Patlamanın insan vücuduna etkilerinin incelenmesi ve patlama yaralanma kriterinin geliştirilmesi
Investigation of the effects of explosion on the human body and development of blast injury criteria
Yazar: ÖMER FARUK ZIRH
Danışman: PROF. DR. ALİ SARI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüz dünyasında, gerek terörist bombalamalarında, gerek sanayi ve endüstri alanında, gerekse günlük hayatta sıkça patlama olayları ile karşılaşılıyor. Patlama ile birlikte oluşan patlama dalgaları yapıların ve insan vücudunun ciddi patlama yüklerine maruz kalmasına sebep olmaktadır. Patlama yüklerinden kaynaklı yapılarda ölümcül tehlikelere yol açabilen yıkımlar görülebilirken, insan vücudunun beyin, akciğer, kalp, işitsel sistem, göz, karın bölgesi ve kas iskelet sistemi gibi farklı bölümlerinde de darbe yükünün etkisiyle ciddi yaralanmalı ölümcül sonuçlar görülmektedir. Bu doğrultuda, bu tez çalışması kapsamında patlama dalgası özellikleri (tepe basıncı ve süresi) akciğerler, beyin, kas-iskelet sistemi gibi ana organlarda meydana gelen yaralanmalarla ilişkilendirilmiştir. Organ yaralanmaları için eşik değerleri belirlemek üzere çeşitli ölçeklendirme kriterleri dikkatlice derlenmiştir. Tezin mevcut hali ile patlama yüklemesinin etkileri niceliksel olarak belgelenmiş ve insan vücudunun neredeyse tüm ana sistemleri için yaralanmaların ciddiyeti ile ilişkilendirilmiştir. Tezin patlama yaralanması ile ilgili daha sonraki çalışmalar için bağımsız bir referans olarak hizmet edeceğine inanılmaktadır.
Beş bölümden oluşan tezin ilk bölümünde, öncelikle tezin içeriği ve amacı, patlama olayının meydana gelmesi ve farklı patlayıcı türleri ve patlayıcı malzemesi üretim şekilleri anlatılmıştır. Burada, Çizelge 1.1'de farklı patlayıcılar için patlayıcı TNT eşdeğer katsayıları verilirken, Şekil 1.1'de de patlama malzemesinin farklı üretim şekillerine ait örnekler verilmiştir. Sonrasında, şok dalgası ve basınç dalgası olarak patlama dalgasının iki farklı karakteristik türü belirtilmiştir. Şok dalgasının basınç -zaman geçmişinde basıncın bir anda pik yapıp, sonrasında ortam basıncına düştüğünü görürken, basınç dalgasında patlama basıncının zamanla pik değere ulaşıp devamında ortam basıncına düştüğü görülmüştür. Denklem 1.2 kullanılıp yaklaşık olarak impuls değerini verecek ampirik formülasyonlar elde edilmiş, bu formülasyonlar ile üçgen, yarı sinüs veya üstel sönümlü şok dalgası için impuls değerlerinin elde edilebileceği belirtilmiştir. Devamında, patlama yüklerinin belirlenmesinde kullanılacak patlama dalgası parametreleri (Maksimum yansıyan basınç (Pr) , Maksimum dinamik basınç (qo) , Şok yüzey hızı (U), Patlama dalgası uzunluğu (Lw)) anlatılmıştır. Şekil 1.7 ve Şekil 1.8'de sırasıyla patlama için idealleştirilmiş şok ve basınç yükleri ve idealleştirilmiş eşdeğer basınç yüküne ait basınç - zaman geçmişleri verilmiş olup, bu yüklemelerin patlamaya dayanıklı yapı tasarımını basitleştirmek için kullanıldığından bahsedilmiştir. Bu bölümün son kısmında ise, yapılara etki edecek patlama yükleri incelenmiştir. Yapılara etkiyen patlama yükü incelemesi için öncelikle açık alan patlamaları ve kapalı alan patlamaları gibi farklı şekillerde meydana gelen patlamaları açıklamak gerekmiştir. Açık alan patlamaları; serbest hava patlaması, hava patlaması ve yüzey patlaması olarak ayrılırken, kapalı alan patlamaları ise tamamen havalandırmalı patlama, kısmen havalandırmalı patlama ve tamamen kapalı alan patlaması olarak ayrılmaktadır. Şekil 1.18'de ise basit bir açık alan patlamasına ve bir kapalı alan patlamasına ait tipik basınç - zaman geçmişi verilmiştir. Sonrasında ise, patlama dalgasının bir yapıya çarpmasıyla yapının patlama dalgasının aşırı basıncı ve sürtünme kuvvetleri tarafından yüklendiği belirtilmiş olup, kapalı dikdörtgen şeklindeki bir bina ve binanın bileşenleri için maruz kalınan patlama yüklerinin hesapları, ön duvar yüklemesi, yan duvar yüklemesi, çatı yüklemesi, arka duvar yüklemesi ve çerçeve yüklemesi olarak verilmiştir.
İkinci bölümde, literatür araştırması kapsamında patlamanın insan vücudunun beyin, akciğer, kalp, işitsel sistem, göz, karın bölgesi ve kas iskelet sistemi gibi farklı doku ve organlarındaki etkileri üzerinde durulmuştur. Bu noktada, Çizelge 2.1'de patlama yaralanmalarında beyin hasarının hafif, orta veya yüksek şiddetli beyin hasarı olduğuna karar vermek için kullanılan Glasgow Koma Skalası'nın ölçütleri ve puanlama sistemi verilmiştir. Ölçütler sonucunda elde edilecek puanın 3-8 olması durumunda yüksek şiddetli beyin hasarı, 9-12 olması durumunda orta şiddetli beyin hasarı, 13-15 puan olması durumunda ise hafif şiddetli beyin hasarı olarak nitelendirileceğinden bahsedilmiştir. Şekil 2.2'de ise farklı patlama basıncı ve impuls değerlerinden kaynaklanan insan kulak zarındaki yırtılma ve işitme kaybına ait eşik patlama basıncı değerlerini içeren diyagram UFC 3-340-02 (2008) kılavuzunda belirtildiği gibi verilmiştir. Farklı patlama aşırıbasıncı ve ölçeklendirilmiş impuls değerlerine bağlı değişkenlik gösteren akciğer yaralanmasına ait hayatta kalma için eşik değer eğrileri ise Şekil 2.3'de verilmiştir. Patlamanın insan vücuduna etkilerine dair ek çalışmaların yer aldığı bölümde ise, insan kafası üzerine farklı çalışmalarda elde edilen sonuç bilgi ve değerlerinin özeti sunulmaktadır. Burada, Çizelge 2.3'de insan vücudunun farklı bölümleri için farklı yaralanma kriterlerine dayanarak NATO HFM-148 görev grubu tarafından belirlenen yaralanma değerlendirme eşik değerleri özet şeklinde verilmiştir. Çizelge 2.4'de ise Yoganandan [61] tarafından literatürden derlenmiş insan yüzündeki kırılmalara ilişkin deneysel çalışmaların sonuçlarını içeren özet tablo verilmiştir. Bu bölümün son kısmında ise tamamen kapalı alan patlaması ve açık alan patlamasına dair birer adet örnek çalışma incelenmiş olup, bu çalışmaların sonuçlarına dair grafikler ve özet tablolar verilmiştir. Kapalı alan patlaması için basınç – zaman geçmişlerine bakıldığında şok dalgası süresinin ve yarı statik aşırı basıncın öneminden bahsedilmiştir. Açık alan patlamasında ise, farklı mesafelerde gerçekleşen küresel hava patlamalarından kaynaklanan patlama dalgası parametrelerine göre birincil patlama yaralanması kriterlerinin analizini içeren diyagram Şekil 2.15'de verilmiştir. Çizelge 2.6'da ise gerçekci patlayıcı tehditleri (patlama olayları) için yaklaşık TNT eşdeğer patlayıcı kütlelerine ait özet bilgiler verilmiştir.
Üçüncü bölümde ise genel başlık olarak patlama yaralanmaları konusu üzerinde durulmuştur. Öncelikle patlama yaralanmalarına genel bakış başlığı altında patlama yaralanmalarının yaralanma özellikleri ve epidemiyolojik özelliklerinin diğer yaralanma türlerinden farklı olduğu belirtildikten sonra, patlama yaralanmasının karakteristik özellikleri açıklanmıştır. Bu noktada, patlama yaralanmalarının karmaşık yaralanma içerdiği, çoğunlukla belirli, hedef organı etkilediği, hafif dış yaralanma fakat ciddi iç yaralanmaya sebebiyet verebileceği ve yaralanma durumunun hızla kötüleşebileceği özellikleriyle diğer yaralanmalardan farklılaştığı belirtilmiştir. Sonrasında, patlama yaralanması türleri ve mekanizmaları kısmında, insan vücudunun farklı bölümleri için karşılaşılan yaygın patlama yaralanma türlerine ve patlama yaralanmalarının birincil, ikincil, üçüncül, dördüncül ve beşincil patlama yaralanmaları olarak kategorize edildiğine dair özet tablolar ve bilgiler sunulmuştur. Bölümün son kısmında ise yaralanma ölçeklendirmesi genel başlığı altında; Kısaltılmış Yaralanma Ölçeği (KYÖ), Yaralanma Şiddeti Skoru (YŞS), Dinamik Tepki İndeksi (DTİ), Lumbar (bele ait) yük kriteri, Kafa Yaralanma Kriteri (KYK), Boyun Yaralanma Kriteri (BYK), Göğüs yaralanma kriteri ve Femur kuvveti kriteri gibi literatürde verilen yaralanma kriterleri ve bu kriterlerdeki yaralanmaya dair limit değerler üzerinde durulmuştur. Burada, Çizelge 3.3'de kafa ve omurga bölgesi için farklı kısaltılmış yaralanma ölçeği (KYÖ) skorlarına göre yaralanma tipleri verilmiştir. Denklem 3.1'de Yaralanma Şiddeti Skoru (YŞS) formülasyonu verildikten sonra, Çizelge 3.4'de farklı YŞS değerleri için yaralanma seviyesi ve örnek yaralanmalar özet şeklinde verilmiştir. Çizelge 3.5'de düşük, orta ve yüksek riskli dinamik tepki seviyeleri için x, y ve z yönlü ivmelenmelerdeki Dinamik Tepki (DT) sınırları verilmiştir. Kafa Yaralanması Kriteri (KYK) için ise farklı KYK puanlarına karşılık gelen KYÖ seviyeleri ve ilgili duruma ait beyin sarsıntısı ve kafa yaralanma seviyesinin açıklamasına dair özet Çizelge 3.6'da verilmiştir. Çizelge 3.7'de farklı kafa yaralanma kriterleri için 5 farklı tolerans seviyesi ve bu seviyelere ait yaralanma açıklması ve limit değerler sunulmuştur. Şekil 3.1'de ise belirli bir kafa yaralanması kriteri puanı için farklı şiddetlerdeki kafa travması seviyelerinin olasılıkları belirtilmiştir. Grafiğe bakıldığında, 2500 gibi bir KYK puanı için %80 oranında ölümcül, %95 civarında da kritik kafa travması seviyelerinin olduğu görülebilir.
Dördüncü bölüm tartışma ve literatür sonuçlarından oluşmaktadır. Bu bölümde, öncelikle patlama yaralanması görülme ve ölüm oranlarına dair literatürde yer alan sayısal, istatiksel değerler aktarılmıştır. Burada bir örnek olarak, Çizelge 4.2'de farklı patlayıcı türleri için gerçekleşen farklı sayıda patlamaların sayıları ve bu patlamalarda toplamda ölen, ciddi yaralanan, hafif yaralanan ve kayıp olanların sayısının belirtildiği bilgiler özet şeklinde verilmiştir. Sonrasında, patlama yaralanmasında limit değerler başlığı altında insanın patlama basıncına, yapısal harekete ve parçacık yaralanmasına dair toleransına ait limit değerler özet olarak sunulmuştur. Bu noktada, Çizelge 4.5'de farklı ağırlıklardaki parçacıkların insanın göğüs, karın ve kafa bölgesine çarpması durumu için limit parçacık hızı ve enerjisi değerleri verilmiştir. Bu limit değerler aşıldığında personelde ciddi yaralanmanın meydana gelebileceği belirtilmiştir. Devamında ise hafif patlama yaralanması, orta şiddetli patlama yaralanması, şiddetli patlama yaralanması ve aşırı şiddetli patlama yaralanması gibi farklı patlama yaralanmalarının tedavi prensiplerine dair özet bilgiler verilmiştir. Bölüm sonunda ise, insan vücudunun farklı bölümleri için patlama yaralanmasına karşı kullanılabilecek gerekli koruma ekipmanları özet tablo olarak verilmiştir (Çizelge 4.6).
Beşinci bölüm olan son bölüm ise sonuçlar bölümü olarak verilmiştir. Bu bölümde çalışmanın sonuçları başlığı altında küresel hava patlamalarından kaynaklanan patlama yaralanmalarında patlama dalgasının farklı pozitif faz süre aralıkları için limit patlama basıncı değerlerinin verildiği Çizelge 5.1 verilip, gerekli açıklamalar yapılmıştır. Son olarak, gelecekteki çalışmalar başlığı altında tezin gelecekteki çalışmalara nasıl katkı sağlayabileceği ve gelecekte patlama yaralanması ile ilgili ne tür çalışmaların yapılabileceği aktarılarak tez sonlandırılmıştır.

Abstract:
In today's world, explosions frequently occur in terrorist bombings, industrial and manufacturing sectors, and daily life. The blast waves generated by explosions subject structures and the human body to significant blast loads. These blast loads can cause deadly structural collapses, and serious injuries or fatal outcomes can occur in various parts of the human body, such as the brain, lungs, heart, auditory system, eyes, abdominal region, and musculoskeletal system due to the impact of the blast load. In this context, this thesis initially discusses the blast wave and its characteristics (peak pressure and duration) as well as the parameters of the blast wave, which have been related to injuries occurring in the major organs of the human body. Subsequently, the effects of blast loading have been quantitatively documented under the headings of blast injuries, types and mechanisms of blast injuries, and the effects of explosions on the human body, correlating the severity of injuries with nearly all major systems of the human body. As a result, various injury scaling criteria have been carefully compiled to determine thresholds for major organ injuries, and ultimately, limit blast pressure values for different parts of the human body (lung, ear and head) have been proposed. The thesis will serve as an independent reference for further studies on blast injury.
The first section of the thesis discusses the content and purpose of the thesis, the occurrence of explosion events, different types of explosives, and the manufacturing methods of explosive materials. Here, Table 1.1 provides the TNT equivalent factors for different explosives, while Figure 1.1 presents examples of different manufacturing methods of explosive materials. It then explains the two characteristic types of blast waves that are shock waves and pressure waves. In the pressure-time history of the shock wave, it is observed that the pressure spikes abruptly and then drops to ambient pressure, whereas, in the pressure wave, the blast pressure gradually reaches a peak value and then decreases to ambient pressure. Using Equation 1.2, empirical formulations were derived to approximate the impulse value, indicating that the impulse values for triangular, semi-sinusoidal, or exponentially decaying shock waves can be obtained with these formulations. Furthermore, the parameters of the blast wave used to determine blast loads (Maximum reflected pressure (Pr), Maximum dynamic pressure (qo), Shock front velocity (U), Blast wave length (Lw)) are described. Figures 1.7 and 1.8 respectively illustrate the idealized shock and pressure loads for explosions and the pressure-time histories of the idealized equivalent pressure load, noting that these loads are used to simplify the design of blast-resistant structures. The final part of this section examines the blast loads affecting structures. Different scenarios of unconfined and confined explosions are explained to understand the blast loads impacting structures. Unconfined explosions are categorized as free-air bursts, air bursts, and surface bursts, while confined explosions are classified as fully vented, partially vented, and fully confined explosions. Figure 1.18 provides a typical pressure-time history for a simple open-air (unconfined) explosion and an enclosed space (confined) explosion. The section also provides calculations for the blast loads on a rectangular building and its components, including front wall loading, side wall loading, roof loading, rear wall loading and frame loading.
The second section of the thesis focuses on the effects of explosions on various tissues and organs of the human body, such as the brain, lungs, heart, auditory system, eyes, abdominal region, and musculoskeletal system, as part of the literature review. At this point, Table 2.1 presents the criteria and scoring system of the Glasgow Coma Scale, which is used to determine whether brain injury from blast injuries is classified as mild, moderate, or severe. It is noted that a points of 3-8 illustrates severe brain injury, a points of 9-12 expresses moderate brain injury, and a points of 13-15 demonstrates mild brain injury. Figure 2.2 shows a diagram of the threshold blast pressure values for eardrum rupture and hearing loss due to different blast pressures and impulse values, as indicated in the UFC 3-340-02 (2008) guidelines. The threshold survival curves for lung injury, which vary depending on different peak overpressure and scaled impulse values, are presented in Figure 2.3. It includes summaries of results and values obtained from various studies on the impact of explosions on the human head. In Table 2.3, the injury assessment threshold values for different parts of the human body, determined by the NATO HFM-148 task group based on different injury criteria, are summarized. Additionally, Table 2.4 provides a summary of experimental study results on facial fractures, compiled from the literature by Yoganandan [61]. The final part of this section reviews example studies on both fully confined and unconfined explosions, providing graphs and summary tables of the results. In the context of confined space explosions, the importance of shock wave duration and quasi-static overpressure is highlighted when examining pressure-time histories. For open-air explosions, Figure 2.15 presents a diagram analyzing primary blast injury criteria based on blast wave parameters from spherical air bursts occurring at different distances. Additionally, Table 2.6 provides summary information on approximate TNT equivalent explosive masses for realistic explosive threats (blast events).
The third section addresses the general topic of blast injuries. Initially, it highlights that the injury characteristics and epidemiological features of blast injuries differ from other types of injuries, explaining the characteristics of blast injuries. At this point, it has been noted that blast injuries are complex, often targeting specific organs, causing mild external injuries but potentially severe internal injuries, and can rapidly deteriorate, distinguishing them from other types of injuries. This section also categorizes blast injuries into primary, secondary, tertiary, quaternary, and quinary blast injuries, providing summary tables and information on the common types of blast injuries encountered in different parts of the human body. The final part of this section discusses injury scaling under the general heading, explaining injury criteria such as the Abbreviated Injury Scale (AIS), Injury Severity Score (ISS), Dynamic Response Index (DRI), Lumbar load criterion, Head Injury Criterion (HIC), Neck Injury Criterion (NIC), Chest Injury Criterion and Femur force criterion. Table 3.3 presents the types of injuries associated with different Abbreviated Injury Scale (AIS) scores for the head and spine. After providing the formulation of the Injury Severity Score (ISS) in Equation 3.1, Table 3.4 summarizes the injury levels and example injuries for different ISS values. Table 3.5 presents the Dynamic Response (DR) thresholds for low, medium, and high-risk dynamic response levels in x, y, and z directional accelerations. For the Head Injury Criterion (HIC), Table 3.6 summarizes the AIS levels corresponding to different HIC scores and the related descriptions of concussion and head injury severity. Table 3.7 presents five different tolerance levels for various head injury criteria, along with injury descriptions and limit values for these levels. Finally, Figure 3.1 illustrates the probabilities of different severity levels of head trauma for a given HIC score. Looking at the graph (Figure 3.1), a HIC score of around 2500 is associated with an 80% probability of fatal head injury and approximately a 95% probability of critical head trauma.
The fourth section consists of discussions and literature results. This section provides numerical and statistical values from the literature on the incidence and mortality rates of blast injuries. As an example, Table 4.2 summarizes the number of explosions for different types of explosives, as well as the total number of fatalities, serious injuries, minor injuries, and missing persons resulting from these explosions. It then summarizes the threshold values for human tolerance to blast pressure, structural movement, and particle injuries. At this point, Table 4.5 provides the threshold velocity and energy values for particles of different weights impacting the chest, abdomen, and head regions of the human body. It is noted that exceeding these threshold values may result in severe injuries to personnel. Additionally, it outlines the treatment principles for different severity levels of blast injuries, including mild, moderate, severe and extremely severe blast injuries. At the end of the section, a summary table of the necessary protective equipment that can be used against blast injuries for different parts of the human body is provided (Table 4.6).
The fifth and final section is presented as the conclusion. In this section, under the title of the thesis's results, Table 5.1 is provided, showing the limit blast pressure values for different positive phase durations of blast waves resulting from spherical air explosions, along with the necessary explanations. Finally, under the title of future studies, how the thesis can contribute to future research and what types of studies could be conducted on blast injuries in the future are discussed, concluding the thesis.