Linear dynamic analysis of improving earthquake response of historical minarets with liquid damper

Year 2024, Volume: 15 Issue: 3, 701 - 711, 30.09.2024

Muhammet Ensar Yiğit

https://doi.org/10.24012/dumf.1479940

Abstract

In this study, the improvement of seismic responses of historical mosque minarets with liquid damper models that can be applied without structural changes was investigated. There are not many studies in the literature examining the behavior of minarets with liquid dampers. In order to see the effect of the liquid damper, the current version of the minaret was compared with the models with liquid dampeners in the upper cylindrical body part and balcony part. Linear dynamic analyzes of these models were made with the 1999 Duzce earthquake record. Fluid-structure interaction was established with the combined Eularian-Lagrangian approach, and water sloshing were monitored. As a result, instead of modeling the water mass to act as a whole as a liquid damper, making it in the form of porous or slatted partitions was more effective in damping. A decrease in relative displacements was observed in models with liquid dampers. In addition, the damping effect and liquid weight caused a decrease in tensile stresses (Smax) and an increase in compressive stresses (Smin). In all models, the largest principal compressive stresses and the largest principal tensile stresses are concentrated in an area between the base and the body, where minarets are usually damaged in earthquakes. Analysis shows that retrofitting the minaret with a liquid damper increases earthquake resistance, so fluid-structure interaction should be taken into account before strengthening.

Keywords

Fluid mechanics,, Historical Minarets,, Hydromechanics,, Protection of cultural heritage,, Tuned Liquid Damper

Sıvı sönümleyici ile tarihi minarelerin deprem tepkisinin iyileştirilmesinin lineer dinamik analizi

Abstract

Bu çalışmada tarihi camii minarelerinin yapısal değişikliğe gitmeden uygulanabilecek sıvı sönümleyici modelleri ile sismik tepkilerinin iyileştirilmesi araştırılmıştır. Literatürde sıvı sönümleyici ile minare davranışının incelendiği çalışmalara pek rastlanmamıştır. Sıvı sönümleyicinin etkisini görebilmek için minarenin mevcut hali ile petek kısmında ve şerefe kısmında sıvı sönümleyici bulunan modeller kıyaslanmıştır. Bu modellerin 1999 Düzce deprem kaydı ile doğrusal dinamik analizleri yapılmıştır. Birleşik Eularian-Lagrangian yaklaşımı ile akışkan-yapı etkileşimi kurulmuş, analiz süresince sudaki çalkantılar izlenmiştir. Analizler sonucunda, sıvı sönümleyici olarak su kütlesini bütün olarak hareket edecek şekilde modellemek yerine, gözenekli veya çıtalı bölmeler şeklinde yapmak sönümlemede daha etkili olduğu görülmüştür. Sıvı sönümleyici olan modellerde göreceli yer değiştirmelerde azalma gözlemlenmiştir. Ayrıca sönümleme etkisi ve sıvı ağırlığı çekme gerilmelerinde (Smax) azalmaya sebep olurken basınç gerilmelerinde (Smin) artışa sebep olmuştur. Tüm modellerde en büyük asal basınç gerilmeleri ve en büyük asal çekme gerilmeleri minarelerin genellikle depremlerde hasar aldığı kaide ile gövde arasındaki bir alanda yoğunlaşmıştır. Analizler, minarenin sıvı sönümleyici ile iyileştirilmesinin depreme dayanıklılığı artırdığını, bu nedenle güçlendirme öncesinde akışkan-yapı etkileşiminin dikkate alınması gerektiğini göstermektedir.

Keywords

Akışkanlar mekaniği, Ayarlı Sıvı Sönümleyici, Hidromekanik, Kültürel mirasın korunması, Tarihi Minareler.

Ethical Statement

Hazırlanan makalede etik kurul izni alınmasına gerek yoktur. Hazırlanan makalede herhangi bir kişi/kurum ile çıkar çatışması bulunmamaktadır.

References

• [1] M. H. Baştürk, “Bursa Tarihi Yığma Minarelerin Dinamik Davranışların Modal Analiz Yöntemi ile İncelenmesi,” Yüksek Lisans Tezi, Fen bilimleri Enstitüsü, Uludağ Üniversitesi, Bursa, Türkiye, 2013.
• [2] A. Doğangün, R. Acar, H. Sezen and R. Livaoğlu, “Investigation of dynamic response of masonry minaret structures,” Bull Earthquake Engineering, vol. 6, pp. 505–517, April 2008.
• [3] Devleti Aliyye-i, “Erzurum Muratpaşa Cami”, Accessed on: 16/01/2024, https://www.devletialiyyei.com/Zaman-Tuneli/murat-pasa-camii
• [4] Tarih Gezisi, “Ordu Aziziye Yalı Camii”, Accessed on: 16/01/2024, https://tarihgezisi.com/camiler/aziziye-yali-camii-ordu/
• [5] Anadolu Ajansı, “Gündem Asrın Felaketi”, Accessed on: 16/01/2024, https://www.aa.com.tr/tr/asrin-felaketi/elbistandaki-tarihi-atik-camisinin-minaresi-artci-depremler-sonrasinda-yikildi/2853966
• [6] J. S. Love, T. C. Haskett, “Nonlinear modelling of tuned sloshing dampers with large internal obstructions: Damping and frequency effects,” Journal of Fluids and Structures, vol. 79, pp. 1-13, May 2018.
• [7] A. Vázquez‑Greciano, A. A. López, N. Buratti and J. M. O. Herrera, “Magnetic Fields to Enhance Tuned Liquid Damper Performance for Vibration Control: A Review,” Archives of Computational Methods in Engineering, vol. 31, pp. 25–45, August 2024.
• [8] A. Kareem, T. Kijewski, Y. Tamura, "Mitigation of motions of tall buildings with specific examples of recent applications," Wind and Structures, vol. 2, no. 3, pp. 201-251, 1999.
• [9] M. H. Alkmim, M. V. G. de Morais and A. T. Fabro “Vibration Reduction of Wind Turbines Using Tuned Liquid Column Damper Using Stochastic Analysis,” MOVIC2016 & RASD2016 Journal of Physics: Conference Series, Southampton, United Kingdom, 3-6 July 2016, pp. 1-11
• [10] J. Hamelin, “The Effect of Screen Geometry on Performance of a Tuned Liquid Damper,” Master Thesis, McMaster University, Hamilton, Canadian, 2007.
• [11] M. A. Türk, “Seismic Response Analysis of Masonry Minaret and Possible Strengthening by Fiber Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) Materials,” Advances in Materials Science and Engineering, vol. 2013, pp. 1-14, Jun 2013.
• [12] T. Novo, H. Varum, F. Teixeira-Dias, H. Rodrigues, S. M. Falcao, C. A. Campos and L. Guerreiro, “Tuned liquid dampers simulation for earthquake response control of buildings,” Bull Earthquake Engineering, vol. 12, pp. 1007–1024, October 2014.
• [13] E. Hökelekli, “Manisa Hafsa Sultan Camii Deprem Davranışının Operasyonel Modal Analiz Yöntemi ile İncelenmesi,” Doktora Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Manisa Celal Bayar Üniversitesi, Manisa, 2015.
• [14] G. R. Patil and K. D. Singh, “Evaluation of Sloped Bottom Tuned Liquid Damper for Reduction of Seismic Response of Tall Buildings,” Journal of the Intuition of Engineers (India): Ser. A, vol. 97, pp. 385–394, Nowember 2016.
• [15] P. K. Pekgökgöz and G. Taş, “Ayarlı kütle sönümleyici yerleştirilmiş betonarme yüksek minarelerin dinamik analizi,” Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, vol. 32, no. 1, pp. 265-282, Jun 2017.
• [16] M. Günaydın, “Tarihi Bir Yığma Minarenin Onarım Sonrasındaki Dinamik Karakteristiklerinin Deneysel Olarak Belirlenmesi,” Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, vol. 8, no. 2, pp. 381-395, Mayıs 2018.
• [17] A. Hemmatia, E. Oterkusa and M. Khorasanchib “Vibration suppression of offshore wind turbine foundations using tuned liquid column dampers and tuned mass dampers,” Ocean Engineering, vol. 172, pp. 286-295, January 2019.
• [18] Kamgar R, Gholami F, Sanayei HRZ, Heidarzadeh H. “Modified Tuned Liquid Dampers for Seismic Protection of Buildings Considering Soil–Structure Interaction Effects,” Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering, 44, 339–354, 2020.
• [19] M. Vafaei, A. Pabarja and Alih SC, “An Innovative Tuned Liquid Damper for Vibration Mitigation of Structures,” International Journal of Civil Engineering, vol. 19, pp. 1071–1090, April 2021.
• [20] T. Konar and A. Ghosh, “A review on various configurations of the passive tuned liquid damper,” Journal of Vibration and Control, vol. 29, no. 9, 1945-1980, March 2022.
• [21] X. Hu, Z. Zhao, K. Yang, W. Liao and Q. Chen, “Novel triple friction pendulum-tuned liquid damper for the wind-induced vibration control of airport control towers,” Thin-Walled Structures, vol. 182, pp. 1-13, January 2023.
• [22] A. Skrzat, “Application of Coupled Eulerian-Lagrangian Approach In Metal Forming Simulations,” Scientific Letters of Rzeszow University of Technology-Mechanics, vol. 84, no. 4, pp. 25-35, April 2012.
• [23] D. J. Benson and S. Okazawa, “Contact in a multi-material Eulerian finite element formulation”. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 193, no. 39-41, pp. 4277-4298, October 2004.
• [24] D.J. Benson, “A mixture theory for contact in multi-material Eulerian formulations,” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 140, no 1-2, pp. 59-86, January 1997.
• [25] K. J. Bathe, “Finite element procedures.” 2nd ed. New Jersey, USA, Prentice Hall, 1996.
• [26] Belytschko T, Liu KW, Moran B, Elkhodary KI, “Non-linear Finite Element Analysis for continua and structures,” 2nd ed. New York, USA, Spi, 2014.
• [27] K. S. Al-Athel and M. S. Gadala, “Eulerian volume of solid (VOS) approach in solid mechanics and metal forming,” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 200, issue 25-28, pp: 2145-2159, June 2011.
• [28] Türkiye Kültür Portalı, “Manisa’da Gezilecek yerler”, Accessed on: 23/01/2024, https://www.kulturportali.gov.tr/turkiye/manisa/gezilecekyer/sultan-camii
• [29] Manisa Gündem, “Manisa mesir’e hazır peki Sultan Camii”, Accessed on: 11/01/2024, https://www.manisadagundem.com/gundem/manisa-mesir-e-hazir-peki-sultan-camii-h23444.html
• [30] H. Nohutcu, E. Hökelekli, E. Ercan, A. Demir and G. Altıntaş, “Collapse mechanism estimation of a historical slender minaret,” Structural Engineering and Mechanics, vol. 64, no. 5, pp. 653-660, October 2017.
• [31] M. E. Yiğit, “Investigation of the Seismic Performance of Historical Masonry Aqueducts with Eulerian-Lagrangian Coupled Analysis”, International Journal of Architectural Heritage, pp:1–17, 2024. https://doi.org/10.1080/15583058.2024.2338441
• [32] M. A. Uğurlu, S. Erdemli Günaslan, ve A. Karaşin, “Dört Ayaklı Minare’nin modellenmesi ve yapısal analizi”, Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, c. 8, sy. 2, ss. 413–422, Nisan 2017.
• [33] N. Işık ve F. M. Halefoğlu, “Tarihi yapılarda Tahribatsız Yöntemlerle Yapısal Sorunların Tespiti; Diyarbakır Hoca Ahmet (Ayn Minare) Camide Georadar (GPR) Ölçümleri ve Değerlendirilmesi”, Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, c. 12, sy. 5, ss. 829–840, 2021, doi: 10.24012/dumf.1051475.
• [34] S. A. Yıldızel, M. E. Yiğit and G. Kaplan, “Glass fibre reinforced concrete rebound optimization,” Computer Modeling in Engineering & Sciences, vol: 113, no: 2, pp: 203-218, 2017.
• [35] H. Koman, ve H. Nohutcu, “Harçsız yığma duvarlı betonarme çerçevenin nümerik analizi,” Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, vol: 10, no: 1, ss: 266-275, 2021, DOI: 10.28948/ngumuh.785286
• [36] Abaqus, “Abaqus user’s manual”. http://130.149.89.49:2080/v2016/books/usb/default.htm (05.06.2023)
• [37] T.C. İçişleri Bakanlığı, “Afet ve Acil Durum Daire Başkanlığı”, 01/11/2023, https://deprem.afad.gov.tr/content/131
• [38] E. Hökelekli, “Yapı-Zemin Etkileşiminin Tarihi Yığma Minarelerin Deprem Davranışına Etkisi”, Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, c. 11, sy. 2, ss. 825–838, 2020, doi: 10.24012/dumf.626894.
• [39] M. Erdik, “Report On 1999 Kocaeli and Düzce (Turkey) Earthquakes”. Department of Earthquake Engineering, Boğaziçi University, İstanbul, Türkiye, Scientific Report, 39, 2000. [Online] Available: http://www.koeri.boun.edu.tr/depremmuh/eqspecials/kocaeli/kocaelireport.pdf