Ι. ΨΥΧΑΡΗΣ 1, Χ. ΜΟΥΖΑΚΗΣ 2, Ε. ΠΑΥΛΟΠΟΥΛΟΥ 3, Α. ΜΙΛΤΙΑΔΟΥ 4, Ι. ΤΑΦΛΑΜΠΑΣ 5

3 o Πανελλήνιο Συνέδριο Αντισεισμικής Μηχανικής & Τεχνικής Σεισμολογίας 5 7 Νοεμβρίου, 2008 Άρθρο 1921 Ανάλυση της Σεισμικής Απόκρισης Βυζαντινού Ναού Χωρίς και Με Επεμβάσεις Analysis of the Seismic Response of a Byzantine Church Without and With Interventions Ι. ΨΥΧΑΡΗΣ 1, Χ. ΜΟΥΖΑΚΗΣ 2, Ε. ΠΑΥΛΟΠΟΥΛΟΥ 3, Α. ΜΙΛΤΙΑΔΟΥ 4, Ι. ΤΑΦΛΑΜΠΑΣ 5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Παρουσιάζεται η διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης του βυζαντινού Ι. Ν. της Παναγίας της Κρήνας στη Χίο (11 ος -12 ος αιώνας). Για τις αναλύσεις χρησιμοποιήθηκε ένα λεπτομερές προσομοίωμα της κατασκευής από χωρικά πεπερασμένα στοιχεία, στο οποίο εφαρμόστηκαν πέντε σειμικές διεγέρσεις που επελέγησαν μετά από μελέτη σεισμικής επικινδυνότητας της περιοχής. Οι ιδιότητες των υλικών που ελήφθησαν υπόψη επιβεβαιώθηκαν με σύγκριση των δυναμικών χαρακτηριστικών του προσομοιώματος με μετρήσεις μικροδονήσεων της υπάρχουσας κατασκευής. Έγιναν ελαστικές αναλύσεις, η αξιοπιστία των οποίων επαληθεύτηκε από τη σύγκριση των προβλεπόμενων θέσεων βλαβών με τις υφιστάμενες ρωγμές και τη δικαιολόγηση της παθολογίας και των καταρρεύσεων που συνέβησαν σε παλαιότερους σεισμούς (κυρίως του 1389 και του 1881). Επίσης διερευνήθηκε η αποτελεσματικότητα διαφόρων μέτρων βελτίωσης της συμπεριφοράς του μνημείου και εκτιμήθηκε η καταπόνησή τους σε μελλοντικούς σεισμούς. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι επεμβάσεις που εξετάσθηκαν μπορούν να βελτιώσουν τη σεισμική συμπεριφορά, αλλά δεν μπορούν να εξαλείψουν τον κίνδυνο σημαντικών βλαβών, ακόμη και μερικών καταρρεύσεων, σε ένα ισχυρό σεισμό, λόγω των ενδογενών κατασκευαστικών προβλημάτων που παρουσιάζει ο ναός, όπως το μεγάλο μέγεθος του τρούλου του κυρίως ναού σε σύγκριση με το συνολικό μέγεθος της κατασκευής και ο τρόπος στήριξής του. ABSTRACT : The investigation of the seismic response of a Byzantine Church (11 th -12 th century) in Chios island is presented. A detailed model of the structure was constructed using 3-D finite elements and subjected to five earthquake motions, which were chosen to comply with the results of the seismic hazard analysis that was conducted for the area. The material properties considered in the model were verified from the comparison of the dynamic characteristics with ambient vibration measurements on the existing building. The results show that the elastic analysis is able to reproduce satisfactorily the existing crack pattern and to explain the damage that occurred during past strong earthquakes (especially those of 1389 and 1881). The effectiveness of several interventions was also examined and the forces induced to them during strong earthquakes were calculated. This investigation 1 Αναπλ. Καθηγητής, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, email: ipsych@central.ntua.gr 2 Επικ. Καθηγητής, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, email: harrismo@central.ntua.gr 3 Πολιτικός Μηχανικός, Αθήνα, email: epavlopoulou@tee.gr 4 Δρ Πολ. Μηχανικός, Υπ. Πολιτισμού, email: amiltiadou@culture.gr 5 Πολιτικός Μηχανικός, Συν/της Εργαστηρίου Αντισεισμικής Τεχνολογίας Ε.Μ.Π., email: taflan@central.ntua.gr

showed that the interventions enhance the building, but they cannot eliminate the possibility of severe damage or even local collapse during future seismic events, due to inherent structural deficiencies of the building, as the large size of the main dome compared to the overall size of the church. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η μελέτη της σεισμικής συμπεριφοράς ιστορικών κατασκευών, όπως οι βυζαντινές εκκλησίες, παρουσιάζει πολλές δυσκολίες που πηγάζουν από διάφορους λόγους, οι σημαντικότεροι από τους οποίους είναι: η συνήθως πολύπλοκη γεωμετρία, το γεγονός ότι σε πολλές περιπτώσεις τμήματα του κτηρίου έχουν κατασκευαστεί σε διαφορετικές χρονικές περιόδους και είναι μεταξύ τους ασύνδετα ή μερικώς συνδεδεμένα, οι σημαντικές βλάβες που συνήθως υπάρχουν και που είναι δύσκολο να εισαχθούν στο προσομοίωμα υπολογισμού, η δυσκολία προσδιορισμού των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών, η μη-γραμμικότητα της συμπεριφοράς, κλπ. Για τα προσομοιώματα ανάλυσης χρησιμοποιούνται επίπεδα ή τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία, συνήθως γραμμικά ή, σπανιότερα, μη-γραμμικά. Ο λόγος που αποφεύγεται η μη-γραμμική ανάλυση είναι ότι, εκτός από τα εξειδικευμένα προγράμματα και το σημαντικά μεγαλύτερο υπολογιστικό χρόνο που απαιτεί, δεν οδηγεί πάντοτε σε αξιόπιστα αποτελέσματα, λόγω των πολλών αβεβαιοτήτων που υπεισέρχονται, όπως: οι πραγματικοί καταστατικοί νόμοι που διέπουν τη μετελαστική συμπεριφορά των υλικών είναι εν πολλοίς άγνωστοι, η ακριβής προσομοίωση της κατασκευής είναι πρακτικά αδύνατη, η ευαισθησία των αποτελεσμάτων σε μικρές αλλαγές των παραμέτρων δεν είναι εύκολο να ελεγχθεί και η αξιοπιστία των προγραμμάτων υπολογισμού σε πολύπλοκες γεωμετρίες, όπως αυτές των βυζαντινών εκκλησιών, είναι αβέβαιη. Γι αυτό συνήθως προτιμούνται οι γραμμικές αναλύσεις, τα αποτελέσματα των οποίων όμως πρέπει να εξετάζονται με προσοχή και σωστή κρίση μηχανικού πριν χρησιμοποιηθούν για τη λήψη αποφάσεων σχετικά με τις κατάλληλες επεμβάσεις αποκατάστασης του μνημείου. Οι δυσκολίες που εμφανίζονται στην ανάλυση ιστορικών κατασκευών και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της εφαρμογής απλοποιητικών μεθόδων υπολογισμού παρουσιάζονται διεξοδικά στις εργασίες των Lourenço (2002), Penelis (2002) και Syrmakezis (2006). Πρέπει να σημειωθεί ότι το κυριότερο μειονέκτημα της ελαστικής ανάλυσης είναι η αδυναμία της να υπολογίσει την εντατική κατάσταση που αναπτύσσεται στην κατασκευή μετά την έναρξη εμφάνισης ρωγμών στην τοιχοποιία, καθώς δεν μπορεί να ληφθεί υπόψη η συνεπαγόμενη ανακατανομή των τάσεων.. Γι αυτό και δεν είναι εύκολος ο υπολογισμός των δυνάμεων που αναπτύσσονται στα μέτρα ενίσχυσης (π.χ. τένοντες περίδεσης), επειδή, πρακτικά, αυτά ενεργοποιούνται μετά την ρηγμάτωση της τοιχοποιίας λόγω υπέρβασης της αντοχής της. Ένας τρόπος για να ξεπεραστεί αυτή η δυσκολία, ο οποίος εφαρμόστηκε στην παρούσα εργασία, είναι η εξ αρχής θεώρηση ρηγματωμένης κατασκευής στο προσομοίωμα υπολογισμού και μάλιστα με το πλέον δυσμενές σενάριο για την εκάστοτε διερευνούμενη επέμβαση. Η εφαρμογή ελαστικής ανάλυσης σε αυτό το προσομοίωμα δίνει το άνω όριο των σεισμικών δυνάμεων που θα αναπτυχθούν στα στοιχεία ενίσχυσης, τα οποία με αυτό τον τρόπο μπορούν να διαστασιολογηθούν κατάλληλα. Στην παρούσα εργασία εφαρμόστηκε ελαστική δυναμική ανάλυση για τη διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης της κατασκευής. Η αξιοπιστία του αριθμητικού προσομοιώματος και της 2

μεθοδολογίας που ακολουθήθηκε επιβεβαιώθηκε με διαφόρους τρόπους, όπως μετρήσεις μικροδονήσεων της παραγματικής κατασκευής και ερμηνεία της υφιστάμενης παθολογίας του μνημείου. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΝΗΜΕΙΟΥ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Περιγραφή του μνημείου και της παθολογίας του Ο Ιερός Ναός της Παναγίας της Κρήνας μαζί με το Καθολικό της Νέας Μονής αποτελούν τα δύο σημαντικότερα Βυζαντινά μνημεία της Χίου, τύπου οκταγωνικού, κτισμένα τον 11 ο ή 12 ο αιώνα (βλ. σχετική βιβλιογραφία: Καίρου & Πασχαλίδης 1998, Μιλτιάδου κ. ά. 2003). Ο Ι. Ναός της Παναγίας της Κρήνας στη Χίο αποτελείται από τρία τμήματα (Σχήμα 1): τον Κυρίως Ναό, το Νάρθηκα και τον Εξωνάρθηκα, ο οποίος όμως σήμερα έχει χάσει τη στέγασή του. Ο νάρθηκας πρέπει να κατασκευάστηκε αμέσως μετά τον κυρίως ναό, ενώ ο εξωνάρθηκας προστέθηκε πολύ αργότερα το 1747. Τα τρία τμήματα είναι στατικά ανεξάρτητα. Ιδιαίτερα σημειώνεται ότι ο νάρθηκας αποτελεί ένα ανεξάρτητο τμήμα που στεγάζεται με τρείς ημικυλινδρικούς θόλους, ο μεσαίος εκ των οποίων φέρει και τρούλο. Τα φορτία των θόλων και του τρούλου φέρονται από δύο διαμήκη ραδινά τόξα, τα οποία προς ανατολάς απλώς ακουμπούν στις παραστάδες του κυρίως ναού, χωρίς να υπάρχει καμία περαιτέρω σύνδεση των δύο τμημάτων (Μιλτιάδου κ. ά. 2003, Μιλτιάδου-Fezans & Κουμάντος 2006). Οι συνολικές εξωτερικές διαστάσεις του τριμερούς συγκροτήματος είναι 21.10 μέτρα επί 8.10 μέτρα. Το κυριότερο χαρακτηριστικό της κατασκευής είναι ο μεγάλος τρούλος που καλύπτει τον κυρίως Ναό, ενώ ένας μικρότερος τρούλος καλύπτει τον νάρθηκα. Η υπόλοιπη στέγαση του μνημείου μορφώνεται με θόλους. Ένα άλλο χαρακτηριστικό του μνημείου είναι η ύπαρξη ΚΥΡΙΩΣ ΝΑΟΣ ΝΑΡΘΗKAΣ ΕΞΩΝΑΡΘΗΚΑΣ Σχήμα 1. Βόρεια όψη του ναού (σχέδιο των Σ. Βογιατζή και Μ. Πασπάτη, Υπουργείο Πολιτισμού). 3

σε πολλές στάθμες ενός εκτεταμένου δικτύου ξύλινων ενισχύσεων στο σώμα των τοιχοποιιών του, το οποίο είχε εντοπισθεί σε ορισμένες θέσεις ήδη από τις πρώτες μελέτες (Καίρου & Πασχαλίδης 1998, Μιλτιάδου κ. ά. 2003). Το μνημείο παρουσιάζει σημαντικές βλάβες στη σημερινή του κατάσταση, οι οποίες φαίνεται ότι έχουν προέλθει από σεισμούς που το έχουν πλήξει στη μακρόχρονη ζωή του. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία που αναφέρεται στις ανωτέρω σχετικές μελέτες υπάρχουν ενδείξεις, όπως οι χρονικές περίοδοι που έγιναν οι τοιχογραφίες, που οδηγούν στο συμπέρασμα ότι ο ναός και κυρίως ο κεντρικός τρούλος πρέπει να έπαθε σημαντικές βλάβες στο μεγάλο σεισμό του 1389. Ο καταστροφικός σεισμός του 1881, που έπληξε τη Χίο και τα γειτονικά παράλια της Μ. Ασίας, προκάλεσε επίσης μεγάλες ζημιές και μερικές καταρρεύσεις (Καίρου & Πασχαλίδης, 1998), όπως: α) του ημισφαιρικού θόλου του τρούλου του κυρίως ναού και του δυτικού μετώπου των τοιχοπεσσών του ιερού που φέρουν τα φορτία του β) του συνόλου της θολοδομίας (ημικυλινδρικοί θόλοι, τόξα και τρούλος), της στέψης του βόρειου και νότιου τοίχου και του συνόλου του δυτικού τοίχου του νάρθηκα. Το 1884 ανοικοδομήθηκε το ημισφαιρικό κέλυφος του τρούλου του κυρίως ναού, ενώ λίγο αργότερα ανοικοδομήθηκε ο δυτικός τοίχος και η θολοδομία του νάρθηκα. Παράλληλα με τις ανοικοδομήσεις τοποθετήθηκαν μεταλλικοί ελκυστήρες, τόσο στον κυρίως ναό, όσο και στον νάρθηκα, χωρίς όμως την πραγματοποίηση άλλων ουσιαστικών επισκευών, με αποτέλεσμα να εξακολουθούν να υπάρχουν σοβαρές ρωγμές στην τοιχοποιία και τη θολοδομία του ναού. Στο πλαίσιο της πρώτης μελέτης δομητικής αποκατάστασης του μνημείου (Μιλτιάδου κ. ά. 2002) μορφώθηκε ένα πρώτο τρισδιάστατο προσομοίωμα με χρήση επιφανειακών πεπερασμένων στοιχείων και πραγματοποιήθηκε σειρά ελαστικών αναλύσεων για τη διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης της κατασκευής με την ισοδύναμη στατική μέθοδο. Με τη μελέτη αυτή προέκυψε ότι οι ισχυροί σεισμοί της περιοχής ήταν το κύριο αίτιο των βλαβών και έγινε εφικτή η υπολογιστική αναπαραγωγή των κυριότερων στοιχείων της παθολογίας του μνημείου. Μεταξύ άλλων διαπιστώθηκε επίσης η αναγκαιότητα σύνδεσης του νάρθηκα με τον κυρίως ναό, προκειμένου να αποφευχθεί μια εκ νέου κατάρρευση της θολοδομίας του νάρθηκα σε μελλοντικό σεισμό. Για το λόγο αυτό, πέρα από τις συνήθεις επεμβάσεις σε τέτοιες κατασκευές (αρμολογήματα, ενέματα, τοπικές ανακτίσεις, περισφίξεις, ελκυστήρες, ενίσχυση ανοιγμάτων τρούλου με μεταλλικά πλαίσια, κλπ), προτάθηκε ότι ήταν απολύτως αναγκαίο να βρεθεί τρόπος σύνδεσης του κυρίως ναού και του νάρθηκα με αξιοποίηση των θέσεων των ξυλοδεσιών, μετά τον ακριβή προσδιορισμό τους με επί τόπου διερευνήσεις κατά τη διάρκεια των εργασιών (Μιλτιάδου κ. ά. 2003). Με την έναρξη του έργου διαπιστώθηκε η μεγάλη έκταση και σοβαρότητα των βλαβών στα εξωράχια των θόλων και άλλα αφανή τμήματα, και η εξαιρετικά κακή ποιότητα του εσωτερικού των τοιχοποιιών. Με κατάλληλες διερευνήσεις εντοπίστηκαν συνεχή συστήματα οριζόντιων ξυλοδεσιών εγκιβωτισμένων στο πάχος της τοιχοποιίας σε πέντε βασικές στάθμες, οι οποίες όμως δεν διατηρούσαν (ούτε κατά περιοχές) την αρχική τους ενισχυτική λειτουργία (Βιντζηλαίου, 2006, Palieraki et al, 2007). Λόγω της μεγάλης σπουδαιότητας του μνημείου, θεωρήθηκε αναγκαίο να πραγματοποιηθεί συστηματική διερεύνηση των δυναμικών χαρακτηριστικών και της σεισμικής συμπεριφοράς του μνημείου με χρήση τρισδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων και ακριβή προσομοίωση 4

της γεωμετρίας του ναού, συμπεριλαμβανομένων και των ξυλοδεσιών και του εδάφους θεμελίωσης (Psycharis et al, 2007). Για το σκοπό αυτό εκπονήθηκε μελέτη σεισμικής επικινδυνότητας και πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις των ιδιοπεριόδων των διαφόρων τμημάτων του μνημείου πριν τις επεμβάσεις. Οι νέες αυτές αναλύσεις θεωρήθηκαν αναγκαίες προκειμένου να εκτιμηθεί με τον καλύτερο δυνατό τρόπο η θετική ή αρνητική επίπτωση στη συμπεριφορά του μνημείου των διαφόρων προτάσεων επέμβασης που είχαν ήδη περιληφθεί στις αρχικές μελέτες, πριν αυτές εφαρμοσθούν οριστικά στο μνημείο. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στη διερεύνηση της σύνδεσης του κυρίως ναού με το νάρθηκα με διαμήκεις ελκυστήρες στο εσωτερικό των τοίχων σε θέσεις ξυλοδεσιών αλλά και στην αναζήτηση τυχόν νέων επεμβάσεων, που δεν είχαν προταθεί από τις αρχικές μελέτες, με στόχο την περαιτέρω βελτίωση του συστήματος παραλαβής των φορτίων του μεγάλου μεγέθους τρούλου. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων αυτών, που παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία, λήφθηκαν υπόψη στην εκπόνηση της τελικής κατασκευαστικής μελέτης των δομητικών επεμβάσεων στο μνημείο (Μιλτιάδου & Κουμάντος, 2006, Miltiadou Fezans et al. 2007). Προσομοίωμα ανάλυσης Για την προσομοίωση της κατασκευής χρησιμοποιήθηκαν τρισδιάστατα, τετραεδρικά πεπερασμένα στοιχεία, εκτός από τα γραμμικά στοιχεία που θεωρήθηκαν για τους ξύλινους και μεταλλικούς ελκυστήρες. Στο μοντέλο υπολογισμού λήφθηκαν υπόψη όλες οι γεωμετρικές λεπτομέρειες που αφορούσαν στο φέροντα οργανισμό (Σχήματα 2 και 3). Τα τρία τμήματα του ναού θεωρήθηκαν στατικώς ανεξάρτητα, εκτός από τη μερική σύνδεση του κυρίως ναού και του νάρθηκα που αναφέρθηκε παραπάνω. Δεν θεωρήθηκαν όμως κρουστικά φαινόμενα μεταξύ των δύο τμημάτων. Για να ληφθεί υπόψη η ελαστικότητα της θεμελίωσης, στο προσομοίωμα συμπεριλήφθηκε και το έδαφος σε έκταση 50.00 30.00 m 2 και σε βάθος 1.50 m κάτω από το κτήριο, που είναι και το μέσο βάθος της επιφανειακής εδαφικής στρώσης πάνω από το βραχώδες υπόβαθρο, σύμφωνα με τη γεωτεχνική μελέτη (Έδαφος Σύμβουλοι Μηχανικοί ΕΠΕ, ΥΠΠΟ/ΔΑΒΜΜ, 1998). Το έδαφος θεωρήθηκε αβαρές, ώστε να αποφευχθεί η δημιουργία στάσιμων κυμάτων κατά την εφαρμογή των σεισμικών διεγέρσεων και πρακτικά λειτουργούσε μόνο ως ελαστική θεμελίωση για την κατασκευή. Η μέγιστη διάσταση των στοιχείων της ανωδομής ήταν 0.30 m και των στοιχείων της θεμελίωσης 1.50 m. Συνολικά, το μοντέλο υπολογισμού αποτελούνταν από 190.597 στοιχεία και 44.282 κόμβους και διέθετε 132.348 βαθμούς ελευθερίας. Γενική άποψη του προσομοιώματος δίνεται στο Σχήμα 2, ενώ στο Σχήμα 3 δίνονται η διαμήκης και η εγκάρσια τομή. Όλα τα υλικά θεωρήθηκαν ελαστικά με ιδιότητες που καθορίστηκαν από τον τρόπο και το υλικό κατασκευής στα διάφορα τμήματα του μνημείου. Για τις ιδιότητες της τοιχοποιίας θεωρήθηκε ομογενοποίηση. Με βάση τα διατιθέμενα στοιχεία για τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών, εκτιμήθηκαν τα χαρακτηριστικά της τοιχοποιίας λαμβάνοντας υπόψη και τυπικές τιμές από τη βιβλιογραφία. Λεπτομέρειες για τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών που θεωρήθηκαν στην ανάλυση δίνονται στην εργασία Ψυχάρης κ.α. (2006). Οι θέσεις, στις 5

Σχήμα 2. Γενική άποψη του προσομοιώματος που ελήφθη υπόψη στις αναλύσεις. Σχήμα 3. Διαμήκης και εγκάρσια τομή του προσομοιώματος του ναού. οποίες αρχικά υπήρχαν ξυλοδεσιές (Βιντζηλαίου, 2006, Palieraki et al, 2007), λήφθηκαν υπόψη ως ζώνες με μειωμένες μηχανικές ιδιότητες, επειδή στη σημερινή κατάσταση οι ξύλινες δοκοί δεν υφίστανται σε πολλές περπτώσεις ή έχουν αποσυντεθεί σε μεγάλο βαθμό, με αποτέλεσμα να μην διατηρούν (ούτε κατά περιοχές) την αρχική τους λειτουργία. Σεισμικές διεγέρσεις Έγιναν ελαστικές επιλύσεις χρονοϊστορίας με το πρόγραμμα ABAQUS, στις οποίες εφαρμόστηκαν και οι τρεις συνιστώσες πέντε πραγματικών καταγραφών. Η επιλογή των σεισμικών διεγέρσεων βασίστηκε στα αποτελέσματα μελέτης σεισμικής επικινδυνότητας που έγινε για την περιοχή (Ψυχάρης & Ταφλαμπάς, 2006). Οι αναμενόμενες εδαφικές επιταχύνσεις, pga, για περίοδο επανάληψης 500 και 1000 χρόνια δίνονται στον Πίνακα 1 για το βραχώδες υπόβαθρο και την επιφάνεια του εδάφους με θεώρηση αλλουβιακών 6

αποθέσεων. Σημειώνεται ότι σύμφωνα με τη Γεωτεχνική μελέτη (Έδαφος Σύμβουλοι Μηχανικοί ΕΠΕ, ΥΠΠΟ/ΔΑΒΜΜ, 1998), ο ναός είναι θεμελιωμένος σε αποσαθρωμένη μάργα πάχους 1.50 2.70 m, κάτω από την οποία το έδαφος χαρακτηρίζεται ως βραχώδης μάργα με αργιλικές ενστρώσεις. Επομένως, στη στάθμη θεμελίωσης της κατασκευής αντιστοιχούν ενδιάμεσες τιμές pga, σε σύγκριση με αυτές που δίνονται στον Πίνακα 1 για το βραχώδες υπόβαθρο και για την επιφάνεια του εδάφους. Πίνακας 1. Εκτιμώμενες τιμές μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης, pga, (m/sec 2 ) στην περιοχή του ναού. Περίοδος επανάληψης Βραχώδες υπόβαθρο Επιφάνεια εδάφους (αλλούβια) 500 έτη 3.90 2.60 1000 έτη 5.60 3.70 Οι τιμές για την εδαφική επιτάχυνση που προέκυψαν από τη μελέτη σεισμικής επικινδυνότητας είναι συμβατές με τις αντίστοιχες τιμές του ΕΑΚ, εάν ληφθεί υπόψη αύξηση των δεύτερων κατά 25%, λόγω γειτνίασης με ενεργά ρήγματα. Με αυτή την παραδοχή, για τη ζώνη ΙΙ που ανήκει η Χίος, η εδαφική επιτάχυνση σχεδιασμού για περίοδο επανάληψης 475 χρόνια είναι 1.25 0.24g=0.30g και για περίοδο επανάληψης 1000 χρόνια 1.30 0.30g=0.39g, θεωρώντας ότι η περίοδος επανάληψης των 1000 ετών αντιστοιχεί σε συντελεστή σπουδαιότητας 1.30. Στην παρούσα εργασία, οι σεισμικές διεγέρσεις επιλέχτηκαν σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης σεισμικής επικινδυνότητας για περίοδο επανάληψης 500 ετών, παρότι η σπουδαιότητα του μνημείου θα δικαιολογούσε, και ίσως θα επέβαλε, τη χρήση σεισμών με περίοδο επανάληψης 1000 ετών. Αυτό έγινε αφ ενός επειδή τα σεισμολογικά δεδομένα της περιοχής δείχνουν ότι μεγάλοι σεισμοί, ικανοί να προκαλέσουν σημαντικές βλάβες στην κατασκευή, συμβαίνουν κάθε 500 χρόνια περίπου (οι δύο πιο πρόσφατοι πολύ ισχυροί σεισμοί έγιναν το 1389 και το 1881) και αφ ετέρου επειδή οι αναλύσεις αλλά και η ιστορική παθολογία δείχνουν ότι η κατασκευή δεν μπορεί να επιβιώσει χωρίς τοπικές καταρρεύσεις σε μεγαλύτερους σεισμούς ακόμη και εάν μερικώς ενισχυθεί, επομένως η ανάλυσή της για ισχυρότερες διεγέρσεις δεν θα είχε πρακτικό νόημα. Πίνακας 2. Χαρακτηριστικά σεισμικών διεγέρσεων. Επικεντρικ ή απόσταση (km) Μέγιστη επιτάχυνση (m/sec 2 ) Α-Δ 1 Β-Ν 2 Κατακ. Σεισμός/θέση Έτος Μέγεθος (M w ) Azores 1998 6.1 10 4.12 3.74 3.10 Imperial Valley / Station 3 3 1979 6.4 6.6 11 14 2.60 2.12 1.12 Northridge / Arleta 1994 6.7 6.8 8 10 3.37 3.02 5.41 Northridge / Roscoe 1994 6.7 6.8 11 4.30 2.62 2.79 Parkfield / Temblor 1066 6.2 6.4 11 2.64 3.40 1.29 1 Συνιστώσα του σεισμού που εφαρμόστηκε στη διεύθυνση Α-Δ του ναού 2 Συνιστώσα του σεισμού που εφαρμόστηκε στη διεύθυνση Β-Ν του ναού 3 Ο σεισμός του Imperial Valley εφαρμόστηκε μεγεθυμένος κατά 25%. 7

Φασματική επιτάχυνση, Sa (g) 1.50 1.25 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 Περίοδος, T (sec) (α) AZORES 1.25 x IMPERIAL VALEY - ST. 3 NORTHRIDGE-ARLETA NORTHRIDGE-ROSCOE PARKFIELD-TEMBLOR EAK (Α=0.30g, έδαφος Β) 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 Περίοδος, T (sec) (β) Σχήμα 4. Φάσματα απόκρισης οριζόντιων συνιστωσών των σεισμικών διεγέρσεων που ελήφθησαν υπόψη στις αναλύσεις: (α) συνιστώσα που εφαρμόστηκε στη διεύθυνση Α-Δ, (β) συνιστώσα που εφαρμόστηκε στη διεύθυνση Β-Ν. Για την επιλογή των σεισμικών διεγέρσεων λήφθηκε επίσης υπόψη ότι ο πιθανότερος συνδυασμός μεγέθους και επικεντρικής απόστασης, για τον οποίο μπορούν να συμβούν οι τιμές που δίνονται στον Πίνακα 1 για περίοδο επανάληψης 500 χρόνια, είναι: Μ 6.5 και Δ 10 km. Με αυτά τα δεδομένα, επιλέχτηκαν πέντε σεισμοί από τις βάσεις δεδομένων Cosmos και European, τα χαρακτηριστικά των οποίων δίνονται στον Πίνακα 2. Τα ελαστικά φάσματα των οριζόντιων συνιστωσών των πέντε σεισμών δίνονται στο Σχήμα 4 μαζί με το αντίστοιχο φάσμα του ΕΑΚ για έδαφος κατηγορίας Β, για σύγκριση. Για τους σεισμούς, για τους οποίους ήταν γνωστή η διεύθυνση του ρήγματος σε σχέση με τις συνιστώσες των καταγραφών, η παράλληλη στο ρήγμα συνιστώσα εφαρμόστηκε στη διεύθυνση Α-Δ, στην οποία είναι προσανατολισμένα τα περισσότερα ρήγματα της περιοχής. Στα στοιχεία που δίνονται στον Πίνακα 3 αναφέρεται και η διεύθυνση του ναού, στην οποία εφαρμόστηκε κάθε συνιστώσα. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΧΩΡΙΣ ΕΠΕΜΒΑΣΕΙΣ Σε αυτό το τμήμα της εργασίας παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των αναλύσεων για την κατασκευή χωρίς επισκευές και ενισχύσεις. Σκοπός αυτών των αναλύσεων ήταν η επαλήθευση της ικανότητας της ελαστικής ανάλυσης να προβλέψει ικανοποιητικά τη δυναμική συμπεριφορά και να ερμηνεύσει την παθολογία που εμφανίζει σήμερα το κτήριο. Αρχικά επιβεβαιώθηκαν οι τιμές των μηχανικών χαρακτηριστικών των υλικών που λήφθηκαν υπόψη στο προσομοίωμα υπολογισμού και το πάχος της εδαφικής στρώσης που θεωρήθηκε. Σημειώνεται ότι το πάχος του εδάφους επηρεάζει αρκετά τα δυναμικά χαρακτηριστικά. Υπολογίστηκαν οι τέσσερις πρώτες ιδιοπερίοδοι, οι οποίες συγκρίθηκαν με μετρήσεις μικροδονήσεων που έγιναν στο ναό. Τα αποτελέσματα αυτής της σύγκρισης δίνονται στον Πίνακα 3, απ όπου προκύπτει ότι η ακρίβεια των αριθμητικών αναλύσεων είναι πολύ ικανοποιητική. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι ιδιοπερίοδοι που υπολογίστηκαν για το προσομοίωμα αντιστοιχούν στην αρηγμάτωτη κατασκευή και γι αυτό είναι λογικό να είναι ελαφρώς μικρότερες από τις αντίστοιχες της πραγματικής κατασκευής. 8

Πίνακας 3. Σύγκριση χαρακτηριστικών περιόδων προσομοιώματος και πραγματικής κατασκευής. Ιδιομορφή Προσομοίωμα ανάλυσης Κύρια διεύθυνση ταλάντωσης 1 Εγκάρσια διεύθυνση κυρίως ναού 2 Διαμήκης διεύθυνση εξωνάρθηκα 3 Διαμήκης διεύθυνση κυρίως ναού 4 Εγκάρσια διεύθυνση νάρθηκα Περίοδος (sec) Μετρήσεις μικροδονήσεων Θέση μέτρησης και διεύθυνση 0.26 Τρούλος κυρίως ναού Εγκάρσια διεύθυνση 0.22 Εξωνάρθηκας Διαμήκης διεύθυνση 0.21 Τρούλος κυρίως ναού Διαμήκης διεύθυνση 0.18 Τρούλος νάρθηκα Εγκάρσια διεύθυνση Περίοδος (sec) 0.29 0.26 0.22 0.16 Για την ερμηνεία της παθολογίας που εμφανίζει σήμερα το μνημείο, η οποία αποδίδεται κυρίως στο μεγάλο σεισμό του 1881, έγινε ανάλυση της κατασκευής για το σεισμό Northridge-Roscoe και υπολογίστηκαν οι κύριες εφελκυστικές τάσεις που αναπτύσσονται στην τοιχοποιία. Ένα παράδειγμα των αποτελεσμάτων δίνεται στα σχήματα 5(β) και (γ), όπου εμφανίζονται οι κύριες εφελκυστικές τάσεις που αναπτύσσονται στον ανατολικό τοίχο του Ιερού σε δύο διαφορετικές χρονικές στιγμές. Σε αυτά τα σχήματα, με γκρι χρώμα σημειώνονται οι περιοχές στις οποίες οι τάσεις είναι μεγαλύτερες από 350 kpa. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η εφελκυστική αντοχή της τοιχοποιίας δεν υπερβαίνει, κατά μέγιστο, την τιμή 100 kpa, είναι αναμενόμενο να συμβούν ρηγματώσεις σε αυτές τις περιοχές. Όντως, οι υφιστάμενες ρηγματώσεις (Σχήμα 5α) συμφωνούν σχεδόν απόλυτα με την πρόβλεψη της αριθμητικής ανάλυσης. Με τον ίδιο τρόπο κατέστη δυνατόν να ερμηνευτούν σχεδόν όλες ρωγμές στους τοίχους και τη θολοδομία του ναού. Αξίζει να σημειωθεί ότι η αριθμητική ανάλυση μπόρεσε να ερμηνεύσει και τις καταρρεύσεις που συνέβησαν σε παλαιότερους σεισμούς. Για μεν τον τρούλο του κυρίως ναού, του οποίου κατέρρευσε ο θόλος, προέκυψε ότι εφελκυστικές τάσεις μεγαλύτερες από την αντοχή της τοιχοποιίας αναπτύσσονται ταυτόχρονα στην στέψη όλων των πεσσών του τυμπάνου. Επομένως, είναι λογικό να καταρρεύσει ο θόλος σε ένα τέτοιο σεισμό, αφού, λόγω της επακόλουθης ρηγμάτωσης στη στέψη των πεσσών, παύει να υφίσταται μηχανισμός ικανός να παραλάβει τις οριζόντιες αδρανειακές δυνάμεις του θόλου. (α) (β) (γ) Σχήμα 5. Σύγκριση των υφιστάμενων ρωγμών στον Α τοίχο του Ιερού [σχήμα (α), σχέδιο από μελέτη των Καίρου & Πασχαλίδη, 1998] με τις περιοχές όπου οι κύριες εφελκυστικές τάσεις είναι μεγαλύτερες από 350 kpa [γκρι χρώμα στα σχήματα (β) και (γ)] για δύο χρονικές στιγμές κατά τη διάρκεια του σεισμού Northridge-Roscoe. 9

Στην περίπτωση του νάρθηκα, στον οποίο κατέρρευσαν οι θόλοι της οροφής, ο τρούλος, τα ανώτερα τμήματα του Β και Ν τοίχου και ο δυτικός τοίχος, η ανάλυση έδειξε ότι μεγάλες εφελκυστικές τάσεις αναπτύσσονται ταυτόχρονα στα δύο διαμήκη τόξα που φέρουν τα φορτία της θολοδομίας συμπεριλαμβανομένου και του τρούλου [Σχήμα 6(α)]. Φαίνεται, επομένως, ότι η κατάρρευση ξεκίνησε από αυτά τα τόξα και επεκτάθηκε στον τρούλο και τους θόλους, οι οποίοι παρέσυραν το δυτικό και και τα ανώτερα τμήματα του Β και Ν. τοίχου. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΜΕ ΕΠΕΜΒΑΣΕΙΣ Η ανάλυση της κατασκευής χωρίς επεμβάσεις έδειξε ότι σε περίπτωση ισχυρών σεισμών αναπτύσσονται στην τοιχοποιία και τη θολοδομία μεγάλες εφελκυστικές τάσεις, οι οποίες δεν μπορούν να παραληφθούν ακόμη και εάν επιδιορθωθούν οι υφιστάμενες βλάβες. Είναι προφανές, επομένως, ότι υπάρχουν ενδογενή προβλήματα και αδυναμία της κατασκευής να παραλάβει μεγάλα σεισμικά φορτία, που προέρχονται από την αρχιτεκτονική διαμόρφωση και τον τρόπο κατασκευής του κτηρίου, όπως το μεγάλο μέγεθος του τρούλου και η μη σύνδεση του κυρίως ναού με το νάρθηκα. Σημειώνεται επίσης ότι το μνημείο φέρει εξωτερικά κεραμοπλαστικό διάκοσμο και εσωτερικά τοιχογραφίες και επομένως η πλήρης αποκατάσταση των ρωγμών σε ορισμένες θέσεις δεν είναι πάντα εφικτή χωρίς μεγάλη επίπτωση στις αισθητικές και αρχιτεκτονικές αξίες του μνημείου. Για παράδειγμα, η ουσιαστική αποκατάσταση των ρωγμών σε περιοχές τοιχογραφιών θα μπορούσε να επιτευχθεί μόνον μετά την αποτοίχιση των τοιχογραφιών, γεγονός που δεν μπορούσε όμως να πραγματοποιηθεί στην συγκεκριμένη περίπτωση σε μεγάλες επιφάνειες λόγω του πλήθους των ρωγμών αλλά και κυρίως των παλαιότερων επεμβάσεων στερέωσής τους. Για το λόγο αυτό διερευνήθηκαν κατά προτεραιότητα οι επεμβάσεις που είχαν προταθεί από τις αρχικές μελέτες με στόχο την κατά το δυνατόν ενίσχυση της κατασκευής και τη βελτίωση της σεισμικής της συμπεριφοράς χωρίς να επηρεάζεται σημαντικά η αρχιτεκτονική του μνημείου. Αναζητήθηκαν όμως και νέες επεμβάσεις, ιδιαίτερα για την παραλαβή των φορτίων του μεγάλου τρούλου. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται οι αναλύσεις που έγιναν για την εκτίμηση της αποτελεσματικότητας των κυριότερων παλαιών και νέων προτάσεων επέμβασης και τον υπολογισμό των δυνάμεων που αναπτύσσονται στα συστήματα ενίσχυσης. Εφαρμογή ενεμάτων στην τοιχοποιία Η εφαρμογή ενεμάτων στην τοιχοποιία αποσκοπεί στην κατά το δυνατόν πλήρωση των κενών που υπάρχουν στο εσωτερικό των τοιχοποιιών, λόγω των βλαβών αλλά και της αποσάρθρωσης των υλικών και ιδιαίτερα των ξυλοδεσιών, στην αποκατάσταση της συνέχειας μεταξύ των διαφόρων τμημάτων και στη βελτίωση των μηχανικών της ιδιοτήτων. Στις αναλύσεις, για να ληφθεί υπόψη η μάζα των ενεμάτων, η πυκνότητα των τοίχων αυξήθηκε κατά 10% περίπου. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία (Vintzileou &Tassios 1995, Miltiadou et al. 2006) εκτιμάται ότι με την εφαρμογή ενεμάτων η εφελκυστική αντοχή της τοιχοποιίας μπορεί να διπλασιασθεί ή και τριπλασιασθεί ανάλογα με την περίπτωση. Επομένως από 100 kpa κατά μέσο όρο, που θεωρήθηκε ως εφελκυστική αντοχή πριν τα ενέματα, εκτιμήθηκε ότι μετά από την εφαρμογή ενεμάτων ομογενοποίησης η εφελκυστική αντοχή θα μπορούσε να αυξηθεί έως την τιμή 250 kpa περίπου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι με αυτή την αύξηση της αντοχής μειώνονται αρκετά οι περιοχές, στις οποίες 10

αναπτύσσονται εφελκυστικές τάσεις ικανές να προκαλέσουν ρηγματώσεις σε ένα ισχυρό σεισμό. Εξακολουθούν, όμως, να υπάρχουν αρκετές θέσεις με υπέρβαση τάσεων, που σημαίνει ότι αυτή η επέμβαση, ενώ βελτιώνει τη σεισμική απόκριση, δεν μπορεί να αποκλείσει τη δημιουργία μελλοντικών βλαβών σε κρίσιμες για την ευστάθεια της κατασκευής περιοχές, όπως στα ημιχώνια στήριξης του τρούλου του κυρίως ναού. Για το λόγο αυτό τα ενέματα συνδυάζονται συνήθως και με άλλα μέτρα επέμβασης, όπως ελκυστήρες, περισφίξεις, κλπ, με στόχο τη μείωση των παραμορφώσεων σε περίπτωση μεγάλης σεισμικής δόνησης. Περίσφιξη τοίχων με οριζόντιους ελκυστήρες και υποκατάσταση ρόλου ξυλοδεσιών Η τοποθέτηση μεταλλικών ελκυστήρων στους εξωτερικούς και εσωτερικούς τοίχους των μνημείων, εσωτερικά ή εξωτερικά, σε δύο ή τρία επίπεδα καθ ύψος ανάλογα με την περίπτωση, αποσκοπεί στην περίδεση των τοίχων και τη μείωση του κινδύνου δημιουργίας νέων ρωγμών ή διεύρυνσης των υφιστάμενων. Στη συγκεκριμένη περίπτωση διερευνήθηκε σύστημα τέτοιων ελκυστήρων, τόσο ελεύθερων όσο και στο εσωτερικό των τοίχων σε θέσεις παλαιών ξυλοδεσιών, που αποσκοπεί και στην υποκατάσταση του ρόλου τους σε συνδυασμό με την πλήρωση των κενών με κατάλληλο ένεμα. Επιπρόσθετα, οι διαμήκεις ελκυστήρες στο εσωτερικό του Β και Ν τοίχου αποσκοπούν και στη σύνδεση του κυρίως ναού με το νάρθηκα, που σήμερα είναι στατικά ανεξάρτητα τμήματα της κατασκευής. Οι αναλύσεις δείχνουν ότι η σύνδεση αυτή μειώνει δραστικά τις τάσεις που αναπτύσσονται στα διαμήκη τόξα υποστήριξης της οροφής του νάρθηκα, απ όπου εκτιμάται ότι ξεκίνησε η κατάρρευση της θολοδομίας και του τρούλου που συνέβη στο σεισμό του 1881. Αυτό φαίνεται στο Σχήμα6, όπου συγκρίνονται οι κύριες εφελκυστικές τάσεις που αναπτύσσονται κατά το σεισμό Northridge-Roscoe σε αυτά τα τόξα, αφ ενός στην υφιστάμενη κατασκευή [Σχήμα 6(α)] και αφ ετέρου στην κατασκευή μετά την εφαρμογή της σύνδεσης κυρίως ναού (α) Σχήμα 6. Κύριες εφελκυστικές τάσεις στα διαμήκη τόξα στήριξης της οροφής του νάρθηκα για το σεισμό Northridge-Roscoe: (α) χωρίς σύνδεση κυρίως ναού και νάρθηκα, (β) με σύνδεση κυρίως ναού και νάρθηκα. Με γκρι χρώμα σημειώνονται οι περιοχές με εφελκυστικές τάσεις μεγαλύτερες από 350 kpa. (β) 11

ρωγμές ρωγμές ρωγμές (α) (β) (γ) Σχήμα 7. Άνοψη που δείχνει δυσμενή σενάρια ρωγμών που θεωρήθηκαν στο ναό: (α) διαμήκεις ρωγμές για τον υπολογισμό των δυνάμεων των εγκάρσιων ελκυστήρων, (β) και (γ) εγκάρσιες ρωγμές για τον υπολογισμό των δυνάμεων των διαμήκων ελκυστήρων. και νάρθηκα [Σχήμα 6(β)]. Και στα δύο σχήματα, με γκρι χρώμα σημειώνονται οι περιοχές με τάσεις μεγαλύτερες από 350 kpa. Είναι χαρακτηριστικό ότι στο Σχήμα 6(β) οι περιοχές αυτές έχουν εξαφανιστεί. Για τον υπολογισμό των δυνάμεων που αναπτύσσονται στους ελκυστήρες κατά τη διάρκεια των πέντε σεισμικών διεγέρσεων θεωρήθηκε ότι έχουν συμβεί στην κατασκευή διαμπερείς ρωγμές και ρωγμές στα άκρα των εξωτερικών τοίχων (οι ρωγμές αυτές στις περισσότερες περιπτώσεις έχουν εντοπισθεί και στην ίδια την κατασκευή). Οι ρωγμές αυτές εισήχθησαν εξ αρχής στο προσομοίωμα υπολογισμού των επεμβάσεων, ώστε να ενεργοποιηθούν οι ελκυστήρες. Εξετάστηκαν διάφορα σενάρια που περιλάμβαναν είτε διαμήκεις ρωγμές (για τον υπολογισμό των δυνάμεων των εγκάρσιων ελκυστήρων) είτε εγκάρσιες ρωγμές (για τον υπολογισμό των δυνάμεων των διαμήκων ελκυστήρων), όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. Με αυτό τον τρόπο αντιμετωπίστηκε η αδυναμία της ελαστικής ανάλυσης να προβλέψει την εντατική κατάσταση μετά τη ρηγμάτωση. Τα σενάρια ρωγμών που εξετάστηκαν (Σχήμα 7) αντιστοιχούν σε ακραίες περιπτώσεις ρηγματώσεων και επομένως, τα αποτελέσματα θεωρούνται ως άνω όριο των δυνάμεων που μπορούν να αναπτυχθούν στους ελκυστήρες. Η μέγιστη εφελκυστική δύναμη που προέκυψε στη δυσμενέστερη περίπτωση ήταν 155 kn για τους διαμήκεις ελκυστήρες και 122 kn για τους εγκάρσιους. Εάν οι ελκυστήρες είχαν εφαρμοστεί στην αρχική κατασκευή, χωρίς τις θεωρητικές ρωγμές, οι αντίστοιχες δυνάμεις θα 12

ήταν 122 kn και 20 kn. Η διαφορά είναι πολύ μεγάλη για τους εγκάρσιους ελκυστήρες, αλλά όχι τόσο μεγάλη για τους διαμήκεις, γεγονός που επιβεβαιώνει και την αναγκαιότητα τοποθέτησής τους. Η μεγάλη διαφορά δυνάμεων στους εγκάρσιους ελκυστήρες οφείλεται στο γεγονός ότι, στην αρχική κατασκευή χωρίς τις ρωγμές, αυτοί οι ελκυστήρες πρακτικά δεν ενεργοποιούνται, αφού τα σεισμικά φορτία παραλαμβάνονται κυρίως από την τοιχοποιία. Αντίθετα, στην περίπτωση των διαμήκων ελκυστήρων, αυτοί αναλαμβάνουν σημαντικές δυνάμεις και πριν την έναρξη των ρηγματώσεων, επειδή ο κυρίως ναός και ο νάρθηκας είναι στατικά ανεξάρτητες κατασκευές που ταλαντώνονται με διαφορετικό τρόπο. Μεταλλικά πλαίσια στα παράθυρα των τρούλων Μία άλλη επέμβαση που διερευνήθηκε ήταν η τοποθέτηση μεταλλικών πλαισίων στα παράθυρα των τρούλων (Σχήμα 8) σε αντικατάσταση των ξύλινων που υπάρχουν σήμερα. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, στο άνω μέρος των στύλων του τρούλου του κυρίως ναού αναπτύσσονται μεγάλες εφελκυστικές τάσεις σε περίπτωση σεισμού, με αποτέλεσμα τον κίνδυνο κατάρρευσης του θόλου του τρούλου, όπως συνέβη στο σεισμό του 1881. Η τοποθέτηση μεταλλικών πλαισίων στα παράθυρα του τυμπάνου προσφέρει δυσκαμψία στον τρούλο και μειώνει δραστικά αυτές τις τάσεις. Όμως, κίνδυνος κατάρρευσης του τρούλου εξακολουθεί να υφίσταται, λόγω της προβληματικής του στήριξης στη βάση του τυμπάνου. Συγκεκριμένα, οι σημαντικές ζημιές που υπάρχουν στα ημιχώνια στήριξης του τρούλου αναμένεται να αυξηθούν σε ένα ισχυρό σεισμό, με άμεσο τον κίνδυνο κατάρρευσης λόγω απώλειας της στήριξης του τρούλου. Πρέπει να σημειωθεί ότι η ενίσχυση των ημιχωνίων στήριξης ώστε να αυξηθεί η φέρουσα ικανότητά τους (π.χ. τοποθέτηση διατμητικών συνδέσμων και τενόντων) είναι πρακτικά αδύνατη, λόγω των εκτεταμένων ρηγματώσεων σε Σχήμα 8. Πρόταση υποστήριξης του τρούλου του κυρίως ναού αποτελούμενη από μεταλλικούς δακτυλίους και μεταλλικά πλαίσια στα παράθυρα με σκοπό τη μεταφορά του βάρους του απ ευθείας στους τοίχους, σε περίπτωση απώλειας της στήριξής του στα ημιχώνια. 13

συνδυασμό με την πολύπλοκη γεωμετρία τους και των σημαντικών τοιχογραφιών που υπάρχουν σε αυτά, οι οποίες δεν μπορούν να απομακρυνθούν. Επομένως, διερευνήθηκε η υποστήριξη του τρούλου μεσω νέων μεταλλικών στοιχείων, καθώς φάνηκε ότι θα ήταν και ο μόνος τρόπος για την αποφυγή του κινδύνου κατάρρευσής του. Η τοποθέτηση μεταλλικών πλαισίων στα παράθυρα θα μπορούσε να συνδυαστεί και με ένα μηχανισμό υποστήριξης του τρούλου μέσω μεταλλικών δακτυλίων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8, ικανών να μεταφέρουν το βάρος του απ ευθείας στους τοίχους. Προκαταρκτικές αναλύσεις έδειξαν ότι αυτός ο μηχανισμός μπορεί να συγκρατήσει τον τρούλο ακόμη και εάν αυτός απωλέσει πλήρως τη στήριξή του μετά την καταστροφή των ημιχωνίων. Οι πρόσθετες τάσεις που μεταφέρονται στους τοίχους δεν φαίνεται να είναι τόσο μεγάλες ώστε να δημιουργήσουν πρόβλημα σε αυτούς. Όμως, περισσότερη διερεύνηση απαιτείται σε αυτό το θέμα, ώστε να αποκλειστούν πιθανές δευτερογενείς δυσμενείς συνέπειες αυτού του μηχανισμού. Επίσης, πρέπει να σημειωθεί ότι υπάρχει δυσκολία τοποθέτησης του εσωτερικού δακτυλίου, ο οποίος στην προταθείσα λύση προβλεπόταν να τοποθετηθεί στη θέση της παλαιάς ξυλοδεσιάς που υπήρχε στη βάση του τυμπάνου, με σκοπό την όσο το δυνατόν μικρότερη επέμβαση στην αρχιτεκτονική του ναού. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σε αυτή την εργασία παρουσιάζονται οι αναλύσεις που έγιναν για τη διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης του βυζαντινού ναού της Παναγίας της Κρήνας στη Χίο και την εκτίμηση της αποτελεσματικότητας των κυριοτέρων από τα μέτρα ενίσχυσης που έχουν προταθεί. Κατασκευάστηκε ένα λεπτομερές προσομοίωμα του ναού από τρισδιάστατα πεπερασμένα στοιχεία, στο οποίο συμπεριλήφθηκε και το επιφανειακό στρώμα του εδάφους, για να ληφθεί υπόψη η ελαστικότητα της θεμελίωσης. Η ορθότητα των μηχανικών χαρακτηριστικών των υλικών που θεωρήθηκαν στο μοντέλο υπολογισμού επιβεβαιώθηκε με σύγκριση των δυναμικών χαρακτηριστικών με μετρήσεις μικροδονήσεων στην πραγματική κατασκευή. Για τον καθορισμό των σεισμικών διεγέρσεων έγινε μελέτη σεισμικής επικινδυνότητας και με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν επελέγησαν πέντε πραγματικοί σεισμοί. Παρότι έγιναν μόνο ελαστικές αναλύσεις, κατέστη δυνατόν να ερμηνευτεί πολύ ικανοποιητικά η παθολογία του ναού, η οποία οφείλεται κυρίως στον ισχυρό σεισμό του 1881. Για το σκοπό αυτό έγινε σύγκριση των υφιστάμενων ρωγμών με τις περιοχές στις οποίες δημιουργούνται μεγάλες εφελκυστικές τάσεις. Επίσης, δικαιολογήθηκαν και οι μερικές καταρρεύσεις που συνέβησαν στο μνημείο στο σεισμό του 1881. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας, παρουσιάζεται η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας τριών μέτρων επέμβασης: (α) Εφαρμογή ενεμάτων στην τοιχοποιία. Τα ενέματα ενισχύουν σημαντικά την τοιχοποιία χωρίς όμως να εξαλείφουν τον κίνδυνο δημιουργίας νέων ρωγμών σε μελλοντικούς σεισμούς. 14

(β) (γ) Τοποθέτηση ελκυστήρων στο εσωτερικό των διαμήκων και εγκάρσιων τοίχων και υποκατάσταση του ρόλου των ξυλοδεσιών. Οι ελκυστήρες βελτιώνουν σημαντικά τη σεισμική συμπεριφορά επειδή μειώνουν τις αναπτυσσόμενες εφελκυστικές τάσεις. Ιδιαίτερα θετικά αποτελέσματα δίνουν οι ελκυστήρες στους διαμήκεις τοίχους, επειδή συνδέουν τα στατικώς ανεξάρτητα τμήματα του κυρίως ναού και του νάρθηκα, μειώνοντας σημαντικά τον κίνδυνο κατάρρευσης των διαμήκων τόξων στήριξης της οροφής του νάρθηκα, απ όπου φαίνεται ότι ξεκίνησε η κατάρρευση που συνέβη το 1881. Τοποθέτηση μεταλλικών πλαισίων στα παράθυρα των τρούλων. Με αυτή την επέμβαση αυξάνεται η δυσκαμψία των τρούλων και μειώνεται σημαντικά ο κίνδυνος κατάρρευσης των θόλων τους, όπως συνέβη στον τρούλο του κυρίως ναού στο σεισμό του 1881. Σε προκαταρκτικό στάδιο διερευνήθηκε και η σύνδεση των μεταλλικών πλαισίων των παραθύρων με δακτυλίους που τοποθετούνται στη βάση του τυμπάνου του τρούλου του κυρίως ναού, εκ των οποίων ο εξωτερικός εδράζεται στους τοίχους. Με το μηχανισμό αυτό επιτυγχάνεται η υποστήριξη του τρούλου σε περίπτωση καταστροφής των ημιχωνίων στήριξής του και για το λόγο αυτό η περαιτέρω διερεύνηση και βελτιστοποίηση τέτοιων επεμβάσεων θα ήταν χρήσιμη για την επισκευή παρόμοιων κατασκευών. Για τον υπολογισμό των δυνάμεων που αναπτύσσονται στα φέροντα στοιχεία των μέτρων ενίσχυσης θεωρήθηκαν δυσμενή σενάρια ρηγματώσεων στην κατασκευή, τα οποία εισήχθησαν στο μοντέλο υπολογισμού ώστε να μπορέσουν να ενεργοποιηθούν οι μηχανισμοί των επεμβάσεων. Με αυτό τον τρόπο παρακάμφθηκε η αδυναμία της ελαστικής ανάλυσης να εκτιμήσει την εντατική κατάσταση μετά την έναρξη των ρηγματώσεων. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο ναός έχει ενδογενή προβλήματα που οφείλονται στον τρόπο που έχει κατασκευαστεί, με αποτέλεσμα να είναι ευάλωτος σε σεισμικές καταπονήσεις. Οι αναλύσεις έδειξαν ότι οι επεμβάσεις που έχουν προταθεί βελτιώνουν τη σεισμική του συμπεριφορά, αλλά σε καμμία περίπτωση δεν εξαλείφουν τον κίνδυνο σοβαρών ζημιών σε μελλοντικούς σεισμούς, ακόμη και μερικών καταρρεύσεων. Ιδιαίτερα επικίνδυνος κρίνεται ο μεγάλος τρούλος του κυρίως ναού, λόγω της προβληματικής στήριξής του και των εκτεταμένων ρηγματώσεων που υπάρχουν στα ημιχώνια. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Οι αναλύσεις που παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία έγιναν στα πλαίσια ερευνητικού προγράμματος που ανατέθηκε και χρηματοδοτήθηκε από τη Διεύθυνση Τεχνικών Ερευνών Αναστήλωσης (ΔΙΤΕΑ) του Υπουργείου Πολιτισμού. Οι συγγραφείς ευχαριστούν τον Α. Κουμάντο, Αρχιτέκτονα Μηχανικό της ΔΙΤΕΑ, για τη βοήθειά του κατά τη διαμόρφωση του προσομοιώματος σχετικά με την απόδοση της πολύπλοκης γεωμετρίας του ναού και την Λ. Καράπιττα, μεταπτυχιακή σπουδάστρια Ε.Μ.Π, για τη βοήθειά της στις αριθμητικές αναλύσεις. 15

ΑΝΑΦΟΡΕΣ ABAQUS Inc., (2004), Abaqus Users Manual, U.S.A. Consortium of Organizations of Strong-Motion Observations Systems (COSMOS), URL: http://db.cosmos-eq.org/scripts/default.plx. European Strong-Motion Database, URL: http://smbase.itsak.gr. Βιντζηλαίου Ε., (2006), Παναγία Κρήνα στη Χίο: Εντόπιση ξύλινων ενισχύσεων, διαπίστωση κατάστασης, διερεύνηση σχετικών επεμβάσεων, ΥΠΠΟ/ΔΙΤΕΑ και Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος ΕΜΠ. Έδαφος Σύμβουλοι Μηχανικοί ΕΠΕ, (1998), Ι. Ναός Παναγίας Κρήνας χίου: Γεωτεχνική Έρευνα και μελέτη πιθανών τρόπων βελτίωσης της θεμελίωσης, ΔΑΒΜΜ, Υπουργείο Πολιτισμού, Αθήνα. Καίρου Α., Πασχαλίδης Γ., (1998), Αποτύπωση, τεκμηρίωση και μελέτη προτάσεων για τον Ι.Ν. Παναγίας Κρήνας στη Χίο, ΔΑΒΜΜ -3 η ΕΒΑ, Υπουργείο Πολιτισμού, Αθήνα. Lourenço P., (2002), Computations on historic masonry structures, Progress in Structural Engineering and Materials, 4, pp. 301-319. Μιλτιάδου Α., Ζαρογιάννη Ε., Χανδρινός, Ι., (2002), Μελέτη δομικής στερέωσης και αποκατάστασης φέροντος οργανισμού Ι.Ν. Παναγίας Κρήνας Χίου, ΔΑΒΜΜ,Υπουργείο Πολιτισμού, Αθήνα. Μιλτιάδου, Α., Δεληνικόλα Ε., Κονίδης Η., Ζαρογιάννη, Ε., (2003), Μελέτη στερέωσης και αποκατάστασης Ι.Ν. Παναγίας Κρήνας στη Χίο, ΔΑΒΜΜ, Υπουργείο Πολιτισμού, Αθήνα. Μιλτιάδου Α., Κουμάντος Α., (2006), Τεκμηρίωση της υπάρχουσας κατάστασης και παρουσίαση των προτάσεων συμπληρωματικών εργασιών βελτίωσης της δομητικής συμπεριφοράς του Ι.Ν. Παναγίας Κρήνας στη Χίο, ΔΙΤΕΑ, Υπουργείο Πολιτισμού, Αθήνα. Miltiadou-Fezans, A., Vintzileou, E., Papadopoulou, E., Kalagri, A., (2006), Mechanical properties of three-leaf stone masonry after grouting, Proc. 5 th inter. Sem. on Structural Analysis of Historical Constructions, New Delhi, India. Miltiadou Α., Delinikola E., Koumantos A., (2007), Design of structural interventions to the Byzantine church of Panaghia Krina in Chios Island, Proc. Int. Symposium: Studies on Historical Heritage (SHH07), Sept. 17-21, Antalya, Turkey. Palieraki V., Vintzileou E., Miltiadou-Fezans A., (2007), The use of radar technique and boroscopy in investigating historic masonry: Application of the techniques in Byzantine monuments in Greece, Proc. Int. Symposium: Studies on Historical Heritage (SHH07), Sept. 17-21, Antalya, Turkey. Penelis G., (2002), Structural restoration of historical buildings in seismic areas, Progress in Structural Engineering and Materials, 4, pp. 64-73. Psycharis I., Mouzakis H., Pavlopoulou E., Miltiadou A., (2007), Investigation of the seismic response of a Byzantine church Comparison with the existing damage, Proc. Int. Symposium: Studies on Historical Heritage (SHH07), Sept. 17-21, Antalya, Turkey. Syrmakezis C., (2006), Seismic protection of historical structures and monuments, Structural Control and Health Monitoring, 13, pp. 958-979. Vintzileou, E., Tassios, T.P., (1995), Three leaf stone masonry strengthened by injecting cement grouts, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 121, No5 Ψυχάρης Ι., Ταφλαμπάς I., (2006), Διερεύνηση δυναμικών χαρακτηριστικών Ι. Ν. της Παναγιάς της Κρήνας στη Χίο πριν και μετά τις επεμβάσεις, Τεχνική Έκθεση Φάσης 1.2: Εκτίμηση σεισμικής επικινδυνότητας της περιοχής του μνημείου, Report No. NTUA/LEE-06/02, ΥΠΠΟ/ΔΙΤΕΑ και Εργαστήριο Αντισεισμικής Τεχνολογίας Ε.Μ.Π. Ψυχάρης Ι., Μουζάκης Χ., Παυλοπούλου Ε., (2006), Διερεύνηση δυναμικών χαρακτηριστικών Ι. Ν. της Παναγιάς της Κρήνας στη Χίο πριν και μετά τις επεμβάσεις, Τεχνική Έκθεση Φάσης 1.3: Αριθμητική Ανάλυση Ερμηνεία παθολογίας, Report No. NTUA/LEE-06/03, ΥΠΠΟ/ΔΙΤΕΑ και Εργαστήριο Αντισεισμικής Τεχνολογίας Ε.Μ.Π. 16