Demir kenet ve zıvana içeren tarihi taş duvarların yapısal modellenmesi ve düzlem içi davranışlarının incelenmesi
Structural modeling and in-plane behavior of historical stone masonry walls with iron clamps and dowels
- Tez No: 972259
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bugünün Türkiye coğrafyası, tarih boyunca birçok büyük uygarlığın doğuşuna, gelişimine ve etkileşimine sahne olmuş, bu medeniyetlerden geriye kalan zengin mimari ve kültürel miras sayesinde dünya kültür mirasının en önemli alanlarından biri hâline gelmiştir. Anadolu toprakları, Hititlerden Urartululara, Romalılardan Bizanslılara, Selçuklulardan Osmanlılara kadar çok sayıda medeniyetin izlerini barındırmaktadır. Bu medeniyetler, kendi dönemlerinin mimari anlayışını yansıtan camiler, kiliseler, köprüler, kervansaraylar, hamamlar ve çeşmeler gibi çok sayıda yığma/kârgir yapı inşa etmişlerdir. Bu eserler yalnızca estetik değer taşımamakta, aynı zamanda kullanılan yapı tekniği ve mühendislik açısından da dönemin koşullarını belgelemektedir. Zamanla bu tarihi ve anıtsal yapıların birçoğu depremler, iklim koşulları (yağış, rüzgar, sıcaklık değişimleri), atmosferik kirleticiler, tuz etkileri, fiziksel aşınmalar, kimyasal tepkimeler ve insan kaynaklı müdahaleler (vandalizm, hatalı restorasyon vb.) nedeniyle çeşitli düzeylerde hasar görmüştür. Bu hasarlar çoğu zaman çatlaklar, malzeme kayıpları, yüzey bozulmaları ya da demir elemanlarda korozyon şeklinde kendini göstermektedir. Bu tür yapılar yalnızca birer yapı malzemesi yığını değil, aynı zamanda geçmişin bilgi, kültür ve yaşam tarzını bugüne taşıyan hafıza alanlarıdır. Bu nedenle, bu yapıların yapısal bütünlüğünün korunması ve gelecek nesillere aktarılması bir zorunluluk olarak ortaya çıkmaktadır. Tarihi yapılarda kullanılan temel inşaat tekniklerinden biri olan kuru derzli taş duvar sistemi, bağlayıcı harç kullanılmadan taş blokların üst üste dizilmesiyle oluşturulur. Bu tür duvar sistemlerinde yapısal bütünlüğü arttırmak amacıyla metal bağlantı elemanları (kenet ve pim/zıvana) kullanılmıştır. Taşları yatay düzlemde bir arada tutmak amacıyla kenetlerden, düşeyde ise taş blokların ayrılmasını önlemek için pimlerden yararlanılmıştır. Bu elemanların duvar davranışı üzerindeki etkileri oldukça karmaşık olup günümüzde hem deneysel hem de sayısal yöntemlerle anlaşılmaya çalışılmaktadır. Ancak, literatürde bu konuda yapılan çalışmalar sınırlı sayıdadır ve mevcut çalışmalar genellikle sınırlı parametreler üzerinden yürütülmektedir. Bu çalışma kapsamında, demir kenet ve pimlerin, kuru derzli taş duvarların yapısal davranışı üzerindeki etkilerini araştıran kapsamlı bir sayısal analiz sunulmuştur. Çalışmada, taş bloklar arasında herhangi bir harç kullanılmayan ve yalnızca kenet ve/ya da pim gibi bağlantı elemanlarıyla bir arada tutulan taş duvar modelleri oluşturulmuş ve analiz edilmiştir. Bu kapsamda dört ana grup altında toplam on iki farklı duvar modeli geliştirilmiştir: (1) yalnızca kuru derzli taş duvar, (2) yalnızca kenet içeren taş duvar, (3) yalnızca pim içeren taş duvarlar, (4) hem kenet hem de pim içeren taş duvarlar. Sayısal analizlerde, farklı eksenel yük (gerilme) seviyeleri altında her modelin doğrusal olmayan statik itme (push-over) analizleri gerçekleştirilmiştir. Kullanılan malzeme modelleri arasında, taş ve beton gibi yarı gevrek malzemelerin davranışını temsil eden Concrete Damage Plasticity (CDP) modeli ile demir bağlantı elemanlar için gerçek gerilme-şekildeğiştirme ilişkilerini yansıtan elastoplastik modeller yer almaktadır. Taş-taş, taş-kenet ve taş-pim arayüzleri için temas modelleri detaylandırılmış, sonlu eleman ağı kalitesi, sınır koşulları ve temas etkileşimleri modellenmiştir. Analiz sonuçları, farklı kenet ve pim konfigürasyonlarının taşıyıcı sistem davranışına olan etkilerini ortaya koymuş, kapasite eğrileri aracılığıyla her modelin süneklik, rijitlik kapasitesi değerlendirilmiştir. Elde edilen performans seviyeleri, ulusal TYDRYK, uluslararası FEMA ve ASCE yapı yönetmelikleri doğrultusunda yorumlanmıştır. Modellemeler duvarlar üzerindeki hasar gelişimini ve bağlantı elemanlarının yük aktarım mekanizmaları hakkında önemli bulgular sağlamıştır. Tez altı ana bölümden oluşmaktadır: Birinci Bölüm'de konunun önemi, motivasyon ve çalışmanın kapsamı verilmiştir. Modelleme teknikleri, göçme mekanizmaları ve literatür özetine İkinci Bölüm'de yer verilmiştir. Üçüncü Bölüm on iki modelin tanıtımına ayrılmıştır. Beton, taş gibi yarı gevrek malzemelerin davranışını temsil etmek adına geliştirilen Concrete Damage Plasticity (CDP) malzeme modeli ve demir elemanlar için gerçek gerilme-şekildeğiştirme malzeme modeli, taş-taş, taş-kenet ve taş-pim elemanlarının temas noktalarına tanımlanan arayüz modelleri ve modellerdeki sonlu elemanlar ağı, hakkında bilgi ve formülasyonlar verilmiştir. Analiz prosedürleri, ulusal ve uluslararası yönetmelikler ve performans seviyelerinden Dördüncü Bölüm'de bahsedilmiştir. Beşinci Bölüm ise analizler sonucunda kapasite eğrilerine, ulusal ve uluslararası yönetmeliklerdeki performans seviyeleri için verilen hasar mekanizmalarına, duvarların sünekliklerine ve rijitliklerine ayrılmıştır. Çalışma kapsamında elde edilen sonuçlar Altıncı Bölüm'de özetlenmiş ve gelecekteki olası çalışmalar için önerilerde bulunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Throughout its long history, the geography of Anatolia has been a cradle of civilizations, giving rise to hosting and enabling interaction among many major cultures. These interactions created a rich and layered cultural heritage, one that is reflected most visibly in the region's architectural legacy. Anatolia is not merely a geographical location but a historical archive in itself, home to a sequence of civilizations from the Hittites and Urartians to the Romans, Byzantines, Seljuks, and Ottomans. Each of these societies has left behind architectural monuments that reflect their cultural, religious, and technological identities—structures such as mosques, churches, caravanserais, bridges, baths, and fountains that continue to speak to modern observers about the values, priorities, structural technologies used, and skills of their builders. These historic structures are more than architectural achievements; they are vessels of memory that carry forward the accumulated knowledge and lived experiences of centuries. Their protection and scientific analysis are not only of cultural importance but are also vital to understanding historical construction methods, materials, and structural behavior. Yet, over time, many of these monumental buildings have suffered damage due to both natural and human factors. Earthquakes—especially given Turkey's seismically active geography—pose a major threat to their structural integrity. Alongside seismic activity, other environmental factors such as freeze-thaw cycles, temperature fluctuations, wind, and rainfall contribute to the progressive deterioration of these structures. Atmospheric pollutants, salt crystallization, biological agents like fungi and lichens, and chemical reactions within materials further lead to surface erosion, cracking, and material loss. In addition to natural decay, human interventions have also played a role in their degradation. Inappropriate restorations, either due to lack of technical knowledge or disregard for historical authenticity, often do more harm than good. In some cases, well-intentioned but structurally incompatible repairs compromise the original load-bearing systems. Acts of vandalism, unregulated reuse, and treasure hunting also contribute to irreversible damage. For these reasons, the conservation of historical structures has become a scientific, technical, and ethical imperative. These efforts require not only structural preservation but also an in-depth understanding of the traditional construction techniques used in these buildings. One of the most intriguing traditional construction systems used in Anatolia is the dry-joint stone masonry system. Unlike conventional masonry, this technique involves no mortar or binding agent between the stone blocks. Instead, large stone elements are carefully cut, smoothed, and assembled so precisely that they remain in place solely through gravity and friction. While this method may seem rudimentary at first glance, it actually requires an exceptionally high level of craftsmanship and planning. Due to the labor-intensive nature and material precision required, dry-joint masonry was not used in ordinary constructions. Rather, it was predominantly employed in high-status, monumental buildings such as palaces, temples, and significant public structures. These systems are not only technically sophisticated but also culturally prestigious, serving as indicators of elite architecture in their time. The entire process—from quarrying and cutting the stones to transporting and assembling them on-site—demanded skilled labor and significant economic investment. Each block had to be carefully tailored to fit the next with minimal tolerance for error. The outcome was a structure of both great durability and remarkable aesthetic harmony. As a result, dry-joint masonry structures are considered not only architectural masterpieces but also symbolic expressions of the knowledge and power of the civilizations that built them. To further enhance the structural stability of these systems, especially in the absence of mortar, metal connectors were often used. These included clamps (also known as dowels or ties) and pins, which helped bind the stones together horizontally and vertically. Clamps were inserted laterally between stone blocks to resist sliding, while vertical pins were placed to prevent separation under vertical loads. Though these components might appear small in scale, their contribution to the structural behavior of the wall is significant. Their presence alters the mechanical performance of the masonry system by modifying load transfer paths and enhancing inter-block resistance. Both experimental and numerical methods have been employed to better understand the behavior of these elements and their interaction with stone masonry under different load conditions. However, studies focusing on this subject remain limited, and existing research often addresses only a narrow set of variables. Investigating the mechanical function of clamps and pins in dry-joint masonry is essential not only for academic inquiry but also for practical conservation and retrofitting strategies. These connectors embody ancient engineering principles and provide insight into how historical builders achieved seismic resistance without modern materials. The preservation of these heritage structures demands a multidisciplinary approach, one that integrates structural engineering, architecture, material science, and historical research (i.e. historical of architecture). By analyzing the original design logic and structural performance of dry-joint masonry systems, conservation professionals can develop interventions that are compatible, minimally invasive as per the 1964 Venice Charter, and respectful of the building's historical identity. Furthermore, understanding the materials and construction techniques used in the past allows modern engineers to learn from centuries-old practices and apply these lessons to contemporary sustainable construction. In this sense, each traditional building technique, including dry-joint stone masonry with metal connectors, forms a vital link between the wisdom of the past and the responsibilities of the present and future. Research effects into these systems are not merely exercises in technical analysis. They represent acts of cultural stewardship—attempts to read, decode, and preserve the stories embedded in stone. Every architectural joint, every carved block, and every embedded clamp is a trace of human ingenuity. Documenting, analyzing, and disseminating this knowledge is an obligation toward future generations, ensuring that the architectural expressions of ancient civilizations continue to inspire and inform us today. This thesis is composed of six main chapters: In Chapter One, significance of the topic, motivation behind the study, and overall scope of the research are presented. An overview of modeling techniques, collapse mechanisms, and a summary of the existing literature are presented in Chapter Two. Chapter Three is devoted to twelve different models. The Concrete Damage Plasticity (CDP) material model—developed to represent the behavior of semi-brittle materials such as concrete and stone—is used, along with true stress-strain models for steel reinforcement elements. Additionally, interface models are defined at the contact surfaces between stone-to-stone, stone-to-clamp, and stone-to-pin elements. Detailed information and formulations regarding the finite element mesh used in the models are also presented. Analysis procedures followed relevant national and international codes, and structural performance levels are discussed in Chapter Four. Chapter Five delves into the capacity curves obtained from the numerical analyses. Damage mechanisms corresponding to performance levels defined in national and international codes are also demonstrated. Furthemore, ductility and stiffness of the walls are evaluated. Finally, Chapter Six summarizes the findings obtained within the scope of this thesis and offers suggestions for possible future research.
Benzer Tezler
- Seismic behaviour of historical stone masonry multi-leaf walls
Çok tabakalı tarihi taş yığma duvarların deprem yükleri altında davranışı
CEM DEMİR
Doktora
İngilizce
2012
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER İLKİ
- Sivas-Divriği demir yataklarının potansiyel alan verisi kullanılarak incelenmesi
Başlık çevirisi yok
SEYFULLAH TUFAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Jeofizik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ABDULLAH ATEŞ
- Larisa (Buruncuk) Akropolü'nü çevreleyen geç arkaik surlar
The late archaic acropolis circuit of Larisa (Buruncuk)
ERTUNÇ DENKTAŞ
Doktora
Türkçe
2024
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEJAT TURGUT SANER
PROF. DR. CHRİSTİNE BRUNS ÖZGAN
- Caka ve kendinden flanşlı makinelerde imal edilen havalandırma kanallarındaki hasarların nümerik analizi ve optimizasyonu
Numerical analysis and optimization of damages in ventilation ducts manufactured on folding and self-flanged machines
CUMA ALİ BİRİCİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiMersin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BÜNYAMİN DEMİR