Kazık destekli rıhtımlar etrafında dalga kaynaklı oyulma

Abstract

Deniz yapılarının etrafında oluşan oyulma hem yapısal hem de çevresel açıdan kritik bir rol oynamaktadır. Kazık ve palplanş destekli rıhtım yapılarına olan talebin artmasıyla birlikte, bu yapıların tasarımlarının titizlikle yapılması büyük önem kazanmıştır. Ekonomik bir tahkimat yapısının inşa edilebilmesi için, yapının bulunduğu kıyı ortamında oluşabilecek olumsuz koşulların önceden tahmin edilmesi ve buna göre tasarımın yapılması kritik bir gerekliliktir. Kıyı ortamına inşa edilecek bir yapı, bulunduğu bölgedeki akım koşullarını önemli ölçüde değiştirebilir. Bu değişimin başlıca etkilerinden biri, akış alanındaki bozulmalar nedeniyle meydana gelen sediment taşınımıdır. Sediment taşınımı, yapının stabilitesini olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Ayrıca, kıyı yapılarının etrafında hem akıntı hem de dalga kaynaklı oyulma mekanizmaları gözlemlenmektedir. Ancak, kıyı ortamında dalga etkisiyle oluşan oyulma genellikle daha baskın olmaktadır. Akıntı ve dalga kaynaklı oyulma mekanizmaları birbirinden farklı dinamiklere sahip olduğundan, bu iki sürecin ayrı ayrı incelenmesi gerekmektedir. Yapı stabilitesini etkileyebilecek olan ve önceden tahmin edilemeyen oyulma gibi olumsuz etkiler, yapısal hasarlara ve dolayısıyla yüksek onarım maliyetlerine yol açabilmektedir. Bunun yanı sıra, oluşabilecek can kayıpları da yapı etrafındaki bu olumsuz etkilerin önceden öngörülmesinin ne denli hayati olduğunu açıkça ortaya koymaktadır. Bu çalışma, bir dalga kanalına yerleştirilen çoklu kazıkların etrafında oluşan oyulmayı incelemek için yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı, farklı dalga uzunlukları, dalga periyotları ve gelen dalga geliş açıları gibi hidrodinamik parametrelerin yapının çevresinde oluşturduğu oyulma etkilerini deneysel olarak belirlemektedir. Deneylerde kazıklar, 0, 30, 60 ve 90'lik derecelerde hizalanarak farklı dalga yaklaşma açılarının oyulma derinliği ve alanı üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Elde edilen verilere dayanarak, dalga-kazık ekileşimi sonucunda oluşan akımların, oyulma mekanizması, çevre ve yapı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu sayede hem yapının stabilitesi hem de çevre koşulları üzerindeki rolü ortaya konmuştur. Bu kapsamda rijit bir kanal tabanı üzerinde kum havuzu deneyleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarı'nda bulunan, 26 m uzunluğunda, 1 m genişliğinde ve 60 cm derinliğinde periyodik dalga üreten bir kanal kullanılmıştır. Kanal tabanı düz bir geometriye sahip olup betondan yapılmıştır. Deneyler sırasında su derinliği sabit olarak kanal tabanından yukarı doğru 40 cm'ye ayarlanmıştır. Bu su derinliği kum havuzu üzerinde 34 cm olarak belirlenmiştir. Dalgalar flap tipi bir palet kullanılarak oluşturulmuştur. Deneylerde her biri 12,5 cm çapında ve 60 cm uzunluğunda üç adet PVC (Poli Vinil Clorür) boru kullanılmıştır. Bu borular kanal tabanına dik olarak monte edilmiştir. Kazıklar birbirlerine pleksiglas malzeme ile bağlanmıştır. Kazıklar arası bağlantı kısımlarından oluşabilecek sızıntılar önlenmiştir. Ayrıca kazıklar ile kanal tabanı arası da sızdırmaz hale getirilmiştir. Oyulma derinlikleri ve oyulma profilleri incelenmiştir. Kazıklar 2 m uzunluğunda, 1 m genişliğinde ve 6 cm yüksekliğinde kum havuzuna yerleştirilmiştir. Deneylerde D₅₀ = 0.32 mm olan homojen, ince kum kullanılmıştır. Kazıklar arası mesafe 6.25 cm ve 12.5 cm olan iki farklı yapı konfigürasyonunda oyulma derinlikleri incelenmiştir. İlk olarak kazıklar arası mesafenin, kazık çaplarının yarısı olan 6.25 cm alınarak 4 farklı periyot ve 4 farklı dalga geliş açısı deneyleri yapılmıştır. Kazıklar arası mesafe, kazık çapı kadar olan 12.5 cm olacak şekilde yapı değiştirilmiş ve önceki deneylerde kullanılan periyot ve dalga geliş açılarında deneyler gerçekleştirilmiştir. Her iki yapıda da 0, 30, 60 ve 90 derecelik dalga geliş açılarında, yapı uygun şekilde döndürülerek deneyler yapılmış ve dört farklı dalga periyodunda oyulma incelenmiştir. Toplamda, dalga yaklaşma açısı ve yapı şekline bağlı olarak 32 farklı senaryoda oyulma derinlikleri analiz edilmiştir. Ancak dalga kanalı genişliğinin yeterli olmaması ve yükselen frekans dolayısıyla ikinci kazık birleşiminin T=0.707 ve T=0.909 deneyleri dalga yüksekliklerinin çok artmasından dolayı gerçekleştirilememiştir. Deneyler sonrası kanal içerisindeki suyun tahliyesinin oluşan yatak profilini etkilenmemesi için kum havuzunun altına yerleştirilen ek drenaj borusu da kullanılarak kanaldaki su yavaş ve kontrollü olarak boşaltılmıştır. Deneylerin her biri 3.5 saat yapılmıştır. Deney düzenekleri ve sonuçları, deneylerden önce ve sonra yüksek çözünürlüklü Lidar tarayıcı ile taranarak üç boyutlu olarak yüzey değişimleri analiz edilmiştir. Bu yöntem sayesinde deneylerden sonra oluşan oyulma derinlikleri ve alanları hem görsel hem de sayısal olarak ortaya konmuştur. Deneysel bulgular, dalga periyodu arttıkça oyulma derinliğinde belirgin bir artış olduğunu göstermiştir. Özellikle yüksek seviyedeki periyotlarda (T=1.25 ve T=1.11), KC (Keulegan Carpenter) sayısının 1'in üzerine çıkmasından dolayı, deneylerde oyulma derinlikleri ve alanları gözle görülür şekilde artış göstermiştir. Diğer bir parametre olan dalga yaklaşım açısı değişiminin oyulma derinlikleri üzerinde doğrudan bir bağlantı kurulamamıştır. Kazıklar arası birleşim konfigürasyonları açısından düşünüldüğünde ise kazıklar arası mesafenin artması akım alanı önünde oluşan engelin büyümesinden dolayı oyulma alanını ve derinliğini genişletmiştir. Ayrıca yapı etrafında oluşan akım alanlarını analiz edebilmek içim 4 deneyde PİV (Particle Image Velocimetry) cihazıyla hız alanı ölçümleri yapılmıştır. Bu ölçümler ile yapı etrafında oluşan hız vektörleri ve hız büyüklükleri analiz edilmiştir. Bu sayede Lidar ile yapılan üç boyutlu tarama sonuçları doğrultusunda gözlemlenen oyulma alanları ve derinlikleri PİV ile detaylı olarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlar incelendiğinde düşük periyotlarda yapılan deneylerde, oyulma sınırlı boyutlarda kalmıştır. Deney sonuçlarına göre maksimum oyulma ikinci yapı konfigürasyonunda dalga yaklaşım açısının 0 derece olduğu yapıda T=0.707 sn'de ölçülmüştür. Maksimum oyulma ise ikinci yapı konfigürasyonunda dalga yaklaşım açısının 60 derece olduğu yapıda T=1.25 sn'de ölçülmüştür. Mevcut literatürde, özellikle birleşik kazıklı (kazık+palplanş destekli) yapıların dalga etkisi altındaki oyulma mekanizmaları üzerine yapılmış çalışmalar oldukça sınırlıdır. Yapılan çalışmalarda genellikle, tekil kazıklar veya düzenli kazık gruplarının akım etkileri altındaki oyulma süreçlerine odaklanmakta, dalga etkisi altında oluşan oyulma süreçleri görece daha az irdelenmiştir. Ayrıca, farklı kazık geometrilerinin, kazıklar arası mesafenin ve yapı konfigürasyonlarının, dalga geliş açısı gibi karmaşık parametrelerle birlikte ele alındığı deneysel çalışmalar neredeyse yok denecek kadar azdır. Bu yönüyle yapılan bu deneysel çalışma, literatürdeki önemli bir boşluğu doldurmakta ve mühendislik projeleri için özgün veriler sunmaktadır. Elde edilen sonuçlar, özellikle kazıklı rıhtım yapılarının güvenli ve ekonomik şekilde tasarlanmasına yönelik mühendislik yaklaşımlarının geliştirilmesine zemin oluşturmaktadır. Ayrıca, dalga kaynaklı oyulma mekanizmalarının gelecekte farklı yapı geometrileri ve zemin koşulları altında da araştırılması gerektiğini ortaya koymaktadır. Bu çalışma, deniz yapılarında dalgalardan kaynaklanabilecek olumsuz koşulların anlaşılması ve analiz edilmesi için temel bir yapı taşı görevi görmektedir. Deneyler, dalga periyotlarının ve geliş açılarının yapı üzerindeki kritik önemini ortaya koymuştur. Bu durum, gelecekteki çalışmalarda farklı yapılar için ve çeşitli dalga koşulları altında tasarım yöntemlerinin geliştirilmesine katkı sağlayacaktır. Bu konuda daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır.