Açıkdeniz yapılarında uzay taşıyıcı sistem elemanlarına etkiyen hidrodinamik kuvvetlerin katılık oranına göre belirlenmesi
Determination of hydrodynamic forces acting on space-truss system members in offshore structures depending on solidity ratio
Yazar: BEGÜM YURDANUR DAĞLI
Danışman: PROF. DR. ÜMİT GÖKKUŞ
Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Açık deniz platformları = Offshore platforms ; Su dalgaları = Water waves

Özet:
Karada inşa edilen uzay kafes sistemlere etkiyen rüzgar kökenli yatay kuvvetler, sektörlerin katılık oranı esasına dayanan EIA-TIA-222G şartnamesine göre hesaplanmaktadır. Bu durumda, rüzgar hızı yapı yüksekliği ile birlikte artan kararlı akış olarak tanımlanabilmektedir. Rüzgar kaçınılmaz bir şekilde yapı elemanları üzerinde sürükleme kuvvetlerini meydana getirmektedir. 

Benzer yapıların deniz ortamında inşa edilmesi durumunda ise, yapı karasız bir akışkan etkisine maruzdur. Kararsız akışı temsil eden dalga akışı ile dalga periyodu boyunca ortaya çıkacak olan dalga hızları ve ivmeleri, yapıda sürükleme ve atalet kuvvetlerinin doğmasına neden olmaktadır. Dikey, yatay ve çapraz yapı elemanları, dalga etkisinde çalkantıya yol açmaktadır. Bu durumda yapının nümerik modellemesi yapılarak karasız akışa maruz yapı elemanları üzerindeki hidrodinamik kuvvetler hesaplanabilmektedir. Modelleme ve analiz aşamaları, oldukça karmaşık olmakla birlikte uzun bir işlem sürecini de gerektirmektedir. Bu tez kapsamında, tasarımcı ve analist için daha kolay çözüm sağlayabilecek yeni bir hesaplama yöntemi ileri sürülmektedir.

Farklı katılık oranları ve farklı dalga parametreleri içeren hidrodinamik kuvvetleri hesaplamak için hem ANSYS-Fluent hem de Yapay Sinir Ağları (YSA) modellemede ve nümerik analizde kullanılmıştır. Çözüm işlemininin başlangıcında, ANSYS-Fluent modeli uygulamaksızın öncelikle YSA modeli kullanılmıştır ve akabinde, Stokes 2 dalga teorisine uygun geliştirilen farklı dalga yüksekliği (H) , periyodu (T), su derinliği (d) gibi parametreleri işleyen YSA modelinden eşdeğer hidrodinamik kuvvetlerin elde edilebileceği ortaya konulmuştur.

Bununla birlikte, karasız akış ortamı için her bir sektörün katılık oranına göre nispeten kolay bir çözüm yöntemi sağlayan YSA modeli ile hidrodinamik kuvvetlerin pratik bir şekilde hesaplanabileceği sonucuna varılmıştır. YSA modelinin doğru kurulabilmesi için katılık oranı sabit ve değişken olan yedi model üzerinde farklı hidrodinamik kuvvetler, ANSYS-Fluent paket programı kullanılarak hesaplanmıştır. YSA modeli, sektörel katılık oranı (e), (H/gT2) ve (d/gT2) gibi boyutsuz değişkenler, sektörel boyutsuz değişken (z/d), karasız akış boyutsuz zaman değişkeni (t/T) ve proje yüzey alanı (A) parametrelerini göz önünde bulundurmaktadır. Her iki modelden elde edilen hidrodinamik kuvvetler kıyaslanmış ve uygunlukları belirlenmiştir. YSA ile eğitim sonucunda elde edilen modelin ANSYS-Fluent programı ile hesaplanan hidrodinamik kuvvet değerlerini tahmin etmedeki başarısı değerlendirilerek hidrodinamik kuvvetlerin katılık oranı ile ilişkilendirilebileceği sonucuna ulaşılmştır. Hassas, karmaşık ve uzun süreli çalışmayı gerektiren açık deniz yapılarının katılık oranı-hidrodinamik kuvvet ilişkisi kullanılarak daha hızlı ve pratik projelendirilebileceği ortaya konulmuştur.

Abstract:
Generally, the wind-induced horizontal forces acting on a space-truss system constructed on land have been calculated by using EIA-TIA-222G standart based on solidity ratio of its sectors. In this case, the wind velocity can also be defined as steady-state flow increasing with structure height. Therefore, such velocities will cause the drag forces on structural members.

When constructing similar structures in marine, it is seen that the project area will be exposed to the unsteady flow of wave movement. Horizontal wave particle velocities and accelerations due to the unsteady flow of harmonically oscillating wave cause to occur the drag forces as well as the inertia forces. In addition to this, the wave motions around vertical, lateral and braced members transform the fluctuations within structure sectors. In this case, the calculation of hydrodynamic forces on these members becomes complicated and can be only accomplished numerically. Modelling and analysis process is rather complicated with considerably long processing time. Because of this, a new approach is proposed to make ease the process for designers.

In order to calculate hydrodynamic forces which include different solidity ratios and wave parameters, both ANSYS-Fluent and Artificial Neural Network (ANN) are used in modelling and solving numerically. In this study, at the beginning of solving process, the ANN model is at first used without performing ANSYS-Fluent model and then, it is founded that the equivalent hydrodynamic forces can be obtained from the ANN model processing the parameters satisfying the Second Order Stokes wave theory such as different wave heights (H), periods (T) and water depths (d) together with both constant and variable solidity ratios.

Moreover, it is concluded that the hydrodynamic forces on the basis of ANN model, which provides relatively esay way, can be practically calculated in accordance with the solidity ratio of each sector for unsteady flow. In developing an accurate ANN model, these forces are firstly calculated by the ANSYS-Fluent software for the seven-different structures which have both constant and variable solidity ratio. The ANN model considers several parameters; solidity ratio of each sector (e), dimensionless numbers such as H/(gT2) and d/(gT2), sectorial dimensionless numbers (z/D), dimensionless number for unsteady flow (t/T) and project area of each sector (A) for each stucture. The forces obtained from the both models are compared and their conveniences are proved statistically. It is concluded that hydrodynamic forces calculated will be associated with their solidity ratios by evaluating the success of ANN model in predicting those of ANSYS-Fluent It has been demonstrated that it is possible to be projected more rapidly and practically by using the solidity ratio-hydrodynamic force relationship of the offshore structures, which require precise, complex and long-term operation.