В 21 веке мы имеем возможность восхищаться уникальными памятниками истории и архитектуры, дошедшими до нашего времени. Это стало возможным благодаря тому, что в течение своего существования сооружения поддерживались в рабочем состоянии современниками. Проводилась научная работа по изучению таких объектов, результаты которой являются актуальными и в наше время. К сожалению, многие из уникальных сооружений расположены в среде мегаполисов, в которых ведется интенсивная застройка окружающей территории, что дополняет отрицательное воздействие на памятники истории и архитектурв в том числе. Возрастает влияние от окружающей застройки на основание рассматриваемых объектов, что может вызвать дополнительные осадки таких объектов от взаимного влияния фундаментов. Изменяется высота подъема уровня грунтовых вод и направление их движения. (Возникает вероятность замачивания грунтов под подошвой фундаментов, обладающих просадочными свойствами). Возрастает вероятность техногенных аварий (прорыв комуникаций).

Возникают дополнителные динамические воздействия на объект, например, от прохождения метрополитена по близ лежащей территории, от увеличивающегося потока транспортных средств. Кроме того, существует также вероятность влияния сейсмического воздействия на исторические сооружения, которые находятся в зоне сейсмической активности, либо в зоне досягаемости сейсмической волны. Если сооружение имеет сеть развитых силовых трещин, то даже незначительное сейсмическое воздействие может привести к уменьшению, либо потере несущей способности конструктивной системы. Сохранить исторические здания для потомков является также задачей современников. Одним из способов сохранения памятников может быть разработка и создание системы мониторинга, основу которого должна составлять расчетная (компьютерная) модель сооружения.

Такая работа была выполнена для Софийского собора заповедника София Киевская.

Разработка расчетной модели позволяет собрать и обобщить информацию о сооружении в плане и пространстве, о физико-механических свойствах материала конструкций и основания под подошвой фундамента. Выполнение расчетов пространственной расчетной модели совместно с основанием, позволит определить напряженно-деформированное состояние исследуемого сооружения, определить наиболее напряженные участки, оценить возможность развития новых трещин при различных дополнитнльных воздействиях. Расмотрим этапы подготовки информации для разработки расчетной модели. Учитывая, что как правило, памятники истории и архитектуры исследуются в течение длительного времени, прежде всего необходимо изучить литературные источники. Сформировать пакет чертежей сооружения – планы, фасады, разрезы. Для этого, либо используют существующие материалы (архивные данные), либо выполняют обмеры сооружения. При разработке расчетной модели собора использовались оба варианта. Во-первых, существующий пакет чертежей был не полным, Во-вторых, в связи с тем, что соружение собора имеет сложную нерегулярную структуру в плане и повысоте, для построения расчетной модели было необходимо уточнять многочисленные данные чертежей дополнительными обмерами. Одним из вариантов обмера сооружения, может быть сканирование поверхности (с внутренней и внешней стороны). Выполнение работ по сканированию должно сопровождаться и контролироваться сенсорными обмерами. По имеющемуся опыту, при использовании сканирования, были замечены существенные неточности между обмерами, выполненными с помощью измерительных инструментов и с помощью сканирования. Возможно, целесообразно использовать сканер только в труднодоступных местах (например, для определения размеров сводчатых перекрытий). Для создания корректной расчетной модели, желательно иметь размеры максимально приближенные к реальным размерам сооружения. Рассмотрим информацию, необходимую для разработки расчетной модели более подробно.

При исследовании стен учитывается наличие ниш (высота, глубина, ширина), изменения конфигурации стен, варьирование толщин, наличие проемов (в том числе арочного типа). Кроме того, необходимо обратить внимание на следующий факт. В конструкции стен Софийского собора для увеличения пространственной жесткости, во время ранних реконструкций, были вмонтированы (введены) металлические элементы: тяжи, затяжки, скобы. Необходимо определить сечение элементов, расположение их в плане и по высоте, степень включения в совместную работу с несущими конструкциями. Такая конструктивная защита может применяться и на других объектах памятников истории и архитектуры.

На рисунке 1 приведен фрагмент расчетной модели – восточная стена Софийского собора, где можно увидеть сложность ее рельефа.

Рисунок 1 - Фрагмент расчетной модели – восточная стена Софийского собора

Перекрытия и покрытия.

Особое внимание нужно уделить перекрытиям в виде сводчатых систем (цилиндрические, крестовые парусные, сферообразные и т.д.) – высота, диаметры, линия пересечения составляющих свода. Это является важным в связи с тем, что в уровне опирания таких перекрытий на стены (в зависимости от формы свода) возникают горизонтальные реакции на стены здания (в уровне опирания), что создает дополнительные напряжения и деформации. Если покрытия является частью несущей системы и влияет на жесткость конструктивной системы вцелом, то покрытие включается в расчетную модель. Если это, например деревяные конструкции, то допускается учитывать их в виде нагрузки на несущие конструкции. Фундаментная система. Как правило, фундаментная система при активной эксплуатации сооружения скрыта в основании. Для воссоздания общего вида и создания чертежей фундаментной системы, прежде всего, необходимо изучить литературные источники и архивные материалы, так как возможно существует необходимая информация. Если этого нет, то нужно вскрыть фундаменты в нескольких доступных местах в плане сооружения, пробурить шурфы, чтобы определить глубину заложения фундаментов и оценить свойства и состав их материала.

При работе с расчетной моделью Софийского собора, чертежей фундаментов не существовало. Для построения концептуального вида фундаментной системы Софийского собора – использовались данные о ширине, глубине заложения по описанию шурфов, выполненных во время реконструкции учеными предыдущего поколения. На основаниии этих данных была обобщена полученная информация и воссоздан концептуальный вид фундаментной системы собора. На рисунке 2 приведен вид расчетной модели фундаментной системы Софийского собора, разработанный и принятый в расчетной модели.

Рисунок 2 - Концептуальный вид фундаментной системы Софийского собора

Натурные исследования фундаментной системы при действующем, как музей сооружении, сделать было невозможно. В период работы над созданием системы мониторинга, была предпринята попытка определить глубину заложения фундаментов вдоль контура здания с помощью акустического прибора. Оценка данной работы была воспринята отрицательно, так как содержала данные, расходящиеся с результатами описания фундаментов, обнаруженными в литературных источниках и архивных данных. Результатом исследования конструктивной системы сооружения и создания расчетной модели стал также уточненный пакет чертежей, разработанный по данным, полученным в процессе работы над созданием системы мониторинга. В связи с тем, что расчетная модель представляет собой взаимоувязанную копию существующего реального сооружения, при разработке модели, как правило, всплывают нестыкуемые участки, что требует дополнительных выездов на местность, дополнительных замеров, и т.д., для устранения таковых. Поэтому такие работы (по созданию расчетной модели сооружения и разработке или дополнению пакета чертежей) рекомендуем вести параллельно, так как это позволяет практически достоверно (с минимальной степенью идеализации) разработать расчетную модель в полном соответствии с уточненными чертежами. В расчетной модели сооружения в качестве исходных данных задаются физико-механические характеристики материала конструкций. Для этого несущие конструкции необходимо исследовать, как неразрушающими, так и разрушающими методами.

К разрушающему методу относится испытания образцов на определение пределов прочности при сжатии и изгибе. Образцы кладки могут быть отобраны в запасниках музея, либо другим доступным методом. Полученные даные используютсяся, как образец, при определении прочности элементов конструкций на разных участках стен неразрушающими акустическими методами. Для определения физико-механических свойств грунтов выполняются геологические изыскания в пределах плана исследуемого сооружения, либо используются данные, полученные ранее. Деформированное состояние. В настоящее время сооружение собора имеет значительное количество разломов и трещин, наблюдение за которыми ведется сотрудниками музея. Все трещины и разломы, которые были зафиксированы, внесены в, исползовалась плинфа на цемяночном растворе. Все трещины и разломы, которые были зафиксированы, внесены в расчетную модель.

На рисунке 3 представлена расчетная модель несущей системы Софийского собора и фотография сооружения (вид с восточной стороны).

pисунок 3 - Расчетная модель несущей системы Софийского собора

Прежде, чем приступать к работе, разработчикам модели рекомендуется визуально изучить объект, чтобы определить наиболее приемлемый способ моделирования конструкций (применение плоских, объемных, стержневых и т.д. конечных элементов). Необходимо заметить, что при разработке расчетной модели были приняты в основном объемные конечные элементы (КЭ) так ,как толщина стен колебалась в широком диапазоне. Применялись также плоские и стержневые КЭ.

Конфигурация стен собора, арочные системы проемов, сводчатые перекрытия а также Северная и Южная башни – имеют сложную структуру, тем не менее, разработчики модели попытались выполнить модель максимально приближенной к реальным формам. На рисунке 4 приведены фрагменты расчетной модели Северной и Южной башен.

Рисунок - 4 Фрагменты расчетной модели Северной и Южной башен

По сложности построения расчетная модель имеет уникальный характер.Перекрытие башни имеет вид тора. Нагрузки, принятые в расчетной модели. Расчет был выполнен на воздействия от постоянных нагрузок, временной снеговой нагрузки и на динамическое воздействие от реальных акселерограмм, определенных институтом геофизики. Сбор постоянных нагрузок на несущую систему был важным этапом в серии выполненных подготовительных работ. Прежде всего – это сложный состав кладки стен. Фундаменты собора сложены в основном из бутовой кладки.

Начиная с нижнего уровня стен при подъеме вверх процент использования натуральных камней уменьшался и, наконец в верхнем уровне – 2-й этаж, а также в местах арочных проемов и стен первого этажа, также на несущие конcтрукции, все эти факторы были учтены в расчетной модели. Кроме того учтен также вес штукатурки. На стены собора нанесен значительный слой штукатурки разной толщины, добавляющий вес на стены здания. Перекрытия на первом и втором этажах, как говорилось ранее, представляют собой сводчатую систему. В пазухи сводов была произведена засыпка, по которой проложены полы на втором этаже. Все это также было учтено при определении нагрузок. Расчет также был выполнен на воздействие от замоченного просадочного основания для случая появления источника замачивания с западной стороны. Расчет сооружения осуществлялся на основании его пространственной расчетной модели, разработанной для совместного расчета с основанием. Для расчета был исползован программный комплекс “LIRA-WINDOWS”, в основу которого положен метод конечных элементов в перемещениях (разработка НИИАСС-Киев).

В результате расчетов получено напряженно-деформированное состояние несущей системы сооружения собора, была проанализирована, прочность стен, крены фундаментов, динамика развития трещин. Имея такую модель, в составе системы мониторинга, в случае необходимости можно добавить в нее вновь разработанную конструктивную защиту и проверить работу ее в составе существующеего сооружения. Также, в случае появления новых воздействий необходимо применять разработанную модель для оценки степени их воздействия. Для демонстрации работы модели на рисунке 5 приведены изополя перемещений по оси Ох.

Рисунок 5 - Изополя перемещений по оси ОХ