Köprü kazısı - Bridge scour

Oyulma deliklerinin nasıl oluştuğunu gösteren bir diyagram

Köprü oyulma çıkarılmasıdır tortu gibi kum ve çakıl yerinden köprü abutmentleri veya iskelelerde . Hızlı akan suyun neden olduğu hidrodinamik oyulma , yapının bütünlüğünü tehlikeye atarak oyulma delikleri açabilir .

Amerika Birleşik Devletleri'nde köprü aşınması, köprü arızasının üç ana nedeninden biridir (diğerleri çarpışma ve aşırı yüklemedir). Tüm köprü arızalarının %60'ının oyulma ve hidrolikle ilgili diğer nedenlerden kaynaklandığı tahmin edilmektedir. 1961'den 1976'ya kadar 86 büyük köprü arızasının 46'sının iskelelere yakın oyulmadan kaynaklandığı Amerika Birleşik Devletleri'ndeki otoyol köprüsü başarısızlığının en yaygın nedenidir .

Ovmadan etkilenen alanlar

Homochitto Nehri üzerindeki Mississippi Otoyolu 33 köprüsü , sel kaynaklı erozyon nedeniyle başarısız oldu

Su normalde iskeleler ve mesnetler etrafında daha hızlı akar ve bu da onları yerel oyulmaya karşı hassas hale getirir. Köprü açıklıklarında, su köprünün yukarısındaki kanaldan daha dar olan bir açıklıktan akarken hızlandığında büzülme oyulması meydana gelebilir. Bozulma oyulması, geniş alanlar üzerinde bir köprünün hem yukarısında hem de aşağısında meydana gelir. Uzun süreler boyunca bu, dere yatağının alçalmasına neden olabilir.

nedenler

Nehir erozyonu ve değişen hücum açıları ile sonuçlanan akarsu kanalı kararsızlığı , köprü oyulmasına katkıda bulunabilir. Enkaz ayrıca çeşitli şekillerde köprü oyulması üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Bir malzeme birikmesi, bir köprünün altındaki su yolunun boyutunu azaltabilir ve kanalda büzülmeye neden olabilir . Abutment üzerinde birikinti birikmesi, tıkanıklık alanını artırabilir ve yerel oyulmayı artırabilir . Moloz, su akışını saptırabilir, hücum açısını değiştirebilir ve yerel oyulmayı artırabilir . Enkaz ayrıca tüm kanalı köprünün etrafında kaydırarak su akışının artmasına ve başka bir yerde oyulmaya neden olabilir.

En sık karşılaşılan köprü oyulması sorunları genellikle kolayca aşınabilen gevşek alüvyon malzemesini içerir. Ancak, kohezyonlu veya çimentolu zeminlerdeki toplam oyulmanın kohezyonsuz zeminlerdeki kadar büyük olmayacağı varsayılmamalıdır; oyulmanın gelişmesi daha uzun sürer.

Ovma denklemlerinin çoğu, uygulanabilirlik aralığını belirlemenin zor olduğu laboratuvar çalışmalarından türetilmiştir. Çoğu çalışma, köprü ayakları ve kazık oluşumlarına odaklandı, ancak çoğu köprü oyulması sorunu, köprü ayağının daha karmaşık konfigürasyonu ile ilgili. Bazı çalışmalar sınırlı saha verileri kullanılarak doğrulanmıştır, ancak bunun fiziksel modelleme amaçları için doğru bir şekilde ölçeklendirilmesi de zordur. Oylanma sonrası saha ölçümleri sırasında, bir selin yükselme aşamasında veya zirvede gelişen bir oyulma çukuru, düşme aşamasında tekrar doldurulabilir. Bu nedenle, maksimum oyulma derinliği olaydan sonra basitçe modellenemez.

Aşınma ayrıca bir köprünün hidrolik analizinde sorunlara neden olabilir. Oyulma, kanalı bir köprü yoluyla önemli ölçüde derinleştirebilir ve durgun suyu etkili bir şekilde azaltabilir veya hatta ortadan kaldırabilir . Bununla birlikte, ilgili süreçlerin öngörülemez doğası nedeniyle durgun sudaki bu azalmaya güvenilmemelidir.

Ovma düşünüldüğünde, kohezyonsuz veya kohezyonsuz (alüvyal) tortular ile kohezyonlu malzeme arasında ayrım yapmak normaldir. İlki genellikle laboratuvar çalışmalarına en çok ilgi gösterir. Yapışkan malzemeler özel teknikler gerektirir ve yeterince araştırılmamıştır.

Ovmayı ele alırken ilk önemli konu, "temiz su" ile "canlı yatak" oyulması arasındaki ayrımdır. Buradaki kritik konu, köprünün yukarısındaki akışın ortalama yatak kesme gerilmesinin, yatak malzemesini hareket ettirmek için gereken eşik değerinden küçük veya büyük olup olmadığıdır.

Memba kayma gerilmesi eşik değerinden küçükse, köprünün membasındaki yatak malzemesi hareketsizdir. Yaklaşım akışı berrak olduğu ve tortu içermediği için buna temiz su koşulu denir. Böylece, yerel bir oyulma deliğinden çıkarılan herhangi bir yatak malzemesi, yaklaşma akışı tarafından taşınan tortu ile değiştirilmez. Maksimum yerel oyulma derinliği, oyulma deliğinin boyutu, kesme gerilmesinde kritik değere yerel bir azalma ile sonuçlandığında, akışın artık oyulmuş alandan yatak malzemesini kaldıramayacağı şekilde elde edilir.

Canlı yatak oyulması, akış yukarı kayma gerilmesinin eşik değerinden büyük olduğu ve geçişin akış yukarısındaki yatak malzemesinin hareket ettiği durumlarda meydana gelir. Bu, yaklaşma akışının tortuyu sürekli olarak yerel bir oyulma deliğine taşıdığı anlamına gelir. Kendi başına, tek tip bir kanaldaki canlı bir yatak, bir oyulma deliğine neden olmaz - bunun yaratılması için, bir büzülme (bir köprü gibi doğal veya yapay) veya bir yerel engel (örneğin bir köprü iskelesi). Denge oyulma derinliği, malzeme oyulma deliğine taşındığı hızda aynı oranda taşındığında elde edilir.

Tipik olarak maksimum denge temiz su oyulması, denge canlı yatak oyulmasından yaklaşık %10 daha büyüktür. Temiz su temizliğini destekleyen koşullar şunlardır:

  • Taşınamayacak kadar kaba yatak malzemesi
  • Yerel oyulma nedeniyle hızların yalnızca yeterince yüksek olduğu bitki örtüsü veya yapay takviyeli kanallar veya
  • Düşük akışlar sırasında düz yatak eğimleri.

Hem temiz su hem de canlı yatakta ovma meydana gelebilir. Bir taşkın olayı sırasında, taşkın akışları değiştikçe yatak kayma gerilmesi değişebilir. Bir sel olayının başlangıcında temiz su koşullarına sahip olmak, temiz su koşullarına geri dönmeden önce canlı bir yatağa geçiş yapmak mümkündür. Maksimum oyulma derinliğinin, başlangıçtaki temiz su koşulları altında meydana gelebileceğini, taşkın seviyeleri zirve yaptığında ve canlı yatak oyulması devam ederken gerekmediğini unutmayın. Benzer şekilde, akış en yüksek debide taşkın yatakları üzerine yayılmak yerine, sadece kıyılar içinde tutulduğunda nispeten yüksek hızlar yaşanabilir.

Kentleşme, taşkın büyüklüklerini artırma ve hidrografların daha erken zirve yapmasına neden olarak daha yüksek akış hızları ve bozulma ile sonuçlanma etkisine sahiptir. Kanal iyileştirmeleri veya çakıl çıkarılması (söz konusu alanın üstünde veya altında) su seviyelerini, akış hızlarını, yatak eğimlerini ve tortu taşıma özelliklerini değiştirebilir ve sonuç olarak oyulmayı etkileyebilir. Örneğin, eğer bir alüvyon kanalı düzleştirilir, genişletilir veya akış enerjisi durumunun artmasıyla sonuçlanan başka herhangi bir şekilde değiştirilirse, kanal yukarı akışta bozunarak, genişleyerek ve akış aşağısında yoğunlaşarak daha düşük bir enerji durumuna geri dönecektir.

Köprü tasarımında bozulma taramasının önemi, mühendisin mevcut kanal yüksekliğinin köprü ömrü boyunca sabit olup olmayacağına veya değişip değişmeyeceğine karar vermesi gerektiğidir. Değişim olası ise, su yolu ve temeller tasarlanırken buna izin verilmelidir.

Bir nehir kanalının yanal stabilitesi de oyulma derinliklerini etkileyebilir, çünkü kanalın hareketi, köprünün yaklaşma akışına göre yanlış konumlandırılmasına veya hizalanmasına neden olabilir. Bu sorun her koşulda önemli olabilir, ancak kurak veya yarı kurak bölgelerde ve geçici (aralıklı) akışlarda potansiyel olarak çok ciddidir. Yanal göç oranları büyük ölçüde tahmin edilemez. Bazen uzun yıllardır istikrarlı olan bir kanal aniden hareket etmeye başlayabilir, ancak önemli etkiler sel, banka materyali, bankaların ve taşkın yataklarının bitki örtüsü ve arazi kullanımıdır.

Köprü alanlarındaki oyulma tipik olarak büzülme (veya daralma) oyulması ve yerel oyulma olarak sınıflandırılır. Büzülme oyulması, köprü gibi bir yapı tarafından kanalın daralmasından kaynaklanan artan hızlar ve yatak kesme gerilmelerinin bir sonucu olarak tüm kesit üzerinde meydana gelir. Genel olarak, açıklık oranı ne kadar küçükse, su yolu hızı o kadar büyük ve oyulma potansiyeli o kadar büyük olur. Akış geniş bir taşkın yatağından daralırsa, önemli ölçüde oyulma ve set çökmesi meydana gelebilir. Nispeten şiddetli daralmalar, erozyonla mücadele için onlarca yıl düzenli bakım gerektirebilir. Büzülme aşınmasını azaltmanın bir yolunun açıklığı daha geniş hale getirmek olduğu açıktır.

Su, dayanakların, iskelelerin ve mahmuz bentlerinin köşelerinde hızlanırken artan hızlardan ve buna bağlı girdaplardan yerel oyulma ortaya çıkar. Silindirik bir iskele etrafındaki akış modeli. Yaklaşan akış silindire yaklaştıkça yavaşlar ve iskelenin merkezinde durur. Ortaya çıkan durgunluk basıncı, yaklaşma hızının en büyük olduğu su yüzeyinin yakınında en yüksek ve aşağıda daha küçüktür. İskele yüzeyindeki aşağı doğru basınç gradyanı, akışı aşağı doğru yönlendirir. Lokal ayak oyulması, durgunluk noktasına yakın aşağı akış hızı, yatak parçacıklarının hareketine karşı direncin üstesinden gelmek için yeterince güçlü olduğunda başlar.

Su basması sırasında, bir köprünün temelleri zarar görmese de, dayanakların arkasındaki dolgu aşınabilir. Bu tip hasar tipik olarak dikey duvar dayanakları olan tek açıklıklı köprülerde meydana gelir.

Köprü muayenesi ve oyulma değerlendirmesi

İnceleme süreci normalde hidrologlar ve hidroloji teknisyenleri tarafından yürütülür ve köprüyle ilgili tarihsel mühendislik bilgilerinin gözden geçirilmesini ve ardından görsel bir incelemeyi içerir. Nehir tarafından taşınan kaya veya tortunun türü ve nehrin köprüye doğru ve köprüden uzağa aktığı açı hakkında bilgi kaydedilir. Köprünün altındaki alan da delikler ve diğer oyulma belirtileri açısından incelenir.

Köprü muayenesi ofis soruşturması ile başlar. Köprünün tarihi ve daha önceki oyulma ile ilgili sorunlar not edilmelidir. Bir köprü potansiyel bir aşındırma köprüsü olarak kabul edildiğinde, saha incelemesi, aşındırma güvenlik açığı analizi ve önceliklendirme dahil olmak üzere daha fazla değerlendirmeye geçecektir. Köprüler ayrıca farklı kategorilerde derecelendirilecek ve oyulma riski için önceliklendirilecektir. Bir köprü aşındırma kritik olarak değerlendirildiğinde, köprü sahibi bilinen ve olası eksiklikleri azaltmak için bir aşındırma eylem planı hazırlamalıdır. Plan, karşı önlemlerin kurulumunu, izlemeyi, sel olaylarından sonra denetimleri ve gerekirse köprüleri kapatma prosedürlerini içerebilir.

Alternatif olarak, tarama değerlendirmesi için algılama teknolojileri de uygulanmaktadır. Ovma algılama düzeyi üç düzeyde sınıflandırılabilir: genel köprü denetimi, sınırlı veri toplama ve ayrıntılı veri toplama. Üç farklı tipte kazı izleme sistemi vardır: sabit, taşınabilir ve jeofizik konumlandırma. Her sistem, köprü arızasını önlemek için oyulma hasarını tespit etmeye yardımcı olabilir, böylece kamu güvenliğini arttırır.

Karşı önlemler ve önleme

23 Numaralı Hidrolik Mühendisliği Genelgesi (HEC-23), ayaklar ve abutmentler için geçerli olan aşınmaya karşı önlemler olarak genel tasarım yönergelerini içerir. Aşağıdaki tablodaki tasarım kılavuzu numaralandırması, HEC-23 tasarım kılavuzu bölümünü gösterir.

Tablo 1.
HEC-23'teki karşı önlem türlerinin açıklaması
Açıklama Tasarım Kuralları
Büküm yolu savakları/akarsu dikenleri 1
toprak çimentosu 2
Tel kaplı riprap şilte 3
Mafsallı beton blok sistemi 4
Derz dolgulu şilteler 5
Beton zırh birimleri 6
Harç/çimento dolgulu torbalar 7
İskelelerde ve abutmentlerde kaya riprap 8
mahmuzlar 9
Rehber bankalar 10
Barajları/bırakma yapılarını kontrol edin 11
Kaplamalar 12

Bükümlü bentler, mahmuzlar ve kılavuz setler, memba akışının hizalanmasına yardımcı olurken, riprap, gabyonlar, mafsallı beton bloklar ve harç dolgulu şilteler, iskele ve dayanak eğimlerini mekanik olarak stabilize edebilir. Riprap , köprü dayanaklarında aşınmayı önlemek için kullanılan en yaygın önlem olmaya devam etmektedir. Köprülerin dayanaklarına yapılan bir dizi fiziksel ekleme, gabyonların yerleştirilmesi ve temelden yukarı akışta taş atılması gibi oyulmayı önlemeye yardımcı olabilir . Palplanşların veya birbirine kenetlenen prefabrik beton blokların eklenmesi de koruma sağlayabilir. Bu karşı önlemler, temizleme akışını değiştirmez ve bileşenlerin bir selde hareket ettiği veya yıkandığı bilindiği için geçicidir. FHWA, HEC-18 ve 23'te, elverişsiz akış modellerinden kaçınmak, mesnetleri düzene sokmak ve riprap veya diğer karşı önlemlerin kullanımına bağlı olmaksızın oyulmaya dayanıklı ayak temelleri tasarlamak gibi tasarım kriterlerini önerir.

Bir köprüden geçen trapez şekilli kanallar , bir köprü açıklığından daha yumuşak bir geçiş sağladıklarından, dikey duvar dayanaklarına kıyasla yerel oyulma derinliklerini önemli ölçüde azaltabilir . Bu, çalkantılı alanlara neden olan ani köşeleri ortadan kaldırır. Mahmuz bentleri , dikenler, groynes ve kanatlar, istenmeyen erozyon veya tortuları azaltmak için akış hidroliğini değiştiren nehir eğitim yapılarıdır. Genellikle stabil olmayan akış kanallarında, akış akışını köprü üzerinden daha arzu edilen yerlere yönlendirmeye yardımcı olmak için kullanılırlar. Köprülerin güçlendirilmesine yardımcı olmak için kazıkların veya daha derin temellerin yerleştirilmesi de kullanılır.

oyulma derinliğinin tahmin edilmesi

Hidrolik Mühendisliği Genelgesi No. 18 El Kitabı (HEC-18), Federal Karayolları İdaresi (FHWA) tarafından yayınlandı . Bu kılavuz, oyulma derinliğini tahmin etmek için çeşitli teknikler içermektedir. Canlı yatak oyulması, temiz su oyulması ve iskelelerde ve mesnetlerde yerel oyulma için ampirik oyulma denklemleri Bölüm 5-Genel Oyma bölümünde gösterilmektedir. Toplam oyulma derinliği, nehir yatağının uzun süreli ağırlaşması ve bozulmasını, köprüde genel oyulmayı ve iskelelerde veya kenarda yerel oyulmayı içeren üç oyulma bileşeni eklenerek belirlenir. Ancak araştırmalar, HEC-18'deki standart denklemlerin bir dizi hidrolik ve jeolojik koşul için oyulma derinliğini aşırı tahmin ettiğini göstermiştir. HEC-18 ilişkilerinin çoğu, kolayca tanınamayan veya ayarlanamayan güvenlik faktörleriyle artırılmış kum boyutundaki sedimanlarla yürütülen laboratuvar kanal çalışmalarına dayanmaktadır. Kum ve ince çakıl en kolay aşınan yatak malzemeleridir, ancak akarsular sıklıkla kompakt tül, sert kil ve şeyl gibi çok daha fazla aşınmaya dayanıklı malzemeler içerir. Tek bir toprak tipine dayalı tasarım yöntemlerinin kullanılmasının sonuçları, belirgin şekilde farklı jeolojik koşullara ve temel malzemelerine sahip birçok büyük fizyografik il için özellikle önemlidir. Bu, düşük riskli veya kritik olmayan hidrolojik koşullarda oyulma için aşırı muhafazakar tasarım değerlerine yol açabilir. Böylece, oyulmanın eksik ve fazla tahmin edilmesini en aza indirgemek için denklem iyileştirmeleri yapılmaya devam edilmektedir.

Ovmanın neden olduğu köprü afetleri

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • Boorstin, Robert O. (1987). Otoyolda Köprü Çöküyor, Araç Kapanıyor, Cilt CXXXVI, No. 47,101, The New York Times, 6 Nisan 1987.
  • Huber, Frank. (1991). "Güncelleme: Köprü Yıkımı." İnşaat Mühendisliği, ASCE, Cilt. 61, No. 9, s. 62–63, Eylül 1991.
  • Levy, Matthys ve Salvadori, Mario (1992). Binalar Neden Yıkılır. WW Norton ve Şirketi, New York, New York.
  • Ulusal Ulaştırma Güvenliği Kurulu (NTSB). (1988). “New York Thruway (1-90) Köprüsü'nün, Amsterdam yakınlarındaki Schoharie Deresi üzerindeki Çöküşü, New York, 5 Nisan 1987.” Otoyol Kaza Raporu: NTSB/HAR-88/02, Washington, DC
  • Springer Hollanda. International Journal of Fracture, Cilt 51, Sayı 1 Eylül 1991. "Schoharie Creek Köprüsü'nün çöküşü: beton kırılma mekaniğinde bir vaka çalışması"
  • Palmer, R. ve Turkiyyah, G. (1999). “CAESAR: Oyma ve Akarsu Stabilitesinin Değerlendirilmesi için Uzman Bir Sistem.” Ulusal Kooperatif Otoyol Araştırma Programı (NCHRP) Raporu 426, Washington DC
  • Shepherd, Robin ve Frost, J. David (1995). İnşaat Mühendisliğinde Başarısızlıklar: Yapısal, Temel ve Jeo-çevresel Durum Çalışmaları. Amerikan İnşaat Mühendisleri Derneği, New York, New York.
  • Thornton, CH, Tomasetti, RL ve Joseph, LM (1988). “Schoharie Creek'ten Dersler,” İnşaat Mühendisliği, Cilt. 58, No.5, s. 46–49, Mayıs 1988.
  • Thornton-Tomasetti, PC (1987) "New York Eyaleti Otoyolu Schoharie Creek Köprüsü Çöküşüne Genel Bakış Raporu Araştırması." New York Eyaleti Afete Hazırlık Komisyonu, Aralık 1987 için hazırlanmıştır.
  • Wiss, Janney, Elstner Associates, Inc. ve Mueser Rutledge Consulting Engineers (1987) “Collapse of Thruway Bridge at Schoharie Creek,” Nihai Rapor, Hazırlandı: New York State Thruway Authority, Kasım 1987.
  • Richardson, EV ve SR Davis. 1995. "Evaluating Scour at Bridges, Üçüncü Baskı.", ABD Ulaştırma Bakanlığı, Yayın No FHWA-IP-90-017.
  • Sümer, BM ve Fredsoe, J. (2002). "Deniz Ortamında Ovmanın Mekaniği.", World Scientific, Singapur.

Dış bağlantılar