Yüksek Yapılarda Rüzgâr Etkilerinin Stokastik Yöntemle Çözümlenmesi ve Baskın Etkilerin Parametrik İncelemesi
Stochastic Analysis Of Wind Induced High-Rise Buildings And Parametric Assessment Of Dominant Characteristics
Yazar: ÖNDER UMUT
Danışman: PROF. DR. ZEKİ HASGÜR ; PROF. DR. BÜLENT AKBAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; Meteoroloji = Meteorology ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde her geçen gün çok katlı yüksek yapıların sayısı 
artmakta ve bu tür yapılar üzerindeki rüzgârın dinamik etkileri tasarımda ön plana 
çıkmaktadır. Meydana gelebilecek kuvvetli rüzgârların çok katlı binalarda yüksek hızlı
 titreşimler meydana getirebildiği, üst katlarda oturanlar insanlara yapıda oluşan
 ivme tepkilerinden dolayı rahatsızlık verebildiği bilinmektedir. Özellikle deprem 
etkisinin baskın olmadığı, buna karşın rüzgârın etkin olduğu bölgelerde, çok katlı
 yapıların kuvvetli rüzgâr etkisindeki davranışı doğru bir şekilde belirlenmelidir.
Rüzgâr hızı, statik ve dinamik (türbülans) bileşenin toplamı biçiminde ifade
edilmektedir. Dinamik rüzgâr etkilerinin yapı yüksekliği boyunca değişiminin rastgele
olacağı bilindiğinden, analizlerde dinamik yüklemenin belirsizliğini dikkate alacak bir
yönteme ihtiyaç vardır. Zamana bağlı olarak genlikleri ve frekans içeriği değişken olan
rastgele titreşimlerin istatistik ve olasılık terminolojisi ile ifade edildiği stokastik
yöntemler, daha gerçekçi ve ekonomik çözümler sağlar. Stokastik dinamik analiz
yönteminde rüzgârın rastgeleliği göz önüne alındığından gerçeğe daha yakın ve daha
ekonomik sonuçlar elde edilir. Rüzgâr hızı değişiminin rastgeleliği, rüzgârın türbülans
bileşeni kayıtlarından elde edilen güç spektrum yoğunluk fonksiyonları ile dikkate
alınır. Bu bağlamda kuvvetli rüzgâr etkisindeki yapıların tasarımında binanın
yapılacağı bölgeye ait temel rüzgâr hızının, güç spektrum yoğunluk fonksiyonunun,
ani rüzgâr faktörü gibi rüzgâr parametrelerinin bilinmesi çok daha gerçekçi ve
güvenilir sonuç sağlar.
Doktora tez çalışmasının ilk bölümünde konuya genel bir giriş yapılmış, tezde yapılan
çalışmalar kısaca özetlenmiş ve tez konusuyla ilgili geçmişte yapılan çalışmalar
incelenmiştir. İkinci bölümde İstanbul rüzgâr istatistiklerinin elde edilmesi amacıyla
yapılan çalışmalar anlatılmıştır. Rüzgâr parametrelerini elde etmek amacıyla Sabiha
Gökçen Havalimanı'na küçük örnekleme aralığına sahip, birbirine dik üç yönde kayıt
alabilen ultrasonik anemometre kurulmuştur. Anemometrenin en büyük özelliği
örnekleme aralığı 25 Hz'lik üç boyutlu veri kaydedebilmesidir. Bu anemometre
yardımıyla 15 Mayıs 2012 – 15 Ağustos 2014 tarihleri arasında 27 ay boyunca rüzgâr
hızı kaydı alınmış ve kuvvetli rüzgâr türbülansı istatistikleri ile rüzgâr spektrumunun
belirlenmesi amaçlanmıştır. Durağan olamayan rüzgâr verilerinin zamanla değişen
ortalama hızlarını bulmak amacıyla ampirik mod değiştirme yöntemi kullanılmış,
böylelikle rüzgâr istatistikleri hesaplanırken daha gerçekçi sonuçlar elde edilmiştir.
Tez çalışmasından çıkan sonuçlar İstanbul'da bu bölgede rüzgâr türbülansı hakkında
bilgiler vermekte olup ve bu değerler çok katlı yapı tasarımlarında, rüzgâr türbini
tasarımında kullanılabilir istatistiklerdir. Ayrıca boyuna rüzgâr hızı verisi kullanılarak
temel rüzgâr hızı ortalama süresinin, yapının davranışına olan etkisi araştırılmıştır. 
Sonolarak, farklı örnekleme aralıklarına sahip rüzgâr verileri elde edilerek boyuna
türbülans güç spektrum yoğunluk fonksiyonu çıkarılmıştır.
Tez çalışmasının dördüncü bölümünde, Türkiye'nin temel rüzgâr hızı değerleri
hesaplanmıştır. Yapısal hesaplamalarda büyük önem taşıyan temel rüzgâr hızı, açık bir
arazide yerden 10 metre yükseklikte herhangi bir yönde ölçülen 10 dakikalık ortalama
rüzgâr hızlarından 50 yılda en az bir kere aşılması olasılığına karşı gelen rüzgâr hızıdır.
Bir yapının tasarımında amaç, yapının ömrü boyunca, öncelikle içinde bulunan
insanların can güvenliğini, sonrasında ise mal güvenliğini sağlamaktır. Bunu
gerçekleştirmek için, yapının ömrü boyunca, gerçek kapasitesinin işletme yükünden
yeterince fazla olması gerekmektedir. Bu nedenden dolayı, aşırı değerlerin dağılımını
bulmak yapı mühendisliği açısından önemlidir. Düşük aşılma olasılığına denk gelen
aşırı değerlerin kestirilmesi güncel bir araştırma alanı olup bu tahminler genelde
ortalama T yılda bir aşılan maksimum rüzgâr hızı olan, dönüş periyodu olarak ifade
edilmektedir. Aşırı rüzgâr hızlarının tahmini için, eşik üzeri değer yöntemi
kullanılmıştır. İstatistiksel bakış açısından aşırı değer teorisinin amacı, gözlemlenen
aşırı değerleri çözümlemek ve gelecekte meydana gelebilecek aşırı değerleri
öngörmektir. Türkiye temel rüzgâr hızlarının elde edilmesi için Devlet Meteoroloji
İşleri Genel Müdürlüğü Meteorolojik Veri Arşiv Sistemi'nden (TÜMAS)
Türkiye'deki bütün rüzgâr istasyonlarının günümüze kadar kaydedilen rüzgâr hızları
istenmiş, bunun karşılığında da TÜMAS'tan 341 rüzgâr istasyonuna ait, 1975-2011
yılları arasında kaydedilmiş saatlik rüzgâr hızları temin edilmiştir. Rüzgâr hızı
istasyonları farklı kayıt sürelerine sahiptir, bu istasyonlardan 48 aydan düşük veriye
sahip olanlar elenmiş, 48 aydan fazla hız verisine sahip olanlar ise aşırı değer analizi
yapılarak 50 yılda bir defa aşılma olasılığına karşı gelen rüzgâr hızı hesaplanmış ve
Türkiye temel rüzgâr hızı haritası elde edilmiştir.
Rüzgâr etkisi altında, çok katlı binalar aynı anda rüzgâr yönünde, rüzgâra dik yönde
ve burulma yönünde titreşim yaparlar. Rüzgâr stokastik işleyim olarak kabul
edildiğinden dolayı, bu işleyimin çok katlı yapılarda meydana getireceği tepkiyi
stokastik analizlerle belirlemek en güvenilir yoldur. Bu tezin dördüncü bölümünde,
rüzgâr etkisi altındaki farklı kesit ve yükseklikteki çok katlı binaların stokastik analizi
yapılmıştır. Bina modellerinin can güvenliği düzeyinde en büyük yerdeğiştirmeler ve
devrilme momenti değerleri, kullanabilirlik seviyesi için ise ortalama karekök ve en
büyük ivme değerleri, yapının rüzgâr doğrultusunda ve rüzgâra dik doğrultusunda
hesaplanmıştır. Yapılan analizler, NatHaz Aerodinamik Yükler Veritabanı (NALD)
kullanılarak çevrimiçi olarak gerçekleştirilmiştir. NatHaz Aerodinamik Yükler
Veritabanı, rüzgâr yönündeki hareket, rüzgâra dik yöndeki hareket ve burulma
tepkilerinin belirlenmesi için rüzgâr tüneli test verilerinin web tabanlı arşivlenmesi
için hazırlanmış, paylaşıma açık, araştırmalar sonucu geliştirilmiş bir programdır. Bu
veritabanı kullanıcılara ortalama karekök tabanlı moment katsayılarını ve değişik sınır
tabakaları altında test edilmiş, farklı geometrilere sahip rijit çok katlı bina modelleri
üzerindeki yüksek frekanslı taban dengeleme yöntemi ölçümlerinden elde edilen
boyutsuz güç spektrumları yoğunluk fonksiyonlarını sağlamaktadır. Yapılan
analizlerde, bina modellerinin rüzgâr etkisi altındaki davranışı taban eğilme momenti
bazlı ani rüzgâr yükleme faktörü yöntemi kullanılarak rastgele titreşim kuramı ile
hesaplanmıştır. Bu yöntemde maksimum taban eğilme momenti beklenen değeri,
ortalama taban eğilme momenti ile moment-ani rüzgâr yükleme faktörünün çarpımıyla
hesaplanmaktadır. Analizlerde kullanılan bina modelleri karşılaştırılmalı olarak
incelenmiş, sonuçlar sunulmuştur. M. İslam'ın "Modal coupling and wind-induced
vibration of tall buildings" adlı tezindeki örnek NALD yazılımı ile çözümlenmiş ve
M.İslam'ın tezindeki sonuçlarla karşılaştırma yapılmıştır. Ayrıca İstanbul Sabiha
Gökçen Havalimanı'nda alınan kayıtlardan elde edilen boyuna güç spektrumu
kullanılarak Eurocode 1 yönetmeliğine göre çok katlı bir binanın rüzgâr tepkileri
belirlenmiş ve İstanbul Yüksek Binalar Rüzgâr Yönetmeliği ve NALD programından
bulunan sonuçlarla karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Since the number of tall buildings is increasing each day in both developed and
developing countries, the dynamic wind effects during the design of these buildings
design are becoming noteworthy. It is known that strong winds may cause high
vibrations in tall buildings and they may cause discomfort to the people who live on
the upper floors due to high acceleration response that may occur. Particularly, in areas
where earthquake effect is not the dominant but wind is; the behavior of tall buildings
under the influence of strong wind should be identified correctly.
Wind speed is expressed as the sum of the static and the dynamic (turbulence)
components. Since it is known that the dynamic effects will be random, a new method
that will take into account the uncertainty of dynamic loading is needed in the analyses.
Stochastic methods in which random vibrations having variable amplitude and
frequency content depending on the time are expressed in statistical and probability
terms provides more realistic and cost-effective solutions. Since randomness of the
wind is taken into account in the stochastic dynamic analysis method, more
economical results that are much closer to reality are obtained. The randomness of the
change in wind speed is considered together by the power spectral density functions
obtained from the wind turbulence component records. In the design of the high rise
buildings under the influence of strong winds, more realistic and reliable results are
obtained by the known wind parameters such as the basic wind speed, the power
spectral density function, and the gust factor of the wind related to the region where
the building will be constructed.
In the first part of this dissertation, a general introduction is given including the
previous research, the studies performed are summarized briefly and the studies
performed in the past related with the subject of the dissertation are examined.
It is known that the most reliable tool for investigating the surface wind conditions are
the field measurements. Obtaining of the wind characteristics and the atmospheric
turbulence characteristics with field measurements have importance for detailed
understanding of the wind as well as the design of the buildings under the influence of
wind, wind turbines and wind tunnel simulations in structural engineering. In the
second part of this dissertation, the studies performed in order to obtain İstanbul wind
statistics are described. In order to obtain the wind parameters, an ultrasonic
anemometer which is capable of recording in three directions and has a small sampling
interval has been installed in the Sabiha Gökçen Airport at a distance where it will not
be affected by takeoff and landing of aircrafts. The most important feature of this
anemometer is its capability of recording 25 Hz three-dimensional data. Since there
will no moving parts after installing the ultrasonic anemometer, errors due to the
stresses in the device or ageing in the calibration parameters will not occur. System
performance and the accuracy of the measurements can be controlled easily. The legal
xxvi
permitions necessary for installation of this equipment and performing measurements
have been obtained from the State Airports Administration General Directorate,
İstanbul Meteorology Regional Directorate, Sabiha Gökçen International Airport
Technical Block Aerodrome Control Tower, İstanbul Security Directorate and the
Governorship of İstanbul. Wind speed was recorded by means of this anemometer
during a period of 27 months between May 15th, 2012 and August 15th, 2014. In this
study, it is aimed to determine the strong wind turbulence statistics and the wind
spectrum. Calculating a constant mean in the non-stationary wind speed records does
not yield a realistic result. Non-stationary wind speed is expressed as the sum of timevarying
mean wind speed and turbulence wind speed. Empirical mode decomposition
method is used to obtain the mean speeds of the non-stationary time-varying wind data.
Thus, more realistic results are obtained when calculating the wind statistics. The
results obtained from this study provide information about wind turbulence in İstanbul
and these values are the statistics that can be used in tall building design and wind
turbine design. In addition, the impact of the average time of the basic wind speed on
the behavior of the building is investigated by using the longitudinal wind speed data.
Wind speed data is created with 0,1T and 200T according to the various average
duration depending on building period (T), and analyses are carried out according to
the regulations of ASCE 7-10 standard. Maximum speeds in the generated wind data
are used instead of basic wind speed in the ASCE 7-10 regulation. Finally, wind data
with different sampling intervals are obtained and longitudinal turbulence power
spectral density function is obtained. In this study, the effect of the average time of the
basic wind speed on the behavior of the building is also investigated.
In the fourth part of the dissertation study, the basic wind speed values are calculated
in order to be used especially in the analyses of wind effects of tall buildings for
Turkey. The basic wind speed having great importance in structural calculations is the
wind speed corresponding to the possibility of exceeding the 10-minute mean wind
speeds measured in any direction at a height of 10 meter from the ground in an open
field at least once in 50 years. The aim in building design is to ensure the safety of the
people within the building during the lifespan of building. In order to achieve this aim,
the actual capacity of the building has to be sufficiently larger than the operation load.
For this reason, finding the distribution of extreme values is important by means of
engineering practice. Extreme values are the statistical values obtained depending on
the basic distribution of the observations and data size. Estimation of the extreme
values corresponding to the low probability of exceedence is an active research area.
These estimates are expressed as the return period which is the maximum wind speed
typically exceeded once in every T years on average. The aim of the extreme value
theory from a statistical viewpoint is to analyze the observed extreme values and to
predict the extreme values that might occur in the future. In this study, peak-overthreshold
method is used for the estimation of the extreme wind speeds. The wind
speeds recorded in all meteorology stations in Turkey until today are requested from
the State Meteorology Affairs General Directorate Meteorological Data Archive
System (TÜMAS) in order to obtain the basic wind speeds of Turkey and hourly wind
speeds recorded between the years 1975 and 2011 belonging to 341 wind stations are
provided from TÜMAS. Since wind speed stations have different recording times, the
ones among these stations having a data of less than 48 months are eliminated and
extreme value analysis is performed for the ones having data for more than 48 months
and the wind speed corresponding to the probability of exceeding once in every 50
years is calculated and the basic wind speed map of Turkey is prepared.
xxvii
Under the influence of wind, tall buildings swing in along-wind, cross-wind and
torsional directions at the same time. Since wind is regarded as a stochastic process, it
is the most reliable way to determine the response caused by this process in tall
buildings with stochastic analyses. Geometric properties of structural elements,
mechanical properties of the material, the size and the distribution of fixed and moving
loads, wind, external loads such as earthquakes are the major uncertainties of a
structure to be analyzed under dynamic loading. Since these uncertainties are arising
from the characteristics of the building (material, etc.) can be controlled during
construction stage, it includes of less uncertainty compared to the dynamic external
effects of wind effect. The responses such as acceleration, displacement, bending
moment that occurred in the system in conjunction with giving the wind data including
uncertainties as input to the structural system and taking into consideration these
effects occur as uncertain. These uncertainties are calculated in terms of statistical
functions such as mean value, variance and random behavior is introduced.
Although modern tall buildings that are designed to meet the requirements for drift
ratios are safe in terms of structural safety, they may move during wind storms in a
way to disturb especially the occupants living on the upper floors. Comfort of building
occupants is defined depending on the biodynamic sensitivity of human against the
accelerations that will occur in buildings due to wind effect. To ensure this condition
in a tall building, availability limit conditions for relative story displacement and
acceleration values should be checked. Extreme wind loading conditions having a 50-
year return period are generally used to control the relative story displacement criteria
and security requirements. The standard deviation acceleration and the peak
acceleration of the extreme winds having a 10-year return period are widely used for
the evaluation of wind-induced movements experienced in tall buildings.
In the fifth stage of this dissertation, the stochastic analysis of the tall buildings with
different heights and structural sections subjected to wind is performed. The largest
displacements and base moment values for the life safety level of building models and
the average square root and the maximum acceleration values for the level of
serviceability are calculated based in the along-wind direction and the cross-wind
direction. The analyzes are performed online by using NatHaz Aerodynamic Loads
Database that is first established in 2000 and then renewed in 2008. NatHaz
Aerodynamic Loads Database is the main reference for web-based archiving and
sharing of the wind tunnel test data for the determination of the along-wind movement,
cross-wind movement and torsional responses. This database provides average square
root based moment coefficients and the non-dimensional power spectral density
functions obtained from the high-frequency base balance measurements on the rigid
tall building models having different geometries, tested under different boundary
layers to users. In the analysis performed, the behavior of the building models under
the influence of the wind is calculated with the random vibration theorem by using
overturning moment based gust loading factor. The maximum base bending moment
expected in this method is calculated by multiplying the average base bending moment
with the gust loading factor. Building models used in the analyses are comparatively
examined and the results are presented. The sample on M. Islam's disseration "Modal
coupling and wind-induced vibration of tall buildings" is analysed using the NALD
program and the results are compared with the results in M. Islam's disseration. The
alongwind force spectrum obtained from Istanbul Sabiha Gökçen Airport data is used
to define the wind response of a building according to Eurocode 1 and is compared to
xxviii
the results obtained from Istanbul High-Rise Building Wind Code and the NALD
program.