Hiperbolik soğutma kulesi yapılarının serbest titreşim, deprem ve rüzgâr yükleri altındaki tepkilerinin incelenmesi

Abstract

19.yy'da araştırmaları başlayan uzun ve narin yapılar olan soğutma kulelerinin tasarımı ve yapımı konusunda, gün geçtikçe hem teknolojinin gelişmesi hem de yapılan araştırmaların sayısının artmasından dolayı geçmişten günümüze güvenilirlik ve ekonomik açıdan önemli gelişmeler kaydedilmiştir. Hiperbolik soğutma kuleleri, sistemde kullanılan sıcak suyun, ısı değişiminin olduğu yüzeyde suyun dağıtıldığı ve ortamdaki hava sıcaklığının etkisiyle sistemden alınan bu sıcak suyun soğutulup bir havuzda toplanıp tekrardan tesiste kullanılmaya hazır hale getirildiği kule tipi yapılardır.Soğutma kuleleri tesiste kullanılan suyun ortamdan uzaklaştırılıp yerine kaynaktan su alınmasını önleyip daha önce kullanılmış bu suyun soğutulup tekrardan kullanılmasına imkan verdiğinden dolayı su kaynaklarımızın israf edilmeden kullanılması konusunda büyük öneme sahiptir.Bu yüzden soğutma kuleleri nükleer tesis,termal tesis,petrol tesisleri gibi çok çeşitli sayıda büyük tesislerin olmazsa olmaz yapısal elemanı haline gelmiştir.Soğutma kulelerinin esas fonksiyonları suyun soğutulup tekrardan sisteme kazandırılması olduğundan tasarım aşamasında termal mühendisliğin de önemli etkisi bulunmaktadır. Yapı mühendisliği açısından bakıldığında bir hiperbolik soğutma kulesi yapısı kabuk elemanı, taşıyıcı sistem, rijitleştirici halkalar ve temel olmak üzere dört kısma ayrılmaktadır. Soğutma kulelerine etkiyen yükler ; rüzgar,deprem,sıcaklık,oturma ve yapım aşamasındaki yükler olarak ilgili yönetmeliklerde belirtilmiştir. Soğutma kulelerinin göze çarpan ilk elemanı kabuk elemanıdır.Kabuk elemanı ilk zamanlarda tahtadan inşa edilmiştir ancak daha sonra kaydedilen gelişmelerle birlikte burada betonarme tercih edilmeye başlanmıştır.Günümüzde de betonarme ile inşa edilmekte olan kuleler bulunsa da betonarmenin yanı sıra çelik soğutma kuleleri de inşa edilmeye başlanmıştır.Sahip olduğu büyük kabuk elemanından dolayı rüzgar ,deprem gibi dinamik yüklemelere karşı rijitleştirilip gerekli dayanımın kazandırılması ciddi önem arz etmektedir.Soğutma kulesi kabuğunun yapısından dolayı gereken ilk yatırım maliyeti yüksektir.Bu sebepten dolayı, kabuk elemanı tasarımında kabuk alt noktasından kabuk üst noktasına doğru kabuk kalınlığı, hem ölü yükü azaltmak hem de daha ekonomik şekilde inşa etmek için azaltılmaktadır. Kabuk elemanının çapı incelendiğinde ise alt noktada çap en yüksek değerde iken yükseklikle birlikte azalmakta ve boyun noktasında en düşük değerine ulaşmaktadır.Boyun seviyesinden sonra çap değeri en üst noktaya kadar tekrar artmaktadır ancak en alt noktanın çap değerine ulaşmamaktadır.Kabuk elemanının şekli farklı eğimlere sahip iki hiperbolden oluşmaktadır.Bu hiperboller alt hiperbol ve üst hiperbol olarak adlandırılmaktadır.Bu iki hiperbol kabuk elemanının boyun kısmında birleşmektedirler.Kabuk elemanını burkulmaya karşı dayanımını arttırmak için rijitleştirici olarak yatay yönde halkalar veya düşey yönde nervürler/dişler tercih edilmektedir.Yatay yöndeki rijitleştirici halkalar, kulenin servis ömrü boyunca kulenin bakımı durumlarında yürüyüş yolu olarak da kullanılmaktadır.Bu rijitleştirici halkaların konumları ve sayıları da araştırmalara konu olmuştur.Yapılan çalışmalarda belli noktalara ve belli sayıda halka kullanımının dayanımı arttırdığı ancak halka sayısının arttırılması durumunda dayanımı olumsuz yönde etkileyebileceği belirtilmiştir. Soğutma kulelerinin taşıyıcı elemanları ise yönetmeliklerde belirtilen farklı yerleşim şekillerinde (V-X-I-A) inşa edilmektedirler. Kolon elemanlarının yerleşim şekilleri, iki komşu kolon arasındaki açı, kolon kabuk arasındaki açı gibi parametreler optimum kule tasarımı amacıyla yapılan çalışmalarda dikkate alınmıştır. Kulenin en alttaki yapı elemanı olan temeller ise tekil veya radye temel olarak inşa edilmektedir. Gerekli görülmesi halinde kazık temellerin de kullanılabileceği görülmektedir. Soğutma kuleleri ile ilgili çalışmalar günümüzde hala devam etmektedir.Geçmişte daha çok tasarım ve yapım aşamalarına yönelik çalışmalar yapılırken, günümüzde farklı konularda çalışmalar yapılmaktadır.Çelik soğutma kuleleri ile ilgili çalışmalar devam etmekte olup yapımı biten ve devam eden çelik soğutma kuleleri bulunmaktadır.Soğutma kuleleri, nükleer santral gibi önemli tesislerde kullanılmalarından dolayı günümüzde bu kulelerin kaza (uçak çarpması,taşıyıcı sistemine araç çarpması),saldırı(TNT patlayıcı) veya taşıyıcı sistemin doğal olarak göçmesi gibi farklı senaryolarda, kulenin göçmesinden kaynaklı oluşacak titreşim dalgaları, bu dalgaların reaktör ünitesine etkisi ve reaktör ünitesini korumak için alınabilecek ekstra önlemler üzerinde çalışmalar da günümüzde yapılmaktadır. Ekonomik yönden ciddi bir maliyet gerektirmesinden dolayı bir soğutma kulesinin farklı parametreler altında (yükseklik, genişlik, boyun mesafesi, kolon şekli ve sayısı…) optimizasyonu da başka bir çalışma konusudur. Bu çalışma kapsamında ise soğutma kulesi yapılarında belli parametrelerin değiştirilerek analiz edilip, bu parametrelerin kule tepkisine etkisi incelenmiştir. Toplamda dört farklı başlıkta inceleme yapılmıştır ve her başlık içerisinde birkaç kombinasyon denenmiştir.1.grupta kolon yerleşim şekli etkisi incelenmiştir. Literatürde kullanılan yönetmelikler incelendiğinde, soğutma kulelerinin taşıyıcı sistemlerinin A, X,V ve I yerleşim şekline sahip olarak tasarlanabileceği belirtilmiştir. Buradan hareketle bu dört farklı yerleşim şeklinin analiz sonuçları kıyaslanmıştır.2.grupta ise kolon kesit şeklinin kule tepkisi üzerindeki etkisi incelenmiş olup bu etkiler hem I hem X yerleşim şekline sahip modelde incelenmiştir.Her bir yerleşim şekli için dikdörtgen,dairesel ve kolon alt noktasından kolon üst noktasına doğru kesit alanı azalacak şekilde değişken olmak üzere üç farklı model oluşturulup analiz edilmiştir.3.grupta ise rüzgar deprem gibi yükler altında, ciddi burkulma tehlikesi altında olan kulelerin burkulma dayanımını artırmak için önerilen rijitleştirici halkalar üzerinde bir çalışma yapılmıştır.Literatürde de belirtildiği üzere bu halkaların sayısı ve konumu kulenin burkulma dayanımı ve stabilitesi üzerinde önemli etkisi vardır ve bunların etkisi araştırılmalıdır. 3. grupta yapılan çalışmalarda, rijitleştirici halkaların kullanım yerleri ve sayıları üzerinden 4 farklı model ile halka etkisi incelenmiştir.4.grup ise kulenin taşıyıcı sistemi üzerinde yapılan bir çalışmadır.Burada kolonların ve perdelerin ayrı ayrı ve birlikte kullanıldığı durumlar incelenmiştir.Perdelerin ve kolonların birlikte kullanıldığı modellerde, kolon yerleşim şekli etkisini de incelemek için iki farklı yerleşim şekli de dahil edilmiştir.Bu 4 farklı grupta oluşturulan tüm kombinasyonlar için serbest titreşim analizi(modal analiz),rüzgar yükü etkisi altında analiz,tepki spektrumu analizi ve zaman tanım alanında dinamik analiz yapılarak elde edilen sonuçlar kıyaslanmıştır.Her bir etki için 16 farklı model analiz edilmiştir. Analizlerde SAP2000 yazılımı kullanılmıştır.