title: Μελέτη της σεισμικής απόκρισης του περιμετρικού τείχους της Ακρόπολης και διερεύνηση μέτρων απομείωσης των δυναμικών ωθήσεων
title: Numerical study of the dynamic response and mitigation of seismic distress of the Circuit Wall at the Acropolis of Athens
Creators: name: Κατσιρακης Εμμανουηλ
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2021

description: Ο Λόφος της Ακρόπολης των Αθηνών αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους αρχαιολογικούς χώρους παγκοσμίως. Στον χώρο αυτόν βρίσκονται σπουδαία μνημεία παγκόσμιας κληρονομιάς, όπως ο Παρθενώνας, τα Προπύλαια, ο ναός της Αθηνάς Νίκης και το Ερέχθειο. Στα μνημεία περιλαμβάνεται και το Περιμετρικό Τείχος του Λόφου, το οποίο λειτουργεί ως κατασκευή αντιστήριξης των επιχωματώσεων του Λόφου. Η παλαιά πετρόκτιστη δομή του Τείχους χαρακτηρίζεται από πολυπλοκότητα, καθώς -πέρα από τη φθορά από φυσικούς και ανθρωπογενείς παράγοντες- έχει δεχτεί διάφορες επεμβάσεις. Με βάση τα ιστορικά στοιχεία, αλλά και πρόσφατες ενόργανες καταγραφές και μελέτες, προκύπτει ότι ένας κρίσιμος παράγοντας για την καταπόνηση και τη δομική του ακεραιότητα -με ότι αυτό συνεπάγεται για τα υπόλοιπα δομήματα της Ακρόπολης- είναι ο σεισμικός κίνδυνος.
Στο πλαίσιο της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας (Μ.Δ.Ε.) πραγματοποιήθηκε αρχικά μία αριθμητική μελέτη της σεισμικής απόκρισης του Περιμετρικού Τείχους της Ακρόπολης. Στη συνέχεια, έγινε διερεύνηση ενός αποτελεσματικού και ήπιου μέτρου απομείωσης των δυναμικών ωθήσεων. Για τη διασφάλιση της ορθότητας των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε μια σειρά από προκαταρκτικές δυναμικές αναλύσεις. Οι εν λόγω αναλύσεις αφορούσαν τη σεισμική απόκριση απλών οριζόντιων εδαφικών στρώσεων και τοίχων αντιστήριξης διαφορετικών διαστάσεων και δυσκαμψίας, με στόχο τη σταδιακή προσέγγιση του σύνθετου εξεταζόμενου προβλήματος. 
Για την αριθμητική διερεύνηση του προβλήματος του περιμετρικού τείχους της Ακρόπολης δημιουργήθηκε κατάλληλο προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων βασισμένο σε αρκετά ακριβείς αναπαραστάσεις της υφιστάμενης κατάστασης. Το προσομοίωμα που αναπτύχθηκε αφορά συγκεκριμένη θέση στο ψηλότερο τμήμα του νότιου τείχους. Η διερεύνηση αφορά τη δυσκαμψία του συστήματος τείχος-βραχώδες υπόβαθρο-επίχωση, την κατανομή αλλά και το μέγεθος των αναπτυσσόμενων των δυναμικών ωθήσεων. Στη συνέχεια, προστέθηκε στα προσομοιώματα γεωαφρός διογκωμένης πολυστερίνης (EPS) στη πίσω παρειά του τείχους, προκειμένου να διερευνηθεί η απομείωση των δυναμικών φορτίων. Η παραμετρική διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε αφορούσε το εφαρμοζόμενο μέσο πάχος του γεωαφρού EPS, καθώς και τις ιδιότητες του. Επιπροσθέτως, μελετήθηκε η επίδραση του γεωαφρού EPS, αν αυτός τοποθετηθεί στο ανώτερο τμήμα του τείχους ή στο κατώτερο τμήμα του. Για το σύνολο της μελέτης έγινε χρήση τόσο πραγματικών σεισμικών καταγραφών όσο και απλούστερων ταλαντώσεων (παλμοί τύπου Ricker).
     Η παρούσα εργασία αποτελείται από οκτώ κεφάλαια. Αρχικά, στο 1ο κεφάλαιο γίνεται εκτενής περιγραφή των διαφορετικών ειδών τοίχων αντιστήριξης, καθώς και των διαφορετικών μεθόδων υπολογισμού των στατικών και δυναμικών ωθήσεων σε αυτούς. Επιπλέον, περιγράφονται υπολογιστικές μέθοδοι με χρήση πεπερασμένων στοιχείων, ενώ γίνεται αναφορά και σε αντισεισμικούς κανονισμούς και οδηγίες για τους τοίχους αντιστήριξης. Στη συνέχεια, στο 2ο κεφάλαιο περιγράφονται οι μηχανικές ιδιότητες, οι κατηγορίες του γεωαφρού EPS και τα κριτήρια επιλογής του, ενώ γίνεται αναφορά στις διαφορετικές εφαρμογές του σε γεωτεχνικά έργα και τοίχους αντιστήριξης. Στο 3ο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο λόφος της Ακρόπολης και παρατίθενται ιστορικά στοιχεία για τα μνημεία του. Ακόμα, γίνεται ειδική αναφορά στα ιστορικά στοιχεία του περιμετρικού τείχους και στις επεμβάσεις που έχει δεχθεί. 
Στο 4ο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή των τεκτονικών και γεωλογικών χαρακτηριστικών του λόφου της Ακρόπολης. Αναφέρονται τα σημαντικότερα ρήγματα, καθώς και σημαντικές καταγραφές που επηρέασαν τα μνημεία του λόφου. Επίσης, γίνεται αναφορά στο δίκτυο επιταχυνσιογράφων του λόφου της Ακρόπολης, ενώ αναφέρονται και προγενέστερες μελέτες για τη στατική και δυναμική απόκριση του περιμετρικού τείχους. Ακολούθως, στο 5ο κεφάλαιο παρουσιάζονται το σύνολο των προκαταρκτικών αναλύσεων σε απλές εδαφικές στρώσεις που αντιστηρίζονται με διάφορους τοίχους αντιστήριξης.  Στο 6ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελέτη της σεισμικής απόκρισης του νοτίου περιμετρικού τείχους στην υφιστάμενη κατάσταση του, χωρίς τη χρήση γεωαφρού EPS. Στο 7ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η εκτενής παραμετρική διερεύνηση για την επίδραση του γεωαφρού EPS στην απομείωση των δυναμικών φορτίων επί του τείχους. Τέλος, στο 8ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα μελέτη, καθώς και προτάσεις για επέκταση της έρευνας επί του θέματος.

description: The Acropolis of Athens is one of the most prestigious monumental complexes in the word. On the hill of Acropolis great word heritage monuments are located, such as Parthenon, Propylaia, the temple of Athena Nike and the Erechteion. One important part of Acropolis is the perimetric circuit wall, which functions as a retaining structure for the side fills of the hill. The ancient masonry structure is characterized by complexity, due to the damage by natural hazards and man-made damages and various interventions. Based on historical data as well as recent instrumental recordings and studies, it appears that a critical factor for its structural integrity is strong seismic excitations.
In the context of this master's thesis, a detailed numerical study of the dynamic response of the highest part of the circuit wall has been performed. In addition, an effective and appropriate mitigation scheme for reducing dynamic pressures has been investigated. Initially, a series of preliminary numerical dynamic analyses have been performed to investigate various aspects of soil response and retaining walls dynamic response, focusing on the special characteristics of the examined case. These analyses included the dynamic response of a simple horizontal soil layer and retaining walls of different dimensions and stiffness with either a horizontal or an inclined bedrock, aiming to gradually build an accurate computational model of the complex Acropolis circuit wall.
For the numerical investigation of the actual problem, a realistic finite element model has been developed, based on quite accurate representation of the existing wall conditions at the specific location of the highest part of the south wall. The model included a simplified representation of the geometry and properties of the wall-bedrock-backfill material system that enabled a quite accurate calculation of the magnitude and the distribution of the developed dynamic pressures on the wall. To ensure the accuracy of the numerical results available acceleration time-histories from two recent earthquakes measured at the bottom and at the top of the examined part of the wall have been used.
Subsequently, a detailed investigation has been carried out focusing on the reduction of the seismic pressures imposed on the wall for real seismic records and simpler Ricker pulses. The mitigation of dynamic pressures has been achieved via the application of expanded polystyrene (EPS) geofoam behind the wall. A parametric study regarding the thickness and the mechanical properties of the EPS has been conducted. In addition, the impact of EPS height has been studied, i.e., whether it is placed at the upper part or at the lower part of the wall. For this study, have been used.
This thesis consists of eight chapters. Initially, Chapter 1 presents a detailed description of the different types of retaining walls as well as the different methods for calculating the imposed static and dynamic pressures. In addition, computational approached based on finite element method are described, while a brief overview of seismic norms and guidelines for retaining walls is also provided. Then, in Chapter 2, the mechanical properties, the categories of EPS geofoam and selection criteria are described. Various successful applications of EPS in geotechnical projects and retaining walls are given. In Chapter 3, the hill of the Athenian Acropolis and historical data for its monuments are presented. Moreover, special reference is made to the Circuit Wall and the main interventions that have been carried out in several periods.
Chapter 4 highlights the geological and tectonic characteristics of the Acropolis hill. The most important faults of the wider region are described together with the most important seismic events that have affected the monuments of the hill. The modern network of accelerometers on the Acropolis hill is briefly presented, while previous studies on the static and dynamic response of the circuit wall are reported. In the sequence, Chapter 5 provides all the preliminary dynamic analyses of various types of retaining walls. Chapter 6 presents the study of the dynamic response of the south circuit wall at its current state (i.e., without any mitigation measures). Chapter 7 includes the results of the extensive parametric study of the impact of EPS geofoam on the reduction of dynamic pressures on the wall. Finally, Chapter 8 summarizes the current study, as it provides the conclusions that have been derived, as well as suggestions for further extending the research on this very interesting and important topic.