Восстановление памятников архитектуры в сейсмических районах

К восстановлению памятников архитектуры не могут предъявляться требования, которыми руководствуются при восстановлении объектов традиционной массовой застройки. Являясь членом Международного совета по вопросам памятников и достопримечательных мест (ИКОМОС), Россия, как и другие страны, руководствуется византийской хартией и направляет свои усилия на максимальное сохранение объектов, наглядно отражающих опыт древних зодчих.
При восстановлении памятников архитектуры возможны два пути:
- восстановление общих форм, облика сооружения, выдержав все необходимые пропорции, полностью сохранив объемно-планировочные решения и обеспечив отделку, особенно наружную, в соответствии с оригиналом времени его создания. В этом случае появляется возможность использовать современные тонкостенные конструкции, например покрытия из современных материалов, затяжки из высокопрочной, в том числе предварительно напряженной, стали, крупноразмерные и другие эффективные конструкции, которые требуют современных средств механизации для их изготовления и монтажа. При этом, разумеется, сокращаются сроки и стоимость восстановления объекта;
- максимально полное воспроизведение оригинала, сохраняя строительные материалы, из которых возведены сооружения, и, как следствие, технологию их производства, а также приемы и навыки, которые должны освоить современные специалисты, заимствуя опыт древних зодчих. Достоинство второго направления — изучение опыта, который в процессе восстановления можно позаимствовать у древних зодчих, т.е. приемов, которыми в настоящее время владеет не только архитектор, но и инженер-конструктор, технолог, механик, специалисты в области строительных материалов.
Необходимо учитывать, что памятники архитектуры уникальны. В связи с этим важно сохранить не только основные несущие конструкции, но и весь памятник в целом, а также выявить способы его возведения, которые также содержат ценную информацию.
При оценке сейсмостойкости памятников старины нельзя ориентироваться на действующие нормативы, так как они разработаны применительно к современным конструкциям и материалам. Некоторые положения современных норм установлены на эмпирической основе и, естественно, не могут учесть свойств древних строительных материалов, отличающихся по прочности и однородности от современных и претерпевших к тому же со временем значительное изменение. Необходимы разработка теории старения этих традиционных строительных материалов и конструкций из них и оценка их эксплуатационных качеств.
Основными причинами повреждений памятников архитектуры следует считать: влияние сейсмических и других случайных внешних воздействий большой силы; систематическое воздействие динамических нагрузок небольшой силы, например, вблизи проходящего транспорта, работы промышленных предприятий и др.; изменение физико-механических свойств материалов основных несущих конструкций в процессе их старения, замачивание оснований и стен, особенно из грунтовых материалов, и выветривание; наличие кренов, особенно высоких памятников, в результате просадки основания под частью сооружения. Разумеется, в этот перечень не входят случаи умышленного уничтожения или разрушения памятников, включая пожары, прогнозировать которые ни древние зодчие, ни современные специалисты не в состоянии.
Основные конструктивные решения памятников архитектуры, расположенных в сейсмически опасных районах, и их повреждение. В России многие древние архитектурные памятники расположены в высокоссйсмических районах, главным образом в районах Средней Азии и Закавказья. Некоторые из них были разрушены, другие только повреждены в результате сильных землетрясений, например в районах: Вардзии (Грузия) в 1283 г., Гарни (Армения) в 1679 г., Ленинакане (Армения) и прилегающих районах в 1988 г. и др.
По конструктивной схеме памятники архитектуры можно разделить на две основные группы — жесткие массивные сооружения (мечети и др.); гибкие, небольшие в плане, высокие сооружения (минареты и др.). Опыт древних зодчих в использовании недорогих местных строительных материалов, прежде всего земли в качестве стенового материала, сохранился главным образом в памятниках архитектуры.
В сейсмически опасных районах издавна применялись мероприятия, направленные на смягчение сейсмической опасности зданий из сырцовых материалов. Ранний период характеризуется применением лессовидного суглинка в основном в виде сырцовых материалов. Для снижения вредного воздействия растворимых солей на сырцовые материалы обычно выбирался незаселенный грунт и производилась его промывка, а для уменьшения усадки в сырцовую массу обычно включались волокнистые органические наполнители (стебли, колоски и др.).
Значительный интерес представляют собой среднеазиатские памятники страны Средневекового зодчества (ХI-XV вв.). К особенностям условий строительства в этих районах наряду с высокой сейсмичностью относятся сухой и жаркий климат с большими интервалами колебаний температуры и большая степень засоления суглинков.
Наличные сырьевые ресурсы и природно-климатические условия местности нередко определяют конструктивное устройство и даже в какой-то степени архитектурный облик сооружения. Поэтому одним из важнейших достижений строительной техники того времени является обращение к обожженному кирпичу, как основному материалу монументального строительства. Однако нередко употреблялся и сырцовый кирпич.
Кладка из обожженного кирпича в XI в. выполнялась преимущественно на глиняном растворе, но уже в ХП в. в основном на ганче, хорошие адгезионные свойства которого обеспечивали большую прочность кладки. Таким образом, и в те времена вопросам сцепления раствора с кирпичом уделялось первостепенное внимание.
Совершенствуются, а со временем возникают конструкции новых типов. Более экономичными выполняются стены, толщина их даже в монументальных строениях достигает в среднем 80...90 см. Совершенствуются сводчато-купольные конструкции, увеличиваются пролеты арок и сводов.
Так, пролеты сводов и куполов в портальной арке мечети Биби-Ханым (Самарканд) достигают 19 м, в шахрисябзском дворце Ак-Сарай -- 22 м. Купола стрельчатого очертания, уширенные в основании, вверху утончаются до размера 1...1,5 кирпича. Появляются специальные своды, особенно удобные в перекрытии прямоугольного помещения.
Вопросы сейсмической устойчивости в условиях частых среднеазиатских землетрясений не могли не тревожить древних мастеров. Увеличение высоты зданий повышало и общий центр тяжести сооружения, что ослабляло его устойчивость при сейсмических толчках. В середине XV в. осуществляется разработка более совершенной конструкции - пересекающихся подпружин арок и щитовидных парусов, которая позволила понизить центр тяжести постройки.
Закономерно предположить, что у среднеазиатских зодчих существовал собственный взгляд как на принцип антисейсмических мероприятий в любом архитектурном сооружении, так и на практические меры, вытекающие из этого принципа. Это применение эластичных строительных материалов и конструкций, в частности, использование в качестве строительного раствора только ганча и глины, применение особых конструкций фундаментов на глиняных подушках, устройство своеобразных камышовых поясов в цокольной части стен. Вяжущими растворами в кладках из обожженного кирпича были лессовая глина и местный алебастр, называемый в Средней Азии ”гажа” или ”ганч”.
Кладка на глиняном растворе, приготовленном из выдержанного материала, была устойчива и надежна; это видно на примере мавзолея Фахр-ад-рази (XI в.) и мавзолея Надж-ад-дин кубра (XVI в.) в Куня-Ургенче. В них на глине выложены фундамент и стены, а вышерасположенные части — на ганче.
В качестве раствора для кладки ганч почти никогда не применялся в чистом виде, а еще в сухом состоянии смешивался в лессом или песком в пропорциях от 1:1 до 1:3, причем старые мастера предпочитали в кладке ганч крупного размола, считая раствор из такого материала наиболее надежным. Крупнозернистым ганч схватывается немного медленнее, чем мелкий, и постепенное наращивание механической прочности стимулируется продолжающимся набуханием отдельных зерен раствора уже в ”постели” в течение длительного времени (примерно года).
В ганчевые растворы добавляли, кроме упомянутых лесса и чистого песка, также кирпичную муку, золу и толченый уголь. Поиски дальнейших эластичных растворов привели к тому, что например, в мавзолее Хаджи Ахмата, арка была сложена из обожженного кирпича на неведомом смолообразном растворе желтовато-серого цвета с высокими эластичными свойствами. Раствор этот представлял собой смесь с песком и лессом; на кирпич он наносился, вероятно, в подогретом виде и схватывался с ним необычайно прочно. Такой скрепляющий раствор в кладке стен, арок, сводов, куполов и других ответственных частей здания мог обеспечить сооружению исключительную долговечность даже в условиях частых и достаточно сильных землетрясений.
Исходя из принципа, что применение эластичных растворов является одним из действенных методов предохранения кирпичных конструкций от разрушения при сейсмических воздействиях, зодчие Средней Азии доводили толщину постельных швов в кладке почти до толщины самого кирпича. Поэтому в среднеазиатских монументальных сооружениях количество ганчевого раствора иногда доходит до 90% объема всей кладки.
Ряд кирпича, который располагался на стыке фундамента и цоколя и укладывался на тощем растворе, зачастую более низкой прочности, чем ганчевый раствор в обычной кладке, допускал возможность раскрытия трещин в основании стен для снижения усилий в остальной кладке. Это прием аналогичен используемому в настоящее время методу выключающихся связей.
Высокими пластическими свойствами обладают и хорошо замешанные глиняные растворы при условии сохранения ими соответствующей влажности. Даже в условиях знойного лета в Средней Азии хорошо замешанная ”вызревшая” чистая глина не пересыхает под слоем лессовой засыпки в 40...50 см. Это обстоятельство было использовано строителями для создания остроумнейших конструкций, антисейсмический характер которых не вызывает никаких сомнений.
Почти все монументальные кирпичные сооружения Средней Азии возведены на фундаментах, в подошвах которых устраивались подушки из чистой глины. Это можно проследить, начиная с сооружений X в. и вплоть до памятников XVII столетия. Котлован, вырытый под фундамент будущего сооружения, заполнялся на 60...70 см плотной массой сырой гончарной глины, по возможности выдержанной и свободной от каких бы то ни было примесей; на чистой подушке укладывалась и подошва фундамента, кладка которой вывелась, по крайней мере в нижних рядах, также на глиняном растворе. Обычно подушка под фундамент выполнялась гораздо шире, чем его подошва. Если кладка фундамента осуществлялась на глине только в нижних рядах, то постепенно кверху в глиняный раствор добавлялся ганч, так что иногда можно даже проследить, как по рядам кладки раствор становится все светлее и светлее.
В основание многих закавказских памятников укладывался слой песка. Своеобразным и необычным примером может служить фундамент мавзолея Султана Санджара в старом Мерве. Здесь квадратный в плане фундамент выполнен в виде нижней половины усеченной пирамиды, опрокинутой основанием вверх, и, таким образом, углубляясь в котлован, он не расширяется, как это обычно в нашем представлении, а постепенно уменьшается по периметру. Фундамент выведен гладкой кладкой с внешней стороны и ступеньками — с внутренней. Грунт, в которой помещен фундамент,— глина, загружавшаяся в котлован, уплотнялась по мере того, как кладка выводилась вверх. По завершении строительства и при следующей эксплуатации этот грунт представляет собой слежавшуюся массу, не потерявшую в то же время всех достоинств сырой гончарной глины. Симметричность мавзолея гарантировала размерность осадки этого мощного сооружения как при его возведении, так и впоследствии.
Мавзолей на горе Тахт-и-Сулейман построен на крутой скале, сооружение поставлено в выбитый в камне котлован, заполненный рыхлой землей и песком. Такое же конструктивное решение известно и по мавзолею Чупан-Ата, где под постройку в скалистом грунте выбит котлован соответствующего размера, заполненный лессовым суглинком, но фундамент возведен уже на глине, уложенной по лессовому грунту засыпки.
Таким образом, положительное влияние подушки из чистой гончарной глины может быть оценено двояко. Во-первых, она снимала концентрацию напряжений, которая могла возникнуть в фундаментах при их непосредственном опирании на грунт, во-вторых, вследствие относительно высокой пластичности глиняная подушка частично гасит наиболее опасные для жестких сооружений высокочастотные колебания грунта при землетрясениях, в-третьих, фундамент в мавзолее Султана Санджара можно рассматривать как прообраз фундаментов в виде кинематических опор.
Цокольная часть в монументальных сооружениях Средней Азии также использовалась как зона размещения антисейсмических конструкций. Одной из них следует признать прослойку в один ряд кирпича, которая располагалась на стыке фундамента и цоколя. Этот ряд кирпича укладывался на самом тощем растворе, например на чистом ганче или на растворе лесса с добавкой 70...80% песка. Такие прослойки обнаружены во многих памятниках, их роль важна при горизонтальных толчках, когда сейсмические воздействия как бы выталкивают фундамент из-под сооружения. Принципиально такая прослойка и была тем заранее подготовленным слоем, амортизирующим передачу усилий к вышележащим частям здания. Эта идея, логически развиваясь далее, была заложена в устройстве так называемых ”подушек” или ”камышовых поясов”.
Каждый такой пояс представляет собой слой камыша, уложенный на слой строительного раствора, нанесенного по верхнему ряду кладки фундамента. Этот слой раствора сглаживал все неравности кладки. Предварительно нарезанные по ширине стены камыша укладывались перпендикулярно плоскости стены ровным слоем в 8...10 см. На камышовую подушку наносился слой очень тощего раствора, по которому укладывался вновь ряд кирпичей и затем как обычно возводилась дальнейшая кладка. Эти камышовые подушки наряду с антисейсмическими выполняют функции гидроизоляционных прокладок и предохраняют стены от коррозии.
Если камышовых поясов укладывалось два, то второй слой располагался в верхней части цоколя. Так, например, в мечети Хонако в Чор-Бухаре фундамент, выведенный на поверхность, прерывался первой камышовой прокладкой, на которую уложен один ряд крупных блоков; эти блоки, в свою очередь, можно рассматривать как кладку цоколя. По этому ряду камней расположен второй камышовый пояс, выше которого возводилась кладка из кирпича на ганчевом растворе. С течением времени подушка, естественно, садилась, но сжимаясь, не деформировала стеблей камыша и не ломала их. Находясь выше уровня земли, камыш постоянно проветривался и не загнивал.
Ганчевая штукатурка внутренних стен, как правило, обрывается на линии верхнего камышового пояса, кладка цоколя не оштукатурена, и, таким образом, подушка находится под постоянным воздействием воздуха. Есть несколько вариантов размещения антисейсмических подушек, но принцип применения этих эластичных конструкций, как основная идея антисейсмических мероприятий, остается ненарушенным.
Примером высокого расположения антисейсмической камышовой прокладки может служить безымянный мавзолей в Чоу-Бухаре. В этом мавзолее фундамент и цоколь выведены из крупноблочного тесаного камня, кладка эта поднимается выше уровня земли на 0,8 м. По верху цоколя начинается кладка из кирпича, по второму ряду которой расположен камышовый пояс, сохранившаяся толщина камышового пояса 5 см. Камышовые пояса применялись также при возведении жилых домов, где камыш укладывался между двумя последними рядами кирпичной кладки цоколя.
Все приведенные конструктивные мероприятия являются антисейсмическими. Прослеживается такая линия. Сейсмические силы приходятся прежде всего на пластичную глиняную подушку под подошвой фундамента. Отсюда смягченный толчок передается кладке фундамента, где пластичный раствор погашает еще часть усилий, и воздействие передается далее к земляной прослойке и камышовому поясу. Этот последний в данном случае работает, как амортизатор, так как пластичный слой камыша не в состоянии передать полученный толчок с той интенсивностью, с какой он может быть передан обычной кладкой. Далее, к верху усилия постепенно все более и более затухают в слоях эластичного ганчевого раствора кирпичной кладки стены.
Камышовый пояс, не связывая в монолит цоколь со стеной, допускает даже некоторое смещение фундамента и цоколя относительно их первоначального положения, без каких бы то ни было отрицательных последствий для лежащей выше стены. Если имеется вторая прокладка из камыша, то в ней затухает еще какая-то часть усилия. Камышовые прокладки в основании стен можно рассматривать как предшественников применяемых в настоящее время для сейсмостойких сооружений различных типов резиновых, фторопластовых и других прокладок.
Кроме изложенных, встречаются и другие приемы усиления памятников архитектуры. Так, в закавказских памятниках, например храм в Гарни, для связи гранитных блоков использовались железобетонные и бронзовые скобы с заливкой в местах крепления свинцом.
Помимо таких специальных устройств старые зодчие применяли и другие конструкции, которые были надежными в условиях постоянной угрозы землетрясений. Здесь в первую очередь следует отметить стрельчатую форму арок и сводов: при этих очертаниях замковая часть никогда не обрушалась при землетрясениях, а арка, претерпевая повреждения у пят, по середине кривой и в замковой части начинает работать как шарнирная система. Что же касается купольных покрытий, то они достаточно сейсмостойки, не только по убеждению старых мастеров-строителей, но и по требованиям современных норм. Влияние землетрясений даже значительной интенсивности приводит в куполах, как правило, только к появлению трещин, которые, по словам восточных зодчих, подобны тем болезням у человека, с которыми он, кряхтя, живет дольше, чем его совершенно здоровые соседи.
Особое место в монументальной архитектуре Средней Азии следует отвести отдельно стоящими колоннам. Ни в одном из дошедших до нас архитектурных памятников Средней Азии нет отдельно стоящих каменных колонн, хотя известно, что в самаркандской соборной мечети Тимура Биби-Ханым их было установлено в свое время около 400 шт. Печальная участь этого грандиозного сооружения подтверждает их низкую сейсмостойкость.
Кирпичные столбы в виде промежуточных опор применялись древними зодчими чаще в сочетании с материалами, обладающими пластическими свойствами. В галереях многочисленных медресе обычно использовались массивные столбы с размерами сторон около 80 см из кирпича, уложенного по толстым слоям ганчевого раствора. Отдельно стоящие кирпичные столбы в качестве несущих конструкций встречались только в сравнительно ранних объектах (XI в.) в мечети Ma-гон в Бухаре и мечети в Хазаре, что позволяет предположить, что в дальнейшем зодчие отказались от кирпичного столба.
Вместе с тем деревянная колонна в отличие от каменной нашла широкое применение в архитектуре Средней Азии. Эта колонна дошла до нас в великолепных образцах как в монументальных сооружениях, так и в строительстве жилья.
Среднеазиатская деревянная колонна представляет собой суживающийся кверху столб, опирающийся на каменную или деревянную опору; по верху колонны обычно укладывается подбалка (см. рисунок). И верхний, и нижний концы колонны имеют закругленные торцы. Торцы колонны и гнезда для них сконструированы так, что при землетрясениях могут свободно допускать небольшие отклонения колонны, создавая шарнирное закрепление.
Для жилых помещений и айванов (террас) каркас выполнялся обычно нежестким; по свободно стоящим деревянным стойкам укладывались подбалки и балки перекрытия. Если один конец балки перекрытия заделывался в стену, то другой свободно опирался. При этом заделанные в стену концы балок также не закреплялись жестко, а опирались на верхнюю обвязку и выступали на 10 см и более за наружную грань стены.
Одной из основных задач, изложенных выше конструктивных решений, являлось снижение сейсмической опасности. Проверку эти решения проходили во время сильных землетрясений. Таким образом, можно сделать вывод о бесценном наследии древних мастеров, опыт которых находит воплощение в современном сейсмостойком строительстве и должен постоянно тщательно изучаться.
Способы восстановления памятников архитектуры. Меры, принимаемые древними мастерами, позволили во многих случаях удлинить ”жизнь” памятника, а не обеспечить его безусловную сохранность, особенно в районах, подверженных землетрясениям, из-за активного старения материалов и других факторов, отрицательно сказывающихся на долговечности памятника.
При выборе способа восстановления памятника возникает необходимость не только в выявлении причин возникновения и развития деформаций, но и в изучении физико-механических свойств материалов несущих конструкций, оценке степени износа сооружения и вероятности возникновения различных внешних воздействий, в том числе сейсмических. Выбору способа восстановления памятников должны также предшествовать точнейшие обмерные чертежи или данные фотограммометрии. Наряду с подробной фиксацией повреждений должна выявляться достоверность форм и пропорций памятника, так как в связи со значительной деформативностью кладок, особенно в массивных высоких сооружениях, высота их со временем могла существенно уменьшиться.

Существенный недостаток в обеспечении долговечности памятников - часто неверный подход к их ремонту (реставрации), восстановлению и усилению. Можно выделить два подхода к восстановлению памятников. Первое направление. При восстановлении или реставрации конструктивная схема сооружения сохраняется неизменной. В этом случае методика восстановления ограничивается устранением отдельных дефектов — устройством связей между элементами, разборкой опасных участков, заделкой трещин. Одним из путей является перекладка стен, причем во всех случаях следует стремиться к тому, чтобы сохранить подлинные материалы, и только в исключительных случаях использовать заменяющие. Однако и в этом случае кладка, выполненная каменщиком, вооруженным современным инструментом и соответствующими навыками работы, снижает историческую и художественную ценность внешнего вида памятника и не позволяет в полной мере изучить приемы работы древних мастеров.
Специальным вопросом при реставрации (ремонте) памятников является обеспечение совместной работы старых и новых конструкций. Вкрапление чужеродных современных материалов во многих случаях может быть источником местных повреждений. Для примера можно привести восстановление таких сооружений, как мавзолей Султана Санджара в Мерве (Туркменистан), фундаментная часть портала медресе Аллакули в Хиве и мавзолея Гур-Эмира в Самарканде (Узбекистан), при восстановлении которого также при подводке фундаментов включались инородные материалы. К числу таких решений относится нагнетание (инъецирование) различных эпоксидных растворов в трещины.
Второе направление. К сожалению, как правило, изучать памятник начинают с того момента, когда он приходит в аварийное состояние. В этих условиях возникает необходимость в усилении памятника, в том числе за счет изменения его конструктивной схемы путем:
- включения дополнительных связей, хорошо воспринимающих растягивающие сдвигающие усилия, в том числе предварительно напряженных;
- замены материалов, обеспечивающих максимальное снижение массы сооружения, устройства швов для обеспечения независимой работы отдельных элементов при землетрясении (например, порталов) с декоративной их отделкой;
- использования комплексных конструкций или конструкций из монолитного железобетона, на которые передаются основные нагрузки. Последнее решение предпочтительно при восстановлении высоких сооружений, например минаретов, высота которых достигает 80 м (Биби-Ханым) или при восстановлении обрушившихся арок, сводов и куполов больших пролетов.
При этом возникают сомнения, во-первых, в достоверности данных, характеризующих физический износ древних сооружений и соответственно их прочностные свойства и, во-вторых, в вынужденном распространении требований современных норм и положений к расчету древних сооружений, что создает определенные резервы (запасы) прочности. Второе направление осуществимо технически проще и с инженерной точки зрения вполне логично, но следует ли ему отдавать предпочтение, пока спорно, если рассматривать проблему исходя не только из воспроизведения облика памятника архитектуры. Как первое, так и второе направления предусматривают необходимость в обеспечении долговечности конструкций усиления, покрытии их противокоррозионными обмазками, принятии мер к понижению грунтовых вод и др.
Следует учитывать, что наряду с сейсмическими, памятники архитектуры подвержены ветровым, атмосферным, солнечным, инженерно-геологическим, в том числе в виде сильно засоленных вод, динамическим (от близко проходящего транспорта) и другим воздействиям, которые при оценке прочности сооружения требуют учета их сочетания и опять таки учета дополнительных резервов прочности. Недоучет этих факторов может привести к нарастанию деформаций, как, например, в мавзолее Сайфиддина Бохарзи или главном портале медресе Абдулла-Хана в Бухаре.
Многие памятники Средней Азии были существенно повреждены в результате землетрясений и в последующем восстановлены. К ним, например, относятся портал медресе Kyкельдаш в Ташкенте, поврежденный в результате землетрясения 1946 г. и портал медресе Тилля-кари в Самарканде, обрушившийся после одного из землетрясений XlX в., восстановленный в грубой кирпичной кладке и только в последующем реконструированный в первоначальном виде с помощью безраспорной рамной железобетонной конструкции с пустотелыми пилонами и тонкой железобетонной сводчатой оболочкой.
Таким образом, изложенные ранее способы усиления оснований, фундаментов, зданий, сооружений и их отдельных элементов, а также технология производства некоторых видов работы по усилению и восстановлению традиционных конструкций, включая технически грамотную замену существующих конструкций новыми, могут быть успешно использованы и при восстановлении памятников архитектуры.