Experimental Investigation of Historical Timber Roof Connection Behavior

Abstract

Historical timber buildings constitute a significant part of our cultural heritage as well as many countries of the world. This study aims to determine the structural behavior of traditional connections in historical timber and roof systems. Field studies were conducted on the timber roof system of Beylerbeyi Palace, one of our prominent historical buildings, and various traditional connection types were identified and evaluated in detail. Among these connections, the half-lap connection, which is widely used in both roof and wall systems of historical timber buildings, was selected for analysis, and its mechanical behavior was evaluated using analytical and experimental methods. In the analytical study, the lateral load-carrying capacity and overall mechanical response of the half-lap connection were determined using a model based on embedment theory. In the experimental study, four half-lap connection specimens were subjected to monotonic and cyclic loading tests. The force-displacement relationships gathered through these experiments demonstrate that the half-joint connections exhibit ductile behavior. Finally, the experimental outcomes were compared with the analytical results and evaluated comprehensively.

Keywords

• Historical timber roofs
• Beylerbeyi Palace
• half lap connection
• embedment theory
• experimental study

Project Number

2023B1Ç01D

Tarihi Ahşap Çatı Birleşim Davranışının Deneysel İncelenmesi

Abstract

Tarihi ahşap yapılar dünyanın birçok ülkesinin yanı sıra ülkemizin kültürel mirasının önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Bu çalışmada, tarihi ahşap yapı ve çatı sistemlerinde yer alan geleneksel birleşimlerin yapısal davranışlarının belirlenmesini amaçlamaktadır. Çalışma kapsamında önemli tarihi yapılarımızdan biri olan Beylerbeyi Sarayı’nın ahşap çatı sistemi üzerinde saha incelemeleri gerçekleştirilmiş ve kullanılan farklı geleneksel birleşim türleri yerinde tespit edilerek ayrıntılı olarak incelenmiştir. Geleneksel birleşimler arasından tarihi ahşap yapıların hem çatı hem de duvar sistemlerinde sıkça rastlanan yarım geçmeli birleşim tipi incelenmek üzere seçilmiş ve birleşimin mekanik davranışı analitik ve deneysel yöntemlerle araştırılmıştır. Analitik çalışmada yarım geçmeli geleneksel birleşimin genel mekanik davranışı ve yatay yük taşıma kapasitesi gömme teorisine dayalı olarak oluşturulan model kullanılarak belirlenmiştir. Deneysel çalışmada dört adet yarım geçmeli birleşimin numunesi üzerinde monotonik ve çevrimsel yükleme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deneyler sonucunda elde edilen kuvvet-deplasman ilişkileri incelendiğinde, gömmeye dayalı çalışan yarım geçmeli birleşimlerin sünek davranış sergilediğini ortaya koymuştur. Son olarak deneysel sonuçlar analitik model sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve kapsamlı biçimde değerlendirilmiştir.

Keywords

• Tarihi ahşap çatı
• Beylerbeyi Sarayı geçmeli birleşim
• gömme teorisi
• deneysel çalışma

Supporting Institution

Fatih Sultan Mehmet Vakıf Üniversitesi

Project Number

2023B1Ç01D

Thanks

Bu yayın FSMVU BAP birimi tarafından desteklenen 2023B1Ç01D nolu “Beylerbeyi Sarayı Ahşap Çatı Sistemi Birleşim Davranışının Değerlendirilmesi” projesi kapsamında gerçekleştirilen çalışmalardan hazırlanmıştır. Yazarlar çalışma süresince gerekli izinler için ve verdikleri destekten dolayı Milli Saraylar İdaresi Başkanlığına teşekkürlerini sunarlar.

References

1. ICOMOS Principles For The Preservation Of Historic Timber Structures, 12th General Assembly in Mexico, 1999.
2. Ökten, M.S., 19. Yüzyıl İstanbul’unda Tarihi Ahşap Çatı Sistem Örnekleri ve Onarımları, İstanbul Sabahattin Zaim Üni. Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 5, 1, 1-7, 2023.
3. Uzun, S., Tarihi Ahşap Yapı Taşıyıcı Sistemlerinin İncelenmesi ve Boğaziçi Örneği: Amcazade Hüseyin Paşa Yalısı, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 2018.
4. Aksoy, D., Geleneksel Ahşap Yapıların Deprem Davranışı, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 2003.
5. Aras, F., Beylerbeyi Sarayının Geri Dönüşümlü Karma Teknolojilerle Depreme Karşı Korunması, Doktora Tezi, Boğaziçi Üniversitesi, 2007.
6. Aktaş Erdem, Y. D., Akyüz, U., Erdil, B., Türer, A., Şahin Güçhan, N. Assessment of Seismic Behavior of Traditional Timber Frame Ottoman Houses: Frame Tests. 1st International Conference on Structures and Architecture ICSA, 1157-1164, Portekiz, 2010.
7. Dışkaya, H., 19. Yüzyıl İstanbul Geleneksel Ahşap Karkas Yapılarında Deprem Etkisinin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Değerlendirilmesi, Doktora Tezi, MSGSÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 2011.
8. Kaplan, B., Geleneksel Osmanlı Mimarisine Sahip Ahşap Yalıların Deprem Kuvveti Altında İncelenmesi ve Güçlendirme Teknikleri, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013.

9. Sarıkaya A., Göçer C., İstanbul’da Tarihi Yarımada’daki Geleneksel Ahşap Konutların Deprem Performansının Değerlendirilmesi, KİÜ Fen, Mühendislik ve Teknoloji Dergisi, 1, 1, 17-32, 2024.
10. Schmidt, R.J., Miller, J.F., Capacity of Pegged Mortise and Tenon Joinery. Research Report, Department of Civil and Architectural and Engineering, University of Wyoming, Laramie, 2004.
11. Descamps, T., Lambion, J., Laplume, D., Timber Structures: Rotational Stiffness of Carpentry Joints, Engineered Wood Products Association, 2006.
12. Koch, H., Eisenbut, L., Seim, W., Multi-Mode Failure of Form-Fitting Timber Connections – Experimental and Numerical Studies on the Tapered Tenon Joint, Engineering Structures, 48, 727–738, 2013.
13. Feio, A. O., Lourenço, P. B., Machado, J.S., Testing and Modeling of Traditional Timber Mortise and Tenon Joint, Materials and Structures; 47:213–225, 2014.
14. Aslankaya, G., Influence of Joints on The Seismic Response of Traditional Timber Frames in Turkey, Doktora Tezi, Universitat Politechnica De Catalunya, 2019.
15. Parisi, M.A., Cordie, C., Mechanical Behavior of Double-Step Timber Joints, Construction and Building Materials, 24:8, 1364–1371, 2010.
16. Sobra, K., De Rijk, R., Aktas, Y.D., Avez, C., Burawska, I., Branco, J.M., Experimental and Analytical Assessment of The Capacity of Traditional Single Notch Joints and Impact of Retrofitting by Self-Tapping Screws, In Proceedings of the 2nd Int. Con. on Historic Earthquake-Resistant Timber Frames in the Mediterranean Region, HEART, LNEC Lisbon, Portekiz, 2015.
17. Verbist, M., Branco, J.M., Poletti, E., Descamps T., Lourenço P. B., “Single Step Joint: Overview of European Standardized Approaches and Experimentations” Materials and Structures, 50, 161, 2017.
18. Aira, J.R., Arriaga F., ´Iniguez-Gonzalez, G., Guaita, M., Failure Modes in Halved and Tabled Tenoned Timber Scarf Joint by Tension Test, Construction and Building Materials, 96, 360–7, 2015.
19. Poletti, E., Vasconcelos, G., Branco, J.M., Koukouviki, A.M., Performance Evaluation of Traditional Timber Joints Under Cyclic Loading and Their Influence on the Seismic Response of Timber Frame Structures. Construction and Building Materials, 127, 321–34, 2016.
20. Vieux-Champagne, F., Sieffert, Y., Grange, S., Polastri, A., Ceccotti, A., Daudeville, L., Experimental Analysis of Seismic Resistance of Timber-Framed Structures with Stones and Earth Infill, Engineering Structures, 69,102–15, 2014.
21. Lukic, R., Poletti, E., Rodrigues, H., Vasconcelos, G., “Numerical Modelling of The Cyclic Behavior of Timber-Framed Structures” Engineering Structures 165, 210-221, 2018.
22. Custodio J., Brougthon J, Cruz H., A review of factors influencing the durability of structural bonded timber joints. International Journal of Adhesion & Adhesives, 29, 173-185, 2009.
23. C.Barile, C. Casavola, G. Pappalettera, P.K. Vimalathithan Damage propagation analysis in the single lap shear and single lap shear-riveted CFRP joints by acoustic emission and pattern recognition approach Materials (Basel)., 13 (2020).
24. A. Kwiecień Shear bond of composites-to-brick applied with highly deformable, in relation to resin epoxy, interface materials Mater. Struct. Constr., 47 (12) (2014), pp. 2005-2020
25. Parisi M.A., ve Piazza M., Seismic strengthening and seismic improvement of timber structures Construction and building material 2015.
26. Szabó, B., Kirizsán, I., European Historic Roof Structures: Concepts of Composition and Intervention, In Proceedings of the International Conference on Structural Analysis of Historical Constructions, SAHC, Polonya, 105–127, 2012
27. Serafini, A., Gonzalez Longo C., Seventeenth- and Eighteenth- Century Timber Roof Structures in Scotland: Design, Pathologies and Conservation, 10th Int. Conf. on Structural Analysis of Historical Constructions, Belçika, 2016.
28. Cestari C.B., Marzi T., Conservation of Historic Timber Roof Structures of Italian Architectural Heritage: Diagnosis, Assessment, and Intervention, Int. Journal of Architectural Heritage, 12, 4, 632-665, 2018.
29. Parisi, M.A., Piazza, M., Seismic Behavior and Retrofitting of Joints in Traditional Timber Roof Structures, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 22, 1183-1191, 2002.
30. Branco, J.M., Piazza, M., Cruz, P.J.S., Structural Analysis of Two King-Post Timber Trusses: Non Destructive Evaluation and Load-Carrying Tests, Const. and Building Materials, 24, 371-383, 2010.
31. Parisi, M. A., Chesi, C., Tardini, C., Seismic Vulnerability of Timber Roofs, Advanced Materials Research, 778,1088-1095 2013.
32. Munafò, P., Stazi, F., Tassi C., Davì F., Experimentation on Historic Timber Trusses to Identify Repair Techniques Compliant with the Original Structural–Constructive Conception, Const. and Building Materials, 87, 54-66, 2015.
33. Cruz, H., D. Yeomans, E. Tsakanika, N. Macchioni, A. Jorissen, M. Touza, M. Mannucci, P. B. Lourenço, Guidelines for On-Site Assessment of Historic Timber Structures. International Journal Architectural Heritage, 9 ,3, 277–89, 2015.
34. Odabaşı, Y., Ahşap ve Çelik Yapı Elemanları, Beta Basım, İstanbul, 19.
35. Branco, J.M., Descamps, T., Analysis and Strengthening of Carpentry Joints, Construction and Building Materials, 97,34-47, 2015
36. ABTHYE-2025 Ahşap Binaların Tasarım, Hesap ve Yapım Esasları, Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı, Ankara.
37. Larsen, K.E., Marstein, N., Conservation of Historic Timber Structures: An Ecological Approach, Oslo, 2016.
38. Meisel, A., Moobrugger, T., Schickhofer, G. Survey and Realistic Modeling of Ancient Austrian Roof Structures. In: Proceedings of Conservation of Heritage Structure (CSHM-3), Ottawa, Canada, 2010.
39. Palma, P., Cruz H., Mechanical Behaviour of Traditional Timber Carpentry Joints in Service Conditions - Results of Monotonic Test. ICOMOS IWC-XVI International Symposium, Floransa, 11-16 Kasım 2007.
40. Branco, J.M., Traditional Timber Trusses: Evolution, Behaviour and Strengthening with Composites. Doktora Tezi. University of Minho. 2008.
41. URL-1: https://www.millisaraylar.gov.tr/Lokasyon/4/index.html, Erişim Tarihi: 10.06.2024
42. Ogawa, K., Sasaki, Y., Yamasaki, M., Theoretical Modeling and Experimental Study of Japanese Watari-Ago Joints, Journal of Wood Science, 61(5), 481–491, 2015.
43. Komatsu, K., Kitamori, A., Jung, k., Mori, T., Estimation of the Mechanical Properties of Mud Shear Walls Subjecting to Lateral Shear Force, In Proceedings of the 11th International Conference on Non-conventional Materials and Technologies (NOCMAT 2009), İngiltere, 6-9 2009.
44. Sakata, H., Yamazaki, H., Ohashi, Y., A Study on Moment Resisting Behavior of Mortise-Tenon Joint with Dowel or Split Wedge, In 15th World Conference on Earthquake Engineering, Portekiz, 24-28 September 2012.
45. Inayama M., Wooden Embedment Theory and its Application. Doktora tezi, The University of Tokyo, Japonya, 1991.
46. Tanahashi, H., Okamura, M., Suzuki. Y., Simple Formulation of Elasto-Plastic Embedment Behavior of Orthotropic Wood Considering Densification. In World Conference on Timber Engineering, WCTE, Japonya 2008.
47. Roche, S.N., Semi-Rigid Moment-Resisting Behavior of Multiple Tab-and-Slot Joint for Freeform Timber Plate Structures, Doktora Tezi, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Lausanne, İsviçre, 2017.
48. Yu, P., Yang Q., Law, S., Lateral Behavior of Heritage Timber Frames with Loose Nonlinear Mortise-Tenon Connections, Structures, 33, 581-592, 2021.
49. Fang, D.L., Mueller, C.T., Brütting, J., Fivet, C., Moradei, J., Rotational Stiffness in Timber Joinery Connections: Analytical and Experimental Characterizations of the Nuki Joint." Structures and Architecture: Bridging the Gap and Crossing Borders – Proceedings of the 4th Int. Conference on Structures and Architecture, ICSA, 2019B
50. Gürgün B.N., Beylerbeyi Sarayı Ahşap Çatı Sistemi Birleşim Davranışının Değerlendirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, FSMVÜ Lisansüstü Enstitüsü, 2025.
51. Hıdır, A., Bal, B. C., & Avşaroğlu, E. (2024). Karaçam Odunundan Üretilen Çapraz Lamine Ahşabın Seçilmiş Mekanik Özellikleri Üzerine Rutubetin Etkisi. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 27(2), 502-510. https://doi.org/10.17780/ksujes.1396980
52. TS EN 408:2010+A1, Ahşap yapılar- Yapı kerestesi ve tutkallanmış lamine kereste - Bazı fiziksel ve mekanik özelliklerinin tayini, 2012
53. Gürgün B.N., Doğramacı Aksoylar N., Ökten M.S., Tarihi Ahşap Çatı Birleşim Davranışının Deneysel İncelenmesi, 7. Uluslararası Tarihi Yapıların Güçlendirilmesi ve Geleceğe Güvenle Devri Sempozyumu, Diyarbakır, 2024.
54. EN12512, Timber Structures-Test Methods - Cyclic Testing of Joints Made with Mechanical Fasteners,2001.