SUPERVISOR
Abdolreza Kabiri,Mohamadnavid Moghim
عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما) محمدنوید مقیم (استاد راهنما)
STUDENT
BEHNAM RAEESEI
بهنام رئیسی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Scouring around conical- and composite cylindrical-conical piers
Scouring around bridge piers is known as one of prominent factors causing destruction in bridges. This phenomenon is commonly observed due to collision of flow with bridge piers, 3-dimensioanl variation in local flow pattern, increased stress around piers and as a consequence creating scour hole in the vicinity of bridge piers. Exploitation of conical and combined piers rather than cylindrical type would decrease the scouring erosion. The advantages of conical piers over cylindrical piers include decreasing in piers cross-sectional area and increasing the width of river underneath the water free-surface. Due to this fact, a large amount of flow would rapidly pass through the above part reducing the shear stress at the bottom and subsequently decline the scouring. Moreover, compared to cylindrical pier, there would be lower dynamic pressure at conical pier upstream providing a weak downward flow in front of the conical pier. Additionally, the slope of conical pier is considered as a resistant factor against increasing downward velocity. Current study experimentally investigates the effects of bridge piers geometry on scouring by causing transition from cylindrical piers to conical and combined cylindrical-conical piers. Model experimentation has been conducted in the civil faculty hydraulic lab at Isfahan university of technology with 0.6m width, 0.7m height and 9.5m length. Experiments have been carried out using 13 different piers including the cylindrical, the conical and the combined shapes and also changing the average diameter of bed stone gradation (0.74mm, 1.75mm) with specific gravity of 2.65. In addition, this study is primarily aimed at studying the effects of changes in piers diameter (50mm, 60mm, 70mm) and angles of conical and combined piers along with diverse hydraulic circumstances including discharge changes (36, 43, 50 lit/s), variations of flow intensity (0.7, 0.8, 0.9), velocity and depth on scouring around conical and combined piers. Present outcomes reveal that exploitation of conical and combined piers rather than cylindrical ones, decreases the scouring amount up to 20%. The conical pier shape radically affects the scouring depth around the piers in the case of conical and combined piers with the angle higher than 5 . The piers would perform as the conical types, provided that the relative conical section height is higher than 2, but Otherwise they perform as cylindrical piers. Comparing to cylindrical and combined piers, the conical shape shows better performance at the flow intensity of 0.9. The topography observations around the conical and combined piers denote that the length and the width of scouring hole and also the sedimentation deposing volume are respectively 35%, 40% and 30% less than the cylindrical piers. Employing the conical and combined piers not only diminishes the scouring depth nearly up to 20%, but also delays the scouring development time. The present investigation proposes empirical formulae calculating the scouring depth around cylindrical, conical and combined piers.
یکی از مهمترین عوامل تخریب پلها آبشستگی پیرامون پایههای آنها است. این پدیده در اثر برخورد جریان به پایه، تغییر الگوی جریان موضعی بهصورت سهبعدی و افزایش تنش در بستر پیرامون پایه اتفاق میافتد، که نتیجه آن تشکیل گودال آبشستگی پیرامون پایه است. استفاده از پایههای مخروطی و مرکب به جای پایههای استوانهای سبب کاهش اثر فرسایشی آبشستگی میگردد. از مزایای پایههای مخروطی نسبت به پایههای استوانهای میتوان به؛ کاهش سطح مقطع پایه و افزایش عرض رودخانه در نزدیکیهای سطح آب اشاره نمود. این عامل سبب میشود که مقدار زیادی از جریان پرسرعت به سهولت از قسمتهای بالایی عبور کند. بنابراین تنش برشی کمتری به کف کانال وارد میشود و به تبع آن آبشستگی کاهش مییابد. همچنین فشار دینامیکی کمتری در قسمتهای بالادستی پایه مخروطی نسبت به پایه استوانهای بهوجود میآید، در نتیجه جریان رو به پایین ضعیفتری در جلوی پایهی مخروطی ایجاد میشود. در ضمن شیب سطوح مخروطی پایه، خود عامل مقاومت در برابر افزایش سرعت جریان رو به پایین است. در تحقیق حاضر اثر تغییر هندسهی پایههای پل در مقدار آبشستگی، توسط تبدیل پایههای استوانهای به پایههای مخروطی و مرکب (استوانهای- مخروطی) از طریق مدلسازی آزمایشگاهی بررسی میشود. مدلسازی آزمایشگاهی در کانال آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده عمران دانشگاه صنعتی اصفهان با عرض 6/0، ارتفاع 7/0 و طول 5/9 متر انجام شده است. از 13پایه با شکلهای مختلف (استوانهای، مخروطی و مرکب) و تغییر قطر میانگین دانهبندی مصالح بستر (قطرهای 74/0 و 75/1 میلیمتر) و چگالی نسبی 65/2 استفاده شد. تأثیر تغییر قطر پایه (قطرهای 50، 60 و 70 میلیمتر) و تغییر زاویه وجوه پایههای مخروطی و مرکب (0، 5/2 و 5 درجه) بههمراه چگونگی تأثیر شرایط متفاوت هیدرولیکی جریان اعم از تغییر دبی (دبیهای 36، 43 و 50 لیتر بر ثانیه)، تغییر شدت جریان (شدت جریانهای 7/0، 8/0 و 9/0)، سرعت و عمق جریان بر مقدار آبشستگی پیرامون پایههای مخروطی و مرکب از مهمترین اهدافی هستند که در این تحقیق مدنظر قرار گرفتهاند. نتایج تحقیق حاضر نشان میدهد که استفاده از پایههای مخروطی و مرکب به جای پایههای استوانهای، سبب کاهش مقدار آبشستگی پیرامون پایه پل تا 20 درصد میگردد. اگر زاویه وجوه پایههای مخروطی و مرکب مورد استفاده از 5 درجه بیشتر باشد، مخروطی بودن شکل پایه اثر بیشتری در کاهش عمق آبشستگی اطراف پایه دارد. در صورتی که ارتفاع نسبی قسمت مخروطی از 2 بیشتر باشد، عملکرد این پایهها شبیه به پایه مخروطی شده و در غیر این صورت عملکردی شبیه به پایههای استوانهای دارد. پایه مخروطی در شدت جریان ( u / u c ) برابر با 9/0، دارای عملکرد بهتری نسبت به پایههای استوانهای و مرکب متناظر است. نتایج حاصل از برداشت توپوگرافی پیرامون پایهها نشان داد که طول و عرض چاله آبشستگی و نیز حجم رسوب گذاری پشت پایههای مخروطی و مرکب بهترتیب تا 35، 40 و 30 درصد کمتر از پایههای استوانهای متناظر است. استفاده از پایههای مخروطی و مرکب به جای پایههای استوانهای، ضمن کاهش حداکثر عمق آبشستگی تا حدود 20 درصد، سبب تأخیر در توسعه زمانی آبشستگی نیز میگردد. در مطالعهی حاضر، روابطی تجربی برای محاسبه عمق آبشستگی اطراف پایههای استوانهای و مخروطی و مرکب ارائه میشود. کلمات کلیدی: آبشستگی، پایه استوانهای، پایه مخروطی، پایه مرکب، مدلسازی آزمایشگاهی