Jerzy Jasieńko Tomasz Nowak Łukasz Bednarz Politechnika Wrocławska. O współczesnych metodach

Transkrypt

1 Sui metodi contemporanei di rinforzo di strutture edilizie monumentali scelte IRENZE: NUOVA PIANIFICAZIONE TERRITORIALE E CENTRO STORICO Jerzy Jasieńko Tomasz Nowak Łukasz Bednarz Politechnika Wrocławska prof. dr hab. inż. Jerzy Jasieńko O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych Wprowadzenie Działaniem zapobiegającym stanom awaryjnym konstrukcji zabytkowych może być wykorzystanie innowacyjnych metod ich naprawy i stabilizacji. Regeneracja i wzmacnianie uszkodzonych elementów konstrukcyjnych zabytku jest częścią ogólnego programu konserwatorskiego prac technicznych wiążących się ściśle z zagadnieniami wchodzącymi w zakres stabilizacji i konsolidacji konstrukcji. Prace te stanowią najczęściej jedno z ważniejszych i najbardziej istotnych przedsięwzięć w dziedzinie utrwalania zabytku. Wzmacnianie i stabilizacja mają na celu przywrócenie układom konstrukcyjnym zdolności do spełniania określonych funkcji użytkowych, podniesienie ich cech statyczno -wytrzymałościowych i uodpornienie na procesy niszczące. Aktualne tendencje we wzmacnianiu historycznych konstrukcji przejawiają się poprzez wykorzystanie najnowszych osiągnięć nauki w zakresie materiałów kompozytowych. Konwencjonalne metody wzmacniania, takie jak dokręcane nakładki, doklejane blachy w przypadku konstrukcji drewnianych czy beton natryskowy, konstrukcje żelbetowe w przypadku zabytków murowanych, powodują wzrost nośności i sztywności konstrukcji. Mogą one jednak Prof. dr hab. inż. Jerzy Jasieńko - dyrektor Instytutu Budownictwa Politechniki Wrocławskiej, kierownik Zakładu Materiałów Budowlanych, Konstrukcji Drewnianych i Zabytkowych, przewodniczący Głównej Komisji Konserwatorskiej RP, prezes Stowarzyszenia Konserwatorów Zabytków. Obszar zainteresowań: konserwacja i wzmacnianie konstrukcji drewnianych i murowanych przy użyciu połączeń klejowych oraz wkładek i prętów stalowych, prętów GR, taśm, mat i siatek węglowych CFRP, żywic syntetycznych; diagnostyka stanu technicznego konstrukcji zabytkowych; programy konserwatorskie i projekty w obszarze zabytków budownictwa murowanego i drewnianego; modelowanie analityczne i numeryczne pracy statycznej konstrukcji zabytkowych Prof. Eng. Jerzy Jasieńko head of Institute of Building Engineering, head Building Materials and Monumental Heritage Structures Division. National Conservatory Commission of Poland, President of Association of Conservators of Historical Buildings. Area of interest: conservation and reinforcement of wooden and brickwork structures using glue joints as well as inserts and steel rods, GR rods, CFRP carbon strips, mats and nets, synthetic resins; decay; technical state diagnostics of historical structures; conservation programs and projects in the area of historical brickwork and wooden buildings; analytical and numerical modeling of static working of historical structures Prof. Ing. Jerzy Jasieńko direttore dell Instituto di Edilizia del Politecnico di Breslavia, direttore della Società Materiali Edili, Costruzioni in Legno e Monumentali, presidente della Commissione Centrale per la Mantenuzione della Repubblica di Polonia, presidente dell Associazione Restauratori dei Monumenti. Ambito delle attività: mantenuzione e rinforzo delle costruzioni in legno e in muratura con l ausilio di giunti a base di colla, inserti e ferri d acciaio, ferri GR, nastri, fascette e reti in carbonio CFRP, resine sintetiche; diagnostica dello stato 349

2 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych tecnico delle costruzioni monumentali; programmi di mantenuzione e progetti nell ambito degli edifici monumentali costruiti in mattone e in legno; modelli analitici e numerici del lavoro static dei monumenti. reinforcement of wooden structures, reinforcement of structures using steel inserts and FRP, biocorrosion protection of timber structures, technical state diagnostics of historical structures, GLULAM structures. dr inż. Tomasz Nowak dr inż. Łukasz Bednarz Dr inż. Tomasz Nowak pracownik naukowy w Instytucie Budownictwa Politechniki Wrocławskiej. Członek Polskiej Izby Inżynierów Budownictwa (DOIIB) i Polskiego Związku Inżynierów i Techników Budownictwa (PZITB). Obszar zainteresowań: konserwacja i wzmacnianie konstrukcji drewnianych, wzmacnianie konstrukcji przy użyciu wkładek stalowych i FPR, ochrona konstrukcji drewnianych przed korozją biologiczną, diagnostyka stanu technicznego konstrukcji zabytkowych, konstrukcje z drewna klejonego warstwowo. Dott. Ing. Tomasz Nowak, studioso presso l Istituto Edilizia del Politecnico di Breslavia Instytut Budownictwa Politechniki Wrocławskiej. Membro della Camera Polacca degli Ingegneri Edili- Polska Izba Inżynierów Budownictwa (DOIIB) e dell Associazione Polacca degli Ingegneri e dei Periti Edili Polski Związek Inżynierów i Techników Budownictwa (PZITB). Ambito delle attività: mantenuzione e rinforzo delle costruzioni in legno rinforzo delle costruzioni tramite l utilizzo di inserti in acciaio e FPR, protezione delle costruzioni in legno dalla corrosione biologica, diagnostica dello stato tecnico delle costruzioni monumentali, costruzioni in legno lamellare. PhD, Eng. Tomasz Nowak scientific worker at Institute of Building Engineering of Wroclaw University of Technology. Member of Lower Silesian Polish Chamber of Civil Engineers (DOIIB) and Polish Association of Building Engineers and Technicians (PZITB). Area of interest: conservation and Dr inż. Łukasz Bednarz pracownik naukowy w Instytucie Budownictwa Politechniki Wrocławskiej. Członek Polskiego Związku Inżynierów i Techników Budownictwa (PZITB). Obszar zainteresowań: konserwacja i wzmacnianie konstrukcji murowanych przy użyciu prętów, taśm, mat i siatek FRP; diagnostyka stanu technicznego konstrukcji zabytkowych; modelowanie analityczne i numeryczne pracy statycznej konstrukcji zabytkowych. Dott. Ing. Łukasz Bednarz, studioso presso l Istituto Edilizia del Politecnico di Breslavia. Un Membro dell Associazione Polacca degli Ingegneri e dei Periti Edili (PZITB). Ambito dell interesse: mantenuzione e rinforzo delle costruzioni in muratura tramite ferri, nastri, fascette, e reti FRP; diagnostica dello stato tecnico delle costruzioni monumentali; modelli analitici e numerici del lavoro statico degli edifici monumentali. PhD, Eng. Łukasz Bednarz scientific worker at Institute of Building Engineering of Wroclaw University of Technology. Member of Polish Association of Building Engineers and Technicians (PZITB). Area of interest: conservation and reinforcement of brickwork structures using FRP rods, strips, mats and nets; technical state diagnostics of historical structures; analytical and numerical modeling of static working of historical structures. 350

3 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych powodować nieodwracalne zmiany estetyki obiektu historycznego rzadko są akceptowalne z punktu widzenia doktryny konserwatorskiej. Opis i analiza metod wzmacniania Drewno pomimo tego, że w optymalnych warunkach zachowuje niezwykłą długotrwałość, to w warunkach przeciętnej eksploatacji obiektów ulega niszczeniu szybciej niż inne materiały konstrukcyjne. Zarówno budowle całkowicie drewniane, jak też wykonane z drewna istotne konstrukcyjnie elementy obiektów murowanych poddane są ustawicznemu, niszczącemu działaniu czynników atmosferycznych, biologicznych, a niekiedy i chemicznych. Drewno charakteryzuje niska odporność na działanie wilgoci, która powoduje zarówno osłabienie jego struktury wewnętrznej, jak i spadek wytrzymałości, będący konsekwencją zmian jego właściwości fizycznych i mechanicznych. W problematyce zachowania elementów drewnianych uwzględnia się nie tylko stan techniczny elementu, ale również wartość artystyczną i kulturową obiektu jako całości wraz z jego detalem zdobniczym występującym niejednokrotnie w postaci oryginalnej snycerki i polichromii. Zgodnie z zapisem Karty Weneckiej działanie w obiektach dziedzictwa ma na celu zachowanie i ujawnienie historycznej, estetycznej wartości obiektu oraz polega na poszanowaniu dawnej substancji i elementów stanowiących autentyczne dokumenty przeszłości. Dopuszcza się jednak wzmacnianie obiektów zabytkowych przy zastosowaniu nowoczesnych technik, konserwatorskich, budowlanych i inżynierskich przy zachowaniu zasad doktryny konserwatorskiej,,,,,,. W konstrukcjach drewnianych najłatwiej destrukcji ulegają stropy drewniane strefy oparć więźb dachowych. One też najczęściej wymagają naprawy i wzmocnienia. W praktyce konserwatorskiej konwencjonalne metody wzmacniania konstrukcji drewnianych stanowią alternatywę dla wymiany elementów na nowe, pozwalając na zachowanie autentyczności. Zbyt często podejmowane są decyzje o demontażu dawnej konstrukcji i zastąpieniu jej nową, np. wymiana stropów drewnianych na stropy masywne. To z kolei wpływa na zmianę obciążeń całego układu konstrukcyjnego obiektu oraz podłoża gruntowego i powoduje zjawiska niebezpieczne zarysowania ścian nośnych, nierównomierne osiadanie podłoża pod fundamentami, zniszczenia Balsamo A., Cerone M., Viskovic A.: New Wooden Structures with Composite Material Reinforcements for Historical Buildings The Case of the Arena Flooring in the Colosseum, In: Proceedings of the IABSE Conference: Innovative Wooden Structures and Bridges, Lahti, Finland, August 29-31, 2001, pp Borchardt J.K.: Reinforced plastics help preserve historic buildings. Reinforced Plastics 47(11), 2003, pp Jasieńko J.: Glued and engineering joints in repair, conservation and reinforcement of historical timber structures. Lower Silesia Educational Publishers (DWE), Wrocław, [in Polish] 4 Parisi M. A., Piazza M.: Restoration and strengthening of timber structures: principles, criteria and examples, Practice periodical on structural design and construction 12(4), 2007, pp Radford D.W., Van Goethem D., Gutkowski R.M., Peterson M.L.: Composite repair of timber structures, Construction and Building Materials 16(7), 2002, pp Quagliarini E., D Orazio M., Stazi A.: Rehabilitation and consolidation of high-value camorcanna vaults with FRP, Journal of Cultural Heritage 7(1), 2006, pp Van Gemert D., Vanden Bosch M.: Structural restoration of wooden beams by means of epoxy resin, Materials and Structures, 20(3), 1987, pp

4 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych infrastruktury instalacyjnej. Zjawiska te są również niebezpieczne ze względu na swój opóźniony charakter. Metody wzmacniania belek drewnianych można podzielić na dwie zasadnicze grupy: 1. Zabezpieczenia i wzmocnienia konstrukcyjne obejmujące wprowadzenie dodatkowych elementów: niezależne wzmocnienie konstrukcji, podwieszony układ konstrukcyjny, wzmocnienie współpracujące z istniejącym układem konstrukcyjnym. 2. Zabiegi strukturalne polegające na zwiększeniu (ulepszeniu) własności technicznych i eksploatacyjnych uszkodzonych elementów. Inny podział metod wzmacniania związany jest z pracą statyczną konstrukcji po wzmocnieniu. Tu także można wyróżnić dwie zasadnicze grupy: 1. Metody wzmacniania ze zmianą schematu statycznego. 2. Metody wzmacniania bez zmiany schematu statycznego. Tradycyjne metody wzmacniania historycznych konstrukcji drewnianych za pomocą nakładek drewnianych, płaskowników i kształtowników stalowych opisano, w wyczerpujący sposób m.in. w [3]. Jedną z metod wzmacniania stropowych belek drewnianych jest ich zespolenie z płytą żelbetową. Celem połączenia drewna z betonem w konstrukcji jest racjonalne wykorzystanie właściwości obu materiałów: dużej wytrzymałości betonu na ściskanie oraz znacznej wytrzymałości drewna 8 Yeomans D. The Repair of Historic Timber Structures. Thomas Telford, London, na rozciąganie. Pierwsze rozwiązania połączeń w stropach drewniano-żelbetowych realizowane były wyłącznie przez odpowiednie ukształtowanie górnej powierzchni belki. Następnie stosowano, jako łączniki m.in. profile stalowe, gwoździe, śruby, trzpienie, płytki etc., 10, 11. Podczas napraw konstrukcji drewnianych stosuje się przeważnie złącza mechaniczne na gwoździe, śruby, wkręty, itp. Pewnym novum w zakresie połączeń mechanicznych jest system Helifix. Pręty spiralne systemu wykonywane są z wysokowytrzymałej, nierdzewnej stali austenicznej. Ich spiralny kształt zapewnia dużą wytrzymałość na obciążenia wyrywające. Pręty są wkręcane, ewentualnie kotwione dodatkowo przy zastosowaniu kompozycji klejowej. Dopuszcza się wykonywanie zakotwień wzdłuż włókien. Szczególnie efektywne może być zastosowanie prętów do scalenia spękanych obszarów elementów drewnianych. Dotyczy to, przede wszystkim, zarysowań i spękań natury skurczowej, których propagacja w stosunku do szerokości przekroju lub długości elementu może doprowadzić do stanu awaryjnego rys 1 a), b). Stosując pręty spiralne można zapobiec rozwarstwieniu elementów drewnianych w obszarach występowania naprężeń rozciągających w poprzek włókien i naprężeń normalnych rys 1c), 9 Brol J.: Wzmacnianie zespolonych stropów drewniano-żelbetowych polimerami zbrojonymi włóknami węglowymi. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria: Budownictwo, z. 95, Gliwice, 2002, s in Polish 10 Godycki-Ćwirko T., Pawlica J.: Renowacja starych stropów drewnianych. Przegląd Budowlany No. 2, 1997, pp , 22. in Polish 11 Grosse M., Rautenstrauch K., Schlegel R.: Numerische Modellierung von Holz und Verbindungselementen in Holz-Beton-Verbundkonstruktionen. Bautechnik 82 (6), 2005, pp in German

5 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych d). Do zalet tych złączy można zaliczyć ich całkowite ukrycie w elemencie wzmacnianym, co jest istotne dla konstrukcji zabytkowych 12. Rozwój inżynierii materiałowej w znacznym stopniu wpłynął na technologie budowlane i konserwatorskie. Uzyskanie pod koniec lat sześćdziesiątych żywic epoksydowych o wysokich cechach wytrzymałościowych spowodowało, że zaczęto podejmować próby ich zastosowania we wzmacnianiu konstrukcji. Kompozycje powstałe na bazie żywic syntetycznych mogą być stosowane zarówno do wzmocnień strukturalnych przekrojów, do odtwarzania geometrii przekrojów, jak i do wytwarzania połączeń zespalających element wzmacniający z elementem wzmacnianym. Zastosowanie żywic i klejenia staje się uznanym sposobem w konserwacji konstrukcji drewnianych, z wyłączeniem zabezpieczeń powierzchniowych [3], [7] 13, 14. Na rys. 2 przedstawiono sposoby wzmacniania zginanych elementów za pomocą kompozycji epoksydowej i zbrojenia. Technologie naprawy i wzmacniania konstrukcji rozwinęły się w czterech zasadniczych kierunkach: impregnacji powierzchniowych, mających na celu zabezpieczenie konstrukcji przed szkod- 12 Gil Z., Fanderejewska E.: Wzmocnienie konstrukcji drewnianych za pomocą prętów spiralnych. In: Proceedings of the Conference: Problemy remontowe w budownictwie ogólnym i obiektach zabytkowych, Wrocław Zamek Kliczków, 9-11 December 2004, pp Broughton J.G., Hutchinson A.R.: Adhesive systems for structural connections in timber. International Journal of Adhesion and Adhesives 21 (3), 2001, pp Wheeler A.S., Hutchinson A.R.: Resin repairs to timber structures. International Journal of Adhesion and Adhesives 18(1), 1998, pp nikami biologicznymi, zawilgoceniem i podniesienie jej trwałości, impregnacji wgłębnych, mających na celu wzmocnienie strukturalne materiału elementu konstrukcji, zwiększenie sztywności i nośności (lub przywrócenie pierwotnych cech mechanicznych), iniekcji spękań, zarysowań, uzupełniania przekrojów elementów konstrukcji, stosowania kompozycji żywicznych, jako spoin łączących element wzmacniany z elementem wzmacniającym. Zagadnienie połączeń (spoin klejowych) zespalających element wzmacniany z elementem wzmacniającym jest o tyle ważne, że kompleksowe rozwiązanie problemu ich wpływu na pracę konstrukcji mogłoby prowadzić do wyeliminowania bądź znacznego ograniczenia, przy wzmacnianiu konstrukcji drewnianych, różnych łączników mechanicznych, a wprowadzenie w ich miejsce, wyłącznie lub prawie wyłącznie, połączeń klejowych. W elementach zginanych o nośności decyduje, z reguły, strefa rozciągana przekroju. Wady drewna w strefie rozciąganej w znacznie większym stopniu obniżają nośność elementu aniżeli w strefie ściskanej. Jednym ze sposobów wzmocnienia jest zastosowanie zbrojenia w postaci np. prętów i blach stalowych [3] 15, 16, prętów FRP (Fibre 15 Jasieńko J., Nowak T., Bednarz Ł.: Reinforcement of bent timber beams in historic buildings, In: Proceedings of the International Conference on Protection of Historical Buildings, Prohitech 09, Rome, Italy, June 2009, pp Riberholt, H.: Glued Bolts in Glulam Proposal for CIB Code. W: Proceedings of the CIB-W18 Meeting. Parksville, Vancouver Island, Canada, 1988: Paper

6 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych Reinforced Polymers) 17, 18, taśm FRP 19, 20, 21, 22, 23. Połączenia zbrojenia z drewnem wykonuje się, przede wszystkim, za pomocą epoksydowych kompozycji klejowych. Blachy stalowe i materiały FRP mogą również służyć do wzmacniania stref ścinanych 24. Jedną z zalet materiałów FRP jest ich kompatybilność z drewnem podobna rozszerzalność termiczna, odkształcalność, etc. Ponieważ włókna szklane posiadają słabą odporność na środowiska alkaliczne oraz niższą wytrzymałość zmęczeniową, a włókna aramidowe mają znacznie niższy moduł sprężystości niż włókna węglowe, to właśnie materiały CFRP są zalecane do wzmacniania konstrukcji poddanych obciążeniom zmęczeniowym De Lorenzis L., Scialpi V., Tegola A.L. Analytical and experimental study on bonded-in CFRP bars in glulam timber. Composites Part B: Engineering 36(4), 2005: Fiorelli J., Dias AA. Analysis of the strength and stiffness of timber beams reinforced with carbon fiber and glass fiber. Materials Research 36(2), 2003, pp Ajdukiewicz A., Brol J., Malczyk A. Właszczuk M. Rehabilitation of the Highest Wooden Tower in Poland. Structural Engineering International 2000;10(3): Borri A., Corradi M., Grazini A. A method for flexural reinforcement of old wooden beams with CFRP materials. Composites Part B: Engineering 36(2), 2005, pp Corradi M., Speranzini E., Borri A., Vignoli A. Inplane shear reinforcement of wood beam floors with FRP. Composites Part B: Engineering 37(4-5), 2006, pp Jankowski L.J., Jasieńko J., Nowak T.P. Experimental assessment of CFRP reinforced wooden beams by 4-point bending tests and photoelastic coating technique, Materials and Structures, Vol. 43, No. 1-2, 2010, pp Schober K.U., Rautenstrauch K. Post-strengthening of timber structures with CFRP s, Materials and Structures, Vol. 40, No. 10, 2007: pp Triantafillou T.C. Shear reinforcement of wood using FRP materials. Journal of Materials in Civil Engineering 9(2), 1987: Steiger R. Bonding of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) with wood. In: Proceedings of COST E34 conference Innovations in Wood Adhe- 354 Po raz pierwszy zastosowano CFRP w konstrukcji drewnianej w 1991 roku do wzmocnienia zabytkowego, wybudowanego w 1807 roku, drewnianego mostu w pobliżu Sins w Szwajcarii (rys. 3) 26. Pierwotnie most, o rozpiętości przęseł 35m, został zaprojektowany do przeprawy pojazdów konnych. Obecnie dopuszczalne obciążenie wynosi 20 ton. Nie tylko zginane belki naprawiane są bądź wzmacniane za pomocą materiałów FRP, ale również elementy ściskane za pomocą opasek z mat FRP. Interesującym rozwiązaniem, pod względem konserwatorskim, jest wzmocnienie belki stropowej, wklejonym do wnętrza przekroju, zbrojeniem CFRP (o module sprężystości 170 GPa) w pałacu Nobili we Włoszech (2005). Taśmy zostały wklejone przy użyciu kleju tiksotropowego (by zapobiec jego wyciekom) na bazie żywicy epoksydowej. Dzięki temu zabiegowi, w dawnej siedzibie włoskiego banku, można było zdemontować stalowe dwuteowe belki (wprowadzone w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku), które stanowiły wzmocnienie dla drewnianego stropu. Ze względu na pęknięcie belki w strefie przypodporowej wzmocniono ją dodatkowo śrubami wkręcanymi rys. 4. Bogato dekorowany strop drewniany równocześnie został poddany zabiegom renowacyjnym, przede wszystkim usunięto wtórną pobiałę pokrywającą belki rys sives, Biel, Switzerland, 2004, pp Meier U. Strengthening of structures using carbon fibre/epoxy composites. Construction and Building Materials 9(6), 1995, pp Ntibarikure M.C. Palazzo Nobili in Lucca. LICONS, Task 9, Report, 2005.

7 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych W pracy 28 przedstawiono wykorzystanie włókien węglowych do stężenia konstrukcji gotyckiego kościoła w Miśni, w Niemczech. Stężenie miało na celu ograniczenie przekazywania się poziomych sił z konstrukcji dachu na ściany obiektu. Alternatywne rozwiązanie w postaci prętów stalowych nie zostało zaakceptowane ze względu na zbyt dużą rozszerzalność termiczną stali oszacowane przemieszczenie końców krokwi wyniosło 12 mm. Ze względu na dużą różnice temperatur od -20 C w zimie do +50 C w lecie nie zdecydowano się również na zastosowanie materiałów GFRP. W Polsce pierwsza próba wzmocnienia konstrukcji drewnianej przy użyciu taśm węglowych miała miejsce w 1998 roku w Gliwicach, gdzie wzmocniono pręty zabytkowej wieży telekomunikacyjnej. Wieża, o wysokości 110,7 m wzniesiona w 1933 roku, ma przestrzenną konstrukcję kratową z drewna modrzewiowego o zmiennym na wysokości rzucie kwadratu. Podczas badań stwierdzono wiele zmian w geometrii węzłów jak też uszkodzenia prętów drewnianych. Powodem wzmocnienia były, przede wszystkim, znaczne pęknięcia wzdłuż włókien drewna. W celu zabezpieczenia elementów ściskanych przed możliwością powiększania się pęknięć oraz w celu niedopuszczenia do rozsegregowania przekroju słupów, co w konsekwencji groziłoby utratą stateczności, zdecydowano się na metodę polegającą na naklejeniu odcinków taśm węglowych (CFRP) prostopadle do osi najbardziej wytężonych prętów drewnianych, zgodnie ze schematem pokazanym na rys. 4. Zalecona metoda naklejania taśm węglowych nie naruszała w sposób zasadniczy estetyki obiektu zabytkowego. Rozważana również koncepcja wzmocnienia poprzez wykonanie metalowych opasek nie uzyskała akceptacji konserwatora zabytków [19]. W obiektach zabytkowych, ze względu na to, że często mamy do czynienia z bogatą dekoracją stropów, właściwym rozwiązaniem jest wprowadzenie zbrojenia w przekrój drewniany. Pozwala to na wykorzystanie tej metody w pracach konserwatorskich. Propozycję takiego wzmocnienia przedstawiono w [15], [22], 29. Z punktu widzenia pracy statycznej elementu zespolonego najwłaściwszym rozwiązaniem byłoby doklejenie taśmy do dolnej płaszczyzny przekroju belki (w strefie włókien rozciąganych), jednak takie rozwiązanie nie jest do zaakceptowania w konserwacji konstrukcyjnej historycznych elementów drewnianych ze względów doktrynalnych. Przedmiotem badań były drewniane (sosnowe) ok. stuletnie belki stropowe. Do wzmocnienia i odtworzenia nośności drewnianych belek z defektami (korozja biologiczna, inkluzje, skręt włókien, pęknięcia drewna) zastosowano taśmy CFRP. Zastosowane sposoby wzmocnienia taśmami CFRP przedstawiono na rys. 6. Belki serii A nie były wzmacniane, stanowiąc poziom odniesienia. Ogółem badaniom poddano 21 belek (w tym 18 stuletnich) w skali technicznej o długości 4000 mm i wymiarach 28 Meier U.: Strengthening and stiffening of historic wooden structures with CFRP. In: Proceedings of International Conference on FRP Composites in Civil Engineering, Hong Kong, China, December 2001, pp Nowak T., Jankowski L. J., Jasieńko J. Application of photoelastic coating technique in tests of solid wooden beams reinforced with CFRP strips. Archives of Civil and Mechanical Engineering, [in press] 355

8 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych przekroju mm (7 typów, po 3 belki w serii). Belki poddawano czteropunktowemu zginaniu. Wzrost nośności badanych elementów wzmocnionych taśmami CFRP był znaczący, wyniósł bowiem od 21% dla belek serii F do ponad 79% dla belek serii D. Oceniając efektywność badanych technik wzmacniających z zastosowaniem wkładek CFRP należy zauważyć, że jest ona zbliżona wartościowo do technik, w których jako wkładek wzmacniających używa się wkładek stalowych z prętów żebrowanych czy też blach płaskich. Pracy przekrojów zespolonych towarzyszy tu jednak znacznie mniejszy stopień wykorzystania przekroju samych wkładek. W przypadku ciągłych wkładek stalowych jest on bliski 100% (w zakresie sprężystym), natomiast w przypadku wkładek CFRP nie przekraczał on, w przeprowadzonych badaniach, 12%. Należy jednak pamiętać, iż ze względów konserwatorskich i technologicznych taśmy umieszczono znacznie powyżej skrajnych włókien rozciąganych elementu. Na podstawie analizy numerycznej (FEM) stwierdzono, iż stopień wykorzystania taśm w jej strefie dolnej był wyższy o ok. 60% od uzyskanego na podstawie wyników pomiarów odkształceń w osi taśmy 30. Biorąc pod uwagę, iż opisywane techniki stanowią podmiot rozprawy w zakresie zastosowań w obiektach dziedzictwa, obiektach, których trwanie nie może być limitowane czasem ma 30 Jasieńko J., Nowak T.P.: Strengthening of bent timber beams in historical objects. In: Proceedings of the 16 th IIWC international conference and symposium: from material to structure. Mechanical behaviour and failures of the timber structures, Florence-Venice-Vicenza, November 2007, CD-ROM. 356 to pozytywny wpływ na pracę przekrojów zespolonych, pod mającym tu miejsce obciążeniem długotrwałym, a także wobec zachodzących w czasie zjawisk reologicznych. W przypadku konstrukcji murowanych, ceglanych czy kamiennych obecnie istnieje szereg nowoczesnych technologii i materiałów wzmacniających. Drobne uszkodzenia naprawia się najczęściej stosując iniekcje i impregnacje. Szerokie zastosowanie znajdują tu materiały na bazie żywic epoksydowych czy hybrydowych, spełniające funkcje iniektu. Interesującą metodą naprawy jest Metoda Złączy Podatnych wykorzystująca iniekcję polimerową 31. Jej skuteczność wynika z wprowadzenia polimerowego złącza naprawczego o większej wytrzymałości na rozciąganie i ścinanie oraz odkształcalności i ciągliwości, z czego wynika większa zdolność do przenoszenia obciążeń. Odkształcalność złącza podatnego pod obciążeniem zapewnia jednorodny rozkład naprężeń wzdłuż połączenia na całej powierzchni kontaktu, wyrównuje deformacje i tym samym ogranicza rozwój koncentracji naprężeń. Wykorzystywana w złączu podatnym masa np. poliuretanowa pracuje z materiałami murowymi z właściwym dopasowaniem cech mechanicznych, wypełniając wymagania stawiane materiałom iniekcyjnym 32. Należy zauważyć, że działania tego typu powinny towarzyszyć właściwym 31 Kwiecień A.: Flexible polymers using in repair of cracked masonry walls as a composite material, Proc. Atti del 3o Convegno Nazionale MuRiCo3, Venice, Van Balen K., Papayianni I., Van Hees R., Binda L. Waldum A.: Introduction to requirements for and functions and properties of repair mortars, Materials and Structures 38, 2005.

9 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych zabiegom wzmacniania konstrukcji 33, 34. W przypadku konieczności znacznego podniesienia nośności wzmacnianej konstrukcji stosuje się głównie materiały kompozytowe, których najistotniejszą zaletą jest wysoka wartość stosunku wytrzymałości do masy oraz łatwy transport i montaż. Mechaniczne właściwości włókien używanych do wzmocnień umożliwiają wykorzystywania wzmocnień kompozytowych do zmniejszenia naprężeń rozciągających i zginających, a tym samym umożliwiają zwiększenie obciążenia działającego na element konstrukcyjny. Na szczególną uwagę zasługują kompozyty na bazie włókien: węglowych, szklanych, aramidowych, bazaltowych oraz stalowych o podwyższonej wytrzymałości (UHTSS Ultra High Tensile Strenght Steel). Prowadzone są również prace badawcze nad zastosowaniem kompozytów naturalnych takich, jak juta czy żarnowiec włóknisty 35. Atrakcyjność wykorzystania materiałów przyjaznych środowisku wynika głównie z korzystniejszych możliwości ich utylizacji. Innowacyjne materiały typu FRP (Fibre Reinforced Polymers) wykazują dużą efektywność przy znacznej redukcji kosztów związanych, między innymi, z uniknięciem zjawisk korozji. Szeroki wachlarz możliwości doboru odpowiedniej technologii (pręty, maty i taśmy doklejane przy użyciu kompo- zycji epoksydowych lub siatki z włóknami zatapiane w matrycy mineralnej) umożliwia optymalizowanie podejmowanych decyzji w odniesieniu do konkretnego obiektu zabytkowego. Kompozytów FRP użyto do wzmocnienia i przywrócenia nośności sklepień w bazylice św. Franciszka w Asyżu 36 po tym, jak zostały zniszczone w wyniku trzęsienia ziemi i wymagały natychmiastowej interwencji (wprowadzono system żeber drewnianych, mat FRP i łączników tłumiących drgania) z uwagi na stan pozostałych, zachowanych sklepień. W kolejnych latach coraz częściej zaczęto stosować kompozyty do wzmacniania ceglanych murów, łuków, sklepień i kopuł. Powstały realizacje głównie we Włoszech 37, ale również i w Polsce kościół św. Piotra i Pawła w Krakowie wzmocnienie sklepienia kolebkowego; wzmocnienie kopuły katedry w Lublinie; wzmocnienie łuków i sklepień Muzeum Archeologicznego w Krakowie. Badania nad statyką konstrukcji łuków wzmocnionych przedstawiono m.in. w [36]. Badano obciążane statycznie łuki ceglane wzmocnione taśmami FRP. Wyniki badań dość jednoznacznie wskazują na przydatność zastosowania tego rodzaju wzmocnień przy naprawie zakrzywionych elementów murowanych z cegły. Podobne badania nad zachowaniem konstrukcji ceglanych wzmocnionych przy użyciu FRP 33 Bednarz Ł. Praca statyczna zabytkowych, zakrzywionych konstrukcji ceglanych poddanych zabiegom naprawy i wzmocnienia, Praca doktorska, Instytut Budownictwa Politechniki Wrocławskiej Jasieńko J., Bednarz Ł.: Stress and strain analysis of strengthened brick vaults, SAHC Conference in Bath Olivito R., Venneri A., Zuccarello F.: An experimental equipment for delamination tests of FRP reinforced bricks, Proc. Atti del 3o Convegno Nazionale MuRiCo3, Venice, Croci G., Viskovic A.: L uso degli FRP di fibra aramidica per il rinforzo della Basilica di San Francesco di Assisi, Proc. of Mechanics of masonry structures strengthened with FRP materials, Venezia, Italy, Borri A., Corradi M., A. Barbieri A., Di Tommaso A.: Dynamic behaviour of masonry vaults repaired with FRP: experimental analysis, Proc. of the Sixth International Masonry Conference of the British Masonry Society, (9): 7-16,

10 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych przedstawiono w publikacji 38. Wpływ różnego rodzaju włókien (węglowe, szklane etc.) zbrojących oraz umiejscowienie materiałów FRP (po stronie wewnętrznej i zewnętrznej sklepienia) zbadano doświadczalnie. Uzyskane wyniki pozwoliły określić mechanizm zniszczenia wzmocnionych łuków i zdefiniować modele analityczne. Pomimo coraz częstszego używania materiałów FRP do wzmacniania konstrukcji murowanych, brak jest dostępnych, w pełni wiarygodnych modeli stosowanych w projektowaniu i potrzebne są dalsze programy badawcze. Aby wyjaśnić zachowanie sklepień ceglanych wzmocnionych FRP, podjęto m.in. badania na Uniwersytecie w Padwie 39. Dowiedziono, iż zastosowanie wzmocnienia w postaci taśm CFRP doklejanych od strony podniebienia oraz od strony grzbietowej znacznie zmienia przebieg linii ciśnień w łuku ceglanym. Proponowany model analityczny został zweryfikowany doświadczalnie oraz porównany z podobnymi, choć nielicznymi propozycjami dostępnymi w literaturze. Nośność wzmocnionych przekrojów (poddanych ściskaniu i zginaniu), zależała od wartości działającej w konstrukcji siły ściskającej i od wytrzymałości taśmy. Przyjmując liniowo-sprężyste zachowanie materiału wzmacniającego i prostokątny wykres naprężeń dla muru, zaproponowano matematyczny model obliczeniowy. Badania laboratoryjne przyniosły obiecujące wyniki w odniesieniu do proponowanego mo- 38 Valluzzi M.R., Modena C.: Experimental analysis and modelling of masonry vaults strengthened by FRP, Guimarăes, Valluzzi M., Valdemarca M., Modena C.: Behaviour of bricks masonry vaults strengthened by FRP laminates, Int. J. Composites for Construction 5(3), , delu analitycznego. W pracy 40 przedstawiono badania wykonane na 8 modelach łuków ceglanych. Wzmocnienie materiałami GFRP wykonano w różnych konfiguracjach (wzmocnienie po stronie podniebienia łuku, wzmocnienie po stronie grzbietowej, wzmocnienie ciągłe, wzmocnienie odcinkowe). Wykazano zależność pomiędzy różnymi rodzajami wzmocnień, a modelami zniszczenia łuku odbiegającymi od klasycznego czteroprzegubowego mechanizmu zniszczenia prezentowanego przez Heymana 41. Modele zniszczenia wraz z powstałymi przegubami oraz wyniki przeprowadzonych badań świadczą o przydatności stosowania tego typu wzmocnień w ceglanych konstrukcjach łukowych. Poważnym problemem jest zapewnienie zakotwienia materiałów FRP używanych do wzmacniania zakrzywionych konstrukcji ceglanych od strony podniebienia. Jeśli brak takiego zakotwienia, następuje odspojenie materiału wzmacniającego od konstrukcji, co prowadzi do niewykorzystania jego przekroju. Próby modelowania analitycznego na podstawie badań łuków i sklepień ceglanych w skali technicznej podjęto także w 42 rys. 7. Ciekawą i przydatną, jeśli chodzi o projektowanie wzmocnień przy użyciu materiałów kompozytowych, wydaje się być włoska instrukcja CNR Oliveira D.V., Basílio I., Lourenço, P.B.: FRP strengthening of masonry arches towards an enhanced behaviour, IABMAS 06 Third International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, CD-ROM, 9 pp, Porto, Heyman J.: The masonry arch, Chichester, Ellis Horwood Series in Engineering Science, Foraboschi P.: Strength Assessment of Masonry Arch Retrofitted using Composite Reinforcements, 15, no. 1 Masonary International, CNR DT 201/2005, Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures Materials, RC

11 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych W tradycyjnych systemach FRP (wykorzystujących polimery zbrojone włóknem) konkretne receptury żywic epoksydowych używane są do doklejania ciągłego włókna do konstrukcji w taki sposób, aby utworzyły współpracujący system przenoszący występujące w konstrukcji naprężenia. Żywice epoksydowe, z powodu ich właściwości, mają jednak poważne ograniczenia w zastosowaniach niski współczynnik dyfuzji w przypadku występującej w konstrukcji wilgoci. Nowością są materiały FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix) składające się z siatki z włókien np. węglowych, bazaltowych lub PBO (poliparafenilenbenzobisoxazol), która stanowi wkładkę wzmacniającą oraz z zaprawy mineralnej, która łączy siatkę z podłożem. W systemach FRCM w odróżnieniu od FRP stosuje się nieorganiczną zaprawę składającą się z hydraulicznego spoiwa oraz dodatków, które są chemicznie, fizycznie i mechanicznie kompatybilne z podłożem, a szczególnie z murem ceglanym. Kompozyty tego typu są ognioodporne i można je stosować na podłożu wilgotnym. Technologia zapewnia prawidłową dyfuzyjność gazów oraz równowagę chemiczną. Przykładowe realizacje wzmocnień przy użyciu materiałów FRCM przedstawiono na rys. 8 i 9. Badania nad pracą statyczną wzmacnianych przy pomocy różnego rodzaju materiałów kompozytowych (w tym materiałów FRCM), konstrukcji murowych przeprowadzono m.in. w Instytucie Budownictwa Politechniki Wrocławskiej (Polska) i zaprezentowano m.in. w [33] 44, 45. Badania wyand PC structures, masonry structures, Jasieńko J., Bednarz Ł.: Innowacyjne technologie wzmacniania historycznych łuków i sklepień ceglanych, Materiały Budowlane, 2/ Jasieńko J., Di Tomasso A., Bednarz Ł.: Experikonano na łukach ceglanych o wysokości przekroju grubości 0,12 m, szerokości 0,77 m, rozpiętości 4 m i promieniu 2 m rys. 10. Łuki o kształcie odcinka koleby wymurowano z materiałów przypominających swoimi cechami materiały w obiektach zabytkowych (cegły pełnej ceramicznej klasy 100 oraz zaprawy wapiennej). Modele starano się wykonać w tzw. technice z wolnej ręki generując w ten sposób imperfekcje obecne zwykle w sklepieniach historycznych już w fazie wykonywania. Schemat statyczny podparcia i obciążenia we wszystkich badanych łukach zrealizowano w ten sam sposób (rys. 2). Wszystkie modele łuków poddano monotonicznie narastającym obciążeniom statycznym realizowanym na całej szerokości łuku, w 1/3 rozpiętości, przez siłownik, aż do zniszczenia. Każdy z łuków został wzmocniony w inny sposób. Model A1 łuk niewzmocniony łuk świadkowy (rys. 11), Model A2 łuk wzmocniony za pomocą systemu FRCM siatki z włókna węglowego osadzonej w zaprawie mineralnej po stronie grzbietowej (rys. 12), Model A3 łuk wzmocniony za pomocą 2 taśm węglowych CFRP (o przekroju 100/1.4) doklejonych w rozstawie osiowym 40 cm po stronie grzbietowej oraz systemu FRCM siatki z włókna węglowego osadzonej w zaprawie mineralnej po stronie grzbietowej (rys. 13), Model A4 łuk wzmocniony za pomocą systemu FRCM siatki mental Inwestigations into Collapse of Masonry Arches Reinforced Using Different Compatible Technologies, Venezia Palazzo Badoer,

12 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych z włókna węglowego osadzonej w zaprawie mineralnej po stronie grzbietowej oraz po stronie podniebienia łuku (rys. 14), Model A6 łuk wzmocniony 2 taśmami węglowymi CFRP (o przekroju 100/1.4) przyklejonymi w rozstawie osiowym 40 cm po stronie grzbietowej (rys. 15). Na rys przedstawiono schematyczny sposób wzmocnienia porównany z widokiem rzeczywistym modeli łuków. Materiały wzmacniające starano się umieszczać po stronie grzbietowej łuków lub wewnątrz przekrojów łuków. Taki sposób wzmocnienia ma decydujący wpływ w przypadku łuków i sklepień historycznych, bogato dekorowanych po stronie podniebienia. W literaturze przedmiotu nie opisano dotąd podobnych przekrojowych badań z udziałem tak wielu metod wzmacniania zakrzywionych konstrukcji ceglanych, będących do zaakceptowania ze względów doktrynalnych w konserwacji konstrukcyjnej historycznych konstrukcji ceglanych, szczególnie jeśli chodzi o wzmocnienia typu FRCM, czyli z zastosowaniem siatek (np. węglowych) osadzanych w matrycy mineralnej. Na podstawie wyników badań stwierdzono, że wzmacnianie wpływa bardzo korzystnie na nośność i sztywność badanych łuków. Na rys. 16 przedstawiono wyniki badań modeli łuków A1, A2, A3, A4 i A6. Uwidocznił się znaczny wzrost siły niszczącej we wszystkich wzmocnionych łukach w porównaniu z łukiem świadkowym. Wzmocnione modele osiągnęły znacznie większe ugięcia niż łuk świadkowy (rys. 17), przy równoczesnym, znacznym wzroście wartości obciążenia niszczącego. 360 Szczególnie dotyczyło to modeli wzmocnionych przy użyciu siatek z włókien węglowych, w których przypadku odkształcenie i zniszczenie następuje w sposób bardzo płynny i powolny. Brak jest skoku związanego z gwałtownym oderwaniem materiału wzmacniającego (delaminacją), jak w modelach wzmocnionych samymi taśmami CFRP. Zmiana schematów zniszczenia i wzrost nośności poszczególnych badanych modeli łuków świadczą o przydatności zastosowanych wzmocnień i poprawności ich wykonania. We wszystkich wzmocnionych modelach łuków zmieniły się schematy zniszczenia w porównaniu z niewzmocnionym łukiem A1. Świadczy to o zmianie charakteru pracy statycznej wzmocnionych łuków i potwierdza przydatność zastosowanych wzmocnień. Należy również zwrócić uwagę na schematy zniszczenia połączeń pomiędzy materiałem wzmacniającym a poszczególnymi łukami: w łuku A2 obserwowano odspojenie siatki z włókna węglowego od konstrukcji murowej z fragmentami cegieł co świadczy o tym, że zniszczenie (rozerwanie) nastąpiło w cegle, w łuku A6 obserwowano odspojenie taśmy FRP od podłoża ceglanego z fragmentami cegieł co świadczy o tym, że zniszczenie (rozerwanie) nastąpiło również w cegle. Wszystkie wzmocnione modele łuków znacznie zwiększyły swoją nośność. Wzrost nośności jest bardzo duży, od ponad trzykrotnego wzrostu siły niszczącej (3,77) w przypadku łuku A2, do blisko sześciokrotnego (5,76 łuk A6). Podsumowując przeprowadzone badania na modelach w skali technicznej, można stwierdzić:

13 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych wszystkie modele badawcze przygotowano mając na uwadze praktyczne wykorzystanie badanych innowacyjnych technik w konserwacji konstrukcji murowanych z cegły, badania potwierdziły możliwość i przydatność stosowania wzmocnień FRCM, czyli siatek z włókien węglowych zatapianych w zaprawie mineralnej, do wzmacniania zakrzywionych historycznych konstrukcji ceglanych, potwierdzono łatwość w aplikacji systemów FRCM w konstrukcjach łuków i sklepień, badania potwierdziły ponadto możliwość i przydatność stosowania łącznie technik klejenia taśm CFRP oraz systemów FRCM, a co za tym idzie wykorzystanie pozytywnych właściwości obu tych systemów. Niedawno pojawiła się również rodzina kompozytów zbliżonych pod wieloma względami do FRP złożona z cienkich, podatnych, stalowych cięgien na bazie stali niskowęglowej o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie (UHTSS) rys. 18. Materiały te mogą występować w postaci siatek w matrycy polimerowej (SRP Steel Reinforced Polymer), jak i w postaci galwanizowanej, stanowiąc zbrojenie zaprawy mineralnej (SRG Steel Reinforced Grout) lub jako oddzielne cięgna wprowadzane w spoiny między elementami murowymi, kotwione za pomocą łączników mechanicznych, a następnie wstępnie sprężane. Wyboru matrycy dokonuje się na podstawie rodzaju elementu wzmacnianego jak i upakowania włókien w siatce (do gęstych siatek zastosowanie mają wyłącznie matryce polimerowe). SRP i SRG łączą zalety FRP takie jak doskonały stosunek nośności do masy i łatwość aplikacji, z niższym kosztem materiałów oraz dobrą współpracą z łącznikami mechanicznymi. Dominują trzy podstawowe rodzaje cięgien wykorzystywanych w powyższych technologiach oznaczane, jako ST2, 3X2 oraz 3SX 46. Prace nad tym sposobem wzmacniania konstrukcji historycznych rozpoczęła i rozwija grupa prof. Antonio Borriego z Uniwersytetu w Peruggi. Zastosowanie cięgien stalowych w żywicy epoksydowej miało miejsce np.: w pałacu Contucci w Montepulciano Siena 47, rys. 19. Rozwiązaniem niosącym za sobą szerokie możliwości zastosowania we wzmacnianiu murów kamiennych jest wykorzystanie wstępnie sprężanych cięgien ze stali o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie (UHTSS) wprowadzanych między elementy kamienne i łączonych systemem kotew ze wzmacnianym obiektem. Na rys. 20 przedstawiono schemat wzmocnienia muru z zastosowaniem omawianej technologii a na rys. 21 model badawczy w skali technicznej. W [49] 48 przedstawiono 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. 46 Hardwire LLC, 2002, What is Hardwire, www. hardwirellc.com, Pocomoke City, MD. 47 Celestini G., Casadei P.: Innovation on Advanced Composite Materials for Strenghtening and Protection of Historical Masonry Structures, Proc. Atti del 3o Convegno Nazionale MuRiCo3, Venice 2009, s Borri A., Corradi M., Speranzini E., Giannantoni A.: Rubble stone masonry strengthened using reticolatus system, Wiadomości Konserwatorskie, 26/

14 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych Próby ściskania przeprowadzono w terenie, na murach miejskich Trevi (Perugia, Włochy). Fragmenty muru o grubości około 50 cm poddawano jednoosiowemu ściskaniu przy zastosowaniu płaskich podnośników. Obciążanie przykładano statycznie do poziomu około 33% naprężenia niszczącego. Autorzy stwierdzili przyrost nośności wynoszący 116% w porównaniu do modeli świadkowych. Dodatkowo badano fragmenty muru wzmocnione wyłącznie poprzez głębokie uzupełnianie spoin zaprawą wapienną dobrej jakości. Przyrost nośności w drugim przypadku wyniósł około 40%. Natomiast próby ścinania wykonano zgodnie z normą ASTM E na trzech kamiennych płytach murowych pozyskanych z siedemnastowiecznego budynku Pale koło Foligno (Perugia, Włochy). Grubość płyt wynosiła około 53 cm. Mur zbudowany był z elementów ciosanych połączonych zaprawą na bazie wapna o słabych właściwościach mechanicznych. Ciosy kamienne w większości stanowił trawertyn i zwarte wapienie. Modele przycięto do wymiarów 120 x 120 cm. Naprężenia ścinające wywołano w próbie diagonalnego statycznego ściskania elementu. Mierzono przemieszczenia za pomocą czujników indukcyjnych, aż do zniszczenia elementów. Na rys. 22 przedstawiono wykres τ-γ dla badanych elementów. Autorzy stwierdzili przyrost nośności wynoszący 117% dla wzmocnienia UHTSS przy 35% przyroście w przypadku zastosowania uzupełniania spoin zaprawą dobrej jakości. Przeprowadzono również próby zginania, odzwierciedlające pracę statyczną murów poddanych obciążeniu poziomemu (np. mury obronne obciążone parciem gruntu). Badano dwa modele 362 wzmocnione cięgnami UHTSS, zbudowane z kamienia łamanego (wapień), łączone za pomocą zaprawy wapiennej o słabych właściwościach mechanicznych. Modele obrócono i ułożono poziomo na podporach, a następnie obciążano statycznie ze skokiem 1,5 kn generując jednokierunkowe zginanie elementów. Model nr 1 miał wymiary 50 x 268 x 100 cm, został on wzmocniony obustronnie (w kierunku podłużnym 12 cięgien w grzbiecie i podniebieniu oraz 24 cięgna na metr w kierunku poprzecznym). Model nr 2 o wymiarach 40 x 180 x 198 cm wzmocniono stosując 24 cięgna w obu kierunkach w podniebieniu oraz 12 w grzbiecie. W obu modelach spoiny uzupełnione zostały zaprawą cementowo-wapienną o słabych właściwościach mechanicznych na głębokość około 7 cm. Zniszczenie modelu nr 1 zginanego na rozpiętości 208 cm nastąpiło pod równomiernym obciążeniem (wliczając ciężar własny) 1,61 kn/m. Natomiast model nr 2 zginany na rozpiętości 124 cm nie został zniszczony nawet przy równomiernym obciążeniu wynoszącemu 4,1 kn/m. Przy tej wartości, obciążanie modelu nr 2 przerwano w celu poddania go innym testom. Autorzy dowiedli, iż wzmocnienie konstrukcji murowych z wykorzystaniem cięgien UHTSS, aplikowanych w spoiny między elementami murowymi, stwarza nowe możliwości w stabilizacji i ekspozycji trwałych ruin. Poprawa obejmuje nie tylko charakterystyki mechaniczne muru, lecz również współpracę przestrzenną całej konstrukcji, przy zapewnieniu ciągłości wzmocnienia. Oprócz zachowania lic zewnętrznych w niezmienionym stanie, zaletę stanowi również odwracalność procesu aplikacji w przypad-

15 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych ku wystąpienia takiej konieczności. Stanowi to silne argumenty w świetle wymogów konserwatorskich dotyczących rozpatrywanych obiektów historycznych. Obecnie na Uniwersytecie w Padwie (prof. Claudio Modena ze współpracownikami) prowadzone są badania wzmacniania murów historycznych przy użyciu iniekcji na bazie zapraw wapiennych wspomaganych kotwieniem lica zewnętrznego i wewnętrznego przy użyciu kotew Helifix. Badania nad wzmacnianiem murów kamiennych przedstawiono również w [ 49 ]. Autorzy przeprowadzili badania modeli murowych z piaskowca wzmocnionych przy pomocy prętów z włókien węglowych CFRP i aramidowych AFRP, a także przy pomocy technologii TRM (Textile Reinforced Mortars). Spoiwem zastosowanym do wykonania modeli była zaprawa o następującym składzie: cement 2,4 %, wapno (CaOH) 7,1 %, piasek 90,5 % o maksymalnym wymiarze kruszywa 2 mm. Wykonano badania 9 modeli badawczych wzmocnionych przy użyciu omawianych metod. Modele badawcze o wymiarach 2 x 2 x 0,3 m wykonano z piaskowca o wymiarach 180 x 90 x 90 mm. Model 1 stanowił element świadkowy, dla którego siła niszcząca w próbie ściskania wyniosła 188 kn. Wzrost siły niszczącej w przypadku modeli wzmocnionych prętami AFRP i CFRP oraz matami TRM wyniósł % w zależności od przyjętego modelu wzmocnienia. La Mendola, Amato, Licata, Accardi w publikacji 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 La Mendola L., Amato G., Licata V., Accardi M. Numerical analysis and experimental comparison przeprowadzili analizę modelową i numeryczną fragmentów murów kamiennych o wymiarach 740 x 210 x 2100 mm przed i po wzmocnieniu taśmami CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer). Modele badawcze zostały ustawione na poziomym elemencie zapewniającym możliwość przesuwu horyzontalnego i obciążone stałą siłą osiową. Następnie wymuszano przemieszczenie podstawy fragmentu muru do określonych wartości stałych, dla których blokowano przesuw, i odczytywano, z odpowiednio zamontowanego siłomierza, wartość reakcji poziomej. Badano element świadkowy oraz trzy modele wzmocnione poprzez doklejenie kolejno 2, 4 i 6 taśm CFRP o 50 mm szerokości po stronie rozciąganej. Na podstawie tak wykonanych badań eksperymentalnych dokonano kalibracji modelu numerycznego opartego na metodzie elementów skończonych (FEM). Podsumowanie Zagadnienie związane z konserwacją, utrzymaniem, naprawą, wzmocnieniem, 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, on CFRP reinforced masonry walls subjected to transverse loads, Protection of Historical Buildings, PROHITECH 09, London,

16 O współczesnych metodach wzmacniania wybranych konstrukcji historycznych co jest sprawą priorytetową w przekazywaniu prawdy historycznej kolejnym pokoleniom. Wykorzystanie materiałów innowacyjnych (lekkich, kompozytowych) w naprawie i wzmacnianiu zabytkowych obiektów drewnianych, murowanych i kamiennych lub ich poszczególnych elementów może prowadzić do trwałego zachowania obiektów historycznych stanowiących ważną część dziedzictwa narodowego. Przedstawione badania i przykłady praktycznego zastosowania metod innowacyjnych do wzmacniania konstrukcji historycznych potwierdzają 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. 364

17 Sui metodi contemporanei di rinforzo di strutture edilizie monumentali scelte Jerzy Jasieńko Tomasz Nowak Łukasz Bednarz Politechnika Wrocławska Sui metodi contemporanei di rinforzo di strutture edilizie monumentali scelte Introduzione L applicazione di metodi innovativi della riparazione e della stabilizzazione delle strutture edilizie monumentali può essere un azione preventiva sullo stato di guasto. La rigenerazione e il rinforzo delle parti danneggiate della struttura del monumento fa parte di un programma generale di conservazione dei lavori tecnici strettamente inerenti alla tematica della stabilizzazione e del consolidamento delle strutture costruttive. Questi lavori rappresentano i compiti più importanti e significativi per la conservazione di un monumento. Il rinforzo e la stabilizzazione hanno come scopo, per i sistemi di costruzione, il ripristino delle loro capacità di compiere le funzioni di utilizzo, l aumento delle loro caratteristiche di staticità e di resistenza e di renderli resistenti ai processi distruttivi. Le tendenze attuali nel rinforzo delle strutture di costruzione storiche sono visibili attraverso l uso delle nuovissime conquiste della scienza sui materiali di composizione. I metodi di rinforzo convenzionali come capochiavi, lamiere incollabili come nel caso di costruzioni di legno oppure il calcestruzzo iniettato o il cemento armato nel caso di costruzioni in muratura, comportano l aumento della capacità portante e della rigidezza della costruzione. Possono tuttavia comportarare dei cambiamenti irreversibili dell aspetto esteriore dell edificio storico, che sono raramente accettabili dal punto di vista della dottrina della conservazione. Descrizione edanalisi dei metodi di rinforzo Il legno, nonostate nelle condizioni ottimali abbia una duratura straordinaria, nelle condizioni di un uso normale negli edifici subisce una degenerazione più veloce rispetto agli altri materiali di costruzione. Sia gli edifici costruiti interamente in legno che le parti della costruzione degli edifici in muratura fatte in legno sono sottoposti all azione distruttiva di agenti atmosferici, biologici ed a volte chimici. Il legno si caratterizza per una bassa resistenza all umidità che comporta sia l indebolimento della sua struttura interna che l abbassamento della resistenza, il che è la conseguenza delle sue caratteristiche fisiche e meccaniche. Nella problematica del comportamento dei componenti in legno si prende in considerazione non soltanto lo stato tecnico dell elemento stesso, ma anche il valore artistico e culturale dell edificio inteso come complesso assieme ai particolari decorativi che si presentano più volte nella forma originale di intagli e di policromia. In conformità alle decisioni della Carta di Venezia l azione negli edifici del patrimonio culturale ha lo scopo di conservare e di evidenziare il valore storico ed estetico dell edificio e consiste nel rispetto della sostanza storica e dei componenti che testimoniano l autenticità del passato. Si ammette comunque il rinforzo degli edifici del patrimonio storico con l uso delle tecniche moderne, di conservazio- 365

18 Sui metodi contemporanei di rinforzo di strutture edilizie monumentali scelte ne, edilizie e ingegneristiche con l adottamento dei principi della dottrina della conservazione [ 1 ], [ ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ ], [ ]. Nelle costruzioni in legno subiscono più facilmente la degenerazione i soffitti in legno le zone di appoggio delle travi del tetto. Esse richiedono, il più delle volte, la riparazione e il rinforzo. Nella prassi di restauro i metodi convenzionali di rinforzo della costruzione in legno sono un alternativa alla sostituzione dei componenti con quelli nuovi, permettendogli di conservare l autenticità. Troppo spesso vengono prese le decisioni di smontaggio della costruzione in legno e della sua sostituzione con quella nuova p.es. con la sostituzione dei soffitti in legno con quelli in calcestruzzo. Il fatto da parte sua incide sul cambiamento del carico di tutto il sistema costruttivo dell edificio e del terreno, il che può causare dei fenomeni pericolosi Balsamo A., Cerone M., Viskovic A. New Wooden Structures with Composite Material Reinforcements for Historical Buildings The Case of the Arena Flooring in the Colosseum, In: Proceedings of the IABSE Conference: Innovative Wooden Structures and Bridges, Lahti, Finland, August 29-31, 2001, pp Borchardt J.K. Reinforced plastics help preserve historic buildings. Reinforced Plastics 47(11), 2003, pp Jasieńko J. Glued and engineering joints in repair, conservation and reinforcement of historical timber structures. Lower Silesia Educational Publishers (DWE), Wrocław, [in Polish] 4 Parisi M. A., Piazza M. Restoration and strengthening of timber structures: principles, criteria and examples, Practice periodical on structural design and construction 12(4), 2007, pp Radford D.W., Van Goethem D., Gutkowski R.M., Peterson M.L. Composite repair of timber structures, Construction and Building Materials 16(7), 2002, pp Quagliarini E., D Orazio M., Stazi A. Rehabilitation and consolidation of high-value camorcanna vaults with FRP, Journal of Cultural Heritage 7(1), 2006, pp Van Gemert D., Vanden Bosch M. Structural restoration of wooden beams by means of epoxy resin, Materials and Structures, 20(3), 1987, pp come le crepedelle pareti portanti, l abbassamento squilibrato del suolo sotto le fondamenta, il disfacimento dell infrstruttura d istallazione. Questi fenomeni sono pericolosi anche perche appaiono con un sostanziale ritardo. I metodi di rinforzo delle travi in legno si possono suddividere in due gruppi principali: 1. Le protezioni e i rafforzamenti costruttivi che comprendono l introduzione di componenti supplementari: rinforzo indipendente della struttura portante, sistema di costruzione sospeso, rinforzo che lavora con il sistema della struttura construttiva. 2. Gli interventi strutturali che consistono nell aumento (nel miglioramento) delle caratteristiche tecniche e d utilizzo dei componenti danneggiati. Un altra suddivisione dei metodi di rinforzo è inerente al lavoro statico della costruzione dopo il rinforzo. Anche qui possiamo distinguere due gruppi principali: 1. I metodi di rinforzo con il cambiamento del sistema statico, 2. I metodi di rinforzo senza il cambiamento del sistama statico. I metodi di rinforzo tradizionali delle costruzioni storiche in legno attraverso i coprigiunto in legno, le lamine e i profilati di ferro sono stati descritti in modo esaustivo tra l altro nel [3], [ ]. Uno dei metodi del rinforzo delle travi in legno del tetto è la loro combinazione con una piastra di cemento armato. Lo scopo della combinazione del legno 8 Yeomans D. The Repair of Historic Timber Structures. Thomas Telford, London, 2003.

19 Sui metodi contemporanei di rinforzo di strutture edilizie monumentali scelte con il cemento nella struttura è lo sfruttamento delle caratteristiche dei due materiali: una grande resistenza alla pressione del cemento e una notevole resistenza alla trazione del legno. Le prime soluzioni delle combinazioni nei soffitti di legno e cemento armato sono state realizzate esclusivamente attraverso un adatta sagomatura della superficie superiore della trave. Successivamente, sono stati usati come connettori p.es. dei profilati in acciao, chiodi, viti, perni, piastre, ecc. [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ]. Durante le riparazioni delle strutture in legno si usano prevalentemente i giunti meccanici per chiodi, viti, ecc. Una soluzione nuova per i giunti meccanici è il sistema Helifix. I ferri a spirale del sistema sono fatti in acciaio altamente resistente, inossidabile austenizzato. La loro forma a spirale assicura un alta resistenza ai carichi di trazione. I ferri sono avvitati, eventualmente ancorati applicando una composizione di colla. Si ammette l usodi fissaggi lungo le fibre. Particolarmente efficaci possono essere i ferri usati come collegamento delle zone spaccate degli elemennti in legno. Ciò riguarda soprattutto le crepe e le spaccature dovute alla contrazione, la cui propagazione rispetto alla larghezza della sezione o alla lunghezza dell elemento può portare allo stato di danno disegno 1a), b). Usando i ferri a spirale è possibile prevenire la 9 Brol J.: Wzmacnianie zespolonych stropów drewniano-żelbetowych polimerami zbrojonymi włóknami węglowymi. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria: Budownictwo, z. 95, Gliwice, 2002, s [in Polish] 10 Godycki-Ćwirko T., Pawlica J.: Renowacja starych stropów drewnianych. Przegląd Budowlany No. 2, 1997, pp , 22. [in Polish] 11 Grosse M., Rautenstrauch K., Schlegel R.: Numerische Modellierung von Holz und Verbindungselementen in Holz-Beton-Verbundkonstruktionen. Bautechnik 82 (6), 2005, pp [in German] scomposizione degli strati degli elementi in legno nelle zone di tensione espansiva per traverso delle fibre e zone di tensioni normali disegno 1c), d). Ai vantaggi dei giunti si può aggiungere il fatto che essi possono essere completamente nascosti nell elemento rinforzato, il che è essenziale nelle strutture monumentali 12. Lo sviluppo dell ingegneria dei materiali ha inciso in maniera significativa sulle tecnologie dell edilizia e della conservazione. L invenzione, alla fine degli anni sessanta, delle resine epossidiche dalle alte caratteristiche di resistenza ha comportato i tentativi della loro applicazione nel rinforzo delle costruzioni. Le composizioni nate in base alle resine sintetiche possono essere usate sia per i rafforzamenti di struttura delle sezioni, sia per il ripristino della geometria delle sezioni, che per la creazione di giunti d unificazione dell elemento di rinforzo con quello rinforzato. L applicazione di resine e di colle sta diventando un metodo riconosciuto per la conservazione delle strutture in legno, ad esclusione delle protezioni di superficie [3], [7], [ 13 ], [ 14 ]. Sul disegno 2 sono stati presentati i metodi di rinforzo degli elementi flessibili con l aiuto delle composizioni epossidiche e di armamento. 12 Gil Z., Fanderejewska E., Wzmocnienie konstrukcji drewnianych za pomocą prętów spiralnych. In: Proceedings of the Conference: Problemy remontowe w budownictwie ogólnym i obiektach zabytkowych, Wrocław-Zamek Kliczków, 9-11 December 2004, pp Broughton J.G., Hutchinson A.R.: Adhesive systems for structural connections in timber. International Journal of Adhesion and Adhesives 21 (3), 2001, pp Wheeler A.S., Hutchinson A.R.: Resin repairs to timber structures. International Journal of Adhesion and Adhesives 18(1), 1998, pp

20 Sui metodi contemporanei di rinforzo di strutture edilizie monumentali scelte Le tecnologie della riparazione e del rinforzo della struttura di costruzione sono state sviluppate in quattro direzioni principali: impregnazione superficiale, che ha lo scopo di proteggere la struttura di costruzione dagli animali nocivi, dall umidità e di aumentare la sua durevolezza, impregnazione penetrativa, che ha lo scopo di rinforzare le struttura del materiale di cui è composto l elemento costruttivo, di aumtentare la durezza e la capacità portante (oppure il ripristino della caratteristica meccanica), iniezioni nelle spaccature, nelle crepe, completameto delle sezioni degli elementi costruttivi, applicazione delle composizioni di resina come giunzione dell elemento rinforzato con quello di rinforzo. La questione dei giunti (giunti in colla) che uniscono l elemento rinforzato con quello di rinforzo è ancora più importante, in quanto la soluzione complessiva della loro incidienza sul lavoro di costruzione potrebbe portare all eliminazione oppure a una notevole limitazione, durante il rinforzo delle strutture in legno, dei vari giunti meccanici, e all introduzione al loro posto, esclusivamente o quasi esclusivamente, dei giunti in colla. Negli elementi flessibili della capacità portante decide, di solito, la zona d espansione della sezione. I difetti del legno nella zona d espansione abbassano in maniera ancor più significativa la capacità portante dell elemento rispetto alla zona di pressione. Uno dei modi di rinforzo è l applicazione dell armamento in forma di ferri e di 368 lamiere d acciaio [3], [ 15 ], [ 16 ], di ferri FRP (Fibre Reinforced Polymers) [ 17 ], [ 18 ], di nastri FRP [ 19 ], [ 20 ], [ 21 ], [ 22 ], [ 23 ]. Le congiunzioni con il legno dell armamento vengono realizzate soprattutto attraverso l uso di composizioni epossidiche di colla. Le lamiere d acciaio e i materiali FRP possono anche servire al rinforzo delle zone tagliate [ 24 ]. Uno dei vantaggi dei materiali FRP è la loro compatibilità con il legno la simile dilatazione termica, la deformabilità, ecc. Siccome le fibre di vetro hanno una debole resitenza agli ambienti alcali- 15 Jasieńko J., Nowak T., Bednarz Ł. Reinforcement of bent timber beams in historic buildings, In: Proceedings of the International Conference on Protection of Historical Buildings, Prohitech 09, Rome, Italy, June 2009, pp Riberholt, H. Glued Bolts in Glulam - Proposal for CIB Code. W: Proceedings of the CIB-W18 Meeting. Parksville, Vancouver Island, Canada, 1988: Paper De Lorenzis L., Scialpi V., Tegola A.L. Analytical and experimental study on bonded-in CFRP bars in glulam timber. Composites Part B: Engineering 36(4), 2005: Fiorelli J, Dias AA. Analysis of the strength and stiffness of timber beams reinforced with carbon fiber and glass fiber. Materials Research 36(2), 2003, pp Ajdukiewicz A., Brol J., Malczyk A., Właszczuk M. Rehabilitation of the Highest Wooden Tower in Poland. Structural Engineering International 2000;10(3): Borri A., Corradi M., Grazini A. A method for flexural reinforcement of old wooden beams with CFRP materials. Composites Part B: Engineering 36(2), 2005, pp Corradi M., Speranzini E., Borri A., Vignoli A. Inplane shear reinforcement of wood beam floors with FRP. Composites Part B: Engineering 37(4-5), 2006, pp Jankowski L.J., Jasieńko J., Nowak T.P. Experimental assessment of CFRP reinforced wooden beams by 4-point bending tests and photoelastic coating technique, Materials and Structures, Vol. 43, No. 1-2, 2010, pp Schober K.U., Rautenstrauch K. Post-strengthening of timber structures with CFRP s, Materials and Structures, Vol. 40, No. 10, 2007: pp Triantafillou T.C. Shear reinforcement of wood using FRP materials. Journal of Materials in Civil Engineering 9(2), 1987: