Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/13898
Title: Altıgen Dizilimli Silindir Grupları Etrafındaki Yersel Oyulma Desenlerinin Deneysel Olarak Araştırılması
Other Titles: Experimental Investigation Of Local Scour Patterns Around Hexagonally Arrayed Cylinder Groups
Authors: Yağcı, Oral
Yıldırım, Işılsu
10115386
İnşaat Mühendisliği
Civil Engineering
Keywords: Oyulma
Köprü
Akım
Sediment
Deney
Lazer Tarama
Hidrolik
Scour
Bridge Pier
Sediment
Flow
Experimental Study
Laser Scanner
Hydraulics
Issue Date: 28-Jun-2016
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Köprüler, düşük maliyetli ve kullanışlı ulaşım ağları oluşturmaya yardımcı olan önemli üst yapı elemanlarıdır. Bu nedenle tarihin başlangıcından beri insan yaşamına ve uygarlıkların gelişimine önemli katkıları vardır. Köprü tasarımı yapılırken sadece yapısal özellikler değil, hidrolik etkiler de göz önünde bulundurulmalıdır. Köprü inşası da diğer mühendislik yapılarının inşası gibi doğada çeşitli değişikliklere sebep olur. Mühendisler bir yapı inşa ederken bu değişiklikleri ve bu değişikliklerin olası sonuçlarını göz önünde bulundurmak ve gerekli önlemleri almak zorundadırlar. Köprü ayakları akarsular içine yerleştirildiklerinde akım özelliklerinde çeşitli değişiklikler yaratırlar. Bu değişikliklerden bazıları köprü ayağı çevresinde türbülans ve buna bağlı olarak sediment taşınımı kapasitesinin artmasıdır. Böylece köprü ayağı çevresinde sediment oyulması meydana gelir. Bu oyulma köprü ayağının stabilitesini bozabilir ve akarsu tabanında köprünün yıkılmasıyla sonuçlanabilecek değişiklikler yaratabilir. Bu oyulmanın miktarının ve kapsamının belirlenmesi ve kabul edilebilir sınırlar içinde tutulması mühendisler için oldukça önemli bir konudur. Daha önce bitkilerle yapılan deneysel çalışmalarda, engel porozitesinin oyulmayı önemli ölçüde düşürdüğü belirlenmiştir. Bu gözlemden yola çıkarak ve bitkilerden ilham alınarak köprü ayaklarının poroz şekilde inşasının mümkün olup olmadığının araştırılması bu çalışmanın temel konusunu oluşturmaktadır. Köprünün taşıyıcılığını belirleyen köprü ayağı kesit alanı sabit tutuldukça köprünün düşey yüke karşı dayanımının da sabit kalacağı bilinen bir gerçektir. Bu bilgiden yola çıkılarak kesit alanı aynı ancak boşluk yoğunluğu farklı potansiyel köprü ayağı modellerinin oluşturduğu yersel oyulmalar deneysel olarak incelenmiştir. Bu çalışmanın temel amacı boşlukluluğun ve modellerin akıma göre açısının oyulma derinliği ve oyulma desenine etkisini incelemektir. Çalışma kapsamında bu amaca uygun görülen bir dizi deney yapılmıştır. Deneyler, İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarında yer alan akım kanalında yapılmıştır. Akım kanalının tabanı beton, yan yüzeyleri pleksiglastan yapılmıştır. Uzunluğu 26 m ve genişliği 0.98 m olan kanalın yüksekliği ise 0.85 m’dir. Kanal içine bir kum havuzu yerleştirilebilmesi için metal saclar kullanılarak bir yapay taban oluşturulmuştur. Bu yapay tabanın yüksekliği 20 cm ve uzunluğu 14,5 m’dir. Yapay tabanın içine yerleştirilen kum havuzu ise 3,5 m uzunluğundadır. Uniform akım koşullarında oyulma mekanizmasını anlamak üzere on altı set deney tasarlanmıştır. Bu on altı setin dördü tek silindir şeklindeyken diğerleri çevresel çapı 12, 16, 20 ve 24 cm olmak üzere altıgen dizilimli ve 3,4 cm çaplı yedi adet küçük silindirden oluşmaktadır. Küçük silindirlerden oluşan altıgen yapılı modellerde farklı çevresel çapın yanında farklı akım geliş açıları da denenmiştir. Her deneyden önce, model kanalın ortasına, kanal başlangıcından 11 m uzağa yerleştirilip sabitlenmiştir. Sonrasında kum havuzunun yüzeyi düzeltilerek kanal deneye hazır hale getirilmiştir. Su doldurulurken oyulma oluşmaması için kanal yavaşça doldurulmuştur. Hız ölçümlerini almak üzere modelden 5,3 cm uzağa ve tabandan 8,5 cm yukarı Vectrino II Profiler hızölçer yerleştirilmiştir. Vectrino II Profiler çalıştırıldıktan hemen sonra pompalar devreye sokularak kanalda akım başlatılmıştır. Kanalda akım oluşturmak için 25 kW gücünde bir ana pompa ve kanalın sonundan başına su sirkülasyonunu sağlayarak debiyi arttıran iki adet iç pompa kullanılmıştır. Debi kontrolünün sağlanması için kanalın bozulmamış akım kısmında Vectrino I akım hızıölçer ile hız kontrolü ve aynı yerde su seviyesi kontrolü her deney için yapılmıştır. Tüm deneyler 8 saat sürmüştür. Birim genişlik debisi q=88 l/s/m olarak ayarlanmış ve akım derinliği h=31 cm tutulmuştur. Her deneyin bitiminde, akım tamamen durdurulduktan sonra kanalın tahliye vanası açılmış ve fazladan oyulmaya sebep olmamak adına kanal yavaşça boşaltılmıştır. Kum yüzeyi tamamen kuruduktan sonra taban deseninin üç boyutlu modelinin çıkarılması için Leica Scanstation C10 Lazer Tarayıcı ile tarama yapılmıştır. Her deney için bu taramadan alınan sonuçlarla hızölçer Vectrino II Profiler’dan alınan sonuçlar incelenmiştir. Bu incelemede asıl amaç altıgen geometrideki poroz modellerin aynı kesit alanına sahip 9 cm’lik tekil silindirle oyulma açısından karşılaştırılmasıdır. Her deneyden sonra model çevresinde bir oyulma konisi ve mansap bölgesinde bir oyulma bölgesi meydana gelmiştir. Vectrino II Profiler ile 8 saat boyunca modelin 5,4 cm önünde alınan taban uzaklığı ölçümleri, bu noktada tüm poroz silindir gruplarının 9 cm çaplı tekil silindirden daha az oyulmaya yol açtığını ortaya koymuştur. Aynı zamanda poroz silindir gruplarını çevreleyen çemberin çapıyla aynı çapa sahip tekil silindirlerin de her çap için poroz silindir gruplarından daha fazla oyulmaya yol açtığı görülmüştür. Vectrino II Profiler ile yine model önünde alınan hız ölçümlerine göre akım yönündeki hızın oyulma derinliğinin artmasıyla arttığı, yanal hızın belirgin bir değişim göstermediği ve düşey hızın da zamanla arttığı gözlemlenmiştir. Hızlardaki değişimin çoğunlukla ilk 10 dakika içinde görüldüğü belirlenmiştir. Poroz silindir grupları ile yapılan deneylerin 9 cm tekil silindir ile karşılaştırılması için lazer tarayıcıdan alınan sonuçlarla yapılan çalışmada en fazla verimliliğin %26 ile 20 cm düz dizilimli silindir grubuna ait olduğu belirlenmiştir. Aynı çalışma 9 cm tekil silindirden daha fazla oyulmaya yol açan tek poroz silindir grubunun %2 ile 16 cm açılı dizilim olduğunu ortaya koymuştur. Deneylerden sonra lazer tarayıcı ile taranan ve üç boyutlu modelleri hazırlanan kum yüzeylerinin incelenmesi sonucunda tekil silindirlerin birikme bölgelerinde iyi gelişmiş ripple bölgelerinin oluştuğu ancak silindir arkasında birikmenin sırt şeklinde olmadığı gözlemlenmiştir. 12 cm çevreleyen çaplı poroz silindir gruplarının da tekil bir silindir gibi davrandığı ve benzer oyulma deseni oluşturduğu görülmüştür. 16 cm çevreleyen çaplı silindir gruplarında ise açı fark etmeksizin, birikme bölgesinde bir sırt oluşumu ve sırtın mansabında da ripple oluşumu gözlemlenmiştir. 16 cm çevreleyen çaplı silindir grubu ile aynı oluşumların 20 cm çaplı grupta da oluştuğu ancak farklı olarak burada sırt üzerinde de ripple oluşumu varlığı belirlenmiştir. 24 cm çevreleyen çaplı poroz silindir gruplarında ise yerel ve global oyulma ayrı ayrı görülebilmiştir. Sırt ve ripple oluşumu ise 20 cm çaplı grupla benzer olarak nitelendirilmiştir. Tüm deneylerde oyulma konisinin memba tarafındaki eğiminin mansap tarafındaki eğiminden daha dik olduğu gözlemlenmiştir. Morfometrik analiz yapılabilmesi için poroz silindir gruplarında sızdırmazlık sıklığı parametresi tanımlanmış ve bu parametre ile oyulma derinliğinin ilişkisi incelenmiştir. Çevreleyen çapı 24 cm, 20 cm ve 16 cm olan poroz silindir gruplarında sızdırmazlık sıklığı arttıkça, yani çevreleyen çap küçüldükçe oyulma derinliğinin arttığı gözlemlenmiştir. 12 cm ile 16 cm çevreleyen çap arasında, sızdırmazlık sıklığı parametresi 0,4 mertebesindeyken bu düzenin değiştiği gözlemlenmiştir. Tüm poroz silindir grupları deneylerinde birikme bölgesinin en yüksek kotunun silindir merkezine uzaklığı artan sızdırmazlık sıklığıyla artış göstermiştir. Aynı çevreleyen çapta tüm çaplar için en kısa uzaklığı düz sizilimli grup vermiştir. Tekil silindir deneylerinin sonuçlarına göre çap arttıkça oyulma derinliği oyulma hacmine ve oyulma alanına göre daha fazla artış göstermiştir. Sonuçlar, porozitenin oyulmayı azalttığını doğrular nitelikte olup HACC’lerin (Altıgen Dizilimli Silindir Grubu) pratikte uygulanabilirlik potansiyelini ortaya çıkarmıştır.
Bridges are functional infrastructures, which play a useful role in the design of cost-effective transportation routes. Design of a typical bridge requires the consideration of not only the structural but also the hydraulic and fluvial perspectives. When a structure, in the present case a bridge pier, is placed in water, significant changes occur in the flow domain in its vicinity. The changes in the flow characteristics may lead to local and global scour on the river bed due to increased local shear stress. In the past, the studies that investigated scour around vegetation elements showed that the increasing porosity of an obstruction reduces the scour depth at a considerable extent. Inspired by that, it was thought that designing a porous bridge pier might be a potential solution in terms of diminishing the scour depth and volume. Moreover, this solution diminish the contaction effect in a cross-section. Hence it has a potential to reduce the flooding risk at upstream of the bridge which originates from the presencse of pile. It is a known fact that as long as the cross sectional area of the bridge pier is kept constant, the bearing capacity of the pile would remain same. In the axis of this thought, in this study, different groups of cylinders (hexagonally arrayed circular cylinders), which have identical cross-sectional areas; however, different placement densities were considered as potential bridge piers and the scour patterns around the examined obstacles were investigated. The primary aim of this thesis is to see how porosity and the placement configuration of the group of cylinders affect the scour depth and the scour pattern. So as to attain this aim, a set of experimental study was undertaken and the results are analysed in this perspective. The experiments were performed in an open flume in Istanbul Technical University Hydraulics Laboratory. The flume has a horizontal bed of smooth concrete and the sidewalls are made of Plexiglas. It is 26 m in length, 0.98 m in width and 0.85 m in depth. In order to place a sand pit within the flume, a false bottom was built by using metal sheets. The height of the false bottom is 20 cm and the length is 14.5 m. A 3.5 m long sand pit was placed in the false bottom. In order to understand the scour mechanism in uniform flow conditions, 16 sets of experiments were conducted. These 16 sets comprise four solid cylinder experiments, with diameter of 9 cm, 12 cm, 16 cm and 20 cm, and twelve experiments with an array of circular cylinders. This array consists of seven small cylinders of 3.4 cm diameter, and was placed in different geometries to examine the effect of porosity and orientation to the flow. For each experiment, first the pile model was placed and fixed in the middle of the flume, 11 m downstream of the flume inlet. Then, the sand bottom was smoothed out by using traditional trowel. In order not to disturb the sand bottom, the flume was filled very slowly so it took 3 to 4 hours. The Vectrino II Profiler was placed 5,3 cm away from the obstacle surface and 8.5 cm above from the initial sand bed for each experiment. Right after Vectrino II Profiler was started, the pumps were started, as well. Each experiment took 8 hours. The flow discharge per unit width was set to q=88 l/s/m and the flow depth to h=31 cm. After each experiment, when the flow entirely stopped, by using the discharge valve, the water in the flume was drained slowly. When the bed surface was completely dry, the laser scanner was used in order to obtain the three dimensional elevation of the final condition of the sand bed. For each experiment, the data from the Vectrino II Profiler and laser scanner were used in order to compare the results of the experiments. The aim was to see the differences between the porous configurations and the 9 cm solid cylinder, which has the same cross-sectional area with the HACCs (Hexagonally Arrayed Circular Cylinders). The experimental results showed the porosity causes a reduction of scour depth indeed and reveal the potential of the applicability of the HACCs as bridge pier.
Description: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2016
URI: http://hdl.handle.net/11527/13898
Appears in Collections:İnşaat Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
10115386.pdf4.63 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.