Yapay zeka ve gökdelen tasarımı

Abstract

Gokdelen ve yuksek yapilar gerek yapim teknolojileri gerek ise aerodinamik cozum mekanizmalari baglaminda insa edilmesi zor kompleks yapilar olarak bilinir. Gokdelen yapim sistemlerindeki zorlugun temel nedeni ilk kez Alan Davenport tarafindan ortaya atilan ruzgar muhendisligi kavrami ve ruzgarin yapi uzerine bindirdigi tahrip edici gucudur. Ruzgar, gokdelen sistemlerinde yukseldikce artan hizi nedeniyle gerek cephe konstruksiyon sistemine gerek ise yapinin ana strukturel sistemine kontrol altinda tutulmasi gerekli sorunlar yaratir. Ruzgarin "along wind force" ve "across wind force" olarak bilinen , binanin ruzgar ile ayni yonde ve ruzgarla 90 derece aci yapacak yonde olusturdugu iki etkin kuvvetin arasinda bir denge moment etkisinde kalir ve ruzgar siddetinin olusturdugu yikici etkiye karsi devrilmemek adina kendi strukturel sistemini ve aerodinamik cozum mekanizmalarini kullanir. Ruzgar ile ayni yonde olan along wind force olarak adlandirilan ruzgar yuku ruzgar surukleme kuvvetidir. Ruzgarin binayla arasinda yarattigi dogal surtunme kuvveti kaynakli bu kuvvet yapi uzerinde dogal bir rezonans yaratir ve bina ust kotlarinda "sway" salinim etkisi olusturur. Sway salinim etkisinin kabul edilebilir ve kontrol edilebilir limitler icerisinde kalmasi esastir. Sway rezonans etkisi yapi icerisinde yasayan insanlarin konfor gereksinimleri uzerinde de onemli etki yaratir. Colorado gibi siddetli etkin ruzgar yukunun oldugu bolgelerde , aktif sway rezonans etkisi yapida uzun sure etkili oldugu durumlarda yapi malzemesi uzerinde hasar yaratici etki olusturur. Malzemenin uzun sureli rezonans etkisine tabi olmasi ic dokuda ara kilcal catlaklara neden olur ve yapi malzemesinin mukavemet gucunu etkiler. Gokdelen sistemleri 1950 li yillarda celik tubuler sistem agirlikli insa edilmekle birlikte, gunumuzde gokdelen strukturel cozumlerinde betonarme ve celigin birarada kullanildigi aktif kompozit sistemler tercih edilmektedir. Bu anlamda, yapida sway rezonans etkisi ile meydana gelen deformasyon yapinin celik sistem yada kompozit sistem ile insa edilmis olmasi gibi strukturel parametre degisimlerine de baglidir. Kompozit sistemde betonarme olarak insa edilmis olan bolum sway rezonans etkisinin yarattigi tahribattan daha cok etkilenektir. Bir diger acidan da yapida celik olarak insa edilen bolumlerde primer deformasyon daha az olussa sa , celigin deplasman kuvveti altindaki salinimi ve yer degistirme faktoru daha fazla olacaktir. Sway rezonans etkisini yaratan ruzgar yukune ( along wind force) 90 derece aci ile bileske kuvvet olusturan ikincil kuvvet yanal ruzgar yuku olan across wind force 'dur. Across wind force yapida direkt yikici etki yaratmak yonunde calisir. Lift kaldirma kuvveti yonunde isleyen bu sistem, surtunme kuvveti lehine isleyen along wind force gibi uyumlu bir sway etkisi yaratamaz, aksine, yapinin strukturel diencinin zarar gormesine neden olur. Bu iki etkin kuvvet altinda yapi temelleri ile stabilize olmaya calisan , hem yanal hem ana ruzgar yukune dayanan sistem torsional moment etkisi denen bir eksenel donme etkisi altinda ruzgarin tahrip edici gucune maruz kalir. Bu amacla yapi aerodinamik uyumlu form yardimiyla kendini korumak uster ve yuksek yapilar temelde, 6 ana aerodinamik etkin metot tarafindan sekillendirilir. Bunlardan ilki yapinin yukseldikce sivrilmesini saglayan "taper" kristal sivrilme teknigidir. Taper teknigi "The Shard London" yapisinda da kullanilmis olan bilinen en etkin aerodinamik rezonans teknigidir. En basit anlamda nitelemek gerekirse bir dikdortgen prizmadan kristal bir piramite evrilme sureci olarak dusunulebilir. Ikinci aerodinamik teknik, yine en cok tercih edilen aerodinamik teknikler arasinda olan damper sistemleridir. Damper sistemleri + moment – moment prensibi ile calisan sistemlerdir ve ruzgarin olusturdugu ruzgar yukune karsi ona esit ama zit yonde bir etki ( guc kuvveti) meydana getirerek calisir. Hidroelastik damper sistemlerinden su bazli damper sistemlerine yada tungsten be demir gibi farkli yogunluk degerlerine sahip metallerin farklilastirilmasi ile farkli kutle ve boyutlarda damperlerin sinanmasi gibi teknikler bazinda damper sistemleri bugun 432 park avenue yapisi da dahil olmak uzere pek cok yapida etkin olarak kullanilmistir. Setback aerodinamik teknigi yapinin yukseldikce kademeli olarak bloklar halinde eksiltilmis birimleri olmasini icerir. Genellikle regular ritmik birimler halinde simetrik eksiltmeler tercih edilir. Openings sisteminde yapi uzerinde ruzgara gecis koridoru olusturacak farkli acikliklar birakilmasi amaclanmistir. Bu acikliklardan ruzgar kendine gecis yollari bulur ve yapi uzerinde devrilme etkisi yaratamadan gucunu kaybederek zayiflar ve kontrol edilebilir hale gelir. Openings ile bosluk birakma kavrami ya Shangai Finance Center 'da oldugu gibi genelde kulenin ust tepe noktasina yakin olacak sekilde tek ve buyuk bir bosluk olarak gorulur yada ritmik sirali kucuk bosluklar sekansi seklinde birkac bosluk birakilarak adeta poroz gozenekli bir yapi olusturularak ruzgara ara gecis koridorlari sunulur. "Twist, rotate" eksenel dondurme sistemleri sanayi tipi baca sistemlerinde de gormeye aliskin oldugumuz bir diger bilinen aerodinamik rezonans teknigidir. Yapinin temel taban geometri sisteminin kendi koordinar duzlemi uzerinde z koordinat sisteminin yukseklik kot irtifa degeri olmak uzere, z ekseni yonunde eksenel olarak belirli acilarla dondurulmesi ile olusturulur. Shangai Tower bu amacla bilinen en iyi twist teknigi uygulanmis yapilardan biridir. "Modify the edges" olarak bilinen kose modifikasyonlarinin yaratilmasi teknigi, yapinin her bir kat plan olceginde kose noktalarinda farkli bir takim acisal degisimler olusturulmasi anlaminda gelir. Rotate tekniginin mantiginda her kat bazinda ruzgarin carptigi geometrinin degisimi ile ruzgar gucunun kaybedilmesi amaclanirken, modify the edges dedigimiz kose modifikasyonlari olusturma tekniginin mantigi ruzgarin cephe ile yaptigi surtunme kuvvetini etkileyerek, kontrol altina alinabilir hiz degerlerine gelmesini saglamaktir. Ruzgarin yapi uzerinde aktif olarak etkili olmasini saglayan parametreleri ruzgar sihirbazi olarak bilinen Prof Alan Davenport , kendi tasarladigi ve kendi ismi ile anilan Alan Davenport'un ruzgar zincirinde aciklar. Olimpiyat zinciri gibi 5 parametreden olusan bu halkada, zincirin birinci halkasini "local wind climate" olarak bilinen yapinin bulundugu bolgedeki ruzgarin karakterinin ne oldugunun anlasilmasi olarak nitelendirilir. Zincirin ikinci halkasinda , "terrain surrounding " olarak bilinen yapi cevresinin ne oldugunun kriterleri yer alir. Bu baglamda yapinin tek basina bir yapi olarak buyuk bir boslugun ortasinda yada okyanusun kiyisinda mi yer almasi yada bir metropol icerisinde yogun bir alanin ortasinda mi konumlanmis olmasi yapi uzerinde cevre binalarin etkisi ile yapiya binecek, ruzgarin olusturdugu surtunme faktorunu etkileyeceginden , yapi cevresinin yogunlugu ve cevre yapilarun kat yuksekliklerinin ne oldugu , yapi uzerine binen ruzgar yukunu direkt etkileyerek yapi aerodinamigini degistirir. Ruzgar zincirinin 3.halkasinda aerodinamik response olarak tanimlanan aerodinamik cevap verme niteligi yer alir. Ruzgara karsi yapinin verdigi aerodinamik cevap yapi cephe malzemesinin ne oldugu ve yapi formunun ne oldugu gibi temel parametrelerle iliskilidir. Yapi cephe malzemesinin ne oldugu surtunme katsayisi uzerine etki edecektir, yapi formu ve geometrisi de aerodinamik optimizasyonun temelidir. Bir diger halka da , ruzgar zincirinin 4.halkasi olarak mekanik cevap niteligi yer alir. ( mechanical response criteria) Yapinin mekanik cevap niteligi ve ruzgara karsi verecegi tepkinin ne oldugu yapinin strukturel cozum sisteminin ne oldugu ile iliskilidir. Betonarme sistem, celik sistem yada her ikisinin bir arada kullanildigi kompozit sistem olarak ele alindiginda, yapinin strukturel yapim sistemine gore ruzgara karsi verdigi tepki degiskenlik gosterir. Celik yapim sistemleri ruzgara karsi daha yogun sway salinim rezonans etkisi gosterirken, betonarme yapim sistemleri daha rijit bir form olusturararak damper benzeri bir etki olusturur. Ruzgar zincirinin 5.halkasinda "design criteria" olarak bilinen tasarim kriterleri yer alir. Burada yapinin ana tasarim parametrelerinin ne oldugunun bilinmesi onemlidir. Yapida ornegin cephe cozumlemesinde, yapinin ana karkas iskelet sistemi ile cephe mulion sistemleri arasindaki minimal harekete ne olcude izin verilecegi , esneklik katsayisi , rijitlik gibi parametrelerin kararlarinin verilmesi yapinin sonuc aerodinamik cevap niteliginin ne oldugunu etkiler. Ruzgar zincirinin 3.temel parametresi olarak aerodinamik cevap niteliginin arastirilmasi amaciyla yapay zeka LSTM teknigi olarak bilinen – transfer learning – olarak acilimi saglanan olgudan yola cikilmistir. Bu mantikla, bilinen bir problemin cozumunde ise yarayan bir cozum algoritmasinin, baska bir tanimlanan problemin de cozumunde ise yarayabilir olup olmadiginin irdelenmesi amaciyla ucak kanat optimizayon sistemlerinde ise yaradigi kanitlanmis olan ucak kanat ucu optimizasyon sistemlerinin isleyis mantiginin , gokdelen yapim sistemleri uzerinde gokdelen form ve geometrisinin daha etkin aerodinamik bir form olusturulmasi amaclanarak modifiye edilmesi uzerine bir hipotez ortaya atilmistir. Bu mesnetle damper sistemlerine olan gereksinimin azaltilmasi , damperlerin kucultulmesi, minimize edilemsi yada The Shard London yapisinda oldugu gibi dapmer kullaniminin tamamen elimine edilmesinin mumkun olup olmadigi sorunsali uzerinden konu incelenecektir. Tasarim ve simulasyon asamalarindan olusacak olan tezde, tasarimi dusunulen her bir gokdelen protopinin oncelikle Rhino Grasshopper 3D ortaminda 3 boyutlu gorsel tasarimlari yapilmis, ardindan olusan 3D gorsel prototipler uzerinde ag orgusu ( mesh – grid mesh ) saglanarak ve simulasyon amaciyla Matlab – ANSYS yada Paraview programlarindan dugum noktasi ve cozum hucresi hacmi ( grid mesh volume size ) yogunluguna gore en elverisli olan simulasyon sisteminin kararinin verilmesi ve bu uygun program uzerinden sonuca gidilmesi amaclanmistir. Literatur arastirmalarinda incelenen orneklerde Japon Tanaka Tamura grubunun yaptigi ornekler, bu tez calismasi ile en yakin iliskili calisma olarak gorulmustur ancak Japon arastirma grubunun prototiplerinde sadece simetrik kesitli yapilara yer vermesi ve serbest plan semali yapilar uzerinde calismalar yapilmamis olmasi elestirel olarak nitelendirilebilecek bir yondur. Simetrik plan semali yapilar uzerine yapilan calismalarda ise literaturde genellikle tam kare yada tam dikdortgen kesitli basit plan semali yapilar yer almistir. Bunun yanisira, literaturde yapilan analiz calismalarinda , CFD tabanli yapilan simulasyonlarda tek parametre bazinda sadece basinc degisimlerinin Bernoulli diferansiyel denklemleri uzerinden hesaplandigi gozlenmistir, Bernoulli de sadece basinc spekrumu uzerine sonuclar almaya calisilirken, sadece Cp basinc katsayisi parametresi uzerine yorum saglanir. Tez baglaminda Navier Stokes denkleminde k – omega turbulans model uzerinde cozum saglanmis 3 koordinat ekseninde ( x,y,z) , hem basinc hem hiz hem de vortex ( vorticity) hesaplamalari uzerinden aerodinamik etkin modelin hangi prototipe ait oldugu sonucuna ulasilmistir. F serisi model prototipleri boyunca F9 dan F23'e kadar yapilan denemelerde F14 ve F18 model prototipleri en iyi matlab CFD simulasyonu sonuclarini vermistir. F14 modelinde hiz katsayisi 1,53 ile sinirli kalirken Cp basinc katsayisi degeri 1,64 sonucunu vermistir. F18 de Cp basinc katsayisi 1,66 , hiz katsayisi 1,50 ' de kalmistir. F serisi boyunca 4 farkli acida ( 50 derece – 80 derece arasi ) modifiye edilmis bir dik ucgene benzer nitelikte ucak kanat tipolojisi uzerinden aci ve eksenel dondurmenin etkileri konusu calisilirken, bir sonraki asamada D ve E serisinde cift kanat ve tek kanat combine bileske model prototipleri uzerine calisilmistir. E24 prototipinde 1,70 hiz katsayisi 1,64 basinc katsayisina ulasilirken vortex siddeti tekkanat ve eksenel dondurme tekniginin sinandigi bu modelde ( E24 'de), cift kanat sistemi ve eksenel dondurmenin oldugu F18 modelinin ¼ u oraninda elde edilmistir. F18 de 48 birim yogunluk olculen vortex turbulans akim siddeti E24 de 12 birim yogunlukda sinirli kalmistir. X model prototip serisine gecildiginde bu kez Rhino 3D tasarim ortaminda koordinat oryantasyonu teknigi aktive edilerek eksenel dondurme koordinatinin baslangic noktasi modifiye edilmistir. X1 den X7 ye kadar yapilan koordinat oryantasyonlarinda X4 modelinde kuzeydogu yonunde modifiye edilen prototip tasariminda hiz katsayisi degeri 2,80 e ulasarak aktif turbulans yaratmakla birlikte, basinc katsayisi degeri 1.60 larda kalabilmistir. K-omega turbulans model ve vortex etkisi altinda olusan sistemde vortex siddetinin 10,92 birim yogunluk degerinde kalmis olmasi onemlidir. Koordinat oryantasyonu teknigi ruzgar hizinin artmasina neden olsa da basinc degerinde tehlikeli bir artis yaratmamis ancak vortex akim siddeti uzerinde D serisi ve E serisindeki akim turbulans siddeti degerlerine benzer nitelikte sonuclar elde etmeyi saglamistir. University of Hertfordshire'in ucak kanat sistemleri uzerinde yaptigi calismalarin gelistirilmesi yonunde, 1-2, 1-3 ve 1-5 kat paralel plaka ara yuzey iliskisi olan ucak kanat prototiplerinin gokdelen formu baglaminda temel alinmasi uzerine UH serisi geometrileri elde edilmis, Rhino da etkin geometri sistemleri 3D 3 boyutlu modellenerek matlab CFD ortaminda simulasyona tabi tutulmustur. UH_1_3 prototip model serisinde elde edilen 1.78 hiz katsayisina karsi 1,54 Cp basinc katsayisi degeri 9,22 (birim yogunluk ) vortex akim siddeti degeri ile UH serisinden once yapilan tum sinama testlerinin onunde bir sonuc elde edilmesini saglamistir. M kanat model serisine gecildiginde M basic, MT ve MD model serileri 3 boyutlu olarak Rhino 3D ortaminda tasarlanmistir. Detaylari tezin 4.bolumunde net olarak aciklanan prototiplerden M basic model serisinde M4 prototipi 1,12 basinc katsayisina karsi 1,31 hiz katsayisi degerinde kalirken, MT model prototip serisi icerisinde MT3 prototip modeli 0,90 basinc katsayisi ile tum serilerin en etkin aerodinamik basinc degerini saglamistir. MT3 modeli icin hiz katsayisi da 1.21 degerinde elde edilmistir. MD model serisine gecildiginde MD3 prototipinde 1,89 basinc katsayisi degerine karsi 2,11 hiz katsayisi degeri elde edilmistir. Simetrik bir airfoilin aci ve uzunluk bazinda modifiye edilmesi ile olusturulan GX model serisinde GX1 prototipinin simulasyon sonuclarinda basinc katsayisi 1,73 ve hiz katsayisi 1,78 elde edilirken , GY model serisinde GY2 prototipinde; 1,65 basinc katsayisina karsi 1,54 hiz katsayisi sonucuna ulasilmistir. Finalde openings ve setback & taper kavramlarinin kullanildigi iki farkli seri tasarlanmis ve ucak kanat optimizasyon tabanli serilerin bu iki seri ile kiyaslanmasi amaclanmistir. Space ve Willis serileri olarak adlandirilan bu seriler icin her bir gruptan 4 model prototipi uretilmis ve bu modeller toplam ag orgusu ve dugum sayisi yogunlugu nedeniyle ANSYS CFD ortaminda k-omega turbulans model uzerinden cozumlenmistir. Elde edilen sonuclarda cevre binalarin ekstrakte edildigi ruzgar tuneli modeli uzerinde "Willis 3 – WL3 " prototipi 0,753 Cp basinc katsayisi degeri ile grup icerisindeki 8 model prototipi arasindaki en aerodinamik gokdelen formu tasarimi olarak nitelenmistir. Openings regular ritmik bosluklar birakarak ruzgara gecis koridorlari olusturma tabanli yaklasim uzerinde , Space serisi olarak uretilen SP1, SP2, SP3 ve SP4 model prototipleri arasinda en aerodinamik etkin form tasarimi sonucunu veren model 0,95 Cp basinc katsayisi degeri ile SP1 modeli olmustur. Sonuc olarak, bolum 3 de yazdigimiz algoritma uzerinden , veri akis diyagraminin basamaklari izlenerek olusturdugumuz yok izi, ve aerodinamik erkin tasarim prensiplerinin multidisipliner bir bakis acisi ile ucak uzay muhendisliginden mimari tasarima aktarilmasi amacli LSTM modelinin kullanilmasi ve etkinliginin sorgulanmasi hipotezi uzerinden, Rhino Grasshopper 3D ortaminda uretilen tum gokdelen prototipleri F, D, E, X, UH, Mbasic, MT, MD, GX, GY, SP ve WL serileri arasinda en iyi sonucu veren tasarimin 0,7404 Cp basinc katsayisi degeri ile MT3 oldugu tespit edilmistir. MT3 modelinin tasarim mantigi tezin ana hipotezini olusturan NASA ucak kanat sistemleri uzerine aci kenar uzunluk – "camber angle – chord length" kavramlarinin modifiye edilmesi ile olusturulan form oldugu ve isleyis mekanizmasi olarak da "yapida ruzgar koridoru etkisi" ve "yukselerek sivrilme etkisi" kavramlarini sorguladigi onemlidir. Ucak kanat optimizasyon sistemleri mantigi ile olusturulan MT3 modeli ve ruzgar koridoru yaratma kavrami , onceden bilinen ve kullanilan openings – setback gokdelen aerodinamik modifikasyon tekniklerinin otesine gecerek, yapay zeka LSTM sistemler uzerinde uretilmis yeni bir cozum teknigi olarak tez baglaminda kanitlanmistir.