Меню
Поиск проекта


Балки и фермы

Автор: Джеймс Гордон
Опубликовано: 28/05/17

Глава 10

ЧЕМ ХОРОШИ БАЛКИ,
или
о крышах, фермах и мачтах

А свой дом Соломон строил 13 лет и окончил весь дом свой. И построил он дом из дерева Ливанского длиною во 100 локтей, шириной в 50 локтей, а вышиною в 30 локтей, на четырех рядах кедровых столбов; и кедровые бревна положены были на столбах. И настлан был помост из кедра над бревнами на 45 столбах, по пятнадцати в ряд.Третья книга Царств. 7; 1-3

Надежная крыша над головой - одно из первостепенных условий цивилизованного существования, но крыша тяжела, а потому проблема поддержки ее так же стара, как и сама цивилизация. Смотрим ли мы на знаменитое прекрасное сооружение или просто на какое-то здание, всегда поучительно обратить внимание на архитектурное решение крыши, ибо оно определяет не только конструкцию самой крыши, но и вид стен, окон да и весь внешний облик здания.

На самом деле проектирование крыши, по существу, очень схоже с конструированием моста, с той лишь разницей, что стены здания в, отличие от мостовых опор стремятся сделать как можно тоньше, а потому и боковое давление на стены необходимо рассчитывать более тщательно. Как мы видели в гл. 8, если крыша оказывает слишком сильное боковое давление на верхнюю часть стены, на которую она опирается, то линия давления попадает в опасную зону, в результате чего стена может рухнуть.

Многие римские здания, а также все византийские культовые сооружения имели сводчатые или арочные перекрытия, создающие сильное боковое давление. Поэтому поддерживающие их стены обычно имеют очень большую толщину, так что линия давления находится в безопасной зоне. Как уже говорилось, эти толстые стены часто делались монолитными, иногда их облегчали, замуровывая в них пустые винные кувшины. Кроме того, что такие стены были, конечно, весьма устойчивыми, у них имелось и еще одно немаловажное для жаркого климата преимущество - они обеспечивали отличную теплоизоляцию. Зачастую византийская церковь оказывалась единственным прохладным местом в греческом селении. Ослабить толстые стены большими оконными проемами было рискованно, поэтому в римских и византийских зданиях окна обычно малы и расположены довольно высоко от земли.

Средневековые замки тоже часто строились без существенных отклонений от римских традиций, как замок на Корф-Кэстл с монолитными стенами многометровой толщины. Такие стены могли, конечно, выдержать давление сводчатых перекрытий, а по вполне понятным соображениям военного характера защитники замка предпочли бы вовсе обойтись без окон. Ранние норманские или романские церкви не отличаются разнообразием архитектуры и своими толстыми стенами, маленькими круглыми арками и оконцами непосредственно восходят к римскому прототипу. Почти все ранние романские церкви были неплохо построены, и многие из них сохранились и по сей день *. Трудности появились позднее и связаны были в основном с растущей модой на большие и светлые окна.

* Конечно, очень многие норманские церквушки имели простые деревянные крыши, но конструкция их нередко такова, что распирающее давление на стены было почти столь же опасно, как и в случае каменных сводов.

Естественно, что жители жарких стран относятся к окнам иначе, чем северяне, многие из них и поныне предпочитают Жить в сумерках за закрытыми ставнями. Нет сомнения, что устройство небольших, пропускающих мало света окон - средиземноморский обычай, он восходит к Древней Греции, Риму, Византии *. Надо думать, это никак не связано с дефицитом стекла.

* В Помпее, где окна были непропорционально малы, а искусственное освещение наверняка было плохим, стены комнат почти всегда красили - непонятно зачем - в темно-красный или черный цвета.

В Северной Европе даже любившие повоевать рыцари и бароны не желали проводить время в мрачных, лишенных окон замках. Они хотели солнца и света, не по душе им была архитектура по римским образцам. Жажда света породила прямо-таки культ окон, и очень скоро строители, стараясь перещеголять друг друга, создают залы и соборы, окна которых становятся все громадней и красивей. Хотя средневековые мастера могли быть безнадежно далеки от какого-то научного подхода, среди них, без сомнения, были люди с гораздо более яркими творческими началами, чем это обычно принято считать. И мы в большом долгу перед ними за то, что они показали, нам, сколь прекрасными могут быть окна.

Однако эффект от таких окон в значительной мере теряется, если их вставлять в похожие на тоннель отверстия в толстой стене. Попытки же делать большие окна при тонких стенах неизбежно приводили к катастрофам. В основе норманской архитектуры лежит архитектура романская, а она не допускает таких отклонений, ибо по ее законам устойчивость и надежность определяются толщиной стен. Тем не менее это не всегда останавливало строителей, и, наверное, именно позднероманские постройки породили афоризм: "Вопрос не в том, упадет ли, а в том, когда именно?"

Сейчас уже трудно определить, насколько ясно средневековые каменщики понимали смысл происходящего. Вероятнее всего, их понимание сути вещей было путаным и субъективным, иначе они не повторяли бы из поколения в поколение одни и те же ошибки. Однако рано или поздно кто-то понял, что совместить стремление к большим окнам стойкими стенами можно с помощью контрфорсов, которые должны поддерживать стены, подпирая их снаружи и сопротивляясь распирающему давлению крыши *. Контрфорсы как бы увеличивали эффективную толщину стен, выполняя ту же задачу, что и римские кувшины, только по-иному.

* "Я не столп, но контрфорс официальной церкви, поскольку поддерживаю ее извне", - лорд Мельбурн.

Обычные контрфорсы на самом деле представляют собой лишь местные утолщения стен между окнами. Там где имелся только один зал, как в капелле Королевского колледжа в Кембридже (рис. 88 и 89), они были очень эффективны. Но как только понадобились боковые приделы, тут же возникли трудности. Чтобы поддерживать крышу нефа, не затеняя чрезмерно верхних окон, мастера готики ввели аркбутаны (рис. 90).

Рис. 88-89. Контрфорсы капеллы Королевского колледжа в Кембридже.

В этом случае вертикальная часть контрфорса отнесена от стены и удерживается серией арок, которые передают нагрузку, не слишком загораживая свет. Аркбутаны в сочетании с большими окнами обладают огромными декоративными возможностями, особенно при разумном расположении статуй и башенок, вес которых, как, должно быть, понимали строители, помогает контрфорсам в их нелегкой задаче - благополучно провести линию давления вниз через кружевной лес каменной кладки. В конце концов окна стали так велики, что от стен, поддерживающих здание, почти ничего не осталось. Имея дело с узкими полосками каменной кладки, как и с современными мачтами, невозможно обойтись без боковой поддержки. И как устойчивость высокой тонкой мачты обеспечивается весьма изощренной оснасткой корабля, так и устойчивость этих изящных стен целиком зависит от их поддержки арками и контрфорсами.

Рис. 90. Появление боковых приделов потребовало изобретения аркбутанов.

После того как все эти идеи проникли в сознание зодчих, были поняты ими и реализованы, строительство и архитектура достигли совершенно небывалых и впечатляющих высот. Ко времени создания позднеготических построек их архитектура потеряла всякую видимую связь с классическими образцами, от которых она произошла. Трудно найти менее схожие сооружения, чем, скажем, Кентерберийский собор и римская базилика. И все же линия общего развития здесь прослеживается ясно.

Постройки, о которых мы здесь говорили, прекрасны, но все они чрезвычайно дороги, и, конечно, куполообразные своды и арочные перекрытия обычно не годятся для частных домов. Вместо арок гораздо дешевле и проще применять для поддержания кровли какие-нибудь балки. Если над пролетом между стенами положить длинные наклонные балки, или стропила, то они будут передавать вес крыши через свои концы вертикально вниз, не оказывая никакого распирающего давления. В результате нежелательных отклонений линии давления от вертикали не возникнет, стены могут быть достаточно тонкими и отпадает необходимость в контрфорсах (рис. 91).

Рис. 91. Ферма перекрытия. На схеме показано шарнирное опирание (на роликах), чтобы подчеркнуть необходимость избежать распирания стен.
Уже по одной только этой причине балка является одним из важнейших элементов всех строительных конструкций. На самом же деле применение балок и ферм выходит далеко за рамки задач, связанных с крышами зданий; балки и теория изгиба балок сыграли в действительности чрезвычайно важную роль в обеспечении самой возможности технического прогресса. Неожиданно все это оказалось важным и в биологии.

Слово "балка" (beam) на староанглийском означает "дерево", оно до сих пор сохранилось в английских названиях отдельных деревьев, например березы и граба (whitebeam, hornbeam). Сегодня балки чаще всего делают из стали и железобетона, однако в прошлом на протяжении столетий при строительстве слово "балка" означало деревянный брус, часто даже целый ствол дерева. Хотя дешевле и проще срубить дерево, чем построить каменную арку или куполообразный свод, раздобыть нужное количество больших деревьев тоже порой было нелегко, больше того, настали времена, когда длинные брусья стали редкостью. Вот тогда и возникла необходимость в поисках способов, которые позволили бы строить крыши из деталей небольшой длины.

Фермы перекрытий

Современному человеку кажется совершенно очевидным, что стропила и перекрытия из коротких брусьев лучше всего делать, как в детском конструкторе, соединяя эти брусья в конструкцию треугольной формы (рис. 92).

Рис. 92. Ферма из коротких деталей.

Мы пришли к решетчатой ферме. Всем нам примелькались подобные конструкции стальных железнодорожных мостов. Любая конструкция такого рода, составленная из треугольников, называется фермой. Как и длинная сплошная балка, правильно сконструированная ферма позволяет экономно перекрывать длинные пролеты, не оказывая опасного бокового давления на поддерживающие ее стены. Применение ферм (и теория ферм), как и применение балок (и теория балок), в современной технике не ограничивается строительством зданий, оно гораздо шире. Фермы используются в конструкциях судов, самолетов, мостов и многих других машин и сооружений. Как мы видели в предыдущей главе, стянутая арка представляет собой еще одну реализацию той же идеи.

Однако в архитектуре ферма, или решетка из балок, внедрялась удивительно медленно. В наиболее простой ферме - в виде деревянных стропил крыши - эта идея может показаться совершенно очевидной, однако нашим предкам потребовалось немало времени для ее освоения. Они ведь никогда не видели железнодорожных мостов и не играли с детским конструктором. Стропила и фермы были, как оказалось, изобретением позднего Рима, хотя вплоть до средневековья никогда по-настоящему не применялись. Архитектуре удавалось обходиться без ферм на протяжении почти всей античной эпохи.

Греческим строителям никогда не приходила в голову сама идея ферм. Великие афинские архитекторы Мнесикл, построивший Пропилеи, и Иктин, создатель Парфенона и храма Аполлона в Бассах, сознательно отвергли использование арок и куполообразных сводов для перекрытий. И все же они оказались не способны придумать стропила или какой-либо достойный их эквивалент. Блеск эллинской архитектуры меркнет, как только нам попадается архитрав. Греческие кровли говорят о некотором недомыслии античных архитекторов.

Обычные каменные балки или перемычки нельзя использовать для надежного перекрытия пролетов длиной более 2,5 м - они могут обвалиться. Сознавая это, древние греки встали перед необходимостью использовать для перекрытий храмов и других зданий деревянные балки, хотя в античной Греции деловая древесина становилась столь же дефицитной, как и в современной.

В тех случаях, когда для храма можно было найти необходимое количество деревянных брусьев во всю длину перекрытия, эти балки укладывали горизонтально прямо на стены и каменные перемычки перистиля. Сверху накладывался достаточный настил, так что получался сплошной потолок над всей площадью здания (рис. 93).

Рис. 93. Крыша древнегреческого храма.

Но крышу, естественно, нужно было сделать водонепроницаемой, для этого над потолком сооружали большой холм из глины, смешанной с соломой и водой. Таким образом, на храм средних размеров наваливали кучу глины весом около 3 тыс. т. Затем весь этот "агротехнический" материал хорошо утрамбовывали и выравнивали, так чтобы холм приобрел треугольную форму с плоским скатом. После этого прямо поверх глины примерно так, как укладывают плитки на садовых дорожках, укладывали черепицу. Надо думать, строители рассчитывали на то, что огромная масса сырой глины высохнет прежде, чем начнет гнить поддерживающий ее потолок. Высыхая и растрескиваясь, глина, должно быть, становилась превосходным убежищем для всякого рода паразитов; но она же обеспечивала и прекрасную термоизоляцию, что особенно ценно в условиях жаркого климата. Однако чаще приходилось довольствоваться короткими бревнами небольшой длины. Царь Соломон, чтобы получить ливанский кедр для своего дворца, заключил даже политическое соглашение с царем Хирамом, и несмотря на это балки на крыше его дворца были длиной лишь по 17 локтей (примерно 7 м). В греческих храмах эти балки были еще короче, чем во дворце Соломона и подпирались снизу рядами колонн, хотя зачастую это было довольно неудобно. В одном большом дорическом храме (около 550 г. до н. э.) в Пестуме, на юге Италии, линия колонн проходит прямо посреди зала, разделяя его на два равных крыла. Это не могло не мешать проведению религиозных церемоний. В более поздних храмах встречается уже симметричное расположение колонн, которое было удобнее (рис. 94), но даже Парфенон разделен изнутри колоннами, которые нам кажутся излишними.

Рис. 94. В храмах V в. крышу удавалось соорудить без использования ферм.

Наиболее простым видом ферм, используемых для перекрытий, является конструкция А-образной формы, появившаяся в Средние века. Нижнюю часть фермы, воспринимающую горизонтальные нагрузки, строители называют ригелем. Обычно не представляет труда найти для ригеля достаточно длинные бревна, чтобы сделать простую треугольную ферму (рис. 95) для небольших пролетов.

Однако уже двухэтажные дома с такими перекрытиями непропорциональны и выглядят довольно нелепо. При этом бесполезно пропадает большое пространство под крышей. Поэтому строители стараются более высоко располагать ригель, что позволяет размещать внутри крыши комнаты, используя, где необходимо, слуховые окна. Но у ферм с высоко расположенными ригелями под действием веса крыши выгибаются и пружинят стропила, создавая боковую нагрузку на стены (рис. 96), что в конечном счете может дорого обойтись. Чем выше расположен ригель, тем, естественно, эта опасность больше.

Рис. 95. Обычный двухэтажный дом
с ригелем на уровне стен.

Рис. 96. Последствия использoвания фермы с высоко поднятым ригелем
(преувеличено, но не слишком).

Серьезной проблемой было сооружение крыши для средневековых залов и соборов, имевших зачастую большие пролеты. Использование в них ферм, возможно, было бы дешевле, чем сооружение арочных или куполообразных сводов. Однако, окажись даже под рукой достаточно длинные бревна для ригелей и стропил, они нависли бы почти над головой и весь архитектурный эффект зала или нефа был бы потерян, в частности, были бы закрыты большие восточное и западное окна. Поскольку в те времена внешнему виду придавали большее значение, чем функциональности, то строители континентальной Европы оставались верными каменным сводам, используя для поддержки арочных крыш изощренную и дорогую систему контрфорсов.

В этой связи интересно отметить, что английские строители выработали компромиссный вариант деревянной крыши, который можно назвать скорее гениальным, чем научно обоснованным: перекрытие с подблочником (рис. 97).

Рис. 97. Компромиссный английский вариант перекрытия.

Подобные крыши больших зданий стали в Англии довольно популярными; их можно увидеть на таких зданиях, как Вестминстер-холл, и на многих колледжах Оксфорда и Кембриджа, а также на некоторых больших частных домах. Выглядят они очень хорошо и этим, вероятно, отчасти обязаны тем возможностям, которые предоставляют в распоряжение резчиков по дереву многочисленные "суставы" ферм. Почитатели Дороти Сойерс вспомнят приключения Питера Вимсея среди ангелов и херувимов, вырезанных на деревянных балках церкви св. Павла в Фенчерче *.

* The Nine Tailors.- Gollancz, 1934. Но деревянные фермы маленькой церкви св. Свитина в Викхэме в Беркшире украшены большими викторианскими слонами из папье-маше.

От обычных стропил с высоким ригелем перекрытие с подблочником отличается тем, что в нем точка приложения распирающего давления к наружным стенам существенно смещается вниз, а это уменьшает опасные смещения линии давления. Хотя этот тип перекрытий хорошо себя зарекомендовал на практике, континентальные архитекторы никогда им не увлекались и вне Англии он применялся считанное число раз.

В традиционных деревянных фермах соединения обычно выполнялись с помощью деревянных нагелей, а иногда железных хомутов. Такие соединения вообще-то не отличаются особыми качествами, но главным требованием к таким конструкциям была скорее жесткость, чем прочность.

В больших современных сооружениях - заводских цехах, ангарах и складах - фермы перекрытий часто делаются из стальных деталей, например уголкового профиля, и в этом случае особых проблем с прочностью соединений не возникает. В небольших домах фермы перекрытия в наши дни почти всегда делают деревянными, обычно брусья выбираются минимально возможной толщины. Жесткости потолочных балок порой может хватать только на то, чтобы с потолка не сыпалась штукатурка. При модной сейчас переделке чердака в дополнительную комнату наибольшие осложнения сулит недостаточная жесткость пола. Хотя балки перекрытия едва ли треснут, вес людей и мебели может вызвать серьезные и дорогостоящие повреждения дома. Мастерам-любителям это полезно иметь в виду.

Полностью прочитать книгу можно на сайте http://www.rabus.ru/gordon/chapt_10/chapt_10.htm


Новые статьи
Почему американцы строят каркасные дома?
Почему американцы строят каркасные дома? Что думают сами американцы о каркасных и бетонных домах. Преимущества и недостатки. 10 причин построить каркасный дом.
Материалы для каркасного дома
Материалы для каркасного дома Рассчитать необходимое количество материалов для строительства частного дома довольно просто, но требует опыта, чтобы правильно это сделать. Чтобы…
Строительство дома за 10 шагов
Строительство дома за 10 шагов Основные этапы строительства своего дома. Когда вы собираетесь строить дом, возникает множество вопросов, на которые продавцы всегда отвечают в своих…
Отверстия в перекрытиях
Отверстия в перекрытиях Как сделать отверстия в перекрытиях в процессе укладки чернового пола из листов фанеры или OSB? Как с лёгкостью разметить листы для пропила отверстий…
Загрузка беседы