Najważniejsza kopuła cebulkowa cerkwi Pogost Kiży wychyliła się z pionu o pół metra.
Architektura drewniana jest nieodłącznym elementem historii naszych przodków. Według szacunków ekspertów drewnianych pomników historii w Rosji istnieje blisko trzydzieści. Również w krajach, takich jak Polska, Ukraina, Armenia, Białoruś, Bułgaria, Niemcy, Rumunia, Czechy i w Skandynawii, można spotkać podobne zabytkowe drewniane obiekty, np. kościół Urnes o konstrukcji słupowo-klepkowej, zbudowany w 1150 r. w Norwegii, lub kościół Wniebowzięcia NMP i św. Michała Archanioła w Haczowie (woj. podkarpackie) zbudowany w 1388 r. (w późniejszych latach rozbudowany) – największy, najstarszy i najlepiej zachowany drewniany kościół gotycki o konstrukcji zrębowej w Europie w 2003 r. umieszczony na liście światowego dziedzictwa kulturowego UNESCO.
Rys. 1 Wyspa Kiży i Pogost Kiży
Z punktu widzenia inżynierii ze względu na rozwiązania konstrukcyjne jednak najbardziej znanym i unikalnym obiektem historycznym jest drewniany zabytek kościelny, perła w rosyjskiej architekturze drewnianej – Pogost Kiży, czyli cerkiew Przemienienia Pańskiego, zbudowana w 1714 r. na wyspie Kiży położonej na jeziorze Onega w Karelii, w północnej Rosji (rys. 1). Kiży, wyspa o długości zaledwie ok. 7 km i szerokości 0,5 km, stanowi popularne miejsce turystyczne z powodu znajdującego się na niej unikalnego kompleksu zabytkowych drewnianych cerkwi, kaplic i domów. W 1990 r. podczas sesji Światowego Dziedzictwa w Kanadzie architektura kompleksu Kiży została wpisana na listę światowego dziedzictwa UNESCO.
Cerkiew Przemienienia Pańskiego jest wyjątkowym zabytkiem z punktu widzenia planowania architektonicznego oraz rozwiązania technicznego i nie ma odpowiednika w skali światowej architektury drewnianej. Ze względu na niedostępność w okresie zimowym była używana do nabożeństw tylko w okresie letnim. Świątynię wybudowano głównie z drewna sosnowego, niektóre drobne fragmenty ze świerku, a w konstrukcjach kopuł można również znaleźć elementy brzozowe, zgodnie ze staroruskim rzemiosłem, czyli przy użyciu siekiery bez zastosowania jakichkolwiek łączników stalowych, w tym gwoździ. Tylko lemiesze na głowicach kopuł były zapinane na niewielkie kute gwoździe. Cerkiew ma wysokość 37 m i jest zarazem największym na świecie obiektem całkowicie drewnianym. Obiekt ten o konstrukcji zrębowej, strukturalnie wzniesiony według schematu czworokąta na ośmiobocznej podstawie i na odwrót (na planie ośmioboku), składa się z 2500 bali drewnianych i waży ponad 600 ton (fot. 1).
Fot. 1 Cerkiew Przemienienia Pańskiego na wyspie Kiży, fot. MatthiasKabel, Wikipedia.pl
Charakterystycznym elementem cerkwi jest nietypowa kopuła, złożona z 22 małych kopułek w kształcie cebulek, zwieńczonych krzyżami, rozmieszczonych równomiernie na piramidalnym dachu. Pięć najwyższych kopuł symbolizuje Jezusa i czterech ewangelistów, a niższe nawiązują do pozostałych świętych. Pokrycie kopułek stanowi poddany odpowiedniej obróbce łupek z drewna osiki, pięknie mieniący się w słońcu.
W trudnych warunkach klimatycznych północnej Rosji drewniane budynki po wieloletniej eksploatacji ulegają zużyciu i uszkodzeniom, co charakteryzuje się m.in.: powierzchniowym podłużnym spękaniem elementów drewnianych (wywołanym skurczami wilgotnościowymi), zagrzybieniem drewna, poluzowaniem ciesielskich połączeń węzłowych oraz nadmiernym odkształceniem poziomym i pionowym całego układu konstrukcyjnego. Uszkodzenia te są szczególnie niebezpieczne dla stanu technicznego najbardziej obciążonych śniegiem oraz wiatrem elementów, czyli kopuł. Przy nierównomiernych osiadaniach zrębowej konstrukcji budynku następuje wychylenie konstrukcji kopuł z pionu. W skrajnym przypadku, gdy główne elementy konstrukcyjne podtrzymujące kopułę tracą nośność, może dojść do jej wywrócenia (fot. 2).
Fot. 2 Wywrócenie kopuły cebulkowej z powodu utraty nośności podtrzymujących ją elementów konstrukcyjnych
W Rosji realne niebezpieczeństwo całkowitej utraty drewnianych zabytków architektury wzrasta z każdym rokiem. Jednym z powodów tego jest brak odpowiednich rozwiązań inżynierskich w wielu projektach konserwatorskich. O trwałości cerkwi Przemienienia Pańskiego świadczy fakt, że jedynie w latach 1949-1959 i częściowo w latach 1964-1965 przeprowadzono pewne prace renowacyjne. W ramach tych remontów podjęto próbę usztywnienia całego układu nośnego przez montaż stalowego szkieletu wewnątrz cerkwi. Ponadto najbardziej zmurszałe bale zrębowe wymieniano na nowe, a pozostałe flekowano i impregnowano. Jak wykazało doświadczenie, zabiegi te były mało skuteczne. Z powodu braku należytej konserwacji i użytkowania oraz upływu czasu powstawały dalej poważne uszkodzenia związane przede wszystkim z nadmiernym i nierównomiernym osiadaniem zrębowej konstrukcji nośnej i w 1968 r. uznano stan techniczny budynku za niebezpieczny. Zatwierdzony w 2008 r. przez rząd Federacji Rosyjskiej projekt prac konserwatorskich jest jednym z najbardziej skomplikowanych w historii odbudowy drewnianych zabytków składający się z kilku faz (fot. 3 i 4).
Fot. 3 Cerkiew Przemienienia Pańskiego w pierwszej fazie naprawczej (kwiecień 2012 r.)
W pierwszej fazie za pomocą opartych na fundamencie siłowników hydraulicznych podniesiono całą bryłę cerkwi powyżej dolnej umownej kondygnacji.
Następnie kondygnacja ta została całkowicie rozebrana. W specjalnie wybudowanym budynku wszystkie jej elementy (drewniane bale, złącza) podlegały kompleksowej renowacji: badaniom mykologicznym i wytrzymałościowym, ociosaniu z murszu, flekowaniu, impregnacji itd. Elementy lub ich fragmenty nienadające się do dalszej eksploatacji wymieniane były na nowe z drewna o zbliżonej strukturze i wytrzymałości, które sezonowano od trzech do pięciu lat w specjalnych warunkach. Po renowacji elementów drewnianych następował ich montaż, po zastosowaniu odpowiednich systemów wzmocnień niewymienianych belek konstrukcji, w kolejnym etapie zawieszona bryła budynku osadzana była na dolnej, naprawionej kondygnacji. Następna faza napraw polegała na podniesieniu za pomocą siłowników hydraulicznych całej bryły cerkwi usytuowanej powyższej drugiej umownej kondygnacji. Uwolniona od obciążeń kolejno podlegała ona rozbiórce i tym samym procedurom renowacyjnym co pierwsza umowna kondygnacja. Dalszą procedurę naprawczą powtarzano aż do ostatniej najwyższej części cerkwi.
Fot. 4 Cerkiew Przemienienia Pańskiego w czwartej fazie naprawczej (lipiec 2015 r.)
Podczas prac renowacyjnych okazało się, że wzmocnienie belek dolnych przenikających się czworoboków jest konieczne nie ze względu na ich nośność, lecz na sztywność konstrukcji. Zmierzone maksymalne ugięcie belek wynosiło nie 1/250, ale 1/66 ich długości, co wykluczało możliwość ich dalszego wykorzystywania. Przekroczenie drugiego stanu granicznego, czyli ugięć elementów konstrukcji, zwłaszcza na zawietrznej stronie kierunku wiatrów, mogło być decydującym czynnikiem odchylania się budowli od pionu oraz mogło doprowadzić do zniszczenia (zawalenia się) kopuł. Stwierdzono, że główna najważniejsza kopuła cebulkowa cerkwi Pogost Kiży wychyliła się z pionu o 0,5 m. Podstawową przyczyną tych przemieszczeń jest nierównomierna deformacja ścian zrębowych, na których jest ona oparta. Ściany te pracują na zginanie pod obciążeniem skupionym, a ich sztywność giętna określana jest jako suma sztywności giętnych poszczególnych bali. Rozpatrzono kilka sposobów usztywnienia ścian zrębowych dolnego czworoboku cerkwi. Jednym z nich było zastosowanie cięgien stalowych (rys. 2). Jednak ze względu na zmienne warunki temperatury nie został on przyjęty.
Rys. 2 Wariant wzmocnienia belek konstrukcji zrębowej za pomocą cięgien stalowych
Rys. 3 Schemat wzmocnienia ściany zrębowej: 1 – bal drewniany, 2 – śruba wkręcana (pręty spiralne)
W celu zwiększenia sztywności ścian autorzy tego artykułu zaproponowali scalenie bali za pomocą specjalnych śrub z wysokim ostrym gwintem o dużym uskoku (rys. 3).
Można również zastosować pręty spiralne Helifix ze stali nierdzewnej. Wstępnie w balach nawiercane są pilotowe otwory o średnicy o 4 mm mniejszej niż średnica śrub. Po wkręceniu śrub następuje scalenie bali, w wyniku czego zginana ściana pracuje jako konstrukcja zespolona. Wprowadzona w drewniane bale stal jest w mniejszym stopniu narażona na zmienne warunki atmosferyczne. Ponadto ten sposób wzmocnienia ścian zrębowych jest niewidoczny dla oka, co jest ideą wzmacniania starych, zabytkowych konstrukcji.
prof. dr hab. inż. Jewgienij Serov
dr inż. Stefania Mironowa
Państwowy Uniwersytet Architektury i Budownictwa w Sankt Petersburgu
dr inż. Zofia Gil
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Zdjęcia 2-4: J. Serov
