Çok yüksek binalarda merdiven basınçlandırma sistemlerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigations on stair pressurization systems in very high rise buildings
Yazar: BÜŞRA HEPGÜZEL AÇIKYOL
Danışman: PROF. DR. ABDURRAHMAN KILIÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yüksek binalarda yangın anında insanların binadan tahliye edilmesi için basınçlandırılan merdivenler tesis edilmekte ve bu uygulama dünyanın birçok ülkesinde standart ve kodlarca istenilmektedir. Merdiven basınçlandırma sistemleri ile dış ortamdan alınan taze hava fan veya fanlar vasıtası ile merdiven yuvasına beslenir. Bu sayede merdiven içerisinde pozitif basınç sağlanarak merdivene duman girişinin engellenmesi amaçlanır. Çeşitli ülkelerin yangından korunma standartları ve kodları tarafından, merdivendeki basınçlandırmanın belirli limitler dâhilinde olması istenir. Basınçlandırma limitleri dumanın merdivene girmesini engelleyecek kadar çok, merdiven kapılarının açılmasına engel yaratmayacak kadar az olacak şekilde belirlenmiştir. 
Merdiven basınçlandırma sistemleri üzerine iç ortam ve dış ortam arasındaki sıcaklık farkı (baca etkisi), rüzgâr hızı, yangın sırasında ortaya çıkan aşırı sıcaklık, binada bulunan iklimlendirme sistemleri ve asansör hareketinin hava hareketi üzerinde yarattığı kuvvetler etki eder. Aynı zamanda bir binada yangın anında bina tahliye planına göre çeşitli katlardaki kapılar açılır ve geri kapanır. Bu dinamik şartlar altında, istenilen limitlerin merdiven yuvası boyunca sürekli olarak sağlanması gerekir ve bunun için çeşitli yöntemler kullanılır. Bu yöntemlerden biri merdivende bulunan sensörlerden gelen ölçüme göre fanın devir sayısı ve dolayısıyla sağladığı debinin sürekli olarak değiştirilmesidir. Diğer yöntem ise merdivende oluşan aşırı basıncın relief damperler ile dış ortama tahliye edilmesidir. 
Basınçlandırma sistemi tasarımında basınçlandırma fanlarının kapasitesi ile aşırı basınç tahliye damperinin boyutları belirlenir. Bunun için iki farklı senaryo dikkate alınır. Birinci senaryoda tüm merdiven kapıları kapalıdır. Diğer senaryoda ise seçili katlarda merdiven kapıları açıktır, çok yüksek binalar için bu katlar tasarım yangın katı ve tahliye katıdır.
Son yıllarda dünyadaki büyük şehirlerin hızlı gelişmesi sonucu yüksekliği 100 metreden fazla olan bina sayısı hızla artmaktadır ve bu tip çok yüksek binalarda merdiven basınçlandırma sistemleri tasarımı, performansı ve uygulanan farklı yöntem ve tedbirlerin etkileri araştırılmaya devam etmektedir. Uygulamada, standartlarca istenilen basınçlandırmanın merdiven yuvası boyunca sağlanması için ek tedbirler alınmaktadır. Bu tedbirler merdiven yuvasının birden fazla basınçlandırma zonuna bölünmesi, merdivene her katta ya da üç katta bir basınçlandırma havasının temin edilmesi ve her katta merdiven girişinde korunaklı bir lobinin tesis edilmesidir.
Bu tez çalışmasında çok yüksek bir binada gerçekleştirilen saha testleri ve bir adet saha testinin hesaplamalı akışkanlar mekaniği kullanılarak modellenmesi ile alınan tedbirlerin ve tasarımda kullanılan parametrelerin etkileri araştırılmıştır. 
Saha testlerinin gerçekleştirildiği kaçış merdiveni 163 metre yüksekliğindedir ve binada bulunan 40 kata da hizmet vermektedir. Bu kaçış merdiveni düşeyde üç basınçlandırma zonundan oluşmakta ve her katta merdivene erişim yangın güvenlik holü ismi verilen korunaklı bir lobiden geçerek yapılmaktadır. Basınçlandırma havası üç farklı katta yer alan üç adet basınçlandırma fanı ile sağlanmaktadır. Basınçlandırma havası, fanların bulunduğu katlarda yer alan kanallar vasıtası ile basınçlandırma şaftına iletilmekte ve her katta basınçlandırma şaftı ile merdiven arasında yer alan menfezlerden merdivene beslenmektedir. 
Ofis amacıyla hizmet veren binada, testler binanın boş olduğu gece saatlerinde yapılmıştır. Dış ortam koşullarındaki farklılıkların birbiri ile kıyaslanacak testler üzerindeki etkilerini en aza indirmek amacıyla test grupları oluşturulmuş ve bir adet test grubunu oluşturan testler aynı gece içerisinde tamamlanmıştır. Üç grup saha testi gerçekleştirilmiştir ve her bir test grubu farklı bir parametrenin etkisini incelemektedir. Bir adet test grubu, dört farklı testten oluşmaktadır. 
Test grupları oluşturulurken tasarımda kullanılan iki farklı senaryo (tüm merdiven kapılarının kapalı olduğu ve seçili katlarda merdiven ile kat kullanım alanları arasındaki kapıların açık olduğu senaryolar) dikkate alınmıştır. Bu sayede araştırılan parametrenin etkileri iki farklı durum altında incelenmiştir. Tüm kapılar kapalı durumu için besleme fanlarını kontrol eden frekans konvertörleri 20 Hz değerine sabitlenmiştir, kritik kapılar açık durumda ise tüm frekans konvertörleri 40 Hz değerine sabitlenmiştir. Böylelikle farklı testlerde aynı miktarda havanın merdivene beslenmesi hedeflenmiştir.
Saha testleri sırasında merdiven ile yangın güvenlik holü arasında ve merdiven ile kat kullanım alanı arasındaki basınç farkı her katta ölçülmüş ve araştırılan parametrelerin etkileri bu ölçümler üzerinden değerlendirilmiştir. Kritik kapılar açık durumu testlerinde, açık durumda olan merdiven kapısı açıklığında hava hızı ölçümleri yapılmıştır. Her bir test grubunun başlangıcında dış ortam sıcaklığı ve rüzgâr hızı değeri kaydedilmiştir. Merdivene beslenen basınçlandırma hava debisi kütle korunumu prensibine dayanan bir yöntemle elde edilmiştir. Bu yöntemde her bir test için ayrı ayrı hesaplama yaparak merdivene sağlanan hava debisi elde edilmiştir. Merdiveni sızıntılar nedeniyle terk eden hava debisi ile kritik kapılar açık durumu testlerinde açık durumda olan kapılardan geçerek merdiveni terk eden havanın debisi hesaplanarak merdivenden dışarıya çıkan hava debisi elde edilmiştir. Bu yöntem için basınç farkı ölçümleri ve açık kapılardaki hava hızı ölçümleri kullanılmıştır. Tüm testler tamamlandıktan sonra, fanın giriş ağzında hız ölçümleri yapılarak, farklı bir yöntemle basınçlandırma hava debisi ölçümü yapılmıştır. Bu yöntem ile iki adet ölçüm yapılmıştır, frekans konvertörlerinin tümü ilk ölçüm için 20 Hz değerine sabitlenmiş durumdadır, diğerine ise 40 Hz değerine sabitlenmiştir.
Birinci grup saha testlerinin tamamı kritik kapılar açık durumu testlerinden oluşmaktadır ve binanın hangi katında çıkan yangının merdiven basınçlandırma sistemi açısından daha kritik olduğu araştırılmıştır. Kritik kat test grubu ismiyle anılan bu test grubu ile merdiven basınçlandırma sistemi tasarımda kullanılan tasarım yangın katının binanın hangi bölümünde seçilmesi gerektiği ile ilgili inceleme yapılması amaçlanmıştır. Bu test grubunu oluşturan dört farklı testin tümünde alt basınçlandırma zonunda yer alan merdiven tahliye katında merdiven kapıları açıktır. Birinci ve ikinci testlerde sırasıyla 33. ve 22. katlarda merdiven ile kat kullanım alanı arasındaki kapılar açıktır, bu iki kat üst basınçlandırma zonunda yer almaktadır. Üçüncü testte orta basınçlandırma zonunda yer alan 6. katta kapılar açıktır ve dördüncü testte tahliye katı hariç başka bir katta açık kapı bulunmamaktadır. Testler sırasında yapılan ölçümlerle elde edilen katlara göre basınç farkı dağılım grafikleri incelendiğinde, aynı zon içerisinde bir kat yerine başka bir katın seçiminin sonuçları çok değiştirmediği elde edilmiştir. Üst zon ve orta zonda açık kapının olduğu testler kıyaslandığında ise, sonuçların birbirine oldukça yakın olduğu gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar arasındaki farka, fanlardan gelen taze havanın basınçlandırma şaftına bağlandığı katların neden olduğu düşünülmektedir.
İkinci grup saha testinde ülkemize yüksek binalarda yapılan bir uygulama olan, her katta kaçış merdiveni girişinde yer alan yangın güvenlik holünün merdiven basınçlandırma sistemi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Yangın güvenlik holleri için ayrı bir basınçlandırma sistemi tesis edilmemektedir ancak bu hacımlar içerisinde merdivenden sızan hava nedeniyle dolaylı yoldan basınçlandırma olmaktadır. Yangın güvenlik holü etkisi test grubu ismi verilen bu test grubunda, tüm kapılar kapalı ve kritik kapılar açık durumları için ikişer adet test yapılmıştır. Bu testlerden ilkinde yangın güvenlik holleri bulunurken, diğer testte her katta yangın güvenlik holü ile merdiven arasındaki kapılar açık tutularak bu hacımlar merdiven hacmına eklenmiştir. Testler sonunda elde edilen basınç farkı dağılım grafikleri incelendiğinde, yangın güvenlik hollerinin bulunduğunda merdiven – kat kullanım alanı arası basınç farkının iki katına çıktığı gözlemlenmiştir. Eğer bir zonda bir katta merdiven ile kat kullanım alanı arasındaki kapılar açık ise (kritik kapılar açık durumu) yangın güvenlik hollerinin bulunmasının bu zondaki etkisi, basınç farkını daha az arttırmaktadır. Yangın güvenlik hollerinin bulunması sebebiyle basınç farklarının iki katına çıkması matematiksel olarak da ispatlanmaktadır. 
Düşey zonlama test grubu ismiyle anılan üçüncü grup test grubunda ise merdiven yuvasını zonlara ayırmanın etkisi incelenmektedir. Belirli bir yüksekliğin üzerinde olan binalarda baca etkisinin merdiven basınçlandırma sistemi üzerinde oluşturduğu olumsuz etkiyi gidermek için merdiven yuvası düşey zonlara ayrılmaktadır. Saha testlerinin gerçekleştirildiği kaçış merdiveni üç düşey zondan oluşmaktadır.  Tüm kapılar kapalı ve kritik kapılar açık durumları için gerçekleştirilen ikişer tersin birincisinde merdiven üç zondan oluşmaktadır. Diğer testte ise zon ayırma duvarları üzerinde yer alan, bir zondan diğer zona geçişi sağlamak amacıyla tesis edilen kapı açık bırakılarak merdiven yuvası tek bir basınçlandırma zonuna indirgenmiştir. Bu test grubunun yapıldığı günde iç ve dış ortam arasındaki sıcaklık farkı 3°C olması nedeniyle baca etkisinin hava hareketi üzerinde yarattığı kuvvetler azdır ancak merdiven yuvasını zonlara ayırmanın basınçlandırılan merdiven üzerinde pozitif etkisi olduğu elde edilmiştir. Ölçümlerden elde edilen katlara göre basınç farkı dağılımı grafiklerinde, üç zondan oluşan sistemde bodrum katlara sağlanan basınçlandırmanın arttığı gözlemlenmiştir.
Çok yüksek bir binada merdiven basınçlandırma sisteminin CFD ile modellenmesi ilk defa bu çalışmada yapılmıştır. Yangın araştırmalarında sıklıkla kullanılan FDS paket programı ile ikinci test grubunda yer alan bir testin modeli yapılmıştır. Model sadece merdiven yuvası, basınçlandırma şaftı ve yangın güvenlik hollerini temsil eden hacımlardan oluşmaktadır. Model ile test sonuçlarının kıyaslanması sonucunda, FDS ile yapılan modellemenin kabul edilebilir mertebede olduğu sonucuna varılmıştır. Elde edilen çözümler zamana bağlıdır ve saha testlerinde gerçekleştirilmesi oldukça güç olan baca etkisinin zamana bağlı olarak değişimi incelenmiştir. Modelde, merdiven iç ortam sıcaklığı ile dış ortam sıcaklığı farkı 7°C'dir ve fanların çalışmaya başlamasından itibaren merdivende termodinamik dengenin sağlanması 10 dakikadan fazla sürede gerçekleşmiştir.

Abstract:
Pressurized stairwells are the primary vertical evacuation route from the building. The practice of the pressurized stairwells is defined in the fire safety codes and standards of many countries. The fresh air is supplied by fan or fans into stairwells by this means pressurization is provided and smoke spread into stairwell is prevented. The limits of the pressurization are defined in many codes and standards. The minimum pressurization limit prevents the stairwell to be smoke filled and the maximum pressurization limit restricts the door blocking forces exerted on the stairwell door. The specified limits should be provided along the height of the stairwell under any circumstances.
The stairwell pressurization systems are affected by the temperature difference between the stairwell and ambient (stack effect), wind effect, excessive temperatures of the fire, HVAC systems of the building and elevator piston effect. Also some doors of the pressurized stairwell is opened and closed in compliance with the fire floor and building evacuation plan. Under these dynamic circumstances, some precautions are taken to fulfill the requirements of pressurization limit along the height of the stairwell. One of the precautions is altering the flow rate of the air into the stairwell by modulating frequency converters of the fans, which are controlled by one or more static pressure sensors that sense the pressure difference between the stairwell and the building. The other one is discharging pressure buildup in the stairwell directly from stairwell to the outside via relief vents.
Pressurization system of each stairwell are individually designed and two scenarios are taken into the consideration for each design. All of the doors of the stairwell are closed in one scenario and the doors of the selected floors are opened for the other scenario. The air flow rate of the supply system depends on the all of the doors closed scenario and the size of the relief vent depends on the doors of the selected floors open scenario.
Over the past few decades, very high rise buildings have been constructed widely and the number of buildings with a height more than 100 m is increasing. The fire safety measures in such high rise buildings are still investigated. Thus stairwell pressurization system performance, design and system components in high rise buildings are still exanimated. In practice, additional measures are taken to fulfill the requirements such as dividing a stairwell into a number of pressurization zones, supplying pressurization air into stairwell by multiple air supply points such as an air supply point for each floor and providing a protected lobby in front of the stairwell.
In this study, parameters that affect the stairwell pressurization system and the system design are investigated via executing field tests and numerical studies. The stairwell in which the field tests were executed is 163 m height and serves 40 floors of the building. The stairwell divided vertically into three pressurization zones by use of wall and door assembly at two intermediate landings of the staircase and a protected lobby is constructed in front of the stairwell at each floor. Three identical pressurization fans serve to the stairwell and untreated pressurized air is introduced into the staircase through grilles at each floor. A pressurization shaft is utilized for the transfer of pressurization air into the stairwell.
The tests are conducted after working hours of the office building in order to prevent the factors disturbing the accuracy of the measurements, such as an uncontrolled opening of a stair door by an occupant. Set of the tests which are compared with each other is completed on the same night, to minimize the effect of outside weather conditions, e.g. wind and temperature. Three sets of tests is performed and each test set consist four test. Each test set investigate an individual affected parameter of the stairwell pressurization system.
Two separate conditions, which are based on the system design are taken into account for the test sets. These are referred as "all doors closed" and "critical doors open" conditions. By this means the effect of the investigated parameters are examined under two different conditions. Frequency converters of the pressurization fans are adjusted to a fixed value for each condition in order to supply the same amount of air into the stairwell, i.e. 20 Hz for all doors closed condition and 40 Hz for critical doors open condition.
For each test case, two different pressure difference values are measured for all floors, one of the pressure difference value is taken in between the stairwell and the fire protection lobby and the other one is taken in between the stairwell and the corridor. Air velocity at the door openings are measured as an average of 15 readings for the tests of critical doors open condition. Also the ambient temperature and wind flow rate is measured at the beginning of each set of the test. For the tests of all doors closed condition, the pressurization air flow rate is obtained by calculating the leakage air flow rate through the closed doors by using pressure difference measurements in between the stairwell and the corridor. The air flow rate of the critical doors open condition tests are calculated by obtaining the leakages through the closed doors and adding the air flow rates measured across open doors. The supply air flow rates of each test are calculated individually by this method which based on conservation of mass principle. After completion of the tests, it was later decided that the flow rate values obtained by the above method be compared with those obtained by using another method. As the alternative method, velocity is measured at the fresh air inlet connection of each fan, which is a more straight forward approach than using the fan characteristic curve to estimate the flow rate. Each fan inlet is divided into 21 equally sized meshes and velocity of each mesh is measured approximately at the mesh center. One measurement are conducted for each condition by this method.
First set of test is comprised of the critical doors open condition tests and investigates which floor chosen as design fire floor is more critical for the stairwell pressurization system. The staircase doors at discharge floor are opened in each of four tests of this test set . The staircase doors at 33th and 22th floors are held in open position for first and second tests respectively, these floors are located in the top pressurization zone of the stairwell. The 6th floor of the stairwell which coincide the middle pressurization zone is chosen for the third test and the doors in between the staircase and the corridor are held in open position for this test. For the fourth test, all of the stairwell doors are closed except the doors of discharge floor. Pressure difference curves with respect to height of building of first and second test are the same, thus it is concluded that opening stairwell doors at any floor of a specific zone does not have a significant impact on the system. The comparison of the opening stairwell doors at different zones is done by using the results of first (or second) test with the third test. A slight difference between the pressure difference curves of this two test is observed and it is considered that the cause of this difference is due to the floors of the zones which has the connection of the pressurization fans and the pressurization shaft.
The presence of fire protection lobby is investigated in the second set of tests. The fire protection lobbies locate in front of the stair at each floor, i.e. when a person on a floor needs to use the stair, he/she has to open the fire protection lobby door and the stair door in sequence. The fire protection lobbies are not pressurized with another pressurization system indeed these spaced are pressured indirectly with stairwell pressurization. The building without fire protection lobby is simulated by keeping only one of the two doors (of the stair and fire protection lobby) open at each floor. Two different condition are taken into account, where the first one (all doors closed) analyses the condition that all stair doors are kept closed and the second one (critical doors are open) is conducted when the stairwell is opened to the floor on a given level (fire floor) and the stair termination door at the discharge floor is kept open. The comparison of the results for test cases with and without fire protection lobby revealed that, at constant pressurized air flow rate, the presence of fire protection lobby increases the pressure difference between the staircase and the corridor. The ratio of this increment depends on whether or not an open door is available in the corresponding vertical pressurization zone. This result is proved mathematically. In a zone where an open door is available, fire protection lobby introduces a relatively low increment of the pressure difference between the stair and the corridor.
In the third set of tests, the effect of dividing stairwell into vertical pressurization zones is investigated. The main advantage of this practice is that it allows acceptable pressurization of stairwells of high rise buildings despite the negative effect of stack effect. Two tests are executed for each condition; the stairwell is comprised of three zones in one of the tests and the stairwell consists of one pressurization zone by opening the doors which locates in between the pressurization zones. It was obtained that the dividing stairwell into zones has positive effect on the pressurization of stairwells. 
The CFD modeling of stairwell pressurization system in a very high rise building is executed in this study. One test of the second set of test is modeled by using Fire Dynamics Simulator (FDS) which is extensively used for fire applications. The model consists of the volumes of stairwell, pressurization shaft and fire protection lobbies. After the modeling studies including grid dependency analysis, the pressure difference curves of the test and the model are compared. It is concluded that the modeling a stairwell pressurization system in a very high rise building with FDS gives acceptable results. Time dependent model results are examined in order to investigate the rate of change of stack effect. Although the difference between the stairwell and ambient temperatures is 7°C, the thermodynamic equilibrium is ensured after 10 minutes in the modeling studies.