Новые технологии в обеспечении сейсмостойкости православных святынь г. Севастополя

Риск утраты объектов культурного наследия от климатических и антропогенных воздействий в сейсмоопасных районах возрастает неоднократно [1, 2]. Сохранение православных святынь города

Севастополя, отнесенного к территориям с 8-ми балльной расчетной сейсмичностью, является не только актуальной задачей, но и весьма сложной в плане технологической и экономической целесообразности.

Обзор иностранной и отечественной литературы

Действующие в Украине нормативные документы [3 - 6] обладают рядом взаимоисключающих положений определяющих, с одной стороны, обеспечение допустимых рисков сейсмобезопасности, а с другой – сохранение аутентичности объектов.

Существующие «классические» [7 - 17] подходы к усилению несущих конструкций реставрируемых памятников архитектуры [18] адаптировать к несейсмостойким зданиям начала и середины XIX века, сложенным из камней чистой тески Инкерманского месторождения (Автономная Республика Крым) с сохранением их аутентичности, учитывая фактический уровень накопленных дефектов, весьма проблематично. Техническую сложность обеспечения допустимых рисков по надежности увеличивают дефекты, причиненные православным святыням Севастополя, военными действиями четырех масштабных войн (Крымская война 1853-1856 гг., Первая мировая война 1914-1918 гг., Интервенция стран Антанты 1918-1922 гг., Великая Отечественная война 1941-1945 гг.).

Постановка задачи

Цель проведенных исследований – поиск альтернативных решений по обеспечению допустимого уровня сейсмостойкости объектов культурного наследия, позволяющих сохранить их аутентичность.

Задачи:

• -  изучение характеристик совместной работы анкерных составов, арматурного проката и

• камней пильного известняка Инкерманского месторождения;

• -  разработка на этой основе новых технологий обеспечения сейсмостойкости православных

святынь г. Севастополя.

Описание исследования

Собор Святого Равноапостольного князя Владимира в Севастополе (рисунок 1) – православная церковь, место захоронения русских адмиралов и морских офицеров, памятник архитектуры и истории XIX века [19 - 22].

Рисунок 1. Собор Святого Равноапостольного князя Владимира. Усыпальница адмиралов, г. Севастополь.

Подготовительные работы к строительству собора начались в 1848 году, а закладка собора была произведена 15 июля 1854 года. Во время Крымской войны в склепе будущего храма были захоронены адмиралы Лазарев М.П., Корнилов В.А., Истомин В.И., Нахимов П.С., погибшие на бастионах Севастополя. В 1862 году работы по возведению собора возобновились. Для этого пригласили известного архитектора, академика Авдеева А.А. Он переработал проект Тона К.А. на основе изученной им традиционной византийской церковной архитектуры. В 1881 году закончено сооружение нижней церкви, а в 1888 году, после смерти Авдеева А.А.— завершено строительство верхней церкви.

Здание сооружено из инкерманского камня и выполнено как крестово-купольная несущая система в двух уровнях, его высота с крестом составляет 32,5 м. Общие габариты плана составляют 30,9х20.4 м. Наружные колонны сделаны из диорита, для облицовки внутренних колонн использован каррарский мрамор.

В средней (по высоте) части барабана, сопрягающего кладку четверика и восьмерика, наблюдались кольцевые трещины. Следы косметического ремонта свидетельствуют о постоянном затекании примыканий кровли. Максимальное раскрытие трещин в барабане, имеющем в плане круглую форму изнутри и восьмигранник с внешней стороны, установлено в зоне сопряжения разнородных по размеру камней, и как следствие различных по жесткостным характеристикам кладок. Авторами предложено усиление барабана внешним предварительно напряженным стальным армированием (рисунок 2). В целях сохранения аутентичности фасадов [4], элементы усиления расположены под крышей четверика.

Рисунок 2. Схема усиления барабана купола собора Святого Равноапостольного князя Владимира

Храм святого Архистратига Михаила в Севастополе (рисунок 3) сооружен в 1849 году по инициативе Главного командира Черноморского флота - адмирала Михаила Петровича Лазарева. Автор проекта точно не известен, но, скорее всего, это инженер-полковник Фондервейде, создатель собора Святителя Николая (г. Севастополь), поскольку Михайловская церковь являлась его приделом [15, 21 - 23].

Рисунок 3. Храм святого Архистратига Михаила в Севастополе

Во время 1-й обороны Севастополя храм был главной гарнизонной церковью города. В ней отпевали адмиралов Корнилова В.А., Истомина В.И., Нахимова П.С.

2 августа 1855 года в здание храма попала бомба, которая произвела в нем большие разрушения. Здание было восстановлено в 1857 году на средства подрядчика Ивана Красильникова. В 1889 году храм стал полковой церковью 50-го пехотного Белостокского полка.

В 1920-е годы в здании находилась читальня имени французского коммуниста Марти А. С 1931 года – Дом санитарного просвещения. После Великой Отечественной войны в здании храма размещался малый зал Дома офицеров флота. С 1969 года здесь расположился зал №8 музея Краснознаменного Черноморского Флота.

Здание имеет прямоугольную форму. Портал – в виде ниш одна в другой, перекрытых арками, которые опираются на колонны (по две с каждой стороны) с византийскими капителями. Архивольты украшены резьбой, слева и справа от входа – медальоны с розетками. Стены и колонны сложены кладкой из мелкоштучных блоков чистой тески Инкерманского месторождения [24].

Применение традиционных способов усиления несущих конструкций и повышения сейсмостойкости зданий со стенами из каменной кладки приводит к неизбежной утрате изначальных фасадов и внутреннего убранства храма [25].

Предлагаемые авторами [26, 27] скрытые конструктивные решения по усилению несущих каменных конструкций установкой вклеиваемых анкеров, открывают новые возможности сохранения аутентичности храма святого Архистратига Михаила в Севастополе.

Для дальнейшей безопасной эксплуатации, наружные углы основного здания в уровне от планировочной отметки грунта до карнизной кладки необходимо усилить постановкой горизонтальных вклеиваемых анкеров из арматурной стали Ø 12 А 500С во взаимоперпендикулярных направлениях (рисунок 4).

Рисунок 4. Усиление пересечений наружных стен вклеиваемыми анкерами храма святого Архистратига Михаила

Первое известное документальное упоминание о Балаклавском Георгиевском монастыре (рисунок 5) относится к 1578 году.

Рисунок 5. Балаклавский Георгиевский монастырь. Исторический вид

Второго ноября 1854 года на Черном море разразился сильнейший шторм, в результате которого 11 английских кораблей отправились на дно у входа в Балаклавскую бухту.

Пострадал и Георгиевский монастырь. Ураган повредил домик Лазарева, церкви и колокольню, сорвал на большинстве зданий крыши, погнул кресты.

Рисунок 6. Колокольня Балаклавского

Георгиевского монастыря.

Современный вид

В 1861 году по распоряжению настоятеля архимандрита Никона каменная колокольня была перестроена в готическом стиле, по плану архитектора Вяткина. Теперь среди вековых кипарисов пред нами предстала, как снег белая, четырёхгранная колокольня, с высоким конусообразным куполом и золотым крестом.

Колокольня Балаклавского Георгиевского монастыря (рисунок 6) расположена на мысе Фиолент на территории воинской части Министерства обороны России [24]. Трехуровневое сооружение выполнено сложной симметричной формы в плане с габаритными размерами 5.7х5.7 м. Высота составляет 15.36 м. Конструктивная схема – несущие каменные стены с арочными перемычками, выполненными камнями чистой тески. Предположительный возраст сооружения ~ ок. 170 лет. Существовавший ранее четырехгранный купол в настоящее время утрачен.

Стены колокольни повреждены трещинами, наблюдаются утраченные камни кладки. Ранее существовавший слой защитной штукатурки в настоящее время практически полностью разрушен. Прочность камней кладки соответствует маркам по прочности на сжатие М 50-75. Техническое состояние стен, в соответствии с действующими нормативными документами [3 - 6], диагностируется как аварийное.

Анализ результатов обследования и оценки технического состояния конструкций колокольни [29] позволили разработать усиление стен нижнего уровня железобетонной рубашкой, восстанавливающий, кроме того, визуально функцию изначально существовавшей защитной штукатурки, без значительного увеличения габаритных размеров фасадов [30]. По верхнему обрезу стен третьего уровня – монолитный железобетонный антисейсмический пояс с вклеиваемыми анкерами (рисунок 7).

Рисунок 7. Схема усиления верхнего обреза стен колокольни Балаклавского Георгиевского монастыря устройством монолитного железобетонного антисейсмического пояса с вклеиваемыми анкерами

Расчет прочности бутовой каменной кладки, усиленной вклеиваемыми анкерами, предлагается производить в соответствии с методикой п.4.31 СНиП II-22-81 [31], так как действующие в настоящее время в Украине требования норм ДБН В.2.6-162:2010 «Каменные и армокаменные конструкции» [32] не распространяются на конструкции стен из бутовой кладки. Для камней пильного известняка Инкерманского месторождения (юго-западный Крым) необходимо учитывать коэффициент условий работы вклеиваемого анкера.

₌ J- — P^as^s ^    -²e₀

Rskb =  +  ₁₀₀  ∙ R₂₅ (-   )

где R - расчетное сопротивление кладки сжатию;

R_s - расчетное сопротивление арматуры;

R ₂₅ - расчетное сопротивление кладки при марке раствора 25;

- требуемый коэффициент армирования:

=

(1- ² )

≥ 0,1%

- коэффициент, определяемый по формулам, приведенным в табл. 19 СНиП II-22-81 [31].

е ₀ - эксцентриситет расчетной силы N относительно центра тяжести сечения;

- расстояние от центра тяжести сечения до сжатого его края;

K_as =0,3 - коэффициент условий работы вклеиваемого анкера с гарантированной обеспеченностью 0,95.

Для определения авторами экспериментально установлена прочность клеевого соединения анкеров из арматуры ø 12 мм А 500С на выдергивание из каменных элементов с применением анкерного состава Ceresit СX 5. Для физического эксперимента были выбраны природные камни Инкерманского месторождения, характерные для кладки стен памятников архитектуры г. Севастополя XIX века, рекомендуемая глубина заделки 300мм - в соответствии с наиболее распространенными размерами элементов кладочной структуры из пиленых и рваных бутовых камней. Испытания проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84 [33].

В опытных образцах, испытанных в возрасте не менее 28 суток, рост деформаций зависел от глубины анкеровки. Смещение анкера происходило по поверхности контакта «анкерный состав-камень». При нагрузках 2,5-3,1 тс (рисунок 8) фиксировали смещение анкера относительно камня на 0,4 мм.

Рисунок 8. Деформативность клеевого соединения опытных образцов Δ (мм) в зависимости от прилагаемой нагрузки Р (кг).