Укрепление элементов распорных систем

Как отмечалось, почти любой вид деформации арок и сводов есть заключительный или промежуточный этап многоходового процесса общей деформации здания или системы «памятник—среда». Поэтому полный комплекс укрепления распорных конструкций включает мероприятия по укреплению не только самих сводов, но и стен, столбов, связей и других конструкций, несущих эти своды или воспринимающих их распор.

Укрепление опорного контура сводов. Наибольшую опасность для распорных конструкций представляет горизонтальная подвижка опор, при которой снижается подъем, высота сжатой зоны сечений и, соответственно, несущая способность арочных элементов. Поэтому одна из важнейших задач — обеспечение несмещаемости опор арок и сводов (рис. 82).

82. Конструкции связевого каркаса
1 — "глухой " железобетонный анкер;
2 — воздушная связь;
3 — вильчатый анкер;
4 — угловая заделка современной стеновой связи;
5 — канал древней деревянной связи;
6 — сопряжение современных воздушной и стеновой связей;
7 — имитация деревянной связи;
8 — опорная железобетонная подушка-анкер;
9 — болтовое соединение разорванной металлической связи;
10 — анкер в виде пакета металлических профилей

Распространенным приемом служит восстановление функций утраченного или поврежденного связевого каркаса. В расчищенные каналы древних деревянных стеновых связей устанавливаются металлические стержни из арматуры или проката, соединяемые в углах для образования замкнутого контура. В зонах приложения наибольшего распора, например в плоскости подпружных арок, между распалубками или в средней части лотков сомкнутых сводов стеновой каркас соединяется с элементами воздушных связей, что снижает его деформативность и увеличивает зону удержания воздушной связи. Каналы бетонируются. При надлежащих армировании и сечении каналов стеновые связи могут работать как железобетонные пояса, способные воспринимать кроме растяжения и изгибающие моменты от действия распределенного распора на участках между анкерами связей.

Иногда при отсутствии каналов древних связей или по иным причинам возникает необходимость устройства наружного бандажа, стягивающего опорный контур в уровне пят сводов или выше. Например, свод Никольской церкви на Соловках укреплен постановкой наружного комбинированного (металлического с железобетонными анкерными подушками) пояса, скрытого под конструкцией кровли.

Для предотвращения развития деформаций, связанных с неравномерными осадками, подвижками или поворотами стен и столбов, применяются, как правило, жесткие конструкции усиления, способные воспринимать большие сжимающие и изгибающие усилия. Иногда они сочетаются с гибкими связями, работающими только на растяжение. Например, в новгородском Знаменском соборе независимые перемещения стен и центральных столбов, вызвавшие критические деформации сводов подклета, предполагается остановить устройством системы пересекающихся металлических обетонированных связей в уровне перекрытия (над сводами), а также установкой мощных железобетонных распорок между фундаментами. Все обоймы и распорки располагаются ниже уровня современного пола, но являются, тем не менее, открытыми конструкциями, так как между ними экспонируются фрагменты стен и столбов древней церкви Знамения.

В соборе нижегородского Благовещенского монастыря укрепление опорного контура сводов верхнего яруса произведено с помощью системы монолитных железобетонных поясов, причем общий стягивающий пояс врезан по периметру с анкеровкой в кладку стен с внутренней их стороны.

В Соловецком монастыре в 1983 г. выполнено укрепление сползающей в ров восточной стены Новобратского корпуса с помощью системы перевернутых кирпичных полуарок, упирающихся верхним концом в низ цоколя здания, а нижним — в валунный фундамент крепостной стены XVI в. Перевернутые арки и полуарки могут, видимо, использоваться как скрытые контрфорсы для фиксации взаимного положения блоков здания, расположенных на разных уровнях и на небольшом расстоянии друг от друга. Основным достоинством перевернутых арок стало то обстоятельство, что обратный распор от потенциальной подвижки пят компенсируется пассивным отпором грунта (постели) под аркой.

Существуют и открытые неперевернутые арки-распорки, в которых противодействие сжатию и смещению пят достигается пригрузкой арки, т.е. искусственным отпором. Применению арок-распорок, как и вообще открытых арочных конструкций укрепления, может препятствовать их архитектурная «активность». Более нейтрально выглядят контрфорсы обычной или современной конструкции.

Укрепление сводов, деформированных при смещении опор и при перегрузках. Восстановление несущей способности сводов при их выполаживании, провисании, волнообразной деформации и т.п. — сложная, порой трудноразрешимая задача, так как снижение высоты сжатой зоны сечений при названных деформациях связано с необратимыми (в основном) изменениями геометрии сводов. Незначительное увеличение высоты сжатой зоны происходит при расклинке раскрытых швов снизу, так как при этом несколько увеличивается длина нижней поверхности и свод как бы поднимается кверху, а кривая давления опускается. Следует расклинивать одновременно обе поверхности. Естественно, что расклинка трещин и швов имеет смысл лишь при положительной кривизне свода, так как расклинка провисающих участков еще больше увеличивает их провис (рис. 83).

83. Укрепление деформированных сводов
А — расклинка:
1 — положение оси сжатой зоны до и после деформации;
2 — клин;
N1 — начальное приложение нормальной силы;
R/sin — продольное усилие от расклинивания;
N2 — приложение суммарной нормальной силы после расклинивания;

Б— стадии "выдавливания " свода "зонтом":
3 — зачеканка пустых швов между отдельными клиньями и блоками;

В — подвеска "висячей " зоны;
4 — провисшая часть свода;
5 — железобетонная плита;
6 — анкеры;
7 — рабочая схема;

Г—укрепление свода дублирующим арочным элементом

Эффективным, но редким способом изменения геометрии свода служит его «выдавливание» кверху до расчетного рабочего положения с помощью выдвижной опалубки — так называемого зонта. При достаточно равномерном давлении снизу кладочные элементы раздвигаются, образуя временно совсем необжатые участки кладки, удерживающиеся на опалубке. Далее производится равномерная зачеканка раствором раскрытых швов и трещин, и опалубка убирается. Приведенный способ уместен для пластичной кладки (слабый раствор, пустошовка) и при отсутствии какой-либо нагрузки на свод.

Часто применяющаяся зачеканка трещин и пустых швов не изменяет геометрии свода и не увеличивает высоты сжатой части сечения. Положительное действие данного способа заключается только в стабилизации существующей формы и в повышении сопротивляемости поперечным сдвигам (от местных нагрузок) за счет бокового сцепления раствора. Зачеканка или инъекция швов необжатых, так называемых висячих, зон не изменяет их характера, они остаются необжатыми, не работающими участками свода и удерживаются от падения лишь сцеплением раствора. Фиксация «висячих» зон возможна с помощью их подвески к дублирующим элементам — аркам, балкам, плитам, проложенным над сводом и передающим нагрузки на здоровые участки кладки или на опоры. Подобные решения осуществлены при укреплении сводов перекрытия Московской консерватории и других объектов. Следует помнить, что подвешивание рабочих зон сводов, как и их подпирание снизу, недопустимо, так как нарушает принцип существования распорных конструкций.

В некоторых случаях увеличения высоты сжатой зоны укрепляемого свода можно добиться и без изменения существующей геометрии за счет включения в совместную работу деформированной полосы свода и дублирующего арочного элемента, который выкладывается и бетонируется поверху. Совместная работа слоев составного сечения обеспечивается радиальными стержневыми шпонками и инъекцией существующих зазоров между слоями. Шаг и диаметр шпонок при этом определяются по величине сдвигающих усилий в составном сечении. Такой способ применен в 1981 г. в Астрахани при усилении деформированных крестовых сводов и подпружных арок Большой трапезной палаты кремлевского Троицкого собора.

Разгрузка деформированных сводов. В тех случаях, когда нерационально приложенная нагрузка создает недопустимые напряжения в кладке или когда нет возможности погасить действие возросшего распора за счет ужесточения опорного контура, целесообразна частичная или полная разгрузка свода. Разгрузка сводов с помощью одиночных или перекрестных балок, подведенных под стены, нагружающие свод, выполнена в Трапезной палате Андроникова монастыря, в Верхоспасском соборе Большого Кремлевского дворца, в соловецкой Никольской церкви.

В Трапезной палате Андроникова монастыря тонкие (в один кирпич) своды третьего яруса, сложенные в 1506 г., неоднократно деформированные, имеющие расчлененный опорный контур, не могли считаться надежным основанием для конструкций помещения, организуемого при приспособлении чердака над сводами. Поэтому в 1977 г. стены и перекрытие нового помещения (облегченной фахверковой конструкции) выполнены с опиранием на монолитные железобетонные балки (L = 15,2 м, h = 0,8 м), забетонированные с зазором 5—10 см от поверхности сводов. Балки опираются на угловые бетонные подушки, заанкеренные в кладку стен (рис. 84, А).

84. Схема разгрузки сводов
А — система железобетонных балок над крестовыми сводами Трапезной палаты Андроникова монастыря (разрез, план):
I — своды;
2 — трещины деформации;
3 — конструкции чердачного приспособления;
4— система балок;
5 — угловые опорные подушки;
Б — система перекрестных балок над сводом (разрез, план)

Разгружая своды, балки одновременно работают как связевые элементы, препятствующие горизонтальным подвижкам стен, несущих эти своды.

Перекрестные железобетонные двух-ветвевые балки, разгружающие аварийный свод над Золотой Царицынской палатой Большого Кремлевского дворца, выполнены в 1979 г. различной высоты в соответствии с величиной потенциальных нагрузок (рис. 84, Б). Их верхняя арматура соединена с анкерными шайбами в торцевых стенах в целях уменьшения пролетного момента. Ветви балок и соединяющие их диафрагмы врезаны в кладку нагружающих своды стен на 7—8 см с инъекцией усадочных швов. Зазор между низом балок и сводом составляет 5 см, воспринимаемая балками расчетная нагрузка— 1300 кН.

В соловецкой Никольской церкви помимо железобетонных балок, снимающих тяжелую продольную нагрузку с восстановленного участка свода Ризничной палаты, введены и две монолитные железобетонные арки с затяжками, усиливающие подпружные арки свода в местах приложения чрезмерной поперечной нагрузки.

Эффективный способ разгрузки неустойчивого опорного контура от распора восстанавливаемых сомкнутых сводов, шатров и куполов — их замкнутое поярусное армирование. Качественно выполненное армирование кладки в средней трети высоты сводов способно существенно компенсировать нерациональность формы, снизить значение изгибающих моментов и напряжений в сечениях. Кольцевое армирование кладки заложено в проекте реконструкции купола мечети Рабия Султан в г. Туркестане. Поярусное армирование свода в сочетании с воздушными связями выполнено при восстановлении завершения надвратной церкви московского Даниловского монастыря (1984 г.).

Иногда методически и логически оправдана замена восстанавливаемой распорной конструкции на ее безраспорную или «малораспорную» имитацию. Тонкостенные железобетонные оболочки, имитирующие своды Трапезной палаты церкви Богоявления в Иркутске, способны гасить свой распор за счет жесткости армированных нервюр и опорных ребер.

Бетонные имитации небольших пологих сводов междуэтажных перекрытий могут выполняться с горизонтальной верхней поверхностью и плоским плитным армированием. В целях улучшения контакта с сохранившимися фрагментами старой кладки для изготовления бетонных сводов может быть применен так называемый кирпичный бетон с кирпичным боем вместо щебня и известково-цементным вяжущим.

Известную сухость, свойственную бетонным сводам, можно в значительной степени устранить «смягчением» опалубки, т.е. устройством ее поверхности без острых углов и кромок, со сплошной прокладкой из картона или строительного войлока, как это, например, успешно сделано в Иркутске на церкви Богоявления. При устройстве бетонных имитаций или при введении в кирпичные своды больших бетонных фрагментов и заплат резко меняется акустика помещений. Поэтому в их конструкциях должны быть предусмотрены отверстия-голосники, снижающие мембранный эффект, а по верхней поверхности устроена засыпка из керамзита или другого легкого звукопоглощающего материала.

Укрепление при структурном разрушении сводов. Особую сложность представляет укрепление кладки при ее морозном или солевом структурном разрушении. Исследование большого числа сводов выявило достаточно «типовой» вид слоистого разрушения, когда регулярно замораживаемая мокрая кладка сводов расчленена на ряд самостоятельно существующих сводчатых образований толщиной 3—6 см, пролетом 1,5— 3 м с чрезвычайно малой собственной устойчивостью формы. Любое давление на нижнюю поверхность таких сводов способно вызвать падение слабо скрепленных слоев как из растянутой, так и из сжатой зоны общей толщины свода.

Укрепление кладки сводов, имеющей слоистый характер разрушения, проведено на объектах Соловецкого монастыря, некоторых памятниках Ленинградской области и др. Временно подкрепленная нижняя поверхность сводов была «обобрана» от заведомо висячих элементов. Затем в швы были аккуратно забиты металлические костыли длиной 10—15 см для некоторой расклинки кирпичей в нижних слоях кладки, а также для крепления штукатурной сетки, используемой для армирования толстого намета при восстановлении утраченных зон кладки. Шаг костылей определялся по месту. Далее выполнялся послойный намет специального штукатурного раствора, включающего известь, цемент, цемянку и песок.

Перечисленные меры позволили получить достаточно устойчивые участки, способные воспринимать давление электродрели при сверлении скважин. Скважины иногда проходили на всю толщину свода и пересекали все расслоения. Часть скважин использовалась для установки анкерных стержней, а другая — для заделки инъекционных трубок, через которые производилось заполнение пустот и трещин раствором.