DALGAKIRAN DİZAYNINA YENİ BİR BAKIŞ

Transkript

1 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 327 DALGAKIRAN DİZAYNINA YENİ BİR BAKIŞ Engin BİLYAY Selahattin BACANLI Gülsen KİZİROĞLU İnşaat Yük. Müh. Makine Müh. Makine Müh. Ulaştırma Bakanlığı, Demiryollar, Limanlar ve Havameydanları İnşaatı Genel Müdürlüğü, Ankara, Türkiye ÖZET Kıyı Mühendisliği alanındaki en önemli yapılardan biri dalgakıranlardır. Dalgakıranlar, dalgaların liman veya basen içerisine girmesini engellerken, aynı zamanda kendisinin de stabilitesini koruması gerekmektedir. Yapılan geleneksel dalgakıran dizaynında, koruma tabakasındaki tek bir ünitenin ağırlığı ve kilitlenme özelliği (Novak 1996) esasına dayanmaktadır. Yani koruma tabakasındaki bir ünitenin dalga etkisi altında hangi ağırlıkta stabilitesini koruduğu hedeflenmektedir. Bu bildiri, koruma tabakasında yer alan binlerce ünitenin düşük ağırlıkta, ancak dalga etkilerine karşı bir bütün olarak nasıl stabilitesini koruyabilecekleri konusunda yapılan bir çalışmayı içermektedir. GİRİŞ Dünyada kullanılan dalgakıran tipleri genel olarak dört sınıfta (OCDI,1991) toplanmaktadır. Birincisi taş veya çeşitli şekillerdeki beton bloklarla korunan eğimli dalgakıranlar, ikincisi keson tipi düşey yüzlü dalgakıranlar, üçüncüsü ise birinci ve ikinci tipi birlikte içeren karma dalgakıranlar ve dördüncü olarak da özel tipteki dalgakıranlardır. Birinci tip dalgakıranlarda, taş dolgu dalgakıranların kullanılması öncelikli olarak avantaj sağlamasına rağmen, büyük boyutlu taşların bulunamadığı durumlarda Şekil 1. de gösterildiği gibi, çeşitli ünitelerden oluşan beton bloklar tercih edilmektedir. Ancak, bu tür dalgakıranlarda ise blokların kendi içerisinde kilitlenmesinin sağlanması için, yerleştirmesine çok özen gösterilmesi gerekmektedir. Ayrıca, bu işlemi yapılabilmesi için teçhizat ve ekipman açısından donanımlı olunmasına ve deneyimli personele ihtiyaç duyulmaktadır. Şekil 1 Eğimli Dolgu Tipi Dalgakıran Korumasında Kullanılan Bazı Beton Bloklar

2 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Dolgu Tipi Eğimli Dalgakıranlar Şekil 2. de gösterildiği gibi, birinci tip dalgakıranların koruma tabakasında kullanılan üniteler, dalga etkisine karşı tek başlarına direnç göstermesi gerekmekte olup, bu da kullanılacak ünitenin ağırlığının artmasına (Hudson, 1959) dolayısıyla, maliyetinin yükselmesine neden olmaktadır. Dalga aşmasını azaltmak ve koruma tabakası kretinde kullanılan ünitelerin stabilitesini korumak amacıyla, kronman duvarları kullanılmaktadır. Bu duvarlarda dalga basıncı karşısında tek başlarına direnç gösterecek şekilde boyutlandırılmaktadır. Şekil 2 Eğimli Dolgu Tipi Dalgakırandaki Dalga Kuvveti Etkisi Küp Beton Blok Model Deneyi Şekil 3. de Küp Beton Bloklu koruma tabakasının deney öncesi ve deneyler sonundaki durumu gösterilmektedir. Buradan görüleceği gibi, 2 sıra olarak inşa edilen dalgakıran koruma tabakası, deneyler sonunda, kret bölgesine yakın kısımlar hariç, diğer bölgelerde tek sıraya düşmüştür. Küp bloklarda, genelde dalga basıncı etkisinden ziyade, dalga çekmesi sonucunda daha fazla hasar oluştuğu görülmüştür. Bunun nedeni, dalga basıncına karşı blokların altındaki filtre tabakasına yaslanması ve yapı eğiminden dolayı oluşan sürtünme etkisiyle yukarı doğru hareketinin engellenmesidir. Ancak, dalganın çekmesi sırasında, özellikle su seviyesi civarındaki 2.sıra beton blokların fazla direnç gösteremedikleri görülmüştür. Dolayısıyla, hasar bu bölgelerden başlayıp, aşağıya doğru hızlı bir şekilde devam ettiği tespit edilmiştir. Şekil 3 Küp Beton Blok Deneyi Öncesi ve Sonrası Durumu

3 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 329 Taş Dolgu Model Deneyi Küp beton bloklar için uygulanan deney koşulları, taş dolgu dalgakıranlar içinde uygulanmıştır. Şekil 4 de gösterildiği gibi deneyler sonucunda, özellikle su seviyesi ve üzerinde ciddi bir hareketin olmadığı, ancak su seviyesi altındaki taşların da küp bloklarda olduğu gibi, aşağıya doğru kaydığı ve yer değiştirdikleri görülmüştür. % 1.1 % 2.6 % 4.2 % 6.8 % 8.9 Hd= 4.01 m Td= 9.40 sn Hd= 6.36 m Td=11.72 sn Hd= 7.44 m Td=12.90 sn Hd= 8.40 m Td=14.07 sn Hd= 9.07 m Td=14.69 sn Şekil 4 Taş Dolgu Dalgakırana Ait Deneyi Öncesi ve Sonrası Durum Sonuç olarak, dalga basıncı etkisi esasına göre dizayn edilen eğimli dolgu tipi dalgakıranların, uygun ağırlıkta olması halinde, dalga basıncına karşı direnç göstermelerine rağmen, hasarların genellikle dalga çekmesi sonucunda oluştukları görülmüştür. Bu olumsuz etki dikkate alındığında, koruma tabakası ünitesinin ağırlığının çekme etkisine de direnç gösterecek şekilde daha da artırılması gerekmektedir ki, bu da ekonomik değildir. Bu tür dalgakıranların koruma tabakası ünitelerinin dalga etkilerine karşı tek başlarına karşı koyacak şekilde boyutlandırılmaları da mühendislik açısından uygun değildir. Bu sonuçlar göstermiştir ki, daha küçük ağırlıkta, dalganın hem basınç hem de çekme etkilerine karşı koyacak, blokların tek başına değil bir bütün olarak çalışacak bir sistemin oluşturulması gerekmektedir. DALGAKIRAN DİZAYNINA YENİ BİR BAKIŞ (2B Tipi Dalgakıran) Dalga basıncı etkisi esasına göre dizayn edilen eğimli dolgu tipi dalgakıranların, uygun ağırlıkta olması halinde, dalga basıncına karşı direnç göstermelerine rağmen, hasarlar genellikle dalga çekmesi sonucunda oluştukları görülmüştür. Bu sonuçtan hareket edildiğinde, dalgakıran koruma tabakasının hem dalga basıncına hem dalga çekmesi etkilerine karşı direnç gösterecek ve ayrıca koruma tabakası ünitelerinin tek başlarına değil, bir bütün olarak çalışacak bir sistemin oluşturulması üzerinde çalışmalar yapılmıştır.

4 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Yapılan bir dizi deneyler sonucunda, Şekil 5 de gösterilen ve 2B olarak adlandırılan ve birbirlerine düşey yönde ve şaşırtmalı olarak bağlı beton blokların, yukarıda belirtilen etkilere karşı dayanıklı oldukları görülmüştür. Şekil 5 2B Sisteminin Genel Prensibi Su seviyesi üstünde hem dalga basıncı etkilerini azaltmak hem de dalga aşmasını engellemek amacıyla, bloklar şaşırtmalı olarak şekillendirilmiş ve boşluk oranını artırmak ve dalga basıncını azaltmak amacıyla da, ortalarından delikler açılmıştır. Su altındaki bloklar ise, dalga çekmesine karşı aşağıya doğru kaymasına daha fazla direnç göstermeleri için, kütlesel ağırlık merkezi daha yukarıda olacak şekilde bir form verilmiştir. 2B Tipi Dalgakıran Dizayn Esasları 2B tipi dalgakıran, eğimi tana=4/3 olarak dizayn edilen (0) Ton kategorideki çekirdek malzemesinin üzerine, 2 sıra ara filtre malzemesi serilerek, bunun üzerine beton bloklar bağlanarak oluşturulmaktadır. Ara filtre malzemesinin kategorisi, eldeki olanaklar doğrultusunda en fazla (2-4) ton kategoride olmalıdır. Eğer bu kategoride taş bulma olanağı yok ise, bloklar arasındaki ara boşluk daraltılarak daha düşük kategoride ara filtre malzemesi kullanılabilir. Koruma tabakasının geleneksel yerleştirme metodunda, dalgakıran topuğundan başlayıp yukarı doğru ilerlerken, 2B sisteminde ise yukarıdan aşağıya doğru birbirlerine şaşırtmalı olarak bağlanmaktadır. 2B Tipi Dalgakıran Model Deneyi 2B Tipi dalgakıran model deneyinde, eğimi 1/10 olan deniz tabanı üzerine, 4/3 eğimindeki dalgakıran döküsü oluşturulmuş ve bunun üzerinde koruma tabakası, su seviyesi üzerinde 10.5 ton, su seviyesi altında ise 13.0 ton luk bloklar konulmuştur. Küp beton blok ve taş dolgu dalgakıranlarda uygulanan dalga setleri aynen 2B tipi dalgakırana da uygulanmıştır. Yapılan bu deneyler sonucunda Şekil 7. den görüleceği gibi, yapı önündeki dalga yüksekliği 7.53 m ve T=10.90 sn değerine gelene kadar, bloklarda ciddi bir hareket görülmemiştir. Ancak bu dalga koşulunda özellikle topukta yer alan blokların uçlarının serbest olmasından dolayı, dalga etkisi ile kalkıp indiği gözlenmiştir. Bu etkiyi yok etmek için, topuktaki bloklar yatay yönde birbirlerine bağlanmış ve her beş blokta bir, bu bağlantılar zemine sabitlenerek

5 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 331 deneyler tekrarlanmıştır. Deneyler tekrar edildiğinde, dalgakıranın H=8.40 m T=14.07 sn. değerine kadar, özellikle topuktaki bloklarda da ciddi bir hareket olmadığı gözlenmiştir. DENEY ÖNCESİ Hd=1.71 T= 5.13 Hd=3.52 T= 7.28 Hd=6.02 T= 9.10 Hd=6.52 T= 9.53 Hd=7.19 T= Hd=7.53 T= Hd=8.40 T= Hd=9.01 T= Şekil 6 2B Sisteminin Deney Öncesi ve Sonrası Durumu Sonuç olarak, 2B sistemi, deniz taban eğiminin 1/20 den daha dik ve yapı önündeki dalga yüksekliğinin (H d ) yapı önündeki derinliğe(h) oranı H d /h>0.77 ise, topukta en uçta yer alan blokların hareketini engellemek amacıyla, zemin durumuna göre Şekil 7 de gösterildiği gibi takviye edilmesi veya zemine sabitlenmesi önerilmektedir. Şekil 7 2B Sisteminin Topuk Bölgesinin Zemin Durumuna Göre Düzenlenmesi

6 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 2B Tipi Bloklara Gelen Dalga Basıncı 2B Tipi dalgakıran model deneyinde, bloklara gelen dalga basıncı değerlerini belirlemek üzere, farklı derinliklerdeki bloklar üzerine basınçölçerler yerleştirilmiştir. Model ve yapı önündeki derinlik sabit tutularak, deniz taban topoğrafyası 1/10, 1/20 ve 1/30 olarak değiştirilerek, aynı dalga setlerinde, blok üzerine gelen basınç değerleri ölçülmüştür. Şekil 8. de bu sonuçlar grafiksel olarak gösterilmektedir. 1/10 1/20 1/30 H2-003 H4-003 H6-003 H7-003 H8-003 H9-003 H2-003 H4-003 H6-003 H7-003 H8-003 H9-003 H2-003 H4-003 H6-003 H7-003 H8-003 H9-003 H/Lo 3 H2-005 H4-005 H6-005 H7-005 H8-005 H9-005 H2-005 H4-005 H6-005 H7-005 H8-005 H9-005 H2-005 H4-005 H6-005 H7-005 H8-005 H9-005 H/Lo 5 Şekil 8 2B Sisteminde Yapı Üzerine Gelen Dalga Basıç Değerleri Yapılan bu ölçümler sonucunda, genelde en büyük dalga basıncının su seviyesi civarında olduğu (Goda, 1985) görülmüştür. Ancak, deniz taban eğiminden dolayı, aynı dalga setleri yapı üzerinde farklı noktalarda kırıldığı görülmüştür. Özellikle, hemen yapı üzerinde kırılan dalgaların, su seviyesi üzerindeki bloklara daha fazla basınç oluşturdukları gözlenmiştir. 2B Tipi Bloklarda Dalga Tırmanması 2B Tipi dalgakıran model deneyinde, dalga tırmanması ölçülmüş ve Şekil 9. da gösterilen denklem yardımıyla, ampirik olarak hesaplanan değer ile karşılaştırıldığında, özellikle yapı önündeki dalga dikliği değeri, arttıkça tırmanma değerinin daha etkili bir şekilde azaldığı görülmüştür. Tırmanma Yüksekliği (m) DALGA TIRMANMASI Hd/Lo : EĞİM: Cotα: 4/ Hd (m) a tanα ξ = Hd Lo ==> ( 0.9) aξ Ru = Hd ξ h 3 > > Hd 0.9 Ru = Ru( Şekil 9 2B Sistemindeki Dalga Tırmanması h Hd )

7 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 333 SONUÇ Kıyı Mühendisliği alanındaki en önemli yapılardan biri olan dalgakıran dizaynı, koruma tabakasındaki tek bir ünitenin ağırlığı ve kilitlenme özelliği esasına dayanmaktadır. Yani koruma tabakasındaki bir ünitenin dizayn dalgasının etkisi altında hangi ağırlıkta stabilitesini koruduğu hedeflenmektedir. Bu bildiri, koruma tabakasında yer alan binlerce ünitenin düşük ağırlıkta, ancak dalga etkilerine karşı bir bütün olarak, nasıl stabilitesini koruyabilecekleri konusunda yeni bir düşünce ortaya çıkarmıştır. Daha düşük maliyette, yüksek kapasitede ekipmana ve deneyimli personele ihtiyaç duyulmadan ve dalgakıran stabilitesini de artırarak yeni bir dizayn yöntemi geliştirilmiştir. 2B Tipi bloklar, diğer blok tipleri ile aynı dalga koşulları altındaki, toplam beton ihtiyacı açısından karşılaştırıldığında, Tablo 1 de gösterildiği gibi, çok ciddi bir kazanç getirdiği görülmüştür. Tablo 1 2B Sisteminin Diğer Blok Tipleri İle Karşılaştırması (Core-Loc, 2006) Blokların Avantajları; 2B Tipi Dik eğimli dalgakıranlara kolaylıkla uygulanabilmektedir. Yerine konulması için özel bir yöntem veya metot gerektirmemektedir. Sistem bir bütün olarak çalıştığından ünite ağırlığından ciddi bir şekilde tasarruf edilmektedir. Blokların birbirlerine bağlı olması nedeniyle, birbirlerine çarpması engellenmektedir. Ağırlığının düşük olması nedeniyle, yerleştirme için yüksek kapasiteli ve donanımlı ekipmanlara ihtiyaç duyulmamaktadır. Dalga tırmanmasını ve dalga enerjisini, şaşırtmalı olması nedeniyle, diğer sistemlere göre daha fazla azaltmaktadır. Dalga ve depremin etkisi ile dolguda veya yüklemeden dolayı zeminde oluşabilecek farklı oturmalara, sistem kendini uydurmakta dolayısıyla, homojenliği bozulmamaktadır. Ciddi fırtına sonrası yapılacak kontrollerde, bağlantılarda oluşabilecek kopmaların onarılması veya blokların değiştirilmesi oldukça kolaydır. Yapılacak özel bir sistem ile bloklar arasındaki bağlantıyı gösteren bir kontrol paneli yardımıyla, bloklar arasındaki bağlantının kopup kopmadığı, kopmuş ise nerede oluştuğu konusunda, istenildiği an takibine olanak vermektedir.

8 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 2B Tipi Blokların Dezavantajları Blokları birbirine bağlayacak malzemesinin deniz suyu etkilerine karşı dayanlıklı, özel bir malzeme olması gerekmektedir. Bağlantı malzemelerinin belli periyotlarda ve özellikle ciddi fırtınalar sonrası, kontrollerinin yapılması gerekmekte olup, ihtiyaç duyulduğunda değiştirilmesi gerekmektedir. Blokların yerine konulması üstten aşağıya doğru olması, öncelikle kronman duvarının yapılıp, blokların buradan bağlanmasına başlanması nedeniyle, inşaat süresince ekipman ve araçların hareketini engellememek için, Şekil 10. da gösterildiği gibi, kret genişliği diğer yapılara göre bir miktar daha fazla olması gerekmektedir. Şekil10 2B Sistemindeki Temel Prensipler Kretten itibaren her 7 sırada bir palye yapılması ve palye üzerine 2 sıra blok gelecek şekilde düzenleme yapılması gerekmektedir. 2B sistemi, deniz taban eğiminin 1/20 den daha dik ve yapı önündeki dalga yüksekliğinin (H d ) yapı önündeki derinliğe(h) oranı H d /h>0.77 ise, topukta en uçta yeralan blokların hareketini engellemek amacıyla, zemin durumuna göre takviye edilmesi veya zemine sabitlenmesi gerekmektedir. KAYNAKLAR Novak P., Moffat A.I.B.i Nalluri C., Narayanan R., Hydraulic Structures, London, OCDI, Technical Standards For Port and Harbour Facilities in Japan, Tokyo, 1991, 203 p. Hudson R.Y., Laboratory İnvestigation of Rubble Mound Breakwater, Journal Waterways, Harbors Division, ASCE, Core-Loc Web Sites, Comparison of Armor Units for Equivalent Design Wave Height. Case Port St Francis, 2006 Goda Y., Random Seas and Design of Maritime Structures, University of Tokyo Press, p