Rüzgar etkisindeki binalarda dış yüzey basınçlarının hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile analizi
Computational fluid dynamic analysis of external surface pressures in wind-induced buildings
Yazar: HALİL ZEYREK
Danışman: DOÇ. DR. SERKAN BEKİROĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Rüzgârın sebep olduğu etkiler birçok mühendislik dalında olduğu gibi inşaat mühendisliğinin de önemli konuları arasında yer almaktadır. Yapılar üzerinde oluşan rüzgâr etkilerini tespit etmek için uluslararası yönetmelikler, rüzgâr tünel testleri ve sayısal bir yöntem olan Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılmaktadır. Ancak deneysel yöntemler pahalı ve zaman alıcıdır. Yönetmeliklerin içeriğinde ise bütün farklı durumları kapsayacak şekilde yapılarda oluşan rüzgâr etkileri bulunmamaktadır. Bu durumlar HAD yönteminin önemini arttırmaktadır. Bu çalışmada yapılar üzerindeki rüzgâr etkileri, oluşturulan farklı yapı veya yapı grupları için iki boyutlu HAD analizler ile bulunacaktır.
Bu çalışmada; dikdörtgen planlı ve farklı çift çatı eğimine sahip yapıların rüzgâr hızından kaynaklı yapı dış duvar basınçları; Eurocode 1 (TS EN 1991-1-4) standardı, TS 498 standardına göre ve iki boyutlu HAD analizi yapılarak bulunacaktır. HAD analizlerinde Eurocode 1 esaslarına göre oluşturulan rüzgâr hızı fonksiyonu, analiz hız girişi olarak kullanılacaktır. Böylece yapıların aynı yüzey bölgeleri için Eurocode 1, TS 498 ve analiz dış duvar basınç değerleri birbirleriyle karşılaştırılmaktadır. Bunların sonucunda; TS 498 sonuçlarının Eurocode 1 ve HAD analiz sonuçlarına göre yeterli düzeyde olmadığı görülmektedir. Eurocode 1 ve HAD analizi sonuçlarında; aynı bölgelerin pozitif ve negatif basınç oluşması durumu uyumlu bulunmaktadır. Eurocode 1 sonuçları, bazı yapıların köşe kıvrım bölgelerinden elde edilen sonuçlar dışında HAD analiz sonuçlarından yüksek değerler sunmaktadır. Ayrıca bu tez çalışma içerinde oluşturulan kare planlı yapının köşelerinde oluşturulan köşe boşaltması ve köşe kesmelerinin yapının dış duvar rüzgâr basıncında meydana getirdiği değişiklikler yapılan iki boyutlu HAD analizleri ile bulunacaktır. Bu analizler sonucunda bu değişikliklerin dış duvar rüzgâr basıncını değiştirdiği bulunmaktadır. Ayrıca bu tez çalışma içerinde birbirine olan mesafeleri ve yükseklikleri değiştirilerek oluşturulan komşu alçak ve yüksek yapılar için iki boyutlu HAD analizleri yapılacaktır. Bu analiz sonucunda komşu yapıların yapılar üzerinde oluşan rüzgâr etkilerini önemli ölçüde değiştirdiği görülmektedir. Ayrıca bu tez çalışma içerinde, oluşturulan aynı bölgede bulunan üç yüksek yapının birbirlerine olan mesafeleri değiştirilerek yaya seviyesinde ve 60 m yüksekliğinde iki boyutlu HAD analizleri yapılacaktır. Bu analiz sonucunda yapıların birbirine olan mesafeleri azaldıkça birbirleri üzerindeki rüzgâr etkilerini değiştirdiği görünmektedir.
Bu tez çalışması sonuç bölümü hariç sekiz bölümden oluşmaktadır. Bölüm 1'de giriş ve literatür özeti; Bölüm 2'de akışkanlar mekaniği ile ilgili temel bilgiler; Bölüm 3'te yapı-rüzgâr etkileşimi ile ilgili temel bilgiler verilecektir. Bölüm 4'te Eurocode 1 yönetmeliğine göre yapı dış duvar basıncının hesap adımları verilecektir. Bölüm 5'te farklı çift eğimli çatıya sahip yapıların rüzgâr kaynaklı yapı dış duvar basınçları; Eurocode 1, TS 498 standartlarına göre ve yapılan iki boyutlu HAD analizleri bulunarak karşılaştırılacaktır. Bölüm 6'da yapıların kat planlarında yapılan geometrik sınır değişikliklerin yapılar üzerinde oluşan rüzgâr kaynaklı dış duvar basınçlarının değişimlerini görmek için iki boyutlu HAD analizleri yapılacaktır. Bölüm 7'de birbirine komşu olan alçak ve yüksek yapıların birbirlerine olan etkileri sonucu yapılar üzerinde oluşan rüzgâr etkilerini yapılan iki boyutlu HAD analizleri ile bulunacaktır. Bölüm 8'de günümüzde çok sık karşılaştığımız yapı kompleksleri düşünülerek, aynı yerleşim bölgesinde yapılan biri dairesel planlı ikisi kare planlı üç yüksek yapının belirli yükseklikleri için iki boyutlu HAD analizi yapılacaktır.

Abstract:
The effects caused by the wind are among the most important subjects of civil engineering as in many other engineering branches. International standards, wind tunnel tests, and a numerical method, the Computational Fluid Dynamics (CFD) method, are used to determine the wind effects on the structures. However experimental methods are expensive and time-consuming. As for standards, their contents do not include wind effects on the structures that cover all different situations. CFD method becomes a more important role compared to these cases. In this study, two-dimensional CFD analyzes will be found the wind Effects, on the structures for different building cases.
In this study, building external wall pressures induced by wind velocity for rectangular planned-buildings with several duo-pitch roofs are determined using Eurocode 1 (TS EN 1991-1-4) code, TS 498 code and two-dimensional CFD analysis. In CFD analyses, wind velocity function produced according to Eurocode 1 is used as velocity input. In this way, wall pressures obtained by using Eurocode 1, TS 498 and CFD analyses are compared to the same peripheral region of the buildings.Thus, in conclusion the results of TS 498 are not at a sufficient level according to the results of Eurocode 1 and CFD analyses. The results of Eurocode 1 and CFD analyses match with each other regarding positive and negative pressures on the same peripheral region. Eurocode 1 propounds higher values than those of CFD except values obtained on regions at the folded-corners of some buildings. Also in this thesis study, two-dimensional CFD analyses will be made to see changes in external wall pressure in the square plan structure as a result of the changes that corner cuts and corner recessions. At the end of these analyses, these changes are found to change the external wall wind pressure. Also in this thesis study, two-dimensional CFD analyses will be made for neighboring low and high buildings, which will be altered to the distances between buildings and heights of buildings. At the end of these analyses, it is found that neighboring structures significantly change the wind effects on the structures. Also in this thesis study, two-dimensional CFD analyses will be made of the pedestrian level and 60 m height will be changing the distance of the three high structures located in the same area. At the end of these analyses, it is found that as the distance between the structures decreased, they change the wind effects on other structures.
This thesis study includes eight sections except for the conclusion. In section 1, the introduction and literature summary will be given. In section 2, basic information will be given about fluid mechanics. In section 3, basic information will be given about structure-wind interaction. In section 4, the calculation of the structure external wall pressure according to Eurocode 1 code will be explained. In section 5, wall pressures of several duo-pitch roofs building obtained by using Eurocode 1, TS 498 and two-dimensional CFD analyses are compared. In section 6, two-dimensional CFD analysis will be made in order to see the changes of wind-induced external wall pressures on the structures due to change the geometric boundary changes made in the floor plans of the structures. In Section 7, two-dimensional CFD analyzes will be made to see the wind effects on the structures as a result of the effects of low and high buildings adjacent to each other. In Section 8, considering the building complexes we see nowadays, two-dimensional CFD analyzes will be made the specific heights of the three high-rise buildings, two of which are square planned and one of which is circular planned, in the same settlement area.