Обустройство четверика в православном Храме. Часть I

Декабрь 2016 года

Четверик в православной культуре является основным конструктивным элементов Храма, соединяющий воедино все объемы Храма, переоценить его значимость невозможно.

Возрождение православной культуры на рубеже 20 - 21 веков, ставит перед архитекторами задачи строительства не только малых поселковых храмов, но и величественных соборов. Требования к конструктивным решениям  больших соборов  высоки, стоимость строительных материалов и строительства требует оправданных экономичных решений.

Применение сборного и монолитного железобетона не всегда оправдано как по экономическим соображениям, так и по техническим. Необходимость в дорогостоящем башенном кране, затраты на выставление опалубки на высоте многих десятков метров для заливки бетона, все это наводит заказчиков на мысль вернуться к классическому строительному материалу - кирпичу.

Приступая к проектированию, надо обратиться к  каконам проектирования православных Храмов для выбора пропорций и сечений. Основные конструкции четверика вместе со сводом, центральным барабаном и куполом, создают объем верхнего Храма и требуют детальной проработки.

В настоящей статье мы рассмотрим схему расчета четверика для  храма высотой 45 - 50 метров с классическими пропорциями в плане. Начнем мы рассмотрение с чертежей Академика архитектуры В.В. Стрелова, который опубликовал в 1893 году в журнале "ЗОДЧИЙ" чертежи Церкви, построенной в  Феодоровском женском монастыре во Владимирской губернии.

На рисунке №1 показаны планы четверика и кровли, с элементами кирпичной кладки и выкладки сводов.

Рис. 1

Чертеж Академика архитектуры В.В. Стрелова. План четверика Церкви, построенной в  Феодоровском женском монастыре во Владимирской губернии.

Если проанализировать развитие архитектурной мысли XIIX - XiX веков в разрезе строительства православных Храмов, то надо отметить, что каноническое решение четверика и сводов пришло на Русь из Византии, и получило развитие в части применения конструкционных материалов и методов строительства.

Проектные решения  получили интенсивное развитие во второй половине XIX века, и к началу XX века считалось, что конструкции арок, сводов, парусов и т.п. элементов хорошо изучены.  Примером может быть издание "Арки и своды Сост. В. Р. Бергард. Ч. 1 : Устройство арок и сводов, Вып. 1. - СПб., 1901."

Надо отметить, что архитекторы обычно редко рассматривали вопросы перевязки кирпичной кладки в сложных пространственных конструкциях типа парусов или сопрягаемых арок в своих работах, а сосредотачивались на расчетных схемах/моделях и архитектурных решениях. К сожалению, после 1917 года традиция строительства Храмов прервалась.

Сейчас сохранились разрозненные данные о применявшихся архитектурных решениях и почти не сохранилось данных о методах ведения кирпичной кладки, порядной перевязке кирпичей при выкладке сложных элементов Храмов. В своей статье мы постараемся прояснить некоторые моменты, которые стали нам ясны при разработке проекта Храма в Санкт-Петербурге с кирпичными сводами, и которые на наш взгляд могут быть интересны читателям.

Новый проект был выполнен нами  по классической схеме с соблюдением канонических пропорций. Ниже показана классическая планировка  помещения верхнего Храма в плане. 

Рис. 2

Четверик православного храма в плане

При классической компановке, посетители Храма проходят через центральный вход под колокольней, проходят под хорами и попадают в центральное помещение - четверик. В данном проекте перекрытие выполнено из железо-бетона, а стены и колонны четверика выполнены из полнотелого кирпича. Все арки (малые подпружные и центральные), паруса, барабаны (центральный и малые) тоже выполнены из кирпича.

В первой части статьи мы рассмотрим основные узлы четверика:

- боковые подпружные арки

- центральные подпружные арки и колонны

- тяги (затяжки)

- выполним подбор размеров закладной для затяжки.

1. Боковые подпружные арки. Расчет, деформация, материалы.

Читатель конечно хочет узнать,  как формируется внутрений объем храма по классической схеме. На рисунке ниже показан разрез классического кирпичного Храма, выполненного полностью из кирпича. Приведенный чертеж Академика архитектуры В.В. Стрелова, был опубликован в 1893 году в журнале "ЗОДЧИЙ".

Рис. 3

Чертеж (разрез)  Академика архитектуры В.В. Стрелова, Церковь, построенная в  Феодоровском женском монастыре во Владимирской губернии.

На приведенной схеме хорошо видно, как были реализованы кирпичные своды арок, узлы сопряжения  арок с колоннами и выкладка сводов.

Барабан и купол, водружаемые  поверх четверика создают большие нагрузки на колонны и арки, воспринимающие эти нагрузки. Передача нагрузок от центрального барабана и купола на колонны четверика происходит через центральные арки и паруса. Колонны передают распирающие нагрузки на боковые малые подпружные арки (которых 8 штук) и на металлические тяги, вмурованные в основания пят центральных арок. Малые подпружные арки передают нагрузки на боковые (ограждающие стены). Вся перечисленная конструкция в нашем случае весила более 350 тонн.

Надо отметить, что все расчеты в XIX веке были приблизительными, носили скорее геометрический, аналоговый характер и при постройке закладывался большой запас прочности (что позволило многим заброшенным Храмам дожить до наших дней без надлежащего ухода). Современные компьютеры позволяют расчетать модель храма с высокой точностью.

К примеру, ниже показаны расчетные модели боковых подпружных арок из кирпича. Боковых подпружные арки разгружаются через боковые стены Храма, поэтому места сопряжения арок и стен  должны быть переложены кладочными сетками каждые два ряда для распределения нагрузки в кладке. Расчеты показаны в кН/м2.

Рис. 4

Горизонтальное напряжение в подпружных арках

Надо отметить, что расчеты показывают, что классическая конструкция четверика может быть работоспособной и без затяжек, - в этом случае нагрузки будут восприниматься боковыми стенами Храма, которые могут иметь толщину около метра.

Рис.5

Вертикальные напряжения в кладке подпружных арок

Однако отсутствие затяжек в центральных арках создает избыточные напряжения в центральных арках и при производстве их из кирпича, желательно использовать тяги, которые воспринимаю нагрузки от центрального барабана и купола и не позволяют передать их на наружные стены.

Рис. 6

Касательные напряжения в подпружных арках

Надо отметить, что несущие колонны четверика  должны быть выложены из полнотелого кирпича марке не ниже 150 на растворе  марки не ниже 100.

При этом в больших Храмах  сечение колонн может быть в пределах 1,5 Х 15 или даже 2,0 Х 2,0 метра. Кирпичная кладка колонн перекладывается кладочными сетками из арматуры ВрI d4 с ячейкой 50х50 мм.  каждые четыре ряда, а в напряженных местах (примыкание арок) каждые 2 ряда. В  месте заделки  тяг рекомендуется перекладывать сетками каждый ряд.

При правильном проектировании, вертикальные перемещения колонн и арок под нагрузкой  будут минимальными.

Рис. 7

Перемещения по вертикали.

К примеру на рисунке №7 показан расчет  центральной арки с пролетом в 9 метров. Величина вертикальных перемещений под нагрузкой (паруса + барабан + купол) при этом составляет  от Uz=0.126133 мм до Uz=-11.0182 мм что допустимо.

Для наглядности, принципиальная схема деформации подпорных арок показана на рисунке №8.

Рис. 8

Принципиальная схема деформации конструкции

2. Расчет главных подпружных арок и кирпичных колонн

Центральные арки воспринимают на себя нагрузку от центрального барабана и купола. Кроме того, в конструкции присутствуют «паруса», которые являясь сложными криволинейными поверхностями существенно усложняют работу конструктора.

Расчет центральных арок в постановке стержневой модели

Исходные параметры арочной перемычки:

  • Пролет – 8,51 м
  • Стрела подъема арки – 3,80 м
  • Толщина арки – 1,55 м
  • Радиус – 4,26 м

Расчетная схема арки показана на рисунке №9.

Рис. №9

расчетная схема арки

Проверка делается для трех вариантов модели:

  • Бесшарнирная арка
  • Арки с 2-ми шарнирами (в опорах)
  • Арка с 3-мя шарнирами (опоры и верх)

Согласно предложенным параметрам, максимальные напряжения в сечении арки (в общей выборке) составляют 1,82 Мпа

По табл.2 СП 15.13330.2012 «Каменные и армокаменные конструкции» подбираем марку камня и раствора.

В нашем случае прочность арочной перемычки заданного сечения (155х103 см) будет обеспечена при минимальной марке камня М150 на растворе М100.

Расчет центральных арок в постановке модели из объемных конечных элементов.

Далее приведены результаты расчетов, полученные для модели из объемных конечных элементов. Они наиболее интересны с точки зрения наглядности.

Рис. 10

Вертикальные напряжения в четверике в применением затяжек

В такой расчетной схеме есть возможность сразу оценивать напряжения в каждой точке кладки, без вычисления раздельных силовых факторов. Кроме вертикальных напряжений надо оценить напряжения по оси Х и У.

При анализе полученных данных, можно сделать следующие выводы:

  1. Расчеты с применением объемных конечных элементов, в целом, не противоречат предыдущим расчетам. Поскольку данный метод содержит в себе наименьшее количество упрощений, его рекомендовано принять за основной при оценке работы элементов четверика.
  2. Наличие затяжек в данном Храме не является технически необходимым, однако существенно выравнивает распределение вертикальных сжимающих напряжений в колоннах.
  3. Расчеты показывают, что центральные колонны имеют напряжения в теле кладки от 1,7 до 3,4 мПа с локальными зонами, в которых усилия доходят до 4.2 мПа. В местах избыточного напряжения необходимо использовать перекладку кладосными сетками для уменьшения напряжения.
  4. Прочность на сжатие неармированной кладки из кирпича М150 на растворе М100 составляет 2,0 мПа. При армировании кладочными сетками несколько больше:
    армирование через 2 ряда - 4,33 мПа, 3 ряда - 3,70 мПа, 4 ряда - 3,28 мПа.
    Исходя из этого, в центральных колоннах четверика необходимо применять следующее армирование – кладочные сетки из арматуры ВрI d4 с ячейкой 50х50 мм. Основное тело колонны – армирование через 4 ряда; опорная часть колонны (2 метра) – через 2 ряда; зона между опорными участками главных и боковых подпружных арок (учитывая действие воздушной связи) – в каждом ряду.

3. Затяжки. Расчет усилий, подбор сечений.

Затяжки исторически ставились в православных Храмах. В зависимости от ширины (глубины) арочного свода который надо было стянуть, могли использовать от одной до трех затяжек, вмуровываемых обычно в основания пят арок. Затяжки нельзя распологать близко к краям стягиваемых сводов, т.к. они могут быть вырваны под нагрузкой.

Нагрузки на затяжки показаны на рисунке №11. Здесь показано две затяжки.

Рис. 11

Усилия в затяжках

К примеру, показанное усилие в затяжке в трехмерной модели - 31 тонна. Примем еще столько же на усилие от изменения температуры.

Получается нагрузка в затяжке 62 тонны.

Сечение затяжки принимаем исходя из норматива: 1 тонна  на 1 см2 стали.

Итоговое сечение затяжки  S =  62 тонны  х 100 мм2 = 6200 мм2. Обычно используют стальные полосы подходящего сечения. Если затяжки две (двойные), то получаем сечение каждой затяжки 3100 мм2.

4. Подбор размеров закладной для затяжки.

Мы ограничены напряжениями 2,0 мПа для кладки из камня М150 на растворе М100. Для железобетона напряжения будут другими и расчеты по ним мы покажем в другой статье.

Применим одинарную затяжку. Усилие в затяжке в трехмерной модели - 31 тонна. Примем еще столько же на усилие от изменения температуры.

Общее усилие, которое должна воспринять закладная в теле колонны - около 60 тонн в плоскости арки.

На одну закладную будут действовать нагрузки от двух связей под углом 90 град руг к другу, то есть, равнодействующая сила будет направлена к центру здания и составит 84,9 тонны. Для предотвращения смятия под действием этого усилия, необходима минимальная площадь давления на кладку - 84,9/20=4242 см.кв.

Считаем, что закладная представляет собой цилиндр, давление от связи она передает половиной боковой поверхности.

Соответствующую площадь боковой поверхности имеет цилиндр диаметром 16 см и длиной 170 см. Цилиндр может быть заменен на квадратную трубу, с сечением  аналогичных габаритов.

Типовое решение узла:

Рис. 12

Крепление закладных в колоннах четверика.

Надеемся Вам была полезна наша статья. Во второй части статьи мы рассмотрим конструктивные решения элементов Храма.

Продолжение статьи "Обустройства четверика православного Храма Часть II".

Коллектив компании "Питер Девелопмнет".

При перепечатке ссылка обязательна.

Комментарии





ПРАВИЛА КОММЕНТИРОВАНИЯ:

Просим в комментариях придерживаться темы обсуждения.

Все комментарии, не относящиеся к теме обсуждения, будут удаляться без предупреждения.
Комментарий удален модератором
Комментарий удален модератором