Tarihi tuğlalarla örülen yığma kolonların harç takviyeli bazalt lifli kumaşlar ile sargılanması
External jacketing of historical walls with basalt fiber mesh reinforced mortar
Yazar: İREM AYŞE YILMAZ
Danışman: PROF. DR. ALPER İLKİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Sismik güçlendirme = Seismic strengthening

Özet:
Kültürel değerleri korumak ve finansal kayıpları önlemek amacıyla tarihsel ve anıtsal değer taşıyan yığma yapıların bulunduğu özellikle deprem kuşağındaki ülkelerde bu yapıların deprem ve diğer çevresel etkilere karşı güçlendirilmesi gerekmektedir. Çoğu tarihi ve mimari açıdan öneme sahip yığma yapıların; yetersiz yapım teknikleri, yetersiz malzeme kullanımı, sismik etkiler, rüzgâr yükleri, temel oturması ve çevresel yıpranmadan dolayı zarar görmesi, yapıların mekanik özelliklerini olumsuz şekilde etkilemekte ve bu durum bahsedilen yapıların taşıyıcı duvarlarının eksenel yüklere karşı gösterdikleri davranışları iyileştirmeye yönelik özel bir güçlendirme yönteminin konu edildiği bu çalışmanın gerekçelerini oluşturmaktadır.  Literatürde lifli polimer malzemelerin (FRP) özellikle betonarme yapılar üzerindeki etkinliğinin araştırılmasına yönelik çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda elde edilen veriler, FRP sargılama ile uygulanan güçlendirme yönteminin statik ve sismik etkilere maruz kalan taşıyıcı elemanların mekanik özelliklerinde önemli ölçüde iyileştirmeler sağladığını göstermiştir. Ancak lif takviyeli harç (TRM) malzemelerin kullanımıyla uygulanan benzer güçlendirme yönteminin etkinliğinin araştırılmasına yönelik literatürde yeterli çalışma bulunmamaktadır. Tez çalışmasında, tarihi tuğlalar ile örülen ve TRM ile güçlendirilmiş yığma kolonların basınç yükleri altındaki davranışı deneysel olarak incelenmiş ve uygulanan güçlendirme tekniğinin etkinliği araştırılmıştır. 
Tez çalışması toplam sekiz bölümden oluşmaktadır. Bölüm 1 ve Bölüm 2'de sırasıyla çalışmanın amacı ve konu ile ilgili literatür araştırması özetlenmiştir. Tez çalışması kapsamında toplam 20 adet yığma kolon numunesi imal edilmiştir. Numune üretiminde malzeme olarak tarihi bir yapıdan temin edilen harman kil tuğlaları ve mekanik özellikleri tarihi harca benzetilmiş özel karışım oranlarına sahip düşük dayanımlı harç karışımı kullanılmıştır. Tuğlalarının temin edildiği 1930'lu yıllarda inşa edilen ve yerleşkesi İstanbul'un Beyoğlu semti olan yapı, şuanda tamamen yıkılmış durumdadır. Yığma kolonların yapısal özelliğini belirlemek için üretimde kullanılan tuğla ve harç malzemelerinin mekanik özelliklerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla Bölüm 3'de bahsedilen malzemeler üzerinde uygulanan eğilme ve basınç deneyleri anlatılmıştır. Yığma kolon numuneleri yaklaşık boyutları 360 x 360 x 900 mm ve 360 x 630 x 900 mm ölçülerinde, kare ve dikdörtgen enkesitlere sahip olmak üzere 2 seri olarak üretilmiştir. Kolonlar dış yüzeyinden 2.5x2.5 cm boşluklara sahip bazalt lifli sıva ile sargılanarak güçlendirilmiştir. Uygulanan güçlendirme sisteminde bazalt tekstillerinin kolon yüzeyine yapışması hususunda düşük dayanımlı tarihi harca benzeştirilmiş harç karışımı ve daha iyi mekanik özelliklere sahip ticari nitelikli (Tyfo-C matrix) harç karışımı kullanılmıştır. Güçlendirme işlemi yapılırken üretilen 2 tip sıva harcından numuneler alınmış ve alınan numunelerin karakteristik özelliklerini belirlemek amacıyla numunelere uygulanan eğilme ve basınç deneyleri yine Bölüm 3'de anlatılmıştır. 
Bölüm 4'de numune üretimi ve uygulanan güçlendirme yöntemine detaylı olarak yer verilmiştir. İki farklı geometriye sahip olmak üzere 2 seri olarak üretilen kolon numunelerinin her bir sırası tuğlaların şaşırtmalı olarak yerleştirilmesi ile inşa edilmiştir. Üretilen numunelerin bir kısmı herhangi bir güçlendirme işlemi uygulanmadan referans numunesi olarak bırakılmış, bir kısmı sadece tarihi harca benzeştirilmiş harç ve özel karışıma sahip ticari harç ile sıvanmıştır. Kalan numuneler ise bazalt tekstil donatılı sıva ile güçlendirilmiş, sıva olarak da 2 tip harç karışımı kullanılmıştır. Deney parametreleri değişen numune enkesiti ve farklı sıva harcı karışımları olarak belirlenmiştir. Daha önce belirtildiği gibi numune üretimi ve güçlendirilmesi sırasında imal edilen her harç karışımından belirli sayıda örnekler alınmıştır. Laboratuvar deneyleri; yığma tuğla ve alınan derz ve sıva harcı örnekleri üzerinde gerçekleştirilen mekanik ve fiziksel deneyler ile üretilen yığma kolonlar üzerinde gerçekleştirilen basınç deneylerini kapsamaktadır. Her bir kolon numunesi konsantrik basınç yüklemesi altında test edilmiştir. Söz konusu deneyler, kullanılan deney düzeneği ve ölçüm sistemi detaylı olarak Bölüm 5'de verilmiştir.
Deney süresince numunelerde oluşan hasar gelişimi, ve elde edilen sonuçlara göre güçlendirilmiş ve güçlendirilmemiş numunelerin basınç dayanımı, şekildeğiştirebilme kapasitesi ve göçme davranışı  Bölüm 6'da anlatılmıştır.
Bölüm 7'de, çalışma sonucunda referans ve güçlendirilmiş numunelerin basınç dayanımları ve şekildeğiştirebilme özellikleri literatürde ortaya konulmuş analitik yaklaşımlardan elde edilen değerler ile karşılaştırılmış ve bu modellerin TRM sargılı yığma kolonların mekanik özelliklerinin tespit edilmesinde ne derece güvenilir olduğu değerlendirilmiştir.  Sonuç olarak, bazalt lifli tekstil takviyeli sıva ile güçlendirme tekniği yığma kolonların sünekliği ve enerji yutma kapasitelerini oldukça arttırmış, basınç dayanımlarında ise az miktarda artış sağlamıştır. Tez çalışması sonucu elde edilen detaylı sonuçlara Bölüm 8'de yer verilmiştir.

Abstract:
There are many historical structures which are the remains of Byzantium and Ottoman periods in İstanbul. In order to provide their existence in the future, these structures need to be analysed and if required, strengthened. Many of masonry buildings of considerable historical and architectural importance, have suffered from the accumulated effects of insufficient quality of construction and materials, seismic and wind loads, foundation settlements, and environmental deterioration. This causes a degradation in mechanical performance of load bearing elements of the structures. This situation has constituted a reason of the presented study, which aims to improve mechanical characteristics of the masonry piers by confining with basalt mesh reinforced mortar (TRM). In recent years, number of studies on application of fiber-reinforced polymer (FRP) wrapping to reinforced concrete members has increased. These researches show that the confinement of structural members with FRP provides significant improvements in terms of strength and ductility. However, the number of studies about usage of TRM technique in the field of masonry has been less relatively. So, in the frame of the studies of MSc thesis, it is aimed to research effectiveness of TRM confinement on historical brick masonry piers. 
For this purpose a total of 20 masonry pier specimens were produced with solid clay bricks laid in mortar joints. Clay bricks have been collected from a late historical building remaining from begining of the 20th century. The historical building has been ruined currently and large number of clay brick samples could be taken from the ruins for laboratory tests. Two series of piers with square and rectangular cross-section with average dimensions of 360 mm x 360 mm x 900 mm and 360 mm x 630 mm x 900 mm (length x width x height) were constructed. Construction schemes of the series comprised nine rows bonded with eight bed and several head mortar joints. The nominal thickness of mortar was 18.5 mm for bed joints and 13 mm for head joints. Also, the masonry piers were constructed in running bond using a local mortar for the joints. The joint local mortar was prepared with sub-standard mechanical characteristics to simulate mortar properties in existing heritage buildings. The mortar contained cement and lime as binder, (cement: lime: sand: water 1: 2: 15: 2.9 by weight).
The confinement system is consisted of a combination of open-grid basalt textile and two types of mortar. For bonding basalt grids on the specimens, local mortar and a commercially available cement-based mortar (Tyfo-C matrix) were used as matrix for confinement with TRM. Open-grid basalt fibers were embedded in the plaster. Local plaster mortar used in the form of matrix for TRM contained cement: lime: sand: water with ratios of 1: 2: 15: 3.72 by weight. Commercial plaster mortar was prepared mixing the ready dry mix with water. This mortar contained 25 kg dry mortar powder and water between 3.5 and 4.15 liters. Two main parameters of the experimental study are the type of mortar used for plastering the open-grid basalt mesh reinforcement and cross-sectional aspect ratio of the masonry piers (1 and 1.75). 
Before presenting the explanation on compression tests, rehabilitation process of masonry elements were introduced. Eight of the specimens were strengthened with 2 layers of basalt mesh reinforced mortar system. Four of these specimens were plastered with local mortar, and the remaining four specimens were plastered with commercial mortar. Eight other masonry columns were only plastered without any basalt grid. Four of these were plastered with local mortar and other four with commercial mortar. The remaining four specimens were the reference specimens without plaster and open-grid material. In order to apply compression load to the piers uniformly, top and bottom surfaces of the specimens were capped with a repair mortar with 60 MPa compressive strength. The compression tests of the masonry piers were started after three months from the application of TRM.
In the first part of the experimental study, in order to determine the material characterizations of the historical masonry components, the laboratory tests including mechanical and physical experiments were conducted on bricks and mortar. Flexural and compression tests were conducted on joint and plaster mortar specimens with dimensions of 160x40x40 mm at especially 28th and 90th days after production. According to this study the average flexural and compressive strengths of local plaster mortar at 28 and 90 days may be taken as 10 % of commercial plaster mortar, respectively.
In the second part, all masonry column specimens were tested under concentric compressive loads and the outcomes of the column tests were evaluated in terms of strength, deformability and failure characteristics. For test setup a hydraulic jack with the load capacity of 500 kN and a load cell with 1000 kN capacity were used. Also in order to measure deformations, five linear variable differential transducers (LVDTs) with 25 mm capacity and four other LVDTs with 1000 mm capacity were installed on the specimen surfaces. A newly developed visual deformation measurement system was also used in order to gauge displacement over one of the sides of the specimens. At every single loading step, vertical and horizontal displacements on the monitoring area could be gauged by getting images with the measurement system. This system does not cause any damage on the specimens during tests, and may replace many strain gauges and LVDTs. 
After axial compression loading, it was seen that the reference specimens and the specimens plastered with only mortar behaved similarly and they both failed in a brittle manner with vertical cracks through the head joints firstly, which then penetrated to the bricks. The failure modes of the specimens plastered with the commercial mortar and local mortar were identical in terms of strength. All specimens wrapped with TRM showed firstly vertical cracks on the plaster mortar, especially at the corners of the piers in the early stages of loading process and these cracks spreaded on the bricks and joint mortar. As load increased vertical cracks started to widen and this process was followed by crushing of mortar at corners and spalling of cover mortar. Afterwards significant shell separation was observed maximum strength level. Finally, the specimens exhibited strength degradation after the partial rupture of the basalt fibers at the corners. It should be noted that, specimens confined with TRM exhibited formation of micro cracks in a more spread fashion on confinement surface and so; this system provided a significant gain in deformability of the masonry.
According to the test results, under axial loading behaviour of the reference and plastered specimens are similar. So, the contribution of plaster to the axial bearing capacity is rather negligible. The differences between strength and strain values of these specimens are due to highly-scattering characteristics of historical bricks. As expected, the TRM system was effective in confining the brick masonry piers. In general, it was found that external jacketing with TRM improved the ductility and energy dissipation capacity of the masonry piers significantly even in case of extended rectangular cross-section and low quality plastering mortar. On the other hand, this reinforcement technique provided a fairly small compressive strength gain of the historical brick masonry column with respect to the reference specimens. It should be noted that, as expected confinement system exhibited more effective behavior on masonry columns with square cross-section with respect according to rectangular ones.
In addition, vertical stress – strain diagrams obtained using LVDTs with 1000 mm gage length and the visual deformation measurement system were compared. Test results showed that the vertical displacement of confinement layer (the TRM jacket) and overall system behaviour did not exactly coincide with each other. This result stemmed from different behavior of brick and joint mortar remained within confinement layer and different gage lengths of two measurement systems. The behavior of the overall system showed that even if brick and mortar within pier was destroyed, the TRM jacket prevented the collapse and sustained the load carrying capacity of the pier. This is due much higher strength and stiffness of the TRM jacket with reject to masonry piers. It can be concluded that the confinement with TRM jacket increased energy dissipation capacity of load bearing masonry members by converting the mostly uniaxial stress state to a nearly-triaxial stress state.
Furthermore, strength and deformability characteristics of the reference and jacketed piers are compared with the theoretical findings making use of various available approaches. The main objective is to obtain the compressive stress-compressive strain relationships was for comparing with the related relations obtained from the tests. A comparison between experimental results and analytical predictions about compressive strength and corresponding axial strain from the literature was conducted. Although the presented models have been suggested for FRP confined masonry, test results obtained from experimental study show that the models of Krevaikas & Triantafillou (2005), and second and third model of Faella et al. (2011b) could be expedient to describing the strength of TRM jacketed masonry columns with square and rectangular cross-section. Also, a comparison between experimental results of ultimate axial strain and the predictions of the model proposed by Krevaikas & Triantafillou was conducted. This comparisons show that the model is sufficiently good for predicting the ultimate axial strain. Therefore, based on limited data, it can be concluded that the model proposed by Krevaikas and Triantafillou (2005) can be considered as a promising tool for estimating the axial behavior of TRM jacketed masonry. Nevetheless, it is clear that more worst is required to further generalized the findings.