Bir Çelik Heliport Taşıyıcı Sistem Tasarımı ve Yapımı Deneyimi

Transkript

1 Bir Çelik Heliport Taşıyıcı Sistem Tasarımı ve Yapımı Deneyimi Cem Haydaroğlu, Didem Kaya Arup Mühendislik ve Müşavirlik Ltd. Şti. Barbaros Blv. Morbasan Sok. Koza İş Mrk. B Blok Kat:7 Balmumcu Beşiktaş-İstanbul Tel: (0212) E-Posta: cem.haydaroglu@arup.com, didem.kaya@arup.com Serdar Karahasanoğlu Arup Mühendislik ve Müşavirlik Ltd. Şti. Barbaros Blv. Morbasan Sok. Koza İş Mrk. B Blok Kat:7 Balmumcu Beşiktaş-İstanbul Tel: (0212) E-Posta: serdar.karahasanoglu@arup.com Öz Büyük kentlerde yüksek binaların sayılarında yaşanan hızlı artış ve şehir içi ulaşımında büyük kolaylık sağlayan helikopter işletmeciliğinin gelişmesiyle heliport (helikopter pisti) ihtiyacı artmaktadır. Bu çalışmada, mevcut çok katlı bir betonarme yapı için tasarlanan çelik heliportun taşıyıcı sisteminin tasarımı ve yapım aşamalarıyla ile ilgili bilgilere yer verilecektir. Projelendirme ve yapım aşamalarında karşılaşılan zorluklar, uygulanan çözümler ve edinilen deneyimler ile bundan sonra yapılacak olan benzer çalışmalar için öneriler sunulmuştur. Anahtar sözcükler: Heliport, Yapısal Analiz, Yüksek Kotlarda Yapım, Birleşim Tasarımı. Giriş Türkiye de sivil havacılık sektöründeki gelişmelere paralel olarak helikopter taşımacılığı önem kazanmakta ve heliport sektöründe hızlı bir büyüme yaşanmaktadır. Özellikle yüksek binalara heliport yapılması, yaşanacak yangın ve benzeri olaylara zamanında müdahale edilebilmesi, afetlerde kurtarma ve tahliye çalışmalarına yardımcı olması açısından da önem kazanmaktadır. Bu gereksinimler göz önünde bulundurularak yeni tasarlanan ve yapımı devam etmekte olan birçok yüksek yapıya heliportlar eklenmiştir. Sonradan heliport eklenmek istenen mevcut çok katlı yapılarda ise durum daha farklıdır. Bu tür yapılar tasarlanırken heliport ve helikopter yükü genelde düşünülmemiştir. Bu durumda mevcut yapının taşıyıcı sistemini en az zorlayacak, yapının mevcut mimarisiyle uyumlu, yüksek kotlarda yapımı kolay tasarımlar tercih edilmektedir. Çelik olarak tasarlanan heliportlar hafiflikleri nedeniyle mevcut yüksek yapılar için en uygun yapılardır.

2 Şekil 1 Heliport, İstanbul/Levent. İstanbul Levent te 28 katlı betonarme bir yapı için tasarlanan çelik heliport, zeminden yüksekliği 117.5m olan çatı üzerine konumlandırılmıştır (Şekil 1). Mevcut binanın tipik kat yüksekliği 4m olup, giriş katı yüksekliği 7m dir kotunda kat içeri çekilmiş ve iç çekirdek perde 2,5m yükseltilerek heliportun üzerine oturduğu mekanik kat teşkil edilmiştir. Helikopter için yönetmeliklerde öngörülen güvenli iniş-kalkış yapabileceği alan bulunmadığından mevcut çatı döşemesi üzerine heliport yapılamamıştır. Genel olarak iki tip heliport tasarımı yapılmaktadır. Birinci tip, mevcut zemin veya bina çatı döşemesi üzerine helikopterin iniş-kalkış yapabilmesi için tasarlanan hemzemin heliportlardır. İkinci tip ise, çeşitli nedenlerle mevcut zemin veya çatı döşemesinin doğrudan kullanılamaması durumunda uygulanan yükseltilmiş heliportlardır. Bahsedilen binada, yapının düşey taşıyıcı sistemi üzerine oturan yükseltilmiş tipte bir heliport tasarlanmıştır. Yükseltilmiş heliportun döşemesi binanın çatısından 5,6m yüksekliktedir. Heliport, 805m 2 alana sahiptir, daire şeklindedir ve maksimum kalkış ağırlığı 5306 kg olan Sikorsky S-76C++ model helikopter için tasarlanmıştır. Heliport Tasarımı ve Yapımı Heliport tasarımında dikkate alınan yönetmelikler, mevcut yapının üzerinde kolon mesnetlerinin yerinin belirlenmesi için yapılan fizibilite çalışması, geometri, malzeme seçimi, taşıyıcı sistem özellikleri, ve birleşimler gibi tasarım yapılırken dikkat edilen hususlar aşağıda açıklanmıştır. Heliport Yönetmelikleri Türkiye, Havacılık Otoriteleri Birliği (JAA) üyesi oluduğundan heliportların hizmet ihtiyaçları ve tasarım yük kombinasyonları için Uluslararası Sivil Havacılık Organizasyonu (ICAO) dökümanları kullanılmıştır. Heliportların tasarımında uyulması gereken kurallar ICAO Ek 14 Cilt II Heliportlar ve ICAO Heliport Kılavuzu yayınlarında belirtilmiştir. 2

3 Taşıyıcı Sistem Mevcut betonarme yapı özel olarak heliport ve helikopterin yüklerine göre tasarlanmamıştır. Bununla birlikte tasarımında kabul edilen yükler etkisinde ilave yük taşıma kapasitesine sahiptir. Bundan dolayı, heliport mesnetlerinin mevcut yapının taşıyıcı sistemi üzerine yerleştirileceği noktaların tayini için fizibilite çalışması yapılmış ve sadece yerel bazı güçlendirmeler yapılarak mevcut yapının heliport ve helikopter yüklerini güvenle taşıyabileceği belirlenmiştir. Şekil 2 de heliportun planda bina üzerine yerleşimi görülmektedir. Mevcut yapıya etkiyen maksimum yükler, doğrudan maksimum helikopter ağırlığından etkilendiğinden, projenin başında işveren tarafından Sikorsky S-76C++ model helikopter için tasarım yapılması istenmiştir. Şekil 2 Heliportun planda bina üzerine yerleşimi. Mevcut yapının düşey taşıyıcı sistemini, bina ortasında perde duvarlardan oluşan çekirdek ve binanın çevresinde konumlandırılmış dairesel kolonlar oluşturmaktadır. Yapılan yapısal fizibilite çalışması sonucunda heliportun 11 adet kolonu çekirdek perde duvar üzerine yerleştirilmiştir. Kolonlar her yönde rijitliği aynı olan boru kesitlerden seçilmiştir. Heliport ana taşıyıcı sistemi, kolonlar arasında teşkil edilen kutu profillerden oluşan kafes kirişler, HEA profillerden teşkil edilen moment çerçeveleri ve kolonlardan dışarıya doğru uzanan destekli konsol kirişlerden oluşmaktadır. Konsol kirişler HEA profillerden, konsol destek yapıları boru profillerden, döşeme kirişleri IPE ve HEA profillerinden teşkil edilmiştir. Şekil 3 te heliport taşıyıcı sistemi ve konsol destek yapıları görülmektedir. Heliport yapısına etkiyen yatay yükleri aktarmak ve yatay ötelenmeleri sınırlamak için sadece çekmeye çalışan rod elemanlardan çaprazlar teşkil edilmiştir. Kutu ve boru profiller St37, HEA ve IPE profiller St44 ve rot çaprazlar St52 kalitesindedir. 3

4 Yapısal Analiz Şekil 3 Heliport taşıyıcı sistemi ve konsol destek yapıları. Heliport tasarımı için helikopterin iki durumu tanımlanmıştır. Bunlardan biri helikopter inişi, diğeri helikopter sükut halidir. Helikopter iniş durumunda, inişteki darbe etkilerinden dolayı dinamik etkiler oluşmaktadır. Helikopter inişi normal ve acil inişler olmak üzere iki gruba ayrılmıştır. ICAO dökümanlarında heliport tasarımında değişik durumlar için kullanılması gereken dinamik etki katsayıları verilmiştir. Ayrıca, aynı dökümanlarda helikopter yükünün yatay etkisi de tanımlanmıştır. Bu etki hesaplanan deprem yükünden mertebe olarak çok küçük olduğundan analizlerde ihmal edilmiştir. Aynı dökümanlarda, farklı ağırlık ve motor gücüne sahip helikopterler için ekipman yükleri belirtilmiş, kar yükü ekipman yükleri içine dahil edilmiştir. Heliport, deprem yükü hesabında mimari çıkıntı olarak kabul edilmiştir. Mevcut bina 2. derece deprem bölgesinde yer almaktadır, etkin yer ivmesi 0.3g, bina önem katsayısı 1 dir. Deprem anında helikopterin heliport ortasında sükut halinde durduğu ve döşeme sacının rijit diyafram olarak davrandığı kabul edilmiştir. Deprem hesabı Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik-2007 ye göre yapılmıştır. Her iki doğrultuda da etkili kütlenin 0.45 katı kadar deprem yükü taşıyıcı sisteme etki ettirilmiştir. Heliporta etkiyen rüzgar yükleri TS498 (Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri) e göre hesaplanmıştır. Heliport, rüzgara hakim yüksek bir binanın çatısında yer aldığından dolayı yapının zeminden olan yüksekliğine göre (H>100m) maksimum rüzgar hızı dikkate alınmıştır. Bu halde rüzgar hızı 46m/sn ve buna bağlı olarak birim rüzgar basıncı 130kg/m² öngörülmüştür. Şekil katsayısı (C p ) olarak da 1.2 alındığında birim alana gelen rüzgar yükü 156kg/m² alınmıştır. Heliportun taşıyıcı sisteminin yan yüzeyleri açıktadır.bundan dolayı, yan cephelerde sadece kesit yüzey alanlarına rüzgar yükü etki etmektedir. Bunun yanında, rüzgar döşeme üzerinde emme etkisi oluşturmaktadır. Toplam yatay rüzgar yükünün deprem 4

5 yükünden daha az olduğu görülmüştür. Heliport taşıyıcı sistemine 30 C derece sıcaklık farkı etki ettirilmiştir. Heliport taşıyıcı sisteminin analizi ve tasarımı SAP2000 yapısal analiz programıyla yapılmıştır. Şekil 4 te heliportun bilgisayar modeli görülmektedir. Yapının tasarımı AISC-LRFD yönetmeliğine göre yapılmıştır. AISC-LRFD yönetmeliği yük kombinasyonları ve ICAO dökümanlarında belirtilen helikopter durumlarına göre hazırlanan 145 adet yük kombinasyonundan elde edilen extremum değerler nihai boyutlandırmada esas alınmıştır. Şekil 4 Heliport bilgisayar modeli. Heliport döşemesi rijitleştirilmiş saç olarak tasarlanmıştır. St52 kalitesinde 8mm kalınlığında saçtan ve 500mm karelajla uygulanan 8mm kalınlığında rijitleştirme plakalarından teşkil edilmiştir. Döşeme, SAP2000 programında kabuk elemanlarla modellemiş ve helikopter tekerlek yükleri etki ettirilmiştir. Analiz sonucunda elde edilen elastik gerilmeler plastik gerilmelere dönüştürülerek AISC-LRFD yönetmeliğine göre tasarım yapılmıştır. Birleşimlerin Tasarımı Birleşimlerin tasarımı AISC-LRFD yönetmeliğine göre yapılmıştır. Birleşim elemanı olarak 8.8 kalitesinde yüksek mukavemetli bulon ve E60 kalitesinde kaynak elektrodu kullanılmıştır. Bağlantı plakaları St37 ve St52 kalitelerindedir. Kafes kirişlerin düğüm noktalarındaki kutu profillerin birleşimlerinde, birleşim bölgesinde kutu cidarında plastikleşme, yan cidarlarda yerel burkulma kontrolleri yapılmıştır. Bu kontroller sonucunda herhangi bir takviyeye gerek kalmadan mevcut kesit et kalınlığının yeterli olduğu görülmüştür. Kutu kesitlerin birleşimlerinde, stabilite sorununun ortadan kaldırılabilmesi için kafes kiriş başlıklarını oluşturan kutu profillerin küçük boyutlu ve büyük et kalınlıklı olarak seçilmesi gerektiği sonucuna varılmıştır. Kutu-kutu birleşimlerinin hesabında TS648 (Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları) in yetersiz olduğu görülmüştür. 5

6 Kafes kiriş-kolon birleşimlerinde, kolon cidarının gelen yükler etkisinde yetersiz kaldığı görülmüş ve birleşim bölgesi takviye plakasıyla güçlendirilmiştir. Bu güçlendirme yapılırken kolon cidarıyla, takviye plakası birlikte çalışmadığından, hesaplar sonucunda gerekli görülen kalınlıkta takviye plakası birleşim bölgesinde kolon cidarına kaynaklanmıştır. Köşe kolonlara altı yönden kirişler birleşmektedir mm çaplı boru kolonlara altı kirişin bağlanabilmesi için bir detay tasarlanmıştır. Bu detayda boru kolonlar, birleşime bağlanan en yüksek kiriş olan konsol kirişin yüksekliği kadar kısa imal edilmiştir. Konsol kirişlerin alt ve üst başlık seviyelerine, diğer kirişlerin bağlantılarının yapılabilmesi için, iki yatay plaka imal edilmiş ve bu yatay plakalar arasına düşey kaynaklanan plakalardan yapma kolon teşkil edilmiştir. Kirişlerin düşey gövde bağlantılarını yapabilmek için oluşturulan yapma boru kolon içinden altı doğrultuda düşey plaka çıkartılmıştır. Bütün kirişler kendilerine ait gövde plakalarına ve ortak iki yatay başlık plakasına bulonlarla birleştirilmiştir. Şekil 5 te kolon ucu birleşimi detay çizimi ve sahadan bir görünüşü görülmektedir. Şekil 5 Kolon uç birleşim detay çizimi ve sahada görünüşü. Kolon ankrajlarında mevcut yapıya birleşim olduğundan kimyasal ankraj kullanılmıştır. Helikopter inişi dinamik bir etki yarattığından oluşacak titreşimlerin üst katların konforunu etkilemesini engellemek için her bir kolonun altına elastomer mesnet yerleştirilmiştir. Şekil 6 da uygulanan kolon tabanı elastomer mesnet detayı görülmektedir. 6

7 Şekil 6 Kolon tabanlarına yerleştirilen elastomer. Heliport Yapımı Heliport parçaları çatıya taşınmadan, mevcut binanın yanındaki boş arazide pilot montajı yapılıp elemanların ve birleşimlerin uygunlukları kontrol edilmiştir. Çelik elemanları 117,5m yüksekliğe çıkarmak için kullanılan vinç Türkiye de az bulunan bir araçtır ve sınırlı bir süre kullanılmıştır. Şekil 7 de ilk kolonun bina çatısına taşınması görülmektedir. Kolonların ve ana kirişlerin yapımı tamamlandıktan sonra geri kalan bütün parçalar yapımları tamamlanmadan çatıya taşınmıştır. Bu durumda mevcut betonarme yapının döşemesi böyle bir yük için tasarlanmadığından, çelik elemanlar çatıda bir noktaya istiflenmeyip çatı geneline yayılmıştır. Şekil 7 İlk kolonun bina çatısına taşınması. Başlangıçta döşeme kaplaması olarak tasarlanan rijitleştirilmiş sacın 24m² alana sahip parçalar halinde imal edilip montajının yapılması tasarlanmıştır. Fakat, montaj yapılan çatının vinç operatörü tarafından görülememesi, 24m² lik levhanın rüzgardardan 7

8 etkilenip savrulma ihtimalinin olmasından dolayı güvenlik zafiyetinin ortaya çıkacağı düşünülmüştür. Bu nedenle aynı et kalınlığı ve rijitliğe sahip soğukta şekil verilmiş C profillerin gövdelerinin berkitmelerle rijitleştirilmesi ve yanyana dizilmesiyle döşeme kaplamasının oluşturulması imalatçı firmayla birlikte tasarlanmış ve yapım tamamlanmıştır. Düzgün bir yüzey elde etmek için yanyana dizilen profiller arasındaki boşluklar çelik macunuyla doldurulmuştur. Şekil 8 de döşemenin yapım aşaması görülmektedir. Şekil 8 Döşeme yapımı. Mevcut Betonarme Yapının Yapısal Olarak İncelenmesi Mevcut bina çekirdek perdeleri üzerine heliport 11 adet çelik kolonla basmaktadır. Heliportun toplam ağırlığı yaklaşık 200 ton dur. Bu ağırlık kütleye çevrilerek, mevcut yapının ETABS programıyla hazırlanmış mevcut modeline, 11 adet kolonun perdelere oturduğu noktalarda her iki yönde yatay noktasal kütle olarak ilave edilmiştir. Şekil 9 da mevcut betonarme binanın bilgisayar modeli görülmektedir. Ağırlığı da aynı noktalara düşey sabit yük olarak tanımlanmıştır. Heliport için kabul edilen yayılı yük de toplam alanla çarpılarak bu noktalara noktasal yük olarak verilmiştir. Ayrıca helikopterin dinamik yükleri de mevcut modele eklenmiştir. Yeni eklenen yükler yeni yük isimleriyle tanımlanmış olup, modeldeki mevcut yük kombinasyonlarına ölü ve hareketli yükler olarak eklenerek tekrar analiz yapılmıştır. Mevcut binanın toplam kütlesi yanında, heliportun zati ağırlığı çok küçük olduğundan, bu ağırlığın etkisiyle düşeyde perdelerin dayanımının yeterli olduğu görülmüştür. Yatayda yapılan incelemede de perde dayanımlarının yeterli olduğu görülmüştür. 8

9 Şekil 9 Mevcut betonarme bina bilgisayar modeli. Sadece helikopter yükünün mevcut binaya etkisi de incelenmiştir. Heliportun kendi zati ağırlığının yanında heliportun dinamik etkilerinin mertebe olarak çok küçük olduğu görülmüştür. Mevcut yapılar için yükseltilmiş heliport tasarımı yapılırken helikopter yükünden önce heliportun zati ağırlığı dikkate alınarak dayanım kontrolleri yapılmalıdır. Sonuçlar İstanbul, Levent te mevcut çok katlı betonarme yapı üzerinde 2008 yılında tamamlanan heliporta ait alışılmış olmayan taşıyıcı sistemin projelendirilmesi, yapımı ve mevcut betonarme binanın yapısal durumu ile ilgili edinilen deneyimler aktarılmıştır. Heliport gibi mevcut yapıya sonradan eklenen yapılar için bina üstünde mevcut yapının mimarisi ile uyumlu bir konum seçilme aşamasından itibaren çalışmalar mimarlar ve yapı mühendisleri ile koordineli olarak yürütülmelidir. Aksi durumda, sonradan ortaya çıkan yapısal problemlerin çözümü daha karmaşık hal alabilmektedir. Teşekkür Bu çalışmaya verdiği destekten dolayı İnş.Yük.Müh. Maral Bal Mitilyan a teşekkürü bir borç biliriz. 9

10 Kaynaklar AISC (2005), ANSI-AISC Specification for Structural Steel Buildings, U.S.A. Bayındırlık ve İskan Bakalığı (2007), Deprem Bölgelerinde yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Ankara. CSI (2005), Linear and Nonlinear Static and Dynamic Analysis and Design of Three- Dimensional Structures, Basic Analysis Reference Manual, SAP2000 V10.0.1, Berkeley, California, U.S.A. ICAO (1995), Annex 14 Volume II, Heliports. ICAO (1995), Heliport Manual. Türk Standartları Enstitüsü (1980), TS648 Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları, 1. Baskı, Ankara. Türk Standartları Enstitüsü (1997), TS498 Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri, 2. Baskı, Ankara. 10