2008-2010_13_Pardalopoulos Stylianos by Pro.Syn.Apo

Αποτίμηση φέρουσας ικανότητας νεοκλασικού κτιρίου του 19ου αιώνα

Bearing capacity assessment of a neoclassical building of the 19th century

Διπλωματική εργασία Στυλιανός Ι. Παρδαλόπουλος Πολιτικός Μηχανικός

Postgraduate thesis Stylianos J. Pardalopoulos Civil Engineer

Επιβλέπων Ιωάννης ∆ουδούµης Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών

Supervisor Ioannis Doudoumis Professor, School of Civil Engineering

13 Τα νεοκλασικά κτίρια αποτελούν ένα σημαντικό κομμάτι της δομημένης ελληνικής πολιτιστικής κληρονομιάς, λόγω των ιδιαίτερων αρχιτεκτονικών και κατασκευαστικών τους χαρακτηριστικών. Λαμβάνοντας υπόψη τις διαρκώς αυξανόμενες δράσεις αποκατάστασης νεοκλασικών κτιρίων του 19ου και 20ού αιώνα, οι οποίες συχνά υπόκεινται σε περιορισμούς περί συμβατότητας και αντιστρεψιμότητας της επέμβασης, στην παρούσα εργασία εξετάζονται οι παράμετροι που επηρεάζουν τη διαδικασία αποτίμησης της φέρουσας ικανότητας κτιρίων αυτού του είδους. Το πλήθος των κατασκευαστικών πρακτικών που ακολουθήθηκαν κατά τη διαμόρφωση των δομικών στοιχείων των κτιρίων του 19ου και 20ού αιώνα έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση μεγάλης ποικιλίας μεταξύ των μηχανισμών μεταφοράς δυνάμεων που αναπτύσσονται στον φέροντα οργανισμό των νεοκλασικών κτιρίων. Η προσομοίωση των μηχανισμών που αναπτύσσονται στα δομικά στοιχεία των κτιρίων αυτών κατά τη διαδικασία του προσδιορισμού της σεισμικής τους απόκρισης είναι καθοριστική για την αποτίμηση της φέρουσας ικανότητάς τους και την επιλογή της σωστής στρατηγικής επέμβασης και αποκατάστασης. Μεταξύ των αναπτυσσόμενων μηχανισμών μεταφοράς δυνάμεων, ιδιαίτερη σημασία έχει η απόκριση των πατωμάτων των κτιρίων έναντι των δυνάμεων που αναπτύσσονται εντός του επιπέδου τους, καθώς αυτή καθορίζει το βαθμό ανάπτυξης της διαφραγματικής λειτουργίας στις στάθμες των ορόφων του κτιρίου. Στην παρούσα εργασία, εξετάζεται η σεισμική απόκριση ενός νεοκλασικού, που κατασκευάστηκε το 1893, προκειμένου να αποτελέσει το πρώτο ελληνικό γυμνάσιο της Θεσσαλονίκης. Το κτίριο, που σχεδιάσθηκε αρχικά από τον Ernst Ziller με μετέπειτα μετατροπές στο σχεδιασμό από τους αρχιτέκτονες Καμπανάκη και Κοκκινάκη, διαθέτει δύο ορόφους, υπόγειο και ξύλινη στέγη (εικ. 1). Από το έτος κατασκευής του έως τον Ιούνιο του 1978 το κτίριο λειτούργησε ως σχολείο, οπότε και διακόπηκε η λειτουργία του λόγω των ζημιών που υπέστη από τον ισχυρό σεισμό των 6,5 βαθμών 83

Δ.Π.Μ.Σ. «ΠΡΟΣΤΑΣΊΑ, ΣΥΝΤΉΡΗΣΗ & ΑΠΟΚΑΤΆΣΤΑΣΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΏΝ ΜΝΗΜΕΊΩΝ». ΘΈΜΑΤΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΊΟΥ ΔΙΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΉΣ ΣΥΝΕΡΓΑΣΊΑΣ & ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΈΣ ΕΡΓΑΣΊΕΣ 2008-2010 I.P.P.S. “PROTECTION, CONSERVATION & RESTORATION OF ARCHITECTURAL MONUMENTS”. INTERDISCIPLINARY COLLABORATION STUDIO PROJECTS & POSTGRADUATE THESES 2008-2010

01α

Το Ελληνικό γυμνάσιο της Θεσσαλονίκης: The Hellenic high school of Thessaloniki: 01α Κεντρική όψη. Façade. 01β Κατακόρυφη τομή κατά μήκος των διαδρόμων του κτιρίου, προς τα δυτικά. Section along the building’s corridors, facing West. 01γ Κάτοψη υπογείου. Basement plan.

01β

01δ Κάτοψη 1ου ορόφου. 1st storey plan.

Neoclassical buildings consist of an important part of the Greek structural heritage, as they possess special architectural and structural characteristics. Taking into consideration the increasing number of restoration works at neoclassical buildings of the 19th and 20th centuries, often restricted by international conventions for noninvasiveness and reversibility of the intervention, the present study focuses on the investigation of the parameters that affect the process of assessment of the bearing capacity of this type of buildings. The variety of construction practices that have been applied to the structural elements of the buildings of the 19th and 20th centuries results to the significant variety between the force-transfer mechanisms which develop throughout the structural system of neoclassical buildings. The simulation of the mechanisms that develop in the structural elements of these buildings during the assessment of their seismic response is essential for the determination of the buildings’ bearing capacity and the selection of the appropriate restoration strategy. Of special significance among the developed force-transfer mechanisms is the response of the buildings’ floors to the forces acting in the floor plane, as floor response determines the degree of diaphragm response at the corresponding building level. In the present study, the simulation of the structural elements of the load-bearing masonry buildings of the 19th and 20th centuries is investigated based on the seismic response of a neoclassical building of the late 19th century, which was constructed to house the first Hellenic High School of Thessaloniki. The building, located in the center of the city, was constructed in 1893 according the designs of Ernst Ziller, with modifications by the architects Kabanakis and Kokkinakis. The examined building is a two-storey one with a basement and a timber roof (fig. 1). Since its construction, the building had been continuously in operation as a school until the June of 1978, when it suffered damage by a strong earthquake of 6.5 on the Richter scale that struck the city of Thessaloniki.

01ε Κάτοψη 2ου ορόφου. 2nd storey plan.

01γ

της κλίμακας Ρίχτερ που έπληξε την πόλη, οι οποίες όμως δεν απείλησαν τη φέρουσα ικανότητά του. Προκειμένου να αποτιμηθεί, λοιπόν, η φέρουσα ικανότητα, το εξεταζόμενο κτίριο προσομοιώθηκε με το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων SAP 2000 ως χωρικό προσομοίωμα. Τα στοιχεία του φέροντα οργανισμού προσομοιώθηκαν ως επιφανειακά και γραμμικά πεπερασμένα στοιχεία από τη βιβλιοθήκη του προγράμματος (εικ. 2). Η προσομοίωση των τοιχοποιιών πραγματοποιήθηκε με τη χρήση επιφανειακών στοιχείων, ενώ στη στέγη οι ελκυστήρες των ζευκτών προσομοιώθηκαν με γραμμικά πεπερασμένα στοιχεία. Προκειμένου να παρουσιασθεί ο βαθμός διαφοροποίησης των μεγεθών έντασης και παραμόρφωσης λόγω του τρόπου προσομοίωσης των πατωμάτων, δημιουργήθηκαν δύο χωρικά προσομοιώματα του κτιρίου. Στο προσομοίωμα Α θεωρήθηκε σταθερή σύνδεση μεταξύ των γραμμικών στοιχείων που προσομοιώνουν τις σιδεροδοκούς στα πατώματα και των επιφανειακών στοιχείων που προσομοιώνουν τους θολίσκους από

01δ

01ε

Nevertheless, the structural integrity of the building was not compromised. In order to assess its bearing capacity, the examined building was simulated as a 3D model, utilizing SAP2000 finite element analysis software. The structural elements of the building were simulated as shell and linear finite elements, using the software library (fig. 2). Masonry walls were simulated as shell elements, whereas roof timber beams were simulated as linear finite elements. In order to identify the degree of influence of the building’s floors seismic response to the calculated forces and deformations along the building’s structural system, two building models were produced. In building model A, the connection between the linear elements accounting for the floors’ iron beams and the shell elements accounting for the brick arches spanning between the iron beams of the floors was assumed constant (i.e. the linear element nodes develop the same displacements as the nodes of the shell elements). In building model B, gap elements were added between the nodes of the linear and the shell 84

ΣΤΥΛΙΑΝΌΣ Ι. ΠΑΡΔΑΛΌΠΟΥΛΟΣ - ΑΠΟΤΊΜΗΣΗ ΦΈΡΟΥΣΑΣ ΙΚΑΝΌΤΗΤΑΣ ΝΕΟΚΛΑΣΙΚΟΎ ΚΤΙΡΊΟΥ ΤΟΥ 19ου ΑΙΏΝΑ STYLIANOS J. PARDALOPOULOS - BEARING CAPACITY ASSESSMENT OF A NEOCLASSICAL BUILDING OF THE 19th CENTURY

οπτόπλινθους μεταξύ των σιδηροδοκών. Στο προσομοίωμα Β, εισήχθησαν πρόσθετα στοιχεία διακένου μεταξύ των κόμβων των γραμμικών και των επιφανειακών στοιχείων, προκειμένου να προσομοιωθεί η αποκόλληση των θολίσκων από τον κορμό των σιδηροδοκών, όταν εντός του επιπέδου των πατωμάτων αναπτύσσονται εφελκυστικές τάσεις. Και τα δύο προσομοιώματα του κτιρίου υποβλήθηκαν σε σειρά δυναμικών αναλύσεων με τη χρονοϊστορία επιταχύνσεων εδάφους που καταγράφηκαν στην περιοχή κατά τα διάρκεια του σεισμού του 1978, προκειμένου να εξεταστεί η ακρίβεια της προσομοίωσής τους. Η αποτίμηση της φέρουσας ικανότητας βάσει των εντατικών μεγεθών που υπολογίστηκαν από τις δυναμικές αναλύσεις κατέδειξε ότι σε καμία περίπτωση δεν σημειώνεται υπέρβαση της διαθέσιμης αντίστασης των δομικών στοιχείων, γεγονός που επιβεβαιώνεται και από την απόκριση του κτιρίου κατά το σεισμό του 1978. Η φέρουσα ικανότητα του κτιρίου ελέγχθηκε, επίσης, και για την περίπτωση του συνδυασμού αστοχίας υπό κατακόρυφη φόρτιση. Από την εξέταση της σεισμικής απόκρισης των δύο προσομοιωμάτων προκύπτει ότι η προσομοίωση

02α Τρισδιάστατο προσομοίωμα του εξεταζόμενου κτιρίου. 3-D view of the examined building.

02α

του μηχανισμού αποκόλλησης των σιδηροδοκών, από τους θολίσκους πλήρωσης στα πατώματα του κτιρίου, συνεπάγεται σημαντική μείωση στα αναπτυσσόμενα μεγέθη έντασης και παραμόρφωσης στα δομικά του στοιχεία. Στην εξεταζόμενη περίπτωση, η προσομοίωση της σεισμικής απόκρισης των πατωμάτων επέφερε μείωση έως και 22% στην τέμνουσα βάσης που αναπτύσσεται στο κτίριο τη στιγμή της μέγιστης σεισμικής του απόκρισης (εικ. 3). Μείωση σημειώθηκε και στις αναπτυσσόμενες οριζόντιες μετατοπίσεις καθ’ ύψος του κτιρίου την ίδια χρονική στιγμή, οι οποίες στην περίπτωση του προσομοιώματος Β προέκυψαν μικρότερες κατά 25% κατά μέσο όρο (εικ. 4). Τέλος, μείωση υπήρξε και στις μέγιστες και ελάχιστες τιμές των ορθών τάσεων που αναπτύχθηκαν στις τοιχοποιίες καθ’ όλη τη διάρκεια του σεισμού (εικ. 5). 85

elements of the building’s floors, so as to simulate the separation between the web of the iron beams and the infill brick arches when tensile stresses develop along the floor. Both of the building models were subjected to a series of Time-History dynamic analyses with the ground accelerations that were recorded in the building area during the 1978 earthquake, in order to investigate the accuracy of the building simulation. Assessment of the building’s bearing capacity, in terms of developed stresses along the building’s walls due to the 1978 earthquake accelerations, indicated that the examined building is not expected to develop serious damages. This conclusion was confirmed by the seismic response of the actual structure during the 1978 earthquake. Also, the bearing capacity of the neoclassical building was investigated against the vertical loading combination of 1,35G+1,50Q, where G and Q represent the dead and live loads of the building. From the examination of the seismic response of the two models it has become evident that the simulation of the separation between the web of the iron beams and the infill brick arches, which occurs when tensile stresses

02β

develop along the floors, has resulted to a significant reduction in the developed stresses and deformations along the building’s structural system. This reduction was calculated in the range of 22% in the case of the developed building’s shear reaction the time segment of its maximum seismic response (fig. 3), whereas the developed horizontal displacements along the building’s height at the same time were reduced to an average of 25% (fig. 4). Simulation of the seismic response of the building’s floors also resulted in significant reduction on the stresses that are developed along the structural system of the building, whereas their distribution along the building became more realistic (fig. 5).

ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ Χ DIRECTION X

02β Επιταχυνσεογραφήματα που χρησιμοποιήθηκαν στις δυναμικές αναλύσεις. Acceleration recordings used in the dynamic analyses. 03 Σύγκριση των τεμνουσών βάσης που αναπτύσσονται στις δύο κύριες διευθύνσεις της κάτοψης των προσομοιωμάτων κατά τη διάρκεια του σεισμού. Comparison between the shear reactions which develop in each of the two principal plan directions of the two building models during the earthquake.

ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ Y DIRECTION Y

04 Παραμορφωμένο σχήμα των προσομοιωμάτων τη στιγμή της μέγιστης σεισμικής τους απόκρισης. Deformed shape of the building models at the time segment of their maximum seismic response. 05 Περιβάλλουσα αναπτυσσόμενων θλιπτικών ορθών τάσεων στη Βόρεια όψη του κτιρίου κατά τη διάρκεια του σεισμού. Envelope of compressive stresses that develop in the North view of the building during the earthquake.

ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ Χ DIRECTION X

ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ Y DIRECTION Y

ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ Α MODEL A

ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑ B MODEL B

04 05