Μεθοδολογία σχεδιασμού συμβατών και επιτελεστικών κονιαμάτων αποκατάστασης για την αντισεισμική προστασία μνημείων και ιστορικών κατασκευών

Abstract

The aim of this doctoral thesis is the development of an original methodology for the design of compatible and performing restoration mortars for the earthquake protection of monuments and historic structures. In order to achieve this aim, the study of three important historic structures is utilized. Specifically, the Catholicon of Kaisariani Monastery, an important mid-byzantine church and the Plaka Bridge of Arachthos river, a traditional historic bridge, located in the seismic areas of Athens and Epirus respectively, are studied, as well as the Holy Aedicule of the Holy Sepulchre in Jerusalem, the most important monument of Christianity, whose structural integrity was at risk. These three monument were selected, as they present different construction materials and different structural systems, while they are also subjected to different environmental loads, thus guaranteeing the development of a universal approach which can be applied on any monument, taking its specific characteristics into account. Most importantly, these monuments were selected as study cases, on behalf of the interdisciplinarity employed during their study, which provides, within the framework of this doctoral thesis, the possibility of defining the critical thresholds of mechanical properties, which the restoration mortars must comply with in order to ensure their structural integrity and their seismic protection. The monument itself is at the core of the developed methodology. Each monument is studied in the current state and the results are taken into account in order to specify and prioritize design criteria for compatible and performing restoration mortars. Within this process, emphasis is given to the critical thresholds, which the physicochemical, microstructural and mechanical characteristics of the restoration mortar must abide to. It is obvious that the demands of the design criteria and the assignment of critical thresholds regarding the restoration mortar characteristics, create a defined space of acceptability, where the restoration mortar is both compatible and performing. Regarding the compatibility design criteria, acceptability limits set for different types of restoration mortars, related to compositional characteristics, as measured through thermogravimetric analysis and microstructural characteristics, as measured through mercury intrusion porosimetry, are utilized as critical thresholds regarding physicochemical compatibility of the restoration mortar. Characterization and decay diagnosis of the historical materials is at the center of both the design and assessment of any restoration mortar in terms of compatibility. All instrumental techniques which have already been established in the Materials Science and Engineering Laboratory, are utilized for the study of both historical materials and restoration materials, and the results allow for the definition of critical thresholds regarding additional restoration mortar characteristics, where compatibility is ensured.Regarding the performance design criteria, the mechanical properties of the restoration mortars are taken into account and assessed in relation to the critical thresholds set by the finite element model analysis (in the case of the Holy Aedicule of the Holy Sepulchre) or by the fragility analysis (in the case of the Kaisariani Monastery Catholicon) results, corresponding to the demanded value of the restoration mortars compressive strength, capable of ensuring an adequate response of the monument under static and dynamic loads. In both cases the real material data were incorporated within the computation models. Thus, structural analysis results reveal the minimum demanded compressive strength that the restoration mortar must present. In the case of the Holy Aedicule, where the proposed restoration mortar was applied during the restoration project, non-destructive techniques were utilized to assess the effectiveness of their application in terms of compatibility and performance, thus leading to a methodological approach regarding the assessment of mortar application in situ, in real scale and time. The design criteria are parameterized in order to define an area that delimits the characteristics that a restoration mortar must present in order to be compatible and performing, and which allows the selection of the most suitable raw materials from a wider range of materials. At the level of processing the big data that emerges, an original system for evaluating the restoration mortars is proposed, based on the above criteria and using importance weights, which differ for each monument, thus offering the possibility of choosing the optimal mortar for each case. The use of principal component analysis (PCA) proved particularly useful for the study of the restoration mortars examined in this thesis, as it managed to correlate their characteristics and distinguish restoration mortars according to their characteristics, thus facilitating the simultaneous investigation of both their compatibility and performance. At the same time, it is possible to use the PCA method as a tool to assess the compatibility of historical and restoration mortars in terms of composition and microstructural characteristics. In the last section of this thesis, artificial neural networks (ANNs) are developed and trained, aiming to facilitate the design of restoration mortars and creating an added, necessary innovation in the field of mortar design. It is the first time that ANNs are implemented within this framework, and the results highlight their potential as a tool in mortar design. In addition to revealing the effect of each parameter of synthesis (binder to sand ratio, water to binder ratio, maximum aggregate diameter and age of specimen) on the different mortar characteristics, ANNs can also reveal a recommended area of design, regarding mortar synthesis parameters, within which the restoration mortar is expected to develop characteristics as set by the compatibility and design criteria of each monument. Thus, while discrimination analysis within PCA facilitates the management and correlation of experimental data, the use of ANNs allows the examination of a wider area of mortar design, even of synthesis parameter combinations where no experimental data exists, allowing the study and design of the material in the multidimensional space defined by the parameters of mortar synthesis and allowing research to surpass the experimental process. The mortar design methodology developed in the current doctoral thesis, is conducted in a wide design framework, also at the level of correlation and simulation of mortar characteristics, thus configuring an integrated design framework. Mortar design is thus conducted within a continuous and integrated space of compatibility and performance, thus marking the developed methodology –parameterization of criteria, correlation of independent variables, discrimination analysis and simulation with ANNs– as an important tool for the design of compatible and performing restoration mortars, which can contribute to the earthquake protection of monuments and historic structures, as well ensure their structural integrity.

Σκοπός της παρούσης διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας πρωτότυπης μεθοδολογίας σχεδιασμού συμβατών και επιτελεστικών κονιαμάτων αποκατάστασης για την αντισεισμική προστασία μνημείων και ιστορικών κατασκευών. Για τον σκοπό αυτό, αξιοποιείται η μελέτη τριών σημαντικών μνημείων και ιστορικών κατασκευών. Συγκεκριμένα, μελετώνται η Μονή Καισαριανής και το Γεφύρι της Πλάκας, μια σημαντική μεσοβυζαντινή εκκλησία και ένα ιστορικό γεφύρι που βρίσκονται στις σεισμογενείς περιοχές της Αττικής και της Ηπείρου αντίστοιχα, καθώς και το Ιερό Κουβούκλιο του Παναγίου Τάφου στην περιοχή των Ιεροσολύμων, το σημαντικότερο μνημείο της χριστιανοσύνης, του οποίου η δομική ακεραιότητα παρουσίαζε προβλήματα. Τα τρία αυτά μνημεία επιλέχθηκαν, καθώς παρουσιάζουν διαφορετικά δομικά υλικά και τρόπο δόμησης, ενώ βρίσκονται και σε διαφορετικό περιβάλλον, ως εκ τούτου διασφαλίζοντας μια καθολική προσέγγιση, που μπορεί να εφαρμοστεί σε κάθε μνημείο, λαμβάνοντας υπόψη τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του. Κυρίως όμως, τα μνημεία αυτά επιλέχθηκαν γιατί η εξέτασή τους ήταν διεπιστημονική και παρέχει, στο πλαίσιο της παρούσης διδακτορικής διατριβής, τη δυνατότητα γνώσης των κρίσιμων κατωφλίων των μηχανικών απαιτήσεων των κονιαμάτων αποκατάστασης για τη διασφάλιση της δομικής τους ακεραιότητας και την αντισεισμική τους θωράκιση. Η μεθοδολογία που αναπτύσσεται έχει ως πυρήνα το μνημείο και τα αποτελέσματα της μελέτης του, ώστε να προτεραιοποιηθούν και να συγκεκριμενοποιηθούν κριτήρια σχεδιασμού συμβατών και επιτελεστικών κονιαμάτων αποκατάστασης, ενώ ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στα κρίσιμα κατώφλια των φυσικοχημικών και μηχανικών τους χαρακτηριστικών. Είναι σαφές ότι οι απαιτήσεις και η θέσπιση κρίσιμων κατωφλίων όσον αφορά και τη συμβατότητα και την επιτελεστικότητα, δημιουργούν έναν χώρο αποδοχής, όπου το κονίαμα αποκατάστασης πληροί και τις δυο αυτές σημαντικές απαιτήσεις. Σε σχέση με τα κριτήρια συμβατότητας των κονιαμάτων αποκατάστασης, αξιοποιούνται τα όρια αποδοχής κονιαμάτων αποκατάστασης ως κρίσιμα κατώφλια των φυσικοχημικών τους χαρακτηριστικών, ενώ ο χαρακτηρισμός των ιστορικών υλικών αποτελεί πυρήνα σχεδιασμού και αποτίμησης της συμβατότητας των κονιαμάτων αποκατάστασης. Για τον χαρακτηρισμό των ιστορικών υλικών και την αποτίμηση των κονιαμάτων αποκατάστασης, χρησιμοποιούνται όλες οι ενόργανες τεχνικές που έχουν προτυποποιηθεί στο Εργαστήριο Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών, τα αποτελέσματα των οποίων επίσης προσφέρουν τη δυνατότητα ορισμού κρίσιμων κατωφλίων για τη διασφάλιση της συμβατότητας. Σε σχέση με τα κριτήρια επιτελεστικότητας αξιοποιούνται μετρήσεις μηχανικών αντοχών των κονιαμάτων αποκατάστασης και λαμβάνονται υπόψη τα κρίσιμα κατώφλια απαιτούμενων αντοχών, όπως αυτά προκύπτουν από την μελέτη πεπερασμένων στοιχείων (Ιερό Κουβούκλιο του Παναγίου Τάφου) και τις καμπύλες θραυστότητας (Καθολικό Μονής Καισαριανής), ενώ και στις δυο περιπτώσεις ενσωματώνονται στα υπολογιστικά μοντέλα τα πραγματικά δεδομένα που προέκυψαν από τη μελέτη των υλικών. Τα αποτελέσματα της δομικής ανάλυσης υποδεικνύουν την ελάχιστη απαιτούμενη αντοχή σε θλίψη που πρέπει να παρουσιάζει το κονίαμα αποκατάστασης, ενώ, στην περίπτωση του Ιερού Κουβουκλίου του Παναγίου Τάφου, όπου και εφαρμόστηκαν τα προτεινόμενα κονιάματα αποκατάστασης, οι μετρήσεις μη καταστρεπτικού ελέγχου επιτρέπουν την αποτίμηση της συμπεριφοράς και της εφαρμογής στους στο επίπεδο του μνημείου. Τα κριτήρια σχεδιασμού παραμετροποιούνται ώστε να διαμορφώνουν ένα πεδίο τιμών που οριοθετεί τα χαρακτηριστικά που πρέπει να εμφανίζει ένα κονίαμα αποκατάστασης, και το οποίο επιτρέπει την επιλογή των πλέον κατάλληλων πρώτων υλών από ένα ευρύτερο φάσμα υλικών. Σε επίπεδο επεξεργασίας των μεγάλων δεδομένων που προκύπτουν, προτείνεται σύστημα αξιολόγησης κονιαμάτων αποκατάστασης, βάσει των ως άνω κριτηρίων με τη χρήση βαρών σημαντικότητας στο κάθε μνημείο, το οποίο προσφέρει τη δυνατότητα επιλογής του βέλτιστου κονιάματος. Η χρήση κυρίων συνιστωσών για την μελέτη των κονιαμάτων αποκατάστασης είναι ιδιαιτέρως χρήσιμη, καθώς υποδεικνύει τις συσχετίσεις των χαρακτηριστικών τους και διακριτοποιεί τα κονιάματα αποκατάστασης αναλόγως των χαρακτηριστικών τους, διευκολύνοντας τη ταυτόχρονη διερεύνηση της συμβατότητας και της επιτελεστικότητάς τους. Παράλληλα, διαφαίνεται η δυνατότητα χρήσης της μεθόδου ως εργαλείο για την αποτίμηση της συμβατότητας ιστορικών κονιαμάτων και κονιαμάτων αποκατάστασης από άποψη σύστασης και μικροδομής. Στο τελευταίο τμήμα της διδακτορικής διατριβής, γίνεται ανάπτυξη και χρήση τεχνητών νευρωνικών δικτύων, για πρώτη φορά στον σχεδιασμό κονιαμάτων αποκατάστασης, δημιουργώντας μια επιπλέον απαραίτητη καινοτομία στο πεδίο του σχεδιασμού. Όπως αναδεικνύεται στο πλαίσιο αυτής της διδακτορικής διατριβής, η χρήση τους μπορεί να υποδείξει, βάσει των κριτηρίων σχεδιασμού για το εκάστοτε μνημείο και την οριοθέτηση των χαρακτηριστικών του κατάλληλου συμβατού και επιτελεστικού κονιάματος αποκατάστασης, μια προτεινόμενη περιοχή σχεδιασμού κονιαμάτων αποκατάστασης, όσον αφορά στις παραμέτρους της σύνθεσης (αναλογία κονίας/αδρανών, λόγος νερού κονίας). Έτσι, ενώ η ανάλυση διάκρισης επιτρέπει τη διαχείριση των πειραματικών δεδομένων, η χρήση των τεχνητών νευρωνικών δικτύων επιτρέπει και τη μελέτη του υλικού στον πολυδιάστατο χώρο που ορίζουν οι παράμετροι της σύνθεσής του, ενώ προσφέρει τη δυνατότητα διερεύνησης επιπλέον περιοχών σχεδιασμού, όπου δεν υπάρχουν διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα, επιτρέποντας την υπέρβαση της πειραματικής διαδικασίας. Η μεθοδολογία σχεδιασμού που αναπτύσσεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή λαμβάνει χώρα σε ένα ευρύτερο πεδίο σχεδιασμού, τόσο στο επίπεδο της συσχέτισης, όσο και στο επίπεδο της προσομοίωσης των ιδιοτήτων του κονιάματος αποκατάστασης, ώστε να διαμορφώσει ένα ολοκληρωμένο πεδίο σχεδιασμού. Ο σχεδιασμός ανάγεται ως εκ τούτου σε έναν ενιαίο και συνεχή χώρο συμβατότητας και επιτελεστικότητας, καθιστώντας την ολοκληρωμένη μεθοδολογία που αναπτύσσεται –παραμετροποίηση, συσχέτιση ανεξάρτητων μεταβλητών, ανάλυση διάκρισης και προσομοίωση με τεχνητά νευρωνικά δίκτυα– ένα σημαντικό εργαλείο σχεδιασμού συμβατών και επιτελεστικών κονιαμάτων αποκατάστασης για την αντισεισμική προστασία μνημείων και ιστορικών κατασκευών και τη διασφάλιση της δομικής τους ακεραιότητας.