An experimental study on restoration technique for the Acropolis of Athens: developing the experimental set-up for pull-out testing of titanium bars embedded in marble blocks

This work aims at investigating the mechanisms activated during the ex­trac­tion of titanium bars from a marble volume (pull-out phenomenon), used for re­joining fragmented marble structural members at the monuments of the Acropolis of Athens. The restoration protocol includes the insertion of threaded titanium bars into pre-drilled holes in the body of the structural members. The ad­hesion between marble and bars is achieved by an initially liquid cementitious material. There are two main aspects on which this project focuses. Firstly, the weak link of the marble-cement-titanium complex, the marble-cement interface, is inaccess­ible for traditional sensing techniques. In this context, the Acoustic Emission tech­nique is employed in order to detect failure and damages at the interior of the complex. Secondly, the specimens and the experimental procedure should simulate the same stress conditions in which all three phases within the marble-cement-titanium complex are under, while the struc­tural member is in service. For this purpose, two modified tests are proposed aiming at efficiently simulating the bars’ behavior as they are sliding through a marble epistyle. These tests provide promising results with regards to keeping the examined surface between bars and marble free from para­sitic stresses caused by the experimental set-up

An experimental study on restoration technique for the Acropolis of Athens: developing the experimental set-up for pull-out testing of titanium bars embedded in marble blocks

The present work aims at investigating the mechanisms activated during the extraction of titanium bars from a marble volume (pull-out phenomenon), used for rejoining fragmented marble structural members at the monuments of the Acropolis of Athens. The restoration protocol includes the insertion of threaded titanium bars into pre-drilled holes in the body of the structural members. The adhesion between marble and bars is achieved by an initially liquid cementitious material. There are two main aspects on which this project focuses. Firstly, the weak link of the marble-cement-titanium complex, the marble-cement interface, is inaccessible for traditional sensing techniques. In this context, the Acoustic Emission technique is employed in order to detect failure and damages at the interior of the complex. Secondly, the experimental specimen and procedure should simulate the same stress conditions in which all three phases within the marble-cement-titanium complex are under, while the structural member is in service. For this purpose, two modified tests are proposed aiming at efficiently simulating the bars’ behavior as they are sliding through a marble epistyle. The new tests achieve promising results with regards to keeping the examined surface between bars and marble free from the parasitic stresses caused by the experimental set-up

Pre-failure indicators detected by Acoustic Emission: Alfas stone, cement-mortar and cement-paste specimens under 3-point bending

Acoustic Emission (AE) is the technique most widely used nowadays for Structural Health Monitoring (SHM). Application of this technique for continuous SHM of restored elements of stone monuments is a challenging task. The co-existence of different materials creates interfaces rendering “identification” of the signals recorded very complicated. To overcome this difficulty one should have a clear overview of the nature of AE signals recorded when each one of the constituent materials is loaded mechanically. In this direction, an attempt is here described to enlighten the signals recorded, in case a series of structural materials (natural and artificial), extensively used for restoration projects of classic monuments in Greece, are subjected to 3-point bending. It is hoped that obtaining a clear understanding of the nature of AE signals recorded during these elementary tests will provide a valuable tool permitting “identification” and “classification” of signals emitted in case of structural tests. The results appear encouraging. In addition, it is concluded that for all materials tested (in spite their differences in microstructure and composition) clear prefailure indicators are detected, in good accordance to similar indicators provided by other techniques like the Pressure Stimulated Currents (PSC) one

Acoustic Emissions versus Pressure Stimulated Currents during bending of restored marble epistyles: Preliminary results

The efficiency of two modern sensing techniques, namely the “Acoustic Emissions” and the “Pressure Stimulated Currents” ones, when they are used as Continuous Structural Health Monitoring tools, is assessed experimentally. The protocol includes multi-point bending of an accurate copy of a fractured marble epistyle of the Parthenon’s Temple on the Acropolis of Athens, under a scale of 1:3. The integrity of the epistyle is restored with three pairs of bolted titanium bars, according to the pioneering technique developed by the scientists of the “Committee for the Conservation of the Acropolis Monuments”. The data provided by the above techniques are considered in juxtaposition to each other and also in comparison to data provided by the “Digital Image Correlation” technique. It is concluded that, at least from a qualitative point of view, the data of all three techniques are in good mutual agreement. Combined exploitation of the various sets of experimental data enlightens interesting aspects concerning the succession of failure mechanisms activated during the loading procedure, revealing the critical role of the internal interfaces characterizing the restored epistyle. Moreover it is definitely indicated that both the “Acoustic Emissions” and the “Pressure Stimulated Currents” techniques provide clear signs of upcoming failure well before macroscopically visible damages are detected at the external surface of the specimen

Applying innovative experimental techniques for the study of the mechanical behavior of structural members of ancient monuments and numerical simulation

The structural restoration of stone monuments is a complicated task that demands the co-operation of specialists from various scientific disciplines such as archeologists, architects, structural engineers, chemical engineers and survey engineers. The final decision made is usually a compromise between many and contradictory points of view. The basic problem in case of marble monuments is the restoration of their monolithic character which is sometimes badly damaged. In order for the structural integrity of such monuments to be properly restored, a pioneering technique was developed, some decades ago, by scientists working for the restoration of the Acropolis of Athens. According to this technique the fractured marble elements are connected by inserting titanium bars into pre-drilled holes. The adhesion between marble and bars is achieved by a suitable white cement paste (Korres et al., 1989). Τhe aim of the present work is to quantify the parameters influencing the pull-out phenomenon, i.e. the gradual or abrupt slip of the reinforcing bars, without prior failure of neither the bar nor the marble. More specifically this study is devoted to the investigation of the progressive failure of the interfaces between the constituent elements of the marble-cement paste-titanium complex, by using sensing techniques which permit pumping data from the interior of the specimens. In this direction the Acoustic Emission (AE) and the Pressure Stimulated Currents (PSC) techniques were used. In parallel an attempt is described to check whether the signals recorded using the above two techniques could be considered as proper pre-failure indicators.Due to the fact that the above tests are complex and include three different materials, the characterization of the emitted signals is considered a complicated task. Therefore, it was necessary initially that the non-destructive monitoring techniques were applied on individual materials used in the restoration of monuments in order to extract preliminary useful data.Two classes of Double Edge Notched specimens of Dionysos marble with different lengths of notches were tested on direct tension experiments. The monitoring techniques applied to the tests included a high speed camera detecting the onset and the evolution of the crack in many frames/seconds, the Digital Image Correlation technique (DIC) providing a wider view of the mechanical behavior-deformation of the specimen, the Acoustic Emission technique (AE), monitoring the acoustic activity during the test and the Pressure Stimulated Currents (PSC) technique recording the electrical signals produced by the material’s cracking. The results by the previous innovative techniques were successfully correlated with the traditional mechanical techniques (clip gauges).Also, 3-point bending tests were conducted on specimens of cement paste and mortar similar to those used in the restoration works of the Acropolis monuments of Athens. The applied techniques of the Acoustic Emission and the electrical signals PSC provided interesting results in monitoring the materials behavior and gave signs that the material is near to its fracture. Furthermore, the characterization of the acoustic signals during the experiments identified a significant separation between the signals near and right before the fracture.Another material, Alfas- Rethymnon stone, was tested on uniaxial compression tests and on 3 point bending tests. The Alfas stone is a limestone which was used in many monuments in Crete due to its abundance in the area. Nowadays, Alfas is considered as a potential substitute stone for the restoration of the Epidaurus monuments while in the past it was extensively used for the restoration of several monuments in Crete such as the Monastery of Arkadi, a monument of great historical and cultural significance. After the identification of the acoustic signals and the electrical signals emitted by the individual materials, these techniques were applied to more complex structures, combining different and more than one materials. A multipoint bending experiment were conducted in order to simulate the loading on a restored fractured epistyle with an inclined fault plane. For the monolithic restoration of the two fragments six titanium rods and white cement paste were used, according to the technique followed in the restoration works of the Acropolis monuments.The experimentally applied recording techniques were the Acoustic Emission technique, the electrical signals PSC technique and the Digital Image Correlation (DIC). Their results were successfully combined with those extracted by simple mechanical techniques such as clip gauges and LVDTs (Linear Variable Differential Transformer).The “pull out” test and the multipoint bending test of the restored epistyle are simulated numerically using the Finite Element program ABAQUS. The main goal is to have a reliable numerical model that will be able to describe the behavior of the interface between the titanium bars - marble and the overall mechanical behavior of the above complex structures. Finally, through a numerical parametric analysis, the influence of different fault’s angles on the restored epistyle’s mechanical behavior will be examined.H αποκατάσταση της μονολιθικότητας των δομικών μελών μαρμάρινων μνημείων είναι ένα πρόβλημα το οποίο απαιτεί τον συγκερασμό πολλών αντικρουόμενων απόψεων (αρχαιολόγων, αρχιτεκτόνων, πολιτικών μηχανικών, χημικών κ.α.). Το βασικό πρόβλημα είναι ότι στις περισσότερες περιπτώσεις τα μάρμαρα είναι έντονα κατακερματισμένα. Για να αποκατασταθεί η στατική επάρκεια και η δομική αρτιότητα των μνημείων προτάθηκε, πριν μερικές δεκαετίες, μία πρωτοποριακή μέθοδος από τους επιστήμονες οι οποίοι εργάζονταν στα αναστηλωτικά έργα της Ακρόπολης των Αθηνών. Σύμφωνα με αυτή την τεχνική τα μαρμάρινα θραύσματα συγκολλούνται με λευκό τσιμέντο Portland και ενισχύονται με κοχλιοτομημένες ράβδους τιτανίου (Korres et al., 1989). Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να εξετάσει κατά πόσο μπορούν τεχνικές μη καταστροφικού ελέγχου να παρακολουθήσουν τη συμπεριφορά των αποκαταστημένων μνημείων και να εντοπίσουν έγκαιρα σημεία που χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής. Κατά το σχεδιασμό των συνδέσεων για την αποκατάσταση της μονολιθικότητας των επιστυλίων βασικό μέλημα είναι να μην αστοχήσει ούτε το μάρμαρο αλλά ούτε και το τιτάνιο. Αν όμως υπάρξει αστοχία αυτή θα πρέπει ιδεατά να είναι η σχετική ολίσθηση της ράβδου ως προς το μάρμαρο (εξόλκευση οπλισμού). Υλοποιήθηκε σειρά πειραμάτων εξόλκευσης σε μαρμάρινους όγκους διαφορετικών διαστάσεων εφαρμόζοντας την τεχνική των Ακουστικών Εκπομπών και των ηλεκτρικών σημάτων (PSC). Τα αποτελέσματα των τεχνικών συσχετίστηκαν με τα αντίστοιχα των κλασικών μηχανικών τεχνικών ώστε να διαπιστωθεί αν είναι εφικτό να εντοπιστούν φαινόμενα από το εσωτερικό του δοκιμίου τα οποία οδηγούν στην αστοχία πολύ πριν αυτό γίνει μακροσκοπικά αντιληπτό. Έγιναν εναλλακτικοί σχεδιασμοί των πειραμάτων εξόλκευσης με στόχο να επιτευχθεί η εξάλειψη των παρασιτικών σημάτων που καταγράφουν οι τεχνικές και οφείλονται στις συνοριακές συνθήκες στήριξης του δοκιμίου αλλά και γενικότερα στην πειραματική διάταξη. Τα αποτελέσματα ήταν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά δίνοντας καθαρά σήματα για τη συμπεριφορά της σύνδεσης μαρμάρου - τσιμεντοκονίας - ράβδου τιτανίου αλλά και για το πότε επίκειται η έναρξη της εξόλκευσης της ράβδου. Δεδομένου όμως ότι οι παραπάνω δοκιμές αφορούν σύνθετα συμπλέγματα (κατασκευές όπου συνδυάζονται 3 διαφορετικά υλικά) είναι σαφέστατα πιο πολύπλοκο να διαχωριστούν και να ταυτοποιηθούν οι πηγές των σημάτων. Συνεπώς, κρίθηκε αναγκαίο οι βασικές τεχνικές μη καταστροφικού ελέγχου να εφαρμοστούν κατ’ αρχήν σε απλά τυποποιημένα δοκίμια από μεμονωμένα υλικά που χρησιμοποιούνται στην αποκατάσταση των μνημείων. Έγιναν πειράματα εφελκυσμού σε δύο κατηγορίες δοκιμίων μορφής «Double Edge Notched Τensile (DENT)» από μάρμαρο Διονύσου με συμμετρικές εγκοπές ως προς τον κατακόρυφο άξονα του δοκιμίου. Η θραύση του δοκιμίου καταγράφηκε με τη βοήθεια κάμερας με υψηλή ταχύτητα καταγραφής (high speed) ώστε να εντοπιστεί με βεβαιότητα από ποια εγκοπή ξεκίνησε η ρωγμή και πως αυτή διαδόθηκε. Η τεχνική συσχέτισης ψηφιακής εικόνας (Digital Image Correlation DIC) κατέγραψε τη συνολική μηχανική συμπεριφορά του δοκιμίου και συσχετίστηκε επιτυχώς με τις καταγραφές απλών μηχανικών τεχνικών (clip gauges). Τέλος οι τεχνικές των Ακουστικών εκπομπών (Acoustic Emission AE) και των ηλεκτρικών σημάτων (Pressure Stimulated Currents PSC) έδωσαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα πλήρως συσχετιζόμενα με τα αντίστοιχα των υπόλοιπων τεχνικών. Επίσης έγιναν δοκιμές κάμψης 3 σημείων σε δοκίμια από τσιμεντοκονία και κονίαμα σε αναλογίες ίδιες με εκείνες που χρησιμοποιούνται στα έργα αποκατάστασης των μνημείων της Ακρόπολης των Αθηνών. Εφαρμόστηκαν οι τεχνικές των Ακουστικών Εκπομπών AE αλλά και των ηλεκτρικών σημάτων PSC, από τις οποίες προέκυψαν ενδιαφέροντα αποτελέσματα τόσο για το χαρακτηρισμό των σημάτων κατά τη διάρκεια των πειραμάτων όσον και για τον εντοπισμό πιθανών ενδείξεων ότι το υλικό ευρίσκεται κοντά στη αστοχία (όσον το δυνατόν ενωρίτερον σε σχέση με το χρονικό σημείο της τελικής θραύσης). Τέλος, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές μονοαξονικής θλίψης και κάμψης τριών σημείων σε δοκίμια από μαργαϊκό ασβεστόλιθο (Αλφάς) εφαρμόζοντας τις τεχνικές των ακουστικών και ηλεκτρικών σημάτων. Το πέτρωμα αλφάς εξορύσσεται σε λατομεία κοντά στο χωριό Αλφά της επαρχίας Μυλοποτάμου (Ρέθυμνο Κρήτης), είναι υπόλευκο και έχει χρησιμοποιηθεί στην δόμηση σειράς μνημειακών κατασκευών στην Κρήτη. Τα πειράματα έδωσαν ικανοποιητικά αποτελέσματα.Βασικός στόχος των παραπάνω πειραμάτων είναι η ταυτοποίηση των σημάτων και η συσχέτιση με τις πηγές από τις οποίες αυτά προέρχονται, σε δοκίμια απλά και ελεγχόμενα ώστε να μπορούν να εφαρμοστούν οι τεχνικές και να ερμηνευτούν τα αποτελέσματα τους σε πειράματα με πλέον σύνθετα και πλέον περίπλοκης γεωμετρίας δοκίμια. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε πείραμα κάμψης 10 σημείων σε προσομοίωμα ενός θραυσμένου επιστυλίου με κεκλιμένο επίπεδο ρήγματος. Για τη συγκόλληση των θραυσμάτων χρησιμοποιήθηκαν 6 ράβδοι τιτανίου και πάστα λευκού τσιμέντου σύμφωνα με την τεχνική που ακολουθείται στα έργα αναστήλωσης και αποκατάστασης των μνημείων της Ακρόπολης. Στο πείραμα εφαρμόστηκαν οι τεχνικές των Ακουστικών Εκπομπών, των ηλεκτρικών σημάτων PSC, της τεχνικής συσχέτισης ψηφιακής εικόνας (DIC) οι οποίες συνδυάστηκαν με απλές μηχανικές τεχνικές όπως η εφαρμογή απλών μηκυνσιομέτρων τύπου clip gauge και ηλεκτρικών μηκυνσιομέτρων τύπου LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Στη συνέχεια τα πειραματικά δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για τη βαθμονόμηση - αξιολόγηση αριθμητικού προσομοίωματος τόσον των δοκιμών της εξόλκευσης όσον και αυτών της κάμψης 10 σημείων του αποκαταστημένου επιστυλίου με κεκλιμένο ρήγμα, μέσω του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Βασικός στόχος είναι να δημιουργηθεί ένα αξιόπιστο αριθμητικό προσομοίωμα που θα έχει τη δυνατότητα να περιγράψει τη μηχανική συμπεριφορά τόσο των διεπιφανειών μεταξύ οπλισμών και μαρμάρου αλλά και τη συνολική μηχανική συμπεριφορά των συγκεκριμένων κατασκευών. Με τη βοήθεια των αριθμητικών προσομοιωμάτων έγινε παραμετρική ανάλυση δοκιμίων με διαφορετικές κλίσεις ρηγμάτων για να μελετηθεί η επιρροή της κλίσης στην μηχανική απόκριση του επιστυλίου

Numerical simulation of a deep excavation’s retaining system

140 σ.Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Δομοστατικός Σχεδιασμός και Ανάλυση των Κατασκευών”Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία επικεντρώθηκε στα κύρια σημεία τα οποία χρίζουν ιδιαίτερης προσοχής κατά το σχεδιασμό ενός συστήματος αντιστήριξης μιας βαθιάς εκσκαφής. Πιο συγκεκριμένα, ασχοληθήκαμε με την ανάλυση και την αριθμητική προσομοίωση ενός πασσαλότοιχου με αγκύρια. Αρχικά, βασικό είναι να επιλεγεί το βέλτιστο σύστημα αντιστήριξης με βάση τα χαρακτηριστικά, τις ανάγκες και τους περιορισμούς που έχει το υπό μελέτη έργο. Επιλέγοντας ως βέλτιστη λύση την κατασκευή τοίχου αντιστήριξης με αγκύρια αναλύθηκε η λειτουργία και ο τρόπος σχεδιασμού κάθε επιμέρους τμήματος της κατασκευής. Το βασικότερο στοιχείο του έργου είναι τα αγκύρια γιατί είναι αυτά τα οποία ουσιαστικά παραλαμβάνουν τις ωθήσεις των γαιών. Για να επιλεγούν οι θέσεις και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους είναι σημαντικό να προσδιοριστεί η κρίσιμη επιφάνεια αστοχίας κατά μήκος της οποίας το πρανές ολισθαίνει. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι προσεγγιστικού αριθμητικού υπολογισμού της κρίσιμης επιφάνειας ολίσθησης, κάποιες από τις οποίες αναλύονται στην παρούσα εργασία. Επίσης, σημαντικό ρόλο στην κατασκευή έχει ο πάσσαλος. Για να επιλεγεί η κατάλληλη διατομή του πασσάλου θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η μέγιστη ροπή η οποία αναπτύσσεται σε αυτόν. Για το σκοπό αυτό υπάρχουν 2 μέθοδοι, η μέθοδος των αρθρώσεων και της ζώνης επιρροής. Ταυτόχρονα μπορεί να προβλεφθεί επίσης προσεγγιστικά η συμπεριφορά του πετάσματος αλλά και η μορφή των μετακινήσεων τόσο του τοίχου όσο και του αντιστηριζόμενου εδάφους. Περιγράφονται συνοπτικά κάποιες από τις μεθόδους προσδιορισμού των μετακινήσεων του εδάφους, καθώς και οι κυριότεροι περιορισμοί στις βυθίσεις του λόγω της εκσκαφής, ώστε να εξασφαλιστεί η ακεραιότητα των γειτονικών κατασκευών. Επίσης, αναπτύχθηκε αριθμητικό προσομοίωμα βασισμένο στα χαρακτηριστικά του εδάφους και της κατασκευής του τοίχου αντιστήριξης στο σταθμό του μετρό «ΚΕΡΑΜΙΚΟΣ». Με τη βοήθεια του αριθμητικού προσομοιώματος, ελέγχθηκε αν έχουμε την αναμενόμενη συμπεριφορά τόσο στο πέτασμα όσο και στις βυθίσεις της επιφάνειας του εδάφους αλλά και πως μεταβάλλεται η τάση κατά μήκος των 6 αγκυρίων της κατασκευής. Τέλος, έγινε προσπάθεια προσδιορισμού της κρίσιμης επιφάνειας ολίσθησης του πρανούς με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Στη συνέχεια συγκρίθηκαν οι επιφάνειες που προέκυψαν με εκείνες που υπολογίσθηκαν με βάση τις μεθόδους της οριακής κατάστασης ισορροπίας (Bishop, Janbu, Spencer, Fellenius).The present thesis focuses on the main issues that are significant for the design of a retaining wall which supports a deep excavation. Especially, we dealt with the analysis and numerical simulation of an anchored sheet pile wall. Initially, the main goal is to choose the optimal and most appropriate solution which will be based on the characteristics of the soil, the needs and the demands of the structure. For the case at hand, the most suitable choice is an anchored sheet pile wall. For each part of the structure, its general behavior and the key points followed for its design are indicated. The anchors are one of the most important part of the structure as they sustain the earth pressure in its whole. In order to select the positions and the geometric characteristics of the anchor system it is significant to determine the critical failure surface along which the slope slides. There are a lot of methods to approximate this critical surface. Next, the pile has a vital role in the structure. In order to select the most suitable pile section we calculate the maximum moment that occurs in the pile. For the determination of this moment we use two methods, the hinge method and the tributary method. At the same time, we can predict somehow the behavior of the wall and the form of the movements of the wall and the soil. We present briefly, some of the usual methods of estimating the soil’s movements and the main restrictions of the movement of the settlements in order to ensure the integrity of the adjacent buildings and structures. Finally, a numerical model, based on the soil’s parameters and the geometrical characteristics of the wall which has been constructed at the metro station "KERAMIKOS", was developed. With the help of the numerical model, we check the behavior of the wall, the reaction of the surface soil during the excavation’s steps and the variation of the stress along the six anchors of the structure. Furthermore, we tried to determine the critical failure surface by the finite element method and compare the results with those given by the methods of limit equilibrium (Bishop, Janbu, Spencer, Fellenius).Ιωάννα Ν. Δακανάλ