Düzlem içi yükler etkisindeki yığma duvarlarda bünyesel modelleme
Constitutive modeling of masonry walls under in-plane loadings
Yazar: SELEN AKTAN
Danışman: DOÇ. DR. BİLGE DORAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, düzlem içi yükler etkisinde kalan yığma duvarların üç boyutlu doğrusal olmayan sonlu elemanlar analizi için bir bünyesel modelleme tekniği önerilmiştir. Önerilen modelleme tekniği kullanılarak elde edilen yatay yük-yer değiştirme eğrileri deneysel olarak elde edilen sonuçlar ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Bu amaçla öncelikle yığma yapılarda kullanılmış olan malzemeler ele alınmış, tuğla ve harç çeşitleri ile ilgili ayrıntılı bilgiler derlenmiştir. Tez kapsamında yapılan deneysel çalışmada tarihi yapıların onarım-güçlendirme ve restorasyon çalışmalarında kullanılabilir özgün malzemelerin üretimi ve sayısal modeller yardımıyla bu malzeme parametrelerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla gerçekleştirilen, yazarın da yer aldığı 111M568 no'lu Tübitak Projesi kapsamında öncelikle, ülkemizdeki iki tarihi yapıdan alınan harç ve tuğla örneklerinin özgün malzeme özellikleri araştırılmıştır. Bu özgün malzeme özellikleri doğrultusunda yeni harç üretimleri ve bu üretilen 6 harç çeşidi ve piyasadan temin edilen harman tuğlaları ile duvar üretimleri yapılmıştır. Hazırlanan duvar numuneleri düşey ve kademeli artan yatay yük etkisinde test edilmiş, sonuçlar yatay yük ve yatay yer değiştirme kapsamında incelenmiştir. 
Sayısal modelleme kısmında, öncelikle sonlu eleman yöntemi ve sayısal modelleme teknikleri açıklanmış, malzeme modelleri incelenmiş ve yığma duvarlar için bir modelleme yöntemi önerilmiştir. Önerilen model, deney duvarları ekseninde tarihi yığma duvarların modellenmesinde kullanılabilecek; harç bölgesi ile tuğla-harç birleşim bölgesi davranışını birlikte yansıtan bir sanal birleşim bölgesini içermektedir. Bu modelleme tekniğinin; makro modellemedeki gibi düğüm noktalarının zayıf yüzeylerinin etkisi tanımlanamadığı için göçme mekanizmalarının tam anlamıyla yansıtmayışı veya detaylı mikro modelleme yöntemindeki tuğla-harç birleşim bölgesi için ayrı bağlantı elemanının tanımlanmasındaki işlem yoğunluğu gibi durumlar düşünüldüğünde iki yöntemin arasında kaldığı; daha pratik bir modelleme çalışması ile kırılma mekanizmalarını doğru bir şekilde yansıttığı düşünülmektedir. 
Bu tez çalışmasında yığma duvarların modellenmesinde önerilen ve kullanılan malzeme modeli, yığmanın gerilme birim şekil değiştirme davranışını ifade etmek için plastisite ile hasar mekaniği yaklaşımlarının birleştirildiği elasto-plastik hasar mekaniğinden türetilmiş ve gerekli malzeme parametreleri kullanılmıştır. Basınç altındaki elastik kazanımın ötesindeki davranış plastisite ile ifade edilirken, çekme altındaki gerilme davranışının kademeli olarak ilerleyen hasarla düşmesi elastik hasar bağıntılarıyla açıklanmıştır. Plastik şekil değiştirme için, kırılma yüzeyindeki çekme ve basınç gerilme değerlerini ayrı ayrı dikkate alan geliştirilmiş von-Mises plastisite modeli ile hasar mekaniğindeki şekil değiştirme artışı Oliver vd. (1990) modeli kullanılarak ifade edilmiştir. Elde edilen deneysel sonuçlar ve duvarların çatlak şekilleri ile sayısal modellemeden elde edilen yük-yer değiştirme eğrileri ve sonlu eleman bazında hasar durumları detaylı şekilde incelenmiştir. Bu yaklaşım 6 adet deney duvarı haricinde 1 adet yığma duvar ve 1 adet yığma prizma deneysel çalışması üzerinde uygulanmıştır.

Abstract:
In this thesis, a constitutive modeling technique for three-dimensional nonlinear finite element analysis of unreinforced masonry walls under in-plane loding has been proposed. Numerically computed lateral load-displacement curves obtained using proposed modeling technique are compared to experimental ones. For this purpose, the materials used in masonry and the brick and mortar types were examined. In the experimental part of the thesis, original materials are to be produced and their mechanical properties are to be determined using numerical models of walls. In the context of the research Project numbered as 111M568; the characteristics of the original building materials for the brick and mortar specimens were evaluated from two different historical buildings that are located in Turkey. In line with the original material properties, new mortars were produced and new masonry walls were constructed with 6 different types of mortar produced in different ways and the clay bricks provided from a brick factory. The constructed walls were tested under compression and monotonically incremental loads and the results were evaluated in terms of the load-displacement relations. 
In the numerical part of this thesis, finite element method, numerical modeling techniques and material models were explained and a new approach was proposed for masonry walls. The new approach called 'fictitious joint material' in which the constitutive behavior of the mortar joint and the brick-mortar interface were included together for modeling purposes of historical masonry walls. This approach is more practical as compared to detailed micro modeling and it is more accurate than macro modeling in terms of representing the failure mechanisms of the walls. 
The proposed model used in numerical modeling of masonry walls was derived from an elasto-plastic damage (EPD) approach that adapted calibrating the parameters of Oliver's damage model together with the modified von-Mises yield criterion for the masonry constituents. The behavior beyond the elastic range under compression stresses was predicted with plasticity, while stress reduction by gradually developing damage was predicted with damage mechanism. The modified von-Mises yield criterion considering the compressive and tensile strength of masonry constituents separately was used for plastic strain and the damage model Oliver et al. (1990) was used for damage strain especially for tensile effects. The experimental results and crack patterns of the masonry walls were compared with the load-displacement relations and damage patterns obtained from the numerical results. In addition to the experimental walls, this approach was applied to 1 more masonry wall and a masonry prism.