PERFORE KIYI DUVARLARININ HİDROLİK PERFORMANSI

Transkript

1 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 407 PERFORE KIYI DUVARLARININ HİDROLİK PERFORMANSI Bahar ÖZÖĞÜT Didem YILMAZER Esin ÇEVİK Yalçın YÜKSEL Çevre Yük. Müh Araş. Gör. Dr. Prof. Dr. Prof. Dr. Çevre ve Yıldız Teknik Yıldız Teknik Yıldız Teknik Orman Bakanlığı Üniversitesi Üniversitesi Üniversitesi Ankara, Türkiye İstanbul, Türkiye İstanbul, Türkiye İstanbul, Türkiye ÖZET Yapısal kıyı koruma yöntemlerinden biri olan düşey kıyı duvarları, dalga ile yapı etkileşiminin doğurduğu bir takım hidrolik etkiler meydana getirmektedir. Özellikle liman yapılarında kullanılan düşey kıyı duvarlarında yaşanan en önemli problem yapının düşey olmasından kaynaklanan dalga yansıma etkileridir. Kıyı yapılarında yansıma ve iletim etkilerinin araştırılması için son yıllarda çeşitli araştırmalar yapılmaktadır. Bu çalışmada, düşey perfore duvarlar için dalga yansıması ve dalga iletimi incelenmiş, küçük ölçekli hidrolik performans deneyleri yapılmış ve sonuçlar tartışılmıştır. GİRİŞ İnsanoğlunun geçim ve yaşam kaynağı olan kıyı alanları, doğal süreçler ve insanların sebep olduğu etkilerden dolayı hasar görmektedir. Bu hasarlar sonucunda doğal dengenin bozulması ile yine insanlar zarar görmektedir. Son yıllarda su seviyelerinde ve fırtına oluşum oranlarındaki artış ile birlikte dalga etkilerine karşı korunmayı sağlayan kıyı yapıları giderek önem kazanmaktadır. Kıyı alanlarında yaşayan insanların da gün geçtikçe bilinçlenmesi sonucu kıyı yapılarının tasarımında, daha güvenilir yöntemler kullanılması için çaba gösterilmektedir. Kıyı duvarları kıyı alanlarında en çok kullanılan kıyı yapılarındandır ve çoğunlukla kıyı alanlarının erozyondan, su baskınlarından ve dalga etkilerinden korunması amacıyla kullanılmaktadır. Düşey kıyı duvarları daha az yer kaplamaları, daha az malzeme gerektirdiklerinden ve inşa sürelerinin kısa olması nedeniyle oldukça çok tercih edilen yapılardandır. Yapısal kıyı koruma yöntemlerinden biri olan düşey kıyı duvarları, dalga ile yapı etkileşiminin doğurduğu bir takım hidrolik etkiler meydana getirmektedir. Özellikle liman yapılarında kullanılan düşey kıyı duvarlarında yaşanan en önemli problem yapının düşey olmasından kaynaklanan dalga yansıma etkileridir. Düşey duvardan yansıyan dalgalar duvar önünde çalkantıya sebep olarak kırılan ve çok dik dalgaların oluştuğu düzensiz bir deniz durumu yaratmaktadır. Duvar önündeki bu düzensiz durum dalgaların yapı üzerinden aşarak duvarın arka tarafına geçmesine sebep olabilmektedir. Özellikle yoğun dalga hareketlerinin istenmediği bir liman alanında, dalga yansımaları liman girişlerinde çalkantıya sebep olarak küçük teknelerin manevralarını ve liman içerisindeki yük/yolcu indirip-bindirme faaliyetlerini de güçleştirmekte ve deniz araçlarında seyir problemine neden olmaktadır. Ayrıca dalga yansıması sonucunda kıyı duvarı önündeki yapı topuğunda oyulmalar meydana gelerek erozyon oluşabilmekte bu da yapı stabilitesini bozmaktadır.

2 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Düşey kıyı duvarlarının bu tür olumsuz etkilerini azaltmak amacıyla alternatif uygulama yöntemleri geliştirilmiştir. Bunlardan biri olan perfore kıyı duvarları ile dalganın yapıdan geçmesine izin vererek dalga yansımasını azaltmak ve duvar önündeki çalkantılı deniz durumunu en aza indirmek amaçlanmaktadır. Perfore duvarların faydalı etkileri şu şekilde özetlenebilir; Ulaşım ve malzeme maliyetleri düşüktür Yapı önündeki su seviyesi salınımlarını azaltır ve böylece dalga tırmanma ve dalga aşma etkileri en aza indirilir. Yapı topuğunda oyulma riski azalır. Manevra alanının çok geniş olmadığı limanlarda ve yanaşma yerlerinde kullanılabilmektedir. Kıyı yapılarında yansıma ve iletim etkilerinin araştırılması için son yıllarda çeşitli araştırmalar yapılmaktadır. Bergmann ve Oumeraci (999) tekli ve çoklu duvar sistemlerinin hidrolik davranışlarının belirlenmesi için büyük ölçekli deneyler gerçekleştirmişlerdir. Bu deneylerde farklı poroziteye sahip kıyı duvarları için iletim ve yansıma oranları belirlenmiştir. Kıyı duvarlarında yansıma birçok parametreyi içermektedir, bu nedenle tekli perfore kıyı duvarlarının performansının tanımlanmasında Yansıma Parametresi kullanılmıştır. Bu çalışmada tekli perfore düşey duvarların dalga yansıma ve iletim performansının değerlendirilmesi amacıyla bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Hidrolik performans parametreleri olarak yansıma ve iletim dikkate alınmış ve yapılan ölçümlerde dalga aşmasına müsaade edilmemiştir. Yapı porozitesini sağlayan boşluklar dairesel olarak seçilmiş ve duvar önündeki yansıma ile duvar arkasındaki dalga iletimi ölçülmüştür. %20, %26, %40 poroziteye sahip olmak üzere üç farklı perfore duvar modeli ile çalışılmış ve bunların hidrolik performansları karşılaştırılarak sonuçlar değerlendirilmiştir. TEKLİ PERFORE KIYI DUVARI Bu çalışmada, düşey perfore duvarlar için dalga yansıması ve dalga iletimini inceleyen hidrolik performans deneyleri yapılmıştır. Deneysel çalışmalar Yıldız Teknik Üniversitesi Hidrolik ve Kıyı-Liman Laboratuarında kurulu iki-boyutlu düzenli dalga kanalında gerçekleştirilmiştir. Deneylerin yapıldığı dalga kanalı, m genişliğinde, m derinliğinde ve 20 m uzunluğunda olup 4 m boyunca her iki tarafı camla kaplıdır. Hareketsiz olan kanal tabanı /20 oranında eğime sahiptir. Dalgalar, bir eksantrik yardımı ile doğru akım motorunun miline bağlanan tabana mafsallı bir palet ile üretilmiştir. İstenilen yükseklik ve periyottaki dalgalar, bu doğru akım motoruna giden akımı düzenleyen ve kumanda eden redresör ve eksantrik yardımıyla üretilmiştir. Kanalda oluşan yansımaları en aza indirmek için kanalın her iki tarafına dalga sönümlendiriciler yerleştirilmiştir. Deneylerde kullanılan perfore duvarlar dalga pedalından 4.5 m uzaklığa yerleştirilmiştir. Deneylerde %20, %26 ve %40 olmak üzere üç farklı poroziteye sahip düşey kıyı duvarı modelleri kullanılarak farklı dalga şartlarında, sabit su derinliğinde iletim ve yansıma performansları çalışılmıştır. Ancak sistemde kıyı duvarlarının yükseklikleri aşmaya izin vermeyecek şekilde seçilmiştir.

3 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 409 Düşey perfore kıyı duvarının dalga yansıma ve iletiminin ölçülmesinin amaçlandığı hidrolik performans deneylerinde, öncelikle iki boyutlu dalga kanalında duvar yerleştirilmeden çeşitli eksantrik ve redresör değerleri için farklı yükseklik ve periyotta dalgalar üretilmiştir. Duvarın kanala yerleştirilmesi planlanan konuma göre nolu dalgaölçer probu yerleştirilmiş ve kırılmayan ve düzenli koşullardaki dalgalar ölçülmüştür (Şekil ). HRWaveData dalga kayıt programı ile ölçülen dalga yüksekliği ve dalga periyotları değerlendirilmiştir. Model kıyı duvarı yerleştirilmeden önce ölçülen bu dalga periyot ve yükseklikleri, duvar yerleştirildikten sonra aynı değerlerde üretilerek hesaplamalarda gelen dalga verileri olarak kullanılmıştır. Prob Prob 2 Prob 3 Prob 4 Prob 5 Şekil Dalga ölçümleri için kanala yerleştirilen probların konumları Çalışmada gerçekleştirilen deneylerde 50 mm kalınlığında pleksiglassdan yapılmış üç farklı poroziteye sahip perfore düşey duvar modeli kullanılmıştır. Bu duvarların poroziteleri %40, %26 ve %20 olarak seçilmiştir. Perfore kıyı duvarı modelinde gözenekler dairesel olarak seçilmiş ve duvarlar 70 cm yüksekliğinde dalga aşmasına izin vermeyecek şekilde seçilmiştir. Poroziteler hesaplanırken duvarda boşluk olarak bulunacak daire eksenleri arasındaki uzaklıklar eşit tutularak, eksenler arasındaki mesafe bir karenin kenarını oluşturacak şekilde hesaplanmıştır. Bu durumda porozite, daire alanı/kare alanı oranı olarak hesaplanmıştır (Şekil 2). Şekil 2 Perfore duvarda porozite hesabı şeması Deneyler her bir duvar için 49 adet dalgadan oluşan bir seri halinde yapılmıştır. Her üç duvar için bu 49 adet dalga üretilmiş ve böylelikle 47 adet deney yapılmıştır. Dalgaların periyotları T=0.8 ile 2.2 s aralığında, yükseklikleri ise H i = cm aralığında değiştirilmiştir.

4 40 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu BULGULAR Üç farklı porozitedeki duvarların yansıma katsayılarının bir arada gösterildiği Şekil 4 de %40 poroziteye sahip duvarın dalga etkisinde %26 ve %20 poroziteli düşey duvarlardan daha düşük yansıma katsayılarına sahip olduğu görülmektedir. Şekil 3 den porozitenin artması ile yansıma katsayısının dolayısıyla yansıma miktarının azaldığı görülmektedir. Ayrıca artan rölatif dalga yüksekliği ile yansıma katsayısının arttığı görülmektedir. Bu da yüksekliği büyük dalgaların küçük dalgalara göre yapı üzerinde daha fazla yansıdığını göstermektedir Kr % 26% 20% Rölatif Dalga Yüksekliği, H i /d (-) Şekil 3 Farklı porozitedeki duvarların karşılaştırıldığı rölatif dalga yüksekliğine karşılık yansıma katsayıları Rölatif dalga yüksekliğine karşılık iletim katsayısının değişimi her üç porozitedeki duvarın bir arada gösterildiği Şekil 4 de görülmektedir. %20 poroziteye sahip duvarda iletim katsayısının diğerlerinden daha az olduğu açıkça görülmektedir. Tüm duvarlar için rölatif dalga yüksekliğinin küçük olduğu değerlerde iletim katsayısı K t =0.9 a ulaştığını ve rölatif dalga yüksekliğinin artmasıyla da azalıp K r =0.45 değerlerine indiği görülmektedir. Öyleyse duvar porozitesinden bağımsız olarak rölatif dalga yüksekliğinin artmasıyla da dalga iletiminin azaldığı sonucuna varılmaktadır Kt Rölatif Dalga Yüksekliği, H i /d (-) Şekil 4 Farklı porozitedeki duvarların karşılaştırıldığı rölatif dalga yüksekliğine karşılık iletim katsayısı 40% 26% 20%

5 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 4 Dalga iletimi yapı özelliği ve dalga kinematikleri ile ilgilidir. Enerji dengesi aşağıdaki ifade ile tanımlanmaktadır. E i =E r +E t +E d () Wiegel (960) ve Hartmann (969) iletim ile porozite arasındaki ilişkiyi ifade etmek için çeşitli yaklaşımlar önermişlerdir. Bergmann ve Oumeraci (999) yeni bir yaklaşım önermiş ve kendilerinin deneysel sonuçlarını diğerleri ile karşılaştırmışlardır. Çalışmalarındaki perfore kıyı duvarları yatay ve istenilen poroziyetiyi elde edecek şekilde aralıklı olarak paralel s yerleştirilmiş çelik çubuklardan oluşturulmuştur. Çalışmada yapı porozitesi, P = olarak e tanımlanmıştır, burada (e) iki çubuk aksı arasındaki mesafe, (s) ise iki çubuk arasındaki boşluktur. Bu çalışmada iletim katsayısı ve porozite arasındaki ilişki aşağıdaki gibi elde edilmiştir. K t =P 0.36 (2) Diğer çalışmalarda yine iletim katsayısı ile porozite arasındaki ilişki ise Şekil 5 de karşılaştırmalı olarak görülmektedir. Kt Bu çalışma K t =P 0.36 Wiegel (960) K t =P 0.5 Hartman (969) K t =(2P-P 2 ) Porozite, P Bergmann ve Oumeraci (999) K t =(2P-P 2.5 ) 0.35 Şekil 5 Yapının porozitesine karşılık dalga iletiminin önceki çalışmalarla karşılaştırılması (Özöğüt, 2006) Yansıma dalga yüksekliği, porozite, su derinliği gibi çeşitli parametrelerden etkilenmektedir. Bergman ve Oumeraci (999) tekli perfore kıyı duvarları için yansıma performansını aşağıda verilen Yansıma Parametresi ile tanımlamıştır. Yansıma parametresi RP 0.65 Hi = d P d H i 0.4 (3) Bergman ve Oumeraci (999) tekli perfore duvarların yansıma performansında, yansıma, iletim ve enerji kaybı arasında oldukça kuvvetli bir ilişki olduğu ifade etmişlerdir. Maksimum enerji kaybının Yansıma Parametresinin 3-4 değerlerinde olduğu ve gelen dalga enerjisinin yarısına ulaştığı görülmüştür.

6 42 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Bu çalışmadaki deneysel şartlar için Yansıma Parametresi küçük ölçekli deney şartlarında ve dairesel boşluklarla oluşturulmuş perfore duvarda sabit su derinliği için aşağıdaki şekilde ifade edilmiştir. H i RP = d 0.65 P 0. d H i 0.53 (4) Yansıma parametresi ile yansıma, iletim ve enerji kaybı arasındaki ilişki Şekil 6 da görülmektedir. Şekil 6 Tekli perfore duvarların yansıma ve iletim enerjilerinin bu çalışma için elde edilen yansıma parametresi ile karşılaştırılması SONUÇ Çalışmada %40 poroziteye sahip kıyı duvarında yansıma beklendiği gibi en küçük, %20 poroziteye sahip kıyı duvarında ise iletim en küçük bulunmuştur. Dalga periyodunun yansıma ve iletim katsayıları üzerine etkisi gözlenmemiştir. Büyük dalga yüksekliklerinde yansıma daha büyük buna karşılık iletim daha küçük elde edilmiştir. İletim ve yansıma üzerine etkileri gözlenen porozite ve dalga yüksekliği parametrelerini içeren Yansıma Parametresi elde edilmiştir. Bu parametre yardımıyla yansıyan, iletilen ve kaybolan enerji miktarları arasındaki ilişki elde edilmiştir. Dalga boyunun yansıma performansına belirgin bir etkisi olmadığı görülmüştür. KAYNAKLAR Bergmann, H. ve Oumeracı, H., (999), Hydraulic performance of perforated structures, Proceedings of Coastal and Port Structures 99, Capetown, pp Hartmann, (969), Das Stabgitter in instationärer Strömungsbewegung. Technical Report Heft 69, Mitteilungen des Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft, TU Berlin. Ozogut, B., (2006), Tekli Perfore Kıyı Duvarlarında Hidrolik Performans, Master Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul. Wıegel, R.L., (960), Transmission of waves past a rigid vertical thin barrier, Journal of Waterways and Harbors Division, Vol.86, No.WW, pp.-2, ASCE.