Tarihi yapılarda tuğla duvarların karbon lifi tekstil donatılı horasan harcı ile güçlendirilmesinin deneysel olarak incelenmesi
An experimental study of strengthening brick masonry walls with carbon fiber reinforced horasan mortar in historical buildings
Yazar: ORHAN KERTİŞ
Danışman: PROF. DR. NECDET TORUNBALCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Tarihi yapılar kültürel mirasın en nesnel parçalarını oluştururlar, bu yapıların orijinal özelliklerinin korunarak gelecek nesillere aktarılması oldukça önemlidir. Tarihi yapılar inşa edildiği günden günümüze karşılaştığı doğal ve beşerî faktörler sonucunda hasarlara uğrayıp yıkılmaya yüz tutabilmektedirler. Bu yapıların belirtilen faktörler nedeniyle yıkılıp yok olmasını önlemek için onarım ve güçlendirme işlemleri uygulanmaktadır. Tarihi yapılara bu anlamda yapılacak müdahalelerin en az ve en doğru yöntemle yapılması mimari ve yapısal özelliklerinin kaybolmaması için önem taşımaktadır. Fakat bilinçsiz onarım, güçlendirme müdahaleleriyle ve yanlış malzeme kullanımları sonucunda yapılara geri dönüşü olmayan zararlar verilmektedir. Bu nedenden ötürü tarihi yapılara uygulanan onarım ve güçlendirilme işlemlerinde geri dönüşe olanak veren doğru tekniklerle birlikte yapıların özgün özellikleriyle uyumlu malzemelerin kullanılması gerekir.  
Ülkemizde bulunan tarihi yapılar genellikle yığma taşıyıcı sistemde inşa edilmişlerdir ve ana taşıyıcı malzemesi çoğunlukla tuğladır. Ayrıca, yapılmış birçok araştırmaya göre tarihi yapıların inşasında horasan harcının kullanıldığı belirlenmiştir. Bu çalışmada tarihi yapıların özgün özellikleriyle ve malzemesiyle uyumlu, geri dönüşe imkân verebilen bir teknik olan karbon lifi donatılı horasan harcıyla tuğla duvarların güçlendirilmesi deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında tarihi yapıların taşıyıcı tuğla duvarlarının özelliklerini yansıtan model tuğla duvarlar üretilmiş ve güçlendirilmiştir.
İlk olarak, ön deneyler kapsamında model duvarların üretiminde kullanılan harç malzemelerinin ve harman tuğlanın özellikleri belirlenmiştir. Belirlenen malzeme özelliklerine göre örgü ve güçlendirmelerde kullanılacak horasan harcı numuneleri dökülmüştür. Ardından farklı kürleme koşullarına tabi tutulan harçların fiziksel ve mekanik dayanımları belirlenmiştir. Üretilen horasan harçları tarihi yapılarda kullanılmış olan harçlarla benzer bağlayıcı-agrega oranlarına sahiptir. Model tuğla duvarların derzlerinde kullanılan örgü harcının mekanik dayanımının güçlendirme harcına göre daha düşük olması için bağlayıcı-agrega oranı 1:3 olarak belirlenmiştir. Güçlendirme harcının mekanik dayanımının örgü harcına göre daha yüksek olması için bağlayıcı-agrega oranı 1,5:1 olarak belirlenmiştir. 
Deney çalışmalarında, 36 adet 20x20x4,5 cm boyutlarında model tuğla duvarlar örülmüştür. Model tuğla duvarlar 9,5x4,5x2,5 cm ebatlarındaki tuğlalar kullanılarak üretilmiştir. Bu tuğlalar 19x9x5 cm ebatlarındaki harman tuğlaların elmas testere ile kesilmesi sonucunda elde edilmişlerdir. Model tuğla duvarların güçlendirilmesi deney programına göre 3 ayrı grupta incelenmiştir, her grupta 12 adet numune bulunmaktadır. Model tuğla duvarlar 1.Grup'ta donatısız horasan harcıyla, 2.Grup'ta karbon lifi donatılı horasan harcıyla, 3.Grup'ta şerit karbon lifi donatılı horasan harcıyla güçlendirilmişlerdir. Deneylerde incelenen değişkenler: güçlendirme türü (donatı malzemesi), güçlendirme şekli (tek veya çift yönlü) ve numunelerin hasar durumudur. Deney programına göre her bir grupta bulunan 12 adet model tuğla duvarın 6 adedine yalın durumda diyagonal basınç deneyi uygulanarak hasarlı duruma getirilmiştir. Hasarlı duvarlar hidrolik kireç esaslı enjeksiyon harcıyla onarıldıktan sonra güçlendirilmiştir, 6 adet numuneye ise hasarsız durumda güçlendirme uygulanmıştır. Hasar vermek için yalın model duvarlara uygulanan diyagonal basınç deneyleri sonucunda yalın numunelerin mekanik özellikleri de tespit edilmiştir.
Araştırmada, güçlendirme uygulanan 36 adet model tuğla duvarın mekanik özelliklerini belirlemek için tek eksenli diyagonal basınç deneyi uygulanmıştır. Bu deneyler ile model duvarlara ait göçme yükü, kayma gerilmesi, şekil değiştirme değerleri ve göçme modları belirlenmiştir. Deneylerden elde edilen verilere göre yalın ve güçlendirilmiş model tuğla duvarların mekanik özellikleri karşılaştırılmıştır. Güçlendirme uygulamalarının numunelerin mekanik özelliklerine etkisi değerlendirilmiştir. Buna göre varılan sonuçlar:
o Deneysel çalışma kapsamında gerçekleştirilen güçlendirme uygulamalarının numuneleri mekanik özelliklerine önemli oranda katkı sağladığı tespit edilmiştir.
o Donatısız horasan harcıyla güçlendirme model tuğla duvarların göçme yükünü en fazla %82,5, kayma gerilmesini en fazla %38, şekil değiştirme değerini en fazla %60 oranında arttırmıştır. 
o Karbon lifi donatılı horasan harcıyla güçlendirme model tuğla duvarların göçme yükünü en fazla %160, kayma gerilmesini en fazla %72, şekil değiştirme değerini en fazla %127,5 oranında arttırmıştır. 
o Şerit karbon lifi donatılı horasan harcıyla güçlendirme model tuğla duvarların göçme yükünü en fazla %101, kayma gerilmesini en fazla %44, şekil değiştirme değerini en fazla %85 oranında arttırmıştır. 
o Karbon lifi ve şerit karbon lifi donatılı horasan harcıyla güçlendirmelerin donatısız horasan harcına göre daha yüksek oranlarda numunelerin mekanik dayanımlarına artış sağlamışlardır.
o Karbon lifi donatılı horasan harcıyla yapılan güçlendirme hem hasarsız hem de hasarlı numunelerde en fazla oranda mekanik değer artışı sağlayan güçlendirme türüdür.
o Çift taraflı güçlendirmeler, tek taraflıya kıyasla hem numunelerin mekanik değerlerinde daha fazla artış sağlamış, hem de duvarların daha az hasar almasını sağlayarak bütünlüğü korunmuştur. 
o Hasarlı model tuğla duvarların donatılı harçlarla çift taraflı güçlendirilmesi, hem numunelerin mekanik özelliklerinin daha fazla artmasını sağlamış, hem de duvarların onarılan derzlerden kırılıp dağılmasının önüne geçmiştir. 
o Yalın numuneler diyagonal basınç testi altında ani ve gevrek kırılmalar sonucu göçmüşlerdir.
o Karbon lifi donatılı horasan harcıyla güçlendirilen numuneler, donatısız numunelere kıyasla oldukça sünek davranış sergilemiştir. Bu sayede duvar gövdelerinde ve güçlendirme harçlarında ani kırılmalarla dağılmalar olmamıştır.  
o Donatılı harçlarla yapılan güçlendirmelerde donatı malzemesi duvar yüzeyine ankrajlanmıştır, böylece güçlendirme sıvasının duvar yüzeyinden sıyrılıp ayrışmasının büyük oranda önüne geçilmiştir.

Abstract:
Historical buildings constitute the most objective parts of cultural heritage, it is very important to preserve the original features of these buildings and to pass them on to future generations. Historical buildings can be damaged and collapsed as a result of natural disasters, human-induced damages, climate and biological factors. In order to prevent historical building being demolished and destroyed due to these damages, repair and strengthening processes are applied to historical buildings. In this sense, it is significant to make the interventions to historical buildings at least and with the most correct method in order not to lose the architectural and structural features of the buildings. However, irreversible damages are given to the buildings as a result of unconscious repair, strengthening process and use of improper materials. Therefore, it is necessary to use materials that are compatible with the original features of the buildings together with the right application tecniques that allow to return to its original structure in the repair and strengthening of historical buildings.
In Turkey, the historical buildings are generally built in the masonry system and the main structural material is mostly brick. According to many studies, it was also determined that horasan mortar was used in the construction of historical buildings. The strengthening of brick masonry walls with carbon fiber reinforced horasan mortar, which is a technique suitable with the original features and materials of historical buildings and can allow reversing, was experimentally investigated. During this experimental study, the model walls which reflects the characteristic of the historical buildings' masonry brick walls were built and strengthened. 
First of all, preliminary experiments were carried out to determine properties of mortar materials and brick. In the production of horasan mortar, Brick ballast and river sand were used as aggregates, hydraulic lime and trass (natural pozzolan) were used as binders. Performed experiments on mortar materials according to TS standards are apparent density, real density, sieve analysis and pozzolanic activity test. Specimens of horasan mortar used in joint and plaster were produced in according to the material properties determined as a result of the experiments. The horasan mortars used in the experiments were produced to have similar properties with the mortars used in historical buildings. In order to have higher mechanical strength in the plaster mortar than the joint mortar, binder aggregate ratio of plaster mortar has been determined as 1.5:1. The binder aggregate ratio of the joint mortar has been determined as 1:3.
According to the specified mortar material ratios, specimens were prepared for the joint and plaster mortars. The joint and plaster mortar specimens were subjected to different curing conditions and their mechanical strengths were determined by applying compression and bending tests. The joint mortar specimens were cured in a curing oven at high relative humidity for 7 days and 28 days, 90 days under ambient conditions. In addition to the curing conditions of joint mortar specimens, the plaster mortar specimens were cured in ambient conditions for 28 days and 90 days, provided that they were moistened with water for first 7 days. Furthermore, the plaster mortar specimens were cured in polyethylene bags for the first 7 days in their own humidity, and then they were cured under ambient conditions for 21 days. According to the tests performed on the joint and plaster mortar specimens cured in different processes, the results:
o It has been determined that the mechanical strength of the mortars increased in parallel with the curing time.
o It has been determined that high relative humidity and temperature have a great effect on increasing the mechanical strength of mortars.
o It has been determined that humidifying the mortar with water for the first 7 days plays an important role in increasing the strength of the mortar.
Moreover, in order to determine the physical properties of the mortar specimens, the tests which are water absorption coefficient by capillarity, water absorption at atmospheric pressure and apparent density were performed according to TS standards.
In the scope of experimental study, 36 model brick walls with dimensions of 20x20x4.5 cm were built. The model walls were built with bricks produced by cutting the clay bricks(19x9x5 cm) in the dimensions of 9,5x4,5x2,5 cm. Joint mortar, which is a horasan mortar, was used in 10 mm thickness to build the model walls. According to the experiment program, strengthening of the model brick walls was examined in 3 groups and there were 12 specimens in each group. The model brick walls were strengthened with unreinforced and carbon fiber reinforced horasan mortars. In order to compare and evaluate the results of the experiments performed after the strengthening studies, the experimental program was prepared considering different variable conditions. The variables investigated in the experimental groups:
o Type of reinforcement (reinforcement material used)
o Damage condition of the model wall (damaged or non-damaged)
o Strengthening form (single or double sided strengthening)
Based on the specified variables, the model brick walls are divided into 3 different groups according to the type of reinforcement. Reinforcement types of groups:
o Group 1: unreinforced horasan mortar
o Group 2: carbon fiber reinforced horasan mortar
o Group 3: ribbon carbon fiber reinforced horasan mortar.
According to the test program, there are 12 model brick wall specimens in each group, half of these specimens were strengthened in damaged condition and the other half was strengthened undamaged. In both damaged and undamaged conditions, single side of the three specimens were strengthened, while double sides of the other three specimens were strengthened. For each variables, 3 specimens model walls were tested to obtain more precise data. Strengthening processes were applied after the 36 plain model walls were cured under ambient conditions for 90 days.  Diagonal compression test without strengthening was applied to the half of the model brick walls (18 specimens) to make them damaged. The damaged model walls were firstly repaired with injection lime-based repair mortar and then strengthened. Also, mechanical properties of the non-strengthened model walls were determined in the applied compression pressure tests. The other half of the model walls (18 specimens) were strengthened in undamaged condition. In strengthening with reinforced mortars, the carbon fiber reinforcement material was anchored to the wall. After the strengthening applications, 36 model walls were cured for 180 days under ambient conditions.
In the experimental study, uniaxial compression test was applied to determine the mechanical properties of 36 model brick walls with reinforcement. The determined mechanical properties are maximum loads, shear stresses, vertical deformation capacities and failure modes. According to the data obtained from the experiments, the mechanical properties of the non-strengthened and strengthened model brick walls were compared and the effect of the strengthening were evaluated. The results obtained:
o It has been determined that the strengthening applications contribute significantly to the mechanical properties of the specimens.
o Strengthening with unreinforced horasan mortar increased the maximum load, the shear stress and vertical deformation capacity properties of the model walls by up to 82,5%, 38% and 60% respectively.
o Strengthening with carbon fiber reinforced horasan mortar increased the maximum load, the shear stress and vertical deformation capacity properties of the model walls by up to 160%, 72% and 127,5% respectively.
o Strengthening with ribbon carbon fiber reinforced horasan mortar increased the maximum load, the shear stress and vertical deformation capacity properties of the model walls by up to 101%, 44% and 85% respectively.
o It has been determined that strengthening with carbon fiber and ribbon carbon fiber reinforced horasan mortar provide higher maximum load, shear stress and vertical deformation capacity compared to reinforcements with unreinforced horasan mortar.
o In both undamaged and damaged condition, strengthening with carbon fiber reinforced horasan mortar is the type of strengthening that provides the highest maximum load, shear stress and vertical deformation capacity.
o It has been determined and observed that more incresing in the value of maximum load, shear stress and vertical deformation capacity properties of the double-sided strengthened walls compared to single-sided.
o Double-sided strengthening of damaged brick walls with reinforced mortars increased both the mechanical properties of the specimens and prevented the walls from breaking and dispersing from repaired joints.
o Collapse occurred as a result of sudden and brittle fractures under the diagonal pressure test in the non-strengthened model brick walls.
o Under the diyagonal pressure test, unstrengthened model walls (plain wall) collapsed due to sudden and brittle fractures in their joints.
o The model walls strengthened with carbon fiber reinforced horasan mortar displayed a very ductile behavior compared to the unstrengthened model walls, and collapses occurred with the expansion of capillary cracks in the plasters.
o In strengthening with reinforced horasan mortars, the reinforcement material is anchored to the wall surface, thus the stripping and separation of the reinforcement plaster from the wall surface was largely prevented.