Algorithm of organizational and technological solutions for reinforcement of stone arch structures
Algorithm of organizational and technological solutions for reinforcement of stone arch structures
Abstract
Preservation of historical monuments is one of the most important topical issues, not only in the field of architecture, but also in that of technology. At present, the normative documents lack organizational and technological solutions for reinforcing stone arches, therefore, there is a necessity to develop such a methodology.
The analysis of the literature shows that the existing regulatory framework and scientific studies reflect experimental and mathematical aspects of reinforcement, while the technology and quality control of reinforcement technology are practically absent. In this work, the main criteria influencing the choice of reinforcement are given, and a number of proposals for a decision-making algorithm for the choice of reinforcement method are put forward.
A comparative table and an algorithm for reinforcing stone arches are proposed, which allow designers to evaluate both the economic component of the future project and to develop organizational and technological documentation in more detail when performing reinforcement.
1. Введение
Практика строительства из природного и искусственного камня значительно опережала развитие науки о каменных конструкциях. В силу этого вместо расчета каменных конструкций на прочность и устойчивость в XIX веке были выработаны эмпирические правила возведения каменных зданий и сооружений, которые не могли учесть всего разнообразия работы сложных каменных сооружений. До тридцатых годов 19 века каменные конструкции проектировались либо по эмпирическим правилам, либо по формулам сопротивления материалов, справедливым лишь для идеально упругих материалов. Основными причинами отставания теории расчета каменных конструкций от практики явились: возможность повторения накопленного опыта строительства; недостаточность знаний о физико-механических свойств кладки; отсутствие современного лабораторного оборудования для проведения экспериментальных работ и, в некоторых случаях, недопустимость применения метода подобия для обоснования прочности и устойчивости каменных конструкций
.При этом в настоящее время в нормативной базе отсутствуют организационно-технологические решения (ОТР) усиления каменных сводов.
Целью данной статьи является создание алгоритма для определения метода усиления сводчатых каменных конструкций в зависимости от организационно-технологических факторов.
В соответствии с указанной целью были сформулированы следующие задачи исследования:
– рассмотреть конструкции сводов;
– изучить существующие методы усиления;
– справить основные показатели существующих методов усиления;
– провести изучение факторов, влияющих на определение способа усиления.
2. Конструктивные решения каменных сводчатых конструкций
В течение многих столетий возводились сводчатые конструкции перекрытий и покрытий. Наибольшее распространение они получили при строительстве культовых зданий и сооружений, и в гражданских зданиях (см. рис. 1).
При реконструкции гражданских зданий, не относящихся к объектам культурного наследия, собственник вправе демонтировать свод, если его состояние неудовлетворительно, в то время как в объектах культурного наследия замена и демонтаж данных конструкций не допускается.
Каменные своды можно разделить на две группы:
1) цилиндрические – образует в поперечном сечении полукруг (или половину эллипса, параболы). Это простейший и наиболее распространённый тип сводов. Перекрытие в нём опирается на параллельно расположенные опоры – две стены, ряд столбов или аркады;
2) сферические или своды двоякой кривизны, имеющие образующими кривые линии
.Среди цилиндрических сводов наиболее распространёнными являются следующие типы:
– цилиндрические, где пяты сводов опираются на параллельные стены или перекрытия этажа, передавая тем самым нагрузку на них;
– сомкнутые, где пяты сводов опираются на все стены по периметру свода и передают вертикальную нагрузку и распор по всей длине опирания, при этом свод стремится к центру помещения;
– крестовые, образуется двумя перпендикулярными цилиндрическими сводами, пяты сводов опираются на параллельные стены, в пересечении тем самым образуя пространство без балок или перекрытий, увеличивая объем пространства;
– зеркальный свод, данный свод чаще всего применялся в архитектурных целях, поэтому не передавал вышележащую нагрузку на стены или перекрытия;
– сложные или прусские своды, наиболее известны как «своды Монье». Конструкция данного свода состоит из двух основных элементов – балок, на которые воздействует нагрузка и передается на стены, и цилиндрические своды малого пролета, которые разбивают площадь перекрытия на небольшие арки, тем самым получая аркаду из арок.
Рисунок 1 - Классификация цилиндрических сводов
Примечание: а) цилиндрический свод (Лиссабонский собор); б) сомкнутый свод (Свод Никольской церкви в Никульском Комсомольского района Ивановской области); в) крестовый свод (Собор Парижской Богоматери или Нотр-Дам-де-Пари в Париже); г) Зеркальный свод с кирпичным зеркалом (Зеркальный свод в Альгамбре – Испания); д) свод Монье (Здание по ул. Габдулы Тукая 97, г. Казань)
Рисунок 2 - Классификация сферических сводов
Примечание: а) купольный свод (Свод в монастыре Ставроникиты); б) парусный свод Подвал Собора Святого Апостола Павла в городе Гатчина
Над проблемой усиления каменных сводчатых конструкций работали как отечественные, так и зарубежные ученые. Павловым В.В. и Хорьковым Е.В.
, были проделаны исследования как численные, так и физические эксперименты в области восстановления и усиления кирпичных арок, а также получены патенты на усиления каменных сводчатых перекрытий.Фабричной К.А.
было рассмотрено усиление свода «Монье» композитными материалами, которое подтвердило эффективное использование данных материалов. Зарубежные ученые также проводят экспериментальные исследования с композитными материалами, например, Sukran Tanriverdi , рассматривает различные способы нанесения композитных материалов и показывает, что данный тип усиления позволяет увеличить несущую способность от 45 до 85%.3. Существующие методы усиления каменных конструкций
Конструкции усиления получили свое развитие в большей степени за счет получения более качественной расчетной модели, проведения экспериментов
, , , , , в то время как сами способы усиления не совершенствовались, а технология при усилении прописывалась типовая или не прописывалась вовсе. Также не учитывались и особенности технологии и организации при производстве таких усилений, так как данные работы не имели массового применения.Основные методы усиления каменных конструкций приведены в работе
. Исходя из общих признаков, можно выделить две большие группы по способу усиления: открытый и закрытый способ. На рисунке 3 представлен анализ этих методов.Сводная сравнительная таблица при выполнении СМР для каждого из анализируемых методов представлена в табл. 1.
Рисунок 3 - Блок схема существующих методов усиления
Таблица 1 - Сравнительная таблица различных способов усиления
Способ усиления | Увеличение массы свода, кг/м2 | Квалификация рабочих, ср. разряд | Материалоёмкость, кол-во материала необходимого для усиления, м3 материала на 100 м2 усиления | Стоимость м2 усиления, руб. | Минимальное количество специализированных средств механизации, кол-во | Сложность контроля качества, (стоимость проведения контроля качества, прибора), руб. за м2 | Процентное увеличение несущей способности к первоначальному, % | Средняя численность рабочих, чел. | Возможность производства работ при отрицательных температурах |
Торкретирование | 200-400 | 4 | 10-15 | 4000-8000 | 1-2 | 15000-25000 | 20-40 | 3 | + |
Стальные тяжи | 10-20 | 4,1 | 0,1-0,2 | 1500-5000 | 0 | 70000-150000 | 10-20 | 2 | + |
Композитные материалы | 0,5-1,5 | 4,2 | 0,2-05 | 40000-60000 | 0 | 5000-10000 | 45-80 | 1 | - |
Увеличение сечения | 30-100 | 4,2 | 5-8 | 1500-5000 | 1-3 | 15000-150000 | 20-30 | 4 | + |
Инъецирование | 20-40 | 4,5 | 2-5 | 4000-20000 | 1-2 | 250000-500000 | 30-40 | 2 | + |
Каждый из рассмотренных методов применяется на практике и имеет свои достоинства и недостатки. С одной стороны композитные материалы показывают высокий процент по увеличению несущий способности, а с другой стороны – наибольшую стоимость за м2 усиления, необходимость высокой квалификации рабочих, большой перечень подготовительных работ
, невозможностью работы при отрицательных температурах. Выбор проектировщиком наиболее верного и рационального метода усиления должен производиться с учетом всех вышеперечисленных факторов.4. Методика выбора усиления каменных сводов
При выборе методики усиления в первую очередь необходимо определить, какая конструкция здания имеет наибольшее влияние на деформацию свода, так как зачастую неработоспособность свода не зависит от него самого напрямую. Почти всегда неравномерность осадок влияет на конструктивную целостность здания, образование трещин, крен и прочие дефекты
, . Поэтому важно на стадии обследования здания выявить именно ту конструкцию, которая влияет на работоспособность свода и усилить ее, иначе в процессе усиления свода, например, торкретированием, где наблюдается увеличение массы свода (табл. 1), может произойти обрушение конструкции.При необходимости сохранения облика сооружения, например, исторических фресок, лепнин, наиболее подходящим способом усиления является закрытый метод – инъецирование. Данный способ позволяет усилить конструкцию свода без ее значительных «повреждений». Согласно этому методу, в своде пробуриваются отверстия небольшого диаметра в швах кладки или в самом кирпиче, тем самым позволяя сохранить большую площадь без изменений ее первоначального состояния. По сравнению с другими способами, где происходит значительное увеличение массы конструкции вследствие увеличения сечения, в данном методе масса увеличивается незначительно. Но стоит выделить несколько факторов, которые обязательно нужно учитывать при данном методе усиления: прочность и целостность самого кирпича, адгезию существующего раствора, процентное заполнение раствором швов, так как инъецировние происходит под давлением и кирпичную кладку свода может выдавить заполняемым раствором.
Не типовые конструкции усиления характеризуется многофакторностью принятия решения, образуя тем самым алгоритм, который строится на основе уже существующей нормативной базы, способов усиления, а оптимальный выбор зависит от многих факторов. Алгоритм принятия решений при выполнении усиления каменных сводчатых конструкций представлен на рис. 4.
Из рис. 4 следует, что в некоторых случаях для восстановления работоспособности свода усиление только фундамента недостаточно, тогда необходимо перейти на следующую конструкцию. Данный в блок-схеме алгоритм необходимо повторять до тех пор, пока не будет найдена именно та конструкция, которая оказывает наибольшее влияние на деформацию свода. На практике может оказаться, что необходимо осуществить усиление всех конструкций здания.
При переходе в разработанной блок-схеме к своду, как основному объекту усиления, необходимо задать влияющие факторы. Эти факторы могут дополняться в зависимости от первоначальных условий. Однако стоит выделить два основных фактора, в зависимости от которых и определяется способ усиления – увеличение массы свода; сохранение его исторического облика.
Рисунок 4 - Алгоритм принятия решений при выполнении усиления каменных сводчатых конструкций
5. Заключение
В данной работе выполнен краткий обзор существующих каменных сводов, дана их общая классификация и описание, приведены основанные критерии, влияющие на выбор усиления, а также выдвинут ряд предложений по алгоритму принятия решения выбора способа усиления.
Выполнен анализ существующих усилений каменных сводов и составлена сравнительная таблица каждого из рассматриваемых методов по 9-ти основным параметрам.
Разработаны рекомендации в виде блок-схемы (алгоритма), позволяющие оптимизировать как поиск необходимой конструкции, влияющий на деформацию свода, так и рекомендации по усилению самого свода в зависимости от имеющихся исходных данных при обследовании, а также и факторов, влияющих на способ усиления.
Анализ научной и нормативной литературы показал, что отсутствуют методы контроля качества и показателей трудоемкости рассматриваемых методов усиления, что не позволяет выполнять технологические процессы усиления менее трудозатратно, что и является направлением дальнейших исследований.