Wzmacnianie historycznych konstrukcji murowanych za pomocą technologii
4. Wzmacnianie murów kamiennych z zastosowaniem cięgien stalowych (UHTSS)
Znacząca część obiektów zabytkowych wzniesiona została przy zastosowaniu murów kamiennych (obiekty średniowieczne, decydujące o krajobrazie kulturowym i jego atrakcyjności), często o nieregularnej, trójwarstwowej budowie. Pod wpływem wielu czynników m.in. zmian w poziomie posadowienia, erozji zapraw czy zmianie schematu obciążenia dochodzi do konieczności napraw i wzmocnień tego rodzaju konstrukcji.
W ostatnich latach niewiele ośrodków naukowych na świecie prowadzi badania związane z rozpoznaniem statycznej pracy murów kamiennych zarówno w podejściu eksperymentalnym jak i analitycznym. Od lat 90 XX wieku tematyką tą zajmowała się m. in. Politechnika w Mediolanie publikując prace związane z badaniami modelowymi oraz analizą numeryczną, ostatnio również z zastosowaniem metody elementów skończonych. Rozwiązaniem niosącym ze sobą szerokie możliwości zastosowania jest wykorzystanie wstępnie sprężanych cięgien ze stali o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie (UHTSS) wprowadzanych między elementy kamienne i łączonych systemem kotew ze wzmacnianym obiektem. Poniżej przedstawiono schemat wzmocnienia muru z zastosowaniem omawianej technologii.
Rys. 3 Schemat wzmocnienia muru kamiennego z zastosowaniem cięgien UHTSS, [1]
Metoda, stosowana jest obecnie jedynie do murów jednowarstwowych i badana, przede wszystkim, na Uniwersytecie w Perugii. Borri, Corradi, Speranzini oraz Giannantoni na konferencji naukowej REMO 2009 [1] przedstawili wstępne badania dotyczące wzmocnienia
nieregularnych jednowarstwowych murów kamiennych przy zastosowaniu omawianej metody.
Prowadzono badania wytrzymałościowe w próbach ściskania, ścinania oraz zginania. W każdym z przypadków odnotowano znaczny przyrost nośności.
W Polsce badaniami murów kamiennych zarówno w aspekcie teoretycznym jak i eksperymentalnym zajmuje się Instytut Budownictwa Politechniki Wrocławskiej. Jasieńko, Engel i Kondolewicz na konferencji naukowej REMO 2009 przedstawili szerokie studium stosowalności włókien CFRP na przykładzie zrealizowanej stabilizacji i ekspozycji ruin zamku „Lenno” we Wleniu.
Pomimo wysokiej wartości merytorycznej prac prowadzonych dotychczas w omawianym temacie, wiele problemów, podstawowych z punktu widzenia zwiększania nośności konstrukcji i konserwacji, nie zostało rozwiązanych. Jak dotąd nie przedstawiono analitycznego modelu pracy statycznej murów trójwarstwowych dla prostych i złożonych przypadków wytrzymałościowych.
Niezbadany pozostaje mechanizm redystrybucji sił wewnętrznych w mimośrodowo ściskanym (na przykład pod obciążeniem stropami – stropy belkowe, sklepienia) murze na lica zewnętrzne. Dla metody wykorzystującej cięgna UHTSS nie istnieje model analityczny lub numeryczny określający wpływ zastosowanego wzmocnienia na przyrost nośności. Brak jest określenia zależności wytrzymałości i stateczności konstrukcji od siły wstępnego sprężenia w cięgnach. Nie prowadzono do tej pory badań modelowych z zastosowaniem cięgien UHTSS dla murów trójwarstwowych w różnych stanach naprężeń.
Planowane w Instytucie Budownictwa Politechniki Wrocławskiej prace badawcze mają za zadanie ocenę efektywność wykorzystania omawianej technologii w naprawach i wzmacnianiu historycznych kamiennych murów o trójwarstwowej budowie. Na podstawie otrzymanych danych planuje się wykonanie badań doświadczalnych na modelach w skali technicznej oraz analiz numerycznych. Poniżej przedstawiono schemat ideowy modelu badawczego.
Rys. 4Schemat ideowy modelu badawczego.
5. Podsumowanie
Zagadnienie związane z utrzymaniem, naprawą, odnawianiem lub odbudową dzieł architektury jest niewątpliwie tak stare, jak technika budowlana. Z wielu źródeł, a także na podstawie badań samych zabytków, wynika, że zarówno w okresie starożytnym, w średniowieczu, jak też w czasach nowożytnych odczuwano potrzebę opiekowania się spuścizną przeszłości.
Zabiegi te nie miały oczywiście nic wspólnego z tym co obecnie rozumiemy pod pojęciem konserwacji. Praca miała na celu przedstawienie metod wzmacniania umożliwiających zachowanie walorów estetycznych obiektu zabytkowego, co jest sprawą priorytetową w przekazywaniu prawdy historycznej dla kolejnych pokoleń. Planowane programy badawcze autorów artykułu mają na celu wykazanie, iż celowe jest zastosowanie materiałów kompozytowych umożliwiających zabezpieczenie oraz wzmocnienie murów kamiennych i przekryć kopułowych celem ich dalszego użytkowania i ekspozycji.
Wykorzystanie materiałów innowacyjnych (lekkich, kompozytowych) w naprawie i wzmacnianiu obiektów murowanych lub ich poszczególnych elementów może prowadzić do trwałego zachowania obiektów historycznych stanowiących ważną część dziedzictwa narodowego. Zakłada się, iż badania wykażą praktyczne zastosowanie metod innowacyjnych do wzmacniania konstrukcji historycznych oraz potwierdzą ich łatwość aplikacji, a także celowość łącznego zastosowania kilku metod. Istotnym jest równoczesne zachowanie oryginalnego przekazu historycznego i konstrukcyjnego co jest kluczowe przy działaniu na obiektach zabytkowych.
Literatura
[1] Borri A., Corradi M., Speranzini E., Giannantoni A.: “Rubble stone masonry strengthened using „reticolatus” system , Wiadomości Konserwatorskie, 26/2009
[2] Celestini G., Casadei P.: „Innovation on Advanced Composite Materials for Strengthening and Protection of Historical Masonry Structure”, Meccanica delle strutture in muratura rinforzate con composite. Moddelazione, sperimentazione, progetto, controllo, Venezia – Palazzo Badoer, 2009 – 04
[3] Fraternali F., Feo L., Ascione L: „Fracture Behavior of FRP – Reinforced Masonry Structures”, Meccanica delle strutture in muratura rinforzate con composite. Moddelazione, sperimentazione, progetto, controllo, Venezia – Palazzo Badoer, 2009 – 04
[4] Garcia D., San Jose J.T., Garmendia L., San Mateos R., Diez Jesus, Marcos I.:, „Experimental analysis of masonry prisms and stregthened/unstrengthened multi – leaf stone masonry walls with advanced composite materials“, Murico3, Venezia 2009
[5] Jasieńko J., Łodygowski T., Rapp P.: „Naprawa, konserwacja i wzmacnianie wybranych, zabytkowych konstrukcji ceglanych”. Wydawnictwo DWE, Wrocław 2006
[6] Martino G., Russo V.: „Structural damage prevention in the historical building site. Theory and praxis in the eighteenth century in Campania”, Structural Analysis of Historical Constructions – Modena, Lourenco & Roca, London 2005
[7] Olivito R., Venneri A., Zuccarello F.: “An experimental equipment for delamination tests of FRP reinforced bricks”, Proc. Atti del 3o Convegno Nazionale MuRiCo3, Venice, 2009 [8] Ottoni F, Coisson E., Blasi C.: „Empiricism reappraisal in ancient buildings structural
analysis. The masonry domes, from historical debates to numerical models”, Konferencja Naukowa Remo 2009, Wojanów, Polska
[9] Hardwire LLC, 2002, “What is Hardwire,” www.hardwirellc.com, Pocomoke City, MD.