Degradări specifice arcelor din zidărie ale monumentelor istorice

George Ţăranu1, Mihai Budescu2 şi Nicolae Ţăranu3

1Doctorand, Facultatea de Construcţii şi Instalaţii, Universitatea Tehnică „Gh. Asachi” ,Iaşi , 700050, România2Profesor, Facultatea de Construcţii şi Instalaţii, Universitatea Tehnică „Gh. Asachi” ,Iaşi , 700050, România3Profesor, Facultatea de Construcţii şi Instalaţii, Universitatea Tehnică „Gh. Asachi” ,Iaşi , 700050, România

Rezumat

Importanţa conservării monumentelor istorice, reprezintă astăzi un principiu de bază al societăţii umane atât la nivel mondial cat şi la nivel naţional. Se impune astfel necesitatea studierii, cercetării stadiului în care se află structurile clădirilor cu importanţă istorică. Foarte des întâlnit la aceste categorii de clădiri, sistemul structural utilizat, este alcătuit din zidării de piatră, de cărămidă sau combinat piatră şi cărămidă. Datorită vechimii, unul dintre principalele aspecte ale importanţei acestor clădiri, majoritatea elementelor structurale au suferit diverse degradări datorate acţiunilor mediului înconjurător ce au avut loc pe durata de viaţa a construcţiilor. Din multitudinea de elemente structurale ce se găsesc la clădirile cu importanţă istorică un segment special este reprezentat de elementele de tip curb, cum sunt arcele sau bolţile din zidărie. Cum este şi firesc, în ideea conservării, reabilitării sau creşterii siguranţei acestor construcţii, este necesar ca înainte de orice altceva să se stabilească degradările existente la elementele structurale precum şi cauzele ce le-au determinat apariţia. În acest articol se urmăreşte mai întâi prezentarea unor noţiuni legate de materialele utilizate la monumentele cu structura din zidărie după care o clasificare a arcelor, iar în final degradările specifice arcelor din zidărie precum şi cauzele ce le-au produs cu indicarea unor exemple observate la unele monumente din Iaşi.

CUVINTE CHEIE: monumente istorice; degradări; arce din zidărie de cărămida.

1. INTRODUCERE

Peste tot în lume există construcţii realizate din zidărie de cărămidă. Acestea reprezintă o bună parte din totalul construcţiilor existente. Dintre acestea foarte multe prezintă interes istoric şi au o valoare deosebită fiind astfel declarate monumente istorice. În aceste cazuri sunt foarte importante posibilităţile de conservare a structurilor pentru a le valorifica şi menţine pentru mai mult timp. Pentru a se realiza toate aceste probleme legate de consolidare, reabilitare, este necesar în prima fază, înţelegerea modului de comportare precum şi evoluţia a tot ceea ce ţine de elementele unei structuri cu importanţă istorică.

2. MATERIALELE UTILIZATE LA ARCE

De ce cărămida ca material de construcţie ? Explicaţia este destul de simplă: cărămida este un foarte bun material cu proprietăţi mecanice şi fizice bune ce datează din timpuri străvechi, obţinerea ei este relativ ieftină, punerea în operă în vederea realizării elementelor structurale este de asemenea posibilă cu o oarecare uşurinţă spre deosebire de piatra ce necesita procese mai complexe de fasonare transport pe distante mai lungi, etc.

Arheologii au descoperit utilizarea cărămizilor în orientul mijlociu în urmă cu 10000 de ani. Se presupune că materialul din care au fost realizate este pământul din zona râului învecinat. Acestea au fost modelate manual şi apoi lăsate să se usuce la soare. În jurul anului 4000 î.C, în oraşele antice ale Urului, actualul Irak au fost realizate construcţii din cărămizi din pământ. Cele mai vechi scrieri, Biblia (Exodul 1:14,5:4-19) menţionează utilizarea cărămizilor la israelieni, care le realizau pentru conducătorii lor egipteni. Acestea erau confecţionate din argilă amestecată cu paie, după care erau coapte în cuptoare sau arse în foc [1].

Dezvoltarea artei şi tehnologiei de realizare a cărămizilor a început odată cu inventarea cuptoarelor de coacere şi dezvoltarea acestora de către romani [1].

Atât piatra cât şi cărămida, pentru a realiza elemente de construcţii au avut nevoie de un alt material care să le lege şi să formeze împreună cu acestea un produs cu proprietăţi mecanice superioare numit zidărie. Materialul în cauză se numeşte mortar. Acesta este alcătuit dintr-un amestec de liant (mineral sau organic) şi de material agregat, prelucrat în formă de pastă plastică sau fluidă. Obţinerea se face prin amestecare cu un lichid care de obicei este apă. În urma unor fenomene fizice (uscare, răcire, recristalizare) sau chimice (hidratare), ce au loc în masa mortarului, acesta se solidifică prin întărirea liantului [2].

În funcţie de liantul utilizat, agregatul şi proporţiile cu care intervin aceştia, există mai multe tipuri de mortare.

Cel mai vechi mortar cunoscut este cel folosit de egipteni şi era pe bază de ipsos. Acest amestec din ipsos şi nisip era foarte moale [3].

Mortarul pe bază de var realizat din amestecul nisipului cu apă şi var pastă se presupune că s-ar fi utilizat pentru prima dată în jurul anului 4000 î.C. în Egiptul Antic. Utilizarea acestui mortar a fost prezentă în toata lumea în special la construcţiile Imperiului Roman. Majoritatea construcţiilor din Europa şi Asia sunt realizate cu astfel de mortare. Ca soluţii alternative, cenuşa vulcanică (pozzolan), argila calcinată sau praful de cărămidă pot fi adăugate în amestecul pentru prepararea mortarelor [3].

Mortarul pe bază de cenuşă vulcanică (pozzolan) a fost descoperit în Italia la Pozzuoli în apropierea muntelui Vezuviu şi mai târziu şi în alte locuri. Arhitectul roman Vitruviu vorbeşte în antichitate de patru tipuri de cenuşă vulcanică care se găseau în zona vulcanică a Italiei în culori variate: negru, alb, gri, roşu. În combinaţie cu varul, amestecul rezultat se comportă asemenea unui alt liant numit ciment Portland descoperit mult mai târziu. Mortarul realizat cu acest amestec (cenuşă vulcanică şi var) avea proprietăţi mecanice ridicate şi era rezistent la apă [4].

Mortarul argilos este mortarul al cărui liant e argila coloidală. Se prepară din nisip cu granule până la 3 mm şi argilă (circa 60%). Mai poate fi preparat întrebuinţând direct un amestec natural de nisip şi argilă, în proporţii optime.

Mortarul pe bază de ciment Portland care este realizat din nisip, ciment Portland şi apă a fost inventat la mijlocul sec. al XIX –lea ca rezultat al eforturilor oamenilor de ştiinţă de a realiza şi dezvolta mortare cu proprietăţi superioare celor de până atunci. Utilizarea pe scară largă a început la sfârşitul secolului al XIX-lea şi a înlocuit mortarul pe bază de var [3].

Mortarul pe baza de var şi nisip de cariera (pufar), se întâlneşte la majoritatea monumentelor din Iaşi. Acest tip de mortar folosit la zidării şi tencuieli are o rezistenţă mecanică redusă datorită agregatului (pufarul) care provenea de la o cariera din apropierea Iaşiului.

3.UTILIZAREA ARCELOR CA ELEMENTE CONSTRUCŢIE

Unul dintre cele mai vechi elemente structurale utilizate in construcţii este arcul din zidărie. Nu numai că este cel mai vechi dar este şi cel mai folosit element de construcţie întâlnit la foarte multe clădiri devenite monumente istorice. În ultima parte a secolului al XIX-lea, a fost descoperit un arc în ruinele Babiloniei. Arheologii au constatat că arcul (figura 1) a fost realizat în jurul anului 1400 î.C. şi se pare că este primul arc din zidărie de cărămida construit. Bine realizat, din cărămida arsă şi mortar din lut, arcul a fost bine conservat. În perioada de dinainte de Cristos, de asemenea chinezii, egiptenii şi alţii au mai utilizat arcele. Mai târziu în evul mediu, constructorii romani au realizat arce, bolţi, cupole cu forme şi intersecţii mai complicate [1].

Figura 1. Primul arc construit din zidărie de cărămidă [4].

4. TIPURI DE ARCE ŞI TERMINOLOGIE

Formele arcelor au fost dezvoltate de-a lungul secolelor, obţinându-se o varietate însemnată. Fiecare dintre tipurile de arce, are o anumită valoare arhitecturală şi în acelaşi timp un anumit timp de comportare structurală. Din punctul de vedere al formei intradosului, în arhitectură se deosebesc următoarele tipuri de arce : arc bombat, arc eliptic, arc frânt, arc în acoladă, arc contracurb, arc în dusină, arc în mâner de coş, arc în plin cintru, arc în potcoavă, arc în unghi ascuţit, arc plat, arc rampant, arc supraînălţat, arc trilobat şi arc Tudor (figura 2) [5].

Din punct de vedere al rolului structural pe care îl au arcele s-au identificat mai multe tipuri.

Arcul butant (figura 3) care este un arc rampant aşezat intre reazemele unei bolţi şi un contrafort situat în afara construcţiei, cu rol de preluare a împingerilor date de bolta şi transmitere la contrafort. A fost utilizat foarte mult la arhitectura gotică fiind un element specific acesteia.Arcul dublou (figura 4,5) este scos în relief pe intradosul unei bolti pe care o consolidează. Naşterile arcului pot fi înglobate în zidăria bolţii, pot fi rezemate pe un pilastru ori pe o coloană, angajate în zidăria pe care reazemă bolta.Arcul nervură (figura 3) face parte din sistemul de arce diagonale încrucişate care susţin panourile unei bolţi uşoare. A fost folosit mult în arhitectura gotică, din care cauză se numeşte şi arc de ogivă sau arc diagonal.Arcul de descărcare (figura 6) este aşezat deasupra unui buiandrug pentru a prelua încărcările de deasupra deschiderii, astfel încât buiandrugul să fie încărcat numai cu greutatea proprie şi a zidăriei (timpanului) care umple golul dintre el şi arc.Arcul de tip buiandrug (figura 7) este arcul ce se dispune deasupra golurilor în lipsa unor buiandrugi de tip grindă. Are rolul de a prelua încărcările de deasupra lui şi a le transmite la elementele învecinate.

Figura 2. Tipuri de arce realizate din zidărie.

Figura 3. Secţiune prin catedrală gotică cu identificarea arcelor butant şi nervură [6].

Figura 4. Arce dublou la intersecţia bolţilor. Biserica Banu din Iaşi.

Figura 5. Arce de tip nervura rezemate pe pilaştri. Catedrala Avila San Pedro, Spania [7].

Figura 6. Arc de descărcare dispus deasupra buiandrugului [8].

Figura 7. Arce de tip buiandrug dispuse deasupra golurilor. Biserica Banu din Iaşi.

5. COMPORTAREA STRUCTURALA A ARCELOR

Arcele din zidărie sunt exemplul desăvârşit de forme cu diferite funcţii. Nu doar că sunt estetice, dar varietatea de forme asigură exprimarea unităţii, echilibrului, proporţiilor, balanţei. Din punct de vedere structural, arcele sunt elemente cu axa o curbă plană prezentând raze de curbură mari în raport cu dimensiunile secţiunii transversale ale elementului (aproximativ de acelaşi ordin de mărime), care constituie elementul principal de rezistentă al unei construcţii sau al unei părţi de construcţie (de ex. pod, hală, acoperiş, etc.) şi care e supus la forte exterioare în planul axei şi e solicitat în principal la compresiune axială. Arcul suportă elementele de construcţie aşezate deasupra lui şi transmite reazemelor (figura 10) atât încărcările acestor elemente şi propria lui greutate, cit şi sarcinile utile ale construcţiei [5].

Figura 8. Transmiterea eforturilor în elementele arcului.

Arcele din zidărie de cărămida sunt elemente de construcţie raţionale, eficiente deoarece preponderent în structura arcului sunt forţele axiale de compresiune, faţă de momentele încovoietoare şi faţă de forţele tăietoare,iar cărămida are o rezistenta ridicata la compresiune faţă de întindere.

Aceasta se datorează, în general, faptului că reazemele arcelor sunt alcătuite astfel, încât variaţia distanţei dintre naşterile arcului să fie împiedicată, total sau parţial. Datorită acestui fapt, reacţiunea din fiecare reazem are o componentă nenulă după

direcţia liniei naşterilor, numită împingere, cealaltă componentă a ei fiind normală pe deschidere [5].

Elementele generale ale arcelor (figura 9) sunt următoarele: axa, care e linia locului geometric al centrelor secţiunilor arcului; naşterile, care sunt secţiunile de la reazeme ale arcului (secţiunea de la care începe şi secţiunea la care se termină arcul), respectiv centrele acestor secţiuni (de pe axă); planul naşterilor, adică planul perpendicular pe planul axei şi care trece prin naşteri; linia naşterilor, care e inter-secţia planului naşterilor cu planul axei arcului; cheia, care e punctul cel mai înalt de pe axă; săgeata, care e distanţa, măsurată pe verticală, dintre cheie şi linia naşterilor; deschiderea, care e proiecţia orizontală a liniei naşterilor; pleoştirea, care e raportul dintre săgeată şi deschidere; extradosul, care e faţa exterioară (de obicei convexă) a arcului; intradosul, care e faţa interioară, concavă, a arcului.

Figura 9. Elementele componente ale arcelor.

Din punctul de vedere al formei curbei care constituie axa, un arc poate fi: circular, parabolic, eliptic, în mâner de coş, în formă de cicloidă, de lănţişor, etc. Arcele circulare au axa constituită dintr-un arc de cerc. Cele care au săgeata egală cu jumătate din deschidere se numesc arce în plin cintru, iar cele care au săgeata mică în raport cu deschiderea se numesc arce pleoştite. La arcele parabolice, axa e constituită de porţiunea de curbă din vârful unei parabole de gradul al doilea sau al

treilea. Arcele parabolice se folosesc, în special, la poduri. Pentru deschideri până la 30 m, arcele parabolice sunt înlocuite cu arce circulare. Arcele in mâner de coş au axa constituită dintr-o curbă alcătuită dintr-un număr impar de arce de cerc, cu raze diferite, racordate între ele [5].

5. DEGRADĂRI SPECIFICE ARCELOR DIN ZIDĂRIE

Ca la majoritatea elementelor din zidărie de cărămidă, principalele tipuri de degradări ce pot apare la arcele din zidărie de cărămidă sunt [9]:

dislocarea blocurilor (cărămizilor) în urma diferitelor acţiuni măcinarea mortarului datorită îmbătrânirii sau infiltraţiilor de apa fisuri, crăpături în cărămizi, mortar sau în rosturile dintre cărămizi datorate

acţiunilor seismice, tasărilor diferenţiate sau altor cauzeÎn figura 10 se prezintă câteva tipuri de deteriorări observate la câteva monumente istorice din Iaşi ce au structura din zidărie de cărămida.

Figura 10. Degradări datorate tasărilor la nivelul fundaţiilor, şi seismelor. Biserica Banu din Iaşi.

Toate aceste degradări ce pot apare pe durata de viata a unei construcţii, afectează în mod direct elementele structurii. De exemplu, datorita infiltraţiilor de apă în zidăria de cărămidă, mortarul se macină şi este spălat (îndepărtat), creându-se astfel articulaţii multiple transformând elementul (arcul), în mecanism ceea ce va duce implicit la colapsul acestuia. Un alt exemplu sunt tasările diferenţiate apărute din diverse cauze (natura terenului de fundare, modificări structurale fără luarea unor masuri de consolidare a fundaţiilor, ş.a) care introduc deplasări la nivelul naşterilor,

astfel încât în structura arcului se pierde starea de echilibru dintre elemente (forţele axiale de compresiune dispar, locul acestora fiind luat de cele de întindere) ducând la colapsul arcului. Datorita vechimii, majoritatea monumentelor au suferit degradări multiple foarte multe, în urma seismelor foarte puternice ce au avut loc pe teritoriul României. În urma acestor acţiuni extrem de puternice construcţiile au rezistat, diminuându-se astfel o cantitate însemnată din capacitatea de disipare. Ulterior insă nu au fost luate măsuri de consolidare la toate clădirile afectate. Astfel toate aceste acţiuni combinate, au dus la degradări severe ale diverselor elemente structurale printre care se numără şi arcele din zidărie. Se impune la nivel de cercetare să se găsească soluţii viabile, aplicabile în vederea consolidării acestor elemente în contextul reabilitării şi conservării monumentelor care sunt în ţara noastră. Câteva moduri de pierdere a stabilităţii ce pot duce la colapsul arcelor se prezintă în figura 11 [10].

Figura 11. Moduri de cedare a arcelor din zidărie.

7. CONCLUZII

Datorită vechimii acestui material de construcţie cărămida, majoritatea structurilor cu valoare istorică declarate monumente sunt realizate din zidării de cărămida. Multe din monumentele din ţara noastră sunt biserici şi mânăstiri iar dintre acestea o mare parte sunt realizate din zidarii de cărămidă care au un nivel de degradare destul de ridicat. La aceste categorii de construcţii, vechimea şi aspectul sunt criteriile ce le conferă valoare. Cum în ultimii ani s-a conştientizat importanţa conservării acestor monumente, sunt necesare orice informaţii legate de structură, materialele utilizate şi vechimea acestora, precum starea în care se află, degradările existente la nivelul elementelor structurii şi capacitatea portantă a elementelor. De reţinut sunt problemele legate în special de arcele din zidărie a căror comportare structurală depinde de nivelul de degradare al arcului pe ansamblu, al unităţilor acestuia (cărămizile, blocurile din piatră) şi legăturilor dintre ele. Stabilitatea şi rezistenţa arcelor sunt direct proporţionale, astfel degradările oricât de mici influenţează în mod defavorabil comportarea structurală a arcelor precum şi a elementelor concurente sau chiar a întregii structuri.

Bibliografie

1. K. Lee Lerner and Brenda Wilmoth Lerner, Editors, (2004) The Gale Encyclopedia of Science, 3rd edition. vol. 6 ,— ISBN 0-7876-7560-1 (v. 6), Printed in Canada

2. Raduleţ, R., (1962) Lexiconul Tehnic Român vol. 11, Ed. Tehnică, Bucureşti 3. http://en.wikipedia.org/wiki/Mortar_%28masonry%29 4. http://www.myarabicstory.org/IRAQ/iraqi_pictures.htm 5. Raduleţ, R., (1957) Lexiconul Tehnic Român vol. 2, Ed. Tehnică, Bucureşti 6. www.columbia.edu 7. http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Lisbon28.jpg 8. http://sonic.net/~tallen/palmtree/ayyarch/images/mzah10.jpg 9. Budescu, M., Ciongradi, I.P., Ţăranu, N., (2001) Reabilitarea Clădirilor, Ed. Vesper ,Iaşi,

ISBN 973-96589-9-710. Paolo Foraboschi (2004) Strengthening of Masonry Arches with Fiber-Reinforced Polymer

Strips, JOURNAL OF COMPOSITES FOR CONSTRUCTION © ASCE