Rüzgar etkisi altında yüksek bina tasarımı

Rüzgar etkisi gökdelende binanın mimarisini ve statiğini zorlayan bir çok problem oluşturur. Rüzgarın bina üzerinde yaptığı etki bina yüksekliği ile doğru orantılıdır. Statik rüzgar etkisi bina yüksekliğinin karesi ile doğru orantılıdır. Örneğin; 1970-80 lerin 300m lik bir gökdeleni, 1940’ların 60m yüksekliğindeki bir gökdeleninden 25 kat daha sağlam olmalıdır. Daha da fazlası, rüzgarın hızı yükseklere çıktıkça artar ki, yaptığı basınç hızının karesi ile orantılıdır. Bu nedenle diyebiliriz ki, yüksek binalarda rüzgarın etkisi yüksekliğin artması ile artar.

Yüksek yapılarda rüzgar tasarımı, şu iki bilgiye dayanır; taşıyıcı sistemin tasarımı sırasında dikkate alınması gereken toplam rüzgar etkileri ve bina dış kabuğunun belirlenebilmesi için binanın bulunduğu bölgenin yerel rüzgar etkileri. Rüzgar akışkandır ve çevresel etkenler yönü ve hızına etki etmektedir. Rüzgâra göre tasarım söz konusu olduğunda, bir bina çevresinden bağımsız düşünülemez. Komşu binalar ve arazi şartları önemli bir etki yaratır. Bu nedenle, bu rüzgar etkilerini bina üzerinde yaptığı aerodinamik etkiyi belirlemek için genelde rüzgar tüneli testi kullanılmaktadır.

Kanıtlanmış bir gerçektir ki; güçlü rüzgarlar gökdelenler üzerinde ciddi hasarlar oluşturmaktadır. Ayrıca, bugün daha popüler olan yüksek dayanımlı malzemeler ve hafif duvar elemanları kullanan modern gökdelenler eski gökdelenlere nazaran salınım yapmaya daha fazla eğilimlidirler. Rüzgar hareketi bugün gökdelen tasarımcılarının en önemli sorunudur. Bu salınım ile üst katlardaki objeler titrer, kapılar sallanır, duvar resimleri yanlanır, kitaplıktan kitaplar düşer ve sürekli bir rüzgâr fısıltısı duyulur. Eğer ki bina dönme hareketine mehilli ise kullanıcı dışarısının hareket ettiği hissine kapılabilir. Bütün bunlar kullanıcılar üzerinde ciddi psikolojik rahatsızlıklar yaratır. Yüksek bir binanın en üst seviyesindeki sallantı yoldan geçenler tarafından algılanamayabilir, fakat binanın üst kat kullanıcıları tarafından rahatsız edici bir biçimde hissedilebilir ki bu kullanıcılarda “hareket hastalığı” olarak bilinen bir hastalığı oluşturur.

Ulaşılması zor olan ana amaç, binanın yüksek katlarında oluşan bu sorunları kabul edilebilir limitler içerisinde tutmaktır. Mühendisler, binayı rijit hale getirmek için taşıyıcı sistemi oluşturan elemanların ölü yüklerini arttırmak yerine, yeni, hafif elemanlardan oluşan sistemler üretmeye başlamışlardır. Binanın düşey yüklerinin hesabı kolaydır. Hareketsiz yükler değişmez. Hareketli yükler ise yavaş yavaş değişir. Fakat rüzgarın hızı, yönü ve şiddeti her an değişmektedir. Rüzgarın yükü, hiç bitmeyen bir deprem gibi düşünülebilir.

Binaların tasarımında üç ana faktör ön plana çıkar; dayanıklılık, rijitlik ve denge. Yüksek binaların taşıyıcı sistemi bu üç ana faktörü sağlamalıdır. Alçak binalarda dayanıklılık, bu üç faktör arasında daha baskın olan tasarım etkenidir. Ancak, yükseklik arttığında rijitlik ve denge tasarımda daha önemli olur. Strüktürel açıdan önemli olan bu iki gereksinimi karşılamak için iki ana yol izlenebilir. İlki, dayanım gerektiren yöndeki yapı elemanlarının sayısını arttırmaktır ki; bu yöntem ekonomik değildir ve ancak belli bir limite kadar yararlı olabilir. İkinci ve daha etkili yol ise binanın formunu daha rijit ve sağlam bir forma dönüştürmektir.

Bina üzerinde çeşitli aralıklarla delikler açılabilir. Açılan delikler, rüzgarın etkileyebileceği bina yüzeyinin büyüklüğünü azaltmaktadır. Binanın yüzeyine açılan delik, binanın çapraz rüzgar yönünde geliştirdiği harekete ters bir yük ortaya çıkarmıştır. Bu yük binanın üst katlarının, çapraz rüzgar yönündeki salınımını azaltacaktır. Fonksiyonel bir açıdan bakıldığında bırakılan boşluklar alan kaybı olarak düşünülebilir. Fakat, bu boşluklar, binanın rüzgara karşı olan dayanıklıklığını ve verimin büyük ölçüde arttırmaktadır. Pearl River Tower’daki gibi bu boşluklara rüzgar türbini yerleştirilmesi ile değerlendirilebilmektedir. Rüzgar yüküne karşı, yükseldikçe bina kullanılabilir kat alanının azaltılması da başka bir çözümdür. Yükseldikçe bina kat alanının azaltılması, binanın kabuğunun eğimli olmasına sebep olacaktır ve bu eğim sayesinde rüzgarın yükü doksan derece yerine farklı açılarda binaya etki edecektir. Dubai’de yapılması öngörülen The Lighthouse Tower’da bu anlayış ile dizayn edilmiştir. Piramidal yapısı sayesinde rüzgar çatıdaki türbin boşluklarına doğru ilerler ve buradan tahliye edilir.