BORU TĠPĠ TRĠMARAN YÜZER DALGAKIRANIN DÜZENLĠ DALGALAR ALTINDA DENEYSEL ETÜDÜ

Transkript

1 BORU TĠPĠ TRĠMARAN YÜZER DALGAKIRANIN DÜZENLĠ DALGALAR ALTINDA DENEYSEL ETÜDÜ M. Adil AKGÜL (1), M. Sedat KABDAŞLI (2) (1) Dr. Araştırmacı, Strathclyde Üniv. Gemi İnşaatı, Okyanus ve Deniz Müh. Bölümü, Glasgow, İngiltere. Tel: , E-Posta: (2) Prof. Dr., İstanbul Teknik Üniv. İnşaat Fakültesi Hidrolik Bölümü, İstanbul, Türkiye. Tel: , E-Posta: Özet Bu çalışmada, üç adet yatay borunun boşluklu ve rijit şekilde travers elemanlarla birbirlerine bağlanması ile oluşturulan bir yüzer dalgakıran modeli laboratuar ortamında fiziksel modelleme teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Bu amaçla 24.00x0.98x1.00 metre uzunluk, genişlik ve derinliğe sahip dalga kanalında iki boyutlu deneyler gerçekleştirilmiştir. Çelik halatlarla gergin biçimde deniz tabanına bağlanan sisteme ait geçiş katsayıları düzenli dalgalar altında elde edilmiş, geçiş katsayılarının baskın parametrelere göre değişimi incelenmiştir. Sistemde husule gelen bağlama kuvvetleri ölçülmüş ve değişimleri incelenmiştir. EXPERIMENTAL STUDY OF A TRIMARAN FLOATING PIPE BREAKWATER UNDER REGULAR WAVES Abstract In this study, a floating pipe breakwater model, composed of three horizontal pipes with interspacings, connected to each other with rigid transverse members has been inspected experimentally by applying physical modeling techniques. Two dimensional tests have been carried out in a wave flume with the dimensions of 24.00m length, 0.98m width and 1.00m depth. The floating breakwater model has been connected to the channel bottom by taut steel cables. Anahtar Kelimeler: Yüzer dalgakıran, geçiş katsayısı, bağlama kuvveti, fiziksel modelleme

2 GĠRĠġ Yüzer dalgakıranlar, çevresel etkilerin diğer türlere kıyasla çok daha düşük olması nedeniyle son yıllarda kıyı koruma yapıları içinde çevre dostu yapılar olarak öne çıkmaktadırlar. İlk örneklerine 19. yüzyılın ikinci yarısında rastlanmakla beraber II. Dünya Savaşı'nda Normandiya çıkartmalarında kullanılmalarını müteakip sökülebilirlik ve yeniden düzenlenebilirlik açılarından da dikkat çekmiş olan bu yapıların tasarım ve analizleri 1950'li yıllardan itibaren önem kazanmıştır. Bu süreçte pek çok farklı tasarım önerilmiş olup konuya dair geniş bir literatür özeti Hales (1981) tarafından verilmiştir. Deniz koşullarına dayanıklılık, imalat ve bakım kolaylıkları açılarından günümüzde kullanımı yaygın olan yüzer dalgakıran türleri kutu, katamaran ve hasır tipi yüzer dalgakıranlar olarak tanımlanmıştır (McCartney, 1985). Yüzer dalgakıran dizaynında genel olarak prizmatik köşeli gövdeler kullanılmakla beraber, dairesel kesitli elemanların yüzer dalgakıran olarak uygulanmasına yönelik çalışmalar da literatürde göze çarpmaktadır. Dairesel kesit uygulaması ile erişilmek istenen noktalardan biri, ticari boruların yapı gövdesinde kullanılmasını sağlayarak imalat maliyetini düşürmektir. Dairesel kesitli yüzer dalgakıranlara yönelik ilk çalışma, ağaç gövdelerini kullanarak ikiz ponton tipinde bir yüzer dalgakıranı inceleyen Jackson (1964) tarafından gerçekleştirilmiştir. Brebner ve Ofuya (1968), iki yatay dairesel silindirden oluşan bir yüzer dalgakıran için balast ve batmışlık oranlarına bağlı olarak dalga geçişini incelemişlerdir. Bu çalışma daha da geliştirilerek A Çerçevesi (ing. A-Frame) olarak adlandırılan yüzer dalgakıran modelinin ortaya çıkmasını sağlamıştır (Ofuya, 1968). May vd. (1999), gerçekleştirmiş oldukları nümerik modelleme bazlı çalışmada batık, gergin bağlanmış yatay silindirlere ait dalga geçişi performansını üç boyutlu olarak incelemişlerdir. Plaut (2000), yarı batık ve gergin bağlı yatay bir dairesel silindirin bağlama halatlarına etkiyen ani gerilme yüklerini incelemiş, söz konusu yüklerin dalga genliğine paralel olarak artış gösterdiğini bildirmiştir. Sundar vd. (2003), ara boşlukları boru çapına eşit, tek sıra halinde dizilmiş borulardan oluşan bir gövde üzerinde fiziksel model deneyleri gerçekleştirmişlerdir. Hedge vd. (2007), ızgara şeklinde düzenlenmiş, düşeyde üç, yatayda daha çok sıra borudan oluşan benzer bir sistem üzerinde fiziksel model çalışmaları yürütmüşlerdir. Son anılan iki sistem de kabul edilebilir performans göstermekle beraber çok parçalı sistemler olmalarından ötürü yapım ve bakım kolaylığı tartışma konusudur. Ek olarak, boşluklu sistemlerde olası katı madde birikimi ve deniz canlıları büyümesi riskleri de performansı ve estetiği olumsuz etkileyebilecek diğer hususlar olarak belirtilebilir. Özeren vd. (2008), tek, iki ve üç borudan oluşan farklı geometrilere sahip yüzer dalgakıran sistemleri üzerinde fiziksel model deneyleri gerçekleştirmişlerdir. Daha farklı konfigürasyonlar, farklı geometriler ve bağlama sistemleri kullanarak genişlettikleri çalışmanın sonuçlarında, bitişik nizamda demet şeklinde bağlanan birden fazla boru ile imal edilen dalgakıran gövdelerinin dalga sönümleme performansının eşdeğer çaplı tek borudan

3 oluşan dalgakıran ile aynı olduğu bildirilmiştir (Özeren vd., 2011). Akgül (2008), birbirlerine kablolar ile bağlanmış üç adet yatay borudan oluşan bir yüzer dalgakıran modeli üzerinde çalışmış ve boru batıklıklarının dalga geçişine etkisini incelemiştir. Modelden elde edilen sonuçların daha detaylı değerlendirilmesi sonucunda dalga geçişi, yansıması, enerji sönümlemesi ve alt harmoniklere dönüşüme ilişkin bir etüd Akgül ve Kabdaşlı (2012) tarafından gerçekleştirilmiştir. Anılan son iki çalışmada anılan modelde tespit edilen boruların çatışma riski, bu çalışmada incelenen modelin temelini oluşturmaktadır. Bu çalışmada incelenen boru tipi yüzer dalgakıran birbirlerine paralel yerleştirilmiş, ara boşlukları teşkil edilerek rijit bağlanmış olan üç adet borudan oluşmaktadır. Çalışma fiziksel modelleme teknikleri yardımı ile gerçekleştirilmiş olup dalga sönümleme performansı ve bağlama kuvvetleri iki boyutlu olarak incelenmiştir. DENEYSEL ÇALIġMA Dalga Kanalı Deneyler, İTÜ İnşaat Fakültesi Hidrolik Laboratuarı'nda bulunan m uzunluk, 0.98 m genişlik ve 1.00 m derinlikteki dalga kanalında gerçekleştirilmiştir. Kanal, hidrolik bir piston ile tahrik edilen flap tipi bir dalga üreteci ile donatılmış olup aktif sönümleme düzeneği bulunmamaktadır. Deney kurulumunda, kanal bitiminden yansımayı azaltmak amacı ile bu bölgeye 1:7 eğiminde çakıl bir şev inşa edilmiştir. Kanal tabanına iki adet çelik profil ray yerleştirilmiş; bu profiller üzerine monte edilen makaralarla dalgakıran modeli için bağlantı noktaları oluşturulmuştur. Kanalın plan ve profil görünüşleri Şekil 2'de verilmiştir. Deneyler boyunca kanalda sakin su seviyesi 0.70 m değerinde tutulmuştur. ġekil 2. Dalga kanalının plan ve profil görünüşü

4 Dalgakıran Modeli Deneylerde kullanılan yüzer dalgakıran modeli 125mm çaplı üç adet PVC borudan imal edilmiştir. Su geçirmez biçimde tecrit edilen borular, boru çapına eşit ara boşluklar teşkil edilerek iki uçlarından 16mm kalınlıkta kontraplak travers elemanlar ile birbirlerine sabitlenmişlerdir. Bağlama elemanları olarak 2.5mm çapında çelik halatlar kullanılmış olup halatlar travers elemanlar üzerinde hazırlanan kelepçeli bağlantı noktaları marifetiyle tutturulmuşlardır. Halatlar, yapıdan düşey olarak kanal tabanına erişmekte ve buraya yerleştirilen makaralar üzerinden döndürülerek kanalın üst kısmına yerleştirilen montaj elemanlarına bağlanmaktadırlar. Bu sayede yapının su çekimi halatlar yardımı ile kontrol edilebilmektedir. Deneylerde kullanılan dalgakıran modelinin plan ve profil görünüşleri Şekil 3'te verilmiştir. Gergin bağlama elemanları ile hizmet görmek üzere tasarlanan dalgakıran yapısının ortalama özgül ağırlığı 3.3 kn/m 3 mertebesinde seçilmiştir. Modelin temel fiziksel özellikleri Tablo 1'de sunulmuştur. ġekil 3. Dalgakıran modelinin (a) plan ve (b) profil görünüşleri.

5 Tablo 1. Dalgakıran modelinin fiziksel özellikleri. Parametre Sembol Birim Miktar Genişlik B [cm] Boru çapı D [cm] Boşluk genişliği a [cm] Su çekimi d [cm] Ağırlık W [N] Toplam kaldırma kuvveti F U [N] Toplam öngerme F B [N] Ağırlık merkezi z G [cm] 4.98 Yüzerlik merkezi z B [cm] 7.94 Ölçüm Ekipmanları Deneylerde dalga kayıtları için beş adet direnç tipi dalgaölçer kullanılmıştır. Dalgaölçerler, açık deniz probu, yapı önüne yerleştirilen, dalga yansıması hesabında kullanılacak biçimde ara mesafeleri ayarlanan üç adet yansıma probu ve dalga geçişini okumak üzere yapı gerisine yerleştirilen geçiş probu olarak konuşlandırılmışlardır. Bu problar üzerinden alınan verilerde örnekleme frekansı 40 Hz olarak seçilmiştir. Bağlama kuvvetlerinin ölçümünde ise gerinim pullarından yararlanılmıştır. Nispeten küçük olan kablo çapı nedeniyle doğrudan kablolar üzerine tatbik edilemeyen gerinim pulları, 15mm x 140mm boyutlarında ve 1.5 mm kalınlığındaki alüminyum şeritler üzerine monte edilmişlerdir. Ön ve arka bağlama halatlarına birer adet olmak üzere sisteme toplam iki adet gerinim pulu yerleştirilmiştir. Gerinim pullarında 250 Hz örnekleme frekansı uygulanmıştır. Test Matrisi ve Prosedürü Dalgakıran modeli, farklı periyod ve yüksekliklere sahip 30 düzenli dalga serisi altında test edilmiştir. Test dalgaları aşağıda verilen sınırlar içindedir: 5.69cm H rms 14.88cm 0.86s T m 1.50s (2) Kanalda aktif palet mekanizması bulunmadığı için test süreleri yansıma dikkate alınarak hesaplanmıştır. Bu kapsamda dalgakıran gövdesinden faz farkı ihmal edilerek tam yansıma gerçekleştiği kabul edilmiştir. Veri analizi için kullanılabilecek toplam deney süresi, dalgakırandan yansıyan dalganın paletten geri yansıyarak tekrar dalgakırana erişmesi için gereken zaman ile sınırlıdır; söz konusu süreler, ara mesafeler ve lineer teoriye göre hesaplanan dalgaboyu ve dalga yayılma hızı değerleri dikkate alınarak hesaplanmışlardır.

6 SONUÇLARIN DEĞERLENDĠRĠLMESĠ Dalga GeçiĢi Su seviyesi-zaman grafikleri, yukarıda belirtilen yansımasız kayıt süreleri dikkate alınarak ayıklanmış ve serilere sıfırı aşağı kesme metodu tatbik edilmiştir. Bu şekilde ayıklanan tekil dalgaların karakteristik periyod ve yükseklik değerleri hesaplanmış; dalga geçişine mahsus değerlerin tayininde RMS dalga yükseklikleri dikkate alınmıştır. Dalgakıran modelinin dalga geçişine etkisi, geçiş katsayısı yardımı ile ifade edilmiştir. Düzenli dalgalar için C T geçiş katsayısı, yapı arkasında ölçülen H T geçen dalga yüksekliğinin H I yapıya etkiyen dalga yüksekliğine oranı olarak tanımlanmaktadır: C T = H T H I (3) Bu çalışmada C T geçiş katsayıları H rms değerleri kullanılarak hesaplanmışlardır. Hesaplanan geçiş katsayılarının baskın parametrelere göre değişimi incelenmiştir. Bu amaçla, boyutsuz dalga yüksekliği ve bağıl genişlik parametreleri, sırası ile H rms RMS dalga yüksekliğinin D boru çapına oranı ve B yapı genişliğinin L dalga boyuna oranı olmak üzere tanımlanmışlardır. Dalgaboyu, yapı derinliğinde lineer teoriden hesaplanmıştır. C T H/D=0.45 H/D=0.57 H/D=0.85 H/D= B/L h ġekil 4. Sabit bağıl dalga yüksekliği için geçiş katsayılarının bağıl dalgaboyuna bağlı olarak değişimi.

7 Sabit dalga yüksekliği için bağıl genişliğe bağlı olarak geçiş katsayılarının değişimi Şekil 4'te çizilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere, dalga geçişi bağıl genişlik parametresi arttıkça azalmaktadır. Ek olarak, sabit dalga boyu için dalga geçişinin artan dalga yüksekliğine bağlı olarak arttığı da görülmektedir. C T B/L=0.54 B/L=0.49 B/L=0.44 B/L=0.36 B/L=0.28 B/L=0.26 B/L= H rms /D ġekil 5. Sabit bağıl genişlik hali için dalga geçişinin RMS dalga yüksekliğine bağlı olarak değişimi. asdasdasd adfdf GeçiĢ Katsayıları Ġçin Ampirik Bir Bağıntı Akgül ve Kabdaşlı (2012), geçiş katsayılarını bağıl genişlik ve dalga dikliğine bağlı ampirik bir bağıntı ile ifade etmişlerdir. Benzer bir çalışma burada da gerçekleştirilerek geçiş katsayısı, dalga dikliği, bağıl genişlik ve boyutsuz dalga yüksekliği boyutsuz parametrelerinin farklı kombinasyonları kullanılarak çok parametreli nonlineer regresyon analizi uygulanmıştır. Analiz sonucunda en iyi uyum gösteren bağıntı, aşağıdaki gibidir (R M 2 = 0.903; ε a0 = 0.061; ε r0 = 13%): C T = 1.506exp 9.24s h B L h (_) Dk. (_)'te dalga dikliğinin dalga geçişini arttırıcı nitelikte bir parametre olması ilk bakışta yadırganabilir olmakla beraber, denklemin dalga boyunu bağıl genişlik parametresi içinde içerdiği dikkate alındığında dalga dikliğinin ağırlıklı olarak dalga yüksekliğini tanımladığı görülmektedir. Boyutsuz dalga yüksekliği ve bağıl genişliğin değişkenler olarak kullanılması durumunda elde

8 C T (Dk.) edilen diğer bir bağıntı Dk. ile verilmiştir (R M 2 = 0.887; ε a0 = 0.066; ε r0 = 14%): C T = 0.960exp 0.60 H rms D 3.28 B L h C T (Ölçülen) ġekil 6. Dk. (_) ile elde edilen dalga geçişi sonuçlarının deneylerden elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılması. Performansın Kutu Tipi Bir Yapı Ġle KarĢılaĢtırılması Yapının performansı hakkında bir karşılaştırma yapabilmek amacı ile dikdörtgen kesitli sabit bir engelden dalga geçişi hesaplanmıştır. Bu amaçla, Macagno (1953) tarafından önerilen aşağıdaki bağıntı kulanılmıştır: C T = 1 + πb L 1 + d h d 2 1 ( ) Dk. ( )'den elde edilen sonuçların deneylerden elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılması Şekil 'da gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere, yapının performansı,

9 C T Macagno (1953) Ölçülen B/L h ġekil 7. Ölçülen geçiş katsayılarının Dk. (_)'den elde edilen geçiş katsayıları ile karşılaştırılması. Bağlama Kuvvetleri Yüzer dalgakıran, gergin bağlanmış olduğu için bağlama halatlarında sakin su durumunda sabit büyüklükte bir öngerme kuvveti bulunmaktadır. Dalga etkisi altında belirtilen öngerme kuvvetine ek olarak periyodik olarak değişen bir dinamik kuvvet ortaya çıkmaktadır. Bağlama kuvvetlerinin analizinde ilk aşama olarak statik ve dinamik kuvvetler birbirlerinden ayrılmıştır. SONUÇ Ara boşluklarla yerleştirilmiş üç adet yatay borunun birbirlerine rijit olarak bağlanması yoluyla oluşturulan bir yüzer dalgakıran modeli tasarlanmış ve fiziksel modelleme çalışmaları gerçekleştirilerek iki boyutlu hal için dalga geçişi ve bağlama kuvvetleri incelenmiştir. Kaynaklar Akgül, M.A. (2008). Boru Tipi Yüzer Dalgakıranların Deneysel İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. Akgül, M.A. ve Kabdaşlı, M.S. (2012). Experimental study about the wave attenuation performance of a horizontal interconnected triple-pipe floating breakwater, Proc. of the 22 nd International Offshore and Polar Engineering Conference, ISOPE 2012, Haziran 2012, Rodos, Yunanistan.

10 Akgül, M.A. (2014). Design of a Floating Breakwater - Wave Energy Converter Hybrid, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Nisan Brebner, A. ve Ofuya, A.O. (1968). Floating breakwaters, Proc. of the 11 th International Conference on Coastal Engineering, ASCE, Cilt 2, s Hales, L.Z. (1981). Floating Breakwater: State-of-the-Art Literature Review, US Army Coastal Engineering Research Center, Technical Report No. TR-81-1, Fort Belvoir, VA. Hedge, A.V., Kamath, K. ve Magadum, A.S. (2007). Performance characteristics of horizontal interlaced multilayer moored floating pipe breakwater, Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 133 (4), s Jackson, R.A. (1964). Twin-Log Floating Breakwater, Small Boat Basin No. 2, Juneau, Alaska. US Army Engineer Waterways Experiment Station, Misc. Paper No , Vicksburg, Miss. Macagno, E.O. (1953). Fluid mechanics experimental study of the effects of the passage of a wave beneath an obstacle, Proc. of the Academic des Sciences, Paris, France, February Mays, T., Plaut, R.H. ve Liapis, S.I. (1999). Three-dimensional analysis of submerged, moored, horizontal, rigid cylinders used as breakwaters. Ocean Engineering 26, s McCartney, B. (1985). Floating breakwater design. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 111(2), s Ozeren, Y., Wren, D.G. ve Alonso, C.V. (2008). Development of floating wave barriers for cost-effective protection of irrigation pond levees. Transactions of the ASABE, 51, s Ozeren, Y., Wren, D.G., Altınakar, M. ve Work, P.A. (2011). Experimental investigation of cylindrical floating breakwater performance with various mooring configurations. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 137(6), s