Reliability Analysis of St. Barbara´s Church in Otovice

Abstract

Velkolepé historické stavby představují jednu s nejvýznamnější součástí kulturního dědictví České republiky. Symbolizují historický vývoj a poskytují cenné informace o chování, kulturním cítění a ekonomickém stavu společnosti, od nejstarších dob až po současnost. Broumovské kostely, které zachycují jedinečnou barokní architekturu, jsou známé nejen svou tvarovou rozmanitostí a velikostí, ale také náboženskými, tvůrčími, uměleckými a historickými hodnotami, které se vytvářely v průběhu let. Kostel sv. Barbory postavený v roce 1726 v obci Otovice v Broumově, který zobrazuje tyto architektonické prvky, jsem si zvolil a analyzoval ve svém projektu. Hlavním cílem této práce je ověřit únosnost a stabilitu stavby s využitím spolehlivostní, stochastické, analýzy. V současné době je většina staveb posuzována pomocí zjednodušených deterministických přístupů, které jsou založeny na metodách dílčích součinitelů. Tento přístup je v současné době standardní při návrhu nových konstrukcí. Ačkoliv je tento deterministický přístup využíván, pragmatičtější informace o skutečném stavu stavby dosáhneme pomocí metod pravděpodobnostních. Diplomová práce rozpracovává rozmanité metody založené na pravděpodobnostním přístupu, které byly využity ke zhodnocení bezpečnosti konstrukce. Aby bylo možné provést analýzu spolehlivosti, byla detailně prostudována geometrie kostela sv. Barbory, a následně popsán současný stavebně technický stav. S využitím těchto poznatků byl v softwaru GiD-Atena vytvořen a metodou konečných prvků validován deterministický model. Takto získané informace, zobrazující stavu poškození, se staly základem pro výběr kritérií, pro hodnocení porušení konstrukce. Na základě studia základových podmínek v dané lokalitě a byla počítána pravděpodobnost poruch zejména s přihlédnutím k účinkům nerovnoměrného sedání. Diplomová práce se též zaměřuje na nejistoty materiálových parametrů a jejich vliv na stabilitu a spolehlivost konstrukce. Studie spolehlivosti byla provedena pomocí softwarových produktů SARA-FReET. Pro získání indexu spolehlivosti bylo také provedeno srovnání s existujícími kódy a standardy. Následně byly zmíněny postupy, jak lépe zhodnotit stav kostela s využitím pravděpodobnostních metod.

The monuments of Czech Republic constitute the most important part of the Czech cultural heritage. It symbolizes the significant historical development and provides valuable information about the behavior, cultural beliefs and economic condition of the society, from the most ancient time to the present day. The churches of Broumov, that portrays a unique Baroque architecture, is well-known not only for its distinct shapes and sizes, but also because of the religious, creative, artistic and historic values that it has carried over the years. The St. Barbara's Church built in the year 1726 and located in the Otovice village of Broumov depicts similar architectural features and has been taken up as a case study for this project. The main objective of this dissertation is to determine the stability of the structure through reliability analysis. Currently, most of the existing structures are verified using simplified deterministic approaches that are based on partial factor methods, usually applied in the design of new structures. Although the deterministic approach is widely accepted, yet more pragmatic information about the actual performance of the existing structure can be achieved through probabilistic method. The report elaborates upon the various methods implemented to evaluate the safety of the structure based on probabilistic approach. In order to perform reliability analysis, the geometry of St. Barbara's church was studied in detail, followed by a thorough damage assessment of the present condition. Based on the geometry, a deterministic finite element model was built and validated in GiD-Atena software. Further, the data obtained from damage assessment, formed the basis for the selection of failure criteria for the structure. The condition of soil at site was studied and the probability of failure was calculated by taking into account the effects of differential settlements. The dissertation also focuses on the uncertainties of material parameters and their influence on the structural stability and reliability. The reliability study has been performed using software packages SARA-FReET. Also, a comparison has been established to the existing codes and standards for the obtained reliability index. Subsequently, ways to better assess the current state of the church using probabilistic methods has been expressed.