Εφαρμογή καινοτόμων πειραματικών τεχνικών για τη μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς δομικών μελών αρχαίων μνημείων και αριθμητική προσομοίωση
Authors: Δακανάλη Ιωάννα 
Published: September 2021

H αποκατάσταση της μονολιθικότητας των δομικών μελών μαρμάρινων μνημείων είναι ένα πρόβλημα το οποίο απαιτεί τον συγκερασμό πολλών αντικρουόμενων απόψεων (αρχαιολόγων, αρχιτεκτόνων, πολιτικών μηχανικών, χημικών κ.α.). Το βασικό πρόβλημα είναι ότι στις περισσότερες περιπτώσεις τα μάρμαρα είναι έντονα κατακερματισμένα. Για να αποκατασταθεί η στατική επάρκεια και η δομική αρτιότητα των μνημείων προτάθηκε, πριν μερικές δεκαετίες, μία πρωτοποριακή μέθοδος από τους επιστήμονες οι οποίοι εργάζονταν στα αναστηλωτικά έργα της Ακρόπολης των Αθηνών. Σύμφωνα με αυτή την τεχνική τα μαρμάρινα θραύσματα συγκολλούνται με λευκό τσιμέντο Portland και ενισχύονται με κοχλιοτομημένες ράβδους τιτανίου (Korres et al., 1989). Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να εξετάσει κατά πόσο μπορούν τεχνικές μη καταστροφικού ελέγχου να παρακολουθήσουν τη συμπεριφορά των αποκαταστημένων μνημείων και να εντοπίσουν έγκαιρα σημεία που χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής. Κατά το σχεδιασμό των συνδέσεων για την αποκατάσταση της μονολιθικότητας των επιστυλίων βασικό μέλημα είναι να μην αστοχήσει ούτε το μάρμαρο αλλά ούτε και το τιτάνιο. Αν όμως υπάρξει αστοχία αυτή θα πρέπει ιδεατά να είναι η σχετική ολίσθηση της ράβδου ως προς το μάρμαρο (εξόλκευση οπλισμού). Υλοποιήθηκε σειρά πειραμάτων εξόλκευσης σε μαρμάρινους όγκους διαφορετικών διαστάσεων εφαρμόζοντας την τεχνική των Ακουστικών Εκπομπών και των ηλεκτρικών σημάτων (PSC). Τα αποτελέσματα των τεχνικών συσχετίστηκαν με τα αντίστοιχα των κλασικών μηχανικών τεχνικών ώστε να διαπιστωθεί αν είναι εφικτό να εντοπιστούν φαινόμενα από το εσωτερικό του δοκιμίου τα οποία οδηγούν στην αστοχία πολύ πριν αυτό γίνει μακροσκοπικά αντιληπτό. Έγιναν εναλλακτικοί σχεδιασμοί των πειραμάτων εξόλκευσης με στόχο να επιτευχθεί η εξάλειψη των παρασιτικών σημάτων που καταγράφουν οι τεχνικές και οφείλονται στις συνοριακές συνθήκες στήριξης του δοκιμίου αλλά και γενικότερα στην πειραματική διάταξη. Τα αποτελέσματα ήταν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά δίνοντας καθαρά σήματα για τη συμπεριφορά της σύνδεσης μαρμάρου - τσιμεντοκονίας - ράβδου τιτανίου αλλά και για το πότε επίκειται η έναρξη της εξόλκευσης της ράβδου. Δεδομένου όμως ότι οι παραπάνω δοκιμές αφορούν σύνθετα συμπλέγματα (κατασκευές όπου συνδυάζονται 3 διαφορετικά υλικά) είναι σαφέστατα πιο πολύπλοκο να διαχωριστούν και να ταυτοποιηθούν οι πηγές των σημάτων. Συνεπώς, κρίθηκε αναγκαίο οι βασικές τεχνικές μη καταστροφικού ελέγχου να εφαρμοστούν κατ’ αρχήν σε απλά τυποποιημένα δοκίμια από μεμονωμένα υλικά που χρησιμοποιούνται στην αποκατάσταση των μνημείων. Έγιναν πειράματα εφελκυσμού σε δύο κατηγορίες δοκιμίων μορφής «Double Edge Notched Τensile (DENT)» από μάρμαρο Διονύσου με συμμετρικές εγκοπές ως προς τον κατακόρυφο άξονα του δοκιμίου. Η θραύση του δοκιμίου καταγράφηκε με τη βοήθεια κάμερας με υψηλή ταχύτητα καταγραφής (high speed) ώστε να εντοπιστεί με βεβαιότητα από ποια εγκοπή ξεκίνησε η ρωγμή και πως αυτή διαδόθηκε. Η τεχνική συσχέτισης ψηφιακής εικόνας (Digital Image Correlation DIC) κατέγραψε τη συνολική μηχανική συμπεριφορά του δοκιμίου και συσχετίστηκε επιτυχώς με τις καταγραφές απλών μηχανικών τεχνικών (clip gauges). Τέλος οι τεχνικές των Ακουστικών εκπομπών (Acoustic Emission AE) και των ηλεκτρικών σημάτων (Pressure Stimulated Currents PSC) έδωσαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα πλήρως συσχετιζόμενα με τα αντίστοιχα των υπόλοιπων τεχνικών. Επίσης έγιναν δοκιμές κάμψης 3 σημείων σε δοκίμια από τσιμεντοκονία και κονίαμα σε αναλογίες ίδιες με εκείνες που χρησιμοποιούνται στα έργα αποκατάστασης των μνημείων της Ακρόπολης των Αθηνών. Εφαρμόστηκαν οι τεχνικές των Ακουστικών Εκπομπών AE αλλά και των ηλεκτρικών σημάτων PSC, από τις οποίες προέκυψαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα τόσο για το χαρακτηρισμό των σημάτων κατά τη διάρκεια των πειραμάτων όσον και για τον εντοπισμό πιθανών ενδείξεων ότι το υλικό ευρίσκεται κοντά στη αστοχία (όσον το δυνατόν ενωρίτερον σε σχέση με το χρονικό σημείο της τελικής θραύσης). Τέλος, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές μονοαξονικής θλίψης και κάμψης τριών σημείων σε δοκίμια από μαργαϊκό ασβεστόλιθο (Αλφάς) εφαρμόζοντας τις τεχνικές των ακουστικών και ηλεκτρικών σημάτων. Το πέτρωμα αλφάς εξορύσσεται σε λατομεία κοντά στο χωριό Αλφά της επαρχίας Μυλοποτάμου (Ρέθυμνο Κρήτης), είναι υπόλευκο και έχει χρησιμοποιηθεί στην δόμηση σειράς μνημειακών κατασκευών στην Κρήτη. Τα πειράματα έδωσαν ικανοποιητικά αποτελέσματα.Βασικός στόχος των παραπάνω πειραμάτων είναι η ταυτοποίηση των σημάτων και η συσχέτιση με τις πηγές από τις οποίες αυτά προέρχονται, σε δοκίμια απλά και ελεγχόμενα ώστε να μπορούν να εφαρμοστούν οι τεχνικές και να ερμηνευτούν τα αποτελέσματα τους σε πειράματα με πλέον σύνθετα και πλέον περίπλοκης γεωμετρίας δοκίμια. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε πείραμα κάμψης 10 σημείων σε προσομοίωμα ενός θραυσμένου επιστυλίου με κεκλιμένο επίπεδο ρήγματος. Για τη συγκόλληση των θραυσμάτων χρησιμοποιήθηκαν 6 ράβδοι τιτανίου και πάστα λευκού τσιμέντου σύμφωνα με την τεχνική που ακολουθείται στα έργα αναστήλωσης και αποκατάστασης των μνημείων της Ακρόπολης. Στο πείραμα εφαρμόστηκαν οι τεχνικές των Ακουστικών Εκπομπών, των ηλεκτρικών σημάτων PSC, της τεχνικής συσχέτισης ψηφιακής εικόνας (DIC) οι οποίες συνδυάστηκαν με απλές μηχανικές τεχνικές όπως η εφαρμογή απλών μηκυνσιομέτρων τύπου clip gauge και ηλεκτρικών μηκυνσιομέτρων τύπου LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Στη συνέχεια τα πειραματικά δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για τη βαθμονόμηση - αξιολόγηση αριθμητικού προσομοίωματος τόσον των δοκιμών της εξόλκευσης όσον και αυτών της κάμψης 10 σημείων του αποκαταστημένου επιστυλίου με κεκλιμένο ρήγμα, μέσω του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Βασικός στόχος είναι να δημιουργηθεί ένα αξιόπιστο αριθμητικό προσομοίωμα που θα έχει τη δυνατότητα να περιγράψει τη μηχανική συμπεριφορά τόσο των διεπιφανειών μεταξύ οπλισμών και μαρμάρου αλλά και τη συνολική μηχανική συμπεριφορά των συγκεκριμένων κατασκευών. Με τη βοήθεια των αριθμητικών προσομοιωμάτων έγινε παραμετρική ανάλυση δοκιμίων με διαφορετικές κλίσεις ρηγμάτων για να μελετηθεί η επιρροή της κλίσης στην μηχανική απόκριση του επιστυλίου.