Диагностика технического состояния объектов культурного наследия


А. С. Щеглов, А. А. Щеглов












ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ

Учебное пособие

Под редакцией А. С. Щеглова










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

УДК 69.059.35:351.853(075)
ББК 79.0:38я7
     Щ33

Рецензенты:
кафедра реставрации объектов культурного наследия Санкт-Петербургского института искусств и реставрации;
О. В. Скобелкин, д-р ист. наук, доцент кафедры истории России Воронежского государственного университета



       Щеглов, А. С., Щеглов, А. А.
Щ33 Диагностика технического состояния объектов культурного наследия: учеб. пособие / А. С. Щеглов, А. А. Щеглов ; Под ред. А. С. Щеглова. — Москва ; Вологда: Инфра-Инженерия, 2019. —380 с.: ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-0357-3

    Приведены сведения, необходимые для проведения инженерных исследований объектов культурного наследия. Рассмотрены метрологические основы, включая статистическую обработку результатов измерений, а также методы и средства измерений, применяемые при комплексных инженерно-технических исследованиях строительных конструкций.
    Содержатся сведения о методах фиксации состояния зданий и сооружений, исследованиях оснований и фундаментов, температурно-влажностного режима, влияния вибрации на элементы конструкций. Приведены примеры расчёта несущих и ограждающих конструкций.
    Пособие иллюстрировано современными и архивными фотографиями.
    Предназначено для студентов специальностей 07.03.02, 07.04.02 «Реконструкция и реставрация архитектурного наследия», а также инженерно-технических работников строительных и эксплуатирующих организаций.

УДК 69.059.35:351.853(075)
                                             ББК 79.0:38я7


ISBN 978-5-9729-0357-3  © Щеглов А. С., Щеглов А. А., 2019
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

От авторов


    ОТ АВТОРОВ


                     Я отчётливо вижу обстоятельства возможного и желательного сотрудничества науки и искусства, когда химики и физики займут достойное место рядом с вами.
Луи Пастер
                                        Выступление перед учениками Школы изящных искусств. 1865 г.

    Реставрация памятников культурного наследия в нашей стране достигла наивысшей актуальности. Это связано, в первую очередь, с тем, что Россия обладает около 156 тысячами ценнейших объектов, являющихся всемирным культурным наследием, и, тем не менее, требующих в большей или меньшей степени восстановления.
    Задачи сохранения культурного наследия нашей страны являются одними из первостепенных, так как отдельные исторические здания достигли той стадии разрушения, которая требует безотлагательного вмешательства специалистов. Для таких строений на первый план выступает очень важный вид ремонтно-реставрационных работ — консервация — комплекс мероприятий, предохраняющих памятник культуры от дальнейшего разрушения и обеспечивающих укрепление и защиту конструктивных частей и декоративных элементов без изменения исторически сложившегося облика памятника культуры. Введение новых конструкций, часто необходимое при консервации, не должно искажать облик памятника, если только речь не идёт о временных мерах. Поэтому обычно рекомендуется использовать скрытые конструкции.
    Необходимость в проведении консервации возникает тогда, когда памятник по каким-либо причинам оказывается в предаварийном или аварийном состоянии. Ей должны предшествовать не только архитектурные, но и очень серьезные инженерно-технические исследования.
    В 2014 году вышел в свет ГОСТ 55567-2015 “Порядок организации и ведения инженерно-технических исследований на объектах культурного наследия”. Стандарт содержит основные положения, регламентирующие состав и объём комплексных инженерно-технических исследований объектов культурного наследия, в объёме, необходимом для определения их состояния, а также выполнению противоаварийных работ. Причём эти

3

От авторов

исследования ГОСТом рекомендуется выполнять, в основном, неразрушающими методами, приборами, сертифицированными и поверенными в установленном законодательством порядке.
    Для уверенного пользования такими приборами необходимо знать физические законы, эффекты, принципы, на которых основаны методы и средства неразрушающего контроля над механическими свойствами строительных материалов. Поэтому в век стремительного развития науки и электронных технологий для того, чтобы получить востребованных на современном рынке труда специалистов, необходимо готовить реставраторов, имеющих знания не только в гуманитарной сфере (истории, культурологии, искусствоведении и др.), но и знания, определённых разделов естественных и технических наук.
    Вопросам подготовки кадров, развитию системы профессионального образования, совершенствованию методики аттестации в области реставрации было уделено немало внимания на прошедшем в сентябре 2015 года II Международном съезде реставраторов.
    Профессиональную подготовку специалистов в сфере реставрации осуществляют сейчас в рамках программ профессионального обучения в учреждениях среднего и высшего образования (колледжах и вузах).
    На данном этапе развития дисциплин, связанных с реставрацией объектов культурного наследия, одной из весомых проблем является крайне недостаточный объём специальной учебной и научно-методической литературы по вопросам техники, технологии и организации не только реставрационных, но и инженерно-исследовательских работ на памятниках архитектуры.
    Скромной попыткой “закрыть брешь” в данном вопросе является написание данного учебного пособия. В пособии приведено множество примеров современных портативных приборов различных фирм, реализующих тот или иной метод неразрушающего контроля. Естественно, это издание не является рекламным, — примеры приборов подбирались не по цене, качеству или объёму выполняемых работ, а по принципу воспроизведения ими тех физико-механических свойств, которые приняты в основе их работы.

OQ 4

Введение


    ВВЕДЕНИЕ


                Прежде всего, следует помнить, что, не имея точных данных о природе материала, из которого построен объект, не зная его свойств и техники его обработки, вообще нельзя браться за реставрацию...
М. В. Фармаковский
      Одним из важных этапов реконструкции объектов культурного наследия являются инженерные исследования физико-механических свойств материалов, необходимые для выполнения проверочных расчётов конструкций и выдачи заключения об их эксплуатационном ресурсе.
      Для измерения физико-механических параметров строительных материалов применяются как традиционные, так и новейшие методы и средства. В настоящее время твердую позицию среди методов контроля занимают неразрушающие. Эти методы обладают достаточно высокой точностью измерения во всем диапазоне измеряемых параметров. Сущность каждого из методов неразрушающего контроля - всего их больше ста - можно найти в ГОСТ 18353-79 “Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов”. Приборы неразрушающего контроля имеют малые размеры, небольшую массу, не требует сложного ухода. Настоящее пособие поможет студентам не только разобраться в обилии приборов, но и вспомнить физические основы, реализуемые в каждом из них.
    Коль скоро речь практически в каждой главе данного пособия будет идти об измерениях, то начинается оно с основ метрологии.
    Первая глава посвящена таким понятиям как физические величины, единицы измерения, размерность, средства, виды и методы измерений. Уделено внимание статистической обработке результатов измерений при испытаниях, вычислению погрешностей.
    Во второй главе приводятся сведения о правилах и методиках ведения инженерно-технических исследований на объектах культурного наследия. Раскрыты сущности предварительных и подготовительных работ, детальных (сплошных и выборочных) обследований.
    Вопросам фиксации состояния конструкций при инженерных обследованиях посвящена третья глава. В ней приведены дополнительные требования к обмерным работам с точки зрения инженерного подхода; даны примеры простейших измерений, часто требующихся при обследовании;

<50 5

Введение

представлены схемы для измерения расстояний и построения углов на местности, определения высот.
    Приведены примеры изображения памятников в карандашных рисунках и акварелях, правила фотофиксации и основы ЗВ-сканирования.
    Последующие четыре главы посвящены вопросам детального обследования технического состояния каменных, металлических, железобетонных и деревянных конструкций. Оценка прочностных характеристик материалов приведена как разрушающими, так и неразрушающими методами. Показаны схемы приборов, рассмотрены физические основы их работы, приёмы измерений. Представлена методика установления градуировочных зависимостей типа “косвенный показатель — прочность материала”.
    Пятая глава посвящена рассмотрению примеров расчёта конструкций, наиболее часто встречающихся в практике инженерного исследования того или иного памятника архитектуры. В написании главы участвовали проф. Колодяжный С. А. и проф. Мищенко В. Я.
    В шестой главе рассмотрены вопросы о необходимости и порядке проведения обследования технического состояния оснований и фундаментов.
    Особенности изучения температурно-влажностного режима объектов культурного наследия приведены в седьмой главе. Рассмотрены неразрушающие методы контроля микроклимата — воздушного режима объекта.
    Необходимость в проведении вибродинамических воздействий техногенного характера рассмотрена в восьмой главе. Рассмотрены наиболее типичные источники воздействий.
    Особенностям при проведении обследований технического состояния конструкций в процессе производства работ по сохранению объектов культурного наследия посвящена девятая глава.
    Десятая глава знакомит с основами научных исследований объектов культурного наследия.
    Практически во всех главах приведены примеры расчётов и контрольные вопросы для проверки знаний.
    В тексте пособия рядом со ссылкой на интересное здание (сооружение) или фамилию учёного встречаются сноски в виде круга с порядковым номером 1^1. В конце каждой главы в соответствии с указанной сноской приведены познавательные сведения о данном здании (сооружении) или учёном. Они напечатаны мелким выделенным текстом.

OQ 6 ело

Основы метрологии

   1. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

    1.1. Физические величины и единицы измерения


                    Знание о том, что и как нужно измерять, является ключом к пониманию современной жизни.
Стивен Д. Левит


    Основные термины и определения в метрологии устанавливает ГОСТ 16263-70 [17], где записано об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и достижения требуемой точности. В соответствии с этим стандартом измерение — это определение значения физической величины опытным путём при помощи специальных технических средств.
    Все измерения, независимо от времени и места их выполнения, должны обеспечивать единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. При этом под физической величиной подразумевается свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.
    Основным свойством физической величины является её размерность, представляющая собой выражение, отражающее связь величины с основными величинами системы, в котором коэффициент пропорциональности равен единице. Единицей физической величины является физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице.
    При измерении физической величины её значение G сравнивают с единицей измерения [G]. Число, которое получается при измерениях, называютчисленным значением {G} физическойвеличины:
G={ G }[ G].
    Таким образом, любая физическая величина равна произведению численного значения и единицы измерения.
    Физические величины связаны математическими уравнениями. Можно выделить несколько независимых величин, которые не сводятся одна к другой. В 1832 г. немецкий математик К. Гаус ф предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три 7

Основы метрологии

произвольные, независимые друг от друга единицы — длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трёх. Такую систему единиц, связанных определённым образом с тремя основными, Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду.
    В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами. Их называют основными физическими величинами. Эти величины, вообще говоря, можно выбрать произвольно. Поэтому существует международное соглашение, которое определяет основные физические величины (их выбор обусловлен соображениями удобства). Все остальные величины называют производными. Они определяются уравнениями, в которые входят основные физические величины или их комбинации [59].
    В I960 году было заключено международное соглашение о выборе основных физических величин. Эти величины, а также производные физические величины составляют основу Международной системы единиц СИ (Systeme International d’Unites). Во многих странах эта система единиц имеет силу закона. В нашей стране эта система представлена ГОСТ 8. 417-2002 [46]. До конца 2018 года перечень современных основных физических величин включал семь единиц, приведёных в табл. 1.
Таблица1

Основные физические величины и их современное определение

   Величина                          Единица                         
Наиме-  Обозна- Наимено-   Обозначение                              
нование  чение  вание    междуна-                Определение        
                          родное  русское                           
                                          Метр есть длина пути, про                                          ходимого светом в вакууме 
 Длина     L      метр      m        м    за интервал времени       
                                          1/299792458 s [XVII ГКМВ  
                                          (1983 г.)Резолюция 1]     
                                          Килограмм есть единица    
                кило-                     массы, равная массе между Масса     М    грамм       kg      кг    народного прототипа кило- 
                                          грамма [I ГКМВ (1889 г.)  
                                          иШГКМВ(1901г.)]           

8

Основы метрологии

Продолжениетабл. 1

   Величина                          Единица                          
Наиме-  Обозна- Наимено-   Обозначение                               
нование  чение  вание    междуна-                 Определение        
                          родное  русское                            
                                          Секунда есть время, равное 
                                          9 192 631 770 периодам     
                                          излучения, соответствую-   
Время   Т       секунда     S        с    щего переходу между дву-   
                                          мя сверхтонкими уровнями   
                                          основного состояния атома  
                                          цезия-133 [XIII ГКМВ       
                                          (1967 г.), Резолюция 1]    
                                          Ампер есть сила            
                                          неизменяющегося тока,      
                                          который при прохождении    
                                          по двум параллельным       
                                          прямолинейным              
                                          проводникам бесконечной    
 Сила                                     длины и ничтожно малой     
 элек-                                    площади кругового          
триче-     I     ампер      А        А    поперечного сечения,       
 ского                                    рас-положенным в вакууме   
 тока                                     на расстоянии 1m один      
                                          от другого, вызвал бы на   
                                          каждом участке проводника  
                                          длиной 1 m силу взаимо-    
                                          действия, равную 2.10'7N   
                                          [МКМВ(1946 г.),            
                                          Резолюция 2, одобренная    
                                          1ХГКМВ(1948г.)]            
Термо-                                    Кельвин есть единица термо дина-                                    динамической температуры,  
 миче-                                    равная 1/273,16 части      
 ская   ®       кельвин     К        К    термодинамической          
темпе-                                    температуры тройной точки  
ратура                                    воды [XIII ГКМВ (1967 г.), 
                                          Резолюция 4]               
                                          Моль есть количество       
                                          вещества системы, содер-   
Количе-                                   жащей столько же струк-    
 ство   N         моль     mol     моль   турных элементов, сколько  
 веще-                                    содержится атомов          
 ства                                     в углероде -12 массой      
                                          0,012 kg. [XIV ГКМВ        
                                          (1971 г.), Резолюция 3]    

ЗЭ 9

Основы метрологии

Окончаниетабл. 1

   Величина                         Единица                         
Наиме-  Обозна- Наимено-   Обозначение                             
нование  чение   вание   междуна-                Определение       
                          родное  русское                          
                                          Кандела есть сила света, 
                                          испускающего моно-       
                                          хроматическое излучение  
 Сила                                     частотой 540-1012Hz,     
 света     J    кандела     kd      кд    энергетическая сила света
                                          которого в этом          
                                          направлении составляет   
                                          1/683 W/sr [XVIГКМВ      
                                          (1979 г.), Резолюция 3]  

   Особое место среди основных физических величин занимает масса, поскольку её определяют путём сравнения с эталоном, который хранится в Международном бюро мер и весов в г. Севре, близ Парижа. Этот эталон представляет собой цилиндр из сплава 90% платины и 10% иридия, высота и диаметр которого равны 39 мм. Он был изготовлен в 1889 году и хранится под тремя герметичными стеклянными колпаками (фото 1, а).

Фото 1. Эталоны килограмма: а — платиноиридиевый цилиндр, хранящийся в Международном бюро мер и весов; б — эталонный шар из монокристалла изотопа кремния-28

10