2008-2010_7_Katsaveli Elissavet

Στατική αποκατάσταση αρχοντικού Γάκη στην Καστοριά

Restoration study of the Gaki mansion in Kastoria city

Αποτίµηση φέρουσας ικανότητας – αξιολόγηση µεθόδων επέµβασης

Bearing capacity assessment – evaluation of reinforcement methods

Διπλωματική εργασία Ελισάβετ Κατσαβέλη Πολιτικός Μηχανικός

Postgraduate thesis Elissavet Katsaveli Civil Engineer

Επιβλέποντες Ιωάννης ∆ουδούµης Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών

Supervisors Ioannis Doudoumis Professor, School of Civil Engineering

Καθηγητής Χρήστος Ιγνατάκης Καθηγητής, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών

Christos Ignatakis Professor, School of Civil Engineering

07 Το αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας αφορά στη μελέτη στατικής αποκατάστασης του διατηρητέου αρχοντικού Γάκη, με σκοπό την επανάχρησή του ως παραδοσιακού ξενώνα. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη διερεύνηση των αιτιών της παθολογίας του κτιρίου και στην αποτίμηση της φέρουσας ικανότητάς του, ενώ ελέγχεται διαδοχικά η αποτελεσματικότητα των διαφόρων μεθόδων επέμβασης, οι οποίες και αξιολογούνται. Το αρχοντικό Γάκη δεσπόζει σε μία από τις πλευρές της μοναδικής πλατείας της περιοχής Ντολτσό, στην άλλοτε ελληνική συνοικία της πόλης, η οποία σήμερα αποτελεί έναν από τους δύο διασωζόμενους ιστορικούς πυρήνες της πόλης της Καστοριάς. Το κτίριο χρονολογείται το 1863 και αποτελεί χαρακτηριστικό δείγμα των οικιών που ανοικοδομήθηκαν το 19ο αιώνα και διαδέχτηκαν τα αρχοντικά του 17ου και 18ου αιώνα. Είναι τριώροφο με κάτοψη σχήματος Γ, διαστάσεων περίπου 14 x 15 μ. Η κατοίκησή του συνεχιζόταν μέχρι και πριν από πέντε χρόνια, από τους απογόνους της οικογένειας, και έκτοτε εγκαταλείφθηκε. Ο φέρων οργανισμός, όπως προέκυψε από πλήθος διερευνητικών τομών, αποτελείται από αργολιθοδομή στη στάθμη του ισογείου, η οποία στον πρώτο όροφο αντικαθίσταται στο εσωτερικό από ξυλόπηκτες τοιχοποιίες με γέμισμα από λίθους και πηλό, ενώ στο δεύτερο όροφο οι εσωτερικές τοιχοποιίες και τμήματα των περιμετρικών κατασκευάζονται από ξυλόπλεκτες τοιχοποιίες. Τα δάπεδα των ορόφων και ο φέρων οργανισμός της στέγης είναι ξύλινης κατασκευής. Κύριο χαρακτηριστικό του κτιρίου αποτελεί ο τρόπος δόμησης των εξωτερικών ακμών, στις οποίες παρεμβάλλονται ευμεγέθεις, λαξευτοί γωνιόλιθοι, οι οποίοι εμποδίζουν τη σύνδεση των εγκάρσιων εξωτερικών ξυλοδεσιών.

59

The present postgraduate thesis examines the static restoration of the Gaki mansion aiming at its reuse as a boutique hotel. Particularly, emphasis is given on the investigation of the causes of the building’s pathology and on the assessment of its bearing capacity, while the effectiveness of various methods of intervention is tested successively and evaluated.

The Gaki mansion is located in the main square of Dolco area, the historical Greek neighbourhood of the city, which is today one of the two preserved parts of the old town of Kastoria. The mansion, built in 1863, is a representative example of the 19th century urban architecture that succeeded the noble houses of the 17th and 18th centuries. It is a three-storey building of an L- shape plan and dimensions about 14 x 15 m. It was inhabited until five years ago.

The load bearing structure of the building, as it has been shown by several engineering investigation sections, was constructed with rubble stone masonry on the ground floor, which was replaced by timber-framed walls filled with stones and clay mortar on the first storey, and by timber-framed walls covered by timber overlap and mortar on the second storey. The floors and the roof bearing structure are wooden.

A main feature of the building is the way the external edges of the walls are formed, where sizeable, worked stones are incorporated, preventing the connection of the external, transverse, wooden beams that are inserted in the masonry.

Laboratory and in situ testing have been carried out on samples of mortar, plaster and stone in order to determine their physical and mechanical features. The origin of the wooden elements has been determined by visual identification by a forester while their physical and mechanical features have been studied bibliographically.

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

Εργαστηριακές δοκιμές διενεργήθηκαν σε δείγματα του κονιάματος δόμησης και του επιχρίσματος, από τις οποίες προέκυψαν τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά και οι αντοχές τους, ενώ για τους λίθους διενεργήθηκαν τόσο εργαστηριακές δοκιμές όσο και επιτόπιες. Η προέλευση των ξύλινων στοιχείων διακριβώθηκε από επιτόπια παρατήρηση από δασολόγο και τα χαρακτηριστικά τους ελήφθησαν από τη βιβλιογραφία. Το κτίριο σήμερα παρουσιάζει έντονη παθολογία η οποία συνίσταται από τις μεγάλου εύρους διαγώνιες ρωγμές κατά μήκος των εξωτερικών ακμών, την αποδιοργάνωση της δομής των τοιχοποιιών του ισογείου λόγω της προσβολής από ανερχόμενη εδαφική υγρασία και την προσβολή της στέψης των τοιχοποιιών του δευτέρου ορόφου από τα εισρέοντα από τη στέγη ύδατα. Μετά από λεπτομερή καταγραφή και ανάλυση της παθολογίας και έρευνα σεισμολογικών δεδομένων της περιοχής προέκυψε πως κύρια αίτια της παθολογίας αποτελούν η ασθενής φύση του πηλοκονιάματος δόμησης σε συνδυασμό με την ανερχόμενη υγρασία, που προκάλεσε την ανάπτυξη βραχύνσεων στο σώμα της τοιχοποιίας, ενώ οι μη περιδεμένες, δύσκαμπτες ακμές δεν παρακολούθησαν αυτές τις βραχύνσεις με αποτέλεσμα την ανάπτυξη των χαρακτηριστικών ρωγμών που διατρέχουν τις ακμές όλου του κτιρίου. Ο υπολογισμός των μηχανικών χαρακτηριστικών της λιθοδομής έγινε σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 6 (EC6) και στη συνέχεια διενεργήθηκε δυναμική φασματική

Today, the building’s extended pathology is consisted of diagonal cracks of great width along the exterior wall edges, dismantling of the walls’ structure on the ground floor because of the rising dampness and decay of the walls on the second floor because of rain penetration from the roof. After detailed documentation and analysis of building’s pathology and investigations about the area’s seismological data, it is concluded that the main reasons that affect the pathology is the weak synthesis of the mortar in conjunction with the rising dampness from the ground, that has caused shrinkage deformation on the body of the walls. On the contrary, the stiff edges of the walls that have no joints, could not follow this slump and thus the diagonal cracks along the edges were created.

The calculation of the mechanical characteristics of the masonry was performed according to Eurocode 6 (EC6), while a dynamic spectral analysis of the load bearing structure was realized using the software ETABS. During the simulation of the existing load bearing structure the following assumptions were made: for the timber-framed walls, where the pattern of the wooden frame is not known, the simulation has been done with finite elements and elastic modulus equal to 40% of the masonry’s, while for the timber- framed walls where the pattern of the wooden frame is well-known, it has been simulated with linear, jointed elements. In addition, the relaxation of the joints of the wooden tension elements has been taken into account, decreasing their elastic modulus by 50%. The

01 Το αρχοντικό Γάκη στην πλατεία Ντολτσό της Καστοριάς.

The Gaki Mansion in Dolco square of Kastoria.

02-03 Υπάρχουσα κατάσταση – παθολογία του κτιρίου.

Current condition – the pathology of the building.

01

02

03 60

ΕΛΙΣΆΒΕΤ ΚΑΤΣΑΒΈΛΗ - ΣΤΑΤΙΚΉ ΑΠΟΚΑΤΆΣΤΑΣΗ ΑΡΧΟΝΤΙΚΟΎ ΓΆΚΗ ΣΤΗΝ ΚΑΣΤΟΡΙΆ: ΑΠΟΤΊΜΗΣΗ ΦΈΡΟΥΣΑΣ ΙΚΑΝΌΤΗΤΑΣ – ΑΞΙΟΛΌΓΗΣΗ ΜΕΘΌΔΩΝ ΕΠΈΜΒΑΣΗΣ ELISSAVET KATSAVELI - RESTORATION STUDY OF THE GAKI MANSION IN KASTORIA: BEARING CAPACITY ASSESSMENT – EVALUATION OF THE REINFORCEMENT METHODS

ανάλυση του φορέα με το πρόγραμμα ETABS. Κατά την προσομοίωση του φορέα στην υφιστάμενη κατάσταση έγιναν οι εξής παραδοχές: στις ξυλόπηκτες τοιχοποιίες, όπου η διάταξη του ξύλινου σκελετού δεν είναι γνωστή, η προσομοίωση έγινε με πεπερασμένα στοιχεία και μέτρο ελαστικότητας ίσο με το 40% της λιθοδομής, ενώ στις ξυλόπλεκτες τοιχοποιίες όπου η διάταξη είναι γνωστή, αυτός προσομοιώθηκε με γραμμικά, αμφιαρθρωτά στοιχεία. Επιπλέον, λήφθηκε υπόψη η χαλάρωση των συνδέσμων των ξύλινων εφελκυόμενων στοιχείων μειώνοντας το μέτρο ελαστικότητας αυτών κατά 50%. Με γραμμικά αμφιαρθρωτά στοιχεία, επίσης, προσομοιώθηκαν τα πατόξυλα των δαπέδων και τα πρέκια των ανοιγμάτων. Η προσομοίωση των λιθοδομών έγινε με πεπερασμένα στοιχεία, λαμβάνοντας υπόψη την απομείωση του πάχους τους στις θέσεις των εσωτερικών κογχών και στους ορόφους, καθώς και τη διαφοροποίηση του μέτρου ελαστικότητας στις θέσεις όπου υπάρχουν ευμεγέθεις, λαξευτοί λίθοι. Οι συνθήκες έδρασης, δεδομένου του βραχώδους υποβάθρου, θεωρήθηκαν πακτώσεις. Οι έλεγχοι της τοιχοποιίας σε κάμψη και διάτμηση έγιναν σε 47 πεσσούς και 38 ζώνες ανωφλίων με το πρόγραμμα e-Tools για τους συνδυασμούς κατακόρυφης φόρτισης και σεισμικής καταπόνησης σύμφωνα με τον ΕΑΚ. Προέκυψε πως στην υφιστάμενη κατάσταση δεν υπάρχει κανένα πρόβλημα επάρκειας πεσσών για κατακόρυφα φορτία, ενώ υπάρχουν κάποια ποσοστά αστοχίας των διαδοκίδων, ενώ ιδιαίτερα σημαντικό είναι το ποσοστό αστοχίας τόσο των πεσσών όσο και των διαδοκίδων σε οριζόντια σεισμική καταπόνηση. Στη συνέχεια εφαρμόστηκαν και ελέγχθηκαν διαδοχικά τα αναγκαία μέτρα επέμβασης στο φέροντα οργανισμό: εφαρμογή διαφραγμάτων στη στάθμη των δαπέδων, αποκατάσταση της δομικής συνέχειας της λιθοδομής με εφαρμογή ενεμάτων και τέλος, αναδιάταξη των στοιχείων του ξύλινου σκελετού των τοιχοποιιών προς βελτίωση της απόκρισής τους σε σεισμική καταπόνηση. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων και των ελέγχων έδειξαν πως τα μέτρα είχαν σημαντική συνεισφορά στην αύξηση της δυσκαμψίας του κτιρίου (μείωση ιδιοπεριόδων) και στην καλύτερη κατανομή των εντάσεων (μείωση ποσοστού εξάντλησης διατομών που αστόχησαν), ωστόσο δεν συνέβαλαν στη μείωση των ποσοστών αστοχίας των πεσσών και διαδοκίδων σε σεισμική καταπόνηση. Έτσι, ως τελευταίο και αναπόφευκτο μέτρο προέκυψε η ενίσχυση των τοιχοποιιών με μανδύες εκτοξευόμενου σκυροδέματος, ο υπολογισμός των οποίων έγινε με το πρόγραμμα e-Tools σε κάμψη και με το Excel σε διάτμηση. Επιπλέον, έγινε ενδεικτικά έλεγχος αστοχιών των στοιχείων των ξύλινων σκελετών για κατακόρυφη φόρτιση και έλεγχος λειτουργικότητας στα πατόξυλα των δαπέδων σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 5. Προκειμένου ο ενισχυμένος φορέας να προσαρμοστεί στη νέα χρήση του κτιρίου ως ξενώνα, έγιναν οι απαραίτητες μετατροπές όπως προέκυψαν από την 61

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

04 Χαρακτηριστικός τρόπος δόμησης των ακμών των τοίχων του αρχοντικού.

The characteristic way of building the edges of the mansion’s walls.

04

05-06 Προσομοίωση ξύλινου σκελετού ξυλόπλεκτης τοιχοποιίας και συνολικό προσομοίωμα κτιρίου.

Simulation of the timber-framed wall and 3D simulation of the whole of the building.

07 Συντελεστής εξάντλησης των διατομών των πεσσών που αστόχησαν.

Rate of depletion of pillar’s cross-sections that failed.

08-09 Ο δεύτερος όροφος πριν και μετά τις προτεινόμενες επεμβάσεις στο φέροντα οργανισμό.

The second floor before and after the proposal interventions on the load bearing structure.

07

05

06

wooden joists of the floors have been also simulated with linear jointed elements as well as the wooden lintels of the openings. The simulation of the stone masonry was realized by finite elements, considering the decrease of the walls’ width on the upper storeys and the differentiation of the elastic modulus where there are sizeable, worked stones. Regarding the foundation, and given the bedrock, it is considered to be embedded.

The testing of the masonry has been conducted on 47 pillars and 38 lintel beams, according to EAK, for the combination of vertical and seismic loads using e-Tools software. It appeared that, on the current condition, there is no inefficiency of the pillars for vertical loads, while failure has been occasionally attested for beams. In addition, severe failure is attested on both the pillars and beams in horizontal seismic stress.

Then, the necessary interventions on the load bearing structure were applied and tested, namely: application of diaphragms on floor levels, restoration of the structural continuity of the masonry with grout application, rearrangement of the elements of the wooden frames of the walls to improve their response in seismic stresses.

The results showed that the proposed interventions had contributed to the increase of the building’s stiffness (by reducing natural period) and to a better distribution of tension (reduction of depletion rate of the profiles that

08

αρχιτεκτονική μελέτη: διάνοιξη νέων ανοιγμάτων και κλείσιμο παλαιών, αφαίρεση ελαφριών διαχωριστικών τοιχοποιιών και δημιουργία χώρων υγιεινής. Οι απαιτήσεις στεγανοποίησης και ακαμπτοποίησης των δαπέδων των χώρων υγιεινής οδήγησαν στη δημιουργία μεταλλικών φορέων, οι οποίοι σε κάποιες περιπτώσεις ενσωματώνονται στους φορείς των δαπέδων και των ξυλόπηκτων τοιχοποιιών, αντικαθιστώντας κάποια ξύλινα στοιχεία με μεταλλικά, ενώ σε κάποιες περιπτώσεις τα μεταλλικά στοιχεία αντικαθιστούν πλήρως τον παλιό ξύλινο σκελετό. Η διαστασιολόγηση αυτών των στοιχείων έγινε με το πρόγραμμα ETABS σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 3. Τέλος, προτείνεται η δημιουργία περιμετρικής τάφρου αποστράγγισης για τη μείωση της στάθμης του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα και την αποχέτευση των ομβρίων υδάτων, που συσσωρεύονται στη βόρεια όψη λόγω του επικλινούς του οικοπέδου, ενώ δίδονται τεχνικές περιγραφές και κατασκευαστικά σχέδια των επεμβάσεων που προτείνονται.

09

failed), however, they did not contribute to the reduction of beams’ and pillars’ failure rate on seismic loading. Thus, it became unavoidable to strengthen the walls by using sprayed concrete whose width was calculated using the e-Tools software for bending conditions and Excel for shear conditions. Moreover, timber frames were tested on vertical loading and the functional requirements of the floor wooden beams according to Eurocode 5.

In order to adapt the reinforced load bearing structure to the proposed new use of the building as a boutique hotel, the necessary changes were made according to the architectural design: creation of new openings and closing of old ones, removing of light, separating walls and creation of sanitary facilities. The requirement of sealed and rigid floors of the new toilet rooms resulted in using new metal bearing structures, which in some cases were integrated into the body of the floors and timber-framed walls by totally replacing the initial wooden elements.

The design of these elements has been made by using ETABS software according to Eurocode 3.

Finally, it is proposed to create a drainage ditch in the perimeter of the building, in order to reduce groundwater level and drain the rain water accumulated on the north side because of the slope, while technical descriptions and drawings of the proposed interventions have been submitted.

62