Распорные тектонические системы

Распорные тектонические системы

Распорные тектонические системы

Тектоника распорной системы основана на статической работе арки. Сущность этой работы заключается в уравновешивании усилий, влияющих на арку, включая ее собственный вес, силами противодействия опоры. Рассмотрим это на опыте. Если установить два клиновидных камня шатром и приложить усилие к месту их взаимного упора, то агрегат будет стремиться разъехаться в стороны, т.е. вертикальное усилие изменило направление на угловое. В теоретической механике этот процесс выглядит как сложение вертикальных и горизонтальных усилий в равнодействующую диагональную силу (рис. II. 1.11).

Чтобы не допустить проседание агрегата, основания камней нужно опереть на контрфорс, противодействующий силе горизонтального распора равным усилием. Если это усилие будет больше, камни сомкнутся. Усложним опыт, но проведем его мысленно. Поставим два надежных (тяжелых и массивных) контрфорса, пусть это будут два скалистых берега горной реки. Вам нужно решить задачу возведения долговременной и прочной переправы. В окрестностях нет подходящего по длине леса и длинных плоских камней. Есть только мелколесье для устройства временных подмостей и опалубки, которые понадобятся при устройстве арки из клиновидных камней, каждый из которых, стремясь упасть вниз, мешает сделать то же соседнему камню; так, прижатые друг к другу и скрепленные вяжущим раствором, они создают перемычку. Ее прочность обуславливается пригрузкой, достаточной, но не разрушающей. В нашем опыте возведение арки начнется от ее пят и закончится замковым камнем — ключевым элементом кладки, который нередко акцентируется размером и декоративной отделкой.

Подобную задачу наяву решали древние римляне, прокладывавшие виадуки и акведуки (путепроводы и водопроводы) при освоении горных местностей Аппенинского полуострова. Они и считаются пионерами в разработке многообразного семейства распорных конструкций на основе бетона, для которого использовался в качестве вяжущего вещества вулканический пепел — пуццолана.

Бетон оказался очень кстати там, где не было ни времени, ни квалифицированной рабочей силы для обтески клиновидных камней. Но арки, выполненные укладкой бетонной смеси в опалубки, работали так же, как и выложенные из подогнанных друг к другу камней.

Как показал выше силовой анализ распорной системы, суммарные усилия давления на арку распределены по ее обеим ветвям, причем наклонные векторы усилий имеют горизонтальные и вертикальные составляющие. Сложнее всего обеспечить противодействие горизонтальной составляющей, ибо эта сила стремится опрокинуть контрфорс, и он должен быть массивным и устойчивым.

Долгой жизнью римские виадуки обязаны тому, что их строили в створе ущелий, на берегах горных рек, обеспечивающих надежное погашение распорных усилий (рис. II. 1.12).

Арочные пролеты могли достигать размеров, недоступных при использовании деревянных конструкций, к тому же сгораемых.

Геометрическая правильность является залогом прочности арки. В античности была освоена технология возведения полуциркульных арок. Пологая и стрельчатая арки оказывают, соответственно, большее и меньшее давление на контрфорсы, что существенно влияет на вид сооружения, где они применены (рис. II. 1.13) [11, 36].

Арка стала базовым элементом для формирования распорных конструкций центричного и линейного типа: купола и свода.

Простейшим приемом возведения купола из штучного материала является воробовый. Он выполняется спиральной кладкой при помощи вороба — контролирующего работу шнура постоянной длины, закрепленного в геометрическом центре купола.

 

В куполах большого диаметра верхняя замковая часть (скуфья, шелыга) получается практически горизонтальной, и во избежание разрушения верх купола оставляли открытым (купол римского Пантеона) или скуфью заменяли куполом-надстройкой меньшего диаметра (собор Св. Софии в Константинополе) {рис. II. 1.14).

 

Для возведения сферических куполов с центробежным направлением распора необходимо иметь прочное основание в виде циркульного круга, подготовка которого осуществлялась предварительным возведением квадратного в плане строения. Затем посредством тромпов и парусов скруглялось основание и выкладывался купол (рис. II. 1.15). Наиболее радикальным способом погашения распорных усилий был изобретенный в раннее средневековье способ последовательной передачи усилий земле через систему сводов и полукуполов, окружавших центральный купол, и контрфорсов. В итоге все сооружение приобретало вид пирамиды, образованной ярусами куполов и сводов.

Уменьшению усилий распора способствовало сокращение веса купола за счет конструктивных совершенствований: вводу прочного каркаса в оболочку купола из легких материалов (пемзы);

 

 

кладке купола из керамических гончарных сосудов, открытых отверстиями вниз, что и придавало им описанные выше необыкновенные акустические свойства.

Линейным производным арки являются своды. Цилиндрические и крестовые своды широко использовались древними римлянами для перекрытия хозяйственных и культовых построек. Распор продольных цилиндрических сводов погашался опиранием на массивные стены. Чтобы облегчить своды, устанавливали арки-ребра из прочного камня, а пространство между ними заполняли легкими плитами из пемзы и туфа. В плоскости арок для повышения устойчивости устраивали контрфорсы, придававшие плану здания внешний зубчатый профиль. Крестовыми сводами перекрывали обширные помещения. Ячейка крестового свода представляет в основании квадрат (с колоннами по углам) для того, чтобы пересекающиеся полуциркульные своды одного радиуса сомкнулись в одном уровне {рис. II. 1.16). Повышения прочности и легкости конструкции добивались также укреплением ребер сводов и заполнением их легкими пластинами.

Арки, своды и купола циркульной формы стали опознавательным знаком римской, византийской и романской архитектуры.

Складывается традиция формирования объема культового здания из стандартных модульных секций — травей, объединяющих квадратные в плане конструктивные ячейки, завершаемые сводами. При этом в трех—пятинефной базилике центральный повышенный неф имеет план опорной ячейки вдвое шире боковых (рис. 11.1.17) [144].

От квадратной зависимости удалось избавиться только создателям готической архитектуры, разработавшим травею на основе стрельчатой арки, позволившей значительно сократить боковой распор, очень мешавший строителям возводить устремленные вверх соборы.

Освобождение конструкций здания от балластного материала, замена массивных сводов на каркас нервюр с легким заполнением, а стен — на широкие витражи, придали скелетный вид внешнему облику готических соборов, который демонстрировал систему передачи нагрузки от сводов на контрфорсы через арочные мостики — аркбутаны (рис. II. 1.18).

Монополия на использование купольных и сводчатых конструкций большого масштаба долгое время сохранялась за культовыми зданиями. На основе распорных конструкций развивалась церковная архитектура Западной и Восточной Европы, стран мусульманского мира. Различные формы сводов и куполов — пологих, стрельчатых, цилиндрических — стали неотъемлемой составляющей в формировании образа средневекового и современного интерьеров масштабных сооружений (рис. 11. 1.19).

Трудоемкая и опасная техника возведения конструкций из штучных материалов была заменена в поздние века конструированием сводов и куполов из легких прочных материалов, которые агрегатировались на основе новейших технологий: сварки, замоноличивания, пластичного формования в соответствии с точными статическими расчетами, аргументирующими целесообразность и надежность формы. И в современном интерьере визуальное впечатление о распорной конструкции складывается на основе осознания ее тектонической логики и красоты инженерного решения.

Байтовые и тентовые системы

Если распорные конструкции основаны на передаче усилий давления под углом к гравитационной нормали, то вантовые и близкие им висячие тектонические системы переводят нагрузки в сторону от местоположения сооружения и удерживают его конструкции за счет усилий растяжения в тросах или стержнях, закрепленных со стороны, противоположной нагрузке. Контрфорсы, воспринимающие усилия, работают в этом случае как анкеры.

Вынесение узлов, собирающих нагрузку, за пределы конструкций, свойственно открытым висячим системам: с подвеской покрытия на тросах, с объединением тросовой системы и покрытия в виде армированной мембраны. Висячие конструкции, в которых растяжение погашается собственным замкнутым контуром, являются закрытыми системами. Здесь контур выполняет функции, обратные опорному кольцу купола — он испытывает сжимающие усилия (рис. II. 1.20).

На основе принципа растяжения работают сетчатые и тентовые конструкции (рис. 11.1.21).

Висячими конструкциями создаются объемы, имеющие вид палаток различного силуэта: выставочные павильоны, цирки-шапито, парковые сооружения, складские навесы. Относительная легкость возведения, выразительность и праздничность образа таких сооружений благоприятствуют их привлечению к организации временных комплексов массовой посещаемости.