MŰEMLÉKI ÉPÜLETEK, TEMPLOMOK TARTÓSZERKEZETEINEK FESZÍTŐKÁBELES MEGERŐSÍTÉSE

MŰEMLÉKI ÉPÜLETEK, TEMPLOMOK TARTÓSZERKEZETEINEK FESZÍTŐKÁBELES MEGERŐSÍTÉSE STRUCTURAL REINFORCEMENT OF MONUMENT BUILDINGS AND CHURCHES BY USING PRESTRESSED ANCHORS Orosz Árpád - Áspán László Orosz Árpád Építőmérnöki Bt. - TÉRHATÁS Kft. ÖSSZEFOGLALÁS A hagyományos szerkezetű templomok képezik műemléki templomaink döntő hányadát. Ezek nem rendelkeznek koszorúkkal, amelyek az altalaj eredetű mozgások, a szerkezeti oldalnyomások, vagy a különböző dinamikai hatások okozta repedések kialakulását korlátoznák. Cégünk közel tíz éve foglalkozik a károsodott templomok speciális, feszítőkábeles technológiával történő tartószerkezeti megerősítésével. A technológia lényege, hogy beépített feszítőkábelek segítségével biztosítjuk a kiegyensúlyozatlan erők felvételét, és ezzel stabilizáljuk a templomok állapotát, megállítjuk, és megelőzzük a mozgásokat. A kivitelezés minimális rombolással jár, és a beavatkozás szinte teljesen rejtve marad. ABSTRACT Our monument churches were constructed without a reinforced-concrete head beam which is able to constrain the deformations and crack formation caused by the settlement of the foundation, by the horizontal internal forces of the structure or by the dynamical effects. Our company has been dealing with the structural reinforcement of damaged churches for 10 years, by applying prestressed anchor reinforcement process. The essence of this process is that due to the proper construction and prestressing of anchors the elimination of most of the unbalanced forces could be ensured. In this way we can keep the existing position of the structure and the further deformations and displacements can be avoided. KULCSSZAVAK/KEYWORDS károsodások, megerősítés, feszítőkábel damage, reinforcement, prestressed anchor I. JELLEMZŐ KÁROSODÁSOK TEMPLOMAINKON, AMELYEK A FELLÉPŐ VÍZSZINTES ERŐK NEM KELLŐ FELVÉTELÉRE VEZETHETŐK VISSZA

2 1. A hosszfalak közel függőleges repedései jellemzően a gyengített keresztmetszetekre koncentrálódva A hagyományos szerkezetű templomok, amelyek templomaink döntő hányadát képezik, nem rendelkeznek koszorúkkal, amelyek a szerkezeteket időről időre terhelő altalaj eredetű mozgások, vagy különböző forrásokból eredő dinamikai hatások káros következményeit korlátoznák. 1. kép Közel függőleges repedés az oldalfalon Tamási, rk. templom A tégla falazatokon nyugvó különböző fa-, esetleg acélgerendás födémekkel, vagy különböző falazott boltozatokkal rendelkező templomokban a fa sárgerenda volt hivatott az esetleges hosszirányú erők felvételére, egyfajta koszorú funkció betöltésére. Csak időnként találkozhatunk befalazott hosszkötő vasakkal (iregszemcsei rk. templom), esetleg fagerendákkal (tamási rk. templom) A gyakran 2-300 éves szerkezetekben a falazattal közvetlenül érintkező sárgerendák, amelyek a beázásokkal leginkább érintett ereszek közelében vannak, korhadásnak erősen kitett szerkezetek. Cseréjük esetén gyakran - csak az alátámasztó funkcióra gondolva - elhanyagolták a hosszirányú kötést, így az épületet összefogó funkciójuk erősen korlátozódott, vagy megszűnt. Fenti folyamat eredményeként lényegében akadálytalanul jelennek meg a főfalakon a közel függőleges lefutású repedések a nyílásokkal gyengített keresztmetszetekben. 2. Az egytornyos templomokra általában jellemző fejnehézség okozta mozgások, repedések

3 A hagyományos egytornyos templomoknál, ahol a hajó elé, annak tengelyében épült a torony, idővel jellemzően a torony nagyobb süllyedése alakul ki. Ez általában a torony dőlésével jár együtt, és a toronnyal együtt az oromfal, esetleg a hosszfalak első szakasza is elmozdul előre, az első gyengített keresztmetszettől. Domboldalba épített templomok esetén ez a jelenség még markánsabban tetten érhető. 2. kép A templom elváló első része - Szakály, rk. templom Fenti mozgások korlátozására a hagyományos építésmódban általában semmilyen szerkezet nem szolgál, csupán helyenként találkozhatunk a főfalba befalazott hosszirányú falkötő vasakkal. Vasbeton koszorú utólagos beépítése általában nem oldja meg a problémát, mert a vasbeton koszorú elsősorban a húzások felvételére alkalmas, és a torony bekötésénél igényként jelentkező hajlító nyomatéki teherbírása nagyságrenddel kisebb a szükségesnél. 3. A boltozott hajólefedések oldalnyomásának nem kellő felvétele okozta károsodások

4 A falazott dongaboltozat, fiókboltozatos donga boltozat, vagy falazott, keresztirányú boltövekre támaszkodó két irányban görbült falazott boltozatok, csehsüveg boltozatok esetén, a boltozatok, boltövek oldalnyomásának felvételéről gondoskodni kell. A reneszánsz erre a célra vonóvasakat használt. A gótikában erre szolgáltak a támpillérek. A barokk ezeket elhagyva belső pillérkötegekkel erősíti az oldalfalakat. Ezeken túl falkötő vasakat építettek be ferdén a boltövekbe, melyeket vagy a tetőszerkezet kötőgerendáihoz, vagy önálló falkötő gerendákhoz kötöttek be a padláson, és a hosszfal külső oldalán horgonyozták le egy függőleges kovácsoltvas pálcával. A tetőszerkezet kötőgerendái és a falkötő gerendák időben romló szilárdsági és alakváltozási tulajdonságai miatt a fenti ferde falkötő-vasas merevítő rendszer hatékonysága korlátozott, és időben romló. Sok templomon látható ezen rendszerek több lépcsőben való megerősítése, ami arra utal, hogy elődeink már az építést követő évtizedekben is küzdöttek ezzel a problémával. Szerencsésebbek a városi, zártsorú beépítésbe beszorított templomok, ahol a csatlakozó épületek jó eséllyel besegíthetnek a hosszfalaknak az oldalnyomások felvételébe. 4. A templomhajóba alaprajzilag behúzott toronyszerkezetek károsodásai, ahol a hajó felőli toronyfal boltozott nyílásra támaszkodik Sok olyan templom ismert, ahol a tornyot nem a hajó homlokfala elé, hanem abba többé-kevésbé, vagy teljesen behúzva építették. Sok esetben a torony hajó felőli falát nem vitték le az alapokig, hanem egy harántfalban képzett boltozott nyílásra támasztották, amelynek a nyílása szélesebb a toronytest szélességénél. Ez a megoldás kiküszöbölte a fejnehézség problémáját. Ezek a tornyok nem dőlnek általában előre, azonban a hátsó fal alatti boltöv oldalnyomásának felvétele komoly kihívás elé állította az építőket. A kései utódok sem mindig értették meg ezen szerkezetek erőjátékát, és sok szakszerűtlen beavatkozás gyengítette az oldalnyomás felvételét. Ennek legmarkánsabb példája a baranyai Belvárdgyulán pár éve összedőlt templom, ahol a torony belső falát megtámasztó boltöv oldalnyomását felvevő szerkezetek teherbírása kimerült. Ennek következtében a torony rádőlt a templomhajóra, és azt is lerombolta.

5 II. JAVASLATOK A FALAZOTT SZERKEZETEK MEGERŐSÍTÉSÉRE A VÍZSZINTES ERŐK CSÚSZÓKÁBELES FESZÍTÉSÉS TECHNOLÓGIÁVAL VALÓ FELVÉTELÉRE 1. A falazatok koszorúszerű összefogása A falazatok összefogására csúszókábeles feszítőkábeleket építünk be a falazatokba: A feszítő kábelek beépítési lehetőségei: - falhoronyba bevésve - a falba hosszában befúrva a fal végéről indulva - a falba hosszába befúrva az ablakok magasságában - a falba hosszába befúrva a parapetfalba vésett fészekből 3. kép Pécs, Irgalmasok temploma a város főterén 1. ábra Pécs, Irgalmasok temploma alaprajz A feszítőkábelek lehorgonyzási lehetőségei:

6 - egyenesen vezetett kábelek(falak belső oldalán) - iránytöréssel vezetett kábelek a falazatok belsejében (falak külső oldalán) - iránytöréssel vezetett kábelek kiegészítő szerelvényekkel - lehorgonyzás a falba bevésett lehorgonyzó elemekkel - lehorgonyzás a falba befúrt páncéllemezekkel - lehorgonyzás falon kívüli páncéllemezekkel - lehorgonyzás összekötő acélszerelvényekkel A falak belső oldalán vezetett kábelek általában egyenesen kifuttathatóak a merőleges falra, és annak külső oldalán kerülnek lehorgonyzásra. A kábelek feszítéskor kiegyenesednek, tehát ez az alaphelyzetük. Ettől eltéríteni a kábeleket csak iránytörési erők árán lehet. Ilyen igény esetén ezeket pontos számítások alapján kontrolálni kell, gondoskodni kell az iránytörési erők felvételéről és továbbadásáról. A falak külső oldalán vezetett kábelek általában nem vezethetők ki egyenesen a lehorgonyzást biztosító falfelületre, mert úgy annak a szélén kellene esetleg nagy erőket felvenni, ami a falsarok lerepedéséhez vezethet. A tervezés egyik legnagyobb kihívása megtalálni a feszítőkábelek helyét úgy, hogy erőtani szerepüket is betöltsék, de egyben elkerüljük, vagy minimalizáljuk az épület védendő értékeinek sérülését. A kontrolált iránytörések lehetősége nagy segítség ebben a feladatban. A tervező és a kivitelező szoros együttműködése kulcsfontosságú mind a tervezés, mind a kivitelezés fázisában. A tervezés és kivitelezés másik fontos feladata az erők átadásának kézben tartása mind a lehorgonyzások, mind az iránytörések esetén. Ez komplex szemléletet igényel a folyamat egészében. A falak mellett szabadon vezetett kábeleket építünk be: Bizonyos esetekben lehetőségünk van roncsolás mentesen a falak előtt végigvezetni az adott falat összefogó feszítőkábelt. Hosszfalak padlástéri szakaszán, belül vezetett kábelek. A padláson vezetett hosszkábel alkalmas párja lehet a hosszfalon kívül vezetett bevésett kábelnek, és nem a templom belsejében kell bevésnünk a falba.

7 4. kép A padlástéren vezetett feszítőkábel védőbetonozással Pécs, Irgalmasok temploma A padláson vezetett kábelek elöl a homlokfalon horgonyozhatók le, a szentély felőli végen pedig sok esetben lehetőség van a szentély külső falára való kifuttatásra. Ekkor a kábel kívülről a szentély falát, abba bevésve körbefogja. 5. kép A szentély apszisán kívül körbevezetett feszítőkábel Iregszemcse, rk. templom A hosszfalakon belül vezetett kábelek a templomhajóban - szabadon vezetett feszítőkábelek a belső osztópárkányok takarásában - szabadon vezetett feszítőkábelek a hossz-boltövek tengelyében

8 6. kép Szekszárd, belvárosi templom Szabadon vezetett feszítőkábelek a belső osztópárkányok takarásában A templomhajóban vezetett hosszkábelek előnye a padlástérben vezetett kábelekkel szemben, hogy lényegesen nagyobb leterhelő erő áll rendelkezésünkre, hiszen a boltozat teljes súlya is jelen van már ezen a szinten. A feszítőkábeles összefogás előnyei: - Minimális roncsolással építhetők be a kábelek, amely egyrészt munkaerőt takarít meg, másrészt a védendő felületek könnyebben kikerülhetők, illetve kisebb javításra szorulnak. - A feszítőkábelek több szinten beépíthetők. - A falak átfúrása gyémánt fúrófejjel, minimális dinamikus hatással, vizes technológiával készül, így az eleve sérült szerkezetek nem kapnak esetleg további károsodásokat okozó nagy dinamikus hatásokat. - A szerkezeteket összefogó erő rögtön a beépítés után rendelkezésre áll, nem kell ehhez további mozgásnak fellépni, így jó eséllyel korlátozza a további mozgások kialakulását.

9 - A repedések feszítés előtti korrekt kiinjektálása esetén a feszítőerők bevitelével helyreáll a tényleges erőátadó funkció is. Ennek különösen boltövek és boltozatok esetén van jelentősége. Repedésekkel terhelt boltozatok esetén az eredeti kétirányú erőjáték egészen leépülhet. Ennek részleges helyreállítása is lehetséges a feszítőerők bevitelével. - A kialakult mozgások kismértékű visszaállítására is esély lehet, ami hagyományos technológiával elképzelhetetlen. - A feszítőkábelek beépítésével a falazatok egyfajta hajlítási merevséghez jutnak. - A feszítőkábel kontrollált iránytöréseivel a templomok védendő részei könnyebben kikerülhetők, megóvhatók, mint pl. merev vonórudak esetén. A hagyományos vasbeton koszorúk beépítésének korlátai: - A vasbeton koszorú beépítése komoly roncsolást igényel. - Ahhoz, hogy a beépített vasalás erőt vegyen fel, végezze a dolgát, további mozgások kialakulása szükséges. - A koszorúk általában nem kapcsolódnak födémhez, hogy annak tárcsahatását biztosítva legyenek a merevítő rendszer részei. Mint önálló elemekre, csak saját hajlító merevségükre számíthatunk, ami a roncsolás minimalizálásának igénye miatt általában korlátozott. Az erőátadásban gondot jelent minden szélességi váltás, a torony-hajó, a hajó-szentély kapcsolata. 7. kép Eltörött vasbeton koszorú a hajó-szentély találkozásnál Gyulaj, rk. templom

10 2. Torony hátrafogása a hajóhoz feszítőkábelek beépítésével A hagyományos egytornyos, egyhajós templomok jellegzetes hibája a tornyok előre dőlésének kialakulása, amely a két különböző súlyú és alapozású szerkezet különböző mozgása miatt nehezen kiküszöbölhető. Ha a vízelvezetésre nem figyelnek kellőképpen, vagy a hajó fedésére utólag készített esőcsatorna vizét a torony mellett vezetik le anélkül, hogy gondoskodnának a templomtól való elvezetésről, tovább romlik a torony helyzete. A torony alapozásának megerősítése nem egyszerű, és költséges feladat. A torony hátrakötése a templomhajóhoz sok esetben olcsóbb, és kockázatmentes alternatívája lehet az alap-megerősítésnek, vagy azzal együtt alkalmazva csökkentheti a torony alap-megerősítésének kockázatait. A torony megdőlésével a torony súlya külpontossá válik, és éppen a jobban süllyedő alapozást terheli meg még jobban. Ezáltal a megindult folyamat erősíti magát, tehát nem érdemes várni a beavatkozással. A torony feszítőkábeles hátrakötésével a feszítőerő közel egy nagyságrenddel nagyobb karon hat, mint a torony alaprajzi mérete. Ez azt jelenti, hogy a torony súlyánál egy nagyságrenddel kisebb erővel is hatékonyan beavatkozhatunk az alapozáson kialakuló külpontosság mértékébe. A hátrakötő kábeleket lehetőségünk lehet közvetlenül végigvezetni a padlástéren, magasságilag, és alaprajzilag ferdén, hogy a templomhajószentély találkozás szélességi váltásánál a hosszfalhoz támasztva lehorgonyozzuk, vagy körbevezessük a szentély körül. 8. kép A tornyot hátrakötő feszítőkábel tűzvédelmi bevonattal Tamási. rk. templom

11 3. A templomok boltozott fedései okozta oldalnyomások felvétele feszítőkábelek beépítésével Az elmúlt 60-80 évben sok templom esetében építettek be ellenmenetes lágyvas vonórudakat az oldalfalak kitérésének korlátozására. Ezek általában hatékonynak bizonyultak, de a megoldásnak vannak korlátai. - A vonórudak megfeszítésének korlátozott a lehetősége, még kisebb templomok esetén sem feszíthető meg a szükséges erő értékére. - Csak további mozgások árán tud felvenni nagyobb erőket. - A további mozgások drasztikus korlátozása csak a keresztmetszeti méret drasztikus növelésével érhető el. - A falba beépített meglévő kovácsoltvas falkötő vasak lehorgonyzási helyeivel való ütközés nem megoldható. - A vonórudak feszítőereje nagyban függ a hőmérséklettől 9. kép Boltozati oldalnyomások felvétele feszítőkábelekkel Pécsvárad, rk. templom Feszítőkábel esetén lehetőségünk van arra, hogy a kábelvezetést magasságilag megtörjük a falpillérekben való ferde vezetéssel. Alaprajzilag is van lehetőség kisebb korrekcióra, amennyiben régi, még minden bizonnyal erő alatt lévő vonórúd lehorgonyzásába ütköznénk. Így a templom terében való látható elhelyezés esztétikai szempontjai jobban érvényesíthetőek.

12 A vonórúd-feszítőkábel tervezett feszítőerejét a boltozat boltöv vízszintes reakciói határozzák meg. A szükséges feszítőerők a templom méretének és a boltozat kialakításának függvényében tág határok között mozoghatnak, amit jól tudunk követni feszítőkábelek esetén. Eddigi gyakorlatunkban 70 kn és 600 kn közötti értékekkel találkoztunk. A feszítőkábelt acél védőcsőben vezetjük át a templom légterén, amelyet tűzvédelmi festést követően a templom belső festéséhez igazodó színre lehet festeni. Nincsenek ellenmenetes anyák, mint a lágyvasas vonórudakon. A légtérben megjelenő szerkezet védőcsővel együtt is karcsúbb a lágyvasas vonórúdnál. Nagyobb feszítőerő esetén több kábel is összefogható egy védőcsőben. Nagyobb keresztirányú erők falba való bevezetésére az ad megnyugtató lehetőséget, hogy a templomot hossz irányban is összefeszítjük. Lehetőség van a boltozatok és boltövek keresztirányú összefogására úgy is, hogy a feszítőkábeleket nem a templom légterében vezetjük át. Ekkor a padláson, a haránt-boltövek felett magassági iránytöréssel vezetjük a feszítőkábeleket. Az iránytörési erők felvételének több módja is lehetséges. A véméndi háromhajós templom esetén a közbenső pillérsorra támaszkodó padlástéri függesztőművek kerültek beépítésre. 10. kép Keresztirányú feszítőkábelek padlástéri átvezetése a boltövek felett speciális függesztőmű beépítésével Véménd, rk. templom

13 4. Toronyfalat alátámasztó boltövek megerősítése feszítőkábelek beépítésével A helyzet sokban hasonló az előző pontban tárgyalt boltozatot, boltövet oldal irányban megtámasztó feszítőkábelek beépítéséhez. A torony alatti boltövek megerősítése sok szempontból igényel többlet figyelmet: - A boltövet terhelő erők, és így a reakcióerők is egy nagyságrenddel nagyobbak lehetnek. - A nagyobb feszítőerők lehorgonyzása a homlokzaton esetleg több pajzs beépítését igényli, ugyanakkor ugyanezen okból több régi lehorgonyzó elemre is kell számítanunk. Ezek megbontása fokozott kockázattal jár a torony állékonyságára, tehát szigorúan tilos. - A boltöv sokkal kényesebb a sérülésre a nagy teher miatt, tehát gyorsabb beavatkozást igényel, mint amit a boltozatokat megtámasztó boltöveknél esetleg megszoktunk. - A boltöv tönkremenetele nem csak helyi tönkremenetel, hanem a torony templomhajóra való rádőlése miatt az egész templomboltozat beszakadásával jár együtt. 11. kép Több feszítőkábel lehorgonyzása a toronnyal terhelt haránt-boltöv megerősítésénél Pécsvárad, rk. templom

14 III. A FESZÍTŐKÁBELES TECHNOLÓGIÁRÓL Alkalmazott feszítőkábel Keménypolietilén burkolattal rendelkező zsírba ágyazott feszítő kábelek kerülnek beépítése. A beépítést követető egy vagy több lépcsőben történik az utófeszítése. A kábelekbe bevitt maradó feszítőerő értéke ( a technológiából eredő feszültségveszteségeket, a prognosztizált feszültség csökkenést, a faltest lassú alakváltozását valamint hőmérséklet változási korrekciókból eredő feszültség csökkenést számítva ) 150 170 kn lehet. A feszítő kábel műszaki jellemzői: Átmérő: 0,6 col Minimális szakítóerő: 270 vagy 300 kn Maradó erő : 150 kn Teljes külső átmérő: 15,6 mm Keresztmetszet: 150mm 2 HDPE burkolattal: 19,2 mm A lehorgonyzó szerelvény: ékes rendszerű, átmérő 50 mm Beépítés horonyba A kábelek beépítéséhez horonymaróval hornyot vágunk a falazatba kívül, vagy belül. A kábelek ebbe kerülnek beépítésre, majd feszítés után a horony hagyományos kőműves technológiával helyreállítható. 12. kép Hosszkábel homlokzati falba bevésve Iregszemcse, rk. templom Fúrási technológia A falak átfúrása HLTI rendszer alkalmazásával vizes rezonancia mentes technológiával készül, így az eleve sérült szerkezetek nem kapnak esetleg további károsodásokat okozó nagy dinamikus hatásokat. A fúrási hossz a 12 métert is elérheti.

15 Iránytörések A kábelek iránytörésénél, kiegészítő acélcső, vagy KPE védőcső szükséges. A védőcső és a fal közötti üreg injektálásra kerül az iránytörési erő megfelelő szétosztása érdekében. Íves falszakaszokba bevésett feszítőkábelek esetén, ha a kábel alatt a falazat szilárdsága nem megfelelő, spirál kengyeles kibetonozást kell készteni. Más esetekben az iránytörési erők felvételére befúrt, beragasztott horgonyrudakat építünk be. Esetenként egyedi acélszerkezetekkel vesszük fel az iránytörési erőket, és továbbítjuk az alkalmas csatlakozó szerkezetre. Injektálások A vékony és vastag repedések,a festett felületek repedései különböző technológiával és injektáló anyaggal kerülnek injektálásra. Lehorgonyzások - Feszítő kábelek ékes lehorgonyzása a nem feszített végen - Feszített végen történő lehorgonyzások - Kábel kör folytonossá tétele kiegészítő szerkezettel - Egyidejűleg több ponton történő erőbevitel ( szimultán feszítés ) Feszítés technológia: - Több lépcsőben való erőbevitel - Feszítőerő csökkentése az erőtani rendszeren belül ( egy vagy több kábelnek egy kábelben való folytatása akár kisebb erővel - Feszítőkábel erőtani tartalékainak tervezése később bekövetkező épületrész, épületszerkezetek mozgására - Mennyire tartós a feszítőkábel, cserélhető-e, és műemléki szempontból tekinthető új rendszerelemnek, a régi ékes feszítésű vízszintes, ferde és függőleges kovácsoltvas mellett Tűzvédelem a műemléki épületeknél, műemléki templomoknál A falhoronyba beépített feszítőkábelek tűzvédelme a horony visszaépítésével megoldott. A használati térben szabadon vezetett feszítőkábelek acél védőcsőben futnak. A védőcsövek kapnak hőre habosodó tűzvédelmi bevonatot a szükséges rétegvastagságban. A padlástérben szabadon vezetett feszítőkábelek tűzvédelme helyzetüktől függően körbebetonozással, vagy tűzvédelmi hőszigetelő csőhéjjal biztosítható. Pécs, 2015. április 26. Elérhetőségek: oroszarpad1955@gmail.com, tesit@t-online.hu, www.terhatas.hu