Обветшалые арки: причины разрушения и меры предосторожности.
Bald arch
Разрушение арок: причины, последствия и риски обрушения каменных и кирпичных зданий. Узнайте о факторах, вызывающих выветривание и как предотвратить разрушение!
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Распадающийся архитектурный элемент
Decaying architectural feature
Оголенная арка – это арка, характеризующаяся разрушением ключевых камней в каменных или кирпичных зданиях. Если не остановить развитие этого состояния, это в конечном итоге приведет к обрушению арки и любых конструкций, которые она поддерживает.
A bald arch is an arch featuring decay on the crucial keystones in stone or masonry buildings. Left unchecked, the progression of the condition will eventually lead to the failure of the arch and any structures supported by it.
Причины
Структурная деградация арок может происходить по множеству причин. Камни или кладочные элементы, составляющие арку, уязвимы к физическому и химическому воздействию с течением времени. Причины повреждений включают атмосферные условия, механические напряжения, вызванные деятельностью человека, ошибки проектирования, а также природные явления, такие как землетрясения или воздействие диких животных.
The structural degradation of arches can occur for a variety of reasons. The stones or masonry components that make up an arch are vulnerable to physical and chemical attack over long periods of time. Sources of damage include atmospheric conditions, human induced mechanical stress, improper design, and natural disturbances like earthquakes or wildlife.
Перемещение земли
Движение грунта под аркой в конечном итоге разрушит её, изменяя механическое взаимодействие между камнями в арке. Правильно возведенная арка равномерно распределяет силы по поверхности каждого камня. Смещение грунта под аркой негативно скажется на распределении напряжений. Если стороны арки расходятся, она прогнётся в центре. Если стороны сближаются, в арке образуется шарнир, увеличивающий нагрузку на эту область. Арки также могут отклоняться от горизонтального положения, создавая силы, не перпендикулярные граням отдельных камней. Грунт может смещаться в течение длительного времени по множеству причин: землетрясения, морозное пучение, набухающие глины, корни деревьев, норы животных и неустойчивые почвы – всё это может привести к смещению фундамента здания. Природная дождевая вода имеет pH 5,6 из-за содержания углекислого газа в атмосфере. Этого достаточно для растворения карбоната кальция, из которого состоит известняк и цемент. Загрязнение воздуха может значительно усилить этот эффект, понижая pH дождевой воды. Вибрации от дорожного движения могут привести к тому, что камни будут тереться друг о друга и смещаться со временем. В конечном итоге арка может стать неустойчивой и обрушиться.
Movement of the ground beneath an arch will eventually destroy it by changing the mechanical relationship between stones in the arch. An arch will evenly distribute forces across the surfaces of each stone when it is properly emplaced. Moving the ground below the arch will negatively affect the distribution of stress. An arch will slump in the center if the two sides move apart. If the sides are moved closer together, a hinge will form in the arch, increasing the stress on that area. Arches can also become angled away from level, inducing forces that are not normal to the faces of the individual stones. The ground can shift over long periods of time for many reasons: earthquakes, frost, swelling clays, tree roots, animal burrows, and unstable soils all have the potential to move the foundation of a building. Natural rainwater has a pH of 5.6 due to carbon dioxide in the atmosphere. This is low enough to dissolve the calcium carbonate that constitutes limestone and cement. Air pollution can greatly enhance this effect by dropping the pH of the rainwater. The vibrations caused by road traffic can cause stones to grind one another and shift over time. The arch may eventually become unstable and collapse.
Недостатки конструкции
Если арки не имеют достаточной боковой опоры, они прогнутся и разрушатся. Все арки преобразуют часть веса конструкции в горизонтальный наружный распор. Конструкция может оставаться стабильной некоторое время, но арка будет непрерывно давить на окружающие стены, выталкивая их наружу. Это предотвращается грамотным проектированием. Арки могут опираться на контрфорсы во внешней стене, массивную, тяжелую кладку между аркой и углом, или же использоваться в серии, где каждая арка уравновешивается двумя другими по бокам.
Arches that lack adequate support on the sides will slump and fail. All arches convert some of the weight of the structure into a horizontal outwards thrust. The structure may be stable for a time, but the arch will push the walls around it outwards continuously. This is prevented by proper engineering. Arches can be supported by a buttress on the outer wall, thick, heavy wall construction between the arch and the corner, or by using arches in a series so that each arch is opposed by two others on its sides.
Профилактика
Во избежание образования "лысины" свода можно принять меры предосторожности на этапе строительства и обеспечивать надлежащее обслуживание каменной кладки с течением времени. Движения грунта можно избежать, используя прочный фундамент. Удаление растительности вблизи фундамента и предотвращение рытья нор животными помогут сохранить стабильность фундамента. Повреждения от мороза можно уменьшить, обеспечив дренаж вокруг здания и поддерживая крышу в хорошем состоянии. Это предотвратит насыщение камня водой и его растрескивание в холодную погоду. Защита камня от воды также предотвратит повреждения от солей и кислотных дождей. К сожалению, не всегда возможно удержать дождевую воду от стен. На камни можно наносить краску для защиты от дождя и загрязнений, но это часто отвергается, поскольку изменяет внешний вид исторических зданий. Регулярная очистка камня помогает снизить воздействие химического выветривания. Загрязняющие вещества накапливаются на внешней поверхности камня, реагируют с ним и разрушают его внешние слои. Это ухудшит внешний вид камня и в конечном итоге ослабит его до точки разрушения. Наиболее распространенные методы – очистка пресной водой или обработка паром. Это очень дорого и трудоемко для больших зданий. Возможно, невозможно обработать все здание за один сезон, и для доступа к верхним частям потребуется возведение строительных лесов.
The bald arch condition can be prevented by taking precautions during the construction phase and by properly maintaining the stonework over time. Ground movement can be avoided by using a solid foundation. Removing vegetation from near the foundation and preventing animals from burrowing will help to keep the foundation stable. Frost damage can be reduced by ensuring drainage around the building and by keeping the roof in good condition. This will keep water from saturating the stone and cracking it during cold weather. Keeping water off of the stone will also prevent salt and acid rain damage. Unfortunately, it is not always possible to keep the rainwater off the walls. Paint can be applied to the stones to protect them from rain and pollution, but this is often rejected because it alters the appearance of historic buildings. Cleaning the stone regularly can help to reduce the effects of chemical weathering. Pollutants accumulate on the exterior surfaces of the stone. They react with the stone and degrade the outer portions. This will degrade the appearance of the stone and eventually weaken it to the point of failure. The most popular methods are scrubbing with fresh water or steam cleaning. This is very expensive and time consuming for a large building. It may be impossible to treat the entire building in one season, and scaffoldings will need to be erected to reach the higher parts.
Реставрация
Зачастую желательно сохранить арку, поскольку они часто встречаются в исторической и монументальной архитектуре. Существует множество методов, используемых для восстановления или сохранения разрушающихся арок. Первый этап восстановления арки – это оценка состояния конструкции, чтобы определить степень повреждения и выбрать наиболее подходящую технику ремонта. Архитектор или инженер измерит скорость деформации в течение определенного периода времени, чтобы оценить, как быстро происходит разрушение арки. Деформация могла возникнуть сразу после строительства, в период усадки. Если это произошло, то ремонт повреждений не является первоочередной задачей. Важно учитывать цель реставрации. Если цель состоит лишь в предотвращении дальнейшего разрушения, объем работ будет меньше, чем если целью является восстановление первоначального вида.
It is often desirable to preserve an arch because they are common in historic and monumental architecture. Numerous methods are employed for restoring or preserving degraded arches. The first stage in restoring an arch is to evaluate the structure to determine how serious the damage is and what technique is best suited for repair. An architect or engineer will measure the rate of deformation over some period of time, to see how fast the arch is degrading. The deformation could have occurred immediately after construction during the settling period. If that is the case, it is less urgent to repair the damage. The goal of the restoration is an important consideration. If the goal is only to prevent further deterioration, there will be less work than if the goal is to restore the original condition.
Укрепление
Арку можно укрепить, добавив в конструкцию новые материалы. Характер разрушения определяет, как следует усилить арку. Наиболее распространенным типом разрушения арок является выпирание камней в верхней части. Арка постоянно оказывает боковое давление, поэтому необходимо контролировать это наружное давление. Если арка разрушается вбок, можно возвести контрфорс для удержания поперечного усилия. В некоторых случаях стальные натяжные стержни могут заменить внешний контрфорс, чтобы сохранить первоначальный внешний вид. Удаление любого камня из арки без предварительной подготовки всей конструкции приведет к ее обрушению. Перед началом любых работ арку необходимо подпереть. Это делается с помощью временных деревянных опор, аналогичных тем, которые использовались при ее первоначальном строительстве. Вся арка поддерживается деревянными опорами. Затем отдельные камни можно извлечь для ремонта или замены. Заполнение или повторная заделка швов между камнями может значительно повысить прочность конструкции. Если арка просела, ее можно подпереть гидравлическим домкратом, а затем камни можно подтолкнуть на место и заново заделать швы. Это может быть очень сложной задачей, поскольку любые конструкции, опирающиеся на арку, должны быть также подперты во время ремонта. Арки также можно усилить стальными фермами. Некоторые противники считают, что это ухудшает внешний вид арок, придавая им вид зубных брекетов. Без этой поддержки здание будет структурно неустойчивым.
An arch may be shored up by adding new materials to the structure. The mode of failure determines how the arch should be reinforced. The most common failure for arches is an outwards movement of stones near the top. An arch will constantly apply pressure sideways, so the outwards pressure must be managed. If the arch is failing sideways, a buttress can be built to contain the lateral thrust. Steel tensioning rods can take the place of an external buttress to maintain the original appearance in some cases. Removing any stone from an arch without preparing the entire arch will cause it to fail. The arch must be supported before any work can be done. This is done with a falsework of wooden trusses, similar to how the arch is initially built. The entire arch is supported by the wooden falsework. Individual stones can then be removed and repaired or replaced. Repointing or grouting the joints between stones can greatly improve the integrity of the structure. If the arch has slumped it can be shored up using a hydraulic jack, and then the stones can be pushed into place and repointed. This can be a very demanding job, since any structures supported by the arch will need to be supported while the arch is repaired. The arches also can be reinforced using steel trusses. Some opponents believe that this degrades the appearance of the arches, that it makes them look like dental braces. Without this support, the building would be structurally unsound.