Ingenieurwissenschaftliche Untersuchungen an der Hauptkuppel und den Hauptpfeilern der Hagia Sophia in Istanbul von Christoph Duppel...~l(IT Scientific ~ Publishing
Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Teil A: Das Konstruktionsgefüge der Hagia Sophia 1 Einleitung 1 1.1 Hagia Sophia - mehr als ein Bauwerk 3 1.2 Die Bauwerksgeschichte - Errichtung und Ergänzungen.4 1.3. Die Frage der Standsicherheit 7 1.3.1 Zur Frage der Einwirkungen - die Erdbebengefahr 7 1.3.2 Zur Frage der Tragfähigkeit - Kenntnisse über das Bauwerksgefüge 8 1.4 Motivation und Intention der Forschungsarbeit. 11 2 Die zerstörungsfreien Untersuchungsmethoden 13 2.1 Das Radarverfahren, 13 2.1.1 Verfahrensgrundlagen, Messeinsatz und Datendarstellung 13 2.1.2 Die Zeitscheibenberechnung 14 2.1.3 Die Ermittlung der elektromagnetischen Wellengeschwindigkeit. 15 2.1.4 Die Radar-Tomographie 17 2.2 Die Mikroseismik 18 2.2.1 Verfahrensgrundlagen, Messeinsatz und Datendarstellung 18 2.2.2 Die Mikroseismik-Tomographie 19 2.3 Das Ultraschallverfahren 20 2.4 Die Geoelektrik 20 3 Die Messkampagnen 21 3.1 Das Gerüst unter der Hauptkuppel 21 3.2 Durchgeführte Messkampagnen und untersuchte Bauteile 22 4 Die Erkundung der Hauptkuppel 25 4.1 Bauteilbeschreibung und Begriffsdefinition 25 4.2 Die Messungen - Verfahren, Ziele und Durchführung 27 4.2.1 Die vollflächigen Radarmessungen 27 4.2.2 Die Radarmessungen zur Ermittlung der Wellengeschwindigkeit 30 4.2.3 Die Mikroseismikmessungen an den Rippen der Hauptkuppel 31 4.2.4 Ultraschallmessungen 32 4.2.5 Die Geoelektrikmessungen 33 4.2.6 Geometrische und oberflächige Bauaufnahmen 33 4.3 Die Konstruktion der Hauptkuppel- Erkundungsergebnisse 35 4,3.1 Die Dicke der Kuppelschale oberhalb der Fensterpfeiler 35 4.3.2 Die äußeren Abmessungen der Fensterpfeiler 56
11 Inhaltsverzeichnis 4.3.3 Der Querschnittsverlauf über Schale und Pfeiler. 58 4.3.4 Die Bruchkanten 73 4.3.5 Das Mauerwerksgefüge 80 4.3.6 Die Materialeigenschaften 87 4.3.7 Eiseneinlagen in der Kuppelkonstruktion - Ringanker 103 4.3.8 Mosaikablösungen 104 5 Die Erkundung der Pendentifs und der Hauptbögen 105 5.1 Bauteilbeschreibung und Begriffsdefinition 105 5.2 Die Messungen - Verfahren, Ziele und Durchführung 106 5.2.1 Die Radarmessungen 106 5.3 Die Konstruktion der Bauteile - Erkundungsergebnisse 108 5.3.1 Die Pendentifs 108 5.3.2 Die Hauptbögen 114 6 Die Erkundung der Hauptpfeiler 119 6.1 Bauteilbeschreibung und Begriffsdefinition 119 6.2 Die Messungen - Verfahren, Ziele und Durchführung 120 6.2.1 Die Radar-Reflexionsmessungen 120 6.2.2 Die tomographischen Radar-Transmissionsmessungen 121 6.2.3 Die tomographischen Mikroseismikmessungen 122 6.3 Die Konstruktion der Hauptpfeiler - Erkundungsergebnisse 123 6.3.1 Die äußere Geometrie, Marmorverkleidung 123 6.3.2 Das Mauerwerksgefüge 124 6.3.3 Die Materialeigenschaften 126 7 Der Baugrund 131
Inhaltsverzeichnis 111 Teil B: Zum Tragverhalten der Hagia Sophia 8 Zum Tragsystem der Hagia Sophia - Grundstruktur und Einflussparameter 133 8.1 Das System der Pendentifkuppel im Allgemeinen 133 8.1.1 Die Entwicklung zur Pendentifkuppel. 133 8.1.2 Zum Tragverhalten von Pendentifkuppeln 135 8.2 Einflüsse auf das Tragverhalten der Hagia Sophia 138 8.2.1 Die Mehrteiligkeit der Kuppel 138 8.2.2 Die geometrischen Irregularitäten 140 8.2.3 Die materialtechnischen Irregularitäten 141 8.2.4 Die Stelfiqkelt des Kuppelunterbaus und die Gründung 141 8.3 Parameter für ein realistisches Rechenmodell 143 9 Bisherige Betrachtungen zum Tragverhalten der Hagia Sophia 145 9.1 Qualitative Beurteilung nach Mainstone 145 9.2 Analytische Berechnung nach Thode 147 9.2.1 Grundlagen 147 9.2.2 Berechnung und Ergebnisse 147 9.2.3 Diskussion und Bewertung 150 9.3 Frühe numerische Berechnungen 152 9.4 Berechnungen nach Mark, Erdik und Cakmak 154 9.4.1 Grundlagen 154 9.4.2 Ergebnisse der Untersuchungen 155 9.4.3 Diskussion und Bewertung 162 9.5 Weitere Berechnungen und Studien 163 9.6 Beurteilung der bisherigen Betrachtungen 164 10 Eigene Studien zum Tragverhalten der Hagia Sophia 165 10.1 Berechnungsgrundlagen 166 10.1.1 Geometrie 166 10.1.2 Lastannahmen 166 10.1.3 Materialkennwerte 166 10.1.4 Nachgiebigkeit der Gründung 167 10.2 Studien am Teilsystem Kuppel 168 10.2.1 Zum Spannungsverlauf in der Kuppelschale 168 10.2.2 Zum Stabilitätsverhalten der gerissenen Mauerwerkskuppel. 170 10.3 Studien am primären Gesamtsystem 177 10.3.1 Randbedingungen und vereinfachende Annahmen 177 10.3.2 ModelIierung und linear-elastische Berechnung 178
IV Inhaltsverzeichnis 10.3.3. Ergebnisse der Berechnung und Bewertung 180 10.4 Validierung der Berechnung anhand von Beobachtungen am Bauwerk 199 10.4.1 Ringzugbelastung in der Kuppel und in den Pendentifs 199 10.4.2 Deformation der Hauptbögen und Bewertung der Scheitelbereiche 200 10.4.3 Deformation der Hauptpfeiler 201 10.5 Zusammenfassung der Erkenntnisse zum Tragverhalten 203 10.6 Ausblick auf ein detailliertes numerisches Modell für dynamische Analysen 205 10.6.1 Die CAD-Visualisierung als geometrische Grundlage 205 10.6.2 Diskretisierung, Validierung und Prozesssimulation 207 11 Zusammenfassung und Ausblick 209 12 Summary and Outlook 211 Literaturverzeichnis 213