Bir bina düşünelim, rüzgara bağlı cephe yüklerini hesaplamak istiyorsunuz. Bunun için 3 seçeneğiniz var,

• Rüzgar Tünel Testi (Deneysel)
• Eurocode EN 1991-1-4 Standartlarına göre hesaplama (Analitik)
• Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Analizleri- CFD (Nümerik)

Rüzgar tünel testleri yüksek maliyeti sebebiyle pek tercih edilmese de analitik veya nümerik hesaplama yöntemine başvurulabilir. Bu yazımızda tam da bu yapıldı. Aynı bina geometrisini önce Alkazar‘ın Eurocode EN 1991-1-4 standartlarıyla kalibre edilmiş Wind Calculator hesaplayıcısıyla sonra da 3D modelinin üzerinden CFD analizleriyle hesaplandı.

• 50 metre yükseklik 30 metre genişlik ve 20 metre derinliğe sahip bir binaya rüzgar yönünü karşılayan yönde 15° lik açıya sahip bir çatı da eklendi
• 10 m referans yükseklikte 28 m/s rüzgâr profili tanımlandı. (Konuma göre değişiklik gösteren ve 10 dakikalık ortalamada yıllık aşılma olasılığı 0.02 olan bir rüzgar hızı kabulüdür)
• Tip 3 arazi kategorisi seçilerek z0 = 0.3 alındı
• Zemin pürüzlülük değeri girdisi ile yükseklik arttıkça hız da artmaktadır.

Windcalculator Kullanıcı arayüzü

Eurocode standartlarına göre binanın cephe yüzeylerinin harf kodları

Sonuçlar Calculatorda bu şekilde gözükmekte. I+, I- ve C yüzeyimiz bulunmadığından en rafine hali cephe üzerinde gösterildi. Yükler kN/m2 cinsinden (kPA) görsele basıldı.

Eurocode “akışı çözmez”, güvenli tarafta bir tasarım çıktısı üretir

EN 1991-1-4’ün derdi, akış fiziğinin her girdabını çözmek değil; tasarıma esas alınacak karakteristik rüzgâr etkisini vermektir. Standart, yükleri “loaded area” yaklaşımıyla ele alır; yani tüm yapı, yapı parçası, kaplama elemanı ve bağlantılar için güvenli tarafta sonuç üretmeye odaklanır.

Temel rüzgâr hızı da zaten masum bir günlük rüzgâr değil; 10 m yükseklikte, açık arazide, 10 dakikalık ortalama ve yıllık aşılma olasılığı 0.02 olan bir tanımdır. Üstüne bir de küçük elemanlar için cpe,1​, büyük alanlar için cpe,10​ kullanılır; yani cam, kaplama, ankraj gibi elemanlarda yerel pikleri de içine alan daha muhafazakâr bir çerçeve gelir. Hatta ortogonal yönlerde verilen katsayılar, ilgili yönün iki yanındaki ±45° aralıktaki en elverişsiz değerleri temsil eder.

Detaylı bina geometrisini hesaba katamaz, basit dikdörtgensel bina, kanopi yapılar, L tipi ve T tipi bina planları için kullanılabilir.

CFD’nin numarası burada başlıyor: aynı koşullar, daha fazla fizik

• CFD’de akış gerçekten çözülür.
• Aynı 28 m/s referans rüzgârı, aynı profil mantığını ve Atmospheric Boundary Layer (ABL) tanımladığımız için burada çıkan fark, giriş farkından değil yöntem farkından geliyor.
• CFD; cephedeki zamana bağlı dalgalanmayı, köşe ayrılmalarını, resirkülasyonu, komşu binaların katkısını, hatta istenirse cam panel, parapet, güneş kırıcı, çıkma gibi detayların etkisini görebiliyor.
• Binanın tüm girinti çıkıntılarını, hesaplama için çok kritik olan pencere ve louver yüzeylerini ve custom tasarlanmış geometrinin tümünü çözme imkanı sunar.
• Eurocode komşu yapı etkisini tamamen yok saymaz; ama bunu yine sınırlı ve muhafazakâr kurallarla ele alır. CFD ise “çevrede ne varsa getir masaya” der. LES yaklaşımı da bu yüzden güçlüdür; çünkü zamana bağlı büyük türbülans yapılarını ve geçici davranışı izlemeye açar.

CFD analizleri sonucunda bina cephesinin yüzeyinde oluşan basınç dağılımları görselleştirildi. Eurocode standartlarına göre binanın cephe yüzeylerinin üzerine 0.25 Pa lık aralıklarla ortalama-minimum-maksimum değerlere göre güvenli tarafta kalınacak şekilde yükler belirlendi.

Yükler kN/m2 cinsinden (kPA) görsele basıldı.

Wind Calculator, EN 1991-1-4’e göre analitik rüzgar yükü hesabını otomatikleştirerek teklif, ön tasarım ve yönetmelik uyumlu ilk boyutlandırma aşamalarında hızlı ve güvenli bir referans sunuyor; nitekim paylaşılan ekranlarda 28.0 m/s giriş için zon bazlı yükler ve q = 1.409 kN/m² gibi tasarım çıktıları net biçimde görülüyor.

Buna karşılık aynı yapı, aynı referans rüzgar profili ve benzer sınır koşullarıyla CFD’de çözüldüğünde; özellikle ABL, çevre binalar ve detaylı cephe geometrileri modele dahil edildiğinde, akış fiziği çok daha yüksek çözünürlükle temsil edilebildiği için yükler daha rafine, çoğu durumda daha gerçekçi ve kimi projelerde maliyeti azaltabilecek seviyelerde elde edilebiliyor.

Özetle Eurocode yaklaşımı güvenli tarafta kalan muhafazakar bir tasarım tabanı sağlarken, CFD karmaşık geometrilerde de olmak üzere gerçek çevresel etkiler altında daha fiziksel ve hassas bir değerlendirme sunarak tasarımın optimize edilmesine imkan veriyor.

Ücretsiz Wind calculator üzerinden EN 1991-1-4 standartlarına göre cephe rüzgar yükü hesaplamak için aşağıdaki linkten ulaşım sağlayabilirsiniz. Hesaplamalara yönelik formulizasyon kodlarına da ulaşabilirsiniz.

https://alkazar.com.tr/windcalculator.html

CFD analizinin zamana bağlı Large Eddy Simulation türbülans modeliyle koşulmuş videosuna ulaşmak için