Experimental and Numerical Investigation of the Effect on the Water Surface Profiles of Bridge Pier Type and Skew Angle

Year 2023, Volume: 11 Issue: 1, 41 - 58, 01.03.2023

Kutsi S. Erduran , Uğur Ünal , Ahmet Şakir Dokuz , Mustafa Çağrı Nas

https://doi.org/10.36306/konjes.1171227

Cited By: 2

Abstract

Design of bridge piers is so much important for the structural safety of bridges, however, at least at the same extent, hydraulic analysis of bridge piers is also required. Bridge piers are structures that obstruct the flow by narrowing the flow area and can cause flooding in the bridge upstream. Therefore, with the light of numerical and experimental studies, accurate estimations of the occurrence of water surface profiles and affluxes resulted from the construction of bridge piers under different flow conditions are the major part of bridge hydraulics. In this study, the effects of bridge piers with four different cross-sections and four different skew angles on the water surface profiles and the affluxes were experimentally and numerically investigated. The experimental study has been conducted in a flume with dimensions of 10x0.309x0.45m in Department of Civil Engineering Hydraulics Laboratory at Niğde Ömer Halisdemir University. The experimental measurements were taken using 4 different shapes of bridge piers (square, circular, oblong and ogival upstream face) and 4 different skew angles (00, 150, 300 and 450), and the images obtained from video recordings of each experiment were converted into numerical values using an image processing technique. In addition, commercial package program HEC-RAS software and a direct step method were also used for the numerical modelling and the numerical water surface profiles and affluxes were also obtained for the purpose of comparisons. In the conclusion part, the comments on the applicability of HEC-RAS software and the suitability of the image processing technique were given for the similar problems.

Keywords

Afflux, Bridge pier type, Bridge position angle, Image processing technique, Water surface profiles

KÖPRÜ AYAK TİPİ VE VEREVLİĞİNİN SU YÜZÜ PROFİLLERİ ÜZERİNDEKİ ETKİSİNİN DENEYSEL VE SAYISAL OLARAK ARAŞTIRILMASI

Abstract

Köprülerin yapısal güvenliği açısından oldukça önemli olan köprü ayaklarının tasarımının, hidrolik açıdan da analizi gerekmektedir. Köprü ayakları, akım alanını daraltarak köprü membaında kabarmalara ve beraberinde taşkınlara neden olabilmektedir. Dolayısıyla farklı akım koşullarında köprü ayaklarının etkisi altında oluşan su yüzü profillerinin ve kabarma miktarlarının deneysel ve sayısal çalışmalar ışığı altında en doğru şekilde belirlenmesi köprü hidrolik tasarımının önemli bir bölümünü oluşturmaktadır. Bu çalışmada, farklı enkesitlerdeki köprü ayaklarının ve verevlik açısının köprü etrafında oluşan su yüzü profili ve köprü membaındaki kabarma miktarı üzerindeki etkileri deneysel ve sayısal olarak araştırılmıştır. Deneysel çalışmalar Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Hidrolik Laboratuvarında bulunan ve boyutları 10x0.309x0.45 m olan deneysel kanal üzerinde yürütülmüştür. Yapılan deneysel çalışmalarda 4 farklı köprü ayağı tipi (kare, dairesel, kenarları yuvarlatılmış ve memba yüzü keskin kenarlı) ve 4 farklı verevlik açısı (00, 150, 300 ve 450) kullanılarak kanalda akım ölçümleri yapılmış ve ayrıca her bir deneye ait video kayıtları alınarak elde edilen görüntüler görüntü işleme tekniği yardımıyla sayısal verilere dönüştürülmüştür. Deneysel çalışmaların yanı sıra HEC-RAS yazılımı ve direk adım metodu kullanılarak sayısal modelleme çalışmaları da yapılmış, su yüzü profilleri ve kabarma miktarları karşılaştırma amaçlı elde edilmiştir. Elde olunan sayısal sonuçlar karşılaştırılmış, benzer problemlerde HEC-RAS yazılımın kullanılabilirliği ile görüntü işleme tekniğinin uygulanabilirliği ile ilgili çıkarımlara yer verilmiştir.

Keywords

Köprü ayağı tipi, Verevlik açısı, Su yüzü profilleri, Kabarma, Görüntü işleme tekniği

References

• [1] M. D’Angelo, A. Menghini, P. Borlenghi, L. Bernardini, L. Benedetti, F. Ballio, M. Belloli, and C. Gentile, “Hydraulic safety evaluation and dynamic ınvestigations of baghetto bridge in Italy,” Infrastructures, vol. 7, no. 53, pp. 2-19, 2022.
• [2] H. Akay, ve M. Baduna Koçyiğit, “Akarsu köprülerinde gözle muayene ve güvenlik değerlendirme çalışmaları,” 4. Su Yapıları Sempozyumu, 2015, pp. 205-214.
• [3] I. E. Harik, A. M. Shaaban, H. Gesund, G. Y. S. Valli, and S. T. Wang, “United States bridge failures, 1951–1988”, Journal of Performance of Constructed Facilities, vol. 4, no. 4, pp. 272–277, 1990.
• [4] N. Yılmaz, ve H. Bozkurt, Y. Bayazıt, “Akarsu köprülerinin HEC-RAS programı ile hidrolik analizi: Fidanlık köprüsü örneği,” Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, vol. 7, no. 2, pp. 896-910, 2020.
• [5] B. Melville and S. E. Coleman, Bridge Scour. Colorado: Water Resources Publications, 1-2, 2000.
• [6] M. M. Flint, O. Fringer, S. L. Billington, D. Freyberg, and N. S. Diffenbaugh, “Historical analysis of hydraulic bridge collapses in the continental United States,” Journal of Infrastructure Systems, vol. 23, no. 3, pp. 1-16, 2017.
• [7] U.C. Kothyari, and K.G. Ranga Raju, “Scour arround spurdikes and bridge abutments,” Journal of Hydraulic Research., vo. 39, no. 4, pp. 367-374, 2001.
• [8] A. H. Mahmoud, and A. M. Mobasher, ”Assessment of high-velocity free surface flow ınteraction with a bridge pier in a curved channel,” Journal of Applied Sciences Research, vol. 15, no. 1, pp. 1-11, 2019.
• [9] K. S. Erduran, G. Seçkin, S. Kocaman, and S. Atabay, “3D numerical modelling of flow around skewed bridge crossing,” Engineering Aplication of Computational Fluid Mechanics, vol. 6, no. 3, pp. 475-489, 2012.
• [10] A.M.A. Shaymaa, A.T.A. Sanaa, and M. Saad, “Water surface profıle and flow pattern sımulatıon over brıdge deck slab,” Journal of Engineering Science and Technology, vol. 15, no. 1, pp. 291-304, 2020.
• [11] Y. W. Jeong, and W. Jeong, “Experimental and numerical investigation of water-surface characteristics at crossing connected non-orthogonally to four flat channels,” Journal Hydrology and Hydromechanic, vol. 69, no. 2, pp. 232-242, 2021.
• [12] G. W. Brunner, River analysis system user’s manual, Version 4.1. US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Center, Davis, CA, 2010.
• [13] G. W. Brunner, and J. H. Hunt, A comparison of the one-dimensional bridge hydraulic routines from HEC-RAS, HEC-2 and WSPRO. US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center, Davis, CA, 1995.
• [14] G. Seçkin, and S. Atabay, “Experimental backwater analysis around bridge waterways,” Canadian Journal of Civil Engineering, vol. 32, no. 6, pp. 1015-1029, 2005.
• [15] A. S. Subedi, S. Sharma, A. Islam, and N. Lamichhane, “Quantification of the effect of bridge pier encasement on headwater elevation using HEC-RAS,” Hydrology, vol. 6, no. 1, pp. 1-18, 2019.
• [16] A. R. Vatankhah, “Direct integration of gradually varied flow equation in parabolic channels,” Flow Measurement and Instrumentation, vol. 22, no. 3, pp. 235-241, 2011.