Geri Dön

Comparative analysis of emergency ventilation strategies for fire safety in metro stations

Metro istasyonlarında acil durum havalandırma yöntemlerinin yangın güvenliğine etkisinin karşılaştırmalı analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 948454
  2. Yazar: BURAK BALLI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. TAHSİN ENGİN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Ulaşım, Mechanical Engineering, Transportation
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 241

Özet

Bu çalışmada, farklı metro istasyonu tiplerinde meydana gelebilecek tren yangını durumunda uygulanabilecek acil durum havalandırma stratejilerinin yangın güvenliği performansına etkileri detaylı olarak analiz edilmiştir. Çalışmanın amacı, hem yangın risklerine karşı uygun acil durum havalandırma sistemlerinin tanımlanması hem de bu sistemlerin istasyon tipi, yangın konumu, fan arızası ve yangın senaryosu gibi değişkenler altında karşılaştırmalı olarak performanslarının değerlendirilmesidir. Yangın senaryolarında en belirleyici faktörlerden biri olan duman hareketinin yönlendirilmesi, hem yolcu tahliyesinin güvenliğini sağlamak hem de müdahale ekiplerinin çalışma koşullarını iyileştirmek adına kritik önem taşımaktadır. Metro sistemleri kapalı hacimlerde faaliyet gösteren, kısıtlı kaçış güzergâhlarına sahip ve yolcu yoğunluğunun yüksek olduğu ulaşım altyapılarıdır. Bu özellikler, olası bir yangın durumunda dumanın kısa sürede geniş alanlara yayılmasına ve yolcu tahliyesini tehlikeye atmasına neden olabilir. Bu bağlamda, etkin bir acil durum havalandırma sisteminin tasarlanması ve test edilmesi, metro istasyonlarında yangın güvenliğinin en temel bileşenlerinden biri olarak öne çıkmaktadır. Bu kapsamda çalışma, yalnızca havalandırma sistemlerinin performans karşılaştırmasıyla sınırlı kalmamış, aynı zamanda yangın güvenliğinin çok katmanlı doğasını dikkate alan bütüncül bir yaklaşım benimsemiştir. Yangına karşı dayanıklı yapı elemanlarının seçimi, senaryo bazlı risk değerlendirmeleri, sistemin devreye alınmadan önce test edilmesi ve düzenli bakım süreçleri gibi başlıklar, havalandırma stratejilerinin etkinliği kadar önemli görülmüş ve bu çerçevede çalışma, yangın güvenliği mühendisliği içinde yer alan geniş kapsamlı bir değerlendirme sunmuştur. Çalışmanın ilk aşamasında, Subway Environment Simulation (SES) yazılımı kullanılarak idealize edilmiş (hayali) bir metro hattı modeli üzerinde tünel içi yangın senaryolarına yönelik bir boyutlu termal ve akış analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde, yangın anında tünel boyunca oluşan hava hareketleri ve sıcaklık dağılımları hesaplanarak sistemin davranışı modellenmiş; elde edilen bu veriler, hem acil durum havalandırma fanlarının kapasite kararlarında hem de Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri için kullanılacak sınır koşullarının belirlenmesinde temel teşkil etmiştir. Modelde yedi istasyon tanımlanmış olup, yalnızca üçü ayrıntılı analizler için seçilmiştir. Diğer dört istasyon ise sistemin genel akış davranışını bozmadan hidrodinamik dengeyi sağlamak amacıyla temsili istasyon olarak modellenmiştir. SES analizlerinde, tek boyutlu modellemenin yeterli hassasiyet sağlayamayacağı karmaşık geometrilere sahip istasyon bölgeleri değerlendirme kapsamı dışında bırakılmış; bunun yerine yalnızca tünel içerisindeki yangın senaryoları dikkate alınmıştır. Farklı fan konfigürasyonları, yangın konumları ve tünel eğimlerine göre oluşturulan çok sayıda varyasyon üzerinden yapılan analizlerle, sistemin sınır davranışlarını ortaya koyan en kritik durumlar tespit edilmiştir. Her senaryoda, dumanın geriye yayılımını (ters katmanlaşma) önleyecek minimum hava hızı değeri (kritik hız) belirlenmiş ve bu değerin altında kalan konfigürasyonlar elenmiştir. Fan kapasiteleri, hesaplanan kritik hava hızlarına göre boyutlandırılmış; bu yaklaşım, HAD analizlerinde kullanılacak senaryoların hem fiziksel gerçekliğe uygun hem de mühendislik açısından anlamlı olmasını sağlamıştır. Böylece her istasyon tipi için kullanılacak fan kapasitesi değerleri, SES analizlerinden elde edilmiştir. Ayrıca HAD analizlerinde kullanılan tünel sınır şartları da istasyonlarda gerçekleştirilen SES analizleri sonucunda oluşturulmuştur. SES çıktıları, sistem davranışına dair çeşitli önemli öğrenimler sağlamıştır. Bunlardan ilki, fan arızasının sistem performansı üzerindeki belirleyici etkisidir. Özellikle, tek yönlü tünellerde itme modundaki fanın, çift yönlü tünellerde ise çekme modundaki fanın devre dışı kalmasının, hava akışını kritik düzeyde azalttığı ve duman kontrolünü olumsuz yönde etkilediği tespit edilmiştir. Bu durum, sistemin tünel yangın senaryolarında hangi konfigürasyonlara öncelik verilmesi gerektiğine dair önemli bir teknik içgörü sunmuştur. Sonuç olarak, SES analizleri bu çalışmada yalnızca bir ön adım olarak değil, bütün modelleme sürecinin temel yapıtaşlarından biri olarak kurgulanmıştır. Elde edilen çıktılar sayesinde hem en kritik senaryolar önden filtrelenerek HAD analizlerine yön verilmiş hem de fan yerleşimi, yönü ve kapasite kararları optimize edilmiştir. SES analizleri ile elde edilen sınır koşulları, HAD simülasyonlarında kullanılmıştır. Bu aşamada, Fire Dynamics Simulator (FDS) yazılımına aktarılan üç boyutlu olarak modellenmiş istasyon geometrileri üzerinde detaylı yangın senaryoları canlandırılmıştır. Çalışma kapsamında üç farklı istasyon tipi ayrı ayrı modellenmiştir: ada tipi, yan platform ve tünel tipi istasyonlar. Her bir istasyon tipi için iki farklı yangın konumu (trenin alt bölgesi ve üst bölgesi) ve her konum için bir adet tünel havalandırma fanının (TVF) arızalı olduğu durum dikkate alınarak toplam sekiz senaryo oluşturulmuştur. Bu çok değişkenli senaryo yapısı sayesinde, farklı havalandırma stratejilerinin istasyon tipine özgü performansı kapsamlı biçimde değerlendirilebilmiştir. Yangınlar hem tren altına hem de tren üzerine yerleştirilerek dumanın farklı konumlardan nasıl yayıldığı gözlemlenmiş; tünel havalandırma fanı arızalarının sisteme olan etkileri ayrıntılı olarak analiz edilmiştir. İstasyon tipine özgü geometri ve fan yerleşimlerine bağlı olarak, havalandırma sistemlerinin farklı yangın konumlarındaki başarımı karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Analizler ile acil durum havalandırma performansı, tavan sıcaklıkları, görüş mesafesi, sıcaklık dağılımı, hava hızı ve zehirli gazlara maruz kalma oranı (FED) gibi güvenlik kriterlerini kapsayacak şekilde değerlendirilmiştir. Ayrıca, HAD analizlerinde iki önemli karşılaştırma yapılmıştır. Bunlardan ilki, yangın senaryoları arasındaki farkları ortaya koymak amacıyla gerçekleştirilmiştir. Aynı istasyon geometrisi ve sınır koşulları altında, yangın senaryosunun farklı olduğu iki durum karşılaştırılmıştır. Bu analizler sonucunda, yangın eğrisinin 120 s ötelendiği ve TVF'lerin analiz başlangıcında aktifleştirildiği senaryoda tavan sıcaklıklarının daha yüksek değerlere ulaştığı ve görüş mesafesinin daha kısa sürede kritik seviyenin altına düştüğü belirlenmiştir. İkinci karşılaştırma ise, yangın olmayan tren hattında da trenin bulunup bulunmaması durumunun etkisini incelemeye yöneliktir. Aynı yangın konumunda, bir senaryoda yalnızca yangının olduğu hatta tren yer alırken, diğer senaryoda her iki hatta da tren bulunmaktadır. Bu karşılaştırma sonucunda, ikinci trenin varlığının yolcu tahliyesi için daha kötü şartlar yarattığı gözlenmiştir. Her ne kadar bu etkiler sınırlı düzeyde olsa da, sistem performansında negatif bir fark yaratmıştır. Ada tipi istasyonlarda yapılan HAD analizlerinde, simetrik bir şekilde çekme modunda çalışan tünel havalandırma fan yapısının duman yayılımı üzerinde olumlu etkileri olduğu görülmüştür. Çekme-çekme stratejisi, platform bölgesinde dumanın dengeli şekilde tahliye edilmesini sağlamış; böylece görüş mesafesi uzun süre korunabilmiştir. Fan arızası durumlarında simetrik çekiş sayesinde sistem kısmen dengesini koruyabilmiştir. Tahliye yolları çoğu senaryoda güvenli kalmıştır. Yan platform tipi istasyonlarda itme-çekme stratejisi, dumanın yalnızca bir yönde ilerlemesini sağlayarak tahliye yönünde daha uzun süreli görüş sağlamıştır. Özellikle çekme-çekme stratejisinde, dumanın iki platforma da her iki yönde eş zamanlı yayılması nedeniyle yolcular için daha fazla risk oluşmuştur. Sonuçlar, bu istasyon tipinde itme-çekme stratejisinin yolcu tahliyesi açısından daha avantajlı olduğunu göstermektedir Tünel tipi istasyonlarda, acil durum havalandırma stratejileri doğrudan tahliye güvenliğini etkileyen sonuçlar üretmiştir. İtme-çekme stratejisi sayesinde duman tek bir yöne doğru yönlendirilerek kaçış yolları açık tutulabilmiştir. Çekme-çekme stratejisinde oluşan ters katmanlaşma, dumanın platform boyunca ilerlemesine neden olmuş ve görüş mesafesini önemli ölçüde azaltmıştır. Tezin son aşamasında, HAD analizlerinden elde edilen sıcaklık ve görüş mesafesi dağılımları kullanılarak Pathfinder yazılımı aracılığıyla yolcu tahliye modellemeleri gerçekleştirilmiştir. Her bir istasyon tipi için yolcu dağılımları, yürüme hızları, kapı yerleşimleri ve merdiven erişimleri gibi fiziksel ve davranışsal parametreler tanımlanmıştır. Yolcu sayıları, bu çalışma özelinde belirlenmiştir. Pathfinder modellemesinde, görüş mesafesine bağlı yürüme hızı değişimleri de dikkate alınmış ve bu değişkenlik HAD analizlerinden elde edilen verilerle doğrudan ilişkilendirilmiştir. Böylece, fiziksel çevredeki tehlike koşullarının yolcu hareketi üzerindeki etkisi daha gerçekçi biçimde simüle edilmiştir. Bu kapsamda, HAD ve tahliye modellemesi birleştirilerek bütüncül bir değerlendirme yapılmıştır. Özellikle ada tipi istasyon için, yalnızca tahliye simülasyonuna dayalı değerlendirmeler ile hem HAD hem de tahliye verilerinin birlikte incelendiği senaryolar karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda, görüş mesafesinin düşük olduğu bölgelerde yavaşlayan yolcu hareketlerinin performans koşullarının sürdürülebilirliğini doğrudan etkilediği gözlemlenmiştir. Yani yalnızca duman yayılımı verisine dayalı karar vermek yerine, yolcu hareketi ile çevresel koşulların birlikte değerlendirilmesi gerekliliği ortaya konulmuştur. Bu yaklaşım, metro istasyonlarındaki yangın senaryolarına bütüncül bir bakış açısı ile incelemeye olanak sağlamaktadır. Bu çalışma sonunda aşağıdaki teknik çıkarımlar yapılmıştır: SES analizlerinde, eğimli tünel yangınlarında dumanın doğal yükselme yönünün tersine tahliye edilmesi en zorlu senaryoları oluşturmaktadır. SES analizlerinde, fan arızaları sistem performansı üzerinde önemli etkiye sahiptir. SES analizlerinde, tünel hatları arasındaki açık geçitler (cross-passage) duman hızını azaltmıştır. SES analizlerinde, yangına dahil olmayan (non-incident), yanan trenin arkasında blokaj etkisi yaratan ek bir tren varsayımı, duman akış hızını olumsuz etkilemiş olup, var olma olasılıklarına bağlı olarak değerlendirilmelidir. SES analizlerinde en kötü durum senaryoları; tünel hatları arasındaki geçit ve acil çıkış/şaft açıklıkları, yangın yerinin tünel içindeki konumu, tahliye yönü, yangına dahil olmayan trenin varlığı, fan arızası durumu ve tünel eğimi gibi değişkenler bir arada değerlendirilerek tanımlanmalıdır. HAD analizlerinde, genellikle tren altı yangınları tren üstü yangınlarına kıyasla daha hızlı duman yayılımı ve daha kısa görüş mesafesi oluşturmuştur. HAD analizlerinde, yangın senaryosu kaçış yolları üzerindeki değerlendirme kriterlerini etkilemektedir. Yangın eğrisine 120 saniyelik bir gecikme uygulanarak algılama ve yolcuların tepki süresi dikkate alınmıştır. HAD analizlerinde, yangının olmadığı hatta ikinci bir trenin bulunması hava hızını azaltmış ve platform sıcaklığını artırmıştır. HAD analizlerinde, fan arızası her zaman tahliyeyi olumsuz etkilememektedir. Yüksek türbülans ve akış kararsızlıklarının değerlendirme kriterlerini olumsuz etkilediği senaryolarda, fan arızası koşulları sistem performansını iyileştirmiştir. Pathfinder analizlerinde, görüş mesafesinin azaldığı durumlarda yürüme hızının düşürülmesi tahliye süresini artırmıştır. Ada tipi istasyon için gerçekleştirilen HAD analizi ile tahliye simülasyonunun (CFD+Evac) entegrasyonu, yalnızca tahliye simülasyonuna dayalı senaryolara göre daha gerçekçi sonuçlar üretmiştir. İstasyon türüne özel strateji önerileri: Ada tipi için simetrik çekme-çekme, yan peron ve tünel tipi istasyonlar için ise itme-çekme stratejisi daha etkili bulunmuştur. Bu tez çalışması, metro istasyonlarında uygulanan acil durum havalandırma stratejilerinin mühendislik temelli, sayısal modellemeye dayalı ve senaryo bazlı karşılaştırmalı bir analizini sunmaktadır. Farklı istasyon tiplerine özgü sistem davranışları ortaya konulmuş; elde edilen veriler, yeni sistemlerin kurulması veya mevcut hatların iyileştirilmesi süreçlerinde kullanılabilecek nitelikte teknik önerilerle desteklenmiştir. Böylece hem yangın mühendisliği hem de ulaşım altyapıları alanına katkı sunan kapsamlı bir akademik değerlendirme gerçekleştirilmiştir.

Özet (Çeviri)

In this thesis, the fire safety performance of applicable emergency ventilation strategies in train fires that may occur in different types of metro stations is analyzed in detail. The aim is to identify the most suitable emergency ventilation systems and evaluate their comparative performance under variables such as station type, fire location, fan failure situation, and fire scenario. Managing smoke movement is critical for both evacuation safety and firefighter intervention. The enclosed structure, high density, and limited evacuation routes of metro systems can cause smoke to spread rapidly and pose a threat to safe evacuation. In this context, emergency ventilation design, appropriate fire resistance performance of structures, testing of an effective ventilation system, and periodic maintenance are key elements of fire safety. The study presents a comprehensive approach covering not only emergency ventilation strategy performance but also structural element selection, scenario-based analysis, system testing and maintenance. In the first stage, one-dimensional thermo-flow analyses were performed on the idealised (hypothetical) metro line with Subway Environment Simulation (SES) software. For the study, a metro line consisting of seven stations was designed, and tunnel fire scenarios were studied. The scenarios where the fire occurred in the inclined tunnel created the most challenging conditions; fan failures significantly reduced the system performance, especially when the supply fan in unidirectional tunnels and the exhaust fan in bidirectional tunnels failed. Open cross-passages reduced the smoke velocity. Critical air velocities were calculated, scenarios below these velocities were eliminated and fan capacities were determined for all stations. The tunnel boundary conditions were provided for CFD analyses with the train fire scenario inside the station. In the second stage, three station types (island, side platform, tunnel) were modeled in three dimensions and imported to Fire Dynamics Simulator (FDS) software. Eight scenarios were studied for each of them with different fire locations and fan failure conditions. In addition to the ceiling temperature, tenability criteria such as air velocity, visibility, and Fractional Effective Dose (FED) at 2 meters above the walkway on the evacuation routes were evaluated. Comparing the fire scenarios, the scenario with a 120s delay to the fire curve resulted in higher temperature and earlier loss of visibility. The assumption that there was a non-fire train on the second trackway reduced the air flow and negatively affected the evacuation. Recommended strategies according to station types are summarized as follows: Island type: Symmetrical pull-pull strategy provided balanced smoke exhaust and the system maintained their stability even in case of fan failure. Side platform: The push-pull strategy provided a safer evacuation environment by keeping the smoke in one direction. The pull-pull strategy was found to be more risky due to smoke propagation on all alternative evacuation routes. Tunnel type: The push-pull strategy kept evacuation routes safe, while the pull-pull strategy created backlayering and severely reduced visibility. In addition, passenger evacuation analyses were performed with Pathfinder software using CFD data, and passenger distributions and walking speeds depending on visibility were defined. Especially at the island type station, scenarios based on evacuation simulations only and CFD+Evac combined scenarios were compared. It was found that reduced passenger movement speed in low visibility areas directly affects the evacuation time. This demonstrated the need to integrate environmental conditions during fire incidents into evacuation models. Technical outcomes: In SES analysis, exhausting smoke in the opposite direction of buoyancy effect in inclined tunnel fires are the most challenging scenarios. In SES analysis, fan failures have significant impact on system performance. In SES analysis, open cross-passages reduced smoke velocity. In SES analysis, non-incident trains adversely affect smoke velocity and should be taken into account depending on their likelihood of presence. In SES analysis, worst-case scenarios must be defined by considering factors such as cross-passage and emergency exit/shaft openings, fire location within the tunnel, evacuation direction, non-incident train presence, fan failure condition and tunnel slope. In CFD analysis, generally under-train fires produced faster smoke spread and shorter visibility than fires occurring on top of the train. In CFD analysis, the fire scenario affects tenability criteria. A 120-second delay was applied to the fire curve to account for detection and response time. In CFD, the presence of the second train on the non-fire trackway reduced air velocity and increased temperature of the platform. In CFD analysis, fan failure does not always have a negative impact on evacuation. In scenarios where high turbulence and instabilities adversely affected tenability criteria, the fan failure actually improved overall conditions. In Pathfinder, the designed decrease in walking speeds when visibility decreased caused an increase in evacuation time. The CFD+Evac integration for the island type station produced more realistic results than conventional evacuation-only scenarios. Station specific strategy recommendations: Symmetrical pull-pull for island type, push-pull for side platform and tunnel type were found to be more effective. This thesis presents an engineering-based, scenario-based and numerical modeling-based comprehensive analysis of emergency ventilation strategies that can be applied in metro stations and provides technical contributions for both new system design and improvement of existing infrastructures.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    956142

    Deniz taşımacılığında kuru yük gemilerinin yangın risklerinin araştırılması ve yangın güvenliği

    Investigation of fire risks and fire safety of dry cargo ships in marine transportation

    CEM ÖZKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    DenizcilikSakarya Üniversitesi

    Yangın ve Yangın Güvenliği Anabilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT TUNA

  2. Tez No

    947105

    Farklı tip metro istasyon modülleri için konfor ve acil durum şartlarının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    Experimental and numerical investigation of comfort and emergency conditions for different types of metro station modules

    İSMAİL AHMET ODABAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURDİL ESKİN

  3. Tez No

    865039

    Geriatrik hastalarda propofol ile genel anestezi indüksiyonu için gözlemci uyanıklık / sedasyon skoru ve bispectral indeks parametrelerinin değerlendirilmesi

    Evaluation of observer's assessment of alertness/sedation score and bispectral index parameters for general anesthesia induction with propofol in geriatric patients

    UFUK TAKAK

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Anestezi ve ReanimasyonSağlık Bilimleri Üniversitesi

    Anesteziyoloji ve Reanimasyon Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYŞE LAFÇI

  4. Tez No

    512691

    Using analytic hierarchy process as a decision-making tool in the design process of building elements: A case study on a portable dwelling unit

    Yapı elemanı tasarım sürecinde bir karar alma aracı olarak analitik hiyerarşi yönteminin kullanılması: Taşınabilir bir barınma birimi örneği

    MERİÇ ALTINTAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATİH YAZICIOĞLU

  5. Tez No

    873336

    Yeraltı ve yerüstü faaliyet gösteren bir kömür madeni işletmesinde iş sağlığı ve güvenliği risklerinin değerlendirmesi.

    Evaluation of occupational health and safety risks in a coal mine operating underground and overground mining

    EMRE DEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Fizik ve Fizik MühendisliğiAğrı İbrahim Çeçen Üniversitesi

    İş Sağlığı ve Güvenliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM HAN

Geri Dön