Yüksek Yapılarda Rüzgâr Etkilerinin Stokastik Yöntemle Çözümlenmesi Ve Baskın Etkilerin Parametrik İncelenmesi

Abstract

Gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde her geçen gün çok katlı yüksek yapıların sayısı artmakta ve bu tür yapılar üzerindeki rüzgârın dinamik etkileri tasarımda ön plana çıkmaktadır. Meydana gelebilecek kuvvetli rüzgârların çok katlı binalarda yüksek hızlı titreşimler meydana getirebildiği, üst katlarda oturanlar insanlara yapıda oluşan ivme tepkilerinden dolayı rahatsızlık verebildiği bilinmektedir. Özellikle deprem etkisinin baskın olmadığı, buna karşın rüzgârın etkin olduğu bölgelerde, çok katlı yapıların kuvvetli rüzgâr etkisindeki davranışı doğru bir şekilde belirlenmelidir. Rüzgâr hızı, statik ve dinamik (türbülans) bileşenin toplamı biçiminde ifade edilmektedir. Dinamik rüzgâr etkilerinin yapı yüksekliği boyunca değişiminin rastgele olacağı bilindiğinden, analizlerde dinamik yüklemenin belirsizliğini dikkate alacak bir yönteme ihtiyaç vardır. Zamana bağlı olarak genlikleri ve frekans içeriği değişken olan rastgele titreşimlerin istatistik ve olasılık terminolojisi ile ifade edildiği stokastik yöntemler, daha gerçekçi ve ekonomik çözümler sağlar. Stokastik dinamik analiz yönteminde rüzgârın rastgeleliği göz önüne alındığından gerçeğe daha yakın ve daha ekonomik sonuçlar elde edilir. Rüzgâr hızı değişiminin rastgeleliği, rüzgârın türbülans bileşeni kayıtlarından elde edilen güç spektrum yoğunluk fonksiyonları ile dikkate alınır. Bu bağlamda kuvvetli rüzgâr etkisindeki yapıların tasarımında binanın yapılacağı bölgeye ait temel rüzgâr hızının, güç spektrum yoğunluk fonksiyonunun, ani rüzgâr faktörü gibi rüzgâr parametrelerinin bilinmesi çok daha gerçekçi ve güvenilir sonuç sağlar. Doktora tez çalışmasının ilk bölümünde konuya genel bir giriş yapılmış, tezde yapılan çalışmalar kısaca özetlenmiş ve tez konusuyla ilgili geçmişte yapılan çalışmalar incelenmiştir. İkinci bölümde İstanbul rüzgâr istatistiklerinin elde edilmesi amacıyla yapılan çalışmalar anlatılmıştır. Rüzgâr parametrelerini elde etmek amacıyla Sabiha Gökçen Havalimanı’na küçük örnekleme aralığına sahip, birbirine dik üç yönde kayıt alabilen ultrasonik anemometre kurulmuştur. Anemometrenin en büyük özelliği örnekleme aralığı 25 Hz’lik üç boyutlu veri kaydedebilmesidir. Bu anemometre yardımıyla 15 Mayıs 2012 – 15 Ağustos 2014 tarihleri arasında 27 ay boyunca rüzgâr hızı kaydı alınmış ve kuvvetli rüzgâr türbülansı istatistikleri ile rüzgâr spektrumunun belirlenmesi amaçlanmıştır. Durağan olamayan rüzgâr verilerinin zamanla değişen ortalama hızlarını bulmak amacıyla ampirik mod değiştirme yöntemi kullanılmış, böylelikle rüzgâr istatistikleri hesaplanırken daha gerçekçi sonuçlar elde edilmiştir. Tez çalışmasından çıkan sonuçlar İstanbul’da bu bölgede rüzgâr türbülansı hakkında bilgiler vermekte olup ve bu değerler çok katlı yapı tasarımlarında, rüzgâr türbini tasarımında kullanılabilir istatistiklerdir. Ayrıca boyuna rüzgâr hızı verisi kullanılarak temel rüzgâr hızı ortalama süresinin, yapının davranışına olan etkisi araştırılmıştır. Son olarak, farklı örnekleme aralıklarına sahip rüzgâr verileri elde edilerek boyuna türbülans güç spektrum yoğunluk fonksiyonu çıkarılmıştır. Tez çalışmasının dördüncü bölümünde, Türkiye’nin temel rüzgâr hızı değerleri hesaplanmıştır. Yapısal hesaplamalarda büyük önem taşıyan temel rüzgâr hızı, açık bir arazide yerden 10 metre yükseklikte herhangi bir yönde ölçülen 10 dakikalık ortalama rüzgâr hızlarından 50 yılda en az bir kere aşılması olasılığına karşı gelen rüzgâr hızıdır. Bir yapının tasarımında amaç, yapının ömrü boyunca, öncelikle içinde bulunan insanların can güvenliğini, sonrasında ise mal güvenliğini sağlamaktır. Bunu gerçekleştirmek için, yapının ömrü boyunca, gerçek kapasitesinin işletme yükünden yeterince fazla olması gerekmektedir. Bu nedenden dolayı, aşırı değerlerin dağılımını bulmak yapı mühendisliği açısından önemlidir. Düşük aşılma olasılığına denk gelen aşırı değerlerin kestirilmesi güncel bir araştırma alanı olup bu tahminler genelde ortalama T yılda bir aşılan maksimum rüzgâr hızı olan, dönüş periyodu olarak ifade edilmektedir. Aşırı rüzgâr hızlarının tahmini için, eşik üzeri değer yöntemi kullanılmıştır. İstatistiksel bakış açısından aşırı değer teorisinin amacı, gözlemlenen aşırı değerleri çözümlemek ve gelecekte meydana gelebilecek aşırı değerleri öngörmektir. Türkiye temel rüzgâr hızlarının elde edilmesi için Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü Meteorolojik Veri Arşiv Sistemi’nden (TÜMAS) Türkiye’deki bütün rüzgâr istasyonlarının günümüze kadar kaydedilen rüzgâr hızları istenmiş, bunun karşılığında da TÜMAS’tan 341 rüzgâr istasyonuna ait, 1975-2011 yılları arasında kaydedilmiş saatlik rüzgâr hızları temin edilmiştir. Rüzgâr hızı istasyonları farklı kayıt sürelerine sahiptir, bu istasyonlardan 48 aydan düşük veriye sahip olanlar elenmiş, 48 aydan fazla hız verisine sahip olanlar ise aşırı değer analizi yapılarak 50 yılda bir defa aşılma olasılığına karşı gelen rüzgâr hızı hesaplanmış ve Türkiye temel rüzgâr hızı haritası elde edilmiştir. Rüzgâr etkisi altında, çok katlı binalar aynı anda rüzgâr yönünde, rüzgâra dik yönde ve burulma yönünde titreşim yaparlar. Rüzgâr stokastik işleyim olarak kabul edildiğinden dolayı, bu işleyimin çok katlı yapılarda meydana getireceği tepkiyi stokastik analizlerle belirlemek en güvenilir yoldur. Bu tezin dördüncü bölümünde, rüzgâr etkisi altındaki farklı kesit ve yükseklikteki çok katlı binaların stokastik analizi yapılmıştır. Bina modellerinin can güvenliği düzeyinde en büyük yerdeğiştirmeler ve devrilme momenti değerleri, kullanabilirlik seviyesi için ise ortalama karekök ve en büyük ivme değerleri, yapının rüzgâr doğrultusunda ve rüzgâra dik doğrultusunda hesaplanmıştır. Yapılan analizler, NatHaz Aerodinamik Yükler Veritabanı (NALD) kullanılarak çevrimiçi olarak gerçekleştirilmiştir. NatHaz Aerodinamik Yükler Veritabanı, rüzgâr yönündeki hareket, rüzgâra dik yöndeki hareket ve burulma tepkilerinin belirlenmesi için rüzgâr tüneli test verilerinin web tabanlı arşivlenmesi için hazırlanmış, paylaşıma açık, araştırmalar sonucu geliştirilmiş bir programdır. Bu veritabanı kullanıcılara ortalama karekök tabanlı moment katsayılarını ve değişik sınır tabakaları altında test edilmiş, farklı geometrilere sahip rijit çok katlı bina modelleri üzerindeki yüksek frekanslı taban dengeleme yöntemi ölçümlerinden elde edilen boyutsuz güç spektrumları yoğunluk fonksiyonlarını sağlamaktadır. Yapılan analizlerde, bina modellerinin rüzgâr etkisi altındaki davranışı taban eğilme momenti bazlı ani rüzgâr yükleme faktörü yöntemi kullanılarak rastgele titreşim kuramı ile hesaplanmıştır. Bu yöntemde maksimum taban eğilme momenti beklenen değeri, ortalama taban eğilme momenti ile moment-ani rüzgâr yükleme faktörünün çarpımıyla hesaplanmaktadır. Analizlerde kullanılan bina modelleri karşılaştırılmalı olarak incelenmiş, sonuçlar sunulmuştur. M. İslam’ın “Modal coupling and wind-induced vibration of tall buildings” adlı tezindeki örnek NALD yazılımı ile çözümlenmiş ve M.İslam’ın tezindeki sonuçlarla karşılaştırma yapılmıştır. Ayrıca İstanbul Sabiha Gökçen Havalimanı’nda alınan kayıtlardan elde edilen boyuna güç spektrumu kullanılarak Eurocode 1 yönetmeliğine göre çok katlı bir binanın rüzgâr tepkileri belirlenmiş ve İstanbul Yüksek Binalar Rüzgâr Yönetmeliği ve NALD programından bulunan sonuçlarla karşılaştırılmıştır.

Since the number of tall buildings is increasing each day in both developed and developing countries, the dynamic wind effects during the design of these buildings design are becoming noteworthy. It is known that strong winds may cause high vibrations in tall buildings and they may cause discomfort to the people who live on the upper floors due to high acceleration response that may occur. Particularly, in areas where earthquake effect is not the dominant but wind is; the behavior of tall buildings under the influence of strong wind should be identified correctly. Wind speed is expressed as the sum of the static and the dynamic (turbulence) components. Since it is known that the dynamic effects will be random, a new method that will take into account the uncertainty of dynamic loading is needed in the analyses. Stochastic methods in which random vibrations having variable amplitude and frequency content depending on the time are expressed in statistical and probability terms provides more realistic and cost-effective solutions. Since randomness of the wind is taken into account in the stochastic dynamic analysis method, more economical results that are much closer to reality are obtained. The randomness of the change in wind speed is considered together by the power spectral density functions obtained from the wind turbulence component records. In the design of the high rise buildings under the influence of strong winds, more realistic and reliable results are obtained by the known wind parameters such as the basic wind speed, the power spectral density function, and the gust factor of the wind related to the region where the building will be constructed. In the first part of this dissertation, a general introduction is given including the previous research, the studies performed are summarized briefly and the studies performed in the past related with the subject of the dissertation are examined. It is known that the most reliable tool for investigating the surface wind conditions are the field measurements. Obtaining of the wind characteristics and the atmospheric turbulence characteristics with field measurements have importance for detailed understanding of the wind as well as the design of the buildings under the influence of wind, wind turbines and wind tunnel simulations in structural engineering. In the second part of this dissertation, the studies performed in order to obtain İstanbul wind statistics are described. In order to obtain the wind parameters, an ultrasonic anemometer which is capable of recording in three directions and has a small sampling interval has been installed in the Sabiha Gökçen Airport at a distance where it will not be affected by takeoff and landing of aircrafts. The most important feature of this anemometer is its capability of recording 25 Hz three-dimensional data. Since there will no moving parts after installing the ultrasonic anemometer, errors due to the stresses in the device or ageing in the calibration parameters will not occur. System performance and the accuracy of the measurements can be controlled easily. The legal permitions necessary for installation of this equipment and performing measurements have been obtained from the State Airports Administration General Directorate, İstanbul Meteorology Regional Directorate, Sabiha Gökçen International Airport Technical Block Aerodrome Control Tower, İstanbul Security Directorate and the Governorship of İstanbul. Wind speed was recorded by means of this anemometer during a period of 27 months between May 15th, 2012 and August 15th, 2014. In this study, it is aimed to determine the strong wind turbulence statistics and the wind spectrum. Calculating a constant mean in the non-stationary wind speed records does not yield a realistic result. Non-stationary wind speed is expressed as the sum of timevarying mean wind speed and turbulence wind speed. Empirical mode decomposition method is used to obtain the mean speeds of the non-stationary time-varying wind data. Thus, more realistic results are obtained when calculating the wind statistics. The results obtained from this study provide information about wind turbulence in İstanbul and these values are the statistics that can be used in tall building design and wind turbine design. In addition, the impact of the average time of the basic wind speed on the behavior of the building is investigated by using the longitudinal wind speed data. Wind speed data is created with 0,1T and 200T according to the various average duration depending on building period (T), and analyses are carried out according to the regulations of ASCE 7-10 standard. Maximum speeds in the generated wind data are used instead of basic wind speed in the ASCE 7-10 regulation. Finally, wind data with different sampling intervals are obtained and longitudinal turbulence power spectral density function is obtained. In this study, the effect of the average time of the basic wind speed on the behavior of the building is also investigated. In the fourth part of the dissertation study, the basic wind speed values are calculated in order to be used especially in the analyses of wind effects of tall buildings for Turkey. The basic wind speed having great importance in structural calculations is the wind speed corresponding to the possibility of exceeding the 10-minute mean wind speeds measured in any direction at a height of 10 meter from the ground in an open field at least once in 50 years. The aim in building design is to ensure the safety of the people within the building during the lifespan of building. In order to achieve this aim, the actual capacity of the building has to be sufficiently larger than the operation load. For this reason, finding the distribution of extreme values is important by means of engineering practice. Extreme values are the statistical values obtained depending on the basic distribution of the observations and data size. Estimation of the extreme values corresponding to the low probability of exceedence is an active research area. These estimates are expressed as the return period which is the maximum wind speed typically exceeded once in every T years on average. The aim of the extreme value theory from a statistical viewpoint is to analyze the observed extreme values and to predict the extreme values that might occur in the future. In this study, peak-overthreshold method is used for the estimation of the extreme wind speeds. The wind speeds recorded in all meteorology stations in Turkey until today are requested from the State Meteorology Affairs General Directorate Meteorological Data Archive System (TÜMAS) in order to obtain the basic wind speeds of Turkey and hourly wind speeds recorded between the years 1975 and 2011 belonging to 341 wind stations are provided from TÜMAS. Since wind speed stations have different recording times, the ones among these stations having a data of less than 48 months are eliminated and extreme value analysis is performed for the ones having data for more than 48 months and the wind speed corresponding to the probability of exceeding once in every 50 years is calculated and the basic wind speed map of Turkey is prepared. Under the influence of wind, tall buildings swing in along-wind, cross-wind and torsional directions at the same time. Since wind is regarded as a stochastic process, it is the most reliable way to determine the response caused by this process in tall buildings with stochastic analyses. Geometric properties of structural elements, mechanical properties of the material, the size and the distribution of fixed and moving loads, wind, external loads such as earthquakes are the major uncertainties of a structure to be analyzed under dynamic loading. Since these uncertainties are arising from the characteristics of the building (material, etc.) can be controlled during construction stage, it includes of less uncertainty compared to the dynamic external effects of wind effect. The responses such as acceleration, displacement, bending moment that occurred in the system in conjunction with giving the wind data including uncertainties as input to the structural system and taking into consideration these effects occur as uncertain. These uncertainties are calculated in terms of statistical functions such as mean value, variance and random behavior is introduced. Although modern tall buildings that are designed to meet the requirements for drift ratios are safe in terms of structural safety, they may move during wind storms in a way to disturb especially the occupants living on the upper floors. Comfort of building occupants is defined depending on the biodynamic sensitivity of human against the accelerations that will occur in buildings due to wind effect. To ensure this condition in a tall building, availability limit conditions for relative story displacement and acceleration values should be checked. Extreme wind loading conditions having a 50- year return period are generally used to control the relative story displacement criteria and security requirements. The standard deviation acceleration and the peak acceleration of the extreme winds having a 10-year return period are widely used for the evaluation of wind-induced movements experienced in tall buildings. In the fifth stage of this dissertation, the stochastic analysis of the tall buildings with different heights and structural sections subjected to wind is performed. The largest displacements and base moment values for the life safety level of building models and the average square root and the maximum acceleration values for the level of serviceability are calculated based in the along-wind direction and the cross-wind direction. The analyzes are performed online by using NatHaz Aerodynamic Loads Database that is first established in 2000 and then renewed in 2008. NatHaz Aerodynamic Loads Database is the main reference for web-based archiving and sharing of the wind tunnel test data for the determination of the along-wind movement, cross-wind movement and torsional responses. This database provides average square root based moment coefficients and the non-dimensional power spectral density functions obtained from the high-frequency base balance measurements on the rigid tall building models having different geometries, tested under different boundary layers to users. In the analysis performed, the behavior of the building models under the influence of the wind is calculated with the random vibration theorem by using overturning moment based gust loading factor. The maximum base bending moment expected in this method is calculated by multiplying the average base bending moment with the gust loading factor. Building models used in the analyses are comparatively examined and the results are presented. The sample on M. Islam’s disseration “Modal coupling and wind-induced vibration of tall buildings” is analysed using the NALD program and the results are compared with the results in M. Islam’s disseration. The alongwind force spectrum obtained from Istanbul Sabiha Gökçen Airport data is used to define the wind response of a building according to Eurocode 1 and is compared to the results obtained from Istanbul High-Rise Building Wind Code and the NALD program.