Experimental Examination Of Performance Of An Inclined Thin Plate Type Breakwater

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013Taş dolgu dalgakıranlar (TDDK) kıyı koruma yapısı olarak uzun yıllardır dünyanın her yerinde kullanılmaktadır. Ancak, bu tip dalgakıranlar sıkça kullanılmalarına karşın; ağırlıkları nedeniyle ortaya çıkan temel stabilitesi problemleri, büyük maliyetleri vb dezavantajlara da sahiptir. Örneğin, TDDK’larda tasarım dalgasının aşırı büyük olduğu durumlarda koruma tabakası için gerekli ağırlıkta ocak taşı bulunamadığından yapay bloklar kullanılması gerekmekte ve bu da doğal olarak maliyeti doğrudan etkilemektedir. Yapay bloklarda oluşabilecek hidratasyon da farklı bir risk unsuru olarak ortaya çıkmaktadır. Diğer bir dezavantaj olarak belirtildiği üzere büyük ağırlıkları nedeniyle TDDK’lar olası yetersiz temel koşullarında çökme riski taşımalarıdır. Çökme durumunda dalgakıranın fonksiyonu azalır, stabilitesi düşer. Bu dezavantajlar daha iyi kıyı koruma çözümleri bulunmasını zorunlu kılmaktadır. Bu arayışlar sonucunda ortaya atılan fikirlerden biri de ince plakaların dalga sönümlenmesinde kullanılması fikridir. İnce plakalar gerek tek başlarına gerekse TDDK’lar ile ardışık kullanılarak TDDK’ların birçok dezavantajı bertaraf edilebilir. TDDK’ların deniz tarafına yerleştirilmiş ince plakalar TDDK’ya gelen dalga yüksekliğini önemli ölçüde azaltarak koruma tabakasında kullanılacak taş büyüklüğünü azaltabilir, yapay bloklar yerine ocak taşı kullanımını mümkün kılabilir. Bu çalışmaya da konu olan eğik ince plakalar TDDK’ların aksine gelen dalgayı kütleleri ile durdurmaz. Dalgalar plakanın üzerinde tırmanarak üzerinden aşar ve bu sayede kırılırlar. Plakanın üzerinden aşarak kara tarafından dökülen su kütlesi plakanın altından iletilen dalga enerjisinin de sönümlenmesine yardımcı olur. Dalganın plaka üzerinde kırılıması ve kara tafından dökülerek plaka altından geçen enerjiyi sönümlemesi olarak özetlenebilecek bu iki dalga sönümleme mekanizmasının etkinliği plakanın eğiklik derecesi, batıklığı ve plaka uzunluğu gibi çeşitli geometrik parametrelere bağlıdır. Deneyler çerçevesinde plakanın 3 farklı açı (5◦, 10◦ ve 15◦) ve bu açılarda farklı batıklığa sahip pozisyonları için ölçümler yapılmıştır. Bu sayede plakaya ait geometrik parametrelerin performans üzerindeki etkisi anlaşılmaya çalışılmıştır. Deneylerde dalgaya ait parametrelerin de incelenebilmesi amacıyla farklı dalga periyodu (T) ve dalga yüksekliği (H) değerlerine sahip dalgalar kullanılarak iletim katsayısı (Ct), yansıma katsayısı (Cr) ve sönümleme katsayısı (Cd) hesaplanmış, dalgakıran modelinin en iyi performans gösterdiği dalga-pozisyon eşleşmesi araştırılmıştır. Ayrıca plakanın deniz ve kara tarafında 3 boyutlu noktasal hız ölçümleri yapılmış, plaka etrafındaki kinematik yapının daha iyi anlaşılması hedeflenmiştir. Bu ölçümler ışığında modelin dalga hızına olan etkisi de açıklanmaya çalışılmıştır. Yapılan ölçümler ışığında ilk etapta iletim katsayısı (Ct), yansıma katsayısı (Cr), ve sönümleme katsayısı (Cd)’nın dalgaya ait parametreler olan dalga boyu (L), dalga yüksekliği (H) ve dalga dikliği (H/L) ile ilişkisi analiz edilmiştir. Daha sonra yansıma ve iletim katsayılarının plakanın geometrik özelliklerinden yola çıkılarak türetilen boyutsuz parametrelerle değişimi incelenmiş ve son olarak da bu katsayıların potansiyel boyutlandırma çalışmalarına zemin oluşturmak amacıyla hem dalganın özelliklerini hem de modelin geometrik özelliklerini içeren boyutlandırma parametreleri ile ilişkileri irdelenmiştir. Sonuçlar, eğik ince plakaların (Burada sözü edilen ince olma koşulu, yapı alın kalınlığının yarattığı yansımanın ihmal edilebilir olmasıdır.) gelen dalga yüksekliğini %20-%30 mertebesine kadar indirebildiğini ve gelen dalga enerjisinin büyük kısmının sönümlendiğini göstermektedir.Rouble Mound Breakwaters (RMBs) are applied coastal structures for many years around the World. Although they are commonly applied, they also have some drawbacks such as stability problems due to poor foundation and high costs. For instance, when the design wave hight is extremely large, over-weighted armor units or even artificial blocks are required. And this situation result to higher costs. Also due to the quick hydration of the concrete, over-sized artificial blocks may lost their function earlier than expected. As mentioned, poor foundation stability restricts the application of oversized RMBs. These drawbacks result in a search of a new kind of coastal defense structure. Pile-mounted, horizontal or inclined thin plates may be one of the right solutions for this case. Inclined thin plates (ITPs) may eliminate most of the handicaps that RMBs have in case of both single use or tandem use with RMBs. ITPs emerge as functional coastal structures in terms of reducing the overall wave height and reduce the required armor unit weight when they are applied in the seaward side of a RMB. ITPs do not block the wave motion; they transform energy transfer into mass transfer. The incoming waves are efficiently broken during the overtopping over ITP. This causes to a mass transfer free falls from the leeward side of the plate brings energy dissipation of the wave passing under the breakwater. These two mechanisms are effected by design conditions, i.e. submergence degree, angle, and total length of the plate. A thin plexiglass plate mounted on steel rods were used for the experiments. The thickness of the plate and piles are very small so that the side face of the plate considered not to reflect wave and the piles also considered not to effect the wave characteristics. ITPs may be a effective solution for a large range of shore protection problems: i. Tandem application of ITP may decrease the required armor unit weight of RMB’s and even prevent the usage of artificial units. ii. Application of ITPs may solve the problem for the cases that over-all wave height is undesirably high in the harbor. iii. When tandemly applied with seawalls, ITPs may break the wave before reaching the seawalls and prevent possible damages due to wave breaking on the wall. iv. ITPs may be an efficient solution for protecting touristic beaches from high waves. Except of reducing the required armor unit weight of the tandemy applied RMB, further potential advantages of ITPs may be stated as follows; i. Instead of blocking the wave motion, ITPs transform the energy transfer into mass transfer. This machanism greatly reduces the forces that effect the structure. ii. Due to least affecting the coastal ecosystem ITPs can be considered as ecofriendly shore protection structures. iii. Due to not blocking the stream ITPs provide sustainable solutions for sediment transportation. During the experiments, the effect of parameters related to geometry of the plate to performance of wave attenuation was examined. For this purpose, positions with 3 different angles (5◦, 10◦ and 15◦) and different submergence degrees were studied. In total 10 different positions were investigated under 10 target waves for each. In other words, 100 measurements were handled for the wave attenuation performance tests. For understanding the effect of wave parameters; during the experiments target waves were chosed to have different wave period (T) and wave heights (H). Transmission Coefficients (Ct), Reflection Coefficients (Cr) and Dissipation Coefficients (Cd) were calculated to observe the wave condition – plate position match with the best performance. Also, for revealing the kinematic structure of the wave, 3 directional velocity measurements were also handeled on the both seaward and leeward side of the inclined plate. For this purpose, 3 positions with different angles and same submergence degrees were examined. 51 measurements were made on a vertical line on the each side of the plate. As the first step of data analysis, relationship between Transmission Coefficients (Ct), Reflection Coefficients (Cr) and Dissipation Coefficients (Cd) and parameters related to wave characteristics such as wave length (L) and wave height (H) and wave stepness (L) were analysed. Then, the effect of geometric parameters to transmission and reflection is studied. And finally the influence of the scale-up parameters to reflection and transmission were examined. The parameters which contain both variables belong to wave and plate were used for the purpose of providing a fundamental knowledge for further scaling up studies. Secondly, change of velocity among depth is studied to explain the effect of ITP to velocity profiles. Also energy distrubution among depth and some further wave parameters and geometric parameters were analysed. Box Plot analysis were made to show the difference between the velocity-time series before and after the ITP. The analysis show the following results: i. ITPs are environmentally friendly shore protection structures with high wave dissipation performance. ii. ITPs reduce the overall wave height to 20%-30% of the incident wave height. Positions with bigger angles provides smaller wave heights. iii. ITPs work with a higher performance and provides smaller transmitted wave on higher and shorter waves. iv. Although the wave height (H) and wave length (L) effects the wave dissipation performance; wave steppnes is the major prameter that controls the wave dissipation of the ITP. ITP’s work more efficiently on stepper waves. v. ITPs diminishes a significant ammount of the wave energy. Positions with bigger angles work with a higher energy dissipating performance. vi. ITP provides relatively small (Cr