Slider Altına

Farklı Eğimlere Sahip Bir Tünelde Havalandırma İhtiyaçlarının Değerlendirilmesi

28 Ağustos 2019 Dergi: Ağustos-2019

Yazan: Ramazan Karabulut, Proje Mühendisi, AIRONN Havalandırma ve Klima Sistemleri

Karayollarının özellikle kısa tünelleri genellikle sabit tek bir eğim değerinde olmaktadır. Bunun dışından uzun tünellerde farklı eğimlerde kapalı veya açık dikey kurba sahip olabilirler. Toprak üstü zeminlerde, bilhassa engebeli ve dağlık bölgelerde, bulunan tüneller genellikle kapalı dikey kurba sahip olmaktadır. Bunun yanında boğazlardaki su altından geçen tüneller açık dikey kurplara sahip olmaktadır. Bu çalışmada bir adet kapalı dikey kurba sahip tünel ve bir adet açık dikey kurba sahip tünel değerlendirilecektir.
Tünellerde boyuna havalandırma hesapları yapılırken tünel eğiminin oldukça önemli bir etkisi olmaktadır. Özellikle yangın yükü arttıkça bu etki daha da belirgin bir hal alır. Bu çalışmada tünel boyunca her bir bölümün eğim değerleri ayrı ayrı dikkate alınarak incelenecektir. Ayrıca tünel giriş-çıkış kot farkının tünel boyuna oranı olan sabit eğim değerine göre de inceleme yapılacaktır. Neticede farklı eğimlere sahip iki tünelin sonuçları ve her iki tünelin değişken eğim ve sabit eğim hesap sonuçları arasındaki farklar değerlendirilecektir. 

Tasarımda Kullanılan Tünel Bilgileri 

Tünel hesapları için iki şeride sahip gerçek bir karayolu tünelinin en kesit bilgileri kullanılmıştır. 

Tablo 1. Tünel En Kesit Bilgisi

 

Değer

Birim

Alan

59,50

m2

Çevre

29,87

m

Yükseklik

6,80

m

Hidrolik Çap

7,97

m

İnceleyeceğimiz tünellerden Tünel-1 ve Tünel-2 olarak isimlendireceğiz. Tünel-1 kapalı kurba sahiptir, Şekil 1’de boyuna kesit çizimi ve Tablo 2’de boyuna kesit ölçüleri bulunmaktadır.

Şekil 1. Tünel-1 Boyuna Kesiti Çizimi

Tablo 2. Tünel-1 Boyuna Kesit Bilgisi

Tünel 1

Uzunluk (m)

Eğim (%)

Tüp1

Bölüm1

1000

+4,00

Bölüm2

2000

-4,00

Sabit Eğim

3000

-1,333

Tüp2

Bölüm1

2000

+4,00

Bölüm2

1000

-4,00

Sabit Eğim

3000

+1,333

Tünel-2 açık kurba sahiptir, Şekil 2’de boyuna kesit çizimi ve Tablo 3’te boyuna kesit ölçüleri bulunmaktadır.

Şekil 2. Tünel-2 Boyuna Kesiti Çizimi

Tablo 3. Tünel-2 Boyuna Kesit Bilgisi

Tünel 2

Uzunluk (m)

Eğim (%)

Tüp1

Bölüm1

2000

-4,00

Bölüm2

1000

+4,00

Sabit Eğim

3000

-1,333

Tüp2

Bölüm1

1000

-4,00

Bölüm2

2000

+4,00

Sabit Eğim

3000

+1,333

Her iki tünelin hesapları yapılırken aynı meteorolojik veri, trafik verisi, yangın yükü verisi, araç aerodinamik verileri kullanılmıştır. Tablo 4’te kullanılmış başlıca veriler bulunmaktadır. 

Tablo 4. Tasarım Girdileri  

Yangın Yükü

20

mW

Duvar Sürtünme Katsayısı

0,02

-

Rüzgâr Hızı

5

m/s

Hava Yoğunluğu

1,225

kg/m3

Ortam Sıcaklığı

15

°C

 

 

 

 

 

 

Havalandırma hesabı yapılırken tünel boyunca geri katmanlaşmayı engelleyecek hız (kritik hız) her bir tünel için hesaplanmıştır. Kennedy formülüne göre kritik hız tünel eğimine göre değişmektedir. Bu sebeple her iki tünelde de farklı eğimlerdeki kritik hızlar hesaplanmıştır. Ayrıca tünel giriş ve çıkış portalı arasındaki farkın tünel boyuna oranı olan sabit tünel eğimi için de kritik hız hesapları ayrıca yapılmıştır. Tablo 5’te kritik hız sonuçları paylaşılmıştır. 

 

 

 

Vc    Kritik hız   (m/s)
K1   Froude Sayısı Katsayısı
Frc   Froude Sayısı ≈ 4.5
Kg   Eğim Faktörü
feğim   Hava Akış Yönündeki Eğim   (%)
g   Yer Çekimi İvmesi   (m/s2)
AT   Tünel En Kesit Alanı   (m2)
Q   Yangın Yükü   (W)
ζkon   Konveksiyon Oranı
cp   Havanın Sabit Basınç Altındaki Özgül Isı Katsayısı   (J/(kg*K))
H   Tünel Yüksekliği   m)
ρort    Havanın Yoğunluğu   (kg/m3)
Tmax   Yangın Noktasındaki Ortalama Sıcaklık   (°K)

Tablo 5. Kritik Hız 

Tünel ve Bölümleri

Eğim (%)

Kritik Hız

Kabul Edilen Hız

Birim

Tünel-1

Tüp-1

Bölüm-1

+4,00

2,80

3,19

m/s

Bölüm-2

-4,00

3,19

m/s

Sabit Eğim

-1,333

2,96

2,96

m/s

Tüp-2

Bölüm-1

+4,00

2,80

3,19

m/s

Bölüm-2

-4,00

3,19

m/s

Sabit Eğim

+1,333

2,80

2,80

m/s

Tünel-2

Tüp-1

Bölüm-1

-4,00

3,19

3,19

m/s

Bölüm-2

+4,00

2,80

m/s

Sabit Eğim

-1,333

2,96

2,96

m/s

Tüp-2

Bölüm-1

-4,00

3,19

3,19

m/s

Bölüm-2

+4,00

2,80

m/s

Sabit Eğim

+1,333

2,80

2,80

m/s

Hesaplama Sonuçları
Tünel-1 Hesaplama Sonuçları 

Tablo 6. Tünel-1/Tüp-1 Hesaplama Sonuçları 
                 a) Değişken Eğime Göre                                   b) Sabit Eğime Göre


 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tablo 7. Tünel-1/Tüp-2 Hesaplama Sonuçları

             a) Değişken Eğime Göre                                      b) Sabit Eğime Göre

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tablo 6, Tablo 7, Tablo 8 ve Tablo 9 incelendiğinde tünellerdeki basınç kaybı faktörlerinden duvar sürtünmesi, tünel giriş-çıkış, rüzgâr etkisi ve yangın tekilliği basınç kayıpları değeri yangın noktasına göre önemli mertebede değişim göstermezler. Tünel içindeki taşıtlardan dolayı meydana gelen blokajların etkisi ve baca etkisi basınç kayıpları, yangın noktasına göre havalandırma ihtiyacını önemli mertebelerde etkilemektedir. Baca etkisinin ve taşıtların blokaj etkisinin yangın noktasına göre değişimi ve bu değişimin toplam basınç kaybına etkisini daha net gözlemleyebilmek amacıyla grafiklerle belirtilmiştir.

Şekil 3. Tünel-1 Yangın Konumuna Göre Basınç Kayıpları

Tünel 1 değişken eğimli tüplerde baca etkisi tünel girişinde negatif ve en düşük değerini almaktadır. Tünel girişinde tünelin negatif eğime başladığı noktaya kadar artarak tünelin negatif eğimli bölümünün başladığı noktada en yüksek değerini almaktadır, tünelin çıkışına kadar azalarak tünel çıkışında sıfır değerini alırlar. 
Araçların hava akışına blokaj oluşturması tünel girişinden çıkışına kadar doğrusal olarak artarak tünel çıkışında en yüksek değerine ulaşmaktadır.  
Bu sebeple baca etkisi ve araç blokaj etkisi toplamların yüksek olduğu yangın bölgelerinde toplam basınç kaybı en yüksek değerine ulaşmaktadır. Değerlendirilen Tüp 1 tünelinde tünelin 1800’üncü metresinde 305,85 Pa ve Tüp 2 tünelinde 2100’üncü metresinde 302,78 Pa değerini almaktadır. 
Tüp 1 sabit eğim yaklaşımında baca etkisi tünel girişinde en yüksek değerini almaktadır, tünelin 1800’üncü metrelerine kadar nispeten daha az oranda azalırken bu noktadan sonra azalma miktarı artarak tünel çıkışında sıfır değerini almaktadır.  Toplam basınç kaybı tünelin 2400 metresinde en yüksek değeri 210,24 Pa değerini almaktadır. 
Tüp 2 sabit eğim yaklaşımında eğim tünel boyunca sabit pozitif değer olduğundan baca etkisi tünel girişinden negatif değerli en düşük değerini almaktadır ve tünel çıkışına kadar artarak tünel çıkışında en yüksek değeri olan sıfır değerini almaktadır. Bu sebeple toplam basınç kaybı araç blokaj etkisinin maksimum değerini aldığı tünel çıkışında 184,49 Pa değerini almaktadır. 

Tünel-2 Hesaplama Sonuçları 

Tablo 8. Tünel-2/Tüp 1 Hesaplama Sonuçları 
           a) Değişken Eğime Göre                                      b) Sabit Eğime Göre

Tablo 9. Tünel-2Tüp 2 Hesaplama Sonuçları 
            a) Değişken Eğime Göre                                 b) Sabit Eğime Göre

Şekil 3: Tünel-2 Yangın Konumuna Göre Basınç Kayıpları

Tünel 2 değişken eğimli tüplerde baca etkisi tünel girişinde pozitif ve en yüksek değerini almaktadır. Tünel girişinde tünelin pozitif eğime başladığı noktaya kadar azalarak tünelin pozitif eğimli bölümünün başladığı noktada en düşük değerini almaktadır, tünelin çıkışına kadar artarak tünel çıkışında sıfır değerini alırlar. 
Araçların hava akışına blokaj oluşturması tünel girişinden çıkışına kadar doğrusal olarak artarak tünel çıkışında en yüksek değerine ulaşmaktadır.  
Bu sebeple Tüp1 değişken eğimde baca etkisi ve araç blokaj etkisi toplamların yüksek olduğu yangın bölgelerinde toplam basınç kaybı en yüksek değerine ulaşmaktadır. Tünelin 500’üncü metresinde 248,53 Pa değerini almaktadır. 
Tüp 2 değişken eğimli tünelde tünel girişinde, negatif eğimli bölümün başlama noktası, baca etkisi en yüksek değeri 82,78 Pa değerini almaktadır. Tünel çıkışında araç blokaj etkisi basınç kaybı 118,20 Pa değerini almaktadır. Tünelde baca etkisinin efektif olduğu kısımlarda araç blokaj ve baca etkisi toplamı, tünel çıkışındaki araç blokaj etkisi değerinden daha düşük olduğu için toplam basınç kaybı tünel çıkışında en yüksek değeri 220,93 Pa almaktadır. 
Tüp 1 sabit eğim yaklaşımında baca etkisi tünel girişinde en yüksek değerini almaktadır, tünelin 1800’üncü metrelerine kadar nispeten daha az oranda azalırken bu noktadan sonra azalma miktarı artarak tünel çıkışında sıfır değerini almaktadır.  Toplam basınç kaybı tünelin 2400 metresinde en yüksek değeri 210,24 Pa değerini almaktadır. 
Tüp 2 sabit eğim yaklaşımında eğim tünel boyunca sabit pozitif değer olduğundan baca etkisi tünel girişinden negatif değerli en düşük değerini almaktadır ve tünel çıkışına kadar artarak tünel çıkışında en yüksek değeri olan sıfır değerini almaktadır. Bu sebeple toplam basınç kaybı araç blokaj etkisinin maksimum değerini aldığı tünel çıkışında 184,49 Pa değerini almaktadır. 

Sonuç 

Tünellerde kritik yangın noktaları ve bu noktalarda havalandırma ihtiyacının karşılaması gereken basınç kayıpları Tablo 8’de verilmiştir. 

Tablo 8. Tünellerdeki Kritik Yangın Noktası ve Toplam Basınç Kaybı

Tünel Bilgisi

Kritik Yangın Noktası  (m)

Basınç Kaybı (Pa)

Tünel 1

Tüp 1

Değişken Eğim

1800

305,85

Tüp 1

Sabit Eğim

2400

210,24

Tüp 2

Değişken Eğim

2100

302,78

Tüp 2

Sabit Eğim

3000

184,49

Tünel 2

Tüp 1

Değişken Eğim

500

248,53

Tüp 1

Sabit Eğim

2400

210,24

Tüp 2

Değişken Eğim

3000

220,93

Tüp 2

Sabit Eğim

3000

184,49

Değerlendirilen tünellerin tamamında değişken eğime sahip tünellerin havalandırma ihtiyacı sabit eğimden fazla çıkmaktadır. Bu farkın oluşması temelde iki faktörün etkisinin sonucudur; tünellerde eğim değeri artıkça kritik hız değerinin artması ve tünel eğim değeri artıkça baca etkisinin artmasından kaynaklanmaktadır. 
Tünel 1’in her iki tüpünde de değişken eğimler için toplam basınç kaybı değeri Tünel 2’den daha fazla çıkmaktadır. Kapalı kurp tünellerde negatif eğim bölgesi tünel çıkışı tarafındadır, bu bölüm aynı zamanda araç bloja etkisinin en yüksek olduğu bölümdür. Açık kurp tünellerde ise negatif eğim tünelin giriş tarafındadır, tünelin giriş bölümünde araç blokaj etkisi en düşük değerlerini almaktadır. Bu sebeple kapalı kurp tünellerde en yüksek toplam basınç kaybı açık kurp tünellerden daha yüksek çıkmaktadır. 

Referanslar
[1] “Systems and Equıpment For Fire and Smoke Control in Road Tunnels”, PIARC, 2007
[2] “Comportement au feu des tunnels routiers” Centre d’Etudes Des Tunnels, 2005
[3] “Tunnel Engineering Handbook”, John O. BickelThomas R. KueselElwyn H. King, 2004
[4] “Standard For Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems”, NFPA 130, 2017



Yaklaşan Etkinlikler
Video İçerik
Söyleşi