An integrated approach for the pathology assessment and protection of underground monuments in seismic regions. Application on some greek-roman monuments in Alexandria, Egypt

Abstract

The thesis presents an integrated and quite original holistic methodology for the pathology assessment and adequate retrofitting measures of underground monuments located in a region with unfavorable geographically, geotechnical, climatically and active seismic-tectonic regime. The methodology comprise (the archaeological impressions, oriented geotechnical, physiochemical, geochemical, geophysical surveys, construction materials studies and analysis and 2D-3D numerical static FE analysis and seismic analysis including the appropriate intervention retrofitting measures) for selected subterranean / underground monuments in Alexandria, Egypt i.e. the Catacombs of Kom El-Shoqafa, Amod El-Sawari or Pompey,s pillar with the Serapeum temple and ancient daughter library, El-Shatbi Necropolis and the Necropolis of Mustafa Kamil with its four excavated or rock- cut tombs. It presents a multidisciplinary approach for the study and retrofitting of these monuments taking in account that the region is belong to zone of moderate to high seismicity and it is know that at least two big tsunami disasters affecting Alexandria have been reported since ancient times. Modern underground structures (i.e. tunnels) are considered less vulnerable to seismic actions than above ground structures. However underground monuments like tombs, cemeteries and catacombs, present certain construction and geometrical particularities that make them quite vulnerable. The analysis of the static stability and the behavior of these complex monuments under strong seismic loading, together with other factors due to unfavorable site conditions, (high water level, aging and weathering, the area belongs to a zone of moderate to high seismicity), are the key factors for the efficient restoration and retrofitting of these underground monumental structures. In the present study, we present in a first phase a comprehensive geotechnical survey undertaken in the archaeological sites, comprising geophysical ambient noise measurements (microtremors), as well as field and short &long-term laboratory experiments and tests, in order to define the physical, mechanical and dynamic properties of the soils and soft rock materials where the underground monuments are excavated or dug. In the second stage, we present the main results of the detailed 2D, 3D static and seismic numerical analysis of these underground monumental structures (Catacombs). The seismic analysis is performed applying different seismic scenarios corresponding to the seismotectonic features of Alexandria. Advanced soil-rock elastoplastic modeling has been used through out the different phases of the numerical finite element analysis. In the third and last phase/task, we present the potential improvement of the global behavior of these underground monuments applying specific retrofitting measures especially to reduce the seismic risk on this kind of underground structures. The aim of the analysis (the pilot study) is fivefold: (a) to examine and compare weathering (processes, mechanisms, intensity, and rate) in these archaeological sites to represent one of the widespread environmental type in Egypt {semi-arid, marine, urban and industrial area (Alexandria), to define the pathology and the causes of deterioration and instability problems of these pilot monuments, (b) to assess and analysis of possible engineering geological problems at these archaeological sites and implications of rock structures in rock engineering, (c) to assess the pathology and proposed an integrated and quite original holistic methodology for the analysis and the retrofitting of the underground monuments in Alexandria as a pilot study, (d) to investigate the safety margins of the existing monuments, under their present conditions, against environmental (i.e. Rising water levels, aging, weathering and utter lack of preservation) and extreme seismic loads, (e) to assess the global risk due to several factors and to investigate the potential improvement of their global behavior applying specific retrofitting measures.

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει την ολοκληρωμένη ανάλυση (γεωτεχνική, γεωχημική, γεωφυσικές έρευνες, αριθμητικές αναλύσεις –στατικές και δυναμικές– σε 2 και 3 διαστάσεις), καθώς και κατάλληλα μέτρα υποστήριξης και ενίσχυσης για επιλεγμένα υπόγεια μνημεία στην Αλεξάνδρεια της Αιγύπτου: για τις κατακόμβες του Kom El- Shoqafa, του Amod El-Sawari ή το στύλο της Πομπηίας, με το ναό του Serapeum και την αρχαία βιβλιοθήκη, τη νεκρόπολη του El-Shatbi και τη νεκρόπολη του Mustafa Kamil με τους τέσσερις εκσκαφέντες τάφους της. Οι σύγχρονες υπόγειες κατασκευές (σήραγγες) θεωρούνται λιγότερο τρωτές σε σεισμικές δράσεις σε σχέση με τις υπέργειες κατασκευές. Ωστόσο, τα υπόγεια μνημεία όπως οι τάφοι, τα κοιμητήρια και οι κατακόμβες παρουσιάζουν ορισμένες γεωμετρικές και κατασκευαστικές ιδιαιτερότητες που τις καθιστούν αρκετά τρωτές. Η ανάλυση της στατικής ευστάθειας και της συμπεριφοράς αυτών των σύνθετων μνημείων υπό ισχυρή σεισμική φόρτιση, μαζί με άλλους παράγοντες που οφείλονται σε δυσμενείς εδαφικές συνθήκες (υψηλός υπόγειος ορίζοντας, γήρανση και αποσάθρωση, η περιοχή ανήκει σε μια ζώνη μέτριας προς υψηλής σεισμικότητας), αποτελούν τους βασικούς παράγοντες για την αποτελεσματική αποκατάσταση και ενίσχυση αυτών των υπόγειων μνειμείων. Στην παρούσα μελέτη παρουσιάζουμε ως πρώτο στάδιο μια περιεκτική γεωτεχνική έρευνα που έγινε στους αρχαιολογικούς χώρους, αποτελούμενη από γεωφυσικές μετρήσεις μικροθορύβου, καθώς και δοκιμές πεδίου και εργαστηριακές δοκιμές –άμεσες και μακροπρόθεσμες– με στόχο τον προσδιορισμό των φυσικών, μηχανικών και δυναμικών ιδιοτήτων των εδαφών και μαλακών βράχων όπου έχουν εκσκαφεί τα μνημεία. Σε δεύτερο στάδιο παρουσιάζουμε τα κύρια αποτελέσματα της λεπτομερούς στατικής και δυναμικής αριθμητικής ανάλυσης σε 2 και 3 διαστάσεις που έγινε για τις υπόγειες αυτές κατασκευές (κατακόμβες). Η σεισμική ανάλυση γίνεται εφαρμόζοντας διάφορα σεισμικά σενάρια που αντιστοιχούν στα σεισμοτεκτονικά χαρακτηριστικά της Αλεξάνδρειας. Καθόλη τη διάρκεια των αριθμητικών αναλύσεων που έγιναν με πεπερασμένα στοιχεία, χρησιμοποιήθηκαν ανώτερα ελαστοπλαστικά μοντέλα εδάφους-βράχου. Στο τρίτο και τελευταίο στάδιο παρουσιάζουμε τις δυνατότητες βελτίωσης της συνολικής συμπεριφοράς αυτών των υπόγειων μνημείων, εφαρμόζοντας συγκεκριμένα μέτρα ενίσχυσης ειδικά για τη μείωση του σεισμικού κινδύνου σε τέτοιου είδους υπόγειες κατασκευές. Ο στόχος της ανάλυσης αυτής έχει τέσσερα σκέλη: Α) Εξέταση και σύγκριση της διάβρωσης (διαδικασίες, μηχανισμοί, ένταση και ρυθμός) σε αυτούς τους αρχαιολογικούς χώρους, σε μερικούς από τους πιο συνήθεις τύπους περιβάλλοντος στην Αίγυπτο (ημίξηρο, θαλάσσιο, αστικό και βιομηχανικό περιβάλλον – Αλεξάνδρεια), προσδιορισμός της παθολογίας και των αιτίων των προβλημάτων επιδείνωσης και αστάθειεας αυτών των μνημείων. Β) εκτίμηση και ανάλυση των ενδεχόμενων γεωτεχνικών προβλημάτων στους αρχαιολογικούς χώρους, καθώς και των επιπτώσεων στις κατασκευές στο βράχο από άποψης βραχομηχανικής. Γ) διερεύνηση των περιθωρίων ασφάλειας των υπαρχόντων μνημείων υπό τις παρούσες συνθήκες περιβάλλοντος (δηλ. υψηλή στάθμη νερού, γήρανση και αποσάθρωση) και υπό ακραίες σεισμικές φορτίσεις. Δ) εκτίμηση του συνολικού κινδύνου λόγω διαφόρων παραγόντων και διερεύνηση της ενδεχόμενης ενίσχυσης της συνολικής τους συμπεριφοράς με την εφαρμογή συγκεκριμένων μέτρων ενίσχυσης.