Yüksek yapıların rüzgâr performansının zaman ortamında incelenmesi

Abstract

Yüksek yapıların deprem ve rüzgâr tasarımının doğru yapılması, yapının güvenliği ve kullanılabilirlik sınırları açısından kritik öneme sahiptir. Rüzgâr yükü için geleneksel tasarım yöntemleri genellikle statik analizlere dayanmaktadır. Bu yöntemler yüksek binaların dinamik davranışlarını tam olarak yansıtamamakta ve bazen yetersiz kalmaktadır. Bu eksikliğin giderilmesi ve rüzgâr kaynaklı yüklerin daha doğru ve etkin bir şekilde değerlendirilmesi için son zamanlarda doğrusal olmayan davranışa izin veren performansa dayalı rüzgâr tasarımı (PBWD) fikri ortaya çıkmıştır. Performansa dayalı sismik tasarımın aksine, doğrusal olmayan rüzgâr tasarımı konusunda çok az kılavuz ve araştırma bulunmaktadır. Ayrıca, PBWD için kullanılan zaman tanımlı rüzgâr kuvveti kayıtları rüzgâr tüneli testlerine dayanmaktadır. Ancak ön tasarımlar için rüzgâr tüneli testleri yapmak, tasarımdaki değişiklikler ve maliyet nedeniyle pratik olmayabilir. Bu kaygıların giderilmesi için tez kapsamında, dikdörtgen kesitli yüksek binaların maruz kaldığı zamana bağlı rüzgâr kuvvetlerinin spektruma dayalı belirlenmesi ve bu kuvvetlerin bina davranışına etkilerinin değerlendirilmesi hedeflenmiştir. Bu doğrultuda PBWD için bir analiz prosedürü geliştirilmiştir. Öncellikle farklı performans hedeflerine göre analiz yapılabilmesi için Ankara bölgesinin farklı dönüş periyotlarındaki temel rüzgâr hızları, aşırı uç değer teoremine göre hesap edilmiştir. Daha sonra, yapının her iki doğrultusu için dört farklı tasarım spektrumu seçeneği sunabilen ve geleneksel spektruma dayalı yöntemle yüksekliğe ve zamana bağlı rüzgâr kuvvetlerinin hesaplanabildiği Matlab programlama dilinde yazılım geliştirilmiştir. Perform-3D programında hazırlanan örnek yüksek yapı üzerinde 50, 700, 3000 ve 10000 yıllık dönüş periyotuna sahip rüzgârlar için hesaplanmış kuvvetler kullanılarak 37 farklı PBWD analizi gerçekleştirilmiştir. 50 yıllık dönüş periyoduna sahip rüzgâr yükleri için yapılan rüzgâr tüneli testi ile sayısal analiz sonuçları karşılaştırılmış; neticesinde önerilen prosedür kullanılarak gerçekleştirilen analizlerin, yapının aerodinamik davranışını gerçeğe yakın bir şekilde temsil edebildiği ortaya konulmuştur. Çalışmanın devamında, farklı yüksek dönüş periyotlarına ve spektrum modellerine sahip rüzgâr yükleri için örnek yapı taşıyıcı sisteminin ve yapısal olmayan elemanların performans düzeyleri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.The accurate design of high-rise buildings for seismic and wind loads is imperative for ensuring the safety and serviceability of the structure. Conventional wind load design methodologies are predominantly static in nature, which may not fully capture the dynamic behavior of tall buildings and can be inadequate in certain instances. The recent development of performance-based wind design (PBWD) has been proposed as a solution to this shortcoming, with the aim of more accurately and effectively evaluating wind loads. PBWD allows for inelastic behavior, which is a key advantage over conventional methods. In contrast to the extensive guidance and research available for performance-based seismic design, there is a paucity of research and guidance available for inelastic wind design. Furthermore, the time-dependent wind loads employed in PBWD are derived from wind tunnel tests. However, conducting wind tunnel tests for preliminary designs may not be practical due to design changes and cost considerations. The present thesis aims to determine the time-dependent wind forces on rectangular-sectioned tall buildings based on the spectrum and to evaluate the effects of these forces on building behavior. In this context, an analysis procedure has been developed for PBWD. Initially, the fundamental wind speeds for varying return periods in the Ankara region were determined according to the extreme value theorem, thereby facilitating analysis according to diverse performance levels. Subsequently, a software was developed in the MATLAB language, which can offer four different design spectrum options for both principal directions of the structure and enables the calculation of height- and time-dependent wind forces using the conventional spectrum-based method. A total of 37 different PBWD analyses were performed on a sample high-rise building model in Perform 3D for winds with a 50, 700, 3000, 10000-year return period. Wind tunnel test results for wind loads with a 50-year return period were compared with numerical analysis results; consequently, it was demonstrated that the analyses performed using the proposed procedure could accurately represent the aerodynamic behavior of the structure. In the subsequent chapter, the performance levels of the primary wind force resisting system (MWFRS) and non-structural elements of the sample structure were comparatively evaluated for wind loads having different high-return-periods and spectrum models.