Пропонуємо до вашої уваги статтю за результатами Міжнародної науково-практичної конференції за підтримки UNESCO, ICCROM “Проблеми збереження та використання історичних підземних комплексів в умовах негативних техногенних впливів”
ВИКОРИСТАННЯ НЕМЕТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ В
РЕСТАВРАЦІЇ І УКРІПЛЕННІ ПІДЗЕМНИХ ІСТОРИЧНИХ КОМПЛЕКСІВ
Проблема: Зниження експлуатаційної надійності підземних споруд в наслідок
деструктивних процесів, обумовлених тривалою експлуатацією в умовах підвищеної
вологості і впливах внутрішніх і зовнішніх чинників.
Задача: розроблення методів відновлення несучої здатності історичних підземних
несучих конструкцій на тривалий експлуатаційний період.
Відновлення національного фонду історичних будівель і споруд, їх довгострокове
збереження є актуальною задачею і потребує використання сучасних будівельних технологій
по підсиленню конструкцій з метою забезпечення їх надійної експлуатаційної здатності. В
процесі укріплення технічно складних історичних споруд необхідне використання міцних і
надійних матеріалів, які можуть виконувати довгий час свої функції в умовах 1абл.1о утв
середовища та одночасних дій внутрішніх і зовнішніх механічних впливів. Такими
властивостями володіють сучасні композитні конструкційні матеріали, які складають
альтернативу традиційним рішенням зі сталі і бетону. Підземний простір в якому існують
історичні споруди постійно піддається активним впливам вологи та силовим діям,
нейтралізація яких складає не аби, які труднощі в наслідок стиснених умов експлуатації і
необхідності виконання відновлювальних робіт під постійно діючим навантаженням. Тому
одним із важливих моментів в збереженні підземних історичних комплексів, це вимога
довготривалого терміну експлуатації без ремонтів, що насамперед залежить від якості,
надійності і довговічності використаних матеріалів. На сьогоднішній день з’явились
ефективні методи з використанням неметалевих будівельних матеріалів та технологій, які
дозволяють значно збільшити міжремонтний період з мінімальним втручанням в конструкції
і максимальним збереженням первісного вигляду споруди. До таких методів відносяться
способи підсилення пошкоджених конструкцій в умовах експлуатації композитними
матеріалами на базі базальтових і вуглецевих волокон, які володіють технологічними
властивостями для роботи в стиснених умовах. Ефективність підсилення дефектних
конструкцій залежить від низки факторів, які перш за все включають:
– вірний вибір матеріалів для укріплення об’єкта;
– вирішення задачі відновлення несучої здатності дефектної конструкції,
безпосередньо на етапі підсилення за рахунок одночасного включення в роботу
елементів підсилення шляхом забезпеченням їх сумісної роботи;
– використання мінімально-необхідної кількості матеріалу підсилення, виходячи із
того, що конструкція, яка підсилюється має залишковий ресурс несучої спроможності
і потребує його відновлення безпосередньо в експлуатаційних умовах ;
– на етапах підсилення разом з композитними матеріалами по необхідності
використовувати традиційні матеріали: метал, цеглу, бетон, дерево.
Для вирішення проблеми надійної експлуатації підземних споруд розглядаються
корозійностійкі неметалеві конструкційні матеріали, а саме:
– арматура із базальтового волокна;
– арматура із вуглецевого волокна та вуглецеве полотно;
– арматура з склопластику.
Загальні властивості матеріалів: позитивні – висока корозійна стійкість, мала вага,
висока міцність на розтяг – у 2-3 рази вище сталі(рис.1), гнучкість, довговічність (за даними
ЦНИСК складає 80 років), електроізоляційні властивості; негативні – модуль пружності
неметалевих матеріалів у 3-4 рази менший ніж модуль пружності сталі, композитна арматура
знижує свої міцністні властивості при нагріванні, відсутність межі плинності та крихкий
характер руйнування.
Але при використанні тільки позитивних якостей арматури (рис.1) і виключення умов
при яких ефективність її використання знижується, неметалеві конструктивні матеріали
можуть стати більш доцільними ніж традиційні, особливо в умовах підсилення підземних
історичних споруд, де можна уникнути негативних якостей арматури.
Основні характеристики неметалевих матеріалів для підсилення конструктивних
елементів підземних споруд
– вуглецева арматура Sika Carbodur BC – стержні ø 6-12 мм зі вуглецевих волокон
просочених термопластичним зв’язуючим. Модуль пружності вздовж волокон – 148000
Мпа. Міцність на розтяг – 3100 Мпа. Деформація при розтягу › 1,7 %.
– вуглецеве полотно: щільність – 1,76 г/м3; вага – 230 г/м2; товщина – 0,131 мм; міцність
на розтяг – 4300 Мпа; модуль пружності – 238000 Мпа; деформація при розтягу – 1,8 %
– базальтова арматура – стержні ø 8-10 мм. Зі базальтових волокон зв’язаних полімером;
міцність 700-1300 Мпа; модуль пружності 60000 Мпа; відносне подовження – 2,2 %.(1).
Оцінка можливості використання неметалевої арматури для підсилення ґрунтової
конструкції за допомогою розрахункової математичної моделі
Для впевненості в надійності композиції «базальтова арматура – зв’язуючий
матеріал – ґрунт» та визначення можливості ефективного включення неметалевої арматури
в роботу конструкції проведені дослідження розрахункової моделі печерного ходу з
натуральними геометричними розмірами. Статичний розрахунок виконаний в програмному
комплексі «Ліра» для двох скінчено-елементних моделей: при наявності та відсутності
внутрішнього шару армування (рис.3). Апроксимація ґрунтового масиву виконана з
використанням просторових 8-вузлових скінчених елементів з фізико-механічними
параметрами наведеними на рис. 4,а. Арматурні стрижні апроксимовані стрижневими
скінченими елементами, фізико-механічні та геометричні характеристики яких наведені на
рис.4,б).
Граничні кінематичні умови (закріплення) прийняті у відповідності до параметрів
моделі, що випробовувалася: бічні грані закріплені від горизонтальних переміщень по осі
«Х»; опорні торці – жорстко защемлені.
Рис.3 Скінченно-елементні моделі підземного ходу
а) без армування; б) з армуванням з внутрішнього боку
Рис 4 Фізико-механічні параметри матеріалів:
а) ґрунтовий масив; б) базальтова арматура
Навантаження, що діють на ґрунтове склепіння:
– постійні – від власної ваги ґрунтового масиву та елементів підсилення;
– тимчасові – рівнорозподілені по площі від навантажувальних пристроїв
Результати розрахунків
Аналіз напружено-деформованого стану скінченно-елементних моделей виконаний
шляхом порівняння головних напружень та переміщень двох типів моделей. Значення
головних напружень та переміщень по трьом осям координат наведені в таблиці 1.
Аналіз отриманих результатів вказує на те, що при включенні в роботу конструкції
шару армування максимальні значення нормальних напружень вздовж осей X та Z
практично ідентичні, однак розподілення напружень істотно відрізняється. Так в ґрунтовому
масиві без армування максимальні напруження виникають в опорних зонах стінок
склепіння, а при наявності армувального шару – біля арочної частини. Слід відмітити, що на
Таблиця 1– Порівняння результатів
відміну від напружень по осям X та Z, значення напружень вздовж осі Y відрізняються і
якісно (за характером розповсюдження по тілу об’єкта), і кількісно – зусилля стиску при
армуванні зростають, а розтягу відповідно зменшуються у порівнянні з моделлю без
армування. Окремо звернемо увагу на зміну величин переміщень по осі Z. Максимальні
значення вказаного параметра при наявності підсилення менші майже втричі, у порівнянні з
вихідною моделлю. Крім того істотно відрізняється і форми деформацій (див. рис. 5). Таким
чином математична оцінка можливості сумісної роботи двох дуже різних за механічними
властивостями матеріалів дала позитивний результат і показала, що неметалеве армування
включається в роботу конструкції, яка підсилюється, і значно зменшує деформації
комплексної моделі.
Рис. 5 Форми деформацій ґрунтових моделей по осі Z: а) без армування; б) з урахуванням
арматурного каркасу
Для визначення дійсної роботи матеріалів проведені натурні експерименти. Перш за
все вирішувалась задача включення арматурної сітки в роботу конструкції, яка підсилюється.
Для забезпечення сумісної роботи арматурної сітки і ґрунтової основи виконувалась
постановка анкерних елементів, з тієї ж арматури, в запроектованих місцях вузлових
спряжень на спеціальній 5абл.5о утв суміші для об’єднання анкерів з ґрунтовою основою.
Встановлення відбувалась таким чином – спочатку виконувався отвір в ґрунтовому масиві,
потім отвір заповнювався полімерною сумішшю, після чого в нього вставлявся арматурний
базальтовий стрижень, який ущільнював суміш, створюючи зв’язок між стрижнем і
ґрунтовим масивом. Після встановлення анкери витримувались 24 години і висмикувались з
ґрунту для визначення несучої здатності з’єднання. Результати випробувань наведені у
6абл..2 і на рис.6,7.
Рис.6. Експериментальне визначення сумісної роботи анкерного елементу з ґрунтом
Таблиця 2 – Результати випробувань системи анкер – ґрунт
За результатами випробувань встановлено, що найменше зусилля висмикування
складає 1.08Кн і руйнування з’єднання проходить по ґрунту зі створенням вивалу
приблизною площею 100-150см2. Це вказує на сумісну роботу всіх компонентів анкерної
системи: ґрунт – полімерна суміш – базальтовий стрижень, яка реалізується за рахунок сил
тертя. Завдяки полімерній суміші створюється щільний контакт з базальтовим анкером і
ґрунтом, що стимулює включення в процесс часток ґрунту і розширення об’єму взаємодії з
анкером, достатньо далеко від осі висмикування. Критична стадія характеризується масовим
6абл.6о утворенням, направленим від осі прикладання навантаження, які закінчуються
вивалом на площі значно більшій ніж анкер діаметром 8мм (див. 6абл..2). Таким чином
можна констатувати:
1. Система забезпечення спільної роботи, що наведена на рис.6 з результатами в
6абл..2 є ефективною і може слугувати надійним в’язевим елементом між
підсилюючою арматурною сіткою і ґрунтовим масивом.
2. Встановлення навіть тільки одних, ортогональних до ґрунтової поверхні анкерних
елементів, також створює підсилюючий ефект для споруди і дозволяє достатньо
швидко зафіксувати і укріпити її технічний стан.
Рис. 7 Визначення фактичної несучої здатності базальтової арматури на розтяг
Для підтвердження теоретичних досліджень виготовлений експериментальний
зразок з подібного натурним умовам ґрунту із габаритними розмірами «2500 (висота) х 1700
(ширина) х 1000 (глибина) в якому був виконаний арковий прохід розміром
2000х700х1000мм у відповідності до реальних умов печерного комплексу. Метою
експериментальних досліджень дослідного зразка в лабораторних умовах було визначення
реального впливу підсилюючого неметалевого армування на несучу здатність моделі і
розподіл зусиль в дослідній конструкції.
Випробування виконувалось у два етапи – перший полягав у створенні напружено-
деформованого стану моделі, який максимально відображав стан ґрунтового масиву в
природних умовах та визначення максимального значення несучої здатності зразка в цих
умовах. За критерії оцінки стану натурної моделі були прийняті величини деформацій,
отримані в розрахунковій моделі.
На другому етапі передбачалось підсилення під навантаженням деформованого
дослідного зразка шляхом включення в роботу просторового каркасу з базальтової арматури
та подальше випробування. Каркас з базальтової арматури діаметром 8мм являв пласку
гнучку горизонтальну сітку з чарункою 120х120мм, яка вставлялась у попередньо зроблені
пази глибиною20мм, шириною 10мм з аналогічною чарункою і закріплювалась до
базальтових анкерів довжиною 150мм, встановлених на спеціальній суміші виробництва
«Фішер» для ґрунту. Після влаштування каркасу пази заповнювались сумішшю СМ85. Таким
чином створювався об’ємний каркас з частковим включенням в роботу шару ґрунту
товщиною 120-150мм (3).
Даний підхід дозволив змоделювати: 1) існуючий стан перевантажених реальних
конструкцій (першій етап випробування); 2) можливість підсилення конструкцій під
навантаженням; 3) оцінити вплив просторового арматурного каркасу на загальну несучу
спроможність дослідного зразка (другий етап випробування).[1] Співставлення деформацій
розрахункової і експериментальної частин рис.8 показало збіжність експериментальних і
теоретичних результатів, що дозволяє використовувати даний метод в натурних умовах.
Рис.8. Співставлення експериментальних і розрахункових деформацій
Під час підсилення був відновлений не тільки технічний стан дослідної моделі, а й
отримане значне підвищення її несучої здатності, що в першу чергу пов’язано зі
встановленням анкерних базальтових стрижнів, в результаті чого, був створений жорсткий
арматурний каркас, який одночасно об’єднав в сумісну роботу ґрунтовий масив товщиною
120-150 мм і арматурну базальтову сітку.
Слід відмітити, що питання безпечної та довготривалої експлуатації між ремонтами
підсилених будівель і споруд є актуальним. Аналіз вітчизняного [2] та закордонного досвідів
вказує на доцільність та економічну ефективність використання композитних матеріалів при
підсиленні будівель і споруд за такими показниками:
– вуглецева та базальтова арматури, вуглецеве полотно являються корозійностійкими
матеріалами, які не піддаються корозії впродовж довгого часу, не менш як 80 років;
– неметалеві матеріали мають достатні механічні показники для використання в якості
підсилюючих елементів;
– неметалева арматура має пружні якості і при згинанні приймає форму поверхні
підсилення. Якщо поверхня має криволінійну форму виникає ефект попереднього
напруження, що дає можливість більш ефективного включення арматури в роботу
конструкції на етапі її підсилення;
– композитні матеріали також зручні для використання у випадках коли необхідно
зберегти зовнішній вигляд конструкцій що підсилюються (пам’ятки історії і
архітектури).
– використання композитних матеріалів це ефективний напрямок в реконструкції
(реставрації) пам’яток історії та архітектури, яке забезпечує суттєве скорочення
трудомісткості, вартості, термінів виконання робіт зі значним збільшенням проміжків
часу між ремонтами.
Впровадження результатів досліджень
Концепція застосування композитних матеріалів у ґрунтових масивах була заслухана
на Науковій Раді Києво-Печерського Лаврського заповідника та запропонована для реалізації
на аварійній дільниці Церкви Різдва Христова в Дальніх печерах Свято-Успенської Києво-
Печерської Лаври внаслідок зсуву ґрунту.
Об’єкт підсилення є друга найдавніша церква у Дальніх печерах, що виникла між 1058 і
1062 рр. Конструктивно об’єм церкви Різдва Христова складається із арочних
різнопрогонних склепінь, що обпираються на масивні ґрунтові стіни та цегляну колону. В
стінах церкви виконано п’ять арочних проходів шириною 550…1380мм, висотою до 2м. Вся
конструктивна частина церкви знаходиться в шарі супісків (рис. 9). Глибина від поверхні
складає близько 6 м.
Ззовні над приміщеннями підземної споруди розташовані: частина будівлі корпусу №
73 на перетині осей «1хА» та схил Монастирського саду (рис.10).
Основними причинами деформування несучих елементів є зсувні процеси, що
відбуваються в схилі над церквою, внаслідок накопичення вологи в ґрунтах оточуючого
масиву за рахунок її фільтрації по схилу, що виникає в результаті атмосферних опадів та
техногенних джерел живлення. Додатковими умовами для цього є геологічна будова,
деформаційна та фільтраційна неоднорідність ґрунтів, зменшення їх міцності за умов
підвищення вологості, порожнини та старі виробки. Також додаткове навантаження створює
частина корпусу № 73, яка знаходиться безпосередньо над церквою, про що свідчать
характерні деформації цегляних стін, внаслідок нерівномірних осідань ґрунтової основи
будівлі над обстежуваним об’єктом.
Рис.9.Деформації в Церкві Різдва Христова після зсуву частини схилу: а) зсувні деформації в
спряженні стелі зі стінами та її пониження на 3-4 см; б)загальна втрата стійкості колонами
іконостасу в наслідок передачі на них навантаження від стелі; в) зсувні деформації
підкріплюючого стелю цегляного стовпа.
Рис.10.Розріз ґрунтового масиву над Дальніми печерами(Ізотов А.А. ЧеревкоІ.А.),
червоними стрілками показані церква Різдва Христова та вихід із Дальніх печер у корпус
№73
Реалізація постійного підсилення
Основна ідеологія підсилення – це вибір методу при використанні якого, підсилення
одразу включається в роботу пошкодженої конструкції і відтворює її первісний стан. Тому в
залежності від функціональної направленості конструктивного елемента може обиратися
свій спосіб його відновлення. Так для відновлення іконостасу запропоновані сталебетонні
стійки квадратного перерізу 100х100мм з регульованими по висоті опорами, які одразу були
включені в роботу склепіння (рис.11).
Рис.11. План (а) та реалізація (б) підсилення арки іконостасу
Підкріплення стін забезпечувалось шляхом введення в їх склад каркасів з базальтової
арматури (рис.12).
Рис.12 Тимчасове підкріплення склепіння алтарної частини дерев’яними стійками; а)
встановлення анкерних елементів; б)встановлення арматурної базальтової сітки.
Цегляний стовп, що підтримує склепіння алтарної частини отримав від зсуву різні
пошкодження у вигляді місцевої руйнації мурування та зсувної тріщини під кутом 45
ґрадусів, поступово укріплявся шляхом: відновлення цегляного мурування, закріплення
зсувної тріщини окремими базальтовими стрижнями та розкріплення верхньої його частини
об’ємними базальтовими каркасами, після чого стовп був взятий в обойму зі вуглецевого
полотна (рис.13).
Рис.13. Підсилення центрального цегляного стовпа: а) закріплення зсувної тріщини
окремими арматурними стержнями; б) розкріплення верхньої частини стовпа просторовими
арматурними каркасами; в) взяття стовпа в обойму з вуглецевого полотна.
Результати виконаних робіт
Рис.14. Відновлена Церква Різдва Христова
Підсилення виходу з дальніх печер
Обстежувана частина є вихідний коридор довжиною 12м з комплексу Дальніх печер у
корпус №73. Глибина від поверхні землі складає близько 4- 6 м. Підлога цегляна, стіни –
цегляно-бутові. Зовні над приміщеннями підземної споруди розташовані: частина будівлі
корпусу № 73 на перетині осей «1хА» та схил Монастирського саду .При обстеженні стану
об’єкту виявлені наступні дефекти та пошкодження:
– глибокі тріщини в районі виходу і середній частині проходу;
– окремі тріщини в склепінні ходу;
– висока вологість стін об’єкту;
– випадання окремих стінових фрагментів.
Основними причинами деформування несучих елементів являються ті самі зсувні
процеси, що і над церквою Різдва Христова.
Виконане шурфування та свердління стін показали, що стіни виходу мають такий
склад: цегляно-бутове мурування, товщиною 120 – 150мм, потім прошарок суглинку 100-
150мм, після якого йде бутове мурування товщиною 150-200мм і природний ґрунт. Слід
зазначити, що внутрішній прошарок і ґрунт за стіною мають високу вологість, а в деяких
місцях рідку консистенцію, а тому і стіни мають відповідну вологість.
Виходячи з вищевикладеного, конструктивна частина підлягає обов’язковому
підсиленню, для відновлення експлуатаційної надійності виходу. Метод підсилення обраний
аналогічним підсиленню ЦРХ за допомогою каркасів із базальтової арматури, але
ортогональні до поверхні стін базальтові стрижні прийняті більшою довжини, не менш, як
400мм для об’єднання зовнішнього і внутрішнього мурувань ходу.
В зв’язку з тим, що стіни були вологими попередньо встановлювались ортогональні
до зовнішньої поверхні стін і склепіння базальтові стрижні довжиною 400мм, для
закріплення стін і об’єднання зовнішньої і внутрішньої частин.
Після встановлення анкерних стрижнів виконувалось поступове і тривале, не менш
трьох місяців, висушування стін, що дало змогу поліпшити механічні характеристики ґрунту.
Після висушування встановлювались плоскі каркаси з кріпленням їх до анкерних
елементів з базальтової арматури (рис. 15, а).
На останньому етапі закріплення арматурної сітки використовувалась спеціальна
суміш фірми REMERS “Spiralankermortel з міцністю на стиск 20Н/мм2, яка забезпечила
надійне з’єднання всіх компонентів системи підсилення (рис. 15, б)..
Рис.15. Підсилення виходу з Дальніх печер довжиною12м у корпус №73:
а – проектне рішення; б – реалізація підсилення.
Пропозиції по тимчасовому підсиленню Варязських печер
Варязькі печери є частиною комплексу Дальніх печер Свято-Успенської Києво-
Печерської Лаври. Це один із осередків, що супроводжував заснування Києво-Печерської
Лаври. Варязькі печери являють розгалужену систему підземних галерей і приміщень
довжиною біля 200м (рис. 16). Печери знаходяться в шарі супіску на глибині 6-8м. Висота
печер складає 1.6 – 2.0м, ширина 0.5-0.9м.
Рис.16. Варязькі печери Свято-Успенської Києво-Печерської Лаври.
Варязькі печери отримали численні пошкодження у вигляді вертикальних та похилих
тріщин стелі і стінах, ввивали ґрунту. Основним чинником цих деформацій є геодинамічні
процеси, інфільтрація атмосферних опадів, утворення конденсату при порушенні
температурно-вологісного режиму експлуатації приміщень, техногенне зволоження ґрунтів.
Фізичний знос основних підземних конструкцій (стін,стелі) складає 50-60%. Вони придатні
для подальшої експлуатації тільки після проведення відновлювальних ремонтних робіт. Для
їх проведення необхідні попередні заходи по проти аварійному закріпленню небезпечних
дільниць. Пропонуються конструктивні рішення по тимчасовому підсиленню Варязьких
печер.
Пропозиції по тимчасовому підсиленню Варязьких печер
Комплексні заходи по відновленню території з підземними комплексами
– створення жорсткого осередка у підземному просторі, якій об’єднує приміщення Церкви
Різдва Христового (1), вихід у корпус 73 (3) та грунтовий масив (2) шляхом їх загального
конструктивного підсилення;
– укріплення корпусу №73 шляхом створення жорсткої просторової рами для рівномірного
навантаження на основу і зменшення тиску на підземні споруди;
– влаштування підпірної стінки для підкріплення схилу;
– влаштування дренажу біля підпірної стінки глибиною 1.5-2м;
– влаштування дренажу біля корпусу №73 глибиною 4-5м з виводом грунтових вод на
Дніпровський схил.
ВИСНОВКИ
• Заходи по підсиленню підземних об’єктів історії і архітектури розподіляються на
внутрішні та зовнішні:
• зовнішні – зведення до мінімуму навколишніх впливів за рахунок: благоустрою
територій, водовідведення поверхневих вод, влаштування дренажних систем, які
перехоплюють та відводять ґрунтові води; підсилення будівельних об’єктів на
поверхні та ремонти водяних мереж.
• внутрішні заходи складаються з комплексу різних способів укріплень окремих
конструктивних елементів в залежності від доцільності та ефективності в кожному
конкретному місці, де основним визначальним фактором є надійне включення в
сумісну роботу елементів підсилення з конструкцією що підсилюється.
• В результаті випробувань встановлено, що використання неметалевих матеріалів в
якості елементів підсилення є ефективним і дозволяє не тільки відновлювати несучу
здатність пошкоджених конструкцій, а також надає можливість підвищити їх
міцністні та експлуатаційні властивості.
• Аналіз вітчизняного та закордонного досвідів вказує на доцільність та економічну
ефективність використання композитних матеріалів при підсиленні будівель і споруд
за такими показниками:
• вуглецева та базальтова арматури, вуглецеве полотно являються корозійно стійкими
матеріалами, які не піддаються корозії впродовж довгого часу, не менш як 80 років;
• неметалеві матеріали мають достатні механічні показники для використання в якості
підсилюючих елементів;
• неметалева арматура має пружні якості і при згинанні приймає форму поверхні
підсилення. Якщо поверхня має криволінійну форму виникає ефект попереднього
напруження, що дає можливість більш ефективного включення арматури в роботу
конструкції на етапі її підсилення;
• композитні матеріали також зручні для використання у випадках коли необхідно
зберегти зовнішній вигляд конструкцій що підсилюються (пам’ятки історії і
архітектури).
Використання композитних матеріалів є перспективним напрямком в реконструкції
(реставрації) пам’яток історії та архітектури, який забезпечує надійність, суттєве скорочення
термінів виконання робіт з одночасним збільшенням проміжків часу між ремонтами.
Бєлов І.Д., Вабіщевич М.О., Дєдов О.П.