Serbest düşme filikalarında yolcu güvenliği
Occupant safety in free fall lifeboats
Yazar: MEHMET BURAK KOÇAK
Danışman: PROF. DR. AHMET ERGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Pasif güvenlik = Passive security

Özet:
Serbest düşme filikaları birçok gemi ve açık deniz yapılarında oluşabilecek yangın, batma vb. durumlarda, insanların yapıyı güvenli bir şekilde terk etmesine yarayan acil durum ekipmanlarından biridir. Diğer can kurtarma filikalarının aksine, olumsuz hava koşullarında dahi bulunan yeri hızlı bir şekilde terk etme kabiliyetine sahiptir. Bu sebeple özellikle acil durum tahliye faaliyetinin çok önemli olduğu petrol platformlarında, petrol ve petrol türevlerini taşıyan gemilerde serbest düşme filikaları uzun yıllardır kullanılmaktadır.
Serbest düşme filikarında güvenlik çalışmaları kapsamında yapısal güvenlik öncelikli çalışma konusu olmuş, fırlatma testi sırasında koltuk üzerinden okunan ivmelerle yapılacak matematiksel değerlendirmeler yolcu güvenliği değerlendirmesi açısından yeterli görülmüştür. Ancak insanın karışık biyomekanik yapısı ve yüksek fırlatma noktalarından bırakılabilen serbest düşme filikalarının dizayn edilmesi bu yaklaşımın zamanla sorgulanmasına sebep olmuştur. Özellikle sahada yapılan tatbikatlardan gelen bazı yaralanma bilgileri bu konuya dikkatleri çekmiş, ilgili kuruluşların konu üzerinde çalışmalarını sağlamıştır.
Yolcu güvenliği konusunda detaylı çalışmaların yapılabilmesi için yaralanma mekanizmasının iyi anlaşılması gerekmektedir. İnsanda yaralanma mekanizması vücudun her bölgesi için farklı çalışmaktadır. Örneğin vücudun maruz kaldığı doğrusal veya açısal ivme kafa yaralanmaları için çok kritik iken, göğüs bölgesinde emniyet kemerinden dolayı oluşan sıkışma kritik yaralanmalara sebep olmaktadır. Oluşan yaralanmaların değerlendirilmesinde ve farklı yaralanma tiplerinin birbiriyle karşılaştırılması için AIS adı verilen yaralanma skalası kullanılmaktadır. AIS sistemi yaralanmanın ciddiyetini 0-6 arası kodlarla tanımlamıştır. 0'dan 6'ya doğru yaralanmanın ciddiyeti artarken insanların bu yaralanma sonucu ölüm riski de artmaktadır. İlk yardım ve tıp alanındaki gelişmelerin tedavileri kolaylaştırmasının yanında insanla ilgili anatomik bilginin artmasıyla AIS skalaları zamanla güncellenmektedir. Günümüzde yapılan yolcu güvenliği çalışmalarında mühendislerin genel amacı çalışılan üründe bulunan yolcuların yaralanma boyutlarını belirlenmiş AIS skalası içinde tutmaktır.
Mühendislik çalışmalarında yolcu güvenliği değerlendirmesi için geçmişte kadavralar kullanılıyorken, artık onların yerini gelişmiş test mankenleri almıştır. Test mankenleri bilinen yaralanma çeşitleri için kritik olan yükleri veya yükleme etkilerini ivme, hız, kuvvet veya yer değiştirme gibi yerleştirilmiş sensörlerle ölçebilen ölçüm cihazlarıdır. 
Serbest düşme filikalarının hareketi sırasında oluşan ivme yüklerinin yolcuya etkisi 3 şekilde incelenebilmektedir. SRSS ve DR olarak adlandırılan ilk iki yöntem, fırlatma sırasında oluşan ivmenin, belirlenmiş limitler ve formüller kullanılarak matematiksel olarak değerlendirilmesi esasına dayanan yöntemlerdir. Bu yöntemlerle hesaplanan CAR indeksi veya DRI indeksi birim değerden küçükse önemli yaralanma riskinin düşük olduğu kabul edilir. Test mankeni ile yapılan değerlendirmelerde ise oluşan yüklerin yanında, koltuk ve bağlayıcı ekipman gibi çevre birimlerin de yolcu üzerindeki etkisi incelenerek ayrıntılı güvenlik değerlendirmesi yapılabilmektedir. Test mankenleri ile yapılan detaylı yaralanma değerlendirmesi sonucunda hangi tip yaralanmanın, hangi sebeple ortaya çıktığı anlaşılmakta; bu yaralanmanın önüne geçmek için dizayn iyileştirmesi yapılabilmektedir.
Bu çalışmada Hybrid III test mankeni ile bilgisayar yazılımı kullanılarak, karakteristik ivme özellikleri 28 metreden fırlatılan bir serbest düşme filikasının orta sıra koltuğuna eş olan bir yükleme için yolcu güvenliği değerlendirmesi yapılmıştır. Filika iç dizaynında başlangıç olarak dört nokta emniyet kemeri ve filika önüne bakan koltuk kullanılmıştır. İlk analizin tamamlanmasıyla birlikte hesaplanan CAR indeksi 0.99 olan bu yükleme şartlarında test mankeninin kinematiği ve yaralanma eğrileri detaylı olarak incelenmiştir. Hareket ve ilgili yaralanma riskleri belirlendikten sonra koltuk oryantasyonu, koltuk dizayn değişikliği, ek kemer bağlantısı ve altı nokta emniyet kemeri gibi değişkenler yardımıyla iç dizayn iyileştirilmeye çalışılmıştır.
Çalışmada manken ile test yapılmamış olsa bile analiz için harcanan zaman ve kaynaklar düşünüldüğünde, SRSS yöntemi ile değerlendirme manken ile yapılan değerlendirmeye göre çok daha ekonomik ve hızlı olduğu çıkarımı yapılmıştır. Hesaplanan CAR indeksinin maksimum değer olan 1'e çok yakın olması ve manken ile yapılan yaralanma değerlendirmesinin AIS 2 ve AIS 3 seviyesinin çok altında olması, SRSS yönteminin bu seviyedeki yaralanmaların tahmini için güvenlik payı yüksek, ihtiyatlı bir yaklaşım olduğunu göstermiştir.
SRSS yöntemi ile yapılan değerlendirmenin sonucunda bir değişikliğe sebep olamayacak kemer, koltuk dizaynı ve koltuk döşemesi gibi parametrelerin test mankeni yaralanma değerleri üzerinde önemli etkiye sahip olduğu görülmüştür. Aynı yükleme durumu için basit iç dizayn değişiklikleri ile yolcuların yaralanma riskleri azaltılabileceği gösterilmiştir. Hatalı yapılmış iç tasarımların yolcu yaralanması üzerine olumsuz etkilerinin ancak test mankeni ile yapılacak değerlendirme ile fark edilip, düzeltilebileceği gösterilmiştir.
Sonuç olarak; koltuk üzerinden ölçülen ivme için matematiksel yöntemlerle yapılan yolcu güvenliği değerlendirmeleri ekonomik ve hızlı değerlendirme metodları olmasına karşın iç dizaynı hesaba katmadığı için dizaynın yolcu güvenliği açısından doğrulanmasında eksik yönleri bulunduğu görülmektedir. Bu durumda doğrulama metodu olarak test mankeni ile bilgisayar modeli veya test üzerinden değerlendirme yapılmasının final ürün doğrulaması açısından gerekli olduğu düşünülmektedir.

Abstract:
Free fall lifeboat is one of the life saving appliance which is using in lots of ships and offshore platforms. It helps people to evacuate structure and reach safer locations as soon as possible. Unlike other conventional lifeboats, it has the ability to quickly leave the place even in adverse weather conditions. For this reason, free fall lifeboats have been used for many years on ships carrying petroleum and petroleum derivatives and oil platforms where emergency evacuation is very important.
Structural safety has been a priority issue in the context of safety studies in free fall. In terms of occupant safety, the mathematical evaluations with acceleration on the seat during the launch were deemed sufficient. However, complex biomechanial properties of human and the design necessity of freefall lifeboat that can be released from high launch points have led to the question of this approach over time. In particular, injury reports from field exercises of lifeboats have drawn attention to this issue and have ensured that relevant agencies work on the subject.
In order to carry out detailed studies on occupant safety, it is necessary to understand the injury mechanism. The human injury mechanism works differently for each region of the body. For example, the linear or angular acceleration that the body is exposed to is very critical for head injuries, while the compression caused by the seat belt causes critical injuries in the chest area. To assess different type of injuries and compare them, injury scale called Abbreviated Injury Scale (AIS) is used. AIS system identifies the severity of the injury with codes 0-6. While the severity of injury from 0 to 6 increases, the risk of death from this injury is also increasing. In addition to facilitating the first aid and medical field treatments, the AIS scales are being updated over time with an increase in human anatomical knowledge. In occupant safety studies, engineers generally aim to keep occupant  injury results within defined AIS injury level for their products.
Dummies are measuring devices that can measure loads or loading effects for known types of injuries with installed sensors, such as acceleration, speed, force, or displacement. Before advanced test dummies produced, cadavers were used to make assessment on occupant safety. However, the available cadavers were different from one another in many aspects, such as the physical dimension, age, and biological characteristics. All these would affect the outcome of the occupant safety evaluations. In order to make a standard safety assessment, the need for the development of test dummies had arisen and many test dummies have been developed after that.
Critical loads on passengers in free fall lifeboats are due to the acceleration during dive stage. The previous movements of lifeboat, which are ramp, rotation and free fall stages, have important effect on kinematic of dive stage. The boat is exposed to significant acceleration on the X-axis after contacting with the water. The basic loads for the front seat of lifeboat are observed in this time interval. The lifting force that occurs when a free fall lifeboat enters the water has a rectifying moment effect for the boat. The diving boat starts to straighten up with the effect of this force, and stern side of the lifeboat hits the water. This movement controls the acceleration values that occur in the lifeboat Z direction, especially important for the seats located on the aft side of the boat. Weight, center of gravity, hull form, dive angle and dive speed of lifeboat are important variables for these acceleration loads. The difference in these variables can cause significant changes in the loads on the occupant.
The acceleration loads on occupant during free fall lifeboat launch can be examined with three main evaluation methods. The first two methods, referred to as Square Root Sum of the Square (SRSS) and Dynamic Response (DR), are based on mathematical evaluation of the acceleration data measured from seat supports during launch. After using defined limits and formulas Combined Acceleration Response (CAR) index for SRSS method and Dynamic Response Index (DRI) for DR method are obtained. If calculated index is smaller than unity, it means that possibility of major injury is unlikely for both methods. The other method to evaluate occupant safety in lifeboats is using test dummies. In the evaluations made with dummies, besides the acceleration loads on human body, the effects of the peripherals such as seats and belt equipment can be examined for occupant safety. The detailed assessment with test dummies reveals what type of injury has occurred: head, neck, chest etc. After understanding root cause of the injury risk, possible design improvements can be studied on interior parts.
In this study, occupant safety evaluation was carried out for a specific loading, which is similar to the acceleration data read from the middle seat of a free fall lifeboat, which is launched from 28 meters. CAR index of defined loading was calculated as 0.99 with SRSS formula for emergency. CAE model is prepared to replicate defined load case with test dummies in Hypercrash program and analysis were made with Radioss. %50th Hybrid III dummy, 4-point seat belts and forward facing seat are used in the beginning of the study. After first CAE analysis completed, dummy kinematics and injury curves were investigated in detailed. According to initial finding on dummy movement and injuries, interior design was tried to be improved by several changes such as; seat orientation and design change, additional belt connection and six-point seat belt.
For design improvement studies on belt, additional belt connection and six-point seat belt were tried for forward facing seat. Even the values of neck injury could be improved significantly with the six-point belt, chest injuries were caused to worsen in similar proportions. The additional belt connection on the four-point seat belt system is a positive effect on neck injuries, while the impact on the chest is relatively small. 
The greatest contribution to the injury values were obtained by rotating the seat 180 degrees in Y-axis to the lifeboat backwards. In this way, the acceleration load on passenger was damped by the seat. These types of seats are used in many lifeboats, which are designed to work in high launch points. As a result of the analysis work done with the rearward facing seat, the injury values decrease significantly and the dummy movements became safer. Even overall injury results are improved, it was noticed that the foam in the seat could not damp dummy loading well. This led to necessity of seat design change. Headrest design was changed to decrease loading on head and neck area with damping. In addition to the new headrest design, all seat foam thickness was also increased in order to provide better load damping to the occupant. At the end, the kinematics and injury values of the dummy improved substantially compared to the initial state.
Even though the CAE model was not validated with the test, it was understood that the time and resources spent for the SRSS evaluation were considerably more economical and faster than the evaluation with the test dummies. The fact that computed CAR index is very close to the maximum value of 1 and the dummy injury rating is well below the AIS 2 and AIS 3 levels shows the SRSS method has a enough safety margin to estimate this level of injury.
Moreover it has been found that parameters such as seat belt, seat design and seat foam, which does not change results of the evaluations made by the SRSS method, have a significant effect on the injury values. According to studies, the risk of injury to the passenger can be reduced with simple interior design modifications for the same loading scenario. The adverse effects of improper interior designs can only be recognized and corrected by evaluation with test dummies.
As a result mathematical occupant safety assessments, which are using accelerations measured on the seat, are economic and rapid evaluation methods. On the other hand, there are incomplete aspects in validating the design in terms of occupant safety since the interior design changes could not be assessed by them. In this case, it is considered that CAE or test evaluation with dummies in lifeboats is necessary as the verification method in terms of final product validation.