Bursa tarihi minarelerinin dinamik davranışlarının ve performanslarının incelemesi

Abstract

Geçmişte defalarca insanoğluna ve inşa ettikleri yapılara zarar veren deprem, gelecekte de çok kez tekrar edecek en yıkıcı doğal afetlerin başında gelmektedir. Bu yüzden depremlere rağmen ayakta kalabilmiş tarihi yapılarımızı geleceğe güvenle aktarmak inşaat mühendisliğinin başlıca görevleri arasında yer almaktadır. Bu araştırmada, geçmişte birçok medeniyetin hüküm sürdüğü ve Osmanlı Devletine yıllarca başkentlik yapmış Bursa'daki 15 adet tarihi minare incelemeye alınmıştır. Tüm bu gerekliliklerin yanında tarihi minarelerin alışılagelmiş yapı tarzından farklı olarak uzun, narin, yığma yapı karakterleri ve bundan dolayı yatay yük taşıma kapasitelerinin düşük olması yapısal davranışlarının tespitinde inşaat mühendislerinin işini oldukça zorlaştırmaktadır. Tarihi minarelerin yapısal sağlık takibi ve performans değerlendirmesi için dinamik karakteristiklerinin belirlenmesi oldukça zahmetli olmasına karşın önemli bir gerekliliktir. Tarihi minarelerin rijitliğinin tespitindeki zorluklar, heterojen malzeme özellikleri, gözlemsel olarak belirlenmesi oldukça güç olan ana yapıyla ilişkisi ve buna bağlı mesnet koşulları durumu daha da zorlaştırmaktadır. Bu amaçla, araştırmada minarelerin dinamik karakteristiklerini belirlemek için minarelere çevresel titreşim testi uygulanmış ve yukarıda ifade edilmeye çalışılan tüm zorluklar lineer sınırlar içerisinde tespit edilmeye çalışılmıştır. Söz konusu bu testler sırasında modal parametrelerin belirlenebilmesi için klasik frekans alanlı yöntem kullanılmıştır. Tarihi minarelerin inşa edildiği malzemelerin mekanik özellikleri yerinde ultrases testi, laboratuvarda ise birim hacim ağırlık ve özgül ağırlık testleri yapılarak elde edilmiştir. Tarihi minarelerin yapısal davranışını temsil edecek matematiksel modeller, üç boyutlu sonlu elemanlar yaklaşımıyla oluşturulmuş ve modal testten elde edilen veriler sayesinde kalibrasyonları gerçekleştirilebilmiştir. Kalibrasyon neticesinde sayısal modellerin modal analiz sonuçları ile modal test arasındaki hata oranı çoğunlukla %10'un altında tutularak, incelenen tarihi minarelerin dinamik davranışları mümkün olduğunca mevcut yapı davranışına yakın temsil edilmeye çalışılmıştır. Bu çalışmalara ek olarak, incelenen tarihi minarelerin birinci mod periyotları ile periyota etkiyen parametreler arasında ilişki kurularak regresyon analizi yapılmıştır. Bahsedilen ilişkilere idealleştirmeler yapılarak tarihi minarelerin birinci mod periyotlarının, tespiti veya tahmini kolay olabilecek bazı parametreler sayesinde, ampirik bir formülle tahmin edilebileceği kanaatine varılmıştır. Son olarak incelenen beş minareye doğrusal olmayan itme analizi uygulanarak talep ve kapasite diyagramları elde edilmiş ve deprem performansları değerlendirilmiştir. Bunun sonucunda tarihi minarelerdeki deprem hasarlarının çoğunlukla minare elemanlarının birleşim bölgelerinde oluştuğu görülmüştür. En çok hasarın ise en kesit ve malzeme değişiminden dolayı geçiş elemanı ile gövde arasındaki birleşim bölgesinde meydana geldiği tespit edilmiştir.

In the past, many historical masonry constructions were damaged by earthquakes. This historical heritage should be preserved and transferred to our posterity so that they can realisingly take its benefits like us. It is very significant because of its link to important periods in the past. Therefore, the scope of this work is selected as dynamic performance of historical minarets are investigated in Bursa, where many civilizations lived in the past. Furthermore, this city was the capital of Ottoman Empire for long time. Unlike classical structures; minarets are tall, slender and masonry structures. So, they are quite sensitive structures against lateral loads. Identification of dynamic characteristics of historical masonry minarets are so difficult via Structural Health Monitoring and evaluation of the performances too. Because the historical masonry minarets have complex stiffness, heterogenic material properties and shadowy boundary conditions as observational. Thus, ambient vibration test were performed with aim of defining modal parameters of the minarets. The test is focused on output-only modal identification. In order to achieve the modal analysis-frequency domain, peak-picking method was employed in derivation of modal data. The relationships between the first mode period of the minarets and the structural properties such as height, young's modulus, cross section were examined and regression analyzes were performed. In the further research, it is thought that the empirical formula can be derived from the relationships for the first period of the minarets. Since the structural behavior of historical minarets were represented with mathematical models, three dimensional (solid) models were implemented by using the finite element technique. Model updating was performed in order to match the natural frequencies arising from the experimental investigation with those from numerical results. The study area is located very close to the western macro-seismic zones of north Anatolian fault. Thus, non-linear static pushover analysis were carried out considering displacement distribution of the first mode on the model of the minarets. As a result of analyzes, demand-and capacity curves of the minarets were computed and damage mechanism of the structures were investigated. The result showed that most critical sections of the historical minarets are in the region between transient segment and body component. Therefore, the tensile stress value and plasticization level of the region are very important for evaluation of seismic performance.