Geri Dön

Seismic behaviour of historical stone masonry multi-leaf walls

Çok tabakalı tarihi taş yığma duvarların deprem yükleri altında davranışı

PDF İndir

  1. Tez No: 322852
  2. Yazar: CEM DEMİR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALPER İLKİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 496

Özet

Derin bir tarihe sahip olan ülkemiz, tarih öncesi çağlardan başlayarak pek çok medeniyete ev sahipliği yapmıştır. Bu uygarlıkların etrafında geliştiği ve hüküm sürdüğü çok sayıda yapı halen ayaktadır. Ancak, Türkiye'nin bulunduğu bölgenin yüksek depremselliği nedeniyle bu yapıların önemli bir bölümü risk altındadır. Özellikle; Roma, Bizans ve Osmanlı İmparatorluklarına başkentlik yapmış İstanbul ve çevresinde bu risk daha da belirgindir. Buna karşın, geleneksel yapı yığma duvarları ve bunların bileşenleri konusunda ülkemizde gerçekleştirilmiş çalışma sayısı oldukça sınırlıdır. Konuya yapı mühendisliği disiplini penceresinden bakan çalışmalar söz konusu olduğunda ise bu sınırlılık daha da belirgin hale gelmektedir. Bu nedenle gerçekleştirilen çalışma kapsamında, tarihi yapılarımızda sıklıkla karşılaşılan çift cidarlı taş yığma duvarların düzlem içi doğrultuda etkiyen tekrarlı yük etkileri altındaki davranışının, deneysel ve teorik olarak incelenmesi hedeflenmiştir.Belirtilen hedefe ulaşabilmek amacıyla, klasik dönem Osmanlı İmparatorluğu yapılarında sıklıkla kullanılan çift cidarlı taş duvarların mekanik davranışının inceleneceği deneysel bir çalışma planlanmıştır. Gerçek boyutlu yığma yapı duvarları ve donatıları laboratuvar ortamında test edilebilecek şekilde belirli bir oranda küçültülerek numune duvar üretimi yapılmış ve duvar numuneleri deneye tabi tutulmuştur. Ayrıca bu numunelerde kullanılan malzemelerin mekanik özelliklerini belirleyebilmek için yine laboratuvar ortamında çok sayıda deney gerçekleştirilmiştir. Son olarak, deneye tabi tutulan numunelerin davranışları mikro modellemeye yaklaşımı ile oluşturulan sonlu elemanlar modeli kullanılarak sayısal ortamda incelenmiştir.Tez çalışması beş ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde Osmanlı İmparatorluğu anıtsal yapılarında rastlanılan duvar tipolojileri literatür ve saha çalışmaları ile incelenerek deneysel çalışmaya esas oluşturacak protopip duvara ait temel özellikler ortaya konulmuştur. Yazılı kaynaklar ve konunun uzmanlarına başvurularak, özellikle İstanbul ve çevresinde bulunan klasik dönem Osmanlı İmparatorluğu anıtsal yapı duvarlarının önemli bir kısmının çift cidarlı duvarlarla inşa edildiği, dış cidarların genellikle kesme Küfeki taşı, iç cidarların ise moloz dolgu ile teşkil edildiği görülmüştür. Yaygın olarak kullanılan bir kireç taşı tipi olan Küfeki taşı ile oluşturulan taş birimlerin demir kenet (ve bazı durumlarda zıvanalar ile) birbirlerine bağlandığı ve bu donatıların taş birimlere ankrajında eritilmiş kurşun kullanıldığı tespit edilmiştir. Üç adet tarihi yapı üzerinde gerçekleştirilen saha çalışması ile literatürde yer alan bu bilgiler gözlemlerle desteklenmiş ve çeşitli geometrik özellikler yerinde tespit edilmiştir.İkinci kısımda tarihi taş yığma duvarlarda kullanılan malzeme bileşenlerinin temel mekanik özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu malzeme deneyleri sonucunda söz konusu malzemelerin; basınç ve çekme dayanımı, elastisite modülü, gerilme-şekildeğiştirme ilişkisi ve sürtünme katsayısı gibi temel mekanik özellikleri konusunda detaylı bilgiler elde edilmiştir.İkinci bölümde tarihi taş duvarlarda kullanılan malzeme bileşenlerinin temel mekanik özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Çok sayıda taş, harç, taş ve moloz yığma, tarihi kenet ve yeni üretim çelik sac numunesi üzerinde deneyler yapılmıştır. Bu malzeme deneyleri sonucunda; sözkonusu malzemelerin basınç ve çekme dayanımı, elastisite modülü, sürtünme katsayısı, gerilme-şekildeğiştirme ilişkisi gibi temel mekanik özellikleri konusunda detaylı bilgiler verilmiştir. Ayrıca, tek ve çok tabakalı yığma duvar numuneleri üzerinde yapılan eksenel basınç deneyleri ile elde edilen sonuçlar da sunulmuştur. Buna göre, kireç taşı malzemenin ortalama basınç dayanımı 18.0 MPa olarak elde edilmiştir. Bununla birlikte, taş birimlerin bir araya getirilmesi ile oluşturulan taş yığma duvar parçasının basınç dayanımı bu değerin yaklaşık yarısı olarak elde edilmiştir. Moloz çekirdek tabakasını da içeren çok tabakalı duvar parçalarının basınç dayanımı ise taş blokların yaklaşık %20'si mertebesindedir. Özellikle taş birim basınç deneylerinden elde edilen mekanik özelliklerde gözlenen dağılımın büyüklüğü dikkat çekici boyutlardadır. Taş birimler arasındaki kuru derzlerin kayma davranışı başlangıç kayma deneyleri ile incelenmiştir. Bu deneyler esnasında, kuru derzlerdeki taş yüzeylerin pürüzlülüğünün sürtünme katsayısı üzerindeki etkisi de ele alınmıştır. Sürtünme katsayısı, makine ile kesilen taşların yüzeyleri için 0.76, pürüzlendirme yapılmış olanlar için ise 0.74 olarak elde edilmiştir. Moloz çekirdek tabakasını oluşturan malzemenin basınç dayanımı ve elastisite modülü gibi özellikleri standart silindir basınç deneyleri ile, çekme dayanımı ise yarma deneyleri ile belirlenmiştir. Taş birimlere nazaran çok daha düşük dayanıma sahip bu malzemenin oldukça heterojen bir yapıya sahip olması nedeniyle elde edilen mekanik özellikler, beklendiği gibi, büyük bir dağılım sergilemektedir. Duvar numunelerinin taş bloklarını birbirine bağlayacak olan donatıların (kenet ve zıvanaların) mekanik özelliklerini belirlemek ve uygun bir malzeme seçebilmek amacıyla kapsamlı bir literatür taraması yapılmıştır. Bu çalışmaya ek olarak Edirne II. Bayezid Cami restorasyon sahasından temin edilmiş iki adet orijinal kenet üzerinde fiziksel, metalürjik ve kimyasal deneyler yapılmıştır. Bu deneyler sonucunda, orijinal demir donatıların oldukça düşük karbon muhteva ettikleri ve iç yapılarının ferrit kristalleri ve bu kristaller arasına dağınık ve yaygın olarak serpilmiş inklüzyonlar nedeniyle oldukça heterojen olduğu gözlenmiştir. Yüzey sertliği ölçümlerinden elde edilen değerler ve literatürde bulunan ampirik ifadeler kullanılarak elde edilen çekme dayanımları ise 300-350 MPa civarlarındadır.Üçüncü bölümde çalışma kapsamında ele alınan üç ana değişkenin çok tabakalı tarihi duvarların kayma davranışına etkisi ele alınmıştır. Bu değişkenler, eksenel gerilme düzeyi, kenet ve zıvana kullanımı ve dış tabakalar arasında iç moloz dolgunun bulunmasıdır. Planlanan deneysel çalışma, yerdeğiştirme kontrollü olarak etkitilen tekrarlı kesme kuvvetlerine maruz bırakılmış 1/3 ölçekli (1.20 ? 1.20 ? 0.30 m boyutlarında) sekiz adet duvar numunesinden meydana gelmektedir. Bu numunelerin iki adedi moloz dolgu içermeyip yalnızca iki dış tabakadan oluşmaktadır (1.20 ? 1.20 ? 0.20 m boyutlarında). Yatay doğrultudaki yerdeğiştirme çevrimlerinin etkitilmesi esnasında duvar üzerine etkiyen eksenel yük sabit tutulmuştur (0.25, 0.50, 0.75 ve 1.00 MPa gerilme düzeyleri). Gerçekleştirilen deneysel çalışma ile incelenen çok tabakalı taş duvarların göçme modu, yatay yük kapasitesi, süneklik ve enerji yutma özellikleri konularında bilgiler elde edilmiştir. Duvarların davranışında temel olarak kesme etkileri egemen olmuş ancak eksenel gerilme düzeyine bağlı olarak eğilme etkileri de kısmen ortya çıkmıştır. Hasar gelişimi taşlarda ve komşu tabakaların arayüzlerinde oluşan düşey kılcal çatlaklar ile başlamıştır. Yatay yer değiştirmelerin artmasıyla birlikte çapraz doğrultularda oluşan çatlaklar belirginleşmiştir. Bu çatlakların ileri düzeyde genişlemesi ve bazı noktalarda kenet ankrajlarının devre dışı kalması sonucunda, duvarlar, alt köşe bölgeleri etrafında devrilme davranışı sergilemeye başlamıştır. Kenetlerin kullanılması çatlak dağılımını etkilemekle birlikte, kullanılan Küfeki taşının çekme dayanımının sınırlı olması nedeniyle taşlar çatlamış ve kenetlerin etkinlikleri sınırlanmıştır. Zıvanaların kullanılması hasarın oluşum şeklini pek etkilememekle birlikte dayanım ve yerdeğiştirme yeteneğini belirgin şekilde iyileştirmiştir. Çok tabakalı ve tek cidarlı duvarlar için elde edilen deney sonuçlarının karşılaştırılması sonucunda, oldukça düşük dayanımlı moloz dolgunun duvarın bütünlüğünü sağlamak konusunda önemli katkısı olduğu görülmüştür. Elde edilen çevrim eğrileri incelendiğinde numunelerin doğrusal elastik sınırın oldukça ötesine geçtikleri ve her bir yük çevriminde önemli miktarda kalıcı deformasyona uğradıkları tespit edilmiştir.Dördüncü bölümde deneysel yük-yerdeğiştime ilişkileri iki doğrudan oluşacak şekilde idealleştirilmiştir. Histeretik çevrimler ve idealleştirilmiş eğriler kullanılarak dayanım, süneklik, rijitlik ve enerji yutma gibi deprem performansı üzerinde oldukça etkili olan parametreler ele alınmıştır. Buna göre, tüm duvar numunelerinin ihmal edilemeyecek düzeyde deformasyon yapma yeteneğine ve 5.2 ile 10.7 arasında değişen yerdeğiştirme sünekliği değerlerine sahip olduğu görülmüştür. Hasarın sınırlı düzeyde kaldığı çevrimlerde dahi %8 ila 21 arasında değişen eşdeğer viskoz sönüm oranlarının telaffuz edilebileceği tespit edilmiştir. Duvar üzerine etkiyen eksenel gerilme miktarının artmasıyla beraber duvar başlangıç rijitliğinin de arttığı ve zıvana kullanımının aksine kenet kullanımın rijitlikte önemli bir artışa neden olmadığı tespit edilmiştir. Farklı eksenel gerilme düzeylerinde elde edilen dayanımlar gözönünde bulundurulduğunda, Eurocode 6 (1996) ve Türk Deprem Yönetmeliği (2007) tarafından da benzeştirilerek kullanılan Mohr-Coulomb ifadesindeki genelleştirilmiş sürtünme katsayısının 0.30, eksenel yüksüz durumdaki kayma dayanımın ise 0.09 MPa olarak elde edildiği görülmüştür. Literatürde yaygın olarak kullanılan ve donatısız yığma duvarlar için geliştirilmiş iki farklı göçme zarfı modeli ile yapılan dayanım tahminleri oldukça başarılı olmuştur. Son olarak, performansa dayalı değerlendirme yöntemlerine esas teşkil eden performans düzeylerinin (Hemen Kullanım, Can Güvenliği ve Göçmenin Önlenmesi) karşı gelebileceği öteleme oranı değerleri deneysel sonuçlar gözönünde bulundurularak tespit edilmeye çalışmıştır. Elde edilen sonuçlar belli başlı yönetmeliklerle karşılaştırılmış ve bunun sonucunda, özellikle kesme etkilerinin hakim olduğu farklı duvar tipleri için yürütülecek deneysel çalışmaların bu yönetmeliklerin daha da geliştirilmesi açısından gerekli olduğu sonucuna ulaşılmıştır.Beşinci bölüm, bu çalışmada ele alınan ve basınç ve kayma deneyleri gerçekleştirilen duvarların sonlu elemanlar yöntemi ile sayısal ortamda modellenmesini içermektedir. Bu maksatla, genellikle dinamik olayların analizinde kullanılan açık çözüm yöntemi statik deneyler için uyarlanmıştır. Modelin oluşturulması esnasında mikro-modelleme yaklaşımı takip edilmiştir. Bu yaklaşım için dış tabakaları oluşturan taş birimler, moloz dolgu çekirdek, taş birimleri birbirine bağlayan kenetler ayrı ayrı geometrik modele dahil edilmiş. Duvarın bu bileşenlerinin birbirleri arasındaki bağlantıların mekanik özellikleri tanımlanmış ve her bir bileşenin kendine ait malzeme mekanik özellikleri malzeme deneylerinden elde edilen sonuçlar kullanılarak sonlu elemanlar programına girilmiştir. Bu çalışma sonucunda, deneylerde gözlenen hasar gelişimi, göçme modları, gerilme ve şekildeğiştirme dağılımları, çatlak ve yük-yerdeğiştirme ilişkileri oldukça başarılı bir şekilde elde edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Having a long dating history Turkey has been home to numerous civilizations starting from pre-historic ages. Apart from artefacts and goods, the most distinctive physical remains are the structures such as houses, city walls, castles, state buildings, religious structures and infrastructure systems around which these civilizations had flourished. Most of the historical structures in Turkey are under high seismic risks since the overall seismicity of the region is considerably high. Particularly, in and around the old imperial city of Istanbul, where thousands of monumental structures from the Byzantine, Roman and Ottoman periods exist, this risk is even more solid. Since the knowledge on the traditional masonry walls and masonry constituents of the historical structures in Turkey is scarce, particularly from the structural engineering perspective, new experimental and analytical studies are needed for development of well established assessment and intervention procedures. This study intends to enlarge the experimental and theoretical data concerning the behaviour of the multi-leaf stone masonry walls under cyclic in plane loads that represent the seismic effects.In order to achieve this purpose, the mechanical characteristics of multi-leaf stone masonry walls of classical era Ottoman Imperial structures are investigated through an experimental and analytical campaign. A prototype wall, representative of the investigated walls is designed and scaled down wall specimens produced for testing are sujected to combined axial and inplane shear forces. Besides the tests of these walls, mechanical characteristics of the components of historical masonry walls are also examined through material tests. Finally, a micro-modelling approach is followed for explicit finite element modelling of the tested specimens.This study consists of five main parts. In the first part, the wall typologies observed in the classical age Ottoman monumental structures are investigated through literature and site surveys and main characteristics of a prototype wall are set. A survey of the existing limited literature on the main aspects of the historical masonry walls of classical age Ottoman period monumental structures reveal that it is generally typical for Ottoman architecture, particularly for the monumental structures in and around Istanbul, to have thick cut stone block layers made of limestone (Küfeki) covering the cores of the walls that generally consists of rubble stone and mortar. Limestone blocks are generally connected to each other via metal cramps (and in some cases with pins), which are fixed to the stone units with molten lead, in case no mortar is used between the units. The site surveys to three ancient structures, where these details could be partially observed due to existing damage, also back the literature supplied information and supply some numerical values on the geometrical aspects.The second part aims to investigate the mechanical characteristics of the constituent materials utilized in historical stone masonry walls. Several tests are performed on materials such as single Küfeki stone units, mortar prisms, rubble masonry standard cylinders, original and new iron reinforcements. As a result of these material tests; mechanical characteristics (such as compressive strength, Young?s modulus, tensile strength, friction coefficient, stress-strain diagrams) of the constituents are obtained in details. Moreover, uniaxial compression tests performed on single- and multi-leaf stone assemblies are also presented. Accordingly, the mean compressive strength of limestone material is obtained to be around 18 MPa through testing of single units. However, in case the stone units are juxtaposed and single-leaf masonry prisms are tested, the mean strength almost halves. Uniaxial compression tests on multi-leaf walls addresses to an even lower compressive strength value that is about 20% of the single-unit tests (~3.7 MPa). One striking feature observed during the tests is the wide scatter obtained even for the compressive strength of single unit stone specimens. The shear behaviour of the dry joints between the stone units is characterized via a number of initial shear tests. In addition to that, the effect of surface texture on the shear behaviour of dry joints is also investigated. The coefficient of friction value for smooth interfaces is obtained as 0.76, while it is 0.74 for rough interfaces. The lower friction coefficient of the rough surfaces can be attrıibuted to the decreased effective contact area of rough surfaces. Uniaxial compression and splitting tests on rubble masonry standard cylinders indicate that the heterogeneous structure of the composite material, that is formed by a mortar matrix and randomly distributed stone pieces placed without compaction, leads to a significant scatter in the mechanical characteristics. The chemical, microscopic and metallurgical investigations carried out on the original cramps obtained from Edirne II. Bayezid Mosque show that the original metal material used for production of cramps and pins had very low carbon content and exhibited a mainly ferritic character with several slags and oxides in the microstructure. By using the empirical equations available in the literature, an approximate tensile strength in the order of 300-350 MPa can be obtained, so that a representative steel material was choosen for the experimental study.Third part aims to investigate the effects of three main parameters on the shear behaviour of historical multi-leaf stone masonry walls. These parameters are: Variation of pre-compression stress, existence of cramps and pins and existence of rubble masonry core. The series of experiments consist of quasi-static cyclic shear tests performed on eight 1/3 scaled-down model walls (1.20 ? 1.20 ? 0.30 m in size). During the application of lateral displacement cycles, vertical stress level is kept constant as one of the following values: 0.25, 0.50, 0.75 and 1.00 MPa. The shear compression tests provided extensive data on the failure modes, lateral load capacity, ductility, damage characteristics and energy dissipation capabilities. In general, the walls exhibited a shear-dominated failure mode, which is a mixture of the shear and flexure type modes. The damage evolution generally started with vertical cracks passing through the stone units that can even emerge at small lateral displacement levels. Further increase of the lateral displacement caused the arise of shear damage in the form of diagonal cracks and vertical cracks aligned on a diagonal band. After opening of the widespread diagonal cracks and failure of some of the cramp anchors, a rocking-type mechanism took place about the lower corners of the walls. Utilization of cramps was seen to be influential on the crack distribution. However, since the tensile strength of the stone units are low, cracking of units inhibited the effective utilization of cramp reinforcement. Despite that, considerable increase in lateral load and displacement capabilities of cramp reinforced walls was observed with respect to the unreinforced masonry wall. The introduction of pins enhanced the load and deformation capacities. Comparison of the shear test results of single-leaf and multi-leaf walls show that the existence of the low strength rubble masonry enhance the integrity of the wall, so that stresses can be better distributed among the stone units. The obtained hysteresis loops showed that the walls exhibited a highly nonlinear response with significant residual displacements after each load reversal.In the fourth part, the experimental envelopes of tested walls are idealized with bilinear curves. Additionally, a number of parameters; such as strength, ductility, stiffness, energy dissipation and damping, which are the main indicators of seismic performance are evaluated. Accordingly, all walls exhibited considerable deformation (with ductility values that vary between 5.2 and 10.7) and energy dissipation capabilities (equivalent damping ratios varying between 8 and 21%). An increase in the axial stress level led to higher initial secant stiffness values under lateral actions. Unlike the introduction of pins, the introduction of cramps did not bring an increase in the stiffness parameter. An analogy with the Mohr-Coulomb expression given by the Eurocode 6 (1996) and Turkish Seismic Design Code (2007) showed that the shear strength under zero compression strength was about 0.09 MPa while the global friction coefficient turned out to be 0.30. Furthermore, reasonably good predictions are made by using two widely used failure criterion available in the literature. Finally, comparison of drift ratios of performance levels (such as immediate occupancy, life safety and collapse prevention) recommended by a number of major codes and guidelines showed that there exists a strong need for further experimental and analytical studies, and modification of these documents.The fifth part aims to develop a finite element model that can successfully predict the damage development and load-displacement response of the tested uniaxial compression and shear compression specimens. For this purpose an explicit analysis is carried out by following a micro-modelling approach. For both types of tests, the development of damage, locations of cracking and crushing, load flow paths and load-displacement response are successfully predicted by the developed explicit finite element model.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    293641

    Çift cidarlı moloz dolgulu tarihi taş duvarların yatay yükler altındaki davranışının deneysel olarak incelenmesi

    Experimental investigation of the seismic behaviour of multi-leaf historical stone walls

    EMRE DOĞU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALPER İLKİ

  2. Tez No

    606414

    Tarihi üç tabakalı taş duvarların düzlemdışı deprem hasar limitlerinin deneysel ve sayısal yöntemlerle belirlenmesi

    Determining out-of-plane earthquake damage limits of historical three-leaf-masonry walls using experimental and numerical methods

    GÖKHAN YÜCEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    İnşaat MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM SERKAN MISIR

  3. Tez No

    445066

    Türkiye'deki tarihi kemerli yığma demiryolu köprülerinin deprem davranışının incelenmesi

    Seismic behaviour evaluation of masonry arch railway bridges in Turkey

    FATİH GÖKHAN GÜRÜN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KASIM ARMAĞAN KORKMAZ

  4. Tez No

    726377

    Tarihi Emir Saltuk kümbeti dinamik kimliklendirme çalışması

    Dynamic identification study of Emir Saltuk cupola

    YUSUF GEDİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    İnşaat MühendisliğiErzurum Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ DİLEK OKUYUCU

  5. Tez No

    647740

    Tarihi kemer köprünün düzlem içi ve düzlem dışı deprem davranışının incelenmesi

    Investigation of the in-plane and out-plane earthquake behavior of the historical arc bridge

    BETÜL NİHAN ÜSTÜN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    İnşaat MühendisliğiBartın Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ EMİN HÖKELEKLİ

Geri Dön