PERFORE KIYI YAPILARININ PERFORMANS DEĞERLENDİRMESİ

Transkript

1 PERFORE KIYI YAPILARININ PERFORMANS DEĞERLENDİRMESİ Burak AYDOĞAN 1, Ufuk Yasin YURTBİL 2, Esin ÇEVİK 3, Yalçın YÜKSEL 4 1 Dr. Müh., YTÜ, İnşaat Müh. Böl., Hidrolik ABD - burak_aydogan@hotmail.com 2 İnşaat Yüksek Müh., MOVO İnşaat - ufukyasin@gmail.com 3 Prof. Dr., YTÜ, İnşaat Müh. Böl., Hidrolik ABD - cevik@yildiz.edu.tr 4 Prof. Dr., YTÜ, İnşaat Müh. Böl., Hidrolik ABD - yuksel@yildiz.edu.tr ÖZET Kıyı alanlarının korunmasında kullanılan birçok yöntem vardır. Dalgakıranlar, mahmuzlar, kıyı duvarları bu yöntemlerden birkaçıdır. Düşey kıyı yapıları, son yıllarda hızla yaygınlaşan bir kıyı koruma yöntemidir.düşey kıyı yapılarının en önemli problemi yapının önünde meydana gelen yansımalar ve duvar üzerinden aşmalar neticesinde oluşan dalga etkisindeki artıştır. Yansıma ve aşma miktarlarındaki artış, gerek seyahat halindeki gerekse de koruma alanındaki gemiler, her türlü deniz taşıtları ve insanlar için tehlike arz etmektedir. Bu sorunun önüne geçebilmek ve kıyılardan maksimum fayda sağlayabilmek için boşluklu yapıya sahip düşey kıyı yapıları kullanılmaktadır. Bu çalışmada farklı boşluk oranına sahip, tekli ve çiftli düşey kıyı duvarlarının düzensiz dalga koşullarındaki hidrolik performansları incelenmiştir. Anahtar kelimeler: Perfore kıyı duvarları, dalga yansıması, dalga iletimi PERFORMANCE EVALUATION OF PERFORATED SEAWALLS ABSTRACT There are many ways of protection for coastal areas. Breakwaters, groins and seawalls are a few of these methods. Vertical coastal structures are spreading rapidly recent years as a coastal protection method. The main problems of vertical coastal structures are wave reflection and wave pass right over the structures. Increase of wave reflection and wave pass over structure affects both people and watercrafts in the protection area. To avoid this problem and to provide maximum benefits, perforated vertical coastal structures have been used. In this study, single and double perforated seawalls with different porosity ratios examined under the condition of irregular waves. Key Words: Perforated seawalls, wave reflection, wave transmission

2 GİRİŞ Kıyılar, insanlığın ilk dönemlerinden beri toplumların yaşam alanlarını oluşturmalarından dolayı önemli olmuşlardır. Günümüzde kıyı alanlarının korunması daha da önem kazanmaktadır. Uluslararası nakliyat işlerinin büyük bölümü gemiler ve limanlar vasıtası ile denizler ve okyanuslar üzerinden yapılmaktadır. Hem ekonomik hem de sosyal anlamda oldukça büyük öneme sahip kıyı alanlarının dalga etkilerinden korunması, ileri derecede mühendislik bilgisine ihtiyaç duymaktadır. Kıyı koruması için kullanılan en yaygın yapı tiplerinden biri olan kıyı duvarları, korudukları alanda genellikle erozyon ve su baskınını önlemek ve dalga etkilerinin duvarın arka tarafına geçmesini engellemek amacıyla kullanılmaktadırlar. Bu amaç doğrultusunda inşası için daha az yer, malzeme ve zaman gerektiren düşey kıyı duvarları tercih edilmektedir. Düşey yüzlü duvarlara sahip kıyı yapıları, yüzeye çarpan dalgalar nedeniyle tırmanma, aşma veya yansıma gibi dalga hareketlerine maruz kalırlar. Dalgalar bu hareketleri sonucunda gerek yapı önünde ve arkasında gerekse yapı üzerinde çeşitli tehlikelere sebep olmaktadır. Fakat bu duvarların düşey ve geçirimsiz yapıları duvar önünde gelen dalgaların şiddetli yansımalar oluşturmasına sebep olmaktadır. Bu durum liman girişlerinde küçük teknelerin manevralarını, yanaşma hareketlerini ve liman içindeki yolcu/yük indirip bindirme gibi faaliyetleri zorlaştırmaktadır. Ayrıca yapı önündeki yansımalardan dolayı düşey duvarın topuk kısmında oyulmalar dolayısıyla da erozyon meydana gelebilmektedir. Ayrıca kıyı koruma yapılarının arkasında mevcut karayolunda seyreden araçları veya trenlerdeki sürücü ve yolcuları tehdit etmektedir. Düşey kıyı duvarlarının yansıma ve aşma gibi bu olumsuz etkilerini önlemek amacıyla perfore kıyı duvarları tercih edilmektedir. Duvarların hidrolik performansı duvarların geçirimliği, yansıma özelliği ve üsten aşma olarak dikkate alınmaktadır. Ancak bu çalışmada duvarlarda üsten aşma etkisi ihmal edilerek sadece yansıma ve iletim açısından değerlendirme yapılabilmesi için duvarlar yeterli yükseklikte yapılmıştır. Düşey duvarlarda yapılan hidrolik performansla ilgili çalışmalara özellikle son yıllarda daha çok önem verilmektedir. Bergmann ve Oumeraci (1999) düşey perfore duvarlarda hidrolik performans konusunu araştırdıkları çalışmalarında büyük ölçekli bir kanalda düzenli dalgalarla çalışmışlardır. Deneyler düşey ve geçirimsiz duvar önüne yerleştirilen perfore bir duvardan oluşan tekli bölme sistemi (One Chamber System, OCS) ve düşey duvar önüne belli mesafelerle yerleştirilen birkaç perfore duvardan oluşan çoklu bölme sistemlerinde dalga yükü ve hidrolik performansı araştırmak amacıyla yapılmıştır. Bergmann ve Oumeraci (1998) perfore duvarlardaki basınç dağılımıyla ilişkilendirilerek yüksekliği büyük olan dalgaların küçük olanlara göre yapı üzerinde daha fazla yansıma gösterdiklerini öne sürmüşlerdir. Suh vd., (2006) kazıklı düşey yüzlü duvar olarak adlandırılan, üst kısmı düşey duvar alt kısmı ise birbirine paralel düşey kazıklardan oluşan bir perfore yapı üzerinde düzenli ve düzensiz dalgalar için hidrodinamik karakteristikleri araştırmışlardır. Farklı araştırmacılar yapı porozitesi ile dalga iletim katsayısı arasında farklı ilişkiler tanımlamışlardır. Perfore duvarlarda enerji iletim tahminleri konusunda Wiegel (1960), ve Hartman (1969) ın yaklaşımlarında Denklem 3.5 de belirtilen enerji kayıpları dikkate alınmadan dalga iletimi ile perfore düşey duvarın porozitesi ilişkilendirilmiştir. Bergmann ve Oumeraci (1999) yaptıkları çalışmalar doğrultusunda iletim katsayısı ile porozite arasındaki ilişkiyi enerji kayıplarını da dikkate alarak tanımlamışlardır. Bergmann ve Oumeraci (1999) ın elde ettikleri denklem, Wiegel in yaklaşımlarıyla kıyaslandığı zaman bu çalışmada yer alan düşük poroziteler için (%11) %50 ye kadar daha yüksek iletim oranları vermekte olduğu görülmüştür. Fakat yaptıkları deneylerden elde edilen sonuçlarla yapılan karşılaştırmada diğer araştırmacıların verdikleri denklemlerdeki dalga iletimi beklenenin altında kaldığı görülmüştür. Bunun üzerine Bergmann ve Oumeraci (1999) yaptıkları çalışma sonuçlarıyla uyumlu olan ve Denklem 3.9 da gösterilen farklı bir iletim katsayısı ve porozite

3 ilişkisi tanımlamışlardır. Jarlan tipi olarak anılan tek bölmeli sistemde, bölmedeki enerjinin bir miktarı rezonans olayı, rölatif bölme mesafesi, B/L ve perfore duvarın porozitesinin neden olduğu vortekslerden dolayı sönümlenmektedir. Gelen dalga enerjisinin bir kısmı perfore duvarda yansırken ve bir kısmı da bölmedeki açıklıklardan iletilmektedir. Dalgalar bir kıyı yapısıyla karşılaştıklarında yapının özelliklerine göre yansıma, iletim, tırmanma ve aşma gibi hidrolik etkileşimlere sahip olurlar. Kıyı duvarlarının kullanım amacı bu etkileri dengeleyerek karaya ulaşan dalga hareketi miktarlarını (dalga aşması gibi) azaltmaktır. Dalgaların kıyı duvarı ile karşılaşmaları ile oluşan hidrolik etkiler Şekil 3.1 deki şemada gösterilmektedir. Şekil 1 Kıyı duvarı üzerinde dalga davranışı (Thomas ve Hall, 1992) Bu hidrolik etkiler aşağıdaki sebeplerden dolayı değişim göstermektedir. - Duvarın özelliği ve yapısal biçimi; - Yüksekliği, eğimi, şekli, pürüzlülüğü ve gözenekliliği - Kıyı eğimi - Su seviyesi - Su derinliği - Dalga koşulları (yükseklik, periyot) - Dalga yönü YÖNTEM Deneysel çalışmalar Yıldız Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Hidrolik Anabilim Dalı, Hidrolik ve Kıyı-Liman Mühendisliği Laboratuvarı nda bulunan 20m uzunluğa, 1m genişliğe ve 1m yüksekliğe sahip dalga kanalında gerçekleştirilmiştir. Kanalın 14m lik kısmı cam, 6m lik kısmı ise demir sacdan yapılmıştır (Şekil 2). Hidrolik model deneyleri, Edinburgh Design firmasının ürettiği Ocean and Wave dalga üretim sistemi ile üretilen dalga-

4 ların HR Wailingford un ürettiği HR Wavedata veri toplama bilgisayar programı ve ekipmanları ile yapılmıştır. Dalga üretecinin önünde su yüksekliği 60 cm dir. Deneysel ölçümler, 1/10 luk bir eğimle 33 cm su yüksekliğine indirilmiş yatay taban üzerine yerleştirilmiş bu model duvarları ile gerçekleştirilmiştir. Hidrolik model deneyleri Bretschneider spektrumuna göre üretilmiş düzensiz dalgalarla gerçekleştirilmiştir. Şekil 2 Tekli ve çiftli kıyı duvarı deney sisteminin şematik gösterimi

5 Deneyler %20, %26 ve %40 poroziteli 150mm kalınlığında pleksiglas malzemeden oluşturulmuş model duvarların tekli ve bu üç farklı poroziteye sahip duvarların farklı çiftli kombinasyonu ile gerçekleştirilmiştir (Şekil 3). Çiftli perfore duvar kombinasyonlarında öncelikle iki duvarın yerleştirme şeklinin etkisinin belirlenebilmesi için duvarlar arasındaki açıklıklar (B) 0.1 L p artışla L p mesafeye kadar değiştirilerek artırılarak ölçümler yapılmış optimum açıklık oranı belirlenmiştir. Duvarların hidrolik performansı duvarların geçirimliği, yansıma özelliği ve üsten aşma olarak dikkate alınmaktadır. Ancak bu çalışmada duvarlarda üsten aşma etkisi ihmal edilerek sadece yansıma ve iletim açısından değerlendirme yapılabilmesi için model duvarları yeterli yükseklikte yapılmıştır. Düzensiz dalgaların karmaşık yapısından dolayı oluşabilecek dalga kırılmaları gözlemlenerek, dalga kırılmalarının meydana gelmediği dalga yüksekliği ve periyot değerleri belirlenmiştir. Çalışma iki aşamada yapılmıştır. Önce farklı poroziteye sahip perfore duvarlar ayrı ayrı incelenmiş, daha sonra bu perfore duvarların ikili kullanılması durumundaki performansları incelenmiştir. Perfore kıyı duvarlarının tekli olması durumunda yapılan çalışmalarda üç farklı poroziteye sahip duvar kullanılmıştır. Bunlar; %40, %26 ve %20 perfore duvarlardır. Önce her bir kıyı duvarının farklı dalga şartlarında yansıma ve iletim açısından hidrolik performansları ayrı ayrı incelenmiş daha sonra birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Şekil 3 Perfore duvar kesitleri (birimler cm), (Özöğüt, 2006) Üç duvar tipinin birlikte değerlendirildiği Şekil 4 incelendiğinde %40 poroziteye sahip duvarda bu dalga şartları için yansıma katsayısı artan dalga yüksekliğinde hemen hemen hiç artış göstermeyerek 0.25 civarlarında sabit kalırken küçük poroziteye sahip duvarlarda yansıma katsayısı artan rölatif dalga yüksekliği ile artmıştır. Buradaki deney şartları için yansıma katsayısı en düşük poroziteye sahip duvarda yaklaşık 0.41 mertebelerine ulaşmıştır. Şekil 5 de üç kıyı duvarı modelinde de dalga dikliğindeki artış ile yansıma katsayısının da arttığı gözlemlenmektedir. Yansıma katsayısı yine %20 perfore duvar modelinde en yüksek değeri alırken %40 perfore duvar modelinde en düşük yansıma katsayısı değerleri oluşmaktadır. Şekil 6 farklı poroziteli duvarlar için rölatif dalga yüksekliğine karşılık iletim katsayısı değişimlerini göstermektedir. Rölatif dalga yüksekliğine karşılık iletim katsayısı grafikleri incelendiğinde, %40 poroziteye sahip duvar modelinin iletim katsayısının en yüksek olduğu görülmektedir. Rölatif dalga yüksekliği arttıkça iletim katsayısının düşmekte olduğu gözlemlenmiştir. Şekil 7 de farklı poroziteye sahip duvarlar için dalga dikliğine karşılık iletim katsayısı değişimi incelendiğinde %40 poroziteli duvarın iletim katsayısının diğer duvarlara göre yüksek olduğu görülmektedir. Dalga dikliğindeki artış iletim katsayısını düşürse de, yapıların iletim katsayısı değerlerinin sıralaması değişmemektedir.

6 Şekil 4 %20, %26 ve %40 poroziteli duvarlar için rölatif belirgin dalga yüksekliğine karşı yansıma katsayısı, (Yurtbil, 2011) Şekil 5 %20, %26 ve %40 poroziteli duvarlar için dalga dikliğine karşı yansıma katsayısı, (Yurtbil, 2011)

7 Şekil 6 %20, %26 ve %40 poroziteli duvarlar için rölatif dalga yüksekliğine karşın dalga iletim katsayısı, (Yurtbil, 2011) Şekil 7 %20, %26 ve %40 poroziteli duvarlar için dalga dikliğine karşın iletim katsayısı, (Yurtbil, 2011) Çiftli perfore kıyı duvarları ile çalışma sırasında öncelikle iki duvar arasındaki açıklığın (dalga odası açıklığının, B/L) nasıl seçilmesi gerektiğinin belirlenmesi gerekmektedir. Bunun için dalga odası açıklığının performansa etkisinin olup olmadığı araştırılmıştır. Kıyı tarafındaki duvar modeli sabit tutularak, açık deniz tarafındaki duvar açığa doğru farklı açıklık oranları (B/L) elde edilecek şekilde ötelenmiştir. Çiftli perfore kıyı duvarları ile ilgili yapılan çalışmalarda dalga odası açıklığının yansımayı etkilediği görülmüştür. B/L p oranının 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 ve 0.7 olduğu dalga odası açıklığı mesafeleri ile deneyler yapılmıştır. Şekil 8 bu deneyler sonucun-

8 da elde edilen değerleri göstermektedir. Sonuçlar deneylerde üretilen beş farklı dalga periyoduna bağlı olarak incelenmiştir. Dalga odası açıklık oranının artması ile yansıma katsayısının önce azaldığı sonra arttığı ve daha sonra tekrar azalmaya başladığı görülmüştür. Şekil 8 de B/L p oranının 0.2 olduğu durumda K r nin en düşük değerleri aldığı görülmektedir. B/L p nin 0.2 olduğu durumda yansıma katsayısı da 0.2 ile 0.3 arasında değerler almıştır. B/ L p nin 0.2 olduğu değerden sonra rölatif açıklık oranının artması ile yansıma katsayısı da artmaktadır. Rölatif açıklık oranının 0.6 olduğu durumda yansıma katsayısının tekrar düştüğü görülmektedir. Yansıma katsayısı rölatif açıklık oranındaki değişikliğe bağlı olarak sinüzoidal bir yol çizmektedir. Şekil 8 P(%40+%26) poroziteli çiftli duvarda yansıma katsayısının, B/L p rölatif açıklık oranı ile değişimi (Yurtbil, 2011) Şekil 9 %40 poroziteli tekli duvarda yansıyan dalga yüksekliğine karşılık P(%40+%26) poroziteli çiftli duvarda yansıyan dalga yüksekliği değişimi

9 Şekil 9 ve 10 da sırasıyla %40+%26 poroziteli çiftli kıyı duvarlarından elde edilen yansıyan dalga yüksekliği ile %40 ve %26 poroziteli tekli kıyı duvarlarından elde edilen yansıyan dalga yüksekliği karşılaştırılmıştır. B/L p rölatif açıklık oranının dört farklı değeri ile deneyler yapılmıştır. Yansıyan dalga yüksekliğinin yine rölatif açıklık oranının 0.2 olduğu durumda en düşük değeri aldığı görülmektedir. Rölatif açıklık oranının 0.4 olduğu koşullarda yansıyan dalga yüksekliği en yüksek değeri almıştır. Şekil 10 %26 poroziteli tekli duvarda yansıyan dalga yüksekliğine karşılık P(%40+%26) poroziteli çiftli duvarda yansıyan dalga yüksekliği değişimi Çiftli duvarlar ile tekli duvarların karşılaştırıldığı grafiklerden elde edilen en önemli sonuç rölatif açıklık oranının 0.2 olduğu durumda hem yansıyan dalga yüksekliğinin, hem de iletilen dalga yüksekliğinin göreceli olarak daha az olduğudur. Rölatif açıklık oranının 0.4 olduğu durumda ise hem yansıyan dalga yüksekliği hem de iletilen dalga yüksekliği maksimum değerleri almıştır. Uygulanacak çiftli perfore kıyı duvarlarının yapı maliyetini düşürmek ve optimum yapı performansı sağlamak açısından rölatif açıklık oranlarının 0.2 olarak seçilmesi gerektiği belirlenmiştir. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Bu çalışmada tekli ve çiftli perfore kıyı duvarlarının düzensiz dalga şartlarındaki hidrolik performansları yansıma ve iletim performanslarına göre incelenmiştir. Üç farklı poroziteye sahip kıyı duvarlarının, beş farklı periyot değeri ve altı farklı dalga yüksekliğindeki iletim ve yansıma performansları araştırılmıştır. Tekli kıyı duvarları ile ilgili yapılan çalışmada beklendiği gibi en yüksek yansıma değeri %20, en düşük yansıma miktarı da %40 perfore duvarda meydana gelmiştir. Belirgin dalga yüksekliğindeki artışla yansıyan dalga yüksekliğinin de arttığı belirlenmiştir. Rölatif belirgin dalga yüksekliğinin artması ile %20 ve %26 perfore duvarların yansıma katsayıları artış gösterirken %40 perfore duvarın yansıma katsayısı değişmemiştir. Dalga dikliğinin artması ile yansıma katsayısının da artış gösterdiği belirlenmiştir.

10 Gelen belirgin dalga yüksekliğindeki artışla iletilen dalga yüksekliğinin de arttığı belirlenmiştir. En yüksek iletilen dalga yükseklikleri %40 perfore duvar modelinde görülürken en düşük değerler %20 perfore duvar modelinde görülmüştür. Dalga dikliğindeki ve rölatif dalga yüksekliğindeki artışın iletim katsayısı ile ters orantılı olduğu belirlenmiştir. Dalga dikliği ve rölatif dalga yüksekliği arttıkça iletim katsayısı azalma göstermiştir. Çiftli perfore kıyı duvarları ile ilgili yapılan çalışmalarda dalga odası açıklığının yansımayı etkilediği görülmüştür. B/L p oranının 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 ve 0.7 olduğu dalga odası açıklığı mesafeleri ile deneyler yapılmış ve en düşük yansıma katsayıları B/L p nin 0.2 olduğu durumda elde edilmiştir. B/L p nin 0.2 olduğu durumda yansıma katsayısı 0.2 ile 0.3 arasında değerler almıştır. Dalga odası açıklık oranının artması ile yansıma katsayısının önce azaldığı sonra arttığı ve daha sonra tekrar azalmaya başladığı görülmüştür. B/L p nin 0.2 olduğu değerden sonra rölatif açıklık oranının artması ile yansıma katsayısı da artmaktadır. Rölatif açıklık oranının 0.6 olduğu durumda yansıma katsayısının tekrar düştüğü görülmektedir. B/L p rölatif açıklık oranının 0.1, 0.2, 0.3 ve 0.4 olduğu durumlar için çiftli perfore duvarlarının performansları tekli perfore duvarlarınki ile karşılaştırılmıştır. Dalga odası açıklığının 0.2 olduğu durumda en düşük iletilen dalga yüksekliği elde edilmiştir. B/L p nin 0.4 olduğu durumda ise en yüksek iletilen dalga yüksekliği değerleri elde edilmiştir. Yansıyan dalga yüksekliğinin rölatif açıklık oranının 0.2 olduğu durumda en düşük değeri aldığı görülmüştür. Rölatif açıklık oranının 0.4 olduğu koşullarda yansıyan dalga yüksekliği en yüksek değeri almıştır. %40+%26, %40+%20 ve %26+%20 duvar kombinasyonlarının performanslarının karşılaştırıldığı çalışmada en yüksek yansıma katsayısı %26+%20 kombinasyonunda elde edilmiştir. Bu kombinasyon en düşük iletim katsayısını da vermiştir. En yüksek iletim katsayısı %40+%26 kombinasyonunda elde edilmiştir. Özöğüt ün (2006) tekli perfore duvarların düzenli dalga koşullarındaki çalışması ile karşılaştırma yapıldığında, eldeki veriler ışığında düzenli ve düzensiz dalgalar için dalga dikliğine karşı yansıma katsayısı grafiklerinde oldukça uyumludur. Ok un (2006) düzenli dalga koşullarında çiftli perfore kıyı duvarlarının hidrolik performansı üzerine yaptığı çalışmada en düşük yansıma katsayısı rölatif dalga odası açıklığının 0.2 olduğu durumda elde edilmiştir. Bu çalışmada, düzensiz dalga koşullarında da aynı sonuç elde edilmiştir. Hem düzenli hem de düzensiz dalga koşullarında rölatif dalga odası açıklığı 0.2 nin üzerine çıktıkça yansıma katsayısı sinüzoidal bir eğri çizmektedir. Bu sonuç düzensiz dalga koşulları ile düzenli dalga koşullarının çiftli perfore kıyı duvarlarının dalga odası açıklığı değişimi için benzer sonuçlar verdiğini göstermiştir. Suh vd. nin (2004) çalışmasında çiftli perfore kıyı duvarlarında dalga odası açıklığının 0.2 olduğu durumda çiftli perfore kıyı duvarlarının yansıma katsayısı en düşük değeri vermiştir. Bu çalışmada da aynı sonuç elde edilmiştir. KAYNAKLAR Bergmann, H. ve Oumeracı, H., (1998), Wave Pressure Distribution on Permeable Vertical Bergmann, H. ve Oumeracı, H., (1999), Hydraulic performance of perforated structures, Proceedings of Coastal and Port Structures 99, Capetown, pp Ok T. (2006), Çiftli Perfore Kıyı Duvarlarında Hidrolik Performans, Master Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul. Özöğüt B. 2006, Tekli Perfore Kıyı Duvarlarında Hidrolik Performans, Master Tezi, YTÜ, İstanbul. Suh, K.D., Shin, S. ve Cox, D.T., (2006b), Hydrodynamic Characteristics of Pile-Supported Vertical Wall Breakwaters, Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engrg., 132(2), Walls, Proceedings 26th International Conference Coastal Engineering (ICCE), Copenhagen Yurtbil, U.Y. (2011), Düzensiz Dalga Şartlarında Perfore Kıyı Yapılarının Hidrolik Performansının Araştırılması, Master Tezi, YTÜ, İstanbul