RÜZGAR ETKİLERİ (YÜKLERİ) (W) Çatılara etkiyen rüzgar yükleri TS EN 1991-1-4 den yararlanarak belirlenir. Rüzgar etkileri, yapı tipine, geometrisine ve yüksekliğine bağlı olarak önemli farklılıklar göstermektedir. Burada düz yüzeylere ve çift eğimli (pozitif) çatıya sahip kapalı bina tipi yapıların rüzgar yüklerinin belirlenmesi özet olarak anlatılmıştır. Rüzgar, hava kütlesinin hareketi olup, hızına bağlı olarak etkidiği yüzeylerde iç ve dış basınç (pozitif/negatif) kuvvetleri ile sürtünme kuvveti uygular. Rüzgara dik yüzeylerde basınç etkisi, rüzgara paralel yüzeylerde sürtünme etkisi oluşur. oluşur. Bu etkilerin şiddeti yapının yüksekliğine ve aerodinamik özelliklerine göre yapı üzerinde farklı değerler alır. Kapalı bina tipi yapılarda sürtünme kuvvetleri çok düşük düzeyde kaldığı için genellikle ihmal edilebilmektedir. Ancak, kolonlar üzerinde mesnetlenmiş büyük platform gibi açık yapılarda sürtünme kuvvetleri önemli olabilmektedir. Dış basınç etkisi (negatif) Rüzgar doğrultusu Dış basınç etkisi Sürtünme etkisi Rüzgar etkisiyle yüzeylerde oluşan basınç ve sürtünme etkileri Rüzgarın doğrultusuna dik yöndeki yüzeylerde oluşan kuvvetlere ilave olarak, rüzgara paralel yüzeylerde de basınç kuvvetleri oluşur. Aşağıdaki kapalı binada bu kuvvetler şematik olarak gösterilmiştir. Rüzgar doğrultusu Rüzgar doğrultusu Çift eğimli çatılı, kapalı bir binada rüzgar dış basınç kuvvetleri 1
Rüzgar etkilerinin binaya iki ortogonal doğrultuda etkiyeceği kabul edilir ve her bir doğrultu için iki ayrı yönde rüzgar yüklemesi yapılarak yüzey basınç kuvvetleri belirlenir. Rüzgar Rüzgar Plan Binada gözönüne alınması gereken rüzgar doğrultuları ve yönleri Yapı sistemlerinde kapalı olmalarına rağmen pencere, kapı havalandırma boşlukları baca vb. açık alanlar nedeniyle ve boşluklardan oluşan hava sızıntıları nedeniyle iç basınç kuvvetleri de oluşur. Dış basınç kuvvetleri ve iç basınç kuvvetlerinin birlikte (aynı anda) gözönüne alınması gerekmektedir. Yüzeye doğru yönelen basınç pozitif ve yüzeyden uzaklaşan yöndeki basınçlar ise negatif olarak alınır. Kapalı bir yapıda içi ve dış basınç kuvvetleri (TS EN 1991-1-4, Şekil 5.3 ün bir kısmı) İç basınç kuvvetlerinin hesabı için bina yüzeylerindeki açık alanlara ve hava geçirgen alanların miktarına ihtiyaç bulunmaktadır. Bu açık alanların proje aşamasında öngörülemediği durumlarda Şartnamede öngörülen olumsuz durumlar uygulanabilir. 2
Tepe hızı kaynaklı rüzgar basıncının hesabı (aerodinamik etkilerden bağımsız rüzgar basıncı) Tepe hızı kaynaklı rüzgar basıncı : q p (z) = c e (z) * q p c e (z) : Maruz kalma katsayısıdır. Binanın yapılacağı arazinin kategorisine ve yapının zeminden yüksekliğine (z) bağlı olarak aşağıdaki grafikten yararlanarak belirlenir. İstenirse, TS EN 1991-1-4 de verilen sayısal yöntem ile de belirlenebilir. Maruz kalma katsayısının yapı yüksekliği ve araziye göre değişimi (TS EN 1991-1-4 Şekil 4.2) Arazi kategorileri, binanın bulunduğu bölgenin topografik özelliklerine ve etrafındaki binalarla olan ilişkilerine bağlı olarak aşağıdaki tablodan belirlenir. Bu arazilerin şekilsel gösterimi aşağıda verilmiştir. Arazi kategorileri ve arazi parametreleri (TS EN 1991-1-4, Çizelge 4.1) (z 0 : Engebelilik uzunluğu, z en küçük : En düşük yükseklik) 3
Arazi kategorilerinin şekilsel gösterimi Arazi kategorisi - 0 Arazi kategorisi - I Arazi kategorisi - II Arazi kategorisi - III Arazi kategorisi - IV q p : Esas hız kaynaklı rüzgar basıncıdır. Aşağıdaki ifade ile belirlenir. q p = 1 2 ρ V b 2 (N/m 2 ) V b (m/s) : Havanın birim hacim ağırlığıdır. Tavsiye edilen değer 1.25 kg/m 3 dür. V b : Esas rüzgar hızıdır. Aşağıdaki bağıntı ile belirlenir. V b = c dir * c season * V b,0 c dir : Faklı rüzgâr yönleri için doğrultu katsayısıdır. Tavsiye edilen değer 1.0 dir. c season : Mevsim katsayısıdır. Tavsiye edilen değer 1.0 dir. 4
V b,0 : Esas rüzgar hızının temel değeridir. Yılın herhangi bir bölümünden ve rüzgâr yönünden bağımsız olarak, çayır gibi az bir bitki örtüsüne ve aralarında en az engel yüksekliğinin 20 katı kadar mesafe bulunan engellere sahip açık kırsal alanda yer seviyesinden 10 metre yukarıdaki karakteristik 10 dakikalık ortalama rüzgâr hızıdır. Bu hız değeri ilgili bölge için yapılacak meteorolojik ölçümlerle elde edilir. Çelik yapılar tasarım yönetmeliğine göre (ÇYTHYE-2017); Rüzgar hızının temel değeri, V b,o = 28 m/sn (100 km/sa) den ve binanın ana taşıyıcı sistemine, dış cephe kaplamalarına ve rüzgara maruz yapısal ve yapısal olmayan elemanlarına gelen rüzgar yükleri 0.50 kn/m 2 den az olmayacaktır. Tasarımlarda bölgeye özel bir very yok ise V b,o = 28 m/sn alınabilir. Yüzeylere etkiyen rüzgar basınçlarının hesabı Tepe hızı kaynaklı rüzgar basıncı q p (z), yüzeylerin aerodinamik özelliklerini temsil eden katsayılar ( c p ) ile çarpılması ile elde edilir. Dış yüzeylere etkiyen rüzgar basıncı : W e = q p (z e ) * c pe İç yüzeylere etkiyen rüzgar basıncı : W i = q p (z i ) * c pi Dış basınç katsayıları (c pe ), etkidiği yüzeyin (alanın) büyüklüğüne göre değişim göstermektedir. Bu değişim aşağıdaki grafik ile gösterilmiştir. Yüzey alanı küçüldükçe basınç etkisi artış gösterir. 1 m 2 den küçük yüzey alanlarında ve 10 m 2 den büyük yüzey alanlarında ise değişim olmamaktadır. Pano yüzey alanı=1m 2 Pano yüzey alanı=10m 2 W e1 W e10 W e1 > W e10 Dış basınç katsayıları farklı olan bina ve yapı elemanı örnekleri aşağıda verilmiştir. 5
Farklı dış basınç katsayısına sahip yapılar ve yapı elemanları (TS EN 1991-1-4) Bina çatı yüzeyleri, yapı boyutlarına bağlı olarak çeşitli etki bölgelerine ayrılır ve bu bölgelerin her biri harf ile adlandırılır. Şartnamede, çift eğimli çatılar için verilen dış basınç etki bölgeleri ve katsayıları aşağıda örnek olarak gösterilmiştir. 6
Çift eğimli çatı yüzeylerine rüzgarın iki dik doğrultuda etkimesi durumu için dış basınç katsayı bölgeleri 7
Çift eğimli çatı yüzeyleri için dış basınç katsayıları İç basınç katsayıları (c pi ), ise bina yüzeylerindeki açık alanlara (kapı, pencere vb.) bağlı olarak TS EN 1991-1-4 de verilen prosedür ile belirlenir. Eğer bu boşluklar proje aşamasında öngörülemiyorsa veya değişken olacağı düşünülüyorsa, c pi değeri olarak +0,2 ve -0,3 değerlerinden en gayrı müsait durumu oluşturanı kullanılmalıdır ( TS EN 1991-1-4). Eğer rüzgar dışarıdan ve içeriden aynı tabakaya (örtü, duvar vb.) etkiyorsa, yüzeye etkiyen net basınç, dış ve iç basınçların vektörel çıkarılması ile edilir. W net = q p (z e ) * c pe - q p (z i ) * c pi Rüzgar dışarıdan ve içeriden farklı tabakalara (örtü, duvar vb.) etkiyorsa, bu durumda tabakalar arası geçirimlilik gözönüne alınarak TS EN 1991-1-4 de verilen prosedür uygulanmalıdır. 8
Binalar dışında aşağıda belirtilen yapı ve yapı elemanlarına etkiyen rüzgar basınçları belirlenirken, dış basınç kuvvetlerinin ayrıca yapı katsayıları (c s c d ;c f ) ile çarpılması gerekmektedir. - Direkli işaret levhaları - Dikdörtgen en kesitli yapısal elemanlar - Dik kenarlı kısımları olan yapısal elemanlar - Düzgün çokgen en kesitli yapısal elemanlar - Dairesel kesitli silindirler - Küreler - Kafes yapılar ve iş iskeleleri - Bayraklar TS EN 1991-1-4 ün kapsamı dışında özel yapı/yapı elemanı formları veya arazi koşulları ile karşılaşılması durumunda rüzgar etkileri için rüzgar tribün testleri yapılması gerekmektedir. 9
UYGULAMA Aşağıdaki çelik binanın çatısının tasarımı için gerekli olan rüzgar yüklerini ve yapılması gereken rüzgar yüklemelerini belirleyiniz. Bina düşük yoğunluklu bir kasabada inşa edilecektir. Çatı kaplaması sandviç paneldir. İçeriden ayrıca bir kaplama uygulanmayacaktır. Tüm cepheler panel ile kaplanacaktır. Kapı pencere boşlukları ve diğer boşlukların boyutları ilgili cephe boyutlarının % 30 unu aşmamakla birlikte, konumları değişkenlik gösterebilecektir. 10.68m = 15 o 30m 20m Çözüm: Rüzgar hızı ile ilgili meteorolojik bir veri bulunmadığı için Rüzgar hızı temel değeri Çelik yapılar Yönetmeliğinde verilen minimum değer alınmıştır. V b,0 = 28 m/sn c dir = 1.0 c season =1.0 Esas rüzgar hızı : V b = c dir * c season * V b,0 = 1.0*1.0*28=28 m/sn Esas hız kaynaklı rüzgar basıncı : q p q p = 1 2 ρ V b 2 = 1 2 1.25 282 = 490 N/m 2 = 0.49 kn/m 2 ( = 1.25 kg/m 3 ) Tepe hızı kaynaklı rüzgar basıncı q p (z) için öncelikle maruz kalma katsayısı belirlenir. Arazi kategorisi III ve bina zeminden yüksekliği z = 10.68 m için grafikten c e (z) =1.8 olarak belirlenmiştir. Buna göre; q p (z) = c e (z) * q p = 1.8*0.49 = 0.882 kn/m 2 1.8 10
Rüzgar yönü = 0 o için çatı etki bölgelerinin ve rüzgar basınçlarının belirlenmesi b=30 m (rüzgar doğrultusuna dik boyut) h= 10.68 e= min(b;2*h)=min(30;21.36)=21.36m e/4=5.34m e/10=2.136m Rüzgar etkisine maruz alanlar 10 m 2 den büyük olduğu için c p,10 değerleri kullanılır. =30m 20m Etki bölgesi Rüzgar yönü = 0 o için basınç katsayıları ve yüzey basınçları ( = 15 o için) Dış basınç İç basınç Net katsayı En elverişsiz Katsayısı Katsayısı (c (c pe ) (c pi ) pnet = c pe - c pi ) c pnet Yüzey basıncı (kn/m 2 ) (W net = q p (z)* c pnet ) F -0.9/+0.2-0.3/+0.2-0.6/-1.1/+0.5/0.0-1.1/+0.5-0.97/+0.44 G -0.8/+0.2-0.3/+0.2-0.5/-1.0/+0.5/0.0-1.0/+0.5-0.88/+0.44 H -0.3/+0.2-0.3/+0.2 0.0/-0.5/+0.5/0.0-0.5/+0.5-0.44/+0.44 I -0.4/0.0-0.3/+0.2-0.1/-0.6/+0.3/-0.2-0.6/+0.3-0.52/+0.26 J -1.0/0.0-0.3/+0.2-0.7/-1.2/+0.3/-0.2-1.2/+0.3-1.06/+0.26 Not: Çelik yapılar Yönetmeliğine göre minimum yüzey basıncı 0.50 kn/m 2 olduğundan, bundan düşük olan değerler arttırılmalıdır. 11
Rüzgar =0 o 0.97 0.50 5.34m 0.88 0.50 G 0.97 0.50 F H 2.136m 2.136m 0.50 0.50 1.06 0.50 J I 0.52 kn/m 2 0.50 kn/m 2 Pozitif basınç Negatif basınç 5.34m F 30m 20m Rüzgar yönü = 0 için çatı etki bölgeleri ve etkiyen rüzgar yükleri Rüzgar yönü = 90 o için çatı etki bölgelerinin ve rüzgar basınçlarının belirlenmesi b=20 m (rüzgar doğrultusuna dik boyut) h= 10.68 e= min(b;2*h)=min(20;21.36)=20m e/2=10m e/4=5m e/10=2m =20m Rüzgar etkisine maruz alanlar 10 m 2 den büyük olduğu için c p,10 değerleri kullanılır. 30m 12
Rüzgar yönü = 90 o için basınç katsayıları ve yüzey basınçları ( = 15 o için) Dış basınç İç basınç Yüzey basıncı Net katsayı En elverişsiz Katsayısı Katsayısı (kn/m 2 ) (c (c pe ) (c pi ) pnet = c pe - c pi ) c pnet (W net = q p (z)* c pnet ) Etki bölgesi F -1.3-0.3/+0.2-1.0/-1.5-1.5-1.32 G -1.3-0.3/+0.2-1.0/-1.5-1.5-1.32 H -0.6-0.3/+0.2-0.3/-0.8-0.8-0.70 I -0.5-0.3/+0.2-0.2/-0.7-0.7-0.62 5m 5m Pozitif basınç I 0.52 0.62 kn/m 2 0.50 kn/m 2 I Negatif basınç 10m 2m F H 0.70 1.32 H G G F 1.32 30m 20m Rüzgar =90 o Rüzgar yönü = 90 o için çatı etki bölgeleri ve etkiyen rüzgar yükleri 13