Deprem Yüklerinin Etkisi Altında Gömülü Boru Hatlarında Gerilme Dağılımı: İç Basınç ve Su Doluluk Oranlarının Karşılaştırmalı Analizi

Abstract

Literatürde yer alan çalışmalarda depremler sonucu oluşan üstyapı hasarları ayrıntılı biçimde incelenmiş olmasına karşın, altyapı sistemlerinin sismik davranışı sınırlı sayıda çalışmada ele alınmıştır. Sürdürülebilir altyapı tasarımlarının geliştirilebilmesi için boru hatlarının deprem etkileri altındaki hasar mekanizmalarının ve olası risklerinin değerlendirilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, %25 ve %50 su doluluk oranına sahip gömülü beton boruların deprem yükleri altındaki sismik tepkileri sayısal olarak incelenmiştir. Bu kapsamda, doğrudan akışkan–yapı etkileşimi (FSI) tabanlı su modellemesi ile yarı ve tam çevresel sabit iç basınç yaklaşımları karşılaştırılmış; boru tabanındaki Von Mises gerilmesi, üçüncü deviatorik gerilme invariantı (J₃) ve yer değiştirme tepkileri değerlendirilmiştir. Sonuçlar, iç basıncın temsil biçiminin gerilme ve deformasyon zaman geçmişlerini belirgin biçimde değiştirdiğini göstermiştir. %25 dolulukta doğrudan su modeli Von Mises gerilmesi ve J₃ değişimlerinde daha yüksek genlikler üretirken, yarı çevresel basınç modeli yer değiştirme bakımından daha düzensiz ve yüksek tepkiler oluşturmuştur. %50 dolulukta ise model yaklaşımları arasındaki farkların parametreye bağlı olarak değiştiği ve tek bir basitleştirilmiş basınç yaklaşımının tüm tepki bileşenlerini aynı doğrulukta temsil etmediği görülmüştür. Bulgular, gömülü beton boruların sismik değerlendirmesinde zemin–boru etkileşiminin yanı sıra akışkanın dinamik etkisinin ve iç basınç modelleme yaklaşımının birlikte dikkate alınması gerektiğini ortaya koymaktadır.

Keywords

• Gömülü Borular
• Deprem Yükü
• Von Mises
• J₃
• İç Basınç
• Doluluk Oranı

Stress Distribution in Buried Pipelines Under Seismic Loads: A Comparative Analysis of Internal Pressure and Water-Fill Levels

Abstract

Although earthquake-induced damage to superstructures has been extensively investigated, the seismic behaviour of underground infrastructure systems has received comparatively limited attention. This study numerically investigates buried concrete pipelines with 25% and 50% water-fill levels under earthquake loading. A direct fluid–structure interaction (FSI)-based water model is compared with partial- and full-circumference static internal-pressure representations. The response is evaluated using Von Mises stress, the third deviatoric stress invariant (J₃), and pipe displacement. The results show that the representation of internal pressure substantially changes the stress and deformation time histories. At 25% fill, the direct-water model exhibits larger Von Mises and J₃ amplitudes, whereas the partial-circumference pressure model produces the most pronounced and irregular displacement response. At 50% fill, the relative response of the three modelling approaches varies with the response parameter, indicating that no single simplified static-pressure representation reproduces all aspects of the dynamic fluid response. Overall, the findings demonstrate that seismic assessment of buried concrete pipelines should consider soil–pipe interaction together with the dynamic effects of the internal fluid and the selected pressure-modelling approach.

Keywords

• Buried Pipes
• Seismic Loading
• Von Mises
• J₃
• Internal Pressure
• Fill Ratio

References

1. O'Rourke TD. Critical infrastructure, interdependencies, and resilience. 2007.
2. Datta TK, Mashaly EA. Pipeline response to random ground motion by discrete model. Earthquake Eng Struct Dyn 1986;14(4):559-572. doi:10.1002/eqe.4290140406.
3. Petkova S, Kisliakov D, Yordanov Y. Transverse earthquake-induced vibrations of a buried pressure pipeline including fluid-structure interaction. J Theor Appl Mech 2011;41(2):49-68.
4. Şen F. Gömülü boruların sismik yükler altında doğrusal olmayan analizi [Yüksek Lisans Tezi]. İstanbul: İstanbul Teknik Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü; 2022.
5. Saka F, Ortakcı T. Beton boruların zemin yükleri altında tasarımları. Konya J Eng Sci 2022;10(2):425-441.
6. Turkish Standards Institute. TS 821 EN 1916: Concrete pipes and fittings, unreinforced, steel fibre and reinforced. Ankara: TSI; 1998.
7. Sreejith B, vd. Finite element analysis of fluid-structure interaction in pipeline systems. Nucl Eng Des 2004;227(3):313-322. doi:10.1016/j.nucengdes.2003.11.005.
8. O'Rourke MJ, Liu X. Seismic design of buried and offshore pipelines. MCEER Monograph MCEER-12-MN04; 2012.

9. Chang GH, Modarres-Sadeghi Y, Karazis K, Williams GT, Hatman V, Matthews B. Fluid-structure interaction within a fuel assembly subjected to seismic excitation. İçinde: ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. American Society of Mechanical Engineers; 2014.
10. Xu H, Guo Q, Wang X, Sun H, Dong Z, Gu J, vd. Dynamic analysis of submarine-buried pipelines considering fluid-structure interaction. Water 2025;17(3):360. doi:10.3390/w17030360.
11. Deng LS, Zhang WZ, Dai Y, Fan W, Li YB, Ren S, vd. Seismic response of a water transmission pipeline across a fault zone adopting a large-scale vibration table test. Front Earth Sci 2021;9:777551.
12. Kaplan ÜC, vd. Van İli kanalizasyon boru hatlarının deprem performansının Coğrafi Bilgi Sistemleri kullanılarak değerlendirilmesi. Yüzüncü Yıl Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 2023;28(3):1043-1058.
13. Cook BK, Noble DR, Williams JR. A direct simulation method for particle-fluid systems. Eng Comput 2004;21(2-4):151-168.
14. O'Rourke MJ, Hmadi KE. Analysis of continuous buried pipelines for seismic wave effects. Earthquake Eng Struct Dyn 1988;16(6):917-929.
15. Curun N. Malzemelerin mekanik özellikleri. Ankara: Milli Eğitim; 1981.
16. Roylance D. Pressure vessels. Cambridge (MA): Massachusetts Institute of Technology, Department of Materials Science and Engineering; 2001.
17. Çengel YA. Thermodynamics: an engineering approach. 2011.
18. Wang YZ, Li GQ, Wang YB, Lyu YF. Simplified method to identify full von Mises stress-strain curve of structural metals. J Constr Steel Res 2021;181:106624.
19. Urbanowicz K, Bergant A, Stosiak M, Deptuła A, Karpenko M. Navier-Stokes solutions for accelerating pipe flow-a review of analytical models. Energies 2023;16(3):1407. doi:10.3390/en16031407.
20. Muğla Büyükşehir Belediyesi Su ve Kanalizasyon İdaresi Genel Müdürlüğü. Atıksu teknik şartnamesi. Erişim adresi: [https://www.muski.gov.tr/upload/mevzuat/atiksuteknik.pdf](https://www.muski.gov.tr/upload/mevzuat/atiksuteknik.pdf)
21. AASHTO. Bridge design specifications. 1998.
22. American Concrete Pipe Association. Design Data 5: Multiple pipe installations. 2011. Erişim adresi: [https://www.concrete-pipe.org](https://www.concrete-pipe.org?utm_source=gemini)
23. Kanalizasyon borusu eğimi. Erişim adresi: [suspicious link removed]
24. Bentley Systems. PLAXIS 2D Materials Manual: materials and models documentation. 2020.
25. Das BM, editör. Geotechnical engineering handbook. J. Ross Publishing; 2011.
26. Datta T. Seismic response of buried pipeline: a state-of-the-art review. Nuclear Engineering and Design 1999:271-284.
27. Tafreshi SM, Khalaj O. Analysis of repeated-load laboratory tests on buried plastic pipes in sand. Soil Dyn Earthquake Eng 2011;31(1):1-15. doi:10.1016/j.soildyn.2010.06.016.
28. American Concrete Institute. ACI 363R-92: State-of-the-art report on high-strength concrete. Detroit (MI): ACI; 1994.
29. Türk Standartları Enstitüsü. TS 500: Betonarme yapıların hesap ve yapım kuralları. Ankara: TSE; 1984.
30. Chen WF, Han DJ. Yield and failure criteria. İçinde: Plasticity for Structural Engineers. New York: Springer; 1988, s. 46-116.
31. Chowdhury I, Dasgupta SP. Computation of Rayleigh damping coefficients for large systems. Electron J Geotech Eng 2003;8:1-11.
32. Liu M, Gorman DG. Formulation of Rayleigh damping and its extensions. Comput Struct 1995;57(2):277-285. doi:10.1016/0045-7949(94)00611-6.
33. Hall JF. Problems encountered from the use (or misuse) of Rayleigh damping. Earthq Eng Struct Dyn 2006;35(5):525-545. doi:10.1002/eqe.541.
34. Zhao JQ, Rajani BB, Daigle L. Thermal performance of trench backfills used for frost protection of water service lines. Can Geotech J 2001;38(1):161-174.
35. Housner GW. Dynamic pressures on accelerated fluid containers. Bull Seismol Soc Am 1957;47(1):15-35.
36. Balkaya M. Zemine gömülü boruların mühendislik davranışı [Yüksek Lisans Tezi]. İstanbul: İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü; 2002.
37. Hall WJ. Dynamics of structures-theory and applications to earthquake engineering. Earthquake Spectra 1996;12(3):635-636.
38. Katsikadelis JT. A new direct time integration method for the equations of motion in structural dynamics. ZAMM 2014;94(9):757-774.
39. Das BM, Sobhan K. Principles of geotechnical engineering. 1990.