Kazıklı rıhtım yapıları etrafında dalga etkisi ile oluşan oyulmaların deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of scour around the pile supported quay under the waves
Yazar: EREM CAN ÇOLAKOĞLU
Danışman: PROF. DR. ŞEVKET ÇOKGÖR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Beton kazıklar = Concrete piles ; Limanlar = Ports ; Silindirik yapılar = Cylindrical structures

Özet:
Mevcut kıyı ve liman alanlarının tarih boyunca yüksek bir hızla artan deniz taşımacılığı için yetersiz kalması insanları farklı çözümlere yönlendirmiştir. Bunlardan biri deniz alanının kullanılarak dolgu limanlar inşa edilmesidir. Genellikle bitişik nizam kazık veya kazık-tabaka-kazık şeklinde inşa edilen bu deniz yapıları kuruldukları çevredeki akımı, dalga ve sediment hareketlerini değiştirmektedir. Kazık tabanı çevresindeki sediment hareketi nedeniyle oyulmalar oluşabilmekte ve bunun sonucunda yapıda kusurlar ve hatta çökmeler meydana gelebilmektedir. Literatür incelendiğinde daha önce oyulmalar için birçok çalışma yapıldığı görülmesine rağmen dolgu limanlar gibi projelerde görülen bitişik nizam kazık sistemi ile ilgili çalışmalara rastlanmamıştır. Genellikle yapılan çalışmalar köprü ayakları ve açık deniz rüzgâr tribünleri gibi yapıları temsil etmek amacıyla tekil narin, geniş kazıklarla ve aralıklı yerleştirilen grup kazıklar ile yapılmıştır. Bu çalışmada bitişik nizam kazık sistemi ile kurulan deniz yapılarının etrafındaki akış ve oyulma mekanizmalarını incelemek, oyulma bölgelerini ve derinliklerini tespit etmek amacıyla İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarı'nda seri deneyler yapılmıştır. Deneylerin uygulandığı dalga kanalı 22,5 m uzunluğunda, bir metre genişliğinde ve 0,50 m yüksekliğindedir. Canlı yatak oluşturmak için kanalın ortasına üç metre uzunluğunda ve bir metre genişliğinde bir sediment havuzu yerleştirilmiştir. Bu havuzda kullanılan malzemenin ortalama tane çapı 0,72 mm'dir. Düzenli dalga üreten bir palet kullanılan kanalda yapılan deneylerde önce farklı dalga özellikleri ile deneyler yapılmış daha sonra ise sabit dalga koşullarında kazıkların farklı açılarla yerleştirilmesiyle seri deneyler yapılmaya devam edilmiştir. Deneylerde kazıkları temsilen 75 mm çapında ve 50 cm yüksekliğinde, hidrolik olarak pürüzsüz kabul edilebilecek PVC borular kullanılmıştır. Kazık grubu kanal duvarına bitişik olarak konumlandırılmıştır. Deneylerde kanaldaki su yüksekliği 35 cm olarak sabit tutulmuştur. Deneylerde dalga boyu 1,90 m, dalga yüksekliği 7 cm ve periyod 1,28 saniyedir. Keulegan Carpenter katsayısı 2,56 olarak hesaplanmıştır.  Deneyler düzenli dalga altında altı saat süreyle yapılmıştır. Deney süresi boyunca oyulma alanı çevresindeki akım ve çevrintiler tanecikler yardımıyla gözlemlenmiştir ve kamera ile kayıt altına alınmıştır. Gözlemlenen oyulma alanı ve hareketi kararlı hale geldikten sonra ADV yardımıyla hız ölçümleri yapılmıştır. Ölçümler 3 cm aralıklarla oyulmanın etkin olduğu tüm alanda birçok noktada alınmıştır. Karşılaştırma yapabilmek için tabanda bozulmanın olmadığı bölgelerde de hız ölçümü yapılmıştır. Ölçümlerden elde edilen verilerle yapılan hesaplamalarda Shields parametresinin kritik değerden oyulma bölgelerinde büyük olduğu saptanmıştır. Bu durum da yatakta sediment hareketi olduğunu teorik olarak göstermektedir. Deney süresi sonunda kanaldaki su boşaltılırken yatağın bozulmaması için sediment havuzunun altına oyulma bölgesini etkilemeyecek şekilde drenaj boruları yerleştirilmiştir. Deney bitiminde kanaldaki su yavaşça boşaltılmış ve oyulma alanının bozulmaması sağlanmıştır. Oyulma bölgesi kuruduktan sonra tarama işlemi gerçekleştirilmiş ve cetvel ile derinlik ölçümleri yapılmıştır. Bu ölçümler eşyükselti haritaları çıkarabilmek için sık aralıklarla ve oyulma-birikme alanları dikkate alınarak yapılmıştır. Yapılan ilk deneylerde 6 adet kazık birleştirilerek bir liman yapısının köşesini temsil edecek şekilde kanal duvarının kenarına konumlandırılmıştır. Farklı dalga özellikleri ile birkaç deney yapılmış ve oyulma alanları ve derinlikleri gözlemlenmiştir ancak hız ölçümleri alınmamıştır. Daha sonra sabit dalga özellikleri altında, birleştirilen kazık yapısı ile kanal duvarı arasındaki açı olan alfa açısı 0, 30, 60, 90 derece olacak şekilde kazık yapısı yeniden konumlandırılarak bir seri deney daha yapılmıştır. Bu deneylerde kıyı yapısına farklı açılarla gelecek dalgaların farklı olabilecek etkilerini incelemek amaçlanmıştır. Deneylerde kullanılan kazık çapının dalga boyuna oranı (D/L) 0,1'den küçük olduğu için yapı narin kazık statüsünde yer almaktadır. Kamera kayıtlarının incelemesi ve hareketlerin takip edilmesi ile gözlemlenen at nalı çevrintisi benzeri hareketler bunu doğrulamaktadır. Çevrintinin periyodu 0,55 s olarak ölçülmüştür. Deneylerden alınan hız verileri ile oyulma bölgelerinde yatak kayma gerilmesi ve Shields parametresi hesaplanmıştır. Hesaplanan yatak kayma gerilmeleri ve Shields parametresi değerleri eşyükselti eğrileri grafiği ile verilmiştir. Yatak kayma gerilmesinin oyulma bölgelerinde kritik değerin yaklaşık 6 katına kadar, Shields parametresinin ise kritik değerin yaklaşık 5 katına kadar arttığı hesaplanmıştır. Hem çevrintilerin gözlemlendiği hem de yatak kayma gerilmesinin ve Shields parametresinin maksimuma ulaştığı bölgelerde oyulmanın maksimum değere ulaştığı görülmüştür. Maksimum oyulmanın kazık çapına oranı (S/D) 0,13 olarak hesaplanmıştır. Maksimum oyulmalar genelde dalganın geliş yönündeki ilk temas eden köşe kazık çevresinde ve oyulma-birikme-oyulma örgüsünün devamında üçüncü kazık çevresinde tespit edilmiştir. Bu durum da bitişik nizam kazık sistemi uygulanacak yapılarda oyulma problemine sadece köşe kazık çevresinde değil yapı boyunca dikkat edilmesi gerekliliğini göstermiştir. Deneylerin sonucunda oyulma miktarının yanı sıra oyulmanın ne kadar mesafede etkili olduğu da ölçülmüştür. Etki mesafesinin kazık çapına oranı (Xs/D) maksimum 1,64 olarak ölçülmüştür. Bu durum geçmişte yapılan çalışmalarda koruma alanı için önerilen 3-4D mesafesinden kısa olduğu için bitişik nizam kazık sistemiyle yapılan yapılarda fazladan önlem almayı gerektirecek bir duruma rastlanmamıştır.

Abstract:
Increasing sea transportation throughout the history causes people to seek more coasts and harbors than existing natural ones. Filling the sea becomes a solution in building harbors on inconvenient marine conditions. However, flow and flow mechanism around the harbors are affected by the presence of adjacent piles which are mounted to the foundation. Changes in flow mechanisms might cause velocity increments around the piles. As flow velocity increase, bed shear stress increase. Therefore, sediment transportation starts where the bed shear stress bigger than the critical shear stress. This sediment movement around the piles might cause scour around piles or pile groups, which are one of the most critical components of the harbors. Scour around piles might be a significant issue for the safety of marine structures. Although scour has been widely studied by researchers recently, there are comparatively less studies about scour around adjacent piles at filling harbors. Previous studies mostly about single, large and slender piles which represent bridge piers or offshore wind turbines. Because, bridge constructions were more common than the harbor constructions and engineers have faced more problems about single pile scour or large pile scour. Therefore, scour around the adjacent (group) piles did not take much attention until it is known that adjacent piles are so crucial with their application areas. In this study, flow and scour mechanisms including scour depths and regions around the marine structures which are built adjacent piles have been observed by serial experiments. Experiments have been conducted in Istanbul Technical University, Hydraulics Laboratory. While the length and width of the experiment flume is 22.5m and 1m respectively, height is 0.5m. In the experiment setup, a sediment pool has been placed to base of the flume in order to create a live-bed model. Average grain diameter was measured as 0.72 mm. Waves have been created by a wave palette which was placed at the top of the experiment flume. Experiments have been conducted for the both constant and variable wave conditions. In the constant wave conditions, placement angles of the piles were variable. Foundation piles are represented in the experiment by PVC piles which is 75 mm in width and 50 cm in height. During the experiments, while water depth is set as 35 cm, wave length and wave height were measured 1.90m and 7 cm respectively. Additionally, wave period was calculated as 1.28 sec, KC was calculated as 2.56. Experiments have been conducted under regular waves during for hours. During the experiments, currents and vortex have been observed by tracing particles. Marked particles have been traced by a camera which was set up near the pile's foundation. After experiment reached steady-state in 4-5 hours, changes in scour region and sediment particles motion have stopped. In order to calculate bed-shear stress and shield's parameters, velocity measurements have been taken around the pile by using acoustic doppler velocimeter (ADV). Velocities have been measured every 3cm along the foundation approximately at 50 points for each experiment. Similarly, undisturbed region has been measured in order to make a comparison. Calculations made by using velocity data showed that scour has been observed around the piles where shield's parameters smaller than critical shield's parameters. This is a simple proof of sediment motion around piles. Lateral drainage piles have been placed to the bottom of the flume in order to evacuate water without damaging the sediment region. At the end of each experiment, water was evacuated slowly in order to minimize possible errors coming from deterioration in scour region. After sediment region has dried, scanning and hand measurements had been made by camera and ruler respectively. These measurements have been made in frequent intervals by indicating scour and deposition regions in order to be able to create counter maps.
Experiments have been modeled in 4 different main scenarios basing on the angle between flume wall and pile group. Pile group contains 6 piles as representing an edge of the harbor. Additionally, experiment scenarios have been varied by applying different wave conditions. Therefore, scour regions and scour mechanisms around the group of pile has been observed both in different waves and placement(angle) method. In the second phase, experiments conducted under constant waves conditions for various placement angles. When placement angle was zero, pile group has a pointy 90-degree edge against the incoming waves. It can be considered from 0-degree model that the condition of waves coming to the edge of the harbor with a 90 degrees angle. As placement angle is increased, waves faced more piles and their effects. These experiment series have been repeated until it was acquired accurate and proper outcomes. Various placement angles gave insights about how harbor foundations behave when they exposed to waves coming from different directions. Moreover, these experiments aimed to find which placement angle causes maximum scour (most dangerous situation for structural stability of foundation piles) that is extremely important for design limits. Because, it is known that many harbor failures are stemming from damaged foundation piles in the presence of scour around pile groups. In the experiments, since the ratio of pile diameter to the wave length (D/L) smaller than 0.1, calculations have been made for the slender pile scenarios. Horseshoe vortex and sediment motion around the piles have been traced by camera and they proved that evaluating situation as slender is right. Period of the vortex was measured as 0.55s by using tracible particles. Additionally, velocity measurements have been collected along the experiment setup. These data were used to calculate Shield's parameters and bed-shear stress, which have significant effect on scour mechanisms. Both Shield's parameters and shear stresses graphs have been presented by using counter maps which give more understandable comparison. During the experiments, it was measured that bed shear stress around the scour region reaches six times of the shear stress which is measured in undisturbed region. Similarly, Shields parameters were measured 5 times in undisturbed regions. Moreover, maximum scour around the pile group was observed when Shield's parameter and bed shear stress were maximum. The ratio of scour to pile diameter(S/D) was calculated as 0.13. When it comes to evaluate the place of the maximum scour, it was simply seen around the pile which meets waves first. At the end of the experiment series, both scour depths and effective area have been measured and evaluated. The maximum ratio of the effective area to the pile diameter (Xs/D) was measured as 1.64. This result showed that there will no need to apply scour protection up to 3D-4D lengths which are recommended in the previous studies because, as shown in these experiments, scour region occurs in a small area when compared to previous outcomes.