Şekil 4.212'de Hid 1 şartları altında yapılan yaka deneyleri sırasında ölçülen oyulma derinliğinin zamanla değişimi gerçekleştirilen tüm deneyler için verilmiştir. Yakanın taban malzemesinin 1 cm altına gömüldüğü C2 ve C8 deneylerinde oyulmanın diğer deneylere göre çok daha az olduğu gözlemlenmiş ve köprü ayağı etrafındaki oyulma daha geç başlamıştır. En fazla oyulma derinliği ise yakanın taban malzemesinin hemen üzerine yerleştirildiği C1 ve C5 deneyleri sonucunda elde edilmiştir.
Şekil 4.212 Hid 1 yaka deneylerinde oyulma derinliğinin zamanla değişimi
Şekil 4.213'te Hid 2 akım koşullarının geçerli olduğu yaka deneyleri sırasında ölçülen oyulma derinliğinin zamanla değişim grafiği tüm deneyler için gösterilmiştir. Yakanın taban malzemesinin 1 cm altına gömüldüğü C10 ve C16 deneylerinde
78
oyulmanın diğer deneylere göre çok daha az olduğu gözlemlenmiştir. En fazla oyulma derinliği ise yakanın taban malzemesinin hemen üzerine yerleştirildiği C9 ve C13 deneyleri sonucunda elde edilmiştir.
Şekil 4.213 Hid 2 yaka deneyleri sonucu elde edilen oyulma derinliği - zaman değişimi
Şekil 4.214'te Hid 1 akım koşulları altında 3 mm kalınlığa sahip yakanın farklı konumları için deney boyunca ölçülen oyulma derinlikleri verilmektedir. En az oyulma derinliği yakanın taban malzemesinin 1 cm altına yerleştirildiği C2 deneyinde meydana gelmiştir.
Şekil 4.214 Hid 1 için koruma önlemi alınmamış köprü ayağı, C1, C2, C3 ve C4 deneylerinin oyulma zaman grafiği
Şekil 4.215'te Hid 1 akım koşulları altında 6 mm kalınlığa sahip yakanın farklı konumları için deney boyunca ölçülen oyulma derinlikleri verilmektedir. En az oyulma derinliği yakanın taban malzemesinin 1 cm altına yerleştirildiği C8 deneyinde meydana gelmiştir.
Şekil 4.215 Hid 1 için koruma önlemi alınmamış köprü ayağı, C5, C6, C7 ve C8 deneylerinin oyulma zaman grafiği
Şekil 4.216'da Hid 2 akım koşulları altında 3 mm kalınlığa sahip yakanın farklı konumları için deney boyunca ölçülen oyulma derinlikleri verilmektedir. En az oyulma derinliği yakanın taban malzemesinin 1 cm altına yerleştirildiği C10 deneyinde meydana gelmiştir.
80
Şekil 4.216 Hid 2 için koruma önlemi alınmamış köprü ayağı, C9, C10, C11 ve C12 deneylerinin oyulma zaman grafiği
Şekil 4.217'de Hid 2 akım koşulları altında 6 mm kalınlığa sahip yakanın farklı konumları için deney boyunca ölçülen oyulma derinlikleri verilmektedir. En az oyulma derinliği yakanın taban malzemesinin 1 cm altına yerleştirildiği C16 deneyinde meydana gelmiştir.
Şekil 4.217 Hid 2 için koruma önlemi alınmamış köprü ayağı, C13, C14, C15 ve C16 deneylerinin oyulma zaman grafiği
Şekil 4.218'de gerçekleştirilen riprap deneylerinde ölçülen oyulma derinliklerinin zamanla değişimi riprap tabakasının bozulduğu tüm deneyler için görülmektedir. En
az oyulma derinliği riprap çapı 22 mm olan R4 deneyinde gözlenmiştir. R15 deneyinde riprap tabakası kanal genişliği boyunca serilmiş olup oyulma derinliğini çok fazla azaltmadığı görülmektedir.
Şekil 4.218 Riprap deneylerinin oyulma zaman grafiği
Şekil 4.219'da riprap ortalama çapı, kalınlığı ve genişliği aynı olan ancak deney süreleri farklı iki deneyin oyulma zaman grafiği verilmektedir. Deney süresi arttıkça oyulma derinliğinin de arttığı görülmektedir.
82
Şekil 4.220'de Hid 1 akım koşulları altında tek sıra kalınlığında taban malzemesinin üzerine serilmiş iki farklı riprap çapı için ölçülen oyulma değerleri verilmektedir. R4 deneyinde riprap çapı 22 mm iken R7 deneyinde 7 mm'dir. Kullanılan riprap çapı daha büyük olan R4 deneyinde oyulma daha az gözlenmiştir.
Şekil 4.220 Hid 1 için koruma önlemi alınmamış köprü ayağı, R4 ve R7 deneylerinin oyulma zaman grafiği
Şekil 4.221'de Hid 2 akım koşulları altında tek sıra kalınlığında taban malzemesinin üzerine serilmiş iki farklı riprap çapı için ölçülen oyulma değerleri verilmektedir. R11 deneyinde riprap çapı 22 mm iken R14 ve R15 deneylerinde 7 mm'dir. Kullanılan riprap çapı daha büyük olan R11 deneyinde beklendiği gibi oyulma daha az gözlenmiştir. R14 ve R15 deneylerinde riprap genişliği sırasıyla 40 cm ve 32 cm olup genişliğin fazla olduğu R14 deneyinde oyulma derinliğinin daha az olduğu görülmektedir.
Şekil 4.221 Hid 2 için koruma önlemi alınmamış köprü ayağı, R11, R14 ve R15 deneylerinin oyulma zaman grafiği
Şekil 4.222'de yakanın yerinin oyulma derinliği ile olan ilişkisi literatürde verilen diğer çalışma sonuçlarıyla beraber görülmektedir. Zarrati ve diğer., (2010) deneylerini yaka genişliğini köprü ayak genişliğinin 2 ve 3 katı alarak gerçekleştirmişler ve yakanın oyulma derinliğinin sırasıyla yaklaşık %20 ve %26 azalttığını gözlemlemişlerdir. Tanaka ve Yano, (1967) yaka genişliğini köprü ayak genişliğinin 3 ve 4 katı, Chiew (1992) ve Ettama (1980) ise 2 katını alarak çalışmalarını yapmışlardır. Deneylerin tümü kararlı akım koşulları altında gerçekleştirilmiştir. Karşılaştırma yapılırken Hidrograf 1'de pik debinin geçtiği ve su seviyesinin en yüksek olduğu değer alınmıştır.
Burada;
Ys: Nihai oyulma derinliği, Yso: Koruyucu önlem olmaması durumunda oyulma derinliği, b: Köprü orta ayağı çapı, Y0: Yaklaşım akım derinliği, W: Yaka genişliği ve Yd: Yakanın taban seviyesinden itibaren konumudur.
84
Şekil 4.222 Maksimum oyulma derinliğinin yakanın yerine göre aldığı değerler (Zarrati ve diğer., 2010)
Şekil 4.223'te riprap tabakasının bozulduğu deneyler için boyutsuz riprap dane çapının (riprap dane boyutunun yaklaşım akım derinliğine oranının) Froude sayısı ile değişimi bu çalışma ve literatürde verilen diğer çalışma sonuçları ile verilmektedir. Bu tez kapsamında gerçekleştirilen deneylerde riprap çapı 7 ve 22 mm alınmıştır. Bu değerler üniform taban malzemesinin yaklaşık 2 ve 6 katıdır.
Burada;
dR: Riprap boyutu,
h0: Yaklaşım akım derinliği,
Şekil 4.223 Sınır riprap değerinin Froude sayısı ile değişimi (Unger ve Hager, 2006)
Taban malzemesinin üzerine yerleştirilmiş riprap tabakası için boyutsuz riprap dane çapı (D50/y0) ile Froude sayısı arasındaki ilişki Şekil 4.224’te verilmektedir. Parola (1993) A deneyinde dikdörtgen köprü ayağının etrafına serilen riprap tabakası taban malzemesini hemen üzerine yerleştirilmiş, B deneyinde riprap taban malzemesi altına gömülmüş, C deneyinde ise köprü ayağı dairesel kesitli seçilmiştir.
Şekilde 𝐹𝐹2 = 𝑈𝑈2
𝑔𝑔𝑦𝑦0 Froude sayısının karesidir. U akım hızı ve g yerçekimi
ivmesidir.
Şekil 4.224 Zemin yüzeyine yerleştirilmiş riprap tabakası için deney sonuçlarının karşılaştırılması (Lauchlan ve Melville, 2001)
86
Şekil 4.225'te göreceli yaklaşım akım derinliğinin ayak çapı Froude sayısı �FrD =�gDV , D köprü ayak çapıdır. � ile değişimi görülmektedir. Bu grafikte verilen noktalar riprap tabakasının harekete başladığı ana ait değerlerdir. Tez kapsamında
elde edilen deneysel sonuçlar, ayak gruplarında riprap stabilitesini inceleyen
Simarro, Chreties ve Teixeira (2011)’ın elde ettiği sonuçlar ile beraber görülmektedir.
Şekil 4.225 Köprü çapı Froude sayısı ile akım yüksekliği kazık çapı oranının değişimi (Simarro ve diğer.,2011)
87 BÖLÜM BEŞ SONUÇ VE ÖNERİLER
TÜBİTAK 109M637 nolu proje kapsamında yapılan bu tez çalışmasında köprü orta ayakları etrafında meydana gelen yerel oyulmaların önlenmesi deneysel olarak araştırılmıştır. Koruyucu önlem olarak köprü orta ayağı etrafına riprap ve yaka yerleştirilmiş ve iki farklı hidrograf kullanılarak deneyler gerçekleştirilmiştir.
Riprap deneylerinde öncellikle en uygun riprap çapının belirlenmesi için
literatürde kabul görmüş bağıntı kullanılmış ve bu çap 22 mm olarak belirlenmiştir. Deneylerde ortalama dane çapı 22 mm ve taban malzemesinin iki katı çapa sahip olan 7 mm çapındaki riprap malzemeleri kullanılmıştır. 22 mm çapındaki riprap malzemesinin köprü ayağı etrafında meydana gelen oyulmaları önlediği gözlenmiştir. Beklenildiği gibi riprap çapı büyüdükçe yerel oyulmaların da azaldığı saptanmıştır. Uygulamada riprap çapını gereksiz arttırmak ekonomik yönden zararlara yol açacağından, literatürde verilen bağıntılar kullanılarak en uygun riprap çapı belirlenmelidir. Dikdörtgen kanalın eni boyunca serilen riprap malzemesi sadece köprü ayağı etrafında oyulmuştur. Deneysel çalışmalarda riprap kalınlığı, riprap malzemesinin 2 katına kadar test edilmiştir. Çift sıra yerleştirilen riprap deneylerinde oyulma daha az meydana gelmiştir.
Yaka deneylerinde yaka genişliği, literatürdeki mevcut çalışmalar sonucunda en uygun yaka genişliği olarak belirtilen köprü ayağı çapının üç katı olarak seçilmiştir. Deneyler sırasında yakanın kalınlığının ve yerinin oyulmaya etkisi araştırılmıştır. 3 mm ve 6 mm kalınlığındaki yakalar kullanılarak gerçekleştirilen deneyler sonrasında yaka kalınlığının oyulma derinliğine çok fazla etki etmediği gözlenmiştir. Yaka, taban malzemesinin hemen üzerine, köprü ayak çapının yaklaşık %10’u olan 1 cm altına ve 1 cm üzerine yerleştirilerek yakanın konumunun etkisi araştırılmıştır. Deneysel sonuçlar yakanın köprü ayak çapının %10’u mertebesinde taban malzemesinin altına gömüldüğünde oyulmanın en az olduğunu göstermektedir.
88
Yapılan çalışmalarda deney süresi arttıkça oyulma derinliğinin de arttığı gözlemlenmiştir. Bu çalışma kapsamında iki farklı süreye sahip hidrograf denenmiş olup farklı sürelerde yeni hidrograflar denenerek mevcut çalışma geliştirilebilir.
Deneysel bulgular aynı zamanda literatürde mevcut diğer deneysel çalışmaların sonuçları ile de karşılaştırılmıştır. Literatürde konuyla ilgili yapılan deneysel çalışma sonuçları genelde kararlı akım koşulları altında elde edilmiş olup gözlenen farklılıkların en büyük sebebi bu çalışmanın sonuçlarının kararsız akım şartlarında elde edilmiş olmasıdır. Bu sebeple karşılaştırma yapılırken deneylerdeki pik debinin geçtiği akım özellikleri kullanılmıştır.
Bu tez kapsamında gerçekleştirilen deneylerde riprap çapı taban malzemesi çapının 2 ve 6 katıdır. Bu çalışmanın devamı olarak ara çaplarda riprap malzemesi kullanılarak deneylerin gerçekleştirilmesi faydalı olacaktır. Ayrıca bu tez kapsamında araştırılmayan yaka genişliğinin de oyulma derinliği üzerindeki etkisinin de araştırılması yerinde olacaktır.
KAYNAKLAR
Alabi, P.D. (2006).Time development of local scour at bridge pier fitted with a
collar. PhD Thesis, University of Saskatchewan, Saskatoon, Canada.
Bonasoundas, M. (1973). Stromungsvorgang und Kolkproblem. Oscar von miller Institu, Technical University Of Munich, Germany
Bhalerao, A. R., and Garde, R. J. (2010). Design of riprap for protection against scour around bridge pier. The Indian Society For Hydraulics Journal Of
Hydraulic Engıneering, 16 (1), 79–91
Breusers, H. N. C., Nicollet, G., and Shen, H. W. (1977). Local scour around cylindrical piers. Journal of HydraulicResearch, 15 (3), 211-252
Chabert, J., and Engeldinger, P. (1956). Etude des affouillements autour des piles de
points (Study of scour at bridge piers). Bureau Central d.Etudesles Equipment
d.Outre-Mer, Laboratoire National d.Hydraulique, France
Chang, H.H. (1988). Fluvial processes in river engineering. John Wiley&Sons
Cheremisinoff, P. N., Cheremisinoff, N. P., and Cheng, S. L. (1987). Hydraulic
mechanics 2. Civil Engineering Practice, Technomic Publishing Company, Inc.,
Lancaster, Pennsylvania, USA
Chiew, Y. M. (1992). Scour protection at bridge piers. Journal of Hydraulic
Engineering, ASCE, 118(9), 1260–1269
Chiew, Y. M. (1995). Mechanics of riprap failure at bridge piers. Journal of
90
Chiew, Y., and Lim, S. (2003). Protection of bridge piers using a sacrificial sill.
Water & Maritime Engineering Journal, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Thomas Telford Journals,156(1), 53–62
Chiew, Y. M. (2004). Local scour and riprap stability at bridge piers in a degrading channel. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 130 (3), 218–226
Dey, S., and Barbhuiya, A. K. (2004). Clear-water scour at abutments in thinly armoured beds. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 130(7), 622–634
Ettema, R. E. (1980). Scour at bridge piers. Rep. No. 236, School of Engineering, The University of Auckland, New Zealand.
Fotherby, L. M., and Jones, J. S. (1993). The influence of exposed footings on pier
scour depths. Proceeding of Hydraulics Conference, ASCE, New York, 922–927
Gales, R. R. (1938). The principles of river training for railway bridges and their application to the case of the Harding bridge over the Lower Ganges at Sara.
Journal of Civil Engineering,10(2), 136–224
Gümgüm, F. (2011). Dairesel kesitli köprü orta ayakları etrafında meydana gelen
temiz su oyulmalarının deneysel ve nümerik olarak incelenmesi. Yüksek Lisans
tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir, Türkiye
Güney, M. Ş., Bombar, G., Aksoy, A. O., ve Doğan, M. (2012). Use of Uvp to investigate the evolution of bed configuration. Journal of Civil Engineering,
KSCE
Habername (2012). Filyos Köprüsü'nü ayakları taşıyamamış, 06 Aralık 2012,
http://www.habername.com/haber-filyos-koprusu-caycuma-istanbul-teknik- universitesi-itu--77806.htm
Hoffmans, G. J. C. M., and Verheij, H. J. (1997). Scourmanual. A.A. Balkema, Rotterdam, Netherlands
Julien, P. Y., Ruff J. F., andJi U. (2006). Alternative designs of pier-scour protection
for the Gupo and SubwayBridgeon the Lower Nakdong River. Colorado State
University, Colorado, USA
Kandasamy, J.K. (1989). Abutmentscour. Rep. No. 458, School of Engineering, University of Auckland, Auckland, New Zealand
Khwairakpam, P., and Mazumdar, A. (2009). Local scour around hydraulic structures.International Journal of Recent Trends in Engineering,1 (6), 59–61
Kumar,V., Raju, K. G. R., and Vittal, N.(1999). Reduction of local scour around bridge piers using slots and collars. Journal of Hydraulic Engineering,125 (12), 1302–1306
Lagasse, P.F., and Richardson, E.V. (2001). ASCE compendium of stream stability and bridge scour papers. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 127 (7), 531–533
Laursen, E. M., and Toch, A. (1956). Scour around bridge piers and abutments. Iowa Highway Research Board, Bull. No.4, Bureau of Public Roads, Iowa
Mashahir, M. B., Zarrati, A. R., Rezaei M. J., and Zokaei, M. (2009). Effect of collars and bars in reducing the local scour around cylindrical bridge piers. IJE
Transactions B: Applications,22 (4), 333–342
Masjedi, A., Bejestan, M. S., and Esfandi, A. (2010). Experimental study on local scour around single oblong pier fitted with a collar in a 180 degree flume bend.
International Journal of SedimentResearch,25(3), 304–312
Melville, B. W., (1997). Pier and abutment scour: integrated approach. Journal of
92
Melville, B.W., and Sutherland, A.J., (1988). Design method for local scour at bridge piers. Journal of the Hydraulics Division, 114 (10), 1210–1225
Melville, B. W., and Coleman, S. E. (2000). Bridge scour. Water Resources
Publications, LLC, Colorado, USA
Melville, B. W., and Lauchlan, C. S. (2001).Riprap protection at bridge piers.
Journal of Hydraulic Engineering, 127 (5), 412–418
Met-flow (2002). UVP monitor model uvp-duo with software version 3 user’s guide. Lausanne, Switzerland
Neill, C. R. (1973).Guide to bridge hydraulics. Roads and Transportation Association of Canada, Univ. Of Toronto Press, Toronto, Canada
Nohani, E., Bejestan, M. S., Masjedi, A., and Kashkuli, H. A. (2012). Contemporary
Engineering Sciences,5 (8), 381–390
Parola, A.C., (1993). Stability of riprap at bridge piers. Journal of Hydraulic
Engineering, ASCE, 119 (10), 1080–1093
Parola, A. C. (1995). Boundary stresses and stability of riprap at bridge piers. River Coastal and Shore Line Protections: Erosion Control Using Riprap and Armor Stone, John Wiley& Sons,149–156
Posey, C. J. (1974). Tests of scour protection for bridge piers. Journal of Hydraulic
Engineering, ASCE100(12), 1773–1783
Raudkivi, A. J. (1986). Functional trends of scour at bridge piers. Journal of
Hydraulic Engineering, ASCE, 112(1), 1–12
Richardson, E. V., Harrison, L. J., and Davis, S. R. (1991). Evaluating scour at
Richardson, E. V., and Davis, S. R. (1995). Evaluatingscour at bridges (3rd ed.) (6.1- 6.6). Hydr. Engrg. Circular No. 18 (HEC-18), Rep. No. FHWA-IP-90-017, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
Simarro, G., Chreties, C., and Teixeira, L. (2011). Riprap sizing for pile groups.
Journal of Hydraulic Engineering, ASCE,137 (12), 1676–1679
Ting, F. C. K., Briaud, J. L., Chen, H. C., Gudavalli, R., and Perugu, S. (2001). Flumetests for scour in clay at circular piers. Journal of Hydraulic Engineering,
ASCE, 127(11), 969–978
Tanaka, S., and Yano, M. (1967). Local scour around a circular cylinder.
proceedings,12th IAHR Congress, Colorado State University, Colorado, USA
Thomas, Z. (1967). An interesting hydraulic effect occurring at local scour.
Proceedings.12th IAHR Congress, Colorado State University, Colorado, USA
TÜBİTAK 109M637 nolu proje (2012). Açık kanallarda taşkın hidrograflarının
yayılmasından kaynaklanan katı madde hareketinin iki boyutlu olarak deneysel ve teorik araştırılması; bu hareket nedeniyle köprü uç ve orta ayaklarında oluşan yerel oyulmaların belirlenmesi - karşı önlemlerin tasarımları ve test edilmeleri.
Nihai rapor
Unger, J., and Hager, W. H. (2006). Riprap failure at circular bridge piers. Journal of
Hydraulic Engineering, ASCE,132 (4), 354–362
Yanmaz, A.M. (2002). Köprü Hidroliği. Ankara: ODTÜ Yayıncılık A.Ş.
Yasser, A. M., Gamal, M. A., Abdelazim, M. N., and Amira, A. F. (2008). Effect of
triangular collar width on local scour at bridge pier under very low Froude numbers. Ninth International Congress of Fluid Dynamics & Propulsion, ASME,
94
Zarrati, A. R., Nazariha, M., and Mashahir, M. B. (2006). Reduction of local scour in the vicinity of bridge pier groups using collars and riprap. Journal of Hydraulic
Engineering, ASCE,132 (2), 154–162
Zarrati, A. R., Chamani, M. R., Shafaie, A., and Latifi, M. (2010). Scour countermeasures for cylindrical piers using riprap and combination of collar and riprap. International Journal of Sediment Research, 25 (3), 313–321