Обустройство четверика в православном Храме. Часть II

Январь 2017 года

Конструктивные особенности примыкания сводов подпружных и центральных арок к высоко нагруженным колоннам четверика.

Продолжение  статьи о проектировании четверика в православном Храме посвящено вопросам  примыкания подпружных малых и центральных арок к колоннам четверика, обустройство которых всегда было достаточно сложной технической задачей.

Архитектурная и конструкторская мысль к концу XIX века достаточно проработали элементы сопряжения арок и колонн, при выполнении их из кирпича.

В начале XIX века, в наиболее нагруженных местах конструкции четверика, часто использовались большие закладные блоки (камни), которые  воспринимали нагрузки и за счет своей внутренней структуры равномерно передавали (перераспределяли) нагрузку с арок на несущие конструкции стен и колонн. Пример таких конструктивных решений показан на рис. 1.

Рис.1

Кладка центральных арок и парусов в Храме Св. Владимира в Херсонесе (по материалам журнала Зодчий за  1875 год)

С развитием технологий и повышения качества строительных материалов, необходимость в таких технических решениях отпала.

К началу XX века строители Храмов почти полностью перешли на кирпичную кладку, благодаря высококачественному кирпичу и металлическому армированию. К сожалению  после 1917 года традиция строительства кирпичных сводов была почти полностью утеряна и только немногие специалисты издания освещали эту тему (в основном относящиеся к теме реставрации).

В настоящее время для ускорения и упрощения работы многие Храмы строятся из монолитного железобетона. При этом убранство Храма, в том числе и традиционные арочные своды  оборудуются уже потом, как элементы декоративного интерьера. Примером такого строительства может быть Храм великомученицы Екатерины в городе Пушкине, Санкт-Петербург.

Но не всех заказчиком устраивает такой вариант, и некоторые православные приходы заказывают классические проекты, с кирпичной кладкой четверика. В случае строительства большого по габаритам Храма, эта задача становится достаточно сложной.

На рисунке №2 показан общий разрез четверика Храма, который мы будем рассматривать.

Рис. 2

Разрез четверика храма по оси центальных арок.

Давайте рассмотрим вопросы, возникающие перед архитектором и конструктором, при проектировании высоко нагруженных кирпичных колонн четверика в православных Храмах:

  • - математическое моделирование нагрузки и напряжений;
  • - выбор схемы примыкания  арок с вхождением в тело колонны;
  • - выбор схемы примыкания арок без вхождения в тело колонны (консольно);
  • - выбор оптимального способа сопряжения свода арки и колонны четверика;
  • - требования к кирпичной кладке  пят и сводов подпружных арок;

1. Математическое моделирование нагрузки и напряжений.

Для большей конкретики мы рассмотрим реальные расчеты для колонн сечением 1,5 х 1,5 метра и размером пролета  центральной арки 9 метров (подпружные арки 4 метра).

Рис. 3

Распределение напряжений в колонне четверика на уровне малых подпружных арок

Для уточнения напряжений, действующих в теле колонны, мы делаем сечение по нижней точке вхождения арки (когда пятка арки горизонтальна). В сечении видно, что напряжения распределены неравномерно, нелинейно, и максимальные нагрузки приходятся на внутренний угол колонны (который ближе к центру четверика).

У архитекторов прошлого небыло современных расчетных моделей, но они интуитивно нашли оптимальную конструкцию. На зону вхождения сводов малых подпружных арок в тело колонны приходится существенно меньшее напряжение.

Согласно расчетам, напряжения в месте сопряжения свода  малой подпружной арки с колонной четверика составляет:

  • максимальная интенсивность - 2.7 МПа,
  • минимальная интенсивность -  1.15 МПа.

Прочность на сжатие неармированной кладки из кирпича М150 на растворе М100 составляет 2,0 мПа. Прочность кладки, армированной в каждом 4-м ряду – 3.28 МПа. Такие напряжения допустимы.

При этом надо заметить, что вертикальные напряжения,  от места входа арки зависит достаточно косвенно. Посмотрите на расчетную схему ниже:

Рис. 4

Распределение вертикальных нагрузок в колоннах четверика

Фактические расчеты показывают, что колонны имеют запас прочности и в данном конкретном случае, это означает, что для восприятия всех приходящих в колонну усилий на уровне входа малых арок достаточно 80% площади колонны. Для больших арок аналогичная площадь составляет 35-40% от исходного сечения. колонны (1,5 х 1,5 м).

2. Выбор схемы примыкания  арок с вхождением в тело колонны;

Примыкание подпружных арок к колоннам четверика  может быть реализовано с заводом сводов арок в тело колонны. При этом стопа арки лежит горизонтально и свод имеет вид сегмента в 180  градусов. 

Рис.5

Примыкание подпружной арки с заводом свода арки в тело колонны

Минусом такого решения является невозможность перевязки кирпичной кладки колонны и свода арки (они находятся в разных плоскостях. Поэтому вся нагрузка на стыке (шве) между верхней поверхностью арки, вошедшей в свод и вышестоящими рядами кладки колонны воспринимается (передается) только раствором, что по идеи не очень хорошо.

Фактически в такой ситуации в колонну заводится клин в виде свода арки. В показанной на рисунке №4 схеме  горизонтальный участок  непрерывной горизонтальной кирпичной кладки колонны составляет всего 60 х 60 см.

Подобное решение для высоко нагруженных кирпичных колонн требует дополнительного расчета и обоснования, хотя с точки зрения исполнения, такое решение  более удобно для строителей.

Надо отметить, что в нашем случае, толщина свода арки 900 мм. и при таком решении, он заходит достаточно глубоко в ограждающую стену Храма. В таких местах обычно делают увеличение толщины стены, для обеспечения возможности перевязки отделочного (лицевого  кирпича) по фасаду.

3. Выбор схемы примыкания арок без вхождения в тело колонны (консольно).

Консольное примыкание арок к колоннам было распространено в больших Храмах, где на колонны четверика передавались большие нагрузки с выше расположенных ярусов Храма. Смысл такого технического решения, в выводе свода арки за пределы минимально необходимого по площади  горизонтального сечения колонны, необходимом для корректного восприятия нагрузки. Пример такого решения показан на рис. №6.

Рис.6

Консольное примыкание арок к колонне четверика. Феодоровский женский монастырь. Журнал "Зодчий" 1993 год.

В случае принятия такого решения, возникает вопрос - на сколько нужно выводить своды арок из тела колонны. Конечно в идеале нужно вывести полностью, как это показано на старинном чертеже рис.5, но на практике возникает большая консоль, которая не улучшает несущие способности конструкции. Нужна золотая середина.

Необходимая и достаточная площадь сечения колонны, которую необходимо выдержать для гарантированного восприятия колонной нагрузок, может быть высчитана. При этом мы принимаем, что  входящий в тело колонны свод арки нагрузку не передает и вся нагрузка воспринимается горизонтальной площадкой колонны, что конечно является упрощением. Сама расчетная площадка показана на рис.6.

В нашем случае, минимальная площадь опорного сечения на уровне малой подпружной арки и верхней (центральной) арки составляют соответственно 80% и 40% от сечения колонны. Эти показатели зависят от  принятых конструктивных и архитектурных решений (площади сечения  колонны, размера и веса сводов и центрального барабана, узла перехода четверика в барабан (паруса), марки кирпича, его армирования  и т.п. и рассчитываются каждый раз индивидуально! Графическое решение для малой арки смотрите рис.7.

Рис.7

Расчет опорной площади колонны четверика

Показанная схема несколько упрощенно решает задачу, но зато дает гарантию, что при таком техническом решении, колонная будет воспринимать нагрузки корректно. Фактически, при такой расчетной схеме (рис.7), мы можем завести свод арки в тело колонны не более, чем на 180 мм, для обеспечения прочности колонны.

Дальнейшее погружение свода арки в тело колонны, приведет к необходимости передачи нагрузки сводом арки, что и будет осуществляться без перевязки кирпичей, а только за счет кладочного раствора.

Минусом такой схемы является необходимость выполнять консоль на колонне  и наклонную стопу свода арки, методом обтесывания кирпичей, что конечно усложняет задачу. Саму консоль нужно обязательно армировать кладочными сетками.

4. Выбор оптимального способа сопряжения свода арки и колонны четверика

На практике перед проектировщиками стоит вопрос – какой оптимальный способ сопряжения подпружных арок  выбрать?

Ответ можно получить в достаточно подробном издании Полищука А.А. «Каменные стены и своды» за 1903 год. Если резюмировать рекомендации автора, то получается, что в малонагруженных сводах/колоннах можно применять арки с раскрытием  свода на 180 градусов (смотрите рис. 5)

В сильно нагруженных колоннах и сводах четвериков или им подобных конструкциях, надо стараться полностью выносить свод подпружной арки за пределы тела колонны, но такое решение  требует выноса консоли более чем на 250 мм за пределы колонны, что нежелательно. При проектировании, пилястру рекомендуется делать не более 1 кирпича (250 мм) иначе может произойти отслоение от основной колонны, если делать больше – то это уже требует специальных решений (как это показано на рис. 6).

Поэтому оптимальным является решение, показанное на рис. 8. Для примера, показано сопряжение подпружной арки с колонной, имеющей параметры:

  • Размер пролета малой арки  - 4 м.
  • Высота свода малой арки - 0,9 м.
  • Габариты колонны четверика - 1,55х1,55 м.

Рис. 8

Выбор оптимального способа сопряжения свода арки и колонны четверика по книге Полищука А.А.

В указанной схеме, пята свода арки повернута на 30 градусов (раскрытие свода арки выполнено на 120 градусов), что позволяет найти оптимальный баланс между размером выносной консоли (<=250 мм) и  возможностью колонны воспринимать вертикальные нагрузки.

При таком рекомендуемом решении, площадь опорной горизонтальной поверхности колонны, воспринимающей вертикальные нагрузки  увеличивается в 2,9 раза (с учетом, что подпружные арки входят в колонну четверика с двух сторон), по сравнению с заведением свода арки с раскрытием на 180 градусов.

Кроме того, такое решение облегчает перевязку лицевого кирпича в наружной стене четверика, в местах сопряжения свода арки и наружных стен. На фотографии ниже показана выкладка двух  малых подпружных арок  с примыканием к колонне четверика.

Рис. 9

Пример кладки подпружных арок четверкиа

5. Требования к кирпичной кладке  пят и сводов подпружных арок.

Кладка кирпичных сводов арки требует ряда стандартных приемов. Опытные каменщики знают эти хитрости, мы же остановимся только на самых главных:

  • Свод арки должен быть симметричен, иными словами стопы арки должны быть на одном уровне  и под одним углом к оси симметрии арки;
  • Кирпичи в своде арки должны быть перевязаны согласно нормативам;
  • Кладочные швы между кирпичами в своде арки должны быть от 5 до 25 мм. Если  свод арки высокий, то для выдерживания толщины швов кирпичам придают клиновидную форму.
  • Марка раствора и кирпича должна быть не ниже указанной в документации. В противном случае возможно растрескивание кладки;
  • Перекладка  металлическими сетками напряженных мест позволяет повысить прочность кладки и более равномерно распределить нагрузки;

Материал подготовлен компаний "Питер Девелопмент"
При перепечатке ссылка обязательна.

Комментарии





ПРАВИЛА КОММЕНТИРОВАНИЯ:

Просим в комментариях придерживаться темы обсуждения.

Все комментарии, не относящиеся к теме обсуждения, будут удаляться без предупреждения.
Ваш комментарий может быть первым!