Gökdelenlerin tasarımı, temel mühendislik prensipleri açısından bakıldığında aslında sıradan binaların tasarımından çok da farklı değildir. Ancak sıradan binaların tasarımında hiç rol oynamayan veya göz ardı edilmesi sorun yaratmayan birkaç kritik tema, gökdelen tasarımında hayati bir şekilde rol oynar. Bu yazıda size bu temalardan bahsedeceğim ve dünyadaki elit mühendislerin bu sorunları nasıl çözdüklerini anlatacağım.

Rüzgar ve Aerodinamik Optimizasyon

Vortex shedding etkisinin animasyonu
Görsel 1 - Figure 1 - Vortex shedding etkisinin animasyonuKaynak: Source: Tiriginiaq, Wikimedia CommonsLisans: License: CC BY 3.0

Rüzgar, sıradan yapıların tasarımında sadece standart bir yanal yük olarak göz önüne alınsa da, gökdelenlerin tasarımında projenin kaderini belirleyen en büyük faktördür. Bunun temel nedeni, rüzgar hızının yerden yükseldikçe logaritmik olarak artmasıdır. Diğer bir neden ise yapıların boyu arttıkça yanal deplasmanları (tepe noktasındaki salınımları) kontrol etmenin çok daha zor ve maliyetli olmasıdır. Literatürde buna “Premium for Height”[4]CTBUH (Council on Tall Buildings and Urban Habitat). Skyscraper Center: Height Criteria and Premium for Height.Kaynağa Git (Yükseklik Bedeli) denir. Yani gökyüzüne doğru çıktığınız her ekstra metre için, taşıyıcı sisteme harcamanız gereken malzeme miktarı katlanarak artar.

Burada karşımıza çıkan en sinsi tehlike ise Vortex Shedding (Girdap Kopması) olayıdır. Esen rüzgarın yapının arka sağ ve sol köşelerinde dönüşümlü olarak girdap oluşturmasına vortex shedding denir. Bu oluşan dönüşümlü girdaplar yapının yüzeylerinde emme kuvvetleri oluşturur. Bu kuvvetler tek başlarına devasa boyutlarda olmasalar da, belirli bir frekansta organize bir şekilde yapıyı itip çektikçe, yapının yaptığı salınımlar rezonansa girerek artmaya başlar. Eğer yapının doğal frekansı ile bu rüzgar girdaplarının doğal frekansı çakışırsa, yapı için felaket çanları çalıyor demektir.

Bunun önüne geçmek için en basit yöntem yanal rijitliği artırmaktır. Ancak yukarıda bahsettiğim Premium for Height kuralı gereği, gökdelenlerde yanal rijitliği kaba kuvvetle (daha kalın perdelerle) artırmak astronomik maliyetler yaratır. Bu yüzden gökdelen tasarlanırken mutlaka Rüzgar Mühendisliği[2]Mendis, P., Ngo, T., Haritos, N., Hira, A., & Irvine, B. (2007). Wind Loading on Tall Buildings. EJSE Special Issue: Loading on Structures.Kaynağa Git devreye girer.

RWDI[5]RWDI. Burj Khalifa: Wind Engineering Project.Kaynağa Git gibi rüzgar mühendisliğinde uzmanlaşmış şirketler, gökdelenlerin ve çevresindeki topoğrafyanın ölçekli maketlerini üreterek devasa Rüzgar Tüneli Testleri yaparlar. Bilgisayar simülasyonları ile yapının şekli optimize edilse de, bu testler yapılmadan hiçbir gökdelene onay verilmez. Vortex shedding’i önlemenin en “aerodinamik” yolu rüzgarın organize olmasını engellemektir. Mühendisler bunu şu stratejilerle çözer:

  • Form Daraltma ve Köşe Yumuşatma: Yapının belli yerlerini farklı yüksekliklerde daraltarak rüzgarın ritmini bozmak. Burj Khalifa ve Cidde Kulesi’nde (Jeddah Tower) bu yöntem ustalıkla kullanılmıştır.

  • Geçirgenlik: Yapının tam ortasında rüzgarın içinden geçip gidebileceği boşluklar bırakmak. 432 Park Avenue hakkındaki yazımda bundan bahsetmiştim; o yapıda belirli tesisat katları tamamen boş bırakılarak rüzgarın yapıya çarpıp girdap yaratması engellenmiştir.

Deprem (Gökdelen Tasarımında Neden Büyük Rol Oynamaz?)

Şaşırtıcı gelebilir ancak deprem, mega gökdelenlerin taşıyıcı sistemTaşıyıcı SistemBir yapıya etkiyen düşey ve yatay yükleri zemine aktaran elemanların oluşturduğu bütün. tasarımında genellikle belirleyici (kritik) rol oynamaz. Gökdelenin boyu uzadıkça yapının doğal titreşim periyoduTitreşim PeriyoduBir yapının serbest titreşim yaptığında bir tam salınımı tamamlaması için geçen süre; yapının kütle ve rijitliğine bağlı dinamik özelliği. çok büyür (yapı esnekleşir). Periyot büyüdüğü için yapı, depremin yıkıcı ivmelerinin bulunduğu pik spektrum aralığından çıkar ve deprem kuvvetlerini çok daha az hisseder. Zaten o muazzam rüzgar kuvvetlerine (ve vortex shedding etkilerine) dayanacak şekilde devasa yanal rijitlikle tasarlanan bir yapı, deprem kuvvetlerine hayli hayli karşı koyar.

Yine de deprem için yapılan en kritik mühendislik çalışması Sahaya Özel Deprem TehlikesiDeprem TehlikesiBelirli bir bölgede belirli bir zaman aralığında belirli şiddette bir deprem yaşanma olasılığının bilimsel olarak tanımlanması. Analizi yaptırmaktır. Bu analizde, o saha ve yapı için tehlike oluşturabilecek aktif faylar belirlenip onlara özel ivme kayıtları ve spektrumlar üretilir. Örneğin Cidde Kulesi tasarlanırken sadece Suudi Arabistan değil, binlerce kilometre ötedeki İran ve Türkiye’deki fay hatlarının üretebileceği uzun periyotlu (uzak mesafe) deprem dalgaları dahi göz önüne alınmıştır.

Sünme, Rötre ve Diferansiyel Kısalma

Betonarme elemanlar bulunduran gökdelenlerin tasarımında betonun zamana bağlı şekil değiştirmesi olan sünmeSünmeSabit yük altında betonun zamanla artan şekil değiştirmesi. ve rötreRötreSertleşmiş betonun, içindeki serbest suyun zamanla ortama buharlaşmasıyla hacminin küçülmesi; bu hareket kısıtlandığında çatlaklara yol açabilen uzun süreli deformasyon. davranışları hayati önem taşır. Yükseklik 300-400 metrelere ulaştığında, kolonlardaki milimetrik kısalmalar en üst katlarda santimetrelerce farka dönüşür.

Eğer binanın ortasındaki devasa çekirdek perdesi ile dış cephesindeki ince kolonlar farklı basınç gerilmelerine maruz kalırsa, bu elemanlar zamanla birbirinden farklı miktarlarda kısalır. Literatürde buna Diferansiyel Kısalma denir.[3]Fintel, M., Ghosh, S. K., & Iyengar, H. (1987). Column Shortening in Tall Structures: Prediction and Compensation. Portland Cement Association.Kaynağa Git Bu durum döşemelerin eğilmesine, cephe camlarının patlamasına ve 2. mertebe (P-Delta) etkilerinin tehlikeli boyutlara ulaşmasına neden olur.

Bu yüzden elit mühendisler tasarım yaparken kuvvetlerin elemanlara homojen dağılması için uğraşırlar. Dünyadaki ikonik gökdelenlerin taşıyıcı sistemlerini incelediğinizde, oldukça sistematik, simetrik ve temiz bir yük aktarım yolu görürsünüz. Türkiye’de sıkça rastlanan “Nasıl olsa program hesaplar” mantığıyla yapılan asimetrik, düzensiz ve karmaşık (neyin ne olduğu belli olmayan) tasarımlar gökdelen mühendisliğinde affedilmez.

İnşaat Aşamaları Analizi

Yüz katlı bir gökdelen tasarlanacaksa mühendis bilgisayar programında yüz katlı bir yapıyı tek seferde çizip “Analiz Et” butonuna basmaz. Gerçek hayatta o bina bir gecede inşa edilmeyecektir.

Taşıyıcı sistem aşağıdan yukarıya doğru yavaş yavaş inşa edildikçe, yapının kendi ağırlığı altındaki davranışı ve rijitliği her katta değişir. Bu yüzden mühendisler, modeli örneğin onar katlık dilimler halinde kurup analiz eder. İlk 10 katın deplasmanDeplasmanBir yapı noktasının, yük etkisi altında ilk konumuna göre yaptığı yer değiştirme; yapısal analizin temel çıktılarından biri. ve gerilmeleri kilitlenir, üzerine bir 10 kat daha eklenir ve analiz tekrarlanır. Tüm süreç binanın inşaat takvimine uygun olarak simüle edilir. Literatürde buna İnşaat Aşamaları Analizi[1]Taranath, B. S. (2016). Structural Analysis and Design of Tall Buildings: Steel and Composite Construction. CRC Press. denir. Aksi takdirde, en üst katın ağırlığının sanki bina yerçekimsiz ortamda tek seferde var olmuş gibi en alt kata aktarıldığı tamamen hatalı statik sonuçlar elde edilir.

Sıkça Sorulan Sorular
Gökdelen tasarımında rüzgar neden bu kadar önemlidir?

Gökdelen yükseldikçe rüzgar yükleri ve yapının yatay hareketleri kritik hale gelir. Aerodinamik biçimlendirme ve vortex shedding etkisinin kontrolü bu davranışı sınırlamaya yardımcı olur.

Vortex shedding gökdelenleri nasıl etkiler?

Rüzgar yapının etrafından akarken girdaplar oluşturabilir. Bu girdaplar yapıda ritmik yatay kuvvetler ve titreşimler meydana getirerek konforu ve tasarımı etkiler.

Gökdelenlerde düşey kısalma neden hesaplanır?

Betonarme elemanların sünme ve rötre davranışları, yükseklik arttıkça toplam kısalma farkları oluşturabilir. Çekirdek ile dış kolonların farklı kısalması döşemeleri, cepheyi ve P-Delta etkilerini olumsuz etkileyebilir.

İnşaat aşamaları analizi gökdelen tasarımında ne işe yarar?

Bu analiz, yapının aşağıdan yukarıya inşa edilmesini modelleyerek her aşamadaki rijitlik ve ağırlık aktarımını dikkate alır. Böylece binanın kendi ağırlığının tek seferde uygulanmasından doğacak hatalı sonuçlar önlenir.

Deprem gökdelen tasarımında nasıl değerlendirilir?

Gökdelenlerde uzun doğal titreşim periyodu deprem etkisinin spektrum içindeki yerini değiştirebilir, ancak deprem yine sahaya özel olarak incelenir. Aktif faylar ve o sahaya uygun ivme kayıtları ile spektrumlar tasarıma dahil edilir.