Οι πύργοι των μετοχίων της Χαλκιδικής: η επιρροή των ξύλινων στοιχείων στη στατική συμπεριφορά ορθογώνιων ελεύθερων πύργων

Abstract

SUMMARY Part A: Historical Documentation of Monastic Estates and Towers in the Byzantine and Post-Byzantine Periods and Their Relationship with Society Monasticism in Chalkidiki dates back to the 4th century, with evidence of organized communal monastic life. Following invasions and the Iconoclasm period, monastic communities re-emerged in the 8th and 9th centuries. The Athonite monastic community was officially recognized in 883. From the 10th century onwards, due to the mountainous terrain of Mount Athos and the scarcity of arable land, the monasteries began acquiring metochia (landed estates and dependencies) outside the Athonite peninsula. These estates also served as residences for monks visiting urban centers for monastic affairs. By the 11th century, a significant portion of Kalamaria and Chalkidiki belonged to the monasteries of Mount Athos. Agricultural metochia functioned as large productive units, primarily cultivating cereals, which sustained the Athonite monasteries. They were integral to the monastic economy, generating income through the commercial exploitation of surplus produce. These estates contributed to the security and development of surrounding areas, often acting as nuclei for the formation of present-day villages. The paroikoi, or peasants cultivating the land of the metochia, were dependent on these estates but retained the right to bequeath their land. Monastic and metochial towers were massive, multi-storey structures serving primarily defensive purposes and acting as last refuges during sieges. They also protected independent installations (e.g., mills) and monitored movement on land and sea, particularly against pirate raids. Most metochial towers were constructed between the 11th and 14th centuries. It is estimated that approximately forty metochial towers and over seventy towers in total existed in Chalkidiki. The structural design of the towers was dictated by their defensive and storage functions, featuring structural autonomy and operational self-sufficiency. They were built using rubble masonry, reinforced with timber ties and wooden floors. Part B: Structural Analysis of Towers Using Detailed Simulations This section demonstrates that the use of detailed simulations to analyze the behavior of towers under various loading conditions—incorporating accurate modeling of both the three-leaf masonry and the wooden elements—yields valuable data for understanding their structural resilience and informs future conservation and restoration efforts. The study investigates the qualitative and quantitative influence of timber ties on the behavior of alternative simulation models of a “typical” tower in Chalkidiki. The tower is analyzed under both vertical loads and increasing horizontal thrust until failure. For the purposes of the analysis, a freestanding square-plan tower without buttresses was selected, measuring 7.00 × 7.00 m in plan and 15.00 m in total height. The three-leaf rubble masonry is modeled using the ADINA software, employing eight-node spatial finite elements and distinguishing between the individual layers.Four groups of tower models were developed: •NW (No Wood): Constructed solely of masonry, with timber elements limited to lintels. •CW (Complete Wood): Similar to NW, but with timber ties at successive levels, incorporating appropriate weakening at nail joint locations (a more realistic simulation). •CF (Complete Floor): Based on CW, with the addition of wooden floors. •FW (Full Wood): Based on CW, but with a denser network of timber ties, no weakening at joints, and no allowance for relative rotations at timber intersections. Masonry, as a heterogeneous and composite material, is modeled using ADINA’s “concrete material model,” which is considered to adequately approximate the behavior of rubble masonry. Three qualities of stone blocks (low, medium, high strength) and two qualities of mortar (medium, high strength) were considered. The compressive strength of each layer in the tripartite masonry was estimated based on the relevant provisions of the Greek Code for Structural Interventions (ΚΑΔΕΤ). Timber elements are modeled as beam-type linear elements using the Plastic Bilinear model from ADINA’s library. Mechanical properties were derived from Eurocode 5 (EC5), selecting natural hardwood timber of category D35. The study first outlines the procedure for load application and analysis of the tower models. It then presents a detailed commentary and exhaustive assessment of the towers’ response under vertical and horizontal inertial loading, with particular emphasis on the influence of geometric construction characteristics and timber elements. A comparative modal analysis is also presented, examining tower models both without timber elements (NW) and with integrated timber elements (CW), considering three different masonry qualities (weak, medium, strong). For each of the three principal horizontal excitation directions of the masonry, the two modes activating the highest mass participation are analyzed. Each chapter concludes with a summary of findings. Part C: Documentation of Twenty-One Towers This section presents data on twenty-one towers, either metochial or freestanding, including historical information, archival and contemporary photographs, chronological drawings and surveys, and any other information collected by the author. This constitutes an extensive repository of information for future researchers interested in the subject. Documentation of the physical and mechanical properties of the structural materials is provided for nine of the examined towers, based on laboratory analyses, along with a consolidated table of their characteristics. This final section includes a glossary of terms, the study’s bibliography, and additional literature relevant to the research topics.

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στο Α μέρος της διατριβής παρουσιάζεται η ιστορική τεκμηρίωση των μετοχίων και των Πύργων στη βυζαντινή και μεταβυζαντινή εποχή και η σχέση τους με την κοινωνία. Ο μοναχισμός στη Χαλκιδική υπήρχε από τον 4ο αιώνα, και μάλιστα με οργανωμένη κοινοβιακή ζωή. Μετά από επιδρομές και την Εικονομαχία, τον 8ο και 9ο αιώνα εμφανίζονται ξανά μοναστικές κοινότητες. Η αθωνική μοναστική κοινότητα αναγνωρίστηκε επίσημα το 883. Από τον 10ο αιώνα, λόγω της ορεινής φύσης του Άθωνα και της έλλειψης καλλιεργήσιμης γης, τα μοναστήρια του Αγίου Όρους άρχισαν να αποκτούν μετόχια (κτηματικές εκτάσεις και μονές) εκτός της χερσονήσου του Άθω. Τα μετόχια χρησίμευαν και για τη διαμονή μοναχών που επισκέπτονταν πόλεις για υποθέσεις των μοναστηριών. Μέχρι τον 11ο αιώνα, μεγάλο μέρος της Καλαμαριάς και της Χαλκιδικής ανήκε στα μοναστήρια του Αγίου Όρους. Τα αγροτικά μετόχια ήταν μεγάλες παραγωγικές μονάδες, κυρίως σιτηρών, που συντηρούσαν τις αθωνικές μονές, των οποίων αποτελούσαν εξάρτημα και απέφεραν έσοδα από την εμπορική εκμετάλλευση των πλεονασμάτων. Τα μετόχια συνέβαλαν στην ασφάλεια και την ανάπτυξη των γύρω περιοχών, λειτουργώντας ως πυρήνες για τη δημιουργία σημερινών χωριών. Οι πάροικοι, οι χωρικοί που καλλιεργούσαν τη γη των μετοχίων, ήταν εξαρτημένοι από αυτά αλλά μπορούσαν να κληροδοτούν τη γη τους. Οι μοναστηριακοί και μετοχιακοί Πύργοι ήταν ογκώδη, πολυώροφα κτίρια, βασικά αμυντικά στοιχεία των μετοχίων και τελευταίο καταφύγιο σε πολιορκίες. Χρησίμευαν επίσης για την προστασία ανεξάρτητων εγκαταστάσεων (π.χ., περάσματα, μύλοι κ.α.) και για παρακολούθηση της κίνησης σε στεριά ή θάλασσα (πειρατικές επιδρομές). Οι περισσότεροι μετοχιακοί πύργοι χτίστηκαν από τον 11ο έως τον 14ο αιώνα. Εκτιμάται ότι στη Χαλκιδική υπήρχαν περίπου σαράντα μετοχιακοί και πάνω από εβδομήντα συνολικά πύργοι. Η δομή τους καθοριζόταν από την αμυντική και αποθηκευτική τους χρήση, με δομική αυτοτέλεια και λειτουργική αυτάρκεια. Ήταν χτισμένοι με αργολιθοδομή και διέθεταν ξυλοδεσιές για ενίσχυση της τοιχοποιίας και ξύλινα πατώματα. Στο Β μέρος της μελέτης καταδεικνύεται ότι η χρήση λεπτομερών προσομοιώσεων για την ανάλυση της συμπεριφοράς των πύργων υπό διάφορες συνθήκες φόρτισης, με κατάλληλη προσομοίωση τόσο της τρίστρωτης λιθοδομής, όσο και των ξύλινων στοιχείων, παρέχει χρήσιμα δεδομένα για την κατανόηση της αντοχής τους και για μελλοντικές προσπάθειες διατήρησης και αποκατάστασης. Διερευνάται η ποιοτική και ποσοτική επιρροή των ξύλινων συνδέσμων στη συμπεριφορά εναλλακτικών προσομοιωμάτων ενός «τυπικού» Πύργου της Χαλκιδικής, ο οποίος αναλύεται τόσο υπό κατακόρυφα φορτία, όσο και υπό αυξανόμενη οριζόντια ώθηση, μέχρι αστοχίας. Για τους σκοπούς της ανάλυσης, επιλέχθηκε ένας ελεύθερος Πύργος τετραγωνικής κάτοψης χωρίς αντηρίδες, διαστάσεων 7.00 x 7.00 m σε κάτοψη και συνολικού ύψους 15.00 m. Η τρίστρωτη αργολιθοδομή προσομοιώνεται με το πρόγραμμα ADINA και χρήση οκτάκομβων χωρικών πεπερασμένων στοιχείων και με διάκριση των επί μέρους στρώσεων. Δημιουργήθηκαν τέσσερις ομάδες προσομοιωμάτων Πύργων: •NW (no wood): Αποκλειστικά από λιθοδομή, χωρίς ξύλινα στοιχεία εκτός από ανώφλια. •CW (complete wood): Όπως τα NW, αλλά με ξυλοδεσιές σε διαδοχικές στάθμες, και κατάλληλη εξασθένηση στις θέσεις των ηλώσεων μεταξύ των ξύλινων στοιχείων (προσομοίωση πλησιέστερη προς την πραγματικότητα). •CF (complete floor): Όπως τα CW, αλλά με προσθήκη πατωμάτων. •FW (full wood): Όπως τα CW, αλλά με ισχυρότερο πλέγμα ξυλοδεσιών, χωρίς εξασθένηση στις συνδέσεις και χωρίς δυνατότητα σχετικών στροφών στις διασταυρώσεις των ξύλινων μελών. Η τοιχοποιία, ως ανομοιογενές και σύνθετο υλικό, προσομοιώνεται με το "concrete material model" του ADINA, το οποίο εκτιμάται ότι προσεγγίζει ικανοποιητικά τη συμπεριφορά της αργολιθοδομής. Θεωρήθηκαν τρεις ποιότητες λιθοσωμάτων (μικρής, μέτριας, μεγάλης αντοχής) και δύο ποιότητες κονιάματος (μέτριας, υψηλής αντοχής). Η θλιπτική αντοχή κάθε στρώσης των αντίστοιχων τρίστρωτων λιθοδομών εκτιμήθηκε με βάση τις σχετικές διατάξεις του ΚΑΔΕΤ. Τα ξύλινα στοιχεία προσομοιώνονται με γραμμικά στοιχεία δοκού, χρησιμοποιώντας το μοντέλο Plastic Bilinear από τη βιβλιοθήκη του ADINA. Τα μηχανικά χαρακτηριστικά των ξύλων λήφθηκαν από τον Ευρωκώδικα 5 (EC5), επιλέγοντας φυσική ξυλεία πλατύφυλλων δένδρων κατηγορίας D35. Περιγράφεται αρχικά η διαδικασία επιβολής φορτίων και ανάλυσης στα προσομοιώματα των πύργων. Στη συνέχεια παρουσιάζεται αναλυτικός σχολιασμός και εξαντλητική αποτίμηση της απόκρισης των προσομοιωμάτων των Πύργων υπό κατακόρυφη και οριζόντια αδρανειακή φόρτιση, με ιδιαίτερη έμφαση στην επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών δόμησης και των ξύλινων στοιχείων. Στην εργασία παρουσιάζεται επίσης συγκριτική ιδιομορφική ανάλυση προσομοιωμάτων πύργων, τόσο χωρίς ξύλινα στοιχεία (NW), όσο και με ενσωματωμένα ξύλινα στοιχεία (CW), λαμβάνοντας υπόψη τρεις διαφορετικές ποιότητες τοιχοποιίας (ασθενής, μέτρια, ισχυρή). Για κάθε μία από τις τρεις κύριες οριζόντιες διευθύνσεις διέγερσης της τοιχοποιίας, αναλύονται οι δύο ιδιομορφές, που ενεργοποιούν τα μεγαλύτερα ποσοστά μάζας. Στο τέλος του Α και του Β μέρους παρατίθενται τα συμπεράσματα κάθε κεφαλαίου. Στο Γ μέρος παρουσιάζονται στοιχεία για εικοσιένα Πύργους μετοχιακούς ή ελεύθερους. Η τεκμηρίωση περιλαμβάνει ιστορικά στοιχεία, φωτογραφίες αρχείου ή σύγχρονες, διαχρονικά σχέδια και αποτυπώσεις, και όποια άλλη πληροφορία μπόρεσε να συλλέξει η συγγραφέας. Αποτελεί εκτεταμένη συλλογή πληροφοριών για κάθε μελετητή που θα ασχοληθεί με το θέμα στο μέλλον. Περιλαμβάνεται τεκμηρίωση των χαρακτηριστικών (φυσικά, μηχανικά) των υλικών δομής για εννέα από τους Πύργους που εξετάζονται, όπως προέκυψαν από εργαστηριακές αναλύσεις και συγκεντρωτικό πίνακα των χαρακτηριστικών τους. Στο Δ μέρος περιλαμβάνεται Γλωσσάρι όρων που χρησιμοποιούνται στο κείμενο. Η βιβλιογραφία στην οποία βασίστηκε η εργασία. Βιβλιογραφία σχετική με τα θέματα που εξετάζονται στην μελέτη.