TSUNAMİ DALGALARININ DÜŞEY YÜZLÜ VE ŞEVLİ DALGAKIRANLAR ÜZERİNDEKİ ETKİLERİNİN DENEYSEL İNCELENMESİ

Transkript

1 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 375 TSUNAMİ DALGALARININ DÜŞEY YÜZLÜ VE ŞEVLİ DALGAKIRANLAR ÜZERİNDEKİ ETKİLERİNİN DENEYSEL İNCELENMESİ Bilge BAŞ Sedat KABDAŞLI Atakan YÜCE Çevre Müh Prof. Dr. Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Müh. İTÜ İTÜ İTÜ Hidrolik Laboratuvarı Hidrolik Laboratuvarı Hidrolik Laboratuvarı İstanbul, Türkiye İstanbul, Türkiye İstanbul, Türkiye ÖZET Uzun dalgalara verilebilecek en bilinen örnek liman dalgası anlamına gelen tsunamilerdir. Bu dalgalar sahip oldukları büyük dalga enerjisi sayesinde kıyıya ulaştıktan sonra büyük mesafeler kaydederek kara yapılarına zarar verip can ve mal kaybına neden olmalarının yanı sıra kıyı yapılarına da zarar vermektedirler. Bu çalışmada, şevli ve düşey yüzlü dalgakıranların tsunami etkisi altındaki stabilitesi deneysel olarak incelenmiştir. Söz konusu dalgakıranların fırtına dalgaları altında stabil olduğu belirlenen enkesitlerine tsunami etkisi ortaya konulmuştur. Bu amaçla İTÜ Hidrolik Laboratuarı nda çeşitli şevli dalgakıran konfigürasyonları oluşturularak tsunami etkisinde stabiliteleri incelenmiş ve düşey yüzlü kıyı yapıları konfigürasyonları oluşturularak uzun dalgaların basınç dağılımları belirlenmiştir. GİRİŞ Tsunami tipi dalgalar başta su altı depremleri olmak üzere; volkanik patlamalar, yer kaymaları, su altı kütle hareketleri, su altı patlamaları ve göktaşı çarpmaları gibi yerkürede oluşabilecek ani hareketlenmeler sayesinde ortaya çıkmaktadır. Bütün bu olaylar, başlangıçta küçük genliğe sahip olan ve hareket merkezinden dört bir yana saçılarak hızla ilerleyen (bir su kütlesine atılan küçük bir taşın su yüzeyinde oluşturduğu dalgalar gibi) bir seri uzun dalgayı tetikleyebilmektedir (Cuypers, 23). Tsunamiler oluştukları bölgede ve hareketlerinin başlangıcında küçük genliklidirler (1~2 metreden az) ve dalga boyu değeri su derinliğine kıyasla oldukça büyüktür (genellikle 1 km den fazla). Bu dalgalar kıyıya yaklaştıkça kıyı yakınlarındaki batimetriye bağlı olarak değişikliğe uğrayıp dikleşirler ve bunun sonucu olarak oldukça büyük dalga yüksekliği değerlerine ulaşabilirler. Tsunamiler sahip oldukları büyük dalga enerjisi sayesinde kıyıya ulaştıktan sonra uzun mesafeler kaydedip, büyük oranda can ve mal kaybına sebebiyet verebilirler (Li, 2) tarihinde gerçekleşen Güney Doğu Asya depremi nedeniyle oluşan tsunami 19 ülkeyi etkilemiş ve 12 ülkede can ve mal kaybına neden olmuştur. Meydana gelen deprem ve tsunami sonucu 3 kişi hayatını kaybetmiş ve 1,5 milyon kişi evsiz kalmıştır. Ayrıca, 4-12 m yüksekliğinde dalga tırmanması değerlerine sahip tsunami dalgalarının kıyıdan km mertebesinde içeri girmesi ve yapılar üzerine uyguladığı kuvvetler sonucu binalar, köprüler ve altyapı birimleri hasara uğramıştır. Kara yapıları yanında, bölgedeki kıyı yapıları da zarar görmüştür (Ghobarah, 26).

2 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Dalgaların kıyıya ve kıyı yapılarına etkilerinin azaltılması için kullanılan en geleneksel yöntem, dalgakıranlar inşa edilerek dalganın enerjisinin kıyıya ulaşmadan azaltılmasıdır. Spesifik olarak şevli dalgakıranların tsunami karşısındaki davranışını inceleyen az sayıda literatür kaynağı mevcuttur. Mevcut kaynaklarda bu konu ile ilgili formüller verilmemekle birlikte, yıkım modelleri ve dökme taş dalgakıran yapısının zayıf noktaları ile ilgili bilgi verilmektedir. Bu çalışma ile tsunami tipi uzun dalgaların, düşey yüzlü kıyı yapıları ve şevli dalgakıranlar üzerindeki etkileri laboratuar ortamında çeşitli değişkenler için incelenerek söz konusu kıyı yapılarının dizayn kriterleri için öneriler getirilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda İTÜ İnşaat Fakültesi Hidrolik Laboratuarı nda çeşitli şevli dalgakıran konfigürasyonları oluşturularak tsunami etkisinde stabiliteleri incelenmiş ve düşey yüzlü kıyı yapıları konfigürasyonları oluşturularak uzun dalgaların oluşturdukları basınç dağılımları belirlenmiştir. DALGAKIRAN STABİLİTESİ, HASAR TESPİTİ VE DÜŞEY YÜZLÜ DALGAKIRANLARDA BASINÇ DAĞILIMI Tsunami dalgası etkisindeki şevli dalgakıranlarda kreti aşan dalga yükü ve koruyucu kaplama tabakası blokları arasından geçen akım yükü olmak üzere iki temel kuvvet söz konusudur. Bir şevli dalgakıranın dalga kuvvetleri ve diğer kuvvetler karşısında stabil durmasını sağlayan başlıca etken söz konusu kıyı yapısında kullanılan blokların ağırlığıdır. Bu nedenle şevli dalgakıranlarda kullanılan blok ağırlıklarının hesaplanması ilgili olarak bir çok çalışma gerçekleştirilmiş ve bu çalışmalar sonucunda ampirik formüller geliştirilmiştir. Koruyucu kaplama tabakası taş ağırlıkları ile ilgili olarak kullanılan en yaygın formül Eşitlik 1 ile verilmiş olan Hudson formülüdür (Kabdaşlı, 1992). Hudson formülünün temel avantajları basit bir formül olması ve birçok koruyucu kaplama tabakası bloğu için K D stabilite sayısının belirlenmiş bulunmasıdır. W = K Δ γ H s γ s 1 cotα γ w 3 3 (1) Burada, W, koruyucu kaplama tabakası taş ağırlığı (kg), K Δ, stabilite katsayısı, γ s, kullanılacak taşın özgül ağırlığı (kg/m 3 ), γ w, deniz suyunun özgül ağırlığı (kg/m 3 ), H, proje dalga yüksekliği (m) ve α, şev açısıdır. Bu formülle belirlenen blok ağırlığı dalgakıran tasarımı sırasında iki-üç tabaka taş kullanılıyorsa.75 W 1.25 W aralığında alınabilir. Şevli dalgakıranların koruyucu tabakalarında meydana gelen hasar genel olarak koruyucu tabakayı oluşturan bloklardan hareket edenlerin sayılması ya da şev eğiminin aşınan yüzey profilinin başlangıç profili ile karşılaştırılmasıyla belirlenmektedir (CEM, 26). Sayma yöntemi ile hasar belirlenmesi, koruyucu tabakada yer alan ve dalga etkisiyle hareket eden blokların sayılması ile gerçekleştirilmektedir. Blok hareketleri çeşitli çalışmalarda hareket etmeme, kıpırdama, orijinal pozisyonu terk ederek yer değiştirme, vb. şekilde sınıflandırılmaktadır.

3 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 377 Bu çalışmada, şevli dalgakıranların koruyucu tabakalarında yer alan taş/blokların hareketinin koruyucu kaplama tabakasında meydana gelen hasara katkısını farklı oranlarla tanımlayan bir yöntem kullanılmıştır (Yağcı, vd., 23). Söz konusu çalışmaya göre, koruyucu kaplama tabakasında yer alan blokların hareketi aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır: Kıpırdama: Bloklar gelen dalganın etkisi ile oldukları yerde hareket ederler. Hasara katkı oranı % 25 tir. Dönme: Bir bloğun yerini boşaltarak nominal çaptan daha az ötelenmesi hareketidir. Hasara katkı oranı % 5 dir. Yuvarlanma: Dönme: Bir bloğun yerini boşaltarak nominal çaptan daha fazla ötelenmesi hareketidir. Hasara katkı oranı % 1 dür. Bu durumda hasar oranı aşağıdaki şekilde hesaplanmaktadır:,25.kıpırdayan BS +,5. Dönen BS + Yuvarlanan BS Hasar Oranı= deki Toplam Blok Sayısı (2) Burada BS, blok sayısıdır. Diğer taraftan tsunami ya da daha genel anlamda uzun dalgalar ile düşey yüzlü kıyı yapıları arasındaki ilişki uzun yıllardır araştırmacıların ilgisini çekmektedir ve literatürde bu konu üzerine yapılan çalışmalar mevcuttur. Bunlardan bir tanesi Japon bilim adamı Tanimoto ya aittir. Tanimoto, laboratuar çalışmaları sonucunda düşey bir duvar üzerine çarpan kırılmamış bir tsunaminin duvar üzerinde üniform bir basınç dağılımı oluşturduğu sonucuna varmıştır. Tanimoto bu bulguları keson yapısına uyarlamış ve basınç dağılımından hareketle tsunami etkisi altındaki keson yapılarının stabilitesi (kayma ve devrilmeye karşı) için Goda nın kısa dalgalar için üretmiş olduğu hesap yöntemine kavramsal olarak benzeyen bir hesap yöntemi geliştirmiştir (Cuypers, 23). ÇALIŞMA YÖNTEMİ Deneysel çalışma şevli ve düşey yüzlü dalgakıranlar için ayrı ayrı yürütülmüştür. Deneylerde kullanılan dalga kanalı 22,5 m uzunluk, 1, m genişlik ve,5 m yüksekliğe sahiptir. Dalga kanalının yan duvarları deneylerin daha iyi gözlenebilmesi için camdan yapılmıştır. Dalga kanalına yerleştirilen,97 2,,2 m boyutundaki yatay bir levha bir mafsal ile pnömatik silindire bağlanarak tsunami dalga üretim sistemi oluşturulmuştur. Pnömatik sistem ile söz konusu levhanın kanal içerisinde düşey yönde hareketi sağlanmakta ve her deneyde tek bir tsunami dalgası oluşturulmaktadır. Pnömatik sistem için gerekli basınçlı hava bir kompresör aracılığıyla sağlanmaktadır. Şevli Dalgakıran Deneyleri Dalga kanalında 1/2 ve 1/1.25 olmak üzere iki farklı şev eğimine sahip iki adet dalgakıran kesiti kurulmuştur. Söz konusu kesitlerde kullanılacak koruyucu kaplama tabakası taş ağırlıkları Hudson formülüne göre belirlenmiştir (Kesit I: 5<W<8 g ve Kesit II: 7<W<12

4 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu g). Dalgakıran alt anroşman tabakası için tüm kesitlerde 18-3 g ağırlık aralığında taş kullanılmıştır. Çekirdek dolgu çok ince malzemeden oluşturulmuştur. Her bir kesitte uygulanan deneyler dalgakıran kesitinin geçirimli/geçirimsiz olması, kronman kullanılması ve daha küçük taş ağırlığı (3 5 g) için tekrarlanmıştır. Dalgakıranda meydana gelen hasarı belirlemek amacıyla kesitte yer alan taşların hareketi gözlenmiştir. Düşey Yüzlü Dalgakıran Deneyleri Düşey yüzlü kıyı yapılarının modellendiği deneylerde ise dalga kanalında 3 farklı boyutta keson tipi dalgakıran kesiti kurulmuştur. Kanala kurulan kesitler üzerinde basınç dağılımını gözlemek amacıyla iki adet sakin su seviyesinin altında, bir adet sakin su seviyesinde ve bir adet kronman üzerinde olmak üzere dört adet basınçölçer yerleştirilmiştir. Yalnızca, Keson III için sakin su seviyesinin altında bir adet basınçölçer kullanılmıştır. Öte yandan, üretilen dalgaya ait özelliklerin (dalga yüksekliği gibi) anlaşılması için 2 adet dalga probu kullanılmış ve dalga yüksekliği ile yapı önü basınç dağılımı arasındaki ilişkinin gözlenebilmesi amacıyla deneyler farklı dalga yükseklikleri için tekrarlanmıştır. Ayrıca tüm deneyler keson yapılarının palyeli ve palyesiz konfigürasyonları için gerçekleştirilmiştir. DENEY SONUÇLARI Şevli Dalgakıranlar Dalgakıran üzerinde bir yapı olmaması durumunda dalgakıran kesitlerinin arka kısımlarında daha yüksek hasar oranları gözlenmiştir. Bu durumun nedeni tsunami dalgasının dalgakıranı aşarak ve dalgakıran koruyucu tabaka taşları arasından geçerek oluşturduğu etkidir (Şekil 1). 2.2 Ön-Arka Kesit Karşılaştırması Şekil 1 Kronmansız-Levhasız durumda ön ve arka kesitlerin karşılaştırılması konfigürasyonlarda dalgakıran koruyucu kaplama tabakası taşları arasındaki akım bir levha ile kesilerek aşan dalga yükünün etkisi belirlenmeye çalışılmıştır. Şekil 2 de görüldüğü gibi, aşan dalga yükü dalgakıranın arka kısmındaki stabilite üzerinde oldukça etkilidir.

5 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Levhasız Durum Karşılaştırması Şekil 2 Aşan dalga yükünün etkisi Tüm konfigürasyonlardaki hasar oranları incelendiğinde tsunami etkisi altında önemli derecede hasar gözlenmemiştir. Elde edilen hasar oranları Hudson formülünde izin verilen ölçüye (% 5) dahi ulaşmamıştır. Şevli dalgakıran kesitleriyle yapılan deneylerde oluşturulan konfigürasyonlarda dalga yüksekliği-hasar oranı grafikleri incelediğinde (Şekil 3) kronman olması durumunda dalgakıranların ön kısımlarında gelen tsunami dalgasının kronmandan yansıması nedeniyle daha yüksek oranda hasar gözlenmiştir. Bu konfigürasyonda dalgakıranın arka tarafında deneylerin çoğunda dalga aşması olmaması sebebiyle hasar gözlenmemiştir. Yalnızca ikinci kesitte düşük taş ağırlığı ile yapılan deneylerde kronmanın dalga kuvveti etkisiyle deplasman yapması sebebiyle hasar gözlenmiştir. konfigürasyondaki hasar oranları dalgakıranın ön kısmı için genel olarak kronmanlı hasar oranlarından küçük, kronmansız levhasız hasar oranlarından ise büyüktür. Bu durumun nedeni arka tarafa geçemeyen akımın geriye yansımasıdır. Arka kısım için ise, üretilen tsunami dalgasının dalgakıran kretini aşmasından dolayı kronmansız levhasız konfigürasyondan küçük, kronmanlı konfigürasyondan ise büyük hasar değerleri gözlenmiştir.

6 38 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Kesit I Taş Ağırlığı: 5-8 g Kesit I Taş Ağırlığı: 5-8 g Kesit I Taş Ağırlığı: 3-5 g 1.14 Kesit I Taş Ağırlığı: 3-5 g Kesit II Taş Ağırlığı: 7-12 g Kesit II Taş Ağırlığı: 7-12 g Kesit II Taş Ağırlığı: 3-5 g Kesit II Taş Ağırlığı: 3-5 g 1 1 Şekil 3 Şevli dalgakıran kesitleri için dalga yüksekliği-hasar oranı grafikleri

7 6. Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu 381 Düşey Yüzlü Dalgakıranlar Düşey yüzlü kıyı yapıları oluşturularak yapılan deney sonuçları Şekil 4 ve 5 te verilmiştir. Bu sonuçlara göre, uzun dalgaların etkisi altındaki bir düşey yüzlü kıyı yapısında, dalga kaynaklı dinamik basınçların maksimum değeri genellikle sakin su seviyesinde ortaya çıkmaktadır ve açık deniz dalga yüksekliği ile yapı üzerinde oluşan maksimum dinamik basınçlar logaritmik olarak değişmektedir. Düşey yüzlü bir kıyı yapısı üzerinde uzun dalga etkisi ile meydana gelen dinamik basınç dağılımı, dalga yapı boyutlarına göre büyüdükçe üniform hale gelmekte, sakin su seviyesi altındaki maksimum basınç değerleri, sakin su seviyesindeki maksimum basınç değerine yaklaşmaktadır. Düşey yüzlü bir kıyı yapısının önüne inşa edilecek palye yüksekliği arttıkça, özellikle yapının üzerinden aşacak mertebede büyük bir uzun dalga etkisi altında, söz konusu yapının karşılaşacağı dinamik dalga kuvvetleri de hissedilir ölçüde artmaktadır. Diğer bir deyişle, palye uygulaması yapının uzun dalga durumunda karşılaşacağı dinamik kuvvetler açısından negatif rol oynamaktadır. Keson I - Palyesiz Keson I - Palyeli nin 16 cm Altı nin 8 cm Altı Keson II - Palyesiz nin 1 cm Altı nin 5 cm Altı nin 4 cm Altı Keson III - Palyesiz nin 16 cm Altı nin 8 cm Altı Keson II - Palyeli nin 1 cm Altı nin 5 cm Altı Keson III - Palyeli nin 4 cm Alt Şekil 4 Tüm keson yapıları için açık deniz dalga yüksekliği ve farklı konumlardaki maksimum dinamik basınçlar arasındaki ilişki

8 Ulusal Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Sakin Su Seviyesindeki Palyesiz Palyeli Keson I Sakin Su Seviyesindeki Palyesiz Palyeli Sakin Su Seviyesindeki Keson III Palyesiz Palyeli Keson II SONUÇ Şekil 5 Tüm keson yapıları için palyeli-palyesiz konfigürasyonların karşılaştırılması Bu çalışmada şevli dalgakıranlar ile yapılan deneyler sonucunda, proje dalga yüksekliği ile mukayese edilebilir büyüklükte bir tsunami etkisi altında şevli dalgakıranların kabul edilebilir bir hasar ile stabilitelerini korudukları görülmüştür. Ayrıca, stabiliteye aşmanın önemli oranda olumsuz etki yaptığı, dalgakıran kesitinin geçirimli olmasının stabiliteye katkı yapmadığı, kronman duvarı olması halinde ise yansıma nedeniyle stabilitenin olumsuz etkilendiği bulgularına varılmıştır. İkinci grup deney sonuçlarına göre ise, uzun dalgaların etkisi altındaki bir düşey yüzlü kıyı yapısında, açık deniz dalga yüksekliği ile yapı üzerinde oluşacak maksimum dinamik basınçlar arasındaki ilişki lineer olarak açıklanabilmektedir ve uzun dalga yapı boyutlarına göre büyüdükçe, yapı önü basınç dağılımı üniform hale gelmekte, palye uygulaması ise uzun dalga kaynaklı basınçlar açısından negatif rol oynamaktadır. KAYNAKLAR Cuypers, K., Breakwater Stability Under Tsunami Attack for a site in Nicaragua, Master Thesis, TU Delft, December, 23. Ghobarah, A., Saatcioglu, M., Nistor, I., (26). The Impact Of The 26 December 24 Earthquake And Tsunami On Structures And İnfrastructure. Engineering Structures 28: Kabdaşlı, S., Kıyı Mühendisliği, İ.T.Ü İnşaat Fakültesi Matbaası, İstanbul, Li, Y., Tsunamis: Non-Breaking and Breaking Solitary Wave Run-Up, PhD Thesis, CIT, CA, 2. U.S. Army Corps of Engineers, Coastal Engineering Manual (CEM), Washington, D.C., June, 26, Part VI, Chapter 5. Yagci, O., Kabdaşlı, S., (23). Alternative placement technique for antifer blocks used on breakwaters, Ocean Engineering, Volume 3, Issue 11, August 23, pp