Numerical Investigation of the Effect of Water Level on Submerged Minarets

Abstract

Minarets are the last relics of settlements submerged by dam reservoirs. There are two submerged minarets in Turkey and they became attraction centers as a result of being visible on surface of reservoir. Being submerged decreased/will decrease material quality of these structures. Beside this fact, additional effect of sloshing occurring at instant of a possible earthquake make the behavior of submerged structure more unpredictable. It is needed to be investigated the results of interaction between water and submerged structure which is settled in earthquake region. In this scope, an idealized 2D model is formed and near fault excitations are applied to investigate the behavior of submerged minarets. A fully coupled fluid-structure interaction (FSI) method is used for analyses of the idealized model. In this method, finite element method (FEM) is used to model the structural domain of the problem and smoothed particle hydrodynamics (SPH) is used to model the fluid domain of the problem. Contact mechanics is used for interaction between these two different domains. The FSI method is a valid method which was used for solution of many different problems. The idealized models consisting different water levels are analized by developed FSI method and results are presented comprehensively. Achieved results set forth the conclusion that mass of fluid has a high level of impact on submerged minarets under near fault excitations. This impact change in water level with change in reservoir water level. In the context of this research, the effect of reservoir level on the submerged minarets are investigated.

Keywords

• fluid strucutre interaction
• submerged structures
• computational fluid dynamics
• smoothed particle hydrodynamics

Batık Minarelerde Su Seviyesinin Yapıya Olan Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi

Abstract

Baraj göllerinin, sular altında bıraktığı yerleşim yerlerinin, su üstünde kalan son mirasları minarelerdir. Türkiye’de iki adet batık minare bulunmaktadır ve su üstünden görülebilmeleri ile cazibe merkezleri haline gelmişlerdir. Uzun yıllar sular altında kalması bu yapıların malzeme kalitesinin düşmesine sebep olmuştur/olacaktır. Bunun yanında; olası bir deprem esnasında var olan zemin hareketine ek olarak suyun çalkalanma etkisinin de eklenmesi bu minarelerin davranışlarının öngörülmesini daha da zorlaştırmaktadır. Yüksek Deprem riski barındıran bölgelerde yer alan her bu yapıların deprem esnasında su ile yapacağı etkileşimin sonuçlarının irdelenmesi gerekmektedir.Bu kapsamda su altında kalan minarelerin davranışlarını incelemek için idealleştirilmiş 2 boyutlu model oluşturulmuş ve yakın fay hareketleri uygulanmıştır. İdealleştirilmiş modelin analizi için tam akupajlı bir yapı-sıvı etkileşim (FSI) modeli kullanılmıştır. Bu modelde yapı kısmın modellenmesi için sonlu elemanlar yöntemi (FEM), sıvı kısmın modellenmesi için ise yumuşatılmış parçacık hidrodinamiği (SPH) kullanılmıştır. Bu iki farklı yöntem ile modellenen alanların etkileşimi için ise kontak mekanik kullanılmıştır. Kullanılan FSI yöntemi birçok problemin çözümü ile doğruluğu kanıtlanan geçerli bir yöntemdir. Farklı su seviyeleri ile oluşturulan idealleştirilmiş modeller, geliştirilen FSI yöntemi ile analiz edilmiş ve sonuçlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Elde edilen sonuçlar batık minarelerde su kütlesi etkisinin yakın fay altında ne kadar yüksek olduğunu ortaya koymaktadır. Su seviyesindeki değişim ile bu etki doğal olarak değişim göstermektedir. Çalışma kapsamında farklı su seviyeleri incelenerek batık minareler üzerindeki su kütlesi etkisi ayrıntılı olarak incelenmiştir.

Keywords

• yapı sıvı etkileşimi
• batık yapılar
• hesaplamalı akışkanlar dinamiği
• yumuşatılmış parçacık dinamiği

References

1. Uğurlu MA, Erdemli Günaslan S, Karaşin A, 2017. Dört Ayaklı Minare’nin modellenmesi ve yapısal analizi. Dicle Üniversitesi Mühendislik Dergisi, 8(2): 413–422.
2. Çalik İ, Bayraktar A, Türker T, 2017. Tarihi yiğma taş minareler için deneysel yöntemlere dayali basitleştirilmiş doğal frekans formülleri. In Uluslararası Katılımlı 6. Tarihi Yapıların Korunması ve Güçlendirilmesi Sempozyumu, pp: 523–532.
3. Cheng X, Jing W, Gong L, 2018. Dynamic Responses of a Sliding Base-isolated RLSS Considering Free Surface Liquid Sloshing. KSCE Journal of Civil Engineering, 22(12): 4964–4976.
4. Demir A, Dinçer A E, 2017. MPS ve FEM Tabanlı Akışkan-Yapı Etkileşimi Modelinin Çoruh Nehri Üzerindeki Ardıl Baraj-Yıkılma Problemine Uygulanması. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 3(2): 64-69.
5. Demir A, Dinçer A E, Bozkus Z, Tijsseling A S, 2019. Numerical and experimental investigation of damping in a dam-break problem with fluid-structure interaction. Journal of Zhejiang University: Science A, 20(4): 258–271.
6. Dinçer A E, 2017. Numerical investigation of free surface and pipe flow problems by smoothed particle hydrodynamics. Middle East Technical University.
7. Dinçer A E, 2019. Investigation of the Sloshing Behavior Due to Seismic Excitations Considering Two-Way Coupling of the Fluid and the Structure. Water, 11(12): 2664.
8. Dinçer A E, Bozkuş Z, Tijsseling A S, 2018. Prediction of Pressure Variation at an Elbow Subsequent to a Liquid Slug Impact by Using Smoothed Particle Hydrodynamics. Journal of Pressure Vessel Technology, Transactions of the ASME, 140(3).

9. Dinçer A E, Demir A, Bozkus Z, Tijsseling A S, 2019. Fully Coupled Smoothed Particle Hydrodynamics-Finite Element Method Approach for Fluid-Structure Interaction Problems With Large Deflections. Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 141(8): 1–13.
10. Dong MS, Man L, 2016. The Dynamic Responses of the of the Submerged Floating Tunnel under Seismic effect. In Procedia Engineering, 166: 152–159.
11. Fourey G, Oger G, Le Touzé D, Alessandrini B, 2014. Violent Fluid-Structure Interaction simulations using a coupled SPH/FEM method. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 10(1).
12. Günaydın M, 2018. Tarihi Bir Yığma Minarenin Onarım Sonrasındaki Dinamik Karakteristiklerinin Deneysel Olarak Belirlenmesi. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi.
13. Gürsoy E, 2018. Cami̇ ti̇p projeleri̇nde ölçü-oran ilişkisi. Türk Dünyası Araştırmaları, 118(232): 211–228.
14. Jeon S H, Cho Y U, Seo M W, Cho J R, Jeong W B, 2013. Dynamic response of floating substructure of spar-type offshore wind turbine with catenary mooring cables. Ocean Engineering, 72: 356–364.
15. Jin C, Kim M-H, 2018. Time-Domain Hydro-Elastic Analysis of a SFT (Submerged Floating Tunnel) with Mooring Lines under Extreme Wave and Seismic Excitations. Applied Sciences (Switzerland), 8(12).
16. Morison J R, Johnson J W, Schaaf S A, 1950. The Force Exerted by Surface Waves on Piles. Journal of Petroleum Technology, 2(05): 149–154.
17. Mutlu Ö, Şahin A, 2016. Investigating the effect of modeling approaches on earthquake behavior of historical masonry minarets-bursa grand mosque case study. Sigma J Eng Nat Sci, 7(2): 123–136.
18. Nuhoğlu A, Şahin S, 2005. Sanayi bacalarinin ve minarelerin dinamik davranişlarinin incelenmesi. In Deprem Sempozyumu. Kocaeli.
19. Oğuzmert M 2002. Dynamic behavior of masonary minarets. İstanbul Technical University.
20. Ökten M S, Haydaroğlu C, Ökten Balaban B, Bozdağ B, 2013. Ahşap Minarelerin Taşıyıcı Sistemleri ve Zıbıncı Camii Örneği Mehmet Selim Ökten. In 4.Tarihi Eserlerin Güçlendirilmesi ve Geleceğe Güvenle Devredilmesi Sempozyumu,. İstanbul: İTÜ.
21. Orgill G, Wilson J F, Schmertmann G R, 1985. Static Design of Cable Mooring Arrays for Offshore Guyed Towers. Applied Ocean Research, 7(3): 166–174.
22. Pekgökgöz R K, Taş G, 2017. Ayarlı kütle sönümleyici yerleştirilmiş betonarme yüksek minarelerin dinamik analizi. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 32(1): 287–304.
23. Remseth S, Leira B J, Rönnquist A, Udahl G, 2005. Dynamic response and fluid structure interaction of submerged floating tunnels. In WIT Transactions on the Built Environment, 84: 247–257. WITPress.
24. Serhatoğlu C, 2015. Bursa tarihi minarelerinin dinamik davranişlarinin ve performanslarinin incelemesi. Uludağ Üniversitesi.
25. Temüz HT, 2007. Minarelerin rüzgâr yükleri altında davranşlarının incelenmesi ve bunların rüzgâra göre hesabı. Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimlkeri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi
26. Ural A, Celik T, 2018. Dynamic Analyses and Seismic Behavior of Masonry Minarets with single Balcony. Aksaray University Journal of Science and Engineering, 2(1): 13-27
27. Yan H, Luo Y, Yu J, 2016. Dynamic Response of Submerged Floating Tunnel in the Flow Field. In Procedia Engineering, 166: 107–117.