Şevli dalgakıranlarda kaplama tabakasında kullanılan antifer blokların stabilitesinin incelenmesi
Evaluation of the stability of the antifer armor inits used in the armor layer of rubble mound breakwaters
Yazar: ORAL YAĞCI
Danışman: PROF.DR. SEDAT KAPDAŞLI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Yüksek Lisans, 2000
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Antifer bloklar = Antifer blocks ; Dalgakıran = Breakwater ; Deniz yolu taşımacılığı = Sea transportation ; Şevler = Slopes

Özet:
ŞEVLİ DALGAKIRANLARDA KORUYUCU KAPLAMA TABAKASINDA KULLANILAN ANTİFER BLOKLARIN STABİLİTESİNİN İNCELENMESİ ÖZET Günümüzde uluslararası düzeyde artan ticari ilişkiler dolayısıyla, büyük hacim ve ağırlıktaki yüklerin taşınmasında çok etkin bir ulaşım biçimi olan denizyollarının önemi her geçen gün biraz daha artmaktadır. Bu denli önemli olan deniz taşımacılığında gemilerin yükleme ve boşaltma yapabilmesi için dalga etkilerine karşı korunmuş kıyı alanları yaratmak gereklidir. Bu sebeple dalgakıran dizaynı günümüzde önemli bir hidrolik mühendisliği problemidir. Dalgakıranlarda koruyucu kaplama tabakası bloklarının boyutlandırılmasında yapılacak herhangi bir yanlışlık, yapının hacmi de gözönüne alındığında toplam maliyeti çok büyük oranda değiştireceği gibi aynı zamanda dalgakıranın yıkılarak işlevini yitirmesine de sebep olabilir. Dalgakıran inşaatında bazı durumlarda teknik imkanların sınırlılığı, ulaşım zorluğu ve ekonomik sebeplerden dolayı tabii taş blok kullanma imkanı yoktur. Bu gibi durumlar için koroyucu kaplama tabakasında kullanılabilecek çeşitli suni blok tipleri geliştirilmiştir. Antifer bloklar da bunlardan biridir. Bu çalışmanın amacı dalgakıranlarda koruyucu kaplama tabakasında kullanılan antifer blokların, kırılmayan düzenli ve düzensiz dalgaların etkisi altındaki davranışlarım incelemek ve antifer bloklarla ilgili stabilite kriterlerini ortaya koymaktır. Deneyler Î.T.Ü. İnşaat Fakültesi Hidrolik Laboratuvan'nda 24m x İm x İm boyutlarındaki dalga kanalında gerçekleştirilmiştir. Bu dalga kanalında düzenli ve düzensiz dalga üretme imkanı mevcuttur. Kullanılan antifer blok modelleri 330 gr. ağırlığında ve 125 cm3 hacmindedir. Deney aşamasında ilk olarak antifer blokların davranışlarını incelemek için dört farklı şev eğimine karar verilmiştir. Bunlar cotoc=1.25, cotot=1.5, cotot=2.0 ve cota=2.5'dir. Bu şev eğimlerine antifer bloklar 30 cm yükseklikten bırakılarak rastgele bir yerleşim sağlanmıştır. Her şev eğimine farklı özelliklere sahip 20 düzensiz dalga serisi uygulanmıştır. Herbir düzensiz dalga serisi 8 dakika sürmekte ve yaklaşık olarak 500 dalga içermektedir. Başka bir deyişle 20 düzensiz dalga serisi dahilinde herbir şeve 2 saat 40 dakika süreyle yaklaşık olarak 10.000 düzensiz dalga uygulanmıştır. Ayrıca antifer blokların düzenli dalga serileri ile düzensiz dalga serileri etkisi altındaki davranışlarını karşılaştırmak amacıyla cota=2.5 şev eğimi için düzenli dalga serileri kullanılmıştır. Düzenli dalga serileri ile yapılan çalışmada dört düzenli dalga serisinden faydalanılmıştır. Herbir dalga serisi 5 dakika sürmekte ve yaklaşık olarak 300 dalga içermektedir. Kullanılan dalga sayısının az olmasından dolayı, üzerinde çalışılan fiziksel olaydaki rastgeleliği ortadan kaldırmak için 4 düzenli dalga serisi yapıya uygulandıktan sonra birinci ve ikinci tabakadaki antifer bloklar ıxkanaldan dışarıya çıkarılmış ve daha sonra aynı şeve tekrar yerleştirilerek 4 düzenli dalga serisi yapıya tekrar uygulanmıştır. Deneylerin sonucunda Hudson formülü kullanılarak cotoc=1.25, cota=1.5, cotoc=2.0 ve cotcc=2.5 için Kd stabilite katsayısı ve Kocota stabilite fonksiyonu değerleri belirlenmiştir. Bu şev eğimlerinde antiferler için elde edilen Kd değerleri ile tetrapod ve küp bloklar için literatürde verilen Kd değerleri karşılaştınlmıştır. Çalışmanın sonucunda varılan sonuçlar kısaca aşağıda sunulmaktadır. Antifer blokların davranışları dört şev eğimi için de birbirine oldukça benzerdir. Hasar oram belirgin dalga yükseklilğine bağlı olarak parabolik bir artış göstermektedir. Aynı dalga yüksekliğine sahip dalgalardan daha uzun periyoda sahip olanlar, yapı üzerinde daha yıkıcı bir etkiye sebep olurlar. Hı/ıo-hasar oram grafikleri ile Hs-hasar oram grafikleri karşılaştırıldığında bu grafikler arasında uyum görülmektedir. Bunun sebebi Hı/ıo'unda, Hs gibi bir dalga katarını temsil etmesidir. Hmax-hasar oram grafiklerinde polinomial eğriler, Hı/ıo-hasar oram ve Hs-hasar oram grafiklerinde olduğu kadar birbirleri ile uyumlu değildirler. Bunu sebebi ise Hs ve Hı/ıo bir dalga katarını temsil ederken, Hmax'ın sadece tek bir dalganın özelliğini temsil etmesidir. Dalgakıran stabilitesini en iyi karakterize eden dalga yüksekliği parametresi korelasyon katsayılarına bakıldığında Hs (belirgin dalga yüksekliği) parametresidir. Antifer blokların stabiliteleri incelendiğinde Kocota (stabilite fonksiyonu) cotct=2.5 için en büyük değeri alırken, Kd (stabilite katsayısı) değerine bakıldığında en büyük Kd değeri cotoc=1.5 iken ortaya çıkmaktadır. Yapının gerçek stabilitesini veren parametre Kocota (stabilite fonksiyonu) parametresidir. Dolaysıyla antifer bloklar için bu dört şev eğiminden en stabil olanının cota=2.5 olduğunu söylemek mümkündür. Ancak dolgu hacmi de gözönüne alındığında optimum şev eğimi cotoc=1.5'dur. Antifer bloklar için Ko'nin (stabilite katsayısı) kabul edilebilir şev eğimi değerleri için (cota>1.5) pratik olarak 5 değerine sahip olduğu söylenebilir. Bu değer iki sıralı antifer bloklarda üst tabakanın %5 hasar görmesi kabulü ile verilmektedir. Düzensiz dalga serileri etkisi altında elde edilen gerek Kd stabilite katsayısı, gerekse Kocota stabilite fonksiyonu değerleri düzenli dalga serileri ile elde edilen değerlerden düşüktür. Bunun sebebi Kd stabilite katsayısı ve Kocota stabilite fonksiyonu hesaplanırken Hs parametresinin kullanılmasıdır. Başka bir deyişle, Hs her nekadar bir dalga katarım temsil etse de Hs'in tanımı gereği o dalga katarında Hs'den daha büyük değere sahip dalgalar mevcuttur. Bu yüzden dalgakıran model deneylerinde düzensiz dalga ile çalışarak, belirgin dalga yüksekliği (Hs) parametresini kullanmak bir emniyet faktörü olarak düşünülebilir. Optimal şev eğimlerinin cota=1.5 ve cota=2.0 olduğu sonucundan hareketle iki farklı eşitlik elde edilmiştir. Cota=1.5 ve cota=2.0 değerleri arasındaki şev xeğimlerinde, bu eşitlikler aracılığı ile seçilen herhangi bir hasar oranına karşı gelen Kd (stabilite katsayısı) değerini, seçilen herhangi bir Kp değerine karşılık gelen hasar oranını belirlemek mümkündür. xı

Abstract:
EVALUATION OF THE STABILITY OF THE ANTIFER ARMOR UNITS USED IN THE ARMOR LAYER OF RUBBLE MOUND BREAKWATERS SUMMARY The continuously growing international trade in todays' global world, emphasises the importance of shipping as one of the most effective means for the transportation of loads with significant volume and weight. Coastal areas protected from the detrimental impacts of waves becomes a must to secure the ships perform efficient loading and unlaoding. Within this context, breakwater design is one crucial issue for todays' Hydraulic Engineering applications. A miscalculation during the design of the armor layer units of a breakwater leads to several problems. Such that, an overestimation may cause a significant increase in the overall cost, depending on the actual size of the structure, but an underestimation may result in the destruction of the breakwater. In some cases, it may not be possible to use natural rocks in the construction of breakwaters due to some technical, transportational, and economical limitations. Consequently, a variety of artificial unit types have been suggested for armor layer. The scope of this study is to investigate the behaviour of, the "antifer armor cubes" which is a specific type of artificial armor units under the impacts of regular and irregular waves; and to maintain the stability criteria of these units. In order to provide experimental data to support the practical aspect of this study, a wave flume of 24 m x 1 m x 1 m, which facilitates the simulation of regular and irregular waves present was used at the laboratories of Istanbul Technical University, Civil Engineering Faculty, Department of Hydraulics. Each lab-scale antifer armor unit used in this study weighed 330 gr with the a volume of 125 cm3. As the primary step to evaluate the behaviour of the antifer armor units, four different slopes being cotoc= 1.25, cota= 1.5, cota= 2, and cota= 2.5, were chosen. The lab-scale units were let free-fall to these slopes from 30 cm. Twenty different series of irregular waves with varying characteristics were applied to each slope equipped with the antifer armor units. Each series lasted 8 minutes and included approximately 500 waves. As a result, by applying 20 different series of irregular waves, every selected slope was treated with 10.000 irregular waves for 2 hr 40 min. Next, the slope cota= 2.5 was selected to compare the behaviour of antifer armor units under the impact of regular and irregular wave series. Four regular wave series, each lasting 5 min and including 300 waves were used. Since the number of waves applied was low, the antifer armor units at the first and second layers were taken out of the flume after the first application of four regular wave series, then re-placed into the flume with the same slope, and the experiment was repeated to avoid the randomness. xuUsing the results of the experimental data together with the Hudson formula, Kd, the stability coefficients, and Kocota, the stability functions for cotoc= 1.25, cotct= 1.5, cota= 2, and cota= 2.5 were determined. These results were compared to the Kd values given at the literature for tetrapod and cubic units. The following is a brief summary of the results of the study outlined above. The behaviour of the antifer armor units for all four slopes were very similar. The correlation between the damage ratio and the significant wave height displayed a parabolic trend. The waves with the same wave heights but longer periods had a worse destructive influence on the structure. The comparison of the Hı/ıo and Hs damage ratio graphs showed that the trends were congenial. This is most probably due to the fact that both Hyio and Hs represent wave trains. On the other hand, this is not the case Hmax damage ratio graphs. This was considered to be acceptable since the Hı/ıo and Hs parameters represent wave trains, whereas Hmax represents the characteristics of a single wave. According to the correlation coefficients, the parameter, which characterises the stability of the breakwater best, was determined to be Hs. The analyses of the stability of the antifer armor units suggested the highest Kocotcc for cotoc= 2.5, and the highest Kd for cota= 1.5. Since the most reliable parameter for stability evaluations is Kocota, the highest slope (cota= 2.5) out from the four selected slopes was suggested to provide the best stability. Nevertheless, considering the total volume of filling material, cotoc= 1.5 was regarded as the optimum slope. From a practical point of view, a Kd value of 5 can be suggested for acceptable values of slope (cotot> 1.5). This Kd value is given with the assumption of 5% damage at only the upper layer of two rows the antifer armor units. Hs was used as the parameter to calculate the Kd and Kocota values and this resulted in lower Kd and Kocota values determined under the effects of irregular wave series, when compared to the ones obtained under the influence of regular wave series. In other words, it is possible to have a secure breakwater modelling set-up via using Hs and with irregular wave series, since the Hs characterises a single wave though waves with bigger heights are also present in the wave series. Two different equations were obtained considering the optimal slopes as cotct= 1.5 and cotcc= 2. For slopes between cotct= 1.5 and cota= 2, it was possible to determine the Kd values for a chosen damage ratio, or vice versa. Xlll