Nonlinear numerical evaluation of the bearing capacity and the structure stability of the St. Jacob Church from the Broumov Group of Churches

Abstract

Broumovsko a jeho skupina barokních kostelů představuje výjimečný příklad kombinace architektury a venkovské krajiny. Toto zvláštní dědictví vyžaduje speciální odbornou analýzu, aby byla zachována jeho jedinečnost. Kostel svatého Jakuba, který byl zkoumán v této diplomové práci, byl prvním, který v regionu vybudovali Kryštof a Kilián Dientzenhoferové. Dnešní obavy, týkající se jeho stability a stavu degradace, vedly k nutnosti hlouběji prozkoumat jeho současnou situaci, která je ovlivněna řadou nejistot. Hlavním cílem práce byla tedy modelování MKP a následné vyhodnocení únosnosti stěn obvodového pláště se zaměřením na vliv degradace podloží. Tato práce, po historickém úvodu, se zaměřila na vybrané poruchy, které jsou na kostele patrné, a stanovení jejich příčin. Poškození bylo podrobně zaznamenáno. Následně, zvoleným zvláštním uspořádání kamenných částí zdiva, bylo pomocí software ATENA 2D provedeno určité mikromodelování různých částí zdi. Toto řešení umožnilo získat mechanické parametry, jež jsou srovnatelné se spolehlivými normami. Tyto hodnoty byly následně použity pro 3D modelování užitím numerického kódu DIANA. Dostupné informace o vlastnostech podloží nám umožnily stanovit celkové sedání stavby pomocí elastické analýzy pomocí kódů GEO5 a DIANA. Získané hodnoty sedání pomocí obou kódů vykazovaly minimální odchylky. Poté pomocí nelineární analýzy jsme prozkoumali různé scénáře zaměřené na nerovnoměrné sedání. Byl vytvořen určitý katalog možných poruch, který bude užitečný pro další analýzu. Mimo to se nám podařilo uspokojivě vysvětlit současný stav porušení prezentovaný sadou zjevných trhlin. Na závěrem je navrženo technické opatření zaměřené na redukování nejistot současného stavu spolu se strategií sledování kostela.

Broumov Region and its group of Baroque churches represents a perfect example of combination between architecture and rural landscape. This peculiar heritage site requires specialized analysis in order to preserve its uniqueness. St. Jacob Church, the one investigated in this thesis, was the first one to be built in the region by Crisptoph and Kilian Dientzenhofer. Nowadays, concerns about its stability and degradation process led to the necessity to investigate more deeply its current situation, affected by several uncertain. So, the main objective of the thesis consisted in the FEM modelling and the suqsequent evaluation of bearing capacity of enclosure walls, with a particular attention on the influence of the soil degradation. The thesis, after an historical introduction, focused on the several damages experienced by the church, trying to define the possible causes. A detailed register of the damages was finally realized. After this, as the presence of a peculiar arrangement of stones, a micromodelling of different portion of wall was carried out by means of ATENA 2D. This appoach allowed to obtain mechanical parameters, with values comparable to reliable standards, to be used afterwards for the 3D model in DIANA. The information available for the soil properties allowed to determine the overall settlment of the structure, through simple elastic analysis with GEO5 and DIANA. The values obtained with these two different approaches resulted to be similar. After this, the non linear analysis explored different scenarios, studying the influence on the structure of possible future differential settlements, creating a catalogue useful for future analysis. Moreover, a reasonable explanation of the currently cracking pattern is provided. In conclusion, technical advice in order to decrease the number of uncertains are suggested, along with monitoring strategies.