Eπί-τόπου προσδιορισμός της αντοχής δομικών λίθων σε ιστορικά δομήματα, με την μέθοδο της μικρο-διάτρησης

Transcript

1 Eπί-τόπου προσδιορισμός της αντοχής δομικών λίθων σε ιστορικά δομήματα, με την μέθοδο της μικρο-διάτρησης Γεώργιος Ε. Εξαδάκτυλος Καθηγητής, Εργαστήριο Σχεδιασμού Εκμεταλλεύσεων, Τμήμα Μηχανικών Ορυκτών Πόρων, Πολυτεχνείο Κρήτης. Μαρία Χ. Σταυροπούλου Λέκτορας Τομέας Δυναμικής Τεκτονικής & Εφαρμοσμένης Γεωλογίας, Τμήμα Γεωλογίας Πανεπιστημίου Αθηνών. Χρίστος Θ. Παπαδόπουλος Πολιτικός Μηχανικός, ΔΟΜΟΣ Τεχνικές Μελέτες Σύμβουλοι Μηχανικοί. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εφαρμογή της μικρο-διάτρησης, για τον επιτόπου προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων σε γεωυλικά (λίθοι, κονιοδέματα κ.λ.π.), χαρακτηρίζεται ως οιονεί μη-καταστροφική, μέθοδος [Exadaktylos et al. (2a, 2b)]. Το βάθος και η διάμετρος των διατρημάτων κυμαίνεται από 1 έως 5 cm και από 3 έως 9 mm αντίστοιχα. Η μέθοδος επιφέρει (λόγω της όρυξης του μικρο-διατρήματος) ασήμαντη τοπική καταστροφή του υλικού, εύκολα αποκαταστάσιμη. Επιπροσθέτως, η εν λόγω μέθοδος είναι εύκολη στην εφαρμογή της και δίνει αξιόπιστα αποτελέσματα της αντοχής σε μονοαξονική θλίψη και της γωνίας εσωτερικής τριβής των γεωϋλικών (κονιάματα, λίθοι, σκυρόδεμα). Συγγενής προς την μέθοδο της περιστροφικής μικρο-διάτρησης, είναι η μέθοδος της άμεσης διείσδυσης με χρήση τυποποιημένου διεισδυτή κωνικού άκρου [Szwedzicky (1992)]. Με την μέθοδος της άμεσης διείσδυσης προσδιορίζεται ο δείκτης σκληρότητας (Indentation Hardness Index, IHI), η τιμή του οποίου συσχετίζεται με τη αντοχή του υλικού σε ανεμπόδιστη θλίψη (UCS). Η συσχέτιση των UCS και IHI, αφενός χαρακτηρίζεται ως αμφιλεγόμενη (καθότι η τιμή UCS έχει μονάδες δύναμης ανά επιφάνεια, ενώ ο δείκτης IHI έχει μονάδες δύναμης ανά βάθος διείσδυσης) και αφετέρου εμφανίζει σημαντική διασπορά (χαμηλό συντελεστή συσχέτισης). Λοιπές γνωστές μη-καταστροφικές τεχνικές σκληρομέτρησης, όπως είναι η Vickers (πυραμιδοειδής με τέσσερις έδρες, four-sided pyramidal indentor), Brinell (σφαιρικός διεισδυτής, spherical indentor), Berkovich (πυραμιδοειδής με τρείς έδρες, three-sided pyramidal indentor) και Rockwell-C (κυκλικός διεισδυτής, circular indentor) κρίνονται δόκιμες κυρίως για μονοκρυσταλλικά υλικά και λιγότερο για ετερογενή υλικά που χαρακτηρίζονται από πολυκρυσταλλική δομή και πολύπλοκο ιστό (π.χ. γεωυλικά). Επιπροσθέτως, οι δοκιμές σκληρομέτρησης δίνουν δεδομένα που αφορούν μόνο την επιφάνεια και όχι το βάθος του εξεταζόμενου υλικού. Μη-καταστροφικές μέθοδοι - με ικανότητα διασκόπισης του υλικού σε βάθος - που βασίζονται στην αρχή των υπερήχων ή των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (radar techniques) δίνουν συχνά μη επαναλήψιμα και μη ακριβή αποτελέσματα, λόγω της εγγενούς ευαισθησίας τους έναντι πολλών παραμέτρων (υλικό επαφής, υγρασία, πίεση επαφής, τραχύτητα επιφάνειας κ.λ.π.). 2 ΑΡΧΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ Η μέθοδος συνίσταται στη συνεχή και ακριβή μέτρηση της δύναμης διείσδυσης (Weight-on-bit, WOB) και της ροπής περιστροφής (Torque), συναρτήσει του βάθους διείσδυσης του κοπτικού άκρου. Η πειραματική διάταξη της μεταφερόμενης (portable) συσκευής μικρο-διάτρησης [Exadaktylos et al. (2a, 2b)] απεικονίζεται στις Εικόνες 1 και 2. Κατά την διάρκεια των δοκιμών η ταχύτητα διατρήσεως v [mm/min] και περιστροφής ω [rpm], διατηρούνται σταθερές. Η συσκευή δίνει σε πραγματικό χρόνο (real time) εξέλιξης της δοκιμής, υπό μορφή διαγραμμάτων, την διαδρομή της δύναμης διείσδυσης και ροπής περιστροφής, συναρτήσει του βάθους διάτρησης (Σχήμα 1).

2 WOB [N] Torque [Nmm] Εικόνα 1. Mεταφερόμενη συσκευή μικρο-διάτρησης Εικόνα 2. Κεφαλή συσκευής 6 Wall: A12_F Smoothing Depth [mm] Wall: A12_F11 Smoothing Depth [mm] Σχήμα 1. Παράδειγμα καταγραφής και εξομάλυνσης της δύναμης διείσδυσης (WOB) και της ροπής περιστροφής συναρτήσει του βάθους κοπής κατά την διάρκεια δοκιμής σε κόκκινο ασβεστόλιθο. 3 ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΛΟΓΙΚΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΑΤΟΣ ΜΙΚΡΟ-ΔΙΑΤΡΗΣΗΣ Τα αποτελέσματα, κατόπιν επεξεργασίας, εισάγονται σε κατάλληλο φαινομενολογικό προσομοίωμα (μοντέλο) μικρο-διάτρησης πετρωμάτων [Exadaktylos et al. (2a, 2b], μέσω του οποίου προσδιορίζονται η αντοχή σε ανεμπόδιστη θλίψη (UCS) και η γωνία εσωτερικής τριβής (φ) των λίθων. Το μοντέλο αυτό βασίζεται: (1) Στη θεωρία αντοχής των υλικών και ειδικώτερα στο κριτήριο αστοχίας των Coulomb-Mohr, το οποίο γραφικά αποδίδεται στο Σχήμα 2. +τ F 1 φ B 4 B 3 2 E 1 B B 1 +σ E 2 F 2 Σχήμα 2. Κριτήριο αστοχίας Coulomb-Mohr για γεωϋλικά με συνοχή και τριβή.

3 (2) Στην κινηματική και στατική ανάλυση του μηχανισμού κοπής ψαθυρών γεωϋλικών με συρτικά κοπτικά άκρα (drag bits) με οξεία αιχμή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, ή πεπλατυσμένη αιχμή λόγω αρχικής σχεδίασης της ή λόγω φθοράς. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν οι σχεδιαστικές λεπτομέρειες του μονόκοπου κοπτικού άκρου εκ συνθετικού διαμαντιού της DIABER. Σχήμα 3. Κοπή πετρώματος με «συρτικό κοπτικό άκρο» που κινείται με ταχύτητα v σε βάθος δ κάτω από την επιφάνεια του πετρώματος και ανάλυση των δυνάμεων επαφής. Ο κινηματικός μηχανισμός που μελετήθηκε στην παρούσα εργασία βασίζεται στον σχηματισμό διατμητικής ρωγμής μορφής λογαριθμικής σπείρας κατά τις λεπτομέρειες του Σχήματος 4. Σχήμα 4. Μηχανισμός θρυμματισμού του πετρώματος με ρωγμή μορφής λογαριθμικής σπείρας. (3) Στην παραδοχή ότι τα πετρώματα συμπεριφέρονται ως ελαστικά τέλεια πλαστικά υλικά (δηλαδή οι παράμετροι αντοχής του δεν εξαρτώνται από τις συσσωρευμένες πλαστικές παραμορφώσεις). (4) Στην παραδοχή ότι οι ελαστικές ιδιότητες έχουν πολύ μικρότερη επίδραση στην αντίσταση των πετρωμάτων κατά την κοπή σχετικά με τις ιδιότητες αντοχής του, ήτοι τη γωνία εσωτερικής τριβής και την συνοχή των. Η παραδοχή αυτή βρέθηκε ότι ισχύει με βάση ανάλυση ευαισθησίας κατάλληλων αριθμητικών προσομοιωμάτων με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. (5) Στις εξισώσεις που περιγράφουν την διαδρομή του κοπτικού άκρου κατά την περιστροφική διείσδυση εντός του διατρήματος με βάση την Διαφορική Γεωμετρία. Οι εξισώσεις που προέκυψαν αποδίδουν αναλυτικά την σχέση των δυνάμεων επαφής κατά την κοπή (ήτοι την οριζόντια ή συρτική και την κατακόρυφη δύναμη με τις ιδιότητες συνοχής και γωνίας εσωτερικής τριβής του πετρώματος) προγραμματίσθηκαν σε φύλλο Excel με σκοπό της ανάδρομη εύρεση των τελευταίων ιδιοτήτων από την καταγραφή των δυνάμεων κοπής που προέκυψαν από πειράματα περιστροφικής διάτρησης στο ίδιο πέτρωμα σε διαφορετικά βάθη κοπής.

4 Με σκοπό την δημιουργία εκτενούς βάσης δεδομένων για την επαλήθευση της ακρίβειας της μεθόδου και τον έλεγχο της αξιοπιστίας του φαινομενολογικού προσομοιώματος, εκτελέσθηκαν στο Πολυτεχνείο Κρήτης δοκιμές τριαξονικής φόρτισης σε φυσικούς δομικούς λίθους. Οι συγκρίσεις που διενεργήθηκαν κατέδειξαν άριστη συμφωνία των αποτελεσμάτων της μεθόδου, με τα αντίστοιχα των τριαξονικών εργαστηριακών δοκιμών (Σχήμα 5). (α) Σχήμα 5. Συγκριτική ανάλυση των αποτελεσμάτων μικροδιάτρησης και των τυποποιημένων τριαξονικών δοκιμών (α) σύγκριση με την αντοχή σε μονοαξονική θλίψη και (β) με τη γωνία εσωτερικής τριβής. (β) 4 ΕΠΙ-ΤΟΠΟΥ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΣΕ ΔΟΜΙΚΟΥΣ ΛΙΘΟΥΣ ΔΙΑΤΗΡΗΤΕΩΝ ΔΟΜΗΜΑΤΩΝ Η νέα αυτή μέθοδος εφαρμόστηκε επι-τόπου σε δομικούς λίθους διατηρητέων δομημάτων με σκοπό τον μηχανικό χαρακτηρισμό των δομικών λίθων και των κονιαμάτων δεδομένης της ετερογένειας των γεωϋλικών που χρησιμοποιήθησαν στις κατασκευές αυτές. Συγκεκριμένα η μέθοδος εφαρμόστηκε: Σε δομικούς λίθους του κτιρίου ΣΠΑΠ (διώροφο διατηρητέο κτίσμα εκ λιθοδομής) στην Αρχαία Ολυμπία (Εκόνα 3). Το κτίριο ΣΠΑΠ είναι διώροφο διατηρητέο κτίσμα εκ λιθοδομής το οποίο αποκαταστάθηκε με χρηματοδότηση του Υπουργείου Πολιτισμού (Διεύθυνση Αναστύλωσης Μουσείων και Τεχνικών Εργων). Σε δομικούς λίθους του 46 ου Λυκείου Αθηνών επί της οδού Ασκληπιού. Το 46 ο Λύκειο Αθηνών είναι τριώροφο διατηρητέο κτίσμα εκ λιθοδομής το οποίο αποκαταστάθηκε με χρηματοδότηση του Οργανισμού Σχολικών Κτιρίων. Σε δομικούς λίθους του 1 ου Δημοτικού Σχολείου Αχαρνών. Το 1 ο Δημοτικό Σχολείο Αχαρνών είναι μονώροφο διατηρητέο κτίσμα εκ λιθοδομής το οποίο αποκαταστάθηκε με χρηματοδότηση του Οργανισμού Σχολικών Κτιρίων. Εικόνα 3. Επι-τόπου εφαρμογή της μεθόδου σε δομικούς λίθους του κτιρίου ΣΠΑΠ στην Αρχαία Ολυμπία.

5 WOB [N] WOB [N] Τυπικά αποτελέσματα εφαρμογής της μη-καταστροφικής μεθόδου μικροδιάτρησης φαινόνται στο Σχήμα 6 και στον Πίνακα 1. Soft white limestone (A3 tests) Theory Penetration depth per revolution [mm] (α) Hard black limestone (A12 tests) Theory Penetration depth per revolution [mm] (β) Σχήμα 6. Ανάδρομη ανάλυση των δοκιμών μικροδιάτρησης για την εκτίμηση της αντοχής σε ανεμπόδιστη θλίψη και της γωνίας εσωτερικής τριβής σε δύο θέσεις του 1 ου Δημοτικού Σχολείου Αχαρνών. Πίνακας 1. Τελικά αποτελέσματα ιδιοτήτων συνοχής των δομικών γεωϋλικών (1 ου Δημοτικού Σχολείου Αχαρνών). Λιθότυπος Θέση Γωνία εσωτερικής τριβής [μοίρες] UCS [MPa] Ασβεστόλιθος (λευκός) A Ασβεστόλιθος (μαύρος) A Ασβεστόλιθος (κόκκινος) A Κονίαμα All ΑΝΑΦΟΡΕΣ Exadaktylos G., Tiano P. and Filareto C. 2a. Validation of a model of rotary drilling of rocks with the drilling force measurement system. Internationale Zeitschrift fur Bauinstandsetzen und Baudenkmalpflege, 6. Jahrgang, Aedificatio Publishers, Heft 3: Exadaktylos G. and Tiano P. 2b. Determination of the compressive strength and angle of internal friction of geomaterials by microdrilling. Proceedings of the DRILLMORE Workshop Drilling Methodologies for Monuments Restoration, BLfD - Munich (D), March 16-17, pp (Invited lecture). Szwedzicki T Indentation hardness testing of rock. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., Vol. 35, No. 6, pp