Fıre resıstance of masonry structural elements

Abstract

Tarihi taş yapılar yangına karşı son derece savunmasızdır. Kültürel mirasın önemli birer ifadesi olan bu yapılar, hem malzeme düzeyinde hem de yapısal stabilite açısından geri dönüşü olmayan hasarlara uğrayabilir. Restorasyon projelerinde hidrolik kireç bazlı harçlar yaygın olarak kullanılsa da, bu harçların yangın performansı konusunda hem malzeme hem de yapısal düzeyde bilgiler sınırlıdır. Bu çalışma, doğal hidrolik kireç bazlı harçların ve yığma yapı elemanlarının yangın davranışını deneysel ve sayısal yöntemlerle araştırmaktadır. Malzeme düzeyinde, harç numuneleri ve taş prizmalar 200°C ile 800°C arasındaki sıcaklıklara maruz bırakılmıştır. Basınç ve eğilme dayanımı, elastik modül ve gerilme–şekil değiştirme ilişkileri gibi mekanik özellikler değerlendirilmiştir. Deformasyonu hassas şekilde ölçmek ve deneysel sonuçları doğrulamak için Dijital Görüntü Korelasyonu (DIC) yöntemi uygulanmıştır. Zaman bağlı termal sonlu eleman analizleri yapılmış ve deneysel sonuçlarla doğrulanmıştır. Yapısal düzeyde, M15 sınıfı doğal hidrolik kireç bazlı harç kullanılarak inşa edilmiş tam ölçekli bir taş kemer, 90 dakika süreyle üç taraflı ISO 834 yangın maruziyetine tabi tutulmuştur. Sıcaklığa bağlı malzeme özelliklerini içeren termo-mekanik sonlu eleman modelleri, ısıl gradyanları, çatlak ilerlemesini, yer değiştirmeyi ve gerilme yeniden dağılımını değerlendirmek amacıyla geliştirilmiştir. Elde edilen bulgular, yangının neden olduğu bozulma mekanizmalarına ilişkin önemli bilgiler sunmakta ve harç dayanımı, sınır koşulları ve üç taraflı yangın maruziyetinin taş kemer performansı üzerindeki etkilerini vurgulamaktadır. Bu çalışma, deneysel veriler ve sayısal değerlendirmeler sağlayarak, yangın değerlendirme yöntemlerinin geliştirilmesine, restorasyon stratejilerinin yönlendirilmesine ve özellikle kemer gibi eğrisel elemanlarda tarihi yığma yapıların dayanıklılığının artırılmasına katkıda bulunmaktadır.Historical masonry structures are remarkably vulnerable to fire, and as significant expressions of cultural heritage, they may suffer irreversible damage at both the material level and in their overall structural stability. Although hydraulic lime-based mortars are commonly used in restoration projects, knowledge regarding their fire performance, both as materials and as components of masonry systems, remains quite limited. The present study investigates the fire behaviour of hydraulic lime-based mortars and masonry elements through combined experimental and numerical approaches. At the material level, natural hydraulic lime (NHL) mortar specimens and masonry prisms were exposed to temperatures ranging from 200°C to 800°C. Their mechanical properties—including compressive and flexural strength, elastic modulus, and stress–strain relationships—were subsequently evaluated. Digital Image Correlation (DIC) was employed to precisely measure deformation and validate the experimental results. Finite element transient thermal analyses were performed and validated against the experimental observations. At the structural level, a full-scale masonry arch constructed with M15-class NHL mortar was subjected to three-sided ISO 834 fire exposure for 90 minutes. Thermo-mechanical finite element models with temperature-dependent material properties were developed to assess thermal gradients, crack propagation, displacement patterns, and stress redistribution. The findings provide critical insights into fire-induced degradation mechanisms, emphasising the influence of mortar strength, boundary conditions, and three-sided fire exposure on the performance of masonry arches. This study offers both experimental data and numerical evaluations that contribute to the enhancement of fire-assessment methodologies, support restoration strategies, and improve the resilience of historic masonry structures—particularly those with curvilinear elements such as arches.