The structural functionality and restoration methods of Finnish block column churches

Abstract

Block column churches are wooden churches that have been built in Finland between l7th and 18th centuries. This thesis aims to determine the purpose of different parts in block column churches in theirs overall structural functionality. This is important because the causes of typical damages in block column churches have not always been understood correctly, which has resulted in unsuccessful repairs.

The study is based on expert opinions and recent studies regarding medieval churches. The churches that where studied include Porvoo, Sipoo and Pälkäne medieval churches. In this thesis, the functionality of block column churches has been numerically calculated with FEM based software. The calculations have been made using orthotropic materials. The geometry of models is based on the 1948 measurement drawings of the Tervola old church. Load cases are done according to Euro code. The design age of churches mostly affects the creep factor as well as the wind and snow loads.

The analysis of models indicated that the main function of block columns is to join different parts together and transfer loads. The stiffness changes inside sidewalls and block columns cause uneven movement in truss structure supports, as often seen in eaves and ridges of the roof. The roof trusses in block column and medieval churches are the same, but the functionality is diverging because of the different kind of supports of roof trusses. In block column churches, the support is flexible, and in medieval churches, it is stable. When sole pieces, sidewalls and longitude beams are joined together, they create structure that is important for the stability of the entire church. In addition, the church also needs the cross beams which limit the movement in sidewalls The causes of damages in structures of old churches can only be properly understood by making complete measurements and case based structural analysis when restoring it. In this way, it is possible to repair the building correctly and at the same time respecting the historical values of the building. Successful reparation requires good cooperation between the architect, construction engineer and constructor.

Tukipilarikirkot ovat puurakenteisia pitkäkirkkoja, joita on rakennettu Suomessa 1600- ja 1700- luvuilla. Tämän tutkimuksen päätavoite on ollut selvittää, mikä on eri rakenneosien merkitys tukipilarikirkkojen rakenteellisessa kokonaistoiminnassa. Tämä on tärkeää, koska rakenteiden vaurioiden syitä ei ole aina täysin ymmärretty, jonka seurauksena kirkkoja on korjattu väärin.

Tutkimuksen perustana ovat asiantuntijahaastattelut sekä viimeaikaiset keskiaikaisten kivi- kirkkojen tutkimukset, joissa kohteina ovat olleet Porvoon, Sipoon ja Pälkäneen kirkot. Työssä tukipilarikirkkojen toimintaa on selvitetty numeerisesti elementtimenetelmään perustuvalla laskentaohjelmalla. Laskentamalleissa on sovellettu ortotrooppista materiaalimallia. Mallin geometria perustuu Tervolan vanhasta kirkosta vuonna 1948 tehtyihin mittauspiirustuksiin. Tutkimuksessa mitoitusperusteena on käytetty Eurokoodeja. Käyttöikä on otettu huomioon arvioitaessa puurakenteiden virumaa ja luonnon kuormien suuruutta.

Laskentatulosten perusteella tukipilareiden pääasiallinen merkitys on liittää eri rakenneosat yhteen. Sivuseinien ja tukipilareiden jäykkyyksien muutoksista seuraa, että seinärakenteiden kattotuoleille antama vaakasuuntainen tuenta muuttuu eri kohdissa rakennetta. Tämä näkyy seinien ja kattorakenteiden aaltoiluna. Vaikka tukipilarikirkkojen ja keskiaikaisten kivikirkkojen kattotuolit ovat rakenteeltaan samanlaisia, niiden toiminta eroaa toisistaan. Ero johtuu siitä, että tukipilarikirkoissa kattotuolit on sijoitettu joustavien hirsirakenteiden päälle ja kivikirkoissa vastaavasti massiivisille kivimuureille. Tukipilarikirkon stabiliteetin kannalta tärkeä tikapuita muistuttava rakenne muodostuu pitkittäisten sidehirsien, kattotuolien tassujen ja sivuseinien vuorovaikutuksesta. Lisäksi rakenne tarvitsee ehdottomasti poikittaiset sidehirret, jotka rajoittavat merkittävästi sivuseinien vaakasiirtymiä.

Tutkimuksen perusteella tukipilarikirkkoja korjatessa, on olennaista, että korjattavasta kirkosta tehdään kattavat kuntotutkimukset ja tapauskohtaiset rakenneanalyysit, jotta ymmärrettäisiin vaurioiden syyt ja arvokas rakennus voitaisiin korjata sen ikää ja arvoa kunnioittaen. Onnistunut rakenteiden korjaus edellyttää eri ammattialojen, kuten arkkitehtuurin, rakennesuunnittelun ja rakentamisen tuotantotekniikan, välistä hyvää yhteistoimintaa.