Арка как конструктивный элемент¶

Арка — криволинейная конструктивная элементархитектуры и строительства, перекрывающая проём и воспринимающая нагрузку преимущественно за счёт сжатия. В отличие от перемычки и балки, арка передаёт вертикальную нагрузку на опоры с горизонтальной распорной составляющей, что требует от опор устойчивости к боковым усилиям. Арки применяются в гражданских, промышленных, инженерных и декоративных целях — от мостовых и подземных конструкций до парадных въездов и триумфальных сооружений.

¶Классификация

Арки различают по нескольким признакам.

По форме очертания:

• Полуциркульная (полукруглая) — очертание представляет собой полукруг; характерна для римской и романской архитектуры.
• Коробчатая (стрельчатая, готическая) — составлена из двух дуг с центрами, лежащими на одной горизонтальной линии; вершина заострена.
• Эллиптическая — очертание соответствует полуэллипсу; применяется при малой высоте проёма.
• Пологая (сегментарная) — дуга меньше полукруга; используется там, где необходимо ограничить подъём свода.
• Тупиковая (многоцентровая) — построена из нескольких дуг разных радиусов.
• Параболическая и гиперболическая — теоретически оптимальные формы сжатой арки, получившие распространение в XX веке.

По числу шарниров:

• Трёхшарнирная — шарниры в обоих основаниях и в замке; статически определима, допускает температурные деформации.
• Двухшарнирная — шарниры только в основаниях; статически неопределима, но менее подвержена прогибам.
• Бесшарнирная (жёсткая) — наиболее жёсткая, но чувствительна к осадкам опор и температуре.

По назначению конструкции:

• Арочная ферма — стержневая система, работающая как арка.
• Арочный свод — объёмная конструкция из камня, кирпича или бетона.
• Арочный мост — мостовая конструкция с арочными пролётами.
• Арка-portal (портальная арка) — цельная рама П-образного сечения.

¶Расчёт и статика

Основное достоинство арки — работа преимущественно на сжатие, что позволяет использовать материалы с невысокой прочностью на растяжение (камень, кирпич, бетон). Форма идеальной арки под равномерно распределённой нагрузкой приближается к линии давления (фунаментале). Если реальная форма арки отклоняется от линии давления, возникают изгибающие моменты.

Распор — горизонтальная составляющая реакции опор — является основной проблемой арочных конструкций. Способы его восприятия:

• Контрфорсы — массивы кладки по сторонам арки.
• Аркбутан — наружная арка-подпорка, передающая распор на отдельные пилоны; изобретён в готической архитектуре.
• Затяжка (стяжная балка) — горизонтальный элемент, замыкающий основания арки.
• Монолитный контур — в современном железобетонном строительстве распор воспринимается совместной работой конструкций.

¶История

Первые арки известны с III тысячелетия до н. э. — они применялись в Древней Месопотамии и Египте. Расцвет арочной конструкции пришёлся на Древний Рим: римляне создали полукруглые арки, купола (Пантеон, I век н. э.) и акведуки, включая трёхъярусный Пон-дю-Гар во Франции. Римские инженеры первыми системно применили бетон в сочетании с арочной кладкой.

В византийской архитектуре арка стала основой конструкции храма с куполом на парусах. Готика (XII–XVI века) развила стрельчатую арку и аркбутан, позволившие строить лёгкие высокие соборы с крупными окнами. В России арочные конструкции широко применялись в мостовом и подземном строительстве, а также в гражданской архитектуре — например, в Китай-городе и Кремлёвских стенах.

В XIX веке появились металлические арочные мосты и фермы. XX век принёс арки из сборного и монолитного железобетона, а также тонкостенные оболочки-арки (Эйфелева башня использует арочную конструкцию в основании). Крупнейшей арочной конструкцией XX века считается стадион «Лужники» в Москве (1956) с пролётом арочной фермы кровли около 160 м.

¶Применение

• Гражданское строительство — арочные проёмы окон и дверей, порталы, лоджии.
• Мостостроение — арочные мосты из стали, железобетона и камня.
• Промышленное строительство — тоннели, подземные гаражи, ангары.
• Декоративное и монументальное — триумфальные арки (Парижская Триумфальная арка, 1836), городские ворота.
• Специальные сооружения — плотины, гидротехнические тоннели, космические ангары.

¶Интересные факты

Римский Пантеон (125–128 гг. н. э.) имеет купол диаметром 43,3 м — крупнейший бетонный купол мира на протяжении более 1300 лет. Стрельчатая арка готических соборов позволяет перекрывать пролёты до 15 м без промежуточных опор. В XX веке инженер Хайс Дудек разработал тонкостенную арку-оболочку, а Феликс Канделя — арочные конструкции из предварительно напряжённого бетона.

История архитектуры: от античности до наших дней (под ред. В. И. Пилявского) Строительная механика: учебник для вузов (С. П. Варфоломеев) Инженерные сооружения: справочник (Г. П. Передерий) История мостов (Дж. Гордон)