkezine ve duvarlara, döşemeye de termokupller konulmuştur. Ayrıca, binanın çekirdeğindeki sıcaklık değişimlerini ölçmek için her katın çekirdek tavanına da termokupller yerleştirilmiştir. Ayrıca, farklı kesitler alınarak ısı dalgası görselleri elde edilmiştir. Periyodik aralıklarla alınan bu görseller ve grafikler kullanılarak sonuçlar değerlendirilmiştir. Her 100 saniyede bir görseller alınarak farklı sistemler arasında kıyaslamalar yapılmıştır. Bu ölçümler ve görseller, farklı taşıyıcı sistemlerin yangın durumundaki performansını ve bina içindeki sıcaklık dağılımını anlamak için kullanılmıştır. Beşinci bölümde elde edilen bulguların değerlendirilmesi ve yorumları yapılmıştır. Her bir sistem için grafik sonuçları incelenmiş ve ortalama sıcaklık değerleri grafiklerde işaretlenmiştir. Ayrıca her sistem için alınan görseller, ilgili grafiklerle birlikte sunulmuştur. Duman değişiminin incelenmesi, alınan kesitlerdeki ilerlemeye göre karşılaştırılmıştır. Yangının çıktığı salonun camları, betonarme modelde en son kırıldığı gözlemlenmiştir. Ortalama sıcaklık dağılımı açısından, diğer model binalara göre betonarme sistemde sıcaklık dağılımının en yavaş olduğu belirlenmiştir. Benzer şekilde, duman yayılımının da betonarme sistemde daha kontrollü ilerlediği görülmüştür. Bu durumun, betonarme malzemenin ısıyı dağıtma ve duman çıkarma özelliklerinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Bu değerlendirme, farklı taşıyıcı sistemlerin yangın durumundaki performansını anlamak ve karşılaştırmak için önemli bilgiler sunmuştur. Hibrit sistemli model binada, betonarme sisteme göre yangının ilerleme hızının daha kısa olduğu belirlenmiştir. Mekanlar arasındaki sıcaklık dağılımı açısından da betonarme sistemden daha hızlı bir şekilde sıcaklık artışı yaşandığı ve duman dağılımının da betonarme sisteme göre daha hızlı olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum, hibrit sistem model binada endüstriyel ahşapla birlikte kullanılan betonarme elemanların sıcaklık ve duman dağılımı üzerindeki etkisini göstermektedir. Ahşap çerçeveli sistemde ise pencere camlarının kırılma süresinin hibrit sistemli binaya göre daha kısa olduğu tespit edilmiştir. Sıcaklık dağılımı ise hibrit sistem model binasıyla yaklaşık olarak aynı seviyede gerçekleşmiştir. Ancak duman dağılımı açısından hibrit sisteme göre biraz daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Panel sisteminde ise sıcaklık diğer sistemlere göre daha hızlı yükselmiş ve bu nedenle oturma odasındaki pencere camlarının diğer sistemlere göre daha erken kırıldığı belirlenmiştir. Bu durum, panel sisteminin tamamen endüstriyel ahşap elemanlardan oluşmasıyla ilişkilendirilmiştir. Dolayısıyla, sıcaklık dağılımının ve duman dağılımının diğer sistemlere göre daha hızlı gerçekleştiği gözlenmiştir. Bu değerlendirme, farklı taşıyıcı sistemlerin yangın durumundaki davranışlarını ve bu sistemlerin mekansal sıcaklık ve duman dağılımı üzerindeki etkilerini ortaya koymaktadır. Her bir sistemdeki özelliklerin, yangın güvenliği açısından önemli farklılıklar doğurabileceği vurgulanmaktadır. Yalıtımsız dört farklı sistem içinde referans olan betonarme bina, mekanlar arası ve bina çekirdeğinde sıcaklık ve duman yayılımı en az olan sistem olarak belirlenmiştir. Betonarme sisteme kıyasla, hibrit sistemde sıcaklık ve duman yayılımının görece biraz daha fazla olduğu gözlemlenmiştir. Panel sistemle yapılan bina ise en hızlı sıcaklık ve duman yayılımının görüldüğü sistem olarak belirlenmiştir. Taşıyıcı yapı elemanlarının, betonarme ve endüstriyel ahşabın hangi bölgelerde, nasıl ve hangi boyutlarda kullanıldığı gibi parametreler, yangın esnasındaki davranış ve performansı önemli ölçüde etkilemektedir. Malzemelerin tek başına veya hibrit olarak kullanılması, yangında oluşan sıcaklık dağılımı ve dumanın yayılması açısından farklı sonuçlar ortaya koymaktadır. Bu değerlendirme, farklı taşıyıcı sistemlerin yangın durumundaki performansını ve yangının yayılma süreçlerini anlamak için önemli ipuçları sunmaktadır. Her sistemdeki malzeme kullanımının ve yapısal düzenlemenin, yangın güvenliği üzerindeki etkileri dikkate alınarak tasarım ve inşaat süreçlerinde kararlar verilmesi gerektiği vurgulanmaktadır.
Özet (Çeviri)
Wood, which is used in traditional Turkish houses, is nowadays mostly replaced by concrete building materials. With the increase in technological possibilities, the use of building systems produced with industrial wood is becoming widespread in developed countries. The use of wood as a structural element and system in a building offers many advantages: wood material is sustainable, resistant to earthquakes, more aesthetic, more economical, and practical structural systems can be built as a result of the production of suitable tree species. The main objective of the thesis is to investigate the effects of temperature, flame and smoke propagation in case of fire when industrial wood is used in different structural forms in buildings. The studies carried out for this purpose analyzed the temperature, flame and smoke movement in case of fire in model buildings with three different structural systems produced using industrial wood elements. These systems are categorized as panel systems, frame systems, and hybrid systems inspired by existing buildings in various countries of the world. As a reference, the fire situation in a model building made of reinforced concrete, which is a widely used structural material today, is also considered. The fire behaviour of the reference building and four model buildings were investigated by performing fire analyses in the FDS-based Pyrosim program. The analyses were carried out in a model building with 5 stories and 2 flats on each floor in the residential use class. In the first part, the objectives, scope, and limits of the thesis are presented. It is explained why this topic was chosen and which methodology was used in the research. Studies on the subject in our country and in the world have been examined and these studies have been mentioned. In the second part, information about industrial wood material is given. Industrial wood types are mentioned and their usage possibilities are mentioned. Wooden building systems produced from these materials are mentioned and various buildings in the world where these systems are used are given as examples. The behavior of timber building material in case of fire and the passive and active measures to be taken in response to it are expressed. In addition, the regulations on the protection of wood against fire in various fire regulations in our country and in the world are explained at the end of the second part. In the third section, the methodology used in the study is given. Information about the software used for numerical simulation is given. The characteristics of the model building in the numerical simulation are introduced, and explanations are made about where the systems consisting of reinforced concrete and industrial wood elements are used in the model building. Then, the fire simulation model of the designed model building created in Pyrosim environment was introduced. Parameters such as where the fire starts, HRR value, duration of the numerical simulation, and the assumptions made are expressed. In the fourth section, the results of numerical fire simulation of four different structural systems are evaluated separately and the differences between them are analyzed. The results are evaluated with visuals and graphs taken at periodic intervals. In the fifth section, explanations and comments on the findings are made. Among the four different uninsulated systems, the reference reinforced concrete building is the system with the least heat and smoke emission between the spaces and in the building core. Compared to the reinforced concrete system, the hybrid system has slightly more heat and smoke emissions. This is likely due to the use of both industrial timber frame and concrete together. It has been observed that the temperature and smoke emission in the timber frame system is faster and more than in the hybrid system. The building constructed with the panel system was determined as the system with the fastest temperature and smoke emission.
Benzer Tezler
- Üzerinde hava akımı olan, yatay yakıt yatağındaki alevsiz yanmanın incelenmesi
Smoldering combustion in a horizontal fuel layer which is object to an air flow above fuel bed
YUSUF ERDEM ÖNDER
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERHAN BÖKE
- Betonarme endüstriyel binalarda yapısal yangın güvenliğinin ulusal ve uluslararası standardlar kapsamında incelenmesi
Investigation of structural fire safety in reinforced concrete industrial buildings within the scope of national and international standards
GÖKTUĞ ŞEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA GENÇOĞLU
- Sanayi yapılarında ısı, ses ve yangın yalıtımının incelenmesi
The investigation of insulation of heat, noise and fire in industrial buildings
SALİH EMRE
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Enerjiİnönü ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İ. GÖKHAN AKSOY