SEDDÜLBAHİR KALESİ YAPISAL ANALİZ ÇALIŞMALARI VE SERBEST TİTREŞİM ALTINDA DİNAMİK TANIMLAMA STRUCTURAL ASSESMENT OF SEDDULBAHIR FORTRESS BASED ON DYNAMIC IDENTIFICATION TESTS Murat ALABOZ 1, Haluk SESİGÜR 2, Feridun ÇILI 3 ÖZET Bu çalışma, Gelibolu yarımadasında bulunan Seddülbahir Kalesi nin Restorasyon Uygulaması kapsamında incelenen Batı ve Güney Kuleleri mevcut durumlarının değerlendirilmesi ve onarım, iyileştirme önerilerinin geliştirilmesi amacıyla yapılan analizler ve dinamik tanımlama testi çalışmalarını içermektedir. Seddülbahir Kalesi, Çanakkale boğazının en önemli savunma yapısı olup Osmanlı döneminde 1658 yılında Sultan IV. Murat ın validesi Hatice Turhan Sultan tarafından inşa ettirilmiştir. Yapı, Çanakkale savaşları sırasında ve günümüze kadar geçen süreç içerisinde insan ve çevre kaynaklı etkiler altında önemli oranda bütünlüğünü kaybetmiş, özellikle Batı ve Güney Kulelerin büyük bir bölümü yıkılmıştır. Kulelerin ayakta kalan kısımlarının deprem güvenliğinin belirlenmesi amacıyla, rölöve ve lazer tarama verilerinden yararlanarak yapısal modeller kurulmuş ve doğrusal elastik hesap esasları doğrultusunda analizler yapılmıştır. Sayısal modeller tetrahedral elemanlar kullanılarak makro modelleme tekniği ile oluşturulmuş ve analizlerde malzemenin elastik davranışı esas alınmıştır. Batı ve Güney kulelerin dinamik özelliklerinin sayısal modellerin özellikleri ile kalibrasyonunu sağlamak amacıyla yerinde dinamik tanımlama testleri gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla kulelerin uygun noktalarına ivme ölçerler yerleştirilmiş, titreşim verileri kaydedilmiştir. Elde edilen veriler yorumlanarak yapıların mod şekilleri ve doğal frekansları elde edilmiştir. Bunlara ilave olarak yapıların mevcut hasar durumlarını ortaya çıkaran olası hasar mekanizmaları araştırılmış ve bu hasar mekanizmalarını harekete geçirecek ivme değerleri hesaplanarak her iki kulenin de deprem riski belirlenmeye çalışılmıştır. Elde edilen sayısal sonuçlar doğrultusunda Batı ve Güney kulelerin onarım ve iyileştirilmesi ile ilgili öneriler geliştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: YapısalAnaliz, DinamikSistemTanımlama, HasarMekanizması ABSTRACT Inthisstudy, assessment of the two towers of Seddülbahir Fortress are realized by means of linear structural analysis. Dynamic identification is performed for modal updating of structural system which helps to develop intervention proposals. Seddülbahir Fortress is a unique defensive structure of Canakkale Bosphorus which was constructed in the era of Sultan the IV Murat by his mother Hatice Turhan Sultan in 1658. The structure was damaged during Canakkale War and exposed to weathering effects by now. Deteriorations due to unemployment and conscious human harm by replacing the stones are observed. Therefore, the structural integrity of the towers is lost due to the collapse of the domes of the towers and the body walls as well by half. In order to assess the earthquake risk, finite element models were conducted by using 2D and 3D laser scanning survey data. In FEM models, homogeneous and elastic material properties are taken in to account. Dynamic properties of the structures are evaluated by using acceleration data under ambient vibration. Natural frequency and modal shapes obtained by dynamic tests are used to check the consistency of the FEM models constructed with estimations and required modifications are done to match the behavior. In addition to linear elastic analysis results, possible damage mechanisms are studied to estimate damage activation 1 Inş.Müh., ARKE Mühendislik, İstanbul, alaboz@arkemuhendislik.com.tr 2 Dr.,İnş.Müh., İTÜ Mimarlık Fakültesi, haluk@itu.edu.tr 3 Prof.Dr.,İnş.Müh., İTÜ Mimarlık Fakültesi, cilif@itu.edu.tr 453
acceleration values which can cause loss of equilibrium. Consequently, structural interventions are proposed by considering different assessment approaches. Keywords: Dynamic system identification, Structural Analysis, FEM, Damage Mechanism GİRİŞ Yapılan çalışma, Koç Üniversitesi ve İstanbul Teknik Üniversitesi ortaklığında 2005-2006 yıllarında Orman Bakanlığı Doğa ve Milli Parklar Genel Müdürlüğü nün yönetiminde yapılan ve 24 Kasım 2009 tarihinde Çanakkale Koruma Kurulu'nun 4647 sayılı kararıyla kurul süreci tamamlanan Seddülbahir Kalesi rölöve, restitüsyon ve konservasyon projeleri kapsamında restorasyonu devam eden Seddülbahir Kalesi beden duvarları üzerinde yer alan ve kısmi göçmeler, yapısal hasarlara sahip Güney ve Batı Kulelerinin mevcut durum analizi ve olası bir deprem anında oluşabilecek göçme mekanizmalarının belirlenmesi ve bu mekanizma durumlarını tetikleyebilecek deprem ivmelerinin tahminine yönelik analizleri kapsamaktadır. Çanakkale Savaşları Gelibolu Tarihi Alan Başkanlığı (ÇATAB) tarafından ihale edilen uygulama halen devam etmektedir. Çalışma kapsamında risk analizi yapılarak ileri hasarların önlenmesine yönelik öneriler geliştirilmiştir. Şekil 1 : Restitüsyon vaziyet planı Yerinde yapılan gözlemler ve güncel durumu belgeleyen rölövelerden faydalanarak söz konusu yapılara ilişkin sayısal modeller oluşturulmuş, malzeme parametreleri ve sınır koşullarının doğruluğunun kontrolü ve yapısal davranışın daha doğru tanımlabilmesi için titreşim kaydı alınarak yapı doğal frekansları ve mod şekilleri belirlenmiştir. Bu çalışmalara ek olarak, mevcut hasar durumuna göre deprem anında harekete geçebilecek olası kütleler ve göçme modları değerlendirilerek bu olası durumlarda yapı güvenliğini sağlayacak öneriler geliştirilmiştir. MİMARİ YAPI Batı ve Güney Kule olarak adlandırılan köşe burçları adlarını aldıkları şekilde, kale duvarlarının ilgili köşelerinde konumlanmış durumdadır, Şekil 1. Ancak kulelerin deniz ile ilişkileri, köşe oluşturdukları beden duvarları ile ilişkileri ve genel geometrilerinde farklılıklar gözlenmektedir. Batı Kule, deniz seviyesinden yaklaşık 10m yüksekte ve içeride konumlanmakta, deniz ile etkileşimi bulunmamaktadır. Dış cephesi çokgen, iç kısımda kubbe ile örtülü, üst kısımda ise kubbe üzerinde dolgu ve düz bir teras ile sonlanmaktadır, Şekil 2,3. Mevcut durumda savaş sırasında aldığı hasarlar ve çevre etkileri altındaki bozulmalar ile birlikte yapı taşlarının kullanım amaçlı sökülmesinden kaynaklı olarak ileri derecede hasar görmüştür. Günümüzde kubbenin yarısından azı ayakta kalabilmiş olup kuzey duvarı ile bitişik durumdadır, Şekil 3. Ancak güney yönünde kuleye saplanan duvar yıkılmış, günümüzde temel seviyesindeki kalıntılar açığa çıkarılabilmiştir. Üst döşemesi kısmen korunan yapının dendanları günümüze ulaşamamıştır. 454
Şekil 2. Batı Kule restitüsyon çizimi (sol) ve güncel rölövesi (sağ) Şekil 3. Batı kulenin denizden görünümü Güney Kule ise, deniz seviyesinde, güney tarafta topların yer aldığı sed duvarının bitiminde yer almaktadır. Dairesel plana sahip kulede Kuzey yönünde içinde tonozlu mekanların olduğu geniş beden duvarı ile arka sete bağlanmaktadır, Şekil 4. Deniz kotunda ve kıyıya yakın olması sebebiyle zamanla denize kadar mesafe oluşturan kıyı kısmı erozyona uğramış, yapı su ile temas eder hale gelmiştir. Bu durum bozulma ve mevcut hasarların ilerlemesine de sebep olmuştur. Bu kule Batı Kule ye oranla bütünlüğünü daha fazla korumaktadır ancak kubbe kesitinin yarısı kaybedilmiş durumdadır, Şekil 5. Şekil 4. Güney Kule restitüsyon çizimi ve günümüzdeki halini gösterir hava fotoğrafı Şekil 5. Güney Kule deki hasarlar YAPISAL ANALİZ Kulelerin statik ve dinamik durumdaki davranışının tahmini ve müdahale önerilerinin etkilerinin çalışılması amacıyla iki farklı yöntem ile 3 boyutlu sayısal model oluşturulmuştur. İlk modelde rölöve planlarından faydalanılarak idealleştirilmiş geometri ile model kurulmuş, ikincisinde ise güncel tarama verilerinin yüksek yoğunluklu yüzey modeli katı modele dönüştürülerek analiz gerçekleştirilmiştir. Kule analizlerinde duvarların elastisitemodülü 1 GPa olarak kabul edilmiş, malzeme doğrusal elastik olarak tanımlanmıştır. 455
Modal Analiz Modal analiz sonuçlarına göre beden duvarı ile birleşen köşenin daha rijit davrandığı, batı ucundaki kütlenin harekete daha yatkın olduğu görülmektedir, Şekil 6. Kütle özelliklerinden dolayı, Batı Kule nin Güney Kule ye oranla daha az rijit olduğu ve titreşim periyotlarının daha düşük olduğu görülmektedir. Kütle katılım oranı en fazla olan 1. mod şeklinde, batı ucundaki kütlenin harekete geçtiği görülmektedir. 2. ve sonraki mod şekillerinde ise beden duvarının kule ile birleştiği kısımda hareket görülmektedir. Batı Kule mod şekilleri incelendiğinde, harekete geçebilecek ilk kütlenin 1. mod şeklinde görüldüğü üzere batı köşedeki kısmın içe doğru devrilme eğiliminde olduğu görülmektedir, Şekil 6. 2. mod şeklinde, kuleye bağlanan Kuzey duvarının düzlem dışı hareketi görülmekte ve kubbenin bir kısmının yine içe doğru hareketi gözlenmektedir. 3. ve 4. mod şekillerinde ise burulma hareketleri gözlenmektedir. Güney Kule için iki ayrı model kurulmuş, yerinde yapılan ölçümlerle olan uyumu değerlendirildiğinde ikinci model analizlerde kullanılmıştır, Şekil 7. İlk model, eldeki kısıtlı plan kesiti ile idealize edilerek oluşturulmuş, ikinci model ise lazer tarama verileri doğrultusunda gerçekçi şekilde modele aktarılmıştır. Malzeme ve birim hacim ağırlıkları aynı olmakla birlikte frekans değerlerinde oldukça yüksek farklılıklar gözlenmiştir. Frekans değerlerinden bağımsız olarak mod şekilleri, kulenin doğu ve batı uçlarındaki kütlelerin serbest harekete açık kütleler olduğunu göstermektedir. Şekil 6. Batı Kule mod şekilleri ve doğal titreşim frekansları Şekil 7. Güney Kule mod şekilleri ve doğal titreşim frekansları Deprem Yükleri Etkisi Altında Analiz Farklı yönlerde etkiyebilecek deprem yüklemeleri altında kütle hareketini görebilmek amacıyla yapıya aşağıdaki şekilde gösterilen dört yönde deprem ivmesi etkitilmiştir. Deprem ivmesi birinci derece deprem bölgesi olması sebebiyle 0.4g olarak kabul edilmiş, yapı davranış katsayısı ile küçültme yapmadan yapıya etkitilmiştir. Sayısal modelden elde edilen yer-değiştirme değerleri, malzemenin doğrusal elastik olmayan davranışı ve çekme gerilmelerini taşımayan malzeme göz önüne alınmadığından gerçek değerleri yansıtmamakta olduğundan sadece göreli hareketlerin yönü değerlendirilmiştir. Aşağıdaki şekillerde görüldüğü üzere, her farklı deprem yüklemesi yönünde kritik davranış sergileyen kısmın, batı ucu olduğu görülmektedir. Şekil 8 :Güney Kule mod şekilleri ve doğal titreşim frekansları 456
Mekanizma Analizleri Güney ve Batı Kulelerin Eşdeğer Deprem Yükü analizlerinin, malzemenin doğrusal elastik davranışının göz önüne alınması ve doğrusal elastik hesap esaslarına göre yapılan çözümlerde çok düşük yer-değiştirmeler elde edilmesi üzerine, modal analizde tespit edilen harekete açık kütlelerin ana kütleden kopması senaryosunu değerlendiren devrilme analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizlerde, aşağıdaki şekillerde öngörü olarak harekete geçmesi beklenen kısımların dengesini bozacak en düşük ivme değerinin belirlenmesine çalışılmıştır. Genel denge denklemlerinden faydalanılarak Batı Kule için belirlenen kütleyi hareke geçirebilecek en düşük yatay ivme değerinin 0.16g, Güney Kule için ise 0.19g olduğu tespit edilmiştir. Bu analizde spektrum büyütme katsayısı 2.5, taşıyıcı sistem davranış katsayısı R ise 2 olarak kabul edilmiştir. Şekil 9 : Batı ve Güney Kule mekanizma analizleri, en düşük yatay ivme değerleri DOĞAL TİTREŞİM ANALİZLERİ ve SİSTEM TANIMLAMA Güney ve Batı Kule ler üzerinde, daha önceden hazırlanmış olan yapısal modellerin doğruluğunun kontrolü ve mevcut yapısal davranıışının anlalışabilmesi amacıyla, 7 adet yüksek hassasiyetli, düşük gürültü seviyeli 3 eksenli ivme ölçerler ile farklı örnekleme frekansları ve sürelerde veri toplanmış, yapıların doğal titreşim periyotları ve salınım şekilleri belirlenmiştir, Şekil 10,11.Batı Kule de aşağıda gösterilen konumlarda farklı iki oturumda 100 Hz örnekleme ile 10 dk ve 20 dk ivme kaydı toplanmıştır, Şekil 10. Cihazlar yapısal davranışı temsil edebilecek kritik noktalara yerleştirilmiştir. Veriler yaygın kullanımı olan bir veri işleme programı olan Artemis yazılımı ile işlenmiş, farklı analiz yöntemleri ile doğal titreşim periyotları ve frekanslar tespit edilmeye çalışılmıştır, Şekil 12,13,14,15,16,17. Şekil 10 : Batı Kule sensor yerleşimi ve ölçüm sırasında çekilmiş fotoğraflar 457
Şekil 11 : Güney Kule üzerinde ölçüm sırasında çekilmiş fotoğraflar Çevre titreşimleri altında elde edilen doğal titreşim periyotlarının, sonlu elemanlar modeli ile yakın olduğu gözlenmiştir. Mod şekillerinde, ölçüm yapılan noktalarda, sonlu elemanlar modeline göre daha fazla deplasman yaptığı ve düzenli hareket oluşturmadığı gözlenmektedir. Bu durum, Batı Kule de bütünselliğin belli oranda sağlandığı, ancak bölgesel ayrışmalar olduğunu düşündürmektedir. Frekans değerlerinin düşük olması, kütlesel bütünlüğün sağlandığı oranda, gerçek yapının elastik modülünün, sonlu elemanlar modelinde varsayılan değerden (1 GPa) düşük olabileceğini düşündürmektedir. Spektral yoğunluk grafiğinde bazı kanalların tepe noktaların birbiri ile uyumlu olduğu ancak bir kısmında uyumsuzluk olması, yapının bazı bölümlerinin bütün ile hareket etmediği veya eş oranda harekete katılmadığı şeklinde yorumlanmaktadır. Şekil 12 : Batı Kule doğal frekans değerleri ve sayısal model değerleri karşılaştırması Şekil 13 : Batı Kule yerinde yapılan testler sonucunda elde edilen frekans değerleri 458
Şekil 14 : Batı Kule matematik modelde ve yerinde yapılan testlerde elde edilen mod şekilleri Şekil 15 : Güney Kule doğal frekans değerleri ve sayısal model değerleri karşılaştırması Şekil 16 : Güney Kule matematik modelde ve yerinde yapılan testlerde elde edilen mod şekilleri 459
Şekil 17 : Güney Kule yerinde yapılan testler sonucunda elde edilen frekans değerleri YAPISAL MÜDAHELE ÖNERİLERİ Yapılan analizler ve yerinde yapılan gözlemlere göre, Batı Kule nin yatay yükler altında devrilme riski bulunan kütlesel kısımlarının devrilmesinin engellenmesi, mevcut yapının kendi içerisindeki bütünlüğünün sağlanması amacıyla öneriler geliştirilmiştir. Bu kapsamda, duvar kesitlerinde yerleri tespit edilebilen, Kule beden duvarları içerisinde gözlenen hatıl boşluklarının erişilebilen kısımlarda ahşap elemanlarla, erişilemeyen kısımlarda donatılı kireç harcı ile doldurulması önerilmiştir, Şekil 18. Şekil 18 : Batı Kule hatıl sistemi onarım önerisi Çalışma kapsamında yapılan öngörü hasar mekanizmalarını düşük yatay ivmeler altında dahi devrilmesini sağlayabilecek itkiler için, kubbenin reaksiyon kuvvetlerini tersinir şekilde yapıya etkitebilmek, statik durumda yapıya yük getirmeyen, deprem anında devrilmeyi engelleyebilecek bir gergileme sistemi önerilmiştir, Şekil 19. Kubbenin yitirildiği ve bugün çekirdek dokusunun görünür olduğu yüzeyde kireç harcı yastık tabakası üzerine yüzeyi tutabilecek bir çelik kuşak yapılarak, bu çelik kuşağın arka tarafta reaksiyon kuvvetlerini karşılayabilecek ağırlıkta betonarme bir temele bağlanması önerilmiştir. 460
Şekil 19 : Batı Kule de güçlendirme önerisi Aşağıdaki şekilde konsept projenin 3 boyutlu görsellenmiş hali görülmektedir. Şekil 20 : Batı kule güçlendirme önerisi görselleri Güney Kule de ise yapının iki yönden kale beden duvarları tarafından tutulu olması ve müdahale olanaklarının yetersizliği sebebiyle, tespit edilen hatıl boşluklarının doldurulması (Şekil 21) ve üst döşeme kaplama taşlarının altında hatıl boşluklarının (Şekil 21) devamlılığına göre kütlelerin düşeyde de bağlanarak beden duvarlarına bağlanması önerilmiştir, Şekil 22. Şekil 21 : Güney Kule, mevcut durumda hatıl boşlukları Şekil 22 : Güney Kule hatıl sistemi önerisi 461
SONUÇ Seddülbahir Kalesi rölöve, restitüsyon ve konservasyon projeleri kapsamında restorasyonu devam eden Batı ve Güney Kulelerinin mevcut hasar durumları incelenmiş ve yapıların sonlu eleman modelleri hazırlanmış ve doğrusal elastik hesap ilkeleri doğrultusunda çözümlemeler yapılmıştır. Yapıların mekanik özelliklerinin matematik modele yansıtılması amacıyla yerinde ortam titreşim özellikleri belirlenmiş ve elde edilen veriler doğrultusunda kulelerin dinamik davranışları değerlendirilmiştir. Bununla birlikte olası göçme modları araştırılarak bu göçme modlarını aktive eden ivme değerleri hesaplanmış, elde edilen sonuçlar doğrultusunda Batı ve Güney Kuleleri için iyileştirme önerileri verilmiştir. Teşekkür Çalışmanın gerçekleştirilebilmesi için katkılarından dolayı Çanakkale Savaşları Gelibolu Tarihi Alan Başkanlığı (ÇATAB) na teşekkürlerimizi sunarız. KAYNAKLAR Sesigür, H., Erol, G., Soyöz, S., Kaynardağ, K., Gönen, S. (2016), Repair and Retrofit of Ketchaoua Mosque in Algeria, 10th International Conference on Structural Analysis of Historical Constructions, Leuven, Belçika, Tomazevic, M. (1999), Earthquake-Resistant Design of Masonry Buildings, ISBN:1-86094-066-8, Imperial College Press, London Casarin, F. (2006), Structural Assessment and Seismic Vulnerability Analysis of a Complex Historical Building,DoktoraTezi, PadovaÜniversitesi, İtalya Rivas, A.T.(2009), Stability Analysis of Famagusta Churches : St. Georges of the Latins, Master Tezi, Minho Üniversitesi, Portekiz Alaboz, M. (2009) Dynamic Identification and Modal Updating of S. Torcato Church, Master Tezi, MinhoÜniversitesi, Portekiz 462