3.2. Форма и материал

Применение того или иного рода несущих систем обусловлено характером строительного материала. Особенности работы материала на сжатие, растяжение, изгиб, его жесткостью или вязкостью и т.д.

Древесина – один из древнейших строительных материалов. Это наиболее распространенный в архитектурной практике материал органического происхождения, имеющий трубчатое слоисто-волокнистое строение. Жесткость древесины существенно зависит от направления нагрузок по отношению к волокнам. Имеют место остаточные деформации при длительных нагрузках.

Древесина обладает достаточно высокой прочностью на сжатие, растяжение и изгиб, но при долговременных нагрузках эти показатели снижаются. Расчетное сопротивление древесины первого сорта растяжению вдоль волокон составляет 10 МПа, изгибу и сжатию – 14 МПа [8]. Важными свойствами этого материала являются легкость и высокая удельная прочность (отношение масс равнозначных несущих конструкций из дерева, стали и железобетона может составлять 1:2:10 – при больших пролетах и малых нагрузках [8]), низкая теплопроводность (обусловливающая широкое применение древесины в ограждающих конструкциях) и низкий коэффициент температурного расширения, позволяющий в деревянных сооружениях обходиться без температурных швов.

На протяжении истории формы деревянных строений определялись конструктивными возможностями цельной древесины. Хижины из веток и сучьев, бревенчатые избы и фахверковые дома с применением бруса и досок показывают диапазон форм традиционной архитектуры из дерева (рис. 25). С середины ХХ века все более широкое применение находит клееная древесина с ее более разнообразными формообразующими свойствами (рис. 26). Дерево используется в фахверковых и балочных конструкциях, клееная древесина – также в арочных и рамных системах.

а. б.

в.

Рис. 25. а) Африканские хижины из жердей. б) Русская бревенчатая изба. в) Фахверковые дома в Англии, 16 век.

а. б.

Рис. 26. Примеры современных построек из дерева в Финляндии.

Камень – материал древнейших сооружений, дошедших до наших дней. В строительной практике используется как натуральный камень (гранит, известняк, туф и т. д.), так и искусственные каменные материалы (кирпич, бетон и пр.). Конструкции из камня наиболее долговечны, но недостаточно экономичны по причине необходимости использования ручного труда на стройке, а также (в случае применения натурального камня) высокой стоимости исходного сырья и его обработки.

Так как камень хорошо работает только на сжатие, то для перекрытия даже сравнительно небольших пролетов требуется либо применение других материалов, работающих на изгиб, для создания перекрытий, балок и перемычек, либо использование арочных и сводчатых конструкций (рис. 27, 28).

Рис. 27. Колизей в Риме как пример древнего каменного сооружения с применением арочных конструкций.

Рис. 28. Антонио Гауди. Крипта в Колонии Гуэль (1908-1916). Вид входной зоны.

Железобетон – это искусственный армированный каменный материал, который сочетает в себе два различных по своим механическим свойствам компонента: бетон, который работает на сжатие, и стальные арматурные стержни, работающие на растяжение. Бетон представляет собой «жидкий камень», которому можно придавать любую форму, жесткость которой обеспечивается арматурным каркасом.

К достоинствам железобетона относятся, прежде всего, свобода в формообразовании (возможность отливать конструкции самых разных форм и сечений), огнестойкость, индустриальность и экономичность, а также возможность изменять состав бетонных смесей, создавая материалы с различными свойствами. К недостаткам железобетона относится высокая плотность и, следовательно, массивность конструкций, высокая звуко- и теплопроводность, низкая коррозионная стойкость и высокая стоимость работ по возведению опалубки. При возведении конструкций из монолитного железобетона в северных широтах необходимо соблюдать сезонность работ и не допускать замерзания бетонного раствора.

Особенности форм и фактур железобетонных конструкций во многом определяются выбранной системой опалубки. Щитовая опалубка того или иного типа задает прямоугольную модульную сетку, индивидуальные блок-формы из досок способствуют созданию граненых форм с отпечатками древесной фактуры, оставляемая армоцементная опалубка позволяет достичь подлинной скульптурности форм с гладкой поверхностью (рис. 28, 29, 30).

«По уровню технических и экономических показателей железобетон является основным конструкционным материалом современности» [8]. Он был использован в крупнейших сооружениях XX – XXI веков, таких, как самые высокие телебашни в Москве и Торонто, небоскребы, мосты и тоннели по всему миру. Железобетон используется в арочных, балочных, рамных и панельных конструкциях, а также при сооружении разнообразных оболочек (рис. 31).

а. б.

Рис. 28. Л. Кан. а) Институт биологических исследований в Сан-Диего, Калифорния, США (1959-1966). Вид одного из корпусов. б) Библиотека в Эксетере, Нью-Хэмпшир, США (1965-1972). Интерьер.

Рис. 29. Дж. Микелуччи. Церковь Сан-Джованни-делла-Страда, Италия (1960-1964). Интерьер, общий вид.

а. б.

Рис. 30. П. Л. Нерви. а) Шерстепрядильная фабрика Гатти, Рим, Италия (1951-1953). Интерьер, армоцементная опалубка. б) Дворец труда, Турин, Италия (1961). Интерьер, деталь разреза, схема переменного сечения опоры.

а. б.

Рис. 31. Ф. Кандела. а) Церковь Санта-Моника, Мексика (1960). Интерьер. б) Церковь Ла Флорида, Мексика (1966). Общий вид.

Металлы. Для несущих конструкций, как правило, применяется прокатная сталь; для самонесущих и ограждающих конструкций часто используются алюминиевые сплавы. Последние в 2 – 2,5 раза дороже стали и имеют более низкую прочность (на 20%), зато они значительно легче и обладают стойкостью к коррозии.

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, в который для изменения его свойств часто добавляют легирующие компоненты (кремний, никель, хром, вольфрам и др.). Для несущих конструкций применяются низкоуглеродистые и низколегированные стали, за исключением участков, где требуется повышенная прочность (там используются средне- и высоколегированные стали, которые значительно дороже, чем наиболее употребительная сталь марки Ст3).

Как следует из схем Х. Энгеля, использование стальных конструкций позволяет перекрывать самые большие пролеты (с применением вантовых систем – до 500 м, а в отдельных случаях больше 1 км). Это связано с большой прочностью стали на растяжение (предел прочности варьируется от 400 МПа у обычной стали до 1,5 ГПа у кремнехромомарганцовистой). Прочность стали на сжатие повышается при увеличении содержания углерода, но при этом увеличивается и хрупкость конструкции. Благодаря применению стальных конструкций в ХХ веке стало возможным не только перекрывать большие пролеты, но и добиться невиданной доселе свободы формообразования (рис. 32, 33). Металл используется в арочных, вантовых, тентовых, фахверковых, балочных и рамных конструкциях, а также сетчатых оболочках.

Рис. 32. П. Л. Нерви. Бумажная фабрика в Монтуе (1961-1962). Подвесное покрытие пролетом 163 м.

Рис. 33. Примеры металлических конструкций в постройках С. Калатравы