KARE KESĠTLĠ KÖPRÜ ORTA AYAĞI ETRAFINDA ZAMANLA DEĞĠġEN AKIM NEDENĠYLE OLUġAN YEREL OYULMALAR

Transkript

1 5. Ulusal Su Mühendisliği Sempozyumu Eylül 2011 İSTANBUL KARE KESĠTLĠ KÖPRÜ ORTA AYAĞI ETRAFINDA ZAMANLA DEĞĠġEN AKIM NEDENĠYLE OLUġAN YEREL OYULMALAR M. ġükrü GÜNEY Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, ĠnĢaat Mühendisliği Bölümü, ĠZMĠR AyĢegül ÖZGENÇ AKSOY Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, ĠnĢaat Mühendisliği Bölümü, ĠZMĠR Gökçen BOMBAR Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, ĠnĢaat Mühendisliği Bölümü, ĠZMĠR ÖZET Bu çalıģmada, taban malzemesi bimodal ve D 50 = 3.4 mm olan bir kanalda simetrik üçgen Ģekilli hidrograf nedeniyle kare kesitli köprü ayağı etrafında oluģan hareketli taban oyulması deneysel olarak araģtırılmıģtır. Deneyler DEÜ ĠnĢaat Mühendisliği Bölümü Hidrolik Laboratuvarında mevcut 18.6 m uzunluğunda, 80 cm geniģliğinde ve taban eğimi olan bir kanalda gerçekleģtirilmiģtir. Debi, pompaya bağlı bir hız kontrol cihazı ile ayarlanarak taban debisi 9.5 lt/sn, pik debisi 70 lt/sn, yükselme ve alçalma süreleri 300 er saniye olan ikiz kenar üçgen Ģeklinde bir hidrograf üretilmiģtir. Yerel oyulmaların zamana bağlı değiģimi UVP cihazı düģey konumda kullanılarak dolaylı olarak ölçülmüģtür. Oyulmanın 20 saniye mertebesinde bir gecikmeyle baģladığı hidrografın yükselme bölümünde artarak pik değerinde en yüksek değerine ulaģtığı gözlenmiģtir. Hidrografın alçalma bölümünde taģınan maddenin depolanması nedeniyle değeri azalan oyulmanın hidrograf sona ermeden denge konumuna ulaģtığı görülmüģtür. Anahtar Kelimeler: Köprü ayağı, taģkın hidrograf, yerel oyulmalar. TIME-DEPENDENT LOCAL SCOURS RESULTING FROM UNSTEADY FLOW AROUND BRIDGE PIER OF SQUARE CROSS SECTION ABSTRACT In this study live bed scours around a square bridge pier resulting from triangular shaped flood hydrograph is analyzed by using bimodal sediment with median diameter of 3.4 mm. The experiments were carried out in a rectangular flume 80 cm wide and 18.6 m long available in Hydraulic Laboratory of Dokuz Eylul University. The bed slope of flume is The unsteady flow is generated by means of a triangular hydrograph with a base flow and peak flow of 9.5 l/s and 70 l/s, respectively. The rising and falling durations are 300 seconds. Ultrasonic Velocity Profiler (UVP) is used in vertical position to measure temporal variation of scour depth 483

2 indirectly. A time lag of 20 seconds is observed between the hydrograph and the sedimentograph. The local scour increases during the rising limb attaining its maximum value at the peak flow rate. It is revealed that the equilibrium state is reached before the end of the hydrograph due to the deposition of the transported material. Keywords: Bridge pier, flood hydrograph, local scours. 1.GĠRĠġ Köprü ayakları etrafında, menbadan taban malzemesinin taģınıp taģınmadığına bağlı olarak iki tip oyulma oluģmaktadır. Menbada taban malzemesi hareketinin olmadığı ve sadece köprü ayağı etrafındaki malzemenin hareket ettiği durumda meydana gelen oyulma temiz su oyulması olarak adlandırılırken menbadaki taban malzemesinin taģınması durumunda meydana gelen oyulma ise hareketli taban oyulması olarak adlandırılmaktadır [Yanmaz, 2002]. Köprü ayakları etrafında meydana gelen yerel oyulmaları incelemek amacıyla laboratuar ortamında yapılan çalıģmaların bir çoğu üniform taban malzemesi kullanılarak ve temiz su oyulması Ģartları altında gerçekleģtirilmiģtir. Bu çalıģmada Dokuz Eylül Üniversitesi ĠnĢaat Mühendisliği Bölümü Hidrolik Laboratuvarında mevcut olan açık kanalda ikizkenar üçgen Ģeklindeki bir taģkın hidrografı sırasında kare kesitli köprü ayağı etrafında meydana gelen hareketli taban oyulması bimodal taban malzemesi kullanılarak incelenmiģtir. 2.DENEY DÜZENEĞĠ Deneyler, DEÜ Hidrolik Laboratuvarında mevcut 18,6 m uzunluğunda, 80 cm geniģliğinde ve 75 cm yüksekliğindeki kanalda gerçekleģtirilmiģtir (ġekil 1). Kanalın ilk 3 m si sabit yataktır. Kanal taban eğimi olarak sabitlenmiģtir. Kanal tabanına 6.5 cm lik bir tabaka halinde serilen malzemenin çapı D 50 = 3.4 mm, standart sapması =2.8 dir. g ġekil 1a. Deney düzeneğinin menbadan görünüģü a 484

3 b ġekil 1b. Deney düzeneğinin mansaptan görünüģü Maksimum kapasitesi 100 lt/sn. olan pompa bir hız kontrol cihazı ile bağlantılıdır. Bu cihaza bir bilgisayar programı ile bilgi yüklenmekte ve pompa devir sayısı istenilen değerden istenilen baģka bir değere istenilen sürede çıkartılabilmekte ve tekrar eski konumuna istenilen sürede getirilebilmektedir. ġekil 2 de, çark devir sayısı ayarlanabilen pompa ve debi kontrol cihazı gösterilmektedir. Ġkizkenar üçgen Ģeklindeki taģkın hidrografları kanalı besleyen pompaya bağlı bu hız kontrol cihazı ile oluģturulmaktadır. a b ġekil 2a. Pompa. ġekil 2b. Debi kontrol cihazı. 485

4 Bu çalıģmada, cihaza verilen program ile 9.5 lt/sn lik taban debisinin 70 lt/sn lik pik debiye 300 saniyede çıktığı ve tekrar 9.5 lt/sn ye 300 saniyede indiği simetrik üçgen Ģeklindeki bir hidrograf kullanılmıģtır (ġekil 3). Q (lt/s) sn 300 sn t (s) ġekil 3. Deney sırasında kullanılan üçgen Ģekilli hidrograf ġekil 4 te gösterilen OPTIFLUX 1000 elektromanyetik debimetre, Faraday kanununa göre çalıģmaktadır. Debimetrenin montajı besleme hattı üzerine yapılmıģtır. Düzgün akım Ģartları oluģturmak için memba yönünde boru çapının en az 5 katı ve mansap yönünde ise en az 2 katı düz borudan oluģması Ģeklindeki koģul sağlanacak Ģekilde yerleģtirilmiģtir. ġekil 4. Elektromanyetik debimetre. Su seviyesi ölçümü için ġekil 5.a da verilen Pulsar IMP + seviye ölçer kullanılmıģtır. Mevcut iki adet seviye ölçer ile aynı anda iki farklı kesitte zamana bağlı olarak ölçümler yapılabilmektedir. IMP + seviye ölçer cihazı ġekil 5.b de verilen hareketli sisteme bağlanarak deney sonrası oluģan taban Ģekilleri belirlenmiģtir. Cihazdan çıkan iki kablodan bir tanesi güç kablosu olarak prize diğeri monitöre bağlanmaktadır. 1 mm hassasiyetle okunan değerler ġekil 6 da gösterilen veri kaydedicide depolanmaktadır. Altı farklı giriģi olan bu kaydedici her saniyede veri alabilmektedir. 486

5 ġekil 5a. IMP+ seviye ölçer. a a ġekil 5b. Seviye ölçer için hareketli sistem. b b ġekil 6. Veri kaydedici. Bu çalıģmada kenarı 3.5 cm olan kare en kesitli köprü ayağı etrafında oluģan oyulmalar incelenmiģtir (ġekil 7 ve 8). Köprü ayağı kanalın menba ucundan 11.5 metre uzaklıkta yerleģtirilmiģtir. Hız ölçümü için tasarlanan Ultrasonik Hız Profil (UVP) cihazı algılayıcıları köprü ayağı etrafına dik konumda yerleģtirilmiģ ve zamana bağlı oyulma derinlikleri dolaylı olarak ölçülmüģtür. ġekil 7 den de görüleceği gibi Tr1, Tr2 ve Tr3 algılayıcıları sırasıyla köprünün menba, yan ve mansap yüzüne yerleģtirilmiģtir. 487

6 a = 3.5 cm Akım yönü a = 3.5 cm Tr 3 Tr1 Tr 2 ġekil 7. Köprü ayağı kesiti ve algılayıcıların konumları ġekil 8. Köprü ayağı ve etrafına yerleģtirilen algılayıcılar 488

7 3.DENEYSEL SONUÇLAR Taban ve pik debileri sırasıyla 9.5 lt/s ve 70 lt/s ve toplam süresi 600 sn (yükselme ve alçalma süreleri 300 er saniye) olan ikizkenar üçgen hidrografın geçirilmesi ile köprü ayağı etrafında meydana gelen yerel oyulma değerleri zamana bağlı olarak ġekil 9 da sunulmuģtur. Köprü ayağının menba tarafına yerleģtirilen Tr1 algılayıcısından elde edilen değerlere göre maksimum oyulma derinliği yaklaģık 6 cm ve nihai oyulma derinliği ise yaklaģık 4.8 cm mertebesindedir. Buna karģılık köprü ayağının yan tarafına yerleģtirilen Tr2 algılayıcısından elde edilen verilere göre oyulma derinlikleri daha küçük değerde olup maksimum oyulma derinliği yaklaģık 5.2 cm iken nihai oyulma derinliği aynı noktada 3.5 cm mertebesindedir. Köprü ayağının mansap tarafında oluģan çalkantılı akımdan dolayı taban malzemesi saçılmıģ ve bu noktaya yerleģtirilen Tr3 algılayıcısından sağlıklı veri alınamamıģtır. Meydana gelen bu saçılmalar deney sırasında da gözlemlenmiģtir (ġekil 9.c). ġekil 9a-b. Tr1 ve Tr2 algılayıcılarından kaydedilen yerel oyulmalar ve ölçülen debi değeri. 489

8 ġekil 9c. Tr3 algılayıcısından kaydedilen yerel oyulmalar ve ölçülen debi değeri ġekil 9 da görüldüğü gibi ölçüm noktalarında oyulmanın yanı sıra depolanma da gözlemlenmiģtir. Ayak etrafında önce oyulma baģlamakta, meydana gelen oyulma çukuru zaman içerisinde menbadan gelen malzeme ile dolmakta ve daha sonra yine oyulma kararlı durum oluģuncaya kadar devam etmektedir. ġekil 10 de deney sonrasında çekilen fotoğraflar görülmektedir. ġekil 10. Deney sonrası görüntüler. 490

9 ġekil 10. Deney sonrası görüntüler (devam) 491

10 ġekil 10. Deney sonrası görüntüler (devam) 5.SONUÇ VE ÖNERĠLER Bu çalıģmada, kararsız akım Ģartları altında kare kesitli köprü orta ayağı etrafında meydana gelen hareketli taban oyulmalarının zamana bağlı değiģimi incelenmiģtir. Kararsız akım Ģartları ikizkenar üçgen hidrograf oluģturularak sağlanmıģtır. Meydana gelen maksimum oyulma derinlikleri beklendiği gibi hidrografın pik değerine ulaģtığı zamanda meydana gelmiģtir. Deney sonuçlarına göre maksimum oyulma derinliğinin nihai oyulma derinliğine göre daha fazla olduğu görülmüģtür. Dolayısıyla zamana bağlı oyulma derinliklerinin belirlenmesi oyulma sürecinin anlaģılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Literatürde verilen ampirik bağıntıların büyük çoğunluğu zamanla değiģmeyen akım durumuna karģılık gelmekte olup deneysel bulgularımızın nicel değerlendirilmesi çalıģmaları devam etmektedir. TeĢekkür Bu çalıģma TÜBĠTAK 109M637 nolu proje kapsamında gerçekleģtirilmiģ olup yapılan maddi katkılar nedeniyle yazarlar TÜBĠTAK a müteģekkirdir. KAYNAKLAR 1. Yanmaz M., Köprü Hidroliği, ODTÜ yayınevi,