Ortaköy Surp Krikor Lusavoriç Kilisesi'nin zaman tanım alanında doğrusal analizi
Linear time history analysis of Ortaköy Surp Krikor Lusavoriç Church
Yazar: ARDA YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. ABDULLAH GEDİKLİ ; DOÇ. DR. MEDİNE İSPİR ARSLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering

Özet:
Tarihi yapılar, toplum hafızasının gelecek nesillere aktarılmasında büyük rol oynamaktadırlar. Yüzyıllardır dünya medeniyetlerinin beşiği olan İstanbul'da da camiler, kiliseler, sinagoglar, saraylar, kuleler ve kaleler olmak üzere birçok tarihi yapı bulunmaktadır. Bunların birçoğu yapıldıkları dönem şartları itibariyle yığma yapılar olarak teşkil edilmişlerdir.
Ülkemizin deprem riski yüksek olan bir coğrafyada bulunması nedeniyle tarihi yapıların gelecekteki varlıklarını sürdürebilmeleri için mevcut durumlarının değerlendirilmesi ve ihtiyaç olması durumunda gerekli önlemlerin alınması gerekmektedir. Bu nedenle öncelikle; tarihi yapıların malzeme ve mimari özelliklerinin belirlenmesi ve etkimesi olası yükler altında yapısal çözümlemelerinin yapılması ve daha sonra bu çözümleme sonuçlarının değerlendirilerek yapısal güvenlik ve risklerinin ortaya konulması gerekmektedir.
Bu çalışmada, İstanbul'da bulunan ve 19. yüzyılda inşa edilmiş tarihi yığma Ortaköy Surp Krikor Lusavoriç Kilisesi'ne ait üç boyutlu sonlu eleman modeli oluşturularak bu model üzerinde modal analiz ve gerçek deprem kayıtları altında zaman tanım alanında doğrusal analizler gerçekleştirilmiştir. Üç boyutlu model ve analizler SAP2000 sonlu elemanlar programı kullanılarak yapılmıştır. Bu analiz sonuçları esas alınarak öteleme oranı ve basınç, çekme ve kayma gerilmeleri kontrolleri, Tarihi Yapılar İçin Deprem Risklerinin Yönetimi Kılavuzu (TYDRYK) (2017)'de belirtilen kriterler izlenerek yapılmıştır.
Kilise yapısının ana taşıyıcı sistemini oluşturan yığma duvarlar taş, tuğla ve düşey/yatay derzlerle teşkil edilmiştir. Bu yığma bileşenleri bir bütün olarak düşünülüp yani makro modelleme yaklaşımı kullanılarak, yapının modeli oluşturulmuş ve zaman tanım alanında doğrusal analizleri gerçekleştirilmiştir. Yapı hacminin büyük olması dikkate alınarak analiz süresini makul değerlerde tutmak için mikro model yerine makro model ve doğrusal olmayan analiz yerine doğrusal analiz tercih edilmiştir. Analizler, deprem ivme kayıtlarının iki yatay bileşeni altında gerçekleştirilmiş olup depremin düşey bileşeni dikkate alınmamıştır ve deprem kayıtları tasarım spektrumuna göre ölçeklendirildikten sonra yapıya etkitilmiştir. Yatay doğrultuda etkitilen deprem ivmelerine ek olarak yapının kendi ağırlığı dikkate alınmıştır. Ayrıca, çatı yükü hesaplanarak yayılı yük olarak etkitilmiştir. Yapı zemin kotu seviyesinde ankastre olarak mesnetlenmiştir.
Teze konu olan kilise yapısı "yerel öneme sahip binalar" statüsünde düşünülerek deprem yer hareketi seviyeleri DD-2 ve DD-3 için sırasıyla, göçme öncesi ve kontrollü hasar durumlarına ilişkin kontroller yapılmıştır. Deprem kayıtları her iki deprem seviyesi için de ölçeklendirilmiştir. Ölçeklendirmeler yapıldıktan sonra, birinci durum için deprem çiftleri modele etkitilmiştir. İkinci durum için ise deprem çiftleri 90° döndürülerek tekrar etkitilmiştir. TBDY (2018)'e göre zaman tanım alanında analizlerin 11 deprem çifti için yapılması gerektiği belirtilmiştir. Ancak, tez çalışması kapsamında 5 adet deprem çifti için analizler gerçekleştirilmiştir.
Tez çalışması yedi bölümden oluşmakta olup birinci bölümünde genel değerlendirme yapılarak tarihi yığma binaların öneminden bahsedilmiştir. Bu bölümde, tezin amacı ve daha önce bu konu üzerinde yapılan çalışmalar derlenerek verilmiştir.
Çalışmanın ikinci bölümünde ise tarihi yığma yapılar hizmet amaçlarına göre sınıflandırılmıştır. Yapılarda kullanılan malzemeler ve yığma yapıların bölümleri hakkında genel bilgiler verilmiştir. Üçüncü bölümde, tarihi yığma binalarda görülmesi muhtemel olan ve en çok karşılaşılan hasar çeşitleri ve bunların sebeplerine değinilmiştir. Ayrıca, kilise yapı türlerine ve bölümlerine değinilmiş ve tarihi yığma kiliselerde ortaya çıkabilecek hasar tiplerine yerlere verilmiştir.
Dördüncü bölümde, yığma yapılarda modelleme ve analiz yöntemleri hakkında genel bilgiler verilmiştir. Bunun yanı sıra ölçeklendirme kavramına değinilmiştir. TYDRYK (2017) esas alınarak yapısal değerlendirme ve güvenlik kavramları üzerinde durulmuş ve TYDRYK (2017)'de verilen performans seviyeleri ve bu seviyelere ait sınır değerlerine bu bölümde değinilmiştir.
Beşinci bölümde, çalışmaya konu olan kilise yapısına ilişkin genel bilgiler verilmektedir. Bu kısımda, yapının mimari ve taşıyıcı sistem özellikleri anlatılmıştır. Yerinde inceleme yapılarak ortaya konulan yapı hasarları listelenmiştir. Ayrıca yapının bulunduğu konumun yerel sismik özellikleri DD-2 ve DD-3 deprem seviyeleri için AFAD sitesinden alınan verilerle ortaya konmuştur.
Altıncı bölümde ise tezin konusu olan kilisenin üç boyutlu modelinin yapı bileşenleri ve malzemelerinin karakteristikleri sunulmuştur. Yapıya etkiyen yükler ve yapıyla ilgili modellemede yapılan kabuller verilmiştir. Modelin periyot ve mod şekli gibi dinamik karakteristiklerini belirlemek üzere modal analiz gerçekleştirilmiştir. 5 adet deprem çifti için DD-2 ve DD-3 deprem seviyelerine göre ölçeklendirme yapılmış ve yapının zaman tanım alanında doğrusal analizleri gerçekleştirilmiştir. Deprem süresi olarak Arias Şiddeti'nin %5'i ile %95'i arasında geçen süre olan anlamlı süre kullanılmıştır. Taban kesme kuvveti ve belirlenen bazı noktaların yerdeğiştirmelerinin zamanla değişimi grafik olarak sunulmuştur. Her bir deprem etkisi altında gerçekleştirilen analizlerin sonuçları kullanılarak ve TYDRYK (2017) esas alınarak öteleme kontrolü ve basınç, çekme ve kayma gerilmesi kontrolleri yapılmıştır. Ayrıca seçilen iki cephe için belirlenen toplam yedi noktada yerdeğiştirme-zaman grafikleri çizdirilerek düzlem içi ve düzlem dışı deplasmanlar ortaya konmuştur. Kayma gerilmesi kontrolü için de dört cephede belirlenen toplam 71 kesitte kayma gerilmesi kontrolü yapılmıştır. Son bölümde ise sonuçlar derlenip karşılaştırmalar ortaya konulmuştur.

Abstract:
Historical structures play major role in the transfer of community memory to future generations. Istanbul is the cradle of world civilizations for centuries, has many historical buildings, including churches, mosques, synagogues, palaces, towers and castles. Due to the conditions of the period, many of them were masonry structures
Turkey is located in a region with high seismic risk. To make guarantee the future of the historical structures, their current situation should be evaluated and the necessary measures should be taken if necessary. The first step of this is to determine the material and architectural properties of the historical structures. The second step is to perform their structural analyses under possible loads to affect them. The third step is to reveal their structural safety and risks based on the evaluation the results of the analyses.
In this study, a three-dimensional finite element model of a Ortaköy Surp Krikor Lusavoriç Church, in Istanbul, was formed. Under real earthquake records, modal and linear time history analyses were implemented. Three-dimensional models and analyzes were made using the SAP2000 finite element program. The aim of this study is to evaluate the results based on the earthquake performance limits given for the linear analysis approach in the Earthquake Risk Management Guide for Historic Buildings (2017) by performing linear analysis in the time domain. In addition, it is to determine the stress concentrations and to give an overview of the critical points of the structure by checking the limit values with the values obtained from the critical sections.
Masonry walls, which form the main carrier system of the church structure, are formed by stone, brick and vertical/horizontal joints. By considering these masonry components as a whole, model of the structure was created using the macro modeling approach and linear analyzes were carried out in the time domain. Considering the large building volume, macro model instead of micro model and linear analysis instead of non-linear analysis were preferred in order to keep the analysis time at reasonable values. The analyzes were performed under the two horizontal components of the earthquake acceleration records, the vertical component of the earthquake was not taken into account, and the earthquake records were effected on the structure after scaling according to the design spectrum. In addition to the earthquake accelerations in the horizontal direction, the own weight of the structure was taken into account. In addition, the roof load was calculated and acted as a distributed load. The roof is modeled as a shell element. The roof is assumed to be connected to the gable walls with bonding timbers. The building is fix supported at ground level.
Considering the church structure has the status of "buildings of local importance", controls were made for earthquake ground motion levels DD-2 and DD-3, respectively, before collapse and controlled damage conditions. Earthquake records are scaled for both earthquake levels. After scaling, earthquake couples were effected on the model for the first case. For the second case, the earthquake pairs were acted by turning them 90°. According to TBDY (2018), it was stated that analyzes in the time history should be done for 11 earthquake pairs. However, within the scope of the thesis, analyzes were carried out for 5 earthquake pairs.
This thesis consists of seven chapters. In the first chapter, the importance of historical masonry buildings was mentioned briefly. In this section, the aim of the thesis is explained. It is desired that the historical masonry buildings remain usable after the big earthquake expected in Istanbul. Also in this section, the necessity of making appropriate modeling, analysis and strengthening studies for these structures is mentioned. Also, the compiled literature survey on this subject is presented in this section
In the second part of the study, historical masonry buildings are classified according to their service purposes. Religious, public, administrative and military, transportation, civil and private structures are mentioned in this section. General information is given about materials such as brick, natural stone, concrete briquette, wood, adobe, mortar, metal elements used in buildings, and arches, domes, columns, walls, floors, foundations and roofs, which are parts of masonry structures. In the third chapter, the most common types of damage that are likely to be seen in historical masonry buildings and their causes are mentioned. In addition, church types and sections are introduced. Damage types seen in historical masonry church structures are given. Separation in the façade wall, damages in the gable wall, the effect of shear forces on the structure, transverse damages in the naos, damages in the vaults, roof damages, dome damages, damages in the apse, damages in the church annexes and joints, damages arising from the interaction of perpendicular walls, bell tower and bell cell damages are given in this section.
In the fourth chapter, general information about detailed micro modelling, simplified micro modelling and macro modeling and linear, nonlinear, time history analysis methods in masonry structures are given. In addition, the concept of scaling is mentioned. Based on TYDRYK (2017), structural evaluation and security concepts are emphasized. Performance levels which are given in TYDRYK (2017) and the limit values for these levels are also mentioned in this section. The subject of this section is to obtain limited damage, controlled damage and pre-failure status according to which earthquake levels in buildings of universal, national and local importance. Controls to be made under reduced and non-reduced seismic forces are given in this section.
In the fifth chapter, general information about the church structure is given. Information about the location and history of the church is presented in this section. The general characteristics of the churches built during the Ottoman Empire are given. In this section, the architectural and carrier system features of the building are explained. The structural damages revealed by on-site inspection are listed. In addition, local seismic characteristics of the location of the structure were revealed with the data obtained from the AFAD site for DD-2 and DD-3 earthquake levels.
In the sixth chapter, the characteristics of the building components and materials of the three-dimensional model of the church, are presented. The loads acting on the structure and the assumptions made in the modeling related to the structure are given. The dimensions of the building elements are given in detail. It is shown how the weight of the roof is calculated. It is emphasized that this weight is then transferred to the model as a distributed load. Modal analysis was performed to determine the dynamic characteristics of the model such as period and mode shape. Information about mass participation rates in the X and Y directions is presented. Accordingly, mode shapes are interpreted. The structural model period was compared with the empirical period formulas. The characteristics of earthquake records taken from Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER) are given in this section. Filtering and time step correction applied to these earthquake records are the subject of this section. For 5 earthquake pairs, scaling was made according to DD-2 and DD-3 earthquake levels and linear analyzes of the structure were performed in the time history. Significant duration, which is the time between 5% and 95% of the Arias Intensity, was used as the earthquake duration. The load combinations including earthquake effect from TBDY are based on. Live load, snow load and vertical earthquake load are neglected. Horizontal earthquake records were activated simultaneously for both directions. Afterwards, both records are rotated 90o to obtain a new loading condition. This process was applied for both earthquake levels DD-2 and DD-3. The base shear force and the variation of the displacements of some determined points with time are presented graphically. Drift ratio control and pressure, tensile and shear stress controls were made using the results of the analyzes performed under the influence of each earthquake and based on TYDRYK (2017). In addition, displacement-time graphs were drawn at seven points determined for the two selected facades, and in-plane and out-of-plane displacements were revealed. For the shear stress control, on four facades, 71 sections were checked. In the last section, the results were compiled and comparisons were made.