Инженерные аспекты реставрации памятников деревянного зодчества

Автор статьи «Инженерные аспекты реставрации памятников деревянного зодчества (к вопросу об «усилении» их несущих конструкций)» кандидат техничеких наук Ю. В. Пискунов, г. Киров.

С определенной долей условности можно выделить следующие два подхода к решению инженерных проблем реставрации: - «эмпирический», основанный на изучении памятника, истории его существования во времени и интуитивном осознании работы его конструкций; - «аналитический», предполагающий – в дополнении к сказанному - по возможности наиболее полный численный анализ работы сооружения в целом.

Представляется очевидным, что при отсутствии такого рода анализа вполне правдоподобные представления могут оказаться необоснованными по существу. Очевидно и то, что возможности численного анализа работы сооружения с целью определения параметров напряженно деформированного состояния (в дальнейшем в тексте - н.д.с) несущих конструкций памятников архитектуры существенно ограничены, потому в частности, что в эпоху их возведения механика, как инструмент такого анализа находилась в зародышевом состоянии - древо жизни расцветало не обращая внимания на отсутствие теории.

В настоящее время ситуация безусловно изменилась и создается впечатление, что сейчас рассчитать можно как бы все, включая несущие конструкции таких сложных сооружений , как Преображенская церковь Кижского погоста, однако, если в отношении общих решений подобное суждение кажется вполне обоснованным, решение многих частных, практических, задач связано с преодолением ряда серьезных проблем.

Обратимся в этой связи к основным конструктивным системам, традиционно используемыми в храмовых деревянных сооружениях, понимая под конструкцией сочетание отдельных конструктивных элементов, объединенных в целое теми или иными средствами соединения. К числу таких конструктивных систем относятся, в частности: - основание из каменных фундаментов в виде валунов; - бревенчатые срубовые стены отдельных частей здания и их узловые соединения; - переходные четвериковые балки высотных сооружений, вводимые в уровнях изменения параметров здания в плане. Разумеется, в состав сооружений входят и другие, весьма важные конструктивные образования – ограничимся в данной статье перечисленными.

Фундаменты. В традиционном народном зодчестве и при проведении реставрационных работ используются два основных типа каменных фундаментов: - одиночные («столбчатые»), располагаемые в углах нижней части здания под узловыми сочленениями ее стен - четвериков, восьмериков, восьмериков с прирубами и т.п. - линейные («ленточные»), в которых валуны располагаются по всей длине окладных венцов соответствующих стен нижней части здания.

И в том и в другом вариантах такого рода фундаменты представляют собой один из наиболее сложных расчетных объектов не только потому, что их контактная (с грунтовым основанием) поверхность является криволинейной, но потому, главным образом, что геометрические характеристики этой поверхности, включая ее площадь, неизвестны.

К сказанному следует добавить большую вариативность механических характеристик грунтового основания, вызванную разнообразием его структуры и особенностями «строительной площадки», с учетом того обстоятельства, что памятники нередко размещаются на месте расположения предшествующих им сооружений, а также территории ранее осуществленных захоронений (здесь речь конечно не о том, что один фундамент располагается на месте захоронения, а другие нет, речь идет о том, что фундаменты могут располагаться на разном расстоянии от таких «особых» участков).

Известно, что эпюра нормальных напряжений, возникающих в грунте под действием фундаментов различной формы и, тем более, валунов с криволинейной контактной поверхностью, имеет «эллипсоидную» форму, что приводит к появлению значительных по величине горизонтальных усилий. Отсутствие сопротивления со стороны упомянутых особых (ослабленных) участков приводит к смещениям фундаментов как в плоскости опорного контура (на наш взгляд именно этим объясняются разрушения соединений некоторых конструктивных элементов в «приопорной» зоне Преображенской церкви Кижского погоста (в дальнейшем в тексте - П.ц.), так и дополнительным просадкам в вертикальном направлении.

Так или иначе, различие в вертикальных просадках угловых фундаментов достигает очень больших значений (еще большее, но вполне объяснимое, различие наблюдается в просадках фундаментов центральной, восьмериковой, части и фундаментов прирубных частей П.ц.). С другой стороны, как показали проведенные нами расчеты [1], влияние различий в вертикальных деформациях фундаментов на параметры н.д.с в несущих стенах П.ц. сравнительно не велико, тем более, что такого рода напряжения относятся к числу релаксационных (поскольку вызваны деформационными воздействиями). Тем не менее, чрезмерные деформации не желательны по ряду причин и поэтому их дальнейший рост должен быть исключен. Указанная цель может быть достигнута либо посредством «усиления» фундаментов, либо их разгрузкой.

Сторонниками первого, «традиционного», подхода, поставленная задача решается посредством устройства бутовых «забирок», устраиваемых насухо или с использованием вяжущих растворов; эффективность такого решения вряд ли может быть оценена численно – очевидно лишь, что она уменьшается по мере отдаления времени установки забирок от времени строительства здания.

При «кардинальных» методах реставрации, связанных с разборкой и переборкой здания, как правило, предусматривается замена столбчатых фундаментов на ленточные с использованием бутовой кладки на вяжущих с максимальным выравниванием их верхней поверхности для обеспечения надежного контакта с окладными венцами сруба. На наш взгляд, основным недостатком такого решения является то обстоятельство, что подобное усиление фундаментов приводит к ослаблению (снижению жесткости) несущих стен срубовых сооружений.

Мы являемся сторонниками второго подхода, в соответствии с которым осуществляется регулируемая во времени разгрузка всех основных несущих конструкций П.ц. с передачей разгружающей составляющей на фундаменты встроенного металлического каркаса [2.3.4.5]. Возможность указанного подхода обосновывается, в частности, отсутствием деформаций в нижней части церкви (в настоящее время разгружаемой упомянутым выше каркасом), что установлено многолетними геодезическими измерениями, проводимыми специалистами института Спецпроектреставрация под руководством И.В. Любимова.

Стены сруба. Как правило, рубленые стены выполняются из бревен, по одной из продольных поверхностей которых устраиваются желоба («пазы»), очерченные по дуге, соответствующей форме нижележащего бревна. Желательно, чтобы радиус кривизны желоба был меньше радиуса соседствующего с ним нижнего бревна (в силу невозможности их совершенного равенства), поскольку в этом случае начальный контакт между венцами по вертикали (в поперечном сечении) осуществляется через две опорные точки, в отличие от одной контактной точки, который возникает при обратном соотношении радиусов.

Преимущества указанного «двухточечного» опирания перед альтернативным состоит в том, что такого рода набор бревенчатых элементов является более устойчивым в направлении «из плоскости» и, как правило, не нуждается в каких-либо дополнительных элементах (шпонках и т.п.), препятствующих смещению венцов в указанном направлении, что практически неизбежно при «одноточечной» схеме контакта.

Общим для каждого из этих способов сочленения является повышенная их деформативность при действии вертикальных нагрузок – ясно, что первоначальные две или одна контактные точки в поперечном сечении бревен явно недостаточны для передачи сколько-нибудь значимых усилий. Неизбежно «обмятие» древесины в области опорных точек до таких значений, при которых площадь контактной поверхности по длине венца в сочетании с расчетным сопротивлением древесины местному сжатию («смятию») поперек волокон, будет соответствовать величине приложенной к венцу внешней нагрузки.

Учитывая выраженный «упруго-пластический» характер работы древесины при таком виде сжатия (первая составляющая представлена здесь весьма малым модулем упругости Е, а вторая - нулевым его значением), не противоречиво допустить возможность распространения напряжений, равных пределу «текучести», по всей контактной поверхности паза (т.е. также и по всей ее длине). Такое состояние принято расценивать как состояние предельного равновесия; для его достижения необходим ряд условий, важнейшим их которых является определенное сочетание характеристик древесины при работе на «смятие» с точностью изготовления контактных сопряжений.

В самом деле, как при двухточечной, так и одноточечной схеме контакта решающее значение имеет соотношений геометрий самого паза и контактирующей с ним поверхности нижнего бревна. Совершенно ясно, что по длине сопряжения величина зазоров между указанными поверхностями различна и, следовательно, состояние предельного равновесия может быть реализовано лишь на отдельных участках сопряжения венцов по их длине.

Если суммарная длина этих участков окажется недостаточной для восприятия действующих нагрузок, возникает опасность разрушения бревен от раскалывания, вызываемого распорным воздействием сжимающих сил в контактных точках (по аналогии с валунными фундаментами). Вероятность разрушения возрастает в смешанной контактной схеме, когда то или иное бревно воспринимает нагрузку по одноточечной схеме, а передает по двухточечной, т.к. к указанным напряжениям прибавляются напряжения местного изгиба с их наиболее опасной компонентой – напряжениями растяжения поперек волокон.

Заключая сказанное отметим, что в виду отсутствия нормативных рекомендаций по учету влияния неравномерности распределения напряжений контактного сжатия по длине венцов, следует, по-видимому, исключить необходимость такого учета посредством возможно более качественного изготовления этих сопряжений, либо смягчая их воздействие за счет узловых сопряжений срубовых стен.

Узловые сопряжения стен выполняют две функции: с одной стороны они служат для оформления поперечного контура сооружения, с другой - обеспечивают общую устойчивость бревенчатого набора, как всякого иного плоскостного элемента. Известно, что сжатые «пластинки» любого типа нуждаются в закреплении не менее чем по двум сторонам – такого рода закрепление и обеспечивается узловыми сопряжениями венцов одной плоскости с венцами двух соседних плоскостей (по сути, такого рода представления послужили базовыми для конечно-элементной расчетной модели несущих стен П.ц в упомянутых выше работах).

Указанные сопряжения выполняются с помощью различного рода врубок, которые можно подразделить на два основных типа: - «в обло», с криволинейной контактной площадкой, ограниченной по величине диаметром бревен; - «в лапу», с развитыми прямолинейными контактными площадками, размеры которых не ограничиваются только диаметром бревен.

Понятно, что второй вариант имеет очевидные преимущества хотя бы потому, что посредством варьирования длиной контактных площадок возможно обеспечить передачу вертикальных нагрузок на фундаментное основание непосредственно через узловые сопряжения срубовых стен, сводя к минимуму загружение венцов по их длине и исключая, посредством этого, все неприятности, связанные с неопределенно малой устойчивостью бревенчатого набора срубовых стен «из плоскости». Указанное обстоятельство имеет непосредственное отношение к другому, чрезвычайно важному вопросу – вопросу о жесткости узловых сопряжений срубовых стен. Традиционный подход к пониманию работы узловых сопряжений состоит в том, что их жесткость при повороте одного венца относительно другого в горизонтальной плоскости формируется исключительно механическими параметрами (главным образом, различного рода локальными торцевыми упорами), при этом совершенно не учитывается влияние сил трения, вызываемых весьма значительными вертикальными силами сжатия.

Между тем, для фрикционных сопряжений характерен жестко-пластический характер деформирования, на первом участке которого модуль Е стремиться к бесконечности, и поэтому их жесткость (как соотношение усилия к вызываемым им перемещениям) несравненно выше жесткости механических сопряжений. Отсюда следует, что до некоторого уровня нагружения равновесное состояние сооружения обеспечивается исключительно этим параметром и лишь при превышении указанного уровня в работу вступают механические параметры сопротивления (аналогичная картина реализуется при работе и в горизонтальном и в вертикальном направлении – например при неравномерной осадке фундаментов, см. выше).

С учетом сказанного становится очевидным следующее соображение - наиболее целесообразным является такое решение срубовых сооружений, при котором узловые сопряжения стен, выполняемые с помощью врубок «в лапу» сочетаются с одиночными фундаментами, расположенными по вертикальной оси указанных сопряжений, поскольку угловая жесткость сопряжений достигает наибольших значений. Как следствие, возрастает общая жесткость сооружения и жесткость отдельных стен - потеря местной устойчивости (в форме выпучивания венцов по высоте стен) практически исключается в виду отсутствия усилий сжатия по длине венцов. Понятно, что величина контактных площадок врубовых сопряжений и фундаментов определяется расчетом древесины на сжатие поперек волокон под действием вертикальных усилий, действующих на данной высотной отметке.

Такое решение практически невозможно при использовании врубок «в обло» вследствие их малой несущей способности (по причине ограниченности контактной площади). Тем не менее, и в этом случае целесообразно ограничить контактную длину ленточных фундаментов в их «приузловой» зоне величиной, при которой рабочая площадь сопряжений окажется достаточной для восприятия указанного выше усилия. При использовании ленточных фундаментов по всей длине окладного венца неизбежно понижение общей жесткости сооружения и снижение «местной» устойчивости – выпучивание венцов на отдельных участках стен практически неизбежно.

Четвериковые балки. Переходные четвериковые балки водятся, как правило, в высотные деревянные сооружения в уровне изменения параметров здания в плане и представляют из себя, вероятно, одну из наиболее очевидных и прогнозируемых конструктивных систем сооружений рассматриваемого типа. Обычно они представляют собой набор бревен, расставленных «в реж», в зазоры между которыми пропускаются бревна балок ортогонального ориентирования; в вертикальном направлении связь между отдельными бревнами каждой из четырех балок осуществляется в точках контакта ортогональных балок и отдельных коротких прокладок (работе четвериковых балок П.ц. посвящено наше исследование [1]).

Вследствие того, что четвериковые балки составлены из раздельно деформируемых изгибаемых элементов, их следует отнести к наиболее ответственным несущим системам, т.к. последствия их разрушения катастрофичны. В отличии от многосвязных несущих систем типа «срубовые стены», в которых возможные «разрушения» (пластического типа!) венцов на отдельных участках неизбежно включает в работу соседние их участки, разрушение того или иного балочного элемента при определенных условиях может привести к последовательному разрушению системы в целом.

К этому следует добавить повышенную деформативность деревянных конструкций, работающих на поперечный изгиб – известно, что расчеты по деформациям (связанных с изгибной жесткостью конструкций) во многих случаях являются определяющими при определении их поперечных сечений. Неудивительно, что прогибы четвериков П.ц. пролетом 960см достигают весьма высоких значений, в чем легко убедиться воочию, и что подтверждается проведенным нами исследованиями механических характеристик древесины и соответствующим расчетом. Упомянутый анализ убеждает нас также и в том, что при кардинальной реставрации, т.е. замене бревен четвериковых балок, сохранение их конструктивной схемы не может обеспечить длительной эксплуатационной пригодности – главным образом, по причине чрезмерных (с позиций действующих норм проектирования) прогибов.

В этих условиях единственным, по существу, разумным решением является переход от упомянутой выше конструктивной схемы к статическим схемам, обеспечивающим совместное деформирование отдельных бревен за счет их объединения дополнительными связевыми элементами и преобразования, посредством этого, раздельно деформирующихся изгибаемых элементов в балку составного сечения, элементы которой деформируются относительно общей нейтральной оси.
 
В тексте приводятся ссылки на следующие работы, выполненные под руководством автора по Преображенской церкви Кижского погоста, Республика Карелия:
1. Инженерный расчет основных конструктивных элементов Преображенской церкви Кижского погоста. г.Киров, 1989.
2. Обследование и расчет конструкций. Преображенской церкви Кижского погоста. г.Киров, 1992.
3. Исследования, расчет и концепция реставрации Преображенской церкви Кижского погоста. г.Киров ,1994.
4. Системы усиления здания Преображенской церкви Кижского погоста. г.Киров, 1996.
5. Технический проект систем усиления Преображенской церкви Кижского погоста. Вариант 1 (код: перекрестные деревянные фермы для усиления храмовой части). г.Киров, 1999. Вариант 2 (код: сомкнутый свод для усиления храмовой части). г.Киров. 2002.