Out-of-plane behaviour assessment of double-leaf masonry walls and numerical model for nonlinear analysis
Çift yapraklı yığma duvarların düzlem dışı davranışlarının değerlendirilmesi ve doğrusal olmayan analiz için sayısal model önerilmesi
- Tez No: 944688
- Danışmanlar: PROF. DR. İHSAN ENGİN BAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 205
Özet
Bu doktora tezi, deprem etkileri altında en yaygın ve yıkıcı hasar türlerinden biri olan güçlendirilmemiş yığma (URM) duvarların düzlem dışı (out-of-plane, OOP) davranışlarını kapsamlı bir şekilde analiz etmekte ve bu zayıf yapı elemanlarının sismik performanslarının iyileştirilmesine yönelik deneysel ve sayısal çözüm önerileri sunmaktadır. Yığma yapılar, insanlık tarihi boyunca yaygın biçimde kullanılmış olmakla birlikte, modern mühendislik gereklerini karşılayacak şekilde sismik dayanım sergilememeleri sebebiyle özellikle deprem riski altındaki bölgelerde önemli bir tehlike arz etmektedir. Bu çalışmanın temel amacı, özellikle çift yapraklı yığma duvar sistemlerinin OOP davranışlarının güvenilir biçimde test edilmesi ve modellenmesi yoluyla mühendislik uygulamalarına katkı sağlamaktır. Çalışmanın özgünlüğü, hem laboratuvar ölçeğinde gerçekleştirilen sarsma tablası testleriyle gerçek sismik davranışın gözlemlenmesine, hem de ileri düzey sayısal modelleme teknikleriyle bu davranışın analitik olarak tahmin edilmesine olanak tanıyan kapsamlı bir araştırma planına dayanmasından kaynaklanmaktadır. Tez kapsamında yürütülen deneysel çalışmalar, Hollanda'nın Groningen bölgesinde yer alan ve doğalgaz çıkarımı nedeniyle son yıllarda sık sık indüklenmiş depremlere maruz kalan yapılar esas alınarak gerçekleştirilmiştir. Groningen, hem doğal hem de antropojenik kaynaklı sismik olayların etkilerinin yapı davranışına yansımasının incelenmesi açısından eşsiz bir doğal laboratuvar sunmaktadır. Deneysel çalışma kapsamında, Groningen bölgesinde yaygın olarak karşılaşılan çift yapraklı boşluklu (cavity) ve dolu (solid) yığma duvar tipolojilerini temsil eden toplam 16 adet tam ölçekli duvar numunesi özel olarak tasarlanmış bir sarsma tablası üzerinde test edilmiştir. Duvar numuneleri arasında, güçlendirilmemiş referans duvarlar ile çeşitli modern güçlendirme teknikleriyle iyileştirilmiş sistemler yer almaktadır. Kullanılan güçlendirme yöntemleri arasında, harç derzlerine entegre edilen helisel çubuklar, derinlemesine yerleştirilmiş karbon fiber şeritler ve temel düzeyinde uygulanan enerji sönümleyici köpük beton sistemleri öne çıkmaktadır. Bu tekniklerin her biri, taşıma kapasitesi, yer değiştirme dayanımı, rijitlik ve sismik enerji sönümleme kabiliyeti açısından sistematik olarak değerlendirilmiştir. Tezde, yapı bileşenleri arasındaki etkileşimin özellikle düzlem dışı davranış üzerindeki rolü detaylı biçimde incelenmiştir. Özellikle duvar ile kat döşemeleri arasındaki etkileşim, histeretik eğriler aracılığıyla analiz edilmiş ve bu ilişkinin yapı sisteminin genel dinamik tepkisinde belirleyici olduğu görülmüştür. Ahşap döşemeler ile yığma duvarlar arasındaki bağ, doğrusal olmayan ve asimetrik yük-deplasman eğrileri ile karakterize edilmiş; bu durum, deprem yüklemesi altındaki yapı elemanlarının birlikte çalışmasının önemini vurgulamıştır. Ayrıca, farklı kat kiriş konfigürasyonlarının ve yatay yük aktarma bileşenlerinin, yapı sisteminin rijitlik dağılımı ve sismik deformasyon paternleri üzerindeki etkileri de gözlemlenmiştir.Kalın temelli duvarlar üzerinde yapılan testler, temel tipi ve rijitliğinin, duvarların OOP davranışında ne derece etkili olduğunu göstermektedir. Köpük beton ile entegre edilen temeller, duvar sisteminin deformasyon kapasitesini artırarak enerji sönümleme potansiyelini belirgin biçimde yükseltmiştir. Bununla birlikte, bu sistemlerin sahada uygulanabilirliğinin, işçilik detayları ve uzun vadeli davranışları açısından daha ileri çalışmalarla desteklenmesi gerekmektedir. Çalışmanın ikinci ayağını oluşturan sayısal modelleme bölümü, deneysel verilerin analitik ve hesaplamalı yöntemlerle temsil edilebilmesini hedeflemektedir. Bu kapsamda, düzlem dışı yükler altındaki duvar davranışını temsil edebilecek iki doğrusal (bi-lineer) ve üç doğrusal (tri-lineer) elastik olmayan idealize modeller önerilmiş ve deneysel verilerle kalibre edilmiştir. Bu modellerin geliştirilmesinde, moment-deplasman ilişkileri, rijitlik bozulumu, plastik şekil değiştirme bölgeleri ve yer değiştirme kapasiteleri gibi parametreler dikkate alınmıştır. Modelleme sürecinde bir diğer yenilikçi yaklaşım, genişletilmiş sonlu eleman yöntemi (XFEM) kullanılarak geliştirilen üç boyutlu sayısal modellerdir. XFEM, çatlak oluşumu ve yayılımının önceden tanımlı çatlak yollarına bağlı kalmaksızın analiz edilmesine olanak tanımaktadır. Bu yöntem, özellikle malzeme doğrusal olmayanlığının ve geometrik karmaşıklığın baskın olduğu yığma yapılar gibi heterojen sistemlerin modellenmesinde son derece etkili bir araç olarak öne çıkmaktadır. Sayısal analizler, Abaqus 2023 yazılımında, kullanıcı tanımlı alt programlara gereksinim duyulmaksızın Newton-Raphson yöntemi ile çözülmüştür. Modellerde, tuğla birimlerinin ezilme davranışı Drucker-Prager plastisite modeliyle, harç derzlerinin kayma ve çekme davranışları ise yüzey tabanlı kohezyon modeliyle temsil edilmiştir. Modelleme sonuçları, deneysel bulgularla yüksek düzeyde uyum göstermiştir. Bu çalışmanın mühendislik pratiğine yönelik katkıları, özellikle yapı stoğu içerisinde yaygın olan URM yapıların güçlendirme stratejilerinin belirlenmesi, performans değerlendirmelerinin yapılması ve yeni yapı tasarımlarında kullanılabilecek parametrik modellerin geliştirilmesi gibi çok yönlü alanları kapsamaktadır. Deneysel bulgular, yapı mühendislerine, yapıların sismik tepkilerinin anlaşılması ve iyileştirilmesi konusunda somut veriler sunmakta; sayısal modeller ise analitik doğrulama ve optimizasyon çalışmaları için güvenilir araçlar oluşturmaktadır. Gelecekteki çalışmaların yönü, daha gerçekçi kütle dağılımları, çoklu sismik yüklemeler ve farklı temel tiplerinin performansa etkisi gibi parametreleri içerecek şekilde genişletilebilir. Ayrıca, yığma duvar davranışının mikro-mekanik düzeyde modellenmesi ve bu modellerin yapay zekâ, makine öğrenmesi ve veri madenciliği gibi çağdaş analiz araçlarıyla bütünleştirilmesi, daha hassas ve öngörücü analizlerin yapılmasına olanak tanıyacaktır. Bu sayede, sismik riski yüksek bölgelerde yer alan yapıların güvenlik seviyeleri artırılarak can ve mal kayıpları en aza indirilebilir. Sonuç olarak bu doktora tezi, hem deneysel hem de ileri düzey sayısal analizleri bir araya getirerek, güçlendirilmemiş çift yapraklı yığma duvarların düzlem dışı sismik davranışlarını detaylı biçimde inceleyen öncü bir çalışmadır. Literatürde yer alan sınırlı çalışmaları tamamlayıcı nitelikte olan bu araştırma, aynı zamanda gelecekte yapılacak çalışmalara sağlam bir altyapı sunmaktadır. Elde edilen deneysel veriler ve geliştirilen modeller, yalnızca akademik camiada değil, aynı zamanda sahadaki mühendislik uygulamalarında da kullanılabilirliği olan pratik sonuçlar üretmektedir.Bu kapsamda tez, hem tarihî hem çağdaş yığma yapıların daha dayanıklı hale getirilmesi, mevcut yapıların güvenli şekilde güçlendirilmesi ve yeni yapıların modern tasarım ilkeleri çerçevesinde inşa edilmesine katkı sağlayacak bilimsel bir kaynak olma niteliği taşımaktadır. Böylece, deprem mühendisliği disiplinine sadece yöntemsel değil, aynı zamanda uygulamalı ve stratejik düzeyde katkı sağlayan bütüncül bir çalışma ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a comprehensive assessment into the out-of-plane (OOP) behaviour of unreinforced masonry (URM) walls, a critical vulnerability during strong seismic events. Through shake table experiments conducted on a range of wall specimens—including those representing buildings in the Groningen region of northern Netherlands—the research evaluates the dynamic response of masonry walls and the effectiveness of various seismic reinforcement strategies. The experimental program encompasses both standard and strengthened walls, aiming to highlight the influence of structural configuration and strengthening methods on seismic performance. Although widely used throughout history, masonry is inherently vulnerable to seismic loading due to its limited resistance to out-of-plane (OOP) forces. Masonry walls often reach their ultimate capacity and collapse in the OOP direction long before their in- plane strength is fully mobilized. This makes OOP failure one of the most common and critical modes of collapse during earthquakes. This thesis addresses the challenges of realistically testing and interpreting the OOP behaviour of masonry walls, where inertia-driven forces govern the structural response. The Groningen region, characterized by induced seismicity resulting from natural gas extraction, offers a unique context for studying the seismic behaviour of early 20th- century masonry structures. In total, sixteen wall specimens were tested, comprising both reference models and specimens strengthened using modern techniques such as deep-mounted carbon fibber strips, helical bars embedded in mortar joints, and vibration-absorption foamed concrete at the foundation level. These specimens were subjected to dynamic loading on a custom-designed shake table that replicates the specific seismic characteristics of the Groningen gas fields. A novel aspect of the research is the incorporation of story beams within the load- bearing surfaces of the walls—an innovative contribution to existing literature that enhances understanding of wall-floor interaction under seismic loading. Experimental results showed that reinforced double-leaf cavity walls exhibited significantly higher load-bearing capacity and stiffness compared to unreinforced walls. The interaction between timber floors and masonry further revealed non-linear, asymmetric hysteretic behaviour, indicating a complex interplay among structural components under seismic excitation. Likewise, solid masonry walls with reinforcement demonstrated increased resistance and reduced displacement. The inclusion of carbon fibber strips and helical bars notably improved OOP performance, underscoring the effectiveness of these strengthening methods. Walls with thicker foundations displayed distinct structural characteristics. While their overall performance aligned with other reinforced walls in terms of strength and stability, their unique configurations introduced specific engineering challenges. Notably, the integration of foamed concrete into the oundationenhanced displacement capacity, contributing to greater energy dissipation under seismic loading. To enhance the predictive accuracy of analytical models, this thesis introduces bi- linear and tri-linear inelastic formulations specifically developed for the out-of-plane (OOP) behavior of masonry walls. These models are calibrated using experimental data to fine-tune key parameters influencing wall response. The results underscore the critical role of wall geometry, reinforcement methods, and testing conditions in the seismic performance of unreinforced masonry (URM) walls. Additionally, referenced walls were numerically modeled using a simplified micro- modelling approach that integrates the extended finite element method (XFEM) with plasticity-based constitutive models. This 3D nonlinear method simulates the OOP cyclic and dynamic behavior of masonry under earthquake loads. The Drucker-Prager plasticity model captures masonry crushing, while surface-based cohesive behavior simulates joint interactions. XFEM enables crack propagation without predefined paths. Simulations were performed in Abaqus 2023 using the Newton-Raphson method without user-defined subroutines. Future research directions include incorporating more realistic mass distributions in experimental setups, assessing the cumulative effects of repeated seismic events, and further developing reinforcement technologies to enhance the practical application of seismic retrofitting. Such efforts will contribute to improved resilience of vulnerable masonry structures, particularly in regions affected by induced or natural seismic activity.
Benzer Tezler
- Türk ve İtalyan Ceza Hukukunda güvenlik tedbiri kuramı ve kişi hürriyetini sınırlandıran güvenlik tedbirleri
The theory of security measure and personal security measures limiting personal freedom in Turkish and Italian Criminal Law
BATUHAN AKTAŞ
- Kentsel atıksu arıtma tesisi mikrobiyal yapısı ve işletme performansının beklenen tasarım kabulleri ile karşılaştırılması
Comparison of microbial structure and operating performance of urban wastewater treatment plant with design assumptions
SEFERHAN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN ÖVEZ
- Ayırımsız nötron aktivasyon analizi sonuçlarını kullanarak geliştirilen hava kirliliği analiz yönteminin İzmir iline uygulanması
Application of an air pollution analysis method develoged based on the results of the non-destructive neutron activation analysis to the province of İzmir
ORHAN ŞEN
- Betonarme çerçevelerde yenilikçi çift kademeli eğilmeli çelik sönümleyicilerin deneysel olarak incelenmesi
Experimental assessment of moment resisting rc frames with innovative double-stage steel yielding dampers
ÖMER KARAGÖZ
Doktora
Türkçe
2024
Deprem MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MİZAN DOĞAN
- Teknoloji yönetimi
Technology and strategy
DEVRİM YÜCEL
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. HALUK ERKUT