ZACHOWANIE STATYCZNE ZEWNĘTRZNEJ KONSTRUKCJI NO- ŚNEJ NAWY GŁÓWNEJ KOŚCIOŁA ŚW. JERZEGO W GLIWICACH OSTROPIE

Transkrypt

1 MONOGRAFIA SPOTKANIE Z ZABYTKIEM 1 (II) 2008 Jacek HULIMKA 1 Katedra Inżynierii Budowlanej, Politechnika Śląska, Gliwice ZACHOWANIE STATYCZNE ZEWNĘTRZNEJ KONSTRUKCJI NO- ŚNEJ NAWY GŁÓWNEJ KOŚCIOŁA ŚW. JERZEGO W GLIWICACH OSTROPIE Streszczenie. Oryginalną nawę główną kościoła, o konstrukcji wieńcowej, obudowano w latach 70-tych dwudziestego wieku konstrukcją drewnianą, złożoną z podłużnych ścian szkieletowych, poprzecznej ściany usztywniającej i dwuspadowego dachu wieszarowego. W artykule przedstawiono wyniki analizy statyczno-wytrzymałościowej przestrzennego modelu nowej konstrukcji, ze szczególnym uwzględnieniem sztywności przestrzennej w różnych wariantach usztywnienia stropu. Ponadto, wyszczególniono podstawowe błędy wykonawcze oraz sformułowano ramowe zalecenia wykonania niezbędnych napraw i wzmocnień. Słowa kluczowe: konstrukcje drewniane, analiza przestrzenna, sztywność, wzmocnienie. STATIC BEHAVIOUR OF EXTERNAL STRUCTURE OF THE NAVE OF ST. GEORGE CHURCH IN OSTROPA Summary. Original corner-notched log structure of the nave was rebuilt in 1970s; it was changed into wooden structure consisted of longitudinal frames, transversal stiffening wall and gable roof with post truss. Paper presents the results of structural analysis performed for spatial model of new structure, with changing floor bracing solutions. Moreover, general construction errors, necessary repairs and strengthening solutions were specified. Keywords: wooden structures, spatial analysis, stiffness, strengthening. 1. Wprowadzenie W efekcie przebudowy po zniszczeniach podczas wojen husyckich i szwedzkich, nawę główną kościoła św. Jerzego w Gliwicach Ostropie wykonano jako konstrukcję wieńcową, przekrytą stosunkowo płaskim dachem o konstrukcji stolcowo-płatwiowej, z jednym stolcem pionowym i dwoma skośnymi. Tak zachowała się ona do przełomu lat 60-tych i 70-tych dwudziestego wieku, kiedy to, podczas modernizacji, rozebrano całość dachu, a otwartą skrzynię utworzoną przez oryginalne ściany obudowano nowym szkieletem drewnianym. 1 Dr inż., Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej, Gliwice, ul. Akademicka 5 / p. 206a, tel.: , jacek.hulimka@polsl.pl

2 Jacek HULIMKA W założeniu projektowym nowa konstrukcja powinna w całości przenosić obciążenia zewnętrzne, w tym poziome siły wywołane działaniem wiatru. Obserwacje wykazywały jednak lokalnie duże przemieszczenia fragmentów oryginalnej ściany północnej, mogące być wynikiem działania na nią sił poziomych. Z uwagi na zastosowane rozwiązania, a w szczególności brak właściwego usztywnienia poszczególnych układów poprzecznych nowej konstrukcji, konieczne było przeanalizowanie jej jako układu przestrzennego, z możliwie wiernym modelowaniem swobody obrotu w poszczególnych węzłach. Analiza obliczeniowa zabytkowej konstrukcji drewnianej zwykle wiąże się z dwoma aspektami jej modelowania ogólnym, zwykle jako konstrukcji prętowej z wyidealizowanymi węzłami [Engel i in. 2006; Engels, Miedziałowski i JASIEŃKO J. 2006], oraz szczegółowym, gdzie rozpatrywana jest geometria węzłów [Jasieńko i Kardysz 2006, 2007; Jankowski, Engel i Jasieńko 2005; Jasieńko, Engel i Rapp 2006]. W przedmiotowym przypadku ograniczono się do analizy szkieletu jako ustroju prętowego, przy założeniu rzeczywistych charakterystyk geometrycznych przekrojów i przyjęciu węzłów jako idealnie przegubowych. Podczas szczegółowych oględzin, koniecznych w celu weryfikacji oryginalnego projektu [Schwarz i in. 1965], stwierdzono szereg odstępstw i błędów popełnionych podczas wznoszenia nowej konstrukcji, zagrażających awarią całego układu nośnego. Bazując na wynikach obliczeń oraz wspomnianych wyżej obserwacjach wykonano ekspertyzę stanu technicznego i projekt wzmocnienia konstrukcji nośnej [Hulimka i Ficiński 2008:a, 2008:b]. Od strony zachodniej przedmiotowa nawa sąsiaduje z drewnianą wieżą, a od wschodu z murowanym prezbiterium, jednakże jest od nich w pełni oddylatowana, a zatem może być rozpatrywana jako samodzielna konstrukcja. 2. Analiza nowej konstrukcji nawy głównej 2.1. Krótki opis konstrukcji Podczas wspomnianej modernizacji nawy głównej, przeprowadzonej w latach 70-tych dwudziestego wieku, zaprojektowana i wykonana została całkowicie nowa konstrukcja drewniana, którą tworzą: 42

3 Zachowanie statyczne zewnętrznej konstrukcji nośnej. 1(II) 2008 szkieletowa ściana podłużna północna, złożona ze slupów i rygli, wsparta, poprzez podwalinę drewnianą, na żelbetowej ławie fundamentowej i zwieńczona drewnianym oczepem, stężona zastrzałami w skrajnych polach; ściana jest obita gontem na łatach, ściana podłużna południowa, o konstrukcji jak wyżej, poprzeczna ściana szkieletowa zachodnia (na styku z wieżą), złożona ze słupów i rygli, silnie stężona krzyżowo w części pól, więźba dachowa, której głównymi elementami nośnymi są cztery wieszarowe dźwigary dwuwieszakowe, z dodatkowymi stężeniami krzyżowymi; pomiędzy dźwigarami, w rozstawie około 1 m, rozmieszczono krokwie oraz belki stropowe; krokwie oparto na oczepach ścian, płatwiach pośrednich i płatwi kalenicowej; belki stropowe oparto na oczepach ścian i podwieszono do podłużnych belek stropowych opartych w węzłach dźwigarów; połać dachową pokryto gontem, a powierzchnię sufitu zadeskowano. Na podłużnych belkach stropowych, w węzłach dźwigarów po stronie wschodniej, oparto konstrukcję podtrzymującą sygnaturę. Na rysunku 1a pokazano schematycznie przekrój poprzeczny nawy głównej, a na rysunku 1b prętowy schemat przestrzennej ramy nośnej. a) b) Rys. 1. Konstrukcja nośna nawy: a) przekrój poprzeczny; b) model przestrzenny nowej konstrukcji [Hulimka i Ficiński 2008:a]. Fig. 1. Nave structure: a) cross section; b) spatial model of new structure [Hulimka i Ficiński 2008:a]. 43

4 Jacek HULIMKA 2.2. Podstawowe wyniki obliczeń Obliczenia przestrzennej ramy nośnej wykonano w programie Robot. Już pobieżna analiza konstrukcji wskazuje, że obliczenie jej w schemacie płaskim jest niemożliwe, bowiem układy poprzeczne są ramami czteroprzegubowymi, a zatem mechanizmami. W oryginalnym projekcie technicznym [Schwarz i in. 1965] ominęli wskazany problem, osobno obliczając dźwigary dachowe i osobno słupy. W praktyce niezmienność geometryczną układu zapewniają: silnie stężona krzyżowo w poszczególnych polach ściana zachodnia oraz stężenia ukośne w skrajnych polach ścian podłużnych (rys. 1b). Nawę obliczono, stosując w części węzłów offsety uwzględniające rzeczywiste mimośrody w połączeniach. Parametry materiałowe przyjęto jak dla drewna klasy C22. W obliczeniach założono różne przypadki dosztywnienia układu w poziomie stropu nad nawą. Były to kolejno: zaprojektowany oryginalnie układ ze stężeniami w płaszczyźnie stropu (w praktyce niezrealizowany), układ z membraną w płaszczyźnie stropu, zapewniającą niezmienność wzajemnego układu węzłów (rozwiązanie częściowo zrealizowane poprzez założenie deskowania, które nie jest jednak idealną membraną, działa bowiem tylko w kierunku wzdłuż desek, skutecznie przenosząc jedynie siły rozciągające), układ ze stężeniami i membraną, układ ze stężeniami i zakotwieniem pośrednich węzłów dolnego pasa skrajnego dźwigara po stronie wschodniej w murowanej ścianie prezbiterium, nad łukiem; podczas opisanej wcześniej przebudowy ściana ta została wzmocniona wieńcem żelbetowym. We wszystkich obliczanych przypadkach wytężenie elementów konstrukcyjnych mieściło się w dopuszczalnych granicach, natomiast zasadnicze różnice występowały w przemieszczeniach węzłów. W sposób oczywisty największe przemieszczenia notowano w węzłach układu poprzecznego najbardziej oddalonego od ściany usztywniającej, to jest sąsiadującego z murowanym prezbiterium. Z obliczeniowego punktu widzenia najgorszy okazał się tutaj założony w oryginalnym projekcie [Schwarz i in. 1965] układ stężeń ukośnych, przy którym przemieszczenia węzłów w poziomie belki oczepowej skrajnego układu nośnego osiągały wartość 0,136 m (rys. 2a). Jest to rozwiązanie niedopuszczalne, prowadzi, bowiem do oparcia słupów nowej konstrukcji na oryginalnych ścianach podłużnych, a tym samym do obciążenia ścian siłami poziomymi. 44

5 Zachowanie statyczne zewnętrznej konstrukcji nośnej. 1(II) 2008 Odległość pomiędzy słupami i oryginalną ścianą nie przekracza, bowiem 0,10 m, a wykonawca pozostawił kliny montażowe, powodujące przekazywanie sił ze słupów jako skupionych, działających na pojedyncze belki ściany wieńcowej. Zastosowanie w płaszczyźnie stropu nad nawą idealnej przepony skutkuje ograniczeniem przemieszczeń węzłów do wartości poniżej 0,03 m (rys. 2b), bezpiecznej dla oryginalnej konstrukcji. Jednoczesne zastosowanie przepony i stężeń praktycznie nie zmienia tej wartości. Najlepsze wyniki uzyskano w przypadku zakotwienia pośrednich węzłów wschodniego dźwigara w wieńcu zachodniej ściany prezbiterium przemieszczenia węzłów belek oczepowych nie przekraczają wówczas wartości 0,004 m (rys. 3). Obecnie wbudowany sufit z desek częściowo spełnia założenia membrany, lecz tylko jednokierunkowej, co może skutkować dość dużymi przemieszczeniami nowej konstrukcji w sąsiedztwie prezbiterium. W praktyce jednak, część sił poziomych przekazywana jest na oryginalną ścianę wieńcową, a ta współpracuje z wschodnią ścianą nawy, na styku z prezbiterium. Sytuacja powyższa powoduje jednak punktowe obciążenie pojedynczych belek w ścianach podłużnych, co może istotnie zwiększać ich deformacje. a) b) Rys. 2. Przemieszczenia skrajnego układu poprzecznego [cm]: a) projektowane stężenia ukośne stropu; b) idealna membrana w poziomie stropu [Hulimka i Ficiński 2008:a]. Fig. 2. Main structure s displacements [cm]: a) designed diagonal bracing of the floor; b) ideal membrane in the floor level [Hulimka i Ficiński 2008:a]. 45

6 Jacek HULIMKA Rys. 3. Przemieszczenia węzłów w płaszczyźnie stropu [cm] przy zakotwieniu węzłów skrajnego dźwigara w wieńcu ściany prezbiterium [Hulimka i Ficiński 2008:a]. Fig. 3. Floor nodes displacements [cm] with the assumption of anchoring edge truss in the presbytery wall girt [Hulimka i Ficiński 2008:a] Wady i uszkodzenia konstrukcji Szczegółowe oględziny obiektu wykazały generalnie dobry stan techniczny elementów konstrukcyjnych oraz szkieletu nośnego jako całości, a także brak istotnych uszkodzeń strukturalnych lub biologicznych drewna. Jednocześnie jednak stwierdzono szereg odstępstw od oryginalnych rozwiązań projektowych, co niejednokrotnie skutkowało realnym zagrożeniem awarią elementów konstrukcyjnych, zwłaszcza w obrębie węzłów. Najistotniejsze z tych wad zasygnalizowano poniżej, a część z nich pokazano na kolejnych rysunkach. Są to: brak zaprojektowanych w płaszczyźnie stropu stężeń, niewłaściwe połączenie wieszaków ze ściągiem w miejsce obejmy stalowej zastosowano klamrę o stosunkowo niskiej nośności, powodującą pękanie drewna (rys. 4), niewłaściwe podwieszenie pośrednich belek stropowych w miejsce śruby zastosowano klamrę jak wyżej (rys. 5), brak lokalnych dosztywnień węzłów. 46

7 Zachowanie statyczne zewnętrznej konstrukcji nośnej. 1(II) 2008 Podwaliny zostały niedostatecznie skotwione z fundamentem (błąd projektowy), a połączenie słupów z podwaliną nie zapewnia przenoszenia sił rozciągających (rys. 6). Istotną wadą użytkową dachu jest nieszczelność pokrycia, skutkująca przedostawaniem się śniegu (fot. 1) lub wody opadowej do przestrzeni poddasza, a w efekcie okresowym, intensywnym zawilgoceniem elementów konstrukcyjnych. a) b) Rys. 4. Połączenie wieszaka ze ściągiem: a) stan projektowany [Schwarz i in. 1965]; b) stan istniejący [Hulimka i Ficiński, 2008:a]. Fig. 4. Post-brace joint: a) design state [Schwarz i in. 1965]; b) existing state [Hulimka i Ficiński 2008:a]. a) b) Rys. 5. Podwieszenie pośredniej belki stropowej: a) stan projektowany [Schwarz i in. 1965]; b) stan istniejący [Hulimka i Ficiński 2008:a]. Fig. 5. Intermediate floor beam suspension: a) design state [Schwarz i in, 1965]; b) existing state [Hulimka i Ficiński 2008:a]. 47

8 Jacek HULIMKA a) b) Rys. 6. Skotwienie belek podwalinowych i słupów: a) stan projektowany [Schwarz i in. 1965]; b) stan istniejący [Hulimka i Ficiński 2008:a]. Fig. 6. Anchorage of sleepers with columns: a) design state [Schwarz i in. 1965]; b) existing state [Hulimka i Ficiński 2008:a]. Fot. 1. Zasypanie poddasza śniegiem [Hulimka i Ficiński 2008:a]. Photo 1. Snow at the loft [Hulimka i Ficiński 2008:a]. 48

9 Zachowanie statyczne zewnętrznej konstrukcji nośnej. 1(II) Zakres niezbędnych napraw i wzmocnień W celu zapewnienia właściwej nośności i sztywności konstrukcji należy: dodatkowo skotwić podwaliny z fundamentami i słupy z podwalinami, prawidłowo wykonać węzły ściągów z wieszakami (dźwigary dachowe) oraz pośrednich belek stropowych z belkami podłużnymi, wzmocnić wszystkie węzły wykazujące cechy utraty sztywności lub nośności, dosztywnić tarczę stropową (przepona) lub skotwić węzły skrajnego dźwigara z wieńcem nad zachodnią ścianą prezbiterium. Ponadto, konieczna jest wymiana pokrycia z gontu pozwoli to na konserwację i zabezpieczenie elementów konstrukcyjnych oraz na właściwe doszczelnienie przestrzeni poddasza. Propozycje powyższe ujęto w formie projektu [Hulimka i Ficiński 2008:b], którego realizacja rozpoczęta została latem 2008r. Generalnie zaprojektowano wzmocnienie węzłów konstrukcji szkieletowej w sposób wskazany w oryginalnym projekcie [Schwarz i in. 1965], połączenie podwalin z ławami fundamentowymi przy użyciu stalowych kotew wklejanych oraz dosztywnienie płaszczyzny stropu membraną z płyt OSB. Zaprojektowane prace ograniczono do konstrukcji z lat 70-tych dwudziestego wieku, nie ingerując w elementy oryginalnej konstrukcji wieńcowej. 3. Podsumowanie W pracy zaprezentowano przypadek wtórnej konstrukcji drewnianej, obudowującej oryginalny układ nośny nawy głównej zabytkowego obiektu sakralnego. Z uwagi na bardzo uproszczony sposób prowadzenia oryginalnych obliczeń projektowych, współczesna konstrukcja ma zbyt małą sztywność przestrzenną, co skutkuje lokalnym przekazywaniem sił poziomych na bardzo osłabione korozją biologiczną oryginalne ściany, a w efekcie deformacją poszczególnych belek. Sytuację znacznie pogarszają liczne błędy konstrukcyjne, popełnione podczas wznoszenia nowej konstrukcji szkieletowej. Bazując na wynikach analizy statyczno-wytrzymałościowej oraz zestawieniu podstawowych błędów i wad konstrukcji, zaproponowano ramowy zakres napraw i wzmocnień, wykonanie, których pozwoli na uzyskanie właściwej nośności węzłów oraz przestrzennej sztywności konstrukcji. 49

10 Jacek HULIMKA Bibliografia ENGEL L. i inni Model przestrzenny pracy statycznej zabytkowego kościoła o drewnianej konstrukcji szkieletowej. W: Materiały Konferencji Naukowej Drewno i materiały drewnopochodne w konstrukcjach budowlanych 2006, Szczecin-Międzyzdroje, s ENGEL L., MIEDZIAŁOWSKI Cz. i JASIEŃKO J Analiza pracy statycznej podłużnej zewnętrznej ściany szkieletowej zabytkowego kościoła drewnianego z modelowaniem wpływu imperfekcji. W: Materiały Konferencji Naukowej Drewno i materiały drewnopochodne w konstrukcjach budowlanych 2006, Szczecin-Międzyzdroje, s HULIMKA J. i FICIŃSKI K. 2008:a. Ekspertyza stanu technicznego zewnętrznej konstrukcji nośnej nawy głównej kościoła św. Jerzego w Gliwicach Ostropie. Gliwice. HULIMKA J. i FICIŃSKI K. 2008:b. Kościół św. Jerzego w Gliwicach Ostropie, ul. Piekarska 13. Projekt budowlany wzmocnienia zewnętrznej konstrukcji nośnej nawy głównej. Gliwice. JANKOWSKI L., ENGEL J. i JASIEŃKO J Praca statyczna wybranych połączeń realizowanych w drewnianych konstrukcjach zabytkowych, Wiadomości Konserwatorskie, 2005, nr 18. JASIEŃKO J., ENGEL L. i RAPP P Study of strains and stresses in historical carpentry joints. W: Proceedings of V International Conference on Structural Analysis of Historical Constructions 2006, New Dehli. JASIEŃKO J. i KARDYSZ M Analiza pracy statycznej połączeń stosowanych w drewnianych konstrukcjach zabytkowych. W Problemy remontowe w budownictwie ogólnym i obiektach zabytkowych, Praca zbiorowa pod redakcją Jerzego Jasieńki i in., Wrocław, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, s JASIEŃKO J. i KARDYSZ M Deformation and Stresses Criteria In Assessing Static Working of Joints in Historical Timber Structures. W: Proceedings of 16 TH IIWC International Conference and Symposium on Mechanical Behaviour and Failures of the Timber Structures 2007, Florence-Venice-Vicenza. SCHWARZ J. i inni Projekt konserwacji i rekonstrukcji kościoła św. Jerzego w Ostropie. Obiekt zabytkowy. Gliwice. Recenzent: dr hab. inż. Jerzy JASIEŃKO, prof. nzw. w Politechnice Wrocławskiej 50