Prefabrik yapılarda Çatıların Rüzgâra Karşı Elektromıknatıslarla Güçlendirilmesi Özgür Devrim ARIKAN İhsan Doğramacı Vakfı Özel Bilkent Erzurum Laboratuvar Lisesi GİRİŞ Rüzgârlar sıcak ve soğuk hava kütlerlerinin yer değiştirmesi esnasında oluşan veya basınç farklarının oluşturduğu hava akımlarıdır. Birçok doğa olayı gibi rüzgârların da oluşumunun engellenmesi, günler öncesinden tahmin edilmesi veya enerjisinin azaltılması mümkün değildir. Öyleyse rüzgarın vereceği zararları minimuma indirgemede önlem almanın ve gerekliyse çevremizde bazı değişiklikler yapmanın önemi büyüktür. Çatılar Neden Uçar? Çatının eğimli yüzeylerinden yüksek şiddetle geçen rüzgârlar o bölgedeki basıncı kısa süreliğine düşürürler. Buna karşılık yapının ve çatının iç kesiminde hâlâ atmosferik basınç vardır. İçerideki basınç, yani atmosferik basınç dışarıdakinden fazla olduğu için bu basınç farkı çatıyı yukarıya doğru iten bir kuvvet oluşturur ve çatının ağırlığı ve bağlantı noktalarının kuvvetine bağlı olarak çatı yerinden oynar veya havalanır. Günümüzde prefabrik yapılar hem maliyetinin düşüklüğü, hem taşınabilir hem de kullanışlı olmaları açısından endüstriyel yapılar, şantiyeler ve geçici konaklama alanları gibi birçok farklı amaç ve alanda kullanılmaktadır. Ancak bu yapıların çatılarının teknik nedenlerden dolayı sağlam bir iskeleye oturtulamadığı gözlemlenmiştir. Buna bağlı olarak bu çatıların sert rüzgarlara karşı dayanıksız oldukları ve can ve mal güvenliği açısından tehlike arz ettiği tespit edilmiştir. AMAÇ Ani rüzgâr artışlarının bulunduğu veya sürekli yüksek hızda rüzgâr alan bölgelerde kurulan, özellikle şantiyelerdeki, prefabrik yapıların çatılarının veya kendilerinin rüzgâr sebebiyle hareket ederek çevresine zarar vermesini engellemek amacıyla, bu yapıların acil durumlarda devreye girecek bir sistem ile hareketsiz kalacak şekilde güçlendirilmesi gerekliliği düşünülmüştür. Bu amaca, kurulumu ve kullanımı en kolay ve maliyeti en düşük olacak şekilde elektromıknatıslar kullanılarak ulaşılabileceği düşünülmüştür. Bunun için sert rüzgâr esnasında devreyi tetikleyecek basit bir mekanizma ile elektromıknatısların akım verilip etkin hale getirilmesi planlanmıştır. Böylelikle oluşacak güçlü manyetik kuvvet ile yapının rüzgâra karşı çok daha dirençli hale getirilmesi planlanmıştır. YÖNTEM Ahşap bir çatı modeli yapıldı, model ahşap sehpa üzerine oturtulan sırt çatı tipinden oluşmaktadır. Şekil 1 de görüldüğü gibi 0.53 m yüksekliğinde, 0.70 m genişliğinde, 0.75 m uzunluğunda ve 57o açılı bir sırt çatı 0.45m x 0.45m’lik bir sehpa üzerine konulmuştur. Çatı ile sehpa arasında bir bağlantı yapılmamıştır. Elektromıknatıs olarak iki adet Reth marka yüzeye takılabilir EM 500 MR modeli elektromagnetik kilit kullanıldı. Şekil 2 de görüldüğü gibi elektromıknatısın mıknatıs kısmı sehpanın iki kenarına ve elektromıknatısın ferromagnetik kısmı ise çatı zeminine monte edildi. Şekil 1 Şekil 2 Tetikleyici Nasıl Çalışır? Şekil 3’te görüldüğü gibi içi boş iletken silindir çatının alt kısmına ipler yardımıyla sarkıtılır ve içinden iki ucu ipe bağlı iletken çubuk geçmesi sağlanır. İletken çubuğun bağlı olduğu iplerden biri çatıya sabitlenir diğeri ise bir ağırlığa bağlanır. Güç kaynağından gelen iletken kabloların biri iletken çubuğa diğeri ise iletken içi boş silindire bağlanmıştır. Böylelikle şiddetli rüzgar esnasında iletken çubuğa bağlı ağırlık sallanacak ve iletken çubuğun silindirin iç yüzeyine değmesi ile devrenin tamamlanması sağlanacaktır. Asılı ağırlığın bölgenin rüzgar hız ortalaması dikkate alınarak değiştirilmesi ile mekanizmanın hassaslığı değiştirilebilmektedir. Şekil 3 HESAPLAMALAR Tek Kararlı 555 Zamanlayıcı Devresi Rüzgar Hızı - Kuvvet F = 0.63 x A x v2 Cd F = rüzgarın oluşturduğu kuvvet A = rüzgara maruz kalan yüzey alanı v = rüzgar hızı Cd = yüzey katsayısı (yüzey şekli ve rüzgar geliş açısına bağlı) 27 m2’lik bir çatı için: F = 17.01 x v2 Üretici firmanın bilgilerine göre bir mıknatıs 500 kg’lık bir yükü kaldırabilmektedir. Bu demek oluyor ki her bir elektromıknatıs 4900N’a dayanıklıdır. 49000 = 17.01 x v2 v2=16,97ms-1 = 61.1kmh-1 Tek kararlı 555 entegresi enerji kullanımını azaltmak ve kontrol etmek üzere kullanılmıştır. Bu devre yardımıyla tetikleyiciden bir uyarı gelmediği sürece çıkış gücü kararlı konumda tutulmuş ve tetikleyiciden gelen sinyalle birlikte çıkış gücünün belirli bir süre devamlılığı sağlanmıştır. Bu sinyal süresinin uzunluğu aşağıdaki formül kullanarak hesaplanmıştır: t = 1.1 x R1C1 SONUÇLAR ve TARTIŞMA Yapılan hesaplamalar ve modelleme tek bir elektromıknatıs kilidin 4,900N’luk bir kuvvete ve dolayısıyla 61.1 kmh-1 hızındaki bir rüzgara karşı dayanıklı olduğunu göstermiştir. Beaufort Skalası’na göre 7 şiddetindeki bir rüzgara karşı dayanıklı olan elektromıktanıs kilitlerden birden fazla kullanılarak prefabrik yapıların çatılarının ve hatta kendilerinin şiddetli rüzgarlara karşı güçlendirilebileceği düşünülmüştür. Böylece hem çevreye verilebilecek zararlar hem de çatıların uçması durumunda oluşabilecek harcamalar ve yapının içinde konaklayanların çekeceği sıkıntılar önlenmiş olacaktır. Maliyet Hesaplaması ve Çatı Giderleri Karşılaştırması Çatıların ağırlıkları, sırt açıları ve oluşabilecek maksimum rüzgarlar göz önüne alındığında, 8 tane elektromıknatıs kullanarak çatıların maksimum güvenli hale getirilebileceği düşünülmüştür. 8 tane Reth EM 500MR Fiyatı: 2000TL Şantiyelerde ve geçici konaklama merkezlerinde kullanılan prefabrik konutların ortalama fiyatları ve çatıların uçması durumunda yapının kendisinin de zarar görebileceği düşünüldüğünde 2000TL’lik bir harcamanın bu giderleri önlemek adına yapılabileceği düşünülmüştür. Yapısal ve maddi zararların yanında, çatının uçması durumunda çevrede bulunan insan ve hayvanların can güvenliği de göz önünde bulundurulmalıdır. Ortalama bir prefabrik konutun fiyatı: 15000TL Projenin Geliştirilmesi Mimarlar ve mühendisler ile çalışılarak elektromıktanıs kilitlerden maksimum verimi almak için yerleştirilmesi gereken yerlerin belirlenmesi, Projenin sadece çatıları sabitlemek için değil, prefabrik yapıların yere ve birbirine sabitlenmesi için de kullanılması, Tetikleyici devrenin rüzgarın şiddetine göre aşamalı olarak devreye girmesi için gerekli değişikliklerin yapılması. Referanslar http://www.buildingsguide.com/calculators/ http://en.wikipedia.org/wiki/Beaufort_scale http://www.instrotech.co.za/pdf/wind_forces.pdf http://www.windpoweringamerica.gov/pdfs/small_wind/small_wind_wa.pdf