DİKEY KIYI YAPILARI İLE BÜTÜNLEŞİK YATAY LEVHALAR UZERİNE GELEN DALGA KALDIRMA KUVVETLERİ

Transkript

1 8. KIYI MÜHENDSL SEMPOZYUMU DİKEY KIYI YAPILARI İLE BÜTÜNLEŞİK YATAY LEVHALAR UZERİNE GELEN DALGA KALDIRMA KUVVETLERİ DOĞAN KISACIK Dokuz Eylül Üniversitesi Deniz Bilimleri ve Teknolojisi Enstitüsü, Haydar Aliyev Bul. No: İnciraltı-İzmir, Tel:+90 (232) /108, Faks:+90 (232) Özet Dik duvar üzerine yerleştirilmiş yatay bir konsülden oluşan kıyı yapısı darbe yükleri altında laboratuvar ortamında test edildi. Test için kullanılan dalgalar düzenli dalgalardır. Test sonuçları yapı üzerine gelen kaldırma kuvvetlerini incelemek için kullanıldı. Daha sonra kaldırma kuvvetlerini etkileyen temel parametreler belirlendi. Bu parametreler dalga yüksekliği (), yapı önündeki su derinliği ( ) ve dalga periyodu (), ve yapının geometrik parametreleridir. Impulse teorisi, dalga kırılma kinematiği ve etki yükleri için yapılan deney sonuçlarına dayanarak dikey kıyı yapıları ile bütünleşik yatay levhalar üzerine gelen kaldırma kuvvetleri için, darbe yükünün etkin olduğu zaman aralığına ( ) bağlı bir tahmin modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen model ölçekli deney sonuçlarına dayanmaktadır. Bundan dolayı modelin gerçek ölçekleri için düzeltilmesi gerekmektedir. Anahtar kelimeler: Dik duvarlar; kırılan dalga etkileri; kırılan dalga basınç ve kuvveti UPLIFT FORCES ON A VERTICAL STRUCTURE WITH AN OVERHANGING HORIZONTAL CANTILEVER SLAB A vertical wall with an overhanging horizontal cantilever slab is tested in a small scale test set-up under wave impact (impulsive) loads. Tested waves are regular. Results from wave impact tests are used to analyze the uplift impact forces under breaking waves. Then, a set of parameters which is responsible for the uplift impact forces is investigated. Incident wave height at the toe of the foreshore ( ), water depth at the structure toe ( ) and incident wave period () are the main parameters governing the uplift impact forces. Based on the experimental investigations on breaking wave kinematics and impact loads, a new prediction model for uplift impact forces, occurred on the overhanging horizontal cantilever slab, has been derived as a function of the rise time. is the time duration between points and. The formula is developed based on the scaled test results. Therefore, a correction of the formula is required for the prototype dimension. Keywords: Vertical walls; breaking wave impact; impact pressure and force 481

2 8. KIYI MÜHENDSL SEMPOZYUMU 1. Giriş Dikey dalgakıranlar ve kıyı duvarları gibi yapılar fırtına dalgalarına ve deniz taşkınlarına karşı korunmak için kullanılan geleneksel kıyı yapılarıdır. Fakat bu yapılar için dalga aşımının kontrolü kritik bir konudur. Bu nedenle, mühendisler veya tasarımcılar dalga aşımını engellemek için dalgaların geri dönmesini sağlayan taç duvar veya tamamen yatay konsüller ile beraber bu yapıları tasarlamaktadırlar. Ancak, kırılan dalgalar, dikey yüzeyde yükselmekte ve yatay konsül döşemelerine alttan çarparak darbe yükleri vermektedirler. Bu kuvvetler statik bir yüklenmeye eşit değildir. Bu nedenle, bu tarz yapılar üzerine gelen dalga yüklerinin uzaysal ve zamansal dağılımının ayrıntılı bir şekilde incelenmesi gerekmektedir. Dikey yapılar üzerinde, dalgaların kırılma şeklinin, oluşan dalga kuvveti ve basıncı üzerinde önemli bir etkisi vardır. Kırılma şekline göre, dört kırılma modeli önerilmektedir. Bunlar: (a) hafif kırılan dalgalar (SBW), (b) küçük hava tuzaklı kırılan dalgalar (BWSAT), (c) büyük hava tuzaklı kırılan dalgalar (BWLAT) ve (d) kırılmış dalgalar (BW) dır (Kısacık ve ark., 2012a). Dikey yapılar üzerine gelen dalga yükleri yavaş yavaş etkili olan yarı-statik ya da daha yoğun fakat kısa ömürlü darbe yükleri şeklinde görülür. Genellikle, SBW veya BW şeklinde kırılan dalgalar yarı statik yükler oluştururken, BWSAT ve BWLAT şeklinde kırılan dalgalar lokal hasarlara neden olan darbe yükleri oluştururlar. Kıyı yapıları ağır cüsseli yapılardır ve genellikle araştırmacıların kendi tasarım formüllerinde bu kısa süreli darbe yüklerini dikkate almama eğilimi göstermişlerdir. Bununla birlikte, Oumeraci (1994) yaptığı çalışmada dikey yapıların tasarımında, darbeli yüklerinin ne kadar önemli olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte literatürde, bazı tasarım kodları dikey yapılar üzerindeki darbe yüklerini hesaba katmaktadır. Minikin (1963) dik duvarlar üzerinde kırılan dalgalar için parabolik bir basınç dağılımı önermiştir. Kendi sonuçlarını kalibre etmek için De Rouville ve ark., (1938) elde etiği sonuçlarını kullanmıştır. Bu formülün farklı sürümleri arasında metrik birimlerin İngiliz birimlerine dönüştürülmesi esnasında hatalar olmuştur. Bu nedenle, Minikin formülü (Bullock, ve ark., 2004) son yıllarda demode olmuştur. Goda (1974) dik duvarlar üzerindeki dalga yükleri için teorik ve laboratuar çalışmalarına dayalı kendi formülünü geliştirmiştir. Darbe yükler için, Goda nın formülü Takahashi ve ark., 1994 tarafından basınç katsayısına yeni katsayılar eklenerek modife edilmiştir. Blackmore ve Hewson (1984) arazi ölçümlerine dayalı başka bir formül geliştirmişlerdir. Bu formülde, kırılan dalgalar tarafında duvar ile su arasına hapsedilen havanın yumuşatıcı etkisi dikkate alınmıştır. Yapılan arazi ölçümlerinde laboratuvar koşullarındaki ölçümlere oranla daha düşük basınç değerleri görülmüştür. Daha sonraları, Allsop ve Vicinanza (1996) Wallingford da yaptıkları model testlerine dayalı, dikey duvarlar üzerine gelen yatay dalga darbe kuvveti için bir başka tahmin formülü önermişlerdir. PROVERBS isimli Avrupa Birliği projesi çerçevesinde ise yatay darbe kuvvetleri için büyük veri setlerine dayalı başka bir tahmin yöntemi geliştirildi. Bu veri seti küçük ve büyük ölçekli laboratuvar deneylerini ve arazi ölçümlerini dayanmaktaydı. PROVERBS çerçevesinde, Oumeraci ve ark. (2001) kırılan dalgaların altında oluşan yatay kuvvetlerin hesaplanması 482

3 8. KIYI MÜHENDSL SEMPOZYUMU için bir yönerge geliştirdiler. Bununla birlikte PROVERBS metodunun uygulanması karmaşıktır ve benzer tasarım koşullarında bile göreceli farklı sonuçlara neden olmaktadır. Son zamanlarda, Cuomo ve ark. (2010) VOWS projesi çerçevesinde Barselona CIEM/LIM dalga kanalında gerçekleştirilen, deneysel çalışmalara dayalı dik kıyı yapıları için yarı-statik ve darbe yüklerini tahmin eden formüller geliştirdiler. Yukarıdakilere ek olarak, birçok başka araştırmacıda yaklaşan dalga tepelerinin yatay platformlar üzerinde oluşturduğu dikey kuvvetleri incelemişlerdir. Kaplan ve Silbert (1976), Kaplan (1979, 1992) ve Kaplan ve ark. (1995) deniz platformları, düz güverteler ve yatay kirişler üzerindeki dalga kuvvetlerini çalışmışlardır. Bu çalışmalarda, yatay kıyı yapıları için yarıanalitik modeller geliştirilmiştir. Daha sonra, Shih ve Anastasiu (1992) ve Toumazis ve ark. (1989), küçük ölçekli deneyler yaparak yatay güverteler üzerine gelen dalga kaynaklı yükleri ve basınçları analiz ettiler. Bea ve ark. (2001), yapısal elemanların çarpmadan dolayı oluşan dinamik amplifikasyonlara verdiği tepkiyi analiz eden yarı-ampirik bir yöntem önermişlerdir. Tirindelli ve ark. (2002) ve McConnell ve ark. (2003, 2004) yaptıkları 2-boyutlu fiziksel model deneylerinde güverte ve kiriş tarzı yapılar üzerine gelen dalga yüklerini ölçtüler. Tamamen dik yada yatay kıyı yapılarının tersine ikisinin birleşiminden oluşan birleşik yapılar üzerine gelen dalga yükleri hemen hemen hiç incelenmemiştir. Son zamanlarda, Kısacık ve ark. (2012a) kırılan dalgalar altında böylesi bir yapının üzerine gelen yükleri incelemişlerdir. Ayrıca, Kısacık ve ark. (2012b), aynı yapının kesiti üzerine gelen basınç dağılımı analiz etmişlerdir. Ancak, kırılan dalgalardan dolayı dik bir duvar üzerindeki yatay konsül üzerine gelen darbeli kaldırma kuvvetleri için henüz uygun bir formül yoktur. Bu çalışmada böyle kaldırma kuvvetleri için ampirik bir formül önerilmiştir. 2. Fiziksel Model Kurulumu Fiziksel modeller Ghent (Belçika) Üniversitesinin dalga kanalında (30 m x 1 m x 1.2 m) gerçekleştirilmiştir. Deneyde kullanılan yapı dik bir duvar ve bunun üzerine monte edilmiş bir yatay parapetten oluşmaktadır. Bir pedal vasıtası ile düzenli dalgalar üretilmiştir. Bu dalgaların yapı üzerinde oluşturduğu basınç kuvvetleri 10 tane Quartz basınç ölçer ile belirlenmiştir. Dalga yüklerini bulmak için yapılan deneylerde dikkate alınan temel parametreler dalga yüksekliği (), yapı önündeki su derinliği ( ), dalga periyodu (), darbe yükünün etkin olduğu zaman aralığı ( ) ve yapının geometrik parametreleridir. Gelen dalga yükseklikleri 8 ayrı yerde dalga ölçerler ile ölçülmüştür (Şekil 1). Dalga boyu () linear dalga teorisine göre istenen her derinlikte hesaplanmıştır. Geometrik parametreler (, ) yapının yüksekliği, boyu ve durgun su yüzeyi ile yatay platform arasındaki mesafeyi belirtir (Şekil 1). Deneyler dört ayrı su derinliği ve beş ayrı dalga periyodu için yürütülmüştür. Su derinliği ve dalga periyodunun bütün kombinasyonları için dalga yükseklik aralığı kırılmamış dalgalardan tam kırılmış dalgaları kapsayacak şekilde belirlenmiştir. Parametre matrisi Tablo 1 de verilmiştir. Basınç ölçerlerin örnekleme frekansı 20 KHz olarak belirlendi. Bu basınç ölçerlerin 7 tanesi dikey kısma ve 3 tanesi de yapının yatay kısmına monte 483

4 8. KIYI MÜHENDSL SEMPOZYUMU edildi. Yapı üzerine dalgalardan dolayı gelen yatay ve kaldırma kuvvetleri basınç ölçerlerden elde edilen değerlerin alansal ve zamansal entegrasyonu ile elde Table 1. Parametre Matrisi. Water depth at the structure (m) Wave period T (s) Wave height H range (m) , 2.2, 2.4, 2.6, Şekil 1. Küçük ölçekli model kurulumu. a) üstten görünüm, b) yandan görünüm ve c) model detayı 484

5 8. KIYI MÜHENDSL SEMPOZYUMU Şekil 2. Kırılan dalgalarda dolayı oluşan yükleri tanımlayan sinyal edilmiştir. Kuvvet sinyaline şeklinden dolayı kilise Çatısı ismi yakıştırılmıştır. Şekil 2 kuvvet sinyalini gösteren, Bullock ve ark. (2007) gösterdiğine benzer tanıtıcı bir şekildir. Burada makimum dinamik yükü, makimum statik (yada yarı statik) yükü belirtir. Bir dalganın darbe yükü olarak tanımlanabilmesi için olması gerekmektedir (Kortenhaus and Oumeraci, 1998). Darbe yüklerinin etkin olduğu zaman aralığı, ve arasında geçen zamana eşittir. Burada, kuvvet sinyalinin yüklenmenin başlangıcında, gürültü seviyesinin aşıldığı ilk zamana denk gelir. Dalgaların kırılma şekilleri yüksek hızlı bir kameranın (YHK) kayıtları kullanılarak belirlenmiştir. Bu kamera saniyede 300 fotoğraf karesi çekerek kırılma şekli ve mekanizması üzerinde detaylı bilgi elde edilmesini sağlamıştır. 3. Kaldırma kuvveti Bagnold un 1939 daki çalışmasında da gösterdiği üzere kuvvet sinyalinin oluşturduğu impals, aynı koşullar altında tekrarlanabilen bir kavramdır. (1) İmpals sonlu bir değer olduğundan, küçük değerleri için büyük değerleri olması gerekmektedir. Aynı zamanda, bunun tersi de doğrudur (Oumeraci ve ark. 2001). Aşağıda, impals ve solitary dalga teorilerine dayanarak kombine yapının yatay bölümüne etki eden kaldırma kuvvetleri için bir formül önerilmiştir. Yapının yatay bölümüne alttan dikey bir hız ile () çarpan su kütlesinin ) ileri doğru momentumu () dikey impalse eşittir. (2) 485

6 8. KIYI MÜHENDSL SEMPOZYUMU Yukardaki bağıntıda ) değerini tahmin etmek kolay olmayacaktır. Fakat yapının yatay bölümünün olmadığını varsayarsak, dik duvarı aşan su kütlesine eşit olacaktır. (3) Denklem 3 de aşan su deşarj miktarını, gelen dalga periodunu ve ise suyun özgül ağırlığını belirtir. Literatürde dik kıyı yapıları için değerini hesaplayan birçok bağıntı mevcuttur. Bunlar arasında Bruce ve van der Meer (2008) yaptığı çalışma diğerlerine göre bir adım öne çıkmaktadır. (4) Denklem 4, aralığı için geçerlidir. Burada bağıntısı Denklem 5 de gösterilmiştir. (5) spektral belirgin dalga yüksekliğini gösterir. Bu deneyde düzenli dalgalar için (bakınız Şekil 1) değeri yerine kullanılmıştır. Aşan su kütlesi hızı ile yatay konsüle çarpacağı belirtilmişti. Bu değerin deney sonuçlarından elde edilmesi zor olduğundan, anlık yerine otalama bir hız bulmak daha pratik olacaktır. değeri durgun su seviyesindeki basınç ölçerin maksimum basıncı (3 numaralı basınç ölçer, şekil 1) ile yatay konsül üzerindeki ilk basınç ölçerin (8 numaralı basınç ölçer) maksimum değerleri arasında gecen zamanın (), iki nokta arasındaki mesafenin ( ) oranına eşittir. (6) Bu durumda dikey momentum değişimi Denklem 7 gösterildiği gibi yazılabilir. (7) Bu değer dikey yüklerin oluşturduğu impalse eşit olmak durumundadır. İmpalse Şekil 2 de gösterildiği üzere üçgensel alana denk gelir. (8) 486

7 8. KIYI MÜHENDSL SEMPOZYUMU Denklem 9 Şekil 3. Kaldırma kuvvetinin ( ) ilgili değişkenler ile logaritmik ölçekte gösterimi ve denklem 1 in veriler ile kıyaslanması, ( ) Bu durumda Denklem 7, Denklem 9 de gösterildiği üzere yeniden düzenlenebilir. (9) Buradan ve bağıntıları arasında logaritmik düzlemde doğrusal bir ilişki elde edilmiştir (Şekil 3). Şekil 3 maksimum kaldırma kuvvetinin parametrelri ile logaritmik düzlemde değişimini göstermektedir ( ). Bu doğrusal bağıntı Denklem 9 de gösterilmiştir. Grafik üzerindeki alt ve üst çizgiler bağıntının 99.6% ve 0.04% seviyelerindeki istatistiksel sınırlarını göstermektedir. 4. Sonuç Dik duvar üzerine yerleştirilmiş yatay bir konsülden oluşan kıyı yapısı darbe yükleri altında laboratuvar ortamında test edildi. Test için kullanılan dalgalar düzenli dalgalardır. Test sonuçları yapı üzerine gelen kaldırma kuvvetlerini incelemek için kullanıldı. Impulse teorisi, dalga kırılma kinematiği ve etki yükleri için yapılan deney sonuçlarına dayanarak dikey kıyı yapıları ile bütünleşik yatay levhalar üzerine gelen kaldırma kuvvetleri için bir tahmin modeli geliştirilmiştir. Buna ek olarak, kırılan dalga yükleri için tasarım metodu geliştirilmiştir. Hidrolik model test sonuçları dikey hızlarını değerlendirmek ve teoriden elde edilen sonuçları doğrulamak için kullanılmıştır. Bu önerilen model, deney ölçüm sonuçlarının ortalama değerini temsil eder şekilde sunulmuştur. 487

8 8. KIYI MÜHENDSL SEMPOZYUMU Referanslar llsop N.W.H; Vicinanza D. (1996), "Wave impact loadings on vertical breakwaters: development of new prediction formulae " Proc. 11th Int. Harbour Congress, pp , Royal Flemish Society of Engineers, Antwerp, Belgium. Bagnold, R. A., (1939), Interim report on wave-pressure research, Proc. Inst, Civil Eng. 12, Blackmore, P.A.; Hewson, P.J., (1984), Experiments on full-scale wave impact pressures, Coastal Engineering Vol-08 Issues:4, pp: Bruce, T.; van der Meer, J.W. (2008), Integrated prediction tools for wave overtopping at vertical structures, ASCE, Proc. ICCE 2008, Hamburg, pp Bullock G., Obhrai C., Wolters G., Müller G., Peregrine H. & Bredmose H. (2004): Characteristics and design implications of breaking wave impacts, Proc. of the 29th Inst. Conference on Coastal Engineering, ICCE 2004, Vol. 4, pp Cuomo G.; Allsop W.; Bruce T.; Pearson J., (2010), Breaking wave loads at vertical seawalls and breakwaters, Coastal Engineering, Volume 57, Issue 4, April 2010, Pages , ISSN , /j.coastaleng De Rouville, A., Besson, P. and Petry, P., (1938). Etat actuel des études intemationales sur les efforts dus aux lames. Ann. Ponts Chaussées, 108(I1): Kaplan, P., (1992), Wave impact forces on offshore structures: re-examination and new interpretations, Paper OTC 6814, 24th Offshore Technology Conference, Houston, pp Kaplan, P.; Murray, J.J.; Yu, W.C., (1995), Theoretical Analysis of Wave Impact Forces on Platform Deck Structures, Offshore Technology OMAE, vol. I A. ASME, pp Kaplan, P.; Silbert, M.N., (1976), Impact forces on platform horizontal members in the splash zone, TX OTC, Huston, Proc. of the Offshore Technology Conference, pp Kisacik, D.; Troch, P.; Van Bogaert, P., (2012a), Description of loading conditions due to violent wave impacts on a vertical structure with an overhanging horizontal cantilever slab, Coastal Engineering, Volume 60, Issue 1, February 2012, Pages Kisacik, D.; Troch, P.; Van Bogaert, P., (2012b), Experimental study of violent wave impact on a vertical structure with an overhanging horizontal cantilever slab, Ocean engineering, Volume 49, August 2012, Pages 1 15 Kortenhaus, A., Hocine Oumeraci, H., (1998). Classification of wave loading on monolithic coastal structures. In: Proceedings of the 26 th International Coastal Engineering Conference, ASCE, pp Minikin, R.R., (1963), Wind, Waves and Maritime Structures, (2nd Ed.), Charles Griffen, London (1963) Oumeraci, H. and Kortenhaus, A. (1994): Analysis of the dynamic response of caisson breakwaters, Coastal Eng., Vol. 22, pp

9 8. KIYI MÜHENDSL SEMPOZYUMU Oumeraci, H; Kortenhaus, A; Allsop, W; de Groot, M; Crouch, R; Vrijling, H; Voortman, H, (2001), Probabilistic Design Tools for Vertical Breakwaters, Balkema Publishers, New York. Shih, R.W.K.; Anastasiou, K., (1992), A laboratory study of the wave induced vertical loading on platform decks, Proc. Conf. ICE. Water Maritime and Energy, vol. 96, 1. Thomas Telford, London, pp Takahashi, S.; Tanimoto, K.; Shimosako, K., (1994), "A proposal of impulsive pressure coefficient for design of composite breakwaters," Proc. of International Conference on Hydro-technical Eng. for Port and Harbor Construction, Port and Harbour Res. Inst Toumazis, A.D.; Shih, W.K.; Anastasiou, K., (1989), Wave impact loading on horizontal and vertical plates, Proc. of IAHR 89 Conf., Ottawa, Canada, pp. c209 c

10