Σεισμική Συμπεριφορά Ιερών Ναών

Πρόσφατες Εμπειρίες και Προτεινόμενη Στρατηγική Αντιμετώπισης

Κων/νος  Σπυράκος

Καθηγητής ΕΜΠ, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών

1. Εισαγωγή

Κατά την τελευταία επταετία στη χώρα μας, η οποία κατέχει την πρώτη θέση στην Ευρώπη σε ένταση και συχνότητα σεισμών, έλαβαν χώρα πέντε σημαντικά σεισμικά γεγονότα καθώς και πληθώρα άλλων λιγότερο ισχυρών σεισμών (Αμφίκλεια στις 07/08/2013, Κεφαλονιά στις 26/01/2014 και 23/02/2014, Λευκάδα στις 17/11/2015, Λέσβος στις 12/06/2017, Κως στις 21/07/2017). Σε όλους τους σεισμούς διαπιστώθηκε η ευπάθεια των Ιερών Ναών (Ι.Ν.) σε σεισμό και η εμφάνιση ιδιαίτερα εκτεταμένων βλαβών, οι οποίες σχεδόν στο σύνολό τους δεν έχουν ακόμη αποκατασταθεί.

Η επόμενη Ενότητα 2 παρουσιάζει συνοπτικά στοιχεία σχετικά με τη σεισμική συμπεριφορά και τις επεμβάσεις σε Ιερούς Ναούς (Ι.Ν.) και Ιερές Μονές (Ι.Μ.) από φέρουσα τοιχοποιία που αποτελούν την πλειονότητα των εκκλησιαστικών κτισμάτων στη χώρα μας. Αναλυτικότερη περιγραφή παρουσιάζεται στο πρόσφατο βιβλίο: “Κατασκευές από Τοιχοποιία: Αποτίμηση και Επεμβάσεις για Σεισμικά Φορτία”, Αναφορά [1].

2. Σεισμική Συμπεριφορά των Ιερών Ναών και Μονών και Επεμβάσεις

• Ιεροί Ναοί

Στο σύνολό τους οι Ι.Ν., ανεξαρτήτως εποχής, δε χαρακτηρίζονται από στέγαση η οποία είναι απαραμόρφωτη, είτε αυτή είναι ξύλινη στέγη είτε λίθινη. Εκτός από την απουσία άκαμπτης ή δυσπαραμόρφωτης στέγασης, οι εκκλησίες παρουσιάζουν πολλές φορές ιδιαιτερότητες όσον αφορά τα δομικά χαρακτηριστικά τους τα οποία περιλαμβάνουν μεταξύ άλλων: (i) εύκαμπτους τοίχους μεγάλου σχετικού ύψους ως προς το πάχος τους και αρχιτεκτονικά στοιχεία μεγάλου βάρους και διαστάσεων, όπως είναι οι τρούλοι και οι θόλοι, (ii) έλλειψη δομικών στοιχείων ανάληψης εφελκυσμού (ελκυστήρες και περιμετρικά διαζώματα) και (iii) ανεπαρκή σύνδεση μεταξύ των κατακόρυφων τοίχων αλλά και μεταξύ των τοίχων και της θολοδομίας. Τα χαρακτηριστικά αυτά έχουν ως αποτέλεσμα τη διαπιστωμένα αυξημένη τρωτότητα των εκκλησιών σε σεισμό. Επιπρόσθετα, η γήρανση των δομικών υλικών, σε συνδυασμό με την απουσία ή τη δυσκολία εφαρμογής επεμβάσεων καθιστά τη σεισμική διακινδύνευσή τους ιδιαίτερα αυξημένη.

Σε ορισμένες περιπτώσεις η τελική εικόνα ενός Ι.Ν. μετά από έναν ισχυρό σεισμό παρουσιάζει πολλούς διαφορετικούς μηχανισμούς βλάβης τόσο τοπικού χαρακτήρα (τοπικοί μηχανισμοί εκτός επιπέδου) όσο και γενικού χαρακτήρα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Στο εν λόγω σχήμα αποτυπώνονται αστοχίες με διατμητικές ρωγμές σε πεσσούς (κόκκινο χρώμα), στη σύνδεση των αετωμάτων με τον τοίχο της δυτικής όψης (μωβ χρώμα), αποκολλήσεις σε θέσεις διαφοροποίησης της γεωμετρίας (σύνδεση του νάρθηκα με τον κυρίως ναό, πράσινο χρώμα), καθώς και ένδειξη ανάπτυξης τοπικού μηχανισμού τύπου σφήνας στη βορειοδυτική γωνία (μπλε χρώμα).

Σχήμα 1.: Συνδυασμένη μορφή αστοχίας λόγω τόσο της συμπεριφοράς της κατασκευής “ως συνόλου” όσο και της ενεργοποίησης τοπικών μηχανισμών.

Ο τύπος  του Ι.Ν. επηρεάζει τη σεισμική του συμπεριφορά, π.χ., ο “περίκεντρος” λόγω συμμετρίας θεωρείται λιγότερο ευάλωτος σε σεισμό από τη “βασιλική”. Στη “βασιλική” η απουσία αντηρίδων, διαζωμάτων και ελκυστήρων την καθιστά ιδιαίτερα ευάλωτη. Η προσθήκη διαζωμάτων, αντηρίδων και ελκυστήρων δύναται να αποτρέψει και την ανάπτυξη τοπικών μηχανισμών εκτός επιπέδου (Σχήματα 2α και β). Τυπικές διατάξεις αντηρίδων παρουσιάζονται στο Σχήμα 3. Όσον αφορά τις διαστάσεις μιας αντηρίδας πρέπει: (i) το ύψος της να καλύπτει το ύψος του τοίχου που στηρίζει, (ii) το πάχος της πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσο με το πάχος του τοίχου και (iii) το πλάτος της βάσης πρέπει να είναι διπλάσιο του πάχους του τοίχου. Οι αντηρίδες πρέπει να συνδέονται με ισχυρούς συνδέσμους με τους τοίχους που στηρίζουν και να συνδέονται με ισχυρό διάφραγμα ή διάζωμα με τον αντιστηριζόμενο φορέα (βλ. Σχήμα 3α). Στο Σχήμα 4(α) παρουσιάζεται εξωτερική περίδεση με ελκυστήρες και στο Σχήμα 4(β) παρουσιάζεται λεπτομέρεια συνδυασμού αντηρίδων και ελκυστήρων.

Σχήμα 2.: Ενίσχυση με προσθήκη: (α) ελκυστήρων, (β) αντηρίδων.

Σχήμα 3.: Λίθινες αντηρίδες: (α) πλευρική τοποθέτηση με διαπλάτυνση της βάσης, (β) πλευρική τοποθέτηση με διαμόρφωση στοάς.

Σχήμα 4.: Τοποθέτηση ελκυστήρων υπό τη μορφή περιμετρικής περίδεσης στους περιμετρικούς τοίχους.

Στις εκκλησίες “βυζαντινού” τύπου η απουσία ελκυστήρων και διαπλατύνσεων στα σημεία στήριξης των καμπύλων φορέων της θολοδομίας (τόξα, θόλοι, κ.λπ.) στους περιμετρικούς τοίχους ή στους κίονες καθιστά τις εκκλησίες ευάλωτες σε σεισμούς. Μέρος της αντιμετώπισης του προβλήματος αποτελεί η προσθήκη ελκυστήρων στη γένεση των τόξων, καθώς και η “περίδεση” συνήθως στη βάση του τρούλλου με μεταλλικά στοιχεία (Σχήμα 5).

Σχήμα 5.: Ενίσχυση με μεταλλική περίδεση στο τύμπανο του τρούλου: (α) Κάτοψη I.N και ελκυστήρες. (β) Λεπτομέρεια κάτοψης τρούλου με ενίσχυση περίδεσης. (γ) Λεπτομέρεια σύνδεσης Λ1.

Η ενίσχυση και η επισκευή τόξων, θόλων, σταυροθολίων και γενικά καμπύλων φορέων επιτυγχάνεται με την προσθήκη ελκυστήρων, καθώς και μεταλλικών στοιχείων στην άνω παρειά τους (ενδεικτικά βλ. Σχήματα 6 και 7). Αντί των μεταλλικών στοιχείων μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σύνθετα υλικά.

Σχήμα 6.: Ενίσχυση θόλου με μεταλλικά στοιχεία ή με σύνθετα υλικά.

Η στήριξη των τρούλων σε μικρών διαστάσεων κίονες δύναται να οδηγήσει σε αστοχία αυτών των στοιχείων. Τα προβλήματα αυτά αντιμετωπίζονται με διάφορες μεθόδους, όπως με περίσφιγξη των κιόνων (Σχήμα 7α).

Σχήμα 7.: (α) Περίσφιγξη κίονα με κυκλικά μεταλλικά στοιχεία. (β) Περίσφιγξη και εφαρμογή ελκυστήρα σε κίονα. (γ) Εφαρμογή ελκυστήρων σε κεντρικό πεσσό. (δ) Περιμετρικοί ελκυστήρες σε κωδωνοστάσιο.

Η συνήθης απουσία διαζωμάτων (κατά κανόνα ξύλινων) στα σημεία στήριξης των πλαισίων της οροφής για τις “βασιλικές” ή της θολοδομίας για τις “βυζαντινές” καθιστά τους κατακόρυφους τοίχους ιδιαίτερα ευάλωτους σε σεισμό με αποτέλεσμα την ανάπτυξη τοπικών μηχανισμών εκτός επιπέδου. Στο Σχήμα 8(α) φαίνεται η ανατροπή του τυμπάνου αετώματος και γωνιακού τμήματος της δυτικής όψης Ι.Ν., καθώς και σημαντικές ρωγμές στη στάθμη σύνδεσης Ι.Ν. και κωδωνοστασίου. Αντίστοιχη σχηματική απεικόνιση τοπικού μηχανισμού ανατροπής παρουσιάζεται στο Σχήμα 8(β). Τέτοιου είδους τοπικές αστοχίες εμφανίζονται και στις κόγχες (Σχήμα 9, Κως 2017).

Σχήμα 8.: Τοπικός μηχανισμός ανατροπής εκτός επιπέδου: (α) φωτογραφική αποτύπωση, (β) σχηματική αναπαράσταση.

Σχήμα 9.: Τοπικός μηχανισμός ανατροπής της κόγχης: (α) φωτογραφική αποτύπωση, (β) σχηματική αναπαράσταση

Τυπική μορφή τοπικού μηχανισμού ανατροπής είναι η αποκόλληση της εξωτερικής στρώσης του τυμπάνου αετώματος (Σχήμα 10, Λευκάδα 2015). Αυτή η μορφή αστοχίας οφείλεται στην έλλειψη εγκάρσιων συνδέσμων μεταξύ της εξωτερικής και της εσωτερικής στρώσης της τοιχοποιίας. Στο Σχήμα 11 (Κεφαλονιά 2014) διαπιστώνονται δύο τοπικοί μηχανισμοί: Ο πρώτος αφορά την ανατροπή και την πτώση του τυμπάνου αετώματος και ο δεύτερος την έναρξη της ανάπτυξης μηχανισμού ανατροπής της δυτικής όψης του με την εμφάνιση των κατακόρυφων ρωγμών στα άκρα του τοίχου. Ο πρώτος μηχανισμός οφείλεται στην ανεπαρκή σύνδεση του τυμπάνου αετώματος με τον τοίχο της όψης, καθώς και με τη στέγη. Ο δεύτερος μηχανισμός υποδηλώνει την ανεπαρκή σύνδεση μεταξύ του τοίχου της όψης και των εγκάρσιων τοίχων. Τα προβλήματα αντιμετωπίζονται με την ενίσχυση των συνδέσεων και τη χρήση ελκυστήρων ή διαζωμάτων.

Σχήμα 10.: Αστοχία τοπικού μηχανισμού ανατροπής εξωτερικής στρώσης τυμπάνου αετώματος: (α) φωτογραφική αποτύπωση, (β) σχηματική αναπαράσταση

Σχήμα 11.: Αστοχία τοπικού μηχανισμού ανατροπής τυμπάνου αετώματος και έναρξη ανάπτυξης τοπικού μηχανισμού ανατροπής δυτικής όψης: (α) φωτογραφική αποτύπωση, (β) σχηματική αναπαράσταση.

Το κωδωνοστάσιο, είτε ως ανεξάρτητος φορέας είτε ως τμήμα του φορέα της εκκλησίας, δύναται να ενισχυθεί με την προσθήκη ελκυστήρων και μεταλλικών στοιχείων. Η τοποθέτηση ελκυστήρων πραγματοποιείται σε επιλεγμένες στάθμες (βλ. θέσεις 1-1, 2-2 και 3-3 στα Σχήματα 12α και β, καθώς και στο Σχήμα 7δ). Ισχυρότερη ενίσχυση με τα μεταλλικά στοιχεία και ελκυστήρες παρουσιάζεται στο Σχήμα 12(γ).

Οι βασικές μορφές αστοχίας εκκλησιών σε σεισμό, και κυρίως του τύπου της βασιλικής, έχουν αποτελέσει αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας σε χώρες με αυξημένη σεισμικότητα. Οι τυπικοί μηχανισμοί αστοχίας, όπως αυτοί που απεικονίζονται στα Σχήματα 8-11, οφείλουν να εξετάζονται σε κάθε περίπτωση, πέραν του ελέγχου της απόκρισης της κατασκευής “ως ενιαίου συνόλου”.

Σχήμα 12.: (α) Τομή καθ’ ύψος με τις θέσεις τοποθέτησης ελκυστήρων σε κωδωνοστάσιο (1, 2, 3) (οι ελκυστήρες σημειώνονται με μπλε). (β) Κάτοψη για τις δύο κατώτερες στάθμες. (γ) Ισχυρότερη ενίσχυση με ελκυστήρες και μεταλλικά στοιχεία.

• Ιερές Μονές

Τα μοναστήρια αποτελούν μικρογραφία του ιστορικού κέντρου μιας πόλης με συνεχή δόμηση. Όπως οι πόλεις που κατά την αρχαιότητα και το μεσαίωνα προστατεύονταν από τα τείχη τους κατά των εχθρών τους, έτσι και τα περισσότερα μοναστήρια περιβάλλονται από ισχυρά τείχη με μεγάλο πάχος και υψηλούς πύργους στις γωνίες αλλά και κατά μήκος των τειχών για την προστασία τους. Η βασική διαφορά μεταξύ των τειχών των πόλεων και των μοναστηριών είναι ότι τα μοναστηριακά τείχη δεν αποτελούν ανεξάρτητες κατασκευές, αλλά λόγω οικονομίας χώρου αποτελούν κατά κανόνα την εξωτερική πλευρά των μοναστηριακών κατασκευών.

Η  μορφή των βυζαντινών μοναστηριών άρχισε να διαμορφώνεται από τον 4^ο μ.Χ. αιώνα όταν επιβλήθηκαν αυστηρότερες διατάξεις στα μοναχικά κοινόβια. Όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 13 μιας αντιπροσωπευτικής γενικής κάτοψης μονής, τα  κελιά των μοναχών, καθώς και διάφοροι λειτουργικοί χώροι (τράπεζα, ξενώνας, αποθήκες, κ.λπ.) αποτελούν ένα συνεχές δομικό σύστημα. Στο εσωτερικό του περιβόλου κατασκευάζεται το Καθολικό της Ι.Μ., καθώς και άλλες κατασκευές.

Σχήμα 13.: Σχηματική απεικόνιση τυπικής κάτοψης μοναστηριακού συγκροτήματος.

Από ιστορικά στοιχεία προκύπτει ότι τα περισσότερα μοναστήρια έχουν υποστεί σημαντικότατες βλάβες στη μακρόχρονη ιστορία τους. Χαρακτηριστικά παραδείγματα βλαβών σε μοναστηριακά συγκροτήματα ιδιαίτερης ιστορικής και αρχιτεκτονικής αξίας από σεισμική δραστηριότητα είναι: (i) Η κατάρρευση του τρούλου του Καθολικού της Νέας Μονής στη Χίο (11^ος αιώνας) μετά το σεισμό του 1881. (ii) Οι εκτεταμένες βλάβες που υπέστησαν όλες σχεδόν οι Ι.Μ. του Αγίου Όρους κατά το σεισμό της Ιερισσού το 1932. Ιδιαίτερα σημαντικές ήταν και οι επιπτώσεις του σεισμού του Νοεμβρίου του 1905 στη χερσόνησο του Άθωνα, κατά τον οποίο κατέρρευσε το Καθολικό της Ι.Μ. του Αγίου Παντελεήμονα που μόλις πρόσφατα είχε ανεγερθεί, ενώ μεταξύ άλλων σημαντικών βλαβών συμπεριλαμβάνεται η καταστροφή τριών Ι.Ν. της Ι.Μ. Ιβήρων και των κελιών της ίδιας μονής. (iii) Οι εκτεταμένες βλάβες στο Καθολικό της Ι.Μ. Δαφνίου (11^ος αιώνας) μετά τους σεισμούς κατά τα έτη 1889 και 1897 και σχετικά πρόσφατα κατά το σεισμό της Αθήνας το 1999.

Το Καθολικό, δηλαδή ο κύριος Ι.Ν. του μοναστηριού, ο οποίος κατά κανόνα βρίσκεται στο κέντρο της εσωτερικής αυλής, όπως και ενδεχομένως άλλες ανεξάρτητες κατασκευές, όπως το κωδωνοστάσιο και η φιάλη, μελετώνται ως ανεξάρτητοι φορείς. Επισημαίνεται ότι ο υπόλοιπος φορέας που περιλαμβάνει το σύνολο των κτηρίων εντός του περιβόλου μπορεί να μελετηθεί με την προσέγγιση της δομικής ενότητας, όπως αναπτύσσεται στην Αναφορά [1], λαμβάνοντας όμως υπόψη τις ιδιαιτερότητες των λεπτομερειών της μοναστηριακής δόμησης.

1. Προτεινόμενη Διαδικασία – Στρατηγική

Η προτεινόμενη διαδικασία η οποία μπορεί να αντιμετωπίσει αποτελεσματικά το «Σεισμικό κίνδυνο» σε Ι.Ν. και Ι.Μ. δίνει προτεραιότητα στην πρόληψη και βασίζεται στα ακόλουθα τρία μέτρα:

(α)  Έλεγχος στατικής επάρκειας σύμφωνα με την ισχύουσα νομοθεσία και εφαρμογή της διαδικασίας που αναπτύσσεται στις Αναφορές [1, 2, 3].

(β)  Για ιστορικούς Ι.Ν. και Ι.Μ., καθώς και για τα εκκλησιαστικά κτίσματα (διατηρητέα κτήρια, μνημεία), προτείνεται η παρακολούθηση της εξέλιξης των υφιστάμενων βλαβών (ρωγμές, κλίσεις, καθιζήσεις), ενδεχομένως και με την εγκατάσταση συστήματος παρακολούθησης (ΣΜΠ) ή τον περιοδικό ενόργανο έλεγχό τους. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται έγκαιρη επέμβαση στο φορέα για αποτροπή των δυσμενών επιπτώσεων των βλαβών.

(γ)   Ανάπτυξη και Εφαρμογή Ταχείας Μεθόδου Αποτίμησης Σεισμικού Κινδύνου (ΤΜΑΣΚ): Περιλαμβάνει τη συλλογή και καταγραφή στοιχείων από «επί τόπου» παρατηρήσεις για έναν ταχύ προσδιορισμό της σεισμικής διακινδύνευσης των Ι.Ν. Με την ΤΜΑΣΚ επιτυγχάνονται τα ακόλουθα:

• Καθορισμός σεισμικού κινδύνου που διατρέχουν οι Ι.Ν. και Ι.Μ., αλλά και τα πολύτιμα αντικείμενα τα οποία περιέχουν. Στο Κεφάλαιο 13 της Αναφοράς [1] παρουσιάζεται αναλυτικά μεθοδολογία για την προστασία αντικειμένων σε σεισμό.
• Μακροχρόνιος σχεδιασμός για την προστασία των Ι.Ν. βάσει μιας πλήρως τεκμηριωμένης διαδικασίας.
• Δυνατότητα οικονομικού προγραμματισμού, δηλαδή διερεύνηση της οικονομικής αποτελεσματικότητας διαφόρων σεναρίων προληπτικής ενίσχυσης.

ΑΝΑΦΟΡΕΣ

[1]   Κατασκευές από Τοιχοποιία: Αποτίμηση και Επεμβάσεις για Σεισμικά Φορτία, Σπυράκος Κ., Εκδόσεις ΕΡΓΟΝΟΜΟΣ, Αθήνα, Αύγουστος 2019 (https://techbooks.gr/).

[2]   Κωνσταντίνος Χ. Σπυράκος (2015), Σύγχρονες Προσεγγίσεις για την Αντισεισμική Προστασία Κτισμάτων Πολιτιστικής Κληρονομιάς – Ανασκόπηση – Πρόταση, Εταιρεία Έρευνας και Προώθησης της Επιστημονικής Αναστήλωσης των Μνημείων (ΕΤΕΠΑΜ), 4ο Πανελλήνιο Συνέδριο Αναστηλώσεων, Θεσσαλονίκη, 26-28 Νοεμβρίου 2015.

[3]   Spyrakos, C.C. (2018), Bridging performance based seismic design with restricted interventions on cultural heritage structures, Engineering Structures, 160, pp. 34-43.