title: Mechanically consistent scaling of historical stone columns
Creators: name: Nguyen, Kim Le Chuyen
Publisher: name: kassel university press
Year: 2025
Subjects: subject: stone column
subject: seismic
subject: contact modelling
subject: macro element
subject: experiment
subject: Mechanically Consistent Scaling
subject: Steinsäule
subject: Seismik
subject: Kontaktmodellierung
subject: Makroelement
subject: Experiment
subject: mechanisch konsistente Skalierung
classificationCode: 624
subject: 624
classificationCode: Säule
subject: Säule
classificationCode: Stein
subject: Stein
classificationCode: Seismik
subject: Seismik
classificationCode: Strukturmechanik
subject: Strukturmechanik
classificationCode: Modellierung
subject: Modellierung
classificationCode: Mengenelement
subject: Mengenelement
classificationCode: Experiment
subject: Experiment
classificationCode: Finite-Elemente-Methode
subject: Finite-Elemente-Methode

description: Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2023
description: <p>A number of sites inscribed on the World Heritage list have sustained damage to their stone columns as a result of seismic events that have occurred over a period of thousands of years. Despite the acknowledged risk posed by seismic activity to such structures, there remains a paucity of scientific knowledge concerning the behaviour of stone block structures under seismic loading.
The present study focused on the rocking motion between two stone drums, besides the sliding and torsion motions. This mechanism is the primary driver of seismic behaviour in large multi-drum stone block columns, exemplified by those observed in the Neptune Temple. The contact mechanism was modelled at the local level using tribology. In order to develop a realistic global model for such structures, a connection was established between the local and global behaviour by applying Mechanically Consistent Scaling (MCS). Consequently, the global structural analysis incorporates local information, thereby facilitating the generation of more detailed results.
The local numerical model was developed using the finite element method with the Abaqus software. The model takes into account the non-linear characteristics of the local contact between the two stone drums, including behaviours such as stick-slip and overclosure-clearance. Subsequently, MCS furnished the constitutive relationship for a macro element that connects individual nodes situated at the centres of consecutive stone drums. The utilisation of only six degrees of freedom (DOF) at each drum enables the efficient modelling of complete columns, drum by drum, without the loss of information at the local or global scale. Local behaviour can be retrieved at any time-step during a time history analysis. To verify the developed local and macro models, a series of small-scale tests and hybrid simulations using a 1:3 scale model column of the Neptune Temple were conducted. The developed local model can now be applied with confidence for the seismic analysis of other Greek column structures that have survived through many earthquakes.</p>
description: <p>Eine Reihe von Stätten, die auf der Liste des Weltkulturerbes stehen, haben Schäden an ihren Steinsäulen erlitten, die auf seismische Ereignisse zurückzuführen sind, die sich über einen Zeitraum von Tausenden von Jahren ereignet haben. Trotz des anerkannten Risikos, das die seismische Aktivität für solche Strukturen darstellt, gibt es nur wenige wissenschaftliche Erkenntnisse über das Verhalten von Steinblockstrukturen unter seismischer Belastung.
Die vorliegende Studie konzentrierte sich auf die Schaukelbewegung zwischen zwei Steintrommeln, neben den Gleit- und Torsionsbewegungen. Dieser Mechanismus ist die Hauptursache für das seismische Verhalten von großen Steinblocksäulen mit mehreren Trommeln, wie sie beispielsweise im Neptun-Tempel beobachtet wurden. Der Kontaktmechanismus wurde auf lokaler Ebene mit Hilfe der Tribologie modelliert. Um ein realistisches globales Modell für solche Strukturen zu entwickeln, wurde eine Verbindung zwischen dem lokalen und dem globalen Verhalten hergestellt, indem eine mechanisch konsistente Skalierung (MCS) angewendet wurde. Die globale Strukturanalyse bezieht somit lokale Informationen mit ein und erleichtert so die Generierung detaillierterer Ergebnisse.
Das lokale numerische Modell wurde unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode mit der Software Abaqus entwickelt. Das Modell berücksichtigt die signifikanten nichtlinearen Eigenschaften des lokalen Kontakts zwischen den beiden Steintrommeln, einschließlich Verhalten wie Stick-Slip und Overclosure-Clearance. Anschließend lieferte MCS die konstitutive Beziehung für ein Makroelement, das einzelne Knoten in den Zentren aufeinanderfolgender Steintrommeln miteinander verbindet. Die Verwendung von nur sechs Freiheitsgraden (DOF) an jeder Trommel ermöglicht die effiziente Modellierung kompletter Säulen, Trommel für Trommel, ohne den Verlust von Informationen auf der lokalen oder globalen Strukturskala. Das lokale Verhalten kann in jedem Zeitschritt während einer Zeitverlaufsanalyse abgerufen werden. Um die entwickelten lokalen und Makromodelle zu verifizieren, wurden eine Reihe von kleinmaßstäblichen Tests und hybriden Simulationen mit einer Modellsäule des Neptun-Tempels im Maßstab 1:3 durchgeführt. Die entwickelten Modelle können nun mit Zuversicht für die seismische Analyse anderer griechischer Säulenstrukturen verwendet werden, die viele Erdbeben überstanden haben.</p>