Εκτίμηση τρωτότητας για τα μνημεία της Θεσσαλονίκης και κατάστρωση σχετικής γεωπληροφορικής βάσης δεδομένων

Εκτίμηση τρωτότητας για τα μνημεία της Θεσσαλονίκης και κατάστρωση σχετικής γεωπληροφορικής βάσης δεδομένων Α. Ι. Κάππος Καθηγητής, Εργαστήριο Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος και Φέρουσας Τοιχοποιïας, Τμ. Πολιτ. Μηχανικών ΑΠΘ Γ. Παναγόπουλος. Β. Παπανικολάου, Γρ. Πενέλης Υποψ. Διδάκτορες, Εργαστήριο Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος και Φέρουσας Τοιχοποιïας, Τμ. Πολιτ. Μηχανικών ΑΠΘ 1 ΓΕΝΙΚΑ Στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού προγράμματος RISK UE αναπτύχθηκε μια μέθοδος εκτίμησης της σεισμικής τρωτότητας μνημείων στις διάφορες ευρωπαϊκές πόλεις που συμμετείχαν (Θεσσαλονίκη, Κατάνια, Μαδρίτη, Βουκουρέστι, Μοναστήρι (Bitola), Σόφια, Νίκαια). Η μεθοδολογία βασίζεται στην καταγραφή του πληθυσμού των μνημείων με όλα τα βασικά μορφολογικά και κατασκευαστικά τους στοιχεία σε μια γεωπληροφοριακή βάση δεδομένων, στον προσδιορισμό ενός δείκτη τρωτότητας για το κάθε μνημείο (με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά) και τον συνδυασμό αυτών με ένα σεισμικό σενάριο. 2 ΒΑΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Δημιουργήθηκε μια βάση δεδομένων (εικ.1) η οποία έχει καταγεγραμμένα 340 κτίρια της Θεσσαλονίκης χαρακτηρισμένα ως διατηρητέα, εκ των οποίων ένας σημαντικός αριθμός είναι νεότερα μνημεία, κτίρια κατοικιών από φέρουσα τοιχοποιία. Η βάση δεδομένων είναι συνδυασμένη με εφαρμογή GIS από την οποία μπορεί με πολύ απλό τρόπο να προσεγγίσει κάποιος την ταυτότητα του κάθε μνημείου (εικ. 2). Εικ. 1: GIS με τα μνημεία της Θεσσαλονίκης

Εικ. 2: Ταυτότητα μνημείων Η ταυτότητα του κάθε μνημείου περιλαμβάνει: Διεύθυνση Ιδιοκτήτη Χρόνο ανέγερσης Παρούσα χρήση Ιστορικό βλαβών από σεισμό ΦΕΚ χαρακτηρισμού Φωτογραφίες Σχέδια / σκαριφήματα Για τις ανάγκες της μεθόδου αποτίμησης της τρωτότητάς τους, τα μνημειακού χαρακτήρα κτίρια κατατάσσονται ανάλογα με την μορφολογία τους στις κατηγορίες του πίνακα 1. Πίνακας 1: Κατηγορίες Μνημείων- Τυπολογίες 1 Παλάτια/ Κτίρια 2 Μοναστήρια 3 Εκκλησίες 4 Κάστρα 5 Πύργοι και Κωδωνοστάσια (καμπαναριά) 6 Θέατρα 7 Αψίδες 8 Γέφυρες 9 Τείχη πόλεων 10 Οβελίσκοι 3 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΤΡΩΤΟΤΗΤΑΣ Για την εκτίμηση του βαθμού τρωτότητας (i v ) κάθε μνημείου χρησιμοποιήθηκε η μακροσκοπική μέθοδος που υιοθετήθηκε στα πλαίσια του προναφερθέντος ευρωπαϊκού προγράμματος RISK UE και προέρχεται από την Ιταλία (Lagomarsino et al. 2002, 2003). Βασίζεται σε στατιστικά δεδομένα προηγούμενων σεισμών (κτίρια και εκκλησίες) και συνδυασμό τους με αναλύσεις για την εκτίμηση της επιρροής των επιμέρους παραμέτρων τρωτότητας, όπως ενδεικτικά φαίνεται στην εικόνα 3, όπου για δεδομένη σεισμική ένταση φαίνεται η κατανομή των βλαβών σε συγκεκριμένο τύπο μνημείων. Οι βασικοί μορφολογικοί παράγοντες που επηρεάζουν αυτόν τον βαθμό τρωτότητας φαίνονται στον πίνακα 2. Οι παράγοντες αυτοί εξειδικεύονται περαιτέρω για κάθε τυπολογία μνημείου, έτσι ώστε να είναι δυνατή η γρήγορη βαθμονόμηση τους.

Βαθμός Βλάβης: 0 Καθόλου βλάβη 1 Αμελητέα / ελαφριά βλάβη 2 Ελαφριά βλάβη 3 Μέση βλάβη 4 Σοβαρή βλάβη 5 Κατάρρευση 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 1 2 3 4 5 Εικ. 3: Κατανομή βλαβών για συγκεκριμένη σεισμική ένταση Πίνακας 2: Παράγοντες τρωτότητας και αντίστοιχες βαθμολογίες Παράμετρος Περιγρ. Επιρροή σε i v Χείριστη 0,04 Κατάσταση συντήρησης/διατήρησης Μέση 0 Καλή -0,04 Επίπεδο βλαβών Σοβαρό 0,04 Ελαφρύ 0,02 Μηδενικό 0 Αρχιτεκτονικές παρεμβάσεις/μεταβολές Ναι 0,02 Οχι 0 Πρόσφατες επεμβάσεις (στατικές) Ναι -0,02 Οχι 0,02 Καλή Ποιότητα Τοιχοποιίας Ναι 0,05 Οχι 0 Μορφολογία εδάφους (τοπογραφία) Σε φρύδι 0,04 (γκρεμός) Επικλινές έδαφος 0,02 Επίπεδο έδαφος 0 Κανονικότητα σε κάτοψη Εξαρτάται από την τυπολογία Κανονικότητα καθ ύψος Εξαρτάται από την τυπολογία Θέση Εξαρτάται από την τυπολογία Οι στατιστικές κατανομές, όπως αυτές που φαίνονται στην Εικόνα 3, προσεγγίζονται με αντίστοιχες διωνυμικές (binomial) και έτσι προκύπτουν οι καμπύλες τρωτότητας που δίνονται στην εικόνα 4 και αφορούν κτίρια από τοιχοποιία και εκκλησίες. Δεδομένου ότι για τις υπόλοιπες κατηγορίες δεν υπάρχουν επαρκή διαθέσιμa στατιστικά στοιχεία, αυτές συσχετίσθηκαν με αυτές των κτιρίων και των εκκλησιών με βάση τα περιορισμένα διαθέσιμα στοιχεία (βλ. ιταλικές βιβλιογραφικές αναφορές στο τέλος της εργασίας) και την κρίση «έμπειρου μηχανικού» (engineering judgement). Οι καμπύλες τρωτότητας που προτείνονται από την ερευνητ. ομάδα του RISK-UE (Lagomarsino et al. 2002, 2003) για όλες τις συνήθεις στην Ευρώπη κατηγορίες μνημείων φαίνονται στην εικόνα 5.

5 Mean Damage Grade 4 3 2 1 0 5 6 7 8 9 10 11 12 EMS-98 Intensity Εικ. 4: Καμπύλες τρωτότητας για κτίρια και εκκλησίες Mean Damage Grade 5 4 3 2 1 Palace/ Buildings Castles Chapels/Oratories Theatres Bridges Triumphal arches Statues/Fountains Monasteries Churches Mosques Towers Walls Obelisks Di 0 5 6 7 8 9 10 11 12 EMS-98 Intensity Εικ. 5: Καμπύλες τρωτότητας για όλες τις τυπολογίες Ο μέσος βαθμός βλάβης του κάθε μνημείου, για δεδομένο σενάριο σεισμού, καθορίζεται από την κατωτέρω σχέση: I + 3.4375 iv 8.9125 μ D = 2.5 1 + tanh 3 όπου, μ D : Μέσος βαθμός βλάβης με τιμές από 0 ως 5 I: Σεισμική ένταση κατά EMS98, η οποία συσχετίζεται με την pga: Ln(pga)=0.03+0.74I i v : Δείκτης τρωτότητας του κάθε μνημείου.

4 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΕ ΣΕΙΣΜΙΚΟ ΣΕΝΑΡΙΟ Για την εφαρμογή της μεθόδου επιλέχθηκαν 47 από τα κτίρια της βάσης δεδομένων, δηλαδή αυτά που αποτελούν τα χαρακτηριστικά μνημεία της Θεσσαλονίκης, ενώ όλα τα υπόλοιπα κτίρια αντιμετωπίστηκαν ως κοινά κτίρια από φέρουσα τοιχοποιία στα πλαίσια άλλης ενότητας εργασίας του προγράμματος (Penelis et al. 2003, Kappos et al. 2006). Το σενάριο που αναπτύχθηκε από τη γεωτεχνική ομάδα του ΑΠΘ (Pitilakis et al. 2004) φαίνεται στην εικ. 4 μαζί με τον μέσο βαθμό βλάβης για κάθε μνημείο, όπως προέκυψε από την ανωτέρω μεθοδολογία. Εικ. 6: Σεισμικό σενάριο (pga) και βαθμός βλάβης κάθε μνημείου

Τα αποτελέσματα αυτά φαίνονται επίσης στον πίνακα 3, όπου δίνονται τα ποσοστά των μνημείων που προβλέπονται για καθεμία από τις στάθμες βλάβης που θεωρούνται στην παρούσα μέθοδο. Είναι φανερό ότι, για το συγκεκριμένο σεισμικό σενάριο, προβλέπονται πολύ σοβαρές βλάβες στα μνημεία της Θεσσαλονίκης. Πιθανές ερμηνείες αυτών των (σε έναν βαθμό μη αναμενόμενων) αποτελεσμάτων δίνονται στη συνέχεια, κάνοντας και αντίστοιχες συγκρίσεις με σενάρια για άλλες ευρωπαϊκές πόλεις. Πίνακας 3: Κατανομή βλαβών στα μνημεία της Θεσσαλονίκης Βλάβη Αριθμ. Ποσοστ. 0-1 0 0% 1-2 0 0% 2-3 5 11% 3-4 32 70% 4-5 9 20% Στο πλαίσιο του προγράμματος RISK-UE εκτιμήθηκαν σενάρια σεισμικής διακινδύνευσης για επτά συνολικά ευρωπαϊκές πόλεις. Κρίνεται σκόπιμο να παρουσιαστούν εδώ για λόγους σύγκρισης τα κυριότερα αποτελέσματα (αναφορικά με τα μνημεία) δύο από αυτά τα σενάρια. Παρουσιάζονται καταρχήν τα αποτελέσματα της εφαρμογής της προαναφερθείσας μεθόδου στην Κατάνια για δύο σεισμικά σενάρια (ντετερμινιστικού χαρακτήρα) που αφορούν πιθανή επανάληψη των ιστορικών σεισμών του 1693 (με μέγεθος Μ=7.3) και του 1818 (Μ=6+). Σημειώνεται ότι για το πρώτο σενάριο οι επιταχύνσεις που υπολογίστηκαν για την πόλη κυμαίνονταν μεταξύ 0.2 και 0.5g, τιμές παρόμοιες με εκείνες του σεναρίου της Θεσσαλονίκης (εικ. 6). Η προβλεπόμενη χωρική κατανομή των βλαβών για τον σεισμό του 1693 φαίνεται στην εικόνα 7, ενώ τα ποσοστά των μνημείων που προβλέπονται για κάθε στάθμη βλάβης, και για τους δύο σεισμούς, δίνονται στον πίνακα 4. Εικ. 7: Βαθμός βλάβης κάθε μνημείου της Κατάνια για το σεισμό του 1693

Πίνακας 4: Κατανομή βλαβών στα μνημεία της Κατάνια Βλάβη 1693 % 1818 % 0-1 0 0% 66 44% 1-2 7 5% 27 18% 2-3 12 8% 53 36% 3-4 61 41% 3 2% 4-5 69 46% 0 0% Στη συνέχεια παρουσιάζονται αντίστοιχα αποτελέσματα της εφαρμογής της μεθόδου στην Βαρκελώνη, με σεισμικό σενάριο όμοιο με το δυσμενέστερο από αυτά της Κατάνια (σεισμός 1693) που δίνει την χωρική κατανομή μακροσεισμικών εντάσεων που φαίνεται στην εικόνα 8, ενώ στον πίνακα 5 δίνονται τα ποσοστά των μνημείων που προβλέπονται για κάθε στάθμη βλάβης. Εικ. 8: Βαρκελώνη: Σεισμική ένταση στα μνημεία για το σεισμικό σενάριο Πίνακας 5: Κατανομή βλαβών στα μνημεία της Βαρκελώνης Βλάβη 1693 % 0-1 12 17% 1-2 49 72% 2-3 5 8% 3-4 2 3% 4-5 0 0% Από την σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την εφαρμογή της ίδιας μεθόδου στην Κατάνια και την Βαρκελώνη προκύπτει ότι για παρόμοιο σεισμικό σενάριο δηλαδή καταστρεπτικό σεισμό για τη Θεσσαλονίκη προβλέπονται μεγαλύτερες βλάβες στα μνημεία της. Επισημαίνεται εδώ η δυσκολία που εγγενώς υφίσταται στην πρόσπάθεια «αντιστοίχισης» σεισμικών σεναρίων που έχουν εκτιμηθεί για διαφορετικές περιοχές και με (ενμέρει τουλάχιστον) διαφορετικές παραδοχές.

5 ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Επισημαίνεται καταρχήν ότι η οργάνωση της βάσης δεδομένων των μνημείων της Θεσσαλονίκης επιτρέπει τον εποπτικό τους έλεγχο από τις Αρχές και δίνει την δυνατότητα συμπλήρωσής της με επιπλέον στοιχεία για τα καταγεγραμμένα κτίρια αλλά και την προσθήκη νέων μνημείων. Η εφαρμογή του τρόπου υπολογισμού του δείκτη τρωτότητας αλλά και του συνδυασμού με το σεισμικό σενάριο για την εκτίμηση ενός μέσου βαθμού βλάβης δημιούργησε αρκετούς προβληματισμούς δεδομένου ότι έδωσε αποτελέσματα με αρκετές βλάβες για το θεωρηθέν σεισμικό σενάριο, όπως φαίνεται στον Πίνακα 3. Πιο συγκεκριμένα, για τέσσερα πολύ γνωστά και τεκμηριωμένα μνημεία της πόλης οι δείκτες τρωτότητας και αναμενόμενοι βαθμοί βλάβης για το προαναφερθέν σενάριο δίνονται στον Πίνακα 6. Πίνακας 6: Βαθμοί βλάβης Μνημείο PGA i v Βαθμός Βλάβης Ροτόντα 0.45 0.97 4.25 Μιναρές Ροτόντας 0.45 0.74 3.84 Αχειροποίητος 0.44 0.99 4.27 Αγ. Παντελεήμων 0.42 0.95 4.19 Οι ανωτέρω βαθμοί βλάβης δεν είναι ενγένει συμβατοί με το σεισμικό ιστορικό της πόλης (τα μνημεία έχουν επιζήσει για πάνω από 1000 έτη), φαίνεται δηλαδή ότι έχει υπεισέλθει στην μεθοδολογία σφάλμα προς την συντηρητική προσέγγιση είτε στον προσδιορισμό των σεισμικών επιταχύνσεων για σεισμό 475 ετών, είτε στον προσδιορισμό του δείκτη τρωτότητας (i v ) χρησιμοποιώντας την μακροσκοπική μεθοδολογία. Όπως φάνηκε από την εφαρμογή της μεθόδου σε άλλες γνωστές ευρωπαϊκές πόλεις, όπως την Κατάνια και την Βαρκελώνη, για παρόμοιο σεισμικό σενάριο υπό τις επιφυλάξεις που προαναφέρθηκαν σχετικά με την αντιστοίχιση σεναρίων για τη Θεσσαλονίκη προβλέπονται μεγαλύτερες βλάβες στα μνημεία της. Δεδομένου ότι η εκτίμηση της πιθανότητας υπερσυντηρητικών παραδοχών στην ανάλυση της σεισμικής επικινδυνότητας και της συνεκτίμησης της επιρροής των τοπικών εδαφικών συνθηκών (που φαίνεται να ήταν μεγάλη, βλ. Εικ. 6) θα πρέπει να γίνει από τους συναδέλφους της γεωτεχνικής μηχανικής και τεχνικής σεισμολογίας, σκόπιμο είναι να σχολιαστεί στην παρούσα εργασία η ιδιαίτερη και εγγενής δυσκολία στην εφαρμογή στατιστικών μεθόδων σε πληθυσμό μνημείων, καθόσον, σε αντίθεση με το υπόλοιπο δομικό απόθεμα μιας περιοχής ο οποίος απαρτίζεται από «ανώνυμα» κατά συντριπτική πλειοψηφία κτίρια, τα περισσότερα μνημεία είναι πολύ συγκεκριμένα και γνωστά σε όλους. Έτσι ενώ είναι (σχετικώς) ασήμαντο εάν μια στατιστική μέθοδος κάνει λάθος και υπερεκτιμήσει την τρωτότητα μιας πολυκατοικίας στην Εγνατία (δηλαδή προβλέψει βαθμό βλάβης 4 έναντι του 2.5 που ενδεχομένως θα παρουσίαζε), με αντίστοιχη υποεκτίμηση της τρωτότητας μίας πολυκατοικίας στην Βασ. Όλγας, γίνεται πολύ σημαντικό μόλις στην μεν Εγνατία αναφερόμαστε στην Ροτόντα, στην δε Βασ. Όλγας στην Villa Bianca. Σε κάθε περίπτωση, στους μελλοντικούς στόχους της ερευνητικής ομάδας του ΑΠΘ είναι η βελτίωση της μεθοδολογίας εκτίμησης της τρωτότητας των μνημείων, με τη βοήθεια τόσο στοιχείων βλαβών από παλαιότερους σεισμούς, όσο και μη-γραμμικών αναλύσεων καταλλήλων προσομοιωμάτων των μνημείων. 6 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Angeletti, P., Ferrini, M. & Lagomarsino, S. 1997. Survey and evaluation of the seismic vulnerability of the churches: the example in Lunigiana and Garfagnana, Proc. of the 8th National Conference: The earthquake engineering in Italy, 2, Palermo, 1997: 1077-1084 (in Italian).

BUR Regione Marche 29/09/2000, Codice di Pratica (Linee guida) per la progettazione degli interventi di riparazione, miglioramento sismico e restauro dei beni architettonici danneggiati dal terremoto umbro-marchigiano del 1997, Regione Marche (in Italian). Casademunt A. P. 2001. Secrets d un sistema constructiu: L Eixample. Barcelona: Edicions UPC (in Spanish). Cavaleri L., Lagomarsino S., Podestà S., Zingone G., 2000. Vulnerability models and damage scenarios for the churches, in The Catania Project: earthquake and damage scenarios for high risk area in the Mediterranean, CNR-GNDT, E.Faccioli and V.Pessina eds., 255 pp., Rome. Comitato Nazionale per la Prevenzione del Patrimonio Culturale dal Rischi Sismico, 1997, Istruzioni generali per la redazione di progetti di restauro nei beni architettonici di valore storicoartistico in zona sismica, Ministero Beni Culturali e Ambientali Ministero dei Lavori Pubblici, Roma(in Italian). D.M. 16.01.1996, Norme tecniche per le costruzioni in zone sismiche, G.U. 5 febbraio 1996 (in Italian). D Ayala D.F., Spence R. J. S., Oliveira C. S., Silva P., 1997. Vulnerability of buildings in historical centres: a limit state approach, Proc.11th European Conference on Earthquake Engineering. Paper No. 856 Elsevier Science. Directorate for Restoration of Byzantine and Post-Byzantine Monuments (Greek Ministry of Culture) General Guidelines for Studies of Byzantine and Post-Byzantine Monuments and related areas, Athens, Nov. 1996 (in Greek). Doglioni, F., Moretti, A. & Petrini, V. 1994. The churches and the earthquake. Trieste: Edizioni LINT (in Italian). Faccioli, Ε., et al. 2004. Synthesis of the application to Catania city, RISK-UE Report. Fera, G. 1991. La città antisismica. Roma: Ed. GANGEMINI (in Italian). Galasco A., Lagomarsino S., Penna A., 2001, Non-linear macro-element seismic analysis of masonry buildings, Proc. 10th National Conference of the Italian Earthquake Engineering Association, Potenza, Italy (in Italian). Gambarotta, L., Lagomarsino, S., 1997, Damage models for the seismic response of brick masonry shear walls, Part II: the continuum model and its applications, Earth. Engineering and Structural Dynamics, 26. Giovinazzi, S., Lagomarsino, S., 2002. A methodology for the vulnerability analysis of built-up areas, Proc. of International.Conference Earthquake Loss Estimation and Risk Reduction, Bucharest. Giuffrè, A. (a cura di), 1993, Sicurezza e conservazione dei centri storici, Bari, Ed. Laterza (in Italian). Gurrieri, F. (a cura di), 1999, Manuale per la riabilitazione e la ricostruzione postsismica degli edifici, Roma, Ed. Dei-Tipografia del Genio Civile (in Italian). Gurrieri, F. (a cura di), 1999, Manuale per la riabilitazione e la ricostruzione postsismica degli edifici, Roma, Ed. Dei-Tipografia del Genio Civile (in Italian). Irizarry, J. Podestà, S., Resemini, S. 2002. Capacity curves of monumental-heritage elements: the Santa Maria del Mar Church in Barcelona, Proc. International Conference on Earthquake loss estimation and risk reduction, Bucharest, October 2002. Κappos, A. J., Panagopoulos, G., Panagiotopoulos, Ch., and Penelis, Gr. 2006. A hybrid method for the vulnerability assessment of R/C and URM buildings, Bull. of Earthquake Engineering, V. 4, No. 4. Lagomarsino S., Podestà S., Resemini S., 2002. Seismic response of historical churches, Proc.12th European Conference on Earthquake Engineering, London, September, 2002. Lagomarsino, S., Podestà, S., 2003, Seismic vulnerability of ancient churches. Part 1: the damage assessment and the emergency planning, (submitted for publication). Lagomarsino, S., Podestà, S., 2003, Seismic vulnerability of ancient churches. Part 2: statistical analysis of surveyed data and methods for risk analysis, (submitted for publication).

Ministry of Culture and Ministry of Northern Greece Contemporary monuments in Thessaloniki, Thessaloniki, Nov. 1985 (in Greek). Moreno R., Bonett R., Barbat A., Pujades L., Penna A., Lagomarsino S., 2003. Evaluaction de la vulnerabilidad sismica de estructuras de mamposteria no reforzada. Aplication a un edificio de la zona del Eixample en Barcelona (Espana). Revista International de Ingenieria de estructuras, Vol. 8, N. 2, 91-120. Equador: Ed. Pamela Cruz (in Spanish). Penelis, Gr.G., Kappos, A.J., and Stylianidis, K.C., 2003. Assessment of the seismic vulnerability of unreinforced masonry buildings, STREMAH 2003, 8th International Conference on Structural Studies, Repairs and Maintenance of Heritage Architecture (Chalkidiki, Greece 2003), WIT Press, 575-584. Pitilakis, K.D. et al. 2004. Synthesis of the application to Thessaloniki city, RISK-UE Report. RISK UE, An advanced approach to earthquake Risk scenarios with applications to different European towns http://www.risk-ue.net/update