Применение метода неразрушающего контроля при восстановлении исторических памятников

Экологическая безопасность строительства

DOI: https://dx.doi.org/10.24866/2227-6858/2019-2-14 УДК 504.61; 624.058; 628.517

Е.Э. Смирнова

СМИРНОВА ЕЛЕНА ЭДУАРДОВНА - к.т.н., доцент, e-mail: esmirnovae@yandex.ru Кафедра техносферной безопасности

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет 2-я Красноармейская ул., 4, Санкт-Петербург, 190005

Применение метода неразрушающего контроля при восстановлении исторических памятников

Аннотация: Использование зданий и сооружений как элементов окружающей городской среды должно быть прежде всего безопасным, с спрогнозированным ресурсом прочности в разного рода природных и техногенных чрезвычайных ситуациях. В статье рассматриваются пути решения проблемы обеспечения безопасности эксплуатируемых зданий и сооружений при изменении их условий эксплуатации. В качестве примера приводится оценка возможных последствий установки колоколов на звонницы Исаакиевского собора. Замеры вибраций с одновременной оценкой прочности и несущей способности кирпичной кладки показали, что вибровоздействие звонов тяжелых колоколов не может оказывать негативного влияния на несущие конструкции колоколен. Тем самым учитывается экологический средообразующий фактор, формирующий безопасную область обитания человека. Однако всегда существует риск такого негативного влияния на конструкцию колокольни и устойчивость грунтов в ее основании. Поэтому предлагается до начала реконструкции проводить исследования, пользуясь моделью сооружения, с помощью которой для исключения возможных аварийных ситуаций на реконструируемых объектах можно рассматривать воздействие «новых» запланированных нагрузок. Ключевые слова: безопасность эксплуатации, колебания, контроль и устойчивость грунтов, метод неразрушающего контроля, динамические параметры, учет виброползучести, исторический памятник.

Введение

В последние годы в связи с реконструкцией и восстановлением первоначального облика памятников архитектуры возникли задачи оценки их возможных негативных последствий. Автор представляет научное обоснование методов обеспечения экологической безопасности при реконструкции объекта, а также окружающей его природной среды. Наиболее проблемными являются работы, требующие демонтажа встроенных в первоначальную схему несущих и ограждающих конструкций [9]. Примерами такого рода объектов для Санкт-Петербурга стали Кронштадтский морской собор, здание храма Спаса Преображения Господня и другие значимые исторические постройки. Строителям и архитекторам удалось успешно решить эти сложные задачи, используя современные методы технической диагностики и расчета с помощью пространственных конечно-элементных моделей [5, 11].

Иной тип работ - возрождение ансамблей колоколов на звонницах [1, 10]. Для оценки возможных негативных последствий для формирования безопасной области обитания челове-

© Смирнова Е.Э., 2019

О статье: поступила: 01.03.2019; финансирование: бюджет Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

ка, а также оценки риска и обоснования принципов экологической безопасности строительной деятельности необходимо учитывать не только новую нагрузку, возникающую в давно не эксплуатируемых по назначению конструкциях, но и возможные последствия вибрационного воздействия на грунты оснований сооружений. В период 2013-2015 гг. группой исследователей под руководством Ситникова И.В. из научно-исследовательского центра № 26 Министерства обороны РФ совместо со специалистами Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра были проведены измерения вибраций от звонов колокольни Исаакиевского собора (г. Санкт-Петербург) и проанализированы их возможные последствия. В этом плане цель статьи заключается в том, чтобы дать анализ экспериментальных данных для оценки потенциально негативных воздействий эксплуатируемого строительного объекта (звонниц Исакиевского собора), являющегося историческим памятником, в контексте обеспечения экологически безопасных условий жизнедеятельности населения.

Рис. 1. План собора (источник: http://chicherone.com/isaakievskij-sobor/).

Рис. 2. Юго-восточная звонница с установленными колоколами. (Рисунки 2-9 выполнены автором статьи).

Автор принимал непосредственное участие в замерах вибраций в составе группы под руководством проф. С.Н. Савина. Одновременно определялась прочность кладки несущих конструкций звонниц. Исследования выполнялись автором в два этапа: в ноябре-декабре 2015 г. при установке на северо-восточной звоннице большого десятитонного полилинейного колокола и в декабре 2016 г. после монтажа 17-тонного колокола на северо-западной звоннице Исаа-киевского собора. Колокол, отлитый в Воронеже, стал завершающим в звоннице. Колокол весом 17 тонн был отлит на воронежском колокололитейном заводе Анисимова по сохранившимся чертежам (1845 г.) архитектора, строителя знаменитого собора Огюста Монферрана. Колокол декорирован пятью медальонами с барельефами императоров: Петра I, Александра I, Николая I, Павла I и Екатерины II (рисунки 1-3).

Рис. 3. Процесс установки 17-тонного колокола.

В процессе исследований проводилось измерение уровня вибраций на несущих конструкциях звонниц, параметры низкочастотных динамических воздействий, возникающих при раскачивании колоколов, и прочностные характеристики каменной кладки. Следует уточнить, что речь идет об осевой прочности кладки несущих конструкций. Для того чтобы определить прочность кладки несущих конструкций, образцы подвергались давлению на лабораторном прессе (исследования на изгиб и нормальное сцепление не проводились).

Полученные результаты анализировались и сравнивались с существующими требованиями норм [2, 3, 6, 7] на предмет превышения фактических нагрузок.

Материалы и методы

Регистрация колебаний проводилась с использованием исследовательского измерительного комплекса в составе:

- измерительных датчиков фирмы ЗАО «Геоакустика» А1612 и А1633, а также КВ-12 (рис. 4, 5);

- широкополосного усилителя Robotron;

- измерительных кабелей;

- портативного компьютера.

Методика определения уровня вибраций строительных конструкций включает следующие операции:

• регистрацию колебаний;

• вычисление их спектров Фурье;

• анализ спектров Фурье с целью выделения резонансных пиков, соответствующих уровню вибраций и колебаний в широком диапазоне частот.

Рис. 4. Измерительные датчики фирмы ЗАО «Геоакустика» А1612 и А1633.

Рис. 5. Измерительный датчик фирмы ЗАО «Геоакустика» КВ-12.

Результаты и обсуждение

Известно, что виброакустический метод относится к интегральным, т.е. хотя он и дает усредненную информацию параметров вибрации по конструкции в целом, все же позволяет выявить в ней скрытые дефекты. Как правило, здание деформируется постепенно («гладко»). Это видно по формам колебаний (по любому изменению симметрии), которые представлены на рис. 6. Видимое нарушение «плавности» (ломаная черная линия) говорит о дефектном состоянии материала объекта.

О 0,1 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 0,1 0.2 0,3 0,4 0,5 0.6 0,7 0,8 0.9 1,0

Рис. 6. Формы колебаний

Динамические параметры системы «балки-несущие конструкции колокольни» определялись по анализу отклика конструкций на импульсную нагрузку. Полученные частоты и формы колебаний анализировались, определялись спектры отклика и величины ускорений

и скоростей в интересующем диапазоне частот (до 50 Гц). Схемы измерений на конструкциях северо-западной колокольни, где фиксировались вибрации и зондировалась кирпичная кладка, представлены на рис. 7; результаты частотного анализа вибраций - на рисунках 8 и 9.

Северо-Запад

2

Рис. 7. Схема установки датчиков для измерения вибраций и сквозного зондирования (А1 и А2 - акселерометры, skw 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 - места зондирования кирпичной кладки). Цифрами 1 и 2 на рисунке обозначены гранитные колонны, отреставрированные в ходе общего ремонта собора.

к L к 1 L , I i

Г _ f J } Г г

L 1 1 L L i

1 Р ) Г f г

5.00е-1 -н И ^ H —-

•1.00*0 Г 1-4--h —t 4- —b — i—

-5.000-1 -1.00е0 V f" =1 4

S.OOeO 4.00е0 —

2.00е0 ' V.-.f0 i.ooeo 5.00е-1 0.00е0 -5.008-1

-I.SOeO •2.00е0 -2.50е0

-3.50е0 -4.00G0

О 2 000 4 000 6 000 8 000 10000 12 С00 14000 1 6000 18000 20000 22000 24 000 26000 28 000 30000 32000 34000 MS

Рис. 8. Фрагмент записи реакции на удары 17-тонного колокола.

uAolo

2.00e-2 1,006-2 -. __

ч i\f\7 W -

4,00e-1 2,оое-1 140*1 1.006-1 V V ' - -__

/

v-H ч

5.006-2 _- -

Д

1

ft

Л 1

/\ \l

\r V

5,006-1 / 1 \1Л

- -  \t V v v У 4/

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 №

Рис. 9. Спектры реакции на удар 17-тонного колокола (короткий участок).

При необходимости оценки последствий воздействия вибрационной нагрузки на несущие конструкции их динамические параметры определялись следующим путем:

• получение с помощью обратного преобразования Фурье импульсных реализаций выделенных резонансных пиков по каждой форме свободных колебаний;

• идентификация и графическое представление различных форм колебаний.

Запись вибраций проводилась «под нагрузкой» в процессе колокольных звонов.

Измерительные датчики располагались на несущих конструкциях. Номера датчиков показаны по вертикальной оси справа, по горизонтальной оси - время в миллисекундах. Амплитуда ускорений на каждом датчике, м/с2 - по вертикальной оси слева. Очевидно, что распространение вибрационных волн в гранитной колонне, в кирпичной кладке и грунте различно. В данном случае рассматривается распространение этих волн от колокола к несущей части конструкции с целью избежать ее разрушения. По этой причине в качестве основного принципа установки датчиков был выбран принцип их размещения именно на несущей конструкции.

Максимальная зафиксированная скорость на датчиках А3 и А4 (металлоконструкции) составила 3 мм/с, а на датчиках А1 и А2 (на кирпичных столбах) - 1,5 мм/с. При этом перемещения составили не более 15 мкм на металлической раме и 2,1 мкм - в кирпичной кладке (рис. 10).

Рис. 10. Записи перемещений при ударе 17-тонного колокола.

Анализ амплитуды вибраций и спектров колебаний системы показывает, что максимальные значения скорости и ускорения в диапазоне частот (до 50 Гц), представляющем опасность для несущих конструкций, не превышают значений на стенах (до 2,0 м/с2), при этом скорость вибрации кирпичных столбов - не более 0,9 мм/с, а перемещения - до 2,5 мкм.

Максимальная зафиксированная скорость составила 10 мм/с. При этом значения перемещений были равны не более 15 мкм на металлической раме и до 1 мкм - в кирпичной кладке.

Значения ускорений от вибраций, возникающих при работе звонницы, для конструкций колокольни ниже, чем допускается санитарными нормами ГОСТ (2011) для офисных помещений [3].

Очевидно, что при зафиксированных значениях вибраций и перемещений на конструкциях колокольни вблизи узлов крепления подвесов сложно ожидать сколь-нибудь существенные вибрации у основания сооружения.

Согласно данным СНиП (1997) и ТСН (2004) [6, 7], в условиях работы при скоростях вибрации около 400 мкм/с осадки фундаментов зданий в слабых грунтах достигают 2 мм/год, а при уровне вибрации 1200 мкм/с возможны легкие повреждения старых зданий, отслаивание известковой краски, откалывание небольших кусков штукатурки.

Анализ требований ГОСТ (2007) [2] позволил установить пороговое значение вибрационного воздействия на грунтовую среду по скорости колебаний 73 дБ или 225 мкм/с. Превышение этого уровня требует осуществления специальных инженерных мероприятий для сни-

жения негативных последствий вибрации, для сохранения несущей способности грунтов, надежной и безаварийной эксплуатации инженерных сооружений, обеспечения оптимальной жизнедеятельности людей. Хотя при исследовании виброколебаний колокольни при звонах регистрации колебаний грунта в основании не проводилось, очевидно, что фактические значения скоростей и перемещений значительно ниже порогового значения вибрационного воздействия, которое может оказать негативное влияние на грунтовую среду [4, 10, 13].

Эффект резонансного раскачивания колокольни при многократных ударах не наблюдается, так как частоты качания языков и частота собственных изгибных колебаний колокольни отличаются существенно.

Наибольшие колебания при штатной работе колоколов возникают в конструкциях стальной рамы. Однако импульс, передаваемый на балку подвеса и далее на колокольню, весьма незначителен. Измерения виброколебаний показали, что максимальные значения скорости и ускорения в диапазоне частот, представляющем опасность для несущих конструкций (до 50 Гц), не превышают значений на стенах - до 2,0 м/с2, при этом скорость вибрации кирпичных столбов составляет не более 0,9 мм/с, а перемещения до 2,5 мкм.

Тем не менее можно говорить о том, что сохраняется потенциальная опасность для несущей способности грунта виброколебаний, возбуждаемых звоном тяжелых колоколов. Это негативное воздействие наступает при неравномерной осадке, когда грунт становится существенно неоднородным по своим свойствам. Важно иметь в виду, что процесс осадки фундамента представляет собой достаточно долгое по времени изменение, поэтому необходимо установить инструментальный контроль и принимать надлежащие инженерные решения по укреплению грунтов.

Как правило, колокольни, на которых размещены уникальные тяжелые колокола, являются известными культурно-историческими памятниками. Исторически первоначально на Руси применялась очепная система подвески, при которой язык висел свободно, а колокол раскачивался вместе с балкой (валом) подвеса. Колокол, соприкасаясь с языком, издавал звон раскатом. Основой очепной системы подвески колоколов являлся металлический стержень прямоугольного сечения - матица, концы которой выковывались круглыми и вставлялись в подшипники, представляющие собой деревянные бруски со стальной полосой сверху. Подобная система звона в колокола сохранилась в Псково-Печерском монастыре. В московском Кремле сохранилась наиболее древняя матица начала XVI века (1508 г.), на ней висит колокол «Медведь» (т.е. «ревун») первого яруса кремлевской звонницы Ивана Великого (рис. 11 и 12).

Пассивное положение языка по отношению к корпусу колокола в очепной подвеске было вполне уместно при установке небольших колоколов. Но по мере увеличения веса колокола с очепной подвеской заменялись колоколами, висевшими свободно. Наряду с очепной подвеской колоколов многие, в том числе мелкие и средние, колокола в ХУ—ХУП веках подвешивались к заделанным в пилоны колоколен и звонниц деревянным балкам неподвижно, и звон производился путем раскачки языков.

Раскачивая язык, звонари добивались большей продолжительности звука. Подвеска колоколов должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить высокую амплитуду звукового давления после удара языка. Скажем, в московском Кремле на подвесках мастера пропускали кованые матицы через пары боковых проушин колокола и закрепляли их хомутами в виде буквы «П» к балке подвеса. Прочная подвеска обеспечивала свободу колоколу, раскачивающемуся от удара (звон «в языки»). После осмотра старых подвесок стало ясно, что со временем матицы и хомуты перестали обеспечивать соответствующую свободу качания колокола. Нетрудно было прийти к выводу о том, что во время звона на уши колоколов воздействовали значительные изгибающие моменты (они могут вызвать разрушение ушей и последующее падение). При раскачивании колокола уровни вибрации на частотах обычно около 2 Гц могут вызвать значительные разрушения [12]. Многочисленные примеры, в том числе и на Кремлевской звоннице, подтверждают именно этот механизм гибели колоколов. Кроме того, закрепощающая подвеска становится причиной интенсивной передачи колебаний звучащего

колокола на балку подвеса и далее на стены колокольни. При каждом ударе языка в юбку колокола через систему подвеса колокола и через балку подвеса на колокольню передается импульс от удара языка и от вибрации звучащего колокола. Эти импульсы возбуждают упругие волны, которые распространяются по кладке стен вверх и вниз и вызывают колебания колокольни.

Рис. 11. Очепный колокол. Короткий рычаг, с помощью которого раньше раскачивался колокол, значительно удлинился и принял вид большого шеста, перпендикулярно прикрепленного одним концом к вращающемуся валу с колоколом. К другому концу шеста привязывалась веревка, за которую, стоя у стены храма, дергал звонарь. Упомянутый шест стали именовать «очепом» (источник: http://www.showbell.ru/blog/archives/9508).

Рис. 12. Очепный колокол «Медведь» колокольни Ивана Великого в Московском Кремле (источник: http://apologetik.ru/kolokol-i-ego-nazvanie/).

Известно, что амплитуда горизонтальных колебаний колокольни зависит от массы языка. Литейщики колоколов строго следовали традиции: пропорция массы языка и колокола должна быть 1:25. Это соотношение было выверено практикой эксплуатации колоколов. Ибо при большей массе языка у колокола нередко появлялись трещины в юбке, при меньшей массе язык выбивал основной тон гудения, т.е. унтертон низкого уровня звучания. Отсюда следует, что важно построить зависимость амплитуды колебаний не от массы языка, а от массы колокола (при стандартных условиях зависимость амплитуды смещений колокольни от массы колокола должна быть линейной). Обычно амплитуда скорости колебаний и амплитуда смещений при многократных ударах примерно в несколько раз больше, чем при однократном ударе. Поэтому при звонах в колокол (удары языка в оба края) амплитуда горизонтальных колебаний нарастает с увеличением числа ударов и выходит на режим «насыщения» при 11-12 ударах. В нашем случае при обследовании северо-западной звонницы Исакиевского собора были измерены максимальные скорости колебаний, максимальные смещения и значения частоты спектрального максимума для горизонтальных колебаний в направлении север-запад, полученные на различных уровнях звонницы при звоне в колокола. По экспериментальным данным может быть также построена зависимость амплитуды колебаний от высотных отметок. Полученные натурные данные могут быть описаны параболической зависимостью, которая подтверждает изгибный характер колебаний [8].

Анализ колебаний колокольни при ветровых нагрузках показал, что эта частота является собственной частотой изгибных колебаний звонницы. Для колокольни актуальны многократные удары, а не отдельные удары в колокол. Поэтому звоны могут производиться во все тяжелые колокола одновременно. При этом происходит суперпозиция колебаний, возбуждаемых каждым из колоколов. Как показали исследования [1, 8], амплитуда колебаний в этом случае больше, чем от каждого из колоколов в отдельности, но меньше суммы амплитуд. Это объясняется тем, что периоды качаний языков у тяжелых колоколов различные по величине и удары следуют несинхронно. ГОСТ (2007) «Вибрация и удар» устанавливает предельно допустимые скорости колебаний основания сооружений при импульсных воздействиях, к которым можно отнести и удары в колокол. Значения ГОСТ существенно превышают зарегистрированные скорости колебаний основания северо-западной звонницы Иса-киевского собора при звонах.

Вибровоздействие звонов может ослабить несущую способность грунтов в основании колокольни. Известно, что длительные вибронагрузки на грунт могут привести к его необратимым деформациям, которые будут постепенно накапливаться и могут достичь значительных величин. Эти деформации могут привести к неравномерным осадкам фундамента, что явится причиной деформации элементов конструкций сооружения, их повреждения и разрушения.

Поэтому всегда желательно искать пути снижения вибронагрузок на колокольни. С этой целью на храме Христа Спасителя тяжелые колокола были подвешены на упругих подвесках с демпфированием качания колоколов. При ударе языка юбка колокола имеет возможность перемещаться, что уменьшает импульс, передаваемый от удара на кладку стен. По другому пути пошли в Свято-Троицкой Сергиевой лавре. Для Царь-колокола в Московском Кремле специалистами Государственного космического научно-производственного центра имени имени М.В. Хруничева (подразделения «Роскосмоса») был разработан сбалансированный по моменту инерции язык с таким распределением масс, которое во много раз снизило импульс, передаваемый на балку подвеса и далее на колокольню. Измерения виброколебаний показали, что при сбалансированном языке амплитуда горизонтальных колебаний колокольни уменьшилась в 4 раза по сравнению с языком традиционной формы.

Также важно для оценки и расчетов осадок грунта привлечь теорию виброползучести. Согласно формуле

5 =а4г ,

где $ - осадки в мм, а - интенсивность виброползучести, t - время в минутах. Для болотистых грунтов при нагрузке на них около 2 кг/см (ее создает масса северо-западной звонницы,

2 1

включая основание храма, на которое она опирается) осадки составляют 10-10-1 мм/V мин [1]. Следовательно, за полчаса звонов осадки могут составить 0,5 ^ 0,05 мм. При повторных воздействиях осадки возобновляются и суммируются. Опасность возникает не из-за значительных осадок, а из-за неравномерности и неоднородности грунта [13]. Полученные оценки осадок показывают, что их нельзя игнорировать и целесообразно проводить ежегодный нивелировочный контроль за осадками фундамента или цоколя колокольни.

Заключение

Подводя итоги представленных здесь исследований, можно утверждать, что для рассмотренных объектов вибровоздействие звонов тяжелых колоколов не может оказывать негативное влияние на несущие конструкции колоколен. Этот вывод подтверждается уже более чем четырехлетней успешной эксплуатацией реконструированных объектов. Обследование несущих конструкций и создание математической модели сооружения выступают эффективным средством для исключения возможных аварийных ситуаций на реконструируемых объектах. Однако следует обратить внимание, что исследование возможных негативных последствий работ по монтажу колоколов проводилось уже после изменения «привычных» условий эксплуатации. При этом существовала вероятность разрушения или повреждения несущих конструкций, а также ослабления грунтов основания. Поэтому вполне резонно рекомендовать проводить определенный вид исследований до начала реставрационных работ для оценки вероятности ЧС в рамках формирования безопасной окружающей среды, а также возникновения риска и обоснования принципов экологической безопасности строительной деятельности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Адушкин А.В., Гончаров А.И., Куликов В.И. Виброколебания колокольни при колокольном звоне // Динамические процессы в геосферах. 2010. № 1. С. 172-180.

2. ГОСТ Р 52892-2007. Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию. М.: Стандартинформ, 2008. 16 с.

3. ГОСТ 31937-2011. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. М.: Стандартинформ, 2014. 55 с.

4. Жигалин А.Д., Локшин Г.П. Формирование вибрационного поля в геологической среде // Инженерная геология. 1991. № 6. С. 110-119.

5. Савин С.Н. Использование упругих колебаний различных длин волн для оценки динамических параметров зданий и сооружений и прочности каменной кладки // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2017. № 4. С. 43-55.

6. СНиП 2.2.4/2.1.566-96. 2.2.4. Физические факторы производственной среды. 2.1.8. Физические факторы окружающей природной среды. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданиях. М.: Минздрав, 1997. 35 с.

7. ТСН 50-302-2004. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге. СПб.: Стройиздат, 2004. 38 с.

8. Frost A.J. Towers and Bells. Guildford, Surrey, Central Council of Church Bell Ringers, 2006, 119 p.

9. Menéndez B. Non-destructive techniques applied to monumental stone conservation. Non-Destructive Testing. Marquez F.P.G., Papaelias M., Zaman N. (eds.). L., InTech, Rijeka, 2016, pp. 170-209. DOI: 10.5772/61596.

10. Savin S., Smirnova E. Evaluation of mechanical safety of building structures using elastic vibrations varying in wavelength. World Applied Sciences J. 2013;23(11):1448-1454. DOI: 10.5829/ido-si.wasj.2013.23.11.13161

11. Savin S., Tsakalidis V. The use of elastic oscillations of different wavelengths to evaluate the dynamic parameters of buildings and structures and assess the strength of materials of the building construction. COMPDYN 2015. Proc. of the 5th Intern. conf. on computational methods in structural dynamics and earthquake engineering,. 25-27 May 2015, Crete Island, Greece. Papadrakakis M., Papadopoulos V., Plevris V. (eds.). Hersonissos, Crete, National Technical University of Athens, 2015, pp. 706-720.

12. Smith R., Hunt H. Vibration of bell towers excited by bell ringing - a new approach to analysis. Proceedings of the 23rd International Conference on Noise and Vibration Engineering, ISMA' 08, 9-15-2008 to 9-17-2008, Leuven, Belgium. P. Sas (ed.). Heverlee (Belgium), Katholieke Univ. Leuven, 2008, pp. 699-714.

13. Vel'sovskij A., Karpov B., Smirnova E. Development of a new method for checking frost heave in roads. Proceedings of the ICE - Civil Engineering. 2015;168(5):49-54. DOI: 10.1680/cien.14.00036

FEFU: SCHOOL of ENGINEERING BULLETIN. 2019. N 2/39

Ecological Safety of Construction www.dvfu.ru/en/vestnikis

DOI: https://dx.doi.org/10.24866/2227-6858/2019-2-14

Smirnova E.

ELENA SMIRNOVA, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, e-mail: esmirnovae@yandex.ru Department of Technosphere Safety, Faculty of Engineering Ecology and Municipal Facilities

Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering 4 Vtoraja Krasnoarmejskaja St., St. Petersburg, Russia, 190005

Non-destructive method applied to the restoration of historical monuments

Abstract: The use of buildings and structures as elements of the urban environment should first of all be safe, with a theoretically-predicted structural strength in various natural and man-made emergencies. The article discusses ways to solve the problem of ensuring the safety of buildings and structures in use if the operating conditions of these facilities change. The assessment of possible consequences of bells installation on the steeples of St. Isaac's Cathedral is given as an illustration. The measurements of vibrations with simultaneous assessment of robustness and bearing capability of the brickwork have shown that the vibrational impact of chimes of heavy bells can not adversely affect the bearing structures of the bell towers. Thus, the ecological environment forming factor that forms a safe area of human habitation is taken into account. However, there is always a risk of such adverse affect on the structure of the bell tower and stability of soils at its base. It is offered, therefore, to carry out investigation before the beginning of reconstruction using the structure model, which makes it possible to give consideration to the impact of «new» planed loads to exclude any possible emergency situation at the facilities undergoing renovation.

Keywords: operational safety, oscillations, control and stability of the soil, non-destructive testing method, dynamic parameters, vibrational impact, historical monument.

REFERENCES

1. Adushkin A.V., Goncharov A.I., Kulikov V.I. The vibrations of bell tower excited by bell ringing. Dynamic processes in geospheres. 2010;1:172-180.

2. GOST (2007). GOST R 52892-2007. Vibration and shock. Vibration of buildings. Measurement of vibration and evaluation of its effects on structure. M., Standartinform, 2008, 16 p.

3. GOST 31937-2011. Buildings and constructions. Rules of inspection and monitoring of technical condition. M ., Standartinform, 2014, 55 p.

4. Zhigalin A.D., Lokshin G.P. The formation of the vibrational field in the geological sphere. Engineering Geology. 1991;6:110-119.

5. Savin S.N. The use of elastic oscillations of different wavelengths to evaluate the dynamic parameters of buildings and structures and assess the strength of stone walls. Earthquake engineering. Constructions Safety. 2017;4:43-55.

6. SNiP 2.2.4 / 2.1.566-96. 2.2.4. Physical factors of the working environment. 2.1.8. Physical factors of the environment. Production vibration, vibration in residential and public buildings. M .: Ministry of Health, 1997. 35 p.

7. TSN (2004). TSN 50-302-2004. Designing the foundations of buildings and structures in St. Petersburg. St. Petersburg, Strojizdat, 2004, 38 p.

8. Frost A.J. Towers and Bells. 2nd ed. Guildford, Surrey, Central Council of Church Bell Ringers, 2006, 119 p.

9. Menéndez B. Non-destructive techniques applied to monumental stone conservation. Non-Destructive Testing. Marquez F.P.G., Papaelias M., Zaman N. (eds.). L., InTech, Rijeka, 2016, pp. 170-209.

DOI: 10.5772/61596.

10. Savin S., Smirnova E. Evaluation of mechanical safety of building structures using elastic vibrations varying in wavelength. World Applied Sciences J. 2013;23(11): 1448-1454.

DOI: 10.5829/ido-si .wasj .2013.23.11.13161

11. Savin S., Tsakalidis V. The use of elastic oscillations of different wavelengths to evaluate the dynamic parameters of buildings and structures and assess the strength of materials of the building construction. COMPDYN 2015. Proc. of the 5th Intern. conf. on computational methods in structural dynamics and earthquake engineering,. 25-27 May 2015, Crete Island, Greece. Papadrakakis M., Papadopoulos V., Plevris V. (eds.). Hersonissos, Crete, National Technical University of Athens, 2015, pp. 706-720.

12. Smith R., Hunt H. Vibration of bell towers excited by bell ringing - a new approach to analysis. Proceedings of the 23rd International Conference on Noise and Vibration Engineering, ISMA' 08, 9-152008 to 9-17-2008, Leuven, Belgium. P. Sas (ed.). Heverlee (Belgium), Katholieke Univ. Leuven, 2008, pp. 699-714.

13. Vel'sovskij A., Karpov B., Smirnova E. Development of a new method for checking frost heave in roads. Proceedings of the ICE - Civil Engineering. 2015;168(5):49-54. DOI: 10.1680/cien. 14.00036