АРОЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
АРОЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Происхождение, история, физические свойства и виды арок.
Арка – одна из древнейших архитектурных форм, на заре цивилизации она не была просто перекрытием, она несла в себе ритуально-символический смысл. Слово «арка» происходит от латинского «arcus» – дуга, но существует версия, что слово происходит от ивритского «арука», что означает «длинная, тянущаяся». С развитием каменного зодчества, арки приобрели повсеместный характер и стали частью многих типов сооружений. Сегодня арка является популярным декоративным элементом, подчеркивающим изящность и одновременно монументальность объекта, наряду с этим они заняли нишу в промышленном строительстве и стали неотъемлемым элементом многих хозяйственных построек.
Так как же появился столь прекрасный и незаменимый элемент? Откуда человек смог его почерпнуть? Какие схожие конструкции присутствуют в архитектуре и природе? Как развивалась и трансформировалась арка в ходе истории, и какие приобретала значения для человечества? Люди часто забывают о значимости обыденных вещей и редко задумываются о происхождении, на первый взгляд привычного и естественного. Потому-то и стоит периодически освещать простые, знакомые каждому и давно забытые как проблема, вещи и явления.
Изучение арок, как основного элемента храмовой и соборной архитектуры, а так же, и как отдельно стоящего произведения монументальной архитектуры – триумфальной арки, занимает в истории искусств огромное место. Применение арок как пролетов или несущих конструкций имело повсеместный характер уже в начале нашей эры, а оформление арочной конструкцией входа и окон – с 10 по 15 века являлось каноническим и предопределяло становление архитектурных стилей. Возможность распределять нагрузку всего здания на одни лишь арки сыграла роль в становлении и развитии искусства постройки готических соборов, и способствовала появлению в них витража. Особое место арочный пролет занимает в мостострое, ведь именно благодаря этому элементу было создано огромное количество переправ. Сейчас же при помощи арочного принципа можно с легкостью создать покрытия промышленных, сельскохозяйственных и общественных зданий пролетом от 12 до 100м. Это могут быть ангары и складские помещения, спортивные и торговые комплексы, различные кровельные системы. Виды и формы арок, их назначение, а так же сооружение, в которых они применяются, достигли необыкновенного разнообразия и, скорее всего, пришли к кульминационному моменту развития, продолжая свой длинный исторический путь.
Происхождение и природа арок
Как же человек пришел к такой несокрушимой и долговечной конструкции, которую легко соорудить из природных материалов, создав прочную опору для всего сооружения?
Скорее всего, люди заметили эту форму в природе, окружающей человека испокон веков. Арки были всегда на виду у человека – это и вход в пещеру, и грот, и склоненные друг к другу деревья, и радуга, и полукруг заходящего солнца. В мире встречаются необычные и причудливые природные арки. Они разбросаны по свету и присутствуют на каждом материке. Эти гигантские естественные шедевры вырезаны из твердых скал, под влиянием воды, ветра и солнца.
Некоторые из них возвышаются на десятки метров над землей, в то время как другие едва сформированы и почти незаметны, но в любом случае их объединяет одно – все эти красивые естественные формирования обладают уникальной формой арки. Примеров таких явлений бесконечное множество, так что придется привести лишь наиболее монументальные и известные арки. Это Лондонская арка на побережье южной Австралии, гора Слоновий хобот, расположенная на побережье реки в южном Китае, утес Персе в Квебеке в восточной Канаде, Дердл-Дор – выступ на северном побережье Великобритании, Лазурное Око на западном побережье мальтийских островов. Радужный мост и Изящная арка находятся в США в штате Юта, где располагается целый национальный парк арок. В парке находится более 2000 природных арок из песчаника, а так же множество других ландшафтных образований. Он имеет площадь 309 кв. км и находится неподалеку от города Моаб. А самой большой на данный момент считается арка, расположенная в Китае, – мост Фей, пролет которой около 120 метров. Подобные, сформированные природой, арки можно встретить и в России: гора Кольцо в окрестностях Кисловодска, грот Дианы в мысе Лермонтова, Арка Стеллера на дальневосточном побережье, скала Золотые ворота близ массива Кара-Даг и др.
У людей первобытного мира арка принимала участие в ритуалах и, скорее, служила символом, в который вложен особый смысл, ведь через нее можно пройти. Например, у некоторых племен центральной Африки существует обряд, согласно которому, что бы мальчик стал мужчиной, он должен на несколько дней отправиться в лес и выжить там. Племя строит из веток арку на окраине леса, юноши, которые должны доказать, что уже готовы повзрослеть, уходят через арку в чащу, а оставшееся в деревне племя, начинает их оплакивать. Когда же те вернуться, то считаются уже зрелыми и готовыми к жизни мужчинами. Так же, пигмеи верят в существование бога радуги и, когда она, наконец, появляется, они, выражая желание общаться с ним, берут лук и стреляют в радугу. У римлян, где богом ворот и дверей был двуликий Янус, проход через ворота, по сторонам которых находились алтари Януса и Юноны, символизировал переход из одного возраста в другой. Значение ворот в религии Древнего Рима не ограничивалось обрядом юношеской инициации, но также было своеобразным способом очищения от зла. Арка была символом небосвода, у греков она обозначала Зевса, у римлян – Юпитера, а 35 арок символизировали дорогу жизни. Арки участвовали и в ритуале чествования и освящения победы. Триумфальные арки в конце концов наводнили всю Италию. Они были символом, увековечивающим победы. Однопролетные, глубокие, массивные арки на Руси были городскими воротами, защищающими от врагов, но в мирное время служили точкой отправления ритуальных шествий, так например, у главных ворот встречали масленицу и поедали блины. Дуга была и обтекаемым, динамичным элементом, присутствуя в конской упряжке. Важным является присутствие арки в обряде кумования на троицу. По обычаю, нужно сплести верхушки двух молодых, стоящих рядом берез, и, пройдя через получившуюся арку, обняться и поцеловаться – покумоваться. После этого девушки становились неразлучными подругами, и их не должны были посещать ссоры. Таким образом, арка, как символ, элемент быта, инструмент обрядов присутствует у различных народов и цивилизаций и играет важную роль в их жизни и культуре.
Физические свойства
Распределение сил
Суть работы арки можно представить на следующем простом примере: любая прямолинейная балка под воздействием нагрузки будет прогибаться. Происходит это потому, что под действием нагрузки в поперечных сечениях балки возникают продольные сжимающие и растягивающие напряжения. При этом в верхней части сечения действуют сжимающие напряжения, а в нижней части – растягивающие напряжения. Под действием этих напряжений верхняя часть балки сжимается, а нижняя – растягивается. В итоге, после прогиба балки, получается как бы перевернутая арка. Но если взять балку, уже имеющую некоторую кривизну оси, относительно большую по сравнению с пролетом, и перевернуть ее, то мы получим нечто, напоминающее арку. Такая теория касается арок, выполненных из цельного пласта материала. Совершенно другая идея лежит в основе арок, собранных из отдельных элементов, чаще всего, каменных. Сегменты выточены в виде усеченных клиньев, так что, опираясь друг на друга, они последовательно предают нагрузку, идущую сверху, соседнему сегменту, пока та вся не перейдет в опоры. Так что, если материал арки и опор имеет соответствующую прочность, то при повышении нагрузки арка лишь становится плотнее и крепче, это увеличивает срок ее службы и улучшает устойчивость.
Расчет арок
Расчет арок производится по правилам строительной механики. Начинают с замера и учета всех нагрузок, таких как масса самой арки, снеговая и ветровая нагрузки, а также прочие нагрузки, связанные с использованием помещения. После чего можно переходить к расчетам, которые выполняются в следующем порядке:
геометрический расчет арки;
статический расчет;
подбор сечений и проверка напряжений;
расчет узлов арки.
Нагрузки
Приходится учитывать, что нагрузки, действующие на арку, могут распространяться равномерно, на всю площадь поверхности, а могут быть сосредоточенны в отдельных местах. Например, точно постоянной и равномерной нагрузкой можно считать давление от массы покрытия и самой арки. К ним чаще всего добавляют условно полученный запас прочности, равномерно распределенной по длине пролета. Для определения массы арки используют коэффициенты собственной массы kсв = 2…4, который зависит от массы покрытия gn, снега p, других нагрузок и присутствует в выражении
Снеговую нагрузку р так же условно считают равномерно распределенной по длине пролета покрытия и определяют по нормам нагрузок и воздействий. Стрельчатые арки в этом случае принимают за треугольные, а для сегментных арок вводят определенные коэффициенты. Ветровую нагрузку q и считают приложенной нормально к поверхности покрытия и определяют так же по нормам нагрузок и воздействий. При этом для упрощения расчета криволинейные эпюры этой нагрузки можно заменять прямолинейными, а стрельчатые так же заменяют треугольными. Сосредоточенные, временные нагрузки Р включают в себя массу подвесного оборудования, или оборудования, находящегося на покровах пролета, и временных нагрузок на нем.
Геометрический расчет арки
Он заключается в определении всех размеров, углов и их тригонометрических функций полуарки, необходимых для дальнейших расчетов. Исходными данными при этом являются пролет l, высота f, а в стрельчатых арках также радиус полуарки r или ее высота f.
Статический расчет
Если рассматривать трехшарнирную арку, то опорные реакции состоят из вертикальных и горизонтальных составляющих. Причем вертикальные реакции определяют так же, как в свободно опертой балке, из условия равенства нулю моментов в опорных шарнирах. Горизонтальные реакции, которые называют распором, определяют из условия равенства моментов нулю в коньковом шарнире. Продольные и поперечные силы можно определять только в сечениях у шарниров, где они достигают максимальных величин, что необходимо для расчетов узлов. Полученные результаты сводят в таблицу усилий, по которой затем определяют максимальные расчетные усилия при основных наиболее не выгодных сочетаниях нагрузок.
Подбор сечений и проверка напряжений производятся по максимальным значениям расчетных усилий. При этом ветровые нагрузки учитываются только в тех случаях, если ветер более чем на 20% увеличивает расчетные усилия. Так же производится ряд проверок, на прочность, устойчивость к деформациям.
После глобальных расчетов выполняется анализ узлов арки, как опорных, так и замковых, если они есть. Производится проверка узла на смятие и устойчивость к горизонтальным нагрузкам.
Арка в архитектуре и строительстве
Материал представляет собой исследование особенностей арочных конструкций, их применения в архитектуре города Первоуральск, а также опыт по изготовлению кирпичной арки
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
| arka_-tekst_2.doc | 377.5 КБ |
Предварительный просмотр:
Министерство общего и профессионального образования Свердловской области Государственное автономное образовательное учреждение среднего профессионального образования Свердловской области
II Областная научно-практическая конференция студентов
«Путь к успеху-2015: Образование. Наука. Профессия »
«Моя будущая профессия – моё будущее»
Тема: «Арка в архитектуре и строительстве»
Ульянов Андрей Леонидович, студент II курса
профессия «Мастер общестроительных работ».
Кузнецова Алина Валентиновна,
преподаватель физики первой кв. кат.,
Бунакова Валентина Юрьевна,
обучения первой кв. кат.
Арочные конструкции в архитектуре и строительстве…………………………4
2. Использование арочных конструкций в архитектуре города Первоуральска………………….…………………………………………..……..7
Приложения «Инструкционно -технологические карты».
Будущий строитель должен знать основные элементы архитектурных конструкций. Меня заинтересовал такой элемент как арка, гармонично сочетающий в себе функциональность и красоту.
Строительство различных сооружений, содержащих арочные элементы – это своего рода «высший пилотаж» и требует профессионализма, серьёзного подхода, расчёта и тщательности в изготовлении арок. Выполнение сложных архитектурных элементов из кирпича и камня является одним из требований освоения государственного образовательного стандарта.[1] Поэтому для меня важно овладеть этими компетенциями при подготовке к будущей профессиональной деятельности.
Целью моей работы является исследование арочной конструкции.
- изучение конструктивных особенностей арок;
- наблюдение применения арочных конструкций в архитектуре моего родного города;
- овладение технологией изготовления арочной конструкции.
Объект данного исследования — конструктивная особенность арок.
Предметом исследования является применение арочных конструкций в архитектуре и строительстве.
В работе представлены описания и фотографии различных арочных конструкций, а также технологическая карта изготовления кирпичной арки.
Арочные конструкции в архитектуре и строительстве.
1. Конструкция арки.
Арка (от лат. arcus — дуга, изгиб) в архитектуре, криволинейное перекрытие проёма в стене или пространства между двумя опорами — столбами, колоннами, пилонами и тому подобное. Арки впервые появились во II тысячелетии до нашей эры в архитектуре Древнего Востока , в частности в Древней Месопотамии , где строительство кирпичных сооружений достигло высокого уровня. Широкое распространение также получили арки в архитектуре Древнего Рима . Видоизменяясь в соответствии с системой конструкций сводчатого перекрытия и требованиями стиля, арка осталась важным элементом зодчества и в дальнейшем. В современном строительстве арки применяют в качестве несущих элементов покрытий зданий, пролётных строений мостов, путепроводов и тому подобное.
Арка — это криволинейный брус плавного абриса, несущая строительная конструкция. Сооружается из клиновидных или прямоугольных камней с клинообразными швами строительного раствора. Название частей арки (рис. 1): 1 — замковый камень (поперечное сечение около вершины); 2 – клинчатый камень; 3 – внешняя поверхность свода (экстрадос); 4 – пятовый камень, импост (поперечное сечение около опоры, пята арки); 5 – внутренний свод (интрадос); 6 – стрела подъёма (расстояние центра замкового камня арки от линии, которая соединяет центры двух пятовых камней арки); 7 – пролёт; 8 – опорная стена.
В отличие от балки, которая испытывает нормальное механическое напряжение , арка испытывает касательное механическое напряжение , из-за чего возникает горизонтальная опорная реакция (распор) (рис. 2). Под вертикальной нагрузкой арка работает в большей степени на сжатие и в меньшей степени на изгиб.
Рис.1 Арка из каменной кладки.
Рис. 2 Распределение нагрузки в арке.
При увеличении стрелы подъёма уменьшается распор арки. Крепость арки зависит от её формы. Ось арки подбирают так, чтобы сжатие на изгиб было минимальным; тогда арка будет наиболее крепкой и стойкой. Простейшие арки имеют форму полукруга, однако теоретически наиболее крепкими являются арки с формой параболы (рис. 3). Такие арки передают весь распор на опорную стену и не требуют дополнительных элементов.
Арки, перекрывающие несквозной проем, называются слепыми. Одной из целей этого является увеличение прочности стены при экономии материала. Известен прием, когда арка делается для облегчения, когда перекрытие проёма в стене выполнено в виде плоской балки, для разгрузки которой над нею делается слепая арка (рис. 4). Также слепая арка может быть использована для украшения фасада (рис. 5).
Рис. 3 Параболическая арка в доме на улице Герцена.