CONSTITUTIVE MODELING OF HISTORIC MASONRY WALLS CONSTRUCTED WITH NONHYDRAULIC LIME MORTAR

Abstract

In this study, a constitutive modeling technique for three-dimensional nonlinear finite element analysis of unreinforced historic masonry walls under in-plane loading has been proposed. The complex mechanical behavior of the historical masonry buildings is subjected to the composite characteristics of the materials. Mortar is the vulnerable part of the masonry walls composed with masonry constituents like stone or bricks and mortars with different contents. It is supposed to reflect the vulnerable behavior of the mortar to the modeling study. In this context, a ‘fictitious joint material’ approach has been defined. The proposed model was derived from an elasto-plastic damage approach that adapted calibrating the parameters of Oliver's damage model together with the modified von-Mises yield criterion for the masonry constituents. The modified von-Mises yield criterion considering the compressive and tensile strength of masonry constituents separately was used for plastic strain and the damage model Oliver et al. (1990) was used for damage strain especially for tensile effects. Numerical results and modes of failure are compared with experimental data

Keywords

• Constitutive modeling, Masonry wall, Finite element method, Elasto-plastic damage model

HAVA KİRECİ HARCI KULLANILARAK ÜRETİLEN TARİHİ YIĞMA DUVARLARDA BÜNYESEL MODELLEME

Abstract

Bu çalışmada, düzlem içi yükler etkisinde kalan tarihi yığma duvarların üç boyutlu doğrusal olmayan sonlu elemanlar analizi için bir bünyesel modelleme tekniği önerilmiştir. Tarihi yığma yapıların karmaşık mekanik davranışları, büyük ölçüde yapı malzemelerinin kompozit niteliğine bağlıdır. Taş veya tuğla gibi yığma birimlerden ve farklı içeriklerde harç (bağlayıcı) malzemesinden oluşan yığma duvarlarda, zayıf özellikte ve kompozit yapıda olan malzeme harçtır. Tarihi yapılarda kullanılan harcın yığma birimlere nazaran mekanik olarak zayıf olması, bu etkiyi gerektirmiştir. Bu kapsamda, modellemede derz bölgelerine yoğunlaşan bir yaklaşım olarak ‘sanal birleşim bölgesi malzemesi’ tanımlanmıştır. Çalışmada önerilen malzeme modeli, yığmanın gerilme birim şekil değiştirme davranışını ifade etmek üzere, geliştirilmiş von-Mises akma kriteri ile Oliver hasar modeli yaklaşımlarının, ihtiyaç duyduğu malzeme parametreleri dikkate alınarak birleştirildiği elasto-plastik hasar mekaniğinden türetilmiştir. Plastik şekil değiştirme için, kırılma yüzeyindeki çekme ve basınç gerilme değerlerini ayrı ayrı dikkate alan geliştirilmiş von-Mises plastisite modeli ile hasar mekaniğindeki şekil değiştirme artışı Oliver vd. (1990) modeli kullanılarak ifade edilmiştir. Sayısal model sonuçları ve kırılma modları deneysel verilerle karşılaştırılmıştır

Keywords

• Bünyesel modelleme, Yığma duvar, Sonlu elemanlar yöntemi, Elasto-plastik hasar modeli

References

1. [1] Torraca, G. 1982. Porous Building Materials, Rome.
2. [2] Feilden, B. 1982. Conservation of Historic Buildings. UK: Butterworth-Heinemann.
3. [3] Ashurst, J. 1984. Mortars, Plasters and Renders in Conservation. London, United Kingdom: Ecclesiastical Architects’ and Surveyors’ Association.
4. [4] Teutunico, J.M. 1988. A Laboratory Manual for Architectural Conservation. ICCROM Sintesi Grafica, Rome.
5. [5] Ersen, A. 1990. Koruma Amaçlı Yapı Malzemeleri. İstanbul: İTÜ Mimarlık Fakültesi Restorasyon Anabilim Dalı.
6. [6] Güleç, A., Ersen, A. 1998. Characterization of Ancient Mortars: Evaluation of Simple and Sophisticated Methods. Journal of Architectural Conservation, Cilt. 1, s.56-67. DOI:10.1080/13556207. 1998.10785207
7. [7] Jokilehto, J. 1999. A History of Architectural Conservation. England: Butterworth Heinemann.
8. [8] Moropoulou, A., Bakolas, A., Moundoulas, P., Aggelakopoulou, E., Anagnostopoulou, S. 2005. Strength Development and Lime Reaction in Mortars for Repairing Historic Masonries, Cement&Concrete Composites, Cilt. 27, s.289-294.DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2004.02.0 17

9. [9] Aggelakopoulou, E., Bakolas, A., Moropoulou, A. 2011. Properties of lime metakolin mortars for the restoration of historic masonries, Applied Clay Science, Cilt. 53, s.15- 19.DOI:10.1016/j.clay.2011.04.005
10. [10] Candeias, A.E., Nogueira, P., Mirao, J., Silva, A.S., Veiga, R., Casal, M.G., Ribeiro, I., Seruya, A.I. 2006. Characterization of Ancient Mortars: Present Methodology and Future Perspectives. in Proc. Workshop on Chemistry in the Conservation of Cultural Heritage: Present and Future Perspectives, Perugia, Italy.
11. [11] Aköz, A.H. 2008. Deprem Etkisi Altındaki Tarihi Yığma Yapıların Onarım ve Güçlendirilmesi. İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 137s, İstanbul.
12. [12] Schueremans, L., Cizer, Ö., Janssensa, E., Serréa, G., Van Balen, K. 2011. Characterization of Repair Mortars for the Assessment of their Compatibility in Restoration Projects: Research and Practice, Construction and Building Materials, Cilt. 25, No. 12, s.4338- 4350.DOI:10.1016/j.conbuildmat.2 011.01.008
13. [13] Lourenço, P.B, van Hees, R., Fernandes, F., Lubelli, B. 2013. Characterization and Damage of Brick Masonry, Structural Rehabilitation of Old Buildings, Cilt. 2, s.109-130. DOI:10.1007/978-3- 642-39686-1_4
14. [14] Bayraktar, A. 2006. Tarihi Yapıların Analitik İncelenmesi ve Sismik Güçlendirme Metodları. İstanbul: Beta Basım Yayım, 1. Baskı.
15. [15] Constantinides, I. 1995. Traditional Lime Plaster: Myths, Preconceptions and the Relevance of Good Practice. The Building Conservation Directory.
16. [16] Tuncel, E.Y., Polat Pekmezci, I., Pekmezci, B.Y. 2013. PVA ve PP Lif İçeren Kireç Harçlarının Mekanik Özellikleri. 4. Tarihi Eserlerin Güçlendirilmesi ve Geleceğe Güvenle Devredilmesi Sempozyumu, 27-29 Kasım, İstanbul, 185-193.
17. [17] Böke, H., Akkurt, S., İpekoğlu, B. 2004. Tarihi Yapılarda Kullanılan Horasan Harcı ve Sıvalarının Özellikleri, Yapı Dergisi, Cilt. 269, s.90-93.
18. [18] Değirmenci, N., Baradan, B. 2005. Chemical Resistance of Pozzolanic Plaster for Earthen Walls, Construction and Building Materials, Cilt. 19, s.536-542. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2004.12.00 2
19. [19] Nordmeyer, H., Taylor, P.R. 2007. Water Performance in Pozzolanic and Traditional Mortars. World of Coal Ash (WOCA), 7-10 May, Northern Kentucky, USA.
20. [20] Topçu, İ.B., Canbaz, M., Karanfil, H. 2005. Horasan Harç ve Betonunun Özellikleri. Yapı Mekaniği Semineri, 1 Temmuz, Eskişehir.
21. [21] Can, H., Ünay, A.İ. 2012. Tarihi Yapıların Deprem Davranışını Belirlemek için Sayısal Analiz Yöntemleri, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt. 27, No. 1, s.211-217.
22. [22] Drougkas, A. 2015. Derivation of the Properties of Masonry through Micro-modeling Techniques. Universitat Politecnica de Catalunya, PhD Thesis, 234 s, Barcelona.
23. [23] Page, A.W. 1978. Finite Element Model for Masonry, Journal of Structural Division, Cilt. 104, No. 8, s.1267–1285.
24. [24] Ghosh, A.K., Amde, A.M., Colville, J. 1994. Finite Element Modelling of Unreinforced Masonry. 10th International Brick/Block Masonry Conference, 5-7 July, Calgary, Canada, s.61-69.
25. [25] Şen, B. 2006. Modeling and Analysis of the Historical Masonry Structures. Boğaziçi University, Institute of Natural and Applied Science, M.Sc. Thesis, 85s, İstanbul.
26. [26] Lourenço, P.B. 1996. Computational Strategies for Masonry Structures. Delft University of Technology, PhD Dissertation, 220 s, Holland.
27. [27] Özen, G.Ö. 2006. Comparison of Elastic and Inelastic Behavior of Historic Masonry Structures at the Low Load Levels. METU, The Graduate School of Natural and Applied Sciences, Ms.C Thesis, 111s, Ankara.
28. [28] Oliver, J., Cervera, M., Oller, S., Lubliner, J. 1990. Isotropic Damage Models and Smeared Crack Analysis of Concrete, II International Conference on Computer Aided Analysis and Design of Concrete Structures, SCIC'90, 4-6 April, At Zell am See, Austria, s.945-958.
29. [29] LUSAS Finite Element System. FEA Ltd, Surrey, UK.
30. [30] Tezer, B.A. 2013. Damage Evaluation of Civil Engineering Structures under Extreme Loadings. İstanbul Technical University, Department of Civil Engineering, Structural Engineering Programme, PhD. Thesis, 128s, İstanbul.
31. [31] Kachanov, L.M. 1958. On the Creep Fracture Time, Izv. Akad. Nauk USSR Otd. Tech., Cilt. 8, s.26-31. [32] Capozucca, R. 2011. Experimental Analysis of Historic Masonry Walls Reinforced by CFRP under In-plane Cyclic Loading, Composite Structures, Cilt. 94, s.277–289. DOI: 10.1016/j.compstruct.2011.06.007
32. [33] Xu, C., Xiangli, C., Bin, L. 2012. Modeling of Influence of Heterogeneity on Mechanical Performance of Unreinforced Masonry Shear Walls, Construction and Building Materials, Cilt. 26, s.90–95. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2011.0 5.007
33. [34] Quinteros, R.D., Oller, S., Nallim, L.G. 2012. Nonlinear Homogenization Techniques to Solve Masonry Structures Problems, Composite Structures, Cilt. 94, s.724–730. DOI: 10.1016/j.compstruct.2011.09.006
34. [35] Köksal, H.O., Karakoç, C. 1999. An Isotropic Damage Model for Concrete, Materials and Structures/Matériaux et Constructions, Cilt. 32, s.611-617. DOI: 10.1007/BF02480497
35. [36] Bazant, Z., Belytschko, T., Chang, T. 1984. Continuum Theory for Strain ‐ Softening, Journal of Engineering Mechanics, Cilt. 110, No. 12, s.1666-1692. DOI: 10.1061/(ASCE)0733- 9399(1984)110:12(1666)
36. [37] Cornelissen, H.A.W., Hordijk, D.A., Reinhardt, H.W. 1986. Experimental Determination of Crack Softening Characteristics of Normal Weight and Lightweight Concrete, HERON, Cilt. 31, No. 2, s.45-56.
37. [38] Lotfi, H.R., Shing, P.B. 1994. Interface Model Applied to Fracture of Masonry Structures, Journal of Structural Engineering, Cilt. 120, No. 1, s.63-80. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(1994) 120:1(63)
38. [39] Lourenço, P.B., Rots, J. 1997. Multisurface Interface Model for Analysis of Masonry Structures, Journal of Engineering Mechanics, Cilt. 123, No. 7, s.660-668. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9399(1997) 123:7(660)
39. [40] Mehrabi, A.B., Shing, P.B. 1997. Finite Element Modeling of Masonry-Infilled RC Frames, Journal of Structural Engineering, Cilt. 123, No. 5, s.604-613. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(1997) 123:5(604)
40. [41] TS EN 772-1. 2012. Kâgir BirimlerDeney Yöntemleri-Bölüm 1: Basınç Dayanımının Tayini. Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
41. [42] TS EN 1015-11. 2000. Kagir Harcı Deney Metotları Bölüm 11: Sertleşmiş Harcın Basınç ve Eğilme Dayanımının Tayini. Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
42. [43] TS EN 13286-43. 2004. Bağlayıcısız ve hidrolik bağlayıcılı karışımlar - Bölüm 43: Deney metodu - Hidrolik bağlayıcılı karışımların elâstiklik modülünün tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
43. [44] Autocad, AutoDesk Ltd, İsviçre. [45] Aktan, S. 2016. Düzlem İçi Yükler Etkisindeki Yığma Duvarlarda Bünyesel Modelleme. Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 169s, İstanbul.