Διερεύνηση της σεισμικής συμπεριφοράς προσομοιώματος κατασκευής από περίκλειστη τοιχοποιία και σταυροθόλιο από οπτοπλινθοδομή

Abstract

Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η διερεύνηση της σεισμικής συμπεριφοράς της τοιχοποιίας, μέσω της ανάλυσης ενός προσομοιώματος περίκλειστης τοιχοποιίας και σταυροθολίου από οπτοπλινθοδομή. Στα πλαίσια των ερευνών για την αποκατάσταση της Ι.Μ. Δαφνίου μετά τις εκτεταμένες βλάβες που υπέστη μετά το σεισμό της Αθήνας το 1999, πραγματοποιήθηκε το ερευνητικό πρόγραμμα «Διερεύνηση μηχανικής συμπεριφοράς πλινθοπερίκλειστης βυζαντινής τοιχοποιίας με ή χωρίς εσωτερικό διάκοσμο και τρόπων επισκευής της, με εφαρμογή στο καθολικό της Ι.Μ.Δαφνίου» το οποίο εκπονήθηκε από τη Διεύθυνση Τεχνικών Ερευνών Αναστήλωσης του Υπουργείου Πολιτισμού σε συνεργασία με το Εργαστήριο Οπλισμένου Σκυροδέματος και το Εργαστήριο Αντισεισμικής Τεχνολογίας του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Το δοκίμιο που κατασκευάστηκε υποβλήθηκε σε σεισμικές καταπονήσεις ώστε να εξεταστεί η σεισμική του απόκριση. Καθώς αυξανόταν κλιμακωτά η ένταση της σεισμικής καταπόνησης το δοκίμιο παρουσίασε βλάβες, οι οποίες στη συνέχεια αποκαταστάθηκαν με τη χρήση υδραυλικών ενεμάτων. Το νέο δοκίμιο υποβλήθηκε εκ νέου σε σεισμικές δοκιμές ώστε να προσδιοριστεί η συμπεριφορά της τοιχοποιίας και του σταυροθολίου μετά την ενίσχυση. Στην παρούσα εργασία, το δοκίμιο που είχε εξεταστεί πειραματικά, προσομοιώθηκε με τη χρήση ενός προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων, προκειμένου να υπολογιστεί η σεισμική απόκριση του δοκιμίου πριν και μετά την αποκατάστασή του. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Αbaqus 6.10 ώστε να υπολογιστούν οι ιδιοπερίοδοι της κατασκευής, οι σεισμικές επιταχύνσεις και οι μετακινήσεις μέσω ελαστικής ανάλυσης. Η επιλογή του προσομοιώματος και των δεδομένων που εισήχθησαν στο Αbaqus έγινε με στόχο την ταύτιση των ιδιοπεριόδων του μοντέλου με τις αντίστοιχες του δοκιμίου. Οι τιμές των μηχανικών χαρακτηριστικών της τοιχοποιίας και του σταυροθολίου του αρχικού δοκιμίου προέκυψαν από τις δοκιμές που έλαβαν χώρα στα πλαίσια αυτού του ερευνητικού προγράμματος. Ακολουθεί μια συνοπτική περιγραφή των κεφαλαίων της μεταπτυχιακής εργασίας: Στο 1ο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στην τοιχοποιία. Περιγράφεται η δομή της και τα διάφορα είδη της τοιχοποιίας, καθώς και τα μηχανικά χαρακτηριστικά της, όπως η αντοχή σε θλίψη και το μέτρο ελαστικότητας. Στο 2ο κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικά τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο σεισμικό προσομοιωτήρα. Περιγράφεται η δομή και η γεωμετρία του δοκιμίου, οι σεισμικές δοκιμές στις οποίες υποβλήθηκε, πριν και μετά την ενίσχυσή του μέσω ενεμάτων, και η σεισμική του απόκριση στο τέλος των δοκιμών. Στο 3ο κεφάλαιο περιγράφεται το μοντέλο του δοκιμίου που εισήχθη στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων καθώς και η διαδικασία επιλογής του. Περιγράφεται η γεωμετρία και η δομή του, τα μηχανικά χαρακτηριστικά, οι συνοριακές συνθήκες κλπ που επιλέχτηκαν ώστε να προσεγγιστεί η πραγματική συμπεριφορά του προσομοιώματος. Στο 4ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ελαστικής ανάλυσης και γίνεται σύγκριση των τιμών των σεισμικών επιταχύνσεων και μετακινήσεων που υπολογίστηκαν, με τις αντίστοιχες τιμές που είχαν καταγραφεί από τα όργανα μετρήσεων κατά τη διάρκεια του πειράματος. Τέλος, στο κεφάλαιο 5ο συνοψίζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τις αναλύσεις και τις συγκρίσεις που πραγματοποιήθηκαν.

This postgraduate thesis intends to investigate the seismic response of masonry, through analysis of a specimen consisting of a cross-vault made of bricks which rests on two parallel piers, made of three-leaf stone masonry. Within the framework of a strategic plan for the conservation of Dafni Monastery, after the damages of Athens’ 1999 earthquake, the research program «Investigation of mechanical behavior of three-leaf byzantine masonry, with or without mosaics, and ways of restoration: application on Dafni Monastery» was carried out by Hellenic Ministry of Culture in association with Laboratory of Concrete Structures and Laboratory of Earthquake Engineering at NTUA. A series of seismic tests was performed on the specimen in order to obtain its seismic response. Seismic load was increased gradually until the specimen appeared to be cracked. After this, the specimen was strengthened by using hydraulic grouts. New tests were performed on this specimen in order to investigate the seismic response of strengthened masonry and cross-vault. In this work, the specimen was simulated using a finite elements analysis so that the seismic response could be computed. The finite elements package Abaqus 6.10 was chosen in order to compute the eigenvalue frequencies, the seismic accelerations and displacements of the specimen before and after strengthening using elastic analysis. The model and the input data in Abaqus were selected by checking if the eigenvalue frequencies were equal to those computed in the in situ tests. The mechanical properties of model’s masonry and cross-vault were taken from the results of testing that had taken place within the framework of this research program. A brief description of each chapter of this work follows: Chapter 1 is an introduction in masonry. Its structure, its different types and its mechanical properties, such compression strength and modulus of elasticity, are described. Chapter 2 is a detailed description of the seismic tests that were carried out on the shaking table. Specimen’s structure and geometry are presented, along with the description of the tests and their results, before and after strengthening. Chapter 3 presents the model that was introduced in Abaqus and the procedure that was followed. The structure of the model, its mechanical properties, boundary conditions etc that were chosen in order to simulate the seismic response of the specimen, are described In chapter 4, results of the elastic analysis are presented and are compared to the values of seismic accelerations and displacements measured by the instrumentation during the specimen’s tests. Finally, chapter 5 contains the conclusions derived by the analysis and the comparison of its results with in situ seismic behavior of the specimen.