Арки в строительстве и архитектуре
(от лат. arcus — дуга, изгиб)
в архитектуре, криволинейное перекрытие проёма в стене или пространства между двумя опорами — столбами, колоннами, пилонами и т. п. В зависимости от размера пролёта, нагрузки и назначения арки выполняются из камня, железобетона, металла, дерева. По форме кривой различают арки: полукруглые, или полуциркульные (наиболее распространённый вид), стрельчатые (характерны для архитектуры готики), подковообразные (распространены в архитектуре араб. стран), килевидные, многолопастные, ползучие (с опорами на разной высоте) и др. Впервые арки (каменные) появляются в архитектуре Древнего Востока, где отсутствовало дерево, пригодное для крупных горизонтальных балочных перекрытий. Далее арки получили широкое применение в архитектуре античного Рима (в зданиях, акведуках, триумфальных арках). Видоизменяясь в соответствии с системой конструкций сводчатого перекрытия и требованиями стиля, арка осталась важным элементом зодчества и в дальнейшем. Отдельно стоящие триумфальные арки или арки, связанные со зданием (например, арка здания Главного штаба в Ленинграде), определяют иногда характер ансамбля. В современном строительстве арки применяют в качестве несущих элементов покрытий зданий, пролётных строений мостов, путепроводов и т. п. Под нагрузкой арка работает в основном на сжатие и, в отличие от балок и ферм, передаёт на опоры не только вес (вертикальную нагрузку), но и распор (горизонтальное давление), который погашается опорой, затяжкой, контрфорсом. По конструктивной схеме различают арки бесшарнирные, двух- и трёхшарнирные. Неподвижность опор бесшарнирных арок обеспечивается жёстким защемлением их в поддерживающих арки конструкциях. При проектировании очертание оси арки принимается таким, чтобы при постоянной нагрузке (собственный вес арки, вес опирающегося на неё покрытия, кровли и т. п.) в арке возникали лишь усилия сжатия, что обеспечивает наименьшие размеры её поперечного сечения. Арки решётчатой конструкции, выполняемые, как правило, из металла или дерева, называются арочными фермами.
архитектурная криволинейная конструкция для перекрытия проемов, состоящая из уложенных дугой блоков с опорами лишь по бокам.
(Архитектура: иллюстрированный справочник, 2005)
1. Криволинейное перекрытие, у которого поперечная толщина кладки меньше, чем протяженность (вдоль лицевой поверхности) перекрываемого пространства.
2. Проезд с криволинейной перемычкой.
3. Дугообразная вставка посреди кладки, перераспределяющая нагрузку на основание (разгрузочная арка).
(Термины российского архитектурного наследия. Плужников В.И., 1995)
криволинейное перекрытие проема в стене (окна, двери, ворот) или пролета между двумя опорами — колоннами, столбами, устоями моста и т. п. Арка представляет собой как бы отрезок СВОДА и выкладывается из камней клиновидной формы, создающих боковой распор, или из прямоугольных камней, но с клинообразными швами. Элементы арки 1 ВЕРШИНА арки, образуется замковым камнем. 2 ПРОЛЕТ арки — расстояние меж опор, т е от одной пяты до другой. 3 ПЯТА, на нее опирается арка своим концом. 4 СТРЕЛА арки — расстояние от верхней точки. арки по вертикали до пяты. У полуциркульной арки стрела равна радиусу. 5 ЩЕКОЙ арки называют переднюю и заднюю ее плоскости. 6 ЛИЦОМ арки является внутренняя ее поверхность Эта поверхность называется также СОФИТ. Арки различаются по назначению — несущая, разгрузочная, подпружная, по конструкции — клинчатая, ложная, по форме — лучковая, полуциркульная, двухцентровая, коробовая, стрельчатая, килевидная, многолопастная, подвесная, ползучая и т. д.
(Словарь терминов архитектуры. Юсупов Э.С., 1994)
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.