کنترل آبشستگی موضعی پایه‌پل با استفاده از مواد نانو ساختار

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد سازه‌های آبی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

آبشستگی موضعی یکی از دلایل عمده­ عدم پایداری پل­ها و در نهایت شکست آن­ها می­باشد. بنابراین علاوه بر بحث پایداری، تخمین عمق آبشستگی در مجاورت پایه­ها نیز دارای اهمیت است. راه­کارهای زیادی به­منظور کاهش عمق آبشستگی پایه­پل­ها ارائه شده است. در این پژوهش از یک راه­حل غیرسازه­ای و دوست­دار محیط زیست برای کاهش عمق آبشستگی پایه­پل­ها استفاده شده است. مواد نانوساختار به­دلیل دارا بودن خاصیت ضد آب، می­توانند برای کاهش آبشستگی کاربرد داشته باشند. برای دست­یابی به اهداف پژوهش، رسوب بستر اطراف پایه­پل با نوعی ماده نانو ساختار به نام نانورس مخلوط شد. آزمایش­ها بر روی یک پایه­پل استوانه­ای واقع در یک کانال مستطیلی و در شرایط جریان ماندگار انجام شد. نتایج حاصل نشان داد که بیشترین درصد کاهش عمق آبشستگی حدود3/58% در دبی جریان بیشینه (16 لیتر بر ثانیه) با اختلاف زیاد نسبت به سایر مقادیر دبی جریان اتفاق افتاده است. در این دبی جریان، عمق بیشینه آبشستگی به­دلیل وجود مواد نانو ساختار از 60 میلی­متر به حدود 25 میلی­متر کاهش یافته است. کمینه کاهش عمق آبشستگی با حدود 6/41 درصد در کوچکترین دبی جریان (4 لیتر بر ثانیه) به­دست آمده است.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Controling Local Scouring Around Bridge Pier using Nano-Structured Materials

نویسندگان [English]

  • E Ghasemi 1
  • A Zahiri 2
  • M Meftah 2
  • AA Dehghan 2
2 Assoc. Prof., Dept. of Water Eng., Faculty of Soil and Water Engin., Gorgan Univ. of Agric. Sciences and Natural Resources, Iran
چکیده [English]

Local scour is one of the main drivers of instability and failure of bridge piers. Therefore, in addition to the stability issue, the scour depth reduction is also important. Numerous solutions have been presented for scour depth reduction. In this study, a new idea environmentally-friendly and non-structural approach has been introduced for bridge pier scour depth reduction. Nano-structured materials are waterproof, they can be used for scouring reduction in alluvial beds. For achievement of research aims, the bed sediment around the bridge pier was mixed with some nano-structured material called nanoclay. The experiments were carried out in a laboratory flume under steady conditions on a cylindrical bridge pier. The obtained results showed that, the highest scour depth reduction percentage (58.3%) occurred for the largest flow discharge (16 L s-1) by a large difference compared to other values of flow discharge. In this case, the scour depth was decreased from 60mm to 25mm due to presence of nano-structured material. The lowest percentage of scour depth reduction was nearly 41.6 for the minimum flow discharge (4 L s-1).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bridge pier
  • Local scour
  • Nano-structured materials
  • Steady flow
 
Ghaffarpour Jahromi S, Ahmadi NA, Vossough S and Khodaii A. 2011. Effect of nanoclay and precipitated calcium carbonate to improve rheological properties of bitumen binder. J Civil Engineering, Ferdowsi University of Mashhad 23(1):15-26.
Hosseinzadeh dalir A, Fakherifard A, Frsadizadeh D and Arvanaghi H. 2006. Experimental investigation of canal side walls effect on scour depth around bridge piers. Agricultural science 2(16):1-11.
Shafai Bajestan M. 2005. Shafaee Bajestan, M. Theorical and practical principals of sediment hydraulic. Shahid Chamran University of Ahvaz, page 586.
Alabi PD, 2006. Time development of scour at bridge pier fitted with a collar. M.Sc. Thesis, University of Saskatchewan, Canada.
Breusers NHC, Nicoolet G and Shen HW, 1977. Local scour around cylindrical piers. J Hydraul Res 15(3): 211-252.
Breusers HNC, 1977. Local scour around cylindrical piers. J Hydraul Res, IAHR 15:211-215.
Breusers NHC and Raudkivi AJ, 1991. Scouring. Hydraulic Structures Design Manual, IAHR A.A. Balkema, Roterdam, The Netherlands.
Briaud JL, Chen HC, Li Y, Nurtjahyo P, and Wang J, 2004. The SRICOS-EFA method for complex piers in fine grained soils. J Geotech  Geoenviron  130(11):1180-1191.
Brock JR, 1997. Nanoparticle synthesis: a key process in the future of nanotechnology. Handbook of Nano structured materials: Science and Technology. Gan-Moog Chow and Nina Ivanovna Noskova (Eds), Kluwer Academic Publisher, Boston.
Chong KP and Garboczi EJ, 2002.Smart and designer structural material systems. Progress in Structural Engineering and Materials 4:417-430.
Chiew YM and Mellville BW, 1987. Local scour around bridge piers. J Hydraul Res, 25(1):15-26.
Chiew YM, 1992. Scour protection at bridge piers. J Hydraul Eng 118(11):1260-1269.
Ettema R, Kirkil G and Muste M, 2006. Similitude of large-scale turbulence in experiments on local scour at cylinders. J Hydraul Eng 132(1): 33-40.
Froehlich DC, 1989. Local scour at bridge abutments. Pp. 13-18. National Conf. on Hydraulic Engineering, New Orleans, 14 August, USA.
Hancu S, 1971. Sur le calcul des affouillements locaux dams la zonedes piles des ponts. Pp. 299-313. 14th IAHR Congress, Delft, The Netherlands.
Kandasamy JK, 1989. Abutment scour. Rep. No. 458, School of Eng., University of Auckland, Auckland, New Zealand.
Kumar V, 1996. Reduction of scour around bridge piers using protection devices. PhD Dissertation, University of Roorkee, India.
Kumar V, Ranga Raju KG and Vittal N, 1999. Reduction of local scour around bridge piers using slots and collars. J Hydraul Eng 125(12): 1302-1305.
Lauchlan GS and Melville BW, 2001. Riprap protection at bridge piers. J Hydraul Eng 127(5):412-418.
Melville BW and Hadfield AC, 1999. Use of sacrificial piles as pier scour countermeasures. J Hydraul  Eng 125(11): 1221-1224.
Mia MF and Nago H, 2003. Design method of time-dependent local scour at circular bridge pier. J Hydraul Eng 129(6): 420–427.
Raudkivi AJ and Ettema R, 1983. Clear-water scour at cylindrical piers. J Hydraul Eng 109(3): 338-350.
Raudkivi AJ, 1986. Functional trends of scour at bridge piers. J Hydraul Eng 112(1): 1–13.
Richardson EV and Davis SR, 1995. Evaluating scour at bridges. J Hydraul Eng Circular No. 18, FHWA-IP-90-017.
Richardson EV and Davis SR, 2001. Evaluating scour at bridges (3rd ed.). Federal Highway Administration Hydraulic Engineering Circular No. 18: FHWA-IP-90-017, US Department of Transportation, Washington, D.C.
Worman A, 1989. Riprap protection without filter layers. J Hydraul Eng 115(12):1615-1630.
Zarrati AR, Gholami H and Mashahir MB, 2004. Application of collar to control scouring around rectangular bridge piers. J Hydraul Res 42(1): 97-103.