Hiperbolik soğutma kulesi yapılarının serbest titreşim, deprem ve rüzgâr yükleri altındaki tepkilerinin incelenmesi
Investigation of response of hyperbolic cooling tower structures under modal analysis, earthquake and wind loads
Yazar: AZAT POLAT
Danışman: PROF. DR. TURGUT ÖZTÜRK
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:
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.

Abstract:
Thanks to the development of technology and the increase in the number of researches, important developments have been made in terms of reliability, effectiveness and economy from past to present in the manner of the design and the construction of the tall and slender hyperbolic cooling towers whose research began in the 19th century. Hyperbolic cooling towers are tower type structures in which the hot water used in the system is distributed on the surface where the heat exchange occurs, and this hot water taken from the system with the ambient air temperature is cooled, collected in a basin and made ready for reuse in the industrial facility again. Cooling towers have a tremendous role on the aim of using our water resources without wasting, as they prevent the water used in the facility to be replaced by water from the source by making it possible to be cooled and reused previously heated waste water. Therefore, cooling towers have become an indispensable structural element of a wide variety of large industrial facilities such as nuclear facilities, thermal facilities, oil facilities. Since the main function of cooling towers is to cool the water and bring it back into the system, thermal engineering also has a significant role in the design phase.
From the structural engineering point of view of, a hyperbolic cooling tower structure is associated from four parts: the shell element, the support system, the stiffening rings and the foundation. As it is specified in the relevant regulations, the loads that cooling towers are exposed to; wind, earthquake, temperature, settlement and loads during construction. The first highlighted element of the cooling towers is the shell element. The shell element had been built from wood in the early days, but with the developments made later, reinforced concrete began to be preferred here. Although there are towers being built with reinforced concrete nowadays, steel cooling towers have started to be built in addition to reinforced concrete.
Due to the fact that it has a large shell element, it is extremely significant to stiffen it and increase the strength against dynamic loads such as wind and earthquake. Due to the immense body of the cooling tower shell, the required initial investment cost is extremely high. For this reason, the shell thickness, from the lower point of the shell to the upper point of the shell, is reduced in order to both reduce the dead load and build it more economically.
Regarding the diameter of the shell element, the diameter has the highest value at the bottom point, it decreases with height and reaches its lowest value at the neck point. After the neck level, the diameter value increases again up to the highest point of the shell, while it does not reach the diameter value of the lowest point. The shape of the shell element consists of two hyperbolas with different slopes. These hyperbolas are called lower hyperbola and upper hyperbola. These two hyperbola converge at the neck of the shell element which is the narrowest cross section of the shell. In order to increase the strength of the shell element against buckling, horizontal rings or vertical ribs are preferred as a stiffener. These stiffening rings are used as a walking path during the service life of the tower in case of maintenance of the tower. The positions and numbers of these stiffening rings have also been the subject of research. In the studies carried out, it has been stated that the use of certain points and a certain number of rings increases the strength, but if the number of rings is increased, it may adversely affect the strength. The support elements of the cooling towers are built in different layouts (V-X-I-A) specified in the regulations. Parameters such as the layout of the column elements, the angle between two adjacent columns, the angle between the column and the shell were taken into account in the studies carried out for optimum tower design. The foundations, which are at the base of the tower, are may be built as a single or radial foundation. It is stated that it can be used in pile foundations if necessary.
Studies on cooling towers still continue today. While studies were mostly carried out on design and construction phases in the past, studies on different subjects are carried out nowadays. Studies on steel cooling towers are ongoing and there are steel cooling towers whose construction is already done and ongoing.Due to the fact that these towers are used in important facilities like nuclear power plants,the vibration waves that will occur due to the collapse of the tower because of the different scenarios such as accident (aircraft crash, vehicle collision to the support system), attack (TNT explosive) or the natural collapse of the support system, the effect of these vibrations on the reactor unit and what precautions can be taken to protect the reactor unit in case of these scenarios are the research subjects that have been studying currently.
Optimization of a cooling tower under different parameters (height, width, neck distance, column shape, number…etc) is another subject of the study since it costs an huge amount of money to be constructed.
In this study, certain parameters in the cooling tower structures were analyzed by changing them and the effect of these parameters on the response of the structure was examined. In total, four different groups were examined and several combinations were tried within each group. In the 1st group, the effect of column layout was examined. It is stated that it can be designed with A, X, V and I layouts. From this point of view, the analysis results of these four different layouts were compared.In the second group, the effect of the cross-section shape of the columns on the tower response was examined and these effects were examined in the model with both I and X layout shapes.For each layout 3 different structures were modeled which are circular,rectangular and variable cross section.In the third group, a study was conducted on the proposed stiffening rings to increase the buckling strength of towers that have serious buckling risk under dynamic loads such as wind, earthquake.As it's stated in the literature that the effect of the location and the number of these ring stiffners has a remarkable effect on the buckling strength and the stability of the tower,that's why it has to examined regarding their effects. In the studies carried out in this group, the ring effect was examined with 4 different models on the place and number of the stiffening rings. The fourth group is a study on the support system of the tower. Here, the cases where columns and shear walls are used separately and together are examined. In order to examine the effect of column layout in models where shear walls and column are used together, two different layouts are included. Free vibration analysis (Modal analysis), wind load analysis, response spectrum analysis and nonlinear dynamic time history analysis were performed for all combinations formed in these 4 different groups. 16 combinations were analyzed for each loading. Analyzes were performed using SAP2000 software.