Tarihi yapıların statik ve dinamik yükler altında lineer ve non-lineer analizi: Küçük Ayasofya Camii örneği
The Linear and non-linear analysis of the historical buildings under static and dynamic loading: The study of küçük Ayasofya Camii
Yazar: ALİ KOÇAK
Danışman: PROF. DR. TÜRKAN KÖKSAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Doktora, 1999
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Dinamik yükler = Dynamic loads ; Doğrusal olmayan analiz = Nonlinear analysis ; Küçük Ayasofya Camii = Small Ayasofya Mosque ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Statik yükler = Static loads ; Tarihi yapılar = Historic structures

Özet:
Kültürel bir miras olan tarihi yapı ve anıtların korunmasından, restorasyonundan ya da tarihi yapı ve anıta yapılacak müdahaleden önce yapı hakkındaki tüm bilgilerin bilinmesi gerekmektedir. Yüzyıllardır çeşitli savaşlar, yangınlar, depremler ve doğal afetler gören bu yapıların yük taşıma mekanizmasını bilmek, yapıda kullanılan malzemelerin mukavemet ve karakteristiklerini anlamak ve bu anlamda tarihi yapıya müdahale etmek gerekmektedir. Yapısal koruma yada müdahalede yapıya sanatsal, tarihsel, mimari ve mühendislik açısından yani bütün disiplinler açısından yaklaşmak yapının tarihsel anlamının bozulmasını önleyecektir. Bu çalışmada; tarihi yapı ve anıtlara sanat tarihçilerinin, mimarların ve arkeologların bakış açısı altında mühendisçe yaklaşımla yapısal durum saptaması yapılacaktır. Bu saptama yapının zemin ve geoteknik yapısı, malzeme mukavemet ve karakteristiği ile yapı modellenmesi ve hesaplamalardır. Çoğu yığma olarak inşaa edilen bu yapıların, tamir ve takviyesi ile modellenmesi birtakım parametrelerin bilinmesine bağlıdır. Bu parametreler; yapıda kullanılan taş, tuğla ve harç gibi elemanların miktarı, birbirlerine göre oranı, dayanımları, mekanik karakteristikleri ve davranışıdır. Taş yada tuğla ve harçtan oluşan bu yapı elemanının davranışının ne şekilde alınacağı, yapısal takviye ve onarımda kullanılacak teknikler ve malzemeler tek tek araştırılmış ve sonuçlar diğer çalışmalarla irdelenmiştir. On bölümden oluşan bu çalışmanın birinci bölümünde, tarihi yapı ve anıtlarla ilgili yapılan çalışmalar ve bu çalışmanın amacı ile izlenen yol anlatılmıştır. İkinci bölümde, tarihi yapı ve anıtların korunması, takviyesi ile bu amaçla yapılan deneysel çalışmalar anlatılmıştır. Yine bu bölümde, tarihi yapıların korunması, tamir ve takviye yöntemleri belirlenmiştir. Üçüncü bölümde, tarihi yapı ve anıtlar üzerine yapılan çalışmalar anlatılmıştır. Bu çalışmalar, yapı üzerinde yapılan deneyler, malzeme deneyleri, sarsma tablası deneyleri, serbest titreşim deneyleri, üç boyutlu analiz, güçlendirme ve onarım yöntemleri ile onarılmış yapılar üzerinde yapılan deneylerdir. Konu ile ilgili çalışmalara ışık tutacak olan bu değerli çalışmalar, yapılan deneylerin amacı, yapılış şekli ve sonucu şeklinde yazılmıştır. Dördüncü bölümde, Osmanlı ve Bizans yapılarında kullanılan taş, tuğla teknikleri ile duvar yapımları ve bu duvarlar üzerinde yapılan deneysel çalışmalar anlatılmıştır. Sonraki çalışmalara ve diğer tarihi yapıların onarım ve takviyesine yardımcı olmak amacıyla taş, tuğla ve harç teknikleri yüzyıllara göre ayrılmıştır. Beşinci bölümde, İstanbul ve çevresindeki tarihi yapılarda sıkça kullanılan kireçtaşı ve bu taşın mühendislik büyüklükleri anlatılacaktır. Kireçtaşı üzerinde yapılan mekanik deneyler ve sonuçlarının anlatıldığı bu bölümde yapılan deneysel çalışmalarla önceki çalışmalar karşılaştırılmıştır. XIVAltıncı bölümde, yapı ve duvar modellerinde kullanılan plastisite teorisi ve plastik analiz yöntemi üzerinde durulmuştur. Ayrıca malzeme ve geometri yönünden non- lineer davranış anlatılmış, hesap yöntemleri ve kabulleri belirlenmiştir. Yedinci bölümde, hem yapısal modellemede ve hem de duvar elemanlarının modellenmesinde kullanılan sonlu elemanlar yöntemi anlatılmıştır. Özellikle modellemede ele alınan şekil fonksiyonları ile önceki bölümde tespit edilen sonlu eleman ağ büyüklükleri bu bölümde ayrıntılı olarak ifade edilmiştir. Sekizinci bölümde, tuğla-harç yada taş ve harçtan oluşan yığma duvarların davranışı belirlenmeye çalışılmış ve yapısal modellemede bu tür kompozit elemanın ne şekilde ele alınacağı tespit edilmiştir. Ayrıca modellemede yapının sonlu eleman büyüklükleri de belirlenmiştir. Dokuzuncu bölümde, tarihi yapıların tamir ve takviyesi ile statik-dinamik analizini belirlemek amacıyla bir örnekleme yapılmıştır. St. Sergius and Bacchus Kilisesi (Küçük Ayasofya Camii)' nin örnek alındığı bu bölümde yapı üzerinde yapılan deneysel çalışmalarla, analitik hesaplar anlatılmıştır. Sonuç bölümünün yeraldığı onuncu bölümde, tüm bu çalışmalar sonucunda elde edilen bulgularla, yöntemler özetlenmiş, yapısal takviye ve kuvvetlendirme teknikleri ile yapısal modelleme özetlenmiştir.

Abstract:
Before any attempt to be made for successful protection, restoration and repair of the historic monuments and buildings which have cultural and historic value, whole data about the definitions, strategy and design criteria of the structure should be picked up. The load carrying mechanisms and the strength characteristics of the materials of these type of structures which has been exposed to wars, fires, earthquakes and several hazards in their past history should be considered to make any strengthening and/or repair. The structural design criteria of repair and/or strengthening should also be consistent with all aspects of the artistic, architectural, historical and engineering disciplines to keep the historical meaning of the structure. In this study, an engineering approach is used to determine the structural planning of the historic monuments by the co-operation with the archeologs, historians and architects. The soil conditionss and the geotechnical aspects, material strength and characteristics are used in the structural modeling of the historic monuments and buildings. Historic monuments are made of masonary and the repair and strengthening of these structures needs to determine the parameters about the masonary, brick, grout and the amount and ratios of these materials, the strength and ductility characteristics, and the behavior of the materials. How the structural elements of the masonary structures can be treated in the repair and strengthening process of the structures and the several methods for this type retreatment have been analyzed in this study. In the first chapter of this study which has totally ten chapters, the works about historic monuments and buildings are summarized and the aim of this study is explained. In the second chapter of the study, the protection, repair and strengthening of historic monuments and buildings and experimental studies are explained and the methods of the strengthening and repair are determined. In the third part, in-situ experiments, material tests, shaking table and free vibration experiments, three dimensional analysis, strengthening and repair methods and the experiments on the repaired structures are described and analyzed. The aim, performance and results of these experimental studies are discussed. In the fourth chapter, the types of masonary, the brick and wall techniques and experiments about Ottoman and Bisance structures are analysed. The masonary, brick and grout techniques are picked up into groups for hundred years periods. In the fifth chapter, limestone and its characteristics which are used historic monuments around Istanbul are analyzed. Mechanical tests and their results of this study about limestone are explained and compared with the previous work. XVIIn the sixth part, the methods of plastic analysis are chosen for the analysis of the walls and structures. In addition, material and geometric properties are considered for the nonlinear behavior and the calculation methods and assumptions are explained. In the seventh chapter, the finite element method which have used in the structural modeling of the monuments and walls are extensively described. The shape functions which have been activatied in the finite element analysis and the limits on the mesh size for the non-linear analysis are explained in great detail. In the eight part, the behavior of walls which are made of brick-grout and masonary- grout composites are determined and the modeling of this composite elements in a finite element analysis have been shown by the introduction of the material parameters. In the ninth chapter, the repair and strengthening and static/dynamic analysis of the historic structures are described in detail. St.Bergius and Bacchus Church (Küçük Ayasofya Camii) are chosen as sample and the tests and analytical studies on these structures are illustrated. In the last chapter, the results and finding of these studies are summarized and the repair and strengthening techniques are shown by considering the structural modeling of historic monuments.