Διερεύνηση του τασικού και παραμορφωσιακού πεδίου κατά τη σύνδεση φυσικών δομικών λίθων για την αναστήλωση αρχαίων μνημείων

Abstract

Several issues need to be addressed during the restoration work of ancient monuments. One such issue concerns the compatible of stones, since in every case, the new stones should be compatible with the original stones with respect to mechanical and physical properties, form and texture, etc. Another concerns the properties of some of the mortar used as filling material, when joining stone pieces. This work is divided in three parts.The first part of this thesis examines the possibility of performing non destructive testing (NDT) for the characterization of modern and ancient materials. The materials tested were two limestones from the area of Chania, Crete island, used as modern building materials. Initially, an attempt was made to characterize both materials using NDT, particularly with the method of ultrasonic waves (UPV). Then, an attempt was made to correlate NDT results with results from destructive tests. This was successfully completed for modern material but it was not completed for ancient materials due to lack of access to such materials. In the second part a series of laboratory experiments was perform to mechanically characterize mortars used as filling material when joining stones using metal connectors. Uniaxial and triaxial testing was performed for 100mm high and 50mm diameter cylinders of pozzolanic (non-cementitious) mortars. In the process, the experience of successful casting and testing of specimens of such dimensions are given. The third part examines numerically the mechanical behavior of the materials used to restore the corner architraves of the Parthenon Temple of the Acropolis of Athens. Corner architraves are joined at a 45 degree angle using titanium “I” shaped connectors. The connectors are placed in special slots and the void is filled with mortar. Numerical models were developed to simulate two prismatic blocks of Dionysos marble, an "I" shaped titanium connector and mortar material laid between the marble and the titanium connector. Contact elements were applied between the three resulting interfaces (titanium - mortar, mortar - marble and marble - marble), while the interface was modeled using contact elements. Modeling was performed in three dimensions, using displacement control as the in-plane loading mechanism. Different constitutive material models have been applied to the three materials (i.e. elastic, elastic-perfectly-plastic and experimental comprising of linear segments). Moreover, different mortar characteristics as well as the coupling of two different marble pieces have been examined. Results of numerical analysis show the effect of the location of the “I” shaped titanium joint, the effect of the different constitutive material models as well as representative stresses and strains for all the materials. Also, they show the effect of the new mortar and the effect of the two different marble pieces in the stress - strain field of all three materials.

Πολλά ζητήματα πρέπει να αντιμετωπιστούν κατά τη διάρκεια των εργασιών αναστήλωσης των αρχαίων μνημείων. Ένα τέτοιο πρόβλημα αφορά τη συμβατότητα των λίθων, αφού σε κάθε περίπτωση οι νέοι λίθοι πρέπει να είναι συμβατοί με τους υφιστάμενους αναφορικά με τις μηχανικές και φυσικές ιδιότητες, τη μορφή και την υφή κλπ. Ένα άλλο πρόβλημα αφορά τις ιδιότητες ορισμένων κονιαμάτων που χρησιμοποιούνται σαν υλικό πλήρωσης όταν ενώνονται ορισμένα ογκοτεμάχια. Αυτή η εργασία χωρίζεται σε τρία μέρη.Το πρώτο μέρος της παρούσας εργασίας εξετάζει την δυνατότητα πραγματοποίησης μη καταστρεπτικών δοκιμών (ΜΚΔ) για το χαρακτηρισμό αρχαίων και νέων υλικών. Τα εξεταζόμενα υλικά ήταν δύο ασβεστόλιθοι από την περιοχή των Χανίων της Νήσου Κρήτης, τα οποία χρησιμοποιούνται ως σύγχρονα δομικά υλικά. Αρχικά έγινε μια προσπάθεια χαρακτηρισμού τους με χρήση μη καταστρεπτικών δοκιμών (ΜΚΔ) και ειδικότερα με τη μέθοδο των υπερήχων (UPV). Στη συνέχεια έγινε μια προσπάθεια να συσχετιστούν τα αποτελέσματα των ΜΚΔ με αυτά των καταστροφικών δοκιμών. Αυτό ολοκληρώθηκε με επιτυχία για το σύγχρονο υλικό αλλά δεν κατέστη δυνατό να ολοκληρωθεί για τα αρχαία υλικά εξαιτίας της έλλειψης πρόσβασης σε αυτά.Στο δεύτερο μέρος πραγματοποιήθηκε μία σειρά από πειράματα με σκοπό το μηχανικό χαρακτηρισμό των κονιαμάτων που χρησιμοποιούνται ως υλικό πλήρωσης όταν ενώνονται λίθοι χρησιμοποιώντας μεταλλικούς συνδέσμους. Δοκιμές μονοαξονικής και τριαξονικής θλίψης πραγματοποιήθηκαν σε δοκίμια ποζολανικού ασβεστοκονιάματος κονιάματος (χωρίς τσιμέντο) ύψους 100 mm και διαμέτρου 50 mm. Κατά τη διαδικασία αυτή δίνονται η εμπειρία της επιτυχημένης χύτευσης και των τριαξονικών δοκιμών δοκιμίων των παραπάνω διαστάσεων.Το τρίτο μέρος εξετάζει αριθμητικά τη μηχανική συμπεριφορά των υλικών που χρησιμοποιούνται κατά τη γωνιακή συναρμογή των επιστηλίων του Παρθενώνα της Ακρόπολης των Αθηνών. Τα γωνιακά επιστήλια ενώνονται υπό γωνία 45ο χρησιμοποιώντας σύνδεσμο τιτανίου σχήματος “I”. Οι σύνδεσμοι τοποθετούνται σε ειδικές εγκοπές και το κενό πληρώνεται με κονίαμα. Αναπτύχθηκαν αριθμητικά μοντέλα για την προσομοίωση δύο πρισματικών όγκων μαρμάρου Διονύσου, έναν σύνδεσμο τιτανίου σχήματος “I” και κονίαμα ανάμεσα στο μάρμαρο και το σύνδεσμο τιτανίου. Εφαρμόστηκαν στοιχεία επαφής ανάμεσα στις τρεις διεπιφάνειες που προέκυψαν (τιτάνιο - κονίαμα, κονίαμα - μάρμαρο και μάρμαρο - μάρμαρο), ενώ η διεπιφάνεια μοντελοποιήθηκε με χρήση στοιχείων επαφής. Η μοντελοποίηση πραγματοποιήθηκε σε τρεις διαστάσεις χρησιμοποιώντας έλεγχο μετατόπισης ως μηχανισμό φόρτισης του εντός του οριζόντιου επιπέδου. Διαφορετικά καταστατικά μοντέλα υλικού έχουν εφαρμοστεί για τα τρία υλικά (δηλαδή ελαστικό, τέλεια ελαστοπλαστικό και πειραματικά κατά τμήματα κρατυνόμενο). Επιπλέον, έχουν εξεταστεί διαφορετικά χαρακτηριστικά κονιαμάτων καθώς και η ένωση/σύζευξη δύο διαφορετικών μαρμάρινων ογκοτεμαχίων. Τα αποτελέσματα της αριθμητικής ανάλυσης παρουσιάζουν την επίδραση της τοποθέτησης του συνδέσμου τιτανίου σχήματος “I”, την επίδραση των διαφορετικών καταστατικών μοντέλων υλικού, καθώς και τις αντιπροσωπευτικές τάσεις και παραμορφώσεις όλων των υλικών. Επίσης, δείχνουν την επίδραση του νέου υλικού και την επίδραση των δύο διαφορετικών μαρμάρινων ογκοτεμαχίων στο τασικό και παραμορφωσιακό πεδίο και των τριών υλικών.