Tarihi kireç harcı özelliklerine uygun yeni malzemelerin üretimi ve sayısal analiz için malzeme parametrelerinin belirlenmesi
Production of new materials in accordance with historic lime mortars and determination of material parameters used in numerical analysis
Yazar: SERHAN ULUKAYA
Danışman: PROF. DR. NABİ YÜZER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Tarihi yapılar, özgün biçimi, taşıyıcı sistemi ve malzemesi ile ayakta tutulabildiği oranda başarılı olarak korunuyor demektir. Restorasyon ve koruma yöntemleri disiplinler arasında sürekli tartışma konusu olmuş, 1964 yılında yayınlanan ve ülkemizde de benimsenen Venedik Tüzüğü ile tarihi yapıların onarımı ile ilgili temel ilkeler belirlenmiştir. Bu ilkelerde onarımın uzmanlık gerektiren bir iş olduğu, amacın anıtın estetik ve tarihi değerini ortaya çıkarmak ve korumak olduğu, onarımda özgün malzemenin kullanılması gerektiği vurgulanmaktadır. Ülkemiz 2863 sayılı "Kültür ve Tabiat Varlıklarını Koruma Kanunu"nda, taşınmaz kültür ve tabiat varlıklarının tadilat ve onarımında özgün biçim ve malzeme kullanımı vurgulanmaktadır. Aynı kanunun bir başka maddesinde "Emlak vergisinin %10'u nispetinde 'Taşınmaz Varlıkların Korunmasına Katkı Payı' tahakkuk ettirilir" ifadesi yer almaktadır. Söz konusu yasa bütününde, tarihi yapıların korunmasında özgün malzeme kullanımının önemi ile birlikte ülkemiz ekonomisi içinde oluşturduğu değerin de büyüklüğü dikkat çekmektedir. Açıklanmaya çalışılan anlaşmalar, yasa ve yönetmelikler dikkate alındığında, tarihi yapılar ile ilgili tadilat ve tamiratların geleneksel teknikler uygulanarak özgün biçim ve malzemeye uygun olarak yapılması gerektiği açıktır. Onarımda kullanılacak malzemelerin doğru seçimi için özgün malzeme özelliklerinin çok iyi belirlenmesi gerekir.
Belirtilen gereklilikler neticesinde hazırlanan bu tezin ilk aşamasında, ülkemizdeki üç tarihi yapıdan alınan tuğla ve harç örneklerin görsel, mekanik minerolojik, kimyasal, petrografik ve fiziksel özellikleri belirlenmiştir. Sonraki aşamada, üç tarihi yapıdan elde edilen analiz sonuçları ve literatürde yer alan veriler kullanılarak yeni malzeme üretimleri gerçekleştirilmiştir. Yeni harçların üretiminde kullanılacak puzolanik aktivitesi yüksek horasanın elde edilmesi için dokuz farklı kil pişirme sıcaklığı denenmiştir. En yüksek puzolanik aktivitenin görüldüğü 850°C sıcaklıkta ve puzolanik aktivite görülmeyen 500°C sıcaklıkta pişirilmiş olan tuğlalar kırılıp-öğütüldükten sonra harç üretiminde kullanılmıştır. Özgün harçlar dikkate alınarak 6 farklı harç bileşimi tasarlanmış, bu harçların yukarıda belirtilen tüm özellikleri belirlenmiştir. Özgün malzemelerden farklı olarak, üretilen yeni harçların eğilme dayanımı, elastisite modülü ve Poisson oranı gibi mekanik parametreleri de deneysel olarak belirlenmiştir. Deneysel çalışmanın bir sonraki aşamasında, tuğla-harç kompozit duvar parçaları üretilmiştir. Tüm duvar parçalarında piyasadan temin edilen tek tip harman tuğlası kullanılırken,  duvarların her birinde üretilen altı farklı harçtan biri kullanılmıştır. Üretilen duvar parçalarının düşey yük altındaki davranışını incelemek için düşey ve yatay doğrultudaki yer değiştirmeler ile yük değerleri eşzamanlı olarak kaydedilmiştir. Kaydedilen yük ve yer değiştirme verileri, gerilme ve birim şekil değiştirmeye dönüştürülmüş; bu sayede, duvar parçalarının basınç dayanımı dışında, elastisite modülü ve Poisson oranı gibi sayısal analiz çalışmalarında kullanılan kompozit eleman parametreleri belirlenmiştir. Yığma yapı davranışı konusunda bir başka önemli konu da yığma birimi ile harç arasındaki aderanstır. Üretilen farklı harçlar ile tuğla arasındaki aderansı belirlemek için bir başka kompozit model üretilmiş; deneysel çalışma sonunda başlangıç kayma dayanımı, içsel sürtünme açısı gibi malzeme parametreleri belirlenmiştir. 
Tezin sonuç bölümünde deneysel çalışmalardan elde edilen tüm veriler karşılaştırmalı olarak irdelenmiş ve ortaya çıkan bulgular hakkında sebep-sonuç ilişkisi kurulmaya çalışılmıştır. Bunun dışında, özellikle horasan harçlarında kullanılacak tuğla/kiremit gibi pişirilmiş kil ürünlerin puzolanik aktivitesinin harçların mekanik özellikleri üstünde belirgin şekilde etkili olduğu görülmüştür. Son olarak, incelenen yığma duvarların makro-model analizlerinde kullanılan kompozit eleman parametreleri için bileşen malzeme parametrelerine dayanan bağıntılar geliştirilmiştir.

Abstract:
Conservation of historical buildings is successful if their original shape, structural system and materials are preserved. Restoration and conservation methods are continuously being discussed between different disciplines. The main principles of restoring historical buildings were established in the Venice Charter (1964) published and accepted throughout Europe and also in our country. These principles indicate that the process of restoration is a highly specialized undertaking; its aim is to preserve and reveal the aesthetic and historic value of monuments, which should be based on respect for the original material and authentic documents. Similarly in Turkey, the No. 2863 "The Conservation of Cultural and Natural Heritage" law emphasizes usage of both original materials and keeping original shapes for maintenance and restoration works of cultural and natural properties. At another article in the same law, it is expressed that '10% of real estate tax is assessed for restoration works'. Overall in the above-mentioned law, the importance of utilizing original material for the conservation of historical monuments and its contribution to the national economy is emphasized. When all of these pacts, laws and regulations are considered, it is obvious that maintenance and restoration works of the historical monuments must be carried out by using original materials and keeping the original shape with traditional methods. The original material properties need to be determined in order to select the proper materials that will be used in restoration works.
In the first part of the thesis, characteristics of original building materials for brick and mortar samples from three distinct historical monuments that are located in Turkey were investigated. Visual, mechanical, mineralogical, chemical, petrographic and physical characteristics of both bricks and mortars were defined. In accordance with the original material characteristics, new materials were produced and their characteristics were also determined. Influence of firing temperature on the pozzolanic activity of clay products was also examined by supplying different firing temperatures varying between 500°C and 1100°C. Clays fired at 850°C showed the best performance in terms of pozzolanic activity whereas 500°C fired clays were non-pozzolan. These selected firing temperatures were used to manufacture new bricks and then these bricks were crushed and ground for the production of a special type of lime mortar known as horasan. 
Six different lime mortars were produced having similar characteristics of original ones. In addition to the above-mentioned characteristics, mechanical parameters such as flexural strength, modulus of elasticity and Poisson's ratio were measured for each type of mortar. In the following experimental part of the study, small-scale brick-mortar masonry composites were constructed for each type of mortar. In order to examine the behaviour of these composites under vertical loading, both vertical and horizontal displacements and also load values were recorded simultaneously. The load and the displacements were converted to the stress and strain. Moreover, mechanical properties such as compressive strength, modulus of elasticity and Poisson's ratio used in numerical analysis, were also determined according to data extracted from the compression test. Adherence between brick and mortar plays an important role in the behaviour of the masonry.  Another experimental study was performed to investigate the adherence between each type of mortar and the single-type brick; as a result, the parameters including the initial shear strength, coefficient of friction and angle of internal friction were determined.  
In the conclusions part of the thesis, the test results obtained from the experimental study were discussed and casual relationships were investigated for each material. Furthermore, the significant role of pozzolanicity of clay products on the mechanical properties of horasan mortar was observed. Finally, related with both macro-modeling of masonry walls and the mechanical characteristics of composite elements, new equations based on the parameters of the constituent materials were formed.