АРОЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Содержание статьи

• Происхождение, история, физические свойства и виды арок.
• Происхождение и природа арок
• Физические свойства
• Распределение сил
• Расчет арок
• Нагрузки
• Геометрический расчет арки
• Статический расчет
• Виды арок, дополнительные элементы
• История арок
• Акведуки
• Мосты
• Аркады, как основа сооружения
• Влияние арок на архитектурные стили
• Арки индустриального периода

АРОЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Происхождение, история, физические свойства и виды арок.

Арка – одна из древнейших архитектурных форм, на заре цивилизации она не была просто перекрытием, она несла в себе ритуально-символический смысл. Слово «арка» происходит от латинского «arcus» – дуга, но существует версия, что слово происходит от ивритского «арука», что означает «длинная, тянущаяся». С развитием каменного зодчества, арки приобрели повсеместный характер и стали частью многих типов сооружений. Сегодня арка является популярным декоративным элементом, подчеркивающим изящность и одновременно монументальность объекта, наряду с этим они заняли нишу в промышленном строительстве и стали неотъемлемым элементом многих хозяйственных построек.

Так как же появился столь прекрасный и незаменимый элемент? Откуда человек смог его почерпнуть? Какие схожие конструкции присутствуют в архитектуре и природе? Как развивалась и трансформировалась арка в ходе истории, и какие приобретала значения для человечества? Люди часто забывают о значимости обыденных вещей и редко задумываются о происхождении, на первый взгляд привычного и естественного. Потому-то и стоит периодически освещать простые, знакомые каждому и давно забытые как проблема, вещи и явления.

Изучение арок, как основного элемента храмовой и соборной архитектуры, а так же, и как отдельно стоящего произведения монументальной архитектуры – триумфальной арки, занимает в истории искусств огромное место. Применение арок как пролетов или несущих конструкций имело повсеместный характер уже в начале нашей эры, а оформление арочной конструкцией входа и окон – с 10 по 15 века являлось каноническим и предопределяло становление архитектурных стилей. Возможность распределять нагрузку всего здания на одни лишь арки сыграла роль в становлении и развитии искусства постройки готических соборов, и способствовала появлению в них витража. Особое место арочный пролет занимает в мостострое, ведь именно благодаря этому элементу было создано огромное количество переправ. Сейчас же при помощи арочного принципа можно с легкостью создать покрытия промышленных, сельскохозяйственных и общественных зданий пролетом от 12 до 100м. Это могут быть ангары и складские помещения, спортивные и торговые комплексы, различные кровельные системы. Виды и формы арок, их назначение, а так же сооружение, в которых они применяются, достигли необыкновенного разнообразия и, скорее всего, пришли к кульминационному моменту развития, продолжая свой длинный исторический путь.

Происхождение и природа арок

Как же человек пришел к такой несокрушимой и долговечной конструкции, которую легко соорудить из природных материалов, создав прочную опору для всего сооружения?

Скорее всего, люди заметили эту форму в природе, окружающей человека испокон веков. Арки были всегда на виду у человека – это и вход в пещеру, и грот, и склоненные друг к другу деревья, и радуга, и полукруг заходящего солнца. В мире встречаются необычные и причудливые природные арки. Они разбросаны по свету и присутствуют на каждом материке. Эти гигантские естественные шедевры вырезаны из твердых скал, под влиянием воды, ветра и солнца.

Некоторые из них возвышаются на десятки метров над землей, в то время как другие едва сформированы и почти незаметны, но в любом случае их объединяет одно – все эти красивые естественные формирования обладают уникальной формой арки. Примеров таких явлений бесконечное множество, так что придется привести лишь наиболее монументальные и известные арки. Это  Лондонская арка на побережье южной Австралии, гора Слоновий хобот, расположенная на побережье реки в южном Китае, утес Персе в Квебеке в восточной Канаде, Дердл-Дор – выступ на северном побережье Великобритании, Лазурное Око на западном побережье мальтийских островов. Радужный мост и Изящная арка находятся в США в штате Юта, где располагается целый национальный парк арок. В парке находится более 2000 природных арок из песчаника, а так же множество других ландшафтных образований. Он имеет площадь 309 кв. км и находится неподалеку от города Моаб. А самой большой на данный момент считается арка, расположенная в Китае, – мост Фей, пролет которой около 120 метров. Подобные, сформированные природой, арки можно встретить и в России: гора Кольцо в окрестностях Кисловодска, грот Дианы в мысе Лермонтова, Арка Стеллера на дальневосточном побережье, скала Золотые ворота близ массива Кара-Даг и др.

У людей первобытного мира арка принимала участие в ритуалах и, скорее, служила символом, в который вложен особый смысл, ведь через нее можно пройти. Например, у некоторых племен центральной Африки существует обряд, согласно которому, что бы мальчик стал мужчиной, он должен на несколько дней отправиться в лес и выжить там. Племя строит из веток арку на окраине леса, юноши, которые должны доказать, что уже готовы повзрослеть, уходят через арку в чащу, а оставшееся в деревне племя, начинает их оплакивать. Когда же те вернуться, то считаются уже зрелыми и готовыми к жизни мужчинами. Так же, пигмеи верят в существование бога радуги и, когда она, наконец, появляется, они, выражая желание общаться с ним, берут лук и стреляют в радугу. У римлян, где богом ворот и дверей был двуликий Янус, проход через ворота, по сторонам которых находились алтари Януса и Юноны, символизировал переход из одного возраста в другой. Значение ворот в религии Древнего Рима не ограничивалось обрядом юношеской инициации, но также было своеобразным способом очищения от зла. Арка была символом небосвода, у греков она обозначала Зевса, у римлян – Юпитера, а 35 арок символизировали дорогу жизни. Арки участвовали и в ритуале чествования и освящения победы. Триумфальные арки в конце концов наводнили всю Италию. Они были символом, увековечивающим победы. Однопролетные, глубокие, массивные арки на Руси были городскими воротами, защищающими от врагов, но в мирное время служили точкой отправления ритуальных шествий, так например, у главных ворот встречали масленицу и поедали блины. Дуга была и обтекаемым, динамичным элементом, присутствуя в конской упряжке. Важным является присутствие арки в обряде кумования на троицу. По обычаю, нужно сплести верхушки двух молодых, стоящих рядом берез, и, пройдя через получившуюся арку, обняться и поцеловаться – покумоваться. После этого девушки становились неразлучными подругами, и их не должны были посещать ссоры. Таким образом, арка, как символ, элемент быта, инструмент обрядов присутствует у различных народов и цивилизаций и играет важную роль в их жизни и культуре.

Физические свойства

Распределение сил

Суть работы арки можно представить на следующем простом примере: любая прямолинейная балка под воздействием нагрузки будет прогибаться. Происходит это потому, что под действием нагрузки в поперечных сечениях балки возникают продольные сжимающие и растягивающие напряжения. При этом в верхней части сечения действуют сжимающие напряжения, а в нижней части – растягивающие напряжения. Под действием этих напряжений верхняя часть балки сжимается, а нижняя – растягивается. В итоге, после прогиба балки, получается как бы перевернутая арка. Но если взять балку, уже имеющую некоторую кривизну оси, относительно большую по сравнению с пролетом, и перевернуть ее, то мы получим нечто, напоминающее арку. Такая теория касается арок, выполненных из цельного пласта материала. Совершенно другая идея лежит в основе арок, собранных из отдельных элементов, чаще всего, каменных. Сегменты выточены в виде усеченных клиньев, так что, опираясь друг на друга, они последовательно предают нагрузку, идущую сверху, соседнему сегменту, пока та вся не перейдет в опоры. Так что, если материал арки и опор имеет соответствующую прочность, то при повышении нагрузки арка лишь становится плотнее и крепче, это увеличивает срок ее службы и улучшает устойчивость.

Расчет арок

Расчет арок производится по правилам строительной механики. Начинают с замера и учета всех нагрузок, таких как масса самой арки, снеговая и ветровая нагрузки, а также прочие нагрузки, связанные с использованием помещения. После чего можно переходить к расчетам, которые выполняются в следующем порядке:

геометрический расчет арки;
статический расчет;
подбор сечений и проверка напряжений;
расчет узлов арки.

Нагрузки

Приходится учитывать, что нагрузки, действующие на арку, могут распространяться равномерно, на всю площадь поверхности, а могут быть сосредоточенны в отдельных местах. Например, точно постоянной и равномерной нагрузкой можно считать давление от массы покрытия и самой арки. К ним чаще всего добавляют условно полученный запас прочности, равномерно распределенной по длине пролета. Для определения массы арки используют коэффициенты собственной массы kсв = 2…4, который зависит от массы покрытия gn, снега p, других нагрузок и присутствует в выражении

Снеговую нагрузку р так же условно считают равномерно распределенной по длине пролета покрытия и определяют по нормам нагрузок и воздействий. Стрельчатые арки в этом случае принимают за треугольные, а для сегментных арок вводят определенные коэффициенты. Ветровую нагрузку q и считают приложенной нормально к поверхности покрытия и определяют так же по нормам нагрузок и воздействий. При этом для упрощения расчета криволинейные эпюры этой нагрузки можно заменять прямолинейными, а стрельчатые так же заменяют треугольными. Сосредоточенные, временные нагрузки Р включают в себя массу подвесного оборудования, или оборудования, находящегося на покровах пролета, и временных нагрузок на нем.

Геометрический расчет арки

Он заключается в определении всех размеров, углов и их тригонометрических функций полуарки, необходимых для дальнейших расчетов. Исходными данными при этом являются пролет l, высота f, а в стрельчатых арках также радиус полуарки r или ее высота f.

Статический расчет

Если рассматривать трехшарнирную арку, то опорные реакции состоят из вертикальных и горизонтальных составляющих. Причем вертикальные реакции определяют так же, как в свободно опертой балке, из условия равенства нулю моментов в опорных шарнирах. Горизонтальные реакции, которые называют распором, определяют из условия равенства моментов нулю в коньковом шарнире. Продольные и поперечные силы можно определять только в сечениях у шарниров, где они достигают максимальных величин, что необходимо для расчетов узлов. Полученные результаты сводят в таблицу усилий, по которой затем определяют максимальные расчетные усилия при основных наиболее не выгодных сочетаниях нагрузок.

Подбор сечений и проверка напряжений производятся по максимальным значениям расчетных усилий. При этом ветровые нагрузки учитываются только в тех случаях, если ветер более чем на 20% увеличивает расчетные усилия. Так же производится ряд проверок, на прочность, устойчивость к деформациям.

После глобальных расчетов выполняется анализ узлов арки, как опорных, так и замковых, если они есть. Производится проверка узла на смятие и устойчивость к горизонтальным нагрузкам.

Виды арок, дополнительные элементы

Все это происходит, потому что на опорах появятся не только вертикальные реакции, но и горизонтальные, которые называются распором. Именно распор в каждом сечении арки создает момент, противоположный по знаку моменту от внешних нагрузок, что и позволяет их существенно уменьшить, а в некоторых случаях свести к нулю. В случае чрезвычайно больших сил распора между опорами добавляют затяжку, которая проходит через весь пролет, и принимая на себя излишки распора, укрепляет, таким образом, все перекрытие. Затяжка может располагаться в центре опор, а может быть подпольной, или приподнятой. Сами опоры так же могут иметь абсолютно различную форму и функцию. В 40–50 годы 19 века, вскоре после изобретения проката металла и заклепочных соединений для несущих конструкций, стали применяться стальные арки. Это позволило отказаться от тяжелых, дорогих и более трудоемких каменных арок. Появились новые возможности закрепления и усовершенствования арочных конструкций. Для уменьшения различных колебаний, вызванных осадкой опор, сменой распределения нагрузки, изменениями температуры или других условий, влияющих на материал, в арку включают шарниры. Их добавляют в месте соединения арки с опорами. Как правило, посредине арки (в самом высоком месте) добавляется еще один шарнир. Этот центральный шарнир называется замком арки. По этому принципу возникает деление на трехшарнирные, двухшарнирные и бесшарнирные. У трехшарнирных арок , по сравнению с бесшарнирными есть преимущества: они статически определимы, то есть все их реакции опор могут быть определены уравнениями равновесия, они нечувствительны к неравномерным осадкам опор и колебаниям температуры. Но вместе с этим наличие шарниров увеличивает вес и сложность конструкции. Исходя из перечисленных выше плюсов и минусов, чаще предпочтение отдают двушарнирным аркам. Независимо от всевозможных усовершенствований арки имеют длину пролета и высоту (стрелу) подъема. Пролет и стрела подъема обычно определяются технологическими и архитектурными требованиями. В зависимости от соотношения стрелы подъема (f) к пролету (l) арки можно разделить на пологие (1/10 < f /l < ¼) и высокие (или подъемистые) (1/4 <  f /l < 1). Так же арка имеет определенное очертание – кривую арки. Такой кривой является кривая давления, которая характеризуется тем, что от заданной нагрузки в любом сечении арки изгибающие моменты равны нулю. При этом необходимо учитывать вес самой арки. В случае с пологой аркой нагрузку принимают равномерно распределенной по пролету, так что кривая давления представляет квадратную параболу, но для простоты построения ее принимают за дугу окружности. У подъемистых арок нагрузку собственного веса принимают распределенной равномерно по длине дуги. Помимо веса самой конструкции сооружения на арку приходятся и нагрузки внешних сил, например ветра. Если это играет большую роль, то после составления кривых давления побочных сил кривую давления арки строят по возможной средней кривой. Исходя из всех расчетов, а так же архитектурных и технических требований арки бывают совершенно разных форм и размеров, они могут быть с затяжкой и без нее, с опорами различных видов и из весьма разнообразных материалов.

а) двухшарнирная (ось арки описывается уравнением окружности);

б) трехшарнирная, статически определимая арка;

в) арка с затяжкой на опорах;

г) арка с затяжкой выше опор;

д) арка сквозного сечения (такую арку можно рассматривать как две отдельные арки с затяжками);

е) арка переменного сечения;

ж) параболаобразная арка (ось арки описываемые гиперболой);

з) стрельчатая арка (ось арки описывается двумя уравнениями окружности), окружности пересекаются в ключе или замке арки;

и) арка ломаного профиля;

к) треугольная арка.

История арок

Акведуки

История арок насчитывает уже более двадцати пяти веков и за это время многое изменилось, конечно, кроме принципа их действия. Уже в третьем веке до н.э. в Азии у шумеров строились храмы с применением арочных сводов. Но одними из самых ранних достоверных находок археологов являются акведуки. Эти сооружения состояли из целых систем арок и простирались на большие расстояния. Водопроводы занимали особое место в благоустройстве городов, рост которых требовал все большего количества питьевой воды. Подававшаяся с холмов и других высоких окрестностей в городские резервуары вода протекала по каменным, оштукатуренным особым гидроизоляционным раствором, каналам, которые поддерживались арочными конструкциями. Самым древним известным акведуком можно считать акведук Джерванский в Ниневии (столица древней Ассирии), построенный в 700 до н.э. Его арки достигали высоты пяти метров и были выполнены из камня. Акведук Аква Клавдия был сооружен в 311 до н.э. Аппием Клавдием. Он подавал до 200 куб. м воды в сутки и протягивался на 60 км от гор до Рима. Его аркады из туфа и травертина с пролетами около 15 м опирались на столбы-опоры высотой до 20 м. В своей Естественной истории древнеримский писатель и ученый Плиний Старший записал: «Ничего более удивительного не было во всем мире». В комплексе акведука присутствовали Большие ворота. Эти двухарочные ворота являлись частью акведуков Аква Клавдиус и Анио Новус, построенных императором Клавдием над Пренестинской и Лабиканской дорогами. Грандиознейшим творением по праву можно считать акведук в Сполетто. Его длина составляет 206 метров, а высота 81. Он соединяет центр города с вершиной ближайших холмов.

Мосты

Другим типом сооружений с применением арки является мост. Самым древним мостом можно считать, возведенный при правлении Октавиана Августа в 45 году до н. э. , Римский мост в Кордове. Кордова является одним из самых древних городов в Испании, так как история города начинается со времен пребывания здесь древних римлян. Но до наших дней дошли сооружения первых жителей этого города. Одним из таких напоминаний является Римский мост. Это монументальное сооружение располагается в центре города, длина моста, представляющего собой конструкцию из 16 арочных пролетов, составляет 250 метров. Мост являлся важным стратегическим объектом, ведь он был единственной переправой через реку Гвадалквивир, и являлся отрезком Августовской дороги, которая соединяла Рим и Кадис. Это не единственная, присутствующая на дороге, конструкция, основанная на арочном принципе. Венцом Августовской дороги была Арка Августа. Это древнейшая римская арка в северной части Италии, сохранившаяся до наших дней. Один большой проем, ширина которого около девяти метров, перекрытый полуцилиндрическим сводом. Этот элемент архитектуры был заимствован у этрусских мастеров во времена зарождения римского государства и римской архитектуры.

В Китае мосты находились на особом положении и несли символический характер. Они могли служить не только переправой через водную преграду, но так же и украшать сады. В контексте ландшафта мосты несли в себе образ луны или заходящего солнца. Верх совершенства — мост Луны, мост с аркой правильным полукругом. Вместе со своим отражением в воде он образует совершенный круг. Но в культуре Древнего Китая присутствуют и серьезные сооружения. Самый древний в мире известный историкам однопролетный каменный мост, который сохранился и по сей день функционирует, – это мост Чжаочжоу («Большой каменный мост») в провинции Хэбэй. Мост соорудили в 610 году под руководством архитектора Ли Чуня и дошел до нас практически без изменений, если не считать декоративных элементов, которые, конечно же, меняли. Длина центральной арки составляет 50 м, по бокам от нее построены небольшие дополнительные пролеты, позволившие существенно уменьшить вес сооружения и сделать его устойчивым к наводнениям. В Европе такую технику мостостроения освоили только в 14 веке. Мост имеет настолько непревзойденное сочетание легкости и прочности, что выдержал десять разрушительных наводнений, множество землетрясений, последнее из которых было силой в 7,2 балла, а так же несколько войн и восстаний. Другой древнейший арочный мост сохранился в пригороде Пекина. Мост Лугоуцзяо служит переправой на реке Юньцзинь уже более 900 лет. Длина построенного из гранитного массива моста равна 260 м. Мост стал известен во всем мире благодаря венецианскому путешественнику Марко Поло, пораженного красотой моста и описавшего его в своих путевых заметках. Поэтому мост называют также мостом Марко Поло.

Аркады, как основа сооружения

Арки идеально подходят для создания отдельных конструкций, или используются как элемент сооружения, но существуют примеры зданий, в которых арочный принцип взят за основу.

Одним из самых известных и будоражащих воображение памятников архитектуры являются сады Семирамиды. Огромный четырехуровневый сад был устроен в форме пирамиды длиной около сорока метров. Вся конструкция висела на 25-метровых колоннах. В основании каждого яруса лежали каменные плиты, покрытые слоем камышей, а затем асфальтом и свинцовыми пластинами. Подобная система прослоек позволяла сажать разнообразные растения без ущерба зданию. Для дополнительной гидроизоляции прокладывали двухслойную кирпичную кладку. Поверх этой системы слоев насыпалась земля, в которую и сажали сотни разных растений. Висячие сады Семирамиды можно считать первым в истории ботаническим садом. Вода подавалась на верхний уровень с помощью насоса, а оттуда ручейкам и водопадам стекала на нижние этажи. Огромное сооружение, состоящее из аркад, погубил природный катаклизм – наводнение. При постройке предполагалось, что высокие колонны смогут защитить сад от воды, но она размыла основания колонн и сооружение рухнуло.

Другое и не менее известное сооружение, состоящее из аркад, это Колизей, крупнейший и наиболее знаменитый из римских амфитеатров. Колизей был заложен императором Веспасианом в 75 и торжественно открыт его сыном Титом в 80. Перестройки и ремонты, необходимость в которых возникала из-за пожаров или землетрясений, продолжались здесь до начала 6 в. К 523 относится последнее упоминание о проведенной травле диких зверей, а гладиаторские игры были запрещены еще в 404. Несмотря на то, что в последующие эпохи Колизей многого лишился из-за плохого присмотра, землетрясений и, главное, строителей, растаскивавших здание на камни, более трети внешних аркад уцелели до наших дней. Сейчас насчитывается до 80 арок. Колизей имеет в плане эллиптическую форму, длина его большой оси 188 м, малой – 155,5 м. Наружная конструкция, имеющая высоту 48,5 м, образована тремя ярусами аркад, поверх которых находится еще один сплошной, прорезанный небольшими прямоугольными окнами. В каждой из аркад некогда было по 80 арок. Многочисленные входы вели через нижнюю аркаду внутрь Колизея. Внешняя стена, равно как и внутренний каркас, вплоть до третьего яруса, были сооружены из крупных блоков травертина, скрепленных бронзовыми связями. Прочие элементы были возведены из более мягкого камня, бетона и кирпича.

Таким образом, арочные конструкции позволяют сооружать масштабные здания, делая их устойчивыми к ветрам, землетрясениям, повышая долговечность строения.

Влияние арок на архитектурные стили

В Европе применение арочных конструкций начинается с развитием Римской империи. Римляне во многом унаследовали архитектурные традиции этрусков, в том числе и циркульную арку. Именно этот элемент позволил создавать множество общественных сооружений, административно-бытовых комплексов. Вплоть до середины 2 в. до н.э. активно строятся акведуки, каналы и базилики. Арочная конструкция позволила не беспокоиться о весе здания, что повлияло на выбор материала. Теперь здания стали строить не только из вулканических пород, – пиперина и травертина, – но и из более массивного мрамора. Арки попадают в светскую архитектуру, так появляется здание городского архива – Табулариум. Оно построено в 78 до н.э. и имеет фасад, образованный двумя аркадами. Так же римляне подарили миру такое архитектурное сооружение, как триумфальную арку.

В конце 10 в. в архитектуру плавно приходит романский стиль. Вместе с крахом Римской империи централизованное государство исчезает, и местным феодалам приходится защищать свои владения самостоятельно. Поэтому в период романской архитектуры главными типами постройки являются храм-крепость или замок. Постройки несут в себе оборонительную функцию, что способствует увеличению толщины стен и высоты храмов. Основным элементом для оформления окон и проходов остается арка. Важным новшеством является замена кессонного потолка сводами. Такой элемент появился из-за массивности здания и необходимости распределить его вес, с чем и справлялись сводчатые потолки. К тому же, так небольшие помещения замков казались просторней. Примером романской архитектуры может служить аббатство Клюни, построенный в 910 в Бургундии. С точки зрения архитектуры его отличает сложное решение восточной части. Особенностью является пирамидообразное нарастание конструкции, а так же большое количество рельефов на фасадах здания. Все окна первоначально были образованы полуциркульной аркой. Поражает и высота нефов, добиться которой стало возможным благодаря арочным перекрытиям и сводам.

Вскоре, с ростом городов, оборонительные функции возлагаются на стены города. Начинается эпоха рациональности, интеллектуальности. Центром города, жители которого – ремесленники, становится собор, но уже готический, и площадь. Так как собор должен вмещать большое население города и ему больше не нужно быть крепостного типа, с толстыми стенами и маленькими окнами, то приветствуются просторные, легкие, светлые конструкции. Так в 1137 аббат Сюжер решает перестроить главный храм – собор Сен Дени, для вмещения всех паломников. Читая книгу V в. Дионисия, где сказано: «Бог есть свет», и восприняв эту фразу буквально, Сюжер решает создать новую конструкцию. В Париж были приглашены две школы: Бургундская, применяющая стрельчатые арки, и Нормандская, пользующаяся крестовыми сводами. Таким образом, в сочетании двух школ возникает совершенно новая готическая концепция собора. Восточную часть было решено оформить большими окнами, чтобы в конце утренней службы в собор пробивалось восходящее солнце, что символизировало появление Бога после молитв. Для большей материализации света было решено пропускать его через цветные стекла, – так встало на путь стремительного развития витражное дело. Собор Сен Дени сыграл огромную роль в укоренении готики.

Основным принципом в готической архитектуре является каркасная структура здания. Масса центрального нефа распределяется на внутренние арки и наружный открытый каркас. Так как в арках, образующих центральный неф, возникают большие силы распора, их было решено компенсировать дополнительной системой арок – аркбутанами, находящимися снаружи здания. Благодаря этому «скелету» конструкция становится легкой, стены теряют свою толщину, окна становятся просто огромными, у скульпторов появляется возможность обильнее декорировать здание. Поэтому готический собор представляет собой гармоничный синтез архитектуры, скульптуры и декоративно-прикладного искусства. Подобные принципы действуют и в современной высотной архитектуре – небоскреб это по сути тот же каркас, унизанный легкой оболочкой.

Арочная конструкция не просто является основополагающей деталью стиля, форма арки выделяет этапы развития готики. Так, пришедшая из Бургундской школы, стрельчатая арка составляет соответствующую структуру и подчеркивает вертикаль. В лучевидной готике присутствует арка, образованная острой параболой, горизонталей почти нет, чаще отсутствует единство фасада. Отдельно стоит выделить капеллу Сен Шапель в Париже, она почти лишена стен, из-за масштабных проемов основную площадь покрывают витражи. Обилие окон ведет к усложнению иконографии, зритель теряется, таким образом, теряется назидательный характер церкви.

Готика становится вариативной. Позже в архитектуре прослеживается пластичность, ажурность и мягкость, арка становится двояковогнутой формы, это пламенеющая готика. Готика со своими идеями настолько полюбилась архитекторам, что к ней постоянно возвращаются: 18–19 в. это неоготика, а позже некоторые элементы перейдут и в модерн.

Арки индустриального периода

В 19–20 веках арки часто присутствуют как элементы зданий, но не являются чем-то новым или грандиозным. Хотя во многом включения арок поддерживают каноны стилей и эстетически незаменимы, они уже не впечатляют обывателя. Грандиозность и масштабность арки проявилась в таких сооружениях, как мосты или зданий индустриального времени, типа фабрик, заводов, добывающих предприятий. Теперь появилась возможность сооружать арки из кирпича, на основе стального каркаса или из железобетона, что позволило значительно увеличить их размеры пролета и высоты конструкции.

Необходимость в новых мостах возникла с появлением железных дорог и стремительным развитием транспортной системы. Нагрузки на мосты стали огромными из-за тяжести поездов. Промышленная революция подарила нам не только массивные железнодорожные мосты, но и изящные ажурные пешеходные переправы. Ярким примером является первый изготовленный из чугуна в 1781 арочный мост Айрон-Бридж. Он был сооружен в Великобритании через реку Северен. Этот мост был занесен в список ЮНЕСКО как объект Всемирного культурного наследия и по сей день сохранился. А уже в 1850 постоянный чугунный мост появился и в Санкт-Петербурге. Благовещенский мост сооружен  по проекту инженера С.В.Кербедза. Мост имеет длину 250 м и образован восьми пролетами, один из которых разводной. Нельзя не упомянуть об одном из самых больших стальных мостов в мире. В 1932 в Сиднее был построен Харбор Бридж, арочный пролет которого длиной 503 м, поддерживает мостовый переход общей длиной 1149 м. Арка, опирающаяся на массивные башни, позволяет подвесить сам переход на высоте 49 м над поверхностью воды, что обеспечивает проход под мостом любых судов. Идею конструкции заимствовали у моста Хелл-Гейт, построенного в 1912. В проектировки моста участвовали 95 инженеров под руководством архитектора из Брно Густава Линденталя, который вместе с  Генри Хорнбостелом разработал башенные опоры. Но длина пролета моста Хелл-Гейт 298 м, что безусловно не сравниться с самым длинным арочным стальным мостом Нью-Ривер в Западной Верджинии. Его центральный пролет длиной 518 м возвышается над глубоким ущельем на высоте 267 м. Он был построен в 1977 инженерами фирмы «Майкл Вэйкер инкорпорейтед». Внимания заслуживает способ строительства моста. По тросам, натянутым над ущельем между двух башен, ездили на тележках. Трехдюймовые кабели простирались на 1070 м, что позволяло рабочим перемещаться вдоль всей длины конструкции, доставлять детали и материалы в нужное место. В Европе же самым высоким мостом считается мост Джурджевича. Он был построен в 1940 в Черногории. Это бетонный арочный мост очень оригинальной конструкции находится на высоте 172 метров над каньоном реки Тары. Мост Джурджевича состоит из пяти арок, пролет наибольшей арки составляет 116 м. Сейчас для сооружения переправ арочные мосты с большими пролетами применяются редко, так как арочные системы требуют сооружения более массивных опор, довольно трудоемки и являются нетиповыми, а индивидуальными объектами проектирования.

В странах с крупными горными системами в связи с развитием транспортных сетей встала проблема обхождения естественных преград. Стали появляться тоннели, дороги через породу, чуть ли не напрямик соединяющие пункты назначения. В сечении тоннель не что иное, как арка, поэтому по сути это еще одна форма арочной конструкции. Самая развитая страна того времени, столкнувшаяся с этой проблемой, была Англия, где в 1830 тоннель проложили на участке Ливерпуль — Манчестер, протяженностью 1190 м. Вскоре в 1838 был построен тоннель Килсби длиной 2218 м.

Во Франции, Бельгии и Германии также начинают строиться железнодорожные тоннели. В 1845 итальянское правительство приступило к строительству тоннеля у перевала Мон-Сени в Альпах под руководством бельгийского инженера Мозу и геолога Зизмонди. Мон-Сенийский тоннель длиной 12 849 м в те годы являлся крупнейшим тоннелем Европы. Первые четыре года работы вели вручную, и в сутки удавалось проходить в среднем 0,63 м породы. С 1861 работы пошли быстрее благодаря использованию в строительстве бурильных пневматических машин ударного действия. С их помощью бурили шпуры, в которые закладывали пороховые заряды. Но по мере прохождения вглубь работали все дальше от входа, из-за чего сокращался приток свежего воздуха. Для решения этой проблемы инженерами были сконструированы мощнейшие по тому времени всасывающие аппараты. Их установили с обоих концов тоннеля, а приводили в действие энергией горных рек. 21 декабря 1870 французские и итальянские рабочие соединили участки своих тоннелей. Тоннель был проложен с высокой точностью. Оба его участка совпали с отклонением всего лишь в 2 см. После пятнадцатилетнего строительства 17 сентября 1871 двухпутный Мон-Сенийский тоннель открыли для движения поездов между Парижем и Турином. Но уже в 1881 по проекту инженера Фавра был построен Сен-Готардский тоннель, протяженность которого 14 984 м.

Длина тоннелей и скорость их строительства росли, так что до Первой мировой войны было проложено 26 тоннелей длиной более 5 км каждый. В Лондоне в 1863 развитие получил метрополитен, который первоначально имел протяженность 3,7 км. Огромное значение для развития метрополитена имел переход в 90-х годах с паровой тяги на электрическую, прекратившую загрязнение тоннелей дымом и копотью. Это привело к быстрому появлению подземных железных дорог во многих крупных городах. А начало сооружения подводных тоннелей относится к 1843, когда завершилось строительство под Темзой в Лондоне тоннеля для движения экипажей и пешеходов инженером М.И.Брюнелем. Тоннель длиной 360 м состоит из двух отдельных проездов шириной каждый по 4,2 м. Они разделены между собой столбами, перекрытыми арками. Строительство этого тоннеля стало возможным благодаря разработанному Брюнелем способу ведения тоннельных работ с использованием проходческого щита. А для железнодорожного движения в 1868 началось сооружение нового тоннеля под Темзой длиной 411 м. Крупнейшим сооружением времени стал подводный тоннель под рекой Гудзон в Нью-Йорке между Мангатаном и Джерслей-Сити длиной 1700 м. Его строительство затянулось на 26 лет в связи с техническими трудностями и окончилось в 1905. Таким образом можно отметить колоссальный прорыв в тоннелестроении в конце 19 в.

Еще одним достижением в строительстве, которым пользуются до сих пор, является бескаркасное арочное сооружение. В 1949 инженер-изобретатель Эдвард Мартин запатентовал революционное, самонесущее арочное сооружение из стали. Так как конструкция представляет собой систему полуциркульных арок, то может выдерживать большие нагрузки с полным отсутствием внутренних опор. Арочные сегменты из стальных гофрированных листов соединяются заклепками, и получившийся тоннель ставится на фундамент. Волнистость основного материала играет роль ребер жесткости, придавая прочность конструкции. Форма арки в сечении дает возможность воспринимать внешние нагрузки. Материал легок и прост в эксплуатации, а скорость сборки и мобильность размещения крайне высоки. Все это позволяет создать арочное сооружение, себестоимость которого существенно ниже и время установки которого также очень небольшое по сравнению со схожими типовыми сооружениями. В 1950 сэр Питер Педерсен и его сын, Питер С.Педерсен-младший, основали производственную компанию в Чикаго, чтобы начать производить этот новый продукт – стальное здание как «Удивительное Сооружение» («Wonder Building»). Такие конструкции используются для возведения ангаров, сельскохозяйственных станций, зданий торговых центров, выставочных павильонов, спортивных сооружений, заводских корпусов, складов, холодильных камер.

Таким образом, арка является во многом незаменимой конструкцией. Она имеет богатую историю и культурную ценность. Этот элемент зодчества проник во многие сферы строительства, зачастую делая возможными немыслимые проекты. Порой арка просто приятна человеческому взору. Но еще она дает возможность отлично распределять силы и нагрузки, порой формируя новые архитектурные стили. Арки можно встретить повсюду, на любом континенте, у любого народа, и даже у самой природы. Так что за этой простотой скрывается удивительный мир возможностей и множество поразительных историй.

Кирилл Петров