A Decision Support Model For Elevator System Design In Tall Buildings

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2015Yüksek yapılar kentsel silüetin ve yapılı çevrenin değişmez unsurlarındandır. Gerek ölçek bakımdan, gerekse insanlar üzerinde bıraktığı görsel etki bakımında yüzyıllardır insanların daha da yükseğe çıkma arzularını artırmıştır. Tarih boyunca yüksek yapıların inşa edilmesi ise, teknolojik gelişmelere bağlı olmuştur. Modern anlamda yüksek binaların ortaya çıkışındaki en önemli gelişmelerden biri asansörlerin kullanılmasıdır. Asansör teknolojisindeki gelişmeler yüksek binaların sayısını artırırken, sayıları her geçen gün artan yüksek binaların inşaası asansör teknolojisinin sınırlarını zorlamaktadır. Özellikle son yıllarda sayıları gittikçe artan gökdelenlerde, dikey sirkülasyon sistemlerinin tasarımı daha da önemli bir yer tutmaktadır. Yüksek binaların tasarımında sirkülasyon hayati önem taşımaktır. Bu yüzden, tasarım sürecinde yatay veya düşey sirkülasyonla ilgili alınacak kararlar tasarımın önemli parçasını oluşturur. Yüksek binalarda asansör sistemi tasarımı, farklı disiplinlerden birçok etkenin göz önünde bulundurularak tasarlandığı süreçlerdir. Mimari, strüktürel, teknik, fonksiyonel birçok etken tasarıma etki eder. Asansör sistemi tasarımı bir bina için gerekli olan asansör sayısı, asansör kapasitesi ve hızının belirlenmesinin yanı sıra asansörler için en uygun yerleşimin belirlenmesini de kapsamaktadır. Yolcu asansörlerine ek olarak binada kullanılacak servis ve yangın asansörleri de bu sistemin içerisinde yer alır. Asansör sisteminin hedefleri binanın kullanıcı trafiğini karşılamak olduğu gibi, tasarım kriterleri arasında maliyet, enerji etkinliği, bakım, güvenlik, strüktürel ve sismik faktörler de bulunmaktadır. Tüm bunlar düşünüldüğünde, tasarımcının farklı disiplinden birçok etkeni göz önünde bulundurularak bina için ideal asansör sistemini tasarlaması gerekmektedir. Fakat bu durum uzman bilgisi, deneyim veya mevcut binalar üzerinde kapsamlı bir araştırma gerektirmektedir. Yönetmelikler, asansör tasarımına etki eden en önemli faktörlerden biridir. Binanın bulunduğu ülke ve hatta şehire göre değişen yönetmeliklerde asansör tasarımında dikkat edilmesi gereken hususlar detaylı olarak belirtilmektedir. Kullanılacak asansör tipi ve teknolojisi ise tasarıma etki eden bir diğer faktördür. Genel olarak asansörler hidrolik, elektrikli ve makine dairesiz asansörler olmak üzere üç ana grupta toplanır. Yüksek binalarda dişlisiz (gearless) olarak adlandırılan elektrikli asansörler kullanılmaktadır. Bir binada asansör sistemi tasarımında bina fonksiyonu ve kullanımı belirleyici faktördür. Binanın konut, ofis, hastane veya otel gibi farklı kullanımlarda olması ve binanın kullanıcı profili tasarlanacak asansör sistemindeki asansör sayısı, trafik yükü, sirkülasyon şeması gibi diğer faktörleri de etkiler. Bunlara ek olarak, binadaki toplam kullanıcı sayısı ve kullanıcıların katlara olan dağılımı, bina trafik analizi, asansörlerin bina içerisinde konumlandırılması ve gruplanması, kullanılacak asansörlerin sayısı, hızı ve kapasiteleri asansör sistemi tasarımını etkileyen diğer faktörlerdir. Asansör sistemi tasarımı temel olarak asansör trafik anaizlerine dayalıdır. Asansör trafik analizleri mevcut bir binanın yada tasarlanmış bir asansör sisteminin binanın ihtiyacı olan servis hizmetini karşılayıp karşılamayacağını test eden yöntemlerdir. Bu yöntemeler genel olarak iki şekilde uygulanmaktadır. Analitik hesaplara dayalı geleneksel yöntem olarak adlandırılan modellerde, temel matematiksel hesaplar kullanılarak binanın trafik analizleri yapılır. Diğer yöntem ise bilgisayar teknolojisinin kullanıldığı karmaşık simülasyon modelleri ile binanın trafik analizlerinin yapılmasıdır. Simülasyon modelleri temel olarak analitik yöntemlere dayansa da, analitik yöntemlerle hesaplanamayan karmaşık durumların analizinde etkili sonuçlar vermektedir. Bir binanın trafik durumu gelen yönde trafik, giden yönde trafik ve katlar arası trafik olarak sınıflandırılmaktadır. Gelen yönde trafik, sabah saatinde ofis binalarında olduğu gibi kullanıcıların asansöre binecekleri ana terminale geldikleri ve yukarı yönde hareket ettikleri trafik durumudur. Giden yönde trafik ise yine ofis binalarında olduğu gibi kullanıcıların binayı terk etmek için katlardan ana terminale doğru yaptıkları haraketi tarif eder. Katlar arası trafik ise, bina kullanıcılarının binanın katları arasında oluşturduğu aşağı ve yukarı yönde tarfiğin birleşiminden oluşmaktadır. Analitik yöntemlerde kullanılan trafik hesapları gelen yönde trafik durumunda binanın istenilen talebe cevap verebilmesine yönelik olarak tasarlanmıştır. Gelen yönde trafik ihtiyacını karşılayan binanın bütün trafik durumları için etkin olacağını varsayar. Simülasyon modelleri ise, binada oluşabilecek her trafik durumunun analizini yaparak sonuçlar üretir. Asansörlerden sağlanması istenen servis kalitesi, binanın kullanım tipine, bütçeye ve kullanıcı profiline bağlıdır. Asansör servisinin kalitesi ise kullanıcıların istedikleri yerlere ulaştırılmasındaki hızla ölçülür. Bu da, istenen kata ulaşmada kullanıcının yolculuk boyunca asansör içerisinde geçirdiği zaman ve asansörü beklemesindeki toplam zamanla tanımlanır. Bu zaman ne kadar kısaysa, sağlanan servis de daha iyi olacaktır. Bir kişinin asansörü beklemek için geçirdiği süre bekleme aralığı olarak ifade edilir ve gelen kabinlerin ulaşmaları için geçen zaman aralığıdır. Bu zaman, her bir kabinin gidip gelme süresine ve kabin sayısına bağlıdır. Gidip gelme zamanı, bir asansörün giriş katından ayrıldıktan sonra, ortalama sayıda kullanıcıyı üst katta ortalama durağaulaştırdıktan sonra tekrar giriş katına gelmesi için geçen süredir. Bu çalışma kapsamında, yüksek binalarda asansör tasarımı için kullanılabilecek bir karar destek modeli geliştirilmesi amaçlanmıştır. Modelin karar destek olarak adlandırılmasındaki neden, geliştirilen modelin özellikle erken tasarım aşamasında kullanıcıya herhangi bir uzman bilgisi veya araştırma gerektirmeksizin tasarlayacağı bina için en etkin asansör sistemi tasarımını elde etmesinde yardımcı olmasının amaçlanmasıdır. Böylece tasarımcı, tasarımın ilerleyen aşamalarında yanlış hesaplamış asansör sayısına bağlı olarak yaşayacağı sorunların önüne geçmiş olacak ve deneme yanılma yöntemine başvurmadan tasarımın ilk aşamalarından itibaren bilinçli bir dikey sirkülasyon şeması oluşturmuş olacaktır. Tezin ilk bölümünde, çalışmanın amacı, kapsamı ve izlenilen yöntem açıklanmıştır. Tezin ikinci bölümünde, asansör sistemi tasarımına etki eden faktörler literatür taraması yapılarak incelenmiştir. Tezin üçüncü bölümünde ise, asansör trafik hesapları ve analiz yöntemleri incelenerek, analiz yöntemleri ve tasarım süreci arasındaki ilişki irdelenmiştir. Bu bölümde incelenen analiz yöntemleri geliştirilen model için temel oluşturmuştur. Tezin dördüncü bölümünde, yüksek binalar için geliştirilen asansör sistemi karar destek modeli tanıtılmış ve 40 kattan az ofis binaları için modelin uygulanması gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlar mevcut asansör trafik analiz simülasyonu olan Elevate programı ile test edilmiştir. Tezin sonuç bölümünde, tez sürecinde yapılan araştırmalarla ilgili genel bir çerçeve oluşturularak, uygulanan modelin sonuçları değerlendirilmiş ve modelin ileriye yönelik çalışmalardaki hedefleri tanımlanmıştır. Tez kapsamında geliştirilen karar destek modeli yolcu asansörlerini kapsamaktadır, yük asansörleri ve acil durum asansörleri modele dahil edilmemiştir. Bina trafik analizleri için geleneksel analiz hesaplarına dayanan analitik trafik analiz yöntemi kullanılmıştır. Asansör sistemi tasarımına etki eden parametreler ise yapılan literatür araştırmaları sonucu elde edilmiş, asansör teknik verileri ise çeşitli asansör firmalarından elde edilerek modele dahil edilmiştir. Geliştirilen model, uygulama olarak yüksek ofis binaları için test edilmiştir. Bunun nedeni, modelde kullanılan analitik trafik analiz yönteminin ofis binalarında görülen kullanıcı trafiğini baz alan matematiksel hesaplar içermesidir. Model kapsamına daha karmaşık matematiksel formüller eklendiğinde ise model farklı bina kullanımları ve farklı kullanıcı trafik örüntüleri için de uygulanabilmektedir. Modelin uygulamasına 40 katın üzerindeki binalar dahil edilmemiştir. 40 kat üzerindeki yüksek binalar için gökyüzü lobileri gibi farklı tasarım çözümlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çözümler ise daha karmaşık formüllerin modele dahil edilmesini gerektirmektedir. Modelin uygulaması Rhinoceros 4, Grasshopper eklentisi kullanılarak geliştirilmiştir. Bu programın tercih edilmesindeki neden, ileriye yönelik çalışmalarda modele geometrik ilişkilerin de dahil edilebilmesidir. Modelin ürettiği sonuçlar ise, Grasshopper ve Ms Office Excel bağlantısı kuran bir eklenti aracılığı ile kullanıcıya tablo olarak sunulmaktadır. Modelin geçerliliğinin test edilebilmesi için üretilen sonuçlar ticari bir simülasyon yazılımı olan Elevate programında simüle edilerek sonuç bölümünde değerlendirilmiştir.Especially in the last few decades, by the construction of mega tall towers, elevator systems have become a major constraint of a tall building design since it is the most important part of a vertical transportation system in buildings. Vertical transportation systems can be described as a system that contains the design of all passenger and goods circulation facilities and devices in a building, such as elevators, escalators and stairs. The vertical transportation strategy has a fundamental impact on the design of any building. In design process, number of vertical transportation elements and their locations are the preliminary decisions to specify the circulation pattern of a building that needs to provide users a comfortable means of transportation. The most important systems for vertical transportation in buildings are elevators. The goal in elevator system design is to move a specific number of passengers from the entrance floor to their destination floors with the minimum amount of waiting and travelling time, with minimum number of elevators by providing minimum core space, cost and using the smallest amount of energy. In other words, designers need to consider several factors affect the vertical circulation design to achieve an optimal elevator system solution. Yet, making decisions to achieve an optimal vertical transportation indicates an expert knowledge or research on existing buildings. Principally, the design of an elevator system is based on traffic analysis, which identifies the traffic requirements, elevator traffic calculations and the efficiency of an elevator system as well as the traffic control method. Traffic analysis are generally used to analyze the traffic flow of an existing or designed elevator system. Various methods and different commercial software have been developed for analyzing the elevator traffic of a building. Fundamentally, each method are using standard traffic calculations. While conventional methods are using analytical equations, advanced methods combines the analytical equations with complex computer models of simulations. With few exceptions, most of them are developed to analyze initially designed elevator systems to check the efficiency according to traffic requirements. In addition, traffic calculations are using for determining the required number of elevators in a building, based on a principle that designer picks a relevant speed and car capacity of elevators. Without any experience or expert knowledge, the decision of picking a rated speed for elevators becomes arbitrary The aim of this research is to establish a decision support model for elevator system design in tall buildings. The model named as a decision support model as it is conceptualized for giving support to architects in the planning and conceptual design stage of a tall building that helps designer to find optimum number of elevators, their speed and capacity without having any expert knowledge or experience. The proposed model is considered as part of a comprehensive system, which determines the optimum vertical transportation system for tall buildings including elevators, escalators and stairs. In this research, the elevator system, which is the major element of a vertical transportation, is examined. In the first chapter, the purpose and scope of the thesis is explained. In the second chapter, through the literature survey, elevator system design considerations are identified from the point of different profession’s objectives, since it is assumed as a multi-objective procedure. In the third chapter, traffic analysis and design methods are introduced to identify the relation between analysis methods and elevator system design process. In the last chapter, the decisions support model for elevator system design in tall buildings, is introduced. The model implemented for office buildings under 40 stories and results are tested with an existing elevator simulator called Elevate. In conclusion part, all results are evaluated and suggestions for future works are considered for future development of the model. The model only comprise passenger elevators so; goods elevators and fire-fighter lifts are out of scope. Analytical traffic analysis method is used in the model through the conventional up-peak traffic calculations. The parameters affect the elevator system design are provided from previous field studies through literature survey and elevator kinematics are provided by lift companies. The model is implemented for tall office buildings as the traffic analysis calculations are coded for up-peak traffic conditions which is the determinant traffic pattern of an office building’s elevator system. If complex analytical equations were added in the model for other types of traffic patterns, the model could also be implemented for different building uses. The model has a height limit of 40-storeys, because tall building more than 40-storeys need special solutions like sky lobby system. The model is developed using Rhinoceros 4, Grasshopper add-on. The reason of using the Grasshopper for the implementation of the model is to supply a medium for geometric relations and queries for further developments. For instance, the distance from main entry to the elevator lobby, efficiency of elevator configuration, fire regulations could be added to the model. The results of the model are transferred directly to the spreadsheet using an add-on, which connects Grasshopper to MS Office Excel file. In addition, results are tested with an existing elevator traffic simulation software called Elevate.Yüksek LisansM.Sc