Erken osmanlı dönemi tarihi minare modelinin sarsma tablası testleri
Shaking table tests of historical minaret model from the early ottoman period
Yazar: BİRDAL KOÇAK
Danışman: DOÇ. DR. MEDİNE İSPİR ARSLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Tarihi mirasımızın anıtsal değerdeki önemli bir kımını oluşturan minareler, simgesel ve estetik görünümleriyle şehir silüetlerinin önemli bir ögesi konumundadırlar. Tarihi minareler, malzeme mekanik özelliklerinin düşük olması ve narin yapıları nedeniyle depremlerde en çok hasar gören yapı grubu arasında yer almaktadır. Bu minarelerin geleceğe taşınması ve dolayısıyla tarihi kent dokusunun korunması için gerekli çalışmaların ilk adımı, bu yapı grubunun deprem etkileri altındaki performansının ve yapısal güvenliğinin belirlenmesidir. Bu nedenle, bu çalışmada, Bursa-Erken Dönem Osmanlı tarihi tuğla minarelerini temsil etmek üzere üretilen bir model minarenin sarsma tablası testlerinin yapılması ve bu testlerden elde edilen sonuçların irdelenmesi hedeflenmiştir. Sunulan tez çalışması dört bölümden oluşmaktadır.
Çalışmanın birinci bölümünde Türk-Osmanlı dönemlerindeki tarihi minarelerin zamanla gelişimleri ve minareleri oluşturan bölümler anlatılmıştır. İkinci bölümde, Erken Dönem Osmanlı tarihi tuğla minare örneklerinin yer aldığı Bursa ilinin depremselliği, geçmiş depremleri ve bu depremlerin yapılar üzerindeki etkilerine kısaca değinilmiştir. Çalışma kapsamında literatür araştırması yapılmış ve TC. Vakıflar Genel Müdürlüğü'nün arşivlerinden derlenen belgelere ek olarak saha çalışmaları yapılmıştır. Bursa ilinde Erken Osmanlı Dönemi mimarisi özelliklerini taşıyan bu dönemde inşa edilmiş tarihi Hocaalizade Cami minaresi prototip olarak seçilmiştir. Minare yaklaşık 27 m yüksekliğinde, kaide kısmı almaşık (taş, tuğla ve düşey/yatay harç derzleri ile oluşturulmuş) yapılı olup diğer tüm bölümleri ise tuğla malzemeden oluşmaktadır. Minare çekirdeksiz bir merdivene sahiptir ve tek şerefelidir.
Üçüncü bölüm, model minare üretimini, sarsma tablası testlerini ve sonuçlarını içermektedir. Ayrıca, sarsma tablasının özellikleri ve test laboratuvarının koşulları; minare numunesinin tasarım ve ölçeklenmesi; ölçüm sistemi ve koruma sisteminin tasarımı ve testte kullanılan deprem kaydının özellikleri anlatılmıştır.
Minarenin kaide bölümü diğer bölümlere göre daha rijit olduğu için geçmiş depremlerde çoğunlukla bu bölümde hasar oluşmadığı bilinmektedir. Erken Dönem Osmanlı cami minarelerinin külah kısmı büyük çoğunlukla ahşaptan oluşmaktadır. Rijit kaide ve ahşap külahın minare davranışını değiştirmeyeceği dikkate alınarak model minare, külah ve kaide içermeksizin inşa edilmiştir.
Sarsma tablası testleri Türk-Alman Üniversitesi Yerleşkesinde bulunan Allianz Teknik Deprem & Yangın Test ve Eğitim Merkezi'ndeki iki eksenli sarsma tablasında gerçekleştirilmiştir. Sarsma tablasının özellikleri ve laboratuvarın fiziksel sınırları dikkate alınarak prototip minare, Yerçekimi Kuvvetlerinin İhmal Edildiği yaklaşım kullanılarak ¼ geometrik ölçek oranı benimsenerek üretilmiştir.
Model minarenin sarsma tablası testleri, 17 Ağustos 1999 depreminin ürettiği ve Bursa/Tofaş istasyonunda kaydedilen yer hareketi ivme kaydı altında yapılmıştır. Bu istasyonun Hocaalizade Camisine mesafesi 8,92 km ve merkez üssüne mesafesi ise 99,01 km'dir. Benimsenen model yaklaşımı nedeniyle deprem kaydının zamana karşı gelen ivme değerleri 4 ile çarpılarak arttırılmış ve zaman 4'e bölünerek azaltılmıştır. Model minarenin davranışını gözlemlemek ve gerekmesi durumunda deneyi durdurmak için gerçek ivme kaydı artımsal olarak model yapıya etkitilmiştir.
Laboratuvar fiziksel ortam kısıtlarından dolayı minare dış ortamda üretilmiştir. Üretim sahasından test merkezine taşınması sırasında meydana gelebilecek hasarı engellemek için bir taşıma sistemi tasarlanmış ve kontrollü şekilde taşıma işlemi gerçekleşmiştir.
Minarenin deprem etkileri altındaki davranışını sayısal olarak ifade etmek için model minare yüksekliği boyunca çok sayıda yerdeğiştirmeölçer ve ivmeölçerler yerleştirilmiştir. Test öncesi yapılan ön analiz sonucuna göre cihazların minare yüksekliği boyunca kesit değişiminin bulunduğu kritik bölgelere yerleştirilmesine dikkat edilmiştir.
Bu bölümün son kısmında sarsma tablası testleri anlatılmaktadır. Her bir deprem yükleme adımı öncesi model minarenin dinamik karakteristiklerindeki değişimi anlamak için çevresel titreşim ve white noise (beyaz gürültü) testleri yapılmıştır. Her bir yükleme adımı; çevresel titreşim, beyaz gürültü ve ivme kaydının etkitilmesi olmak üzere üç test adımından oluşmaktadır. Testler süresince elde edilen veri eş zamanlı olarak bir veri toplayıcı aracılığıyla toplanmış ve bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Elde edilen deneysel verinin işlenmesi ile yatay yerdeğiştirme ve ivmenin zamanla değişim ilişkileri; her bir yükleme adımında uygulanan yer hareketi ivme kaydının en büyük ivmesi (PGA) ile bu adımda meydana gelen en büyük yerdeğiştirme (ivme) değerlerinin minare yüksekliği boyunca değişimi vb. ilişkiler elde edilmiştir. Ayrıca, beyaz gürültü testleri ile minarenin dinamik özellikleri (frekans ve sönüm oran) elde edilmiş ve bu özelliklerin artımsal uygulanan ivme kaydıyla değişimi ortaya konulmuştur.
Dördüncü bölümde ise tez çalışmasından elde edilen sonuçlar özetlenerek verilmiştir. Model minarede ilk hasar küp-gövde ve şerefe-petek geçiş bölgesinde meydana gelmiştir. İlerleyen adımlarda petek orta bölgesi civarında da çatlak oluşumu gözlemlenmiştir. Hasarın yayılı olmadığı ve kesit değişiminin olduğu bölgelerde yoğunlaştığı gözlemlenmiştir. Deneysel olarak tespit edilen bu hasarların gerçek deprem sonrası hasar gözlemleri ile uyumlu olduğu görülmüştür. Testler, ivme ve yatay yerdeğiştirmenin minare yüksekliği boyunca artış eğilimi gösterdiğini ve bu artışın artımsal uygulanan ivme kaydının büyüklüğünün artmasıyla arttığını göstermektedir. Her bir test aşamasından sonra gerçekleştirilen beyaz gürültü testleri, artan hasar dolayısıyla azalan rijitlik etkisiyle frekansın azaldığını ve sönümün arttığını ortaya koymaktadır.

Abstract:
Minarets, which constitute a significant part of our monumental heritage, are great of importance due to their symbolic and aesthetic appearances. Historical minarets are among the structures most vulnerable to earthquakes due to their slender structures and the low mechanical properties of their materials.
The first step in preserving these minarets for future generations and thus protecting the historic urban fabric is to determine the seismic performance and structural safety of them. Therefore, this study aims to conduct shaking table tests on a model minaret representing the early Ottoman brick minarets of Bursa and to analyze the results obtained from these tests. The thesis presented consists of four chapters.
In the first chapter of the study, the historical development of minarets during the Turkish-Ottoman periods and the components of the minarets are explained. In the second chapter, the seismicity of the city of Bursa, which includes examples of early Ottoman brick minarets, past earthquakes, and the effects of these earthquakes on structures are briefly explained.
A literature review was conducted as part of the study, and fieldwork was carried out in addition to documents compiled from the archives of the Turkish General Directorate of Foundations.
The minaret of the Hocaalizade Mosque, a historical structure built during the Early Ottoman Period and reflecting the architectural features of this period in Bursa, was chosen as a prototype.The minaret is approximately 27 meters tall, with a base constructed in an alternating (stone, brick, and vertical/horizontal mortar joints) pattern, while all other sections consist of brick material. The minaret has stairs without a core and a single balcony.
The third chapter includes the production of the model minaret, the shaking table tests, and their results. Additionally, the characteristics of the shaking table, the conditions of the test laboratory, the design and scaling of the minaret specimen, the instrumentation and protection systems, as well as the characteristics of the earthquake record used in the test, are explained.
It is known that the base section of the minaret, being more rigid than the other sections, generally did not sustain damage in past earthquakes. The spire of Early Ottoman mosque minarets is mostly made of wood. Considering that the rigid base and the wooden spire would not significantly affect the overall behavior of the minaret, the model minaret was constructed without including the spire and base.
The shaking table tests were conducted on a two-axis shaking table at the Allianz Technical Earthquake & Fire Testing and Training Center located on the Turkish-German University campus. Taking into account the characteristics of the shaking table and the physical limitations of the laboratory, the model minaret was produced using a geometric scale ratio of 1/4, applying the approach where gravitational forces are neglected.
The shaking table tests of the model minaret were conducted using the ground motion acceleration record produced by the August 17, 1999 earthquake, which was recorded at the Bursa/Tofaş station. This station is located 8.92 km from the Hocaalizade Mosque and 99.01 km from the earthquake's epicenter.
Due to the adopted modeling approach, the acceleration values corresponding to time in the earthquake record were amplified by multiplying by 4, and the time was reduced by dividing by 4. To observe the damage development of the model minaret the actual acceleration record was applied incrementally to the model structure.
Due to the physical constraints of the laboratory environment, the minaret was produced outside the laboratory. To prevent any potential damage during the transportation from the production site to the testing center, a transportation system was designed, and the transportation process was carried out in a controlled manner.
To numerically express the behavior of the minaret under seismic effects, numerous displacement sensors and accelerometers were placed along the height of the model minaret. Based on a preliminary finite element analysis conducted before the tests, the positions of the measurement devices were determined. The results of the analysis show that the regions where the section change occurs are critical sections.
The final part of this section describes the shaking table tests. Ambient vibration and white noise tests were conducted before each earthquake loading step to understand the changes in the dynamic characteristics of the model minaret. Each loading step consists of three test phases: ambient vibration test, white noise test, and the application of the acceleration record. During each test, all the measured data was transmitted simultaneously to a datalogger and then collected in a computer.
By processing the obtained experimental data, horizontal displacement-time and acceleration-time relationships, the maximum displacement and acceleration values along the height of the minaret were determined. Additionally, the dynamic properties of the minaret (frequency and damping ratio) were obtained through processing white noise test data, and the variation of these properties with the applied incremental acceleration record was demonstrated.
In the fourth chapter, the results obtained from the thesis work are summarized. The first visible damage in the model minaret occurred in the cube-body and balcony-upper part transition sections. In subsequent steps, a separation was also observed around the mid-height of the upper part.
It was noted that the damage was concentrated in areas where there were changes in cross-section and did not spread. The damage identified experimentally was found to be consistent with post earthquake damage observations.
The tests indicate that acceleration and horizontal displacement show an increasing trend along the height of the minaret, and this increase corresponds to the magnitude of the incrementally applied acceleration record. White noise tests conducted after each test phase reveal that, due to increasing damage, the frequency decreases and the damping increases as a result of the reduced rigidity.