Badania diagnostyczne drewnianych elementów więźby dachowej w XIX-wiecznym kościele

W artykule: 

• Charakterystyka budynku
• Badania diagnostyczne elementów więźby dachowej 
• Analiza wyników
• Podsumowanie

***

Skuteczne działania ratujące zabytkowe konstrukcje drewniane wymagają przeprowadzenia odpowiednich badań diagnostycznych. Wyniki tych badań pozwalają na zaproponowanie rozwiązań naprawczych, nieingerujących w historyczny układ architektoniczno-konstrukcyjny budynku. Jednak w obiektach zabytkowych występują ograniczenia możliwości stosowanych metod diagnostycznych, wykluczona jest grupa metod niszczących. W artykule przedstawione są badania drewnianych elementów konstrukcyjnych więźby dachowej w XIX-wiecznym kościele w Osiecznicy przeprowadzone in situ metodami nieniszczącymi NDT. Zastosowane zostały typowe techniki ultradźwiękowe i sklerometryczne oraz dodatkowo autorska metoda ultradźwiękowa z wykorzystaniem urządzenia analizującego prędkość przepływu fal poprzecznych.

Diagnostic tests of wooden roof truss elements in a 19th-century church

Effective actions to save historic wooden structures require appropriate diagnostic tests. The results of these tests allow for the proposal of repair solutions that do not interfere with the building’s historical architectural and structural layout. However, in historic buildings, there are limitations to the possibilities of diagnostic methods used, and the group of destructive methods is excluded. The article presents tests of wooden structural elements of the roof truss in the 19th-century church in Osiecznica conducted in situ using non-destructive NDT methods. Typical ultrasonic and sclerometric techniques were used, as well as an original ultrasonic method using a device analyzing the flow velocity of transverse waves.

***

Wybór metod renowacji obiektów uzależniony jest od wyników badań diagnostycznych [3–5]. W przypadku budynków szkieletowych istotnym zadaniem jest określenie właściwości mechanicznych elementów konstrukcyjnych [6, 7]. W budynkach nieobjętych ochroną konserwatorską właściwości mechaniczne elementów określa się metodami niszczącymi, jednak w budynkach zabytkowych wykluczony jest wysoki stopień ingerencji w tkankę historyczną. Wszystkie badania prowadzone w obiektach zabytkowych wymagają, oprócz spełnienia wytycznych normowych, uwzględnienia warunków związanych ze spełnieniem wymogów konserwatorskich. Badania diagnostyczne elementów konstrukcyjnych w budynkach objętych ochroną konserwatorską mogą być prowadzone metodami nieniszczącymi (NDT) in situ [8–11]. Wyniki tych badań są podstawą dalszych etapów działań renowacyjnych, pozwalają na zaproponowanie rozwiązań naprawczych, nieingerujących w historyczny układ architektoniczno-konstrukcyjny budynku.

Przeczytaj też: Konstrukcje drewniane a bezpieczeństwo pożarowe w zakresie NRO i klasy reakcji na ogień – fakty, wymagania, ograniczenia

Charakterystyka budynku

Przykładem drewnianej konstrukcji szkieletowej jest neogotycki kościół pw. św. Apostołów Piotra i Pawła w Osiecznicy w woj. lubuskim (FOT. 1). Budynek zbudowany został w 1816 r. wg projektu Karola Fryderyka Schinkla, uznawanego za próbę wykreowania kościoła wzorcowego dla konstrukcji szkieletowej [12]. Obiekt usytuowany jest na lekkim wzniesieniu, w bliskiej odległości od rzeki Odry. Świątynia, początkowo ewangelicka, jest orientowana, założona na rzucie prostokąta, o bryle nawiązującej do formy bazylikowej z wyższą środkową częścią z poddaszem, przekrytą dachem dwuspadowym oraz dwoma bocznymi jednokondygnacyjnymi częściami z dachami jednospadowymi. Nad korpusem kościoła, w środkowej części elewacji zachodniej, znajduje się wieżyczka na rzucie kwadratu zwieńczona wieloboczną iglicą. Przy elewacji północnej dobudowana jest kruchta nakryta dachem dwuspadowym.

Ściany budynku są wykonane w drewnianej konstrukcji szkieletowej z wypełnieniem z cegły. Konstrukcję szkieletową tworzą słupy i rygle oraz stężenia krzyżowe w narożach budynku (FOT. 2). W części podgzymsowej ścian naw bocznych występują dodatkowe wzmocnienia konstrukcji w postaci zastrzałów w formie krzyża św. Andrzeja wzbogaconych zdobieniami. Pokrycie dachów jest z dachówki karpiówki, iglicy z blachy cynkowej. Ściany kościoła od strony zewnętrznej są tynkowane w polach murowanych tynkiem cementowo-wapiennym zacieranym na gładko z uwidocznioną drewnianą konstrukcją szkieletową. Stolarka okienna została po wojnie wymieniona na proste wielokwaterowe okna w miejsce pierwotnych neogotyckich form ostrołukowych [13].

Wnętrze kościoła pierwotnie było jednoprzestrzenne z emporami przy ścianach bocznych i tylnej wschodniej (FOT. 3), obecnie w narożnikach północno-zachodnim i południowo-zachodnim wydzielono dwa pomieszczenia: zakrystię i aneks gospodarczy. Przy ścianie zachodniej wprowadzono nowy ołtarz posoborowy umieszczony w miejscu dawnego ołtarza ambonowego, charakterystycznego dla wyznania protestanckiego. Całość ścian wnętrza świątyni pokryta jest boazerią. Stropy empor i strop nad główną częścią kościoła są drewniane belkowe schody na empory i poddasze drewnanie policzkowe. Konstrukcja dachu drewniana w formie tzw. łamanego dachu polskiego (FOT. 4). Nad nawą główną dach ma konstrukcję jętkową jednostolcową z płatwią kalenicową, a obniżony dach nad nawami bocznymi ma konstrukcję krokwiową.

Badania diagnostyczne elementów więźby dachowej 

W 2020 r. przeprowadzony został remont kościoła obejmujący zakresem:

• remont ściany północnej i zachodniej polegający na uzupełnieniu elementów drewnianych przez flekowanie lub wymianie fragmentów elementów, miejscowych przemurowaniach i wykonaniu nowych cienkowarstwowych mineralnych wypraw tynkarskich w polach murowanych,
• wykonanie niezbędnych prac ciesielskich polegających na miejscowym wzmocnieniu elementów konstrukcyjnych więźby dachowej oraz
• wymianę pokrycia dachowego wraz z opierzeniami i orynnowaniem.

W październiku 2023 r. przeprowadzone zostały badania (FOT. 5–6) w celu określenia właściwości mechanicznych elementów konstrukcyjnych więźby dachowej. 

Prowadzono badania semi-nieniszczące młotkiem do drewna Wood Peker DRC 19C0085M (FOT. 7a), badania ultradźwiękowe przy wykorzystaniu urządzenia UK 1401 SURFER (FOT. 7b), mierzącego prędkość przepływu fali poprzecznej wzdłuż włókien oraz przy wykorzystaniu urządzenia UK 1410 PULSAR (FOT. 7c), mierzącego prędkość podłużnej fali ultradźwiękowej w poprzek włókien.

Semi-nieniszczące badania elementów więźby młotkiem do drewna

Badania młotkiem do drewna polegają na wbiciu w badany element igły o średnicy 2,5 mm, długości 50 mm, wykonanej ze stali o twardości 60 HRC i zakończonej stożkiem o kącie 35°. Energia uderzenia młotkiem w igłę wynosi 2,207 Nm. Po pięciokrotnym uderzeniu młotkiem, przy użyciu wskaźnika zegarowego, zmierzono zagłębienie igły. Badania prowadzono w wybranych elementach więźby (RYS. 1). Badania prowadzono na elementach bez korozji biologicznej oraz na elementach wykazujących uszkodzenia. Wyniki badań zamieszczono w tabeli 1.

Nieniszczące ultradźwiękowe badania elementów więźby

Jako pierwszy techniki NDT wykorzystujące fale ultradźwiękowe do charakterystyki sprężystej drewna promował Hearmon [14]. Nieniszczące ultradźwiękowe badania elementów więźby polegały na pomiarze czasu przejścia fali ultradźwiękowej przez drewno. Urządzenia rejestrują czas przejścia fali ultradźwiękowej i automatycznie obliczają prędkość fali ultradźwiękowej na podstawie odległości między głowicami nadawczą i odbiorczą. W urządzeniu UK1401 Surfer wykorzystuje się ultradźwiękową falę poprzeczną, a samo badanie prowadzi się wzdłuż włókien drewna badanego elementu. W urządzeniu UK1410 Pulsar wykorzystuje się ultradźwiękową falę podłużną, a badanie wykonuje się w poprzek włókien. Oba urządzenia zaopatrzone są w ultradźwiękowe głowice eksponencjalne (punktowe), które nie wymagają dodatkowego sprzężenia akustycznego. W urządzeniu UK1401 Surfer zabudowano dwie głowice w stałym rozstawie 15 cm, natomiast w urządzaniu UK1410 Pulsar zabudowano 2x po 7 głowic. W urządzeniach zastosowano głowice na sprężynach, dostosowujące się do płaszczyzny badanego elementu. W obu urządzeniach można wykonać badania przez wady drewna (np. sęki).

Przeprowadzono badania in situ w wybranych miejscach więźby dachowej, pokazanych na RYS. 2–3.

Badania wykonane urządzeniem UK1401 Surfer oznaczono symbolem U, natomiast badania wykonane urządzeniem UK1410 Pulsar symbolem UP. Badania prowadzono zarówno w miejscach nieuszkodzonych, jak i w miejscach wykazujących korozję biologiczną. Dodatkowo urządzeniem UK1401 Surfer badano prędkość przepływu ultradźwięku przez wady drewna (sęki). Wyniki badań podano w TABELACH 2–3.

Analiza wyników

Na podstawie uzyskanych wyników badań sklerometrycznych została wykonana ocena jakościowa drewna. W elementach skorodowanych igła wbijała się głębiej. W elementach nieuszkodzonych średnia głębokość wbicia igły wyniosła 23,07 mm, przy odchyleniu standardowym równym 1,48 mm (współczynnik zmienności 6,4%), natomiast w elementach uszkodzonych średnia głębokość wbicia igły wyniosła 31,03 mm.

W przypadku badań młotkiem do drewna nie udało się określić wytrzymałości drewna. Producent urządzenia podaje co prawda korelację głębokości wbicia stalowej igły do wytrzymałości drewna na zginanie, ale dla włoskich gatunków drewna: jodły, kasztanu i dębu. Więźbę wykonano z krajowego drewna świerkowego. Producent podaje ponadto korelację tylko w przedziale głębokości wbicia 12÷18 mm. W przedmiotowym przypadku igła wbijała się głębiej. Nie można było zatem skorzystać z krzywych głębokość wbicia igły – wytrzymałość drewna opracowanych przez producenta.

Na podstawie wykonanych badań ultradźwiękowych wykonana została analiza jakościowa drewna. W przypadku badań urządzeniem UK1401 Surfer (ultradźwiękowa fala poprzeczna) w elementach nieuszkodzonych uzyskano średnią prędkość ultradźwięku równą 5330 m/s, przy odchyleniu standardowym 184 m/s (współczynnik zmienności 3,5%). W elementach z korozją biologiczną uzyskano średnią prędkość ultradźwięku równą 4266 m/s, przy odchyleniu standardowym 865 m/s (współczynnik zmienności 20%). Urządzenie UK1401 Surfer wykorzystano ponadto w badaniach wad (sęki).

Zbadano dziewięć miejsc wadliwych, umieszczając głowice urządzenia po obu stronach sęku (FOT. 8). Uzyskano średnią prędkość ultradźwięku równą 3962 m/s, przy odchyleniu standardowym 607 m/s (współczynnik zmienności 15%). Widać zatem wyraźnie, że prędkość ultradźwięku w okolicy wady maleje o 25%, gdyż wydłuża się droga przepływu fali ultradźwiękowej (fala omija wadę).

W przypadku badań wykonanych urządzeniem UK1410 Pulsar (ultradźwiękowa fala podłużna) w elementach nieuszkodzonych uzyskano średnią prędkość ultradźwięku równą 1994 m/s przy odchyleniu standardowym 150,1 m/s (współczynnik zmienności 7,5%), natomiast w elementach uszkodzonych prędkość była o 32% mniejsza i wynosiła 1370 m/s.

W przypadku badań ultradźwiękowych również nie można było określić wytrzymałości drewna, ponieważ dostępne w literaturze krzywe korelacyjne nie dotyczą krajowego drewna zabytkowego. Przykładowo w pracy [15] opisano badania nieniszczące z wykorzystaniem podłużnej fali ultradźwiękowej do określenia stanu stropu drewnianego w budynku historycznym w Sewilli. Jednakże zarówno w literaturze krajowej, jak i zagranicznej nie znaleziono ponadto krzywych korelacyjnych opisujących zależność między wytrzymałością drewna a prędkością poprzecznej fali ultradźwiękowej.

Podsumowanie

W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że zakres prac remontu elementów konstrukcyjnych więźby dachowej będzie niewielki. Podczas badań nie stwierdzono śladów zagrzybień ani charakterystycznego zapachu stęchlizny. Wyniki badań sklerometrycznych i ultradźwiękowych pozwoliły na pozytywną ocenę jakościową drewna.

Przeprowadzone badania w kościele w Osiecznicy oraz w kilku innych obiektach wykazały jednak, że stosując metody nieniszczące i semi-nieniszczące nie można określić wytrzymałości drewna, metody te można stosować jedynie do jakościowej oceny drewna. Metodami tymi można wyznaczać miejsca korozji biologicznej oraz określać wpływ wad wewnętrznych na jakość drewna. Aby określić wytrzymałość drewna, należy opracować krzywe korelacyjne opisujące zależność wynik badania nieniszczącego – wytrzymałość drewna. Wymaga to przeprowadzenia nieniszczących i niszczących badań laboratoryjnych drewna zabytkowego. Takie badania są aktualnie prowadzone przez autorki artykułu na pełnowymiarowych elementach belkowych pozyskanych z obiektów zabytkowych.

Literatura

1. Franke H., „Ostgermanische Holzbaukultur”, Breslau 1936.
2. Klein U., „Datierte Fachwerkbauten des 13. Jahrhunderts”, Zeitschrift fur Archeologie des Mittelaltres, 1985 nr 13.
3. Morales Conde M.J., Rodríguez Linan C., Rubio de Hita P., „Use of ultrasound as a non-destructive evaluation technique for sustainable interventions on wooden structures”, „Building and Environment” Vol. 82, 2014, s. 247–257.
4. Calderoni C., De Matteis G., Giubileoa C., Mazzolani F.M., „Experimental correlations between destructive and non-destructive tests on ancient timber elements”, „Engineering Structures”, Vol. 32, nr 2, 2010, s. 442–448.
5. Drobiec Ł., „Renowacje konstrukcji obiektów zabytkowych. Systematyka – uszkodzenia – naprawy” Część I. Archmedia, Warszawa 2018.
6. Tajchman J., Jurecki A., „Historia technik budowlanych”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2020.
7. Jaskowska-Lemańska J., Daniel Wałach D., „Impact of the Direction of Non-destructive Test with Respect to the Annual Growth Rings of Pine Wood”, „Procedia Engineering”, Vol. 161, 2016, 925–930.
8. Drobiec Ł., Pająk Z., Jasiński R., „Repair problems of the wooden structure of churches”, „Journal of Heritage conservation” nr 53, 2018, p. 31–44.
9. Ksit B., Szymczak-Graczyk A., Thomas M., Pilch R., „Implementation of the Results of Experimental Studies with the Use of the Sclerometric Method of Plane Elements in Wooden Buildings”, „Energies” 2022; 15(18):6660.
10. Nowogońska B., „Technical Aspects of Renovation of the 16th-Century Roof Truss”, „Civil and Environmental Engineering Reports” 2019; 29(4):79–88.
11. Skrzypczak I., Oleniacz G., Leśniak A., Mrówczyńska M., Rymar M., Oleksy M., „A practical hybrid approach to the problem of surveying a working historical bell considering innovative measurement methods”, „Heritage Science” 11, 152. 2023.
12. Szymańska-Dereń M., „Kościoły zrębowe i szkieletowe województwa lubuskiego”, Wyd. LWKZ, Zielona Góra 2009.
13. Karta Ewidencyjna Zabytków Architektury i Budownictwa i Architektury kościoła w Osiecznicy, archiwum Wojewódzkiego Urzędu Ochrony Zabytków w Zielonej Górze.
14. Hearmon R.F.S., „The elasticity of wood and plywood”, H.M.S.O, London, 1948.
15.  Linan C.R., de Hita P.R., de Cozar J.C.G., „Application of ultrasonic techniques, as a nondestructive method, for the evaluation of a sixteenth century wooden ceiling, in the Marqueses de la Algaba Palace”, Seville, Transactions on the Built Environment vol 26, 1997.