Remont konstrukcji więźby dachowej kościoła św. Bartłomieja w Gliwicach

Przedmiotem artykułu jest więźba zabytkowego, tzw. starego kościoła św. Bartłomieja
w Gliwicach. Drewniane konstrukcje dachów i stropów wykazywały miejscowe zniszczenia biologiczne spowodowane długoletnią eksploatacją i złym stanem gontowego pokrycia dachowego.

Fot. 1. Ogólny widok starego kościoła św. Bartłomieja w Gliwicach przed remontem więźby

Wprowadzenie
Artykuł opisuje więźbę tzw. starego kościoła św. Bartłomieja w Gliwicach; obok starego kościoła znajduje się nowy kościół i parafia pod tym samym wezwaniem. Kościół jest obiektem jednonawowym z dobudowanymi wieżą i przybudówką mieszczącą zakrystię. Ogólny widok kościoła przedstawiono na Fot. 1.

Historia budowy
Wzmianki o parafii i starym kościele św. Bartłomieja sięgają XIII w. Według najstarszych źródeł kościół i parafia powstały około 1232 r. Kościół miał pierwotnie konstrukcję drewnianą na kamiennych fundamentach. Według legendy miał on zostać zbudowany przez Zakon Rycerski Templariuszy w celu ochrony traktu kupieckiego, co jednak nie zostało potwierdzone przez wiarygodne źródła historyczne.

W 1447 r. dokonano przebudowy i powiększenia kościoła. Wówczas ukształtowała się obecna jego bryła – do prezbiterium dodana została prostokątna nawa i wieża. Ponieważ kościół jest orientowany, czyli zwrócony prezbiterium na wschód, można przypuszczać, że to wówczas dodano ściany północną i południową.

Na przestrzeni wieków budowla była kilkakrotnie przebudowywana i remontowana

Na początku XX w. uznano, że elementy dachu kościoła grożą zawaleniem. Remont przeprowadzono prawdopodobnie około roku 1910. Wówczas to prawdopodobnie dokonano wzmocnienia drewnianego stropu nad nawą główną, przez dostawienie nowych belek poprzecznych i trzech belek podłużnych, istniejących o dziś.

Konstrukcja kościoła
Kościół ma długość ok. 28,3 m, szerokość ok. 15,1 m i wysokość 14,5 m. Rzuty i przekroje przez budynek kościoła pokazano na rys. 3. Fundamenty kościoła wykonano z dużych kamieni granitowych, ułożonych w dwóch równoległych rzędach, przedzielonych zaprawą z drobnych kamieni i wapna.
Głębokość posadowienia w odkrywkach wynosiła od –1,35 m do –0,95 m (±0,0 m – poziom posadzki kościoła).

Rys. 2. Rzut kościoła

Ściany kościoła wykonane są z obciosanych kamieni wapiennych, a miejscami z cegły na zaprawie wapiennej. Grubość ścian wynosi od 1,1 do 1,56 m. Sklepienia nad prezbiterium, dolnym pomieszczeniem zakrystii oraz nad dolną częścią wieży wykonano z cegły na zaprawie wapiennej.

Rys. 3. Rzut więźby dachowej kościoła św. Bartłomieja: 1 – belki wiązarowe,  2 – krokwie nawy, 3 – miecze stopowe, 4 – przypustnice, 5 – namurnica,  6 – stolce ramy podłużnej, 7 – płatew,
8 – zastrzały, 9 – belki stropowe,  10 – belki podłużne, 11 – belki wspornikowe, 12 – belka obwodowa, 13 – krokwie nad zakrystią, 14 – płatwie nad zakrystią, 15 – stolce ramy nad zakrystią, 16 – belki stropu nad zakrystią

Strop nad pomieszczeniem usytuowanym nad zakrystią oraz górne stropy wieży są drewniane belkowe. Również usytuowana w wieży konstrukcja pod dzwony jest drewniana, zmontowana z bali.

Strop nad nawą wykonano jako drewniany belkowy ze ślepym pułapem i podsufitką. Belki stropu mają wymiary ok. 30 × 40 cm.

Wykończenie stropu od góry stanowi polepa z gliny i trocin, co jest dość rzadko spotykane w obiektach sakralnych usytuowanych na terenie Śląska. Podczas remontu przeprowadzonego na początku XX w.
do konstrukcji stropu dodano dodatkowe belki poprzeczne oraz 3 belki podłużne, do których za pomocą śrub podwieszono stare uszkodzone belki stropu.

Fot. 4. Więźba dachowa starego kościoła pw. św. Bartłomieja: a)  widok więźby nad nawą główną kościoła, b) więźba nad prezbiterium

Więźba dachowa starego kościoła św. Bartłomieja w Gliwicach, ma oryginalną dwujętkową, jednostolcową ciesielską konstrukcję.

Pokrycie dachu stanowi gont drewniany mocowany do drewnianych łat, usytuowanych w rozstawie co ok. 30 cm. Odprowadzenie wód opadowych odbywa się bezpośrednio z dachu na przylegający teren.

Szczegółowy opis konstrukcji dachu
Przekrycie głównej bryły obiektu stanowi dwuspadowy dach, wykonany jako dwujętkowa, jednostolcowa konstrukcja drewniana, zakończona nad prezbiterium układem krokwiowym wspartym na belce obwodowej i belkach wspornikowych. Nad kruchtą dach wykonano jako jednospadowy, z ramą stolcową w środku rozpiętości, stanowiący przedłużenie połaci dachu głównej bryły obiektu. Konstrukcję dachu wieży kościoła wykonano w postaci odwróconego ustroju płatwiowo-krokwiowego. Poniżej w punktach opisano szczegółowo elementy konstrukcji, podając typowe przekroje elementów więźby. W opisie elementów konstrukcji korzystano terminologii z zaproponowanej w pracach [1, 2].

Rys. 5. Uszkodzenia elementów więźby dachowej

Więźba nad nawą składa się z: krokwi głównych (14 × 16 cm), mieczy stopowych (19 × 19 cm), jętek  (19 × 19 cm), przypustnic  (8 × 10 cm), namurnic (22 × 14, 28  × 28, 24 × 18 oraz 20 × 16 cm), belek wiązarowych (25 × 26, 29 × 35 cm), dodatkowych belek stropowych (25 × 26 cm, 31 × 28 cm oraz 21÷29 × 35 cm), dwóch podłużnych belek (28 × 28 cm), środkowej ramy stolcowej, w której skład wchodzą: belka podwalinowa (18 × 18cm), stolce (20 × 18 cm) z mieczami (16 × 16 cm) i zastrzałami
(18 × 18 cm) oraz płatew (18 × 18 cm).

Zwieńczenie więźby nad prezbiterium, składa się z: krokwi jak wyżej, wspornikowych belek podpierających (22 × 22 cm) i obwodowej płatwi (14 × 14 cm) podtrzymującej krokwie.

Więźba nad zakrystią, składa się z: krokwi (10 × 10 cm), belki podwalinowej
(10 × 10 cm), płatwi (7,5 × 7,5 cm), stolców (7 × 7 i 12 × 12 cm).

Więźba nad wieżą, składa się z: krokwi (10 × 10 cm) i namurnic (12 × 12 cm).

Uszkodzenia konstrukcji dachu i stopu nad nawą
Drewniane konstrukcje dachów i stropów wykazywały miejscowe zniszczenia biologiczne spowodowane długoletnią eksploatacją i złym stanem gontowego pokrycia dachowego. Największe uszkodzenia występowały w strefach podparć krokwi na belkach dźwigarowych i w miejscach oparć belek dźwigarowych na murach zwłaszcza od strony północnej. Zaobserwowano ponadto wyraźne ugięcie drewnianego stropu nad zakrystią. Do największych uszkodzeń drewnianych elementów więźby dachowej zaliczono: całkowite zniszczenie strefy połączenia krokwi z belkami podporowymi, brak (lub niewystarczające) skotwienia namurnic nad zakrystią, zniszczenia zastrzału oraz słupa nad jętką w pierwszym układzie nośnym, lokalną korozję poszczególnych elementów nośnych, brak kontaktu między głównymi układami nośnymi, a środkową płatwią, podpierającą dolne jętki, która miała służyć stężeniu wszystkich układów poprzecznych, lokalne porażenia owadami, trwałe ugięcie konstrukcyjnej belki nad zakrystią. W wnętrzu jednej z belek wiązarowych stwierdzono siedlisko mrówek. Na rys. 5 przedstawiono lokalizację największych uszkodzeń więźby, a przykłady uszkodzeń na fot. 6 i 7.

Fot 6. Obrazy biologicznych zniszczeń elementów więźby dachowej

Fot 7. Całkowita destrukcja drewna belki wiązarowej w strefie oparcia na namurnicy (siedlisko mrówek)

Pokrycie dachu z gontu drewnianego wykazywało znaczne techniczne zużycie. W licznych miejscach występują nieszczelności i prześwity.

Model obliczeniowy
W celu określenia stopnia wytężenia konstrukcji dachu przeprowadzono jej analizę obliczeniową. Analizę obliczeniową drewnianej więźby przeprowadzić można na wiele sposobów. Do najprostszych z nich zaliczyć należy przybliżone obliczenia nośności elementów więźby na podstawie wyprowadzonych wzorów ogólnych dla danego schematu statycznego konstrukcji. Natomiast najbardziej zaawansowane analizy często wykorzystują metodę elementów skończonych z nieliniowym modelem materiałowym ściśle odwzorowującym pracę materiału konstrukcji.

Na podstawie inwentaryzacji więźby, zbudowano przestrzenny numeryczny model drewnianej konstrukcji. Elementy więźby modelowano jako elementy prętowe o rzeczywistym polu poprzecznego przekroju. Do obliczeń wykorzystano liniowo-sprężysty model materiałowy. Na podstawie badań makroskopowych przyjęto parametry wytrzymałościowe elementów drewnianych, odpowiadające normowej klasie C24. Widoki modelu pokazano na rys. 8.

Rys. 8. Widok modelu: a) od strony południowo-zachodniej, b) od strony północno-wschodniej

Rozważono dwie sytuacje obliczeniowe konstrukcji. Pierwszą – odpowiadającą stanowi projektowemu, zakładanemu przez budowniczych więźby i uwzględniającą dobry stan wszystkich połączeń ciesielskich oraz drugą – rzeczywistą, uwzględniającą aktualny stan konstrukcji, z wyłączeniem z pracy skorodowanych połączeń.

W obu analizowanych przypadkach uwzględniono obciążenia stałe, śnieg i wiatr zgodnie z normami oraz ich kombinacje dla otrzymania obwiedni sił wewnętrznych. Pominięto normowe obciążenie użytkowe jak dla strychów z dostępem z klatki schodowej – przestrzeń strychu nie jest bowiem użytkowana. W punktach połączeń przypustnic z krokwiami oraz połączeń konstrukcji więźby nad zakrystią z krokwiami głównych układów nośnych przyjęto jedynie przekazanie reakcji od przypustnic i krokwi nad zakrystią na główne krokwie.

Rys. 9. Projektowany sposób naprawy zniszczeń korozyjnych konstrukcji drewnianych:
1 - istniejąca belka podłużna, 2 - śruby stalowe, 3 - stalowe pierścienie łącznikowe, 4 - belki istniejące, 5 - wstawka drewniana, 6 - stalowe śruby, 7 - podparcie montażowe na czas remontu

W sytuacji projektowej założono przegubowe połączenia pomiędzy elementami łączonymi na nakładkę lub czop i gniazdo, dodatkowo kołkowanych. W połączeniach na czop i gniazdo bez kołków i w połączeniach na bezpośredni styk elementów (połączenia mieczy stopowych z belkami wiązarowymi i połączenia płatwi wzdłużnej ramy stolcowej z jętkami) przyjmowano więzy jednostronne – słupy ramy stolcowej i miecze stopowe przenoszą wyłącznie ściskania.

W sytuacji rzeczywistej uwzględniono dodatkowo, stwierdzone w obiekcie, zupełne skorodowanie połączeń krokwi z belkami wiązarowymi od strony północnej (usunięto połączenie krokwi z belką wiązarową). Nie miało to jednak istotnego wpływu na wytężenie konstrukcji więźby.

Obydwa schematy (rzeczywisty i projektowy) zostały poddane analizie modalnej w celu określenia częstości drgań własnych, które określają podatność konstrukcji na obciążenie wiatrem. Z praktycznego punktu widzenia analizowano jedynie pierwszą częstotliwość drgań własnych. W efekcie stwierdzono, że uwzględnienie wykrytych uszkodzeń nie wpływa na podatność konstrukcji na działanie wiatru.

Fot. 10. Sposób naprawy zniszczeń korozyjnych konstrukcji drewnianych

W wyniku obliczeń wytrzymałościowych wykazano, że w wypadku analizowanego modelu większość elementów spełnia normowe warunki nośności i sztywności. Obliczenia elementów więźby wykazały, że:

• nośność krokwi, mieczy stopowych, jętek i płatwi, słupów jest zachowana,

• nośność belek wiązarowych nad nawą jest niewystarczająca, niedobór wymaganej nośności jest jednak nieznaczny i wynosi 12% dla sytuacji projektowej i 18% dla sytuacji rzeczywistej, co dla zabytkowej budowli można uznać za dopuszczalne,

• krokwie nad zakrystią wykazują przekroczenia warunku nośności – do 70%,

• obliczeniowa nośność belek stropu nad zakrystią jest niewystarczająca, niedobór wymaganej nośności wynosi prawie 100%;

Znaczne obliczeniowe przekroczenie nośności elementów więźby nad zakrystią ma swoje odzwierciedlenie w wyraźnych ugięciach krokwi, płatwi i stropu tej części konstrukcji. Elementy te zostały później wbudowane i niewłaściwie dobrane.

Fot. 11. Wymiana przepustnic

Remont więźby
Remont uszkodzeń więźby dachowej obejmował wymianę lub wzmocnienie bardzo zniszczonych korozyjnie, pojedynczych elementów lub fragmentów elementów drewnianej konstrukcji oraz całkowitą wymianę pokrycia gontem. W miejscach, gdzie uszkodzenia korozyjne elementów drewnianych występowały jedynie lokalnie, dokonano naprawy przez wycięcie porażonych korozją fragmentów i wstawienie plomb. Na fot. 10 przedstawiono wykonaną naprawę. Jako elementy drastycznie nie spełniające stanu granicznego nośności wymianie lub wzmocnieniu uległy również krokwie i belki dźwigarowe stropu nad zakrystią – ten fragment konstrukcji był wykonany współcześnie i nie stanowił wartości historycznej. Wykonano także podparcie krokwi zabudowanych na elewacji wschodniej, naprawiono dodatkowy skrajny słupek pod płatwią środkową od strony zachodniej, wymieniono uszkodzone zastrzały i przepustnice (fot. 11) oraz zapewniono pełny konstrukcyjny kontakt mieczy i jętek z płatwią środkową ramy stolcowej. Wszystkie elementy konstrukcji (stare i nowe) poddano impregnacji.

Fot. 12. Spatynowany gont około 3 tygodnie po położeniu

Remont więźby dachowej ukończono w październiku 2009 r. Pokrycie dachu to gont drewniany, który wojewódzki konserwator zabytków nakazał pozostawić w naturalnej barwie (impregnacja tylko bezbarwnymi preparatami).

Bibliografia
1. Tajchman J.: Propozycja systematyki i uporządkowania terminologii ciesielskich konstrukcji dachowych występujących na terenie Polski od XIV do XX w., Monument, Nr 2/2005, s. 7÷35.
2. Mączyński D., Tajchman J., Warchoł M: Materiały do terminologii konstrukcji więźb dachowych podstawowe pojęcia. Monument, Nr 2/2005, s. 37÷43.

dr inż. Łukasz Drobiec
Katedra Konstrukcji Budowlanych
Politechnika Śląska, Gliwice

Źródło: Dachy, nr 1 (133) 2011