Numerical Evaluation of Bearing Capacity of the All Saint´s Church Walls in Broumov, CR

Abstract

Kostel Všech svatých je součástí Broumovské skupiny kostelů, která významně prezentuje bohatství české barokní architektury v severočeském regionu. Kostel byl postaven proslavenou rodinou architektů, Dientzenhoferů. Broumovská skupina prožívala zlaté časy v prvních tři sta letech své existence díky značnému vlivu církve v regionu Broumovska. Vlivem hektických historických událostí, byl kostel Všech svatých v posledních několika desítkách let zanedbáván. Diplomová práce shrnuje výsledky stavebního šetření a podává numerickou analýzu současného stavu. Pro výpočet byl využit konečně prvkový software ATENA 2D, software ATENA-Gid MKP a geotechnický software Geo5 MKP. Analýza byla zaměřena na spolehlivost a únosnost stěn kostela. Ukázalo se, že poškození, které prezentují trhliny jasně vykreslené ve zdech, bylo způsobeno nerovnoměrným sedáním základů. Práce se zabývá návrhem testů ke zjištění parametrů jednotlivých prvků stavby a doporučuje postup jejího sledování. Jsou v ní též doporučené způsoby oprav a posílení jednotlivých nosných prvků. Studie je zahájena souhrnem zjištění vycházejících předchozích historických a geotechnických skutečností. Uvádí stručnou zpráva z předběžného šetření na místě. Z tohoto jsou vyvozovány možné příčiny rozpadání a poškození. Mezi nejdůležitější příčiny patří přítomnost vlhkosti a rozdílné sedání zeminy v důsledku degradace podloží. Za účelem ověření rozsahu poškození byla provedena řada numerických testů pomocí MKP. První sada numerických byla zaměřena na zjištění únosnosti nosných stěn kostela. Výpočtem bylo zjištěno, že únosnost stěn je dostatečná a stěny bez problémů unesou svislé zatížení. Z toho vyplývá, že porušení stěn není způsobeno tlakovým zatížením. Druhá sada numerických modelů je zaměřena na interakci stavby s podložím. Mechanické vlastnosti zdí jsou odvozeny z první sady numerických modelů. Vlastnosti podloží jsou odhadnuty z vizuální prohlídky vyjmutých vzorků z vrtů. Napjatost ve stěnách v důsledku nerovnoměrného sedání byla ověřena pomocí 2D a 3D numerických modelů. Ukázalo se, že účinky nerovnoměrného sedání jsou významné. Pro budoucí bezpečnost a úspěšné zajištění stability stavby budou nutné další podrobnější studie. Při analýze únosnosti konstrukce byla zohledněna deteriorace kamenného zdiva, a to obou jeho složek, stejně tak jako zhoršení únosnosti základů v důsledku degradace základového zdiva i podloží. Je navrženo opatření, které povede ke kontrole vlhkosti v blízkosti kostela. Dále jsou navrženy dodatečné zkoušky a monitorování, což povede k přesnějšímu popisu mechanických vlastností jednotlivých materiálů tvořících stěnu. Nakonec je diskutováno několik metod nutných k budoucímu posílení základů.

The All Saints' Church is part of the Broumov group of churches which tells the legacy of Bohemian baroque architecture in the northern Bohemian area. Built by the famous Dientzenhofer family of architects, these churches had their glorious times through the numerous ruling powers in the area for 300 years of its life. Once glorified, the All Saints' Church has now fallen to despair from decades of neglect. This report summarizes a structural investigation, using ATENA 2D finite element (FEM) software, ATENA-Gid FEM software and Geo5 geotechnical FEM software, to assess the safety of the church walls with regards to damages it currently faces, in particular due to differential soil settlement and recommendations for proposal for further studies, in terms of additional proposed tests and monitoring, and proposed repair and strengthening methods. The study is started off by summary of findings from preliminary historical, geotechnical background studies. A brief report from preliminary investigation conduction in the site was explained. Several conclusions of possible sources of decay and damage of the church is deduced. The most important sources include presence of moisture and possible differential soil settlement as a result of uneven deterioration of subsoil. In order to investigate the extent of damage the differential soil settlement could cause; a series of FEM modelling was employed. The first set of models aim to assess the bearing capacity of the enclosure wall, which is the main structural element in the church. From these models, it was known that structure is able to sustain the vertical loads it is subjected to. Hence, the damages it suffers should not be due to the compression loads. The wall's mechanical properties are derived from these models as an input for the soil-structure interaction FEM models. The second set of models involve modelling the structure with the subsoil underneath it. The subsoil properties are estimated from visual inspection of the bore log samples extracted. Stresses on the walls due to differential soil settlement from 2D and 3D models were analysed and found to be rather significant that further more detailed studies should be conducted to ascertain the safety of the church and the need for further strengthening. The deterioration of both structural components and subsoil were taken into consideration in analysis of the bearing capacity of the structure, estimation of geotechnical parameters and soil-structure interaction modelling. Repair regime to control the presence of moisture surrounding the church proximity is proposed. Furthermore, proposal on additional tests and monitoring to obtain a more accurate mechanical properties of the wall's constituting materials is elaborated. Lastly, a few methods of foundation strengthening are discussed in view of potential need to strengthen the foundation in the future.