Tarihi yüksek yapıların dinamik karakteristiklerinin belirlenmesi: Beyazıt Kulesi örneği

Abstract

Tarihi yapılar geçmişten günümüze gelmiş ve gelecek nesillere aktarılması gereken değerlerimizdir. Tarihi yapılardan günümüze ulaşanlar genellikle kârgir olarak inşa edilmiştir. Kârgir yapılarda malzeme özellikleri büyük bir aralıkta değişmekte ve uniform olmamaktadır. Bu nedenle bu tür yapılara ait mekanik özellikler yönetmelik ve literatürdeki veriler kullanılarak veya yerinde yapılan deneysel çalışmalar ile belirlenmektedir. Tarihi yapılarda ise analiz modellerinin gerçeğe yakınlığı büyük önem arz etmektedir. Dolayısıyla, yönetmelik ve literatür bu bakımdan genel kalmakta ve nümerik analiz modellerinin gerçeğe uygunluğunun belirlenmesi için deneysel çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır. Fakat standart deney yöntemleri bu tür tarihi yapılar için uygun değildir ve tahribatsız olarak yapılabilecek deneyler tercih edilmektedir. Bunların arasında en uygun yöntem modal analiz yöntemleridir. Yöntemde yapıya ait doğal frekanslar belirlenerek, analiz modelindeki malzeme özellikleri güncellenebilir ve gerçek davranışı yansıtacak yapı modelleri oluşturulur.Yapılan tez çalışması kapsamında, İstanbul Üniversitesi Beyazıt Kampüsünde bulunan Beyazıt Kulesi örnek yapı olarak seçilmiştir. Farklı sonlu elemanlar programları ve Genel Jacobi yöntemi kullanılarak geliştirilen bir özdeğer-özvektör problemi çözümü yapan bir program ile yapıya ait doğal frekanslar elde edilmiştir. Sonlu elemanlar programlarında basitten karmaşığa doğru çubuk (frame), kabuk (shell) ve 3 boyutlu katı (3D Solid) elemanlardan oluşan nümerik modeller kurularak analiz edilmiştir. Geliştirilen programda ise farklı serbestlik derecelerindekieşdeğer yapı modelleri tanımlanarak analiz edilmiştir. Yapıya ait malzeme özellikleri, iç ve dış cephelerden görülen kaplama taşları ve ana yapı gövdesi dikkate alınarak literatür ve yönetmeliklerde verilen değerlerle yaklaşık olarak belirlenmiştir. Yapılan analiz sonuçlarının gerçeğe uygunluğunun belirlenmesi amacı ile ortam titreşim testleri yapılmıştır. Kulenin farklı noktalarında MEMS ve piezoelektrik ivmeölçerler kullanılarak alınan titreşim ölçümlerinde, Ayrık Fourier Dönüşümü kullanılarak pik noktalardaki frekanslar hesaplanmış ve yapıya ait doğal frekanslar belirlenmiştir. Deneysel çalışma sonuçları doğrultusunda nümerik analiz modelleri güncellenerek en uygun yapı modeli belirlenmiş ve diğerlerinin gerçeğe uygunluğu tartışılmıştır. Bunların yanısıra; kulenin dinamik karakteristiklerinin deneysel yöntemlerle belirlenmesi sayesinde zaman içinde yapılacak farklı ölçümler yardımıyla, herhangi bir doğal afet veya insan kaynaklı etkiler sonucu kulenin dinamik karakteristiklerinde meydana gelebilecek değişikliklerin belirlenmesi ve olası hasarların takibi konusunda, uzun vadeli yapı sağlığı izleme çalışmaları için de bir altyapı oluşturulmuştur.

Historical buildings are the values that have arrived from the past-to-day and must be conveyed to future generations. Today's historic buildings are often built as masonry. In masonry structures, the material properties vary in a wide range and is not uniform in its entirety. For this reason, mechanical properties in such structures are determined by the given values in regulations and literature or by in situ experimental studies. In historical structures, the closeness of the analysis models to the actual structure is of great importance. Hence, the regulation and the literature remain general in this respect, and experimental studies are needed to determine the suitability of the numerical analysis models. But, standard test methods are not suitable for such historical structures and experiments that can be done non-destructively are preferred. Among these, modal analysis methods are the most appropriate methods. By these methods, the natural frequencies of the structure are determined and the material properties for the analysis model can be updated to investigate the actual behavior of the masonry structures.Within the scope of the thesis, the Beyazıt Tower located at Beyazıt Campus of Istanbul University was chosen as the sample building. The natural frequencies of the structure are obtained by a developed program using the Generalized Jacobi method, which solves the eigenvalue-eigenvector problem and also with using different finite element programs. In finite element programs, numerical models consisting of frame, shell and 3D solid elements have been established and analyzed, separately. Also, in the developed program, equivalent structure models with different degrees of freedom are defined and analyzed. For the material properties of the building considering the interior and exterior facades and main body masonry, an approximate value was chosen from the values given in literature and regulations. In order to determine the suitability of the analysis results according to actual behavior, ambient vibration tests were performed. At different points of the tower, peak frequencies were calculated using Discrete Fourier Transform from vibrations measured by MEMS and piezoelectric accelerometers and the natural frequencies of the structure were determined. Numerical analysis models were updated with experimental results and the most suitable structure model was determined and the validity of the other models was discussed. Besides these; Through thedetermination of the dynamic characteristics of the tower by experimental methods, with the help of different measurements will be made over time, a basis has been established for long-term structural health monitoring studies for determining the changes that can occur in the dynamic characteristics of the tower to follow possible damages in order to identify any natural disaster or human-induced effects.