Jerzy JASIEŃKO Tomasz NOWAK Łukasz BEDNARZ BADANIA
Transkrypt
Jerzy JASIEŃKO Tomasz NOWAK Łukasz BEDNARZ BADANIA
obiekt zabytkowy, konstrukcja drewniana, konstrukcja stalowa, korozja biologiczna, rezystograf Jerzy JASIEŃKO Tomasz NOWAK Łukasz BEDNARZ Politechnika Wrocławska, Instytut Budownictwa BADANIA STROPU AULI LEOPOLDINA UNIWERSYTETU WROCŁAWSKIEGO W pracy przedstawiono wykonane badania XVIII wiecznych stropów drewnianych, które miały na celu ustalenie stanu faktycznego elementów konstrukcji znajdujących się w pomieszczeniu Auli Leopoldina Uniwersytetu Wrocławskiego we Wrocławiu. Podano zakres przeprowadzonych badań, opisano sposób ich wykonania oraz przedstawiono wyniki. W ramach badań wykonano między innymi badania materiałowe, badania wilgotnościowe, badania rezystograficzne, badania statyczne i dynamiczne konstrukcji oraz badania termograficzne. CEILING TESTS OF WROCŁAW UNIVERSITY’S LEOPOLDINUM AUDITORIUM In the article the investigations of the wooden ceiling of the assembly hall Leopoldina at Wroclaw University have been discuss. The scope of conducted investigations has been presented. The way of the realization has been described and the results of conducted investigations have been presented. The following investigations have been presented, amongst other: material, moisture, mycological, resistographic, thermographic and dynamic investigation of structure. The causes of occurring damages of valuable polychromy have been found. 1. WPROWADZENIE Aula Leopoldina (Auditorium Academicum) jest głównym reprezentacyjnym pomieszczeniem, wzniesionego w latach 1728–1732, gmachu budynku głównego Uniwersytetu Wrocławskiego. Budynek, który należy do najcenniejszych zabytków budownictwa z okresu baroku we Wrocławiu został wybudowany jako filozoficzne i teologiczne kolegium jezuickie. Po połączeniu w 1811 roku z frankfurcką Viadriną szkoła została przekształcona w pełną, obejmującą wszystkie fakultety, szkołę wyższą. Nazwa auli nadana została ku czci fundatora uniwersytetu - cesarza rzymskiego Leopolda I. Trapezowate, bogato zdobione, wnętrze Auli (długość ok. 37 m, przeciętna szerokość 11,6 m i wysokość 7,4 m) podzielone jest na podium i audytorium. Nad wejściem umieszczono emporę muzyczną (fot. 1). Całą powierzchnię sufitu pokrywa bogate malowidło barokowe, korespondujące z podziałem sali na trzy części, [1]. Pod koniec XIX wieku podjęto decyzję o odnowieniu wielu elementów dekoracyjnych oraz konstrukcyjnych Auli. Zdecydowano również o wzmocnieniu istniejącego dylowego stropu drewnianego. Przebudowa miała również na celu udostępnienie pomieszczenia ponad Aulą jako sal wykładowych. Podłogę w formie amfiteatralnej (z niewielkim spadkiem) wykonano z desek mocowanych na gwoździe do belek drewnianych opartych na blachownicach. Wzdłuż ścian zewnętrznych, w pachach drewnianego sklepienia pozornego, podwieszono strop dylowy na kształtownikach mocowanych do blachownic. Zestaw 8 blachownic o różnej długości od 11 do 13 m i różnej wysokości (od 612 do 740 mm) wykonano w hucie żelaza Walterhütte w Mikołowie (Górny Śląsk) w 1905 roku. Rozmieszczenie blachownic przedstawiono na rys. 1. Fot. 1. Empora w Auli Leopoldina, Uniwersytet Wrocławski sala nr 57 sala nr 56 Rys. 1. Rozmieszczenie blachownic Środniki blachownic wykonano z blachy o grubości 10 mm, pasy w postaci jednej (strefa podporowa) lub dwóch (strefa przęsłowa) blach o szerokości 250 mm i grubości 20 mm. Połączenie pasów ze środnikiem za pomocą kątowników 100×12 mm wykonano za pomocą nitów z łbami kulistymi. Stężenie pionowe między blachownicami zostało wykonane z pojedynczych kątowników równoramiennych 60×10 mm. Jarzma umożliwiające podwieszenie do blachownic drewnianego stropu dylowego składają się z ułożonych na pasach górnych płaskowników o grubości 26 mm i wymiarach 75×360 mm, z otworami na końcach. Przez otwory te przechodzą wieszaki z prętów o średnicy 20 mm, z 220 nakrętkami M20 na obu końcach. Do wieszaków, poniżej pasów dolnych blachownic, podwieszone są poziomo ceowniki zwykłe 140, na których ułożony jest strop dylowy (fot. 2). Fot. 2. Wieszak podwieszenia stropu dylowego Aula Leopoldina jest obecnie częścią muzeum uniwersyteckiego oraz jest wykorzystywana jako miejsce obchodzenia głównych uroczystości uczelni. W 2008 roku powstał projekt badań mających na celu ustalenie stanu faktycznego elementów konstrukcji i wystroju historycznego pomieszczenia. Badania elementów konstrukcji znajdujących się w pomieszczeniu Auli oraz opracowanie wytycznych w zakresie konserwacji konstrukcyjnej powierzono zespołowi z Instytutu Budownictwa Politechniki Wrocławskiej pod kierunkiem J. Jasieńki [2-4]. Realizację projektu w zakresie zagadnień konserwatorskich zlecono Międzyuczelnianemu Instytutowi Konserwacji i Restauracji Dzieł Sztuki ASP w Warszawie i ASP w Krakowie [5]. 2. BADANIA WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW KONSTRUKCJI STROPU 2.1. OCENA STANU TECHNICZNEGO ELEMENTÓW STROPU Strop składa się z dyli drewnianych (o wymiarach przekroju ok. 300×300 mm) opartych częściowo na ścianach konstrukcyjnych i wtórnie podwieszonych do stalowej konstrukcji nośnej (blachownice) wykonanej w okresie późniejszym. Konstrukcję skłonów sklepienia pozornego stanowią drewniane dźwigary prętowe o połączeniach ciesielskich. Górna część dyli jest zaimpregnowana olejem kreozotowym (frakcja destylacji węgla kamiennego), na głębokość około 0,3 mm. Miejscami drewno dyli jest nieokorowane i zaimpregnowane od wierzchu razem z korą. Wykonana ekspertyza mykologiczna wykazała, że dyle drewniane wykazują znaczne zniszczenia w partiach końcowych w narożu 221 południowo-zachodnim. Występuje tam grzyb Poria vaporaria oraz owady ( techniczne szkodniki drewna ) pochodzące z rodziny Anobidae. Stalowa konstrukcja nośna jest w dobrym stanie technicznym, jej elementy są właściwie zabezpieczone i nie są widoczne żadne ogniska korozji. 2.2. BADANIE WYTRZYMAŁOŚCI STALI Ze względu na brak możliwości pobrania z konstrukcji odpowiedniej liczby próbek stali do badań niszczących na rozciąganie, zdecydowano się na oszacowanie jej parametrów wytrzymałościowych na podstawie obszernych, nieniszczących badań twardości stali istniejącej konstrukcji za pomocą przenośnego twardościomierza Brinella, [6]. W badaniach na obiekcie stosowano przenośny twardościomierz Brinella typu PZ-3 firmy Zwick, a w badaniach laboratoryjnych twardościomierz stacjonarny typu B-2 polskiej produkcji. Wyniki obliczeń statystycznych twardości minimalnej przedstawiono w tab. 1, [7]. Tab. 1. Wyniki obliczeń statystycznych minimalnej twardości badanych stali Zbiór Nazwa n H B [HB] s HB [HB] t HBmin [HB] 1 2 3 Blachownica Stężenia Jarzma 111 33 26 91,50 99,63 117,59 4,76 4,75 5,93 3,38 3,79 3,91 75,40 81,62 94,40 Na podstawie uzyskanych wyników twardości stali określono wartości wytrzymałości obliczeniowe fd stali, z której wykonano wymienione niżej elementy konstrukcyjne przedmiotowego stropu: - w przypadku blachownic - fd = 155 MPa, - w przypadku stężeń - fd = 160 MPa, - w przypadku jarzm - fd = 185 MPa. Przeprowadzono również próbę wytrzymałości na rozciąganie stali środnika blachownicy. Ze względu na niszczący charakter badań liczbę próbek ograniczono do jednej sztuki (fot. 3). Fot. 3. Przygotowana próbka do badania wytrzymałości stali na rozciąganie Badanie wytrzymałości stali na rozciąganie przeprowadzono wg [8] w Akredytowanym Laboratorium Badawczym Instytutu Budownictwa Politechniki Wrocławskiej w maszynie wytrzymałościowej Zwick Roell UFP 400. Rezultaty z badań w niszczącej próbie rozciągania potwierdziły wartości granicy plastyczności Re, jak i wytrzymałości doraźnej na rozciąganie Rm uzyskanych na podstawie nieniszczących badań twardości stali. Wartości granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie stali różniły się od siebie odpowiednio: niespełna 1% i 3,5%. 222 2.3. BADANIA MATERIAŁOWE DREWNA. W ramach badań materiałowych przeprowadzono badania cech drewna, obejmujące oznaczenie wilgotności, gęstości, wytrzymałości na zginanie statyczne, wytrzymałości na ściskanie wzdłuż i w poprzek włókien (fot. 4, 5). Badania zostały przeprowadzone na próbkach wykonanych z pobranych fragmentów stropu przy użyciu prasy mechanicznej uniwersalnej ZDM 5/91. Wg [9] badania cech wytrzymałościowych drewna należy przeprowadzać na elementach pełnowymiarowych jednak ze względu ograniczenia wynikające gabarytów pobranego fragmentu drewna badania te zostały przeprowadzone na małych próbkach bez wad wg [10-12] - fot. 4, 5. Fot. 4. Badanie wytrzymałości na zginanie drewna przykład zniszczenia próbki Fot. 5. Badanie wytrzymałości drewna na ściskanie wzdłuż - przykład zniszczenia próbki Tab. 2. Wartości wytrzymałości na zginanie statyczne drewna wg [10] Kształt i wymiary próbki [mm] Liczba próbek n Średnia wytrzymałość na zginanie fm,śr Średnia wytrzymałość na zginanie fm,śr (ω=12%) Odchylenie standardowe s Błąd średni sr Współczynnik zmienności ν Wskaźnik dokładności (dla 1-α=0,95) p [szt.] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [%] [%] beleczka 20×20×300 22 76,6 78,1 12,2 2,6 15,88 6,77 Tab. 3. Wartości wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien wg [12] Kształt i wymiary próbki [mm] Liczba próbek n Średnia wytrzymałość na ściskanie fc,0,śr Średnia wytrzymałość na ściskanie fc,0,śr Odchylenie standardowe s Błąd średni sr Współczynnik zmienności ν Wskaźnik dokładności (dla 1-α=0,95) p [szt.] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [%] [%] 223 prostopadłościan 20×20×30 51 57,2 58,3 6,7 1,0 12,03 3,37 Na podstawie uzyskanych wyników z przeprowadzonych badań wytrzymałościowych materiałowych (tab. 2, 3) oraz ich z analizy zgodnie z PN-EN 384 przyjęto, że drewno stropu dylowego odpowiada klasie drewna C27 wg PN-EN 338. Na dobry stan drewna historycznego wskazuje również oznaczona gęstość równa 510 kg/m3. 2.4. ANALIZA DENDROCHRONOLOGICZNA DREWNA Analizie poddano jedną próbkę drewna pobraną ze stropu w postaci plastra z pełnym przekrojem poprzecznym. Na powierzchni wyznaczono i przygotowano ścieżki pomiarowe, a następnie na aparacie pomiarowym typu LINTAB pomierzono szerokości przyrostów rocznych drewna. Dokładność pomiaru wynosiła 0,01 mm. Synchronizację sekwencji przyrostowych i porównanie ich z chronologiami wzorcowymi przeprowadzono przy pomocy programów CATRAS v. 4.20, TSAPWin oraz DENDRO for WINDOWS. Na podstawie wykonanej identyfikacji gatunku drewna stwierdzono, że próbka drewna należy do gatunku sosna pospolita (Pinus sylvestris L.). Otrzymane rezultaty jednoznacznie wskazują na ścinkę drzewa późną jesienią 1728 roku lub zimą 1728/1729 roku. 2.5. BADANIA REZYSTOGRAFICZNE DREWNA Rezystograf mierzy opory wiercenia obracającej się, ze stałą prędkością ok. 1500 obrotów na minutę, igły o średnicy od 1,5 do 3 mm i długości do ok. 500 mm, ujawniając zmiany gęstości drewna powodowane destrukcją biologiczną lub wilgotnościową oraz kolejne przyrosty roczne. Z tego względu tę metodę można uznać za quasi-nieniszczącą. Średnica otworu po wykonanym badaniu jest nie większa niż otwory wylotowe szkodników drewna. Rezultaty uzyskiwane przy pomocy rezystografu pozwalają na ocenę zasięgu ewentualnej destrukcji oraz jedynie wstępną na ocenę jego wytrzymałości, tzn można określić, że badane drewno wykazuje podwyższone, średnie bądź obniżone parametry wytrzymałościowe. Ta technika jest wysoce efektywna w badaniu drewnianych konstrukcji historycznych, [13-14]. Rys. 2. Przykładowy wynik pomiarów rezystograficznych dla dyla nad Aulą Leopoldina 224 Badania wykonano z użyciem rezystografu IML RESI F-400S. Wyniki badań przedstawiono w postaci wykresów zależności amplitudy oporu od głębokości odwiertu. Przykładowy wykres przedstawiono na rys. 2. Badania rezystograficzne wykazały dobry stan zachowania drewna historycznego, poza niektórymi dylami w strefie oparcia. Zasięg obniżenia własności struktury drewna obserwowano na odcinkach długości 1 m od lica ścian, na których oparto strop dylowy. 3. BADANIA MYKOLOGICZNE W ekspertyzie mykologicznej wykonanej przez J. Karysia stwierdzono nieliczne występowanie grzybów domowych z podgromady Basidiomycetes i tylko w narożu południowo zachodnim stropu (rys. 1). Obecność grzybów pleśniowych w stanie zahamowanym stwierdzono: - nielicznie w narożu południowo zachodnim, - licznie w korytarzu na deskach podłogowych i powyżej w miejscach przecieków przez strop poddasza oraz na ścianach, a także przy oknach. Owady wystąpiły na zakończeniach dyli drewnianych na całej Sali Balzera (nr 57), a w sali nr 56 w miejscach, które w przeszłości charakteryzowały się największym zniszczeniem przez grzyby. W sali nr 56 porażenie przez owady sięga nawet do 3 m wgłąb pomieszczenia licząc od strony okien. Zabezpieczenie biobójcze dyli drewnianych wykonano jako wtórne w stosunku do czasu porażenia przez owady. Nie stwierdzono natomiast występowania czynników biologicznych w drewnianej konstrukcji sklepienia pozornego. W sali nr 57 (południowo-zachodni narożnik sali nr 57) zinwentaryzowano grzyb domowy biały (Poria vaporaria) charakteryzujący się widoczną młodą i starą grzybnią a więc proces zagrzybienia przebiega również obecnie. Grzybnia jest biała i lekko puszysta grzybnia zaznaczała się na powierzchni około 0,6 m2. Sznury słabo widoczne. Brak owocnika, a więc proces nie jest długotrwały i nie przebiega szybko. Zinwentaryzowane grzyby pleśniowe w wejściu korytarzowym do sal nr 56 i 57 przedstawiono w tab. 4. W przegrodach budowlanych stwierdzono głównie Cladosporium cladosporioides, mniej liczny był Cladosporium herbarum. W suficie i na dylach stwierdzono obecność Aspergillus fumigatus . Gatunek ten jako jedyny z grzybów pleśniowych jest wymieniany w dyrektywie 2000/54/WE (Dz.U. WE L 262/21 z 17 października 2000 roku) w grupie II organizmów szkodliwych, a jego obecność w pomieszczeniach użytecznosci publicznej jest niedopuszczalna (Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 22 kwietnia 2005 roku w sprawie szkodliwych czynników biologicznych dla zdrowia w środowisku pracy oraz ochrony zdrowia pracowników zawodowo narażonych na te czynniki.(Dz.U. Nr 81 poz.716). Z gatunków zagrażających zdrowiu człowieka, wyodrębniono grzyby z rodzaju Chaetomium. Zamieszczone w tabeli gatunki: Chaetomium fimeti i Chaetomium globosum mogą powodować choroby narządów wewnętrznych człowieka. Skład gatunkowy świadczy o dawno rozpoczętym procesie rozwoju tych organizmów na powierzchni ścian. Podczas długotrwałego zawilgocenia ścian, zazwyczaj następuje ekspansywny wzrost gatunków najsilniej rosnących i najlepiej przystosowanych do 225 istniejących warunków bytowych. O dużej i długotrwałej obecności wody na powierzchni ścian badanych pomieszczeń, świadczy obecność wodolubnych grzybów z rzędu Mucorales: Rhizopus sp. i Mucor sp.. Tab. 4. Grzyby wyodrębnione z przegród budowlanych korytarza (ilość kolonii) Gatunek grzyba Alternaria alternata Aspergillus fumigatus Aspergillus versicolor Chaetomium fimeti Chaetomium globosum Cladosporium cladosporioides Cladosporium herbarum Mucor hiemalis Penicillium nigricans Penicillium notatum Penicillium waksmani Penicillium welutinum Rhizopus niger Rhizopus stolonifer Miejsce występowania ściana podłoga 2 1 3 5 4 23 3 4 2 1 3 8 3 14 7 4 sufit 6 4 6 19 6 dyle 1 3 1 7 3 18 8 3 3 6 4 3 1 4 2 1 2 1 Najliczniej reprezentowany Cladosporium cladosporides jest gatunkiem zdecydowanie dominującym w środowisku wewnątrzdomowym. Występuje również w budynkach użyteczności publicznej. Grzyb rozwija się w pomieszczeniach silnie zawilgoconych, o słabej wentylacji. Może być przyczyną silnej alergii. W sali nr 57 w końcach dyli, a w sali nr 56 na całej szerokości pomieszczenia występują owady – ksylofagi w bardzo dużym nasileniu, ale obecnie w stanie zahamowanym. Zidentyfikowano kołatka domowego (Anobium punctatum) - na podstawie średnicy otworów wylotowych (1–3 mm) i przekroju kołowego - zasiedlającego około 30% powierzchni, a na pozostałej 70% powierzchni zinwentaryzowano kołatka upartego (Anobium pertinax) (otwory wylotowe 3–5 mm). Porażenie nastąpiło przed impregnacją wykonaną z użyciem oleju kreozotowego, który spowodował zakończenie procesu porażania drewna przez ksylofagi. Wielkość porażenia świadczy o bardzo dobrych warunkach dla rozwoju tej grupy owadów. Warunki te to średnie temperatury powietrza wewnętrznego i bardzo wysoka wilgotność drewna. Grzyby domowe i pleśniowe w opisanej ilości stanowią zagrożenie dla zdrowia użytkowników, dlatego wskazano na konieczność ich usunięcia, a przede wszystkim usunięcia przyczyny ich występowania. Drewno wcześniej impregnowane olejem kreozotowym zalecono pokryć rozpuszczalnikowym impregnatem grzybobójczym. Na warstwę impregnatu zalecono nałożyć środek ogniotrwały. Całkowicie zniszczone fragmenty końcówek dyli należy usunąć, a ściany zdezynfekować na na powierzchni 1 m2 dookoła kontaktu belki ze ścianą. 226 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych badań i analiz stwierdzono między innymi, że należy porażone fragmenty dyli należy usunąć i zabezpieczyć biochronnie oraz oddzielić konstrukcję podłogi Sali Balzera (sala nr 57) i Sali Polonii (sala nr 56) od konstrukcji sufitu Auli Leopoldina, najlepiej przez niezależne podwieszenie dyli stropu ze względu na możliwość przenoszenia drgań wywołanych obciążeniem podłogi na konstrukcję sufitu. Zaproponowano wykonanie podwieszenie stropu dylowego do ścian zewnętrznych poprzez wsporniki stalowe kotwione w ścianach zewnętrznych na kotwy stalowe rozprężne. Wsporniki stalowe łączyć ze stropem dylowym poprzez cięgno stalowe (wprowadzając niewielką siłę naprężającą) z tłumikiem drgań oraz belkę drewnianą poprzeczną mocowaną do każdego dyla śrubą stalową wkręcaną ze wspomaganiem połączenia spoiną klejową na bazie żywicy epoksydowej. Dodatkowo poza opisanymi w pracy badaniami, w ramach ustalenia stanu faktycznego elementów konstrukcji stropu nad Aulą Leopoldina, wykonano: - analizę pracy statycznej stropu i empory, - badania statyczne i dynamiczne stropu, - badania termowizyjne, mające na celu wskazanie obszarów niespójności polichromowanego podłoża ze sklepieniem pozornym, - wstępną koncepcję wzmocnienia stopu. Obok autorów w pracach badawczych wzięli udział: B. Gosowski, D. Czepiżak, J. Dudkiewicz, J. Grossel, H. Nowak, Z. Wójcicki, J. Gańko, P. Grabowski, Z. Matros z Politechniki Wrocławskiej, T. Ważny z Uniwersytetu im. Mikołaja Kopernika w Toruniu, J. Karyś z PSMB oraz L. Engel i R. Miśków z CCI. LITERATURA [1] LEJMAN B., Leopoldina. Uniwersytet Wrocławski, Wydawnictwo Mak, Wrocław 2003. [2] JASIEŃKO J. et al, Praca badawcza mającą na celu ustalenie stanu faktycznego elementów konstrukcji znajdujących się w pomieszczeniu Auli Leopoldina, zlokalizowanym w gmachu głównym Uniwersytetu Wrocławskiego, Politechnika Wrocławska, Wrocław, Raport SPR Nr 36/2008. [3] JASIEŃKO J., BEDNARZ Ł., NOWAK T., Analiza stanu zachowania drewnianych stropów w Auli Leopoldyńskiej Uniwersytetu Wrocławskiego oraz w budynku głównego dworca kolejowego we Wrocławiu. Wiadomości Konserwatorskie, 2009, Nr 26, s. 300-313. [4] JASIEŃKO J., NOWAK T., BEDNARZ Ł., Wrocław University’s Leopoldinum Auditorium Tests of Its Ceiling and a Conservation and Strengthening Concept. Advanced Materials Research, 2010, Vol. 133-134, s. 265-270. [5] NYKIEL J., SKRZYDLAK E., Freski Auli Leopoldina Uniwersytetu Wrocławskiego w świetle najnowszych badań i ekspertyz konserwatorskich, Wiadomości Konserwatorskie, 2010, Nr 27, s. 35-50. [6] GOSOWSKI B., KUBICA E., Badania laboratoryjne z konstrukcji metalowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2007. [7] PN-91/H-04350. Pomiar twardości metali sposobem Brinella. [8] PN-EN 10002-1:2004. Metale. Próba rozciągania. Część 1: Metoda badania w temperaturze otoczenia. [9] PN-EN 408:2004. Konstrukcje drewniane. Drewno konstrukcyjne lite i klejone warstwowo. 227 Oznaczanie niektórych właściwości fizycznych i mechanicznych. [10] PN-77/D-04103. Drewno. Oznaczanie wytrzymałości na zginanie statyczne. [11] PN-77/D-04229. Drewno. Oznaczanie wytrzymałości na ściskanie w poprzek włókien. [12] PN-79/D-04102. Drewno. Oznaczanie wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien. [13] CESTARI C.B., LOMBARDI C., GUBETTI E., PIGNATELLI O., Arsenal Project - the timber of Tesone ‘111’: Technological characteristics, dating and assessment of thermohygrometric behavior for restored functionally proposal, Journal of Cultural Heritage, 2002, Vol. 3, No. 1, s. 53-57. [14] CERALDI C., MORMONE V., RUSSO E., Resistographic inspection of ancient timber structures for the evaluation of mechanical characteristics. Materials and Structures, 2001, Vol. 34, No. 1, s. 59-64. 228