Hiperbolik betonarme soğutma kulesi tasarımı
Hyperbolic reinforced concrete cooling tower design
Yazar: MERVE ÖNER
Danışman: PROF. DR. KUTLU DARILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme yapılar = Reinforced concrete structures ; Eğrisel kabuk yapılar = Curvilinear shell structures ; Hiperbolik = Hyperbolic ; Soğutma kuleleri = Cooling towers ; Tasarım = Design

Özet:
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.

Abstract:
Hyperbolic cooling towers are structures that can cool large volumes of water. They are used in industrial facilities such as thermal power plants, oil refineries, nuclear energy, and power plants to cool the heated water in the facility and return it to the system.The main elements of the cooling towers are the shell body and the columns on which it is supported. The columns of the tower can be reinforced concrete or steel, and the column arrangement can be diagonal or meridian. In some cooling towers, there is no column and the shell members can sit directly on the ground. Apart from these, there are sections such as the water basin, drop catcher, distribution pipes, spray, and filling, which are necessary for the working principle of the tower. The most interesting part of the cooling tower from a Civil Engineering point of view is the shell region. Although the shell element is very high and thin, it can support itself with its hyperbolic shell form. The structure can be damaged very easily from dynamic loads due to the slenderness of the columns forming the system and the large dimensions of the shell. Therefore, it is more appropriate to use the finite element method in the design of such sensitive structures.
The design of the building was carried out in two stages. The first stage is the linear analysis of the cooling tower, and the second stage is the nonlinear analysis. In the first stage, as a result of the analysis made with the Mode Superposition Method, which is one of the linear earthquake analysis methods, the element dimensions of the tower were checked.In the second stage, non-linear earthquake calculations of the system, whose reinforcements and dimensions were determined, were made. This stage was repeated in itself with two methods. The first is the Pushover Analysis, and the second is Time History method. As a result of these studies, the reinforcement and control of the shell and column elements were made. The foundation design of the system has not been examined in this study. Some of the results obtained are as follows; 
In cooling towers, which are slender structures, the highest point of the tower is the region where the shell thickness is the least in the system. It has been observed that circular beams should be used to increase the rigidity of this region. It has been concluded that the columns should be connected to a circular beam, generally in the width of the shell, so that the load transfer between the shell member and the column is not concentrated, and that the load transfer between the shell and the columns should be distributed. When the base shear force obtained as a result of linear and nonlinear analysis of the structure were compared, the relationship between the base shear force and the overstrength coefficient was observed. In the structure, vortex flows in the transverse direction that will occur due to the wind current acting in the longitudinal direction should be taken into account. By comparing the transverse frequencies that will occur under the vortex effect with the frequency of the structure, the existence of resonance has been investigated.