Bir Çelik Heliport Taşıyıcı Sistem Tasarımı ve Yapımı
Deneyimi
Cem Haydaroğlu, Didem Kaya
Arup Mühendislik ve Müşavirlik Ltd. Şti. Barbaros Blv. Morbasan Sok.
Koza İş Mrk. B Blok Kat:7 Balmumcu 34349 Beşiktaş-İstanbul
Tel: (0212) 318 63 00
E-Posta: [email protected], [email protected]
Serdar Karahasanoğlu
Arup Mühendislik ve Müşavirlik Ltd. Şti. Barbaros Blv. Morbasan Sok.
Koza İş Mrk. B Blok Kat:7 Balmumcu 34349 Beşiktaş-İstanbul
Tel: (0212) 318 63 00
E-Posta: [email protected]
Öz
Büyük kentlerde yüksek binaların sayılarında yaşanan hızlı artış ve şehir içi ulaşımında
büyük kolaylık sağlayan helikopter işletmeciliğinin gelişmesiyle heliport (helikopter
pisti) ihtiyacı artmaktadır. Bu çalışmada, mevcut çok katlı bir betonarme yapı için
tasarlanan çelik heliportun taşıyıcı sisteminin tasarımı ve yapım aşamalarıyla ile ilgili
bilgilere yer verilecektir. Projelendirme ve yapım aşamalarında karşılaşılan zorluklar,
uygulanan çözümler ve edinilen deneyimler ile bundan sonra yapılacak olan benzer
çalışmalar için öneriler sunulmuştur.
Anahtar sözcükler: Heliport, Yapısal Analiz, Yüksek Kotlarda Yapım, Birleşim
Tasarımı.
Giriş
Türkiye’de sivil havacılık sektöründeki gelişmelere paralel olarak helikopter
taşımacılığı önem kazanmakta ve heliport sektöründe hızlı bir büyüme yaşanmaktadır.
Özellikle yüksek binalara heliport yapılması, yaşanacak yangın ve benzeri olaylara
zamanında müdahale edilebilmesi, afetlerde kurtarma ve tahliye çalışmalarına yardımcı
olması açısından da önem kazanmaktadır. Bu gereksinimler göz önünde bulundurularak
yeni tasarlanan ve yapımı devam etmekte olan birçok yüksek yapıya heliportlar
eklenmiştir. Sonradan heliport eklenmek istenen mevcut çok katlı yapılarda ise durum
daha farklıdır. Bu tür yapılar tasarlanırken heliport ve helikopter yükü genelde
düşünülmemiştir. Bu durumda mevcut yapının taşıyıcı sistemini en az zorlayacak,
yapının mevcut mimarisiyle uyumlu, yüksek kotlarda yapımı kolay tasarımlar tercih
edilmektedir. Çelik olarak tasarlanan heliportlar hafiflikleri nedeniyle mevcut yüksek
yapılar için en uygun yapılardır.
Şekil 1 Heliport, İstanbul/Levent.
İstanbul Levent’te 28 katlı betonarme bir yapı için tasarlanan çelik heliport, zeminden
yüksekliği 117.5m olan çatı üzerine konumlandırılmıştır (Şekil 1). Mevcut binanın tipik
kat yüksekliği 4m olup, giriş katı yüksekliği 7m’dir. +115.00 kotunda kat içeri çekilmiş
ve iç çekirdek perde 2,5m yükseltilerek heliportun üzerine oturduğu mekanik kat teşkil
edilmiştir. Helikopter için yönetmeliklerde öngörülen güvenli iniş-kalkış yapabileceği
alan bulunmadığından mevcut çatı döşemesi üzerine heliport yapılamamıştır. Genel
olarak iki tip heliport tasarımı yapılmaktadır. Birinci tip, mevcut zemin veya bina çatı
döşemesi üzerine helikopterin iniş-kalkış yapabilmesi için tasarlanan hemzemin
heliportlardır. İkinci tip ise, çeşitli nedenlerle mevcut zemin veya çatı döşemesinin
doğrudan kullanılamaması durumunda uygulanan yükseltilmiş heliportlardır.
Bahsedilen binada, yapının düşey taşıyıcı sistemi üzerine oturan yükseltilmiş tipte bir
heliport tasarlanmıştır. Yükseltilmiş heliportun döşemesi binanın çatısından 5,6m
yüksekliktedir. Heliport, 805m2 alana sahiptir, daire şeklindedir ve maksimum kalkış
ağırlığı 5306 kg olan Sikorsky S-76C++ model helikopter için tasarlanmıştır.
Heliport Tasarımı ve Yapımı
Heliport tasarımında dikkate alınan yönetmelikler, mevcut yapının üzerinde kolon
mesnetlerinin yerinin belirlenmesi için yapılan fizibilite çalışması, geometri, malzeme
seçimi, taşıyıcı sistem özellikleri, ve birleşimler gibi tasarım yapılırken dikkat edilen
hususlar aşağıda açıklanmıştır.
Heliport Yönetmelikleri
Türkiye, Havacılık Otoriteleri Birliği (JAA) üyesi oluduğundan heliportların hizmet
ihtiyaçları ve tasarım yük kombinasyonları için Uluslararası Sivil Havacılık
Organizasyonu (ICAO) dökümanları kullanılmıştır. Heliportların tasarımında uyulması
gereken kurallar ICAO Ek 14 Cilt II Heliportlar ve ICAO Heliport Kılavuzu
yayınlarında belirtilmiştir.
2
Taşıyıcı Sistem
Mevcut betonarme yapı özel olarak heliport ve helikopterin yüklerine göre
tasarlanmamıştır. Bununla birlikte tasarımında kabul edilen yükler etkisinde ilave yük
taşıma kapasitesine sahiptir. Bundan dolayı, heliport mesnetlerinin mevcut yapının
taşıyıcı sistemi üzerine yerleştirileceği noktaların tayini için fizibilite çalışması yapılmış
ve sadece yerel bazı güçlendirmeler yapılarak mevcut yapının heliport ve helikopter
yüklerini güvenle taşıyabileceği belirlenmiştir. Şekil 2’de heliportun planda bina
üzerine yerleşimi görülmektedir. Mevcut yapıya etkiyen maksimum yükler, doğrudan
maksimum helikopter ağırlığından etkilendiğinden, projenin başında işveren tarafından
Sikorsky S-76C++ model helikopter için tasarım yapılması istenmiştir.
Şekil 2 Heliportun planda bina üzerine yerleşimi.
Mevcut yapının düşey taşıyıcı sistemini, bina ortasında perde duvarlardan oluşan
çekirdek ve binanın çevresinde konumlandırılmış dairesel kolonlar oluşturmaktadır.
Yapılan yapısal fizibilite çalışması sonucunda heliportun 11 adet kolonu çekirdek perde
duvar üzerine yerleştirilmiştir. Kolonlar her yönde rijitliği aynı olan boru kesitlerden
seçilmiştir. Heliport ana taşıyıcı sistemi, kolonlar arasında teşkil edilen kutu profillerden
oluşan kafes kirişler, HEA profillerden teşkil edilen moment çerçeveleri ve kolonlardan
dışarıya doğru uzanan destekli konsol kirişlerden oluşmaktadır. Konsol kirişler HEA
profillerden, konsol destek yapıları boru profillerden, döşeme kirişleri IPE ve HEA
profillerinden teşkil edilmiştir. Şekil 3’te heliport taşıyıcı sistemi ve konsol destek
yapıları görülmektedir. Heliport yapısına etkiyen yatay yükleri aktarmak ve yatay
ötelenmeleri sınırlamak için sadece çekmeye çalışan rod elemanlardan çaprazlar teşkil
edilmiştir. Kutu ve boru profiller St37, HEA ve IPE profiller St44 ve rot çaprazlar St52
kalitesindedir.
3
Şekil 3 Heliport taşıyıcı sistemi ve konsol destek yapıları.
Yapısal Analiz
Heliport tasarımı için helikopterin iki durumu tanımlanmıştır. Bunlardan biri helikopter
inişi, diğeri helikopter sükut halidir.
Helikopter iniş durumunda, inişteki darbe etkilerinden dolayı dinamik etkiler
oluşmaktadır. Helikopter inişi normal ve acil inişler olmak üzere iki gruba ayrılmıştır.
ICAO dökümanlarında heliport tasarımında değişik durumlar için kullanılması gereken
dinamik etki katsayıları verilmiştir. Ayrıca, aynı dökümanlarda helikopter yükünün
yatay etkisi de tanımlanmıştır. Bu etki hesaplanan deprem yükünden mertebe olarak çok
küçük olduğundan analizlerde ihmal edilmiştir. Aynı dökümanlarda, farklı ağırlık ve
motor gücüne sahip helikopterler için ekipman yükleri belirtilmiş, kar yükü ekipman
yükleri içine dahil edilmiştir.
Heliport, deprem yükü hesabında mimari çıkıntı olarak kabul edilmiştir. Mevcut bina 2.
derece deprem bölgesinde yer almaktadır, etkin yer ivmesi 0.3g, bina önem katsayısı
1’dir. Deprem anında helikopterin heliport ortasında sükut halinde durduğu ve döşeme
sacının rijit diyafram olarak davrandığı kabul edilmiştir. Deprem hesabı Deprem
Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik-2007’ye göre yapılmıştır. Her iki
doğrultuda da etkili kütlenin 0.45 katı kadar deprem yükü taşıyıcı sisteme etki
ettirilmiştir.
Heliporta etkiyen rüzgar yükleri TS498 (Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında
Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri)’e göre hesaplanmıştır. Heliport, rüzgara hakim
yüksek bir binanın çatısında yer aldığından dolayı yapının zeminden olan yüksekliğine
göre (H>100m) maksimum rüzgar hızı dikkate alınmıştır. Bu halde rüzgar hızı 46m/sn
ve buna bağlı olarak birim rüzgar basıncı 130kg/m² öngörülmüştür. Şekil katsayısı (Cp)
olarak da 1.2 alındığında birim alana gelen rüzgar yükü 156kg/m² alınmıştır.
Heliportun taşıyıcı sisteminin yan yüzeyleri açıktadır.Bundan dolayı, yan cephelerde
sadece kesit yüzey alanlarına rüzgar yükü etki etmektedir. Bunun yanında, rüzgar
döşeme üzerinde emme etkisi oluşturmaktadır. Toplam yatay rüzgar yükünün deprem
4
yükünden daha az olduğu görülmüştür. Heliport taşıyıcı sistemine 30°C derece sıcaklık
farkı etki ettirilmiştir.
Heliport taşıyıcı sisteminin analizi ve tasarımı SAP2000 yapısal analiz programıyla
yapılmıştır. Şekil 4’te heliportun bilgisayar modeli görülmektedir. Yapının tasarımı
AISC-LRFD yönetmeliğine göre yapılmıştır. AISC-LRFD yönetmeliği yük
kombinasyonları ve ICAO dökümanlarında belirtilen helikopter durumlarına göre
hazırlanan 145 adet yük kombinasyonundan elde edilen extremum değerler nihai
boyutlandırmada esas alınmıştır.
Şekil 4 Heliport bilgisayar modeli.
Heliport döşemesi rijitleştirilmiş saç olarak tasarlanmıştır. St52 kalitesinde 8mm
kalınlığında saçtan ve 500mm karelajla uygulanan 8mm kalınlığında rijitleştirme
plakalarından teşkil edilmiştir. Döşeme, SAP2000 programında kabuk elemanlarla
modellemiş ve helikopter tekerlek yükleri etki ettirilmiştir. Analiz sonucunda elde
edilen elastik gerilmeler plastik gerilmelere dönüştürülerek AISC-LRFD yönetmeliğine
göre tasarım yapılmıştır.
Birleşimlerin Tasarımı
Birleşimlerin tasarımı AISC-LRFD yönetmeliğine göre yapılmıştır. Birleşim elemanı
olarak 8.8 kalitesinde yüksek mukavemetli bulon ve E60 kalitesinde kaynak elektrodu
kullanılmıştır. Bağlantı plakaları St37 ve St52 kalitelerindedir.
Kafes kirişlerin düğüm noktalarındaki kutu profillerin birleşimlerinde, birleşim
bölgesinde kutu cidarında plastikleşme, yan cidarlarda yerel burkulma kontrolleri
yapılmıştır. Bu kontroller sonucunda herhangi bir takviyeye gerek kalmadan mevcut
kesit et kalınlığının yeterli olduğu görülmüştür. Kutu kesitlerin birleşimlerinde, stabilite
sorununun ortadan kaldırılabilmesi için kafes kiriş başlıklarını oluşturan kutu profillerin
küçük boyutlu ve büyük et kalınlıklı olarak seçilmesi gerektiği sonucuna varılmıştır.
Kutu-kutu birleşimlerinin hesabında TS648 (Çelik Yapıların Hesap ve Yapım
Kuralları)’in yetersiz olduğu görülmüştür.
5
Kafes kiriş-kolon birleşimlerinde, kolon cidarının gelen yükler etkisinde yetersiz kaldığı
görülmüş ve birleşim bölgesi takviye plakasıyla güçlendirilmiştir. Bu güçlendirme
yapılırken kolon cidarıyla, takviye plakası birlikte çalışmadığından, hesaplar sonucunda
gerekli görülen kalınlıkta takviye plakası birleşim bölgesinde kolon cidarına
kaynaklanmıştır.
Köşe kolonlara altı yönden kirişler birleşmektedir. 323.9mm çaplı boru kolonlara altı
kirişin bağlanabilmesi için bir detay tasarlanmıştır. Bu detayda boru kolonlar, birleşime
bağlanan en yüksek kiriş olan konsol kirişin yüksekliği kadar kısa imal edilmiştir.
Konsol kirişlerin alt ve üst başlık seviyelerine, diğer kirişlerin bağlantılarının
yapılabilmesi için, iki yatay plaka imal edilmiş ve bu yatay plakalar arasına düşey
kaynaklanan plakalardan yapma kolon teşkil edilmiştir. Kirişlerin düşey gövde
bağlantılarını yapabilmek için oluşturulan yapma boru kolon içinden altı doğrultuda
düşey plaka çıkartılmıştır. Bütün kirişler kendilerine ait gövde plakalarına ve ortak iki
yatay başlık plakasına bulonlarla birleştirilmiştir. Şekil 5’te kolon ucu birleşimi detay
çizimi ve sahadan bir görünüşü görülmektedir.
Şekil 5 Kolon uç birleşim detay çizimi ve sahada görünüşü.
Kolon ankrajlarında mevcut yapıya birleşim olduğundan kimyasal ankraj kullanılmıştır.
Helikopter inişi dinamik bir etki yarattığından oluşacak titreşimlerin üst katların
konforunu etkilemesini engellemek için her bir kolonun altına elastomer mesnet
yerleştirilmiştir. Şekil 6’da uygulanan kolon tabanı elastomer mesnet detayı
görülmektedir.
6
Şekil 6 Kolon tabanlarına yerleştirilen elastomer.
Heliport Yapımı
Heliport parçaları çatıya taşınmadan, mevcut binanın yanındaki boş arazide pilot
montajı yapılıp elemanların ve birleşimlerin uygunlukları kontrol edilmiştir. Çelik
elemanları 117,5m yüksekliğe çıkarmak için kullanılan vinç Türkiye’de az bulunan bir
araçtır ve sınırlı bir süre kullanılmıştır. Şekil 7’de ilk kolonun bina çatısına taşınması
görülmektedir. Kolonların ve ana kirişlerin yapımı tamamlandıktan sonra geri kalan
bütün parçalar yapımları tamamlanmadan çatıya taşınmıştır. Bu durumda mevcut
betonarme yapının döşemesi böyle bir yük için tasarlanmadığından, çelik elemanlar
çatıda bir noktaya istiflenmeyip çatı geneline yayılmıştır.
Şekil 7 İlk kolonun bina çatısına taşınması.
Başlangıçta döşeme kaplaması olarak tasarlanan rijitleştirilmiş sacın 24m² alana sahip
parçalar halinde imal edilip montajının yapılması tasarlanmıştır. Fakat, montaj yapılan
çatının vinç operatörü tarafından görülememesi, 24m²’lik levhanın rüzgardardan
7
etkilenip savrulma ihtimalinin olmasından dolayı güvenlik zafiyetinin ortaya çıkacağı
düşünülmüştür. Bu nedenle aynı et kalınlığı ve rijitliğe sahip soğukta şekil verilmiş C
profillerin gövdelerinin berkitmelerle rijitleştirilmesi ve yanyana dizilmesiyle döşeme
kaplamasının oluşturulması imalatçı firmayla birlikte tasarlanmış ve yapım
tamamlanmıştır. Düzgün bir yüzey elde etmek için yanyana dizilen profiller arasındaki
boşluklar çelik macunuyla doldurulmuştur. Şekil 8’de döşemenin yapım aşaması
görülmektedir.
Şekil 8 Döşeme yapımı.
Mevcut Betonarme Yapının Yapısal Olarak İncelenmesi
Mevcut bina çekirdek perdeleri üzerine heliport 11 adet çelik kolonla basmaktadır.
Heliportun toplam ağırlığı yaklaşık 200 ton’dur. Bu ağırlık kütleye çevrilerek, mevcut
yapının ETABS programıyla hazırlanmış mevcut modeline, 11 adet kolonun perdelere
oturduğu noktalarda her iki yönde yatay noktasal kütle olarak ilave edilmiştir. Şekil
9’da mevcut betonarme binanın bilgisayar modeli görülmektedir. Ağırlığı da aynı
noktalara düşey sabit yük olarak tanımlanmıştır. Heliport için kabul edilen yayılı yük de
toplam alanla çarpılarak bu noktalara noktasal yük olarak verilmiştir. Ayrıca
helikopterin dinamik yükleri de mevcut modele eklenmiştir.
Yeni eklenen yükler yeni yük isimleriyle tanımlanmış olup, modeldeki mevcut yük
kombinasyonlarına ölü ve hareketli yükler olarak eklenerek tekrar analiz yapılmıştır.
Mevcut binanın toplam kütlesi yanında, heliportun zati ağırlığı çok küçük olduğundan,
bu ağırlığın etkisiyle düşeyde perdelerin dayanımının yeterli olduğu görülmüştür.
Yatayda yapılan incelemede de perde dayanımlarının yeterli olduğu görülmüştür.
8
Şekil 9 Mevcut betonarme bina bilgisayar modeli.
Sadece helikopter yükünün mevcut binaya etkisi de incelenmiştir. Heliportun kendi zati
ağırlığının yanında heliportun dinamik etkilerinin mertebe olarak çok küçük olduğu
görülmüştür. Mevcut yapılar için yükseltilmiş heliport tasarımı yapılırken helikopter
yükünden önce heliportun zati ağırlığı dikkate alınarak dayanım kontrolleri
yapılmalıdır.
Sonuçlar
İstanbul, Levent’te mevcut çok katlı betonarme yapı üzerinde 2008 yılında tamamlanan
heliporta ait alışılmış olmayan taşıyıcı sistemin projelendirilmesi, yapımı ve mevcut
betonarme binanın yapısal durumu ile ilgili edinilen deneyimler aktarılmıştır.
Heliport gibi mevcut yapıya sonradan eklenen yapılar için bina üstünde mevcut yapının
mimarisi ile uyumlu bir konum seçilme aşamasından itibaren çalışmalar mimarlar ve
yapı mühendisleri ile koordineli olarak yürütülmelidir. Aksi durumda, sonradan ortaya
çıkan yapısal problemlerin çözümü daha karmaşık hal alabilmektedir.
Teşekkür Bu çalışmaya verdiği destekten dolayı İnş.Yük.Müh. Maral Bal Mitilyan’a
teşekkürü bir borç biliriz.
9
Kaynaklar
AISC (2005), ANSI-AISC 360-05 Specification for Structural Steel Buildings, U.S.A.
Bayındırlık ve İskan Bakalığı (2007), Deprem Bölgelerinde yapılacak Binalar Hakkında
Yönetmelik, Ankara.
CSI (2005), Linear and Nonlinear Static and Dynamic Analysis and Design of ThreeDimensional Structures, Basic Analysis Reference Manual, SAP2000 V10.0.1,
Berkeley, California, U.S.A.
ICAO (1995), Annex 14 Volume II, Heliports.
ICAO (1995), Heliport Manual.
Türk Standartları Enstitüsü (1980), TS648 Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları, 1.
Baskı, Ankara.
Türk Standartları Enstitüsü (1997), TS498 Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında
Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri, 2. Baskı, Ankara.
10
Download

Bir Çelik Heliport Taşıyıcı Sistem Tasarımı ve