Иркутская Спасская церковь: применение инновационных технологий при разработке проекта реставрации

авторы 
Владимир Безделев 
Юрий Сутырин 
Станислав Трутаев

В составе проекта реставрации памятника истории и культуры «Спасская церковь» в Иркутске, разработанным институтом «Иркутский Промстройпроект» в 2008-2010 годах, выполнен специальный раздел по сейсмоусилению здания. Культовое сооружение имеет сложную геометрическую форму. Для определения дефицита сейсмостойкости были применены современные методы, построена расчетная схема с использованием объемных конечных элементов. Для оценки сейсмостойкости здания с учетом системы сейсмоизоляции, выполнен поверочный расчет.

При реставрации памятников архитектуры, находящихся в сейсмически активных регионах, необходимо решать ряд сложных задач, к которым в том числе относится оценка дефицита сейсмостойкости объекта и разработка компенсирующих мероприятий для его устранения. Эта задача не является тривиальной, поскольку компенсирующие мероприятия не должны вносить изменения в исторически ценный облик реставрируемого объекта.

Памятники культовой архитектуры, как правило, имеют сложную геометрическую форму, отчасти связанную с тем, что при их строительстве не существовало точных измерительных инструментов. Их возведение часто осуществлялось в течение длительного времени с какими-то изменениями в первоначальном замысле. В этой связи, оценка сейсмостойкости зданий и сооружений такого типа - это комплексная задача, решение которой требует использования современных технологий обследования и применения численных методов расчета, предусматривающих компьютерное моделирование объекта с учетом его фактической геометрии и фактического технического состояния. Ниже рассмотрен пример оценки сейсмостойкости памятника истории и культуры федерального значения «Церковь во имя Нерукотворного Образа Спаса», расположенного в Иркутске (рис. 1).

Основное здание церкви - объем храма с алтарем и трапезной - было построено в 1706-1713 годы. Это одно из первых каменных зданий города. В 1758-1762-е с западной стороны к церкви пристроили высокую четырехъярусную колокольню, в 1777-м - двухэтажный северный придел. В 1948-м здание храма получило статус памятника истории и культуры. Первый раз реставрационные работы на храме производились в 1960-1980-е. В 2006-м здание было передано Иркутской епархии Русской православной церкви, что послужило толчком для очередной реставрации.

Композицию Спасской церкви составляют разновысокие объемы - алтарь, храм, трапезная, колокольня. В плане здание имеет форму вытянутого прямоугольника шириной до 11 и длиной почти 40 метров. Храмовая часть церкви с алтарем имеет длину 15,2 м, трапезная - 10,0 м, колокольня - 14,5 м. Толщины кирпичных стен и простенков достигают в некоторых местах полутора метров. Фасады украшены множеством архитектурных элементов и деталей, внутренние помещения имеют сложные формы и высокие сводчатые потолки, затрудняющие выполнение традиционных обмерных работ.

Принимая во внимание, что «ручная» технология архитектурных обмеров и фасадной детальной съемки оказалась невыполнимой из-за отсутствия строительных лесов, было принято решение использовать для обмеров современное оборудование высокоточной пространственной сканерной съемки (наземного лазерного сканирования). Работы выполнил в 2009 году институт «ПИИ Иркутскжелдорпроект».

Суть этой технологии заключается в определении пространственных координат точек поверхности объекта, посредством измерения расстояния до всех определяемых точек с помощью лазерного безотражательного дальномера (лазерного сканера). Результатом работы сканера является множество точек поверхности объекта с вычисленными трехмерными координатами с точностью до 1 мм. В результате сканирования фасадов и помещений здания был получен суммарный образ, представленный объединенным облаком из 90 миллионов точек (рис. 2). Материалы обработанных данных были в дальнейшем использованы, в том числе, для построения архитектурной компьютерной 3D модели (рис. 3).

Для выполнения прочностного расчета здания с учетом сейсмического воздействия необходимо было построить его расчетную схему. Поскольку толщина стен соизмерима с высотой этажа и размерами простенков, то использование традиционных расчетных схем, состоящих из стержневых и пластинчатых (обо-лочечных) элементов в данном случае оказалось несостоятельной. Поэтому задача решалась в трехмерной постановке с использованием объемных конечных элементов. Это позволило не только смоделировать арочные своды перекрытий, но и такие особенности сооружения, как ход на колокольню внутри толщи стены. Для расчета была использована программная система COMPASS, позволяющая выполнять расчеты объемного напряженно-деформированного состояния строительных конструкций произвольной формы в соответствии с требованием отечественных норм проектирования, в частности СНиП П-7-81* «Строительство в сейсмических районах».

Конечно-элементная схема здания генерировалась на основе геометрической твердотельной модели церкви, построенной с использованием пакета 3D моделирования Solid Works. При этом мелкие архитектурные детали были опущены.

При генерации конечно-элементной сетки использовались объемные конечные элементы с переменным числом узлов на ребрах. Плотность разбивки на конечные элементы выбиралась исходя из требований к точности описания объемного напряженно-деформированного состояния. Особое внимание уделялось разбивке на конечные элементы сложных купольных конструкций - в этих зонах конечно-элементной модели сетка сгущалась. В итоге получены конечно-элементная модель и соответствующая ей пространственная геометрическая модель здания (рис. 4).

Расчет на сейсмическое воздействие выполнялся спектральным методом с учетом согласованной (недиагональной) матрицы масс в предположении линейно-упругой работы материала несущих конструкций как того требует СНиП П-7-81*. Оценка сейсмостойкости конструкций здания-памятника выполнялась исходя из анализа нормальных, касательных и главных напряжений, соответствующих как отдельным загруже-ниям и формам колебаний сооружения, так и сочетаниям нагрузок - основным и особым (рис. 5). Графический постпроцессор программной системы COMPASS позволяет выполнить визуализацию форм колебаний в сочетании с эпюрами напряжений, соответствующим этим формам, а также построить эпюры от сочетания различных факторов по любому сечению 3D модели.

В результате обследования здания Спасской церкви, на основании выполненных расчетов было установлено, что фактическая сейсмостойкость здания соответствует 6,5 баллам, в то время как сейсмичность площадки составляет 8 баллов. Таким образом, здание церкви имеет дефицит сейсмостойкости равный 1,5 баллам и нуждается в разработке и реализации мероприятий по повышению сейсмостойкости. С этой целью была разработана система сейсмоизоляции с применением резинометаллических опор и выполнены соответствующие расчеты по акселерограммам землетрясений.

Резинометаллические опоры предназначены для снижения сейсмических воздействий на здания за счет малой горизонтальной жесткости этих опор и оптимально подобранного демпфирования. Они представляют собой цилиндрическую конструкцию, состоящую из чередующихся слоев высококачественной резины и стальных пластин. Диаметр опор составляет примерно от 200 до 1000 мм, а высота, соответственно, от 80 до 300 мм. Число слоев резины колеблется от 20 до 40. Опоры с повышенным демпфированием имеют свинцовый сердечник. Вертикальная несущая способность одной опоры, в зависимости от размеров, может составлять от 28 до 16000 КН. Расчетные горизонтальные перемещения опор составляют, соответственно, от 60 до 160 мм, а максимальные - от 165 до 480 мм. К закладным деталям фундамента опоры крепятся при помощи фланцовых соединений на болтах.

Применение резинометаллических опор позволяет снизить сейсмическую нагрузку в 2-4 раза, то есть повысить сейсмостойкость сооружения на 1-2 балла. Это особенно актуально для объектов культурного наследия, где традиционные методы усиления несущих конструкций практически не применимы вследствие того, что после такого усиления объект может утратить свою ценность как памятник. Разработанная в ОАО «Иркутский Промстройпроект» методика повышения сейсмоустойчивости существующих зданий прошла апробацию на ряде объектов, в том числе памятниках истории культуры, в частности на здании Иркутского управления Госбанка России (ул. Ленина, 16).

Литература

1.   Безделев В.В., Буклемишев А.В. Программная система COMPASS. Руководство пользователя. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000.

2.   Безделев В.В., Буклемишев А.В., Сутырин Ю.А. Предложения по корректировке СНиП «Строительство в сейсмических районах» в части формулировки спектрального метода расчета. Ч. I. М.: Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, 2000, № 6. С. 43-47.

3.  СНиПП-7-81* «Строительство в сейсмических районах». М.: ГУП ЦПП, 2000.

4.  Технический отчет о инженерно-геодезических изысканиях для реставрации объекта «Памятник истории и культуры федерального значения «Церковь Спасская» (Церковь Нерукотворного Образа Спаса) по ул. Сухэ-Батора, 2а, Иркутск». ПИИ «Иркутскжелдорпроект», Иркутск, 20