Kanatlar Vasıtasıyla Uzun Acıklıklı Köprülerin Çırpıntı Dengelemesi Ve Bu Kanatların Bilinen Kanat Tasarımı Uyarınca Geliştirilmesi

Abstract

Kablo askılı köprüler ve asma köprülerin içinde bulunduğu kablo destekli köprüler, uzun açıklıklardaki yeterlilikleri sayesinde dünya çapında oldukça fazla tercih edildikleri açık bir gerçektir. Bu köprü türünün mühendislere uzun açıklıkları aşma imkân vermesine rağmen, bu uzun açıklıklı köprüler genellikle önemli derecede esnek, sönümleme açısından düşük ve ağırlık yönünden ise hafiftir. Bu özelliklerinden dolayı uzun açıklıklı kablo destekli köprüler rüzgar etkilerine karşı oldukça duyarlı olabiliyorlar. Uzun açıklıklı köprülerin titreşimleri ve kablo askılı köprülerin aerodinamik stabilitesi köprü mühendisliği alanında mühendislerin en büyük sorunlarindan biridir. Örnek olarak, 853 metre ana açıklığa sahip ve Olimpic Yarimada ile Washington eyaletinin kalan kısmı arasında bağlantı olarak inşaa edilen Tacoma Narrows asma köprüsü, 19 m/sn’lik bir rüzgar hızındaki büyük yerdeğistirmeler ile salındı ve kamuya açılışından dört ay altı gün sonar 1940 yılı Kasim 7’de yıkıldı. Diğer köprü türleri ile karşılaştırıldığında, uzun açıklıklı kablo destekli köprüler önemli ölçüde esnektir. Kablo askılı köprüler son derece narin oldukarı için, köprü üzerindeki beklenmeyen rüzgar etkileri ve aerodinamik sorunlar mühendisleri rüzgar etkileri üzerine düşünmeye sevketmistir. Kablo askılı köprülerin şaşırtıcı şekilde aerodinamik açıdan istikrarlı olmalarına rağmen, çoğu köprüler rüzgar etkilerine karşı bazı özel iyileştirmeler gerektirmişlerdir. Bu iyileştirmeler bazen köprü tabliyesinin kendi şekli ile çözülmeye çalışılmış, bazende ek elemanlar veya aygıtlar ile sağlanmaya çalışılmıştır. Bunlara örnek olarak pasif ve aktif sönümleyiciler günümüzde verilebilecek en yaygın örneklerdir. Fakat bu ilave sönümleyicilerin yanında köprünün rüzgâr dayanımını arttıracak daha ekonomik ve uygulanabilirliği yüksek farklı düşünceler mühendislerce ve tasarımcılarca halâ denenmekte ve araştırılmaktadır. Her mühendislik branşının ortak yönü, mesleki alandaki problemlerinin çözümlerini hem kendi perspektiflerinden bakarak geliştirmeleri hem de dünyanın dört bir tarafında süregelen çalışmaların mühendislik teknik birikimine katkıda bulunmasıdır. Mühendisliği bilimsel alanda icra eden akademisyen camia kadar, uygulamada görev alan çevre de, mesleki sorunlara optimize çözümler getirmek ve yeni çözüm teknikleri geliştirmek amacıyla araştırmalar yapmaktadır. Bu araştırmaların sonuçları ve kattığı yeni bilgiler diğer alanlarda da kullanılarak optimize sonuçlar elde edilmeye çalışılmaktadır. Bu tez yapı mühendisliği kapsamında yazılıyorsa da, yukarıda belirtilen bilgiden dolayı uçak mühendisliği kapsamındaki görüşlerden faydalanılarak ve bu bilgileri yapı mühendisliği kapsamında uygulayarak farklı perspetiflerin birleştirilmesi öngörülmüştür. Kanatların tasarımında aeroelastisite ve aerodinamik etkiler göz önünde bulunudurularak kanatlara etkiyen rüzgar yükleri ve bunların ek etkileri hesaplanmaya çalışılmıştır. Rüzgar yüklerinin hesabı yapı mühendisliğinde biliniyorsada kanatın kesitinden ve yapısından dolayı daha narin ve detaylı hesaplar gerekmiştir. Bu detaylı hesapların yapılabilmesi ve ilgili katsayıların hesaplanabilmesi için uçak mühendisliğinde yaygın olarak kullanılan ticari bilgisayar programlarından yararlanılmış ve bu değerler amprik formüllerin sonuçları ile kontrol edilmiştir. Asma köprü inşaatlarının büyük hassasiyet gerektirmesi dolayısıyla, ortaya tasarım aşamasında göz önüne alınması gereken belli başlı problemler çıkmaktadır. Bu sorunlardan birisi de rüzgarın çırpınma etkisidir ki bu problem asma köprüleri stabilite açısından savumasız hale getirmektedir. Rüzgar yükü çok değişken bir parametrik özelliktedir. Hava akımının köprü ile aynı rezonansta hareket etmesi durumunda ortaya çıkan kritik rüzgar hızında, genlikler sürekli olarak büyümekte ve. bu durum da köprüyü çırpınma doğal titreşim frekansında sallamaktadır. Bu frekans, her zaman dönme doğal titreşim frekansı ve eğilme doğal titreşim frekansının arasında yer alır. Çırpınma, yalnızca dönme doğal titreşim frekansı, eğilme doğal tireşim frekansından daha yüksek değerde ise gerçekleşir. Çok düşük ve çok yüksek frekans değerlerinde çırpınma etkisi önlemiş veya zorlaştırılmıştır. Önceki çalışmalarda bu salınımı stabilize etmek, için dönme rijitliğini artırmak ve tabliyenin geometrisini aerodinamik bir biçime getirmek gibi çözümler üretilmiştir. Birinci doğal eğilme frekansı ve birinci doğal dönme frekansı arasındaki farkı artırmak da, kritik rüzgar hızında istenen olumlu etkiyi yaratmıştır. Bu araştırmalardan birinde geliştirilen, tabliye kesitini geleneksel formundan, aerodinamik forma çevirmek yönündeki bir çözüm ise uygulama alınına da taşınmıştır. Bu yeni teknik üzerine çalışmalar yapılmış ve gerekli başlangıç düzenlemeleri daha önceki yüksek lisans tez çalışması kapsamında belirlenmiştir. Önceki çalışma, büyük açıklık geçen köprülerin çırpınma dayanımını artırmak amacını taşımaktadır. Hava kuvvetlerinin bileşkesi, tüm sistemin kritik rüzgar hızını artırmaya katkıda bulunan, bir veya iki taraftaki kanatlara karşılanır. Kanatlar sadece stabiliteye katkıda bulunmak ve çırpınma etkisini azaltmak amacıyla yerleştirilirler; yük aktarımı sağlama amacı yoktur. Kanatlar ayrıca; araç veya insan yürüme alanı olarak kullanılmaz; mümkün olduğunca hafif konstrüksiyondan teşkil edilmelidir. Ayrıca; köprünün estetik bütünlüğünü bozmayacak biçimde tasarlanmalıdır. Bu araştırma kapsamında tasarlanan kanatlar plaka olarak tasarlandığından ve bu plakaların aralıkları 2 m olduğundan dolayı uygulanabilirliği çok yüksek değildir. Uygunlanabilirliği etkileyen ağırlık ise diğer bir problemdir. Bu problemleri ortadan kaldırmak ve kanatların köprülerde ki uygulanabilirliğini ve verimini arttırmak amacıyla yeni bir tasarım düşünülmüştür. Yukarda belirtilen düşünce ve bilgilerin ışığında tabliyeye eklenen kanat yapılarının tasarımlarında bu kanatların ekonomikliği ve ağırlıkları göz önünde bulundurularak daha önceki plaka benzeri geometri yerine, geleneksel kanat tasarımı ile teşkil edilen simetrik eliptik uçak kanadı biçimi tercih edilmiş ve ileri seviyede iyileştirilme yapılması hedeflenmiştir. Bu tez kapsamında düşünülen geleneksel kanat tasarımı için kanat kesiti rüzgarı iki farklı taraftan karşılaması amacıyla eliptik ve simetrik olarak karar verilmiş ve tek bir kanatın uzunluğu eski kanatın uzunluğu olan 2 m’den 20 m’ye değiştirilerek hem destek elemanlarının sayısı azaltılıp hemde daha uygulanabilir sonuçlar elde edilmeye çalışılmıştır. Kanatların rüzgar etkileri ve kanatların ağırlıkları belirlendikten sonar inşaat mühendisliği kapsamında kanatları köprüye bağlayan destekler tasarlanmış ve bunlarda da hafiflik ve iyileştirilmeye gidilmiştir. Desteklerin kafes sistem olarak seçilmesi ekonomiklik açısından tercih edilmiştir.

It is obvious fact that the cable-supported bridges, including both cablestayed bridges and suspension bridges, are choosen more day by day around the world because of their sufficiency for long spans. Even though they let the engineers to span long distances, this type of long span birdges are known generally remarkably flexible, in terms of damping is low efficient and in the sense of weight is light. Thus, these long-span cable supported bridges can also be susceptible to wind effects. The oscilation of the long-span bridges and aerodynamic stability of cable-stayed bridges are one of the major concern in bridge engineering. For example, the Tacoma Narrows suspension bridge, which had a main span of 853m and was built to link the Olympic Peninsula with the rest of the state of Washington, oscillated through large displacements at a wind speed of about 19 m/s and collapsed on November 7, 1940, only four months and six days after the bridge was opened to the public. As compared to other types of bridges, long-span cable-supported bridges are remarkably flexible. Since cable-stayed bridges are extremely slender, unexpected results of the wing effects on these bridges and aerodynamic problems in cable-supported bridges led engineers to concern about wind effects. Although cable-stayed bridges have been found surprisingly stable aerodynamically, several bridges have required special improvement against wind action on bridges. The different engineering branches have in common to improve engineering problems through their perspective and people from around the world labor to contribute technical progress in their related field. Not only in the scientific field, but also in practice, research to optimize issues and to figure out the new solutions to relevant questions. Due to its delicate construction, suspension bridges brings specific problems with the need to be considered already in the design. One of these problems is the wind generated flutter, a problem of stability for the suspension bridges is particularly vulnerable. A wind load is a highly unsteady operation. At the critical wind speed known as the air forces act in resonance with the bridge and lead to the steady growth of the amplitudes. This swings the bridge with the flutter natural frequency, which is always located between the rotational natural frequency and the natural bending frequency. Flutter occurs only when the rotational natural frequency is above the natural frequency of the bending vibration. At very low and very high frequency ratios flapping is prevented or impeded. In the previous studies, it was found found ways to stabilaze this oscillation such as increasing the rotational stiffness and forming the deck shape as aerodynamic body. An increase in the difference between the first bending frequency and the first rotational natural frequency has a favorable effect on the critical wind speed. Improving the deck section from conventional form to the aerodynamic shape is one of these studies which was carried out in practical field. This new method has been already studied and the necessary prior arrangments has been identified in former master subject. The former subject was investigated to increase the flutter resistance of long-span bridges. The resulting air forces there are means of one or both sides attached wing structure contributing to raising the critical wind speed of the overall system. The wings were only intended to contribute to stability and flutter not participating in the load transfer. They were not used as a roadway or sidewalk, but should be able to be manufactured and installed as low as possible. Furthermore, they should have been as light as possible and not interfere with the overall aesthetics of the bridge. In this work, considering these ideas and the knowledge which mentioned above, it has been intended to improve the attached wing structures from the previous plate-like wing structure to symmetric elliptic airfoil sectioned wing structure by using conventional wing design.