İzmir Adnan Menderes Havalimanı Yeni İç Hatlar Terminali ne Etkileyen Rüzgâr Yüklerinin CFD Metotlarıyla Belirlenmesi Havalimanları ANSYS'e Emanet Elif KORU İnşaat Mühendisi / Yapısal Tasarım TAV İnşaat A.Ş. Koray SEVİNÇ Makine Mühendisi / CFD Ekibi FİGES A.Ş. TAV İnşaat ın yapımını üstlendiği İzmir Adnan Menderes Yeni İç Hatlar Terminali projesi, ilginç mimari yapısı ve geniş çatısı ile dikkat çekiyor. Terminal yapısının, Türkiye de LEED sertifikasına sahip en büyük yapı olması da bir diğer önemli nokta. Bu tarz benzersiz geometrideki yapılar, bir takım teknik önlemlerin alınması gerekliliğini de beraberinde getirebiliyor. Terminalin yapısal sisteminin kontrollerinin yanı sıra benzersiz dış cephe geometrisi nedeniyle cephe kaplamalarına etki edecek rüzgâr yüklerinin belirlenmesi için, TAV İnşaat özel önlemler aldı. Böyle bir geometriye sahip yapının üzerinde rüzgar yükleri nedeniyle oluşabilecek basınç dağılımının hesaplanmasında, ulusal ve uluslararası şartnamelerin sunduğu ampirik eşitlikler, yapının geometrisini nedeniyle yetersiz kalmaktadır. Bunun üzerine TAV İnşaat, şartnamelerin kısıtlamalarını aşmak amacıyla hesaplamalı akışkanlar dinamiği (Computational Fluid Dynamics / CFD) yöntemlerini kullanarak yapı üzerindeki akışın simülasyonunu gerçekleştirmeye ve yapı kaplamalarına etki eden rüzgâr basıncının belirlenmesine karar verdi. Bu doğrultuda, FİGES tarafından ANSYS CFX yazılımı kullanılarak, kritik bir rüzgâr profili altında bina üzerinde oluşacak basınç dağılımı elde edildi. Çalışma başlangıcında, CFD sonuçlarını, mevcut ASCE 7 Minimum Design Loads For Buildings and Other Structures standardında tanımlanmış ve terminal yapısına benzetilmiş bir durumla kıyaslayan bir doğrulama çalışması yapıldı. Doğrulama için, basitleştirilmiş bir bina geometrisi ele alınarak, ANSYS CFX ile analizler gerçekleştirildi. Doğu rüzgârı senaryosuna göre yapılan simülasyonlar sonucunda bina üzerindeki basınç dağılımı Şekil 1 de sunulmaktadır. TAV İnşaat, bu bina için ASCE 7 standardında verilen basınç 6 www.figes.com.tr
Şekil 1 Doğrulama için kullanılan basit geometri üzerindeki basınç konturları. değerleriyle CFD çalışmasının sonucunda elde edilen basınç değerlerini karşılaştırdı. Bu yolla CFD analiz yöntemiyle elde edilen sonuçların güvenilir olup olmadığının teyidi sağlanmış oldu. ASCE 7, yapıların yüklerini belirlemek için kullanılan bir Amerikan standardıdır. Bu standardın rüzgâr yüklerine ayrılmış kapsamlı bir bölümü olmasına rağmen, özellikle büyük ve değişken geometrili yapılarda, CFD analizleri veya rüzgâr tüneli testleri yapılarak binanın rüzgâr yükü dağılımına dair daha detaylı veriler elde edilmesi gerekmektedir. Aksi takdirde, standartta yer alan tipik belirli geometriler, kısıtlı veriler ve varsayımlarla tasarımı gerçekleştirmek zorunda kalınmaktadır. Bu standartla ilgili iki örnek Şekil 2 de sunulmaktadır. Bu ise yüksek basınç doğuracak durumların gözden kaçmasına yol açabilir. Bu nedenle özellikle havalimanları gibi, hem açık alanda bulunan hem de geniş bir çatı yüzeyine sahip yapılar için, ASCE kodlarının kullanılması yerine, CFD analizi yapılarak daha detaylı ve hassas sonuçların elde edilmesi, TAV İnşaat tarafından yapılan değerlendirme sonucunda,uygun bir yöntem olarak görüldü. Bu doğrulama çalışmasının amacı, ASCE 7 standardında, geometrisi tanımlı bir yapının CFD sonuçlarını ASCE sonuçlarıyla karşılaştırarak, CFD sonuçlarının ASCE ye göre öngörülen yüklerle nasıl kıyaslandığını görmekti. Birbirine dik, doğu ve kuzey rüzgâr senaryoları için analizler gerçekleştirildi. Şekil 2 Tonoz çatılar için rüzgâr yükü katsayılarının belirlenmesinde ASCE 7 den bir örnek (Altta). Duvarlar için rüzgâr yükü katsayılarının belirlenmesinde ASCE 7 den bir örnek. Sol üst köşede göründüğü gibi, rüzgâr yükü, ana taşıyıcılar için (Main Wind Force Resisting System) ve kaplama elemanları için (Components and Cladding) ayrı metodlarla belirleniyor (Sağda). Bu projede kaplama elemanları, kaplama elemanlarının alanına (Effective Wind Area) göre hesaplanmıştır. ARGE DERGİSİ 7
MAKALE Şekil 3- ASCE koduna göre belirlenen bir bölge üzerinde, ortam iç basıncı eklenmemiş CFD sonuçlarının yüzey alanı ağırlıklı histogramı. Şekil 4- Havalimanı yapısı için hazırlanan akışkan domaini. Sonuçların karşılaştırılmasında, ilgili yüzeylerdeki basınç dağılımlarının histogramlarla incelenmesi ve kantitatif veriler sağlanarak yorumlanması ve karşılaştırılması kolaylaştırıldı. Bazı bölgelerde asgari ve azami basınç değerleri karşılaştırıldığında, farklılıkların oluştuğu gözlemlendi. Tablo 1 e bakıldığında ASCE 7 standardı sonuçlarıyla CFD sonuçlarının uyumu görülebilir. Bu bölgeler incelendiğinde ise özellikle akım ayrılmalarının oluştuğu bölgelerde, lokal farklılıkların da oluştuğu anlaşıldı. Histogramlar hazırlanırken; ilgili yüzeylerdeki sayısal ağ hücrelerinin taşıdığı basınç değerleri, hücrelerin sahip olduğu yüzey alanına bağlı olarak ağırlıklı şekilde hesaplandı. Bu hesaplama için MATLAB yazılımı kullanıldı ve yazılan kısa bir kod aracılığıyla histogramlar oluşturuldu. Çalışmada hazırlanan örnek bir histogram Şekil 3 de sunulmaktadır. Bu deneme çalışmasının sonucunda, akım farklılıklarının olduğu bölgeler dışında ana yüzeylerde, verilerin ASCE verilerine göre önemli bir farkı olmadığı belirlendi. CFD simülasyonlarının yapılmasındaki temel neden, iç hatlar terminal yapısının çatı ve cephe kaplamalarının tasarımında kullanmak üzere, oluşacak basınç dağılımlarına duyulan ihtiyaçtı. Basit bina geometrisiyle gerçekleştirilen doğrulama çalışmalarının ardından, terminal yapısının gerçek geometrisi üzerinde çalışmalar yapıldı. Şekil 4 de görüldüğü gibi tüm terminal yapısının 3 boyutlu modeli, analize uygun bir şekilde basitleştirerek hazırlandı. Yapılan simülasyonlarda elde edilen verilerle kaplamalar üzerindeki statik basınç değerleri elde edilerek riskli bölgelerin tespiti gerçekleştirildi. Şekil 5 de terminal üzerindeki basınç dağılımı görülmektedir. Böylece, yüksek basınç ve Şekil 5- Havalimanı yapısı üzerindeki basınç dağılımı. 8 www.figes.com.tr
Şekil 6 - Havalimanı içerisindeki fil ayaklarından bir görüntü. Şekil 7 - Modellenen kubbe ve fil ayağı geometrileri ve sayısal ağ yapısı. emmealan çatı bölgelerinde gerekli önlemler TAV İnşaat tarafından alındı. Analizler, hem doğu rüzgârı hem de kuzey rüzgârı senaryoları için gerçekleştirildi. Ayrıca daha sonra yapılacak lokal analizler için de veri sağlanmış oldu. Hibrit tip sayısal ağı, ANSYS ICEM CFD yazılımıyla oluşturuldu. Kuzey rüzgârı çalışması için 34.000.000, doğu rüzgârı çalışması için ise 27.000.000 hücre oluşturuldu. Kuzey rüzgârı çalışmasında 3,30 x 2,15 x 0,30 km 3 hacminde ve doğu rüzgârında ise 2,20 x 2,40 x 0,30 km 3 hacminde akışkan domaini kullanıldı. Analizlerde, logaritmik rüzgâr profili, sınır şartı olarak kullanıldı. Analizler, FİGES in 8 node lu cluster ında 2 node kullanılarak, 64 çekirdekle koşturuldu. Projenin ikinci aşamasında, tonoz çatısı altındaki iç bahçe olarak yer alan fil ayaklarının (Şekil 6) içerisindeki ve bu iç bahçeleri örten kubbe geometrisi üzerindeki basınç dağılımının incelenmesi amaçlanmıştı. Fil ayaklarını kaplayan cam panellere gelen rüzgâr yüklerinin belirlenmesinin yanı sıra iç bahçelerde oturan yolcuların mekan dâhilindeki hava hareketlerine karşı konforunun da belirlenmesi için çalışma yürütüldü. Analiz sonuçları, literatürde pedestrian comfort olarak da geçen yaya konforu verileriyle karşılaştırıldı. Havalimanı rüzgâr analizlerindeki sonuçlar kullanılarak, submodelling metoduyla ilgili bölgelerdeki sonuçlar alındı. Bunlar, orijinal kubbe geometrisi ve fil ayağı için yapılacak analizler için hazırlanan domainde sınır koşulu olarak uygulandı ve ANSYS CFX yazılımıyla çözüm gerçekleştirildi. Kubbe ve fil ayağı 3 boyutlu modeli Şekil 7 de sunulmaktadır. ARGE DERGİSİ 9
MAKALE Şekil 8 - Kubbe üzerindeki basınç konturları. Tablo 1 - Şekil 2'de incelenen bölge için ASCE 7 ve bina iç basıncı (+/-198Pa) eklenmiş CFD sonuçlarının karşılaştırması. ASCE 7 CFD & Bina iç basıncı Ortalama Basınç [Pa] x -646 AzamiBasınç [Pa] x -277 Asgari Basınç [Pa] -930-999 İkinci adımda, ANSYS ICEM CFD yazılımı kullanılarak hibrit tip sayısal ağ oluşturuldu. Akışkan domaininin ilk adımdaki analizlere göre küçülmesiyle birlikte, hücre sayısı yakın seviyelerde tutularak bir önceki analize göre çözünürlük önemli oranda arttırıldı ve fil ayakları içerisindeki ve kubbe çevresindeki akış detaylıca incelendi. Kubbe üzerindeki basınç dağılımı Şekil 8 de sunulmaktadır. Analizlerde, paralel işleme tekniğiyle 64 çekirdek kullanıldı. Fil ayakları, taşıyıcı özelliklerinin yanısıra tepelerinde bulunan kubbe ile aralarında olan açıklık ile dış ortama açılıyor. Ayrıca, fil ayaklarının altında terminal binasına açılan bir kapı bulunuyor. Yaya konforu için yapılan analizler, kapının açıklık oranına ve ASCE kodlarına göre TAV İnşaat tan verilen iç basınç verilerine göre modellendi. Analizler, dört farklı senaryo için gerçekleştirildi: Kapının iki farklı konumu ve bu konumları için doğu ve kuzey rüzgârı durumları. Kubbe tabanında yaya konfor bölgesindeki hız vektörleri Şekil 9 da sunulmaktadır. Kaynaklar: [1] American Society of Civil Engineers - ASCE 07 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures. [2] Blocken, B., Stathopoulos, T., Carmeliet, J., Hensen, J., 2010. Application of CFD in building performance simulation for the outdoor environment: an overview, Journal of Building Performance Simulation. [3] Blocken, B., 2011. Building and Urban Simulations with ANSYS, 2011 ANSYS Regional Conference in Belgium. [4] Franke, J., Hellsten, A., Schlünzen, H., Carissimo, B., 2007. Best practice guidline for the CFD simulation of the flows in the urban environment, COST. Şekil 9 - Fil ayağı tabanındaki hız vektörleri. 10 www.figes.com.tr