Hiperbolik betonarme soğutma kulesi tasarımı

Abstract

Hiperbolik soğutma kuleleri büyük miktarlarda suyun soğutulmasını sağlayan yapılardır. Bu sistemler termik santrallerde, petrol rafinerilerinde, nükleer enerji ve elektrik santralleri gibi endüstriyel tesislerde kullanılırlar. Tesis içerisinde ısınan suyun kule içerisinde soğutularak tekrar sisteme geri verilmesini sağlayan yapılardır. Soğutma kulelerinin ana elemanları kabuk gövde bölgesi ve mesnetlendiği kolonlardır. Kulenin kolonları betonarme veya çelik olabileceği gibi kolon düzeni de çapraz, meridyen veya diyagonal olabilmektedir. Bazı soğutma kulelerinde ise kolon yerleşimi bulunmayıp, kabuk eleman doğrudan zemine oturabilmektedir. Bunların haricinde kule içerisinde, kulenin çalışma prensibi için gerekli olan su havzası, damla tutucu, dağıtım boruları, sprey ve dolgu gibi bölümler bulunmaktadır. İnşaat Mühendisliği açısından soğutma kulesinin en ilgi çekici kısmı kabuk bölgesidir. Kabuk eleman, oldukça yüksek ve ince bir eleman olarak hiperbolik kabuk formu ile kendi kendini taşıyabilmektedir. Sistemi oluşturan kolonların narinliği ve kabuk boyutlarının büyüklüğü dikkate alındığında, yapı dinamik yüklerden çok kolay hasar alabilmektedir. Bu nedenle bu tür hassas yapıların tasarımında sonlu elemanlar yönteminin kullanılması daha uygundur. Yapının tasarımı iki aşamalı olarak gerçekleştirilmiştir. İlk aşama soğutma kulesinin doğrusal analizi, ikinci aşama ise doğrusal olmayan analizidir. Kulenin öncelikle doğrusal deprem analizi yöntemlerinden birisi olan Mod Birleştirme Yöntemi ile yapılan analizi sonucu, elemanların boyutlarının kontrolü yapılmıştır. İkinci aşamada ise donatıları ve boyutları belirlenen bu sistemin doğrusal olmayan deprem hesapları yapılmıştır. Bu aşamada kendi içerisinde iki yöntem ile yinelenmiştir. Birincisi İtme Analizi ile Deprem Hesabı yöntemi, ikincisi Zaman Tanım Alanında Deprem Hesabı yöntemidir. Bu çalışmalar sonucunda kabuk ve kolon elemanların donatılandırılması ve kontrolleri yapılmıştır. Sistemin temel tasarımı bu çalışma kapsamında incelenmemiştir. Yapılan analizler sonucu soğutma kulesi tasarımı ile ilgili elde edilen bazı veriler şu şekildedir; Narin yapılar olan soğutma kulelerinde kulenin en üst noktası sistemdeki kabuk kalınlığının en az olduğu bölgedir. Bu bölgenin rijitliğini arttırmak için dairesel kiriş kullanılması gerektiği görülmüştür. Kabuk eleman ile kolon arasında yük aktarımının konsantre olmaması için kolonların genellikle kabuk genişliğinde dairesel bir kirişe bağlanması ve bu kiriş sayesinde kabuk ile kolonların arasında yük aktarımın yayılı olarak sağlanması gerektiği sonucuna varılmıştır. Yapının doğrusal ve doğrusal olmayan analizleri sonucunda elde edilen taban kesme kuvveti ve tepe deplasman değerleri kıyaslandığında, taban kesme kuvveti ile dayanım fazlalığı katsayısı arasındaki ilişki görülmüştür. Yapıda, boyuna doğrultuda etki eden rüzgar akımından kaynaklı oluşacak enine doğrultudaki vorteks akımları dikkate alınmalıdır. Girdap etkisinde oluşacak enine titreşim frekansları ile yapının frekansı kıyaslanarak rezonans durumunun var olup olmadığı incelenmiştir.