Yığma yapılarda taşıyıcı tuğla duvarların hasır donatılı horasan harcı ile güçlendirilmesinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of the strengthening of masonry walls with steel mesh reinforcement horasan mortar in masonry structures
Yazar: VOLKAN ÖZTAŞ
Danışman: PROF. DR. NECDET TORUNBALCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mimarlık = Architecture ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Harman tuğlası = Moulded brick ; Hidrolik kireç = Hydraulic lime ; Tuğla duvarlar = Brick walls ; Yapısal güçlendirme = Structural empowerment ; Çelik hasır = Steel mesh

Özet:
İnsanlık tarihinin başlangıcından beri insanların yerleşim ihtiyacı, yaşamsal gerekliliğin en önemli unsurlarından birini oluşturmaktadır. Bu gereklilik pek çok yapı tekniğinin gelişmesine ön ayak olmuştur. Mağaralardan ağaç evlere, kerpiç evlerden taş evlere, tuğla yapılardan betonarme yapılara uzanan bu yolculukta, taşıyıcı sistemlerine ve estetik olgulara göre gittikçe gelişen yapı teknikleri oluşmuştur. Bu yapı teknikleri incelendiğinde, modern çağlarda bulunan çelik ve betonarme sistemlerden önce, en yaygın kullanılan metotlardan biri çeşitli geleneksel malzemelerden yapılan modüllerin bir bağlayıcı aracılığıyla birleştirilerek düşey ve yatayda taşıyıcı bir yapı oluşturulmasıdır. Bu çeşit yapılara yığma yapılar adı verilir. 
Topraktan yapılan kerpiç tuğlalar, çeşitli boyutlarda kesilen taşlar, kalıplara dökülerek pişirilen kil tuğlalar yığma yapım sisteminde kullanılan geleneksel malzeme örneklerindendir. Dolu gövdeli yığma tuğla yapılar taşıyıcılık açısından güçlü ve uygulama açısından da nispeten daha kolaydır. Yığma tuğla sistemleri, bir bağlayıcı harçla birleştirilen, çeşitli kalınlıkta tuğla duvarlardan oluşur. İstanbul gibi tarihi yapılar açısından zengin bir şehirde, bu sistemle yapılmış pek çok bina bulunmaktadır. Bu yığma yapılar zamanın, insanları ve doğanın yıpratıcı etkilerinden kaynaklanan hasarlara uğramaktadır. Gelecek kuşaklara tarihi değerlerin ulaştırılması sorumluluğu ile bu binaları koruma, güçlendirme ve yeniden kullanıma açma konuları önemli hale gelmektedir. 
Yığma yapıların yatay yükler sonucu oluşan çekme gerilmelerini alacak çekme elemanlarına sahip olmamaları ve bu yükler karşısında ağır hasarlara uğramaları nedeniyle güçlendirilmeleri önemli olmaktadır. Bu bağlamda, tez çalışmasının amacı, tarihi yığma yapıların güçlendirilmesinde, çimento ve modern puzolonlar içermeyen harçlar kullanılarak bir güçlendirme sisteminin geliştirilmesidir. Bu çeşit bir güçlendirme tarihi yapılardaki mevcut tuğla ve harçlara zarar verebilecek çimento gibi malzemelerin kullanımın önüne geçilmesini ve güçlendirilen yapıların daha uzun ömürlü olmasını sağlayabilir. Bu çalışmada tarihi yığma yapıların güçlendirilmesinde, çimento ve modern puzolonlar içermeyen harçlar kullanılarak bir güçlendirme sisteminin geliştirilmesi için yığma tuğla duvarlara yönelik deneysel bir çalışma yapılmıştır. Horasan harcı ile örülmüş yığma tuğlalı duvar örnekleri hazırlanmış ve üzerine hasır çelik donatılı bir güçlendirme harcı uygulaması yapılarak bu duvarlar için özel olarak tasarlanan ve kurulan bir deney düzeneğinde test edilmiştir. Güçlendirilen ve güçlendirilmeyen duvarlar arasındaki dayanım farkı gözlemlenmiştir.
Çalışmada öncelikle yapılması tasarlanan duvarlara yatay yük altında statik yükleme uygulanarak kırılmasını sağlayacak reaksiyon çerçevesi şeklinde bir deney düzeneği tasarlanmış ve yaptırılmıştır. Sonrasında dokuz adet yığma dolu tuğla ve horasan harcı ile 150 x 150 cm boyutlarında ve farklı kalınlıklarda yığma duvarlar örülmüştür. Dokuz duvar toplam altı ay laboratuvar ortamında bekletilmiştir. Altı aylık bekleme süresinin sonunda bu duvarların üç tanesi güçlendirilmeyip yalın halde inşa edilmiş, üç tanesi tek taraflı güçlendirilmiş ve üç tanesi de çift taraflı güçlendirilmiştir. Güçlendirmede puzolan, kireç, tuğla tozu, kum karışımından oluşturulmuş çimento içermeyen bir güçlendirme harcı ve hasır çelik kullanılmıştır. Duvarlar ilk yapıldığı zamandan toplam 24 ay sonra reaksiyon çerçevesinde statik yüklemeye maruz bırakılarak kırılma yükleri ve yerdeğiştirmeler ölçülmüştür. 
Çalışma sonucunda, tek taraflı güçlendirilmiş duvarlarda güçlendirilmemiş duvarlara göre ortalama tepe yükünde %215,73 ve ortalama yer değiştirmede %48,82 oranında artış sağlamıştır. Çift taraflı güçlendirilmiş duvarlarda güçlendirilmemiş duvarlara göre ortalama tepe yükünde %470,86 ve ortalama yer değiştirmede %203,10 oranında artış sağlamıştır. Güçlendirilmemiş duvarlarda bu çalışmadan elde edilen deneysel kesme kuvvetinin Eurocode-6'ya göre %41,23, TBDY-2018'e göre ise %1,41 daha düşük olduğu bulunmuştur. Tek taraflı güçlendirilmiş duvarlarda bu çalışmadan elde edilen deneysel kesme kuvveti Eurocode-6'dan %9,94 ve TBDY-2018'den %6,16 daha düşüktür. Çift taraflı güçlendirilmiş duvarlarda bu çalışmadan elde edilen deneysel kesme kuvveti Eurocode-6'ya göre %3,13 daha yüksek, TBDY-2018'e göre %0,33 daha yüksek bulunmuştur. 
Kesme gerilmeleri açısından incelendiğinde tek taraflı güçlendirilmiş duvarlar, güçlendirilmemiş duvarlara göre ortalama %118,58 daha yüksek maksimum kesme dayanımı artışı göstermiştir. Çift taraflı güçlendirilmiş duvarlar, güçlendirilmemiş duvarlara göre ortalama %202,22 daha yüksek maksimum kesme dayanım artışı göstermiştir. 
Çift taraflı ve tek taraflı çelik hasır takviyeli horasan harcı ile güçlendirilmiş numuneler, güçlendirilmemiş numunelere göre önemli bir dayanım artışı göstermiştir. Bu bulgu, kireç harcı kullanılarak yapılan benzer güçlendirme çalışmaları ile tutarlıdır. Güçlendirilmemiş duvarlar daha gevrek bir kırılma davranışı sergilerken, güçlendirilmiş duvarlar daha sünek bir kırılma davranışı sergilemiştir. Yığma duvarların donatısız yüzeylerinde diyagonal kırılmalar gözlenirken, hasır donatı hatlarında da ızgara çatlakları oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu çalışmanın sonuçları çelik hasır takviyeli kireç harcı ile güçlendirilmiş duvarların, takviyesiz duvarlara göre hem daha sünek davranış gösterdiği hem de daha yüksek dayanım değerlerine ulaştığını ortaya koymaktadır.
Bu çalışma ve literatürde yapılan diğer çalışmalar incelendiğinde genel olarak hasır donatılı horasan harcı ile yapılan güçlendirme sisteminin çeşitli tekstil kumaş veya elyaf kompozitlerle yapılan güçlendirmelere kıyasla daha büyük dayanım artışı sağladığı fakat kısmen daha gevrek bir kırılma yolu izlediği sonucuna varılabilir.
Çelik hasır takviyeli horasan harcı duvarla güçlü bir bağlantı oluşturmakta ve etkili bir şekilde etkileşime girmektedir. Takviye harcı ile duvar arasındaki arayüzde duvar kırıma uğrayana kadar önemli bir delaminasyon oluşmamış, kırılma sonrasında dahi yükün uygulandığı yerde ufak parçalanma dışında herhangi bir ayrılma olmamıştır. Deney düzeneği düzlem dışı hareketleri mümkün olduğunca önleyecek şekilde tasarlanmıştır. Fakat bazı numunelerin yükleme yapılan taraftaki alt köşelerinde kısmi dönme ve temel duvar ara yüzünde kısmi ayrışma gözlemlenmiştir. Özellikle yığma duvarların tek tarafına uygulanan güçlendirme sistemleri, ikincil düzlem dışı eğilme deformasyonları oluşturarak duvarların ön ve arka yüzeylerinde farklı kırılma şekilleri oluşmasına sebep olmuştur. Güçlendirilmemiş ve çift taraflı güçlendirilmiş duvarlar iki yüzeydeki dengeli yapılarından dolayı daha düzlem dışı hareket oluşturmuştur.
Bu çalışmanın sonuçları mevcut literatürle karşılaştırıldığında, çimentolu harç veya puzolan katkılı kireç esaslı harç kullanılmasının dayanım artışı açısından birbirine yakın değerler sağlayabileceği görülmektedir. Ancak takviye için kullanılan kireç bazlı harçlarda puzolan ve yüksek kaliteli kireç kullanılmasının bu tez çalışmasında mukavemeti etkili bir şekilde arttırdığı görülmüştür.
Numune büyüklüğüne göre test yönteminin seçimi uygulama kolaylığı açısından önemlidir. Diyagonal basınç testi tekniği, kurulumunun hızlı olması, deneylerin daha hızlı yapılması ve düzlem dışı dönüşlerin engellenmesi nedeniyle tercih edilebilmektedir. Ancak numune büyüklüğü arttıkça, daha büyük örneklerin diyagonal olarak yerleştirilmesi ve veri toplanması için yeterli sayıda yerdeğiştirme ölçer yerleştirilmesinin daha zor olması çalışmayı güçleştirebilir. Öte yandan basınç altında kesme testi düzeneği kurulumu daha büyük numuneler için daha uygundur. Büyük boyutlu numunelerin test edilmesine ve çeşitli yönlerde birden fazla yerdeğiştirme ölçerin yerleştirilmesine olanak tanır. Ancak bu düzenekte düzlem dışı hareketlerin engellenmesi daha zordur ve üretim maliyetleri daha yüksektir. Bu nedenle uygun deney düzeneği seçilirken bu faktörler dikkate alınmalıdır. 
Malzeme bilimindeki ilerlemeler, kimyasal ayak izi azaltılmış yeni, çevre dostu malzemelerin geliştirilmesine yol açmakta ve mevcut yığma yapıların güçlendirilmesi için uygun maliyetli yöntemlere yönelik araştırma fırsatları sunmaktadır. Gelecekteki çalışmalar, çeşitli yığma duvar güçlendirme yaklaşımlarını kategorize etmek için kapsamlı literatür taraması yaparak en etkili ve ekonomik güçlendirme yöntemlerinin belirlenmesine yol gösterebilir.

Abstract:
People's need for settlement makes up one of the most critical uncertainties of their vital necessity since the beginning of human history. This requirement has led to the development of many building techniques. In this process, which extends from caves to tree houses, from adobe houses to stone houses, and from brick structures to reinforced concrete structures, gradually developing building techniques were formed according to load-bearing systems and aesthetic phenomena. When these construction techniques are examined, one of the most widely used methods was to create a vertical and horizontal load-bearing structure by combining modules made from various traditional materials with a binder before the steel and reinforced concrete systems found in modern times. Such structures are called masonry structures. 
Mud brick structures made of soil, stones cut from various pieces, and clay structures poured into moulds and fired are examples of traditional materials using the masonry construction system. 
The strengthening of masonry structures is significant due to the fact that they do not have tensile elements to take the tensile stresses caused by the horizontal loads and the heavy damage caused by these loads. In this context, this study aims to develop a reinforcement system for the strengthening of historical masonry structures by using mortars that do not contain cement and modern pozzolan. This type of strengthening can prevent the use of materials such as cement that can damage the existing bricks and mortars in the historic buildings and provide a longer life for the strengthened buildings. In this study, an experimental study was carried out on masonry brick walls for the development of a reinforcement system using mortars that do not contain cement and modern pozzolan. In this thesis, samples of masonry brick walls built with Khorasan lime mortar were prepared, and a mortar with mesh steel reinforcement was applied to it. The samples were tested in an experimental setup designed and manufactured for these walls. Thus, the difference in strength between reinforced and non-reinforced walls was analyzed. Better results were obtained in strain and stress values in the one-side reinforced walls compared to the unreinforced walls in this study.
An experimental setup as a reaction frame was first designed and built to break the walls by applying static loading under horizontal load. Then, a masonry wall measuring 150 x 150 cm was built, built with 9 full bricks and Khorasan mortar. Three of these walls are not strengthened but plain, three of them are strengthened on one side, and three of them are strengthened on both sides. A cement-free reinforcing mortar consisting of a mixture of steel mesh and pozzolan-lime-brick-sand was used for the reinforcement.
These nine walls were kept in the laboratory and the breaking loads and displacements were measured by being subjected to static loading in the reaction frame after 24 months. The strength increased, and fracture patterns resulting from the reinforcements were determined. One-sided wall reinforcement increased the average peak load by 215.73% and the average displacement by 48.82%. Two-sided wall reinforcement increased the average peak load by 470.86% and the average displacement by 203.10%. It was found that the experimental shear force in unreinforced walls was 41.23% lower than Eurocode-6 and 1.41% lower than TBDY-2018. In one-sided reinforced walls, the experimental shear force is 9.94% lower than Eurocode-6 and 6.16% lower than TBDY-2018. The experimental shear force in two-sided reinforced walls was found to be 3.13% higher than Eurocode-6 and 0.33% higher than TBDY-2018.
When examined in terms of shear stresses, one-sided reinforced walls showed an average of 118.58% higher maximum shear strength increase than unreinforced walls. Two-sided reinforced walls showed an average of 202.22% higher maximum shear strength increase than unreinforced walls.
Samples reinforced with two-sided and single-sided steel mesh reinforced Khorasan mortar showed a significant increase in strength compared to unreinforced samples. This finding is consistent with similar strengthening studies using lime mortar. While unreinforced walls exhibited a more brittle fracture behavior, reinforced walls exhibited a more ductile fracture behavior. While diagonal fractures were observed on the unreinforced surfaces of masonry walls, grid cracks were also observed to occur in the mesh reinforcement lines. The results of this study reveal that walls reinforced with steel mesh reinforced lime mortar both show more ductile behavior and reach higher strength values than unreinforced walls.
Different reinforcement materials and wall samples of different sizes strengthen masonry walls. The most commonly used materials in related studies are the application of mortar on masonry walls with various fibrous and steel reinforcements. When the studies conducted throughout the literature are examined, it is seen that a strength increase from 20% to 400% can be achieved in one-sided and two-sided reinforcements with different strengthening methods.
When other studies in the literature are examined, it can be concluded that the reinforcement system made with steel-mesh reinforced Khorasan mortar increases strength compared to the reinforcement made with various textile fabrics or fiber composites. Still, it follows a partially brittle fracture path.
Steel mesh-reinforced Khorasan mortar connects strongly with the wall and interacts effectively. During the experiment, no rupture or separation in the form of plates or small pieces was observed between the steel-mesh reinforced Khorasan mortar and the masonry wall surface. When the wall strength ended and fracture began, the partial separation started to occur in the upper region where the load was applied.
Although systems that would prevent out-of-plane movements were added to the experimental setup while designing it, some rotations were observed, especially at the bottom points of the test samples. Even if the current study does not harm the experimental results, additional mechanisms that will prevent these rotations can be considered if larger sizes or thicker walls are examined. 
When the results of this study are compared with the existing literature, it is seen that the use of cementitious mortar or lime-based mortar with pozzolan additives can provide similar values in terms of strength increase. However, in this thesis study, it has been observed that the use of pozzolan and high-quality lime in lime-based mortars used for reinforcement effectively increases the strength.
The effect of sample size on strength is an issue that needs to be examined in reinforcement. However, the construction quality of the wall, waiting times of the samples, differences between loading mechanisms, and other environmental conditions will affect the results.
Advances in materials science are leading to the development of new, environmentally friendly materials with reduced chemical footprints and providing research opportunities into cost-effective methods for reinforcing existing masonry structures. Future studies can guide the identification of the most influential and economical strengthening methods by conducting comprehensive literature reviews to categories various masonry wall strengthening approaches.