Зајакнување на културно-историски споменици

Катастрофалните земјотреси ја наметнаа потребата од градење на сеизмички отпорни конструкции и таа зазема приоритетно место во техничката регулатива за проектирање и изградба на објекти во сеизмички активни подрачја. Меѓутоа, новоусвоените прописи и принципи се однесуваат за новите градби, што го наметнува прашањето како да се заштитат градбите коишто се изградени во минатото, во сеизмички активни региони, а коишто не ги исполнуваат актуелните асеизмички барања. Во овие градби спаѓаат и културно-историските споменици коишто се од особено значење за светското културно наследство. За нивна сеизмичка заштита и подобрување на сеизмичката отпорност постојат повеќе методи, а во оваа статија ќе се даде осврт на реверзибилните методи за зајакнувања, односно методи кои понатаму лесно можат да бидат отстранети и заменети со нови. Ефективноста на овие методи е експериментално испитана во рамките на европскиот проект ПРОХИТЕК (PROHITECH), во којшто беа вклучени 15 универзитети од 12 европски земји, меѓу кои и УКИМ преку Институтот за земјотресно инеженерство и инженерска сеизмологија и Градежниот факултет. Главна цел на овој проект беше да ја верифицира ефективноста на иновативни техники за сеизмичка заштита на постоечки конструкции, со посебен осврт на зајакнување на културно-историски споменици, преку реверзибилни технологии на зајакнување. За конструкции коишто не се изградени согласно сеизмичките прописи потребно е да се направат одредени експериментални испитувања за да се оцени нивната сеизмичка стабилност и да се предложи најсоодветниот начин на зајакнување.  Во лабораторијата на ИЗИИС тестирани се три иновативни методологии за зајакнување, применети на физички модели на три различни прототип конструкции: на Мустафа-пашината џамија во Скопје, на катедралата „Фосанова“ во Италија и на црквата „Свети Никола“ во Псача. Дел од решенијата што се испитувани се и реално применети кај овие споменици.

Слика 1. Прототип на моделите испитувани во ИЗИИС, а) Мустафа-пашината џамија во Скопје, б) катедралата „Фосанова“ Италија и в) црквата „Св. Никола“ во Псача, Кумановско

Методологија на испитувањата

Пред да се започне со фазата на зајакнување на еден објект, потребно е да се спроведат повеќе истражувачки активности меѓу кои спаѓаат и следните три:

• Дефинирање на моменталната состојба на конструкцијата преку определување на нејзините динамички карактеристики (фреквенции, тонови форми и коефициенти на придушување);
• Определување на физичко-механичките карактеристики на материјалите;
• Испитување на сеизмичката стабилност на објектот преку испитување на соодветен физички модел на сеизмичка вибро-платформа.

Во рамки на проектот ПРОХИТЕК, за дефинирање на динамичките карактеристики на спомениците користена е методата на амбиент вибрации. Карактеристиките на материјалите од кои се изградени спомениците се определени со недеструктивни методи на лице место и со испитување на примероци во лабораторија. Во последната фаза, после изградбата на физичкиот модел, се врши испитување на сеизмичка платформа на дејство на земјотрес за испитување на сеизмичката стабилност и тоа прво на модел на оригиналната конструкција, а потоа и на модел кој е зајакнат со предложената технологија. Со цел да се оцени ефектот на зајакнување, зајакнатиот модел се испитува прво на дејство на земјотреси со ист интензитет како и оригиналниот модел, а потоа и до предизвикување на целосен лом на истиот. Во продолжение се дадени повеќе информации за трите испитувани модели кои се зајакнати со три различни реверзибилни технологии: зајакнување со карбонски ленти и шипки (CFRP), зајакнување со вметнување на карбонски шипки (затеги) и преку имплементација на концептот на речиси подигната конструкција (ALSC – Almost Lifted Structure Concept).

Мустафа-пашината џамија во Скопје (слика 1, а),  изградена во 1492 год., е еднокуполна конструкција со димензии во основата од 20.0 х 2 0.0 m, составена од масивни дупли ѕидови (2.0 m) од камен и тули со варов малтер. Составен дел на џамијата е и минарето кое од конструктивен аспект претставува доста виток и тенок елемент. Земајќи ги предвид геометриските карактеристики на објектот, материјалот од којшто е изграден истиот, карактеристиките на сеизмичката платформа како и расположливиот простор во лабораторијата во ИЗИИС, проектиран е и изграден физички модел во размер 1 : 6 (слика 2). Моделот е проектиран според принципот на занемарени гравитациони сили, користејќи го истиот материјал од којшто е изграден прототипот. Со цел да се добијат резултатите за проценка на сеизмичкото однесување и стабилност, на моделот беа поставени повеќе акцелерометри и мерачи на поместување во карактеристични точки.

Слика 2. Модел на Мустафа-пашината џамијата поставен на платформата во ИЗИИС 

Испитувањето на физичкиот модел е реализирано во 3 фази и тоа:

– Испитување на оригиналниот модел под дејство на земјотрес со низок интензитет (0.01 g – 0.1 g), со цел да се предизвикаат оштетувања само во минарето (слика 3)

– Испитување на модел со зајакнато минаре под дејство на земјотреси со висок интензитет (0.2 g – 1.5 g), со цел да се предизвика колапс на минарето и оштетувања на џамијата, (слика 4);

– Испитување на зајакнат модел на џамијата сè до постигнување на високо ниво на оштетувања кај истата (слика 6).

Слика 3. Оштетување од испитување   – фаза 1  

Слика 4. Зајакнување на минарето со карбон ленти – фаза 2

За репрезентативен земјотрес при генерирањето на сеизмички побуди, беше земен временскиот запис од црногорскиот земјотрес, соодветно скалиран. После првата фаза, пукнатините на моделот на џамијата се инектирани, додека минарето е зајакнато преку имплементација на карбон траки на 4 места во вертикален правец и на 5 нивоа во хоризонтален правец (слика 4). По генерираниот земјотрес со влезно забрзување од 1.5 g настана лом на минарето, додека во џамијата се забележани видливи оштетувања. Бидејќи станува збор за верификација на ефикасноста на реверзибилни техники на зајакнување, џамијата е зајакната преку вметнување на карбон шипки во хоризонтални слоеви од малтер околу четирите ѕидови на две нивоа, формирање на хоризонтален појас од карбон ленти околу тамбурот на џамијата и во основата на куполата (слика 5). Заклучоците после испитувањето беа дека кај зајакнатиот модел, за поинтензивни тестови, механизмот на лом се префрла во долната зона на ѕидовите, во насока на побудата, каде што се појавуваат очекуваните дијагонални пукнатини. Сеизмичката отпорност е значително зголемена, со сочувана интеграција на тамбурот и куполата со ѕидовите на конструкцијата, а зајакнувањето на минарето ја зголеми неговата крутост и можноста за деформација.

Слика 5. Приказ на зајакнување на џамијата   

Слика 6. Приказ на оштетувања на моделот после реализирана фаза 3

Катедралата „Фосанова“, (слика 1, б) лоцирана во Приверно, Италија, датира од 15-тиот век и претставува прототип за вториот модел којшто е испитуван во лабораторијата во ИЗИИС. Со цел да се земе предвид сложеноста и комплексноста на објектот беше изработен комплексен и прецизен физички модел во размер од 1 : 5.5 (слика 7), според концептот на „вистински репродуцирани модели“. Проектот за инструментација е конципиран на начин да се добијат што поголем број на корисни експериментални резултати и за таа цел користени се акцелерометри и мерачи на поместување. Испитувањето на моделот е реализирано во 2 фази:

Слика 7. Физички модел на катедралата „Фосанова“

– Испитување на оригиналниот модел сè до предизвикување на видливи оштетувања – интензитет на влезно забрзување до 0.14 g

– Испитување на зајакнат модел, до постигнувања на сериозни оштетувања – интензитет на влезно забрзување до 0.4 g

При испитувањата, за репрезентативен земјотрес беше користен временскиот запис од земјотресот во Калитри, Италија, соодветно скалиран.

Пред реализација на финалниот тест од првата фаза, неколку оштетувања беа забележани на сводовите и лаковите. За време на финалниот тест со интензитет од влезно забрзување од 0.14 g забележано е сериозно оштетување на моделот, со развој на две главни пукнатини по должината на централните лакови на главниот свод и повеќе пукнатини на помалите сводови и лакови (слика 8). Причина за ова оштетување е блискоста на фреквенцијата на моделот и доминантната фреквенција на зададениот земјотрес, што предизвикува интензивни вибрации и појава на резонанс.

Слика 8. Оштетувања на моделот после реализација на фаза 1

По испитувањето на оригиналниот модел и развојот на механизмот на лом, пукнатините беа  исполнети со специјален експанзивен алуминиум-цементен малтер, со што моделот беше потполно вратен во првобитната неоштетена состојба. Потоа, беше применета предложената методологија за зајакнување на ваков тип споменици, којашто се состоеше во поставување на вертикални и хоризонтални карбонски шипки (затеги) на неколку нивоа на моделот, слика 9. За време на последниот симулиран земјотрес од фаза 2 (0.4 g), во моделот беше целосно развиен механизмот на лом, со бројни пукнатини.

Слика 9. Зајакнување на моделот со вертикални и хоризонтални карбон шипки (затеги)

Од испитувањата се констатираше дека со применетата методологија за зајакнување критичното влезно забрзување кое кај оригиналниот модел изнесуваше 0.14 g, за зајакнатиот модел достигна вредност  0.4 g, со што беше докажана нејзината ефикасност.

Третиот метод на реверзибилно зајакнување е испитан на модел на црквата „Св. Никола“, изградена во средината на 14-тиот век, во селото Псача во близина на Крива Паланка, Р Македонија (слика 1, в). Земајќи ги предвид карактеристиките на сеизмичката платформа и геометриските карактеристики на прототипот, за моделот беше дефиниран геометриски размер 1 : 3.5 и тој беше проектиран според принципот на „занемарени гравитациони сили“. При инструментација на моделот беа користени акцелерометри и мерачи на поместување.

Слика 10. Модел на црквата „Св. Никола“

Испитувањето на моделот под дејство на земјотрес беше реализирано во 2 фази:

– Испитување на базно-изолиран модел со имплементација на концептот на речиси подигната конструкција (ALSC – Almost Lifted Structure Concept), со интензитет на влезно забрзување 0.45 g – 1.45 g

– Испитување на оригиналниот модел, стандардно фиксиран за платформата – интензитет на влезно забрзување 0.1 g – 0.7 g

Со концептот ALSC се предвидува изградба на два фундамента (основа, т.е. долен фундамент и подвижна плоча, т.е. горен фундамент врз кој се гради објектот), меѓу кои се поставува заробен течен слој (масло, вода) кој треба да е под притисок и преку кој со лизгање се дисипира енергијата од земјотресот. Со други зборови, не постои повеќе поврзаност на објектот со подлогата и конструкцијата буквално лебди над слојот од течност. Системот опфаќа и поставување на хоризонтални федери кои го центрираат објектот за време на земјотресот. Треба да се спомене дека ALSC-концептот е патентно решение на проф. д-р Љубомир Ташков (УКИМ – ИЗИИС), Мирче Кокалевски и Антим Антимовски и има добиено сребрен медал на Саемот за иновации „Еурека“ во Брисел и златен медал во Сеул.

Со оглед на применетата методологија, прво е испитан зајакнатиот модел (базно-изолираниот модел) бидејќи се очекуваше дека нема да дојде до оштетувања, што беше и потврдено со максималниот интензитет од 1.5 g на усвоениот репрезентативен земјотрес регистриран во Петровац во 1979 год.  Ова ниво на интензитет, кој е значително поголем од реалните максимални интензитети на земјотресите, не придизвика појава на никакви пукнатини во моделот, туку само појава на зголемено релативно поместување помеѓу основата и подвижната плоча. Интензитетот на влезното забрзување на ниво на горната плоча беше лимитиран на 0.3 g, поради ефектот на базна изолација кој го нуди овој концепт.

Во втората фаза на испитување моделот беше класично фиксиран за платформата, којашто всушност ја симулира оригиналната состојба на прототипот. Одговорот на конструкцијата (забрзувањата) под дејство на земјотрес во овој случај е зголемен 2.0 пати на врвот на ѕидовите и 4.0 пати на врвот на куполата во однос на максималното влезно забрзување 0.7 g. Во овој случај моделот беше сериозно оштетен, со појава на голем број пукнатини. Деталите на оштетувањата на тамбурот и на ѕидовите околу отворите се прикажани на сликите 11 и 12, соодветно. Компаративната анализа на резултатите од испитувањето на базно-изолираниот модел со примена на системот ALSC и класичниот модел на фиксна основа јасно го прикажува супериорното однесување на концептот на речиси подигнатата конструкција.

Слика 11. Лом на тамбурот (влезно забрзување – 0.45 g)  

Слика 12. Оштетувања на ѕидовите (влезно забрзување – 0.7 g)

Како заклучок, за сите три предложени нови реверзибилни методологии за зајакнување на историски споменици од различен тип, низ експерименталните испитувања се докажа нивната ефикасност и зголемената сеизмичка отпорност која тие ја овозможуваат.

 

Автори:

м-р Ангела ПОПОСКА, м-р Филип МАНОЈЛОВСКИ, Антонио ШОКЛАРОВСКИ дипл. град. инж., проф. д-р Лидија КРСТЕВСКА, доц. д-р Александра БОГДАНОВИЌ, проф. д-р Зоран РАКИЌЕВИЌ

Универзитет „Св. Кирил и Методиј“ во Скопје, Институт за земјотресно инженерство и инженерска сеизмологија (ИЗИИС)

Реализација на проектот:

проф. д-р Лидија КРСТЕВСКА, проф. д-р Љубомир ТАШКОВ, проф. д-р Кирил ГРАМАТИКОВ, проф. д-р Федерико МАЦОЛАНИ (главен координатор на проектот ПРОХИТЕК)

Институт за земјотресно инженерство и инженерска сеизмологија, Скопје 2004-2008 година