Конструкции, или почему не ломаются вещи - Джеймс Гордон

Рис. 68. Каменная плотина без армирования.

Рис. 69. Армированная плотина.

Однако стоимость удержания воды с помощью плотины весьма высока, и инженеры постоянно ищут более дешевые способы сооружения плотин. Заметно снизить общий вес плотины и стоимость цемента позволяет применение бетона, армированного стальными прутьями, в особенности предварительно натянутыми, Однако если армирующие прутья не закреплены в твердой породе под основанием плотины, имеется реальная опасность, что плотина будет опрокинута как целое, вместе с арматурой и всем прочим.

Одно из возможных конструктивных решений показано на рис. 69. Здесь простые вертикальные стальные стягивающие стержни закреплены в твердой породе, лежащей в основании плотины, и проходят через бетон до ее верха, где они натягиваются с помощью устройства типа домкрата. Очевидно, что эти прутья работают так же, как и фигуры святых и башенки на кафедральных соборах. Любую обычную тяжелую каменную кладку также можно рассматривать как "предварительно напряженную" ее собственным весом. Тяжелые статуи, поставленные в ряд по верхней кромке плотины, несомненно были бы эффективны и, возможно, не так уж плохо и выглядели бы, но, боюсь, они оказались бы куда как дороже стальных стержней.

Арки

Хотя арки не столь стары, как каменная кладка, тем не менее они тоже ведут свое начало из глубокой древности. Имеются свидетельства, восходящие примерно к 3600 г. до н.э., о существовании вполне совершенных арок из кирпича как в Египте, так и в Месопотамии. Арки из камня, по-видимому, имели отдельную и, возможно. независимую линию развития, возникающую из идеи об устройстве выступов; такие выступы, образованные выдававшимися все дальше последовательными рядами каменной кладки, строились навстречу друг другу, пока не сходились. Своды помещений (рис. 70), над которыми возвышаются крепостные стены микенского города Тиринфа, - уже тогда, когда ими восхищался Гомер, они были старыми, - построены именно таким образом. Боковые ворота в этих громадных стенах (рис. 71) можно рассматривать как пример дальнейшего развития техники устройства выступов. Все это, вероятно, было построено ранее 1800 г. до н. э.

Рис. 70. Своды, образуемые посредством выступов каменной кладки. Тиринф, приблизительно 1800 г. до н. э.

Рис. 71. Боковые ворота в крепостных стенах Тиринфа.

Однако способ устройства арок с помощью серии выступов, подобный примененному при строительстве ворот в Тиринфе, довольно примитивен[63]. Арки скоро развились в конструкцию, в которой кирпичи или камни имеют слегка клинообразную форму, такие камни носят название клинчатых. Детали обычной арки показаны на рис. 72.

Клинчатый камень на вершине, или шелыге, арки или свода называется замковым камнем, и иногда его делают большим, чем остальные. Хотя поэты, политики и представители гуманитарных наук склонны приписывать замковому камню особые свойства, употребляя его название в переносном смысле, в действительности замковый камень, если и имеет какие-либо отличия от других камней, то только декоративного характера.

Рис. 72. Элементы конструкции арки.

Назначение арочной конструкции состоит в том, чтобы выдерживать нагрузки, которые действуют на нее сверху вниз, преобразуя их в боковое давление, действующее вдоль арочного кольца и сжимающее по бокам клинчатые камни. Последние, конечно, в свою очередь давят на пяту арки. Как все это происходит, можно понять из рис. 73.

Кольцо арки, образованное кладкой из клинчатых камней, очень похоже на искривленную стену, и для нее также можно построить линию давлений, указывающую линии действия равнодействующих сил, как это делалось выше для обычных стен. В данном случае линия давлений должна искривляться, более или менее повторяя форму кольца арки. О линиях давлений в арках мы поговорим в следующей главе, пока же отметим сам факт существования линии давлений. Как и в случае стены, здесь также можно считать, что клинчатые камни не могут проскальзывать относительно друг друга и что соединения не способны выдерживать растягивающих напряжений.

Рис. 73. Распределение нагрузок в арке. Арка принимает на себя вертикальные нагрузки и преобразует их в боковые давления, которые действуют вдоль арочного кольца. Им оказывает противодействие пята арки.

Стыки между клинчатыми камнями ведут себя примерно так же, как и соединения в обычной кладке. Если линия давлений паче чаяния выйдет за пределы "средней трети", то появится трещина. Если же линия давлений сдвинется к поверхности кольца арки, то образуется "шарнир". Но что радикально отличает арку от тривиальной стены, так это то, что, в то время как в подобной ситуации стена бы рухнула, с аркой этого не происходит. Из рис. 74 видно, что в арке может возникнуть до трех шарниров, и при этом не происходит ничего страшного. В действительности в конструкциях многих современных мостов предусмотрены три шарнира, которые воспринимают тепловые расширения.

Чтобы мост обвалился, ему требуется четыре шарнира, тогда арка оказывается цепью из трех шарнирно связанных звеньев - механизмом, имеющим ту степень свободы, которая позволяет ему "складываться", то есть разрушаться (рис. 75). Кстати, поэтому, если вы хотите разрушить мост - из добрых или злых побуждений, - то взрывчатку лучше всего подложить в месте, отстоящем примерно на треть пролета арки. Для того чтобы добраться до верхней поверхности арки, обычно необходимо сначала сделать подкоп со стороны проезжей части моста. Но земляные работы всегда требуют времени, вот почему так часто срывались планы взорвать мост вслед за отступающей армией.

Рис. 74. Арка с тремя шарнирными точками.

Рис. 75. Появление четвертого шарнира влечет за собой разрушение арки.

Все это свидетельствует об исключительной устойчивости арок и о том, что они не слишком чувствительны к смещениям в основаниях. В то время как смещения в фундаменте стены могут вызвать обвал[64], смещения в основании арки вызовут в ней только перекосы, которые для арок довольно обычны.

Так, мост Клэр-на-задах в Кембридже весьма заметно изогнут посредине из-за смещений в основаниях арки (рис. 76). Это произошло уже давно, и тем не менее мост абсолютно безопасен.

Рис. 76. Мост Клэр-на-задах в Кембридже. Смещения в основаниях привели к перекосу арки, что совершенно не повлияло на безопасность моста.

Точно так же арки очень хорошо выдерживают землетрясения и такого рода напасти, как современные потоки транспорта.

Так что не удивительно, что наши предки часто были более чем привержены к аркам: арка может устоять, даже если вы серьезно ошиблись в вычислениях при ее проектировании (или вообще обошлись без всяких вычислений) и вдобавок решили строить все сооружение на болоте. Последнее на самом деле случилось с несколькими английскими кафедральными соборами.

Следует заметить, что среди развалин чаще всего наиболее сохранившимися оказываются арки. Отчасти это связано с присущей им устойчивостью, хотя не исключено и то, что клинчатые камни арок меньше интересовали окрестных крестьян, чем прямоугольные камни стен. (Последним объясняется и сохранность круглых колонн на развалинах греческих храмов.)

Добиться того, чтобы линия давлений проходила заведомо внутри стены или арки, как правило, легче в случае толстостенной кладки. Но сплошной кирпич и каменные работы очень дороги. Чтобы увеличить толщину стен без больших затрат, римляне стали использовать монолитный бетон. Он представлял собой смесь вулканического туфа (pulvis puteolanis), весьма распространенного в Италии, с известью и добавками песка и гравия.

Если стены и арки делать более толстыми, они становятся более устойчивыми и нет нужды увеличивать их вес. Но чем легче материал, требующий транспортировки и обработки, тем меньше, по-видимому, будет стоимость конструкции. Витрувий, выдающийся ученый древности (расцвет его творчества приходится на 20-е годы до н.э.), известный своими трудами по архитектуре и баллистике, свидетельствует о том, что в его время легковесный бетон нередко получали, добавляя порошок пемзы. Величественный Софийский собор в Константинополе (528 г.) построен именно из такого материала.

Уменьшение веса и стоимости бетона может быть достигнуто также и путем заполнения цементной массы самыми разными сосудами. В древнем мире в виноделии и виноторговле использовались амфоры. Эти большие глиняные сосуды скапливались в огромных количествах. Очевидно, само собою напросилось решение бросать их в бетон. Это обнаружилось во многих поздних римских постройках. В частности, имеются свидетельства, что из такого рода "тары" были сделаны стены прекрасных ранневизантийских церквей в Равенне[65].