Zeyrek Camii (Pantokrator Kilisesi) kuzey bölüm strüktür analizi ve sağlamlaştırma önerileri
Structural analysis of Northern part of Zeyrek Mosque (Pantokrator Church) and proposals for its consolidation
Yazar: UMUT ALMAÇ
Danışman: PROF. DR. FERİDUN ÇILI ; PROF. DR. ZEYNEP AHUNBAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Restorasyon Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Mimarlık = Architecture ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Konsolidasyon = Consolidation ; Koruma = Conservation ; Kültürel miras = Cultural heritage ; Onarım = Repair ; Sonlu elemanlar = Finite elements ; Tarihi eserler = Historic buildings ; Tarihi yapılar = Historic structures ; Yapısal analiz = Structural analysis

Özet:
1985 yılında Unesco'nun Dünya Mirası Listesi'ne giren İstanbul'un Tarihi Alanları içinde bulunan Zeyrek Camii (Pantokrator Kilisesi), 1960'larda yapılan onarım çalışmaları sonrasında bakımsız kalmış bir Bizans yapısıdır. Yapı, 12. yüzyılda Pantokrator Manastırı'nın kilisesi olarak inşa edilmiştir. Ortaçağdan günümüze ulaşan bu önemli anıt, geçmişte birçok deprem ve yangın sonucu zarar görmüştür.Yapı, farklı tarihlerde inşa edilmiş üç bölümden oluşmaktadır. Güney Kilise, kompleksin ilk inşa edilen bölümüdür. İkinci aşamada Kuzey Kilise ve son olarak bu iki kilisenin arasına mezar şapeli inşa edilmiştir. Tüm bu yapım aşamaları 1118-1136 tarihleri arasında gerçekleştirilmiştir. Bugün yapının sadece güney bölümü camii olarak kullanılmaktadır. 2008 yılında İstanbul Büyükşehir Belediyesi yapının onarım işini ihale yoluyla özel bir firmaya vermiştir.Zeyrek Camii Kuzey Bölümü, Bizans mimarisinin en yaygın tiplerinden biri olan Yunan haçı planındadır. Ana mekânın batısında narteks ve galeri bulunmaktadır. Haçın kolları beşik tonozlar, merkezi kasnaklı bir kubbe ile örtülüdür. Hacmin köşelerinde kalan alanların üzerinde çapraz tonozlar bulunmaktadır. Yapının taşıyıcı sistemi, tuğla ile inşa edilmiş eğrisel örtü elemanları ve bu elemanları taşıyan duvarlar ile ayaklardan oluşmaktadır. Ana kubbenin yükü merkezdeki 4 taşıyıcı ayakla zemine aktarılmaktadır. Kubbe kasnağının oturduğu dairesel tabana geçiş pandantiflerle sağlanmıştır. Pandantiflerle tanımlanan dairesel taban üzerinde silindirik bir tambur yükselmektedir.Bu çalışmada, Zeyrek Camii (Pantokrator Kilisesi) Kuzey Bölümünde taşıyıcı sistem analizi yapılmış ve yapının onarımı için müdahale önerileri hazırlanmıştır. Çalışmanın, kompleksin kuzey bölümüyle sınırlı tutulması, bu bölümün strüktürel açıdan yapı bütünü içinde en hasarlı kısım olması ve bu nedenle olası bir sağlamlaştırma çalışmasında, bu alanın öncelikli olarak müdahale gerektirmesidir.Çalışma kapsamında, yapıda gözlemlenen hasarlar ölçekli çizimlere işlenmiş ve fotoğraflarla belgelenmiştir. Yapı ile ilgili daha önce hazırlanan çalışmalar, eski fotoğraf ve çizimler incelenerek yapının geçirdiği depremler ve onarımlarla ilgili veriler sağlanmıştır.Yapının taşıyıcı sistem davranışı hakkında bilgi edinmek amacıyla sonlu elemanlar yöntemine dayalı sayısal modeller hazırlanmıştır. Analizlerde malzemenin her doğrultuda aynı özelliklere sahip doğrusal elastik bir malzeme olduğu kabul edilmiş ve yapının tüm taşıyıcı sistem elemanlarının aynı malzeme özelliği gösterdiği varsayılmıştır. Analizlerde katı model, 10 nokta ile tanımlanan ve maksimum kenar uzunluğu 30 cm dörtyüzlü elemanlar kullanılarak parçalara ayrılmıştır. Sayısal modellerde yapının zemine rijit olarak bağlandığı kabul edilmiştir. Analizler, yapının kendi ağırlığı etkisinde taşıyıcı sistem elemanlarında oluşan gerilme ve şekil değiştirme durumunun araştırılması amacıyla doğrusal elastik statik analizlerle başlamaktadır. Deprem davranışına yönelik olarak, ilk önce yapının titreşim frekansları ve modlarının belirlenmesi amacıyla modal analiz, daha sonra modal analizden elde edilen veriler ve tanımlanan spektrumlar kullanılarak modal spektral analizler yapılmıştır.Mevcut hasarların, analiz sonuçları ile uyumları incelenmiş ve farklı hasar senaryoları değerlendirilmiştir. Yapının, mevcut hasarlarının onarımı ve yakın gelecekte beklenen İstanbul Depremi'ni mümkün olan en az hasarla atlatabilmesi amacıyla, çağdaş koruma ilke ve yaklaşımı gözetilerek müdahale önerileri geliştirilmiştir.Tarihi yapıların karakteri mühendislerin alışageldiği kesinlikte bir çözümü mümkün kılmamaktadır. Bunun yanında, birçok inşaat mühendisi ne mesleki eğitiminde, ne de deneyiminde tarihi yapılarla karşılaşmadığı için bu alana yabancıdır. Mühendisin çağdaş yapıların tasarımı, güçlendirilmesi ve projelendirilmesi aşamasında çözüme giderken kullandığı kural ve yönetmelikler tarihi yapıların onarımı için uygun olmamaktadır. Zeyrek Camii ile ilgili çalışmada kullanılan yöntemin benzer özellikler sergileyen tarihi yapıların taşıyıcı sistem onarım ve sağlamlaştırma çalışmalarında kullanılabileceği, bu açıdan çalışmanın konu ile ilgilenen mühendislere yol gösterici bir kaynak olabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Pantokrator Church, known as Zeyrek Camii, is originally a Byzantine monument which was constructed in the 12th century as part of the monastery of Christ Pantokrator. It is located in Zeyrek, a district that was included in the World Heritage List in 1985. The church suffered from numerous earthquakes, fires and alterations in history; furthermore, it was neglected for a long time after the restoration works in 1960?s.The building is composed of three parts, which were built in rapid succession between 1118 and 1136. The southern church is the first structure erected within the reign of John II Komnenos. The northern church was built in the second phase and finally the middle part, the imperial mausoleum was added in the third phase. Today the south church still functions as a mosque, while the mausoleum and the north church are not used. In 2008, the repair and conservation work of this Byzantine monument was given to a private company through a procurement method by Istanbul Metropolitan Municipality.The church is an example of ?cross in square? type with a dome supported by four columns. A cross-vaulted narthex with a gallery is attached to the main structure. The plan of the naos, excluding the bema and apses is laid out as a square 13.50 meters on a side. Inscribed in this is a cross with arms 6 meters in width, projecting in the four cardinal directions. The structure has barrel vaults on the cross arms and a dome with a 5.50 meters diameter surmounting the cross at its intersection. The dome is raised on a cylindrical drum and pierced by eight windows. Transition elements are pendentives and cross vaults are used to cover the four subsidiary bays, those flanking the bema and the two corner bays to the west.Different types of analysis were performed and intervention proposals were developed for the northern part of the complex. The reason for choosing the North Church was due to its fragile condition in comparison with the other parts of the complex. This part has severe cracks and consequently, during a possible repair, it should have a priority.Within the framework of the study, all the visible damages were recorded on survey documents and classified according to their pattern and extent. Historic documents including drawings, photographs and reports were inspected in order to understand and interpret damages due to earthquakes and to frame the extent of repair works to prevent further damages from earthquakes in the future.To figure out the behavior of the structure, some numerical models were prepared using finite elements. Masonry was modeled as a homogeneous material, which behaved within the elastic range under compressive and tensile stresses. Finite element discretization of the structure was made by using sufficient number of elements with max edge dimension of 30 cm. The foundation of the building was assumed to be rigidly fixed to the ground for all types of analyses.The study started with the linear static analyses and continued with modal analyses to determine vibration characteristics (natural frequencies and mode shapes) of the structure. The stress distribution of the structure under its own weight indicated maximum compressive stresses at the southeast pier, which has vertical cracks. As expected, the values of tensile stresses that dominate the barrel vaults and the arches that connect the piers to the perimeter walls were not big enough to provoke damages that would lead the structure into a vulnerable condition. One of the important results obtained from the analyses was the displacements on the transversal direction corresponding to the eastern piers. As the structure lacks tie beams between the piers and walls, there is no effective system that could prevent the displacements and secure the monolithic behavior the structure.According to modal analysis results, the first mode shape of the structure was influenced by transversal movement, the second by longitudinal and the third by torsion. The data obtained from these serve as a starting point for a spectrum analysis. The behavior of the structure under earthquake excitations was obtained through spectrum analysis in which a predetermined acceleration spectrum graph was used. The response spectrum was defined according to Turkish Earthquake Resistant Design Code and internal forces were obtained by using SRSS rule. The analyses were carried out in longitudinal and transversal directions. The effective mass of the considered modes were greater than 90% of the overall mass of the structure.Earthquake loading in the longitudinal direction (EW) indicated that due to the out of plane mechanism of the west wall, the tensile stress distribution between cross vaults and west wall could possibly cause a crack pattern that runs through the vaults parallel to the west wall. This mechanism matches the crack pattern of the gallery vaults that were repaired during the conservation works between 2001 and 2005. The results of the analysis indicated also relatively high shear stresses on northern and southern walls but the damages should be expected on the secondary load bearing elements such as tympanums.Shear stress distribution of earthquake loading computed in the transversal direction (NS) demonstrated that the eastern wall was subjected to high values of stresses in comparison with the other parts of the structure. During the earthquake excitations, pastophorion walls probably would be affected by a crack formation that begins from the ground and reaches to the upper parts of the wall running through the openings. This result also verifies the damaged condition of the eastern wall, which was repaired during the conservation works, carried out by professors Metin and Zeynep Ahunbay in 2005.In order to preserve the authenticity of the structure in the present state and to prevent further damages from the possible earthquake excitations, preliminary proposals were prepared having in mind the minimum intervention-maximum efficiency principle. Naturally, these interventions aim primarily to prevent out of plane mechanisms and to restore the mechanical properties of the structural elements. The proposals could range from simple repairs to more complex interventions as; cleaning, repointing and replastering of walls and vaults, grouting masonry, stitching major cracks, reintegrating-rebuilding disorganized and missing parts, embracing the eastern pier with more efficient stainless steel frame and replacing the lost timber ties with a new tie system.The most intense intervention for the structure is the installation of a new tie system as a substitution of lost timber ties. New elements were proposed to present in the main space as well as the narthex and gallery. In the main space, the system stands on the level of capitals of the piers and continues on the longitudinal and transversal directions. While for the narthex and gallery, the system stands on the impost level of cross vaults. The efficiency of this tie system was investigated through the same analysis process, which was employed for the existing structure. The tie rods were realized with simple 2D link elements and some modifications were made to the nodes of contact surfaces between the masonry and connection plates. The results of the analysis with the installation of tie system showed a remarkable reduction of displacements, as well as the prevention of out of plane mechanisms especially on the western part of the structure.