The Effect of Structure Soil Interaction on the Seismic Behavior of a Masonry Minaret

Year 2024, , 371 - 385, 23.12.2024

Elifnur Şakalak , Ali Ekber Sever , Pınar Usta

https://doi.org/10.19113/sdufenbed.1491192

Abstract

Since the geometric, mechanical and dynamic properties of the ground and the superstructure are transferred to each other, their designs should not be considered independent. In the analyzes carried out considering the structure-soil interaction, the building period and the horizontal forces acting depending on the period vary according to the soil properties. In this study, the effect of the structure-soil interaction on the seismic behavior of a masonry minaret was investigated. For this purpose, a typical masonry minaret, which is thought to have been built in the Isparta province of Turkey, was modeled in the Sap2000 program. In order to see the effects of building ground interaction on the seismic behavior of the minaret, two separate finite element models of the minaret were created with fixed support (FS) and structure ground interactive (SSI). On two models, modal analysis, response spectrum analysis and time history analysis in accordance with the 2018 Turkish Building Earthquake Regulation were performed. For the time history analysis, the acceleration records of the Pazarcık Earthquake, Elbistan Earthquake and Hatay Earthquake, which are called the disaster of the century in Turkey, which occurred recently, were used. The data obtained as a result of the analyzes were compared with the results of the models with structure soil interaction and fixed support. As a result of the modal analysis, it was determined that the period value of the SSI model was higher. As a result of the analyzes made in the time history, it was found that there were larger displacements in the SSI model when the largest horizontal displacement values at the top of the structure were compared. When the largest principal stresses were compared, it was found that higher stresses occurred in the SSI model than in the FS model.

Keywords

Earthquake, Masonry, Minaret, Structure soil interaction

Yapı Zemin Etkileşiminin Yığma Bir Minarenin Sismik Davranışına Etkisi

Abstract

Zemin ile üst yapının geometrik, mekanik ve dinamik özellikleri birbirlerine aktarıldığı için tasarımları bağımsız düşünülmemelidir. Yapı zemin etkileşimi göz önüne alınarak gerçekleştirilen analizlerde yapı periyodu ve periyoda bağlı olarak etki eden yatay kuvvetler zemin özelliklerine göre değişiklik gösterir. Bu çalışmada yapı-zemin etkileşiminin yığma bir minarenin sismik davranışına etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla Türkiye’nin Isparta ilinde inşa edildiği düşünülen tipik bir yığma minare Sap2000 programında modellenmiştir. Yapı zemin etkileşiminin minarenin sismik davranışına etkilerini görmek için minarenin, zemine ankastre mesnetli (FS) ve yapı zemin etkileşimli (SSI) iki ayrı sonlu eleman modeli oluşturulmuştur. İki model üzerinde, 2018 Türkiye Bina Deprem Yönetmeliğine uygun modal analiz, tepki spektrumu analizi ve zaman tanım alanında analiz gerçekleştirilmiştir. Zaman tanım alanında analiz için son dönemde meydana gelen Türkiye’de asrın felaketi olarak adlandırılan Pazarcık Depremi, Elbistan Depremi ve Hatay Depremi’nin ivme kayıtları kullanılmıştır. Yapılan analizler sonucunda elde edilen veriler ile yapı zemin etkileşimli ve ankastre mesnetli modellerin sonuçları karşılaştırılmıştır. Modal analiz sonucunda SSI modelin periyot değerinin daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Zaman tanım alanında yapılan analizler sonucunda, yapının tepe noktasındaki en büyük yatay yer değiştirme değerleri karşılaştırıldığı zaman SSI modelde daha büyük yer değiştirmelerin olduğu tespit edilmiştir. En büyük asal gerilmeler karşılaştırıldığında SSI modelde FS modele nazaran daha yüksek gerilmelerin oluştuğu tespit edilmiştir.

Keywords

Deprem, Minare, Yapı zemin etkileşimi, Yığma

References

• [1] Kilis Postası. 2023. Deprem Sonrası Şıh Ahmet Camii Minaresi Yıkıldı. https://www.kilispostasi.com/deprem-sonrasi-sih-ahmet-camii-minaresi-yikildi/1222421/ (Erişim Tarihi: 01.04.2023).
• [2] Yeni Asır. 2022. İzmir'de depremde yıkılan minare havadan görüntülendi. https://www.yeniasir.com.tr/izmir/2022/11/04/izmirde-depremde-yikilan-minare-havadan-goruntulendi (Erişim Tarihi: 01.04.2023).
• [3] Yurdakul, M., Yılmaz, F., Artar, M., Can, Ö., Öner, E., Daloğlu, A. T. 2021. Investigation Of Time-History Response Of A Historical Masonry Minaret Under Seismic Load. Structures, 30, 265-276.
• [4] Hökelekli, E., Demir, A., Ercan, E., Nohutçu, H., Karabulut, A. 2020. Seismic Assessment in A Historical Masonry Minaret by Linear and Non-Linear Seismic Analyses. Periodica Polytechnica Civil Engineering, 64(2), 438-448.
• [5] Atmaca, B., Ertürk Atmaca, E., Roudane, B., Güleş, O., Demirkaya, E., Aykanat, B., Altunişik, A. C., Günaydin, M., Arslan, M. E., Kahya, V., Tatar, T. Aslan, B., Sezdirmez, T., Sunca, F., Okur, F. Y., Adanur, S., Saribiyik, A., Aydin, F., Genç, A. F., Kirtel, O., Demir, A., Öztürk, H., Dok, G., Emiroğlu, M., Akgül, T. 2024. Field Observations and Numerical Investigations on Seismic Damage Assessment of RC and Masonry Minarets During the February 6th, 2023, Kahramanmaraş (Mw 7.7 Pazarcık and Mw 7.6 Elbistan) Earthquakes in Türkiye. International Journal of Architectural Heritage, 1-26.
• [6] Nohutcu, H. 2019. Seismic Failure Pattern Prediction in a Historical Masonry Minaret Under Different Earthquakes. Advances in Civil Engineering, 1-16.
• [7] Yetkın, M., Dedeoğlu, İ. Ö., & Calayır, Y. 2021. Ocak 2020 Sivrice Depremi Sonrasında Elazığ İlinde Bulunan Minarelerde Meydana Gelen Hasarların Araştırılması ve Değerlendirilmesi. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 33 (2), 379-389.
• [8] Eronat, Ş. S. (2022). Yığma Minarelerin Dinamik Analizi (Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü).
• [9] Işık, E., Avcil, F., Harirchian, E., Arkan, E., Bilgin, H., Özmen, H. B. 2022. Architectural Characteristics and Seismic Vulnerability Assessment of a Historical Masonry Minaret under Different Seismic Risks and Probabilities of Exceedance. Buildings, 12(8), 1200.
• [10] Maraş, M. M., Özmen, A., Sayın, E., Ayaz, Y. 2022. Seismic Assessment of The Historical Sütlü Minaret Mosque”. Periodica Polytechnica Civil Engineering, 66(2), 445-459.
• [11] Trešnjo, F., Humo, M., Casarin, F., Ademović, N. 2023. Experimental Investigations and Seismic Assessment of a Historical Stone Minaret in Mostar. Buildings, 13(2), 536.
• [12] Türker, T., Demirtaş, B., Ural, A., Kömür, M. A. 2022. Seismic Behavior of Historical Inclined Minarets under Near and Far Fault Ground Motions. Journal of Earthquake Engineering, 26(11), 5866-5880.
• [13] Işık, E., Ademović, N., Harirchian, E., Avcil, F., Büyüksaraç, A., Hadzima-Nyarko, M., Bülbül, M. F., Işık, F. M., Antep, B. 2023. Determination of Natural Fundamental Period of Minarets by Using Artificial Neural Network and Assess the Impact of Different Materials on Their Seismic Vulnerability. Applied Sciences, 13(2), 809.
• [14] Şentürk, İ., Ergün, M., Artar, M. 2022. Seismic Behavior Assessment of Historical Alaeddin Bey Mosque and Strengthening Suggestions by CFRP Fabric and Steel Plate. Engineering Failure Analysis, 137, 106242.
• [15] Işık, E., Harirchian, E., Arkan, E., Avcil, F., Günay, M. 2022. Structural Analysis of Five Historical Minarets in Bitlis (Turkey). Buildings, 12(2), 159.
• [16] Genç A. F., Altunışık, A. C., Günaydın, M., Okur, F. Y. 2022. Finite Element Model Updating of İskenderpaşa Mosque and Minaret Based on Experimental Measurements. Journal of Structural Engineering & Applied Mechanics, 5(4), 264-276.
• [17] Alemi, B., Kamali Zarchi, S., Assadi Chimeh, N. 2022. The Earliest Architectural Remains of the Islamic Era in Kashan: Form, Structure, and Construction Technique of the Minaret of the Jameâ Mosque. Journal of Iranian Architecture Studies, 8(15), 5-25.
• [18] Adam, M. A., El-Salakawy, T. S., Salama, M. A., Mohamed, A. A. 2020. Assessment of Structural Condition of a Historic Masonry Minaret in Egypt. Case Studies in Construction Materials, 13, e00409.
• [19] Hoseynzadeh, H., Mortezaei, A. 2021. Seismic Vulnerability and Rehabilitation of One of The World’s Oldest Masonry Minaret under The Different Earthquake Frequency Contents. Journal of Rehabilitation in Civil Engineering, 9(4), 12-36.
• [20] Kılıç, İ., Bozdoğan, K. B., Aydın, S., Gök, S. G., vd. (2020). Kule Tipi Yapıların Dinamik Davranışının Belirlenmesi: Kırklareli Hızırbey Camii Minaresi. Politeknik Dergisi, 23(1), 19-26.
• [21] Casolo, S., Uva, G. 2013. Non-linear dynamic analysis of masonry towers under natural accelerograms accounting for soil-structure interaction. ECCOMAS Thematic Conference- COMPDYN 2013: 4th International Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering, Proceedings- An IACM Special Interest Conference, 12–14 June, Greece,4488-4506.
• [22] Sanal Şantiye. 2017. Yapı zemin etkileşimi. https://www.sanalsantiye.com/yapi-zemin-etkilesimi/ (Erişim Tarihi: 01.04.2023).
• [23] Korkmaz, K. A., Demir, F. 2012. Yapı-Zemin Etkileşiminin Yapıların Deprem Davranışına Etkileri. Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 3(1), 12-17.
• [24] Girgin, S. C., Mısır, S., Özden, G., Kahraman, S. 2008. Yapı-Zemin Etkileşiminin Yapısal Tasarımdaki Rolü. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, 10(1), 27-37.
• [25] Baş, S. 2019. Estimation of Seismic Response of R/C Frame Structures to Vertical Earthquake Motion Considering Fixed Support and Soil-Structure-Interaction (SSI). International Journal of Engineering Research and Development, 11(1), 7-17.
• [26] Lazizi, A. H., Tahghighi, H. 2023. Influence of Soil–Structure Interaction on Seismic Demands of Historic Masonry Structure of Kashan Grand Bazaar. Bulletin of Earthquake Engineering, 21(1), 151-176.
• [27] Hökelekli, E., Al‐Helwani, A. 2020. Effect of Soil Properties on the Seismic Damage Assessment of Historical Masonry Minaret–Soil Interaction Systems. The Structural Design of Tall and Special Buildings, 29(2), e1694.
• [28] Fathi, A., Sadeghi, A., Emami Azadi, M. R., Hoveidae, N. 2020. Assessing the Soil-Structure Interaction Effects by Direct Method on the out-of-plane Behavior of Masonry Structures (Case Study: Arge-Tabriz). Bulletin of Earthquake Engineering, 18, 6429-6443.
• [29] Karki, P., Pyakurel, S., Utkarsh, K. 2023. Seismic Performance Evaluation of Masonry Infill RC Frame Considering Soil-Structure Interaction. Innovative Infrastructure Solutions, 8(1), 5.
• [30] Yıldız, Ö., Doğan, E. 2022. Soil-Structure Interaction Analysis of Çelebiağa Mosque, Pertek-Türkiye. Journal of Construction, 21(3), 749-766.
• [31] Cacciola, P., Caliò, I., Fiorini, N., Occhipinti, G., Spina, D., & Tombari, A. (2022). Seismic response of nonlinear soil-structure interaction systems through the Preisach formalism: the Messina Bell Tower case study. Bulletin of Earthquake Engineering, 1-30.
• [32] Shabani, A., Feyzabadi, M., & Kioumarsi, M. (2022). Model updating of a masonry tower based on operational modal analysis: The role of soil-structure interaction. Case Studies in Construction Materials, 16, e00957.
• [33] SAP2000 V23.1.0 Integrated Finite Element Analysis and Design of Structures Basic Analysis Reference Manual.
• [34] Işık, E., Antep, B. 2018. Ahlat Ilçesinde Yer Alan Tarihi Yığma Minarenin Yapısal Analizi. Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 7(1), 46-56.
• [35] Mutman, U. 2001. Seçilen bir arazide dinamik kompaksiyon uygulaması ve SAP90 programı ile modellenmesi. Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans tezi, 180s, Kocaeli.
• [36] Hökelekli, E. 2020. Yapı-Zemin Etkileşiminin Tarihi Yığma Minarelerin Deprem Davranışına Etkisi. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 11(2), 825-838.
• [37] TBDY 2018, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı-Deprem Dairesi Başkanlığı, Ankara.
• [38] AFAD. 2023. Turkey Earthquake Hazard Maps Interactive Web Application. https://tdth.afad.gov.tr/TDTH/main.xhtml (Erişim Tarihi: 02.03.2023).
• [39] Erkek, H., & Yetkin, M. (2023, December). Assessment of the performance of a historic minaret during the Kahramanmaraş earthquakes (Mw 7.7 and Mw 7.6). Structures, 58, 105620, Elsevier.
• [40] Nasery, M. M. (2023). Post-earthquake damage assessment of inaccessible areas in the Harran grand mosque (Ulu Mosque) minaret using digital twin modelling. Proceedings of 3rd International Civil Engineering and Architecture Congress (ICEARC’23)
• [41] Ersoy, S. (2023). Evaluation of the cultural heritage buildings in an ancient district of Antakya after the Kahramanmaras earthquakes (Mw 7.7 and Mw 7.6).
• [42] Onat, O., Deniz, F., Özmen, A., Özdemir, E., & Sayın, E. (2023, December). Performance Evaluation and Damage Assessment of Historical Yusuf Ziya Pasha Mosque After February 6, 2023 Kahramanmaras earthquakes. Structures (Vol. 58, p. 105415). Elsevier.
• [43] Nasery, M. M. (2023). Investigating of the Reasons for the Collapse on the Entrance Arches of the Harran Grand Mosque (Ulu Cami) During the Kahramanmaraş Earthquakes (Mw 7.7 and Mw 7.6). Civil Engineering Beyond Limits
• [44] Demir, A., Celebi, E., Ozturk, H., Ozcan, Z., Ozocak, A., Bol, E., Sert, S., Sahin, F., Z., Arslan, E., Yaman, Z., D., Utkucu, M., & Mert, N. (2024). Destructive impact of successive high magnitude earthquakes occurred in Türkiye’s Kahramanmaraş on February 6, 2023. Bulletin of Earthquake Engineering, 1-27.
• [45] AFAD. 2023. Earthquake. https://tadas.afad.gov.tr/ (Erişim Tarihi: 02.03.2023).
• [46] Seismomatch. 2019. Seismosoft Earthquake Engineering Software Solutions, Eshop Designed & Developed by Pontemedia.
• [47] Altiok, T., Demir, A. 2021. Collapse Mechanism Estimation of a Historical Masonry Minaret Considered Soil-Structure Interaction. Earthquakes and Structures, 21(2), 161-72.