Kazık destekli rıhtımlar etrafında dalga kaynaklı oyulma
Wave-induced scour around pile supported quays
- Tez No: 958579
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞEVKET ÇOKGÖR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 205
Özet
Deniz yapılarının etrafında oluşan oyulma hem yapısal hem de çevresel açıdan kritik bir rol oynamaktadır. Kazık ve palplanş destekli rıhtım yapılarına olan talebin artmasıyla birlikte, bu yapıların tasarımlarının titizlikle yapılması büyük önem kazanmıştır. Ekonomik bir tahkimat yapısının inşa edilebilmesi için, yapının bulunduğu kıyı ortamında oluşabilecek olumsuz koşulların önceden tahmin edilmesi ve buna göre tasarımın yapılması kritik bir gerekliliktir. Kıyı ortamına inşa edilecek bir yapı, bulunduğu bölgedeki akım koşullarını önemli ölçüde değiştirebilir. Bu değişimin başlıca etkilerinden biri, akış alanındaki bozulmalar nedeniyle meydana gelen sediment taşınımıdır. Sediment taşınımı, yapının stabilitesini olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Ayrıca, kıyı yapılarının etrafında hem akıntı hem de dalga kaynaklı oyulma mekanizmaları gözlemlenmektedir. Ancak, kıyı ortamında dalga etkisiyle oluşan oyulma genellikle daha baskın olmaktadır. Akıntı ve dalga kaynaklı oyulma mekanizmaları birbirinden farklı dinamiklere sahip olduğundan, bu iki sürecin ayrı ayrı incelenmesi gerekmektedir. Yapı stabilitesini etkileyebilecek olan ve önceden tahmin edilemeyen oyulma gibi olumsuz etkiler, yapısal hasarlara ve dolayısıyla yüksek onarım maliyetlerine yol açabilmektedir. Bunun yanı sıra, oluşabilecek can kayıpları da yapı etrafındaki bu olumsuz etkilerin önceden öngörülmesinin ne denli hayati olduğunu açıkça ortaya koymaktadır. Bu çalışma, bir dalga kanalına yerleştirilen çoklu kazıkların etrafında oluşan oyulmayı incelemek için yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı, farklı dalga uzunlukları, dalga periyotları ve gelen dalga geliş açıları gibi hidrodinamik parametrelerin yapının çevresinde oluşturduğu oyulma etkilerini deneysel olarak belirlemektedir. Deneylerde kazıklar, 0, 30, 60 ve 90'lik derecelerde hizalanarak farklı dalga yaklaşma açılarının oyulma derinliği ve alanı üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Elde edilen verilere dayanarak, dalga-kazık ekileşimi sonucunda oluşan akımların, oyulma mekanizması, çevre ve yapı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu sayede hem yapının stabilitesi hem de çevre koşulları üzerindeki rolü ortaya konmuştur. Bu kapsamda rijit bir kanal tabanı üzerinde kum havuzu deneyleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, İstanbul Teknik Üniversitesi Hidrolik Laboratuvarı'nda bulunan, 26 m uzunluğunda, 1 m genişliğinde ve 60 cm derinliğinde periyodik dalga üreten bir kanal kullanılmıştır. Kanal tabanı düz bir geometriye sahip olup betondan yapılmıştır. Deneyler sırasında su derinliği sabit olarak kanal tabanından yukarı doğru 40 cm'ye ayarlanmıştır. Bu su derinliği kum havuzu üzerinde 34 cm olarak belirlenmiştir. Dalgalar flap tipi bir palet kullanılarak oluşturulmuştur. Deneylerde her biri 12,5 cm çapında ve 60 cm uzunluğunda üç adet PVC (Poli Vinil Clorür) boru kullanılmıştır. Bu borular kanal tabanına dik olarak monte edilmiştir. Kazıklar birbirlerine pleksiglas malzeme ile bağlanmıştır. Kazıklar arası bağlantı kısımlarından oluşabilecek sızıntılar önlenmiştir. Ayrıca kazıklar ile kanal tabanı arası da sızdırmaz hale getirilmiştir. Oyulma derinlikleri ve oyulma profilleri incelenmiştir. Kazıklar 2 m uzunluğunda, 1 m genişliğinde ve 6 cm yüksekliğinde kum havuzuna yerleştirilmiştir. Deneylerde D₅₀ = 0.32 mm olan homojen, ince kum kullanılmıştır. Kazıklar arası mesafe 6.25 cm ve 12.5 cm olan iki farklı yapı konfigürasyonunda oyulma derinlikleri incelenmiştir. İlk olarak kazıklar arası mesafenin, kazık çaplarının yarısı olan 6.25 cm alınarak 4 farklı periyot ve 4 farklı dalga geliş açısı deneyleri yapılmıştır. Kazıklar arası mesafe, kazık çapı kadar olan 12.5 cm olacak şekilde yapı değiştirilmiş ve önceki deneylerde kullanılan periyot ve dalga geliş açılarında deneyler gerçekleştirilmiştir. Her iki yapıda da 0, 30, 60 ve 90 derecelik dalga geliş açılarında, yapı uygun şekilde döndürülerek deneyler yapılmış ve dört farklı dalga periyodunda oyulma incelenmiştir. Toplamda, dalga yaklaşma açısı ve yapı şekline bağlı olarak 32 farklı senaryoda oyulma derinlikleri analiz edilmiştir. Ancak dalga kanalı genişliğinin yeterli olmaması ve yükselen frekans dolayısıyla ikinci kazık birleşiminin T=0.707 ve T=0.909 deneyleri dalga yüksekliklerinin çok artmasından dolayı gerçekleştirilememiştir. Deneyler sonrası kanal içerisindeki suyun tahliyesinin oluşan yatak profilini etkilenmemesi için kum havuzunun altına yerleştirilen ek drenaj borusu da kullanılarak kanaldaki su yavaş ve kontrollü olarak boşaltılmıştır. Deneylerin her biri 3.5 saat yapılmıştır. Deney düzenekleri ve sonuçları, deneylerden önce ve sonra yüksek çözünürlüklü Lidar tarayıcı ile taranarak üç boyutlu olarak yüzey değişimleri analiz edilmiştir. Bu yöntem sayesinde deneylerden sonra oluşan oyulma derinlikleri ve alanları hem görsel hem de sayısal olarak ortaya konmuştur. Deneysel bulgular, dalga periyodu arttıkça oyulma derinliğinde belirgin bir artış olduğunu göstermiştir. Özellikle yüksek seviyedeki periyotlarda (T=1.25 ve T=1.11), KC (Keulegan Carpenter) sayısının 1'in üzerine çıkmasından dolayı, deneylerde oyulma derinlikleri ve alanları gözle görülür şekilde artış göstermiştir. Diğer bir parametre olan dalga yaklaşım açısı değişiminin oyulma derinlikleri üzerinde doğrudan bir bağlantı kurulamamıştır. Kazıklar arası birleşim konfigürasyonları açısından düşünüldüğünde ise kazıklar arası mesafenin artması akım alanı önünde oluşan engelin büyümesinden dolayı oyulma alanını ve derinliğini genişletmiştir. Ayrıca yapı etrafında oluşan akım alanlarını analiz edebilmek içim 4 deneyde PİV (Particle Image Velocimetry) cihazıyla hız alanı ölçümleri yapılmıştır. Bu ölçümler ile yapı etrafında oluşan hız vektörleri ve hız büyüklükleri analiz edilmiştir. Bu sayede Lidar ile yapılan üç boyutlu tarama sonuçları doğrultusunda gözlemlenen oyulma alanları ve derinlikleri PİV ile detaylı olarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlar incelendiğinde düşük periyotlarda yapılan deneylerde, oyulma sınırlı boyutlarda kalmıştır. Deney sonuçlarına göre maksimum oyulma ikinci yapı konfigürasyonunda dalga yaklaşım açısının 0 derece olduğu yapıda T=0.707 sn'de ölçülmüştür. Maksimum oyulma ise ikinci yapı konfigürasyonunda dalga yaklaşım açısının 60 derece olduğu yapıda T=1.25 sn'de ölçülmüştür. Mevcut literatürde, özellikle birleşik kazıklı (kazık+palplanş destekli) yapıların dalga etkisi altındaki oyulma mekanizmaları üzerine yapılmış çalışmalar oldukça sınırlıdır. Yapılan çalışmalarda genellikle, tekil kazıklar veya düzenli kazık gruplarının akım etkileri altındaki oyulma süreçlerine odaklanmakta, dalga etkisi altında oluşan oyulma süreçleri görece daha az irdelenmiştir. Ayrıca, farklı kazık geometrilerinin, kazıklar arası mesafenin ve yapı konfigürasyonlarının, dalga geliş açısı gibi karmaşık parametrelerle birlikte ele alındığı deneysel çalışmalar neredeyse yok denecek kadar azdır. Bu yönüyle yapılan bu deneysel çalışma, literatürdeki önemli bir boşluğu doldurmakta ve mühendislik projeleri için özgün veriler sunmaktadır. Elde edilen sonuçlar, özellikle kazıklı rıhtım yapılarının güvenli ve ekonomik şekilde tasarlanmasına yönelik mühendislik yaklaşımlarının geliştirilmesine zemin oluşturmaktadır. Ayrıca, dalga kaynaklı oyulma mekanizmalarının gelecekte farklı yapı geometrileri ve zemin koşulları altında da araştırılması gerektiğini ortaya koymaktadır. Bu çalışma, deniz yapılarında dalgalardan kaynaklanabilecek olumsuz koşulların anlaşılması ve analiz edilmesi için temel bir yapı taşı görevi görmektedir. Deneyler, dalga periyotlarının ve geliş açılarının yapı üzerindeki kritik önemini ortaya koymuştur. Bu durum, gelecekteki çalışmalarda farklı yapılar için ve çeşitli dalga koşulları altında tasarım yöntemlerinin geliştirilmesine katkı sağlayacaktır. Bu konuda daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır.
Özet (Çeviri)
Scour around marine structures plays a critical role both structurally and environmentally. With the increasing demand for pile and sheet pile supported quay wall structures, meticulous design of these structures has become of great importance. For the construction of an economical retaining structure, it is essential to predict adverse conditions that may arise in the coastal environment beforehand and to design accordingly. A structure constructed in a coastal environment can significantly alter the local flow conditions. One of the main effects of this alteration is sediment transport caused by disturbances in the flow field. Sediment transport can adversely affect the stability of the structure. Moreover, scour mechanisms around coastal structures are observed to be caused by both currents and waves. However, wave-induced scour in coastal environments is generally more dominant. Since current- and wave-induced scour mechanisms have different dynamics, these two processes need to be investigated separately. Unpredicted adverse effects such as scour, which can affect the structural stability, may lead to structural damage and consequently high repair costs. Additionally, potential loss of life clearly demonstrates how vital it is to foresee these adverse effects around structures in advance. This study was conducted to investigate scour occurring around multiple piles installed in a wave flume. The aim of this study is to experimentally determine the scour effects caused by hydrodynamic parameters such as different wave lengths, wave periods, and incoming wave approach angles around the structure. In the experiments, the piles were aligned at angles of 0°, 30°, 60°, and 90°, and the effects of different wave approach angles on scour depth and area were also examined. Based on the obtained data, the currents resulting from wave-pile interaction, the scour mechanism, and their effects on the environment and the structure were investigated. Thus, the roles on both the structure's stability and environmental conditions were revealed. In this context, sediment basin experiments were carried out on a rigid channel bed. In the study, a wave channel with a length of 26 m, a width of 1 m, and a depth of 60 cm, located in the Hydraulic Laboratory of Istanbul Technical University, was used. The channel bed had a flat geometry and was made of concrete. During the experiments, the water depth was kept constant at 40 cm above the channel bed. This water depth corresponded to 34 cm above the sediment bed. Waves were generated using a flap-type paddle. Three PVC (Polyvinyl Chloride) pipes with a diameter of 12.5 cm and a length of 60 cm were used in the experiments. These pipes were mounted vertically on the channel bed. The piles were connected with plexiglass material. Possible leaks at the connections between piles were prevented. Also, the interface between the piles and the channel bed was sealed. Scour depths and scour profiles were examined. The piles were placed in a sediment basin with dimensions of 2 m length, 1 m width, and 6 cm height. Homogeneous fine sand with a median grain size (D₅₀) of 0.32 mm was used. Scour depths were investigated in two different structural configurations with pile spacings of 6.25 cm and 12.5 cm. First, the pile spacing was set to half the pile diameter, 6.25 cm, and experiments were conducted with four different wave periods and four different wave approach angles. Then, the spacing was increased to the full pile diameter, 12.5 cm, and experiments were performed with the same wave periods and wave approach angles used previously. In both structures, experiments were conducted by rotating the structure appropriately at wave approach angles of 0°, 30°, 60°, and 90°, and scour was examined at four different wave periods. In total, scour depths were analyzed in 32 different scenarios depending on wave approach angle and structural configuration. However, due to the insufficient channel width and the increased wave frequency, the second pile configuration experiments at T=0.707 s and T=0.909 s could not be conducted due to excessive wave heights. After the experiments, to prevent the water discharge in the channel from affecting the formed bed profile, a drainage pipe placed under the sediment basin was used to empty the water slowly and controlled. Each experiment lasted 3.5 hours. Experimental setups and results were scanned before and after the experiments with a high-resolution Lidar scanner to analyze surface changes in three dimensions. This method allowed the scour depths and areas formed after the experiments to be presented both visually and numerically. Experimental findings showed a significant increase in scour depth with increasing wave period. Especially at higher periods (T=1.25 and T=1.11 s), since the Keulegan-Carpenter (KC) number exceeded 1, scour depths and areas increased noticeably. No direct correlation was found between wave approach angle changes and scour depths. Considering pile spacing configurations, increasing the spacing widened the scour area and depth due to the larger obstruction in the flow field ahead of the structure. Additionally, to analyze the flow fields around the structure, velocity field measurements were performed in four experiments using Particle Image Velocimetry (PIV). These measurements allowed analysis of velocity vectors and magnitudes around the structure. Consequently, the scour areas and depths observed through 3D Lidar scans were investigated in detail with PIV. Examining the experimental results, scour remained limited in size in experiments with low wave periods. According to the results, the maximum scour was measured in the second structural configuration at a wave approach angle of 0° and period T=0.707 s. The maximum scour was also observed in the second configuration at a wave approach angle of 60° and period T=1.25 s. In the current literature, studies on scour mechanisms under wave effects on combined pile-supported (pile + sheet pile) structures are very limited. Most studies focus on scour processes around single piles or regular pile groups under current effects, while scour under wave effects has been less explored. Furthermore, experimental studies considering complex parameters such as different pile geometries, pile spacings, structural configurations, and wave approach angles are almost nonexistent. In this respect, the present experimental study fills an important gap in the literature and provides unique data for engineering projects. The obtained results especially lay the groundwork for the development of engineering approaches aimed at safe and economical design of pile-supported quay wall structures. Additionally, the study reveals the need to investigate wave-induced scour mechanisms under different structural geometries and soil conditions in future work. This study serves as a fundamental building block for understanding and analyzing adverse conditions caused by waves around marine structures. The experiments revealed the critical importance of wave periods and approach angles on the structure. This finding will contribute to the development of design methods for different structures under various wave conditions in future studies. Further research is needed in this area.
Benzer Tezler
- Scour and flow around pile supported wharf under waves
Dalga etkisi altında kazık ve palplanş çevresinde akım ve oyulma
DİLA DEMİRAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞEVKET ÇOKGÖR
- Kazık destekli yanaşma yapılarının sismik yükler altında tasarımı
Pile supported marine structure design under seismic loads
MUSTAFA KÖROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Deprem MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLGE DORAN
PROF. DR. YALÇIN YÜKSEL
- Seismic assessment of buildings on cast in place piles with rigorous modelling of soil-pile-structure interactions
Zemin-kazık-yapı etkileşimlerinin kapsamlı modellenmesiyle yerinde dökme kazıklar üzerindeki binaların sismik değerlendirmesi
MÜGE ÖZGENOĞLU
Doktora
İngilizce
2025
Deprem MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YALIN ARICI
- Karayolu güzergah çalışmalarında dolgu problemine karşı davranış modeli araştırması
Study on behaviour of fills during highway construction
EREN BALABAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
İnşaat MühendisliğiAnadolu Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET İNANÇ ONUR
- Propeller jet induced erosion around pile supported berth structures
Pervane jeti etkisinde kazık destekli yanaşma yapıları etrafında meydana gelen oyulma
REMZİYE İLAYDA TAN
Doktora
İngilizce
2019
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YALÇIN YÜKSEL