Ochrona budowli powierzchniowych na przykładzie Cerkwi Prawosławnej p.w. Św. Mikołaja w Dratowie

Transkrypt

1 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Małgorzata MAZUREK Lubelski Węgiel Bogdanka S.A., Puchaczów Ochrona budowli powierzchniowych na przykładzie Cerkwi Prawosławnej p.w. Św. Mikołaja w Dratowie Streszczenie W referacie przedstawiono jeden z przykładów profilaktyki budowlanej stosowanej na obszarze górniczym Puchaczów IV. Omówiono sposób profilaktycznego zabezpieczenia przed wpływem eksploatacji górniczej zabytkowej Cerkwi Prawosławnej p.w. Św. Mikołaja w Dratowie gm. Ludwin. Przedstawiono kolejne etapy procesu przygotowawczego do wykonania robót budowlano-zabezpieczających w tym obiekcie (inwentaryzację, wyznaczenie wielkości prognozowanych wpływów, określenie kategorii odporności obiektu i sposób jego zabezpieczenia). 1. Wprowadzenie W 2003 roku w zasięgu oddziaływań eksploatacji prowadzonej przez Spółkę Lubelski Węgiel Bogdanka S.A. znalazła się zabytkowa Cerkiew Prawosławna p.w. Św. Mikołaja w Dratowie gm. Ludwin (rys. 1.1), wpisana do rejestru zabytków województwa lubelskiego wraz z otaczającym ją drzewostanem i aleją dojazdową. Rys Widok cerkwi od strony południowej (Barycz i in. 2002) Fig View of the orthodox church from the southern side (Barycz i in. 2002) 63

2 M. MAZUREK Ochrona budowli powierzchniowych na przykładzie Cerkwi Prawosławnej... Cerkiew została wybudowana ok roku w stylu rosyjskim [2], w miejscu wcześniejszej drewnianej i stanowi jeden z nielicznych przykładów budownictwa tego typu na terenie województwa lubelskiego. Cerkiew zlokalizowana jest poza granicami obszaru górniczego Puchaczów IV (w odległości ok. 150 m w linii prostej od tej granicy), ale w granicach terenu górniczego (rys. 1.2). Budowla usytuowana jest na terenie prawie idealnie płaskim (przeprowadzona niwelacja wykazała różnice poziomów na obwodzie budynku nie przekraczające 10 cm), z główną osią orientowaną na północny wschód. Rys Lokalizacja cerkwi względem obszaru górniczego Puchaczów IV Fig Localization the of orthodox church in relation to the mining area Puchaczów IV 2. Charakterystyka obiektu Jest to obiekt murowany z cegły ceramicznej pełnej (grubość murów ok. 80 cm), o silnie rozczłonkowanej bryle architektonicznej i bogatej ornamentyzacji. Posiada rzut poziomy 64

3 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie w kształcie krzyża greckiego (nawa krzyżująca się z transeptem), z wydłużonym prezbiterium i trójboczną zakrystią. Nawa, prezbiterium oraz transept przykryte są ceglaną kopułą o łuku spłaszczonym. Kopuła przykryta jest kopulastym, ośmiopołaciowym dachem zwieńczonym cebulastym hełmem. Obiekt posadowiony jest na ławach fundamentowych murowanych z cegły pełnej na zaprawie wapienno-piaskowej, na głębokości ok. 1,6 m poniżej przyległego terenu. Kubatura obiektu wynosi ok m 3. Całkowita długość budynku wynosi 27,5 m, a maksymalna szerokość 16,05 m. Wysokość budynku jest zróżnicowana: od 6,0 m do 25,5 m. 3. Stan techniczny obiektu przed eksploatacją Z uwagi na istniejącą szczątkową dokumentację techniczną cerkwi - przed wystąpieniem wpływów eksploatacji górniczej przeprowadzono szczegółową inwentaryzację obiektu, w ramach której dokonano także oceny stanu technicznego budynku. Opracowana na ten temat ekspertyza techniczna [1] wykazała, że pomimo braku systematycznej konserwacji obiektu nie występowały w nim żadne istotne uszkodzenia murowanej konstrukcji nośnej budynku, mogące stanowić zagrożenie jej bezpieczeństwa. Stan techniczny tynków wewnętrznych określono jako dobry. Zinwentaryzowane uszkodzenia to mikrozarysowania (~0,1 0,3 mm) tynków wewnętrznych w obrębie łuków nadprożowych nad otworami okiennymi i drzwiowymi oraz łuków wieńczących nawę, prezbiterium i transept. Stan techniczny tynków zewnętrznych określono jako zły z uwagi na występujące w znacznym stopniu zawilgocenie i skorodowanie tynków, z licznymi rozległymi odparzeniami i ubytkami. Lokalnie występowały nawet zagrzybienia i miejsca porośnięte glonami i mchem. Mając na uwadze brak istotnych uszkodzeń konstrukcji nośnej pomimo licznych uszkodzeń elementów wykończeniowych - w opracowanej ekspertyzie (Barycz i in. 2002) stan techniczny obiektu określono jako zadowalający. W ekspertyzie (Barycz i in. 2002) zwrócono uwagę na brak uszkodzeń wskazujących na nierównomierne osiadanie budowli - mimo wieloletniego odprowadzania wód opadowych z dachu obiektu bezpośrednio w jego podłoże fundamentowe. Świadczyłoby to o jednorodności i stosunkowo dużej nośności podłoża gruntowego pod fundamentami. 4. Wpływy eksploatacji górniczej i odporność obiektu 4.1. Sytuacja geologiczno górnicza W rejonie cerkwi występują dwa pokłady węgla, których eksploatacja oddziałuje bądź będzie oddziaływać na obiekt. Są to eksploatowany aktualnie pokład 382 oraz przewidziany do eksploatacji po roku 2010 pokład 385/2. Oba wymienione pokłady zalegają na głębokościach ponad 900 m w serii warstw karbońskich. Nachylenie pokładów przyjmuje generalnie kierunek północny i jest niewielkie (do 3 %). Warstwy te budują iłowce, piaskowce oraz łupki o łącznej grubości 370 m. Warstwy karbońskie przykrywa jura o miąższości rzędu 70 m. Kolejne warstwy zaliczane stratygraficznie do utworów kredy tworzą margle, kredę piszącą i wapienie kredopodobne o łącznej grubości ok. 535 m. Najmłodsze, powierzchniowe utwory czwartorzędowe stanowią warstwę grubości ok. 50 m, która składa się głównie z piasków. Stosunkowa duża miąższość 65

4 M. MAZUREK Ochrona budowli powierzchniowych na przykładzie Cerkwi Prawosławnej... utworów czwartorzędowych pozwala spodziewać się łagodnych i wyłącznie ciągłych deformacji spowodowanych eksploatacją górniczą Dokonana i projektowana eksploatacja górnicza Eksploatowany aktualnie w rejonie cerkwi (rozpoczęty w 2003 r.) pokład 382 zalega na głębokości ok. 910 m. Eksploatacja ścian: 10/I (zakończona), 9/I (rozpoczęta) i 8/I (planowana) usytuowana jest na północny wschód od obiektu cerkwi, stycznie do granicy obszaru górniczego (rys. 1.2). Eksploatacja prowadzona jest systemem ścianowym, zawałowym po wzniosie, w warstwie o miąższości 2,7 m. Z uwagi na niewielki upad pokładu nie należy się spodziewać asymetrii wpływów eksploatacji w stosunku do konturów eksploatowanych pól. Biorąc pod uwagę głębokość planowanej eksploatacji oraz odległość cerkwi od granic pól eksploatacyjnych należy się spodziewać wpływów bezpośrednich tej eksploatacji na obiekt. Pokład 385/2 zalega na głębokości ok. 930 m, a więc ok. 20 m pod pokładem 382. Pokład ten podlegał będzie eksploatacji górniczej po roku W związku z tym obecnie nie został opracowany projekt rozcięcia złoża w tym pokładzie na ściany eksploatacyjne. Przy analizowaniu w ekspertyzie [1] wpływów tej eksploatacji na obiekt założono, że eksploatacja prowadzona będzie w warstwie o miąższości 1,3 m, a wybieranie prowadzone będzie systemem ścianowym z zawałem stropu. Dla powyższych warunków eksploatacji opracowana została szczegółowa ekspertyza (Barycz i in. 2002) dotycząca wpływów prognozowanej na etapie opracowania eksploatacji górniczej na zabytkową cerkiew. Przedmiotem prognozy był teren zlokalizowany bezpośrednio pod analizowanym obiektem, stąd obliczenia prognostyczne ograniczono do czterech punktów stanowiących narożniki budynku. Takie podejście uzasadniono położeniem obiektu w stosunku do zachodniej krawędzi pól eksploatacji projektowanej, będącej równocześnie granicą OG Puchaczów IV. W opracowaniu [1] zwrócono uwagę na fakt, że obiekt zlokalizowany jest poza granicą obszaru górniczego Puchaczów IV, w odległości ok. 150 m w linii prostej od tej granicy, czyli w odległości ok. 0,29 0,33 r od krawędzi eksploatacji (r oznacza tu promień zasięgu wpływów głównych). W tym zakresie odległości od krawędzi pola eksploatacyjnego należy spodziewać się wystąpienia wartości odkształceń i krzywizn zbliżonych do maksymalnych dla danych warunków eksploatacji. W związku z tym w ekspertyzie (Barycz i in. 2002) przeprowadzono obliczenia dla czterech punktów narożnych budynku cerkwi, zamiast dla jednego centralnego. Z uwagi na zabytkowy charakter obiektu, planowaną eksploatację zawałową w dwóch pokładach przy wspólnej krawędzi oraz przewidywanymi dynamicznymi wpływami wynikającymi z dużej prędkości postępu frontu przy obliczaniu wpływów eksploatacji na cerkiew przyjęto parametry pozwalające uzyskać pewien margines bezpieczeństwa. W przypadku pokładu 382 uwzględniono oddziaływanie eksploatacji w poszczególnych ścianach aż do odległości ok m od obiektu. Poszczególne wpływy eksploatacji analizowane były jako narastające (zmienne) w czasie rozwoju frontów. Eksploatacja pokładu 385/2 uwzględniona została jako wybranie całego pola w zasięgu oddziaływania na obiekt. Z uwagi na brak danych odnośnie rozcięcia pola, kierunków i czasów projektowanej eksploatacji - wpływ tej eksploatacji został przyjęty jako suma oddziaływań po zakończeniu eksploatacji (wpływy docelowe). 66

5 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Ze szczegółowych obliczeń wykonanych w ekspertyzie (Barycz i in. 2002) wynika, że w następstwie eksploatacji pokładu 382 na obiekt będą oddziaływały wpływy bezpośrednie, pozwalające zaliczyć teren do II kategorii zagrożenia. W przypadku podjęcia eksploatacji również w pokładzie 385/2, w rejonie lokalizacji obiektu wystąpią docelowo odkształcenia poziome rozciągające o wielkości przekraczającej granicę III kategorii zagrożenia (maksymalne odkształcenia główne max = + 3,86 mm/m). Wynika to głównie z niekorzystnej lokalizacji obiektu w stosunku do krawędzi eksploatacji górniczej w strefie maksymalnych odkształceń rozciągających. Okręgowy Urząd Górniczy w Lublinie wydał postanowienie uzgadniające warunki zabudowy i zagospodarowania terenu dla profilaktycznych robót zabezpieczających cerkiew, określając przewidywane wpływy eksploatacji o wielkości odpowiadającej III kategorii terenu górniczego Odporność obiektu na wpływy górnicze W ekspertyzie (Barycz i in. 2002) określającej oddziaływanie eksploatacji na budynek cerkwi została również określona kategoria odporności tego obiektu na wpływy górnicze. Z uwagi na brak ścisłych metod oceny odporności na wpływy górnicze obiektów sakralnych, ocenę odporności cerkwi dokonano metodą porównawczą, opierając się na analizie charakterystycznych cech technicznych obiektu oraz na szczegółowym rozeznaniu sytuacji geologiczno górniczej, określającej wielkość i kierunek oddziaływań kształtującej się niecki górniczej w trakcie prowadzenia eksploatacji. Określenie aktualnej odporności budowli na wpływy górnicze przeprowadzono wyznaczając dopuszczalne wielkości wskaźników deformacji powierzchni, które nie powinny zagrażać wytrzymałości, sztywności i stateczności elementów składowych i całej konstrukcji nośnej obiektu oraz stwarzać uciążliwości w jego użytkowaniu. Przy określaniu kategorii odporności budowli na wpływy górnicze wzięto pod uwagę stosunkowo małą sztywność przestrzenną obiektu, spowodowaną zastosowanymi rozwiązaniami jego konstrukcji nośnej takimi jak: rozczłonkowanie bryły budowli na części różniące się wymiarami i wysokością, system tradycyjnej konstrukcji nośnej, w postaci naw z podłużnymi murowanymi ścianami zewnętrznymi, przykrytych ceglanym sklepieniem walcowym, a nad częścią główną centralną kopułą ceglaną, oparta na łukach ceglanych, znaczna perforacja ścian otworami okiennymi i drzwiowymi oraz przejściami, zastosowanie łuków ceglanych nad otworami okiennymi i ceglanych nadproży odcinkowych nad otworami drzwiowymi, brak jakichkolwiek rozwiązań konstrukcyjnych, mogących stanowić zabezpieczenie profilaktyczne obiektu przed wpływami górniczymi. W ekspertyzie (Barycz i in. 2002) wskazano również na pewne cechy wpływające pozytywnie na odporność obiektu na wpływy górnicze tj.: odkształcalne podłoże gruntowe pod fundamentami obiektu, zadowalający stan techniczny konstrukcji nośnej (murów i sklepień), najprawdopodobniej jeden poziom posadowienia, stosunkowo małe wymiary rzutu poziomego. 67

6 M. MAZUREK Ochrona budowli powierzchniowych na przykładzie Cerkwi Prawosławnej... Rozważono również szczegółowo następujące zagadnienia pozwalające na głębszą ocenę odporności konstrukcji obiektu na wpływy górnicze: przemieszczenia podpór konstrukcji sklepień, dodatkowe naprężenia w murach, inne czynniki wpływające na odporność konstrukcji obiektu na wpływy górnicze, wynikające z sytuacji geologiczno inżynierskiej podłoża gruntowego budowli. Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe czynniki budowla została uznana za mało odporną na wpływy górnicze, zdolną jednakże do przeniesienia odkształceń terenu o wielkości odpowiadającej I kategorii terenu górniczego, co oznacza, że budynek cerkwi charakteryzuje się I kategorią odporności na wpływy górnicze. 5. Profilaktyczne zabezpieczenie obiektu przed wpływami górniczymi Konieczność zastosowania zabezpieczeń profilaktycznych w cerkwi wynikła z faktu, że obiekt charakteryzuje się I kategorią odporności, natomiast przeprowadzone obliczenia wykazały prognozowane deformacje terenu przekraczające docelowo granicę III kategorii przydatności do zabudowy. Zastosowano sprawdzony sposób zabezpieczania tego typu obiektów polegający na wykonaniu usztywniającej żelbetowej tarczy zewnętrznej (której zadaniem jest przeniesienie wpływu poziomych odkształceń) oraz skotwieniu obiektu stalowymi ściągami bruzdowymi. Żelbetowa tarcza okrężna ma za zadanie przejąć wszystkie zasadnicze siły wywołane deformacją terenu, co sprawia, że obiekt doznaje odkształceń w płaszczyźnie poziomej kilkakrotnie mniejszych niż teren wokół obiektu. Tego typu rozwiązania stosowane były już przy zabezpieczaniu innych obiektów zabytkowych m.in. kościołów w Bytomiu i Rudzie Śląskiej Żelbetowa tarcza usztywniająca W opracowanym projekcie technicznym (Szczepaniak i Wach 2002) zaprojektowano żelbetową tarczę usztywniającą (rys. 5.1, rys. 5.2), obejmującą całą bryłę budowli w poziomie terenu i przylegającą do jej fundamentów na całej ich głębokości (rys. 5.3, rys. 5.4). Tarcza ta składa się z trzech podstawowych elementów konstrukcyjnych: wewnętrznego żelbetowego pierścienia oporowego wymiarach 60 cm 150 cm, żelbetowej płyty o grubości 20 cm, zewnętrznego żelbetowego pierścienia usztywniającego płytę o wymiarach 40 cm 60 cm. Dla zapewnienia właściwej wytrzymałości na zginanie i rozciąganie, pierścień wewnętrzny ma kształt wieloboku wypukłego. Przestrzeń pomiędzy właściwym pierścieniem oporowym a ścianą fundamentową w narożach wewnętrznych została wypełniona szczelnie betonem w trakcie betonowania pierścienia. Przy wykonywaniu pierścienia odkrywki fundamentów dokonywano odcinkami. Pierścień wewnętrzny powiązany jest z murami fundamentowymi za pomocą kotew 20 ze stali 18G2, rozmieszczonych co 0,50 m na całym obwodzie budynku w dwóch rzędach. Do wykonania wszystkich elementów tarczy usztywniającej zastosowano beton B20 o stopniu mrozoodporności F100 i wodoszczelności W4 (rys. 5.5). 68

7 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys Rzut żelbetowej tarczy usztywniającej (Szczepaniak i Wach 2002) Fig Projection of the stiffening reinforced concrete shield (Szczepaniak i Wach 2002) Rys Tarcza żelbetowa przed zabetonowaniem (widoczny wewnętrzny i zewnętrzny pierścień usztywniający oraz łącząca je płyta żelbetowa) Fig Reinforced shield before filling with concrete (visible internal and external stiffening rings and joining them reinforced concrete plate) 69

8 M. MAZUREK Ochrona budowli powierzchniowych na przykładzie Cerkwi Prawosławnej... Rys Przekrój żelbetowej tarczy usztywniającej (Szczepaniak i Wach 2002) Fig Section the stiffening reinforced concrete shield (Szczepaniak i Wach 2002) Rys Zbrojenie wewnętrznego pierścienia tarczy usztywniającej, z widocznymi stalowymi kotwami łączącymi Fig Reinforcement of an internal ring of the stiffening shield, with visible steel bolts 70

9 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 5.2. Stalowe ściągi bruzdowe Rys Usztywniająca tarcza żelbetowa po zabetonowaniu Fig Stiffening shield after filling with concrete W projekcie przewidziano kotwienie budowli stalowymi ściągami 30 mm, podłużnie i poprzecznie w poziomie ok. +6,00 m. Zabezpieczeniem objęto nie tylko część centralną, ale także nawę i dzwonnicę z jednej strony i prezbiterium z drugiej (rys. 5.6, rys. 5.7) Taki układ ściągów zapobiega tworzeniu się samoistnych dylatacji (pęknięć) na styku części centralnej z nawą i prezbiterium. Wykonano ściągi bruzdowe schowane w bruzdach wykutych w ścianach zewnętrznych w pasie gładkiego tynku, co zabezpieczyło bogaty wystrój elewacji przed niepotrzebnymi zniszczeniami. W części centralnej budowli z uwagi na układ konstrukcji ściągi nie zostały umieszczone w bruzdach, lecz w otworach wywierconych w filarach narożnych. Z przyczyn technicznych ściągi wykonano jako dzielone, łączone rurową nakrętką napinającą (rys. 5.8). 71

10 M. MAZUREK Ochrona budowli powierzchniowych na przykładzie Cerkwi Prawosławnej... Rys Schemat rozmieszczenia ściągów (Szczepaniak i Wach 2002) Fig Scheme of bow-string localization (Szczepaniak i Wach 2002) Rys Elewacja cerkwi z widocznymi miejscami zakotwień ściągów po ich zabetonowaniu Fig Elevation of the orthodox church with visible places of bow string anchorages after embedding in concrete 72

11 WARSZTATY 2005 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 6. Podsumowanie Rys Wnętrze cerkwi (widoczne rozmieszczenie stalowych ściągów) Fig Interior of the orthodox church (visible localization of steel bow-strings) Ekspertyza wykazała (Barycz i in. 2002), że wartości poszczególnych wskaźników deformacji będą narastały sukcesywnie i osiągną maksimum w stanie docelowym po zakończeniu eksploatacji obu pokładów. Prognozowane pochylenie terenu na długości budynku cerkwi związane z projektowaną eksploatacją wyniesie T = 3,30 mm/m. Jest więc stosunkowo małe, ale z uwagi na usytuowanie obiektu na zewnątrz krawędzi eksploatacji, nie ulegnie ono zmniejszeniu po zakończeniu eksploatacji. Może wówczas ewentualnie zajść konieczność przełożenia posadzki w obiekcie, zmiany pochylenia rynien dachowych itp. Pochylenie to nie będzie miało żadnego wpływu na bezpieczeństwo wieży i przykrycia (hełmu) nad kopułą centralną, z uwagi na ich stosunkowo małą wysokość. Zastosowane profilaktyczne zabezpieczenie budynku cerkwi przed wpływami eksploatacji górniczej powinno zapewnić zachowanie bezpieczeństwa jego użytkowania. Nie można jednak wykluczyć powstania niewielkich uszkodzeń obiektu, które to uszkodzenia będzie można łatwo naprawić, po zakończeniu eksploatacji górniczej w tym rejonie. Całość robót zabezpieczających wykonana została wyprzedzająco, przed rozpoczęciem eksploatacji w rejonie lokalizacji zabytkowej cerkwi. Realizacja robót poprzedzona była zawarciem ugody z właścicielem obiektu tj. Parafią Prawosławną p.w. Przemienienia Pańskiego w Lublinie oraz uzyskaniem pozwolenia na budowę dla przedmiotowych robót. Przed uzyskaniem pozwolenia na budowę projekt techniczny zabezpieczenia obiektu uzgodniono z Wojewódzkim Konserwatorem Zabytków w Lublinie. 73

12 M. MAZUREK Ochrona budowli powierzchniowych na przykładzie Cerkwi Prawosławnej... Literatura [1] Barycz S. i in. 2002: Ekspertyza dotycząca wpływu projektowanej eksploatacji górniczej na zabytkową Cerkiew p.w. Św. Mikołaja w Dratowie gm. Ludwin oraz sposobu i zakresu zabezpieczeń profilaktycznych obiektu. [2] Seniuk B. 1991: Zespół cerkiewny w Dratowie. Studium historyczno-architektoniczne. [3] Szczepaniak J., Wach M. 2002: Projekt budowlany zabezpieczenia zabytkowej Cerkwi p.w. Św. Mikołaja w Dratowie gm. Ludwin. Protection of surface building on example of the Orthodox church of st. Mikolay in Dratow One of example of application of preventive construction works on the mining area Puchaczów IV has been presented in the paper. Means of prophylactic protection of the Orthodox church of st. Mikolay in Dratow gm. Ludwin before influence of underground mining exploitation have been discussed. The following phases of preparatory processes for execution of construction and maintenance works in this object (making inventory, determination of forecasted influences, determination of category of immunity of object and manner of its protection) have been described. Przekazano: 30 marca 2005 r. 74