ÇEŞİTLİ ÇATI TİPLERİNDE RÜZGAR YÜKLERİNİN DENEYSEL VE NÜMERİK OLARAK İNCELENMESİ

1. ÇEŞİTLİ ÇATI TİPLERİNDE RÜZGAR YÜKLERİNİNDENEYSEL VE NÜMERİK OLARAK İNCELENMESİ Mak.Y.Müh. Mustafa Atmaca Haziran2003 - Sakarya

2. 1. Giriş 2. Amaç ve Yöntem 3. Literatür Araştırması 4. Deneysel Yöntem ve Sonuçlar 5. Rüzgar Basınç Ölçümleri 6. Ölçülen Verilerin Hesaplama Metodu 7. Basınç Katsayıları için Deneysel Ölçümler 8. Deneysel Ortalama Basınç Katsayıları 9. Türbülans Yoğunlu Ölçümleri

3. 10. Nümerik Metod ve Hesaplamalar 11. Ağ Sayısı ve Türbülans Modeli Etkisi 12. Hesaplama Uzayı Özellikleri ve Sınır Şartları 13. Basınç Katsayıları için Nümerik Hesaplamalar 14. TS498’e Öneri 15. Sonuçlar ve Tartışma

4. GİRİŞ Yapının en üst elemanı olan çatılar; binayı yukarıdan gelen yağmur, kar, rüzgar ve diğer atmosferik etkilerden (soğuk, sıcak) korur. Bu nedenle fonksiyonel olarak bir yapıda çok fazla önemi vardır. Rüzgar etkisinin tespiti için öncelikle yapı civarında rüzgarın özelliklerinin bilinmesi gerekir. Rüzgar özelliklerinin bilinmesi için, rüzgarın yapı civarındaki hızının doğrultu ve şiddetinin yer ve zamanla değişiminin bilinmesi yeterlidir.

5. Amaç ve Yöntem • Ülkemizin çeşitli bölgelerinde çok sık aralıklarla çatı uçmaları ve çatı çökmeleri ile karşılaşılmaktadır ve çatılarla ilgili bu olaylar sonucunda hem can kayıpları, hem de büyük maddi kayıplar ortaya çıkmaktadır. • Literatür çalışması neticesinde yurt dışında çatılar üzerinde bu tarz çalışmaların yaygın olduğu, fakat Türkiye’de yeterli olmadığı görülmüştür. Türkiye’de ise ülkemize özgü çatılar üzerinde deneysel ve nümerik araştırmaların yapılabilmesi, bu konudaki ülkemizdeki açığın kapatılmasıamaçlanmıştır

6. Bu kayıpların önüne geçebilmek ve bu olayların sebeplerinin gerçekçi olarak tespiti amacı ile farklı çatı modelleri (α=10o, α=20o ve α=30o eğimli beşik tipi çatılar) üzerindeki rüzgar yüklerini incelemek amacı ile rüzgar tünelinde deneysel ölçümler yapılmış, daha sonra bu çatıların nümerik modelleri oluşturulup nümerik çözümler elde edilmiş ve deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Deneysel ölçümü yapılamayan model ve tipteki çatılar için de daha sonra nümerik simülasyon çalışmaları yapılabilecektir.

7. Literatür Araştırması • Stathopoulos ve Saathoff [1] , alçak binaların çok-kademeli eğimli çatıların dizaynı için uygun yerel basınç katsayılarının belirlenmesi üzerinde çalışmışlardır. Özellikle 4:12 ve 12:12 eğimli çatılar üzerinde ölçülen yerel basınç katsayıları üzerinde kademe miktarı ve çatı eğiminin etkisini araştırmak için rüzgar tünelinde test etmişlerdir.

8. S.Reichrath ve T.W. Davies [13] çok kademeli Venlo-tip sera çatı üzerinde basınç dağılımlarının doğruluğunu test etmek amacıyla CFD’de simülasyonu çalışması yapmışlardır. CFD yöntemi ile bulunan sonuçlar deneysel verilerle oldukça uygunluk göstermiş ve gelecekte sera simülasyonları için oldukça güven vermiştir.

9. M.Tutar ve G. Oğuz [27,28] ,çalışmalarında, iki bina konfigürasyonu etrafındaki türbülanslı sınır katmanı akımı Büyük eddy Simülasyonu (BES) metodu yardımıyla çözümlemişlerdir. Tek bina konfigürasyonu için test edilen zaman ve/veya yer ortalamalı Navier-Stokes denklemlerine dayalı türbülans modelleri içerisinde RNG alt-ağ ölçekli BES metodu daya iyi performans veren türbülans modeli olarak bu çalışma için seçilmiştir. Zaman bağımlı simülasyonlar sonlu hacim yöntemine dayalı olarak gerçekleştirilmiştir. Deneysel veri ile karşılaştırılan sonuçlar BES metodunun ilgili akımı çözümlemede oldukça başarılı olduğunu göstermişlerdir.

10. Çatı Şekilleri • Çatılar, genellikle aşağıdaki şekillerde yapılır: • a)Sundurma çatı • b)Beşik çatı • c) Kırma çatı • d) Mansard çatı • e) Kule çatı • f) Fenerli çatı • g) Set çatı • h) Kombine çatı (c) (d) ( a )(b) ( e ) (f) (g) (h)

11. DENEYSEL YÖNTEM VE SONUÇLAR • Deneyler 32x32 cm kesitli ve plexiglas’ dan yapılmış test bölgesine sahip , ses altı-düşük hızlı, açık çevrimli, kapalı deney odalı ve emiş tip olan hava tünelinde gerçekleştirilmiştir. Tünelin şematik resmi aşağıda gösterilmiştir. Hava tünelinde, 5.5 kW’lık bir fan ile yapay rüzgar oluşturulmuş ve fanın devir ayarı, hız kontrol ünitesiyle gerçekleştirilmiştir. Yapılan türbülans ölçümlerinde, ölçüm ekipmanı olarak kızgın tel anemometre cihazı kullanılmıştır.

12. 1- Giriş ağzı, 2- Dinlenme Odası, 3- Kollektör, 4- Test Bölgesi, 5- Difüzör Adaptörü 6-Difüzör,7- Çıkış dinlenme Odası, 8- Fan Bağlantısı, 9- Fan Kabini, 10- Fan, 11- Tünel Şasesi, 12- Tünel Taşıyıcı Tekeri, 13- Hız Kontrol Ünitesi, 14- Pitot tüp, 15- Manometre, 16- Sıcaklık probu, 17- Bilgisayar, 18- Kızgın Tel Anemometre Ünitesi, 19- Osiloskop, 20- Masa, 21-Çatı Modeli, 22- Fark Basınç sensörü 23-Veri aktarma Ünitesi 24- Güç Ölçer 25-Veri aktarma bağlantısı

13. Rüzgar Basınç Ölçümleri • Her durumda basınç ölçümleri yapının kenarından merkezine doğru tekrarlanarak elde edilir. Yapının yüzeyine 50 adet tapa ve bu tapalara 1.5 mm iç çapında 600 mm uzunluğunda hortumlar bağlanmıştır. Burada kullanılan hortumlar T.Stathopoulos ve P. Saathof [24] kullandıklarıyla benzerlik göstermektedirler. Çatı üzerine gelen rüzgar yükleri ilk olarak ölçme aralığı 0-10 mbar olan ASHCROFT marka RXLDP model fark basınç sensörleri tarafından analog sinyallere daha sonra veri toplama kartı ile sayısal hale dönüştürüldükten sonra yazılım sayesinde bilgisayarda basınç değerleri okunur.

14. ASHCROFT marka RXLDP model fark basınç sensörlerinin özellikleri • Ölçüm aralığı: 0-10 mbar • Ölçüm hassasiyeti %1 • Veri Toplama Kartının Özellikler: • 100 kHz örnekleme frekansı

15. Çatı modelinin boyutları ve model üzerindeki ölçüm noktalarının gösterilmesi

16. Ölçülen verilerin hesaplama metodu Boyutsuz bir katsayı olan Basınç katsayısı (Cp) aşağıdaki gibi tanımlanır [14] : Burada P, çatı modelinin herhangi herhangi bir noktasındaki statik basıncıdır. Po test kesitinde üniform akımdaki statik basınçtır, havanın yoğunluğu ve V, üniform akımdaki hızdır. Ortalama rüzgar basıncı (Port) ve ortalama rüzgar basınç katsayısı (Cport) aşağıdaki gibi hesaplanır.

17. Burada, Port ortalama rüzgar basıncı,dAi i noktası etrafındaki yüzey alanı, cpi i noktasındaki yersel basınç katsayısıdır. Deneylerde rüzgar hızı 20 m/s olarak alınmıştır

18. Yersel Basınç Katsayıları için Deneysel Ölçümler:

19. Şekil α=10oeğimli çatının Φ=30 ve 60o rüzgar geliş açısında deneysel olarak elde edilen rüzgar basınç katsayıları

20. Şekil α=10oeğimli çatının Φ=90o rüzgar geliş açısında deneysel olarak elde edilen rüzgar basınç katsayıları

21. α=20oeğimli çatının Φ=0 ve 30o rüzgar geliş açısında deneysel olarak elde edilen rüzgar basınç katsayıları

22. α=20oeğimli çatının Φ=60 ve 90o rüzgar geliş açısında deneysel olarak elde edilen rüzgar basınç katsayıları

23. α=30oeğimli çatının Φ=0 ve 30o rüzgar geliş açısında deneysel olarak elde edilen rüzgar basınç katsayıları

24. α=30oeğimli çatının Φ=60 ve 90o rüzgar geliş açısında deneysel olarak elde edilen rüzgar basınç katsayıları

25. Deneysel olarak elde edilen grafiklere bakıldığında,10o eğimli çatıda kritik emme basınç katsayıları 0o ve 30o rüzgar geliş açılarında x/S=0.1 ve x/S=0.5 de 60o ve 90o geliş açılarında x/S=0.5 de, 20o ve 30o eğimli çatılar için 0o ,30o, 60o ve 90o geliş açılarında kritik basınç katsayıları x/S=0.5 de meydana gelmiştir.10o,20o ve 30o eğimli çatılar için 90o geliş açısında z/d=0.16, 0.33, 0.5 ve 0.66 oluşan emme basınç katsayıları diğer geliş açılarına nazaran daha düşük olmuştur.

26. 10o,20o ve 30o eğimli çatılar için 60o ve 90o rüzgar geliş açılarında en yüksek emme basınç katsayıları z/d=0.83 ’ de meydana gelmiştir. 30o eğimli çatıda 0o ,30o ve 60o rüzgar geliş açısında x/S=0~0.4 arasında pozitif basınç katsayılarıoluşmuştur.

27. Deneysel Olarak Elde Edilen Ortalama Basınç Katsayıları

28. Ters eğimde oluşan ortalama basınçlar karşı eğime nazaran daha büyük ve emme şeklindedir. α =20o eğimli çatıda Φ=0o geliş açısında ortalama basınçlar sıfır değerine yaklaşmıştır. α =30o eğimli çatıda Φ=0o geliş açısında ortalama basınçlar basma şeklinde olup Φ=30o,Φ=60o ve Φ=90o geliş açılarında emmeye dönüşmüştür.

29. Türbülans Yoğunluğu Ölçümleri Bu kısım, çeşitli çatı modellerinde değişik rüzgar açılarında çatı modelleri üzerinde meydana gelen türbülans yoğunluklarının deneysel olarak incelenmesi sonucu elde edilen verileri içerir.. Türbülans yoğunlukları z/d=0.5 ’de elde edilmiştir.

30. Tek Kanallı Kızgın Tel Anemometre Modülü • Voltaj Çıkışı: 0-10 V • Prob Direnç Ölçüm Hassasiyeti: % 0.1 • Minyatür Prob • Sensör Direnci: 3.5 ohm • Max.Sensör Sıcaklığı: 300 oC • Vmin=0.02 m/s • Vmax=500 m/s

31. . α=10o eğimli çatıda Φ=0 ve 30o rüzgar geliş açısında çatı üzerindeki noktalardan test kesit alanının orta eksenine kadar olan mesafede ölçülen türbülans yoğunlukları

32. . α=10o eğimli çatıda Φ=90o rüzgar geliş açısında çatı üzerindeki noktalardan test kesit alanının orta eksenine kadar olan mesafede ölçülen türbülans yoğunlukları

33. α=20o eğimli çatıda Φ=0 ve 30o rüzgar geliş açısında çatı üzerindeki noktalardan test kesit alanının orta eksenine kadar olan mesafede ölçülen türbülans yoğunlukları

34. α=20o eğimli çatıda Φ=60 ve 90o rüzgar geliş açısında çatı üzerindeki noktalardan test kesit alanının orta eksenine kadar olan mesafede ölçülen türbülans yoğunlukları

35. α=30o eğimli çatıda Φ=0 ve 30o rüzgar geliş açısında çatı üzerindeki noktalardan test kesit alanının orta eksenine kadar olan mesafede ölçülen türbülans yoğunlukları

36. α=30o eğimli çatıda Φ=90o rüzgar geliş açısında çatı üzerindeki noktalardan test kesit alanının orta eksenine kadar olan mesafede ölçülen türbülans yoğunlukları

37. Şekil 3.25-3.36’da deneysel olarak elde edilen sonuçlara bakıldığında α=10o eğimli çatıda Φ=0o rüzgar geliş açısında A yolu (x/S=0 , y/H=0.23~0.5) boyunca en düşük türbülans yoğunlukları oluşmuş olup Φ=30o geliş açısında A yolu (x/S=0 , y/H=0.23~0.5) ve B yolu (x/S=0.2 , y/H=0.25~0.5) boyunca Φ=60o rüzgar geliş açısında D yolu (x/S=0.75 , y/H=0.25~0.5) ve E yolu (x/S=1 , y/H=0.23~0.5 ) boyunca en yüksek türbülans yoğunlukları meydana gelmiştir. α=20o ve α=30o eğimli çatılarda Φ=0o ,Φ=30o ve Φ=60o geliş açılarında en yüksek türbülans yoğunlukları D yolu (x/S=0.75 , y/H=0.25~0.5)ve E yolu (x/S=1 , y/H=0.23~0.4 ) boyunca meydana gelmiştir.

38. NÜMERİK METOD VE HESAPLAMALAR • Yüksek kapasiteli bilgisayarların gelişmesiyle 1990’lardan beri CFD’ nin kullanılması yaygınlaşmıştır. CFD’ nin bu kadar çok kullanılmasının sebebi ucuz oluşu ve nispeten hassas simülasyon sonuçları vermesidir. Normalde veri elde etmek için, deneysel ölçüm ve nümerik simülasyon olarak 2 tür yaklaşım vardır. Deneysel sonuçlar tam ve güvenilirdir, fakat pahalı ve fazla zaman alan bir yöntemdir.

39. CFD ekstra bir masrafa gerek duyulmaksızın birçok şartlar altında, büyük ve değişik geometrilerde sonuçlar üretebilmektedir. Zero-Equation Türbülans Modeli • Zero-equation model en basit türbülans modeldir. Bu model türbülent viskoziteyi ifade etmek için tek bir cebirsel ifade kullanır.

40. μt= 0,03874.ρ.V.l (4.1) • l = Uzunluk faktörü • V = Yersel Ortalama hız • ρ = Hava yoğunluğu • Uzunluk faktörü ( l ), katı yüzeye en yakın mesafeden olan uzaklık. 0,03874 farklı iç hava akışları için uygun deneysel bir sabittir • Navier-Stokes Denklemi • Sıkıştırılamaz, kararlı bir akış için Süreklilik ve X yönündeki momentum denklemleri şu şekildedir.

41. Ağ Türü Max.Nod sayısı Max. Eleman Sayısı Ortalama Bağıl Hata Oranı % A 4812 23668 40,18 B 5813 29538 33,46 C 6945 35574 20,45 D 8689 45512 8,32 E 11761 63160 10,22 AĞ SAYISI VE TÜRBÜLANS MODELİ ETKİSİ

42. Ağ sayısının etkisi 20o eğimli çatıda 0o rüzgar geliş açısında test edilmiştir. Grafikte görüldüğü gibi hassas ağ yapma (E), kaba ağ (A)’ya oranla deneysel sonuçlara yakın sonuç vermesine rağmen belli değerden sonra ağ sayısını artırması daha fazla sapmalara neden olmaktadır

43. Türbülans modelinin etkisi de 20o eğimli çatıda 0o rüzgar geliş açısında test edilmiştir. Üstteki grafikte görüldüğü gibi 6 adet türbülans modeli Flotran analizde test edilmiştir. Çıkan sonuçlara bakıldığında Zero-equation türbülans modeli diğer türbülans modellere nazaran deneysel değerlere en yakın sonucu vermiştir.

44. HESAPLAMA UZAYI ÖZELLİKLERİ VE SINIR ŞARTLARI 20o çatı için 0o geliş açısında rüzgar yüklerini hesaplamak için tasarlanan hesaplama uzayının geometrik özellikleri (a) ve (b) üç boyutlu görünüm (c) ön kesit görünümü

45. Sınır Şartları • Nümerik hesaplama için aşağıdaki sınır şartları kullanılmıştır. • 1. Bu çalışmada hava akımı atmosferik sınır tabakası akımı olduğundan tamamen türbülanslı bir karakteristiğe sahiptir ve akımın bu özelliklerini belirtmek amacıyla girişte türbülans sınır şartlarının oluşturulması gerekmektedir.Türbülans modeli olarak Zero-equation modeli kullanılmıştır. • 2. Çıkışta serbest çıkış akımı sınır şartları : Çıkış düzlemine normal açıda olan tüm akım değişkenlerinin difüzyon akılarının sıfır değerinde olduğu kabul edilmiştir.Diğer yandan çıkış hızı ve basıncı ise akımın tam gelişmiş akım olduğu kabul edilerek ele alınmıştır.

46. 3. Hesaplama uzayının yan ve üst yüzeylerinde serbest-kayma (free-slip) sınır şartları: Normal hız bileşenleri ve tüm hız bileşenlerinin normal gradiyentlerinin sıfır değeri aldıkları kabul edilmiştir.

47. Basınç Katsayıları için Nümerik Hesaplamalar • Bu kısım, çeşitli çatı modellerinde değişik rüzgar açılarında çatı modelleri üzerinde meydana gelen rüzgar basınç katsayılarının, nümerik olarak incelenmesi sonucu elde edilen verileri içerir. Hesaplanan rüzgar basınçları denklem 3.1’ de yerine konularak rüzgar basınç katsayıları hesaplanmıştır. Şekillere bakıldığında kritik basınçların nispeten köşe yüzeylerde ve çatı sırtı bölgesinde meydana geldiği görülmektedir.

48. 10o eğimli çatının 0 ve 30o rüzgar geliş açısında nümerik olarak elde edilen rüzgar basınç katsayıları

49. 10o eğimli çatının 60 ve 90o rüzgar geliş açısında nümerik olarak elde edilen rüzgar basınç katsayıları

50. .20o eğimli çatının 0 ve 30o rüzgar geliş açısında nümerik olarak elde edilen rüzgar basınç katsayıları