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

Abstract

Česká republika se honosí bohatou historickou minulostí, s kterou je spjato architektonické dědictví, jež ve svém důsledku tuto bohatou historii symbolizuje. Mezi všemi architektonickými styly pak barokní architektura hraje zcela výjimečnou úlohu. Jedním z takových barokní skvostů je Broumovská skupina kostelů, která byla postavena v krátkém období jedním stavebníkem a jednou rodinou architektů. Kostel Sv. Anny byl postaven Kiliánem Ignácem Dientzenhoferem. Je situován na svažujícím se území obce Vižňov. Kostel byl postaven během krátké doby na začátku 18. století. Během své třistaleté historie pamatuje mnoho událostí. Díky své vzdálené poloze a nedostatečné údržbě v průběhu několika dekád je v současnosti v značně poškozeném stavu. Tato studie si kladla za cíl stanovit pravděpodobné příčiny poruch a doporučená sanační opatření. Práce sumarizuje šetření na místě, analýzu konstrukce pomocí kódu ATENA 2D, geotechnického programu Geo5 MKP a DIANA MKP. Pomocí programů byla posouzena a ověřena bezpečnost stěn kostela z pohledu současného poškození. Z dostupných materiálových parametrů a dostupných dat týkajících se podloží bylo provedeno určité mikromodelování rozdílných konfigurací modelů zdí, a to jak v podélném směru, tak i příčném. Programem ATENA 2D pro dané konfigurace byla odhadována únosnost a následnou analýzou pak stanovena únosnost zdí jako celku. Tato je větší než hodnoty doporučované Eurokódy. Z analýzy 2D MKP byly stanoveny homogenizované parametry, které později byly použity při geotechnickém I 3D makro MKP modelování. Podloží bylo analyzováno programem Geo5. Bylo shledáno, že současný stav kostela je způsoben nerovnoměrným sedáním způsobeným zejména akumulovanou vodou díky špatným drenážím, které navíc způsobí degradaci zeminy. Progrese poruch zdí byla analyzována ve 3D. Podloží bylo modelováno ekvivalentními pružinami na hranici. Byla provedena nelineární analýza svislého sedání a ověřeno, že 3D analýza a geotechnická analýza jsou v dobré shodě. Rovněž se ukázalo, že místa vypočtených porušení dobře kopírují trhliny na skutečné konstrukci. Po ověření příčin nerovnoměrného sedání základů a jejich nepříznivých účinků na stěny kostela, byla navržena kontrolní měření a monitorování, provedení spolehlivého odvodnění střechy i zemních drenáží. Z dlouhodobého hlediska pak byly navrženy injektáže stěn a podloží, rovněž tak nová omítka.

The Czech Republic is blessed with the rich history of events and as a consequence of these events, many architectural heritages came into existent and became a symbol of the rich history. Within this wide variety of monuments, baroque architecture can be considered as a heart of this region's legacy. One such case is the case of Broumov Group of Churches, which is very significant not only for its unique Baroque architecture but also for the short duration of construction and relation between the single client and a single family of architects. St. Ann's Chruch, which was built by the Killian Ignaz Dientzenhofer, is situated on the sloping ground of Viznov. The church which was built in a short duration in early 18th Century has witnessed many events in its life of 300 years. Due to its remote location and lack of maintenance over the decades, this church can be found in the damaged condition presently. This case of the study was aimed at providing the probable cause of these damages and some preventive intervention methods. This report summarizes the visual investigation, structural investigation using ATENA 2D software, Geo 5 geotechnical FEM software and DIANA FEM software, to assess and verify the safety of the church walls regarding the damages it currently suffers. With regards to the material and sub-soil data available, micro modelling of different wall configuration in longitudinal and transversal direction was done with ATENA 2D software to evaluate the safe bearing capacity of the walls, from the analysis it was found that the current bearing capacity of the walls are higher than the values recommended by the Eurocodes. From this 2D FEM analysis, a set of homogeneous properties were also computed, which were later used in the geotechnical and 3D macro FEM analysis. In Geo5 software, the effect of sub-soil conditions was analyzed, and it was observed that, for the present condition of the soil, the church suffers from the differential settlements between the area where drainage water is accumulated and have a disintegrating effect on the subsoil. To analyse the extent of damage on the church walls due to the differential soil settlements, a 3D analysis was carried out considering the equivalent spring elements for the boundary interface. From the non-linear vertical pushover analysis, it was found the amount of soil settlements from 3D analysis and geotechnical analysis were within the tolerance limits and the crack strains induced at the different locations are matching with the cracks observed on the site. After finding the probable cause of differential settlements and its adverse effect on the walls, preventive measurements, such as, monitoring, execution of roof and ground drainage works, were proposed and for the long-term intervention, grout injection for walls and sub-soil, re-plastering of walls are proposed in this case study.