Numerical Analysis of Climatic Conditions Influence on the Current State of the St. Ann Church

Abstract

Broumovská skupina kostelů patří mezi symboly bohatého historického a kulturního dědictví České republiky. Jedná se o unikátní soubor devíti barokních kostelů postavených v poměrně krátké době počátkem 18. století. Jedním z těchto architektonických skvostů je kostel sv. Anny ve Vižňově od Killiana Ignáce Dientzenhofera. Díky svému umístění a kvůli nedostatku údržby po mnoha desetiletí se kostel nachází v poškozeném stavu. Cílem této práce je analýza dopadu klimatických podmínek zejména teplotních změn na současný stav kostela. Základem analýzy je trojrozměrná numerická simulace přenosu tepla po dobu jednoho roku vycházející z klimatických dat a měření in situ, ve kterých jsou zahrnuty účinky větru a slunečního záření. Získaná teplotní pole jsou použita jako zatížení do následné mechanické analýzy stavu napjatosti a poškození konstrukce. Ve statickém konečně prvkovém modelu je nejdříve uvažováno lineární elastické působení materiálu pro získání základní představy o odezvě konstrukce na teplotní zatížení. Následně je analýza rozšířena o model nelineárního chování materiálu za účelem predikce možného poškození vlivem klimatických podmínek. Výsledky počítačové simulace, které jsou konfrontovány se současným stavem, ukazují na periodické teplotní namáhání konstrukce s horšími účinky v zimním období. Mezi nejzranitelnější části stavby patří stěny kolem schodiště spojující zvonici s hlavní lodí a západním koncem hlavní lodi a sakristie. Výsledky výpočtů jsou dále analyzovány s přihlédnutím k výsledkům předchozích studií provedených na tomto kostelu. Tuto termomechanickou analýzu lze využít jako podporu pro další plánované sanace a rekonstrukce.

The Broumov Group of Churches, Baroque style monuments rich in history and architectural progression, is a symbol of Czech Republic's cultural heritage. The churches, built in a short amount of time, have several defining features making them unique for their architecture and cultural heritage. The St. Ann Church, built by Killian Ignaz Dientzenhofer in the early 18th century, belongs to the Broumov Group of Churches located in the small village of Viznov. Unfortunately, the church is found in its current damaged state in part due to its remote location and lack of maintenance over the decades. The aim of this thesis is to simulate the behaviour of the St. Ann Church caused by climatic loading mainly due to temperature changes during the year, and their effect on the stress state and a possible damage evolution of the church. A detailed condition assessment is completed to understand the structure and current damaged state. A one-way coupled heat transfer analysis to simulate the distribution of temperatures for a one-year cycle using in-situ measurements and climatic data is performed. Insolation, wind effects and changes in air temperature around the structure are included in the heat transfer analysis. The computed temperature fields are used as loading for the static analysis of the St. Ann Church. The 3D thermo-mechanical analysis focuses on masonry church walls. Subsequently, a mechanical analysis is followed as a prognosis of a current stress state and possible crack nucleation. The static model is completed using linear elastic then nonlinear material properties. The stresses, deformations and structure behaviour obtained by means of the 3D finite element model are compared with damages observed on site. Results show that the structure is periodically under temperature strain, with more adverse conditions affecting the structure under winter climatic loading. The most vulnerable parts of the structure include the thinly walled staircase connecting the bell tower to the main nave, the west end of the main nave near openings and the sacristy foundations and openings. The results from the numerical model are compared to observations made on the current state of the structure. Results of the computation are analyzed in cooperation with the results of previous analyses of the structure. The thermo-mechanical analysis is used as support for further structure reconstruction and rehabilitation.