Применение кирпичных арок в современной архитектуре

The use of Brick Arches in contemprorary architecture

This article examines the effectiveness of the use of brick arches in a non-standard case on the example of an architectural project of an extension to a private residential building.

The purpose of this article is to show the relevance of the use of arches in modern private low–rise construction.

The objectives of the article are to identify the advantages of a brick arch as a bearing structural element, to identify the strength capabilities of the arch to solve engineering and design problems that appeared during the design of a particular object, to determine the feasibility of applied design solutions. To achieve these goals, the methods of fragmentary architectural and construction analysis of a project case and strength applied calculation of the "Prussian" arch were used.

Введение

Данная статья состоит из двух основных частей – детального описания проектируемого объекта малоэтажной архитектуры с рассмотрением двух выявленных конструктивных задач и прикладного прочностного расчёта арки как оптимального решения описанных конструктивных задач.

Арка – один из древнейших конструктивных элементов, информация о котором в большом объёме сохранилась до наших дней. Появление арок в первую очередь было обусловлено необходимостью перекрывать большие проёмы в мостах, акведуках, храмовых комплексах, дворцах и прочих крупных общественных сооружениях – там, где пролёт был бы достаточно большим для эффективного использования каменных перемычек-балок или ригелей. Большой вклад в развитии конструктивного устройства арок внесли древние римляне, так как архитектура той эпохи в основном возводилась или из бутового камня, или из кирпича, и было необходимо разработать конструкцию такой кирпичной перемычки, которая могла эффективно распределять давящую сверху нагрузку.

Вторая революция в использова нии арочных конструкций произошла уже в XIX веке в Европе. Она была обусловлена активным использованием клинкерного кирпича в архитектуре и набирающим популярность стилем ар-нуво, базирующимся на благородных природных строительных и отделочных материалах. Безусловно, инженерно-конструкторские задачи IX века существенно отличались от задач, решаемых древнеримскими зодчими: существенно увеличились пролёты, возросли нагрузки на несущие конструкции, изменились принципы организации общественных пространств, - всё это требовало введения новых типов арок, доработки их конструкции и фундаментальных исследований методики точного, физико-математического расчёта различных арочных конструкций на прочность. Некоторые основополагающие материалы того времени будут фигурировать в данной статье, в качестве исходных справочных материалов.

Третья революция в применении арочных конструкций произошла в начале XX века с появлением арочных трёхшарнирных ферм и началом их использования в арочных структурах – оболочках, что позволило перекрывать крайне большие пролёты.

Объект, подробно рассматриваемый в данной статье, относится уже к современной архитектуре XXI века, но имеет некоторые элементы исторической архитектуры, являющиеся отсылками к ранней римской архитектуре и чикагской промышленной архитектурной школе конца XIX века. Изначально он задумывался заказчиком как дополнительное отапливаемое многофункциональное пространство общей площадью 25 м2, для зоны хранения и небольшой столярной мастерской.

Цели и задачи

Цель данной статьи - показать актуальность использования арок в современном частном малоэтажном строительстве. Важно также выделить ключевые задачи статьи - выявить достоинства кирпичной арки как несущего конструктивного элемента, обозначить прочностные возможности арки для решения появившихся в ходе проектирования конкретного объекта инженерно-конструкторских задач, определить и обосновать целесообразность применяемых конструктивных решений.

Процесс работы

В начале был спроектирован сам объект. Перед разработкой формы и композиции здания были тщательно проанализированы: расположение основного дома на участке, основные функциональные зоны участка и линии их сообщения, связь нового проектируемого объёма с уже существующим, влияние, оказываемое новой пристройкой на генеральный план участка. Все данные факторы легли в основу архитектурной концепции. Данная статья затрагивает два уже более поздних этапа проектирования – проработку конструктивных узлов и расчёт их на прочность. В ходе работы над конструктивным устройством появилась необходимость в решении двух нестандартных архитектурно-строительных задач, которые подробно рассматривает архитектурно-строительный анализ объекта.

Методы исследования

Для достижения поставленных целей и выполнения задач были использованы методы фрагментарного архитектурно-строительного анализа проекта и прочностного прикладного расчёта «прусской» арки. Анализ необходим для описания гипотетических решений конструктивных задач, а конкретный расчёт позволит доказать целесообразность и эффективных применяемого типа арки.

Актуальность

Проектируемое северное крыло частного загородного дома представляет собой самонесущую одноэтажную, прямоугольную в плане, капитальную пристройку, имеющую пологую односкатную кровлю. Длина основного объёма объекта составляет 7,84 м, ширина – 4,2 м, высота ограничена выходящими на северный фасад окнами второго этажа дома и в самой верхней точке равняется 4,46 м (Рисунок 2). Вдоль всего основного объёма пристройки проходит открытая галерея, завершающаяся невысокой кирпичной кампанилой со световым фонарём в верхней части, имеющей два полуциркульных и два лучковых сквозных арочных проёма (Рисунок 3). Обусловлено такое архитектурное решение в первую очередь наличием у проектируемого объекта транзитной функции – галерея вдоль здания позволяет соединить парадную въездную зону, где располагается дом, с находящимся в глубине участка садом. Два прохода кампанилы выходят в сад, один – ведёт в открытую рабочую зону под небольшим навесом, пристроенным с бокового фасада к основному объёму крыла. И навес, и галерея обеспечивают должное затенение фасадов для предотвращения перегрева ограждающих конструкций в тёплое время года, а небольшой уклон кровли и небольшие свесы не препятствуют достаточному проникновению в здание естественного света.

В качестве отделочного материала был выбран облицовочный кирпич двух цветов: тёмный, чёрно-красный, для облицовки основного объёма крыла и контрастирующий с ним светлый, бело-бежевый, для выделения кампанилы и ряда иных дополнительных элементов, составляющих общее композиционное решение постройки.

Одним из таких элементов явилась возвышающаяся над крышей кирпичная шахта, в которой проходят трубы вентиляции и печного отопления. Основным источником отопления проектируемого северного крыла является газовый котёл, заказчиком было решено дополнительно разместить в средней части пристройки конвекционную печь-камин в качестве второстепенного источника тепла. Современная чугунная печь-камин с закрытой топкой и ажурной стеклянной дверцей хорошо вписывается в лофтовое пространство, делая интерьер более уютным. При этом было бы нерационально с точки зрения эргономики и планировочного решения опереть на фундаментную плиту широкую кирпичную трубу, существенно отстающую от стены и занимающую вместе с печью достаточно большую площадь.

Проблематика

Таким образом, первой серьёзной конструктивной задачей стала организация опирания под потолком массивной кирпичной трубы, из которой было бы возможно вывести и спустить на необходимую высоту для подключения к печи более компактную стандартную металлическую трубу из нержавеющей стали. Также под потолком необходимо разместить разводку вентиляционной системы, подключаемой к выходящему на крышу кирпичному вентиляционному каналу.

Второй конструктивной задачей стало распределение нагрузок, возникающих в стропильной системе. Деревянные стропила, лежащие на прогонах, имеют пролёт, превышающий три метра, следовательно, для избежания их ненормативного прогиба от собственного веса кровельного пирога и возможной снеговой нагрузки, была бы необходима установка в центральной части помещения дополнительных вертикальных стоек, поддерживающих прогоны под стропилами. Очевидно, что подобное решение существенно ограничило бы потенциально эксплуатируемое внутреннее пространство.

Гипотеза

В качестве решения данных конструктивных задач было предложено возвести внутри помещения четыре кирпичных столба и опереть на них на расстоянии 1м друг от друга две арки, которые были бы способны удержать под потолком кирпичную шахту с трубами и стойки под прогоны стропильной системы, оставляя пространство внизу совершенно свободным (Рисунок 4).

Конечно, для решения подобных задач можно было бы прибегнуть к более современным и распространённым строительным технологиям – готовым железобетонным изделиям, но в условиях малоэтажного строительства в следствие небольшого количества требуемых изделий нестандартных размеров, необходимости их транспортировки на строительную площадку это было бы экономически нецелесообразно, также в условиях ограниченного пространства существенно усложняется и их монтаж с помощью крана. В качестве альтернативного решения вместо использования арок возможно было бы залить прямо на строительной площадке железобетонную балку-ригель, на которую можно будет опереть стойки стропильной системы и кирпичную шахту. Однако из-за необходимости конструирования опалубки, организации армирования, трудоёмкости подачи бетона на строительную площадку, большого веса самой бетонной балки, большой высоты её профиля (для обеспечения должного сопротивления прогибу), необходимости дальнейшей отделки бетона от монолитных изделий отказались. Таким образом, в качестве конструктивного материала для описываемого узла было решено выбрать кирпич. Во избежание дополнительной отделки решено было использовать лицевой полнотелый кирпич М150 размером 215*102*65мм, из которого могут быть сложены необходимые несущие арки.

Помимо общей формы арки как конструктивного элемента важен также её конкретный тип, так как разные типы арок имеют различные характеристики. Современная типология подразделяет арки в зависимости от очертания оси на круговые, параболические, эллиптические, синусоидальные, коробовые [2]. Основных типов именно кирпичных арок исторически сложилось четыре: полуциркульная, стрельчатая, коробовая и лучковая [1]. В работе Н.К. Лахтина лучковая арка также имеет наименование «прусская», поэтому для большей достоверности далее в статье будет использоваться это историческое наименование. Наиболее эффективными считаются стрельчатые и циркульные арки. Стоит отметить, в данной статье принимается, что эффективность арки зависит от трёх ключевых условий: максимального допустимого пролёта, максимально возможной равномерно-распределённой нагрузки, оказывающей вертикальное давление, экономической целесообразности конструктивных решений. Связано наличие вышеописанной зависимости с принципом устройства кирпичной арки, важную роль в котором выполняет стрела арки, то есть высота подъёма дуги, формирующей арку [1]. Чем выше стрела, тем меньшая возникает распорная сила, препятствующая деформации и разрушению кирпичной конструкции от давления верхних стен или перекрытий. Исторически было замечено, что допустимая длина пролёта у кирпичных полуциркульных арок 9м, у уже более усиленных полуциркульных крестовых сводов пролёт может достигать 14м [1] метров, а у пологих «прусских» арок длина пролёта редко достигает больше 4 метров [1]. При этом толщина различных типов арок на одном пролёте тоже различается. Так на пролёте 3,5 – 5м допустимая толщина в начале свода у полуциркульных арок определяется Лахтиным Н.К. в 2 кирпича, у стрельчатых и возвышенных арок - в 1,5 кирпича, а у пологих арок – 2,5 кирпича [1]. То есть циркульная арка существенно эффективней «прусской», но и пространства из-за своего конструктивного устройства и формы циркульная арка занимает много больше.

Решение

В силу небольшой высоты потолка в рассматриваемом проектируемом объекте из всех четырёх вариантов представляется возможным разместить только пологие «прусские» арки как наиболее компактные по соотношению высоты стрелы к перекрываемому пролёту. Формально, при имеющихся исходных данных применение такой арки конструктивно вполне возможно, исходя из описанных в книге Лахтина Н.К. граничных условий, но требуется более детальный расчёт на прочность и необходимое оптимальное сечение, который будет приведён в следующем подразделе. Расчёта арок кампанилы аналогичен расчёту внутренних конструктивных арок и в силу небольших пролётов и действующих нагрузок в статье не приводится.

Список использованных источников

[1] Ayush S. Effective use of Brick Arches, Projected Brick Arches and Brick Corbels for Reduction of Cost in Building Construction and Increase the Beauty of The Structure Along with Case-Study of Kailash Kutir // International Journal for Scientific Research and Development Volume 2, Issue 10, 2014

[2] Колобов А.В., Бычковский Б.И.. 95-04 ТК: Технологическая карта на кирпичную кладку арок и сводов – ОАО ПКТИ промстрой, 2004

[3] Лахтин Н. К., Расчет арок и сводов: Руководство по аналитическому и графическому расчету арочных и сводчатых конструкций – Москва, Студенческое издательское общество, 1911. - 468с.

[4] Шамбина С.Л.. Строительная механика. Расчет статически определимых стержневых систем: конспект лекций – Москва : РУДН, 2020. – 60 с. : ил.

Авторы

Бартельс Генрих Алексеевич / Bartels Genrih Alekseevich
Дизайн архитектурной среды / Design of architectural environment

Корзин Андрей Сергеевич / Korzin Andrey Sergeevich