Глава 2. «Стоечно-балочная система.»

Простейшей и древнейшей архитектурной конструкцией является стоечно-балочная система. Ее прототипом был дольмен — культовое сооружение, состоящее из двух вертикально поставленных камней, на которые водружен третий горизонтальный камень. Назначение дольмена до конца не выяснено.

Со временем дольмен перерос в кромлех — сооружение, служившее, по всей видимости, для жертвоприношений и ритуальных торжеств. Кромлех состоял из огромных отдельно стоящих камней, которые накрывались горизонтальными камнями и образовывали одну или несколько концентрических окружностей. Самый значительный и загадочный кромлех сохранился в местечке Стонхендж (Англия) и относится к XX—XVII векам до н. э..

Оставалось только придать каменному столбу кромлеха форму лотоса или изящной женской фигуры — кариатиды (по-гречески «девушки»), и стоечно-балочная конструкция превратилась в произведение искусства. Такое чудесное превращение видим в колоннах древнеегипетского храма бога Амона в Карнаке (XV в. до н. э.) или в кариатидах древнегреческого храма Эрехтейон на афинском Акрополе (421 — 406 гг. до н. э.).

Стоечно-балочная конструкция проигрывала пирамиде в устойчивости и распределении веса, но она позволяла создавать внутренние объемы и, безусловно, явилась шагом вперед. Главным же недостатком такой конструкции было то, что камень плохо работает на изгиб. Каменный брус сечением 10 x 10 см и длиной 1 м 34 см обламывается под действием собственного веса. Вот почему в храме Амона в Карнаке такой лес колонн. Но камень прекрасно работает на сжатие. Это свойство камня и дало жизнь новой архитектурной конструкции — арке, а затем и своду.

Родившись в Месопотамии и Персии, арочно-сводчатая конструкция была доведена римлянами до совершенства и стала основой древнеримской архитектуры. Арочно-сводчатая конструкция позволяла римлянам возводить гигантские сооружения. Это амфитеатр Флавиев (Колизей — от лат. колоссальный; 75—80 гг.) — самое высокое (48 м) из сохранившихся сооружений античного Рима, вмещавшее 56 тысяч зрителей. Три яруса арок Колизея являются необходимым элементом его конструкции и неотъемлемой частью его архитектурной формы. Построенный за 10 лет, впоследствии Колизей в течение многих веков использовался как каменоломня.

Это гигантские термы (бани) Каракаллы (нач. III в) и Диоклетиана (нач. IV в.) в Риме, вмещавшие одновременно до 3 тысяч зрителей. Римские термы имели цилиндрические и крестовые своды огромной высоты, были пышно украшены мозаикой, скульптурой, росписями, имели залы для омовения, массажа, сухого потения, гимнастических упражнений и даже библиотеки и походили скорее на дворцы.

Это система арочных водоводов-акведуков (пролет арок — от 5 до 25м; высота — более 40 м, общая протяженность — до 60 км), которые стали неотъемлемой частью римского пейзажа.

И, наконец, вершина древнеримского строительного искусства — Пантеон — храм богов. В «классе каменных куполов» 43-метровый купол Пантеона в истории зодчества остался недосягаемым. Но Пантеон не только вершина научных и технических достижений древнеримских строителей, но и шедевр архитектурного искусства. В интерьере Пантеона достигнута завораживающая гармония между высотой и диаметром сооружения, которая имеет простое математическое выражение: высота стен Пантеона равна радиусу полусферы его купола, то есть весь Пантеон как бы наброшен на 43-метровый шар. Цельность и величественность Пантеона оказали огромное влияние на многие поколения архитекторов.

Итак, арки и своды произвели целую революцию в архитектуре. С того момента, как в арке устанавливался так называемый замковый камень, арка становилась самонесущей конструкцией. Поэтому процесс установления замкового камня часто сопровождался религиозной церемонией, а сам камень старались как-то украсить.

Римские арки, своды и купола были неизменно полуциркульными. Здесь, видимо, сказывалось влияние пифагорейской философии, считавшей круг и сферу идеальными фигурами, а также, безусловно, простота построения. С появлением арочно-сводчатой конструкции в архитектуру прямых линий и плоскостей пришли окружности, сферы и круговые цилиндры, что сделала геометрический язык архитектуры значительно богаче. Однако полуциркульная арка или полусферический купол давали сильный боковой распор, что ясно видно из схемы сил, действующих в арке. Боковые усилия приходилось гасить толщиной стен и устройством контрфорсов, так толщина стен Пантеона достигала 7 метров, а это влекло огромный расход строительных материалов.

Рим пал, а вместе с ним пало и рабовладение. Средневековые мастера уже не могли себе позволить гасить огромные распоры от полуциркульных сводов семиметровыми стенами, так как камень был дорог. Вместе с пленниками-сарацинами крестоносцы привезли в Европу секреты возведения стрельчатых арок. Так новая конструкция породила новую архитектуру – готику.

Стрельчатая арка по сравнению с полуциркульной является более совершенной конструкцией: она вызывает меньший боковой распор, а, следовательно, и меньший расход камня. Стрельчатая арка имеет более сложную геометрическую форму по сравнению с полуциркульной, которая строится одним движением циркуля. Таким образом, на примере трех конструкций стоечно-балочной, арочной и стрельчатой — видим, что по мере совершенствования конструкции усложняется ее геометрия. Современная архитектура подтверждает эту закономерность. Стрельчатая арка привнесла в готическую архитектуру два конструктивных новшества. Во-первых, стрельчатые своды стали выполнять на нервюрах — каменных ребрах, несущих независимые друг от друга части свода — распалубки. Нервюры служат «скелетом» свода, они воспринимают на себя основную нагрузку. В результате конструкция становится более гибкой: она может выдерживать те деформации, которые для монолитного свода окажутся губительными. Таким образом, нервюры явились прототипом современной каркасной конструкции.

Во-вторых, боковой распор от стрельчатого свода средневековые зодчие решили гасить не в самих стенах, несущих этот свод, а вне их. Для этого за пределами внутреннего пространства готического собора ставились специальные опоры —контрфорсы, нагрузка на которые передавалась с помощью арочных конструкций —аркбутанов. Аркбутаны, словно ребра скелета, окружали снаружи готический собор.

Зато внутренним опорам и стенам готического собора оставалась лишь одна вертикальная нагрузка — вот почему их можно было делать более тонкими и изящными. Со временем центральные устои готического храма превратились в пучок нервюр, которые, словно преодолев земное притяжение, стремительно возносились к небу. Стрельчатая форма арок подчеркивала это безудержное стремление ввысь. Самые высокие своды имели соборы Северной Франции: собор в Амьене (1288 г., 43 м) и собор в Бове (1347 г., 48 м). Своды готического собора будто парили далеко в вышине, освещенные вибрирующими потоками света от цветных витражей. Поскольку вертикальную нагрузку готического храма нес пучок нервюр, центральные стены как несущие конструкции оказались ненужными, и их заменили цветными витражами. Перекликаются готические конструкции XII—XV веков и с современными архитектурными конструкциями, у которых нагрузку взял на себя тонкий железобетонный каркас, а стены стали стеклянными.

Стоечно-балочная конструкциясостоит из вертикальных и горизонтальных стержневых несущих элементов. Вертикальный элемент – стойка(колонна, столб) – представляет собой прямолинейный стержень, который воспринимает все вертикальные нагрузки от горизонтального элемента (балки); горизонтальные нагрузки, приходящиеся на стойку, и передает усилия от этих воздействий на фундамент. При этом сама стойка работает на сжатие и изгиб. Горизонтальный элемент стоечно-балочной системы – балка (брус) – прямолинейный стержень, работающий на поперечный изгиб под действием вертикальных нагрузок.

Сопряжения вертикальных и горизонтальных элементов могут иметь различную жесткость, что отражается на характере их совместной работы.

При шарнирном опирании балки обладают свободой горизонтальных перемещений и поворота на опоре, в связи с этим они передают на стойки только вертикальные усилия.

При жестком сопряжении балки со стойкой обеспечивается совместность их деформаций и перемещений в узле сопряжения и возможность передачи изгибающего момента от балки на стойку. Такой вариант стоечно-балочной системы носит название рамыили рамной конструкции, а жесткий узел сопряжения балки со стойкой – рамного узла.

Стоечно-балочные конструкции выполняют с различным числом пролетов и ярусов (этажей). Система несущих конструкций здания в виде многопролетной и многоэтажной стоечно-балочной конструкции называется каркасной системой.

Каркас представляют собой систему, состоящую из стержневых несущих элементов – вертикальных (колонн) и горизонтальных балок (ригелей), объединенных жесткими горизонтальными дисками перекрытий и системой вертикальных связей.

Системе присуще четкое разделение на несущие и ограждающие конструкции. Несущий остов (колонны, ригели и диски перекрытий) воспринимает все нагрузки, а наружные стены выполняют роль ограждающих конструкций, иногда воспринимая собственный вес (самонесущие стены). Это дает возможность применять материалы прочные и жесткие – для несущих элементов каркаса, и тепло – звукоизоляционные материалы – для ограждающих. Использование высокоэффективных материалов позволяет добиться снижение веса здания, что положительно сказывается на статических свойствах здания.

Каркасная система с пространственным рамным каркасом применяется преимущественно в строительстве многоэтажных сейсмостойких зданий, высотой более девяти этажей, а также в обычных условиях строительства при наличии соответствующей производственной базы.

Каркасная система - основная в строительстве общественных и промышленных зданий. В жилищном строительстве объем ее применения ограничен не только по экономическим соображениям. Основа противопожарных требований при проектировании жилых зданий – последовательное создание вертикальных преград огню – брандмауэров. В сооружении каркасного типа создание брандмауэров велось по встраиванию между колоннами несгораемых вертикальных диафрагм жесткости. Таким образом, заранее ограничивались возможности пространственной планировки, основного преимущества каркасных систем.

Системы перекрытий с древности проектировались из стереотипного подхода к компоновке балочной клетки, т.е. состояли из балок (ригелей) и настила, так конструктивно решаются и деревянные перекрытия. Затем появляются железобетонные ребристые плиты перекрытия, в которых этот подход уже слит в один конструктивный элемент. Появившиеся позднее плоские пустотные плиты перекрытий – являются значительным шагом в проектировании систем зданий нового типа.

В индустриальных жилых зданиях, в сравнении с традиционными сооружениями, имевшими смешанные покрытия, включавшие фрагменты деревянных перекрытий, горизонтальные несущие конструкции впервые начинают выполнять роль «диафрагм жесткости», кроме того, перекрытия воспринимают горизонтальные нагрузки и воздействия (ветровые, сейсмические и др.) и передают усилия от этих воздействий на вертикальные конструкции.

Передача горизонтальных нагрузок и воздействий осуществляется двояко: либо с распределением их на все вертикальные конструкции здания, либо на отдельные специальные вертикальные элементы жесткости (стены, диафрагмы жесткости, решетчатые ветровые связи или стволы жесткости). Индустриальный тип зданий предоставляет и промежуточные решения – передача нагрузки возможна с распределением горизонтальных нагрузок в различных пропорциях между элементами жесткости и конструкциями, работающими на восприятие вертикальных нагрузок.