Had analizleri ve adjoınt metodu kullanılarak köprü ayağı geometrilerinin akıma dayalı şekil optimizasyonu
Flow-induced shape optimization of bridge piers using cfd analyses and adjoint method
Yazar: VOLKAN KİRİÇÇİ
Danışman: DOÇ. DR. AHMET OZAN ÇELİK
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Köprü ayakları = Bridge pier ; Yerel oyulma = Local scour ; Şekil optimizasyonu = Shape optimization

Özet:
Akarsu üzerinde inşa edilen köprülerde meydana gelen hasarların büyük bölümü 
hidrolik nedenlerle ortaya çıkmaktadır. Bu hidrolik nedenlerin başında köprü ayakları 
civarında oluşan temiz su oyulması gelmektedir. Köprü ayakları inşa edildiği akarsuyun 
akım yapısını değiştirerek akarsu tabanındaki doğal malzemenin taşınımına neden 
olmakta ve bu durum köprü ayaklarının oturduğu zemin yapısının bozulmasına neden 
olarak köprünün yapısal güvenliğini tehlikeye atmaktadır. Özellikle köprü ayağı şeklinin 
tabandaki oyulma üzerinde önemli etkiye sahip olduğu bilinmektedir.  
Bu çalışmada, sıklıkla kullanılan silindirik yapıdaki bir köprü ayağı geometrisinin 
Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ve adjoint şekil optimizasyonu metotları ile akıma 
dayalı şekil optimizasyonu gerçekleştirilmiştir.  Öncelikli olarak köprü ayağının oturduğu 
rijit tabana etkiyen kayma gerilmelerinin düşürülmesi ve bununla birlikte köprü ayağı 
geometrisinin kesit alanın ve akım yönündeki projekte alanının korunması amaçlanmıştır. 
Bu koşullar altında elde edilen optimize geometrinin nihai performansının belirlenmesi 
için LES türbülans modeli kullanılarak zamana bağlı analizler yapılmıştır. Elde edilen 
sonuçlar, optimize edilen köprü ayağı geometrisinin tabana etkiyen maksimum kayma 
gerilmelerinin zamansal ortalamasını orijinal geometriye göre %5 civarında azaltırken 
anlık maksimum değerleri ise %50 civarında azalttığını göstermektedir. Ayrıca optimize 
edilen geometrinin, orijinal geometri kesit alanını ve akım yönündeki projekte alanını 
oldukça düşük oranda (%1.6) değiştirerek, köprü ayağı yapısal güvenliğini bozmadan 
temiz su oyulması potansiyelini azaltılabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The majority of damages occurring in the bridges constructed over rivers mainly 
attributed to hydraulic reasons. One primary hydraulic factor resulting to these damages 
is the clean water scour around the bridge piers. The bridge piers alter the flow pattern of 
the river, causing the transportation of natural materials in the riverbed and consequently 
compromising the structural integrity of the bridge piers. Specifically, the shape of the 
bridge pier is known to have a significant impact on the scouring phenomenon. 
This study focuses on the flow-induced shape optimization of a commonly used 
cylindrical bridge pier geometry using Computational Fluid Dynamics and adjoint shape 
optimization methods. The main objective is to reduce the shear stresses acting on the 
rigid riverbed while preserving the cross-sectional area and the projected area of the pier 
in the flow direction. Transient analyses are performed using Large Eddy Simulation 
turbulence model to determine the overall performance of the optimized geometry. The 
results indicate that the optimized bridge pier geometry reduces the time average of 
maximum shear stresses acting on the riverbed by approximately 5% compared to the 
original geometry. Furthermore, the instantaneous maximum values are reduced by 
around 50%. It was also concluded that the optimized geometry could reduce the potential 
for clean water scour without compromising the structural safety of the bridge pier by 
changing the original geometry cross-sectional area and the projected area in the flow 
direction at a very low rate (1.6%).