Ingenieurwissenschaftliche Untersuchungen an der Hagia Sophia in Istanbul — Teil 1: Das Konstruktionsgefüge

Die Hagia Sophia in Istanbul ist eines der baugeschichtlich wichtigsten und ingenieurmäßig bemerkenswertesten Bauwerke der letzten 1500 Jahre. Aufgrund restauratorischer Sicherungsarbeiten und der damit verbundenen Einrüstung der Hauptkuppel war in den letzten Jahren die einmalige Gelegenheit gegeben, den geometrischen und materiellen Irregularitäten und Diskontinuitäten, die aus mehreren Teileinstürzen und Wiederaufbauten herrühren, mit Hilfe zerstörungsfreier geophysikalischer Untersuchungsverfahren nachzugehen. Damit konnte der heutige Bestand und Zustand der aus Ziegeln gemauerten Hauptkuppel und der aus Naturstein errichteten vier Hauptpfeiler intensiv erkundet werden. Die erlangten neuen Kenntnisse zum Konstruktionsgefüge erlaubten einerseits die Entwicklung differenzierter Berechnungsmodelle, mit deren Hilfe eine Aussage zum Lastfluss, den Spannungszuständen und dem Stabilitätsverhalten der Hagia Sophia möglich wurde und bieten andererseits Grundlage, um die Frage der Erdbebengefährdung mit einer der historischen Bedeutung des Gebäudes entsprechenden Zuverlässigkeit zu beantworten. Im vorliegenden ersten Teil des Berichtes zum DFG‐Projekt “Ingenieurwissenschaftliche Untersuchungen an der Hauptkuppel und den Hauptpfeilern der Hagia Sophia in Istanbul“ [1] wird über die Erkundungen am Bauwerk berichtet. Der im nächsten Heft erscheinende zweite Teil wird dann die Folgerungen, die sich daraus für das Tragverhalten und Tragvermögen des Gebäudes ergeben, zum Inhalt haben. Engineering Studies on the Hagia Sophia in Istanbul — Part 1: The Structural Characteristics. The Hagia Sophia in Istanbul is one of the most significant and remarkable buildings of the past 1500 years, both from an architectural history and an engineering point of view. Due to restoration work and the related scaffolding of the main dome, the past years have provided a unique opportunity to investigate the geometrical and material irregularities and discontinuities resulting from several partial collapses and rebuilding, by using nondestructive geophysical analytical methods. They allowed a thorough exploration of the present substance and condition of the main dome’s brick masonry and of the four main pillars built from natural stone. The new findings regarding the structural characteristics allowed, on the one hand, developing differentiated calculation models by means of which statements on load flow, stress states and stability behavior of the Hagia Sophia became possible and on the other, provided a basis for answering the question about the earthquake risks with a reliability corresponding to the historical significance of the building. The first part of the report on the DFG project “Engineering Studies on the Main Dome and Main Pillars of the Hagia Sophia in Istanbul” describes the explorations of the building. The second part, which will appear in the next issue, will present the conclusions resulting for the structural behavior and structural capacity of the building.     

Ingenieurwissenschaftliche Untersuchungen an der Hagia Sophia in Istanbul — Teil 2: Zum Tragverhalten

Die Hagia Sophia in Istanbul, eines der bau‐ und kulturgeschichtlich wichtigsten und ingenieurmäßig bemerkenswertesten Bauwerke der letzten 1500 Jahre, war im Rahmen des DFG‐Projektes “Ingenieurwissenschaftliche Untersuchungen an der Hauptkuppel und den Hauptpfeilern der Hagia Sophia in Istanbul” [1] Gegenstand umfänglicher Forschungstätigkeit, erst zum Konstruktionsgefüge, dann zum Tragverhalten. Ein optimierter Einsatz zerstörungsfreier, geophysikalischer Untersuchungsmethoden ermöglichte erstmals eine umfassende Aussage zum Bestand und inneren Zustand der tragenden Bauteile, wie sie sich über die Jahrhunderte und mehrere Teileinstürze hinweg bis zum heutigen Tag entwickelt haben. Hierüber wurde im ersten Teil dieses Beitrages berichtet [15]. Der sich nun anschließende zweite Teil beschäftigt sich mit dem Tragverhalten der Hagia Sophia. Ausgehend von grundsätzlichen Überlegungen zum Lastfluss in Pendentifkuppeln werden die erarbeiteten neuen Kenntnisse über die Bauwerksstruktur in ihrer statischen Bedeutung bewertet, den bisherigen Berechnungsgrundlagen vergleichend gegenübergestellt und im Rahmen eigener Studien zum Lastfluss und Tragverhalten unter statischer Belastung eingesetzt. Hinsichtlich der Frage der Erdbebengefährdung wird ein Ausblick auf ein Anschlussprojekt gegeben, welches — auf den erzielten Forschungsergebnissen aufbauend — die dynamische Analyse der Hagia Sophia zum Inhalt hat. Engineering Studies on the Hagia Sophia in Istanbul — Part 2: On the Structural Behavior. The Hagia Sophia in Istanbul, which is one of the most important and remarkable buildings of the past 1500 years from the point of view of architectural and cultural history as well as from a civil‐engineering perspective, has been the object of extensive research — first, regarding its structure and then, its structural behavior as the subject of the DFG Project ”Engineering Studies of the Main Dome and Main Pillars of the Hagia Sophia in Istanbul”. The optimized use of non‐destructive, geo‐physical methods of examination allowed, for the first time, making comprehensive statements on the existing structure and the internal condition of the structural parts as they have developed over the centuries and through several partial collapses to this day. A report on this can be found in the first part of my article. This second part focuses on the structural behavior of the Hagia Sophia. Departing from fundamental deliberations on load flow in pendentive domes, the importance of the new findings about the structural characteristics for structural behavior is evaluated, compared to the bases for calculation used before, and used in the context of studies on load flow and structural behavior under a structural load. With regard to the issue of earthquake risk, an outlook is provided on a follow‐up project that will focus on a dynamic analysis of the Hagia Sophia, based on these research results.     

Structural characteristics of Hagia Sophia: I—A finite element formulation for static analysis

The historic Hagia Sophia in Istanbul, which held the record as the world's largest domed building for some 800 years, is analysed with a finite element formulation, including the effects of thickness shear deformations and the term z/R$z/R$, to understand its structural behaviour under the action of static loading. The structure, including all essential elements of the system, is modelled by using the same curved trapezoidal finite element with 40 degrees of freedom. Its structural behaviour and its structural load carrying system are demonstrated and the results are compared with those obtained earlier and also with those observed at the structure.     

Structural characteristics of Hagia Sophia: II—A finite element formulation for dynamic analysis

The Hagia Sophia, a 6th century masonry edifice in Istanbul, is analysed with a linear finite element model including thickness shear deformations, the terms z/R, and rotatory inertia effects with consistent mass matrix to provide insight to the structure's behaviour under earthquake loading. The structure, including the primary main dome and supporting system, is modelled by using a two-dimensional model composed of eight-node shell element. The dynamic characteristics of the system are obtained by using the Wilson-θ method, step-by-step integration method, and also by applying the available ground motion data to understand its general structural behaviour in the future earthquakes.     

Performance-Orientated Design Precursors and Potentials

Performance-oriented design is not without precedent. In the past, architecture responded with great sophistication and beauty to the need to preserve local resources and provide diverse and suitable conditions for human habitation. In the current context of escalating environmental and ecological changes, learning from precedents and developing their potential is becoming increasingly important. However, many architects refuse to look back in fear of returning to an imagined medieval condition, preferring instead to invest in the technologies that lie at the core of the environmental change and spatial and social division, which we may no longer be able to afford. In response to these circumstances, Michael Hensel examines the potential of past approaches to passive environmental modulation as a reworked spatial paradigm for design that interrelates material, spatial and environmental dynamics with dynamic patterns of habitation. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

Computation or Revolution

The connection between technology and society today remains as compelling as in Le Corbusier's time, with views from social commentators, scientists and economists habitually polarising around the adverse or positive impact of technological change. Tracing the roots of computation and robotics back to the Second World War, Philippe Morel of EZCT Architecture & Design Research redefines the position of artificial intelligence, robots and computation in architecture, highlighting the potential of computers to perform precise calculations – and outperform human intelligence in almost every way.