2008-2010_9_Molida Olga by Pro.Syn.Apo

Μελέτη του παραδοσιακού αντισεισμικού δομικού συστήματος στη Λευκάδα

Study of the traditional seismic structural system of Lefkada

Διπλωματική εργασία Όλγα Μολίδα Πολιτικός Μηχανικός

Postgraduate thesis Olga Molida Civil Engineer

Επιβλέπουσα Ευθυμία Μητσοπούλου Καθηγήτρια, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών

Supervisors Euthymia Mitsopoulou Professor, School of Civil Engineering

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

01 Τυπική παραδοσιακή κατασκευή (Π. Τουλιάτος). Typical traditional structure (P. Touliatos). 02 Τυπική διάταξη φέροντος οργανισμού ορόφου. Typical load bearing structure of the 1st floor. 03 Προσομοίωμα με τετράριχτη στέγη. Model with hipped roof.

09 Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη του παραδοσιακού δομικού συστήματος της Λευκάδας, η κατανόηση της απόκρισής του υπό το συνδυασμό μόνιμων φορτίσεων και σεισμικών δράσεων, αλλά και της επίδρασης διαφόρων παραγόντων στην απόκριση αυτή και τέλος η προσπάθεια επαλήθευσης των βλαβών που παρατηρούνται στην πραγματικότητα. Στοιχεία για την κατασκευαστική δομή και τις συνήθεις παρατηρηθείσες βλάβες ελήφθησαν από βιβλιογραφικές πηγές και επιτόπια έρευνα, ενώ για τις ανάγκες των στόχων της εργασίας πραγματοποιήθηκαν εξίσου γραμμικές και μη γραμμικές αναλύσεις με τη χρήση του υπολογιστικού προγράμματος SAP. Για την επιβολή της σεισμικής δράσης χρησιμοποιήθηκαν τα επιταχυνσιογραφήματα του πιο πρόσφατου ισχυρού σεισμού της Λευκάδας (14/08/2003). Το παραδοσιακό δομικό σύστημα αφορά ένα μικτό σύστημα, το οποίο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στη Λευκάδα μετά τον πολύ καταστροφικό σεισμό του 1825 και το οποίο αποτελεί το χαρακτηριστικότερο και πιο αξιόλογο παράδειγμα της λευκαδίτικης αρχιτεκτονικής. Κατά την κατασκευή του, στο ισόγειο διαμορφώνεται ο κύριος φέρων οργανισμός από λιθοδομή, ενώ παράλληλα αναπτύσσεται και ένας δευτερεύων ξύλινος σκελετός στο εσωτερικό του. Στους υπερκείμενους ορόφους ο φέρων οργανισμός συνίσταται από ξύλινο σκελετό, ο οποίος πληρώνεται με ζώνες πλινθοπλήρωσης. Τέλος, ο φέρων οργανισμός της στέγης διαμορφώνεται επίσης με ξύλινο σκελετό διαφόρων τύπων. Η συνεργασία του κάθε επιπέδου της κατασκευής με τα γειτονικά του επιτυγχάνεται μέσω ενός πολύπλοκου συστήματος συνδέσεων και διατάξεων. Στοιχεία όπως η συμμετρικότητα των κατόψεων, η διαμόρφωση μικρών και λίγων ανοιγμάτων, η πλήρης καθ’ ύψος αντιστοιχία των τοιχοποιιών και των ανοιγμάτων, η διαμόρφωση επιμελημένης θεμελίωσης, η χρήση καλής ποιότητας υλικών και η εφαρμογή μιας ιδιαίτερης τεχνικής (καλά δομημένος σκελετός σε όλα 67

This is a study of the traditional structural system of Lefkada, focusing on its response to dead loads and seismic actions, the impact of various factors on its function and the verification of the main damages observed. Information on building structures and the typical damages observed was obtained both from bibliographical sources and the results of research in situ. The structural analysis software SAP was used to perform both linear and non-linear analyses (using accelerograms of the most recent strong earthquake of August 2003). The traditional structural system is the most representative and remarkable example of the architecture of Lefkada and consists of a dual load bearing system that emerged after the disastrous earthquake of 1825. Typical buildings (one- to maximum three-storey buildings) consist of a stone masonry ground floor plus one or two timber framed brick masonry storeys. Intermediate floors and roof are made of timber. Regarding the entire load bearing system, special care is given to the various connections. Characteristics such as the plan symmetry, small openings, the special care given to the foundation, the use of high quality materials and the specialized technique applied during the construction, show that this kind of structure was a result of continuous testing and experience obtained throughout the years. The greatest proof of the importance of the traditional local structural system is its good response to earthquakes of different magnitudes that have occurred during the time it has been in use. According to the main damages observed throughout the decades of its testing, modification and evolution, a typical structure suffers mainly from the cumulative effect of environmental factors combined with seismic actions, rather than individual seismic events. Initially a numerical model was developed, representing a traditional two-storey building, in order to evaluate

τα επίπεδα, επιμελημένες συνδέσεις) συναντώνται σε πολλές περιπτώσεις και καταδεικνύουν ότι κατασκευές αυτού του είδους προέκυψαν έπειτα από πολλούς πειραματισμούς, οι οποίοι και οδήγησαν σε καλή γνώση των παραγόντων που τις απειλούν και στους τρόπους αντιμετώπισής τους. Μεγαλύτερη απόδειξη της σπουδαιότητας του παραδοσιακού δομικού συστήματος αποτελεί αναντίρρητα η καλή του απόκριση έναντι των πολλών ισχυρών και μη σεισμών που εκδηλώθηκαν καθ’ όλη τη διάρκεια εφαρμογής του. Είναι βέβαιο ότι σε όλες αυτές τις δεκαετίες το δομικό σύστημα δοκιμάστηκε, τροποποιήθηκε και εξελίχθηκε, σε βαθμό που, όπως αποδεικνύουν οι συνήθεις παρατηρηθείσες βλάβες, δεν απειλείται τόσο από ένα σεισμικό γεγονός, όσο από τη σωρευτική δράση βιολογικών παραγόντων σε συνδυασμό με αυτή των σεισμικών καταπονήσεων. Για τη μελέτη της απόκρισης του δομικού αυτού συστήματος αρχικά πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση μιας τυπικής διώροφης κατασκευής, από όπου και προέκυψαν τα βασικά ιδιομορφικά χαρακτηριστικά ενός παραδείγματος αυτής της κατηγορίας. Από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά είναι ότι τα επίπεδα του ισογείου και του ορόφου χαρακτηρίζονται από πολύ διαφορετική δυναμική συμπεριφορά, δεδομένης της μεγάλης συγκέντρωσης της μάζας στο επίπεδο του ισογείου και της διαμόρφωσης δύο τελείως διαφορετικών φερόντων οργανισμών στα δύο επίπεδα και ως εκ τούτου, δεν υπάρχει κίνδυνος ανάπτυξης του

the basic dynamic characteristics of a typical structure. The two storeys have a quite different dynamic behavior (the ground floor was found to be very stiff compared to the upper floor). In addition, the periods that seem to affect the very stiff ground floor are so low that the likelihood of an earthquake having frequency content similar to the predominant natural period of the building is very small. Linear time history analyses were performed for five new models in order to assess the impact of certain factors, such as the roof type, the presence of a layer of wooden planks applied at the top of the first floor and the morphology of the wooden frame of the first floor. It was concluded that structures with a well organized roof frame and those with a layer of wooden planks respond far better compared to those that lack these characteristics. The results of the linear analyses showed that very high stress is developed at the load bearing system of the first floor (results that cannot be interpreted by the main damages observed); hence a non-linear analysis was performed as well. The latter showed that in reality the stresses at the brick masonry of the first floor are high only in some specific regions and that the timber frame also plays a significant role. In other words when tensile stresses are about to be developed at the interface between the timber frame and the brick masonry, cracks appear on that interface and the timber frame plays the main role. 68

ΌΛΓΑ ΜΟΛΊΔΑ - ΜΕΛΈΤΗ ΤΟΥ ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΟΎ ΑΝΤΙΣΕΙΣΜΙΚΟΎ ΔΟΜΙΚΟΎ ΣΥΣΤΉΜΑΤΟΣ ΣΤΗ ΛΕΥΚΆΔΑ OLGA MOLIDA - STUDY OF THE TRADITIONAL SEISMIC STRUCTURAL SYSTEM OF LEFKADA

φαινομένου του συντονισμού μεταξύ τους. Επιπλέον, οι περίοδοι οι οποίες φαίνεται να επηρεάζουν το πολύ δύσκαμπτο επίπεδο του ισογείου είναι τόσο χαμηλές που η πιθανότητα να εκδηλωθεί ένας σεισμός ο οποίος να το επηρεάζει είναι πάρα πολύ μικρή. Βάσει του αρχικού προσομοιώματος, στη συνέχεια περιγράφηκαν πέντε νέα προσομοιώματα και πραγματοποιήθηκαν γραμμικές αναλύσεις χρονοϊστορίας για κάθε σεισμική συνιστώσα χωριστά, με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικών με την επίδραση που έχουν στην απόκριση της κατασκευής ο τύπος της στέγης (προσομοιώματα με δίριχτη, τρίριχτη, τετράριχτη στέγη και διάφραγμα στο επίπεδο της οροφής του ορόφου), η διάταξη του ξύλινου σκελετού του ορόφου (προσομοιώματα με πυκνό και αραιό ξύλινο σκελετό) και η εφαρμογή του σανιδώματος στην οροφή του ορόφου (προσομοιώματα με και χωρίς σανιδώμα). Με κριτήριο τα δυναμικά χαρακτηριστικά, τις αναπτυσσόμενες μετακινήσεις και τάσεις, προέκυψε ότι η σύνθεση της στέγης και η εφαρμογή σανιδώματος επηρεάζει σημαντικά την απόκριση της κατασκευής και πιο συγκεκριμένα ότι οι κατασκευές που φέρουν πιο οργανωμένο και σύνθετο σκελετό (κατασκευές με τρίριχτη και τετράριχτη στέγη) και αυτές στις οποίες έχει εφαρμοστεί σανίδωμα στην οροφή του ορόφου έχουν σαφώς καλύτερη απόκριση (μικρότερες μετακινήσεις και περιορισμένες τόσο ορθές όσο και διατμητικές τάσεις) σε σχέση με άλλες λιγότερο επιμελημένες (κατασκευές που φέρουν δίριχτη στέγη και κατασκευές στις οποίες δεν έχει εφαρμοστεί στρώση σανιδώματος). Αντιθέτως, κατά τη σύγκριση των προσομοιωμάτων με αραιή και πυκνή διάταξη στον ξύλινο σκελετό δεν προέκυψαν μεγάλες διαφοροποιήσεις (τα αποτελέσματα που αφορούσαν το προσομοιώμα με την πυκνή και καλά οργανωμένη διάταξη ήταν ελαφρώς ευνοϊκότερα από αυτά του προσομοιώματος με αραιή διάταξη). Δεδομένου ότι από τις γραμμικές αναλύσεις φαινόταν να αναπτύσσεται πολύ μεγάλη ένταση στο επίπεδο του ορόφου, κρίθηκε σκόπιμο να πραγματοποιηθεί και μη γραμμική ανάλυση (σύγκριση μεταξύ δύο νέων προσομοιωμάτων με αμφίπλευρη και μονόπλευρη σύνδεση μεταξύ του ξύλινου σκελετού και των ζωνών πλινθοπλήρωσης). Από τα αποτελέσματα της τελευταίας προέκυψε ότι στην πραγματικότητα η αναπτυσσόμενη ένταση στο σώμα της τοιχοπλήρωσης είναι κατά πολύ περιορισμένη και εντοπίζεται σε συγκεκριμένες περιοχές, ενώ παράλληλα στην παραλαβή των σεισμικών δράσεων συνεισφέρει έντονα ο περιβάλλων ξύλινος σκελετός. Όταν δηλαδή η επαφή μεταξύ του ξύλινου σκελετού και της τοιχοπλήρωσης αποδυναμώνεται (ανάπτυξη εφελκυστικών τάσεων) πραγματοποιείται ανακατανομή της έντασης με αποφόρτιση των ζωνών τοιχοπλήρωσης και επιβάρυνση του ξύλινου σκελετού, γεγονός που επαληθεύεται και από τις συνήθεις παρατηρηθείσες βλάβες (αποκολλήσεις των ζωνών πλινθοπλήρωσης από τον περιβάλλοντα σκελετό και όχι σοβαρές βλάβες στο σώμα της τοιχοποιίας). Κατά την εκτέλεση γραμμικών αναλύσεων για την ταυτόχρονη εφαρμογή των τριών συνιστωσών του

σεισμού του 2003 και με δεδομένη την ανακατανομή της έντασης στο επίπεδο του ορόφου προέκυψε ότι η αναπτυσσόμενη ένταση στο σύνολο της κατασκευής είναι σε γενικές γραμμές η αναμενόμενη με βάση τις συνήθεις παρατηρηθείσες βλάβες. Πιο συγκεκριμένα, οι αναπτυσσόμενες μετακινήσεις είναι σε γενικές γραμμές περιορισμένες, ενώ με βάση τις αναπτυσσόμενες τάσεις αναμένονται βλάβες στις συνήθεις χαρακτηριστικές περιοχές (κατακόρυφα ρήγματα στις γωνίες του κτιρίου, διατμητικά ανάμεσα στα ανοίγματα και διαγώνια στις γωνίες των ανοιγμάτων), χωρίς όμως η τάξη μεγέθους της έντασης να συνεπάγεται πολύ σοβαρές βλάβες. Όσον αφορά στις αναπτυσσόμενες αξονικές δυνάμεις (για τον ξύλινο σκελετό της όλης κατασκευής) στο σύνολο των αναλύσεων υπολείπεται κατά πολύ της μέγιστης έντασης που μπορεί να παραληφθεί, με αποτέλεσμα τα επιμέρους ξύλινα στοιχεία να μην παρουσιάζουν σε καμία περίπτωση βλάβες. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μία ακραία υποθετική εκδοχή (νέο προσομοίωμα) με σκοπό τη διερεύνηση της απόκρισης του δευτερεύοντος φέροντος οργανισμού του ισογείου κατά την οποία καθαιρέθηκε ολόκληρη η φέρουσα τοιχοποιία του ισογείου. Από τις σχετικές αναλύσεις προέκυψε ότι η περίπτωση αυτή αφορά σε μία κατασκευή με τελείως διαφορετικά δυναμικά χαρακτηριστικά (εξαιρετικά εύκαμπτη) με αποτέλεσμα να δέχεται πολύ χαμηλές σεισμικές δράσεις. Και σε αυτήν την περίπτωση (ακόμη και με την πρόσθετη επίδραση των φαινομένων 2ας τάξεως), οι αξονικές δυνάμεις είναι χαμηλότερες από τις μέγιστες που μπορούν να παραληφθούν με αποτέλεσμα να μην τίθεται σε καμία περίπτωση κίνδυνος ευστάθειας της κατασκευής. Δεδομένου ότι όταν δεν προηγείται παθολογία από τη σωρευτική δράση βιολογικών παραγόντων και σεισμικών καταπονήσεων, οι συνήθεις παρατηρηθείσες βλάβες εντοπίζονται τοπικά και σε περιορισμένη έκταση. Τον πιο κρίσιμο ρόλο στις παραδοσιακές κατασκευές αυτού του είδους παίζει η συχνή και επιμελημένη συντήρηση. Όπως σε όλες τις περιπτώσεις αποκατάστασης, έτσι και εδώ, πρέπει να επεμβαίνουμε με γνώμονα ότι κάθε κατασκευή αποτελεί ένα μοναδικό παράδειγμα που χρήζει ιδιαίτερης αντιμετώπισης.

04-05 Σύγκριση μεταξύ προσομοιωμάτων με δίριχτη και τετράριχτη στέγη ως προς τις μέγιστες διατμητικές - εφελκυστικές τάσεις. Models with dual pitch and hipped roof - Max tensile shearing stresses.

The results of the linear analyses that were performed for the three earthquake components and with regard to the redistribution of the stress at the first floor, showed that the developed stresses and displacements at the entire structure would provoke failures similar to the expected ones (vertical cracks at the wall corners, X-shaped shear cracking between the openings and diagonal cracks at the openings’ corners). As far as the maximum calculated axial forces of the timber frame of the entire structure are concerned, these were smaller than what the timber elements can resist. In order to study the response of the secondary load bearing system of a typical structure, a new model was developed, which lacked the entire masonry wall of the ground floor. It was concluded that this entirely theoretic case study features a structure with totally

different dynamic characteristics (extremely flexible, with very high natural period) and thus it receives very low seismic actions. Nevertheless, the entire timber frame does not suffer from damages even under these extreme conditions. Given that in the absence of any previous cumulative effects of environmental factors and seismic actions the observed damages are of limited extent, frequent and careful conservation plays the most significant role in this type of structure. As is the case with any other restoration, we must intervene bearing in mind that every structure is unique and requires special consideration.

Max dy=1,80 cm

Max dy=10,20 cm

06-07 Σύγκριση μεταξύ προσομοιωμάτων με και χωρίς στρώση σανιδώματος ως προς τις μέγιστες μετακινήσεις. Models with and without the application of a timber layer – Max displacements. 08-09 Σύγκριση για εφαρμογή γραμμικής και μη γραμμικής ανάλυσης – Μέγιστες διατμητικές τάσεις. Application of linear and non-linear analyses – Max shearing stresses. 10 Προσομοίωμα στο οποίο έχει αφαιρεθεί η φέρουσα τοιχοποιία του ισογείου – 1η ιδιομορφή (Τ=2,08sec). Model that lacks the entire masonry wall of the ground floor – 1st mode (period T=2,08sec).

10 70