Geri Dön

A novel risk assessment approach for data center structures

Veri merkezi binaları için yeni bir risk değerlendirme yöntemi

PDF İndir

  1. Tez No: 634545
  2. Yazar: KUBİLAY ÇİÇEK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ SARI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 121

Özet

Yapısal güvenlik, binaların hem yapısal hem de yapısal olmayan bileşenlerinin değerlendirilmesi anlamına gelmektedir. Yapısal tasarım sırasında genelde sadece yapısal elemanlar modellenir ve gerekli analizler bu model üzerinden yapılarak, binanın yapısal elemanlarına gelecek olan kuvvetler ve karşılık gelen tepkiler hesaplanır. Yapısal olmayan elemanların ise genelde sadece kütleleri tasarıma dahil edilir. Sonuçlar doğrultusunda eğer yapısal elemanların, şartname ve yönetmelikler tarafından sağlanan limitlere uygunluğu kanıtlanmışsa, detaylı tasarımlar bu model üzerinden yapılabilir. Her ne kadar yapısal tasarım, sadece binaların yapısal elemanları göz önünde bulundurularak tamamlansa da, deprem sırasında yapısal olmayan bileşenler de çok önemlidir. Deprem sonrası afet alanları, yük taşıyıcı sistemler depremi hasarsız atlatmış bile olsa, yapısal güvenliğin sağlanmamış olabileceğini göstermektedir. Yapısal olmayan bileşenlerin hasar alması, geçmiş depremlerde büyük ekonomik kayıpların ve yaşam kaybının ortaya çıkmasına neden oldu. Bu nedenle, yapıların sismik güvenlik değerlendirmesine yapısal olmayan bileşenler de dahil edilmelidir. Araştırmalar, yapısal olmayan bileşenlerin maliyetinin, toplam bina maliyetinin \%60 ile \%80'ı arasında olduğunu göstermektedir. Bu oran özel yapılar için ve yüksek değerdeki yapısal olmayan elemanları barındıran binalar için daha da yüksek değerlere ulaşabilmektedir. Bu nedenle, yüksek teknoloji ekipmanı bulunduran binalar, laboratuvarlar, veri merkezleri gibi yapılarda yapısal olmayan bileşen hasarları ekonomiye önemli ölçüde zarar verebilir. Bu yapıların çalışmama süresinden kaynaklanan ekonomik kayıplara ek olarak, içindeki ekipmanın onarımı veya değiştirilmesi de maliyeti oldukça arttırır. Ekonomik kayıpların yanında müze ve sanat galerileri gibi değerli eşyaları içinde barındıran yapılar da, içindeki yapısal olmayan elemanları ile hasar durumunda topluma tarihsel ve kültürel açıdan zarar verme potansiyeline sahiptir. Ekonomik, kültürel ve tarihsel kayıplara ek olarak, hasar alan yapısal olmayan bileşenler bina içindeki ve yakın çevresindeki canlılara zarar verme potansiyeline de sahiptir. Hasar almış olan yapısal olmayan elemanlar doğrudan insanların üstüne düşerek veya kaçış yollarını kapatarak doğal afet sırasında ve sonrasında ölümlerin sebebi olabilir. Hasar alan yapısal olmayan bileşenler, bir deprem sırasında içerideki insanların kaçmasını önleyebilir ve deprem sonrasında sağlık personelinin ve kurtarma ekiplerinin girişini engelleyebilir. Hastaneler ve itfaiye istasyonları gibi kritik tesislerdeki yapısal olmayan bileşenlerin neden olduğu operasyonel arızalar, deprem meydana geldikten sonra kurtarma çalışmalarına etkisi sebebiyle daha fazla ölüme neden olabilir. Buna ek olarak, su ve elektrik istasyonlarındaki hasarlar ve operasyonel aksamalar, afet bölgelerine sağlanması gereken elektrik ve su gibi temel yaşam ve kurtarma ihtiyaçlarının karşılanmasına engel olabilirler. Yapısal olmayan bileşenlerin çoğu yapılardaki yük taşıyıcı sistemlere destek olmaz. Ancak yine de yük taşıyıcı sistemler ile olan bağlantılarından ve etkileşimlerinden dolayı yapısal elemanlar gibi harici yüklere maruz kalırlar. Bu nedenle, yapıları, içerideki yapısal olmayan sistemleri de dikkate alarak tasarlamak çok önemlidir. Araştırmalar, yapısal olmayan bileşenlerin bir kısmının ivmeye, geri kalanının ise göreli kat ötelenmesine duyarlı olduğunu göstermektedir. Yapının işlevine göre ve içindeki yapısal olmayan elemanlara göre, duyarlı olunan parametrenin sınırlandırması için yapısal tasarım yapılmalıdır. Yapısal olmayan bileşenler işlevlerine göre genelde 3 gruba ayrılır: (i) bölme duvarları ve aydınlatma sistemleri gibi mimari bileşenler, (ii) boru sistemleri ve jeneratörler gibi mekanik-elektronik bileşenler ve (iii) bilgisayarlar ve kitaplıklar gibi bina ekipmanları. Bu çalışma yüksek sismik riskli bölgelerdeki veri merkezi binalarının yapısal tasarımı ve yapısal değerlendirmesi için yeni bir yöntem önermeyi ve risk eğrileri oluşturmayı amaçlamaktadır. Sonuç olarak elde edilen risk eğrileri ile veri merkezlerinin tasarımı sırasında gözönünde bulundurulacak riskler için risk matrisi elde edilmesi hedeflenmiştir. Mevcut literatürden toplanan birkaç örnek yapı seçildi. Bu örnek yapılar arasından veri merkezleri için mevcut standartlar ve Türkiye için geçerli bina yönetmeliklerine uygun olarak az katlı, rijit ve simetrik bir üstyapı bu çalışmada kullanılmak üzere seçildi. Seçilen yapı hem izolatörlü hem de ankastre mesnetli olacak şekilde 2 farklı yapıya dönüştürüldü ve modeller oluşturuldu. Yapı modelleri oluşturulduktan sonra, ana kampüs alanı İstanbul, Maslak'ta bulunan İstanbul Teknik Üniversitesi için olasılıksal deprem tehlikesi değerlendirme analizleri tamamlanmıştır. Marmara Bölgesi için en etkili olan fay hattı Kuzey Anadolu Fay hattıdır. Bu nedenle deprem kaynağı olarak Kuzey Anadolu Fayı esas alınmıştır. Kaynak-saha mesafeleri Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü'nün çevrimiçi haritası kullanılarak belirlendi. Kuzey Anadolu Fayı'nın ana hattı üstünde, İTÜ kampüsüne en yakın nokta, yaklaşık olarak 28 km uzaklıktadır. Bu nedenle etkili en kısa mesafe 28 km olarak seçildi. Etkili en uzun mesafe ise yapılan analiz denemeleri yapıldı ve 65 km sonrasında etkilerin çok azaldığı görüldü. Bu nedenle etkili en uzun mesafe 65 km ile sınırlandırılmıştır. Kırılma mesafesi olasılığı üniform olarak alındı ve deprem azalım ilişkilerinde 28 km ve 65 km arası değişen 6 farklı değer kullanıldı. Bu sayede yapının 6 farklı deprem seviyesinde analiz edilmesi sağlandı. Deprem azalım ilişkilerinde karakteristik deprem yöntemi dikkate alınmış ve yapılan araştırmalar sonucunda, Marmara Bölgesi üstündeki fay segmentlerinin karakteristik büyüklüğünün maksimum 7.2 olarak hesaplandığı görülmüştür. Bu nedenle deprem büyüklüğü hesaplamalarda 7.2 olarak kullanılmıştır. Kırılganlık eğrilerinde uç noktalara ek data sağlama ve böylece datalara daha uygun bir eğri elde etmek için ek olarak 6.7 ve 7.7 depremleri de kısmi olarak hesaplama ve analizlere dahil edilmiştir. Olasılıksal çalışma için 3 adet yapısal parametre ve 3 adet izolasyon sistemine ait parametre seçilmiştir. Seçilen yapısal parametrelerle Monte Carlo simülasyonları kullanılarak bu yapı üzerinde olasılıksal çalışma yürütüldü. Literatürdeki çeşitli çalışmalardan, seçilen parametreler için olasılık dağılımları alındı. Her bir parametreye ait olasılık dağılımlarına uygun olarak rastlantısal değerler üretildi. Hem ankastre mesnetli hem de izolasyona sahip bina için de analizler yapıldı. Yapısal başarısızlık dışında, yapısal olmayan bileşenlerin başarısızlığı iki farklı şekilde incelendi. İlk başarısızlık kriteri, sunucu kabinetlerindeki ankraj bağlantılarının hasar alması durumu olarak belirlendi. Ankrajların hasar almasınun ana çıktısı ise devrilme-kayma davranışıdır. Bu hasar durumunun temel olarak sebebi ivme tepkisidir. Bu nedenle maksimum kat ivme tepkileri incelendi. Sabitlenmiş yapısal olmayan bileşenler için ivme sınırları hesaplarında FEMA P58 ve ASCE 7-16'de verilen formulasyonlar kullanıldı. İkinci başarısızlık kriteri ise, üreticiler ve araştırmacılar tarafından verilen sunucuların titreşim sınırlamalarıdır. Titreşim tepkileri, her katın ivme-zaman çıktılarının frekans aralığındaki denk geldiği değer hesaplanarak belirlendi ve verilen sınır değerleri ile karşılaştırıldı. Analizler OpenSees platformu kullanılarak yapıldı. Monte Carlo simülasyonlarını, OpenSees platformunda çalıştırmak için özel bir MATLAB kodu oluşturuldu. Her analiz için başarısızlık olasılıkları hesaplanarak, önceden tanımlanmış olan başarısızlık kriterlerine göre kırılganlık eğrileri oluşturuldu. Her iki yapı için risk eğrileri, seçilen alan için spesifik yıllık tehlike eğrisi ve elde edilen kırılganlık eğrileri kullanılarak oluşturuldu. Bu eğriler kullanılarak, hem ankastre mesnetli hem de izolasyona sahip binaları kapsayan bir risk matrisi oluşturuldu. Sonuçlar izolasyon sistemine sahip yapıların, ankastre mesnetli yapılara kıyasla, binanın üst katlarında ivmeleri önemli ölçüde azalttığını göstermektedir. Ek olarak izolatörlü yapıların, yapısal değişkenlerden çok depremin karakteristik özelliklerine daha duyarlı olduğu gözlemlenmiştir. Veri merkezlerindeki öncül başarısızlık kriterinin, sunucularda titreşim nedeniyle oluşan arızalardan ziyade sunucu kabinetlerinin devrilme-kayma davranışı olduğu da anlaşılmıştır.

Özet (Çeviri)

Structural safety includes evaluation of both structural and nonstructural components of buildings. Although structural design is completed only considering structural elements of buildings, nonstructural components are crucial in an earthquake event. Post-earthquakes areas show that structural safety may not be ensured even when the load-bearing system is undamaged. Failure of nonstructural components resulted in loss of enormous economic losses and loss of life in past earthquakes. Therefore, nonstructural components should also be included in seismic safety evaluation of structures. Researches show that cost of the nonstructural components ranges from \%70 to \%90 of the total cost of buildings. Therefore, nonstructural component failure in structures with high-tech equipment, laboratories, data centers can damage economy significantly. Additional to economic losses from downtime of these structures, repairing or replacement of equipment inside increase the cost extremely. Apart from the economic losses, damaged nonstructural components can be the cause of deaths directly by falling onto people and closing pathways. During and after an earthquake event, damaged nonstructural components can prevent escape of people inside and entry of medical staff. Moreover, operational failures caused by nonstructural components in critical facilities such as hospitals and fire stations, can lead to higher number of deaths after earthquake occurred. Nonstructural components do not participate to load-bearing systems in structures. However, they are still subjected to external loads with the load-bearing system. Therefore, it is crucial to design structures by considering the nonstructural systems inside. Nonstructural components can be classified in 3 groups by their functions: (i) architectural components such as, partition walls and lighting systems, (ii) mechanical-electrical components such as piping systems and generators, and (iii) building equipment such as, computers and file cabinets. Researches show that some of nonstructural components are sensitive to acceleration whereas the rest are sensitive to floor displacement ratio. According to the function of the structure, design should be completed to limit the defining response. This study aims to propose a new method and generate risk curves for structural design and structural evaluation of data centers in high seismic risk regions. A sample structure with base isolation system is selected from current literature in companion with standards for data centers. Structural properties are also selected in companion with standards. After the structure model is generated, probabilistic seismic hazard assessment is completed for the selected site where the main campus area of Istanbul Technical University in Maslak, Istanbul. Source-to-site distances are determined by using online map in General Directorate of Mineral Research and Exploration website. The closest point of main line of Western North Anatolian Fault is approximately 28 km away from ITU campus and the longest effective distance is selected as 65 km on the Western NAF. Probability of rupture distance is taken as uniform and 6 different values of distances between 28 km and 65 km are used in Ground Motion Prediction Equations. Characteristic earthquake method is considered and the characteristic magnitude is used as 7.2 in GMPEs. Probabilistic study is conducted on this structure by using Monte Carlo simulations with the selected structural parameters. Probabilistic distributions for different parameters are taken from various studies in literature. Random samplings are generated for each parameters according to the belonging probabilistic distributions. For comparison purpose the structure is also analyzed as a fixed-base structure. Same procedures are repeated for the fixed-base structure. Failure of nonstructural components are investigated in two different ways. The first failure criterion is overturning-sliding behavior of server racks. FEMA P58 and ASCE 7-16 is used to calculate acceleration limits for anchored nonstructural components. The second failure criterion is the acceleration limitations of servers given by producers and researchers. A special MATLAB code script is generated to run Monte Carlo simulations on OpenSees platform. Fragility curves are generated according to the predefined failure criteria. Risk curves are created for both structures with the site specific annual hazard curve and generated fragility curves. Results show that base-isolation systems reduces the accelerations significantly comparing to the fixed-base structures in higher floors. Another outcome is the isolation systems are highly sensitive to earthquake characteristics rather than structural variables in terms of accelerations. It was also understood that the critical failure mod in data centers is the overturning-sliding behavior rather than vibration failure of servers.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    791252

    Normal popülasyonda miyokardiyal T1, T2 ve T2* değerlerinin yaş, cinsiyet ve kardiyak segmentlere göre analizi

    Analysis of myocardial T1, T2, and T2* values in normal population by age, gender, and cardiac segments

    ÇAĞRI ÖZCAN

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Radyoloji ve Nükleer TıpSağlık Bilimleri Üniversitesi

    Radyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN YİĞİT

  2. Tez No

    310590

    Security risk assessment for critical facility protection

    Kritik tesislerin korunmasında güvenlik riski değerlemesi

    İLKER AKGÜN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET FAHRİ ÖZOK

  3. Tez No

    887356

    An integrated decision support system for electrification of public buses

    Toplu taşıma otobüslerinin elektriksel dönüşümüne yönelik bir entegre karar destek sistemi

    RUCHAN DENİZ ÖZGEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NEZİR AYDIN

    DR. İBRAHİM MURAT TURHAN

  4. Tez No

    790532

    Çay tarımı çalışanlarında işe bağlı kas iskelet sistemi rahatsızlıklarına yönelik ergonomik risk değerlendirme: Doğu karadeniz bölgesinde bir saha araştırması

    Ergonomic risk assessment for work-related musculoskeletal disorders in tea agriculture workers: A research study in the eastern black sea region

    VEYSEL TATAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Ticaret Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN YAZICIOĞLU

  5. Tez No

    865732

    A dynamic risk assessment model proposal in chemical tanker ship

    Kimyasal tanker gemilerinde dinamik bir risk değerlendirme modeli önerisi

    ŞÜKRÜ İLKE SEZER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMRE AKYÜZ

Geri Dön