Μελέτη θραυστότητας δομικών λίθων ιστορικών μνημείων και αποτίμηση των αποτελεσμάτων υλικών στερέωσης

Abstract

Objective of the current research is the study of fracture of building rocks of historical monuments and the evaluation of consolidation materials. The research is divided into two parts. The first part is the study of fracture of building rocks. For that, four types of stones were used. Specifically, marble and limestone from Mani, which can be found in several historical buildings like the Medikon House and the Oitylos Municipal Building, sandstone limestone from Nicosia Cyprus, which can be found in historical buildings such as the Municipal Market of Lemesos and finally travertine from Nicosia Cyprus, which can be found in historic buildings such as the Church of Chrysaliniotissa. The determination of the fracture toughness of Mani’s marble and limestone was achieved by carrying out three point bending experiments in samples with artificially machined flaws. The specimens were prismatic beams and centrally notched (with U-shaped notches) with various depths. The target of the study was achieved by taking into consideration the concepts of Crack Opening Displacement (COD) and the Mode-I Critical Stress Intensity Factor (KIC). The investigation revealed that the fracture toughness remains constant when the ratio of the notch over the height of the sample exceeds 0.2. For the next step, fracture toughness tests were performed in exactly the same way in the sandstone limestone and travertine of Nicosia, with the only difference being the dimensions of the flaws, which had the same width as the height of the notch. The investigation revealed that the fracture toughness remains the same, indicating that the toughness mostly depends on the height of the crack and not on the width.In the context of this comprehensive methodology for the analysis of historical buildings, for the second and final stage of the research, it was conducted a study for the historic building «Medikon Mansion», where a finite element model was created for the description of this structure.For the above to be made possible, more tests were performed on the samples from the first part, in order to find the compressive strength of the limestone of Mani, as well as the tensile strength of the mortar from the building. After that, the static behavior of the model under seismic loading was investigated, as well as its behavior after the application of 3 different consolidation proposals from inorganic (HAP) and alkoxysilanes (ES and TEOS) materials. The above analysis was carried out with the use of the software program SAP2000 v18.2.0 - Structural Analysis Program.

Αντικείμενο της παρούσας έρευνας είναι η μελέτη θραυστότητας δομικών λίθων ιστορικών μνημείων, καθώς και η αποτίμηση υλικών στερέωσης. Ως εκ του τούτου, η έρευνα χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος πραγματοποιείται η μελέτη θραυστότητας δομικών λίθων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις τύποι λίθων. Πιο συγκεκριμένα μάρμαρο και ασβεστόλιθος Μάνης, ο οποίος συναντάται σε διάφορα ιστορικά κτίρια όπως το Αρχοντικό των Μεδίκων και το Δημοτικό Κτίριο Οιτύλου, ψαμμιτικός ασβεστόλιθος Λευκωσίας από την Κύπρο, ο οποίος συναντάται σε ιστορικά κτίρια όπως η Δημοτική Αγορά Λεμεσού και τέλος πωρόλιθος Λευκωσίας από την Κύπρο, που συναντάται σε ιστορικά κτίρια όπως η ενορία της Χρυσαλινιώτισσας. Η αντοχή σε θραύση των δειγμάτων μαρμάρου και ασβεστόλιθου Μάνης υπολογίστηκε με τη διεξαγωγή πειραμάτων κάμψης τριών σημείων σε δείγματα με προϋπάρχουσες ρωγμές. Τα δείγματα αυτά ήταν πρισματικοί δοκοί, με εγκοπές στο κέντρο διαφόρων βαθών (σχήμα εγκοπής U). Για την μελέτη λήφθηκαν υπόψη το άνοιγμα της εγκοπής ή αλλιώς Crack Opening Displacement (COD), καθώς και ο Κρίσιμος Συντελεστής Εντάσεως των Τάσεων ή αλλιώς Critical Stress Intensity Factor (KIC) για τον Τρόπο Ι. Η έρευνα αποκάλυψε ότι η αντοχή σε θραύση παραμένει σταθερή όταν η αναλογία της εγκοπής σε σχέση με το ύψος του δείγματος υπερβαίνει το 0,2. Κατόπιν πραγματοποιήθηκαν δοκιμές θραύσης κατά τον ίδιο ακριβώς τρόπο στον ψαμμιτικό ασβεστόλιθο και πωρόλιθο Λευκωσίας, με μόνη διαφορά τις διαστάσεις στις εγκοπές, όπου είχαν το ίδιο πλάτος με το ύψος της ρωγμής. Η έρευνα αποκάλυψε ότι η αντοχή σε θραύση παραμένει η ίδια, πράγμα που υποδεικνύει ότι η αντοχή σε θραύση εξαρτάται κυρίως από το ύψος της εγκοπής και όχι τόσο από το πάχος της.Στα πλαίσια της παρούσας περιεκτικής μεθοδολογίας για την προσέγγιση των ιστορικών κτιρίων, στο δεύτερο και τελικό στάδιο της έρευνας πραγματοποιήθηκε μελέτη στο ιστορικό κτίριο «Αρχοντικό των Μεδίκων» της Μάνης, όπου έγινε περιγραφή του με μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων. Για την περιγραφή πραγματοποιήθηκαν κάποιες επιπλέον δοκιμές στα δείγματα του πρώτου μέρος και πιο συγκεκριμένα αντοχής σε θλίψη για τον ασβεστόλιθο Μάνης αλλά και εφελκυσμού στο κονίαμα του κτιρίου. Στη συνέχεια έγινε έλεγχος της στατικής συμπεριφοράς του μοντέλου υπό την επίδραση σεισμικών δράσεων στην υπάρχουσα κατάστασή του αλλά και αποτιμώντας το με τρεις διαφορετικές προτάσεις αποκατάστασης με υλικά στερέωσης από ανόργανα υλικά (HAP) και αλκοξυσιλάνια (ES και TEOS), πάντα με τη βοήθεια του λογισμικού προγράμματος SAP2000 v18.2. 0 - Structural Analysis Program.